4.

4. A légzés sejtszintű alapjai

4.1. Az állati sejtek általános jellemzői

A sejtek általános jellemzői, a Prokarióta és Eukarióta sejtek összehasonlítása

A sejt az állati és növényi szervezetek legkisebb szerkezeti és működési egysége, melyek specializálódtak egyetlen feladat ellátására. Alapvető tulajdonságaik megegyeznek, azonban más ismérveikben eltérnek egymástól. Míg egy harántcsíkolt izom sejt az izom összehúzódását (kontrakció) és elernyedését (relaxáció) biztosítja, addig egy idegsejt információt továbbít.

Az állati, Eukarióta ("eu" – valódi és "karyo" – sejtmag görög szavakból) sejtek kialakulása evolúciósan a Prokarióta ("pro" – előtt) sejtekből vezethető le, melyek a tudósok szerint mintegy 3,5 milliárd évvel ezelőtt alakultak ki. Ezek a sejtek nem rendelkeznek "valódi sejtmaggal", ami azt jelenti, hogy az örökítő anyagukat nem veszi körül maghártya, amely képes lenne elhatárolni a sejt plazmájától, illetve más részeitől. Ezen tulajdonságukon kívül a Prokarióta sejtek fejlődéstanilag egy jelentősen fejletlenebb sejtnek tekinthetőek, mind méretükben, mind a strukturáltságukban, mind a sejtszervecskék számában és funkcióit tekintve. A 4. táblázatban találhatóak a jelentősebb különbségek, melyek a két sejttípus (Prokarióta, Eukarióta) között észlelhetők.

4. táblázat: A Prokarióta és Eukarióta sejtek összehasonlítása

Az Eukarióta sejtek kialakulását több elmélet is magyarázza, de napjainkban a legelterjedtebb ezek közül az Endoszimbionta elmélet. Eszerint a teória szerint az energiát termelő mitokondrium és a növényi színtestek Prokarióta sejtek voltak, melyeket nagyobb méretű Prokarióta sejtek bekebeleztek, de nem bontották le, emésztették meg. Velük szimbiózisban éltek, kihasználva azok energiatermelő képességét. Ezen elméletnek több sejtszintű bizonyítéka is van, például a mitokondriumot és a színtesteket körülvevő kettős membrán, illetve a sejtszervekben jelenlévő örökítő anyag (dezoxiribonukleinsav, DNS).

A felnőtt emberi szervezetben átlagosan 1014 számú sejt található, az átlagos sejt mérete 10-12 µm. A legnagyobb méretű sejt a petesejt, amely körülbelül tízszer akkora, mint egy átlagos sejt, így hozzávetőlegesen 100 µm.

Az állati sejt felépítése és a sejtszervecskék

Az állati sejteket kívülről a sejtmembrán (vagy másik nevén sejthártya vagy plazma membrán) határolja. A sejtmembrán vastagságát elektromikroszkópos felvételek alapján 60 nm-re becsülik. A membrán feladata, hogy elhatárolja a sejt többi részét a sejten kívüli tértől (extracelluláris mátrixtól), továbbá védelmet biztosítson például a kórokozóktól, illetve lényeges a szerepe az extra- és intracelluláris (sejten belüli) térbe irányuló anyagszállításban (transzportban) is. Azokat a folyamatokat, melyek során a sejtmembránon keresztül anyagok jutnak át, transzportfolyamatoknak nevezzük. A sejtmembrán felépítését tekintve egy kettős foszfolipid réteg (22. ábra), amely különböző típusú foszfolipidekből (foszfatidil-kolin, foszfatidil-szerin, foszfatidil-inozitol, foszfatidil-etanolamin) épül fel, melyek között még további membránalkotó a koleszterin, a felületi glikolipidek (például faj-, szövet-, sejt-, egyed specifikus jelölő molekulák) és a fehérjék (perifériás-, integráns- vagy transzmembrán fehérjék). Az integráns membrán fehérjék a membránba süllyedve találhatóak, át is érhetik azt (transzmembrán fehérjék, például a csatorna fehérjék), míg a perifériás proteinek a membrán felületén helyezkednek el, a membrán bármelyik oldalán előfordulhatnak. A harántcsíkolt izomsejtekben a sejthártyának egy speciális típusa található, ez a szarkolemma.

