A sejtek kémiai felépítése Szerkesztette: Vizkievicz András
A biogén elemek Biogén elemeknek az élő szervezeteket felépítő kémiai elemeket nevezzük. A természetben található 90 elemből ez mindössze kb. 30. Az elsődleges biogén elemek a szerves vegyületek 95%-át alkotják. Ez csupán 4 elem: H, O, C, N. Jellemzőik: • kicsi atomméret, melynek köszönhetően nagy számban kapcsolhatók össze, változatos molekulákat alkotva. • Erős kovalens kötés, ezért stabil molekulákat alkotnak. • Többszörös kötések kialakítására képesek. A másodlagos biogén elemek a szerves vegyületekben kb. 1-2 %-ban jelen lévő elemek. Mint pl.: P, S, Fe, Mg, Na, K, Ca, Cl. A mikroelemek, nyomelemek a szerves vegyületekben néhány ezrelékben megtalálható elemek. Mint pl. Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Cr, stb. Az egyes biogén elemek jellemző előfordulásai az élő szervezetekben: • H - víz és szerves vegyületek alkotója, • O - víz és szerves vegyületek alkotója, • C - szerves vegyületek alkotója, • N - fehérjékben és nukleinsavakban, • P - nukleinsavakban, foszfolipidekben, gerincesek csontjaiban, • S - fehérjékben (cisztein), • Fe3+ - hemoglobinban, • Mg2+ - klorofillban, izmokban, csontban, • Na+, K+ - testnedvek szabad kationjai, • Ca2+ - csontokban, izomműködéshez, véralvadáshoz kell, • Cl- testnedvek szabad anionja, A biogén elemek kimutatása A szerves vegyületek minőségi analízise során a minta kis részletének elégetésekor keletkezett égéstermékeket – gázokat, hamut - vizsgáljuk. Bármely szerves vegyület elégetésekor az anyag széntartalma széndioxiddá, hidrogéntartalma vízzé oxidálódik.
1
A szén és a hidrogén kimutatása •
A szén kimutatása során a fejlődő széndioxid gázt meszes vízbe vezetjük, mely a keletkező, rosszul oldódó kálcium-karbonáttól megzavarosodik. CO2+Ca(OH)2=CaCO3+H2O
•
A hidrogén kimutatásakor a kémcső hidegebb részein lecsapódó páracseppek a szerves vegyületek hidrogénjének oxidációját jelzik.
A ví z Az élőlények számára a legjelentősebb szervetlen vegyület a víz. Élőlények, szövetek hozzávetőleges víztartalma m%-ban: Élőlények felnőtt nő felnőtt férfi csecsemő éti csiga medúza
% 55 65 74 84 98
szövet % csontváz32 bőr 65 agy 73 izomzat80
A víz biológiai szerepe 1. Kitűnő poláris oldószer 2. Reakciópartner • Hidrolízis során egy nagyobb molekula víz belépésével kisebb molekulákra bomlik. • Kondenzáció során kisebb molekulák víz kilépésével nagyobb molekulákká egyesülnek. 3. Reakcióközeg 4. Szerkezet meghatározó • A sejtek alakjának, • lágyszárú növények, puhatestűek testalakjának meghatározója.
2
Meghatározó élettani folyamatok hátterében a vízzel kapcsolatosan két fontos fizikai-kémiai folyamat áll: • a diffúzió és az • ozmózis. Diffúzió Koncentrációkülönbség hatására a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb felé irányuló, spontán végbemenő anyagtranszportot diffúziónak nevezzük. A diffúziónak köszönhetően a rendszerben a diffundáló anyag koncentrációja kiegyenlítődik, a részecskék a rendelkezésre álló teret egyenletesen kitöltik. Diffúzióval lép be pl. • az oxigén a tüdő légteréből a hajszálerekbe, a hajszálerekből a szöveti sejtekbe, • diffúz légzésű állatoknál a kültakarón át a testbe. Diffúzióval mozog a víz a különböző határfelületeken keresztül, pl. ilyen • a növények vízfelvétele a talajból, • a vesében a víz mozgása, • a bélcsőben a víz felszívódása, stb. Ozmózis Az oldószer féligáteresztő hártyán keresztül végbemenő diffúziója. Ha az ilyen hártyák két oldalán különböző koncentrációjú oldatok találhatók, akkor az oldószer részecskéi a hígabb oldat felől a töményebb oldat felé diffundálnak. A féligáteresztő hártyák a nagy molekulákat nem engedik át, csak a kis molekulákat, és főleg az oldószert. Kísérlet Egy üvegedénybe desztillált vizet öntünk, majd ebbe