Στοιχεία Βιολογίας και Αρχές Βιοδιάβρωσης

ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ

Ορισμός της Βιολογίας Ορισμός έμβιων-άβιων Χαρακτηριστικά γνωρίσµατα των ζωντανών οργανισµών - Διάκριση από τα συστήµατα που χαρακτηρίζονται από το θάνατο ή/και τη µη ζωή. Θάνατος μη ζωή Σταδιακή µετάπτωση του οργανισµού στα πρωτογενή στοιχεία από τα οποία αποτελείται, ώστε να φτάσει στο όριο της µη ζωής.

Ι. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΖΩΗΣ

Ζωντανός οργανισµός: ένα αυτοσυναρµολογούµενο, αυτορρυθµιζόµενο, αυτοαναπαραγόµενο ισοθερμικό ανοικτό σύστημα µορίων που λειτουργεί κάτω από την αρχή της µέγιστης οικονομίας.

Μεταβολισμός Το σύνολο των βιοχημικών διεργασιών που γίνονται στα κύτταρα ενός ζωικού ή φυτικού οργανισμού κατά τις οποίες 1. αποθηκεύεται ενέργεια (διαδικασία αναβολισμού - σύνθεση ουσιών) 2. απελευθερώνεται από τα βιομόρια ενέργεια (διαδικασία καταβολισμού διάσπαση ουσιών). Όλες οι μεταβολικές αντιδράσεις πραγματοποιούνται σε διάφορα χρονικά στάδια όπου δημιουργούνται ή διασπώνται βαθμιαία χημικές ενώσεις. Κάθε στάδιο της μεταβολικής οδού καταλύεται από διαφορετικό κάθε φορά ένζυμο, η δομή του οποίου κωδικοποιείται από συγκεκριμένο γονίδιο. Το τελικό προϊόν της διαδικασίας ονομάζεται μεταβολίτης.

Πιστότητα της αναπαραγωγής 3 βασικές αρχές: 1) αναπαραγωγή με δυο κύτταρα (ωάριο και σπερµατοζωάριο). 2) σταθερότητα της πληροφορίας (δοµική συµπληρωµατικότητα αλυσίδων DNA, γραµµικότητα της καταγραφής της πληροφορίας) 1) µετατροπή της γραµµικής πληροφορίας σε τρισδιάστατη πληροφορία (πρωτεϊνες).

ΙI. ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΗΣ ΖΩΗΣ

Big Bang (13,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν) Αρχέγονη σούπα (H2, NH4, CH4, H2O, ενέργεια) Πλανήτες (Η2:Ηe 3:1, Γη 4,5 δισ.χρόνια πριν) Ζωή (300 εκατομμύρια χρόνια πριν)

ΜΟΡΙΟ ΝΕΡΟΥ ΑΤΟΜΟ

Η ΙΕΡΑΡΧΙΑ ΤΩΝ ΒΙΟΜΟΡΙΩΝ ΠΡΟΔΡΟΜΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ (Μ.Β. 16-44) H 2, H 2 O, NH 3 και CH 4 CO και CO 2

Στο φλοιό της γης απαντώνται 92 χημικά στοιχεία. 27 είναι απαραίτητα για τη ζωή.

Τα επικρατέστερα (96%κ.Β): υδρογόνο, οξυγόνο και άζωτο Ιχνοστοιχεία (0,01%) Σημασία του νερού

Τα χημικά στοιχεία συγκροτούν μόρια Τα μόρια κυτταρικά οργανίδια Τα κυτταρικά οργανίδια κύτταρα Τα κύτταρα ιστούς Οι ιστοί όργανα Κάθε δομή μικρότερη από το κύτταρο (άτομα, μόρια, οργανίδια) ανήκει στην άβια ύλη. Τα συστήματα οργάνων οργανισμούς Οι οργανισμοί οικοσυστήματα

Όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από το ίδιο είδος χημικών μορίων, που υποδηλώνει την κοινή προέλευσή τους. Η έμβια και η άβια ύλη διέπονται από τους ίδιους φυσικοχημικούς νόμους.

Η δομή των συστατικών (του κυττάρου) εξυπηρετεί συγκεκριμένη λειτουργία. Στα διάφορα επίπεδα οργάνωσης εμφανίζονται νέες ιδιότητες που δεν υπήρχαν στο προηγούμενο, ούτε μπορούν να εξηγηθούν από τις ιδιότητες των επί μέρους συστατικών ή δομών τους. Σε κάθε περίπτωση τα βιομόρια χαρακτηρίζονται από σταθερότητα και ποικιλομορφία.

