Az élő szervezetek felépítése
I. Biogén elemek • biomolekulák alkotóelemei • a természetben előforduló elemek közül 22 fordul elő az élővilágban • O; N; C; H; P; és S; - élő anyag 99%-a Biogén elemek sajátosságai: 1. O; N; C; és H a legkisebb atomsúly 2. e--párok kialakítása - kovalens kötések 3. egyes, kettős és hármas kötések kialakítása (kiv. H) 4. C-atom egy v. több másik C-atommal is kapcsolódhat
II. Egyatomos ionok • Na+ ;K
+
;Ca
2+
; Mg
2+
; Cl-
• funkció: ozmotikus egyensúly, a makromolekulák töltése stb.
2
III. Nyomelemek • Fe, Cu, Co fontossága • oxidációs rendszerek e- akceptorai/donoraiok
Molekuláris biológia • biomolekulák: egyszerű v. bonyolult szerkezetű szerves anyagok • csoportjai: prekurzorok (18-80MS): legegyszerűbbek, alapanyagok (CO2, H2O, N2, stb) építőelemek (100-350MS) pl. aminosavak, egyszerű cukrok makromolekulák (103-109 MS): építőelemek összekapcsolódásából pl. fehérjék, poliszacharidok szupramolekuláris rendszerek 3
IV. A víz
• Biomolekulákkal a sejtszerkezet kialakulása és fenntartása, folyamatok irányának meghatározása • az élőlények 5-90%-a (pl. medúza 98%; éti csiga 84%; felnőtt nő 55%; férfi 65%) • oldószer • anyagcsere folyamatokban nyersanyag és termék • H-kötések • egyenlőtlen töltéseloszlás → sejt kolloid struktúra • hőszabályozó
4
V. Biomolekulák: 1. A szénhidrátok (szh) és szerepük az élővilágban
• Az élet mai formájában a ~ az elsődleges „szerves” anyagok. • Növényi sejtekben: fotoszintézis • Elemi összetétel: C, H és O + tartalmazhat N,(gyak.foszfátészter-származékaik) • Összegképlet: ált. Cn(H2O)m • sokféle, mennyiségükre nézve a legelterjedtebb C-vegyületek.
A. Egyszerű szénhidrátok /egyszerű cukrok/, monoszacharidok • a legkisebb egység - C3 - C7 , hidrol.-sel tovább már nem bontható • trióz, tetróz, pentóz, hexóz... 5
Fizikai tulajdonság: - fehér, szilárd anyagok, édes ízűek. - vízben jól oldódnak • hexózok:„Kötött” állapotban a legelterjedtebb a glükóz (hexóz) (szőlőcukor), gyűrűs szerkezetű, aldóz, kristályos
- gyümölcscukor - ketoncsoport •pentózok: D-ribóz, 2-dezoxi-D-ribóz (nukleinsavak alkotórészei) B. Összetett szénhidrátok: 1. Diszacharidok • 2 egyszerű szh molekulából • legelterjedtebb:
Szacharóz: cukorrépa, cukornád – répacukor/nádcukor. Laktóz (tejcukor): anyatej, tehéntej 6
maltóz (malátacukor): keményítő bontása cellobióz: cellulóz enzimmel történő bontás B. Összetett szénhidrátok: 2. Poliszacharidok • legelterjedtebb, sok (100) monoszacharid egység, óriásmolekulák (polimerek) • sokféle poliszacharid • Funkció: a. tárolt, tartalék - üzemanyagok → keményítő, glikogén b. vázanyagok; sejtburkoló hártyák részei; • A Földön a l. nagyobb mennyiségben előforduló C - vegyület a
cellulóz. 7
• fonalszerű, lineáris molekulájú hosszú szálak, szőlőcukor részekből (3000!), szálas, rostos; növényi sejtek, rostok vázanyaga. • biológiai jelentőség: sejtfal • felhasználás: papír- és textilipar; filmek, lakkok,műszálak gyárt.
Keményítő: sok molekulából áll, szemcsék (d=10-40 nm), növ. sejtek (magvak, gumók). • fehér, íztelen, szilárd. Forró vízben – kolloid! • fotoszintézis • 2 eltérő szerk. komponens: 20 % amilóz (elágazásmentes), 80 % amilopektin (elágazó szerk.) - glükózegységekből • amilóz: spirális lefutású (hélix), az amilopektin helyenként spirális, de ágas-bogas 8
biológiai jelentősége: a növények raktározott tápanyaga.
