mia Bioké
Sejtt
) lógia o t i c an (
le Mo
ógia l o i ris b á l u k
Biológia II. tik Gene
n (hisz Szövetta
a
i ka m o n - Ge
tológia)
1. A molekuláris- és sejtbiológia története
1
I. A sejtbiológia kialakulása Az első mikroszkópok XVI. - XVII. század Marcello Malphigi
Robert Hooke parafa metszetek vizsgálata, tőle származik a sejt elnevezés) 1665
(1628-94)
1590
A mikroszkopikus anatómia atyja (kapilláriskeringés, vörösvértestek, Malpighi-edények)
(bolhanéző üveg, 10x)
Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723)
számos mikroszkóp Kb. 270 x nagyítás 1722: 4 kötetes mű, művészi rajzokkal illusztrált írások
2
II. A szövettan és a sejtbiológia kiteljesedése 1831 Robert Brown felfedezi, hogy a növényekben sejtmag és sejtmagvacska van
Theodor Schwann (1810-1882) A sejtelmélet megalapítója
M. J. Schleiden (1804-81) A növényi sejttan atyja
Johannes Purkinje A protoplazma megnevezése
A genetika csírái 1848 kromoszómák felfedezése 1888 elnevezés: von Waldemeyer-Hartz „omnis cellula e cellula”
R. L. K. Virchow (1821-1902)
Wilhelm Hofmeister (1827-1879)
Gregor Mendel (1822-1884)
A klasszikus genetika atyja Korát jóval megelőzve precíz keresztezéseket hajt végre különböző tulajdonságú borsókkal. Leírja (és 1865-ben publikálja) a klasszikus genetika törvényeit. Nem ismerték el, csak 1900-ban fedezték fel az eredményeit.
3
F. Miescher
E. Fischer
Ramón Y Cajal
C. Golgi
1869 Friedrich Miescher felfedezi a nukleinsavakat 1894 enzim-szubsztrát kapcsolat, mint „kulcs a zárba” (E. F.) 1906 Ramón Y Cajal & Golgi (Nobel-díj az idegrendszer mikroszkópos vizsgálatáért)
Veréb látókérge Golgi-féle impregnációs metszeten Ramón Y Cajal rajza "Textura del Sistema Nervioso del Hombre y los Vertebrados" (18941904) Modern idegtan tankönyv, több nyelvre lefordították.
4
III. Az intracelluláris folyamatok feltárása XX. század
1907 Thomas Morgan Drosophila mutánsokat állít elő Az öröklődés kromoszóma-elmélete
1908 Hardy és Weinberg a populációgenetika megalapozása
p + q = 1; (p + q)2 = p2 + 2 p q + q2
Elektronmikroszkópok 1931 E. Ruska elektronmikroszkópot készít (M. Knoll és Borries) Borries) transzmissziós EM (TEM) Pásztázó (scanning (scanning)) EM (SEM): 1942
FM: 200-130 nm TEM: 0,2 nm SEM: 10 nm
5
1932 Sherington és Adrian Nobel-díja az idegsejt működésének feltárásáért 1936 Dale és Loewi idegsejtek kémiai kapcsolata 1937 R. Hill a fotoszintézis fény- és sötétreakciójának elkülönítése 1937 Szent-Györgyi Albert Nobel-díja (1893-1986) a biológiai oxidáció feltárása C-vitamin kivonása "a biológiai égésfolyamatok,
különösképpen a CC-vitamin és a fumárfumársavkatalízis szerepének terén tett felfedefelfedezéseiért" zéseiért"
Hevesy György (1885-1966) radioaktív izotópok használata 1943-ban Nobel-díjat kapott
1945 A. Fleming, E.B. Chain, H. Florey – penicillin (N) 1953 Krebs és F. A. Lipmann koenzim-A szerepe (N) 1954 L. Pauling – fehérjék másodlagos szerkezete (N)
A. Fleming
H. A. Krebs
L. Pauling
6
A DNS térbeli szerkezetének feltárása 1950-es évek: Rosalind Franklin röntgendiffrakciós képei alapján Crick és Watson megfejtik a DNS térbeli szerkezetét.
1962 Watson, Crick és Wilkins Nobel díja
Friedrich Sanger 1958 inzulin elsődleges szerkezete 1980 szekvenciaanalízis módszere
M. F. Petrutz és J. C. Kendrew
1959 S. Ochoa és A. Kornberg: RNS- és DNS-szintézis Severo Ochoa (1905-93)
1962 Petrutz és Kendrew: globuláris fehérjék szekvenciája
7
1962 Eccles, Hodgkin és Huxley idegsejtek membránjában lejátszódó ionmechanizmusok 1965 Jacob, Monod és Lwoff genetikai szabályozás (operon elmélet) és vírusszintézis mechanizmusa 1968 Holley, Khorana és Nirenberg a genetikai kód megfejtése és a fehérjeszintézisben betöltött szerepének tisztázása 1974 Claude, de Duve és Palade sejtszerkezet és -működés feltárása 1978 P. D. Mitchell kemiozmotikus elmélet (kémiai Nobel-díj)
Hodgkin
Huxley
Jacob
Monod
Mitchell
1983 Barbara McClintock „ugráló gének” 1988 Deisenhofer, Huber és Michel fotoszintézis molekuláris alapjai 1989 S. Altman és T. Cech: RNS enzimatikus aktivitása
8
IV. Az elmúlt évtized legnagyobb felfedezései
G- fehérjék szignál transzdukció prionok
Új eljárások: NMR (nuclear magnetic resonance) mikroszkópia mikromanipulátor metszetkészítés ultramicrotommal fagyasztva töréssel, fagyasztva maratással
Genom projektek 1977 ΦX174 fág (5375b) 1986 Genomika deklarálása 1995 Haemophilus influenzae első baktérium (1 830 137 bp)
Vilá Világ
Orszá Ország
Teljes szekvencia
Archeabacteria Bacteria Eukaryota Eukaryota Eukaryota Eukaryota
.
16
.
89
Gombá Gombák
2
Egysejtű Egysejtűek
1
Növények
2
Állatok
4
1990-2003 HUMAN GENOM PROJECT 2001 február az emberi genom szekvenciasorrendje (draft) ENCODE project
9
Nobel-díj 2002
Robert Horvitz
Programozott sejthalál John Sulston
Sydney Brenner
Nobel-díj 2003
Membráncsatornák Peter Agre
Roderick MacKinnon
NMR képalkotás
Paul C. Lauterbur
Sir Peter Mansfield
10
Ubiquitin által segített fehérjebontás
Nobel-díj 2004 A szaglórendszer felépítésének és működésének feltárása
Richard Axel Aaron Avram Ciechanover Hershko
Linda B. Buck
Irwin Rose
Nobel-díj 2005 Élettani-orvosi Nobel-díj Barry J. Marshall
J. Robin Warren
Kémiai Nobel-díj
metathesis Yves Chauvin
Robert H. Grubbs
Richard R. Schrock
11
Nobel-díj 2006 Élettani-orvosi Nobel-díj Andrew Z. Fire
Kémiai Nobel-díj
Craig C. Mello
Roger D. Kornberg
• RNS interferencia
• duplaszálú RNS hatására bekövetkező transzkripciógátlás
2. A sejt kémiai anyagai 2.1. Biogén elemek Elem
C
Elsődleges biogén elemek
minden szerves vegyületben 4 kovalens kötés Felvétel: CO2, HCO3¯, sz.v. sz.v. O víz és m. m. szerves vegyület anyagcsere folyamatokban Felvétel: O2, CO2, H2O, sz.v. sz.v. H víz és minden szerves molekula Felvétel: H2O, sz.v. sz.v. N fehérjék, nukleotidok, nukleotidok, nukleinsavak Felvétel: NO3¯, NH4+ , sz.v. sz.v.
