veres pálné gimnázium – bme - 2011
Post on 03-Feb-2016
41 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
11
Veres Pálné Gimnázium – BME - Veres Pálné Gimnázium – BME - 20112011
"Jól tervezett" biomolekulák"Jól tervezett" biomolekulák
A földi élővilág szerves kémiai A földi élővilág szerves kémiai alapjaialapjai
Dr. Nagy JózsefDr. Nagy József
22
Veres Pálné Gimnázium – BME - Veres Pálné Gimnázium – BME - 20112011 Témakörök:Témakörök:
• Az élő sejt, mint kémia reaktorAz élő sejt, mint kémia reaktor• A legfontosabb biomolekula típusokA legfontosabb biomolekula típusok• Miért szénvázas vegyületek a Miért szénvázas vegyületek a
biomolekulákbiomolekulák• Honnét származnak a szerves Honnét származnak a szerves
molekulákmolekulák• Hogyan jöhetett létre az életHogyan jöhetett létre az élet
33
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 1.1. Mi jellemző az élő sejtre, mint kémiai reaktorra:
Stabil, de nem statikus állandó állapot Állandó változás – folytonos kémiai reakciók, de közel
változatlan kémiai összetétel Termodinamikai (energetikai) dinamikus egyensúly
44
Állandóság, de változékonyság = homeosztázis Önfenntartó kémiai körfolyamat rendszer
Kémiai körfolyamatok (pl. Citrát-ciklus) Anyagcsere
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 2.2.
S
A B
C
D
F
E
T
55
Szükséges feltételek Határfelület = szelektív anyagtranszport Biokatalizátorok = megfelelő reakciósebességek
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 3.3.
S
A B
C
D
F
E
T
66
Energetika: Tápanyag (S) – végtermék (T) energiakülönbség
Változó tápanyagellátás: Tápanyagraktár (R)
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 4.4.
S
A B
C
D
F
E
T
R
G
77
Változó környezeti feltételek Reprodukció – szaporodás - elmúlás Alkalmazkodás – változóképesség - evolúció
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 5.5.
S
A B
C
D
F
E
T
R
S
A B
C
D
F
E
T
R
S
A B
C
D
F
E
T
R
88
Lipidek Trigliceridek = energiatárolás Foszfolipidek = hártyaképzők
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 1.típusok – 1.
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
POO
N
O
OH
OH
OHOH
POO
OHO
NH3
O OHO
O
trigliceridfoszfolipid
glicerin zsírsav foszforsav szerin
99
Energiaforrás - ipar Szénhidrogének: földgáz (CH4), kőolaj (CnH2n+2)
Gyökös reakciók, magas hőmérséklet, nyomás, gáz halmazállapot:
CnH2n+2 + (3n+1)/2 O2 = n CO2 + n+1 H2O
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 2.típusok – 2.
1010
Energiaforrás - biokémia Zsírsav: Cn-1H2n-xCOOH (n = 12, 14, 16, 18, x = 1, 3, 5, 7)
Ionos reakciók, környezeti hőmérséklet, vizes oldatban Mitokondrium: biokémiai erőmű Részfolyamatok:
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 3.típusok – 3.
-oxidáció (szénlánc darabolás):C15H31COS-KoA + 7 H2O + 7 HS-KoA + 7 FAD + 7 NAD+
8 CH3COS-KoA + 7 FADH2 + 7 NADH + 7 H+
Citrát-ciklus (szén-dioxid képződés):8 CH3COS-KoA + 16 H2O + 8 HPO4
2- + 8 GDP + 8 FAD + 24 NAD+ 16 CO2 + 8 GTP + 8 FADH2 + 24 NADH + 24 H+
Terminális oxidáció („hidrogén-égetés” – fő energiatermelés):15 FADH2 + 31 NADH + 31 H+ + 23 O2 + 123 H2PO4
- + 123 ADP 15 FAD + 31 NAD+ + 46 H2O + 123 ATP + 123 H2O
1111
Mitokondrium: biokémiai erőmű
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 4.típusok – 4.
C15H31COS-KoA + 23 O2 + 131 H2PO4- + 8 GDP + 123 ADP
16 CO2 + 15 H2O + HS-KoA + 8 GTP + 123 ATP + 131 H2O
Emberi ATP termelés: 30-40 kg/napehhez kb. 15 dkg palmitinsav „elégetésére” van szükség
1212
Foszfolipid hártyák - kialakulás Önszerveződés: van der Waals erők
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 5.típusok – 5.
