Ievads molekulārajā šūnas biolo ģijā

1. Ievads molekulārajā šūnas bioloģijā • Lekcija • Ievads dzīvības ķīmijā Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

2. 1. Lekcijas saturs • Kursa abskats • Ūdens, tā īpašības, • Vājās mijiedarbības, • Bioloģiskās membrānas, • Osmoze, • Vides pH • Buferšķīdumi Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

3. Kursa saturs • 1.tēma. Ievads dzīvības ķīmijā - šūnas • uzbūves fizikāli-ķīmiskie pamati, elemen • tārsastāvs un metabolisms. • Atbildīgais pasniedzējs R. Rutkis • 2. tēma. Ievads šūnas bioloģijā. • Atbildīgais pasniedzējs T. Selga • 3. tēma. Neirofizoloģijas pamati • Atbildīgais pasniedzējs Līga Ozoliņa-Molla • 4. tēma. Bioinformātika • Atbildīgais pasniedzējs N. Rostoks Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

4. Literatūra • • Rauhvargers A. 1996. Vispārīgā ķīmija. „Zinātne“ Rīga 1996. • • Selga T. 2007. Šūnu bioloģija. LU Akadēmiskais apgāds, Rīga. • • Lehninger. Principles of Biochemistry. 4th to 6th edition. W. H. Freeman and Company, USA, 2000, 2005, 2008, 2013. • • Cooper G.M. The cell: a molecular approach. 2009. • • Campbell N. A. 1996. Biology, 4rd ed. • • Philip Nelson. Biological Physics: Energy, Information, Life. 2013. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

5. Ievada vietā • Atšķirīgi bet tik līdzīgi. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

6. Kāpēc H2O ? • Ūdens ir plaši pieejams… • Dzīvības izcelšanās uz zemes nešaubīgi ir notikusi ūdens fāzē. • Ūdens sastāda vairāk kā 70% no šūnu masas un visas reakcijas faktiski notiek ūdens šķīdumā. • Šūnu un biomolekulu īpašības lielā mērā ir pakārtotas ūdens īpašībām - tai skaitā spējai veidot ūdeņraža saites savā starpā un ar citām molekulām. • Bez tam ūdenim piemītošā īpašība maksimālo blīvumu saglabāt pie ~ 4 oC, ļau pastāvēt ekosistēmām, kas citādi nebūtu ispējamas. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

7. Ūdeņraža saite Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

8. H2O - īpašības • Skābekļa ātoma elektronegativitātes dēļ elektroni ūdens molekulā ir nobīdīti tā virzienā veidojot dipola momentu H-O saitē - ūdeņraža saites pamats. • Ūdeņraža saite ir salīdzinoši vāja - ūdenim esot šķidrā fāzē tā ir ap 23 kJ/mol, kamēr kovalentā saite O-H ir 470 kJ/mol (C-C 348 kJ/mol) • Pateicoties ūdeņraža saitēm nepolāri savienojumi ūdenī nešķīst veidojot klasterus, savukārt polāri savienojumi ūdenī šķīst lieliski. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

9. H2O - īpašības Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

10. Ūdeņraža saite • Ūdeņraža saites nav raksturīgas tikai ūdenim. Ūdeņraža saites veidojas starp tādu savienojumu molekulām, kuros ūdeņraža atoms ir saistīts ar stipri elektronegatīva (ūdeņraža akceptors) elementa atomu - O, N, F, u.c. • Bioloģiskās sistēmās par ūdeņraža akceptoru parasti kalpo skābeklis vai slāpeklis. • Spirti, aldehīdi, ketoni un N-H saiti saturoši savienojumi veido ūdeņraža saites un šķīst ūdenī • Ūdeņraža saitēm ir liela nozīme proteīnu un nukleīnskābju augstāko struktūru veidošanā. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