22. ábra: A sejtmembrán felépítése

A foszfolipidek amfipatikus molekulák, egy hidrofób farki rész (apoláros) és egy hidrofil feji rész (poláros) részből épülnek fel. A sejtmembrán amfipatikus tulajdonsága meghatározza az áteresztőképességet (permeabilitást), milyen anyagok képesek egyszerű diffúzióval keresztülhaladni rajta.

A sejtplazma (vagy másik nevén a citoplazma) a sejt alapállománya, mely a sejtmembrán által körülhatárolt teret tölti ki és számos sejtszervecskét (sejtorganellumot) tartalmazz. Fél-folyadék, gélszerű halmazállapotú, legnagyobb mennyiségben vizet (80-95 %) tartalmaz, de megtalálhatóak benne ionok (Ca2+, Na+, K+) és szerves molekulák (fehérjék, lipidek, szénhidrátok, DNS, ribonukleinsav – RNS -) is. Harántcsíkolt izom sejtben lévő változatát szarkoplazmának nevezik.

A sejtszervecskéket lehet csoportosítani aszerint, hogy membránnal határoltak, vagy membrán nem veszi körül azokat. A membránnal körülhatárolt sejtszervecskék legalább egyrétegű foszfolipid membránnal rendelkeznek, így nem érintkeznek közvetlenül a citoplazma állományával. Ebbe a csoportba tartozik: a mitokondrium, az endoplazmatikus retikulum, a Golgi készülék, a lizoszóma és a peroxiszóma.

A mitokondrium nagyjelentőségű sejtorganellum, számos biokémiai folyamat helyszínéül szolgál (23. ábra). Gyakran emlegetik, mint a sejtek "kazánját", utalva az itt zajló biokémiai folyamatokra. Kettős foszfolipid membrán határolja, a belső membránja redőzött, ezen redőzöttséget szokták krisztáknak is nevezni. A mitokondrium belső membránján található a terminális oxidáció elektron-transzportáló rendszere is, mely az adenozin-trifoszfát (ATP) szintézis fő helyszíne (lásd a 4.3. fejezetben). A különböző sejtek eltérő számú mitokondriumot tartalmazhatnak, például egy izomsejtben több ezer darab is lehetséges, míg fehér zsírsejtben jelentősen kevesebb található. A mitokondrium önálló DNS-sel rendelkezik, melyet mitokondriális vagy anyai DNS-nek szokás nevezni.

23. ábra: A mitokondrium felépítése

Az endoplazmatikus retikulumnak (ER) két típusa ismert a sejtekben (24. ábra), az egyik a simafelszínű ER (SER), a másik a durvafelszínű ER (DER). A SER legfontosabb feladata a zsírok szintézise, de termel szteroid hormonokat is. A lipidek az extracelluláris térbe kerülnek, apoláros természetük révén egyszerűen átlépnek a membránon. A DER nevét arról kapta, hogy felületén riboszómákat tartalmaz, melyek a fehérjék szintézisének helyszínei. Az ER-hez kapcsolt riboszómákon elsődlegesen a membránfehérjék és az extracelluláris fehérjék képződnek. A riboszómák felületén képződő fehérjék vezikulákba csomagolva továbbítódnak a Golgi készülékbe. Az ER a sejt belsejében lévő összetett membránrendszernek az egyik alkotója, a sejthártya, a sejtmaghártya és a Golgi készülék mellett. Fontos szerepe van a különböző anyagok sejtmag felőli transzportjában, a sejtplazma irányába. A harántcsíkolt izomsejtben a DER-nek egy speciális típusa található, melynek a neve szarkoplazmatikus retikulum. Fontos kiegészítő feladata a Ca2+ ionok raktározása, melyek nélkül az izom összehúzódási folyamata (kontrakció) nem tud lezajlani.