Kérdés: mi stabilizálja a hártyákat? van der Waals erők – túl gyengék Kovalens kötés – túl merev Ionos kötés – erős, de a mozgékonyság megmarad
hidrofób
hidrofil
1313
Foszfolipid hártyák - felépülés Miből épül fel a foszfolipid molekula?
Diacil-glicerin (hidrofób láncok) Háromértékű sav (foszforsav – negatív töltés) Aminoetanol (forrás a szerin – pozitív töltés)
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 6.típusok – 6.
OH
POHO
O
O
OH
O
O
O
HONH3
O O
O
O
O
O
O
POO
N
O
észter-kötésdekarboxileződésmetilezés
O
O
O
OPO
O
N
O
OO
O
O
OPO
O
N
O
OO
O
O
OPO
O
N
O
O
1414
Foszfolipid hártyák - szerkezet Komplex szerkezet: fehérjék, mint transzportcsatornák
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 7.típusok – 7.
1515
Trigliceridek szintézise (energiaraktár felépítés) Építőkövek: acetil-KoA, helyszín: citoplazma 8 CH3COS-KoA + 14 NADPH + 14 H+ + 7 ATP + H2O =
C15H31COOH + 8 KoASH + 14 NADP+ + 7 ADP + 7 H2PO4-
Kondenzáció (ATP felhasználással)
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 8.típusok – 8.
O
O
O
O
O
O
OH
OH
OHS
O
KoA
HO
O
glicerin
zsírsav
acetil-koenzim-A
HO
O
triglicerid
HO
O
1616
Honnét lesz az acetil-KoA? Glikolízis (cukorlebontás)
Tejsavképződés (anareob): Alkoholos erjedés (anareob): Acetil-KoA képződés (areob):
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 9.típusok – 9.
D-glükóz piroszőlősav
tejsav (izomláz)
acetil-koenzim-A
piroszőlősav
HO
OH
O
O
O
HO OHO
OO
HO
HO
OH
HO OH O
OH
O
OS
KoACO2
HOCO2
etanol (sör, bor)
1717
Honnét lesz a D-glükóz? Fotoszintézis (napenergia kémiai energia)
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 10.típusok – 10.
e-
e-
fény
e-
fény
H+
2 H2O O2 + 2 H+ + 2e- 2 NADP+ + 2 H+ + 2e- 2 NADPH
3 ADP + 3 H2PO4- 3 ATP + 3 H2O
energia
1818
Kloroplasztisz Fotoszintézis (napenergia kémiai energia)
Fényszakasz:12 NADP+ + 18 ADP + 18 HPO4
2- + 6 H+ 12 NADPH + 18 ATP + 6 H2O + 6 O2
Calvin-ciklus: CO2 beépítés a fényszakaszban előállított kémiai energiahordozók segítségével 6 CO2 + 12 H2O + 12 NADPH + 18 ATP C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18 HPO4
2- + 6 H+
Bruttó folyamat:6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 11.típusok – 11.
1919
Szénhidrátok: Glükóz-raktár: keményítő ill. glikogén (amilopektin)
Polikondenzáció Hidrolízis
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 12.típusok – 12.
-D-glükopiranóz amilóz amilopektin glikogén
O
H
O HHO
H
OH
H
H
HO
OH
O
H
HO
H
OHH
H
O
H
O
H
HO H
O
OH
H
H
OH
O
H
O
H
HO H
O
OH
H
H
OH
2020
Szénhidrátok: Vázanyag: cellulóz (termodinamikai stabilitás)
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 13.típusok – 13.
OHO
H
O
H
HO
H
HOHH
OH
O
H
O
H
HO
H
H
OH
H O
H
O
H
HO
H
HOHH O
OH
-D-glükopiranóz -D-glükopiranóz cellobióz
OHO
H
O
H
HO
H
HOHH
OH
O
H
O
H
HO
H
H
OH
H O
H
O
H
HO
H
HOHH O
OH
cellulóz
2121
Bioszféra energetikai körforgalma Összetett ökoszisztéma körfolyamat-rendszere
Fotoszintézis: Fényszakasz: O2 termelés
Calvin-ciklus: CO2 beépítés Szénhidrátraktár: amilopektin Szénhidrátlebontás: glikolízis Lipidraktár: triglicerid Lipidlebontás Citrát-ciklus: CO2 fejlesztés Terminális oxidáció: O2 fogyasztás
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 14.típusok – 14.
