A biokémia alapjai.

Az előadások a következő témára: "A biokémia alapjai."— Előadás másolata:

1 A biokémia alapjai

2 Az élet építőelemei A természetben előforduló 118 kémiai elem közül több, mint 60 megtalálható az élőlényekben is. Ezek közül hat – az oxigén, a szén, a hidrogén, a nitrogén, a kalcium, és a foszfor – az emberi test tömegének 98,6%-át alkotja. Ezek az elemek szinte az összes szerves vegyületben előfordulnak. Az oxigén, a szén, a hidrogén, a nitrogén, a kén és a foszfor építi fel az élőlényekben előforduló alapvető szerves vegyületeket. Az élet kialakulása Az élet mai formájában a Földön jelenleg uralkodó körülmények között nem alakulhatna ki élettelen anyagokból. Ezek a körülmények azonban nem voltak mindig a maihoz hasonlók. Az alapvető kémiai alkotóelemek speciális tulajdonságaiknak köszönhetően összekapcsolódnak, és összetettebb struktúrákat hoznak létre. Némelyikük az élő szervezetek építőköveit alkotó szerves molekulák felépítésében vesz részt.

3 A biogén elemek Az élő szervezeteket felépítő kémiai elemek atomjai kivétel nélkül megtalálhatók az élettelen anyagi világban is, azonban eltérő arányban és más vegyületekben. A sejtek vegyületeit alkotó elemeket biogén elemeknek nevezzük. Az élő anyagban kiugróan magas a szén (C), az oxigén (O), a hidrogén (H), a nitrogén (N), valamint kisebb arányban a foszfor (P) és a kén (S) előfordulása. Ezek adják az élő szervezetek tömegének 98-99%-át. Ez érthető is, hiszen a felsorolt elemek atomjai a szerves vegyületek és a víz építőkövei. Miért ezek az elemek alkotják az élőlényeket? Atomjaik kis tömegűek, a Földön gyakoriak; Elektronegativitásuk közepes vagy nagy, így egymással erős, sok esetben többszörös kovalens kötéseket tudnak képezni. A biogén elemek elsősorban a makromoleklákban, azaz kovalens kötésekkel kapcsolódó, ismétlődő egységekből álló, nagy relatív molekulatömegű szerves vegyületekben fordulnak elő. Ezek szerkezetét döntően a szénatom tulajdonságai határozzák meg. A kovalens kötésekkel → változatos szerves molekulák képzésére van mód (lipidek, szénhidrátok, fehérjék, nukleinsavak). Ezek a kötések általában→polárosak, ezért a molekulák vízben jól oldódnak.

4 A biogén elemek Alig harminc sejtet felépítő elem van (biogén elemek)
- nagy mennyiségben szükségesek – elsődleges biogén elemek - szén - kiemelkedő fontosságú – fotoszintézis során a növények szervetlen CO2 felhasználásával nagy molekulájú szerves anyagokat képeznek - a biológiai szempontból fontos vegyületek többsége szénvegyület - a legkisebb olyan elem, ami négy kovalens kötést tud kialakítani (négy vegyértékű) - kovalens kötései erősek - molekulái stabilak - kötő elektronpárok tetraéderes elhelyezkedésűek - a jó térkitöltés is a stabilitást segíti elő (a szénhez kapcsolódó atomok egyenletes térkitöltésűek) - a szénatomok egymással korlátlan számú hosszú nyílt láncokat és gyűrűket képezhetnek

5 A biogén elemek - hidrogén - az energiatermelő folyamatokban fontos
- az élőlények nagy része a szerves molekulák hidrogénjeit eloxidálja a szervezet vízzé, s a felszabaduló energiát hasznosítja - szénvegyületekben is fontos - a víz alkotóeleme - oxigén - az élőlények a levegőből vagy vízből veszik fel az oxidációs folyamatokhoz - szénvegyületekben is fontos alkotó - nitrogén - aminosavakban NH2-csoportja → fehérjék alkotórésze - nukleinsavbázisokban - foszfor és kén - vegyületalkotók (P - nukleotidok, nukleinsavak alkotórésze, S - kéntartalmú aminosavak)

6 A biogén elemek Rajtuk kívül természetesen még nagyon sokféle elem mutatható ki a sejtekben. Közülük legnagyobb mennyiségben a nátrium (Na+), a kálium (K+), a kalcium (Ca2+), a magnézium (Mg+), a vas (Fe2+ , Fe3+) és a klór (Cl-) fordul elő – fontos ionként. Minden élőlényben előforduló egyszerű ionok: kationok: a nátrium (Na+), a kálium (K+), a magnézium (Mg+) a kalcium (Ca2+). és anion: a klór (Cl-). Ezek az ionok a makromolekulák töltéseit közömbösítik, az izom- és idegsejtek működésében vesznek részt. Mivel a tengerekben is túlnyomóan ezek az ionok fordulnak elő, ezért a kialakuló élővilág számára könnyen hozzáférhetők voltak, valószínűleg ezért tettek szert biológiai szerepre is. A sejtekben vagy a vérben általában a tengervízzel megegyező koncentrátumban fordulnak elő, amely bizonyíték arra, hogy az élővilág a tengerben alakult ki. Vizes közegben ezek az ionok általában hidrátburokkal körülvéve találhatók.

7 A biogén elemek Az összetett ionok:
Foszfátion (PO4)3- - kalcium-foszfát Ca3(PO4)2 formájában van jelen a szervezetünkben - vízben oldhatatlan, a csontok szilárd anyagaként. H PO42- A légzés során keletkező szén-dioxid (CO2) CO2+ - formában, vízben oldva HCO3- (szénsavat = H2CO3) hoz létre, amely a sejtek kémhatását savas irányba tolja el. A vízmolekulához kapcsolódott hidrogénion, azaz az oxóniumion (H3O+) és párja a hidroxidion (OH-) koncentrációja különösen nagy szerepet játszik az élőlények életében. Az ember sejtjeiben és vérében a kémhatás enyhén lúgos, pH = 7,4. ettől az értéktől a 0,4 eltérés halálos! SO42-

8 A biogén elemek A nátrium és a kálium például a sejtek ingerületi folyamataiban játszik fontos szerepet. (A sejtekben: káliumion (K+) és hidrogénion (H+), de lehet még Na+, Cl- is; a sejtközötti állományban: Na+, Cl- és HCO3- - itt az ionösszetétel meglehetősen állandó.) A csontokban: Ca2+, Mg 2+ , HCO3- . A kalcium az állatok meszes vázának anyaga, de többek között fontos az izomszövetek működésében, a véralvadásban és a sejtek ingerlékenységében is. A magnézium a növények zöld színanyagának, a klorofillnak az alkotórésze is, és a kalciumhoz hasonlóan elengedhetetlen az izmok működéséhez is. A vas a vér vörös színű festékanyagának, a hemoglobinnak a felépítésében vesz részt, amelynek feladata az oxigén szállítása.

9 A biogén elemek Nyomelemek: a vas (Fe) a réz (Cu), a kobalt (Co), a mangán (Mn), szelén (Se), cink (Zn), jód (I) kis mennyiségben szükségesek többféle oxidációs állapotban is stabilak (pl.: Fe2+ és Fe 3+) ezek az ionok a redoxireakciókban elektronátadóként jól használhatók, valószínűleg ezért kerültek be az élő szervezetekbe A vas (Fe-ionok) - oxidációs állapotukat változtatják, redoxifolyamatokban: elektronfelvevők és – leadók. A réz a puhatestűekben a hemocianin (vérfesték) képződésében vesz részt. A kobalt – fontos molekulák alkotói: vitaminok B12, több enzim aktivitásához szükséges. A mangán – több enzim aktivitásához szükséges. A szelén – a máj működésében van szerepe. A cink (Zn 2+) – biológiai szerepét még nem ismerjük pontosan, néhány fontos hormon, enzim alkotórésze. Egyes cinkben gazdag táplálék (cékla) gátolja a daganatos sejtek szaporodását. A jód – hormonalkotó.

10 A biogén elemek A bór (B), az alumínium (Al), a vanádium (V), a molibdén (Mo), a jód (I), a szilícium (Si), valamint a fluor (F) csak bizonyos élőlényekben fordul elő. B - egyes növények fejlődéséhez szükséges, bór jelentős szerepet tölt be a DNS szintézisben is Si – kovamoszatok, szivacsok váza, zsurlók sejtfala I – fontos molekulaalkotó, emberben a pajzsmirigy tiroxin és trijód-tironin nevű hormonjaiban van, egyes szivacsokban és barnamoszatokban is jelentős, amúgy nyomelem is. F – fogzománcba épül be. V – egyes tengeri algák fontos alkotórésze.

11 A biogén elemek Összefoglalás - a biogén elemek
- a nagy mennyiségben szükségesek: - a szén - a hidrogén - az oxigén - a nitrogén - a foszfor és a kén - a nátrium, a kálium, a klór - a kis mennyiségben szükségesek: - a Fe-ionok - a kobalt, - a jód - a réz - a cink - a mangán - a molibdén - szelén - az egyes fajok számára fontos elemek: - a szilícium - a fluor - a bór - vanádium - jód

12 A biogén elemek csoportosítása

13 Az élőlényeket felépítő anyagok rendszerezése
A) Szervetlen anyagok 1. Az élő anyagot felépítő kémiai elemek - biogén elemek Elsődleges biogén elemek (a sejtek tömegének 99 %-át adják) szén oxigén hidrogén nitrogén Másodlagos biogén elemek (0,005-1%-ban fordulnak elő a sejtben) kén Makroelemek foszfor kátrium kálium kalcium vas magnézium Nyomelemek – mikroelemek (0,005 és 0,001 %-ban vannak jelen az élő szervezetben, nélkülözhetetlenek) cink kobalt jód mangán réz szelén Egyes fajok nagyobb mennyiségben igénylik szilícium fluor vanádium 2. Víz 3. Ásványi sók –kationok – anionok formájában vannak jelen az élő anyagban B) Szerves anyagok Lipdek Szénhidrátok Fehérjék Nukleotid típusú vegyületek: nukleinsavak és szabad nukleotidok

14 Makroelemek A makroelemek a test szárazanyagtömegének legalább egy tízezred részét kitevő elemek. A test folyadéktereiben a makroelemek ionok formájában fordulnak elő. Ezek az elemek nélkülözhetetlenek a szervezet szabályos működéséhez. A már megismert biogén elemeken kívül, a K (kálium), a Na (nátrium), a Ca (kalcium) és a Mg (magnézium) tartozik az élőlényekben jelentős szerepet betöltő makroelemek közé. A kálium és a nátrium A kálium és a nátrium biztosítja a megfelelő ionegyensúlyt, és hatásuk van a szervezet sav-bázis egyensúlyára is. Emellett jelentős szerepet játszanak az idegsejtek ingerület-vezetésében is. A kálium részt vesz a szív- és veseműködés szabályozásában. A kalcium A kalcium nélkülözhetetlen az erős csontok és fogak felépítéséhez és fennmaradásához. A felnőtt emberek csontjaiban a kalcium elsősorban foszfát- és karbonát-sók formájában fordul elő. A kalcium a szívműködés szabályozásában és a protrombin trombinná alakulásában is szerepet játszik. Ez utóbbi a véralvadás egyik alapvető részfolyamata. A magnézium A magnézium nélkülözhetetlen a fehérjeszintézishez, létfontosságú szerepe van az izom-összehúzódásban, védi az izom hajszálereit a károsodásoktól, részt vesz számos enzim szintézisében és a vér cukortartalmának biokémiai energiává alakításához is szükséges.

