1.Bevezetés a biológiába. 1.1 a biológia tudománya Biológia= biosz (görög szó) + logosz (görög szó) élet tan (tudomány) Az élet tana (tudománya) Az élőlényekkel.

Az előadások a következő témára: "1.Bevezetés a biológiába. 1.1 a biológia tudománya Biológia= biosz (görög szó) + logosz (görög szó) élet tan (tudomány) Az élet tana (tudománya) Az élőlényekkel."— Előadás másolata:

1 1.Bevezetés a biológiába

2 1.1 a biológia tudománya Biológia= biosz (görög szó) + logosz (görög szó) élet tan (tudomány) Az élet tana (tudománya) Az élőlényekkel foglalkozó természettudomány

3 Vizsgálati eszközei: Mikroszkópok: - fénymikroszkóp - elektronmikroszkóp: elektronsugár világítja meg és képezi le a tárgyat Vizsgálati módszerei: Képalkotó eljárások: röntgenvizsgálat komputertomográfia (CT) ultrahangtechnika EKG vizsgálat EEG vizsgálat

4 Fénymikroszkóp

5 Elektronmikroszkóp

6 Kromatográf: papírkromatográf

7 Röntgenkészülék

8 Komputertomográf (CT)

9 Agyvelő CT-felvétel

10 Ultrahangvizsgálat

11 EKG vizsgálat

12 EKG görbék

13 EEG vizsgálat

14 EEG hullámok

15 Az élőlények rendszerezés Szükségessége: A több millió élőlényfaj egyértelmű azonosítása miatt A rendszerezés lényege, alapelve: Az élőlényeket bizonyos szempont szerint különböző rendszertani egységekbe soroljuk

16 A rendszerezés szempontja: Önkényesen kiragadott, jól megfigyelhető tulajdonság Pl. Linné a virágos növényeket a porzók száma szerint csoportosította Linné rendszere: mesterséges rendszer A tulajdonságok összessége Természetes rendszer Pl. a fejlődéstörténeti rendszer

17

18

19 Fejlődéstörténeti rendszer Jellemzői: Napjaink rendszere Természetes rendszer A rendszerezés a származási, rokonsági kapcsolatokon alapul, tükrözi az élővilág fejlődéstörténetét ( a törzsfejlődést, illetve a biológiai evolúciót)

20

21 Molekuláris törzsfa

22

23 Rendszertani egységek (rendszertani kategóriák) A rendszerezés különböző szintű csoportjai A magasabb rendszertani egység magába foglalja az alatta levő, egyre kisebb rendszertani egységeket

24 Rendszertani egységek (kategóriák): Faj (Nemzetség Család Rend Osztály Törzs Ország Világ) Pl. barna medve faj < medve nemzetség < medvefélék családja < ragadozók rendje < emlősök osztálya < gerincesek törzse< állatok országa < többsejtű eukarióták világa)

25 Faj fogalma: rendszertani alapegység ( Linné óta) azoknak az élőlényeknek a csoportja, amelyek közös származásúak külső és belső felépítésükben csaknem megegyeznek a természetben szaporodási közösségben élnek és magukhoz hasonló termékeny utódok létrehozására képesek

26 Tudományos fajnév (Linné vezette be): Latin név Két része van: nemzetségre utaló rész + fajra utaló rész pl. Passer domesticus (házi veréb) Ursus arctos (barna medve)

27

28 Feltevés (hipotézis): Egy szerkezet, vagy egy folyamat feltételezett magyarázata (feltételezett magyarázat= nem bizonyított magyarázat) Pl. a DNS 3 láncú szerkezetének a hipotézise Elmélet (teória): Tudományosan megalapozott pl. kísérletekkel igazolt magyarázata egy szerkezetnek, vagy egy folyamatnak Pl. a DNS 2 láncú szerkezetének teóriája

29 Biológiai kísérlet: Életjelenségeket, biokémiai folyamatokat –meghatározott körülmények között idéznek elő –lefolyásuk pontosan követhető Alapfeltétele: –mérhetőség –a kísérlet tényezőit külön- külön tudják változtatni –ellenőrizhetőség (kontrolálhatóság ) Előnye: –tetszés szerint megismételhető Példa a biológiai kísérletre: A nyálamiláz (enzim) optimális működésének a vizsgálata –Egy-egy környezeti feltételt vizsgálunk (a környezeti feltételek a kísérlet változói) Környezeti feltételek: a közeg hőmérséklete, illetve a kémhatása

