veres pálné gimnázium – bme - 2011

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


S

A B

C

D

F

E

T

66

Energetika: Tápanyag (S) – végtermék (T) energiakülönbség

Változó tápanyagellátás: Tápanyagraktár (R)


S

A B

C

D

F

E

T

R

G

77

Változó környezeti feltételek Reprodukció – szaporodás - elmúlás Alkalmazkodás – változóképesség - evolúció


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


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:


-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


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


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)


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


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)


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):


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)


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


1919

Szénhidrátok: Glükóz-raktár: keményítő ill. glikogén (amilopektin)

Polikondenzáció Hidrolízis


-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)


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


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


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


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


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


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


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


Nukleinsavak (információtár) Önszerveződés (reprodukció)

2929


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


3535


Yellowstone-park: archeák élőhelye

Hol jött létre az élet? Archeák:

termofilek halofilek anareob metanogének

3636


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


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)


3838


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)


3939

Veres Pálné Gimnázium – BME - Veres Pálné Gimnázium – BME - 20112011

Köszönöm a figyelmetKöszönöm a figyelmet

Dr. Nagy JózsefDr. Nagy József

veres pálné gimnázium – bme - 2011

Documents