1/6. rész

(1)

BMEVEMBM 301

Előadó: Ballagi András - címzetes egyetemi tanár, BME

- Technológiai igazgató, Diagon Kft.

1

(2)

Az előadás ábraanyaga megtalálható a:

A felhasználónév: biologia.biotechnologia@gmail.com A jelszó: adenozin2017

Segítségével

A témát részletesen tárgyaló könyv :

Sevella Béla: Biomérnöki műveletek és folyamatok ingyenesen elérhető a:

http://www.interkonyv.hu/konyvek/Biom%C3%A9rn%C3%B6ki%2 0m%C5%B1veletek%20%C3%A9s%20folyamatok

címen

Ha nem találják, keressék a:

„Sevella, interkönyv” kulcsszavakkal

2

(3)

3

A tananyag szerkezete:

3

(4)

Tartalomjegyzék

Bevezetés

1. Biokémiai reakciók alapjainak felelevenítése a. Szerveződés makromolekulákká b. Katabolizmus

c. Anabolizmus (DNS replikáció, fehérjeszintézis) 2. Sejttani alapok

a. Sejtalkotók (membránok, citoplazma, sejtfal)

b. Sejt szervecskék (sejtmag, ER, golgi, mitokondrium) 3. Mikrobiológia

a. Az élőlények felosztása (prokarióták, eukarióták)

b. Mikrobiológiai módszerek (izolálás, mutáció, klónozás) 4. Biotechnológia

a. Definíció b. Fajtái

c. Története

4

(5)

5. Biotechnológiai műveletek a. Bioreaktorok

b. Szaporodás (kinetika, tenyésztési módszerek) c. Levegőztetés, keverés

d. Sterilezés

e. Feldolgozás (sejtfeltárás, kromatográfia, membrán műveletek) 6. Enzim reakciók

a. Reakciókinetika (Michaelis-Menten, Briggs-Haldane) b. Enzim nevezéktan

c. Inhibíció – Aktiváció

d. Aktivitást befolyásoló tényezők (pH, hőmérséklet, stb.) e. Heterogén fázisú enzim reakciók

f. Immobilizálás módszerei

5

(6)

6

7. Biotechnológiai alkalmazások a. Antibiotikumok

b. Szteroidok

c. Monoklonális antitestek d. Bioinszekticidek

e. Őssejtek

6

(7)

Itt járunk:

7

(8)

Méretek

8

(9)

Szerveződés makromolekulákká

9

(10)

Szerveződés makromolekulákká - nukleinsavak

Foszfo-

enolpiruvát

10

(11)

Szerveződés makromolekulákká

11

(12)

Nukleotidbázisok: purinok pirimidinek

12

(13)

Bázisok kapcsolódása

A

13

(14)

Szerveződés makromolekulákká - fehérjék

14

(15)

Aminosavak

Apoláris - hidrofób

Poláris, töltés nélkül

Bázikus Savas

15

(16)

Szerveződés makromolekulákká – fehérjék elsődleges szerk.

16

(17)

Szerveződés makromolekulákká – fehérjék másodlagos szerk.

17

(18)

Szerveződés makromolekulákká – fehérjék harmadlagos szerk.

tömörítés

18

(19)

Szerveződés makromolekulákká – fehérjék negyedleges szerk.

19

(20)

Itt járunk:

20

(21)

Boeringher Metabolic Pathway

Anyagcsere utak

21

(22)

Az Élet = energia

22

(23)



Az élő szervezetekben lejátszódó folyamatok összetett anabolikus (bioszintézis), és katabolikus (lebontó)

reakciókból állnak, amelyek szénhidrátokat, zsírokat és fehérjéket használnak energiaforrásként és bioszintézis építő elemként (prekurzorok). A folyamatok pontosan

szabályozottak a következő módokon:



Kompartmentalizáció: A különböző szerveknek

különbözőek a feladataik, és sejten belül is különböző feladataik vannak az egyes sejt szervecskéknek.



Minden reakció lépés specifikus enzimet használ,

amelyekhez esetleg kofaktorok, vagy pl. optimális pH kell, amelyek különböző tényezők ellenőrzése alatt állnak.

Anabolizmus, katabolizmus, redukáló képesség és energia (ATP) termelés

23

(24)

1.