belehelyezünk egy üvegcső végére kötözött, cukoroldatot – szacharóz – tartalmazó celofánzsákot. A kísérlet kezdetén az üvegkádban levő víz szintje és az üvegcsőben található cukoroldat vízszintje megegyezik. Néhány óra múlva azt tapasztaljuk, hogy az üvegcsőben levő oldat szintje megemelkedik. Magyarázat: • A rendszerben koncentrációkülönbség van mind a cukorra, mind a vízre nézve. • A cukor diffúzióját,nagy mérete miatt, a féligáteresztő hártya megakadályozza. • A pohárban tiszta víz van, ezért annak térfogategységeiben több vízmolekula van, mint a zsákban lévő cukoroldat térfogategységeiben. Emiatt a diffúzió a vízmolekulákat a zsák belseje felé hajtja. (Kifelé is lépnek vízmolekulák, de kisebb sebességgel, mint befelé.) 3
• • • •
A szintemelkedés egy idő után megáll, amit az okoz, hogy az emelkedő folyadékoszlop nyomása és a bent lévő egyre több vízmolekula fokozza a kilépés sebességét. Amikor a beáramlás = a kiáramlással, dinamikus egyensúlyi állapot áll be. Azt a nyomást, amelyet az oldatra kell kifejteni ahhoz, hogy dinamikus egyensúly jöjjön létre ozmózisnyomásnak nevezzük. Az ozmózisnyomás az oldat töménységével egyenesen arányos.
Az élő szervezetben a sejtmembránok féligáteresztő hártyák.
Lipidek A lipidek olyan szerves vegyületek gyűjtő csoportja, amelyek igen különböző szerkezetűek, azonban közös sajátságuk, hogy apoláris oldószerekben jól oldódnak. Fontosabb csoportjaik • Neutrális zsírok • Foszfolipidek • Szteroidok o Szterolok o Epesavak o Hormonok • Karotinoidok Neutrális zsírok Ide tartoznak a természetes zsírok és a nem illó olajok. Szobahőmérsékleten azokat a neutrális zsírokat, amelyek • szilárdak: zsíroknak, • folyékony halmazállapotúak: olajoknak nevezzük. A neutrális zsírok kémiailag a glicerin zsírsavakkal alkotott észterei. Másképpen szólva glicerinből és zsírsavakból kondenzációval jönnek létre. Bomlásuk hidrolízissel történik.
4
A neutrális zsírok biológiai szerepe 1. Raktározott tápanyagok, mivel kétszer annyi energiát tárolnak, mint az azonos tömegű szénhidrátok. Heterotróf szervezetekben elsődleges energiaraktárak. Állati szervezetekben a zsírszövetekben halmozódnak fel: • bőr aljában, • szervek körül (bélcső, szív, máj, vese, szem). Növényekben pl. olajos magvakban találhatóak meg. 2. Helyzetüknél fogva - a bőralja – hőszigetelő szerepet látnak el. 3. Zsírban oldódó vitaminok (D, E, K, A) oldószerei. 4. Szervek helyét rögzítik. Az állati szervezetekben minden feleslegben felvett tápanyag zsírrá alakul. https://drive.google.com/file/d/0B15KJwYa2uMFT1FETFRpZjNSNDA/view?usp=sharing
Foszfolipidek Alapvegyületük a foszfatidsav, amelynek részei: • glicerin, • két zsírsav, • foszforsav. A foszfolipidek kettős oldódású, amfipatikus vegyületek, mivel poláris és apoláris részekből állnak, így oldódnak poláris és apoláris oldószerekben egyaránt. • •
A glicerin, a foszforsav és a kapcsolódó csoport poláris, a zsírsavak apolárisak.
Vízben kolloid méretű gömb-, ill. lemezes micellákat alkotnak, a molekulák apoláris részeikkel egymás felé fordulva, kettősrétegbe rendeződnek. Legfontosabb biológiai szerepük, hogy a sejtekben határhártyákat, membránokat hoznak létre, így vizes tereket választanak el.
5
Szteroidok Az ide tartozó vegyületek közös szerkezeti sajátsága a szteránváz. Az egyes szteroidok a szteránvázhoz kapcsolódó csoportok minőségében térnek el egymástól. 1. A szterolokban a szteránvázhoz OH-csoport kapcsolódik. Koleszterol Állati zsírokban, vérben, epében, sejthártyában fordul elő. Részben táplálékkal vesszük fel, állati zsiradékok tartalmazzák nagyobb mennyiségben, részben a szervezetünk állítja elő a májban. Fontos előanyaga a különböző szteránvázas vegyületek – pl. hormonok szintézisének, ugyanakkor magas koncentrációja a vérben érszűkületet, érelmeszesedést okoz.
