Organismide keemiline koostis. Tiina Kapten

Transcript

1 Organismide keemiline koostis Tiina Kapten

2 Milliseid keemilisi elemente on kõige rohkem? Hapnik, süsinik, vesinik. Ka lämmastik, fosfor, väävel (kokku CHNOPS = 98%). Neid, mida leidub väga vähe, nimetatakse mikroelementideks Cu, Zn, I, F jne. Millised ained on rakkude koostises? orgaanilised ained - 18% anorgaanilised ained - 82% (peamiselt vesi)

3 Organismide keemiline koostis Organismide koostisest on leitud erinevat elementi. Enamusi elemente leidub väga väheses hulgas ja nende ülesannet ei teata. Elusorganismide talitlusteks hädavajalik miinimum on 27 keemilist elementi ehk bioelemendid.

4 Elemendid organismis Makroelemendid % organismi elementidest: C; H; O; N; P; S Mesoelemendid katioonid: Na; K; Mg; Ca ja anioonid: Cl Mikroelemendid Vaja väga väikestes kogustes: Fe, As, Br, Sn, Si, Se, Cr, Fl, Ni, V, Mo, I, Co, Mn, Zn, Cu

5 Keemilised ained rakus Anorgaanilised ained Orgaanilised ained Vesi ~80% Soolad (ioonidena) Valgud ~14% Süsivesikud Lipiidid Nukleiinhapped

6 Makroelemendid Hapnik - O 70 kg kohta umbes 43 kg toiduga ja hingamisel Peamiselt vee koostises, samuti biomolekulide koostises, kindlustab toitainete lõhustumise ja hingamise.

7 Makroelemendid Süsinik - C 70 kg kohta umbes 16 kg toiduga. Kuulub biomolekulide koostisesse, moodustab keemilisi sidemeid, CO2 on fotosünteesi lähteaine, hingamise ja käärimise lõpp-produkt.

8 Makroelemendid Vesinik - H 70 kg kohta umbes 7 kg joogiveega Biomolekulide koostises, vee kooseisus, vajalik vesiniksidemete moodustamisel

9 Makroelemendid Lämmastik N 70 kg kohta umbes 1,8 kg Aminohapete ja nukleiinhapete koostises.

10 Makroelemendid Fosfor P 70 kg kohta umbes 780 g Rakumembraani ehituses, nukleiinhapete koostises, energiarikaste ühendite nt. ATP koostises

11

12 Makroelemendid Väävel S 70 kg kohta umbes 140 g Leidub osades aminohapetes ja vitamiinides

13

14 Mesoelemendid Naatrium Na 70 kg kohta umbes 100 g Kaalium K 70 kg kohta umbes 140 g Kaalium peamiselt rakusisene ja naatrium rakuväline element. Osalevad närviimpulsi moodustumises, veebilansi hoidmises, veres, raku tsütoplasmas, transpordiprotsessid raku tasandil.

15

16

17 Mesoelemendid (järg) Kaltsium Ca 70 kg kohta umbes 1 kg Luu- ja kõhrkoe koostises, vere hüübimine, lihastes (krampide vältimiseks), reguleerib vee hulka organismis. Magneesium Mg 70 kg kohta umbes 19 g Klorofülli, luude, rakukesta koostises, närvisüsteemi talitluseks.

18

19

20 Mesoelemendid (järg) Kloor Cl 70 kg kohta umbes 95 g Närviimpulsside teke ja levik, mao soolhappe sünteesiks. Kloori leidub: keedusoolas (NaCl)

21 Mikroelemendid Raud Fe Seob O2 hemoglobiini koostises, rauaühend heem annab verele punase värvuse. Jood I Vajalik kilpnäärme hormoonide nt türoksiini sünteesiks. Joodi puudusel kujuneb välja kilpnäärme haigus struuma. Väikelaste kasv ja vaimne areng, juuste, küünte ja naha seisund.

