"Jól tervezett" biomolekulák A földi élővilág szerves kémiai alapjai Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011 "Jól tervezett" biomolekulák A földi élővilág szerves kémiai alapjai Dr. Nagy József

Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011 Témakörök: Az élő sejt, mint kémia reaktor A legfontosabb biomolekula típusok Miért szénvázas vegyületek a biomolekulák Honnét származnak a szerves molekulák Hogyan jöhetett létre az élet

Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 1. Mi jellemző az élő sejtre, mint kémiai reaktorra: Stabil, de nem statikus állandó állapot Állandó változás – folytonos kémiai reakciók, de közel változatlan kémiai összetétel Termodinamikai (energetikai) dinamikus egyensúly

Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 2. Állandóság, de változékonyság = homeosztázis Önfenntartó kémiai körfolyamat rendszer Kémiai körfolyamatok (pl. Citrát-ciklus) Anyagcsere

Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 3. Szükséges feltételek Határfelület = szelektív anyagtranszport Biokatalizátorok = megfelelő reakciósebességek

Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 4. Energetika: Tápanyag (S) – végtermék (T) energiakülönbség Változó tápanyagellátás: Tápanyagraktár (R) G

Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 5. Változó környezeti feltételek Reprodukció – szaporodás - elmúlás Alkalmazkodás – változóképesség - evolúció

A legfontosabb biomolekula típusok – 1. Lipidek Trigliceridek = energiatárolás Foszfolipidek = hártyaképzők triglicerid foszfolipid glicerin zsírsav foszforsav szerin

A legfontosabb biomolekula típusok – 2. Energiaforrás - ipar Szénhidrogének: földgáz (CH4), kőolaj (CnH2n+2) Gyökös reakciók, magas hőmérséklet, nyomás, gáz halmazállapot: CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 = n CO2 + n+1 H2O

A legfontosabb biomolekula típusok – 3. Energiaforrás - biokémia Zsírsav: Cn-1H2n-xCOOH (n = 12, 14, 16, 18, x = 1, 3, 5, 7) Ionos reakciók, környezeti hőmérséklet, vizes oldatban Mitokondrium: biokémiai erőmű Részfolyamatok: -oxidáció (szénlánc darabolás): C15H31COS-KoA + 7 H2O + 7 HS-KoA + 7 FAD + 7 NAD+  8 CH3COS-KoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+ Citrát-ciklus (szén-dioxid képződés): 8 CH3COS-KoA + 16 H2O + 8 HPO42- + 8 GDP + 8 FAD + 24 NAD+  16 CO2 + 8 GTP + 8 FADH2 + 24 NADH + 24 H+ Terminális oxidáció („hidrogén-égetés” – fő energiatermelés): 15 FADH2 + 31 NADH + 31 H+ + 23 O2 + 123 H2PO4- + 123 ADP  15 FAD + 31 NAD+ + 46 H2O + 123 ATP + 123 H2O

A legfontosabb biomolekula típusok – 4. Mitokondrium: biokémiai erőmű C15H31COS-KoA + 23 O2 + 131 H2PO4- + 8 GDP + 123 ADP  16 CO2 + 15 H2O + HS-KoA + 8 GTP + 123 ATP + 131 H2O Emberi ATP termelés: 30-40 kg/nap ehhez kb. 15 dkg palmitinsav „elégetésére” van szükség

A legfontosabb biomolekula típusok – 5. Foszfolipid hártyák - kialakulás Önszerveződés: van der Waals erők Kérdés: mi stabilizálja a hártyákat? van der Waals erők – túl gyengék Kovalens kötés – túl merev Ionos kötés – erős, de a mozgékonyság megmarad hidrofil hidrofób

A legfontosabb biomolekula típusok – 6. Foszfolipid hártyák - felépülés Miből épül fel a foszfolipid molekula? Diacil-glicerin (hidrofób láncok) Háromértékű sav (foszforsav – negatív töltés) Aminoetanol (forrás a szerin – pozitív töltés) észter-kötés dekarboxileződés metilezés

A legfontosabb biomolekula típusok – 7. Foszfolipid hártyák - szerkezet Komplex szerkezet: fehérjék, mint transzportcsatornák

