2. Elämän kemiallinen koostumus, rakenne ja toiminta

2. Elämän kemiallinen koostumus, rakenne ja toiminta

2.1. Tuntemamme elämän rakenne-komponentit Tarvitaan: informatiiviset polymeerit: nukleiinihappojuosteet DNA ja RNA (nukleotidit): sisältävät hiiltä, typpeä, vetyä, happea, fosforia rakenteelliset ja toiminnalliset polymeerit: proteiinit (aminohapot): sisältävät hiiltä, typpeä, vetyä, happea, fosforia rajaavat kalvorakenteet: lipidejä, pitkiä hiilivetyketjuja ja niiden johdannaisia: sisältvät hiiltä, typpeä, vetyä, happea, fosforia liuottimeksi vettä: sisältää vetyä ja happea

Elämän tärkeimmät alkuaineet Atomien lukumäärällä mitattuna bakteeri ihminen H: 63.1 61.6 % O: 29.0 26.0 % C: 6.4 10.5 % N: 1.4 2.4 % S: 0.06 0.13% P: 0.12 0.13% Ca: 0.0 0.23 % Mg, Mn, Fe : <0.1% Vesi + Hiili: H2O, C SOKERIT/LIPIDIT: C, H, O ja P AMINOHAPOT: C, H, O ja N+S DNA: C, H, O, N, P CHNOPS

ELEKTRONIKUORET ELÄMÄN KEMIAA JA RAKENNUSPALIKOITA K K-L K-M K-N H H O H H C O H2O Alkuaineiden tyypilliset kemialliset reaktiot riippuvat ko. atomin elektronikuoren rakenteesta H H C CH4 H

Peruskemiaa Atomit pyrkivät reagoimaan keskenään niin että ne saavat täytettyä ylimmän elektronikuorensa elektroneilla - siis joko täyttämään pienen elektronivajauksen, tai luovuttamaan pois joitakin elektroneja melkein tyhjältä elektronikuorelta -Happi tarvitsee L-kuorelleen kaksi elektronia, hiili neljä. Vety tarvitsee K-kuorelleen yhden, tai luovuttaa yhden -elektronien myötä atomirakenteeseen siirtyy runsaasti (pelkistys) energiaa -aine joka luovuttaa elektroneja, hapettuu. Aine joka ottaa vastaan elektroneja, pelkistyy (Redox-reaktio) -kaikkiin kemiallisiin sidoksiin liittyy tietty määrä energiaa

2.2. Elämä tarvitsee liottimen Elämä perustuu biokemiaan, metaboliaan, aineenvaihtoon, kemialliseen viestintään - Reaktioiden lähtöaineiden tarvitsee liikkua jossakin väliaineessa reaktioon, reaktiotuotteiden taas siitä pois - Miksi nestefaasi on paras??

Vesi, elämän lähde Vesi on maailmankaikkeuden yleisimpiä molekyylejä Vesimolekyyli on polaarinen: yhdessä päässä on negatiivisen puoleinen happiatomi ja toisessa päässä positiivisen puoleiset vetyatomit vetysidokset

Veden eri olomuodot, vesi, jää ja höyry... Tiheimmillään +4 C:ssä

2.3. Hiili ja hiiliketjut Hiili yleinen aine maailmankaikkeudessa Muodostaa helposti neljä kovalenttista sidosta Reagoi helposti itsensä kanssa muodostaa helposti pitkiä hiiliketjuja esim. n(ch 2) tai n(oh C H ), joiden päähän voi tulla erilaisia reaktiivisia molekyylejä. Hiilivetyketjut ei-polaarisia Muodostaa myös renkaita

Eri tapoja merkitä hiili Vieressä olevat kolme kaavaa esittävät samaa hiilivetyä. Hiili ja vety jätetään usein merkitsemättä kaavoista. Oikeanpuoleisimmassa kaavassa kaikki sidokset merkitty yksiselitteisesti Keskimmäisessä kaavassa jätetty vety merkitsemättä. Hiiliatomiin tulee (lähes) aina 4 sidosta. Puuttuvat ovat sidoksia vetyatomeihin Vasemmanpuoleinen kaava on tiivis esitysmuoto. Siinä on myös hiilet jätetty merkitsemättä.

Hiiliketjuja aktivoivat ryhmät Hiilivety-ketjut + reaktiiviset ryhmät Spesifiset kemialliset ominaisuudet, esim. hydroksyyli-, aldehydi-, ketoni-, karboksyyli-, amino-, merkaptoja fosfaattiryhmät, esterisidokset

Hiilihydraatit Sokereita, energiapakkauksia Monosakkariidit yksinkertaisimpia esim. glyseraldehydi C3H6O3, glukoosi (C6H12O6), fruktoosi (C6H12O6), galaktoosi(c6h12o6 ), riboosi(c5h10o5), deoxyriboosi(c5h10o4) Runkona hiiliketju jossa aldehydiryhmä päässä Disakkaridi muodostuu kun kaksi monosakkaridia liittyvät yhteen poistaen vesimolekyylin. Polysakkaridit ovat pitkiä sakkaridien haarautuvia tai haarattomia ketjuja (polymeerejä) ja muodostavat sellaisia aineita kuin glykogeeni, tärkkelys ja selluloosa Tarkka avaruusrakenne tärkeä!