22 Mikroelemendid

23

24 Anorgaanilised ained 1. VESI 65% 95% (98%) Miks on vett nii palju? Millised on vee omadused? Hea lahusti, seega ainuvõimalik reaktsioonide toimumise keskkond. Osaleb ise reaktsioonides. Näited? Suure soojusmahtuvusega hoiab organismide temperatuuri. Ainete transportija nii raku siseselt kui organismi tasandil. Raku siserõhk

25 Vee tähtsus organismis Inimkehas on vett umbes 70%, vananedes organismide veesisaldus väheneb Inimese veebilanssi aitab säilitada janutunne On suure soojusmahtuvusega (hoiab organismisisest püsivat temperatuuri); Hoiab ära ülekuumenemise (loomad higistavad, taimedel toimub transpiratsioon õhulõhede kaudu); Kindlustab organismide ringeelundkondade töö (veri, lümf); Kaitsefunktsioon nt pisarad, liigesed, sülg, loode areneb vesikeskkonnas

26 Kuidas organism vett saab? Peamiselt toidu ja joogiga. Metaboolne vesi vabaneb ainevahetuse käigus Kaamel suudab pikka aega olla joomata, kuna küürudes sisalduvate rasvade metabolismi tulemusel vabaneb vesi.

27 Vee tähtsus rakus On hea lahusti vees lahustub rohkem aineid, kui üheski teises lahustis. hüdrofiilsed ained lahustuvad vees nt glükoos ja keedusool hüdrofoobsed ained ei lahustu vees nt rasvad ja õlid Osaleb paljudes keemilistes reaktsioonides (lähteainena nt fotosünteesil, lõpp-produktina). 6CO H 2 O = C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2

28 Kindlustab rakkude ja kudede mahtuvuse tagab siserõhu ehk turgori. Organismi veesisalduse ja rakkude siserõhu vähenemisel taimed närtsivad, inimese nahale tekivad kortsud.

29 Katioonid organismides K- ja Na-ioonid: rakurõhu reguleerimine närviimpulsi moodustumisel, füsioloogiline lahus? Ca-ioonid: luudele tugevus.d-vitamiin? Vanadus? Osteoporoos. NH 4 -ioonid: valkude laguproduktina välja. Mg-ioonid : klorofülli koostises, nukleiinhapete tegevuses Fe-ioonid: hemoglobiini koostises.

30 Rakurõhk ehk turgor on reguleeritud K- ja Na-ioonidega Hüpertoonilises lahuses on soolade kontsentratsioon kõrgem kui rakus

31 Rakurõhk ehk turgor sõltub vee hulgast rakus, mis omakorda sõltub ümbritseva keskkonna soolsusest hüpertoonilises isotoonilises hüpotoonilises (soolases) lahuses lahuses (magedas) lahuses

32 Füsioloogiline lahus Füsiloogiline lahus on 0,9% NaCl lahus Na-, K-ioonide tasakaalu taastamine toob teadvusele, sest närviimpulss tekib ainult tänu neile.

33 Sünapsid Vaata sünapsis toimuvat: Sünaps on kahe neuroni ühinemise koht Ka sünapsis on vaja K- ja Na- ioone Sünapsis on põiekestes mediaatorid, mis vahendavad impulsi liikumist. Mediaatorid avavad ioonkanalid Na-ioonidele. Kui mediaatorit enam ei vajata, liiguvad nad tagasi

34 Ca-ioonid annavad luudele tugevuse. D-vitamiin?

35 Ca2+ tähtsus rakusiseses signalisatsioonis. Ca2+ konts. rakust väljas on > 10-3 M Vabade Ca2+ konts. jõudeolekus rakus M. Konts. tõus 10-5 M võimaldab mitmeid funktsioone: lihaskontraktsioon, neuronis ülekannete vabanemine. Kontsentratsiooni võib saavutada: Ioonkanalite avamine ja Ca2+ sissevool rakku Rakusisese Ca2+ vabastamine spetsiaalsetest kompartmentidest 1) Ca2+ kanalite avanemine, gradient tsütosooli suunas 2) Ca2+ konts. tõus. madal konts. rakus saavutatakse väljapumpamise teel 3) Ca2+ tundlike mehhanismide aktiveerimine - leitud 2, funktsioonide hulgas on sekretsioon ja raku kasv. Ca2+ + kalmoduliin proteiinkinaas C 1)) plasmamembraani depolarisatsioon 2)) Ca2+ sissevool närvilõpmetesse 3)) neurotransmitteri sekretsioon Kasutusel praktiliselt kõigis eukarüootsetes rakkudes 1)) ligand seostub retseptoriga 2)) rakusisesed ülekandeained (IP3) 3)) Ca2+ vabastamine