A legfontosabb biomolekula típusok – 8. Trigliceridek szintézise (energiaraktár felépítés) Építőkövek: acetil-KoA, helyszín: citoplazma 8 CH3COS-KoA + 14 NADPH + 14 H+ + 7 ATP + H2O = C15H31COOH + 8 KoASH + 14 NADP+ + 7 ADP + 7 H2PO4- Kondenzáció (ATP felhasználással) acetil-koenzim-A glicerin triglicerid zsírsav

A legfontosabb biomolekula típusok – 9. Honnét lesz az acetil-KoA? Glikolízis (cukorlebontás) Tejsavképződés (anareob): Alkoholos erjedés (anareob): Acetil-KoA képződés (areob): tejsav (izomláz) D-glükóz piroszőlősav piroszőlősav etanol (sör, bor) acetil-koenzim-A

A legfontosabb biomolekula típusok – 10. Honnét lesz a D-glükóz? Fotoszintézis (napenergia  kémiai energia) 2 H2O  O2 + 2 H+ + 2e- 2 NADP+ + 2 H+ + 2e-  2 NADPH energia 3 ADP + 3 H2PO4-  3 ATP + 3 H2O

A legfontosabb biomolekula típusok – 11. Kloroplasztisz Fotoszintézis (napenergia  kémiai energia) Fényszakasz: 12 NADP+ + 18 ADP + 18 HPO42- + 6 H+  12 NADPH + 18 ATP + 6 H2O + 6 O2 Calvin-ciklus: CO2 beépítés a fényszakaszban előállított kémiai energiahordozók segítségével 6 CO2 + 12 H2O + 12 NADPH + 18 ATP  C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 HPO42- + 6 H+ Bruttó folyamat: 6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 + 6 O2

A legfontosabb biomolekula típusok – 12. Szénhidrátok: Glükóz-raktár: keményítő ill. glikogén (amilopektin) Polikondenzáció Hidrolízis a-D-glükopiranóz amilóz amilopektin glikogén

A legfontosabb biomolekula típusok – 13. Szénhidrátok: Vázanyag: cellulóz (termodinamikai stabilitás) a-D-glükopiranóz b-D-glükopiranóz cellobióz cellulóz

A legfontosabb biomolekula típusok – 14. Bioszféra energetikai körforgalma Összetett ökoszisztéma körfolyamat-rendszere Fotoszintézis: Fényszakasz: O2 termelés Calvin-ciklus: CO2 beépítés Szénhidrátraktár: amilopektin Szénhidrátlebontás: glikolízis Lipidraktár: triglicerid Lipidlebontás Citrát-ciklus: CO2 fejlesztés Terminális oxidáció: O2 fogyasztás napfény NADP+ NADPH H2O O2 ADP ATP amilopektin C6H12O6 CO2 NADP+ NADPH tápanyagcsere légkör NAD+ NADH triglicerid CH3COS-KoA CO2 további életfolyamatok energiaszükségletére ATP ADP H2O O2 NAD+ NADH

A legfontosabb biomolekula típusok – 15. Aminosavak – peptidek - fehérjék 20 féle oldalláncú ikerionos aminosav Apoláros Poláros Savas Bázikus Amfoter Aminosavak  peptidek Polikondenzáció Peptidkötés termodinamikailag stabil fenilalanin szerin glutaminsav arginin hisztidin

A legfontosabb biomolekula típusok – 16. Peptidkötés Planáris Cα mellett a síkok elforognak Rögzített háromdimenziós alak: Globuláris (vízoldható) Enzim Transzport Immun Receptor Fibrilláris (oldhatatlan) Változatos oldalláncok miatt önszerveződéssel létrejövő biológiai funkciónak megfelelő alak

A legfontosabb biomolekula típusok – 17. 1. alegység Magnézium-kation: rózsaszín, Szubsztrát: narancssárga Argininek: piros és kék 3. alegység 2. alegység dUTP-áz enzim szerkezete: Szubsztrát: színes

A legfontosabb biomolekula típusok – 18. Dezoxiuridin-imidotrifoszfát Hidrolízis mechanizmusa

A legfontosabb biomolekula típusok – 19. Nukleinsavak (információtár) Mit kódoljunk? Működtető molekulák szerkezete Peptidek szerkezete (aminosav-sorrend) Hogyan kódoljunk? 4 bázisú – 3 elemes kódrendszer (43 = 64 kód) hordozó: ribóz-foszfát-polimer bázisok: nitrogéntartalmú gyűrűs vegyületek 20 aminosav, start, stop RNS

