3. előadás: A víz szerepe az élő szervezetekben

Átírás

1 3. előadás: A víz szerepe az élő szervezetekben

2 A víz a földi élet alapja A víz az élet biológiai közege a Földön Az egyetlen gyakori molekula, mely midhárom halmazállapotban jelen van Minden élő szervezetnek szüksége van vízre Az élő szervezetek mintegy 3 milliárd évig evolválódtak vizes közegben, mielőtt a szárazföldre léptek volna Az élő szerveztek kb % vizet tartalmaznak

3 A vízmolekulák polaritása hidrogén kötések kialakítását eredményezi A víz molekula poláros molekula A különböző elekronnegativitású atomok a molekulában a hidrogén kötések kialakítását segítik Mivel a hidrogén kötés kötési energiája 1/20-a a kovalens kötésnek ezért a víz folyékony.

4 A víz tulajdonságai, melyekkel a földi élet alapjául szolgálhat A víznek 4 tulajdonsága segíti elő, hogy az élet közegévé váljon: A molekulák közötti kohézió Hőtárolóképesség Térfogatnövekedés fagyáskor Sokrétű oldószer

5 I. Kohézió A hidrogén kötések a vízmolekulákat egyben tartják, azok között kohézió alakul ki A kohézió segíti a víz gravitációs erővel szembeni szállítását pl. a növényekben A folyadék és a vele érintkező szilárd test (pl. az edény fala) részecskéi között fellépő vonzó kölcsönhatási erőket nevezzük adhéziós erőknek

6 Adhézió Víz-szállító sejtek A víz mozgásának iránya 150 µm Kohézió

7 A felületi feszültség a folyadékok alapvető tulajdonsága, ami miatt a folyadékok a lehető legkisebb fajlagos felületű alakzatot (gömb) igyekeznek felvenni, ha külső erőtér nem hat rájuk. A felületi feszültség a kohézió miatt alakul ki

8

9 II. A víz hőmérséklet szabályozó szerepe A víz nagy mennyiségű hőenergiát képes aelnyelni vagy kibocsátani anélkül, miközben saját hőmérséklete csak kicsit változik meg Augusztusi hőmérséklet értékek Dél-Kaliforniában

10 Hő és hőmérséket A molekulák mozgási (kinetikus) energiával rendelkeznek A hő a molekulák mozgása miatt termelődő összes kinetikus energia mérőszáma A hőmérséklet molekulák átlagos kinetikus energiájával arányos hőmennyiséget jellemzi

11 A víz fajlagos hőkapacitása A fajlagos hőkapacitás (régi nevén fajhő), megadja, hogy mennyi hőt kell közölni egységnyi tömegű anyaggal ahhoz, hogy a hőmérséklete egy ºC fokkal megemelkedjék A víz fajlagos hőkapacitása 1 cal/g/ºc vagy 4,18 J/g/ºC (az alkoholé pl. 0,6 cal/g/ºc) A nagy fajlagos hőkapacitás miatt a víz ellenáll a hőmérséklet változtatásnak

12 A nagy fajlagos hőkapacitás a hidrogén kötések jelenlétére vezethető vissza Hőt nyel el a hidrogén kötések felszakításával Hőt ad lea hidrogén kötések kialakításával Ez minimalizálja a hőmérséklet fluktuációt (élet kialakulása) Alakítja a klímát

13 Párolgáshő A párolgáshő egységnyi mennyiségű anyag állandó hőmérsékleten történő folyadék-gáz halmazállapot változtatásához szükséges energia. (víznél 40,8 kj/mol) A párolgás hűti a rendszert Az élőlények túlhevüléssel szembeni védekezésében alapvető szerepet játszik

14 III. Az úszó jég elszigeteli a víztestet a külvilágtól A jég úszik a víz felszínén mivel a hidrogén kötések stabil kristályszerkezetet alakítanak ki, melynek kisebb a sűrűsége A víz 4 C-on a legsűrűbb

15 IV. Oldószer A víz polaritása és hidrogén kötéseket kialakító képessége miatt nagyon jó oldószer Ha ionos vegyületeket oldunk vízben, akkor az ionokkat víz molekulák gömbje, ún. hidratációs héj veszi körül

16 A víz természetesen nem-ionos poláros molekulákat is jól old (a) Lizozim molekula nem-vizes közegben (b) Lizozim molekula (lila) vizes közegben (c) A fehérje felületének ionos és poláros régiói vonzák a vízmolekulákat.