Η ζωή δημιουργήθηκε σε ένα περιβάλλον πολύ διαφορετικό από το σημερινό, σε μια αναγωγική ατμόσφαιρα με: σύσταση κυρίως H 2 S, ΝΗ 3, CO 2, CH 4, Ν 2 και Η 2 Ο (ηφαιστειακά αέρια) σε κατάσταση ατμών γύρω από τη σταδιακά ψυχόμενη διάπυρη γήινη μάζα θερμοκρασία πολύ ψηλότερη από τη σημερινή ισχυρή υπεριώδη ακτινοβολία, λόγω έλλειψης όζοντος.

Ηλικία γης: περίπου 5 δισεκατομμύρια έτη (τα πρώτα γνωστά απολιθώματα: ηλικία περίπου 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια). Οι πρώτες βιοτικές μορφές εμφανίστηκαν έπειτα από μεγάλο χρονικό διάστημα από την εμφάνιση του πλανήτη γη: στο πρώτο ενάμισι δισεκατομμύριο έτη η γη σταδιακά ψύχθηκε και στη συνέχεια άρχισε η διαδικασία οργάνωσης των ζωντανών οργανισμών, οπότε δόθηκε ο χρόνος ώστε απλές χημικές ενώσεις να μετατραπούν σταδιακά, κάτω από κατάλληλες συνθήκες, σε ολοένα και πιο πολύπλοκες βιολογικά σημαντικές ενώσεις.

Διάταξη δηµιουργίας αvαγωγικής ατµόσφαιρας

ΙΙΙ. ΔΟΜΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ

Η ζώσα και η µη ζώσα ύλη αποτελούνται από χηµικές ενώσεις: Στην άβια ύλη οι χηµικές ενώσεις παρουσιάζουν απλή οργάνωση. Στην έμβια ύλη οι πολύπλοκες ενώσεις από τις οποίες απαρτίζεται παρουσιάζουν συστηµατική οργάνωση. Η δοµική πολυπλοκότητα της έμβιας ύλης προκαθορίζει την ειδική λειτουργικότητα των επιµέρους στοιχείων της. Έχει την ικανότητα: 1. δέσμευσης ενέργειας από το περιβάλλον και μετατροπής της σε χρήσιµο έργο, 2. ακριβούς αναπαραγωγής. Σε αντίθεση, η άβια ύλη δεν παρουσιάζει λειτουργικότητα και άρα η απορρόφηση ενέργειας από αυτήν σηµαίνει αύξηση της αταξίας και του τυχαίου.

MAΚΡΟΜΟΡΙΑ Μονομερή Πολυμερή Συμπύκνωση Υδρόλυση

ΜΑΚΡΟΜΟΡΙΑ 1. Πρωτεΐνες 2. Υδατάνθρακες 3. Λιπίδια 4. Νουκλεϊκά οξέα

I. ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

Στερεοδομή των 20 αμινοξέων

Χημικοί τύποι των 20 αμινοξέων

ΑΠΟ ΤΑ ΑΜΙΝΟΞΕΑ ΣΤΑ ΠΕΠΤΙΔΙΑ ΑΜΙΝΟΞΥ ΑΜΙΝΟΞΥ ΔΙΠΕΠΤΙΔ Ο ΠΕΠΤΙΔΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΝΕΡΟ

Εννεαπεπτίδιο ωκυτοκίνη ή οξυτοκίνη

ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΕΙΣ ΔΟΜΕΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ Λυσοζύμη Αιμογλοβίνη Προσταγλαδίνη

ΤΕΤΑΡΤΟΤΑΓΕΙΣ ΔΟΜΕΣ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ

Δομή ινσουλίνης 2 αλυσίδες - 51 αμινοξέα - 418 άτομα 3 δισουλφιδικοί δεσμοί A-Cys7 ----B-Cys7 A-Cys20----B-Cys19 B-Cys6----B-Cys11

