Egészségügy | Felsőoktatás » Biogén elemek csoportosítása

Biogén elemek csoportosítása Az élőlények sejtjeinek felépítésében alig harminc elem vesz részt, ezeket nevezzük biogén elemeknek. Vannak közöttük olyan elemek, amelyek minden élőlény számára nagy mennyiségben szükségesek. Ezek közül is legfontosabb a szén: a vegyületek túlnyomó többsége szénvegyület, négy erős kovalens kötés, stabil molekulaszerkezet, a kötést kialakító elektronpárok a szénatom köré elképzelt tetraéder négy csúcsa felé helyezkednek el egyenletes térkitöltés, a szénatomok egymással szinte korlátlan számban képesek összekapcsolódni - nyílt láncú vagy gyűrűs molekulák. A biológiailag fontos szerves vegyületekben a szén mellett leggyakoribb a hidrogén: fontos szerep az élőlények energiatermelő folyamataiban - a hidrogén vízzé oxidálják és a közben felszabaduló E-át hasznosítják. Ehhez szükséges az oxigén, melyet a légkörből vesznek fel Az oxigén emellett sok biológiailag fontos

szénvegyület alkotórésze. A nitrogén elsősorban az aminosavak és a nukleinsavbázisok felépítéséhez nélkülözhetetlen alkotóelem. A kén és a foszfor az energiaforgalomban, molekulák alkotórészeként fontos. A nátrium, kálium, klór ion formájában vesz részt a biológiai folyamtokban. A biogén elemek között vannak olyanok, melyek minden élőlény számára szükségesek, de csak kis mennyiségben. Ilyen a redoxifolyamatokban szereplő vas (2+ és 3+) Kobalt, jód Vannak olyan elemek is, amelyek csak egyes fajok számára igen fontosak.: szilícium (moszat, szivacs kovavázában), bór (növények gyökér), fluor (fogzománc). A víz néhány tulajdonsága Az élővilág számára az egyik legjelentősebb szervetlen vegyület. Részt vesz a sejtek biológiai folyamataiban, de helyet is biztosít számára, mivel a víz poláros szerkezetű. Hidrogénkötés hidrogénhidak különböző molekulák közt (nagy felületi feszültség - határhártyák) Számos

anyag oldószere (vízben disszociáló vegyületek) - ionokra, aztán hidrátburok. Poláros (cukor) és ionos vegyületek oldódnak jól. Jellemző rá a diffúzió folyamata - külső behatás nélküli keveredés (az oldatban nem egyenletes koncentráció kiegyenlítődik). Szintén jellemző az ozmózis, amely féligáteresztő hártyán keresztül történő oldószeráramlást jelent a töményebb oldat felől a hígabb felé. Azt a nyomást, amelyet az oldatra ki kell fejteni, hogy a dinamikus egyensúly létrejöjjön (különböző koncentrációk esetén), ozmózisnyomásnak nevezzük. A lipidek Különböző kémiai szerkezetű, de hasonló oldhatósági tulajdonságokkal rendelkező szerves vegyületek gyűjtőneve. Vízben nem, csak apoláris oldószerekben oldódnak (benzol, éter) apolárisak maguk is Közismert lipidek a neutrális zsírok, amelyek glicerinből és három zsírsavból épülnek fel (többnyire palmitin-, sztearin-, vagy olajsav). Keletkezésük:

kondenzációval (vízkilépéssel) az észterkötés helyén hidrolízissel felbontható A leggyakoribb lipidek, növényekben, állatokban egyaránt megtalálhatóak, főleg mint tartalék tápanyagok. A zsír esetenként hőszigetelő, mechanikai védelmet, oldószer szerepét (zsírban oldódó vitaminok) is betöltheti. Szobahőmérsékleten szilárdak vagy folyékonyak - szénláncok határozzák meg. Ha hosszabb ideig levegőn hagyjuk a bennük levő telítetlen kötések megkötik a levegő oxigénjét avasodás. A növényekben elsősorban a termések húsos részében és a magvakban található Olivaolaj. Tejben állati eredetű lipidek kolloid formában A és D vitaminok vannak bennük A lipidek másik csoportja a foszfatidok. Felépítője: egy glicerin, két zsírsav és egy foszforsav kapcsolódik össze észterkötéssel. Legegyszerűbb képviselőjük a foszfatidsav A molekula zsírsavakat tartalmazó része apoláris, a foszforsavat tartalmazó poláris - ez a

rész könnyen kapcsolódik vízmolekulákhoz. Ezért vizes közegben cseppeket vagy hártyákat alkotnak ennek kialakulását az apoláros részek közötti van der Waals kölcsönhatások is elősegítik A lipidek közé soroljuk a szteroidokat is. Alapszerkezetük a szteránváz Szerepük: részt vesznek a sejt szerkezeti elemeinek kialakításában, a D-vitamin előanyaga is idetartozik, epesavak, nemi hormonok. A karotinoidok szénláncában konjugált kettős kötésű rendszer van - színesek (többnyire vörösek, sárgák). Karotin, likopin, xantofill Az A-vitamin kiindulási anyaga, illetve a szem fényérzékeny anyagának alkotórészei is ebbe a csoportba tartoznak. A szénhidrátok: A Föld szervesanyag-készletének legnagyobb részét szénhidrátok alkotják, ezek fotoszintézis útján állítódnak elő. Növény- és állatvilágban egyaránt megtalálhatóak Monoszacharidok: a három szénatomos triózok lényegében a glicerin oxidációs termékei.

