A másodlagos biogén elemek a szerves vegyületekben kb. 1-2 %-ban jelen lévő elemek. Mint pl.: P, S, Fe, Mg, Na, K, Ca, Cl.

Átírás

1 A sejtek kémiai felépítése Szerkesztette: Vizkievicz András A biogén elemek Biogén elemeknek az élő szervezeteket felépítő kémiai elemeket nevezzük. A természetben található 90 elemből ez mindössze kb. 30. Az elsődleges biogén elemek a szerves vegyületek 95%-át alkotják. Ez csupán 4 elem: H, O, C, N. Jellemzőik: kicsi atomméret, melynek köszönhetően nagy számban kapcsolhatók össze, változatos molekulákat alkotva. Erős kovalens kötés, ezért stabil molekulákat alkotnak. Többszörös kötések kialakítására képesek. A másodlagos biogén elemek a szerves vegyületekben kb. 1-2 %-ban jelen lévő elemek. Mint pl.: P, S, Fe, Mg, Na, K, Ca, Cl. A mikroelemek, nyomelemek a szerves vegyületekben néhány ezrelékben megtalálható elemek. Mint pl. Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Cr, stb. Az egyes biogén elemek jellemző előfordulásai az élő szervezetekben: H - víz és szerves vegyületek alkotója, O - víz és szerves vegyületek alkotója, C - szerves vegyületek alkotója, N - fehérjékben és nukleinsavakban, P - nukleinsavakban, foszfolipidekben, gerincesek csontjaiban, S - fehérjékben (cisztein), Fe 3+ - hemoglobinban, Mg 2+ - klorofillban, izmokban, csontban, Na +, K + - testnedvek szabad kationjai, Ca 2+ - csontokban, izomműködéshez, véralvadáshoz kell, Cl - - testnedvek szabad anionja, A biogén elemek kimutatása A szerves vegyületek minőségi analízise során a minta kis részletének elégetésekor keletkezett égéstermékeket gázokat, hamut - vizsgáljuk. Bármely szerves vegyület elégetésekor az anyag széntartalma széndioxiddá, hidrogéntartalma vízzé oxidálódik. 1

2 A szén és a hidrogén kimutatása A szén kimutatása során a fejlődő széndioxid gázt meszes vízbe vezetjük, mely a keletkező, rosszul oldódó kálcium-karbonáttól megzavarosodik. CO 2 +Ca(OH) 2 =CaCO 3 +H 2 O A hidrogén kimutatásakor a kémcső hidegebb részein lecsapódó páracseppek a szerves vegyületek hidrogénjének oxidációját jelzik. A víz Az élőlények számára a legjelentősebb szervetlen vegyület a víz. Élőlények, szövetek hozzávetőleges víztartalma m%-ban: Élőlények % szövet % felnőtt nő 55 csontváz32 felnőtt férfi 65 bőr 65 csecsemő 74 agy 73 éti csiga 84 izomzat80 medúza 98 A víz biológiai szerepe 1. Kitűnő poláris oldószer 2. Reakciópartner Hidrolízis során egy nagyobb molekula víz belépésével kisebb molekulákra bomlik. Kondenzáció során kisebb molekulák víz kilépésével nagyobb molekulákká egyesülnek. 3. Reakcióközeg 4. Szerkezet meghatározó A sejtek alakjának, lágyszárú növények, puhatestűek testalakjának meghatározója. 2

3 Meghatározó élettani folyamatok hátterében a vízzel kapcsolatosan két fontos fizikai-kémiai folyamat áll: a diffúzió és az ozmózis. Diffúzió Koncentrációkülönbség hatására a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb felé irányuló, spontán végbemenő anyagtranszportot diffúziónak nevezzük. A diffúziónak köszönhetően a rendszerben a diffundáló anyag koncentrációja kiegyenlítődik, a részecskék a rendelkezésre álló teret egyenletesen kitöltik. Diffúzióval lép be pl. az oxigén a tüdő légteréből a hajszálerekbe, a hajszálerekből a szöveti sejtekbe, diffúz légzésű állatoknál a kültakarón át a testbe. Diffúzióval mozog a víz a különböző határfelületeken keresztül, pl. ilyen a növények vízfelvétele a talajból, a vesében a víz mozgása, a bélcsőben a víz felszívódása, stb. Ozmózis Az oldószer féligáteresztő hártyán keresztül végbemenő diffúziója. Ha az ilyen hártyák két oldalán különböző koncentrációjú oldatok találhatók, akkor az oldószer részecskéi a hígabb oldat felől a töményebb oldat felé diffundálnak. A féligáteresztő hártyák a nagy molekulákat nem engedik át, csak a kis molekulákat, és főleg az oldószert. Kísérlet Egy üvegedénybe desztillált vizet öntünk, majd ebbe belehelyezünk egy üvegcső végére kötözött, cukoroldatot szacharóz tartalmazó celofánzsákot. A kísérlet kezdetén az üvegkádban levő víz szintje és az üvegcsőben található cukoroldat vízszintje megegyezik. Néhány óra múlva azt tapasztaljuk, hogy az üvegcsőben levő oldat szintje megemelkedik. Magyarázat: A rendszerben koncentrációkülönbség van mind a cukorra, mind a vízre nézve. A cukor diffúzióját,nagy mérete miatt, a féligáteresztő hártya megakadályozza. A pohárban tiszta víz van, ezért annak térfogategységeiben több vízmolekula van, mint a zsákban lévő cukoroldat térfogategységeiben. Emiatt a diffúzió a vízmolekulákat a zsák belseje felé hajtja. (Kifelé is lépnek vízmolekulák, de kisebb sebességgel, mint befelé.) 3