Δομή και αμινοξική ακολουθία της ινσουλίνης

ΜΕΜΒΡΑΝΙΚΗ ΠΡΩΤΕΪΝΗ Εξωκυτταρικό τμήμα πρωτεΐνης Ενδοκυτταρικ ό τμήμα πρωτεΐνης

ΕΙΔΗ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ και ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΔΟΜΙΚΕΣ Κολλαγόνο - ελαστίνη ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΦΕΡΟΥΣΕΣ ΑΜΥΝΤΙΚΕΣ ΣΥΣΤΑΛΤΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΕΣ ΟΡΜΟΝΙΚΕΣ ΕΝΖΥΜΙΚΕΣ Αιμοσφαιρίνη - μυοσφαιρίνη Αντισώματα - ινωδογόνο Μυοσίνη - ακτίνη Καζεΐνη - αλβουμίνη Ινσουλίνη - γλυκαγόνη Εξοκινάση RNA πολυμεράση

II. ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ

1953 Ο J. Watson και ο F. Crick ανακαλύπτουν τη δομή του DNA

Το ιστορικό μοντέλο του DNA των Watson & Crick

Το 1962 οι F. Crick, J. Watson και M. Wilkins παίρνουν το βραβείο Nobel για την ανακάλυψη της δομής του DNA Francis Crick James Watson Maurice Wilkins

ΤΑ ΣΑΚΧΑΡΑ ΤΩΝ ΝΟΥΚΛΕΪΚΩΝ ΟΞΕΩΝ

πουρίνες πυριμιδίνες

Αδενίνη Γουανίνη Κυτοσίνη Θυμίνη A - T (2 δεσμοί Η) C - G (3 δεσμοί Η)

ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΑ

ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΑ Βάσεις Νουκλεοτίδια Adenine (A) damp dadp datp DNA Guanine (G) dgmp dgdp dgtp Cytosine (C) dcmp dcdp dctp Thymine (T) dtmp dtdp dttp Adenine (A) AMP ADP ATP RNA Guanine (G) GMP GDP GTP Cytosine (C) CMP CDP CTP Uracil (U) UMP UDP UTP

Τμήμα αλυσίδας DNA

DNA (σχηματικά)

Η ΧΗΜΕΙΑ ΤΟΥ DNA

DNA (Διπλή έλικα)

DNA (στο χώρο)

DNA (διάφορα μοντέλα)

Δεσμοί υδρογόνου Λεπτομερής δομή του Transfer RNA

Δομή και σχήμα του Transfer RNA

III. ΥΔΑΤΑΝΘΡΑΚΕΣ

ΜΟΝΟΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ (3-C σάκχαρα) (5-C σάκχαρα)

Γλυκόζη (6-C σάκχαρα)

(6-C σάκχαρα)

ΔΙΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ: Σχηματισμός μαλτόζης από δύο μόρια γλυκόζης με απόσπαση ενός μορίου νερού

ΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ

ΔΙΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ Μαλτόζη = γλυκόζη+γλυκόζη Σακχαρόζη = λυκόζη+φρουκτόζη Λακτόζη = γλυκόζη+γαλακτόζη ΠΟΛΥΣΑΚΧΑΡΙΤΕΣ Κυτταρίνη >από 10.000 μόρια γλυκόζης σε ευθείες αλυσίδες Άμυλο >από 10.000 μόρια γλυκόζης σε σπειροειδή και διακλαδισμένη αλυσίδα Γλυκογόνο μόρια γλυκόζης σε διακλαδισμένες αλυσίδες

IV. ΛΙΠΙΔΙΑ

Τα λίπη μπορεί να είναι κορεσμένα ή ακόρεστα

ΟΥΔΕΤΕΡΑ ΛΙΠΗ 3 Λιπαρά οξέα + Γλυκερόλη

ΦΩΣΦΟΛΙΠΙΔΙΑ (λεκιθίνη) 2 Λιπαρά οξέα + Γλυκερόλη + Φωσφορικό οξύ + Πολικό μόριο

ΣΤΕΡΟΕΙΔΗ

Βλέπουµε ότι όλα τα πολυµερή έχουν τους ίδιους βασικούς δοµικούς λίθους.

Όλα τα νουκλεϊνικά οξέα αποτελούν πολυµερείς ενώσεις των µονονουκλεοτιδίων που προέρχονται από τις πέντε αζωτούχες βάσεις (αδενίνη-θυµίνηκυτοσίνη-γουανίνη-ουρακίλη). Όλες οι πρωτεΐνες αποτελούν πολυµερείς ενώσεις των 20 βασικών γνωστών αµινοξέων. Τα πολυµερή αυτά µόρια παρουσιάζουν τεράστια ποικιλία µορφών στην αλληλοδιαδοχή των µονοµερών τους, µε αποτέλεσµα τη δυνατότητα της συγκρότησης και µεταφοράς πληροφοριών, που είναι πολύ χρήσιµες στην οργάνωση των ζωντανών όντων.