A Golgi készüléket (vagy másik nevén a Golgi apparátust) szokták a sejtek "postájának" is nevezni (24. ábra). A sejtben keletkező végtermékeket becsomagolja, membránnal veszi körül és ha nincsen szükség azokra, akkor exocitózissal kiürülnek a sejtből. A membránnal határolt különféle anyagokkal teli hólyagokat vezikuláknak nevezzük. (Az exocitózis egy többlépcsős folyamat, melynek során a sejt különböző anyagokat tartalmazó veziculákat ad le az extracelluláris térbe.) A sejtben keletkezett fehérjék és zsírok a készülék lumenébe kerülnek, keresztülhaladva rajta módosuláson mennek át. A fehérjék esetében ezt a poszt-transzlációs (átfordítódást követő) módosulásnak nevezzük. A folyamat során a lipidek és a proteinek szénhidrát vagy foszfát oldalláncokat kapnak. A módosulást követően a Golgi készülékből kikerülve becsomagolódnak és a sejt megfelelő részére irányítódnak. Három lehetséges helyre kerülhetnek, vagy a lizoszómához kerülve endoszómává válnak, vagy a sejtmembrán alkotói lesznek, vagy kiválasztódnak a sejtből.

A lizoszóma egy bontó enzimeket tartalmazó, membránnal körülvett vezikula (24. ábra). A membrán biztosítja, hogy a vezikulában található lizozim enzim ne károsítsa az intracelluláris tér egyes részeit. Működése során a lizoszóma az endocitózis folyamatával a sejtbe kerülő veziculákkal összeolvadva együttesen egy endoszómát hoz létre. (Az endocitózis egy többlépéses, ellentétes irányú folyamat, melynek során a sejt különböző anyagokat tartalmazó veziculákat vesz fel az extracelluláris térből.) Az összeolvadást követően az endoszómális vezikulák tartalmát a lizozim lebontja, vagy elpusztítja. A lebontott anyagokat a sejtek felhasználják, vagy kiválasztják, exocitózissal kiürítik a sejtből. A lizoszómáknak továbbá lényeges szerepe van a programozott sejthalál (apoptózis) folyamatában. Ha a sejtszervecskében lévő lizozim enzim a sejt belsejébe kerül, felemészti azt, a sejt elpusztul, így a lizoszóma épsége meghatározza a sejt élettartamát.

24. ábra: Az állati sejtek általános felépítése

A peroxiszóma felépítésében nagyon hasonlít a lizoszómához. Hasonlóan a másik sejtorganellumhoz egy enzimeket tartalmazó vezicula, melyben peroxid enzimek találhatóak. Feladata során a sejt egyes részeit elszeparálja a többitől (kompartmentalizáció), hogy megvédje a sejtet, például a nem megfelelően zajló anyagcseréjétől, annak termékeitől. Így ha a peroxiszóma funkciója zavart szenved, számos betegség, köztük a rákos megbetegedések nagyobb eséllyel alakulnak ki a sejtben. Másik hasonlóság a lizoszómával, hogy a peroxiszóma is képes endoszómákat kialakítani endoplazmatikus veziculákkal.

A sejtszervecskék másik típusa nem rendelkezik membránnal. Ide sorolhatóak: a riboszóma, a sejtváz és a sejtmagvacska (24. ábra).

A riboszóma a fehérje szintézisének, a transzlációnak a helyszíne. Az átíródás (transzkripció) során képződő hírvivő (messenger) RNS (mRNS) átfordítódik, a bázishármasok (triplet) információtartalma szerint aminosavak épülnek be, melyek elsődlegesen polipeptideket alkotnak. A polipeptidek különböző átalakulások után válnak funkcionális fehérjévé. A riboszómának két típusa van, az egyik a DER felületéhez kötötten található, míg a másik a sejtplazmában szabadon. A DER-hez kapcsolt riboszómán elkészülő fehérjék innen a Golgi készülékhez kerülnek, majd a sejtmembránhoz vagy az extracelluláris térben használódnak fel. A szabad riboszómák fehérjéi általában a sejten belüli használatra készülnek. Mindkét típusa két (nagy és kicsi) alegységből épül fel, ezekből mindkettő szükséges a fehérjék felépítéséhez. Egy sejtben számos riboszóma található.

A sejtváz (citoszkeleton) a sejt alapállományában található szilárdító struktúra, tubulusokból és filamentumokból épül fel. Ezeknek három fajtája van: a mikrofilamentumok, az intermedier filamentumok és a mikrotubulusok. Feladatuk a sejtalak kialakításában, a mozgásokban és sejtosztódásban van. Az állati sejtek aktív helyváltoztató mozgásában két sejtszervecskének van jelentős szerepe, melyek hasonlóan a sejtvázhoz mikrotubulusokból épülnek fel. Ezek a csilló (cilia) és az ostor (flagellum).