30 Modellalkotás: Lényege: –a valóság (a jelenségek, képződmények) leegyszerűsítése –olyan eljárás, amely a bonyolult, nehezen tanulmányozható jelenségeket, képződményeket, leegyszerűsíti A modell a jelenségek, képződmények bizonyos elemét (elemeit) tartalmazza Pl. a Donders- féle tüdőmodell (élettani modell) –Az emlőstüdő légcsere- mechanizmusát vizsgálhatjuk vele az ideális populáció (populációgenetikai modell) –A természetes populációk vizsgálatára szolgál

31 Donders- féle tüdőmodell

32 1.2. az élet jellemzői 1. Szerveződési szintek: 2. Életjelenségek

33 1. Szerveződési szintek: Fogalma: az élőlények felépítési egységei Minden magasabb szint magába foglalja az összes alatta levő szintet, ez a hiearchikus szerveződés

34 Fajtái: Sejt alatti szerveződési szintek Sejtszint Egyed alatti szerveződési szintek Egyed szintje Egyed feletti szerveződési szintek

35 Sejt alatti szerveződési szintek: –A biogén elemek, a biogén ionok, biogén molekulák és a sejtszervecskék szerveződési szintjei –Nem tartoznak az élőlények (az élő anyag) szerveződési szintjei közé (mert az élőlények legkisebb alaki és működési egysége a sejt)

36 Sejtszint: –A sejt fogalma: az élő anyag legkisebb már önálló életre is képes alaki és működési egysége (az élő anyag a sejt szerveződésénél alacsonyabb szinten nem létezik!!!) –Számos élőlény napjainkban is az egysejtűség szerveződési szintjén van pl. a prokarióták (baktériumok, kékbaktériumok) az eukarióta egysejtűek (csillósok, amőbák)

37 Egyed alatti szerveződési szintek: –A többsejtű élőlényekre jellemzők –Fajtái: a sejt, a szövet, a szerv, a szervrendszer, a szervezet Szövet: azonos származású, hasonló alakú, felépítésű és működésű sejtek együttese Fajtái: növényi szövetek, állati szövetek Szerv: többfajta szövet építi fel, meghatározott a működése Fajtái: növényi szervek, állati szervek

38 Szervrendszer: azonos működésű szervek együttese Fajtái: állati szervrendszerek, növényi szervrendszerek Szervezet: a növényeknél növényi szervrendszerek, az állatoknál a szervrendszerek képezik minden szervezet egy- egy egyedet alkot

39 Egyed szintje: –Maga az élőlény (az élőlény lehet egysejtű, ekkor csak sejtszint jellemző rá, ha többsejtű, akkor vannak egyed alatti szerve- ződési szintjei)

40 Egyed feletti szerveződési szintek: –Több egyed alkotja –Fajtái: populáció, társulás, (biom) bioszféra Populáció: egy fajnak azok az egyedei alkotják, amelyek adott helyen, adott időben együtt élnek pl. Zalaegerszegen együtt élő fekete rigók Társulás: egy élőhelyen együtt élő populációk összessége pl. gyertyános- tölgyes

41 (Biom: különböző társulások egész kontinensre, vagy óceánra kiterjedő együttese pl. trópusi esőerdő) Bioszféra: a legmagasabb egyed feletti szerveződési szint, a Föld teljes élővilága

42 Az élőlények működő rendszerek, mert életjelenségeket végeznek. Az életjelenségek fajtái: –Önfenntartó (vagy vegetatív) életjelenségek: anyagcsere, mozgás –Önreprodukáló életjelenségek: növekedés, egyedfejlődés, szaporodás, öröklődés –Önszabályozó életjelenségek: hormonális szabályozás, idegi szabályozás

43 Anyagcsere: –Az élőlények nyílt anyagi rendszerek, anyag- és energiacserét folytatnak a környezetükkel –Részfolyamatai: anyag- és energia felvétel a környezetből, anyag- és energia átalakítás a szervezetben, (intermedier anyagcsere), anyag- és energia leadás a környezetbe –A szervezet szintjén az anyagcserét megvalósító életjelenségek: a táplálkozás, a légzés, az anyagszállítás, és a kiválasztás

44 Elhatárolódás: - az élőlények pl. az állatok a kültakarójukkal határolódnak el a környezetüktől - a sejteket a sejthártya (plazmamembrán) ha- tárolja el, a baktérium, a gomba és a növényi sejt még sejtfallal is rendelkezik - a kültakaró és a sejthártya elválaszt, de össze is kapcsol