Glicerinaldehid - a sejtben szabad állapotban nem fordul elő, köztes termék, inkább glicerinaldehid-3-foszfát alakjában található meg. Biológiai szempontból az öt szénatomos pentózok a legfontosabbak. Ribóz, dezoxiribóz Foszforsavval észtert képeznek és így vesznek részt a nukleinsavak felépítésében. A hat szénatomos hexózok az élővilágban leggyakrabban előforduló monoszacharidok. A sejtekben szabad állapotban is előfordulnak Alapvető szerepük van a di- és poliszacharidok felépítésében. A legnagyobb biológiai jelentőséggel a glükóz (szőlőcukor) bír. Gyűrűjének első szénatomjához kétféle módon kapcsolódhat térben a glikozidos hidroxilcsoport - alfa- vagy béta-glükóz. A glükóz foszforsavval észtereket képezhet, amelyek a biokémiai folyamatokban köztes termékként ismeretesek. Szabad előfordulása is ismeretes, mivel az élőlényekben a szénhidrát-szállítás elsősorban glükóz formájában történik. Fruktóz

Két glükózmolekula között vízkilépéssel glikozidkötés jöhet létre - ennek eredménye egy diszacharid-molekula. A maltóz két alfa-glükóz összekapcsolásával jön létre (1-4) A keményítő köztes terméke. A cellobióz (cellulóz köztes terméke) két béta-glükózból áll Egy béta-fruktózmolekula és egy alfa-glükóz összekapcsolásával (alfa-béta-1-2) keletkezik a szacharóz - emberi táplálkozásban legismertebb diszacharid. A tejben előforduló laktóz (tejcukor) egy galaktózból és egy glükózból áll. A kitin a cellulózhoz hasonló, N-tartalmú poliszacharid. A poliszacharidok biológiai szempontból két nagyobb csoportba sorolhatók. Egy részük tartalékanyag - leggyakoribb a keményítő (fotoszintézis során termelődik). A sejtekben szemcsék alakjában biokatalizátorokkal együtt raktározódnak. A keményítő amilózból (elágazás nélküli spirális glükózmolekulalánc) és amilopektinből (tizenkét szénatomonként elágazó

egyenes) áll. A glikogén ua-t a szerepet tölti be az állati szervezetekben, mint a keményítő a növényekben - tápanyagforrás. Szerkezete az amilopektinhez hasonló, de több elágazást tartalmaz. A legelterjedtebb természetes poliszacharid a cellulóz, többezer béta- glükózmolekulából. Molekulája hosszú, elágazásmentes lánc, amely kötegekbe rendeződik, melyen belül hidrogénkötések alakulnak ki - nehezen hidrolizálható a molekula. Biológiai bontását elsősorban baktériumok végzik. A fehérjék: Alapvető fontosságúak az élővilágban. Felépítő egységei az aminosavak, de kialakításukban csak húszféle aminosav vesz részt. Aminosav felépítése Két aminosav peptidkötéssel kapcsolódhat össze, vízkilépés közben - dipeptid, polipeptidlánc (akár több száz egységből is). A fehérjék sokféle feladatuknak megfelelően változatos felépítésűek (juh, marha inzulinja). Az aminosavak sorrendjének (fehérjemolekula elsődleges

szerkezete) döntő hatása van a molekula felépítésére, így tulajdonságaira is. Frederick Sanger - inzulin aminosavszekvenciája, Linus Pauling - röntgendiffrakció. A fehérjemolekulák térbeli elhelyezkedésére kétféle szerkezeti egység jellemző. Az egyik az alfa-hélix-szerkezet, amelyben a peptidlánc egy csavarmenet vonulatát követi. Ezt rögzítik a kialakuló H-kötések is. A másik a béta-lemez-szerkezet, amelyben a láncszakaszok fekszenek egymás mellett, a szálakat pedig H-kötések kapcsolják össze - így végeredményben egy hajtogatott lemezhez hasonlítanak. A fehérjék másodlagos szerkezetét a polipeptidlánc alfa-hélix és béta-lemezmódon való hajtogatódása hozza létre A fehérjét alkotó lánc teljes térbeli elrendeződése jelenti a fehérjék harmadlagos szerkezetét. Ez tartalmazza a nem fehérje jellegű csoportokat is (cisztein). Azonban a fehérjék egy része nem marad meg egyetlen láncból álló egységnek, hanem több