Glikogén: áll. szövetek (máj, izom) tartaléktápanyaga szerk. ~ az amilopektinhez, de több elágazás
Kitin: N tartalmú ~ , rovarok és rákok és egyes férgek külső vázának szerk. eleme
V. Biomolekulák: 2. A fehérjék és szerepük az élővilágban • élő sejt= vizes fehérjeoldat. A sejt tömeg 15%-a. • ~ gyűjtőfogalom: pl. egy baktériumsejtben 2-300 –f. • A földi élőlényekben néhány mrd különböző ~. Az anyag molekuláris szerveződése bennük éri el a csúcspontját. • Élet ~ nélkül nem létezhet!
9
alap-építőkövei: aminosavak. Term-ben az aminosavak száma >200, de csak 20 vesz részt valamennyi élő szervezetben.
A. Aminosavak Kémiai felépítés: karbonsavak aminoszármazékai. •
C, H, O, N, és (néha) S
•
Szerkezetük az ‘R’ csoportban különbözik.
•
oldallánc: sokféle funkciós csoport és tulajdonság
Peptidek - amidkötéssel (peptidkötéssel) összekapcsolt aminosavak B. Fehérjék – természetes polipeptidek •
Fehérje=polipeptid, de kapcsolódhat más típusú molekulákhoz is
•
a polipeptidek variációja óriási; egy tipikus fehérje 100 v. több aminosavból áll - variációk száma hatalmas
10
• a peptidek rendelkeznek az életfolyamatokhoz szükséges összes tulajdonsággal • T és H-ion cc változásaira érzékenyek • osztályozásuk: szerkezet, funkció v. eredet szerint.
A ~ szerkezete: 1. elsődleges - aminosav-szekvencia 2. másodlagos: a peptidlánc normál konformációja → helikális és redőzött (hidrogénkötések) 3. harmadlagos: a fehérje teljes 3D-s szerk. (diszulfidhidak, sókötések) 4. negyedleges: néhány peptidlánc nagyobb proteinegységekké történő aggregációja
11
A kémiai tulajdonságaik szerint: • 1. egyszerű fehérjék: „csak” polipeptidláncok pl. albuminok (vérfehérjék), hisztonok • 2. összetett fehérjék: a polipeptidlánc + egyéb molekula(ák) a. nukleoproteid (+DNS) b. glikoproteid (+ poliszacharid: biz.hormonok, nyál, csontszövet, kötőszövet) c. lipoproteid: + lipid (membránfehérjék) d. kromoprotein: + fématom – festékek (klorofill, hemoglobin)
Struktúrájuk szerint: • a. fibrilláris: hosszú láncok, vízben oldhatatlan, mechanikailag erősek (izmokban, vázanyagokban) pl. fibroin-selyemhernyó; keratin – haj, szőr,toll
12
b. globuláris : polipeptidlánc erősen összegombolyodott; viszonylag könnyen oldódik. Legtöbbjük enzim.