15 Ultranyomelemek, nyomelemek
Az ultranyomelemek olyan alkotóelemek, melyek a test szárazanyagtömegének kevesebb, mint egy milliomod részét alkotják. Bár tudjuk, hogy nélkülözhetetlenek, pontos élettani szerepük még nem tisztázott. A nyomelemek a test szárazanyagtömegének egy tízmilliomod és egy tízezred közötti részét teszik ki. Noha csak nyomokban fordulnak elő, fontos szerepet játszanak a különféle élettani folyamatokban. A jód szerepe A jód a pajzsmirigyhormonok alkotóeleme. Ezek a gyermekek és a kamaszok növekedésének és fejlődésének szabályozásában, valamint a megfelelő sebességű anyagcsere fenntartásában játszanak szerepet. A jódhiány növekedési rendellenességekhez vezet, és különösen veszélyes a terhesség alatt, mivel a magzati idegrendszer károsodásának kockázatával jár. A vas szerepe Az emberi szervezetben a vas teljes mennyisége körülbelül 4–5 g. A vas fő feladata a szervezetben az oxigénszállítás. Hiánya a hemoglobin mennyiségének csökkenését okozhatja.

16 Másik érdekes kérdés a bór szerepe. Mikor. Miért. Melyik termékkel
Másik érdekes kérdés a bór szerepe. Mikor? Miért? Melyik termékkel? Sokan megszokásból vagy hallomás alapján juttatják ki a bórt, sokszor nem a kellő időpontban. Alaptézis: ha a répa életciklusa alatt felvett bórt 100%-nak vesszük, 15%-nál akkor sem vesz fel többet a talajból, ha az éppen elegendő bórt is tudna szolgáltatni. Ezért a bóros alapműtrágyázás önmagában elégtelen. Értelemszerűen lombtrágyákkal "kívülről" kell pótolnunk a hiányt. A másik említésre méltó dolog a száraz viszonyokhoz való alkalmazkodó technológia. A bór jelentős szerepet tölt be a DNS szintézisben is. Számos más élettani funkciója ismert még, de most ezt emeljük ki. Hiányában az embrionális szövetek károsodnak. A talajból felvett bór a növényben a transzspirásiós árammal szállítódik. Csapadék hiányában ez korlátozott, tehát ismét azt kell, hogy mondjuk, a lombtrágyázás szerepe új dimenzióba kerül(t). Nem elég egyszer bórozni és nem elég rutinból. Nekünk és az alkalmazott technológiának is változni kell! Hogyan? Folyamatosan kell adagolni a bórt, egy bórozás nem elegendő. Annál is inkább nem, mert a bór más-más funkciója érvényesül a répa növekedése során.

17 Az első adagot a répa 6-8 leveles stádiumában javasoljuk a magas bórtartalmú szuszpenziós komplex levéltrágya 2-3 l/ha-os dózisával. Miért ezzel? Erre a fentiek és a termék összetétele ad választ. A magas bórtartalmú szuszpenziós komplex levéltrágya a bór hatóanyagon kívül nitrogént és azonnal felvehető foszfort is tartalmaz a teljes mikroelemsor mellett. Az első, egyik legfontosabb mikroelem, amelyet elsősorban levélen keresztül tudunk megfelelő mennyiségben és minőségben a szőlő számára biztosítani az a bór. A bór úgynevezett esszenciális mikroelem, a növények életében nagyon sokrétű a szerepe. Felelős a tenyészőcsúcsban a új sejtek képződéséért, ezért a szőlő intenzív metszése miatt feltétlenül gondoskodni kell időbeni pótlásáról, hiszen a metszés során pont a bórban leggazdagabb hajtáscsúcsokat vágjuk le a tőkéről. A másik lényeges szerepe a bórnak a virágszervek megfelelő képzésében, és azok megtermékenyülésében van. Ezért fontos főleg a rosszul termékenyülő „madárkásságra” hajlamos fajták bóros kezelése a virágzás előtt.

18 Bór A serkenti az oxido-redukciós folyamatokat, számos enzim működését, valamint a gyümölcsfák légzési folyamatait. Hatással van a sejtosztódásra, a merisztémasejtek keletkezésére. Befolyásolja a cukrok és a fehérjék szintézisét. Bór jelenlétében cukor-észterek keletkeznek, amelyek megakadályozzák a cukrok polimerizációját, így szerepet játszanak a gyümölcsök cukortartalmának alakulásában. Az auxinok szintéziséhez nélkülözhetetlen, kedvezően hat a virágzásra, a pollentömlő csirázását és a virágkötődést segíti. Elősegíti a kalcium, a vas, a magnézium és a víz jobb felvételét. Szabályozza a K/Ca arányt, tehát a gyümölcsök eltarthatóságát befolyásolja. A pH növekedésével növekszik az adszorpciós komplexuson megkötött bór mennyisége. A változó kiszáradás és hőmérséklet ingadozás kedvez a bór megkötésének. Amennyiben magas a növény kalcium és nitrogén tartalma, növekszik a bór-szükséglete, ugyanakkor a talaj kalcium-, nitrogén- és kálium tartalma csökkenti a bór felvételét.(Klosowski, 1974, in Pejkić, 1996.)

19 Hiánya a gyümölcsfáknál virágelhullást és terméskötődési zavarokat okoz. Az almánál torz gyümölcs fejlődik, amely már a fán barnafoltos lesz, fás szövetek alakulnak ki a magház körül, és a gyümölcs rossz ízű. Erős bórhiánynál a levelek deformálódnak, bepördülnek, az erek sárgulnak, majd lehullanak, a szállítószövetek elhalnak. A fiatal hajtások sok rügyet és levélrozettát fejlesztenek. A fiatal levelek nagyon aprók, az internódiumok rövidek.(Chandler, in Pejkić, 1996.). Amennyiben a levelek bórtartalma ppm-nél több, akkor toxikus tünetek jelentkeznek. Az alma levélerei megsárgulnak, a terméseken különböző elszíneződések jelentkeznek. A tünetek jelentkeznek a hajtásokon, vesszőkön, vázágakon, ahol a fa kérge repedezik (Kim, in Pejkić, 1996.) A bórhiány megszüntetését lombtrágyázással vagy bórax talajba történő kijuttatásával oldhatjuk meg.

20 Párosítsa a következő elemeket a megfelelő szöveggel!
Ennek az elemnek az atomjai minden szerves vegyületben megtalálhatóak. Ez az elem egyben a víz egyik alkotórésze is, ionja fontos szerepet játszik a fotoszintézis és a légzés folyamataiban. A fehérjék és a nukleinsavak fontos szerkezeti egysége ez az elem, amely egyben a levegő fő alkotórésze is. A nukleinsavakban és a sejthártyát alkotó foszfatidokban is megtalálható. Ez az elem elsősorban a csontokban fordul elő, ahol a kalciumhoz kapcsolódik. Azon túl, hogy számos szerves vegyület részét képezi, ennek az elemnek az atomjai részt vesznek a sejtlégzés utolsó szakaszaiban, amelyek a mitkondriumokban zajlanak le. Ez az elem csak két aminosavban van jelen. Diszulfid hidakat alakít ki, melyek fontos szerepet játszanak a fehérjemolekulák térbeli elrendeződésében, így befolyásolják azok biológiai működését. Ennek az elemnek az atomjai rendelkeznek azzal a rendkívüli képességgel, hogy egymással összekapcsolódva hosszú láncokat képezzenek. Ezek a láncok lehetnek egyszerűek vagy elágazóak, és számos kapcsolatot alakíthatnak ki más elemekkel, mint például oxigénnel, nitrogénnel, vagy klórral. nitrogén hidrogén foszfor szén kén oxigén

21 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
Rövid vázlat - a víz jelentősége - a víz sajátságos molekulaszerkezete - a víz mint oldószer - a diffúzió - az ozmózis - a víz néhány további tulajdonsága

22 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
Bővebb vázlat - az egyik legfontosabb szervetlen vegyület - felépítő anyag (Az élő rendszer víztartalma %; a legkisebb víztartalma a száraz magvaknak %, míg a legnagyobb a medúzának van %; az újszülött szervezete % a felnőtt ember szervezete % vizet tartalmaz.) - életfolyamatokban részt vevő anyag (A víz nagy mennyisége miatt a sejtekben összefüggő közeget ad - így sajátosságai megszabják az élő anyag viselkedését; - részt vesz az anyagok szállításában - oldószerként - reakciópartnerként szerepelhet - képes kötésekkel összekapcsolni molekulákat.)