A táplálék molekulák (fehérjék, poliszaharidok, és zsírok) hidrolízist szenvednek és az őket alkotó egységekre esnek szét.

2.

Az építő egységek könnyen oxidálható formába kerülnek (elsősorban acetyl CoA keletkezik belőlük. )

3.

Acetyl CoA teljesen eloxidálódik CO₂ –ra és vízre. Az

energia az ATP szintézis során hasznosul, elsősorban az elektrontranszport lánccal összefüggésben.

A katabolikus reakciók három lépése oxigén jelenlétében (aerob)

24

(25)

A katabolikus reakciók három lépése (aerob)

Fehérjék Szénhidrátok Zsírok

Aminosavak Hexóz Glicerin,

zsírsavak

2 piruvát 2 Acetyl - CoA

Légzési

elektrontranszport lánc

NH₄⁺ H₂O CO₂

Citrát kör

1. Fázis: Makromolekulák lebontása kisebb

alegységekre

2. Fázis: Alegységek

bontása Acetil-CoA ra, kevés reduktív

kapacitás (NADH) és energia (ATP)

keletkezése mellett

3. Fázis: Acetil-CoA teljes oxidációja

széndioxiddá és vízzé, Közben nagy

mennyiségű reduktív kapacitás (NADH) és energia (ATP)

keletkezik

25

(26)

A kémiai energia (ATP) termelése (aerob)

zsírsavak

2 piruvát 2 Acetyl - CoA

Légzési

elektrontranszport lánc

NH₄⁺ H₂O CO₂

ATP

Mechanikai munka pl. izom Ozmotikus

munka pl.

aktív transzport Kémiai munka

bioszintézis

26 ADP

2 ATP 2 ATP 32 ATP

(27)

1.

A táplálék molekulák (fehérjék, poliszaharidok, és zsírok) hidrolízist szenvednek és az őket alkotó egységekre esnek szét.

2.

Az építő egységek több lépésben piruváttá alakulnak

3.

A piruvát alkohollá és széndioxiddá (élesztő fermentáció), vagy tejsavvá (tejsav fermentáció) alakul.

A katabolikus reakciók három lépése oxigén távollétében (anaerob)

27

(28)

A kémiai energia (ATP) termelése (anaerob)

zsírsavak

2 piruvát

NH₄⁺

ATP

Mechanikai munka pl. izom Ozmotikus

munka pl.

aktív transzport Kémiai munka

bioszintézis

ADP

2 ATP

CO₂ Alkohol Tejsav

(29)

Az energiatermelés segéd molekulái

29

(30)

Energiatermelő folyamat,

aerob és anaerob körülmények között egyaránt végbemegy

A folyamat mérlege:

-2 ATP +4 ATP =

+2 ATP/molekula glükóz

Glikolízis

30

(31)

A citrátkör

A netto eredmény egy körülfordulás esetén:

3 NADH₂, 1 GTP, 1 FADH₂ és 2 CO₂

31

(32)

Az oxidatív foszforiláció egy több lépcsős elektrontranszfer, amely a TCA ciklusból kapja a redukált

ágenseket (NADH₂, FADH₂)

Az oxidatív foszforiláció

Külső membrán

Mátrix

Belső membrán

Intermembrán tér

Az elektrontranszfer proton gradienst hoz létre, amelynek kiegyenlítődése során

keletkezik a nagy energiájú foszfát kötés az ATP-ben.

32

(33)

Itt járunk:

33

(34)



Nagy komplex molekulák szintézise kisebb prekurzorokból.



Az építőegységként szolgáló molekulák (nukleotidok, aminosavak, cukrok, zsírsavak) a táplálkozásból jönnek, vagy szintézissel állítódnak elő.