D-vitamin A szervezetünk optimális kalcium-anyagcseréjéhez szükséges zsírbanoldódó vitamin. Fő forrása E vegyületeket részben a táplálékkal vesszük fel, részben a szervezetünk maga állítja elő. Magas D-vitamin tartalmú ételek a halmájolajok, tejtermékek, tojás. • • •
A D-vitamin előanyaga a koleszterinből jön létre a bőrben. Az előanyagból az inaktív D-vitamin, szintén a bőrben, UV hatására képződik. Mind a szervezetben UV hatására szintetizálódott, mind a gyógyszeresen bekerülő inaktív D-vitamin a májban raktározódik, végül a vesében aktív formává alakul.
Szerepe • Fokozza a kalcium- és a foszfát felszívódását a bélből, • ezáltal emeli a vér kalcium- és foszfátkoncentrációját, • elősegíti a kalcium beépülését a csontokba. Ezenkívül fokozza az immunrendszer működését (télvégi influenzajárványok egyik oka a szervezet alacsony D-vitamin tartalma). Hiánya A D-vitaminhiány kalcium hiányt eredményez, csontvesztéshez és a csonttörések fokozott kockázatához, fiatal korban az angol-kór kialakulásához vezet. 6
2. Epesavak azok a szteroidok, amelyek az epében találhatók meg. Az epében segítik a zsírok emésztését, úgy, hogy emulgeálják- fizikailag aprózzák -a nagyobb zsírcseppeket, miáltal nő azok felülete, aminek köszönhetően a zsírbontó lipázok hatékonysága megnő. 3. Szteránvázas hormonok A petefészekben termelődő női nemi hormonok: • progeszteron: megőrzi a terhességet. • Ösztrogén: egyik fő feladata amásodlagos nemi jellegek kialakítása. A herében termelődő férfi nemi hormon: • tesztoszteron: másodlagos nemi jellegek kialakításában játszik szerepet. Karotinoidok A karotinoidok lényegében szénhidrogének. Konjugált kettős kötés rendszerűek, így könnyen gerjeszthetők, ezért
.
Karotin: a sárgarépa színanyaga, tartaléktápanyaga, az A-vitamin előanyaga.
Az A-vitamin a májban karotinból keletkező, majd raktározódó zsírban oldódó vitamin. Szerepe • A normális látás fenntartásában nélkülözhetetlen, • fontos a hámfelületek (bőr, légutak, gyomor, védelmében, • véd a hámon keresztül történő fertőzések ellen.
bélcsatorna)
Fő forrása • Vitamin formájában a halmájolajok, tejtermékek, marhamáj, tojássárgája tartalmazzák. Előanyagát, a karotint, tartalmazza a legtöbb zöldség. Mivel vízben nem oldódik, a felszívódásához zsiradék szükséges. Hiánya: • •
szürkületi vakságot (farkasvakságot), sőt teljes vakságot okozhat. Hámszövet-, könnymirigyelsorvadása, a verejték- és faggyúmirigyek megbetegedése, a bőr kiszáradása, fokozott szaruképzés, a szőrzet és a hajszálak törékenysége, kihullása tapasztalható. 7
Likopin: piros színanyag, pl. a paradicsomban fordul elő.
Erős antioxidáns, képes a szabadgyököket semlegesíteni, elsősorban prosztatarák megelőzésében találták hatékonynak. Az E- és K-vitaminok zsírban oldódó vitaminok. E-vitamin Szerepe • Antioxidáns hatást fejtenek ki, védik a sejteket a káros szabadgyökökkel szemben. • Egyesek szerint rákmegelőző hatású. • Szükséges lehet az egészséges nemi működéshez (nem bizonyított). Fő forrása: • növényi olajokban, magvakban, • húsban, májban, tojásban fordul elő. Hiánya • Az E-vitamin hiánynak nincsenek kifejezett tünetei. • Nemi működések zavarához, magzatfejlődési problémákhoz vezet. K1,2 –vitamin Szerepe • A normális véralvadáshoz kell. Fő forrása • K1-t növényi olajok, zöld leveles zöldségek, káposzta, brokkoli, paraj tartalmazzák, fillokinon elnevezés az •
előfordulására utal (filum = levél).
A K2-t bélbaktériumok termelik. Éppen ezért hosszan tartó, bélgyulladással járó betegég, vagy antibiotikumos terápia következményeként K-vitamin hiány állhat elő.
Hiánya • Vérzékenységhez, véralvadási zavarokhoz vezet.
8