23 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
- A víz sajátságos molekulaszerkezete - erősen dipólusos molekula (poláros, 105 ˚-os kötésszögű V-alakú molekula) egyenlőtlen elektroneloszlású - az oxigén felöli rész negatív töltésű (nagy elektronegativitású az oxigén) - a hidrogének felöli rész pozitív töltésű - az oxigén és a hidrogén közötti kovalens kötés erős a kötő elektronpárok helyzete miatt a hidrogénatomok körül az elektronsűrűség csökken így a hidrogén a hozzá közel eső másik vízmolekula oxigénjével gyenge kémiai kölcsönhatásba lép → hidrogénkötés létrehozására képes - a víz 4 hidrogénkötés kialakítására képes - a vízmolekulák nemcsak egymással, hanem más molekulákkal is hidrogénkötést alakítanak ki. (oxigénhez vagy nitrogénhez kapcsolódó hidrogénekkel történhet ez meg)

24 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
Szobahőmérsékletű vízben a molekulák 70 %-a összekapcsolódik ez magyarázza: a nagy fajhőt / hőkapacitást nagy párolgáshőt a magas forráspontot és a fajlagos hőtágulást (+ 4 ˚C-on a legsűrűbb) dipólusossága miatt hidrátburkot képez. (A sejtekben a víz döntő többsége hidrátburokként a molekulákhoz, ionokhoz kötött formában van jelen, csak mindössze néhány % az ún. szabad víz. Ez a víz reakcióközegként és reakciópartnerként (hidrolízisben, kondenzációban) is fontos szerepet tölt be.)

25 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
A víz reakciói a sejtben: Hidrolízis: nagyobb molekula bomlása víz kilépéssel. Pl.: NH4Cl + H2O NH4OH + H+ + Cl- Kondenzáció: két vagy több molekula egyesülése melléktermék (itt víz) keletkezésével. Megfigyelhetjük, hogy a sejtek ált.-ban rugalmasak, ami jórészt annak köszönhető, hogy a sejt citoplazmájában a víz hidrogénkötéseket alakít ki a fehérjemolekulák között. Az így kialakuló állandóan meglévő, de a kötések gyengesége miatt folytonosan változó térhálós szerkezet biztosítja a rugalmasságot, egyúttal bizonyos belső szerkezetet ad.

26 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
- A víz kiváló oldószer - disszociáló vegyületek ionjait a vízmolekulák választják el egymástól (pl.: konyhasó) - poláros vegyületek funkciós csoportjai a vízmolekulákkal hidrogénkötést alkotnak (cukrok -OH) (apoláros vegyületek nem oldódnak a vízben, pl.: benzol, elkülönülnek a víztől, a víz azokat mozgékonysága miatt eloszlatja = diszpergálja) jó a diffúziós képessége – fontos szerepet tölt be az anyagszállításban A víz molekulái és a benne oldott atomok, molekulák, kolloidok v. egyéb anyagi részecskék az adott tér egyenletes betöltésére törekednek a hőmozgás révén. 1. Diffúzió: ha a részecskék mozgását nem akadályozza semmi – egyenletes a térkitöltés - passzív folyamat (nem kell hozzá külön energiabefektetés) - az anyag a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebbre mozog - addig tart, míg ki nem egyenlítődik a koncentrációkülönbség - csak az oldószer (víz) törekszik egyenletes eloszlásra, s így az oldat felé áramlik.

27 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
2. Ozmózis – ha az oldott részecskék mozgását egy hártya (féligáteresztő hártya akadályozza) - passzív folyamat - féligáteresztő hártyán keresztül zajlik (szemipermeábilis hártya) - kis molekulák átmehetnek - nagy molekulák nem mehetnek át - csak az oldószer (víz) törekszik egyenletes eloszlásra, s így az oldat felé áramlik. (A vízre nézve itt is diffúzió valósul meg.) A víz beáramlásának mértéke az oldat koncentrációtól függ. Minél töményebb az oldat annál nagyobb a víz koncentráció-különbsége a két helyen több víz áramlik át a hártyán. Víz beáramlás = endozmózis (1) egy bizonyos idő után az oldattérben megnő nyomás és víz ki fog préselődni a hártyán = exozmózis (2) Amikor V1 = V2 dinamikus egyensúlyi állapot Ozmózisnyomás (p0): ozmózis során a (töményebb) oldat hígulása folytán bekövetkező térfogat-növekedéssel kapcsolatos nyomás - ekkor dinamikus egyensúly alakul ki. Gyakorlatban: annak a hajtóerőnek tekinthető, amely az egymással érintkező különböző koncentrációjú oldatok között a diffúziót elő idézi.

28 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
A biológiában az élő szervezet sejtjeire vonatkoztatva a p0-t a sejt vízfelvevő képességével azonosítjuk, tehát endozmózis! Nagy p0 a sejt (nagy ozmotikus cc.) erőteljes vízfelvétel turgor növekedés, p0 csökkenés Vizsgált közeg és a sejtek ozmotikus cc.-ja alapján izotóniás közeg (koncentrációja azonos a sejtével) – fiziológiás oldat: embernél a 0,9 %-os (0,166 mol/dm3) NaCl oldat hipertóniás közeg (koncentrációja nagyobb a sejtnél) hipotóniás közeg (koncentrációja kisebb a sejtnél) A szabad vízben oldott anyagok koncentrációja megváltoztatja az oldat viselkedését (fagyáspont, olvadáspont, ozmózisnyomás). Az élő rendszerekben az ozmózis alapvető jelentőségű. (A víz a növények gyökerein ozmózissal szívódik fel, ill. az állatok bélfalán át, és ozmózissal szívódik vissza a víz a szűrletből a vesében.)

29 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
Hemolízis: a vörösvértesteket hipotóniás oldatba helyezve megfelelően híg oldat esetén a sejtek megduzzadnak és szétpukkadnak. Plazmolízis: növényi sejteket hipertóniás oldatba helyezve a sejttől víz áramlik ki, ami miatt a sejt citoplazmája zsugorodik, és a sejthártya elválik a sejtfaltól.

30 A víz biológiai szempontból fontos tulajdonságai
- a víz néhány további tulajdonsága: - folyékony - kis viszkozitású (jól folyik) - nagy felületi feszültségű (segíti a vízen járó rovarokat, segíti a hajszálcsövek működését) - kis hőfoktávolságú (a víz mindhárom halmazállapotban előfordul a Földön) - 4 fokon a legsűrűbb (a jég könnyebb a víznél, nem fagynak be fenékig a vizek) - átlátszó (a vízi élővilág ezért is lehetséges)

31 A víz tulajdonságai (összefoglalás)
Biológiai jelentősége Dipólus jellegű molekula jó oldószer diszpergáló és disszociáló közeg - hidrátburkot képez - hidrogénkötés kialakítására képes - térbeli szerkezetet hoz létre a sejtplazmán belül - más molekulákkal könnyen reagál - reakciópartner (kiindulási v. képződött vegyület - nagy a felületi feszültsége - határhártyákat képez Kicsi a belső súrlódása, benne a részecskék könnyen diffundálnak reakcióközeg szállítóközeg Nagy a párolgáshője - fizikai hőszabályozás Nagy a hőkapacitása - védelmet nyújt a hírtelen hőingadozások ellen Átlátszó (átengedi a fényt) - közeget biztosít az élet számára Sűrűsége + 4 ˚C-on a legnagyobb - lehetővé teszi az élet megmaradását a befagyott vízben

32 Fogalmak H-kötés: nagy elektronnegativitású atomhoz (O, N, Cl) kapcsolódó hidrogénnek megfelelő távolságra lévő, nagy elektronnegativitású, nemkötő elektronpárral rendelkező atommal létrehozott másodrendű kötése. van der Waals-kötés: gyenge másodrendű kötés, mely létrejöhet poláris és apoláris molekulák között is (orientációs, indukciós és diszperz kölcsönhatások). Hőkapacitás: megmutatja, hogy mekkora hőmennyiség szükséges az adot mennyiségű anyag hőmérsékletének 1˚C-kal történő emeléséhez. Párolgáshő: az az energia, amely szükséges a folyadék gázzá alakításához. Diszpergálás: az anyagnak kisebb méretű részekre történő darabolása. Diffúzió: olyan (külső hatás nélkül bekövetkező) anyagáramlás, melynek következtében meglévő koncentrációkülönbségek kiegyenlítődnek. Ha egy rendszerben az anyag nem egyenletesen oszlik el (pl.: kockacukor egy pohár vízben), akkor a részecskék rendezetlen, lökdösődő mozgása előbb-utóbb magától is egyenletes anyageloszlást fog létrehozni. Oldatok esetében ez a jelenség abban nyilvánul meg, hogy az oldott anyagot a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé látjuk áramlani.

33 A víz – Egy kristályos szerkezet
2000-ben a NASA (National Aeronautics and Space Administration) bejelentette, hogy víz jelenlétére utaló bizonyítékokra bukkantak a Marson. Miért is keltett ez a hír akkora szenzációt? Mert a víz jelenléte alapvető feltétele az élet kialakulásának és fennmaradásának. A vízmolekula szerkezete Öt vízmolekula egy tetraéderes szerkezetet alakíthat ki, mivel minden egyes oxigénatom összesen négy hidrogénatommal és minden egyes hidrogénatom egyszerre két oxigénatommal osztozhat az elektronokon. A tanultak alapján egészítse ki az alábbi szöveget! Melegítés hatására majdnem minden folyadék térfogata nő, ám a víz kivétel e szabály alól. Miközben a hőmérséklet 0ºC-ról 4ºC-ra emelkedik, a víz térfogata ………... 4ºC-on a víz térfogata ……………, és a sűrűsége a ……………… térfogatot éri el.

34 A kohézió és az adhézió A kohézió vagy „összetapadás" a folyadék molekuláinak kölcsönös vonzó hatásából ered. Az adhézió, vagyis a „másik anyaghoz tapadás", azt jelenti, hogy két különböző anyagból álló test felszínei összekapcsolódnak a molekuláik között kialakuló vonzóerő miatt. Döntse el, hogy a következő példákban, vajon a kohéziós erő nagyobb, kisebb vagy ugyanakkora, mint az adhéziós erő! A frissen fényezett autó tetejére egy pohár vizet önt. A víz cseppekké áll össze a tetőn. kisebb nagyobb ugyanakkora Egy darab itatóspapírt merít egy pohár vízbe. Látja, amint a papír felszívja a vizet. ugyanakkora kisebb nagyobb

35 A lipidek Rövid vázlat - a lipidek általános tulajdonságai
- a neutrális zsírok - a glicerin - a zsírsavak - a palmitinsav - a sztearinsav - az olajsav - zsírszövet - a lágyulási pont - az avasodás és a katalítikus hidrogénezés - a növényi olajok előfordulása - az állati zsiradékok előfordulása - a foszfatidok - a felépítésük - az amfipatikus jellegük - a foszfatidsav

36 A lipidek - a szteroidok - a D-vitamin előanyaga - az epesavak
- a nemi hormonok - az ösztrogén - a progeszteron - a tesztoszteron - a karotinoidok - a konjugált kettős kötés rendszer - a karotin - a likopin - a xantofill - az A-vitamin előanyaga (béta-karotin)

37 A lipidek Bővebb vázlat - Gyűjtőnév – sokfajta
- életfontosságú szerves vegyületek - eltérő kémiai szerkezetűek - nagyon hasonló oldhatósági tulajdonságúak - vízben oldhatatlanok - zsíroldószerekben oldódnak - benzol - éter - kloroform oka: a bennük található (- CH2 -) csoportnak, a sok szén-hidrogén kötésnek köszönhető: - a hosszú szénhidrogénláncok - szénhidrogéngyűrűk - ezek apoláros szerkezetűek Az egyes típusaikban a jellegzetességet az oldalláncok, bekapcsolódó egyéb molekularészletek módosítják.

