Biológia - Biokémiai alapismeretek

Biokémia

Elsődleges biogén elemek:

minden élőlény számára nagy mennyiség szükséges
szén ( C ), hidrogén (H), oxigén (O), nitrogén (N)

Másodlagos biogén elemek:

kisebb mennyiségben vesznek részt az élő szervezetek felépítésében
magnézium (Mg), kalcium (Ca), foszfor (P), kálium (K), kén (S), nátrium (Na), vas (Fe), klór (Cl)

Nyomelemek:

nagyon kis mennyiségben szükséges
jód (I), kobalt (Co), fluor (F)

Szervetlen biogén vegyületek:

víz (H2O)

oldószer, reakcióközeg, reakcióanyag

kálium-klorid

idegek, izmok működéséhez; ízfokozó

só (NaCl)

megfelelő ozmózisnyomás fenntartásához
gyomorsavképző

Oxigéntartalmú szerves vegyületek:

a szerves vegyületek váza a szénlánc

szénatomok között kovalens kötés
szénhidrogének:

szénatomokhoz csak hidrogének kapcsolódnak

beépülhet a molekulába pl.: oxigén, nitrogén, foszfor, kén

alkoholok:

CnH2n+1 - OH
szénhidrogének 1 vagy több hidrogén csoportját hidroxil csoportra cseréljük
a molekula hidroxil csoport felé eső vége poláris

jól oldódik vízben

oxovegyületek:

az oxigén 2 kovalens kötéssel kapcsolódik a szénatomhoz
ketocsoport: - CO -
aldehidcsoport: - CHO -

karbonsavak:

CnH2n+1 - COOH
funkciós csoportjuk a karboxilcsoport (COOH)
sejtek anyagcserefolyamataikban fontosak

Nitrogén tartalmú szerves vegyületek:

aminok

NH2 kapcsolódik a szénatomokhoz
biológiailag legjelentősebb aminok: aminosavak

belőlük épülnek fel a fehérjék

22 aminosav - csak oldalláncukban különböznek
általános képletük →

egy amionocsoportból (NH2), egy szénatomból és egy karboxilcsoportból (COOH) állnak

amidok

amidcsoport szerkezeti képlete →

heterociklusos vegyületek

a szénláncban a N egy C helyére épül be
gyűrűs szerkezetű molekula
6 delokalizált elektronból álló aromás gyűrű
Pl. piridin, pirimidin, imidazol, purin

Lipidek

Meghatározás:

=CH2 atomcsoportot túlsúlyban tartalmaz
C, H, O atomokból épül fel
apoláris molekulái vannak
vízben oldhatatlan

Neutrális zsírok:

glicerinből és hosszú szénláncú zsírsavakból állnak

két fajta:

telített zsírsav
telítetlen zsírsav

funkciói:

tápanyag raktározás
mechanikai védelem
hőszigetelés
oldószer (D, E, K, A vitaminok)

Foszfatidok:

glicerint, foszfatidsavat, és 2 hosszú zsírsavláncot tartalmazó molekula
poláris feji vég és apoláris farki vég → amfipatikus
a biológiai membránt alkotja (pl.: sejthártya)

Szteroidok:

hormon hatású molekulák
koenzimek
gyulladáscsökkentő
kémiailag rokon vegyületek

mindegyik szteránvázra vezethető vissza

közéjük tartoznak az epesavak
pl.: D-vitamin

Karotinoidok:

színes vegyületek
növények esetén: fotoszintézis

karotin: narancssárga
xantofill: sárga
likopin: piros

állatokban:

A-vitamin provitaminja (ebből képződik)

Szénhidrátok

Meghatározás:

C, H és O építi fel
lehetnek egyszerű szénhidrátok

cukrok, monoszacharidok, diszacharidok

lehetnek összetett szénhidrátok

poliszacharidok

Monoszacharidok:

legegyszerűbb szénhidrátok
C:H:O = 1:2:1 (pl.: glükóz - C6H12O6)
glükóz

szőlőcukor
növényekben fotoszintézis során termelődik
energiát tárol → heterotrófok hasznosítják
lebontása során: 2872 kJ/mol
1 dm3 vérben 1 g → a sejtek inzulin jelenlétében tudják felvenni

fruktóz

gyümölcscukor

galaktóz

tejben

trióz

3 szénatomos cukor

pentóz

4 szénatomos cukor
DNS-ben dezoxiribóz, többi nukleinsavban ribóz

hexóz

6 szénatomos cukor
a leggyakrabban előforduló

Diszacharidok:

élő szervezetekben a monoszacharidok egyesülnek, és így keletkeznek
vízben jól oldódnak
édes ízű, kristályos cukrok
maltóz (malátacukor)

glükóz + glükóz

laktóz (tejcukor)

glükóz + galaktóz

szacharóz (répacukor, nádcukor)

glükóz + fruktóz

Poliszacharidok:

sok monoszacharid egységből álló molekula
nem édes
vízben rosszul vagy egyáltalán nem oldódik
glikogén

több száz glükóz molekula
állati, emberi energiaraktár
máj- és izomsejtek

keményítő

növények glükóz tartalma
amilóz + amilopektin

cellulóz

növények vázanyaga

kitin

egyes állatok külső vázának anyaga

Keményítő kimutatása jóddal:

hosszú amilóz molekula → elágazásmentes, spirál alakú
kálium-jodidos jódoldat
jódmolekulák beférnek az amilóz által képzett spirálba

másodlagos kötések alakulnak ki

megváltozik a molekulák fényelnyelése → lila színű lesz

Fehérjék

Meghatározás:

C, O, H, N és gyakran S
aminosavakból épülnek fel
sokféle biológiai működés:

enzimek
összehúzékony fehérjék (izom)
vázfehérjék (csont, köröm, haj)
szállítófehérjék (pl. hemoglobin)
szabályozó fehérjék (pl. inzulin)
antitestek (vércsoportok)
receptor fehérjék (pl. inzulinnak a sejt felszínén való megkötése)
véralvadási faktorok (fibrinogén, fibrinháló kialakítása)

Aminosavak:

jellemzőket ld. feljebb
legegyszerűbb a glicin
két molekula találkozása esetén a karboxilcsoport OH-ja és az aminocsoport H-ja vízzé egyesülve kilép, és a C peptid kötéssel köt az N-hez

így alakul ki a polipeptidlánc

Fehérjék szerkezete:

elsődleges szerkezet

az összekapcsolódó aminosavak sorrendje adja meg
meghatározza a fehérjék működését
ha egyetlen aminosavat kicserélünk, a fehérje nem tudja ellátni feladatát

pl. sarlósejtes vérszegénység

a szekvencia döntően meghatározza a fehérje tulajdonságait, ezért ezt nevezzük az elsődleges szerkezetnek

másodlagos szerkezet

polipeptidlánc térszerkezete
stabilitást első és másodrendű kötések adják
lehet α-hélix, ß-redő
szerkezeti formát H kötések tartják össze
tartalmazhatják mindkettőt vagy csak az egyiket

harmadlagos szerkezete

a teljes lánc térbeli elrendeződése
stabilizálja:

aminosavak oldalláncai között kialakuló kötések
diszulfid kötés

speciális kovalens kötés
ciszteinek kéntartalmú oldalláncai között
erős kötés

negyedleges szerkezet

csak akkor jön létre, ha több polipeptidláncból áll a fehérje
amikor összekapcsolódnak akkor jön létre
pl. hemoglobinban: 4 alapegységből áll

Tulajdonságok:

szerkezetük nagyon érzékeny a környezeti hatásokra
denaturálódás/koagulálás/kicsapódás

amikor egy fehérje elveszti magasabb szintű, mint elsődleges szerkezetét
mechanikus hatásra, nehézfémsók hatására (pl. higany), hőhatásra, pH-változásra

reverzibilis denaturáció

visszafordítható fehérjekicsapódás
pl. tojásfehérjébe konyhasót oldunk, az elvonja a fehérje hidrátburkát, így az nem működőképes, de ha felhigítjuk, a fehérjék hidratálódnak, és újra működni fognak

irreverzibilis denaturáció

visszafordíthatatlan fehérjekicsapódás
pl. tojás megsütése

Biológiai jelentőségükre példák:

stresszfehérjék

stressz hatására megváltozik a másodlagos vagy harmadlagos szerkezetük
pl. magas láznál kicsapódnak a fehérjék, és ennek hatására megnő a stresszfehérjék száma
feladatuk, hogy akadályozzák, lassítsák a többi fehérje kicsapódását

kollagén

bőr, köröm egészségéért, öregedésének lassításáért felelős
inakat, porcokat, szalagokat építi fel

aktin, miozin

izomműködés

hormonok
fibrinogén

véralvadásban nélkülözhetetlen
fibrinhálót alkotja

az alvadt vér váza

Nukleotidok és nukleinsavak

Nukleotidok:

felépítés:

pentóz (5 szénatomos cukor)
nitrogén tartalmú bázis
foszfátcsoport (foszforsav maradék)

a pentóz lehet:

ribóz: C5H10O5
dezoxiribóz: C5H10O4

a nitrogén tartalmú bázis lehet:

adenin (A)
guanin (G)
timin (T)
uracil (U)
citozin (C)