A legfontosabb biomolekula típusok – 20. Nukleinsavak (információtár) Kódbiztonság? Egy szálú RNS  Két szálú DNS Optimalizálás Két-két bázis egymás komplementere adenin – timin guanin – citozin Kódolás Hidrogénhíd-képző képesség Gyűrűméret

A legfontosabb biomolekula típusok – 21. Nukleinsavak (információtár) Önszerveződés (reprodukció)

A legfontosabb biomolekula típusok – 22. Nukleinsavak (információtár) Replikáció Két szálú DNS  Két db. két szálú DNS Fehérjeszintézis Két szálú DNS (ROM, sejtmag)  egy szálú RNS (program) Riboszóma (hardver, citoplazma)  fehérjeszintézis

Miért szénvázas vegyületek a biomolekulák ? Periódusos rendszer: Elektronegativitás (0,9 – 4,1; középérték: 2,5) Kovalens kötés erőssége F-F: 37 C-F: 116 O-O: 35 C-O: 86 N-N: 39 C-N: 73 S-S: 54 C-S: 65 Cl-Cl: 58 C-Cl: 81 C-C: 83 C-H: 99 C=C: 146 C=O: 179 C N O F 2.5 3 3.5 4.1 Si P S Cl 1.9 2.2 gyémánt

Honnét származnak a szerves molekulák? – 1. Prebiotikus „evolúció”: Urey – Miller kísérlet CO2 + CH4  H2C=O + H2O CO + NH3  HCN + H2O H2C=O + HCN + NH3 + H2O  H2NCH2COOH (aminosav) H2C=O + H2C=O  HOCH2CH=O (glikolaldehid) HOCH2CH=O + H2C=O  HOCH2CH(OH)CH=O (glicerinaldehid) glikolaldehid + glicerinaldehid  pentózok 2 glicerinaldehid  hexózok 2 NH3 + CO2 = H2NCONH2 + H2O H2NCONH2 + HOCH2CH(OH)COOH  uracil Valamint egyszerű zsírsavak, stb.

Honnét származnak a szerves molekulák? - 2. Prebiotikus „evolúció”: Spiegelman kísérlet Élősejt nélküli replikáció – gyors mutáció 74. lombikban egy erre a körülményre specializálódott, gyorsan replikálódó RNS „Spiegelman szörnye” minta minta minta minta Q vírus RNS Q vírus replikációs enzim tápoldat 74. lombik tápoldat

Hogyan jöhetett létre az élet? - 1. Ősmaradványok: Sztromatolit = cianobaktérium 3,5 milliárd éves Eukarióta 1,5 milliárd éves Állat 0,5 milliárd éves

Hogyan jöhetett létre az élet? - 2.

Hogyan jöhetett létre az élet? - 3. Hol jött létre az élet? Archeák: termofilek halofilek anareob metanogének Yellowstone-park: archeák élőhelye

Hogyan jöhetett létre az élet? - 4. Az első kémiai ciklusok, élőlények? Mélytengeri kürtők Vas-szulfid hártyák Agyagásványok, (pl. zeolitok) adszorpciós felület katalizátorok Energiaforrás (geotermikus) Litotróf anyagcsere Redox-rendszer (vas – kén) zeolit Nem bizonyított lehetséges változat

Hogyan jöhetett létre az élet? - 5. További lépések? – 1. Agyagásvány-felületen Peptidszintézis RNS-szintézis Organokatalizátorok Peptidek (enzimek) RNS (ribozimek) Vas-szulfid hártyákon Lipidadszorpció Másodlagos lipid-membrán Metanogén energiaforrás Kemotróf anyagcsere Redox-rendszer (vas – kén) Nem bizonyított lehetséges változat

Hogyan jöhetett létre az élet? - 6. További lépések, első valódi sejtek? Elválás a vas-szulfid hártyáktól Önálló lipid-membrán Auto-katalízis Peptidek (enzimek) segítik az RNS replikációt RNS (ribozimek) segítik a peptidszintézis RNS kódrendszer kialakulás Energiatermelés fejlődése Elszakadás a geotermikus kötődéstől Felszínre kerülve fotoszintézis kifejlődése Autotróf anyagcsere Redox-rendszer (vas – kén) majd (vas – oxigén) Nem bizonyított lehetséges változat

Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011 Köszönöm a figyelmet Dr. Nagy József