NADP+ NADPH
NADP+ NADPH
ADP ATP
ATP ADP
NAD+ NADH
NAD+ NADH
H2O
H2O
O2
O2
CO2
CO2
CH3COS-KoA
C6H12O6amilopektin
triglicerid
további életfolyamatok energiaszükségletére
légkörtápanyagcsere
napfény
2222
Aminosavak – peptidek - fehérjék 20 féle oldalláncú ikerionos aminosav
Apoláros Poláros Savas Bázikus Amfoter
Aminosavak peptidek Polikondenzáció
Peptidkötés termodinamikailag stabil
H3NNH
HN
R
OR
OR
OO
H3NH3N
H3N
R
O
R
O
R
OO
O
O
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 15.típusok – 15.
H3N
OO
H3N
OO
OH
H3N
OO
OO
H3N
OO
NHNH2
H2N
H3N
OO
NH
N
fenilalanin
szerin
glutaminsav
arginin
hisztidin
2323
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 16.típusok – 16. Peptidkötés
Planáris Cα mellett a síkok elforognak Rögzített háromdimenziós alak:
Globuláris (vízoldható) Enzim Transzport Immun Receptor
Fibrilláris (oldhatatlan) Változatos oldalláncok miatt
önszerveződéssel létrejövőbiológiai funkciónak megfelelő alak
2424
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 17.típusok – 17.
1. alegység
2. alegység3. alegység Magnézium-kation: rózsaszín,Szubsztrát: narancssárga Argininek: piros és kékdUTP-áz enzim szerkezete:
Szubsztrát: színes
2525
N
HNO O
OOP
O
NH
O-
PO
O O-
P-O
O O-
HO
H2O
Mg2+
AspIII
GlnIV
ArgII
AspI
SerII
TyrIII
Monomer A
Monomer B
Wcat
3.6 Å
170º
W4
W1
W15
W21
GlyII
LeuIII
AlaI
AspIII
GlnIV
ArgII
AspI
SerII
TyrIII
Monomer A
Monomer B
Wcat
3.6 Å
170º
W4
W1
W15
W21
GlyII
LeuIII
AlaI
Dezoxiuridin-imidotrifoszfát
Hidrolízis mechanizmusa
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 18.típusok – 18.
2626
Nukleinsavak (információtár) Mit kódoljunk?
Működtető molekulák szerkezete Peptidek szerkezete (aminosav-sorrend)
Hogyan kódoljunk? 4 bázisú – 3 elemes kódrendszer (43 = 64 kód)
hordozó: ribóz-foszfát-polimer bázisok: nitrogéntartalmú gyűrűs vegyületek 20 aminosav, start, stop
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 19.típusok – 19.
RNS
O
O
P
OH
O
O
O
O
P
O
O
O
bázis
bázis
O
O
P
O
O OH
O
bázis
OH
OH
OH
2727
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 20.típusok – 20.
G
C
C
G
A
T
T
A
3'
5'
5'
3'
0,282 nm
N
N
N
N
N H
H
cukorvázN
N
CH3
O
O
cukorváz
H0,291 nm
1,085 nm
A
T
A T
0,284 nm
0,292 nm
0,284 nm
G C
N
N
N
Ncukorváz
N
N
O cukorváz
O
N
N
HH
HH
H
1,085 nm
G
C
Nukleinsavak (információtár) Kódbiztonság?
Egy szálú RNS Két szálú DNS Optimalizálás
Két-két bázis egymás komplementere adenin – timin guanin – citozin
Kódolás Hidrogénhíd-képző képesség Gyűrűméret
2828
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 21.típusok – 21.
Nukleinsavak (információtár) Önszerveződés (reprodukció)
2929
A legfontosabb biomolekula A legfontosabb biomolekula típusok – 22.típusok – 22.
Nukleinsavak (információtár) Replikáció
Két szálú DNS Két db. két szálú DNS
Fehérjeszintézis Két szálú DNS (ROM, sejtmag)
egy szálú RNS (program) Riboszóma (hardver, citoplazma)
fehérjeszintézis
Eredetiszál
Újszál
Eredetiszál
Újszál
3030
Miért szénvázas vegyületek a Miért szénvázas vegyületek a biomolekulák ?biomolekulák ?
