Anyagcsere folyamatok a sejtben

Az anyagcsere �ltal�nos jellemz�i

A sejtben lej�tsz�d� k�l�nf�le biok�miai folyamatok �sszess�g�t k�z�s n�ven anyagcser�nek nevezz�k - anyagforgalom, energia-, inform�ci��raml�s. Ez a h�rom folyamat nem v�laszthat� el egym�st�l.

Az anyagcsere energiaig�nyes folyamataihoz az �l�l�nyek a k�lvil�g k�l�nb�z� energiafajt�it haszn�lj�k fel. Fotoszint�zis, ATP, stb. Els�sorban a k�l�nb�z� �p�t�egys�gek �s makromolekul�k fel�p�t� folyamatai ig�nyelnek jelent�s mennyis�g� energi�t. Ennek sor�n kis energiatartalm� egyszer� molekul�b�l, nagyobb energiatartalm�, bonyolultabb szerves molekula, majd sejtalkot� lesz. A sejtek anyagcser�j�t energiatermel� folyamatok is jellemzik. Pld. a lebont�s sor�n a bonyolultabb, nagy energi�j� molekul�kb�l, egyszer�, alacsony energiatartalm� molekula lesz �s a k�zben felszabadul� energia ATP-szint�zisre ford�t�dik.

A sejtekben lej�tsz�d� anyagcsere-folyamatok biok�miai reakci�k sorozat�b�l �p�lnek fel. Ahhoz, hogy ezek v�gbemenjenek, a r�szt vev� anyagoknak aktiv�lt �llapotba kell jutniuk. A kiindul�si �s az aktiv�lt �llapot energiaszintje k�zti k�l�nbs�g az aktiv�l�si energia. Energiag�t - kataliz�torok. Az anyagcsere-folyamatok kataliz�torai az enzimek, amelyek feh�rj�k. A kataliz�lt folyamatban az enzimek akt�van vesznek r�szt - el�sz�r az �talakul� vegy�letekhez kapcsol�dik - szubsztr�t - �talak�tja term�kk�, v�ltozatlanul lev�lik r�la. Az enzimmolekul�nak azt a r�sz�t, ahol a kataliz�lt �talakul�s l�p�sei lej�tsz�dnak, akt�v centrumnak nevezz�k - az aminosavak oldall�ncai alak�tj�k ki. Ezek t�rbeli elhelyezked�se pontosan megfelel az enzimhez k�t�d� szubsztr�t szerkezet�nek - az enzimek fajlagosak. Az enzimek nagy r�sze �sszetett feh�rje. A nem feh�rjecsoportok egy r�sze lev�lhat a feh�rjer�szr�l, de visszajut�sa ut�n az enzim ism�t m�k�d�k�pes. Ilyenek a koenzimek (NAD, koenzim-A). Ezek fel�p�t�s�ben vitaminjelleg� csoport is r�szt vesz (B-vitamin). Az enzimek �rz�kenyek a k�rnyezeti t�nyez�k v�ltoz�saira.