11. Bioloģiski svarīgākās ūdeņraža saites Proteīni DNS Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

12. Ūdeņraža saites virziens • Ūdeņraža saite ir salīdzinoši spēcīgāka, ja iesaistītie atomi atrodas uz vienas taisnes. • Ja saites veidošanā iesaistītie atomi ir strukturāli ierobežoti, piemēram proteīna molekulā, un to izvietojums nav uz taisnas līnijas, saite ir vājāka. Rezultātā ūdeņraža saišu orientācija nodrošina stingru un noteiktu makromolekulu ģeometriju. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

13. Reaģentu šķīdība ūdenī • Par cik ūdens ir polārs šķīdinātājs savienojumi kuri ir: • polāri tajā šķīst lieliski - Hidrofīli • nepolāri praktiski nešķīst - Hidrofobi • Savienojumi kuri satur abas grupas - Amfifīli Lielā mērā tieši šķīdība ūdenī definē makromolekulu orientāciju ūdenī un līdz ar daļēji definē šūnas struktūru. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

14. Gāzu šķīdība ūdenī • Bioloģiski nozīmīgas gāzes - CO2 O2 un N2 nav polāras un, • ūdenī šķīst vāji, savukārt NH3 un H2S ir polāras un šķīst labi Tieši pateicoties skābekļa vājai šķīdībai ūdenī ir nepieciešams speciāls proteīns tā transportam. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

15. Hidrofobās mijiedarbības Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

16. Bioloģiskās membrānas - lipīdi 16 un vairāk C atomus garas taukskābes Glicerīns Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

17. Bioloģiskās membrānas - lipīdi 16 un vairāk C atomus garas taukskābes Triglicerīds Hidrofobā daļa Hidrofilā daļa Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

18. Bioloģisko membrānu veidošanās Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

19. Bioloģisko membrānu veidošanās • Lipīdi ūdens fāzē • Ap katru lipīda molekulu esošās H20 molekulas ir orientētas noteiktā kārtībā Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

20. Bioloģisko membrānu veidošanās • Lipīdu molekulu klasteri • Par cik tikai lipīdu klasteru malās ir nepieciešama H20 molekulu sakārtošana, šo klasteru veidošanās palielina entropiju sitēmā un ir termodinamiski labvēlīga Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

21. Bioloģisko membrānu veidošanās Micellas Turpinoties entropijas palielinā-šanai hidrofobās grupas tiek atdalītas no ūdens veidojot sfēriskus klasterus - micellas. Tās kopā satur hidrofobās mijiedarbības, kas neveidojas nepolāro molekulu savstarpējās pievilkšanās dēļ, bet atbilst max entropijas pieaugumam sistēmā. Šīs mijiedarbības ir būtiskākās fosfolipīdu mebrānu veidošanā Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

22. Šūna - membrānas trauks? Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

23. Šūnas membrānas Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

24. Van der Waals mijiedarbības Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

25. Van der Waals mijiedarbības • Diviem neitrāli lādētiem ātomiem atrodoties nelielā attālumā, to elektronu mākoņu mijiedarbības rezultātā veidojas īslaicīgs dipola moments vienlaikus inducējot pretēju dipola monetu. Abu dipolu savstarpējo pievilkšanos sauc par van der Waals mijiedarbību (spēku). Apmēram 4 kJ/mol. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

26. Vājās mijiedarbības biomolekulās H2O • Ūdeņraža saites • Jonu mijiedarbības • Pievilkšanās • Atgrūšanās • Hidrofobās mijiedarbības • van der Waals mijiedarbības Makromolekulās kopējais vājo mijiedarbību radītais spēks ir “milzīgs”, un to stabilākā (natīvā) struktūrā tas ir maksimāls. Tāpat liela daļa starpmolekulāro mijiedarbību - atpazīšana (enzīms - substrāts, antiviela-antigēns, hormons receptors, u.c) balstās uz vājajām mijiedarbībām. Starp jebkuriem tuvu esošiem ātomiem Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

27. Vājās mijiedarbības - Hemoglobīns • Ūdens saistīšanās pie hemoglobīna. (rengenstruktūranalīze) • hemoglobīna struktūra ar H2O molekulām, (nav pieskaitās bulk fāzei) • hemoglobīna struktūra bez saistītām H2 molekulām Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