38 A lipidek C-H kötések oxidációjával (főleg a hidrogén vízzé oxidálásával)
nagy mennyiségű energia szabadul fel → a lipidek az egyik legfontosabb energiatárolók (1 g lipidből 39,5 kJ energia nyerhető a sejtben, míg ui. szénhidrátból 17,2 kJ) A hidrolizálható lipidek: neutális zsírok (gliceridek) foszfatidok Nem hidrolizálható lipidek: szteroidok karotinoidok

39 1. neutrális zsírok (gliceridek) – a glicerinnek zsírsavakkal alkotott észtere
- glicerin (3 értékű alkohol) - zsírsavak = hosszú szénláncú (C12-24) telített / telítetlen szerves savak - palmitinsav (telített) – C15H31COOH - sztearinsav (telített) – C17H35COOH - olajsav (telítetlen) – C17H33COOH - linolsav – C17H31COOH (minél több a molekulában a telítetlen zsírsav, annál inkább folyékony a molekulák halmaza) - vízkilépéssel járó kondenzációval jönnek létre - észterkötés jön létre (hidrolízissel bontható) - a létrejövő zsírmolekula kifelé semleges, apoláros (innen ered nevük) - a természetben leggyakoribb lipidek - mint tartaléktápanyagok fontosak - zsírszövet (nem rostos kötőszövet) - rugalmas (mechanikai védelem) - rossz hővezető (hőszigetelő) - magas energiatartalmú (tartalék tápanyag)

40 - apoláros (egyes vitaminok oldószere: D, E, K, A)
- fehér zsírszövet (éhezéskor) - barna zsírszövet (a környezet lehűlésekor) - a telítetlen zsírsavakban gazdag folyékonyabb - a zsírok és olajok keverékek (lágyulási pontjuk van) - levegőn állva telítődnek a telítetlen zsírsavak (avasodás) (katalítikus hidrogénezés) - növényi olajok – olajat raktározó alapszövetben - magvakban - termések húsos falában - olajfa - napraforgó - len - repce - szója - állati zsiradékok - háziállatok - halak (halmájolaj: A- és D-vitamin) - bálnák

41 2. foszfatidok - glicerin - zsírsavak - foszforsav - a glicerin két alkoholos hidroxil-csoportját egy-egy zsírsav észteresíti - apoláros rész (hidrogénkötésre alkalmatlan) - a harmadik alkoholcsoportot a foszforsav észteresíti - poláros rész (hidrogénkötés kialakítására képes) - tehát amfipatikus vegyületek (kettős tulajdonságúak – szerkezetük miatt) apoláros részük igyekszik a vizes közegtől eltávolodni, poláros részük a vizes közeghez vonzódik → felületeken, vizes közegben cseppeket vagy vékony hártyákat alkotnak a folyadékban kolloid méretű micellákat képeznek, sőt képesek kettős rétegben elhelyezkedve ún. liposzómákat kialakítani; A sejt belső része: a citoplazma és a sejt külső környezete is vizes közeg → poláris. Emiatt a sejthatáron a foszfatidok apoláris részei maguk közül kiszorítják a vizet, az apoláris részeikkel szembefordulva → kettős réteget alkotnak = biológiai membránok alapját adják

42 - az apoláros részek között van der Waals-kölcsönhatások lehetnek
- ezek gyenge vonzóerők - de stabilizálják ezeket a szerkezeteket - ezek igen nagyok is lehetnek (akár több száz nanométeresek is) - legegyszerűbb foszfatid: foszfatidsav - más foszfatidok alapvegyülete a foszforsavat észteresíti még egy amino- és hidroxil-csoportot tartalmazó molekula, mely a foszforsavval együtt poláros részét képviseli a foszfatid-molekulának.

43 3. szteroidok - szteránvázas vegyületek – alapja a gonán, melyet három 6- és egy 5-atomos kondenzált gyűrű alkot. A vázhoz kapcsolódó oldalláncok, funkciós csoportok → változatos sajátságú típusokat alakítanak ki. - zsírsavakhoz hasonló felépítés - koleszterin – a foszfatidokkal együtt a biológiai membránok alkotója, fokozza a hártyák merevségét - D-vitamin előanyaga: ergoszterin – a bőraljában - napfény UV-sugárzásának hatására alakul át D-vitaminná - a D-vitamin fokozza a Ca2+-ionok felszívódását a bélből - a Ca2+-ionok fontosak a csontok és a fogak szilárdságánál - hiányukban angol-kór alakulhat ki - epesavak - az epében vannak - a máj termeli (koleszterin az alapanyaga) - az epesavak tartják oldatban a koleszterint - ha az epesavak mennyisége lecsökken, akkor a koleszterin kiválik- epekő jön létre az epehólyagban pl.: kólsav - felületi feszültséget csökkentő anyagok - a zsírokat kis cseppek formájában tartják - jobban hozzájuk férnek a lipázok

44

45 Sok hormon szteránvázas
mellékvesekéregben pl.: aldoszteron, kortizon - ivarmirigyekben a nemi hormonok - ösztrogén - petefészek tüszőiben termelődik - hatására a méh nyálkahártyája megújul a menstruációs vérzés után - progeszteron - az ovuláció után kialakuló sárgatest termeli - hatására a méh nyálkahártyája még 14 napig nem épül le - tesztoszteron - herecsatornácskák közötti kötőszövet hormontermelő sejtjei termelik - élettani hatásai - másodlagos nemi jelleg kialakítása - ivarsejttermelés - normális nemi működés

46 4. karotinoidok - a növényvilágban és az állatvilágban - láncaikban konjugált kettős kötés rendszer van (szénatomok között váltakoznak az egyes és a kettős kötések) - látható fény hatására is gerjeszthetők - magasabb energiaszintre ugranak gyorsan és rövid ideig maradnak ott - mikor visszakerülnek eredeti energiaszintjükre, fényt bocsátanak ki - többnyire vörösek vagy sárgák - karotin (sárgarépa): narancsvörös - likopin (paradicsom): piros - xantofill (levelek): halvány sárga - A-vitamin előanyaga (béta-karotin) - a szem retinájában lévő látóbíbor fény hatására opszinra (fehérje) és A-vitaminra bomlik - az inger megszűnik: újra kapcsolódnak - A-vitamin hiányában nem alakulhat ki: farkasvakság (szürkületben nem lát)

47 Lipidek - összefoglalás

48 A szénhidrátok Rövid vázlat - a szénhidrátok jelentősége
- a szénhidrátok előállítása - monoszacharidok - triózok - pentózok - hexózok - a diszacharidok - maltóz - szacharóz - laktóz - a poliszacharidok - keményítő - amilóz - amilopektin - glikogén - cellulóz

49 A szénhidrátok Bővebb vázlat
- a bioszféra szervesanyag-készletének fő tömegét alkotják - sejtfalanyag (cellulóz) - tartaléktápanyag (keményítő, glikogén) fotoszintézissel állítják elő a növények szén-dioxid és víz felhasználásával napfény segítségével nevüket alkotó C, H, O 1:2:1 aránya alapján kapták [C n(H2O)m] - szénhidrát a valóságban a C-atomokhoz hidrogén és hidroxilcsoport kapcsolódik [(H- C -OH)n] és emellett oxocsoportot is találhatunk a molekulában - jelentős oxigéntartalmuk miatt feleannyi energiát raktároznak, mint a velük azonos tömegű lipidek – igen stabil vegyületek – levegőn nem avasodnak mint az egyes zsírsavak C-C kettős kötéseket tartalmazó részei. Szénhidrátok: polihidroxi-oxovegyületek – polihidoxi-aldehidek (nevük: aldehidek) vagy polihidroxi-ketonok (nevük: ketózok), vagy olyan vegyületek, melyek hidolízisével ilyen vegyületek képződnek. Szénhidrátok csoportosítása: felépítésük alapján – mono-, di- és poliszacharidok. Elsősorban a sejt vagy a szervezet energiaháztartásában és - szerkezeti egységeként – felépítésében játszanak szerepet.

50

51 A szénhidrátok - monoszacharidok
Monoszacharidok – egy egységből, monomerből állnak, nem hidrolizálhatók. Alapvázukat 3-7 C-atom alkotja. Nyílt láncúak, de nagyobb méretűek gyűrűvé is záródhatnak. Vízben jól oldódnak, könnyen átjutnak a sejthártyán. Ezt jelentősen akadályozza, hogyha foszforsavval kapcsolódnak össze kondenzáció során. vizes oldataik formájában jól szállíthatók → vérben, növények háncsszöveteiben monoszacharidokat találunk foszfátésztereik a szénhidrát-anyagcsere köztestermékei, s egyúttal energiatárolók édesízűek - csalogatóanyagként szerepelnek gyümölcsökben, nektárokban Szerkezetük általános jellemzői: Aldózok: az oxocsoport láncvégi helyzetű (aldehidcsoort) Ketózok: az oxocsoport láncközi helyzetű (ketocsoport). A természetben előforduló monoszacharidok molekuláiban a 2. C-atom képezi.

52 A szénhidrátok - monoszacharidok
Az optikai forgatóképesség és a molekula szerkezetének összefüggése Királis rendszer (molekula) – olyan rendszer (molekula), amelynek tükörképe nem hozható önmagával fedésbe. A biológai rendszerekben a szerves molekulák egy részének (szénhidrátok, aminosavak) van kiralitásuk. E molekuláknak 1 vagy több kiralitáscentrumuk (asszimmetriacentrumuk) van. A C-atom királis, ha négy különböző ligandum (egy molekulában a központi atomhoz kapcsolódó atom vagy atomcsoport) kapcsolódik hozzá (a láncközi H-C-OH részlet szénatomjai – mivel a molekula két vége eltérő – kiralitáscentrumok).