4 A szintemelkedés egy idő után megáll, amit az okoz, hogy az emelkedő folyadékoszlop nyomása és a bent lévő egyre több vízmolekula fokozza a kilépés sebességét. Amikor a beáramlás = a kiáramlással, dinamikus egyensúlyi állapot áll be. Azt a nyomást, amelyet az oldatra kell kifejteni ahhoz, hogy dinamikus egyensúly jöjjön létre ozmózisnyomásnak nevezzük. Az ozmózisnyomás az oldat töménységével egyenesen arányos. Az élő szervezetben a sejtmembránok féligáteresztő hártyák. Lipidek A lipidek olyan szerves vegyületek gyűjtő csoportja, amelyek igen különböző szerkezetűek, azonban közös sajátságuk, hogy apoláris oldószerekben jól oldódnak. Fontosabb csoportjaik Neutrális zsírok Foszfolipidek Szteroidok o Szterolok o Epesavak o Hormonok Karotinoidok Neutrális zsírok Ide tartoznak a természetes zsírok és a nem illó olajok. Szobahőmérsékleten azokat a neutrális zsírokat, amelyek szilárdak: zsíroknak, folyékony halmazállapotúak: olajoknak nevezzük. A neutrális zsírok kémiailag a glicerin zsírsavakkal alkotott észterei. Másképpen szólva glicerinből és zsírsavakból kondenzációval jönnek létre. Bomlásuk hidrolízissel történik. 4

5 A neutrális zsírok biológiai szerepe 1. Raktározott tápanyagok, mivel kétszer annyi energiát tárolnak, mint az azonos tömegű szénhidrátok. Heterotróf szervezetekben elsődleges energiaraktárak. Állati szervezetekben a zsírszövetekben halmozódnak fel: bőr aljában, szervek körül (bélcső, szív, máj, vese, szem). Növényekben pl. olajos magvakban találhatóak meg. 2. Helyzetüknél fogva - a bőralja hőszigetelő szerepet látnak el. 3. Zsírban oldódó vitaminok (D, E, K, A) oldószerei. 4. Szervek helyét rögzítik. Az állati szervezetekben minden feleslegben felvett tápanyag zsírrá alakul. Foszfolipidek Alapvegyületük a foszfatidsav, amelynek részei: glicerin, két zsírsav, foszforsav. A foszfolipidek kettős oldódású, amfipatikus vegyületek, mivel poláris és apoláris részekből állnak, így oldódnak poláris és apoláris oldószerekben egyaránt. A glicerin, a foszforsav és a kapcsolódó csoport poláris, a zsírsavak apolárisak. Vízben kolloid méretű gömb-, ill. lemezes micellákat alkotnak, a molekulák apoláris részeikkel egymás felé fordulva, kettősrétegbe rendeződnek. Legfontosabb biológiai szerepük, hogy a sejtekben határhártyákat, membránokat hoznak létre, így vizes tereket választanak el. 5