17 Hidrofil és hidrofób anyagok A hidrofil anyagok azok, melyeknek van affinitása kölcsönhatásba lépni a vízmolekulákkal A hidrofób anyagoknak nincs affinitása a vízmolekulákhoz Kolloidnak nevezzük az olyan anyagokat, amelyek részecskéinek nagysága nagyobb, mint az atomok és a molekulák mérete. A hidrofil kolloidok stabil szuszpenziót alkotnak

18 A savas vagy bázikus környezet befolyásolja az élő szervezeteket A hidrogén kötésben a hidrogén ion át tudkerülni az egyik víz molekuláról a másikra: A hidrogén atom hidrogén ionként transzferálódik (H + ) Így hidroxóniumion (H 3 O + ) keletkezik, bár gyakran H + -ként hivatkozunk rá

19 Egy egyensúlyi folyamatról van szó Bár statisztikailag ritaka, de a vízmolekulák disszociációja nagy jelentőségű az élő szervezetben: H + és OH ionok reaktívak

20 A ph változás hatásai H + és OH ionok koncentrációja egyenlő tiszta vízben Savak és bázisok hozzáadása eltolja ezt az egyensúlyt A savak növelik H + ion koncentrációt az oldatokban A bázisok csökkentik H + ion koncentrációt az oldatokban

21 A ph skála Minden vizes oldatban 25 C-on: [H + ][OH ] = Az oldat ph-ja definíció szerint, a H + ionok koncebtrációjának negatív logaritmusa: ph = log [H + ] Semleges vizes oldat esetén [H + ] is 10 7 = ( 7) = 7

22 ph skála 0 H + H + H + OH H + OH H + H + H + H + Savas oldat OH OH H + H + OH OH OH H + H + H + Semleges oldat Növekvő savasság [H + ] > [OH ] Semleges [H + ] = [OH ] Akkumulátor sav Gyomor sav Limonádé Bor, kóla Paradicsomlé Fekete kávé Esővíz Vizelet Nyál Tiszta víz Emberi vér, könny Tengervíz Növekvő bázikusság [H + ] < [OH ] 10 OH OH OH H + OH OH OH H + OH Bázikus/lúgos oldat háztartási ammónia Háztartási fehérítő 14

23 Pufferek A legtöbb élő sejteben a belső kémhatást ph 7 körül kell tartani A pufferek olyan anyagok, melyek egy oldatban a H + és az OH ionok koncentrációváltozását minimalizálják A legtöbb puffer sav-bázis párt tartalmaz

24 Erősen savas Savas eső Normal eső Erősen bázikus

25 per m 2 per nap) Korallok kalcifikációja Kalcifikációs ráta (mmol CaCO [CO 2 3 ] (µmol/kg) 300

26 Szén a szerves molekulák alapja Bár az elő szervezetek 70 95%-a víz, a többi elsősorban szénalapú vegyületekből áll A szén példátlan képessége, hogy nagyméretű, komplex, különböző molekulákat képes kialakítani 1828 Wöhler karbamid szintézise (Kohlbe, ecetsav) cáfolja az életerőt

27 Urea

28 Miller kísérlete (1953) Vízgőz CH 4 Atmoszféra Elektróda Kondenzáló Szerves molekulákat tartalmazó hűtött víz hideg víz Számos szerves molekula képződött, köztük formaldehid, hidrogén cianid, valamint aminosavak, szénhidrogének H 2 O tenger Mintavétel a kémiai analízishez

29 A szénlánc többféle formát is felvehet: Etán Propán 1-Butén 2-Butén (a) Változó hossz (c) Kettős kötés (b) Elágazás Bután 2-Metil propán (izobután) Ciklohexán (d) Gyűrűk Benzén