36

37 Rahhiit - kaltsiumi ei ole piisavalt luudesse jõudnud, laste luud on pehmed ja ei kanna keharaskust.

38 D-vitamiin viib Ca-ioonid rakkudesse. Kas solaariumis saame D-vitamiini?

39 Ca-ioonid on vajalikud neuromuskulaarses sünapsis

40

41 Raua-ioon sisaldab hemoglobiini Vaata hapniku transporti ja hemoglobiini seostumist hapnikuga 3 min.

42 Magneesiumi-iooni sisaldab klorofüll

43 Kloroplasti koostisaine on klorofüll

44 Ammooniumi-ioonid tekivad valkude lagundamisel, mürgised organismile, muudetakse uureaks ehk kusiaineks, mis väljub uriiniga.

45 Anioonid organismides Karbonaatioonid: HCO3 nende kujul kandub CO2 kehast välja. Hüdroksiidioonid: OH- tagavad rakusisese ph Fosfaatioonid: HPO4-2 ja H2PO4- nukleiinhapete ja fosfolipiidide koostises Kloriidioonid: Cl - tagavad osmootse rõhu Joodiioonid: I- kilpnäärme hormooni koostises Kuidas inimene saab mineraalaineid? ph? (Mineraalveest)

46 Fosfaadid on fosfolipiidide koostises kõikides membraanides

47 Jood (mikroelemendi näide) on vajalik kilpnäärme hormooni moodustumiseks Kilpnääre reguleerib ainevahetuse kiirust.

48 ORGAANILISED AINED ehk BIOMOLEKULID RAKKUDES Mis iseloomustab orgaanilist ainet? Sisaldavad alati süsinikku (C) Süsinik on seotud nelja kovalentse sidemega Tekivad organismides Sisaldavad rakkudele kättesaadavat energiat. Süsivesikud, lipiidid, valgud, nukleiinhapped. (Bioaktiivsed ained on vitamiinid, hormoonid, antibiootikumid, mürgid.)

49 Süsivesikud ehk sahhariidid Süsivesik on orgaaniline ühend, mis sisaldab süsinikku, vesinikku ja hapnikku. Loomad kasutavad toidus olevaid süsivesikuid nagu suhkur ja tärklis, energiaallikana. Taimed valmistavad oma elutegevuseks vajalikke süsivesikuid ise.

50

51 Monosahhariidid üksikmolekulid, milles on 3-6 süsiniku aatomit glükoos, fruktoos C 6 H 12 O 6, riboos, desoksüriboos C 5 H 10 O 5 lahustuvad vees (hüdrofiilsed)

52 Näiteid

53 Taimedes moodustub glükoos fotosünteesi käigus ja tihti talletatakse see tärklisena. Loomad saavad glükoosi toiduga nt tärklise lõhustamisel seedeelundkonnas Glükoos on ainus kütus ajukoe (aju kasutab ööpäevas g glükoosi) erütrotsüütide, silma võrkkesta, spermide jaoks. Glükoosi vesilahuse tarbimine on kõige kiirem energia saamise viis. Lahuses tarbitud glükoos ei mõjuta seede-kulgla vedelike osmolaarsust. Kuivalt tarbitud glükoos on vaja seedenõredes lahjendada. Hüperosmolaarne jook tõmbab ümbritsevatest kudedest vee välja tekib loksuva kõhu sündroom. Glükoosijoogi tarbimise efekt 10 min. Kui liiga palju või liiga kange, tekib tugev insuliinivastus ja veresuhkru tase viiakse alla. Pikkadel vastupidavusaladel tarbida "aeglaseid" süsivesikuid n.o. tärkliserikkad toiduained kuivatatud kartulipuder, kus ka kiudained.

54 Oligosahhariidid Koosnevad kahest-kolmest monosahhariidist. Kahest monosahhariidist koosnevaid sahhariide nimetatakse ka disahhariidid. lahustuvad vees (hüdrofiilsed) enamasti magusa maitsega sahharoos ehk suhkur - (tavaline lauasuhkur), mida on rohkelt suhkruroos ja suhkrupeedis.