53 A szénhidrátok - monoszacharidok

54 A szénhidrátok - monoszacharidok
A gyűrűs szerkezet kialakulása Azok a hidroxilcsoportok, amelyek reakciójakor öt vagy hattagú gyűrűvé alakulhat ki, addícióval képesek az oxocsoportot hordozó C-atomhoz kapcsolódni. (A folyamatot a lánc utolsó előtti C-atomjához kapcsolódó O nemkötő elektronpárjának az oxocsoport elektronhiányos C-atomjához történő bekötése indítja el, addícióval datív-kötés jön létre.) A kialakuló gyűrűs molekulában az oxocsoport hidroxilcsoporttá, ún. glükozidos hidroxilcsoporttá alakul, míg a lánc utolsó előtti C-atomja –OH-csoportjának oxigénje a gyűrű tagjává válik →éterkötést létrehozva.

55 A szénhidrátok - monoszacharidok
Az 1. C-atomon az oxocsoportból a gyűrűvé záródáskor a kialakuló glikozidos hidroxilcsoport helyzete alapján alakul ki az α- és β-konfiguráció. A gyűrűs molekula síkjára merőlegesen elhelyezkedésű (axiális helyzetű) hidroxilcsoportot tartalmazó az α-konfigurációjú, a síkkal párhuzamos (ekvatoriális) helyzetű –OH csoporttal rendelkező a β-konfigurációjú molekula.

56 A szénhidrátok - monoszacharidok
- triózok (3C) - a glicerin oxidációs termékei - glicerinaldehid - biokémiai folyamatok (anyagcsere-folyamatok) köztes terméke - szabad állapotban nincs jelen glicerinaldehid-3-foszfát - foszforsavval alkotott észtere

57 A szénhidrátok - monoszacharidok
- pentózok (5C) - nukleinsavak, koenzimek alkotórészei, - köztestermékek öttagú gyűrűt képeznek: - 2-dezoxi-ribóz (DNS) (hidroxil-csoport helyett hidrogénatom van a 2. szénatomon, eggyel kevesebb O van benne) - ribóz (RNS) - foszforsavval alkotnak észtereket (így vesznek részt a nukleinsav képzésében) - pentóz-foszfát

58 A szénhidrátok - monoszacharidok
- hexózok (6C) - az élővilágban előforduló leggyakoribb monoszacharidok - szabad állapotban is jelen vannak (sejtben és sejtközötti állományban is) mert a szénhidrátszállítás ebben a formában történik a sejten belül és a sejtek közötti térben is a cukrok lebontása ezekből indul ki - gyakran diszacharidokat és poliszacharidokat képeznek - szőlőcukor (glükóz) (C6H12O6) – aldehid - az egyik O-atomján keresztül az 1. és 5. C-atomjával hattagú gyűrűvé kapcsolódik össze - az 1-es szénatom glikozidos hidroxil-csoportja kétféleképpen állhat - -glükóz - -glükóz - foszforsavval észtereket alkot (biokémiai folyamatok köztes terméke) - szabadon és nagyobb molekulák alapegységeként is fontos

59 A szénhidrátok - monoszacharidok

60 A szénhidrátok - monoszacharidok
- a természetben D-glükóz molekula van, fotoszintézis során ez keletkezik, di- és poliszacharidok építőegységei az ember vérének állandó glükóz koncentrációja van az ember sejtjei főleg glükózzal táplálkoznak fruktóz – gyümölcscukor - az állati táplálkozás szempontjából legédesebb monoszacharid – összegképlete ugyanaz, mint a glükózé, de az atomok kapcsolódási sorrendje más. termésekben, mézben fordul elő, s az anyagcsere-folyamatok köztes terméke a foszfátszármazéka

61 A szénhidrátok - monoszacharidok

62 A szénhidrátok - monoszacharidok

63 A szénhidrátok - diszacharidok
a diszacharidok két monoszacharidból állnak, melyeket éterkötés kapcsol össze (a két gyűrű között vízkilépés után egy O teremt kapcsolatot) a kondenzációban legalább az egyik egyszerű cukor glikozidos hidroxil-csoportja vesz részt a matóz és a cellobióz lebontási köztestermék az élővilágban vízben jól oldódnak és általában édes ízérzetet keltenek két glükózmolekula között jön létre glikozidkötés vízkilépéssel (kondenzációval) - hidrolízissel bontható

64 A szénhidrátok - diszacharidok
- maltóz (malátacukor) - 2 db -glükóz építi fel - keményítőbontás köztesterméke, vagy glikogénbontáskor képződik - édes (nyálamiláz hatására képződik a szájüregben) - hidrolízissel bontható egységeire (középbélben történik) - redukáló típusú diszacharid - cellobióz - 2 db β-glükóz - cellulózbontáskor képződik

65 A szénhidrátok - diszacharidok
- szacharóz (répacukor, nádcukor) - heterotróf élőlények tápanyagai - cukorrépa és cukornád tartalmazza 10-20%-ban - nem redukáló típusú diszacharid - 1 db fruktóz és 1 db glukóz összekapcsolódásával – vízkilépéssel jön létre - fruktóz (gyümölcscukor) - glükózzal azonos összegképletű - gyümölcsökben gyakori - édes (mézben is sok van) - a szervezetben a szacharóz lassabban használható fel, mint a glükóz, ezért adják a cukorbetegeknek (előbb glükózra és fruktózra bomlik, majd a fruktóz glükózzá alakul át, így kerül a vérkeringésbe) - laktóz (tejcukor) - 1 db glükóz és 1 db galaktóz alkotja - redukáló típusú diszacharid

66 A szénhidrátok - poliszacharidok
a poliszacharidok – több száz vagy több ezer monoszacharid kondenzációjával keletkező makromolekulák (makromolekulák – ált.-ban kolloid méretű polimerek – molekulatömegük nagyobb, mint 10000) monomerjük: a glükóz minden molekula közös jellemzője: a monomerek között 1-4 glikozidoskötés (Vagyis a kapcsolódó glükózmolekula 1. és mellette lévő monomer 4. C-atomján lévő hidroxil-csoportok között éterkötés van) a poliszacharidok közötti különbséget a monomerek típusa és száma, vmint az összekapcsolódás módja adja képződésük során a funkciós csoportjaik kovalens kötésekkel, vagy hidrogénkötésekkel vannak lekötve, így kifelé nincs poláros csoportjuk, ezért vízben nem oldódnak, nem édesek, sokkal stabilabbak, mint a monoszacharidok, ezért ideális - tartaléktápanyagok - szilárdító vázanyagok. A keményítő vízben oldhatatlan keményítőszemcsék formájában válik ki a sejtben, így szinte korlátlan mennyiségben raktározható.

67 A szénhidrátok - poliszacharidok
- Keményítő (amilum) - növényi tartaléktápanyag – búza, burgonya, rizs - fotoszintézis során képződik - a sejtekben a fajra jellemző alakú keményítőszemcsék formájában raktározódik - a szemcsék réteges felépítésűek, bennük amilóz és amilopektin szénhidrát-molekulák mellett szénhidrátot felépítő és lebontó (amiláz) enzimek is vannak - több száz -D-glükózokból épül fel (glikozidkötések kapcsolják össze őket) két összetevője: - amilóz - fonalas, elágazásmentes spirális (hélix) lánc – 1-4 glikozidos kötésekkel - a szemcse belsejében - amilopektin - helyenként – kb. 12 egységenként - elágazó lánc – ( egységenként 1-6 glikozidos kötések miatt), ágas-bogas szerkezetű - a szemcse felszínén - maltóz egységekre majd -D-glükózokra bontható (hidrolízissel) (A keményítőben az amilóz és az amilopektin szemcsénkénti aránya: 20:80.)

68 A szénhidrátok - poliszacharidok

69 A szénhidrátok - poliszacharidok

70 A szénhidrátok - poliszacharidok
- glikogén - állatok és a gombák tartaléktápanyaga - -D-glükózokból épül fel – több ezer - amilopektinre emlékeztet, de gyakrabban ágazik el – a spirál 1-6 glikozidos kötéseket tartalmaz - a gerinceseknél: a májban és a harántcsíkoltizmokban tárolódik (szemcsék formájában) - cellulóz - a legelterjedtebb poliszacharid - növényi sejtfal alapanyaga, vázanyag, növényi rostok - több ezer -D-glükózból épül fel - hosszú, egyenes, elágazásmentes lánc - az egységek elrendezése miatt - a láncon belül az egymás melletti egységek között létrejöhet hidrogénkötés - a láncok egymás mellé rendeződnek (hidrogénkötések stabilizálják ezeket)

71 A szénhidrátok - poliszacharidok
- vízben nem oldódik - nehezen hidrolizálható egységekre (cellulózbontó baktériumok, gombák, egyes egysejtűek képesek erre speciális enzimjeikkel) - az ember a cellulózt (a rostot, a korpát nem hasznosítja táplálékként, csak a perisztaltikus mozgáshoz kell) - viszont papírként, vattaként, lenként, kenderként igen, a pamutszál cellulóz kitin nitrogéntartalmú szénhidrát – hasonlít a felépítése és szerkezete a cellulózra - ízeltlábú állatok és gombák vázanyaga

72 Szénhidrátok - összefoglalás
Egyszerű szénhidrátok Összetett szénhidrátok Nem hidrolizálhatók Savas hidrolízissel bonthatók Monoszacharidok Diszacharidok Poliszacharidok Jellegzetességük egy egységből épülnek fel két monoszacharidból állnak több száz / több ezer egységből állnak hidrolízissel nem bomlanak egyszerűbb vegyületekre hidrolízissel 2 monoszacharidra bonthatók óriásmolekulák (makromolekulák), hidrolízissel sok monoszacharidra bonthatók Felépítésük CnH2nOn C12H22O11 (C6H11O5)n C3-C7 szénatomszámú Tulajdonságuk vízben oldódnak nem oldódnak vízben édes ízűek többségük édes ízű nem édes ízűek általában redukáló hatásúak többségük redukáló hatásúak nem redukáló hatásúak Biológiai jelentőségük energiaszolgáltatók, az összetett szénhidrátok felépítői energiatárolók (tápanyag), lebontási köztes termékek, membránok jellemző molekulái tartalék energiatárolók, vázanyagok Példa glicerinaldehid, ribóz, glükóz, fruktóz maltóz, cellobióz, laktóz, szacharóz cellulóz, keményítő, glikogén