45 Homeosztázis (belső egység): Az élőlény belső környezetének szabályozott állandósága. (Az állatok belső környezetét a testfolyadékuk képezi, pl. az ember legfontosabb testfolyadéka a vére)

46 Ingerlékenység: Az élőlény érzékeli a környezetének változásait, hatásait (az ingereket) és azokra reagál, (válaszol, alkalmazkodik) pl. mozgással. Mozgás : Aktív (saját energiával történő) hely-, vagy helyzetváltoztatás. Alkalmazkodás (adaptáció): Az élőlények megváltozásának folyamata, melynek során felépítési és működési sajátosságaival hozza illeszkednek a környezetükhöz

47 Növekedés: –Az élőlények mennyiségi változása –Testméret- és testtömeg gyarapodás alapja: a sejtosztódás és a sejtmegnyúlás a felépítő folyamatok túlsúlya a lebontó folyamatokkal szemben Szaporodás: Az utód létrehozása, amely biztosítja az élet (faj) fennmaradását.

48 Öröklődés szaporodáskor a szülői örökítő anyag átkerülése az utódba, ezért az utód a szülőhöz hasonló tulajdonságú lesz Öröklődő változékonyság az örökítőanyag néha megváltozik (mutáció), ezért módosul az utód tulajdonsága a szülőhöz képest, így változatos élővilág alakul ki

49 Evolúció(képesség): Az öröklődő változékonyság miatt az élőlények sokfélék, a (genetikai) sokféleség lehetővé teszi az aktuális környezeti feltételekhez legjobban alkalmazkodó változatok elszaporodását Halandóság: Az élőlény utolsó életjelensége az élete során (halál fajtái az embernél: klinikai-, biológiai- és a sejthalál)

50 Körfolyamatok az élő rendszerekben: –Sejtciklus –Szívciklus –Nemi ciklus –Aszpektus értelmezése

51 1.3. Fizikai, kémiai alapismeretek Diffúzió Ozmózis

52 Diffúzió: Vizes oldatban a részecskék ( víz molekulák és az oldott anyagok) a számukra nagyobb sűrűségű hely felől a kisebb sűrűségű hely felé mozognak, idővel kialakul a részecskék egyenletes elosztása a vizes oldatban. vagy: Az oldott anyag részecskéi a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú helyek felé áramlanak, a koncentráció kiegyenlítődéséig Biológiai jelentősége: Biztosítja a szervezet számára a szükséges anyagok eloszlását a sejtek közötti térben és a sejtekben Pl. diffúzióval jut az oxigén a tüdő légteréből a hajszálerekbe

53

54 Ozmózis: a víz molekulák féligáteresztő hártyán keresztül történő diffúziója Ozmózisnyomás: -Az a nyomás amit a töményebb oldatra gyakorolva megakadályozható a víz molekulák átáramlása a féligáteresztő hártyán keresztül a hígabb oldatból a töményebb oldatba -Az a szívóerő ami biztosítja a víz molekulák átáramlását a féligáteresztő hártyán keresztül a hígabb oldatból a töményebb oldatba

55 Ozmózis fajtái -endozmózis: a víz molekulák a féligáteresztő hártya külső oldala felől a belső oldal felé mozognak pl. növényi sejtek (gyökérszőrsejtek) vízfelvétele, érett szőlőszem megrepedése esős időben, a víz felszívódása az állati bélfalon a víz visszaszívódása a szűrletből a vesébe a vörösvérsejtek hemolízise -exozmózis: a víz molekulák a féligáteresztő hártya belső oldala felől a külső oldal felé mozognak pl. a növényi sejtek plazmolízise a vörösvérsejtek zsugorodása

56

57

58 Kísérlet: plazmolízis vizsgálata vörös/ lilahagyma allevelén A plazmolízis során, a vízelvonó anyagok hatására a sejt plazmája (illetve a sejthártya) a vízveszteség mértékének megfelelően fokozatosan elválik a sejtfaltól. Bőrszöveti nyúzatokat készítünk a vöröshagyma, vagy lilahagy- ma húsos alleveléből. Az egyik nyúzatot 4- 5 percre 1 %- os KCl- oldatba helyezzük, majd tárgylemezre tesszük, lefedjük, és mikroszkóppal megvizsgáljuk. A sejten kívüli oldat a sejtnedvnél töményebb, vagyis hipertóniás, a sejt vizet veszít és a sejtplazma zsugorodik. Ezt a merev sejtfal nem követi, a plazma (és a sejthártya) elválik a sejt faltól. Ha a hipertóniás oldat alkáli- fémionokat tartalmaz, a citoplazma gömbölyded formában zsugorodik össze = Konvex plazmolízis