A bioszintetikus utak növelik a rendezettséget és a

komplexitást, ezért szabad energiára van szükség ezekhez a folyamatokhoz ATP formájában. (Pl.: fehérjeszintézis

aminosavakból, poliszacharid szintézis cukrokból.) Anabolizmus

34

(35)

Emlékeztetőül a DNS szerkezete

35

(36)

KÖVETŐ SZÁL VEZETŐ

SZÁL Vezető szál mintaként

Utoljára szintetizált szál

DNS polimeráz a vezető szálon

DNS polimeráz a követő szálon

(amint éppen befejez egy Okazaki szakaszt) új Okazaki szakasz

Követő szál mintaként

Egy szálú DNS-t stabilizáló fehérje

Szülői DNS kettős hélix

DNS helikáz (ez a fehérje tekeri

ki a DNS-t) primáz

Csúszó gyűrű

RNS primer

A DNS szintézise templátról

36

(37)

A DNS-től a fehérjéig

A genetikai kód:



^Triplett



^Degenerált



Átfedésmentes



Vesszőmentes



Univerzális

Az információ átadása:

1.

RNS másolat készítse (transzkripció)

2.

Az aminosavak aktiválódása:

t-RNS-ekhez kötődés

3.

Az aminosav-lánc szintézise a riboszómákban

37

(38)

A tripletek jelentése

38

(39)

Az aminosavak aktiválása

39

(40)



Minden funkcionális fehérjének rögzített aminosavsorrendje van. A bioszintézisnél ezt kell (pontosan) reprodukálni.



Az aminosav-sorrendet a DNS tartalmazza. A kódolt információ ( genetikai kód, 64 féle bázis triplett) mRNS-re íródik át

(transzkripció).



Fehérjeszintézis (transzláció) a riboszómák és a m-RNS által alkotott komplexben történik

A fehérje bioszintézis

40

(41)

A riboszómák két alegységből álló részecskék, anyaguk rRNS és fehérje. A két alegységet Mg²⁺ ionok kapcsolják össze.

Az alegységek nagyságát a Swedberg féle ülepedési számmal jellemezzük (30 S és 50 S).

A riboszómán kötődik a

mRNS, ezen kívül még két kötőhelye van, a

aminoacil- és a peptidil- kötőhely.

41

(42)

Fehérjeszintézis - Iniciáció

42

(43)

Fehérjeszintézis - elongáció

43

(44)

Fehérjeszintézis - termináció

44

(45)

Összefoglalva…

45

(46)

Mutáció és evolúció

46

(47)

Mutáció és evolúció

1350 cm³

47

Millió év

(48)

Transzkripció

Transzláció

transcription_basic.mp4

translation_basic.mp4

48

(49)

49

Itt járunk:

49

(50)

Szerkezet: foszfolipid kettősréteg + fehérjék A foszfolipid mole-

kulák két részből állnak: apoláris (hidrofób)

alkil-láncokból és poláris (hidrofil) foszforsav és

aminocsoportokból.

Biológiai membránok

50

(51)

A foszfolipid kettős réteg szerkezete

Integráns és periferiális

membránfehérjék Folyékony mozaik modell

Amfipatikus vegyületek:

hidrofób és hidrofil tul. egy molekulán belül

Mozgások:

meghajlás, forgás, oldal irányú diffúzió

51

(52)

A foszfolipid kettős réteg szerkezete

A sejten (vegyi gyáron) belül különböző sejtalkotók (részlegek) speciális feladatokra dedikálva. Membránnal körülzárva hatékonyabb feladatellátás.

52

(53)

Elválaszt és összeköt a külső térrel



Diffúziós gát funkció – ozmotikus gát funkció



Szelektív transzportok Transzportok típusai:

passzív transzport - uniport aktív transzport - symport,

- antiport

Membránok feladatai

53

(54)

Hajtóerő: koncentráció gradiens (→ diffúzió) Energiát nem kell befektetni.

Lehet:



Membrándiffúzió



Pórusdiffúzó



Hordozós diffúzió Uniport:

a molekula átlépése függet- len más molekulák transz- portjától

Passzív transzport

54

(55)

Koncentráció gradiens ellenében → energiát kell befektetni.

Aktív (energia-átalakító) transzport fehérje kell hozzá.