55

56 o o o o o Enne 16 sajandit vajas inimene Euroopas terve elu jooksul näputäit suhkrut 17. saj. 0,5 tonni suhkrut =1 elu, Euroopasse veeti sisse 12 miljonit tonni suhkrut, mistõttu pidi umbes samapalju musti orje oma elu andma. 18. saj. 1 tonn suhkrut = 1 elu 21. saj. ainsateks orjadeks, kes oma elu annavad on suhkrusõltlased. Euroopasse veetakse 100x rohkem suhkrut, kui 17ndal sajandil. Üle poole üle Atlandi viidud suhkrust läks alla brittide kõrist või lekkis merre, suhkur läks neile maksma 5-6 miljonit naelsterlingut aastas, mis asendas nisu, mis oleks maksma läinud mitte rohkem, kui naelsterlingut aasta kohta, see on mitte ainult sõltuvuse, vaid rikutuse hind. Lisaks illegaalselt sisse veetud mustanahalistele orjadele viidi suhkrurooistandustesse tööle umbes Hiinlast, kes olid mustadest vähe sitkemad, siis suri teel neist vaid 11-12%, ellu jäi neist siiski peale orjapõlve vaid vähem kui 25% ja tagasi Hiinasse oli võimalik pääseda vaid vähem, kui 1%-l.

57 Suhkur on peale narkootikume, tubakat ja alkoholi kõige hävitavam sõltuvusaine. Suurtes kogustes puhta sahharoosi tarbimine tekitab muutusi kogu kehas. Valge suhkru sõltlased muutuvad tüsedaks, neil on hambahaigused ja väärtoitumisprobleemid, tõeline suhkrusõltlane ei tule tundigi toime suhkruta. Juba 1801a. suri suhkrusõltuvusse rohkem inimesi, kui praegu narkootikumide sõltuvusse

58 Veel näiteid... Laktoos on imetajatel toiduks järglastele Idanevad seemned sisaldavad suurel hulgal maltoosi. Õlle ja viski valmistamisel kasutatakse maltoosi sisaldavaid linnaseid (idandatud teravilja nt odra seemned).

59 Polüsahhariidid koosnevad paljudest monosahhariidide jääkidest tärklis tselluloos kitiin ei lahustu vees (hüdrofiilsed)

60 1. Tärklis energia varuaine taimedes (teraviljades, kartulimugulas, sibulas, risoomis). Tärklis on polümeer, mille koostises on tuhandeid glükoosijääke. Tärklise molekulmass on ligi 1 miljon. Kui me sööme tärklist, lagundab sooltoru amülaas selle glükoosiks. Glükoos läheb verre.

61 Kõikide taimeraku kestade peamine koostisosa. 2. Tselluloos koosneb samuti glükoosi molekulidest (glükoosijääkidest) Puidurakkudes on eriti paksud kestad. Kui vaatame metsa, näeme tselluloosi, mis kõik koosneb glükoosist

62

63 Tselluloosimolekuli ahelate vahel on tugevamad sidemed Meie ei lagunda tselluloosi, kuid ta stimuleerib soole peristaltikat. (Soole seina retseptorid tunnevad ära polümeersed süsivesikud ) Sõralised, kabjalised? Miks jänes sööb vahest oma pabulaid? Miks on hamburger, friikartul, saiakesed vale toit? Miks tume leib parandab seedimist?

64 Kitiin - Koosneb lämmastikku sisaldavast suhkrust. Lülijalgsete toeses ja seente rakukestades.

65 Glükogeen talletatakse maksas ja lihastes Koosneb samuti glükoosijääkidest. Glükogeeni lõhustab glükoosiks tagasi glükagoon. Glükoos läheb verre. Nii saame energiat ka siis, kui ei ole mitu tundi söönud. Mida treenitum organism, seda suurem glükogeeni varu lihastesse salvestub. Tippsportlane salvestab kuni 2x rohkem glükogeeni, millest jätkubkunitunnisekspingutuseks kg kaaluval inimesl on glükogeeni g maksas ja lihastes g. Kõikumine sõltub lihasmassist, treenitusest, üldisest toitumusest ja hetke toitumisest Üldisest varust katavad süsivesikud kuni 2% so. Vähem kui 2000 kcal Ööpäevane vajadus 22 kcal iga kehakaalu kilogrammi kohta