egységből álló óriásmolekulát alakít ki. Ennek a térbeli elrendeződését nevezzük a fehérjék negyedleges szerkezetének (pld. hemoglobin négy egysége) A fehérjék igen érzékenyek a külső hatásokra. A fehérjék denaturációja (irreverzibilis kicsapása) hő, nehézfémsók, savak, stb. hatására Reverzibilis kicsapás: könnyűfém-, ammóniumsókkal A fehérjéket összetételük alapján két nagy csoportra osztjuk. Az olyan fehérjéket, amelyek teljes hidrolízise során csak aminosavak keletkeznek egyszerű fehérjéknek nevezzük (albumin). Amelyek nem fehérje természetű csoportot is tartalmaznak, azok az összetett fehérjék (tejben a kazein - foszforsav, hemoglobin - vas). Nukleotidok és nukleinsavak A nukleotidok - sejtek energiatárolásában, nukleinsavak alapegységei - maguk is több egyszerű egységből épülnek fel: nitrogéntartalmú szerves bázis (pirimidinváz - timin, citozin, uracil; purinváz - adenin, guanin), öt szénatomos cukor

(ribóz, dezoxiribóz), foszforsav - ez egy mononukleotid-molekula. Timin-adenin két, citozin-guanin három H-kötés A pentóz ötödik szénatomjához észterkötés kialakulásával kapcsolódik a foszfátcsoport, egy molekula víz kilépése közben. Az elsőhöz pedig a szerves bázis egyik nitrogénatomja Ez az adenozinmonofoszfát Az élőlények a kémiai energiát nagy energiájú kötéseket tartalmazó molekulákban tárolják. Ilyen molekula az adenozin-trifoszfát (ATP), melynek 1 móljának hidrolízise során kb. 30 kj energia szabadul fel Számos szállítómolekula alapszerkezete is a nukleotidokra vezethető vissza. A koenzim-A-molekula a két szénatomos acetil-csoport szállítását végzi. Molekulájában a nukleotid alapegységhez foszfátcsoporton keresztül egy vitaminjellegű csoport kapcsolódik. A lánc végén egy kénatomhoz kötődik a szállítandó acetilcsoport. A hidrogén szállítását dinukleotid típusú molekulák végzik A leggyakoribb a

nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD). A hidrogén felvétele egy proton és két elektron megkötését jelenti a molekula savamidot tartalmazó részén, míg a másik proton hidrogénion formájában oldatban marad. NAD - NADH A felépítő folyamatokban a NAD egy foszfátszármazéka, a NADP szerepel. A nukleinsavak nukleotid egységekből felépülő polinukleotidok. A szomszédos nukleotid egységek a pentózmolekulák 5. illetve 3 szénatomja közötti foszfátcsoporton keresztül kapcsolódnak össze. DNS és RNS A nukleinsavak molekuláiban az egyes nukleotidokat csak a N-tartalmú szerves bázisok különböztetik meg egymástól. Ezért a nukleinsavak szerkezetének elsődleges meghatározója a bázissorrend. A DNS-molekulát alkotó nukleotidok felépítésében négyféle bázis található: adenin, timin, guanin, citozin. Egy DNS-molekula két egymással szemben levő és ellentétes irányba futó polinukleotid-láncból épül fel, ezeket H-kötések kapcsolják

össze (A-T, G-C). A két lánc párhuzamos egymással, az egyik lánc bázissorrendje egyértelműen meghatározza a másikét. A polinukleotidszál hossztengelye körül spirális formában feltekeredik - kettős hélixszerkezet. A spirál átmérője 2 nm, egy teljes csavarulat hossza 3,4 nm. A DNS szerkezetét James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins fedezte fel. Az RNS-molekulák biológiai működésük szerint csoportosíthatók. Legnagyobb mennyiségben a sejtben lejátszódó fehérjeszintézis helyein található riboszómák építőanyagai, a riboszómális vagy rRNS-ek. Kisebb részük a megfelelő aminosavakat szállítja a fehérjeszintézis helyére, ezek a szállító- (transzfer-) vagy tRNS molekulák. Kis százalékuk a fehérjeszintézisre vonatkozó információkat fordítja le a DNS-molekulákról, vagyis megszabja az aminosavsorrendet, ezek a hírvivő- (messenger-) vagy mRNS-molekulák. Az RNSmolekulák nukleotidjai négyféle szerves bázist tartalmaznak:

adenin, guanin, citozin, uracil Mindegyik RNS-molekula csak egyetlen polinukleotid-szálból épül fel. Térszerkezetük igen változatos lehet: egy aminosavat szállító tRNS-molekula önmagával is képezhet bázispárokat