H
Elő Előfordulá fordulás relatí relatív gyakorisá gyakorisága %%-ban földké ldkéregben
emberi szervezetben
-
63,3
C
0,1
10,5
O
62,5
25,2
N
0,0001
2,42
S
0,12
0,132
P
1,42
0,134 0,73
Na
2,46
Mg
1,84
0,07
Cl
0,23
0,032
Ca
1,94
1,90
K
2,46
0,36
Al
6,47
0,001
Si
21,2
0,001
F
1,92
0,004
12
S fehérjék, enzimek Felvétel: Felvétel: SO42- , szerves vegyületek P energiaközvetítő vegyületek, DNS Felvétel: HPO42- , szerves vegyületek.
Másodlagos biogén elemek
K, Na, Mg, Ca, Fe, Cl
Mikroelemek
Cu, Zn, Mn, Co, B, I, F, Si, Mo, Se V, Sr
2.2. Szervetlen vegyületek
• Víz Szervezetek víztartalma felnőtt ember 62% újszülött 69% medúzák 90% húsos termések 80-90% száraz magvak 15-20%
13
A víz kémiai tulajdonságai
dipólus molekula kötésszöge: 105°
hidrogénkötés
A víz szerepe
• oldószer • reakcióközeg • reakciópartner • hőkiegyenlítő (nagy fajhő, párolgáshő, hőkap.) • hártyaképző (nagy felületi feszültség) • megszabja az élőlények alakját (turgor)
14
Oldatok Oldott anyag mérete
Név
Példa
1 nm>
valódi oldat
NaCl, CuSO4
1-500 nm
kolloid oldat
zselatin, keményítő
500 nm<
durva diszperz rsz.
iszapos víz
• Kolloid oldatok
szol ⇔ gél
xerogél
A molekulák a tér egyenletes kitöltésére törekednek (koncentráció kiegyenlítődés) on bad sza
diffúzió
féli g
á te res z tő
há r t yá n
ozmózis
15
Diffúzió
részecskék áramlása a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé Fick I. törvénye
S anyagmennyiség D diffúziós áll. A felület c koncentráció x távolság
dc dS = − DA dx dt
Ozmózis Féligáteresztő (szemipermeábilis) fal
Oldószer Oldott anyag
16
Állati, emberi sejtek
Növényi sejtek
Izotóniás oldatban
Hipotóniás oldatban
Hipertóniás oldatban
2.3. Szerves vegyületek Lipidek szénhidrátok
(CH2O)n
fehérjék nukleinsavak
17
LIPIDEK Funkcióik
(Apoláris oldószerekben jól oldódó vegyületek) vegyületek)
anyagcserefolyamatok raktározott üzemanyagai
membránok alkotóelemei
sejthártyákat borító védőanyagok (bacik)
hormonok, vitaminok
LIPIDEK Összetett lipidek
Egyszerű lipidek
neutrális zsírok
szteroidok
foszfolipidek
karotinoidok
viaszok
prosztaglandinok
elszappanosítható lipidek -hidrolízissel egyszerűbb alkotókra bonthatók (glicerin, zsírsavak…)
el nem szappanosítható lipidek
A lipidek egyéb anyagokkal is kapcsolódhatnak → lipoproteinek, liposzacharidok
18
Neutrális zsírok glicerin H CH2OH H
C
H OH
zsírsavak HOOC- (CH2)n - CH3 (telített)
+
→ ←
észterképződés
HOOC- (CH2)n - CH3 (telített)
észterhidrolízis
CH2OH H
HOOC(CH2)7CH=CH(CH2)7CH3 (telítetlen /olajsav/)
CH3(CH2)14COOH
palmitinsav
CH3(CH2)16COOH
sztearinsav
Neutrális zsírok - CO - (CH2)14 - CH3 CH2OH H
C
- CO - (CH2)16 - CH3 OH
+ 3 H2O
- CO(CH2)7CH=CH(CH2)7CH3 CH2OH
CH3(CH2)14COOH
palmitinsav
CH3(CH2)16COOH
sztearinsav
19
Elszappanosítás (a neutrális zsírok /mint észterek/ hidrolízisénel elősegítése NaOH-dal)
glicerin
neutrális zsír
szappan (a zsírsavak alkálisói, pl. Na-sói)
A neutrális zsírok jelentősége:
tartalék tápanyagok fontos oldószerek (ld. zsírban oldódó vitaminok) mechanikai védelem hőszigetelés
• • • •
Foszfolipidek
O H2C
O R1
C
CH
O
glicerin + 2 zsírsav + foszforsav → foszfatidsav
O
H2C
C
R2
O O
phosphatidate
P
O−
O−
foszfatidsav + alkohol → foszfatid (foszfoglicerid) foszfoglicerid) O O H2C
O R1
C
O
O
CH H2C
C
R2
O O
phosphatidate
P O−
O−
+ HOHO-X →
O R1
C
H2C O
O
CH H2C
C
R2
O O
glycerophospholipid
P
O
X
O−
+ H2O
20
Amfipatikus molekula A foszfatidok kétféle tulajdonságú csoportból állnak: poláris –foszforsav rész apoláris –szénhidrogénlánc Lecitin: a sejtmembrán fő alkotója (kefalinnal együtt), tojássárgája
Foszfatidil-kolin (lecitin)
Foszfatidok poláris oldószerben
Határhártyák
Micellák
21
Membránalkotó lipidek Foszfolipidek
LECITIN
lecitin, kefalin
Szfingolipidek (glicerin helyett szfingozin) szfingozin)
különösen idegsejtek nyúlványaiban
pl. szfingomielin
Viaszok
hosszú láncú zsírsavak és hosszú láncú alkoholok észterei
alacsony olvadáspontú szilárd anyagok
méhviasz
növényi viaszok
palmitinsav
alkohol
(levelek, gyümölcsök felszínén)
22
Egyszerű lipidek
(Nem bonthatók hidrolízissel egyszerűbb komponensekre, nem szappanosíthatók el)
1. Szteroidok szteránvázas vegyületek Koleszterin (állati zsírokban és membránokban, utóbbiak folyékonyságát csökkenti)
Fitoszteroidok (növényekben) Epesavak (zsírok emulgeálása) D-vitamin előanyagai ivari hormonok (ösztrogén, ösztrogén, progeszteron, progeszteron, tesztoszteron) tesztoszteron)
2. Terpének és származékaik - karotinoidok
terpénvázas vegyületek izoprén egységekből
sárgásvörös színű
•
illó illóolajok
•
A-, EE-, KK-vitaminok
•
xantofill
•
β-karotin
•
likopin
•
retinol (A(A-vitamin)
izoprén
CHO
limonene
citronellal
OH
menthol
camphene
retinol
23
3. Prosztaglandinok 8
COOH 20
12
telítetlen zsírsavszármazékok
simaizomkontrakció fokozása
értágítás, véralvadásgátlás
gyulladáscsökkentés
gyomornedvelválasztás gátlása
Lipidszármazékok
lipoproteinek fehérjék + lipidek
Low Density Lipoprotein (kis sűrűségű lipoproteinek)
LDL
← Apolipoprotein A-I (a HDL fő összetevője /High Density Lipoprotein, nagy sűrűségű lipoproteinek/)
24
Szénhidrátok • • • • • •
A bioszféra legnagyobb mennyiségben előforduló szerves anyagai Gyorsan felhasználható tápanyagok Az állatok legfontosabb energiaforrása Vázalkotók Membránalkotók Makromolekulák (nuklainsavak) alkotói
Kémiailag polihidroxi-aldehidek és ketonok n>2 (CH2O)n
Szénhidrátok Monoszacharidok Aldehidek glicerinaledhid
Diszacharidok
Ketonok
• triózok
dihidroxidihidroxiaceton
ribóz, ribóz, xilóz
• pentózok
ribulóz
glükóz, mannóz, mannóz, galaktóz
• hexózok
fruktóz
maltóz laktóz cellobióz szacharóz
Poliszacharidok keményítő cellulóz glikogén
kitin
25
Monoszacharidok (egyszerű cukrok) (CH2O)n n: 3-6 (7,8) •Triózok
Kristályos, édes ízű anyagok. Vízben kitűnően, apoláris oldószerekben nem oldódnak. A triózok kivételével gyűrűs formát vesznek fel.