fruktoosi galaktoosi Sakkaroosi, C12H22O11 OH deoxiriboosi 12.9.2011 riboosi

Lipidit Lipidit ovat rasvamaisia, ampfifiilisia molekyylejä: toinen pää on vettä hylkiviä, toinen vesihakuinen. Rasvahapot ovat lipidejä, joissa on hydrofobisena päänä hiilivetyketju, ja niiden toisessa päässä on hydrofiilinen (vesihakuinen) karboksyyliryhmä. Fosfolipidit ovat muodostuneet glyserolista, johon on liittynyt kaksi hiilivetyketjua ja toisessa päässä hydrofiilinen fosfaattiryhmä. Solujen kalvostot muodostuvat yleensä kahdesta fosfolipidikerroksesta, jossa hydrofobiset hiiliketjut osoittavat kohti kalvon keskiosaa, ja hydrofiiliset päät osoittavat ulkopintoihin.

12.9.2011

Aminohapot Ovat karboksyylihappoja (-COOH ), joissa tämä karboksyyliryhmä on liittynyt Cα keskusatomiin, johon on myös liittynyt aminoryhmä (NH2) ja vetyatomi, sekä sivuketju, jonka perustana on monasti hiiliketju. Aminohapot ovat yksinkertaisinta glysiiniä lukuun ottamatta kiraalisia (peilikuvat eivät vastaa toisiaan eli kiertyvät eri suuntaan) Aminohappoja on olemassa tavattoman suuria määriä Elävissä organismeissa on käytössä 20 (-22) erilaista aminohappoa. Aminohapot ovat proteiinien rakennuspalikoita

Aminohappoja (kuvia) http://en.wikipedia.org/wiki/list_of_standard_amino_acids

Aminohappojen ketjuttaminen peptidisidokset Kaksi aminohappoa liittyvät yhteen, siten että vesimolekyyli vapautuu ensimmäisen aminohapon karboksyyliryhmän OH:sta ja toisen aminohapon aminoryhmän vedystä. Sidosta kutsutaan peptidisidokseksi. Syntyneellä dipeptidillä on edelleen vapaa -COOH ryhmä, joka reagoi seuraavan aminohapon NH2 ryhmän kanssa. Polymerisoituminen jatkuu Aminohapot muodostavat tällä tavalla pitkiä ketjuja, polypeptidejä

Pitkät aminohappoketjut laskostuvat hyvin tarkkoihin kolmiulotteisiin rakenteisiin Tyypillisiä rakenteita: α-kierteet ja β-levyt Googleta: protein folding

Proteiinit Polypeptidejä, joissa on siis erilaisia aminohappoja ketjutettuna. Molekyylirakenteen laskostuminen kolmiulotteiseen avaruuteen on ensisijaisen tärkeä proteiinin toiminnan kannalta Proteiinit säätelevät avaimina ja katalyytteinä kaikkia solujen sisäisiä reaktioita, esim. DNAn kopioimisessa RNAksi, redox-reaktioissa... Proteiinit muodostavat solujen tukirakenteet yhdessä hiilihydraattien kanssa

Nukleiinihapot: RNA ja DNA Luonnossa tunnetaan kahdenlaisia nukleiinihappoja: RNA ja DNA. Selkärankana on ketju jossa on vuorotellen (deoksi)riboosisokeri yksikkö ja fosfaattiryhmä. Sokeriyksikköön on liittyneenä emäsosa

RNAn ja DNAn rakennekomponentit puriinit pyrimidiinit

RNAn ja DNA-nukleotidien rakenne Yksikkönä (monomeeri) on fosfaatti-sokeri osa johon on liittynyt emäsosa. Emäsosana on puriini (Adeniini tai Guaniini) tai pyrimidi (Sytosiini tai Urasiili/Tymiini) DNA on kaksoiskierteinen polymeeri, jolloin vastakkain ovat aina C tai G ja A tai T RNA on yksisäikeinen polymeeri, mutta laskostuu. Lisäksi T on korvautunut U:lla.

12.9.2011

2.4. Geneettinen informaatio DNAn ja RNAn geneettinen informaatio on emästen järjestyksessä. Koodattu kolmen emäksen sarjoissa kolmikkokoodina. Yksi kolmikko vastaa yhtä tiettyä aminohappoa (mutta samaa aminohappoa voi koodata jopa kolme erilaista kolmikkokoodia). Aloitus koodi ATG ja lopetus koodeja ovat UGA, UAA ja UAG, ja alun ja lopun väliin jää lukukehys, joka on yleensä yksi geeni.