66 Süsivesikute ülesanded Energeetiline funktsioon - Süsivesikud on organismi esmaseks energiaallikaks. Ligikaudu 60% energiast saadakse süsivesikute lõhustumisel.1g süsivesikute oksüdatsioonil vabaneb 17,6 kj energiat so umbes 4 kcal.normaalne veresuhkur on tühja kõhuga kuni 5,5 mmol/l. Ehitusmaterjal (riboos ja desoksüriboos nukleiinhapetes, tselluloos taimedel, kitiin lülijalgsetel) Varuaine (tärklis taimedel, glükogeen loomadel/inimesel) Ligimeelitamine (õienektar) Kaitsefunktsioon (suhkur alandab külmumistemperatuuri, rakkudes tsütoplasma ei külmu) Toit ( imetajate piimasuhkur) Biosünteetiline (muutuvad lipiidideks jt org. aineteks) Bioregulatoorne (Süsivesikud ja valgud kuuluvad hormoonide koostisesse)

67 Inimese päevasest toiduenergiast peaksid süsivesikud moodustama 50-60%. Kunstlikud magusained: sahhariin, ksülitool, sorbitool, aspartaam, atsesulfaam K, tsüklamaat. Toidus peaks olema 75-85% taimseid tooteid. Millised probleemid tekivad vegetaarlasel? Valgud, vitamiinid D, B 12 ; Ca, Fe, Zn? seedehäired?

68 Kuidas süüa? Tuleb süüa "aeglaseid süsivesikuid" - täisterviljad, kaunviljad, kartulid, marjad, ploomid. Kroomi sisaldavad preparaadid aitavad maha võtta veresuhkru kõikumisi. Suhkrud tõstavad insuliini taseme kiiresti ja tulemuseks on ka kiire glükogeeni teke ning varsti on taas tühja kõhu tunne. Kui ennast kommidega, saiakestega turgutame, kujuneb välja hüperinsuleenik - noorena kõhn, hiljem kogunevad kümned kilod ja II tüübi diabeet.

69 Ööpäevane energiavajadus a. tütarlaps 2300 kcal a. noormees 3700 kcal Aktiivne naine 2350 kcal Aktiivne mees kcal Keskmise aktiivsusega naine kcal Keskmise aktiivsusega mees kcal Üle 55-aastased mehed alla 2350 kcal Koosta päevamenüü vastavalt energiavajadusele,arvestades vajalike toitainete, vitamiinide vajadust: Tipp-füüsilist koormust taluvad mägijalgratturid suudavad kasutada kcal.

70 Süsivesikute sisaldus 100 grammis toiduaines:

71 Lipiidid koosnevad glütseroolist ja 3 rasvhappe jäägist Veest kergemad ja hüdrofoobsed rasvad õlid

72 LIHTLIPIIDID Molekuli kuju:

73 Rasvad ja õlid Loomadel on peamiselt küllastatud rasvhapped - tahked rasvad (nt seapekk), kus süsiniku aatomite vahel on üksiksidemed. Talletatakse rakkudes ja kasutatakse energiaallikana Taimedel on peamiselt küllastumata rasvhapped enamasti vedelas olekus (õlid), kus süsiniku aatomite vahel kaksiksidemed. Õli seemnetes raps, kanep Õli viljades oliivid, pähklid Taimedes energiaallikaks ning seemnetes varuaineks.

74

75 Steroidid keerulise ehitusega molekulid, hüdrofoobsed D-vitamiin, mõned hormoonid (adrenaliin), kolesterool Liitlipiidid (fosfolipiid) koosnevad lipiidist ja mõnest muust molekulist

76 Fosfolipiidid moodustavad kahekihilise struktuuri - membraani

77 Rakumenbraani ehitus

78 Vahad koosnevad lihtsamast alkoholist ja 1 rasvhappest, hüdrofoobsed Tahked ja vastupidavad teiste keemiliste ainete toimele. Taimsed vahad on nt puuviljadel, okastel ning täidavad kaitse funktsiooni; Loomsed vahad on nt mesilasvaha (mesilaste kärjed); vill on kaetud pehme loomse vahaga (lanoliin).