30 Izomerek Az Izomerek azonos molekuláris formulával leírható, de különböző szerkezettel és tulajdonságokkal rendelkező vegyületek: Szerkezeti izomerek: az atomok kovalens elrendezése különböző Térizomerek: hasonlókovalens, de különböző térbeli elrendezés Enantiomerek a térbeli elrendezés tükörképe a másiknak, egymásba át nem forgatható

31 Pentán 2-methyl bután (a) Szerkezeti izomer cisz izomer: a két X azonos oldalon van transz izomer: A két X átellenes oldalon van (b) Térizomer (c) Enantiomer L izomer D izomer

32 Az enantiomerek a gyógyszeriparban kiemelt fontosságúak

33 A biológiai molekulák funkcióiban kis számú funkciós csoport játszik fontos szerepet A szerves molekulák különböző funkciói nemcsak a szénváztól, hanem az ahhoz kapcsolódó csoportoktól is függenek A funkciós csoportok száma és elrendeződése a molekulának egyedi tulajdonságokat

34 Estradiol Testosteron

35 Hét funkciós csoport a legfontosabb az elő szervezetekben előforduló molekulákban: Hidroxil csoport Karbonil csoport Karboxil csoport Amino csoport Sulfhidril csoport Foszfát csoport Methil csoport

36 KÉMIAI CSOPORT HIdroxIl CarbonIl CarboxIl SZERKEZET (néha HO ) VEGYÜLET NEVE Alkoholok Ketonok, ha láncközben van Karbonsavak / szerves savak Aldehidek, ha lánc végén van PÉLDA etanol Acetone Ecetsav Propanal FUNKCIONÁLIS TULAJDONSÁGOK Az oxigén elektronnegativitása miatt poláros csoport A ketonok és aldehidek strukturális izomerek lehetnek eltérő tulajdonságokkal. Savas karaktere van a poláros O-H kötés miatt Hidrogén kötések kialakítására képes. Ez a két csoport cukrokban is megtalálható (aldózok és ketózok) Ecetsav Acetát ion A sejtben ionizált formában van jelen (karboxilát ion).

37 Amino SZERKEZET Aminok VEGYÜLET NEVE PÉLDA Bázisként viselkedik, protont vesz fel FUNKCIONÁLIS TULAJDONSÁGOK Glicin Mivel a glicin amino csoporttal is rendelkezik, ezért aminosav (nonionized) (ionized) Sejtekben ionizált formában fordul elő.

38 Sulfhidril SZERKEZET Tiolok VEGYÜLET NEVE (néha HS ) PÉLDA Két sulfhidril csoport kovalensen képes összekapcsolódni (pl fehérjék). FUNKCIONÁLIS TULAJDONSÁGOK Cisztein A cisztein fontos kén tartalmú aminosav A ciszteinek közötti keresztkötések képesek stabilizálni a hajban található fehérjéket, megadva ezzel a haj formáját.

39 Foszfát SZERKEZET Szerves foszfátok VEGYÜLET NEVE PÉLDA Negatív töltést kölcsönöz a molekulának. FUNKCIONÁLIS TULAJDONSÁGOK Glycerol foszfát Számos kémiai reakció mellet a glicerol foszfát a foszfolipidek kémiai alapját is képezi. Vízzel képes reakcióba lépni, energiát szabadít fel.

40 Metil SZERKEZET Metilált vegyületek VEGYÜLET NEVE PÉLDA DNS metilálása. FUNKCIONÁLIS TULAJDONSÁGOK 5-Methyl citidin A metil csoportok különzöző elhelyezkedése a női és férfi nemi hormonon különböző hatást eredményez. Az 5-Methyl citidine a DNS egy metilálódott alkotója.