28. H2O koncentrācija vienā litrā? • Lai izrēķinātu ūdens molāro koncentrāciju 1 l ir jāzin tā molmasa. Skābeklim tā ir 16 bet ūdeņradim 1, un ūdenim līdz ar to 18 g/molu. Par cik litrs ūdens sver 1000 gramus, ūdens koncentrācija tajā ir 55.556 mol/l, jeb 55.556 M. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

29. Osmoze • Entropijas pieauguma dēļ ūdenim ir tendence pārvietoties no vietas ar augstāku koncentrāciju uz vietu ar zemāku koncentrāciju. • Kad divi atšķirīgas koncentrācijas ūdens šķīdumi ir atdalīti ar puscaurlaidīgu membrānu, ūdens plūsmas radīto spiedienu uz mebrānu sauc par osmotisko spiedienu: •  = Rtic [kPa], • R- gāzu konstante, T - absol. temperatūra, • i - van Hofa faktors(izotoniskais koeficients), NaCl disociē pilnībā i = 2. CH4 i = 1 • c - reaģenta koncentrācija.. Vispārīgi: •   = RT(i1c1+ i2c2+…+ incn), • bet ic dēvē par osmolaritāti Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

30. Osmoze • Osmozei ir liela loma šūnas funkcionēšanā. • Lielākai daļai savienojumu, kā jonu tā makromolekulu plazmas mebrāna ir necaurlaidīgāka kā ūdenim kas izmanto specifiskus proteīnu kanālus akvaporīnus. • Izotoniska vide - šuna atrodas osmotiskā līdzsvarā ar vidi un tās stāvoklis nemainās • Hipertoniska vide - izšķīdušās viela koncentrācija ārējā šķīdumā ir lielāka nekā šūnas iekšpusē un šūna zaudē ūdeni. • Izmanto augu ekstraktos, zaptēs, sālīšanā… • Hipotoniska vidē koncentrāciju sadalījums ir pretējs - šūna uzpūšas un var pat pārsprāgt jo ūdens tajā ieplūst. • Hipotoniskos šķīdumos atrodas augu saknes - augsnē esošais ūdens satur mazāk izšķīdušo vielu nekā šķidrums saknes šūnās. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

31. Osmoze • Baktērijās un augos lai izvairītos no šūnu bojāejas hipotoniskas vides dēļ, šūnas satur šūnapvalku, pasargājot tās no osmolīzes. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

32. Osmoze • Par cik osmotiskais spiediens ir atkarīgs no šķīdumā esošo daļiņu daudzuma nevis to masas, glikozes rezerves tiek uzglabātas glikogēna veidā, tādējādi pasargājot šūnas no hipertoniskas vides efekta Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

33. Ūdeņraža eksponents pH Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

34. [H+][OH-] Kdis= [H20] Kdis= 1.8*10-16 [H+][OH-] [55,5(5) Ūdeņraža eksponents pH • Lai arī liela daļa no ūdenim piemītošām īpašībā izriet tieši no nelitrālām H2O īpašībām, ūdens tomēr ir elektrolīts (vājš) un niecīgā mērā disociē H+ un OH-jonos. • Ūdens disociācijas konstantes izteiksme • ūdens disociācijas pakāpe ir pieaug līdz ar temperatūru. 25oC temperatūrā ūdens disociācijas skaitliskā vērtība ir1.8*10-16 • Ievietojot iepriekš aprēķināto ūdens molāro koncentrāciju disociācijas izteiksmē iegūstam izteiksmi kura parāda, ka H+un OH-reizinājums ūdens šķīdumos ir H20 H++OH- (H3O+) Tātad nav iespējams mainīt tikai viena jona koncentrāciju neatkarīgi no otra koncentrācijas, KH20 ir konstante. =1.8*10-16 KH20= [H+][OH-] = 1.008*10-14 Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