A sz�nhidr�tok fel�p�t�se energi�t ig�nyel

A legalapvet�bb fel�p�t� folyamat a fotoszint�zis. E sor�n a z�ld n�v�nyek megk�tik �s �talak�tj�k a Nap f�nyenergi�j�t k�miai energi�v�. Ehhez a 400-800 nm hull�mhossz�s�g� f�ny alkalmas. A f�nyenergia megk�t�s�re a reag�l� anyagokon �s az enzimeken k�v�l sz�ks�g van pigmentekre (szerves, sz�nes vegy�letek), amelyek konjug�lt kett�s k�t�seket tartalmaznak - k�nnyen elmozdul� elektronok, ezek k�pesek arra, hogy a be�rkez� f�ny energi�j�t �tvegy�k, gerjesztett �llapotba ker�ljenek. Ez csak r�vid ideig tart, ha energi�j�t nem tudja tov�bbadni, akkor nem t�rt�nik semmi. Ha igen, akkor a f�nyt megk�t� molekula az elektronlead�ssal oxid�l�dik, a felvev� pedig reduk�l�dik. A f�nyenergia ilyen m�don val� megk�t�se teh�t a f�nyelnyel� pigmentek k�miai szerkezet�re vezethet� vissza. A klorofill t�pus� vegy�letek (v�r�s �s k�k sz�ntartom�nyban) molekul�iban egy magn�ziumatomot n�gy pirolgy�r� vesz k�r�l, oldall�ncok. A magasabb rend� n�v�nyekben az a-klorofill (-CH3) �s a b-klorofill (-CHO) is el�fordul. Karotinoid t�pus� vegy�letekben (k�k sz�ntartom�ny) szint�n megvan a konjug�lt kett�s k�t�s rendszer. Antoci�n - v�r�s k�poszta, nem fotoszintetiz�l� pigment. Fikoeritrin - m�lyv�zi v�r�smoszatokban, a k�k f�nyt hasznos�tja. Mivel a z�ld f�nyt egyik pigment sem tudja hasznos�tani, visszaver�dik - z�ldnek l�tjuk a n�v�nyeket. Az egym�st�l elt�r� m�k�d�s� pigmentek nagyobb egys�gekbe, k�tf�le pigmentrendszerekbe csoportosulnak. Az 1. pigmentrendszer: karotin, a-, b-klorofill; Max. f�nyelnyel�s 700nm-n�l. Viszont a 2. pigmentrendszer: xantofill, a-, b-klorofill; max. f�nyelnyel�s 680 nm-n�l. Mindkett�nek a f�nygy�jt� r�sze a be�rkez� foton energi�j�t a reakci�k�zpont fel� ir�ny�tja (t�meg 1 %-a, a-klorofill alkotja). A fotoszint�zisben a f�nyenergia �talak�t�sa sor�n az 1. pigmentrendszer k�zponti a-klorofill-molekul�ja gerjesztett �llapotba ker�l, lead egy elektront. Ezt felveszi az elektronsz�ll�t� rendszer (pld. citokr�mok) egy tagja �s a v�gs� elektronfelvev�h�z, a NADP-molekul�hoz sz�ll�tja - NADPH-v� reduk�l�dik. A kil�pett elektron a 2. pigmentrendszer �ltal leadott elektronb�l p�tl�dik, ami ezzel egy alacsonyabb energiaszintre ker�l - ATP-szint�zis. A 2. pigmentrendszer elektronja a v�z fotol�zis�b�l p�tl�dik. A reakci� sor�n a v�z felhasad �s hidrog�nion form�j�ban protont ad �t a NADP reduk�l�s�hoz, illetve mint v�gs� elektronlead� a 2. pigmentrendszer fel� ad le elektront. �gy a v�zmolekula oxid�l�dik, mik�zben molekul�ris oxig�n is felszabadul. V�gterm�kek: NADPH, ATP, oxig�n. Hevesy Gy�rgy - radioakt�v izot�pos nyomjelz�s. Melvin Calvin - fotoszint�zis tanulm�nyoz�sa, CO2 megk�t�se z�ldmoszatokn�l.

A fotoszintetiz�l� �l�l�nyek egy redukci�s ciklus enzimreakci�i sor�n v�gzik a l�gk�ri CO2 megk�t�s�t �s be�p�t�s�t. A k�rfolyamat els� szubsztr�tja egy pent�zdifoszf�t, ez veszi fel k�zvetlen�l a CO2-t. �tmeneti hat sz�natomos molekula, r�vid id�n bel�l k�t glicerinsav-foszf�t, ekkor kapcsol�dnak be a NADPH-molekul�k �s ATP felhaszn�l�s�val glicerinaldehid-foszf�tt� reduk�lj�k. Innen k�t �t lehets�ges. Az egyik sor�n pent�z-foszf�tt�, majd pent�zdifoszf�tt� alakul a glicerinaldehid-foszf�t-molekula �s kezd�dhet a folyamat el�lr�l. A m�sik lehet�s�g az, hogy hat sz�natomos gl�k�z-foszf�t keletkezik, amely a gl�k�z, kem�ny�t�, cellul�z kiindul�si anyaga. Ehhez sz�ks�ges energi�t az ATP- �s NADPH-molekul�k szolg�ltatj�k. Az els� szakasszal szemben ezek a reakci�k s�t�tben is lej�tsz�dnak.

