1 / 39

Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011

Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011. "Jól tervezett" biomolekulák A földi élővilág szerves kémiai alapjai. Dr. Nagy József. Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011. Témakörök: Az élő sejt, mint kémia reaktor A legfontosabb biomolekula típusok Miért szénvázas vegyületek a biomolekulák

euclid
Download Presentation

Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011 "Jól tervezett" biomolekulák A földi élővilág szerves kémiai alapjai Dr. Nagy József

  2. Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011 • Témakörök: • Az élő sejt, mint kémia reaktor • A legfontosabb biomolekula típusok • Miért szénvázas vegyületek a biomolekulák • Honnét származnak a szerves molekulák • Hogyan jöhetett létre az élet

  3. Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 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

  4. Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 2. • Állandóság, de változékonyság = homeosztázis • Önfenntartó kémiai körfolyamat rendszer • Kémiai körfolyamatok (pl. Citrát-ciklus) • Anyagcsere

  5. Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 3. • Szükséges feltételek • Határfelület = szelektív anyagtranszport • Biokatalizátorok = megfelelő reakciósebességek

  6. Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 4. • Energetika: Tápanyag (S) – végtermék (T) energiakülönbség • Változó tápanyagellátás: Tápanyagraktár (R) G

  7. Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 5. • Változó környezeti feltételek • Reprodukció – szaporodás - elmúlás • Alkalmazkodás – változóképesség - evolúció

  8. A legfontosabb biomolekula típusok – 1. • Lipidek • Trigliceridek = energiatárolás • Foszfolipidek = hártyaképzők triglicerid foszfolipid glicerin zsírsav foszforsav szerin

  9. A legfontosabb biomolekula típusok – 2. • 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

  10. A legfontosabb biomolekula típusok – 3. • 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 HPO42- + 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

  11. A legfontosabb biomolekula típusok – 4. • 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/nap ehhez kb. 15 dkg palmitinsav „elégetésére” van szükség

  12. A legfontosabb biomolekula típusok – 5. • 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 hidrofil hidrofób

  13. A legfontosabb biomolekula típusok – 6. • Foszfolipid hártyák - felépülés • Miből épül fel a foszfolipid molekula? • Diacil-glicerin (hidrofób láncok) • Háromértékű sav (foszforsav – negatív töltés) • Aminoetanol (forrás a szerin – pozitív töltés) észter-kötés dekarboxileződés metilezés

  14. A legfontosabb biomolekula típusok – 7. • Foszfolipid hártyák - szerkezet • Komplex szerkezet: fehérjék, mint transzportcsatornák

  15. A legfontosabb biomolekula típusok – 8. • 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) acetil-koenzim-A glicerin triglicerid zsírsav

  16. A legfontosabb biomolekula típusok – 9. • Honnét lesz az acetil-KoA? • Glikolízis (cukorlebontás) • Tejsavképződés (anareob): • Alkoholos erjedés (anareob): • Acetil-KoA képződés (areob): tejsav (izomláz) D-glükóz piroszőlősav piroszőlősav etanol (sör, bor) acetil-koenzim-A

  17. A legfontosabb biomolekula típusok – 10. • Honnét lesz a D-glükóz? • Fotoszintézis (napenergia  kémiai energia) 2 H2O  O2 + 2 H+ + 2e- 2 NADP++ 2 H+ + 2e-  2 NADPH energia 3 ADP + 3 H2PO4- 3 ATP + 3 H2O

  18. A legfontosabb biomolekula típusok – 11. • Kloroplasztisz • Fotoszintézis (napenergia  kémiai energia) • Fényszakasz:12 NADP++ 18 ADP + 18 HPO42- + 6 H+12 NADPH + 18 ATP + 6 H2O + 6 O2 • Calvin-ciklus: CO2 beépítés a fényszakaszban előállított kémiai energiahordozók segítségével6 CO2 + 12 H2O + 12 NADPH + 18 ATPC6H12O6+ 12 NADP+ + 18 ADP + 18 HPO42- + 6 H+ • Bruttó folyamat:6 CO2 + 6 H2O  C6H12O6 +6 O2

