Anyagcserefolyamatok a sejtben
Az anyagcsere általános jellemzői
A sejtben lejátszódó különféle biokémiai folyamatok összességét közös néven
anyagcserének nevezzük - anyagforgalom, energia-, információáramlás. Ez a
három folyamat nem választható el egymástól.
Az anyagcsere energiaigényes folyamataihoz az élőlények a külvilág
különböző energiafajtáit használják fel. Fotoszintézis, ATP, stb.
Elsősorban a különböző építőegységek és makromolekulák felépítő folyamatai
igényelnek jelentős mennyiségű energiát. Ennek során kis energiatartalmú
egyszerű molekulából, nagyobb energiatartalmú, bonyolultabb szerves
molekula, majd sejtalkotó lesz. A sejtek anyagcseréjét energiatermelő
folyamatok is jellemzik. Pld. a lebontás során a bonyolultabb, nagy
energiájú molekulákból, egyszerű, alacsony energiatartalmú molekula lesz és
a közben felszabaduló energia ATP-szintézisre fordítódik.
A sejtekben lejátszódó anyagcsere-folyamatok biokémiai reakciók sorozatából
épülnek fel. Ahhoz, hogy ezek végbemenjenek, a részt vevő anyagoknak
aktivált állapotba kell jutniuk. A kiindulási és az aktivált állapot
energiaszintje közti különbség az aktiválási energia. Energiagát -
katalizátorok. Az anyagcsere-folyamatok katalizátorai az enzimek, amelyek
fehérjék. A katalizált folyamatban az enzimek aktívan vesznek részt -
először az átalakuló vegyületekhez kapcsolódik - szubsztrát - átalakítja
termékké, változatlanul leválik róla. Az enzimmolekulának azt a részét,
ahol a katalizált átalakulás lépései lejátszódnak, aktív centrumnak
nevezzük - az aminosavak oldalláncai alakítják ki. Ezek térbeli
elhelyezkedése pontosan megfelel az enzimhez kötődő szubsztrát
szerkezetének - az enzimek fajlagosak. Az enzimek nagy része összetett
fehérje. A nem fehérjecsoportok egy része leválhat a fehérjerészről, de
visszajutása után az enzim ismét működőképes. Ilyenek a koenzimek (NAD,
koenzim-A). Ezek felépítésében vitaminjellegű csoport is részt vesz (B-
vitamin). Az enzimek érzékenyek a környezeti tényezők változásaira.
[pic]
A szénhidrátok felépítése energiát igényel
A legalapvetőbb felépítő folyamat a fotoszintézis. E során a zöld növények
megkötik és átalakítják a Nap fényenergiáját kémiai energiává. Ehhez a 400-
800 nm hullámhosszúságú fény alkalmas. A fényenergia megkötésére a reagáló
anyagokon és az enzimeken kívül szükség van pigmentekre (szerves, színes
vegyületek), amelyek konjugált kettős kötéseket tartalmaznak - könnyen
elmozduló elektronok, ezek képesek arra, hogy a beérkező fény energiáját
átvegyék, gerjesztett állapotba kerüljenek. Ez csak rövid ideig tart, ha
energiáját nem tudja továbbadni, akkor nem történik semmi. Ha igen, akkor a
fényt megkötő molekula az elektronleadással oxidálódik, a felvevő pedig
redukálódik. A fényenergia ilyen módon való megkötése tehát a fényelnyelő
pigmentek kémiai szerkezetére vezethető vissza. A klorofill típusú
vegyületek (vörös és kék színtartományban) molekuláiban egy magnéziumatomot
négy pirolgyűrű vesz körül, oldalláncok. A magasabb rendű növényekben az a-
klorofill (-CH3) és a b-klorofill (-CHO) is előfordul. Karotinoid típusú
vegyületekben (kék színtartomány) szintén megvan a konjugált kettős kötés
rendszer. Antocián - vörös káposzta, nem fotoszintetizáló pigment.
Fikoeritrin - mélyvízi vörösmoszatokban, a kék fényt hasznosítja. Mivel a
zöld fényt egyik pigment sem tudja hasznosítani, visszaverődik - zöldnek
látjuk a növényeket. Az egymástól eltérő működésű pigmentek nagyobb
egységekbe, kétféle pigmentrendszerekbe csoportosulnak. Az 1.
pigmentrendszer: karotin, a-, b-klorofill; Max. fényelnyelés 700nm-nél.
