Anyagcsere folyamatok 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.

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.

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.

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.

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.