(n=3)
•Pentózok •Hexózok
(n=5)
(n=6)
D-glükóz aldohexóz
D-fruktóz ketohexóz
Sztereoizomerek Minden monoszacharidban (kivéve DHA) van egy vagy több (n) aszimmetriás szénatom, amelyhez négy kül. csop. kapcs. → 2n féle sztereoizomer glicerinaldehid
→
(a karbonil szénatomtól legtávolabb eső asszimetriás /=királis/ szénatom konfigurációja alapján)
Triózok • •
glicerinaldehid (anyagcsere folyamatokban) dihidroxidihidroxi-aceton (DHA)
26
TRIÓZ TETRÓZ PENTÓZ HEXÓZ
Eggyel kevesebb királis centrum – feleannyi izomer
TETRÓZ
TRIÓZ
D-keton sorozat
foszfátjaik fontos anyagcsere köztitermékek
HEXÓZ
PENTÓZ
Ribulóz, xilulóz
27
Epimerek Olyan cukrok, amelyek konfigurációja csak egy szénatomon különbözik.
Pentózok zAldózok
ribóz, arabinóz, xilóz
β-D-ribóz HOCH 2
OH
O
RNS és DNS felépítésében
C H
zKetózok
OH
OH
ribulóz, xilulóz ribulóz-1,5-difoszfát a fotoszintézisben a CO2 felvevője
28
Hexózok glükóz (szőlőcukor) z mannóz z galaktóz z fruktóz (gyümölcscukor) z
Glükóz gyűrűs szerkezet z hidroxil-csoport helyzete szerint (α) ill. β vizes oldatban izomeráció: z
α ≈ 37%
nyí nyílt <<1%
β ≈ 63%
29
Fruktóz C O
HO C
HO C H
HO C
H C OH
H C
H C
H C
OH
HO C H
H O
OH
or
H C OH
HOCH2
CH2 OH
O
OH HO
méz diszacharidok
O
H C
CH2 OH
CH2 OH
gyümölcsnedvek
CH2 OH OH C
CH2 OH
CH2 OH
HOCH2
CH2 OH
O HO
CH2 OH
OH OH
OH
(glikozidos OH-csoport)
β-D-fruktóz
α-D-fruktóz
Diszacharidok Redukáló
Nem redukáló
az egyik monoszacharid glikozidos OHOH-csoportja a másik monoszacharid alkoholos OHOH-csoportjával reagál
két monoszacharid glikozidos hidroxilcsoportjai reagálnak egymással
→ a második gyűrű fel tud nyílni
→ egyik gyűrű sem tud felnyílni szacharóz
cellobióz, cellobióz, maltóz, laktóz
30
Szacharóz (répacukor, nádcukor) 1-2 kötésű α-D-glükóz + β-D-fruktóz
CH2 OH
1 CH2 OH O
O HO
1
OH
2 O
OH
3
H HO 4
OH
5 CH2 OH 6
kizá kizárólag dimer alakban a nö növényvilá nyvilágban legelterjedtebb diszacharid
Cellobióz 2 db β-D-glü glükóz
CH 2OH HO HO
O O
OH
HO
1,4’-β-glikozidos kötés
CH2OH
O OH
OH
a celluló cellulóz bomlá bomlástermé sterméke, a fenti ké képlet szerinti dimer alakban nem fordul elő elő
31
Maltóz H
2 db α-D-glükóz
4
OH
5
O
H OH
CH2OH
H
H
H 1
4
O
2
3
H
HO HO
6 CH2OH
6 CH2OH
OH
5
O
H OH 3
maltose
H
H 1
H 2
OH
OH
O
OH
O HO
CH2OH
O
OH
OH
1,4’-α-glikozidos kötés
keményítő bomlásterméke, de dimer alakban is előfordul: pl. magvakban
Laktóz (tejcukor) 1-4 kötésű β-D-galaktóz + α-D-glükóz CH2 OH
CH2 OH OH
O
O O
OH
OH OH
OH
OH
emlősök tejében
32
Poliszacharidok Homopoliszacharidok azonos egységekből
Heteropoliszacharidok többféle monomerből (heteroglükánok, heteroglükánok, glükózaminoglükánok) glükózaminoglükánok)
glikogén
mukopoliszacharidok (kötő(kötő- és támasztószövetek alapállományában, pl. hialuronsav) hialuronsav)
cellulóz
kondroitin (-szulfát: porc, csont)
kitin
heparin (máj termeli, alvadásgátló) alvadásgátló)
keményítő
murein (baktériumok külső burkában)
Keményítő z z
A növények tartalék tápanyaga; vízzel kolloid oldatot képez amilóz + amilopektin (mindkettő α-D-glü glükózbó zból, tö több 100 dbdb-ból)
amilóz: amilóz: α(1-4) kötésű elágazás menetes lánc amilopektin: amilopektin: kb. 12 glükózegységenként α(1-6) kötésű elágazás
33
Glikogén állati sejtek raktározott üzemanyaga z májban és izomban raktározódik z amilopektinhez hasonló, de több elágazás (8-10 glükózonként) z
DEXTRÁN
keményítő és glikogén bontása (amiláz) közben keletkező közepes molekulasúlyú anyagok Elágazásból határdextrin.