41 Az élőt felépítő molekulák Az élőt felépítő nagyméretű molekulák négy fő csoportba tartoznak: szénhidrátok, lipidek, nukleinsavak és fehérjék A sejten belül a kisméretű szerves molekulák makromolekulákat hozhatnak létre A molekulák szerkezete és funkciója szorosan összefügg

42 A makromolekulák polimerek, melyek monomerekből épülnek fel Polimernek nevezzük az ismétlődő egységekből, monomerekből felépülő nagyméretű molekulákat, melyekben az egységeket (monomer) kémiai kötések kapcsolják össze. Polimereket találunk a: Szénhidrátok Fehérjék Nukleinsavak között

43 A polimerek szintézise és lebomlása Kondenzációs reakció vagy dehidrációs reakció akkor fordul elő, ha két monomer víz kilépésével kapcsolódik össze A polimerek monomerekké való szétbontása a hidrolízis, a hidratációs reakció megfordítása

44 HO H HO H Rövid polimer Dehidráció, a vízmolekula kilép Nemkapcsolt monomer H 2 O HO Hosszú polimer H (a) A polimer szintézise során dehidráció megy végbe HO H Hidrolízis, vízmolekula belépésével a kötés felszakad H 2 O HO H HO H (b) A polimer hidrolízise

45 A szénhidrátok energia termelőként és szilárdító elemként szolgálnak A szénhidrátok cukrokat és cukor polimereket jelentenek A legegyszerűbb szénhidrátok a monoszaharidok vagy egyszerű cukrok A szénhidrát makromolekulák, a poliszaharidok, egyszerű cukrok polimerizációjával keletkeznek

46 Cukrok A monoszaharidok molekuláris képletében (összegképlet) általában a CH 2 O többszöröse szerepel A monoszaharidokat osztályozhatjuk A karbonil csoport pozíciója szerint (aldózok vagy ketózok) A szénlánc szénatomszáma szerint (pentóz, hexóz stb.)

47 Triózok (C 3 H 6 O 3 ) Pentózok (C 5 H 10 O 5 ) Hexózok (C 6 H 12 O 6 ) Ketózok Aldózok Gliceraldehid Dihidroxiaceton Ribóz Glükóz Galaktóz Ribulóz Fruktóz

48 Bár lineáris formában ábrázoltuk a legtöbb monoszaharid vizes közegben gyűrűt hoz létre (a) Linear and ring forms (b) Abbreviated ring structure

49 Diszaharidok A diszaharidok a monoszaharidok dehidrációjával alakulnak ki (glikozidos kötés)

50 Poliszaharidok A poliszaharidok cukor polimerek A poliszaharidok szerkezetét és funkcióját a cukor monomeker és a glikozidos kötés helyzete határozza meg

51 Raktározó poliszaharidok A keményítő, egy növényekben előforduló raktározó poliszaharid. A glikogén az állatok raktározó poliszaharidja.

52 Fig. 5-6 Színtest Keményítő zárvány Mitokondriumok Glikogén granulumok 1 µm 0.5 µm Amilóz Amilopektin Glycogen (a) Keményítő (plasztiszokban) (b) Glikogén (izomban, májban)

53 Szerkezeti poliszaharidok A cellulóz a növényi sejtfal fő komponense (a) α ésβ glükóz gyűrűs szerkezete α Glükóz β Glükóz (b) Keményítő: 1 4 α glikozidos kötés (b) Cellulóz: 1 4 β glikozidos kötés

54 Az α glükóz polimerjei helikálisak A β glükóz polimerjei egyenesek A szálak között hidrogén kötések alakulnak ki A párhuzamos cellulóz molekulák mikroszálakká állnak össze Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Benjamin Cummings

55 Sejtfalak Cellulóz mikroszálak a növényi sejtfalban Mikroszál 10 µm 0.5 µm Cellulóz molekulák b Glükóz monomer

56 Az α kötéseket hidrolizáló enzimek nem tudják bontani a cellulóz β kötéseit A cellulóz ezért az emberi emésztőrendszeren mint oldhatatlan rost halad át A cellulóz bontása csak mikroorganizmusok segítségével lehetséges

57 Kitin, a gombák sejtfalában és a rovarok külső vázában található N-tartalmú poliszaharid (a) A kitin monomer (b) A rovarok külső (c) szerkezete. vázát alkotja A kitint erős sebészeti fonalakban is használják.