79 Lipiidide ülesanded

80 Varuaine (talvine rasvakiht, seemnetes õli) Kaitseaine nahaalune rasvakiht hoiab kehatemperatuuri siseelundite ümber olev rasvakiht kaitseb põrutuste eest Rasvkoes võivad talletuda kehavõõrad ained (mürgid). Lahusti (õlid lahustavad vitamiine - D, E jt) Metaboolse vee teke - lipiidide lõplikul lõhustumisel moodustuvad vesi ja süsihappegaas. (Omane kõrbeloomadele nagu kaamel või koile, kes üldse ei joo) Ehitusmaterjal (fosfolipiidid rakumembraanides, vahad jt) Regulaatorained (D-vitamiin, hormoonid)

81 Päevasest toiduenergiast peaks olema 25-30% rasvad. Rasvade varu meie kehas on ammendamatu - 75 kg kaaluval inimesel on rasva kg. 10 kg annab kcal! seda ei jõua keegi kulutada. Lagunevad ainult aeroobselt, seetõttu vajab rasvast energia kättesaamine rohkem hapnikku, kui süsivesikutest. Trennis alles min järel algab rasvade põletamine.poole tunni järel saadakse pool energiast rasvadest,üle tunni sporti, siis % Lipiidid on vajalikud ka rasvlahustuvate vitamiinide omastamiseks. Vajame nii küllastunud kui ka küllastumata rasvhappeid. Nendest eriti linool- ja α-linoleen-hapet, sest need on asendamatud. Kui need puuduvad pidevalt, tekivad neuroloogilised ja vereloome probleemid. Ülekuumutatud või seisnud rasvad sisaldavad kantserogeenseid ühendeid s.h. transrasvu - polüküllastumata rasvu, mis sisaldavad transisomeerseid rasvhappeid. Küllastumata rasva molekul sisaldab süsiniku aatomite vahel ühte või enamat kaksiksidet.

82 Valgud ehk proteiinid Koosnevad C,H,O,N,P On polümeerid mille monomeerideks on aminohapped Lihtvalgud koosnevad aminohappejääkidest nt munavalge. Liitvalgudkoosnevad valgulisest ja mittevalgulisest osast nt kromosoomid (nukleoproteiinid) ja hemoglobiin.

83

84 Erinevaid aminohappeid on 20 Miks saab olla nii palju erinevaid valke? Sest aminohapped on erinevas järjestuses ja neid on ka erinev arv valgumolekulis. Mis määrab valgu ülesande (töö)? Aminohappeline järjestus määrab valgu ülesande. Mis määrab aminohappelise järjestuse? DNA

85 Aminohappe üldvalem

86 Mõned aminohapped

87 Peptiidsideme moodustumine

88 Valgustruktuurid

89 Kõikidel valkudel on primaarstruktuur Selle aminohapete järjestuse järgi on näidatud valkude omadused. Aminohapped on ühendatud peptiidsidemetega.

90

91

92

93 Valgustruktuuri muutused Denaturatsioon Hävitatakse valgu kõrgemat järku struktuur. Juuste lokkimine, muna vahustamine või praadimine. Palavik denaturiseerib inimese kehas haigustekitajaid valke. Mehaanilisel teel Kõrge temperatuuriga Keemilisel teel Kiirguse toimel Renaturatsioon Kõrgemat järku struktuurid taastuvad. Nt juuste struktuuri taastumine peale lokki, vahustatud munavalge vedelaks muutumine.

94 Valkude ülesanded Ensümaatiline - ensüümid kiirendavad reaktsioone nt valk amülaas suus lagundab tärklist Struktuurne - rakumembraanide ehitus, karvad, küüned, suled, kabjad, sarved, viiruste kapslid Transport - Hemoglobiin transpordib hapnikku, membraanides valgulised transportijad Regulatoorne - Hormoonid (insuliin), histoonid osalevad geeni aktiivsuse regulatsioonis. Retseptoorne - Rakumembraani pinnaretseptorid annavad välissignaale edasi Liikumise - Algloomade viburid, ripsmed, lihaskoe valgud (aktiin, müosiin), mitoosi kääviniidid Varuaine - Munavalge, piim (kaseiin) Kaitse - Antikehad, verehüübimisvalgud, kattevalgud Toksiline - Putukate mürgid nt mesilased; madude mürgid (kesknärvisüsteem kobra). Valgu liigtarbimine kahjustab neerusid ja maksa, viib välja kaltsiumi. Energeetiline - Väga madal,1g valkude lõhustumisel vabaneb 17,6 kj energiat.