A sz�nhidr�tok lebont�sa energiatermel� folyamat

A sejtek lebont� folyamataiban felszabadul� energia j� r�sze ATP-szint�zisre ford�t�dik. A legfontosabb a sz�nhidr�tok lebont�sa, mely a sejtekben a biol�giai oxid�ci� folyamat�ban t�rt�nik. Sok enzim. A folyamat sor�n a poliszacharidok el�sz�r gl�k�z-foszf�t �p�t�egys�gekre bont�dnak le. A biol�giai oxid�ci� els� szakasz�ban a glikol�zisben a gl�k�z-foszf�t glicerinaldehid-foszf�tt� alakul. A k�vetkez� l�p�sekben h�rom sz�natomos pirosz�l�savv� alakul, mik�zben a foszf�t-csoportok leszakad�sa ATP keletkez�s�t eredm�nyezi. A glikol�zis v�g�n a pirosz�l�sav CO2 lead�sa k�zben k�t sz�natomos acetilcsoportt� alakul, melyet a koenzim-A sz�ll�t el a citromsavciklus (biol. ox. 2. l�p�se) sz�nhely�re. Itt a lev�l� acetilcsoportot felveszi a n�gy sz�natomos ox�lecetsav �s hat sz�natomos citromsavv� alakul. Ez t�bb l�p�sben k�t CO2 lead�sa �s nyolc NADH l�trehoz�sa sor�n visszaalakul ox�lecetsavv�. A biol�giai oxid�ci� befejez� szakasza a termin�lis oxid�ci�. Ide sz�ll�t�dik az el�z� k�t szakaszban leadott hidrog�n. A rendszer els� tagja a NADH-r�l �tvett elektronnal reduk�l�dik. majd a sorban k�vetkez� elektronfelvev� tagnak �tadva azt oxid�l�dik. Ez mindaddig folytat�dik, m�g az elektron a v�gs� elektronfelvev� molekul�ra nem �r. Ebben a rendszerben sz�ll�tott elektronok l�p�senk�nt alacsonyabb energiaszintre ker�lnek - ATP szintetiz�l�dik. A v�gs� elektronfelvev� a l�gz�sb�l sz�rmaz� oxig�n, amely a hidorg�nionokkal (NADH-b�l) v�zz� alakul. Otto Warburg - l�gz�si oxig�n felhaszn�l�sa. Szent-Gy�rgyi Albert - biol�giai oxid�ci� - Hans Krebs. M�g a glikol�zis sor�n csak 2 m�l ATP keletkezik, addig a termin�lis oxid�ci� sor�n 36 m�l egyetlen m�l gl�k�z oxid�ci�j�b�l. Ez oxig�nd�s, aerob k�r�lm�nyek k�z�tt j�tsz�dik �gy le. Ha a k�rnyezet nem tartalmaz el�g oxig�nt, akkor anaerob k�r�lm�nyek k�z�tt zajlik le az anyagcsere-folyamat, ekkor erjed�sr�l besz�l�nk. Az erjed�s els� l�p�sei megegyeznek a glikol�zis folyamat�val a pirosz�l�sav-szubsztr�tig. Innent�l t�bb �t lehets�ges. Az egyikben CO2 l�p ki, a v�gterm�k etanol, a m�sik sor�n tejsav keletkezik. Mivel mindk�t term�k tov�bbi oxid�l�ssal energi�t tudna termelni, az erjed�s energetikai szempontb�l nem gazdas�gos: 1 m�l gl�k�z erjed�se sor�n 2 m�l ATP keletkezik.