35. Ūdeņraža eksponents pH • Hidroksonija jonu un hidroksīdjonu koncentrāciju tiešie aprēķini saistās ar ļoti mazu skaitļu rezināšanu un dalīšanu. Tāpēc ķimiķis S. Sērensens ieteica šķīduma skābuma vai bāziskuma raksturošanai izmantot logaritmisku lielumu - ūdeņraža eksponentu pH. pH= -lg(H3O+)  par cik • pH + pOH = 14 -lg(H3O+)-lg(OH-)=14  Izmantojot šo sakarību, viegli ir spriest par šķīdumu skābajām un bāziskajām īpašībām, atrast pH pēc pOH . Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

36. pH skala - piemēri • Kuņģa sula • Citronu sula • Cola, etiķis • Sarkanvīns, alus, • Kafija • Piens • Asinis, asaras, • Jūras ūdens, olas baltums • Cepamā soda (NaHCO3) • Veļas balinātāji • 1 M NaOH Der atcerēties, ka pH skala ir logaritmiska, līdz ar to izmaiņas par 1 vienību atbils 10 kārtīgai H+ atšķirībai Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

37. pH - nozīme un mērīšana • pH mērīšana parasti tiek realizēta ar salīdzinošā elektroda palīdzību, parauga pH salīdzinot ar reference šķīdumu. • No pH vērtības lielā mērā ir atkarīga enzīmu aktivitāte (1. Laboratorijas d.) • pH izmaiņas vidē var kalpot kā indikātors atsevišķu bioķīmisku procesu norisei - piem protondzinējspēka indukcijai (6. Laboratorijas dars) • Līdz ar to vides pH noteikšana ir rutīna bioķīmijas laboratorijās • Visbeidzot pH homeostāzei ir būtiska loma reakciju norisei šūnā. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

38. Vājas skābes un bāzes • Atšķirībā no stiprām skābēm un bāzēm, kuras ūdenī disociējas pilnībā, vājas skābes skābes un bāzes disociējas daļēji H2O • Skābes - protonu donori, bāzes (sārmi) - protonu akceptori Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

39. [H+][A-] Keq= =Ka [HA] Vājas skābes un bāzes • Katrai skābei ir raksturīgs līdzsvars protona zauēšanai. • reakciju līdzsvara konstantes dēvē par • Jonizācijas konstantēm vai • Skābes disociācijas konstantēm Un apzīmē ar Ka • Analogi pH definē arī pKa vērtību HA H++ A-  pKa = -logKa Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

40. Dažu skābju konstantes Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

41. Buferšķīdumi • Šķīdumi ar noteiktu pH, kas praktiski nemainās šķīdumu atšķaidot un mainās maz ja tam pievieno nedaudz skābes vai sārma. • Daudzas bufersistēmas darbojas dzīvajos organismos, kuros vielmaiņas rezultātā nepārtraukti tiek radīti skābi produkti. Par cik šūnā ir nepieciešams uzturēt pH homeostāzi, jo fermenti spēj darboties tikai nelielā pH intervālā. Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

42. Buferšķīdumi • Bufersistēmu veido vāja proteolītiska skābe un tai saistītā bāze. • a+H2O <-> H3O+ +b, Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

43. Šūnu bufersistēmas • Vairums šūnu citoplazma satur augstu proteīnu koncentrā-ciju, kuru sastāvā esošās aminoskābes satur vājas skābes un bāzes. Piemēram histidīns (His) ir vāja skābe pKa = 6 un var pastāvēt protonētā un neprotonētā formā. Tādēļ His saturoši protīni kalpo kā bufersistēmas pie neitrāla pH Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

44. Lekcijā apgūtais • Ūdens, tā īpašības, • Vājās mijiedarbības, • Ūdeņraža saite • Hidrofobās mijiedarbības • Vad der Waals mijiedarbības • Bioloģiskās membrānas, • Osmoze, • Vides pH • Buferšķīdumi Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija

45. Nākamajā lekcijā • Funkcionālās grupas • Biopolimēri • Proteīni • DNS • RNS Ievads molekulārajā un šūnas bioloģijā - 1. Lekcija