Cellulóz
z
több 1000 β-D-glükóz monomerből
z
β(1-4) kötésekkel, elágazás nélkül
z
kevesen bontják (celluláz: baktériumok, egysejtűek, gombák, csigák)
z
a cellulózmolekulák párhuzamos kötegekbe rendeződnek – szilárd sejtfal
34
Kitin N-acetil-D-glükózamin monomerekből
kitin
35
Fehérjék (PROTEINEK) Az élő szervezet szerkezeti és működési szempontból egyaránt kiemelkedő fontosságú makromolekulái. Rendkívül sokféle funkciót ellátnak Fajlagosak Aminosavakból épülnek fel
A fehérjék szerepe
biokatalizátorok (enzimek) strukturális elemek szállítók (transzporterek) energiaátváltók (mozgás létrehozása) jelátvivők, jelfelfogók (szignál transzdukció) ellenanyagok (immunoglobulinok)
36
Aminosavak – a fehérjék építőkövei oldallánc (R) karboxil-csoport
R
=
COOH NH22
alfa szénatom ( Cα )
Generic Amino Acid Karboxil-csoport Æ savas jelleg
amino-csoport Kb. 200 természetes AS ismert, ezek közül 20 vesz részt a fehérjék felépítésében.
Amino-csoport Æ bázikus jelleg Æ ikerion, amfoter jelleg Az AS-ak szabad állapotban csak kis mennyiségben fordulnak elő.
Az alfa szénatom a glicin kivételével aszimmetriás (Æ az AS-ak optikailag aktívak) Néhány bakteriális AS kivételével az AS-ak L-konfigurációjúak
37
GLICIN (G)
ALANIN (A)
Aminosavak SZERIN (S)
LEUCIN (L) VALIN (V)
TREONIN (T)
IZOLEUCIN (I)
METIONIN (M)
CISZTEIN (C) FENILALANIN (F)
TIROZIN (Y)
TRIPTOFÁN (W) ASZPARAGIN (N)
LIZIN (K)
ARGININ (R)
GLUTAMIN (Q)
PROLIN (P) HISZTIDIN (H) GLUTAMINSAV (E)
AMINOSAVAK CSOPORTOSÍTÁSA
ASZPARAGINSAV (D)
38
Ritka aminosavak
γ-karboxiglutamát 4-hidroxi-prolin
5-hidroxi-lizin
6-N-metillizin
dezmozin
szelenocisztein
Peptidkötés
Alfa amino + alfa karboxil. Az AS-sorrend leírását azzal az aminosavval kezdjük, amelyiknek alfa-amino csoportja szabad (Nterminális)
R1
R2
H2N-C-COOH H
+
H2N-C-COOH H H2O
R1 O
R2
H2N-C C N-C-COOH HH H
39
A Gly-Ala dipeptid (glicil-alanin)
δ-
Cα
δ+
Cα
PEPTIDEK
minden sejtben jelentős mennyiségben
glutation (Glu-Cys-Gly) jelenlévő tripeptid, káros oxidálóanyagoktól NH2
CH
CH2
CH2
COOH
védi a sejteket
C NH CH C O
NH CH2
COOH
CH2 O SH
nonapeptid, simaizmok működésére hat
oxitocin
vazopresszin
Cys S S Cys Tyr
Arg Gly NH2 Pro Lue
Asn Phe Ile Gln
Két AS-ban különbözik az oxitocintól (véredények simaizomzatát húzza össze)
40
Diszulfid-híd
A fehérjék szerkezete 100 - több 100 AS → polipeptidlánc
41
A fehérjék szerkezete 100 - több 100 AS → polipeptidlánc Elsődleges, másodlagos, harmadlagos és negyedleges szerkezet
Elsődleges (primer) szerkezet AS-sorrend (AS-szekvencia)
citochrom-c
42
Elsődleges (primer) szerkezet AS-sorrend (-szekvencia)
Másodlagos (szekunder) szerkezet A peptidsíkok térbeli elrendeződése egymáshoz képest Két változat: α-hélix PEPTIDLÁNC β-redő (lemez) TEKEREDÉSE
Másodlagos (szekunder) szerkezet α-hélix β-redő
43
44
→ → →
→ → →
Harmadlagos szerkezet
citochrom b56
tejsav dehidrogenáz NAD-kötő domain
IgG könnyű lánc
A fehérék vizes oldatban úgy gombolyodnak össze, hogy az apoláris részek belülre. a poláris oldalláncok kívülre kerülnek. Az így kialakuló szerkezet a harmadlagos (tercier) szerkezet. Benne alfa-hélix és béta-redő váltakozik.
45
van der Waals kölcsönhatás
A fehérjék harmadlagos H-kötés szerkezetét stabilizáló kötések, kölcsönhatások
polipeptid-lánc
kovalens kötés
ionos kötés
Chaperonok Segítenek az újonnan szintetizált fehérjék hajtogatásában, visszahajtogatják a membránon átment fehérjéket, helyreállítják a stresszhatások következtében degradálódott fehérjéket
46
Negyedleges (alegység) szerkezet kémiailag és funkcionálisan is azonos egységekből funkcionálisan azonos, de kémiailag különböző funkcionálisan és kémiailag különböző enzimkomplexek
A fehérjék csoportosítása 1. Funkció szerint – enzimek (pl. tripszin, RNSRNS-polimeráz) polimeráz) – transzportfehérjék (pl. hemoglobin, szérumalbumin) – védőfehérjék (pl. ellenanyagok, fibrinogén) fibrinogén) – toxinok (pl. kígyómérgek, Clostridium botulin toxinja) – hormonok (pl. inzulin, növekedési hormon) – receptorfehérjék – tartalékfehérjék (pl. ovalbumin, ovalbumin, kazein) – struktúrfehérjék (pl. kollagén, keratin) – kontraktilis fehérjék (pl. aktin, aktin, miozin, miozin, dinein) dinein) – egyéb (pl. hisztonok) hisztonok)
47
A fehérjék csoportosítása 2. Összetétel szerint Egyszerű fehérjék (proteinek) Csak ASAS-akból. akból. pl. albuminok, kollagén, miozin
Összetett fehérjék (proteidek)
Összetett fehérjék (proteidek) ¾ Metalloproteidek pl. amiláz (Ca), alkohol-dehidrogenáz (Zn), citochrom-oxidáz (Cu) ¾ Foszfoproteidek pl. kazein ¾ Kromoproteidek pl. hemoglobin, rodopszin ¾ Glükoproteidek pl. γ-globulinok, membránfehérjék, fibrinogén ¾ Lipoproteidek pl. memránalkotók, LDL ¾ Nukleoproteidek pl. riboszómák, vírusok
48
A fehérjék csoportosítása 3. Alak szerint Fibrilláris (fonalas) csak másodlagos szerkezet
pl. fibroin, keratin, kollagén
Globuláris Harmadlagos és negyedleges szerkezettel is rendelkeznek Gombolyagszerűek, a kétféle másodlagos szerk. váltakozik
pl. hemoglobin
A fehérjék csoportosítása 4. Oldhatóság szerint Albuminok (desztillált vízben és híg sóoldatokban) pl. szérumalbumin
