Transcript Veres Pálné Gimnázium - BME Szerves Kémia Tanszék

Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011
"Jól tervezett" biomolekulák
A földi élővilág szerves kémiai alapjai
Dr. Nagy József
1
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
2
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
3
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 2.


Állandóság, de változékonyság = homeosztázis
Önfenntartó kémiai körfolyamat rendszer


Kémiai körfolyamatok (pl. Citrát-ciklus)
Anyagcsere
T
E
A
B
D
S
C
F
4
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 3.

Szükséges feltételek


Határfelület = szelektív anyagtranszport
Biokatalizátorok = megfelelő reakciósebességek
T
E
A
B
D
S
C
F
5
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 4.


Energetika: Tápanyag (S) – végtermék (T) energiakülönbség
Változó tápanyagellátás: Tápanyagraktár (R)
T
G
E
A
B
D
R
S
C
F
6
Az élő sejt, mint kémiai reaktor – 5.

Változó környezeti feltételek
Reprodukció – szaporodás - elmúlás
Alkalmazkodás – változóképesség - evolúció


T
E
A
B
D
R
S
C
F
T
T
E
E
A
A
B
B
D
D
R
R
S
C
F
S
C
F
7
A legfontosabb biomolekula típusok – 1.

Lipidek


Trigliceridek = energiatárolás
Foszfolipidek = hártyaképzők
O
O
O
O
O
O
O
triglicerid
O
O
O
P
O
O
O
O
OH
foszfolipid
OH
P
O
O
O
O
OH
N
HO
OH
glicerin
zsírsav
foszforsav
NH3
HO
O
O
szerin
8
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

9
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
10
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
11
A legfontosabb biomolekula típusok – 5.

Foszfolipid hártyák - kialakulás


Önszerveződés: van der Waals erők
Kérdés: mi stabilizálja
a hártyákat?
hidrofil



van der Waals erők – túl gyengék
Kovalens kötés – túl merev
Ionos kötés – erős, de a mozgékonyság megmarad
hidrofób
12
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)



O
O
O
O
O
OH
O
OH
P
N
O
O HO
P
O
O
OH
O
O
O
O
O
P
O
O
O
O O
O
NH3
O
O
P
O
O
N
O
észter-kötés
dekarboxileződés
metilezés
O
O
O
O
O
P
O
O
N
O
O
O
N
13
A legfontosabb biomolekula típusok – 7.

Foszfolipid hártyák - szerkezet

Komplex szerkezet: fehérjék, mint transzportcsatornák
14
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 H2PO4Kondenzáció (ATP felhasználással)
O
O
O
OH
O
S
KoA
acetil-koenzim-A
HO
HO
OH
O
O
O
O
OH
O
O
HO
glicerin triglicerid
zsírsav
15
A legfontosabb biomolekula típusok – 9.

Honnét lesz az acetil-KoA?

Glikolízis (cukorlebontás)
HO
Tejsavképződés (anareob):
Alkoholos erjedés (anareob):
Acetil-KoA képződés (areob):



O
OH
tejsav (izomláz)
HO
O
O
HO
OH
HO
O
OH
O
HO
OH
O
O
OH
D-glükóz piroszőlősav
HO
O
piroszőlősav
CO2
etanol (sör, bor)
O
S
KoA
CO2
acetil-koenzim-A
16
A legfontosabb biomolekula típusok – 10.

Honnét lesz a D-glükóz?

Fotoszintézis (napenergia  kémiai energia)
fény
fény
e-
e-
e-
2 H2O  O2 + 2 H+ + 2e-
2 NADP+ + 2 H+ + 2e-  2 NADPH
H+
energia
3 ADP + 3 H2PO4-  3 ATP + 3 H2O
17
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 segítségével
6 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
18
A legfontosabb biomolekula típusok – 12.

Szénhidrátok:

Glükóz-raktár: keményítő ill. glikogén (amilopektin)


Polikondenzáció
Hidrolízis
H OH
O
HO
H
O
H
H
OH
H
H
H
O
H
O
O
H
H
HO
OH
H
H OH
O
H
HO
H
H
O HO
OH
O
H
HO
O
H
H
H
OH
H
O
a-D-glükopiranóz
amilóz
amilopektin
glikogén
19
A legfontosabb biomolekula típusok – 13.

Szénhidrátok:

Vázanyag: cellulóz (termodinamikai stabilitás)
a-D-glükopiranóz
H OH
cellulóz
H
OH
H
H
H OH
HO
O
HO
H
H
H
HO
O
HO
OH
H
cellobióz
-D-glükopiranóz
H
HO
O
H
H OH
HO
O
H
HO
H OH
H
OH
HO
H
OH
H OH
HO
O
HO
H
H
OH
H
O
H OH
HO
O
HO
H
H
OH
H
O
20
A legfontosabb biomolekula típusok – 14.

Bioszféra energetikai körforgalma

Összetett ökoszisztéma körfolyamat-rendszere







Fotoszintézis:

Fényszakasz: O2 termelés

Calvin-ciklus: CO2 beépítés
Szénhidrátraktár: amilopektin
Szénhidrátlebontás: glikolízis
amilopektin
Lipidraktár: triglicerid
Lipidlebontás
tápanyagcsere
Citrát-ciklus: CO2 fejlesztés
Terminális oxidáció: O2 fogyasztás
triglicerid
napfény
NADP+ NADPH
O2
H2O
ADP
C6H12O6
ATP
CO2
NADP+ NADPH
légkör
NAD+
NADH
CO2
CH3COS-KoA
további életfolyamatok energiaszükségletére
ATP
H2O
ADP
O2
NAD+ NADH
21
A legfontosabb biomolekula típusok – 15.