59 A másik nyúzatot 1 %- os CaCl 2 - os oldatba tesszük és 4- 5 perc múlva megvizsgáljuk. Ha a hipertóniás oldat alkáliföldfém- ionokat tartalmaz, a citoplazma csipkés széllel, szakadozottan válik le a sejtfalról = Konkáv plazmolízis

60

61

62

63

64

65 Szervezet ozmotikusan aktív anyagainak szerepe az életfolyamatokban: A szervezet ozmotikusan aktív anyagai: –A vízben oldott molekulák pl. a glükóz és a fehérjék A plazmafehérjék közül kiemelkedően fontosak az albuminok A plazmafehérjék (főleg az albuminok) szerepe: –anyagkicserélődésben a nagyvérköri kapilláris hálózatnál –nyirokképződésben –visszaszívásban: a víz visszaszívásában a vesében a szűr- letből a vérbe

66

67

68

69 A felületen való megkötődés biológiai jelentősége Részecskék szilárd felületen történő megkö- tődése az adszorció Enzimműködés: –az aktív centrumukhoz kötődik a szubsztrát, végbemegy a kémiai folyamat, a termék leválik, vissza áll az enzim eredeti szerkezete

70 Talajkolloidok: Víz molekulákat vagy vízben oldott ionokat adszor- beálnak felületükön. - A talajkolloidok pl. a humusz kolloidok negatív töltésmintázatú részecskék, a felületükön a víz molekulák mellett kationokat is adszorbeálnak

71 Kapillaritás –A növény a párologtatással fogyasztja a talaj gyökérzónájá- nak nedvességét. Ha az utánpótlás elmarad, (nincs csapadék) a talaj kezd kiszáradni. Ha a talajvíz közel van a gyökérzethez a kisméretű talaj- pórusok szívóhatására, kapillaritására a hiányzó nedvesség pótlódik. A kiszáradt talajnak nagy a felületi kapillaritása, a kapálás csökken. ezt megszűnteti, ezért a talaj vízvesztesége csökken.

72 Kísérlet: Orvosi szén nagy felületi megkötő-képességének kimutatása festékoldattal Lombikba öntünk kb. 200 cm 3 vizet, majd 5- 6 csepp fukszinoldat- tal megfestjük. Négy szem orvosi szenet összetörünk dörzsmozsárban. A szenet a lombikba tesszük, jól összerázzuk, majd leszűrjük. A szűrlet színtelen, mert az orvosi szén (aktív szén) jó adszorpciós képességgel rendelkezik, és megkötötte a festék- molekulákat. (Hasonló jelenség fordul elő az enzimműködésnél, és a talaj- kolloidoknál.

73 Kromatográfia: Az anyagkeverékek szétválasztására használt kémiai módszer. Az elválasztás az összetevők különböző adszorpcióján alapul (adszorpció: szilárd test felületén a folyadékban oldott anyagok megkötődése). Az elválasztás oszlopon, vagy rétegen megy végbe. A vizsgált anyag megoszlik az oszlopban vagy rétegben levő állófázis és az oszlopon, rétegen áthaladó mozgófázis között.

74 Az elválasztást lehetővé teszi: a különböző anyagok az állófázison eltérő erősséggel kötődnek meg (adszorbeálódnak), ezért különböző sebességgel vándorolnak, az oszlop vagy réteg végén egymástól elkülönülve jelennek meg. A kromatográfia mennyiségi elemzésre és anyagok azonosítására alkalmas.

75 Kromatográf: papírkromatográf

76

77 Enzimek= a sejtben lejátszódó biokémiai folyamatok felgyorsítói, katalizátorai (biokatalizátorok) - Katalizátorok : olyan anyagok, amelyek a kémiai reakciókat a legkisebb aktiválási energia igényű útra terelik - Aktiválási energia: az az energia mennyiség, amely a molekulán belüli kémiai kötések fellazításához, a molekula reakcióképessé válásához szükséges

78

79 Enzimek előfordulása és felépítése: Előfordulásuk: minden élő sejtben Felépítésük: - egyszerű fehérjék - összetett fehérjék (többségük ilyen)

80 Összetett fehérje enzim (holoenzim) felépítése: - fehérje rész (apoenzim) - nem fehérje rész (kofaktor): - koenzim: lazán kapcsolódik a fehérje részhez pl. NAD +, NADP +, KoA - prosztetikus csoport: szorosan kapcsolódik a fehérje részhez pl. hem- csoport