Viszont a 2. pigmentrendszer: xantofill, a-, b-klorofill; max. fényelnyelés
680 nm-nél. Mindkettőnek a fénygyűjtő része a beérkező foton energiáját a
reakcióközpont felé irányítja (tömeg 1 %-a, a-klorofill alkotja). A
fotoszintézisben a fényenergia átalakítása során az 1. pigmentrendszer
központi a-klorofill-molekulája gerjesztett állapotba kerül, lead egy
elektront. Ezt felveszi az elektronszállító rendszer (pld. citokrómok) egy
tagja és a végső elektronfelvevőhöz, a NADP-molekulához szállítja - NADPH-
vá redukálódik. A kilépett elektron a 2. pigmentrendszer által leadott
elektronból pótlódik, ami ezzel egy alacsonyabb energiaszintre kerül - ATP-
szintézis. A 2. pigmentrendszer elektronja a víz fotolíziséből pótlódik. A
reakció során a víz felhasad és hidrogénion formájában protont ad át a NADP
redukálásához, illetve mint végső elektronleadó a 2. pigmentrendszer felé
ad le elektront. Így a vízmolekula oxidálódik, miközben molekuláris oxigén
is felszabadul. Végtermékek: NADPH, ATP, oxigén. Hevesy György - radioaktív
izotópos nyomjelzés. Melvin Calvin - fotoszintézis tanulmányozása, CO2
megkötése zöldmoszatoknál.
A fotoszintetizáló élőlények egy redukciós ciklus enzimreakciói során
végzik a légköri CO2 megkötését és beépítését. A körfolyamat első
szubsztrátja egy pentózdifoszfát, ez veszi fel közvetlenül a CO2-t.
Átmeneti hat szénatomos molekula, rövid időn belül két glicerinsav-foszfát,
ekkor kapcsolódnak be a NADPH-molekulák és ATP felhasználásával
glicerinaldehid-foszfáttá redukálják. Innen két út lehetséges. Az egyik
során pentóz-foszfáttá, majd pentózdifoszfáttá alakul a glicerinaldehid-
foszfát-molekula és kezdődhet a folyamat előlről. A másik lehetőség az,
hogy hat szénatomos glükóz-foszfát keletkezik, amely a glükóz, keményítő,
cellulóz kiindulási anyaga. Ehhez szükséges energiát az ATP- és NADPH-
molekulák szolgáltatják. Az első szakasszal szemben ezek a reakciók
sötétben is lejátszódnak.
[pic]
A szénhidrátok lebontása energiatermelő folyamat
A sejtek lebontó folyamataiban felszabaduló energia jó része ATP-
szintézisre fordítódik. A legfontosabb a szénhidrátok lebontása, mely a
sejtekben a biológiai oxidáció folyamatában történik. Sok enzim. A folyamat
során a poliszacharidok először glükóz-foszfát építőegységekre bontódnak
le. A biológiai oxidáció első szakaszában a glikolízisben a glükóz-foszfát
glicerinaldehid-foszfáttá alakul. A következő lépésekben három szénatomos
piroszőlősavvá alakul, miközben a foszfát-csoportok leszakadása ATP
keletkezését eredményezi. A glikolízis végén a piroszőlősav CO2 leadása
közben két szénatomos acetilcsoporttá alakul, melyet a koenzim-A szállít el
a citromsavciklus (biol. ox. 2. lépése) színhelyére. Itt a leváló
acetilcsoportot felveszi a négy szénatomos oxálecetsav és hat szénatomos
citromsavvá alakul. Ez több lépésben két CO2 leadása és nyolc NADH
létrehozása során visszaalakul oxálecetsavvá. A biológiai oxidáció befejező
szakasza a terminális oxidáció. Ide szállítódik az előző két szakaszban
leadott hidrogén. A rendszer első tagja a NADH-ról átvett elektronnal
redukálódik. majd a sorban következő elektronfelvevő tagnak átadva azt
oxidálódik. Ez mindaddig folytatódik, míg az elektron a végső
elektronfelvevő molekulára nem ér. Ebben a rendszerben szállított
elektronok lépésenként alacsonyabb energiaszintre kerülnek - ATP
szintetizálódik. A végső elektronfelvevő a légzésből származó oxigén, amely
a hidorgénionokkal (NADH-ból) vízzé alakul. Otto Warburg - légzési oxigén
felhasználása. Szent-Györgyi Albert - biológiai oxidáció - Hans Krebs. Míg
a glikolízis során csak 2 mól ATP keletkezik, addig a terminális oxidáció
során 36 mól egyetlen mól glükóz oxidációjából. Ez oxigéndús, aerob
körülmények között játszódik így le. Ha a környezet nem tartalmaz elég
oxigént, akkor anaerob körülmények között zajlik le az anyagcsere-folyamat,
ekkor erjedésről beszélünk. Az erjedés első lépései megegyeznek a
glikolízis folyamatával a piroszőlősav-szubsztrátig. Innentől több út
lehetséges. Az egyikben CO2 lép ki, a végtermék etanol, a másik során
tejsav keletkezik. Mivel mindkét termék további oxidálással energiát tudna
termelni, az erjedés energetikai szempontból nem gazdaságos: 1 mól glükóz
erjedése során 2 mól ATP keletkezik.
