Élettelen az élőben

Bioásványok

Varga Margit

egyetemi docens

ELTE, Kémia Intézet

oltine@chem.elte.hu

ALKÍMIA MA 2013. 10. 17.

Az ásványok, kőzetek: vízben rosszul oldódó szervetlen

sók természetes lerakódásai.

Mit nevezünk bioásványnak?

A bioásványok

- biológiai rendszerben alakulnak ki

- az élőlény által

szabályozott folyamatban jönnek létre

- meghatározott

funkcióval rendelkeznek

cseppkőbarlang

Milyen funkciói vannak a bioásványoknak?

a) az élőlények vázai

b) védekező szervei

c) táplálkozási szervek alkotórészei

d) érzékszervek alkotórészei

e) kóros lerakódások (pl. meszesedés, kövek)

Pl. gerincesek váza

Pl. csigaház, kagylóhéj Pl. fogak, karmok, csőr

Pl. agyarak, agancsok

Mi a jelentősége a bioásványok kutatásának?

- Az élő szervezetek felépítésének mélyebb megértése (Tudományok: biológia, biokémia, bioszervetlen kémia, genetika stb.)

Az élőlények alkotórészét képező bioásványok kialakulásának, szerkezetének, összetételének, formájának (morfológiájának) vizsgálata

Tengeri élőlények vázai

- Az élet korai formáinak tanulmányozása (Tudomány: őslénytan /paleontológia/)

Az élet korai formáiról rendelkezésre álló tudásunk a

bioásványokon alapul (csontok, héjak, vázak, korallzátonyok).

Őskövületek, csigaház metszetek

Tyrannosaurus csontváz

- Bioásványok és a gyógyítás (Tudományok: élettan, kórélettan, nanotechnológia)

A vizelet kiválasztó rendszer kövei

Rendellenes anyagcsere folyamatok tanulmányozása: kőképződés, meszesedések

Nanorészecskék a gyógyításban

A rák specifikus gyógyítása magnetit nanorészecskékkel

- A természetes bioásványképződés mesterséges utánzása (Tudományok: bio- és nanotechnológia)

A szerkezetképződés in vitro tanulmányozása új anyagok előállítása és a biotechnológiai alkalmazás céljából

Egysejtűek vázai

természetes mesterséges

Acanthariák és celesztit (SrSO4) egykristályokból álló vázuk

Radiolariák és polikondenzált amorf kovasav (H2SiO4

2-)n vázuk

Coccolithophorok és calcit (CaCO3) mikrokristályokból álló vázuk

Kalandozás a mikrovilágban Egysejtűek

Kovamoszatok és polikondenzált amorf kovasav (H2SiO4

2-)n vázuk

A temlát (sablon) karboxil csoportokat tartalmazó poliszacharid, erre épülnek a CaCO3 kristályok. A váz elemeinek építése a Golgi készülékben történik.

Majd a kész elem a sejt felszínére szállítódik.

A gondosan kimunkált kalcit kristályok kialakulásához nagy kalcium megkötő kapacitással rendelkező poliszacharidok szintézisére van szükség.

Ennek hiányában a vázkiépülés zavart szenved.

Az Coccolithus pelagicus coccolith vázának építése

A kovamoszatok csodálatos világa

A kovamoszatok vázának felépítése

A szerint és treonint tartalmazó fehérje lánc templátként (sablononként) szolgál a váz kialakulásához. Az aminosav oldalláncok –OH csoportjaihoz kapcsolódik a kovasav vízkilépéssel.

A külső poliszacharid védőburok hidrofillé teszi a vázat, így az élőlény könnyebben illeszkedik a vizes környezetbe.

Poliszacharid

Fehérje

SiO4-alegységek

Szilícium alapú bioásványok többsejtűekben

„Milyen volt szőkesége, nem tudom már,

De azt tudom, hogy szőkék a mezők,

Ha dús kalásszal jő a sárguló nyár,

S e szőkeségben újra érzem őt.”

(Juhász Gyula)

A szárból izolált szilícium- monoszacharid alegységek.

nádcsónak

A kalászosok szárának szilárdító szövetében található szilícium-poliszacharid molekulák a rugalmasságot, hajlékonyságot és szilárdságot biztosítják.