A fehérjék funkciói: • enzimek – spec. reakciók sebességszabályzó katalizátorai (lipáz) • hormonhatás pl. inzulin, növekedési hormon • transzportfehérjék pl. hemoglobin, albumin, vaskötő globulin • strukturfehérjék - szilárd váz, külső védelem pl. kollagén, elastin, keratin, fibroin, membrán szerkezet • tápanyag tárolás pl. kazein, ferritin, ovalbumin • védelem - pl. ellenanyagok, (antitestek) trombin, • kontraktilis fehérjék pl. aktin, miozin a mozgásban 13
• toxinok pl. kígyómérgek
V. Biomolekulák: 3. A nukleinsavak és szerepük az élővilágban (F. Miescher 1930. ;Watson és F. Crick 1953) •
makromolekulák:a biológiai/genetikus információ tárolása és átadása
•
Polimerek, építőelemei: nukleotidok (1. az energiaátalakítás - tárolás vegyületei: ATP, ADP … 2. Néhány enzim un. koenzimjének alkotórésze)
Nukleotid felépítése: foszfátészterek + cukrok + nitrogénbázisok •
pentóz: D-ribóz az RNS-ben, 2-dezoxi-D-ribóz a DNS-ben
•
nitrogénbázisok:
a. pirimidin bázisok: citozin, uracil (RNS -ben), timin (DNS-ben) b. purin bázisok:adenin, guanin 14
B. Polinukleotidok • nukleotidegységek összekapcsolóda - polimerek 1. Dezoxiribonukleinsav (DNS/DNA): alapvető fontosságú! • Felépítés-térszerkezet: 2-dezoxi-D-ribózt tart. nukleotid egységek egy (néhány vírus) v. 2 szálú DNS (élő szervezetek többsége) molekulává szerveződnek. • a DNS kettős hélix: dezoxiribóz + foszfát-ból álló 2 ellentétes lefutású, helikális váz + egy síkban, tengely felé tekintő bázispárok •Bázispárosodás: specifikus H-kötések - DNS: az A - T, a G - C DNS-ek különbözése: a bázisok sorrendjének variációja és az összekapcsolódó nukleotidok számának eltérése 15
2. Ribonukleinsav (RNS/RNA) •Funkciói: 1. Információ szolgáltatás a fehérjeszintézishez ill. a szintézis véghezvitele. (nem genetikai funkció) a. riboszomális RNS (rRNS): a sejt össz-RNS 75-86 %-a. Riboszómákban - fehérjeszintézis. b. transzfer RNS (tRNS): kül. aminosavak megkötése, aktiválása c. messenger RNS (mRNS): gének információját közvetíti a fehérjeszintézis helyére
2. Genetikus RNS – vírusokban, fágokban; sRNS (génműködés szabályozása?) 16
Felépítés-szerkezet: • Ribózt tartalmazó nukleotidok polimerje, egyszálúak (általában) • Bázisai: adenin, citozin, guanin, uracil. (A- U, G-C) V. Biomolekulák: 4. A lipidek és szerepük az élővilágban • különféle, vízoldhatatlan, de szerves oldószerekben (pl. éter, alkohol, kloroform stb) oldódó biomolekulák összefoglaló neve • funkciók: a. anyagcsere-foly. raktározott és szállított anyagai energiaforrások b. membrán szerkezeti elemek c. védőanyagok (baktériumok) → szigetelő, mechanikai védelem d. anyagcsere-folyamatokat szabályozó vegyületek (pl.hormonok, vitaminok stb.)
17
A lipidek csoportjai (l.fontosabb):
A. zsírsavak
• hosszú C-láncú karbonsavak (C12 - C20) • CH3(CH2)nCOOH → nem elágazó szénhidrogénlánc + karboxilcsoport • természetes zsírsavak (70-féle<) - páros számú C-atommal • sejtekben szabad állapotban kis mennyiségben telített (C–C) és telítetlen (C=C) zsírsavak
B. Neutrális zsírok és olajok • Felépítés: zsírsav + glicerin (alkohol) = észter • szilárd v. folyékony →telítetlen zsírsavakat (C=C) /pl. oleinsav, linolsav/ tartalmazók (ált) folyékonyak = olajok • biológiai szerep – zsírraktárak (energia) – mechanikai védelem
18
C. Foszfolipidek (foszfogliceridek) • alkohol + 2 zsírsav + foszforsav • poláris foszfátfej és 2 apoláros farokrész (kettős zsírsavmolekula) • jelentőségük: membránok felépítése (kefalin és lecitin)
D. Viaszok • zsírsavak + hosszú C-láncú alkohol • növényekben (gyümölcsviasz, levélviasz) • állatok választanak el (méhviasz)
F. Terpének és származékaik • izoprénből (5 C-atomos szénhidrogén) származtathatók • szín-, íz- és illatanyag, kaucsuk, gyanták 19
G. Karotinoidok • növényi eredetű anyagok; sárga és vörös változatban • A-vitamin és származékai – látás
H. Prosztaglandinok • gyűrűs szerkezetek hosszú láncokkal. Hormonszerű anyagok (hormonok, spec. funkciók).
I. Szteroidok • szterán váz • igen kis cc-ban képesek a szervezet működését befolyásolni • koleszterin - prekurzor • hormonok és spec. funkciók az állat- és növényvilágban (hormonok, D-vitamin, epesavak …)
20