Globuláris (híg sóoldatokban) Hisztonok (híg savakban) Szkleroproteinek (semmiféle közönséges oldószerben nem oldódnak) pl. kollagén, keratin
49
Az első fehérje, amelynek a pontos térszerkezetét megállapították. (J. C. Kendrew)
mioglobin
Viszonylag kisméretű: 1 db 153 ASrészből álló peptidlánc + 1 HEM csoport (vas-porfirinváz). A molekula szerkezete nagymértékben rendezett, 70%-ban helikális. Semmilyen szimmetriát nem mutat. Szerepe: oxigénszállítás az izomszöveten belül
hemoglobin
Kétféle alegység építi fel, mioglobin mindegyikből kettő. Egy alegység nagyon hasonlít a mioglobinra. Szerepe: oxigénszállítás a vérben
50
α-keratin
(szkleroprotein)
Kollagén tripla hélix szerkezet
Betegségek: -Ehlers-Danlos szindróma, dermatosparaxis (gumiember) -skorbut
51
Kollagén kötőszöveti fehérje, fehérjéink kb. ¼ -e ilyen A kötő- és támasztószövetekben, valamint a sejt közötti állományban előforduló, fonalas szerkezetű fehérje. Főzéskor vízben oldódó zselatinná alakul át (ekképp készül a kocsonya is). Lényegében ugyanez az asztalosok által használt enyv is, de azt csontmaradványokból ipari úton állítják elő, s kellemetlen a szaga. A ~ jellemzője a nagy szakítási szilárdság és az, hogy gyakorlatilag nem nyújtható. Ez a magyarázata annak, hogy az inak könnyen elszakadnak. Derematosparaxis: a bőr extrém törékenysége
A pók fonala fibrózus fehérje β-redővel (is)
52
Prionok (Prion /protein only/)
normál
kóros
kis fehérjetestek, amelyek betegséget okoznak a bekerült prionfehérjék megváltoztatják a szervezetben lévő nekik megfelelő fehérjék térszerkezetét -> láncreakció -> agypusztulás nem tartalmaznak nukleinsavakat lehet örökletes pl. Creutzfeld-Jakob betegség lehet szerzett pl. Kuru, kergemarha-kór
53
Nukleotidok, nukleinsavak A nukleinsavak mononukleotidokból felépülő makromolekulák. A mononukleotidok ezen a rendkívül fontos szerepükön kívül más feladatokat is ellátnak a szervezetünkben: - anyagcserefolyamatok energiatároló és -átadó vegyületei (pl. ATP, NAD) - koenzimek alkotórészei - csoportátvitel reakciókban (bioszintézisben)
Nukleotidok A nukleotidok három részből épülnek fel : N-tartalmú bázis, öt szénatomos cukor, foszforsav.
nukleinbázis
pentóz
foszforsav O
NUKLEOZID
HO
P OH OH
NUKLEOTID
54
Bázisok Pirimidinbázisok N
N Citozin
Uracil
Timin
Purinbázisok
N
N
N
N
Adenin
Guanin
Nukleotidokat felépítő pentózok 5’
CH2
HO
4’
H
OH
O H 3’ OH
1’
H 2’ OH
D-ribóz
H
HO
5’ CH2 4’
H
OH
O H
H
3’ OH
2’ H
1’
H
2-dezoxi-D-ribóz
adenozin, guanozin, citozin, timidin, uridin
55
A nukleotidok felépítése A bázisok mindig a glikozidos hidroxil-csoporthoz kötődnek, míg a foszforsav kötődhet az 5’ C-atom hidroxil-csoportjához és a 3’ C-atom OH-csoportjához is.
bázis (A) glikozidos kötés 5’
C-N kötés
OH
1’ 3’
2’
ribóz
Nukleozidfoszfátok Adenozin-5’-foszfátok: - adenozin-monofoszfát (AMP) - adenozin–difoszfát (ADP) - adenozin-trifoszfát (ATP)
A nukleozid-trifoszfátok, különösen az ATP a sejtek primer energiahordozója. A foszforsavak közötti savanhidrid-kötések nagyenergiájú, ún. „makroerg” kötések (25 kJ/mol)
56
-
Ciklikus nukleotidok Sejten belüli folyamatok szabályozói, másodlagos hírvivők, pl.: cAMP (adenilát-ciklázon keresztül megvalósuló szignáltranszdukció), cGMP (enzimkapcsolt receptorokon keresztülmenő szignáltr. pl. látás)
ciklikus AMP
Nukleotid-tartalmú koenzimek Koenzim-A (CoA) az acetil-csoport szállítója
NAD (nikotinamid-adenin-dinukleotid) – lebontó folyamatok NADP (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát) – felépítő f. FAD (flavin-adenin-dinukleotid) - citromsavciklus hidrogénszállítók
57
FAD
NAD
Nukleinsavak Vírusokban és minden élőben előfordulnak. Eukariótákban a sejtmagban, mitokondriumokban és színtestekben.
DNS
dezoxiribonukleinsav
RNS
ribonukleinsavak
dezoxiribóz A, T, G, C foszforsav ribóz A, U, G, C, egyebek foszforsav
58
A DNS 1. Szerkezete
A DNS röntgendiffrarakciós képe
James Watson és Francis Crick
Rosalind Franklin 1952
A DNS bázispárjai és egy lánc szerkezete
59
A DNS szerkezeti modelljei
a szálak lefutása antiparallel
cukorfoszfát gerinc
bázispár létrafokok
10 bp/fordulat
6*109 bp/emberi sejt
egy ember DNSDNS-molekuláinak együttes hossza a MarsMars-Föld távolság 5050-szerese!
60
2. A DNS funkciója Örökítőanyag (ez hamarabb volt ismert, mint a szerkezete)
Griffith transzformációs kísérletei (1928)
Streptococcus pneumoniae virulens (tok), avirulens törzs Hővel elölt virulens+élő ártalmatlan elpusztította a kísérleti egereket. egereket.
Hershy-Chase kísérlet (1952)
T2 E. coli fág 35S-el jelölt fehérjeburok,32P-vel jelölt DNS
61
Ma már több oldalról bizonyított és szinte triviális tény, hogy a DNS az örökítőanyagunk, melynek működési egységei a gének, amelyek 1-1 fehérjét kódolnak ill. saját maguk szabályozására vonatkozó információt tartalmaznak. Minden sejtünkben megtalálható a teljes örökítőanyag-állomány (kivéve az ivarsejtekben)
1012
Egy kromoszóma két kromatidából áll, amelyek a centromernél kapcsolódnak össze. A centromer a komatidákat 2-2 karra osztja. A kromatidák alakjukban, méretükben és DNSállományukban megegyeznek.