Szerepük:

nukleinsavak építőkövei
energiatárolás vegyületei

pl. adenozin-trifoszfát (ATP)

enzimek koenzimjeinek alkotórészei

KoA, NAD, NADP
különböző csoportok szállítását végzik

ATP - adenozin-trifoszfát:

elnevezés:

olyan nukleotid, ami 3 foszfátcsoportot tartalmaz

energia a kötéseiben tárolódik
adenozin-difoszfát (ADP) és foszforsav molekulából keletkezik

sejtek szintetizálják
a kialakuló kötés nagy energiatartalmú

makroerg kötés
ha valamilyen folyamathoz energia kell, ezt a kötést bontják fel

ADP+P → Q= 30 kJ/mol
ADP+PP → Q= 36 kJ/mol

ha egyszerre 2 foszfátcsoport hasad le

lebontó anyagcsere során:

a felszabaduló energia nagy része ATP szintézisre fordítódik és ATP formájában tárolódik

felépítő anyagcsere során:

a szükséges energia ATP hidrolízisekor felszabaduló energiából származik

Hidrogén szállító vegyületek:

dinukleotidok:

két nukleotid kapcsolódik egymáshoz foszforsavon keresztül

pl. nikotinsavamid-adenin-dinukleotid (NAD+)

lebontó folyamatokban fontos

pl. nikotinsavamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADP+)

felépítő folyamatokban fontos

Nukleinsavak:

nukleotid egységekből felépülő polinukleotidok
1 nukleinsavban több 1000 nukleotid
előfordulás:

sejtmag (DNS)
citoplazma (RNS)
színtest (DNS, RNS)
mitokondrium (DNS, RNS)

2 csoport:

dezoxiribonukleinsav (DNS)
ribonukleinsav (RNS)

felépítés:

nukleotid egységekből
foszfátcsoportok kapcsolják össze
az egyik pentóz 5. szénatomja és a következő pentóz 3. szénatomja között képeznek hidat

foszfodiészter kötés

a gerince foszfátból és cukorból áll

ehhez kapcsolódnak a pentózon keresztül az N tartalmú bázisok az első szénatomhoz

RNS - ribonukleinsav:

4 féle bázis: adenin, guanin, uracil, citozin
a cukor benne: ribóz
egyszálú és hurkokat képez

hurkokban másodrendű H kötések
A = U; G ≡ C

feladata:

sejtek fehérje szintézise
gének kifejlődésének szabályozása

mRNS:

DNS-ről íródik át, a génekben kódolt információt továbbítja a citoplazmába, a fehérjeszintézis helyére

tRNS:

aminosavat szállít a fehérjeszintézisben a riboszómákhoz, ahol összekapcsolódnak

rRNS:

riboszómák felépítésében vesz részt (itt történik a fehérjeszintézis)

DNS - dezoxiribonukleinsav:

a cukor benne: dezoxiribóz
4 féle bázis:

adenin, guanin, uracil, timin

molekulája 2 egymással szemben lévő, ellentétes irányú polinukleotid láncból áll

antiparallel lefutás → az egyik szál 5’ végével a másik szál 3’ vége van szemben

hidrogénkötései:

A = U; G ≡ timin

a két szál hossztengely körül spirálisan feltekeredett → kettős hélix szerkezet
harmadlagos szerkezete lehet:

lineáris - eukariótákban
zárt láncú (cirkuláris) - prokariótákban
egyszálú - egyes vírusokban

Fogalmak:

Biogén elemek: Az alapvető elemek, amelyek felépítik az élő szervezeteket.

Ozmózis: Féligáteresztő hártyán keresztül az oldószer áramlása a töményebb oldat felé.

Esszenciális aminosavak: Az életműködéshez szükséges olyan aminosavak, amiket az emberi szervezet nem tud előállítani, tehát táplálékként kell felvenni.

Telített zsírsavak: Csak egyszeres kovalens kötést tartalmaz a szénlánc.

Telítetlen zsírsavak: Legalább 2 szénatomot kettős kötés tart össze, lágyabb, folyékonyabb halmazállapotú.

Koenzim: Az enzimekhez lazán, reverzibilisen kapcsolódó szállítómolekula. Felépítésében gyakori a vitamin jellegű csoport, ezért a vitaminhiány gátolja a felépülését, ezen keresztül egyes biokémiai folyamatok lejátszódását.