81 Az enzim működése A működéssel kapcsolatos fogalmak: - Szubsztrát: az a molekula, amelynek a reakcióját katalizálja az enzim - Aktív centrum: az enzim felületének az a része ahová a szubsztrát kapcsolódik

82 Az enzimműködés folyamata

83

84 Az enzimek jellemzői A fajlagosság: - Folyamat fajlagosság: adott enzim csak adott kémiai folyamatot katalizál - Szubsztrát fajlagosság: adott enzim csak adott szubsztrát(ok) reakcióját katalizálja

85 Csak meghatározott környezeti feltételek között működő képesek (ugyanis az enzimek fehérjék) pl. meghatározott hőmérsékleten és kémhatású közegben

86 Az enzimek elnevezése Hagyományos elnevezésű enzimek: pl. pepszin, tripszin Tudományos elnevezésű enzimek: - áz végződésűek - utalás a szubsztrátra (szubsztrátokra), ill. a katalizált reakció végtermékére, ill. a katalizált reakcióra pl. aminosav- tRNS- ligáz = aminosav aktiváló enzim RNS- polimeráz

87 ATP- bontó enzimek: miozin (feji része) Na + -K + pumpa Az izomműködés és a Na + - K + aktív transzportja energiaigényes, a folyamatokhoz az energiát az ATP hidrolízise biztosítja. Az ATP hidrolízist a miozin, illetve a Na + -K + pumpa katalizálja. ATP- szintetizáló enzimek: a zöldszintest gránum membránjában a mitokondrium belső membránjában A Mitchell- féle kemiozmotikus elmélet alapján, az egyenlőtlen H + eloszlás megszűnése és az ATP szintézis ösz- szefüggő folyamatok

88

89 Izomszövet: harántcsíkolt izomszövet

90

91

92

93

94

95

96 Enzimhibán alapuló emberi betegségek Tejcukor- érzékenység: Oka: nem működik a laktáz enzim Laktáz: a tejcukrot két monoszacharidra bontja, a monoszacharidok felszívódnak a tápcsatorná- ból

97 A betegség tünetei: - folyékony széklet - hasfájás - has puffadás A tünetek magyarázata: - a vékonybélben felhalmozódó tejcukor vizet köt meg - folyékony széklet - a vastagbélben a bélbaktériumok a tejcukor egy részét bontják, savas bomlástermékek keletkeznek- hasfájás, gázok képződnek - has puffadás

98 Kísérlet: az enzim működéséhez szükséges optimális kémhatás és hőmérséklet bemutatása A fehérjeemésztő pepszin pH- optimumának meghatározása: 3 kémcső mindegyikébe kevés tejport rakunk, majd 3- 3 ml pepszinoldatot teszünk mindegyikhez. Az első kémcsőbe 3 ml 0,3 %- os sósavat, a másodikba 3 ml 10- %- os sósavat, a harmadikba 3 ml híg nátrium- karbonát oldatot csepegtetünk. A kémcsöveket 37 C fokos vízfürdőbe tesszük 40 percre. A pepszin csak enyhe savas közegben fejti ki bontó hatását. Sem erősen savas (10 %- os sósav), sem a gyengén lúgos ( nátrium- karbonát) közegben nem hat. A gyomornedv pepszint tartalmazó savanyú (0,3 %- os sósavas) közeg.

99 Kísérlet: a nyálamiláz szénhidrátemésztő hatásának és hőmérsékleti optimumának bemutatása Két kémcsőbe 1-1 ml keményítőoldatot öntünk, majd az egyikbe 2 ml nyálat, a másikba 2 ml vizet teszünk. A kémcsöveket 37 C fokos vízfürdőbe tesszük. 15 perc múlva mindkét mintából egy-egy cseppet óraüvegre cseppentünk, majd egy- egy csepp Lugol-oldatot= KI- os I 2 - olda- tot adunk hozzá. 10 perccel később megismételjük a próbát. Az amilázos kémcsőből vett mintán nem változott meg a Lugol- ol- dat színe, a másikban kékes színű lett. A Lugol-oldat keménytőt mutat abban a mintában, amelyikben amiláz helyett víz volt, a másikban az amiláz elbontotta a kemé- nyítőt.

100 A kémcsöveket azért helyeztük 37 C fokos vízfürdőbe, mert az emberi szervezetben ezen a hőmérsékleten mennek végbe a biokémiai folyamatok. Az amiláz enzim a nyálmirigyekben és a hasnyálmirigyben terme- lődik, keményítőt bont.