  19. A legfontosabb biomolekula típusok – 12. • Szénhidrátok: • Glükóz-raktár: keményítő ill. glikogén (amilopektin) • Polikondenzáció • Hidrolízis a-D-glükopiranóz amilóz amilopektin glikogén

  20. A legfontosabb biomolekula típusok – 13. • Szénhidrátok: • Vázanyag: cellulóz (termodinamikai stabilitás) a-D-glükopiranóz b-D-glükopiranóz cellobióz cellulóz

  21. A legfontosabb biomolekula típusok – 14. • 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 napfény NADP+ NADPH O2 H2O ADP ATP C6H12O6 CO2 amilopektin NADP+ NADPH tápanyagcsere légkör NAD+ NADH CO2 triglicerid CH3COS-KoA további életfolyamatok energiaszükségletére ATP ADP H2O O2 NAD+ NADH

  22. A legfontosabb biomolekula típusok – 15. • Aminosavak – peptidek - fehérjék • 20 féle oldalláncú ikerionos aminosav • Apoláros • Poláros • Savas • Bázikus • Amfoter • Aminosavak  peptidek • Polikondenzáció • Peptidkötés termodinamikailag stabil fenilalanin szerin glutaminsav arginin hisztidin

  23. A legfontosabb biomolekula típusok – 16. • Peptidkötés • Planáris • Cα mellett a síkok elforognak • Rögzített háromdimenziós alak: • Globuláris (vízoldható) • Enzim • Transzport • Immun • Receptor • Fibrilláris (oldhatatlan) • Változatos oldalláncok miattönszerveződéssel létrejövőbiológiai funkciónak megfelelő alak

  24. A legfontosabb biomolekula típusok – 17. 1. alegység Magnézium-kation: rózsaszín, Szubsztrát: narancssárga Argininek: piros és kék 3. alegység 2. alegység dUTP-áz enzim szerkezete: Szubsztrát: színes

  25. A legfontosabb biomolekula típusok – 18. Dezoxiuridin-imidotrifoszfát Hidrolízis mechanizmusa

  26. A legfontosabb biomolekula típusok – 19. • 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

  27. A legfontosabb biomolekula típusok – 20. • Nukleinsavak (információtár) • Kódbiztonság? • Egy szálú RNS  Két szálú DNS • Optimalizálás • Két-két bázis egymás komplementere • adenin – timin • guanin – citozin • Kódolás • Hidrogénhíd-képző képesség • Gyűrűméret

  28. A legfontosabb biomolekula típusok – 21. • Nukleinsavak (információtár) • Önszerveződés (reprodukció)

  29. A legfontosabb biomolekula 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

  30. Miért szénvázas vegyületek a biomolekulák ? • 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

  31. Honnét származnak a szerves 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.

  32. Honnét származnak a szerves molekulák? - 2. • Prebiotikus „evolúció”: • Spiegelman kísérlet • Élősejt nélküli replikáció – gyors mutáció • 74. lombikban egy erre a körülményre specializálódott, gyorsan replikálódó RNS „Spiegelman szörnye” minta minta minta minta Q vírus RNS Q vírus replikációs enzim tápoldat 74. lombik tápoldat

  33. Hogyan jöhetett létre az élet? - 1. • Ősmaradványok: Sztromatolit = cianobaktérium 3,5 milliárd éves Eukarióta 1,5 milliárd éves Állat 0,5 milliárd éves

  34. Hogyan jöhetett létre az élet? - 2.

  35. Hogyan jöhetett létre az élet? - 3. • Hol jött létre az élet? • Archeák: • termofilek • halofilek • anareob metanogének Yellowstone-park: archeák élőhelye

  36. 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

  37. 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

  38. 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

  39. Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011 Köszönöm a figyelmet Dr. Nagy József

More Related