BΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ

Transcript

1 BΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ

2 1. ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ 2. BΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑΣ Ι. ΑΤΟΜΑ ΚΑΙ ΜΟΡΙΑ ΙΙ. ΧΗΜΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΙΙΙ. ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ ΣΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ 3. ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ

3 ΤΑ ΕΜΒΙΑ ΟΝΤΑ ΕΙΝΑΙ ΧΗΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 19 ος αιώνας - Vital Force Η ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΖΩΗΣ βασίζεται: 1. ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΕΝΩΣΕΙΣ ΑΝΘΡΑΚΑ 2. ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΥΔΑΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 3. EINAI ΕΞΑΙΡΕΤΙΚΑ ΠΟΛΥΠΛΟΚΗ 4. ΠΕΡΙΛΑΜΒΑΝΕΙ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΜΟΡΙΑ ΣΕ ΑΛΥΣΙΔΕΣ

4 Το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα που περιβάλλεται από ένα νέφος ηλεκτρονίων Ο αριθμός των πρωτονίων ενός ατόμου καθορίζει τον ατομικό αριθμό του

5

6 Η κατάταξη των στοιχείων με βάση τον ατομικό αριθμό σχηματίζει τον Περιοδικό Πίνακα Χημική Σύσταση κυττάρου 99% 0.9% Ιχνοστοιχεία Αβέβαιος ρόλος Η σύσταση του κυττάρου από άποψη χημικών στοιχείων είναι περιορισμένη

7 Η χημική δραστικότητα ενός στοιχείου εξαρτάται από τον τρόπο πλήρωσης της εξώτατης ηλεκτρονιακής στιβάδας

8 ΧΗΜΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΙΟΝΤΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ Αλληλεπιδρώντας μεταξύ τους τα άτομα μπορούν να αποκτήσουν μια πιο σταθερή διάταξη ηλεκτρονίων της εξώτατης στιβάδας τους

9 ΙΟΝΤΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Οι ιοντικοί δεσμοί δημιουργούνται με πρόσληψη και αποβολή ηλεκτρονίων Χλωριούχο νάτριο: ένα παράδειγμα σχηματισμού ιοντικού δεσμού

10

11 ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Οι ομοιοπολικοί δεσμοί δημιουργούνται με κοινή συνεισφορά ηλεκτρονίων & διατηρούνται σε συγκεκριμένη απόσταση Μόριο υδρογόνου: Παράδειγμα σχηματισμού ομοιοπολικού δεσμού

12 Οι ομοιοπολικοί δεσμοί διαθέτουν χαρακτηριστική γεωμετρία

13 Οι ομοιοπολικοί δεσμοί διαθέτουν χαρακτηριστική πλαστικότητα απλός δεσμός διπλός δεσμός Οι διπλοί δεσμοί άνθρακα-άνθρακα είναι βραχύτεροι και πιο άκαμπτοι (αιθένιο) από τους απλούς δεσμούς άνθρακα-άνθρακα (αιθάνιο)

14 ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΟΣ ΔΕΣΜΟΣ Οι ομοιοπολικοί δεσμοί μπορεί να διαθέτουν πολικότητα

15

16 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ Χ-Η.. Χ

17 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

18 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

19 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΝΕΡΟ

20 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΝΕΡΟ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

21 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΝΕΡΟ

22 ΔΕΣΜΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ ΚΑΙ ΝΕΡΟ

23

24

25 ΒΙΟΧΗΜΙΚΑ ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ

26 ΤΑ ΜΟΡΙΑ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΕΝΑ ΚΥΤΤΑΡΟ ΣΧΗΜΑΤΙΖΕΤΑΙ ΑΠΟ ΕΝΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ

27 Συγκρότηση οργανικών μακρομορίων από απλούστερες δομικές μονάδες

28 ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Τα μακρομόρια αφθονούν στα κύτταρα

29 XHMIKH ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ

30 ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ Οι πολυσακχαρίτες, οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊνικά οξέα σχηματίζονται από απλές υπομονάδες

31 Μακρομόρια σχηματίζονται με προσθήκη υπομονάδων στο ένα άκρο ενός μορίου και ταυτόχρονη απομάκρυνση ενός μορίου νερού Συμπύκνωση

32 1) ΣΑΚΧΑΡΑ ή ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ

33

34 ΣΑΚΧΑΡΑ

35 ΣΑΚΧΑΡΑ Η αντίδραση δύο μονοσακχαριτών για τον σχηματισμό ενός δισακχαρίτη

36 ΣΑΚΧΑΡΑ

37 ΣΑΚΧΑΡΑ

38 ΣΑΚΧΑΡΑ

39 ΣΑΚΧΑΡΑ Η δομή της γλυκόζης, ενός απλού σακχάρου Το μόριο της γλυκόζης μπορεί να αναπαρασταθεί με αρκετούς τρόπους