Τα πολυµερή των πολυσακχαριτών και των λιπιδίων, παρόλο που προέρχονται από τον πολυµερισµό απλών σακχάρων και λιπαρών οξέων, δεν παρουσιάζουν ποικιλοµορφία στη διάταξη των µονοµερών τους και έτσι αποτελούν στους οργανισµούς µέρος των δοµικών συστατικών τους και κυρίως καύσιµα µόρια.

ΙV. ΟΡΓΑΝΩΣΗ THΣ ΖΩΗΣ

Οι ζωντανοί οργανισµοί ξεκίνησαν από απλές χηµικές ενώσεις (CO 2, Η 2 Ο, ΝΗ 3 και Ν 2 ) και σταδιακά σχηµατίστηκαν όλο και πιο πολύπλοκα συστήµατα. Μπορούµε, λοιπόν, να δούµε ένα βασικό σχήµα οργάνωσης για κάθε ζωντανό οργανισµό, ανεξάρτητα από τη βαθµίδα της εξέλιξης και της πολυπλοκότητάς του.

Επομένως, όλοι οι οργανισµοί, ανώτεροι ή κατώτεροι, ανεξάρτητα από το επίπεδο εξέλιξής τους και τη χρονική στιγμή της εµφάνισής τους στη γη, µπορούν εύκολα να µελετηθούν, δεδομένου ότι έχουν κοινό παρονοµαστή οργάνωσης (κοινά συστατικά στοιχεία).

V. ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ

Επειδή σε έναν οργανισμό όλες οι χημικές αντιδράσεις γίνονται σε περιβάλλον που έχει σταθερή ενέργεια, απουσία των ενζυμικών συμπλεγμάτων άλλες αντιδράσεις θα γίνονταν αυτόματα και η παραγόμενη ενέργεια θα χανόταν στο περιβάλλον υπό μορφή θερμότητας, ενώ άλλες ή θα απαιτούσαν πολύ χρόνο για να γίνουν ή δεν θα γίνονταν λόγω της υψηλής ενέργειας που απαιτούν για την επίτευξή τους. Δύο είναι οι παράγοντες που καθορίζουν τη δυνατότητα επιτέλεσης μιας χημικής αντίδρασης σε έναν οργανισμό.

Ο πρώτος παράγοντας είναι μια αντίδραση να γίνεται προς τη φορά εκείνη που παρουσιάζεται μείωση της ενέργειας των μορίων που μετέχουν στην αντίδραση. Έτσι, μια αντίδραση γίνεται όταν εκλύεται ενέργεια. Η ενέργεια αυτή ονομάζεται ελεύθερη ενέργεια (ΔG): ΔG ο = - RT Ιn Κ ισορ όπου: ΔG είναι η διαφορά στην ελεύθερη ενέργεια κάτω από σταθερές συνθήκες θερμοκρασίας (25 0 C) και πίεσης (1 atm.), R η σταθερά των αερίων, Τ η απόλυτη θερμοκρασία και Ιn Κ ισορ. είναι ο φυσικός λογάριθµος της σταθεράς ισορροπίας.

Ενεργειακές συνθήκες χημικής αντίδρασης

Ο δεύτερος παράγοντας είναι η συγκέντρωση των αντιδρώντων ενώσεων, καθώς και των προϊόντων της αντίδρασης. Εφόσον τα προϊόντα της αντίδρασης συσσωρεύονται στο σηµείο της αντίδρασης, δρουν ανασταλτικά πάνω στο ένζυµο και διακόπτεται η διαδικασία της αντίδρασης. Μέσα στους οργανισμούς πάντοτε τα προϊόντα µιας χηµικής αντίδρασης χρησιµεύουν για να γίνει µια άλλη, έτσι ώστε πάντα η συγκέντρωσή τους στο σηµείο της αντίδρασης είναι χαµηλή λόγω της σύγχρονης αποµάκρυνσής τους. Το τελικό αποτέλεσµα είναι η συνεχής λειτουργία των ενζυµικών συστηµάτων και η µεγαλύτερη δυνατή αξιοποίηση της παραγόµενης ελεύθερης ενέργειας.