Belső (intracelluláris) vázak

A cellulóz rostokat -O-Si-O- egységek kapcsolják össze.

Polikondenzált, amorf kovasav képződmények

Cél: a legelő állatok elrettentése

Csalán és a csalánszőrök Az üreges tűk csípős folyadékot juttatnak a környezetbe (összetétele: hangyasav, hisztamin, acetilkolin és szerotonin)

Gabonafélék, fűfélék, zsúrlók membránja fitolitokat tartalmaz

Kalcium alapú bioásványok

Kagylók, csigák külső váza

A CaCO3 mikrokristályokból, mint elemi építőkövekből, létrehozható:

bármilyen görbület, rendkívül erős és

nyomás alá helyezve is megőrzi alakját.

Fontos jellemvonás:

A váz, ha egyszer megsérült, nem javítható ki, és az élőlény

pusztulásával jár.

A kéthéjú kagylók CaCO3 váza

A szervetlen építőanyagot CaCO3 mikrokristályok alkotják, amelyeket fehérje molekulák, szerves "cement" kapcsol össze.

A szerves építőanyag olyan fehérje, amely foszfát- és karboxil- csoportokat tartalmaz. Ezen csoportok oxigénatomjai koordinatív kötést alakítanak ki a CaCO3 Ca2+-ionjaival

A gyöngykagyló különösen érzékeny a testét irritáló szennyezésekre, ezért azokat gyöngyházzal vonja be, így keletkezik az igazgyöngy

A kagylóhéj belső oldala; gyöngyház

Csigaház külső oldala; „érmeoszlopos” szerkezet

A vázakat és a gyöngyöt is aragonit módosulatú

CaCO3 alkotja

kalcit pl. márvány

aragonit

VII. Kleopátra Kr. e. 69-30)

A gyöngykoktél legenda

Feljegyezte: id. Plinius (Kr. u. 23-79) és Plutarkhosz (Kr. u. 45-125)

CaCO3 + H+ Ca2++ CO2 + H2O

?

ahol a zöld smaragdként csillogó kicsiny

szigetek a mélykék tenger ölén ringatóznak….

Valahol Csendes óceánban…

Nagy korallzátony

A korallok a paleontológiai kutatások kedvelt szereplői.

Már 200 millió évvel ezelőtt is léteztek, és fosszilis maradványaik vizsgálata a Föld történet korai szakaszáról szolgáltat információkat a kutatóknak. Nemcsak tanúi a földtörténeti katasztrófáknak, hanem jelenleg is dinamikus alakítói a Föld szilárd felszínének.

A tengeri élőlények, köztük a korallok, CaCO3-ból álló vázai a fotoszintetizáló élőlények fotoszintézisének következményei.

Ha a vízben oldott CO2 asszimilálódik, a környezet pH-ja emelkedik és a karbonát koncentrációja növekszik, ami a CaCO3 kiválásának kedvez. Ez elősegíti a tengeri élőlények CaCO3 vázainak kiépülését. A folyamatot akadályozza a levegő CO2 tartalmának

növekedése!

A CO2 koncentráció növekedése savasodást idéz elő.

tisztán szervetlen aragonit réteg

A telepeket alkotó korallok az élettelen réteg fölött folyamatosan növekszenek.

Az elhalt korallok CaCO3-ból felépülő maradványai szigeteket, korallzátonyokat hoznak létre.

a zsákmány megragadására szolgáló karok

Szimbiózisban élnek fotoszintézisre képes egysejtűekkel. Az egysejtű nagymértékben felelős a rendkívül gyors kalcifikációért, és a telep gyors növekedéséért.

A savasodás következtében az egysejtűek elpusztulnak, a korallok kifehérednek és CaCO3 vázuk oldódni kezd.

A korallok gerinctelen élőlények, a virágállatok osztályába tartoznak

A gerincesek kalcium-foszfát váza

A váz, a többsejtű szervezet növekedése során, alakját mindvégig megőrzi, sérülés esetén javítható.

A csontfejlődés során egy intracelluláris szervetlen lerakódás alakul át extracelluláris mátrixszá.

tireokalcitonin hormon oszteokalcin (gátol) oszteoblaszt felépülés kalcium-hidroxi-foszfát oszteocita oszteoklaszt lebontás (citrát) paratiroid hormon

A csont belső, de nem intracelluláris váz.