40 ΣΑΚΧΑΡΑ

41 ΣΑΚΧΑΡΑ ΓΛΥΚΟΖΗ και ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η γλυκόζη είναι ένας μονοσακχαρίτης που χρησιμοποιείται σαν πηγή ενέργειας στα κύτταρα Τα κύτταρα χρησιμοποιούν απλούς πολυσακχαρίτες που αποτελούνται μόνο από μονάδες γλυκόζης Γλυκογόνο στα ζώα Άμυλο στα φυτά ΓΛΥΚΟΖΗ και μηχανική στήριξη Κυτταρίνη- πολυσακχαρίτης της γλυκόζης Χιτίνη εξωσκελετός των εντόμων και κυτταρικό τοίχωμα μυκήτων Χόνδρος-βλέννα-γλοία (πολυσακχαρίτες άλλων ειδών)

42 ΣΑΚΧΑΡΑ

43 ΣΑΚΧΑΡΑ

44 2) ΛΙΠΙΔΙΑ

45 ΛΙΠΙΔΙΑ

46 ΛΙΠΙΔΙΑ

47 ΛΙΠΙΔΙΑ

48 ΛΙΠΙΔΙΑ

49 ΛΙΠΙΔΙΑ

50 Φωσφολιπίδια: πολλαπλή κατανομή

51 ΛΙΠΙΔΙΑ

52 ΛΙΠΙΔΙΑ

53 ΛΙΠΙΔΙΑ

54 3) ΑΜΙΝΟΞΕΑ - ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

55 ΑΜΙΝΟΞΕΑ - ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

56 ΑΜΙΝΟΞΕΑ - ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

57 ΑΜΙΝΟΞΕΑ - ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

58 ΑΜΙΝΟΞΕΑ - ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

59 4) Νουκλεοτίδια DNA - RNA ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΟ= ΣΑΚΧΑΡΟ + ΒΑΣΗ + ΦΩΣΦΟΡΙΚΟ ΟΞΥ

60 Νουκλεοτίδια DNA - RNA

61 Νουκλεοτίδια DNA - RNA

62 Νουκλεοτίδια DNA - RNA

63 ΝΟΥΚΛΕΪΝΙΚΑ ΟΞΕΑ Τα νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους με φωσφοδιεστερικούς δεσμούς ανάμεσα στο 5 και στο 3 άτομο άνθρακα και σχηματίζουν τα νουκλεϊνικά οξέα

64 Το μόριο του ΑΤΡ-το ενεργειακό νόμισμα του κυττάρου Τα νουκλεοτίδια μπορεί να λειτουργήσουν σαν βραχυπρόθεσμοι φορείς χημικής ενέργειας

65 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΤΑΛΥΣΗ ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ Βασικές αρχές Βιοχημείας

66 ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΒΙΟΧΗΜΙΚΕΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΤΑ ΑΤΟΜΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΝΑΚΥΚΛΩΝΟΝΤΑΙ ΣΥΝΕΧΩΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗ ΒΙΟΣΦΑΙΡΑ

67 Οι ζωντανοί οργανισμοί επιβιώνουν χάρη στη συνεχή παροχή ενέργειας Ένα μέρος αυτής της ενέργειας χρησιμοποιείται για την εκτέλεση ζωτικών λειτουργιών πχ συντήρηση, αύξηση, αναπαραγωγή ενώ το υπόλοιπο χάνεται υπό μορφή θερμότητας Βιοχημικές μετατροπές

68 ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Το σύνολο των χιλιάδων χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στα κύτταρα και που τα βοηθούν να αυξάνονται, να κινούνται, να διατηρούν σταθερή την κατάσταση τους, να επιδιορθώνουν τις βλάβες τους, να αναπαράγονται και να αντιδρούν σε ερεθίσματα. Κατά τον μεταβολισμό συμβαίνουν χημικές και ενεργειακές μετατροπές. ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Οι χημικές ενώσεις των τροφών διασπώνται σε μικρότερα μόρια δημιουργώντας χρήσιμες μορφές ενέργειας για το κύτταρο όσο και μικρά μόρια που χρειάζεται το κύτταρο σαν δομικούς λίθους ΑΝΑΒΟΛΙΣΜΟΣ Οι αναβολικές ή βιοσυνθετικές οδοί χρησιμοποιούν την ενέργεια που αποδίδεται από τον καταβολισμό για την σύνθεση πολλών άλλων μορίων τα οποία απαρτίζουν το κύτταρο.

69 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ

70 ΜΕΤΑΒΟΛΙΚΕΣ ΟΔΟΙ Καθεμιά από τις εκατοντάδες χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν σ ένα κύτταρο καταλύεται από ένα ειδικό ένζυμο. Πολλά διαφορετικά ένζυμα λειτουργούν διαδοχικά και σχηματίζουν μακριές αλυσίδες αντιδράσεων που αναφέρονται ως Μεταβολικές οδοί Κάθε μεταβολική οδός επιτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία μέσα στο κύτταρο

71

72 Τα κύτταρα αποκτούν ενέργεια από την οξείδωση οργανικών μορίων Ενέργεια: Ικανότητα επιτέλεσης ενός έργου Μορφές Ενέργειας Κινητική: η ενέργεια που περικλείει ένα κινούμενο σώμα Δυναμική: η ενέργεια που περικλείει ένα ακίνητο σώμα λόγω της θέσης του Άλλες μορφές ενέργειας: Θερμότητα, Ηλεκτρική, Φωτεινή, Χημική κλπ Το περισσότερο βιολογικό έργο αφορά μετατροπή της δυναμικής ενέργειας (χημική ενέργεια των δεσμών) σε κινητική ενέργεια