6 Szteroidok Az ide tartozó vegyületek közös szerkezeti sajátsága a szteránváz. Az egyes szteroidok a szteránvázhoz kapcsolódó csoportok minőségében térnek el egymástól. 1. A szterolokban a szteránvázhoz OH-csoport kapcsolódik. Koleszterol Állati zsírokban, vérben, epében, sejthártyában fordul elő. Részben táplálékkal vesszük fel, állati zsiradékok tartalmazzák nagyobb mennyiségben, részben a szervezetünk állítja elő a májban. Fontos előanyaga a különböző szteránvázas vegyületek pl. hormonok - szintézisének, ugyanakkor magas koncentrációja a vérben érszűkületet, érelmeszesedést okoz. D-vitamin A szervezetünk optimális kalcium-anyagcseréjéhez szükséges zsírbanoldódó vitamin. Fő forrása E vegyületeket részben a táplálékkal vesszük fel, részben a szervezetünk maga állítja elő. Magas D-vitamin tartalmú ételek a halmájolajok, tejtermékek, tojás. A D-vitamin előanyaga a koleszterinből jön létre a bőrben. Az előanyagból az inaktív D-vitamin, szintén a bőrben, UV hatására képződik. Mind a szervezetben UV hatására szintetizálódott, mind a gyógyszeresen bekerülő inaktív D-vitamin a májban raktározódik, végül a vesében aktív formává alakul. Szerepe Fokozza a kalcium- és a foszfát felszívódását a bélből, ezáltal emeli a vér kalcium- és foszfátkoncentrációját, elősegíti a kalcium beépülését a csontokba. Ezenkívül fokozza az immunrendszer működését (télvégi influenzajárványok egyik oka a szervezet alacsony D-vitamin tartalma). Hiánya A D-vitaminhiány kalcium hiányt eredményez, csontvesztéshez és a csonttörések fokozott kockázatához, fiatal korban az angol-kór kialakulásához vezet. 6

7 2. Epesavak azok a szteroidok, amelyek az epében találhatók meg. Az epében segítik a zsírok emésztését, úgy, hogy emulgeálják- fizikailag aprózzák -a nagyobb zsírcseppeket, miáltal nő azok felülete, aminek köszönhetően a zsírbontó lipázok hatékonysága megnő. 3. Szteránvázas hormonok A petefészekben termelődő női nemi hormonok: progeszteron: megőrzi a terhességet. Ösztrogén: egyik fő feladata amásodlagos nemi jellegek kialakítása. A herében termelődő férfi nemi hormon: tesztoszteron: másodlagos nemi jellegek kialakításában játszik szerepet. Karotinoidok A karotinoidok lényegében szénhidrogének. Konjugált kettős kötés rendszerűek, így könnyen gerjeszthetők, ezért. Karotin: a sárgarépa színanyaga, tartaléktápanyaga, az A-vitamin előanyaga. Az A-vitamin a májban karotinból keletkező, majd raktározódó zsírban oldódó vitamin. Szerepe A normális látás fenntartásában nélkülözhetetlen, fontos a hámfelületek (bőr, légutak, gyomor, bélcsatorna) védelmében, véd a hámon keresztül történő fertőzések ellen. Fő forrása Vitamin formájában a halmájolajok, tejtermékek, marhamáj, tojássárgája tartalmazzák. Előanyagát, a karotint, tartalmazza a legtöbb zöldség. Mivel vízben nem oldódik, a felszívódásához zsiradék szükséges. Hiánya: szürkületi vakságot (farkasvakságot), sőt teljes vakságot okozhat. Hámszövet-, könnymirigyelsorvadása, a verejték- és faggyúmirigyek megbetegedése, a bőr kiszáradása, fokozott szaruképzés, a szőrzet és a hajszálak törékenysége, kihullása tapasztalható. 7

8 Likopin: piros színanyag, pl. a paradicsomban fordul elő. Erős antioxidáns, képes a szabadgyököket semlegesíteni, elsősorban prosztatarák megelőzésében találták hatékonynak. Az E- és K-vitaminok zsírban oldódó vitaminok. E-vitamin Szerepe Antioxidáns hatást fejtenek ki, védik a sejteket a káros szabadgyökökkel szemben. Egyesek szerint rákmegelőző hatású. Szükséges lehet az egészséges nemi működéshez (nem bizonyított). Fő forrása: növényi olajokban, magvakban, húsban, májban, tojásban fordul elő. Hiánya Az E-vitamin hiánynak nincsenek kifejezett tünetei. Nemi működések zavarához, magzatfejlődési problémákhoz vezet. K 1,2 vitamin Szerepe A normális véralvadáshoz kell. Fő forrása K 1 -t növényi olajok, zöld leveles zöldségek, káposzta, brokkoli, paraj tartalmazzák, fillokinon elnevezés az előfordulására utal (filum = levél). A K 2 -t bélbaktériumok termelik. Éppen ezért hosszan tartó, bélgyulladással járó betegég, vagy antibiotikumos terápia következményeként K-vitamin hiány állhat elő. Hiánya Vérzékenységhez, véralvadási zavarokhoz vezet. 8