Geneettinen koodi 64 erilaista kodonia vastaa 20 erilaista aminohappoa paljon päällekkäisiä koodeja -Degeneratiivinen koodi ---- maksimaalisesti puskuroitu mutaatioita vastaan

2.5. Kiralisuus peilikuvia Mikäli kolmiulotteisessa molekyylirakenteessa on symmetrian rikkovan sidoksen mahdollisuus on molekyyli optisesti aktiivinen. Esim. H2O, CH4 tai muissa hiiliketjuissa H-n(CH)-H eivät tätä ole. Aminohapoissa Cα :aan sitoutuneet neljä erilaista ryhmää: karboksyyli, aminoryhmä, H ja R aiheuttavat kiralisuuden (paitsi glysiinissä joka on ei-kiraalinen) RNAn riboosissa hiileen sitoutunut emäsosa voi vaihtaa vedyn kanssa paikkaa. DNAssa tapahtuu vastaavasti deoksiriboosin kanssa.

Aminohappojen kiralisuus The "CORN" rule. The groups COOH, R, NH2 and H are arranged around the chiral center carbon atom. Looking from the hydrogen atom, if these groups are arranged counter-clockwise around the carbon atom, then it is the D-form. If clockwise, it is the L-form.

Kiralisuuden mysteeri Kaikki proteiinisynteesiin osallistuvat aminohapot ovat homokiraalisia ja vasenkätisiä (L) Luonnossa ja elävissä soluissa esiintyy myös oikeakätisiä aminohappoja, mutta ne eivät osallistu proteiinisynteesiin. Meteoriiteista löydetyissä aminohapoissa on molempia kiralisuuksia mutta sielläkin vasenkätisyys on hieman yleisempi Synteettisissä kokeissa tuotetaan molempia kiralisuuksia saman verran aminohapoissa. Kaikki nukleiinihappojen sokerit ovat oikeakätisiä (D)

Sokerien kiralisuus riboosissa

Kiralisuuden synty Syy epäselvä mutta ehdotettu (perustellusti) mm. polarisoitunutta tähtien valoa kiteiden polarisoimaa valoa savilamellit magneetti/sähkökenttä kaksi melkein tasaväkistä isomeeriä alussa ja toinen voittaa elektronien spin Ks esim: Self-Organization of a Mesoscale Bristle into Ordered, Hierarchical Helical Assemblies Boaz Pokroy, et al. Science 323, 237 (2009)

Rasemoituminen Aminohapot rasemoituvat kuoleessa solukossa Once isolated from active metabolic processes, the Lamino acids undergo racemization to produce D-amino acids until eventually the L- and D-enantiomers of a particular amino acid are present in equal amounts. The rate at which racemization takes place differs for each amino acid and is dependent on the presence of water, the temperature, and the chelation of certain metal ions to proteins (9). Racemization is thus affected by some of the same factors that affect depurination of DNA, the major hydrolytic reaction responsible for the spontaneous degradation of nucleic acids. Ref: PNAS July 20, 1999 vol. 96 no. 15 8426-8431 - kymmeniä tuhansia vuosia Science 10 May 1996: Vol. 272. no. 5263, pp. 864 866 - alle miljoonia vuosia PNAS October 1, 2002 vol. 99 no. 20 12594-12599 - 10 % rasemoitunut 5000 vuodessa

2.6. Energian läpivirtaus Energia sitoutuu kemiallisiin yhdisteisiin Kemialliset hapetus-pelkistys (redox) reaktiot: pelkistysenergiaa eli elektroneja siirretään yhdisteeltä toiselle -tärkein elektronilähde on H -aine joka luovuttaa elektronit (hapettuu) on pelkistin -aine joka ottaa vastaa elektronit (pelkistyy) on hapetin Myös kemiallista sidosenergiaa: siirretään ATPn avulla Erilaisia energialähteitä: -valo: irrottaa elektroneja vedeltä (fototrofia) -pelkistävät kemialliset yhdisteet (kemotrofia) -yksinkertaisin, esim. FeS+H2S FeS2+2e-+2H+ -orgaaniset yhdisteet (heterotrofia): Me, ja meitä syövät

Eliökunnan tärkein energianlähde: auringonvalo Varhaisin energialähde: pelkistävät kemikaalit Valon energia tuli käyttöön jo varhain: - aluksi happea tuottamaton fotosynteesi - n. 2700 mrd vuotta sitten alkoi happea vapauttava fotosynteesi - Syanobakteereiden reaktiokeskus II pystyy ottamaan elektronit veden hapelta. Ks. ttp://elektra.helsinki.fi/se/l/0024-7383/108/1-2/foto

Happea vapauttava fotosynteesi Anabaena sp fotonit virittävät klorofyllin elektroneja, joiden energia irrottaa vedeltä kaksi elektronia ja ne siirtyvät NADPH:lle. Veden protoneiden avulla tehdään ATP:tä Näiden avulla CO2 pelkistetään glukoosiksi

Nukleotidit toimivat energiansiirtoreaktioissa Adenosiini-trifosfaatti (ATP) Coentsyymi-A Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) Flavin adenine dinucleotide (FAD)