C N O F
2.5 3 3.5 4.1
Si P S Cl
1.9 2.2 2.5 3
Periódusos rendszer: Elektronegativitás (0,9 – 4,1; középérték: 2,5) Kovalens kötés erőssége
F-F: 37 C-F: 116 O-O: 35 C-O: 86 N-N: 39 C-N: 73 S-S: 54 C-S: 65 Cl-Cl: 58 C-Cl: 81 C-C: 83 C-H: 99 C=C: 146 C=O: 179
gyémánt
3131
Honnét származnak a szerves Honnét származnak a szerves molekulák? – 1.molekulák? – 1. Prebiotikus „evolúció”:
Urey – Miller kísérlet
CO2 + CH4 H2C=O + H2O
CO + NH3 HCN + H2O
H2C=O + HCN + NH3 + H2O
H2NCH2COOH (aminosav)
H2C=O + H2C=O HOCH2CH=O
(glikolaldehid)
HOCH2CH=O + H2C=O
HOCH2CH(OH)CH=O
(glicerinaldehid)
glikolaldehid + glicerinaldehid pentózok
2 glicerinaldehid hexózok
2 NH3 + CO2 = H2NCONH2 + H2O
H2NCONH2 + HOCH2CH(OH)COOH
uracil
Valamint egyszerű zsírsavak, stb.
3232
Honnét származnak a szerves Honnét származnak a szerves molekulák? - 2.molekulák? - 2. Prebiotikus „evolúció”:
Spiegelman kísérlet Élősejt nélküli replikáció – gyors mutáció 74. lombikban egy erre a körülményre specializálódott,
gyorsan replikálódó RNS „Spiegelman szörnye”
Q vírus RNSQ vírus replikációs enzimtápoldat
minta
minta
minta
tápoldat
74. lombik
minta
3333
Hogyan jöhetett létre az élet? - 1.Hogyan jöhetett létre az élet? - 1.
Ősmaradványok:
Sztromatolit = cianobaktérium3,5 milliárd éves
Eukarióta1,5 milliárd éves
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
prokarióták eukarióták többsejtűek állatok,növények
mill
ió é
v
Állat0,5 milliárd éves
3434
Hogyan jöhetett létre az élet? - 2.Hogyan jöhetett létre az élet? - 2.
3535
Hogyan jöhetett létre az élet? - 3.Hogyan jöhetett létre az élet? - 3.
Yellowstone-park: archeák élőhelye
Hol jött létre az élet? Archeák:
termofilek halofilek anareob metanogének
3636
Hogyan jöhetett létre az élet? - 4.Hogyan jöhetett létre az élet? - 4.
Az első kémiai ciklusok, élőlények?
Mélytengeri kürtők Vas-szulfid hártyák Agyagásványok, (pl. zeolitok)
adszorpciós felület katalizátorok
Energiaforrás (geotermikus) Litotróf anyagcsere Redox-rendszer (vas – kén)
zeolit
Nem bizonyított lehetséges változat
3737
Hogyan jöhetett létre az élet? - 5.Hogyan jöhetett létre az élet? - 5.
További lépések? – 1. Agyagásvány-felületen
Peptidszintézis RNS-szintézis
Organokatalizátorok Peptidek (enzimek) RNS (ribozimek)
Vas-szulfid hártyákon Lipidadszorpció Másodlagos lipid-membrán
Metanogén energiaforrás Kemotróf anyagcsere Redox-rendszer (vas – kén)
Nem bizonyított lehetséges változat
3838
Hogyan jöhetett létre az élet? - 6.Hogyan jöhetett létre az élet? - 6.
További lépések, első valódi sejtek? Elválás a vas-szulfid hártyáktól
Önálló lipid-membrán Auto-katalízis
Peptidek (enzimek) segítik az RNS replikációt RNS (ribozimek) segítik a peptidszintézis RNS kódrendszer kialakulás
Energiatermelés fejlődése Elszakadás a geotermikus kötődéstől Felszínre kerülve fotoszintézis kifejlődése
Autotróf anyagcsere Redox-rendszer (vas – kén) majd (vas – oxigén)
Nem bizonyított lehetséges változat
3939
Veres Pálné Gimnázium – BME - Veres Pálné Gimnázium – BME - 20112011
Köszönöm a figyelmetKöszönöm a figyelmet
Dr. Nagy JózsefDr. Nagy József
top related