A kalcifikáció szabályozása

A gerincesek hosszú csontjainak összetétele:

- 30 % elasztikus fehérje (kollagén) - 55 %-a mikrokristályos hidroxiapatit, - 15 % CaCO3, MgCO3, SiO2, fémionok és citrát.

A kollagén rostokat alkotó fehérje. Három polipeptidlánc egymás köré tekeredve alkot egy fibrillumot, amely flexibilis üregeket hoz létre.

A fehérje: hidroxi-prolin,

hidroxi-lizin,

o-foszfo-szerin

o-foszfo-treonin

Ez a szövet ellenőrzi fizikai úton

a bioásvány növekedését.

A hidroxiapatit Ca2+

ionjai koordinatív kötést alakítanak ki a kollagén fibrillumok karboxil- és foszfát-csoportjainak oxigén atomjaival.

A belső vázanyag hidroxiapatit, (kalcium-hidroxi-foszfát) [Ca5(OH)(PO4)3].

Az OH- helyett F- v. Cl- a PO4

3- helyett CO32- v. SO4 2-

Ca2+ helyett Sr2+

A csontok javíthatóságához egy fizikai jelenség a

PIEZOELEKTROMOS HATÁS is hozzájárul.

A hidroxiapatitban egy adott fizikai hatás töltésvándorlást követően protonvándorlást indít el:

nyomás proton elvándorlás csontnövekedés deformáció

A kristálynövekedés követni fogja az alkalmazott hatást, a felszín a protonált helyeken oldódni, a protonálatlan helyeken növekedni fog. Fogazat: Milyen fogakat szeretnénk?

Fogzománc (SEM felvétel, nagyítás 1300x)

Fogzománc (tejfog) Élő sejtek A fogzománc alatti réteg

Sav hatására a fogzománc sérülést szenved, a föltáskásodott réteg alatt mikroorganizmusok elszaporodhatnak.

A fogazatban a hidroxid csoportok helyett kb. 30-3000 ppm (μg/kg) mennyiségben fluorid áll. A végleges fogazat legkülső rétege a fogzománc (enamel). Tejfog: a fogzománc kb. 10-20 % szervetlen Végleges fog: kb. 90 % szervetlen, nincsenek élő sejtek Tartóssága és keménysége rendkívüli,

de károsodása esetén többé nem javítható.

A CaCO3 (calcit) kristályok (otolithok) az emberi belső fülben az egyensúlyérzékelést szolgálják

A kristályok károsodása, azok rendellenes mozgásával jár és a fej mozgatásakor szédülést okoz

Egyensúly érzékelés

A kalcit kristályok elmozdulása jelzi a környező idegeknek a test helyzetét

Példák az érzékelést szolgáló bioásványokra

A biomagnetithoz hasonló ásványt találtak a Mars kőzetek vizsgálata során is.

Természetes- és biomagnetit

Magnetit (Fe3O4) kristályok baktériumok sejtfalában (300x). A parányi mágnesek a Föld mágneses erőterét érzékelik és a baktérium ennek segítségével tájékozódik.

Baktériumok mágneses érzékelő berendezése

Mágneses teret érzékelő kristályokat találtak madarakban és méhekben is.

Reményik Sándor: Alchimia (részlet) „Homályos, titkos pincegádor, Nyugtalan fény a falakon... Tégelyek, üstök, báj-szerek közt Búsan, balgatagon, vakon Gunnyaszt a fejedelmi agyrém Az engedetlen anyagon. Virraszt a százszor bukott szándék, Virraszt az őrült akarat: Ólomból, rézből, porból, sárból Átlényegítni aranyat…”

Alkímia régen…

Alkimista

szemléletmód ma…

Az elmélyedés a tudományos tevékenységben, a gondolati és szemléleti szabadság, a természet szeretete és a rácsodálkozás a természet bölcsességére egy olyan belső átlényegülés, ami annak meglátását eredményezi, amely rejtetten mindig is ott volt.

(Varga Margit)

Köszönöm a figyelmet!

Napfelkelte a Földön kívülről