A DNS mikroszkopikusan a sejtosztódás előkészítő szakaszában figyelhető meg a legjobban, amikor kromoszómákba rendeződik.
62
kettős spirál „gyöngyfüzér” 2 (H2A, H2B, H3, H4)
nukleoszóma
H1
szolenoid szerkezet heterokromatin
eukromatin
kromoszóma
metafázis kromoszóma
A fehérjéket eltávolították: a DNS letekeredett; a kromoszóma váza
63
64
A C-érték paradoxon (C a haploid genom mérete ) Fejlettebb élőlény ->többféle fehérje ->több gén -> nagyobb C-érték
DNS: kódoló és nem kódoló szakaszok Human : 20x annyi DNS, mint amennyi a gének kódolásához szükséges. Vannak olyan gének, amelyek különösen fontosak- több példányban megvannak
65
Vírus genomok RNS-vírusok
DNS-vírusok
egyszálú RNS pl. DMV
duplaszálú RNS pl. rheovirus
egyszálú lineáris: pl. parvovirus cirkuláris: pl. φX174, M13 kétszálú lineáris: pl. T4, herpes cirkuláris: pl. SV40 kapcsolt: pox
RNS-ek
DNS a sejtmagban, fehérjeszintézis a citoplazmában =>kell vmi közvetítő: mRNS
66
Az RNS elsődleges, másodlagos és harmadlagos szerkezete
Az RNS-ek fajtái • mRNS messenger (hírvivő), 1-2%
• tRNS Transzfer, 20%
• rRNS Riboszómális, 80%
67
Az mRNS
„másolat” a DNS-ről
jellegzetes kezdő és záró szekvencia
érés (splicing) intronok kivágódnak
75-90 nukleotid
A tRNS
AS szállítás a fehérjeszintézis helyére
tRNS + AS: amioacil-tRNS (specifikus AS-kötőhely)
ANTIKODON: komplementer az mRNS triplettjével
Felépítésében kb. 10%-ban részt vesznek ritka bázisok: Ψ pszeudouridin D dihidrouracil
68
Az rRNSek és a riboszómák
69
3. ANYAGCSEREFOLYAMATOK
Az anyagcsere
Az élőlények és környezetük közötti állandó anyagés energia- és információáramlás.
Szűkebb értelemben a sejt biokémiai reakcióinak összessége.
Az élők nyílt rendszerek -> anyagcsere
Az alapvető anyagcserefolyamatok az egész élővilágban hasonlóan játszódnak le.
70
Az anyagcsere funkciói
élő rendszer kémiai energiaellátása tápanyagok egyszerű építőelemekké való alakítása építőelemekből (prekurzorok) makromolekulák szintézise igényeknek megfelelő gyors lebontás és felépítés
Anyagcsere-folyamatok felépítő
lebontó
(asszimiláció)
(disszimiláció) szerves makrovegyületek
AUTOTRÓF -fotoszintézis -kemoszintézis
HETEROTRÓF
szerves monomerek biológiai oxidáció
erjedés
CO2 H2O sok ATP
kevés ATP
energiaigényes folyamatok
energiafelszabadító folyamatok
REDUKCIÓ NADP+
OXIDÁCIÓ NAD+ acetil-KoA
71
Biokatalízis
reakciók végbemeneteléhez átmeneti aktivált állapotmagasabb energiaszint szükséges
Eaktiválási = Eaktivált –Ekindulási
speciális katalizátorok
kisebb aktiválási energiát igénylő út
ENZIMEK
ENZIMEK Biokatalizátorok, amelyek lehetővé teszik, hogy a sejtekben zajló kémiai átalakulások végbemenjek (adott állandó hőmérsékleten, nyomáson, pH-n). kis energiaigényű utat nyitnak (akár 1/10) növelik a reakciósebességet (akár 20.000 x) proteinek és proteidek Mind fehérjék, de gyakran van nem fehérje jellegű részük: könnyen ledisszociál -KOENZIM -PROSZTETIKUS CSOPORT stabilan kötődik
72
Az enzim és a szubsztrát kapcsolata
szubsztrát aktív centrum (az enzim katalitikus hatásért felelő része) (az a vegyület, ami az enzim segítségével átalakul )
1. kulcs a zárba
Egy enzim csak egyféle reakciót katalizál. Két elmélet van, amelyet a biokémikusok elfogadnak a szubsztát aktív centrumába való illeszkedésére:
2. indukált illeszkedés
E+S → ES → ET → E+T
73
Enzimek elnevezése hagyományos név tripszin, pepszin
tudományos név szubsztrátnév+reakciónév+áz
alkohol-dehidrogenáz glikogén-szintetáz
Enzimek csoportosítása
oxidoreduktázok
redoxifolyamatok
hidrolázok
vízbelépéssel kötésbontó
pl. transzaminázok
izomerázok
molekulák átrendezése
pl. fumaráz
transzferázok
csoportátvitel
pl. pepszin
liázok
kötésbontó
pl. dehidrogenázok
pl. glükózglükóz-foszfátfoszfát-izomeráz
ligázok
monomerek összekapcsolása pl. peptidpeptid-szintetáz
74
Reakciósebesség a szubsztrát-koncentráció függvényében
hőmérsékleti optimum Az enzimműködésre hatással vannak a környezeti tényezők. Az enzimaktivitás a hőmérsékletre és kémhatásra optimumgörbét mutat:
pHoptimum
75
Enzimgátlás
Kompetitív gátlás
Nemkompetitív gátlás
inhibitor
inhibitor
(pl. nehézfémmérgezés)
Anyagcserefolyamatok lebontó
felépítő
(disszimiláció)
(asszimiláció) AUTOTRÓF -fotoszintézis -kemoszintézis
SZÉNHIDRÁTOK
HETEROTRÓF glükoneogenezis
glikolízis erjedés biológiai oxidáció (citromsav(citromsav-ciklus)
LIPIDEK NUKLEINSAVAK FEHÉRJÉK
76
3.2. Felépítő folyamatok 3.2.1. Szénhidrátok szintézise
A fotoszintézis Az 1770-es években John Priestly fedezte fel, hogy a növények olyan anyagot bocsátanak ki a levegőbe, ami lehetővé teszi az égést. A molekuláris oxigén ekkor még nem volt ismert. 1840: Doussingault felírja a fotoszintézis alapegyenletét.