73 A fehérjék Rövid vázlat - a fehérjék változatos biológiai szerepe
- a nitrogéntartalmú vegyületek előállítása - az aminosavak - a felépítésük - az elnevezésük - a csoportjaik - az esszenciális aminosavak - a fenilketonúria - aminosavak kapcsolódása peptidkötéssel - a fehérjék szerkezete - az elsődleges szerkezet (aminosavszekvencia) - a másodlagos szerkezet - -hélix-szerkezet - -lemez-szerkezet

74 A fehérjék - a harmadlagos szerkezet - a negyedleges szerkezet
- a fehérjék denaturációja - reverzibilis denaturáció - irreverzibilis denaturáció - a fehérjék típusai - egyszerű fehérjék - összetett fehérjék

75 A fehérjék biológiai jelentősége
Bővebb vázlat - változatos biológiai szerepük van - sejtfelépítők (membránfehérjék), az élő anyag szerkezetalkotói (pl.: kollagén a kötőszövetben) - enzimek: az anyagcsere-folyamatok katalizátorai (pl.: amiláz, foszfatáz) - szállítómolekulák (oxigén, vas, lipidek szállítása) – molekulaszállító: hemoglobin - immunanyagok - hormonok alkotói (pl.: növekedési hormon) - felépítésükhöz nitrogéntartalmú vegyület kell - nitrogénkötő baktériumok a levegő nitrogénjével szervetlen nitrogénvegyületeket állítanak elő - az autotróf növények ezeket felhasználva állítják elő fehérjéiket - a heterotróf állatok csak kész szerves nitrogéntartalmú vegyületekből tudják előállítani - ezért fehérjetartalmú táplálékot fogyasztanak - növényeket - állatokat

76 A fehérjék felépítése, szerkezete
A felépítésben résztvevő elemek: C, H, O, N, S. Alapegységeik: aminosavak (húszféle) Funkciós csoportjaik: amino- (-NH2) és karboxil- (COOH)csoport Karbonsavak = molekuláikban a kaboxilcsoport melletti szénatomhoz (az -szénatomhoz) aminocsoport kapcsolódik („aminokarbonsavak”) Lehetnek α-, β-, γ-aminosavak α-aminosavból épülnek fel az emberi test fehérjéi β-aminosav, pl.: koenzim-A (az anyagcserében kulcsfontosságú molekula) γ-aminosav, pl.: ingerületátvivő anyag (a γ-amino-vajsav = GABA) Ikerion szerkezetüket figyelembe véve általános szerkezeti képletük: NH +3 CH COOH R - a központi -szénatomhoz kapcsolódik - egy aminocsoport - egy karboxilcsoport egy hidrogénatom oldallánc – az aminosavak egymástól ebben különböznek

77 A fehérjék felépítése, szerkezete
- ez a glicin esetében egy hidrogénatom - csak polipeptidekben lesznek ezek oldalláncok - apoláros - poláros - semleges - savas - bázisos - az aminocsoport bázisos jellegű, mert protonfelvételre képes (a nitrogén nagy EN értékű) - a karboxilcsoport savas jellegű, mert proton képesek leadni  savval is és bázissal is sókat képeznek  amfoter jellegűek, kettős jelleműek: savként és bázisként is viselkednek. Királis molekulák, L-aminosavak Vízkilépéssel peptidkötést hoznak létre: néhány aminosav oligopeptid (pl.: oxitocin, ADH) sok (száz, néhány száz) aminosav polipeptid vagy fehérje (pl.: ACTH, pepszin, hemoglobin) 10000 moláris tömeg alatt polipeptidek, felette fehérjének nevezzük

78

79 A fehérjék elnevezése, csoportjaik
- elnevezésük: - szabályos kémiai nevüket nem használják - triviális nevükből származtatott hárombetűs jelölést használnak gyakran - csoportjaik: - monoamino-monokarbonsavak - monoamino-dikarbonsavak (savas aminosavak) - bázisos aminosavak (mert nem mindig aminoscsoport, a második bázisos jellegű rész) - esszenciális aminosavak: a szervezet nem képes előállítani őket készen kell felvenni őket pl.: fenil-alanin lizin triptofán - a túl sok aminosav is lehet káros, például: fenilketonúria - ilyenkor hiányzik egy enzim, ami a fenil-alanin átalakítását végzi - a fenil-alanin felhalmozódik a vérben - az agyba kerülve értelmi fogyatékosságot okoz (Keyes: Virágot Algernonnak)

80 Az aminosavak kapcsolódása: fehérjék
- peptidkötéssel - vízkilépéssel jár - egy aminocsoport és egy karboxilcsoport között jön létre - hidrolízissel bontható (víz kell hozzá) - dipeptid jön létre - további aminosavak kapcsolódásával polipeptidlánc alakul ki - több száz alegységből is létrejöhetnek - alapja egy poliglicinlánc, amelyhez oldalláncok kapcsolódhatnak - elágazásmentes - egyik végén aminocsoport (NH3+) – amino-láncvég (N terminális) - a másik végén karboxilcsoport (COO-) – karboxil-láncvég (C terminális)

81 Az aminosavak kapcsolódása: fehérjék

82

83 A fehérjék szerkezete Néhány száz, ritkán több ezer aminosav építi fel
Térbeli szerkezetük (konformációjuk van) a fehérjék szerkezete - változatos felépítés – változatos funkció - csak adott szerkezet mellett látják el funkcióikat - fajonként más-más lehet az azonos funkciójú fehérjék felépítése (pl.: inzulin) Elsődleges (primer) szerkezet: = aminosavsorrend (-szekvencia); az aminosavak egymással peptidkötéssel kapcsolódva polipeptidláncot alkotnak, az aminosavakat kovalens vegyértékkötések kapcsolják egymáshoz; fajlagosságot az elsődleges szerkezet adja - inzulin (az elsőnek megállapított aminosavszekvencia) - 51 aminosav - Sanger, angol biokémikus 10 évi kutatással - (10 évi kutatás eredményeként) (Nobel-díj ) - 1980: 2. Nobel-díj: a nukleinsavak kutatásáért ( )

84 A fehérjék szerkezete Másodlagos (secunder) szerkezet = másodlagos kötések (H-kötések, diszulfid-híd, van der Waals-kölcsönhatás) által kialakított α-hélix (spirál) és β-redő szerkezet; a nagyobb oldalláncok α-hélixet, a kisebbek β-redőt alakítanak ki. Részletesen: a másodlagos szerkezet - az -szénatom körüli szabad forgás miatt sokféle térszerkezet lehet - két stabil szerkezet van - -hélix-szerkezet - spirális szerkezet - molekulán belüli hidrogénkötések rögzítik - az amino-csoportok és a karboxil-csoportok között - -lemez-szerkezet - polipeptidlánc-szakaszok fekszenek egymás mellett egy hajtogatott lemezben - hidrogénkötések rögzítik egymáshoz ezeket - röntgendiffrakciós vizsgálat - Pauling, amerikai kémikus az 50-es években - kristályos fehérjéken bocsátott át röntgensugarakat, azok elhajlottak - térbeli elrendeződést vizsgált - pl.: hemoglobin szerkezetének kiderítése 23 évet vett igénybe

85 A fehérjék szerkezete

86 A fehérjék szerkezete

87 A fehérjék szerkezete Térbeli szerkezetük (konformációjuk van)
Harmadlagos szerkezet = teljes molekula térbeli szerkezete, a másodlagos polipeptidlánc egymástól távoli pontjai között másodrendű kötések alakítják ki; fibrilláris: csupa α-hélix, vagy csupa β-redő (pl.: keratin és fibroin); globuláris α-hélixekből, vagy csupa β-redőkből álló szakaszok váltakoznak, rendezetlen szakaszok is lehetnek pl.: enzimek (A harmadlagos szerkezetben - a fehérjeláncok teljes térbeli elrendeződései a globuláris fehérjéknél - különböző kötések rögzítik ezeket úgy, hogy belül legyenek inkább az apoláros részek - kovalens kötés (cisztein oldalláncainál diszulfidhíd) - ionos kötés (savas ás bázikus jellegű oldalláncok között) - hidrogénhíd - van der Waals-kölcsönhatás)

88 A fehérjék szerkezete

89 A fehérjék szerkezete Negyedleges (kvaterner) szerkezet: több polipeptidlánc egymáshoz kapcsolódása másodrendű kötésekkel (pl.: a hemo-globin-molekula 4 peptidláncot tartalmaz)

90 A fehérjék szerkezetét rögzítő kötéstípusok

91 A fehérjék felosztása Fehérjék Egyszerű fehérjék (proteinek)
Összetett fehérjék (proteidek) alkotói csak aminosavak az aminosavakon kívül más alkotórészük is van plazmafehérjék magfehérjék albuminok, globulin, fibrinogén lipoproteidek hiszton protamin glükoproteidek sejthártyában sejthártyában a kromoszómák felépítésében, a gének szabályozásában fontos vázfehérjék kromoproteidek nukleoproteidek kollagén hemoglobin mioglobin retikulin enyvadó rostokban rácsrostokban kromoszómák membránjában aktin, miozin elasztin rugalmas rostokban izomrostokban

92 A fehérjék felosztása - a fehérjék típusai - egyszerű fehérjék
- csak aminosavak keletkeznek hidrolízisük során - pl. albumin (tojásban) - összetett fehérjék - aminosavakon kívül van bennük más is (nem fehérjejellegű rész) - pl. kazein (tej) (foszforsav) hemoglobin (VVS) (hem – vastartalmú rész)

93 A fehérjék működése Fajlagosak
Fajnak, egyénnek, szervnek, sejtnek egyedi fehérjéi vannak Fajlagosságuknak jelentősége van: vérátömlesztésnél szövet- és szervátültetésnél Rh-faktor kapcsán, a terhességnél immunológiai folyamatokban baktériumok elleni védekezésben táplálkozásban. Enzimek Enzimek biokatalizátor tulajdonságú fehérjemolekulák Élőlényekben enzimek nélkül nem mennek végbe a kémiai reakciók

94 Az enzimek csoportosítása
A fehérjék működése Az enzimek csoportosítása működés szerint hidrolázok hidrolízist katalizálnak oxireduktázok redoxfolyamatokat gyorsítanak ligázok kötést hoznak létre liázok kötést bontanak izomerázok a molekula izomerét állítják elő szerkezet szerint egyszerű fehérjék (pl.: ribonukleáz) csak fehérjék építik fel az enzimet összetett fehérjék prosztetikus csoport (pl.: hemoglobin) koenzim (NAD, NADP, FAD, KoA) a fehérjéken kívül mást is tartalmaznak

95 A fehérjék működése Az enzimek tulajdonságai:
fajlagosak: szubsztrátumra, reakcióra pH-optimum: minden enzimnek megvan a maga hidrogénion-koncentrációs optimuma, amely mellett a hatását legjobban ki tudja fejteni; hőmérsékleti optimum: a hőmérséklet emelkedésével a reakciók gyorsulnak, de csak bizonyos határig, pl.: 40 ◦C-nál magasabb hőmérséklet a fehérjék irreverzibilis tönkremenését okozhatja; Hatásmechanizmusa: Az aktív centrumhoz kötődik a szubsztrátum. Végbemegy a katalikus folyamat. A termék (produktum) leválik. Visszaáll az enzim eredeti szerkezete. elnevezése általában: a reakció vagy a szubsztrát neve + „áz” végződés.