A sejtmag (nucleus) tartalmazza az örökítő anyagot, a DNS-t, illetve mint korábban említettük a mitokondrium is rendelkezik önálló DNS-sel. A DNS hordozza az információt, mely a sejtek működéséhez szükséges. Ezen információ nélkül a sejtosztódás, de a sejtekben zajló fehérjeszintézis is elképzelhetetlen. Nukleinsavon kívül fehérjék is találhatóak itt, melyeket együttesen kromatin állománynak nevezünk. A kromatin állomány lehet diszperz, szétszórtan elhelyezkedő, ekkor eukromatinnak nevezzük, illetve lehet kompakt, összesűrűsödő, ilyenkor heterokromatinnak hívjuk. A heterokromatin a sejt nyugvó fázisaiban jellemző, míg az eukromatin sejosztódáskor, illetve a fehérje szintézisben aktív sejtekre jellemző.

A sejtmagvacska (nucleolus) a sejtmag középső elkülönülő része, mely összetételét tekintve fehérjéket és RNS-t tartalmaz. Szerepét tekintve a riboszómák alegységei itt képződnek és innen transzportálódnak a sejtmag alapállományán (mátrixán) keresztül a sejtplazmába.

Ellenőrző feladatok:

  1. Sorolja fel, melyek a legfontosabb különbségek a Prokarióta és Eukarióta sejtek között!
  2. Mi a legelterjedtebb teória, mely magyarázza az Eukarióta sejtek kialakulását? Mi a teória lényege?
  3. Milyen szempont szerint csoportosítaná az állati sejtek sejtszervecskéit? A szempontok szerint csoportosítsa azokat!
  4. Sorolja fel a sejthártya felépítésében résztvevő anyagokat!
  5. Milyen közös jellemzője van a mitokondriumnak és a sejtmagnak?
  6. Mely sejtszervecskére/kékre jellemző a következő állítás? Membránnal körülvett vezicula, mely emésztő enzimeket tartalmaz.
  7. Mely sejtorganellumok bírnak esszenciális szereppel a fehérjék szintézisében?
  8. Sorolja fel az ER típusait és írja le a legfontosabb funkciójukat!
  9. Mely sejtorganellumra szokták mondani, hogy a sejt "postája" és miért?
  10. Sorolja fel a sejtmag és a sejtmagvacska legfontosabb feladatait!

4.2. A vörösvértest és a hemoglobin jellemzői és felépítése

A vörösvértest a légzési gázok szállítására specializálódott sejt. Egy vastartalmú fehérjét tartalmaz, a hemoglobint, amely az O2 és a CO2 megkötésére szolgál (25. ábra). A vörösvértest egy átlagos felépítésű sejtként kezdi az életét, azonban a vörös csontvelőben történő érése során elveszíti sejtmagját és a mitokondriumát, helyükre épül be a hemoglobin molekula. A többi sejttel hasonlatos kettős foszfolipid rétegből álló sejthártyával rendelkezik, melyen keresztül szabadon átáramolhat a víz, az O2, a CO2, a glükóz és még sok más anyag, azonban a hemoglobint nem engedi át. A sejthártya felületén találhatóak glikolipid molekulák, melyek a vércsoport antigének és meghatározzák az egyénre jellemző vércsoportot.

A vörösvértest alakja bikonkáv, oldalnézetben lapított korong alakú. Ez a forma hozzájárul ahhoz, hogy a térfogatához mért felülete nagy legyen. Nagy rugalmasságú, a sejtmag hiányában a sejt jelentős alakváltozásokra képes, ami nagyon fontos, ha kiskeresztmetszetű ereken (kapillárisok) kell áthaladnia. A vörösvértest pusztulásával a hemoglobin vas ionja a transzferrin transzportfehérje segítségével a vörös csontvelőbe kerül, ahol újabb vörösvértest előállításában vesz részt. A hemoglobin azon része, mely nem vesz részt az újabb vörösvértest képzésében, bilirubinná alakul, és a széklet színét adja.

A vér vörös színét is a hemoglobin molekulának köszönheti (25. ábra). Ha a hemoglobin oxigént köt (oxihemoglobin), akkor színe világos vörös, ha az oxigén leválik róla (deoxihemoglobin), akkor a vér sötétebb színű lesz.