Szimport:

két molekula átlépése együttesen, egy irány- ban történik

Antiport:

két molekula átlépése együttesen, ellentétes irányban történik

Aktív transzport

55

(56)

Karyon = sejtmag pro- = elő/első eu- = valódi/jó/igazi Alapvető különbség: nincs/van valódi, körülhatárolt sejtmagjuk Evolúcióban: a prokarióták az ősi, egyszerűbb formák, az

eukarióták összetettebbek, később jelentek meg

Prokarióták: a baktériumok, beleértve a fonalas szerkezetű sugár- gombákat (Actinomycetales) is, és a kékmoszatok

(Cyanobacteriales)

Eukarióták: élesztők, fonalas gombák, protozoák, zöldmoszatok, és az összes többsejtű élőlény

Egy kis kitérő: prokarióták és eukarióták

56

(57)

Egy kis kitérő:

prokarióta és eukarióta sejt

57

(58)

Citoplazmamembrán (külső sejthártya) Sejtmaghártya

Egyéb sejtszervecskék membránjai:



Mitokondrium



Endoplazmás retikulum



Golgi készülék



Kloroplaszt



Sejtzárványok burka



Speciális (retina, idegsejt)

Biológiai membránok egy eukarióta sejtben

58

(59)

Nem egyszerűen folyadék, szerkezete van és bizonyos mértékig rugalmasan alaktartó. Inkább gélszerű.

Gélek:

vannak olyan

makromolekulák (fehérjék, szén-hidrátok), amelyek oldatban térhálós

szerkezetet hoznak létre, ezzel megfogják a

folyadékot.

Kvázi-szilárdak, kissé rugalmasak, könnyen deformálhatók

(kocsonya, puding, zselé)

Citoplazma

59

(60)

Prokarióta DNS (E.coli) Duplikálódás közben

Eukarióta DNS kromoszómák

A DNS mint sejtalkotó

 Átírás DNS-ről DNS-re.

 Átírás DNS-ről mRNS-re: transzkripció a fehérjeszintézis első lépése az egyik kodogén szál,

a másik néma szál



Átírás DNS-ről más RNS-re:

riboszóma RNS, transzfer RNS

ezek bázissorrendje is itt tárolódik, szintézisük direkt átírással történik

60

(61)

Itt járunk:

61

(62)

A sejtfal a mikrobák számára mechanikai védelmet jelent, pl az ozmózisnyomás változásaival szemben.

A bakteriális sejtfalnak két alaptípusa van:



Gram pozítív,



Gram negatív.

A Gram-festés

egy mikroszkópi festési eljárás. A sejteket kristály-ibolya oldattal festik, hővel fixálják, majd alkohollal kioldják a

felesleges festéket. Amelyik sejtfal megköti, és meg is tartja a festéket, az Gram pozitív, amelyik nem festődik, az a negatív.

A sejtfal

Baktériumban, gombákban, növényekben van.

Állati sejtekben nincs!

62

(63)

Gr- pozitív Gr- negatív

citoplazmamembrán két foszfatid membrán között + egy vastag peptidoglükán réteg egy vékony peptidoglükán réteg

N-acetylglucosamine (NAG), N-acetlymuramic acid (NAM)

A kétféle sejtfalat eltérő rétegek alkotják Csak prokariotákra vonatkozik!

63

(64)

Gr pozitív Gr negatív

Streptococcus mutans E. coli

A Gram festés eredménye

64

(65)

Ezen pórusok, kapuk vannak, amelyeken az mRNS-ek kilépnek a citoplazmába.

Sejtmaghártya Csak eukariotákban van!

65

(66)

Endoplazmás retikulum: lapos membrán-tasakok, amelyek több rétegben körülveszik a sejtmagot.

DER: durvaszemcsés endoplazmás retikulum, a felületén lévő szemcsék a riboszómák ( fehérjeszintézis)

Golgi: ez is lapos membrán-zsákok rendszere, a sejtmagtól távolabb helyezkedik el.

A képződő fehérjék az ER belsejébe kerülnek, érésük során áthaladnak a Golgi komplex rétegein, végül rendeltetési helyükre (a sejten belül vagy kívül) kerülnek. Ez a transzport vezikulákban (kisebb,

lipidmembránnal körülvett cseppekben) történik.

Endoplazmás retikulum és Golgi komplex

Csak eukariotákban van!

66

(67)

67

(68)

Jól észlelhető hosszúkás szemcsék Akár több ezer mitokondrium/sejt

Számuk a kor előrehaladtával csökken Mitokondriumok szerkezete

Csak eukariotákban van!

68

(69)

Mitokondriumok – energiatermelő funkciók

69