96 A fehérjék működése Hibátlan működésük feltétele: a megfelelő térbeli szerkezet Az aminosavsorrend megváltozása miatt megváltozhat a térszerkezet (pl.: a sarlósejtes vérszegénység esetében: amikor glutaminsav helyett valin van a fehérjeláncban) Denaturálódás és koaguláció miatt megváltozhat a térszerkezet: hőhatásra könnyűfémsók hatására – reverzíbilis nehézfémsók hatására –irreverzibilis pH-változás miatt.

97 A fehérjék működése - a fehérjék denaturációja
- a fehérjék a környezet állapotára igen érzékenyek - úgy változik a szerkezetük, hogy elveszítik hatóképességüket - reverzibilis denaturáció (vízvesztés hatására) - irreverzibilis denaturáció (melegítés hatására)

98 A nukleotidok és a nukleinsavak
- változatos funkciójúak - energiaátalakítás - energiaraktározás - szállítómolekulák - nukleinsavak felépítői - különböző alegységekből épülnek fel - foszforsav - pentóz - RNS-ben ribóz - DNS-ben 2-dezoxi-ribóz - nitrogéntartalmú szerves bázis - pirimidinvázas (6 tagú, egy gyűrűs) - citozin (RNS, DNS) (3) - timin (DNS) (2 hidrogénkötésre képes) - uracil (RNS) (2) - purinvázas (9 tagú, két gyűrűs) - adenin (DNS, RNS) (2 hidrogénkötésre képes) - citozin (DNS, RNS) (3)

99 - mononukleotid - kondenzációs folyamattal jön létre (2 vízmolekula kilépésével) foszforsav + pentóz + bázis - 5. szénatamjához kapcsolódik észterkötéssel a foszforsav - 1. szénatomjához a bázis egyik nitrogénatomja kpacsolódik pld. adenozin-monofoszfát (AMP) - két foszfátcsoport esetén: adenozin-difoszfát (ADP) - három foszfátcsoport esetén: adenozin-trifoszfát (ATP) - nagy energiájú kötést tartalmazó molekula - 25 kJ/mol-nál több energia szabadul fel hidrolízisekor - hidrolízisekor ADP és foszforsav keletkezik (+ 30kJ/mol) - ATP központi szerepű a sejtek energiaforgalmában - a foszfátcsoport mozgékony (felvehető, leadható) - a molekula energiatartalma magas - energiatermelő folyamatokban ATP-szintézis zajlik - energiaigényes folyamatokban ATP-hidrolízis zajlik

100 - sok szállítómolekula alapszerkezet visszavezethető nukleotidokra
- pld: koenzim-A (KoA) - acetilcsoport szállítását végzi (2C): CH3CO- - nukleotid alapegység + foszfátcsoport + vitaminjellegű csoport + SH - dinukleotid - két mononukleotidból áll - pld: nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD) - nikotinsavamidos mononukleotid + mononukleotid - a hidrogén szállítását végzi - a hidrogén felvétele: - 1 proton és 2 elektron felvételét jelenti a savamidnál - a másik proton hidrogénion formájában oldatban marad - ekkor redukálódik NADH-vá - ez egy másik folyamatban leadja a hidrogént (oxidálódik) - egyes folyamatokban a NADP játszik szerepet - a mononukleotid-rész tartalmaz még egy foszfátcsoportot

101 - nukleinsavak - polinukleotidok - nukleotid egységekből állnak - akár több ezerből - a pentózok 3. és 5. szénatomjai között alakul ki kapcsolat a foszfátcsoporton keresztül - a bázissorrend fontos a felépítésükben - RNS: ribózt tartalmaz (és uracilt timin helyett) - DNS: 2-dezoxi-ribózt tartalmaz (timint uracil helyett) - két párhuzamos, de ellentétes lefutású polinukleotid-láncból áll (antiparalel) - egymással a bázispárok hidrogénkötései kapcsolják össze - távolságuk: 2 nm - egy csavarmenet magassága: 3,4 nm - egy csavarmenetben 10 db bázispár van - purinnal szemben pirimidinbázis lehet - csak olyan, amelyik azonos számú hidrogénkötés kialakítására képes - adenin és timin (kettő) - guanin és citozin (három) - egyik lánc meghatározza a másikat, mert kiegészítik egymást (komplementerek) - kettős hélix-szerkezetű - 1953, Cambridge - Wilkins (angol biofizikus) - röntgendiffrakciós vizsgálatokat végzett különböző DNS-ekkel - mindig hasonló szerkezeti képet kapott - Watson (amerikai biológus) - Crick (angol biofizikus) - Wilkins eredményeire alapozva készítették el a modelljét - Nobel-díjat kaptak együtt

102 - RNS: - ribózt tartalmaz (és uracilt timin helyett) - funkció szerinti fajtái: - riboszómákat felépítők (rRNS-molekulák, riboszomális…) - ez van a legnagyobb mennyiségben - a fehérjeszintézisben játszanak szerepet - aminosavakat szállítók (t-RNS-molekulák, transzfer, szállító…) - kisebb mennyiségben vannak ezek - DNS információit szállítók (mRNS, messenger, hírvivő…) - néhány százalékuk ilyen - egy szálúak, de visszakanyarodással kialakíthatnak kétszálú részeket - pld: tRNS

103 A sejtekben zajló anyagcsere általános jellemzői
- a sejtek anyagcseréje: a biokémiai folyamatok összessége - három folyamat alkotja: 1. energiaáramlás 2. anyagforgalom 3. információáramlás - egymástól ezek nem választhatók el - bonyolult hálózatot alkotnak - energiaigényes felépítő folyamatok (pld. szénhidrátok felépítése) - energiatermelő lebontó folyamtok (pld. szénhidrátok lebontása) - információáramlás (pld. fehérjeszintézis egyes lépései) - energiaigényes folyamatok - autotrófok - szervetlenből szerveset képesek előállítani - pld. fotoszintézissel - fényenergiából - kémiai energiát készítenek (ATP) - pld. kemoszintézissel - kémiai reakciók során felszabaduló energiát használják fel - heterotrófok - szerveset alakítanak át, így nyernek kémiai energiát (ATP)

104 - felépítő folyamatok - kiindulási anyagaik: - kis méretűek - kis energiatartalmúak - energiatermelő folyamatok - szerves anyagok lebontása (lebontó folyamatok) - többlépéses folyamat - építőegységek - köztes termékek - egyszerű végtermékek (szén-dioxid és víz) - közben kémiai energiát nyernek (ATP)

105 - biokémiai reakciók sorozata
- a részt vevő anyagoknak magasabb energiaszintre kell jutniuk - aktivált állapotba kell kerülniük - aktiválási energia a két energiaszint közötti különbség - elérhető melegítéssel - ez kedvezőtlen a sejtekben - elérhető katalizátorokkal - többféle út is lehetséges a végtermék felé - az megy végbe, amelyikhez a legkisebb aktiválási energia szükséges - a katalizátorok csökkentik a szükséges aktiválási energiát - általában ezek fehérjék (biokatalizátorok: enzimek) - felgyorsítják a reakció sebességét - kapcsolatba kerülnek a kiindulási anyagokkal (szubsztrátokkal) - az aktív centrum egy kis része az enzimnek - speciális rész, mert az aminosavak oldalláncai itt speciálisak - ide csak bizonyos szubsztrátok kapcsolódhatnak be - az enzimek fajlagossága ebből adódik (csak 1 reakciót katalizál) - az enzim felületén keletkezik a termék (produktum) - a termék utána leválik - az enzim újabb reakciót katalizálhat - az enzimek többsége összetett fehérje, tehát van nem fehérjejellegű része is - ez a rész kell a működésükhöz (koenzim) - pld. KoA, NAD - ezek felépítésében fontosak egyes vitaminok - a környezeti hatásokra érzékenyek, könnyen denaturálódnak

106 A szénhidrátok felépítése energiát igényel
- alapvető felépítő folyamat: fotoszintézis - fényenergia megkötése (átalakítása kémiai energiává) - a fény 400 és 800 nm közötti tartományát hasznosítják - szükségesek: - fényenergia - alapanyagok - enzimek - fényelnyelő anyagok - színes szerves vegyületek (pigmentek) - konjugált kettős kötéseket tartalmaznak - a szénláncban könnyen elmozdítható elektronok vannak - a fény energiacsomagjainak, a fotonoknak az energiáit átveszi - magasabb energiaszintű pályára lép egy elektron ekkor (a pályák közötti energiakülönbség a fotonok energiájával egyezik meg)

107 - a gerjesztett állapot rövid ideig tart
- visszalép eredeti pályájára - az energia elvész fény formájában v. - az energia átkerül másik molekulára - maga az elektron kerül át egy elektronfelvevő molekulára - ezzel oxidálódik a fényt megkötő molekula - az elektronfelvevő molekula redukálódik - klorofill típusú vegyületek - zöld vegyületek - porfirinvázasok - ez alkotja a molekula központját - négy pirrolgyűrű alkotja - középen egy magnéziumatom van - oldalláncok vannak a pirrolokon - a-klorofill (metil-csoport) - b-klorofill (aldehid-csoport)