25. ábra: A vörösvértest és a hemoglobin

A hemoglobin egy tetramer szerkezetű komplex fehérje. Négy polipeptid láncból áll, amelyek felépítésében 140 aminosav vesz részt. Kétféle polipeptid láncból, egy α és egy ß alegységből áll. Ez a két alegység két közel azonos felépítésű αß dimert alkot, melyben egy-egy α (α1, α2) és egy-egy ß (ß1, ß2) alegység van. A molekula alegységenként egy-egy hemet, összesen négy hem részt tartalmaz.

A hem résznek a négy pirrol gyűrűből felépülő porfirin váz az alapja, a pirrol gyűrűket metin csoportok kapcsolják össze. A hem középpontjában a vas-ion található, ami mind ferro (Fe2+), mind ferri (Fe3+) formában képes komplexet képezni. A ferro vas képes O2-t kötni, míg a ferri vas inkább a vizet köti. Egy hemoglobin molekula négy hem része, négy O2 megkötésére képes. Az O2 megkötésének hatására a molekulában térszerkezeti (konformációs) változás jön létre. Az α1ß1 és α2ß2 dimerek egymáshoz képest elmozdulnak és a deoxihemoglobinban jelen lévő α1ß2 és α2ß1 közötti kölcsönhatások megszűnnek. Az O2 megkötésével a vasion kimozdul a síkból az O2 irányába.

A hemoglobin O2 kötődését (affinitás) számos tényező befolyásolhatja. Az alacsonyabb pH csökkenti az O2 kötő affinitást, ezt a jelenséget Bohr-effektusnak nevezik. Minél intenzívebb egy sejtben az anyagcsere, a sejtlégzés folyamata, annál több O2-t ad le a hemoglobin a szöveteknek.

Fontos tudni, hogy a hemoglobin a CO2-t nem a hem részével köti, hanem a hemoglobin ß alegységének N-terminálisához kötődik, ahol kovalens kötéssel rögzül. A hemoglobin a CO2-t csak nagyon kis mennyiségben képes kötni, szerepe a CO2 szállításában elenyésző.

A hemoglobin molekula a légzési gázokon kívül a szén-monoxidot (CO) is képes megkötni és transzportálni. Ez a kötés kétszázszor erősebb, mint az O2-nel kialakított kapcsolata, így a hemoglobin nagyobb affinitással kapcsolódik a CO-hoz. Ezért jöhetnek létre CO mérgezések már kisebb mennyiségű CO belélegzése esetén is.

A magzati hemoglobin felépítése különböző a későbbi hemoglobin szerkezetétől, a ß alegység helyett γ lánc szintetizálódik, így αγ dimereket hozva létre. Ez a típus nagyobb affinitással köti az O2-t, mint a születés után jellemző forma, ennek következtében a magzati légzés, amely az anya vérében szállított O2-re épül, hatékonyabb, mint az anyáé, legalábbis a rendelkezésre álló O2 megkötése szempontjából. Születést követően kezdődik meg a ß alegység termelődése.

Ellenőrző feladatok:

  1. Melyek a vörösvértest és egy átlagos sejt felépítése között megfigyelhető legfontosabb különbségek?
  2. Milyen részekből épül fel a hemoglobin molekula?
  3. Mi az a Bohr-effektus? Jellemezze röviden!
  4. Miért veszélyes a CO mérgezés? Mi a jellemzője a CO és hemoglobin közötti kötésnek?
  5. Különbözik-e a magzati hemoglobin felépítése a születés utáni formától? Ha igen, jellemezze!

4.3. A sejtlégzés folyamata

i. A sejtlégzés folyamatáról általában és az adenozin-trifoszfát molekula

Az állati szervezetekben az életműködéshez szükséges energiát sejtjeink az elfogyasztott tápanyagok O2 jelenlétében történő lebontása, oxidációja során képesek előállítani. Ezt a folyamatot sejtlégzésnek nevezzük.

