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.
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 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.
0 megjegyzés:
Megjegyzés küldése