108 - karotinoid típusú vegyületek
- egyszerű lipidek - karotin: narancsvörös - xantofill: sárga (a karotin oxigéntartalmú származéka) - fényelnyelési maximumok: - klorofill: kék és vörös tartományban - karotinoidok: kék tartományban - a zöld színű fényt egyik sem tudja elnyelni, ezért zöldek ezek a növények - vörös káposzta (levele lilás) - van benne klorofill - antocián tartalmú oldat a sejtek üregeiben - ez nem fényelnyelő pigment - vörös moszatok - kék fényt hasznosító fikoeritrin (pigmentanyag) - fehérjékhez kötött a-klorofill molekulák - ezek képesek a fényenergiát kémiai energiává alakítani - nem fehérjéhez kötött pigmentek - fehérjéhez kötött a-klorofill molekulákhoz juttatják az energiát

109 - pigmentrendszerek - fajtáik: - 1. pigmentrendszer - karotin - b-klorofill - a-klorofill - 2. pigmentrendszer - xantofill - részeik: - fénygyűjtő rész (ebben különböznek) - 1. pigmentrendszer: hosszabb hullámhosszú fényt nyeli el - 2. pigmentrendszer. rövidebb hullámhosszú fényt nyeli el - reakcióközpont (fehérjékhez kötött a-klorofill molekulákból áll) - az egész 1%-át teszi ki

110 - a fotoszintézis fény szakasza
- a fényenergia átalakítása kémiai energiává (a fényenergia megkötése) - az 1. pigmentrendszer központi a-klorofill molekulája a foton hatására lead egy elektront - ezt felveszi egy elektronszállító rendszer - többtagú - redoxi folyamatokra képes - citokrómok - porfirinvázasok (Fe-tartalmúak, a Fe3+ redukálódini képes Fe2+-vé) - végső elektronfelvevő: NADP-molekula - NADPH-vá redukálódik - az elektron felvételével - a víz fotolíziséből származó proton felvételével - az 1. pigmentrendszer elektronhiánya a 2. pigmentrendszerből pótlódik - a leszakadt elektron elektronszállító rendszer juttatja át - ez az elektron jóval alacsonyabb energiaszintre jut: ATP keletkezik - a 2. pigmentrendszer elektronhiánya a víz fotolíziséből pótlódik - molekuláris oxigén is felszabadul közben - a víz a végső elektronleadó (oxidálódik a hidrogénje) - a fény szakasz végtermékei: - oxigén - ATP - NADPH - az utóbbi kettő feltétlenül kell a sötét szakaszhoz (szén-dioxid megkötéséhez)

111 - a fotoszintézis sötét szakasza
- Melvin Calvin amerikai kémikus kutatta - a szén-dioxid megkötése, redukciója - redukciós ciklus - pentóz-difoszfát köti meg a légköri szén-dioxidot - átmenetileg egy hat szénatomos molekula keletkezik - ez két három szénatomos glicerinsav-foszfátra bomlik - glicerinaldehid-foszfáttá redukálódik - ehhez NADPH és ATP kell - kétféle úton mehet tovább a folyamat - nagyobb része pentóz-foszfáttá alakul át - ez visszaalakul ATP felhasználásával pentóz-difoszfáttá - kisebb része glükóz-foszfát molekulákká alakulnak - belőle glükóz, keményítő, cellulóz keletkezhet

112 A szénhidrátok lebontása energiatermelő folyamat
- lebontó folyamat energia felszabadulásával jár - jelentős része ATP szintézisére fordítódik - ez kémiai energia máshol felhasználható - kulcsfontosságú a szénhidrátok lebontása - ehhez kapcsolódik a többi szerves anyag lebontása - a biológiai oxidáció - a sejtekben zajlik - soklépéses folyamat - mindegyikhez külön enzim kell

113 1. glikolízis - poliszacharidokból (keményítő és glikogén) és a glükózból - glükóz-foszfát (6C)  - glicerinaldehid-foszfát (3C) 2 ATP - piroszőlősav (3C) 2 CO2 - acetilcsoport (2C) - acetil-KoA alakul ki

114 2. citromsav-ciklus - körfolyamat - az oxálecetsav (4C) felveszi az acetilcsoportot (2C)  - citromsav (6C) 2 db CO2 - oxálecetsavvá oxidálódik (4C) 3. terminális oxidáció - végső oxidáció - ide kerülnek az előző két szakaszban termelődött NADH-molekulák hidrogénjei (oxidálódnak) - citokrómokból álló elektronszállító rendszerre kerülnek a protonok és az elektronok - egyre alacsonyabb energiaszintre kerülnek: ATP szintetizálódik - a végső elektronfelfogó: oxigén (vízzé redukálódik)

115 - Otto Warburg - német biokémikus - a légzési oxigén felhasználását vizsgálta - felfedezte a citokrómok szerepét a légzésben - megerősítette, hogy a légzésben az energianyerés legfőbb módja a hidrogén eloxidálása vízzé - Szent-Györgyi Albert - magyar biokémikus - kimutatta, hogy a piroszőlősav oxidációját segíti a citromsav és az oxálecetsav (1937: Nobel-díj) - leírta a C-vitamin és P-vitamin biológiai szerepét - tanulmányozta az izomműködést molekuláris szinten - Hans Krebs - a citromsavciklus részleteit derítette ki Angliában

116 - lebontó folyamatok anaerob környezetben
- erjedés - a glikolízis a piroszőlősav kialakulásáig megy - innen többféle reakcióút is lehetséges - a két legismertebb reakcióút: - alkoholos erjedés - piroszőlősavból szén-dioxid kilépése mellett etilalkohol (etanol) keletkezik - tejsavas erjedés - piroszőlősavból tejsav keletkezik - energia marad ezekben a végtermékekben (mindössze 2 mól ATP keletkezik)

117 A nukleinsavak információhordozók
- tüdőgyulladást okozó baktériumok - sok faja van - egyik faj egyedei általában vastag tokot képeznek (kórokozók) - ezekkel beoltott egerek egy-két napon belül elpusztulnak - ha hővel kezelt baktériumokkal oltják be az egereket, nem pusztulnak el - van olyan változata is ennek a fajnak, amely nem képez tokot (nem kórokozók) - ezzel beoltott egerek nem pusztulnak el - ha a hővel elölt kórokozó és nem kórokozó egyedek keverékével oltják be az egereket - az egerek elpusztulnak - az egerekben kórokozó baktériumokat találtak - következtetés: - a hővel elölt kórokozó baktériumokból olyan anyag került át a nem kórokozókba, amely megváltoztatta azok tulajdonságait - később kiderítették, hogy a DNS felelős ezért az információátvitelért

118 - erre egy másik bizonyíték:
- a bakteriofágok - megfertőzik a baktériumokat - DNS-ből és fehérjeburokból állnak - vírusfertőzéskor: - megtapad a gazdasejten - DNS-e bekerül a sejtbe - a fehérjeburka kint marad - a vírus örökítő anyaga átveszi az uralmat a gazdasejt felett - elnyomja az eredeti funkciót - megsokszoroztatja magát - kikerülnek a vírusok (gyakran ez a gazdasejt pusztulásával jár) - kettős izotópjelölést használtak a DNS bejutásának bizonyítására - a kitenyésztett vírus - a fehérjéje izotóp kénatomot - a DNS-e izotóp foszforatomot tartalmazott - a baktériumban a DNS izotópjai jelentek meg

119 - a DNS megkettőződése (replikáció)
- másolat jön létre - enzimek katalizálják - a másolás kezdőpontját megtalálók - a kettős spirált szétnyitók a hidrogénhidak mentén - kiegészítő szálat szintetizálók a nukleotid egységek felhasználásával - a végén két kettős spirál van - mindegyik a régi és egy új szálból áll - prokarióták: egy helyen indul a replikáció - eukarióták: több ezer helyen is lekezdődhet (gyorsabban zajlik így) - a képzett részeket egy enzim kapcsolja össze a folyamat végén - hibajavító enzimek is vannak

120 A fehérjeszintézis - a nukleinsavak információhordozók
- a fehérjék felépítésére vonatkozó információt hordozzák - azok elsődleges szerkezetét határozzák meg - aminosavsorrend - aminosavszekvencia - a DNS bázishármasai határozzák meg az aminosavakat - a DNS és a fehérjeszintézis nem egy helyen van - mRNS-molekulákra íródik át az információ - mRNS-molekulák szállítják az információt a fehérjeszintézis helyére - az átírás (a transzkripció) folyamata: - enzim széttekeri és szétnyitja azt a DNS-szakaszt, aminek az információjára szükség van - ezzel hozzáférhetőek lesznek a bázishármasok - megfelelő mRNS-nukleotidok kapcsolódnak egymáshoz az információt tartalmazó szál mentén (a néma szálról nem készül átírás) - ha kész az mRNS-szál, leválik a DNS-ről és a DNS visszanyeri eredeti szerkezetét és alakját - az mRNS a fehérjeszállítás helyére szállítódik

121 - a fehérjeszintézis helyére tRNS-molekulák szállítják a megfelelő aminosavakat
- a leolvasás (transzláció) folyamata: - az aminosavak aktivált állapotba kerülnek - ehhez szükséges: - ATP - 20 féle enzim - kapcsolatba kerülnek az aminosavak az őket szállító tRNS-molekulákkal - a riboszómákhoz szállítják az aminosavakat - a riboszómán történik a fehérjeszintézis - a riboszóma összetett fehérjéből és rRNS-molekulából áll - egy kisebb és egy nagyobb részből áll - képes egyszerre megkötni: - m-RNS-t - képződő fehérjemolekulát - megkezdődik az mRNS-molekula leolvasása - a riboszóma végighalad az mRNS-molekulán - közben mindig az a tRNS-molekula hoz oda aminosavat - bázishármasaiknak kell kiegészíteniük egymást - az újonnan érkezett aminosav hozzákapcsolódik az egyre hosszabb fehérjéhez - vízkilépéssel járó peptidkötéssel - a megüresedett tRNS-molekula leválik a riboszómáról

122 - a lánckezdés mindig metioninnal kezdődik (START-jel: AUG bázishármas jelöli)
- ez a metionin a fehérjelánc létrejötte után leválik enzim segítségével - a leolvasás a STOP-jelig tart (három ilyen bázishármas is van) - DNS: kódot tartalmaz a fehérje összetételéről bázishármasok formájában - 64 féle eleme van ennek a kódnak, mert minden helyen négy féle bázis lehet - viszont csak 20 féle aminosava építi fel a fehérjéket (+ START-jel és STOP-jelek) - egy aminosavnak több kódja is lehet - az aminosav kódszótár (ami nem kódszótár valójában, mert RNS-bázishármasokat tartalmaz!!) - a kódszótár általános érvényű az élővilágban