12 H2O + 6 CO2
FÉNY
A fotoszintézis nettó egyenlete:
6 O2 + C6H12O6 + 6 H2O
1 mol CO2 redukciója során 478 kJ mol szabadenergia tárolódik a glukóz kémiai kötéseiben
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
77
A fotoszintézis vázlata
fényszakasz
sötétszakasz
A levél felépítése
Leaf organization - large scale
(alapszövet) (edénynyaláb)
gránum sztróma tilakoid
78
tilakoid
sztróma TILAKOID
gránum
Fényelnyelő pigmentek
klorofillok és karotinoidok fehérjekomplexben konjugált kettős kötéseket tartalmaznak (delokalizált elektronok) ¾klorofillok ¾fikobilinek ¾karotinoidok
79
Klorofillok minden fotoszintetizáló szervezetben vannak: -fejl. növ. és zöldalgák: chl-a és chl-b -barna- és kovamoszatok: chl-c1 és chl-c2 is -vörösmoszatok: chl-d is
Klorofillok
Fikobilinek A 4 pirrolgyűrű nem alkot porfirinvázat (a cianobaktériumok és a vörösmoszatok jellegzetes pigmentjei: sárgászöld, sárga, narancs színelnyelés) nincs fémion
fikocianin fikoeritrin allofikocianin
80
Karotinoidok Minden fotoszintetizáló szervezetben megtalálható kísérőpigmentek, sárgás, vörös vagy narancs színűek
(barnamoszatokban)
Különböző pigmentek elnyelési tartománya
klorofill-a
Fényabszorpció
klorofill-b
karotinoidok
400
500
600
700
hullámhossz (nm)
81
(combined absorption efficiency across entire visible spectrum)
chlorophyll b
chlorophyll a carotenoids phycoerythrin (a phycobilin)
chlorophyll b phycoerythrin (a phycobilin)
Az elektron energiaszintje
chlorophyll a
82
Pigmentrendszerek karotin fikobilinek klorofill-b
I. fotorendszer (I. pigmentrendszer) PSI (P700)
klorofill-a
83
xantofill fikobilinek klorofill-b
klorofill-a
II. fotorendszer (II. pigmentrendszer) PSII (P680)
A pigmentrendszerek működése
a fénygyűjtő pigmentek a beérkező foton energiáját a reakcióközpont felé irányítják a központi chl-a lead egy e- -t elektronszállító rendszerre kerül
84
Fd: ferredoxin Pq: plasztokinon
85
PSII
PSI A0
ee-
(feofitin) PQ (plasztokinon) citokrom b/f komplex
-
e us k i l cik
-
(plasztocianin) PC
Cu2+
2 H2O 4 H+ + O2
P680
4 e-
→
Cu+
A1 A2
Fe3+ → Fe2+ Fd t (ferredoxin)
r zpo s n t ra
NADP-reduktáz
NADP
NADPH
P700
A fotoszintetikus elektrontranszport-lánc „Z” sémája
86
H+ - ionok felhalmozódása
ATP szintézis - kemiozmózis
87
Kemiozmózis
A fotoszintézis első lépése a fényenergia megkötése
88
ATP és NADPH valamint O2 keletkezik
A kémiai energia a sötétszakaszban használódik fel
89
Calvin-ciklus 1. CO2-fixálás 2. redukció (G-sav-3-P → G-aldehid-3-P) 3. ribuló ribulóz-1,51,5-difoszfá difoszfát regenerá regeneráció ciója
6 CO2
1. CO2 megkötése
P
6 P
12
ribulóz-1,5-difoszfát
glicerinsav-3-foszfát
CALVIN - ciklus 6 ADP 6 ATP
P
2. GS-3-P GA-3-P-tá redukálódik
3. Ru1,5DP regenerálódik GA3P-ból
12 ATP 12 ADP 12 glicerinsav-1,3-difoszfát 12 NADPH
ribulóz-5-foszfát 10 GA3P
12 NADP+ + 2 Pi 12
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P
fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfát
Glükóz
90
6 CO2
1. CO2 megkötése
P
6 P
12
ribulóz-1,5-difoszfát
P
glicerinsav-3-foszfát
CALVIN - ciklus
12 ATP 12 ADP
6 ADP
12 glicerinsav-1,3-difoszfát 6 ATP
12 NADPH
ribulóz-5-foszfát
12 NADP+ + 2 Pi 12
10 GA3P
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P
fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfát
Glükóz
6 CO2
1. CO2 megkötése
P
6 P
12
ribulóz-1,5-difoszfát
glicerinsav-3-foszfát
CALVIN - ciklus 6 ADP 6 ATP
P
2. GS-3-P GA-3-P-tá redukálódik
3. Ru1,5DP regenerálódik GA3P-ból
12 ATP 12 ADP 12 glicerinsav-1,3-difoszfát 12 NADPH
ribulóz-5-foszfát 10 GA3P
12 NADP+ + 2 Pi 12
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P
fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfát
Glükóz
91
6 CO2
1. CO2 megkötése
P
6 P
ribulóz-1,5-difoszfát
CALVIN - ciklus 6 ADP 6 ATP
12 ATP
2. GS-3-P GA-3-P-tá redukálódik
3. Ru1,5DP regenerálódik GA3P-ból
12 ADP 12 glicerinsav-1,3-difoszfát 12 NADPH
ribulóz-5-foszfát
12 NADP+ + 2 Pi 12
10 GA3P
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P
fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfát
Glükóz
6 CO2
P
6 P
12
P
ribulóz-1,5-difoszfát
CALVIN - ciklus
12 ATP 12 ADP
6 ADP
12 glicerinsav-1,3-difoszfát 6 ATP
12 NADPH
ribulóz-5-foszfát 10 GA3P
12 NADP+ + 2 Pi 12
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P
fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfát
Glükóz
92
6 CO2
P
6 P
12
P
ribulóz-1,5-difoszfát
12 ATP 6 ADP 6 ATP
3. Ru1,5DP regenerálódik GA3P-ból
12 ADP 12 glicerinsav-1,3-difoszfát 12 NADPH
ribulóz-5-foszfát
12 NADP+ + 2 Pi 12
10 GA3P
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P
fruktóz-6-foszfát glükóz-6-foszfát
Glükóz
6 CO2
1. CO2 megkötése
P
6 P
12
P
ribulóz-1,5-difoszfát
CALVIN - ciklus 6 ADP 6 ATP
3. Ru1,5DP regenerálódik GA3P-ból
12 ATP 12 ADP 12 glicerinsav-1,3-difoszfát 12 NADPH
ribulóz-5-foszfát
12 NADP+ + 2 Pi 12
P
2 GA3P
Glükóz
93
CALVIN-ciklus
6 CO2
RUBISCO 6 P
ribulóz-1,5-difoszfát karboxiláz
P ribulóz-1,5-difoszfát
12
P
glicerinsav-3-foszfát
12 ATP
3-foszfoglicerát KINÁZ 6 ADP 6 ATP
foszforibuloKINÁZ
10 GA3P
12 glicerinsav-1,3-difoszfát GA3P DEHIDROGENÁZ
ribulóz-5-foszfát
12 ADP
12 NADPH 12 NADP+ + 2 Pi
12
P
glicerinaldehid-3-foszfát 2 GA3P fruktóz-6-foszfát hexóz-foszfát glükóz-6-foszfát IZOMERÁZ
Glükóz
94
KEMOSZINTÉZIS szervetlen anyagok eloxidálásából nyernek energiát → CO2-fixáció
(szerves vegyületeiket szén-dioxidból építik fel, de nem fényenergia felhasználásával, hanem környezetük szervetlen anyagainak eloxidálásából származó E-val)
AEROB O2 jelenlétében
ANAEROB O2-mentes közegben
Kemoszintézis aerob útjai
Nitrifikáló baktériumok
nitritbaktérium (Nitrosomonas)
2 NH3 + 3 O2 → 2 HNO2 +2 H2O nitrátbaktérium (Nitrobacter)
2 HNO2 + O2 → 2 HNO3
Vasbaktériumok 4 Fe2+ + 4 H3O+ + O2 → 4 Fe3+ + 6 H2O Kénbaktériumok 2 H2S + O2 → 2 H2O + 2 S
95
Kemoszintézis anaerob útjai
Denitrifikáló baktériumok NO3- → → NO2- → → N2 Metánképző baktériumok 4 H2 + CO2 → CH4 + 2 H2O
BIOGÁZ
Kérődzők!