A nukleinsavak inform�ci�hordoz�k

T�d�gyullad�st okoz� bakt�rium vastag tokot k�pez maga k�r�l. A nem k�rokoz�nak nincs tokja. Egeres k�s�rlet. A k�rokoz� bakt�rium DNS-molekul�ja, beker�lve az �l�, nem k�rokoz� bakt�rium sejtj�be �t�r�k�tette a tulajdons�gait, k�rokoz�v� tette azt. M�sik bizony�t�k: v�rus (bakteriof�g) feh�rj�je 35-�s k�nt, nukleinsava 32-es foszfort tartalmazott. Az �j v�rusok csak a foszforizot�pot tartalmazt�k - Salvador Luria, Max Delbr�ck. Alfred Hershey - matematikai m�dszerek a kutat�sba.

A DNS-molekula az �l�l�nyek �r�kl�d� tulajdons�gainak inform�ci�hordoz�ja. Az inform�ci� nemzed�kr�l nemzed�kre t�rt�n� �tad�sa felt�telezi, hogy a DNS-molekul�r�l pontos m�solat k�sz�l. Ez a DNS-megkett�z�d�s sor�n j�n l�tre. Sok enzim. Vannak, amelyek felismerik a m�sol�s kezd�pontjait a DNS-molekul�n. M�sok ezekhez a pontokhoz k�t�dve egy darabon sz�tnyitj�k a kett�s nukleotidsz�lat a hidrog�nk�t�sek ment�n, majd ezek ment�n �j nukleotidsz�lak szintetiz�l�dnak nukleotid �p�t�egys�gekb�l. A folyamat v�g�n a k�t �jonnan keletkezett DNS-molekula egyik nukleotidsz�la az eredeti DNS-molekul�b�l val�, m�g az �jonnan k�pz�d�tt ennek kieg�sz�t� m�solata - a k�t DNS-molekula teljesen megegyezik. A szint�zis a prokari�ta bakt�riumokn�l egy ponton, az eukari�ta sejtekben ak�r t�bb ezer ponton is megindulhat. 3 percet vesz ig�nybe, jav�t� mechanizmusok.

A feh�rjeszint�zis

A nukleinsavak inform�ci�t hordoz� �s inform�ci�t �tad� k�pess�ge a sejtek feh�rjeszint�zis�ben nyilv�nul meg. Az inform�ci� a feh�rj�k fel�p�t�s�re vonatkozik. A feh�rj�k aminosavsorrendj�t v�gs� soron a DNS hat�rozza meg. Az inform�ci� �t�r�sa sor�n a DNS bizonyos szakaszair�l mRNS-molekul�k k�pz�dnek (DNS sz�tteker�se, egyik lem�sol�sa - akt�v) - l�nc alakul ki, ez a teljes mRNS-molekula fel�p�l�s�ig tart. �gy az mRNS a feh�rjeszint�zis hely�re tudja vinni a DNS-r�l �t�rt inform�ci�t. A feh�rjeszint�zishez sz�ks�ges aminosavak (aktiv�lt �llapotban) felv�tel�t �s sz�ll�t�s�t a tRNS-molekul�k v�gzik. Az aminosavak �sszekapcsol�sa polipeptidl�ncc� a ribosz�m�kon (feh�rje+rRNS) t�rt�nik. A l�nckezd�st mindig a metionin ind�tja. Hozz� kapcsol�dnak az aminosavak, mindaddig, m�g kialakul a teljes feh�rj�re jellemz� aminosav-sorrend, a STOP k�d. A folyamat befejez� l�p�se a kezd� metionin lehas�t�sa a polipeptidl�nc elej�r�l. Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana. A DNS b�zissorendje �s a feh�rj�k aminosav-sorrendje k�z�tt szoros, de nem k�zvetlen kapcsolat van. A DNS-ben az inform�ci� k�d form�j�ban tal�lhat� - ennek a k�dnak a jelei a b�zish�rmasok, amelyek egy-egy aminosavat fejeznek ki. 64-f�le b�zish�rmas j�het l�tre (20 aminosavra) - egy aminosavat t�bb b�zish�rmas is k�dolhat. Egy ind�t� �s h�rom l�ncv�gz�d�st z�r� b�zish�rmas is van k�z�tt�k. Az aminosav-k�dsz�t�r univerz�lis az �l�vil�gban, leolvas�sa 5'-3', �tfed�s-, kihagy�smentes.