Aminosavak – peptidek - fehérjék

20 féle oldalláncú ikerionos aminosav







Apoláros
Poláros
Savas
Bázikus
Amfoter
O
O
OH
H3N
szerin
O
O
O
O
glutaminsav
H3N
O
O
Aminosavak  peptidek
Polikondenzáció
R
H3N
H2 N
NH2
NH
H3N
R
H3N
O
O
arginin
O
NH
H3N
O
O
O
R
R

fenilalanin
H3N
Peptidkötés termodinamikailag stabil
HN
O
N
R
H3N O
O
O
NH
H3N
hisztidin
O
O
O
22
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 miatt
önszerveződéssel létrejövő
biológiai funkciónak megfelelő alak
23
A legfontosabb biomolekula típusok – 17.
1. alegység
3. alegység
2. alegység
dUTP-áz enzim szerkezete:
Szubsztrát: színes
Magnézium-kation: rózsaszín,
Szubsztrát: narancssárga
Argininek: piros és kék
24
A legfontosabb biomolekula típusok – 18.
AspI
AlaI
GlnIV
Monomer B
Dezoxiuridin-imidotrifoszfát
W4
ArgII
W1
Wcat
W21
AspIII
Å
3.6
H2O
Mg2+
W15
O OO
O O- O- P
O
P OP N
H
-O
H
N
O
O
N
HO
170º
LeuIII
Monomer A
O
SerII
GlyII
TyrIII
Hidrolízis mechanizmusa
25
A legfontosabb biomolekula típusok – 19.

Nukleinsavak (információtár)

O
Mit kódoljunk?

bázis
Működtető molekulák szerkezete


OH
Peptidek szerkezete (aminosav-sorrend)
O
O
OH
P
O
O
Hogyan kódoljunk?

O
bázis
4 bázisú – 3 elemes kódrendszer (43 = 64 kód)



hordozó: ribóz-foszfát-polimer
bázisok: nitrogéntartalmú gyűrűs vegyületek
20 aminosav, start, stop
O
O
OH
P
O
O
O
bázis
O
O
OH
P
O
OH
RNS
26
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
27
A legfontosabb biomolekula típusok – 21.

Nukleinsavak (információtár)

Önszerveződés (reprodukció)
28
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
Eredeti
szál
Új
szál
Új
szál
Eredeti
szál
29
Miért szénvázas vegyületek a
biomolekulák ?

Periódusos rendszer:


Elektronegativitás (0,9 – 4,1; középérték: 2,5)
Kovalens kötés erőssége
C
N
O







F-F: 37
O-O: 35
N-N: 39
S-S: 54
Cl-Cl: 58
C-C: 83
C=C: 146
C-F: 116
C-O: 86
C-N: 73
C-S: 65
C-Cl: 81
C-H: 99
C=O: 179
F
2.5
3
3.5
4.1
Si
P
S
Cl
1.9
2.2
2.5
3
gyémánt
30
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.
31
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
Q vírus RNS
Q vírus replikációs enzim
tápoldat
tápoldat
minta
minta
minta
74. lombik
32
Hogyan jöhetett létre az élet? - 1.

Ősmaradványok:
4500
4000
millió év
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
prokarióták
eukarióták
többsejtűek
állatok,
növények
Sztromatolit = cianobaktérium
3,5 milliárd éves
Eukarióta
1,5 milliárd éves
Állat
0,5 milliárd éves
33
Hogyan jöhetett létre az élet? - 2.
34
Hogyan jöhetett létre az élet? - 3.

Hol jött létre az élet?

Yellowstone-park: archeák élőhelye
Archeák:



termofilek
halofilek
anareob metanogének
35
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
36
Hogyan jöhetett létre az élet? - 5.

További lépések? – 1.

Agyagásvány-felületen







Peptidek (enzimek)
RNS (ribozimek)
Vas-szulfid hártyákon


Peptidszintézis
RNS-szintézis
Organokatalizátorok


Nem bizonyított lehetséges változat
Lipidadszorpció
Másodlagos lipid-membrán
Metanogén energiaforrás
Kemotróf anyagcsere
Redox-rendszer (vas – kén)
37
Hogyan jöhetett létre az élet? - 6.

További lépések, első valódi sejtek?

Elválás a vas-szulfid hártyáktól


Auto-katalízis






Peptidek (enzimek) segítik az RNS replikációt
RNS (ribozimek) segítik a peptidszintézis
RNS kódrendszer kialakulás
Energiatermelés fejlődése


Önálló lipid-membrán
Elszakadás a geotermikus kötődéstől
Felszínre kerülve fotoszintézis kifejlődése
Autotróf anyagcsere
Redox-rendszer (vas – kén) majd (vas – oxigén)
Nem bizonyított lehetséges változat
38
Veres Pálné Gimnázium – BME - 2011
Köszönöm a figyelmet
Dr. Nagy József
39