[pic]
A nukleinsavak információhordozók
Tüdőgyulladást okozó baktérium vastag tokot képez maga körül. A nem
kórokozónak nincs tokja. Egeres kísérlet. A kórokozó baktérium DNS-
molekulája, bekerülve az élő, nem kórokozó baktérium sejtjébe átörökítette
a tulajdonságait, kórokozóvá tette azt. Másik bizonyíték: vírus
(bakteriofág) fehérjéje 35-ös ként, nukleinsava 32-es foszfort
tartalmazott. Az új vírusok csak a foszforizotópot tartalmazták - Salvador
Luria, Max Delbrück. Alfred Hershey - matematikai módszerek a kutatásba.
A DNS-molekula az élőlények öröklődő tulajdonságainak információhordozója.
Az információ nemzedékről nemzedékre történő átadása feltételezi, hogy a
DNS-molekuláról pontos másolat készül. Ez a DNS-megkettőződés során jön
létre. Sok enzim. Vannak, amelyek felismerik a másolás kezdőpontjait a DNS-
molekulán. Mások ezekhez a pontokhoz kötődve egy darabon szétnyitják a
kettős nukleotidszálat a hidrogénkötések mentén, majd ezek mentén új
nukleotidszálak szintetizálódnak nukleotid építőegységekből. A folyamat
végén a két újonnan keletkezett DNS-molekula egyik nukleotidszála az
eredeti DNS-molekulából való, míg az újonnan képződött ennek kiegészítő
másolata - a két DNS-molekula teljesen megegyezik. A szintézis a prokarióta
baktériumoknál egy ponton, az eukarióta sejtekben akár több ezer ponton is
megindulhat. 3 percet vesz igénybe, javító mechanizmusok.
[pic]
A fehérjeszintézis
A nukleinsavak információt hordozó és információt átadó képessége a sejtek
fehérjeszintézisében nyilvánul meg. Az információ a fehérjék felépítésére
vonatkozik. A fehérjék aminosavsorrendjét végső soron a DNS határozza meg.
Az információ átírása során a DNS bizonyos szakaszairól mRNS-molekulák
képződnek (DNS széttekerése, egyik lemásolása - aktív) - lánc alakul ki, ez
a teljes mRNS-molekula felépüléséig tart. Így az mRNS a fehérjeszintézis
helyére tudja vinni a DNS-ről átírt információt. A fehérjeszintézishez
szükséges aminosavak (aktivált állapotban) felvételét és szállítását a tRNS-
molekulák végzik. Az aminosavak összekapcsolása polipeptidlánccá a
riboszómákon (fehérje+rRNS) történik. A lánckezdést mindig a metionin
indítja. Hozzá kapcsolódnak az aminosavak, mindaddig, míg kialakul a teljes
fehérjére jellemző aminosav-sorrend, a STOP kód. A folyamat befejező lépése
a kezdő metionin lehasítása a polipeptidlánc elejéről. Marshall Nirenberg,
Har Gobind Khorana. A DNS bázissorendje és a fehérjék aminosav-sorrendje
között szoros, de nem közvetlen kapcsolat van. A DNS-ben az információ kód
formájában található - ennek a kódnak a jelei a bázishármasok, amelyek egy-
egy aminosavat fejeznek ki. 64-féle bázishármas jöhet létre (20 aminosavra)
- egy aminosavat több bázishármas is kódolhat. Egy indító és három
láncvégződést záró bázishármas is van közöttük. Az aminosav-kódszótár
univerzális az élővilágban, leolvasása 5'-3', átfedés-, kihagyásmentes.