DE:
Metánbaktérium: a cellulózbontás során fejlődő metánt (mocsárgáz) égetik el: lidércfény
CH4 + 4 O2 → CO2 + 2 H2O
GLÜKONEOGENEZIS
táplálék → glükóz → saját szénhidrátok
spec. eset (éhezés, erős izommunka) cukorképződés nem cukorszerű szerves vegyületekből: GLÜKONEOGENEZIS
szerves vegyület → piroszőlősav → glükóz
96
3.2.2. A lipidek felépítő folyamatai Zsírsavak bioszintézise Helye: a sejt citoplazmája
szénhidrátok → zsírsavak 1. lépés
1
acetil-koenzim-A-karboxiláz
acetil-CoA
- H2O
malonil-CoA
További lépések zsírsav-szintetáz enzimkomplex
acetil-CoA és malonil-CoA az enzimkomplexre kötődik
CO2-kilépés közben összekapcsolódnak
redukció (=O → -OH ) NADPH-felhasználás
vízkilépés (CH=CH)
redukció (= → - ) NADPH-felhasználás
újabb malonil-CoA érkezik …
97
A zsírsav-szintetáz enzimkomplex működése
3.2.3. A nukleinsavak és fehérjék szintézise Nukleinsavak szintézise
98
DNS-
szintézis
szemikonzervatív
konzervatív
diszperzív
kék: nehéz N piros: könnyű N
99
Meselson-Stahl kísérlet
H: heavy (nehéz) L: light (könnyű)
könnyű
K nehezebb
SZ D N14 N15
A DNS replikáció szemikonzervatív: a folyamat során a szülői fonalak elválnak egymástól és mindkettő templátként szolgál az új, komplementer szál szintéziséhez.
100
DNS-replikáció
DNS-lánchosszabbítás
aktivált dezoxiribonukleotidok (nukleozidnukleozid-trifoszfátok) trifoszfátok) ATP, GTP, TTP, CTP mindkét makroerg kötés energiája felhasználódik szintézis iránya 5’ → 3’
101
Iniciáció
a DNSDNS-polimerázok nem tudják elkezdeni a szintézist, csak folytatni képesek a polinukleotidpolinukleotid-láncot RNSRNS-polimeráz - primáz kezd → RNS primer DNSDNS-polimerá polimeráz III. folytatja
később DNSDNS-polimerá polimeráz I. kicseré kicseréli az RNSRNS-t DNSDNS-re
Széttekerés (a szálakat szétválasztja)
(a DNS-t széttekeri)
a DNSDNS-másolás feltétele
Enzimek
giráz (topoizomeráz) topoizomeráz) és helikáz szétcsavaró fehérjék egyes szálú DNSDNS-kötő fehérjék (SSB) visszacsavarodásgátló
102
A replikációs villa
DNS-pol. III. SSB
giráz
primáz DNS-pol. III.
A DNS-replikáció folyamata
103
DNS-szintézis követő szál Okazaki-fragmentek
5’ 3’ ligáz
primáz DNS pol I.
giráz
3’
S RN
5’
helikáz
DNS pol III.
SSB
DN S 5’
Replikációs villa
3’
vezető szál
DNS-szintézis vezető szál
Replikációs villa
3’ 5’
DN S
DNS pol III. giráz
helikáz 5’
primáz ligáz 3’
S RN
DNS pol I.
3’
SSB
Okazaki-fragmentek
5’
követő szál
104
Másolási pontosság
génkészletünk (3 md bp) kb. 1 md-szor másolódik le életünk során hiba kb. 10 md-onként pontos másolás ellenőrző mechanizmusok javító rendszer
Fehérjeszintézis
transzkripció
RNS-szintézis DNS-ről
transzláció
mRNS alapján fehérjeszintézis
105
Transzkripció (átírás)
DNS egyik szála minta – „értelmes szál” RNS-polimeráz enzim (sok alegység)
promoter
terminátor
gén (szabályozó szekvenciák + mRNS templát) TATA-box
106
107
mRNS érése
eukariótákban
intronok kivágódása
rRNS szintézis
18S
5.8S
28S
18S
5.8S
28S
45S rRNA precursor
egy közös gén kódolja az eukarióták összes rRNS-ét több százszoros ismétlődés
108
tRNS szintézis
antikodon
közönséges bázisokkal szintetizálódik ritka bázisok posztszintetikus módosítással
109
Aminoacil-tRNS-ek szintézise
110
A genetikai kód
tripletek szükségesek min. 20 AS + stop kód
leolvasás átfedésmentes (1957)
kódolás vesszőmentes (frameshift mutáció) AUGCAUUU → AUXGCAUUU
1961 Nierenberg & Matthaei poliU → poliPhe
Khorana poliUC → poli(Ser-Leu)
egy AS-at több triplet kódol
minden kodon értelmes
Genetikai információ DNS
ATGACCTTAGCCACT TACTGGAATCGGTGA
mRNS A U G A C C U U A G C C A C U tRNS U A C| | | | fehérje Met
Thr
Leu
Ala
Thr
beszélő szál KÓD KODON ANTIKODON AS-ak
111
2.
3.
A genetikai kód
1.
A fehérjeszintézis 3 lépése
112
riboszóma P hely-peptidil
A hely-aminoacil
fehérjeszintézis iránya az mRNS-en 5’→3’
antikodon 3’→5’ irányú
1. Iniciáció
riboszóma alegységei és Met-tRNS mRNShez kötödik
113
2. Elongáció következő aminoacil-tRNS A helyre peptidkötés létrehozása üres tRNS távozik shift …
3. Termináció stop kodon –nem aminoacil-tRNS, hanem leválasztó faktor kötődik hozzá polipeptid lánc leválik
114
Poliriboszóma
egy mRNS-ről sok fehérje szintetizálódik
Kollagénszintézis
115
szintézis durva felszínű endoplazmatikus retikulum membránján posztszintetikus módosítások ER belsejében és Golgi-készülékben
A génműködés szabályozása
1960 Jacob & Monod E. coli baktérium operon - szabályozási egység LACLAC-operon: operon: laktóz lebontó enzimeket kódoló DNS + szabályozó régiók
regulátor gén
promoter P
R L struktúrgének
116
Pozitív reguláció
regulátor fehérje kell a szintézishez AKTIVÁTOR
Negatív reguláció
regulátor fehérje gátolja a szintézist REPRESSZOR
117