73 ΠΙΘΑΝΟΙ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

74 Θερμοδυναμική 1 ος νόμος της Θερμοδυναμικής Το ολικό ποσό της ενέργειας στο Σύμπαν παραμένει σταθερό. Η ενέργεια ούτε καταστρέφεται ούτε δημιουργείται από το μηδέν. Μετατρέπεται από μια μορφή ενέργειας σε μια άλλη μορφή 2 ος νόμος της Θερμοδυναμικής Αφορά την μετατροπή της δυναμικής ενέργειας σε θερμότητα. Η αταξία του Σύμπαντος διαρκώς αυξάνεται Το μέτρο της αταξίας του Σύμπαντος ονομάζεται Εντροπία Η Εντροπία του Σύμπαντος διαρκώς αυξάνεται Μια ατελείωτη τάση για αποδιοργάνωση

75

76 ΤΑ ΖΩΝΤΑΝΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΔΕΝ ΑΨΗΦΟΥΝ ΤΟΝ 2 Ο ΝΟΜΟ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ

77

78 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΣ ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΔΥΝΑΜΙΚΗ Μια χημική αντίδραση πραγματοποιείται γιατί τα μόρια βρίσκονται σε συνεχή κίνηση (κινητική ενέργεια)

79 Ελεύθερη ενέργεια και οι μεταβολές της

80 ΑΥΘΟΡΜΗΤΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ

81 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι μόνες χημικές αντιδράσεις που μπορούν να πραγματοποιηθούν είναι εκείνες που αυξάνουν το συνολικό βαθμό της αταξίας του Σύμπαντος. Η μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας ΔG μιας αντίδρασης, είναι το μέτρο αυτής της αταξίας. Προκειμένου να εξελιχθεί αυθόρμητα μια αντίδραση, η τιμή της ΔG πρέπει να είναι αρνητική

82 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ Ενέργεια ενεργοποίησης (Εα) είναι η ελάχιστη κινητική ενέργεια που πρέπει να έχουν τα συγκρουόμενα μόρια (αντιδρώντα) ώστε η σύγκρουση τους να είναι αποτελεσματική και να παραχθούν νέα μόρια (προϊόντα) Η τιμή της Εα εξαρτάται από την φύση των αντιδρώντων σωμάτων Για να πραγματοποιηθεί μια χημική αντίδραση πρέπει να ξεπεραστεί το Ενεργειακό Φράγμα (Εα)

83 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΗΣ

84 ΕΝΖΥΜΑ Τα ένζυμα είναι μεγαλομοριακές ενώσεις πρωτεϊνικής φύσης που δρούν καταλυτικά μειώνουν την ενέργεια ενεργοποίησηςσε βιοχημικές αντιδράσεις στους ζώντες οργανισμούς ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΕΝΖΥΜΩΝ Πολύπλοκη δομή Μεγάλη εξειδίκευση Ορισμένα ένζυμα έχουν απόλυτη εξειδίκευση σχέση κλειδιού- κλειδαριάς και καταλύουν αποκλειστικά μία αντίδραση Η δράση τους επηρεάζεται από την θερμοκρασία και το ph Τα ένζυμα αδρανοποιούνται σε θερμοκρασίες άνω των 50 0 C

85 ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΕΝΖΥΜΩΝ Θεωρία των ενδιάμεσων προϊόντων Θεωρία προσρόφησης Η σύνδεση αντιδρώντος ενζύμου πραγματοποιείται στο Ενεργό κέντρο του ενζύμου Στα σημεία προσρόφησης αυξάνεται η συγκέντρωση των αντιδρώντων διασπώνται οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων και αποκτούν τον κατάλληλο προσανατολισμό έτσι ώστε να αντιδράσουν μεταξύ τους

86 Τα ένζυμα χαμηλώνουν το ενεργειακό δυναμικό (ΔG) που αποτρέπει να πραγματοποιηθεί μια αντίδραση

87 Τα ένζυμα μετατρέπουν τα υποστρώματα σε προϊόντα χωρίς αυτά τα ίδια να μεταβάλλονται Αλληλουχία διεργασίας Σύνδεση ενεργού κέντρου ενζύμου-υποστρώματος Σχηματισμός συμπλόκου ενζύμου προϊόντος Απομάκρυνση προϊόντος απελευθέρωση ενζύμου Επανάληψη διεργασίας με νέο υπόστρωμα

88 Μόριο ΑΤΡ Φορέας ενέργειας και φωσφορικών με αλληλομετατροπή σε ADP

89

90 (συνέχεια)

91 Κυριότερα συνένζυμα και μεταφερόμενες ομάδες

92 Συμπεράσματα Κάθε κύτταρο αποτελείται από μικρότερα ή μεγαλύτερα μόρια, η βιοσύνθεση των οποίων επιτελείται με την βοήθεια ενζύμων και συνενζύμων