A szénhidrátok (szacharidok), a zsírok (lipidek) és a fehérjék (proteinek) katabolizmusa során nyeri a szervezet a kémiai energiát, amely elsődlegesen az adenozin-trifoszfát (ATP) molekula makroerg kötéseiben raktározódik (26. ábra). Hasonló a felépítése (szerves bázisban különbözik) a guanozin-trifoszfátnak (GTP), citidin-trifoszfátnak (CTP), uridin-trifoszfátnak (UTP) és a timidin-trifoszfátnak (TTP), továbbá az energiaértékükben is azonosak az ATP-vel. Ezen molekulákban a makroerg kötés felbomlása, hidrolízise, nagy negatív szabadentalpia változással jár. Energia szabadul fel, mely alapvetően háromféleképpen használódhat fel az élő szervezetekben. Egyrészt mechanikai munkára a vázizmok összehúzódásakor, másrészt kémiai munkára a különböző biomolekulák szintézisére a felépítő folyamatokban, harmadrészt szállító (transzport) folyamatokban, a különböző anyagok koncentráció grádienssel szemben történő aktív transzportjára.

Az ATP molekula első makroerg kötésének hidrolízisével adenozin-difoszfáttá (ADP) alakul, miközben egy foszfát csoportja lehasad és energia szabadul fel. A következő foszfát csoport hidrolízise során további energia szabadul fel, az ADP molekula adenozin-monofoszfáttá (AMP) alakul.

26. ábra: Az adenozin-trifoszfát molekula felépítése

A sejtlégzés három részfolyamatból áll. Az első részfolyamatban (27. ábra) a szénhidrátok lebomlása zajlik acetil-csoportig, majd az acetil-csoport egy Koenzim-A (KoA) molekulával kapcsolódik. Az így keletkezett acetil-Koenzim-A (acetil-KoA) a Citromsav ciklusba belépve, a mitokondriumban eloxidálódik. Az első és második részfolyamat során keletkező elektronok (e-), a redukált nikotinsavamid-adenin-dinukleotid (NAD) és flavin-adenin-dinukleotid (FAD) molekulák által szállítódnak a harmadik részfolyamatba, a Terminális oxidációba. Itt a légzési láncon végighaladva, légköri O2-nel reagálnak. Víz keletkezik és a nyert energia segítségével ATP szintézis zajlik.

A zsírsavak és az egyes aminosavak lebontása során is acetil-csoportok képződnek, melyekből a további lebontása során, a Citromsav ciklusban és a Terminális oxidációban energiát szolgáltató vegyület (ATP) képződik (27. ábra).

27. ábra: A szénhidrátok, a zsírsavak és az aminosavak lebontó folyamatai

I. Az első részfolyamat, a Glikolízis és a Fermentáció

A szénhidrátok lebontásának, a Biológiai oxidációnak, az első részfolyamata a Glikolízis (28. ábra). A folyamat a sejtplazmában zajlik, kiindulási anyag a szőlőcukor (glükóz).

A folyamat bruttó egyenlete:

Glükóz + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ → 2 Piroszőlősav + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

A Glikolízis egy tízlépéses folyamat, melynek végeredményeként acetil-csoport képződik. Az első lépés során a sejtbe kerülő glükózt a hexokináz enzim glükóz-6-foszfáttá alakítja, úgy hogy az ATP egy foszfát csoportját lehasítja. Az ATP-ből ADP keletkezik.

A második lépésben a glükóz-6-foszfát átalakul fruktóz-6-foszfáttá, a lépést a foszfoglükóz-izomeráz enzim katalizálja.

A harmadik lépésben a foszfofruktokináz-1 enzim által, újabb ATP hidrolízisével, a fruktóz-6-foszfát átalakul fruktóz-1,6-biszfoszfáttá.

A negyedik lépésben a hat szénatomból álló fruktóz-1,6-biszfoszfát széthasad két, három szénatomból álló szénhidrátra: a dihidroxiaceton-foszfátra és a glicerinaldehid-3-foszfátra. Ezen lépést a fruktóz-bifoszfát aldoláz katalizálja.

Ez a két vegyület képes egymásba átalakulni egy reverzibilis folyamat során, ez a Glikolízis ötödik lépése. Ezen lépéshez a triózfoszfát-izomeráz enzim szükséges.

A hatodik lépésben a glicerinaldehid-3-foszfát oxidálódik glicerinsav-1,3-biszfoszfáttá, miközben 2 e- kerül a NAD+-ra és 2 NADH képződik. Ezt a folyamatot glicerinaldehid-foszfát dehidrogenáz katalizálja.

A hetedik lépésben egy glükóz molekulára számítva 2 ATP szintetizálódik úgy, hogy a 2 glicerinsav-1,3-biszfoszfát 2 foszfát csoportja közvetlenül 2 ADP molekulára kerül, miközben glicerinsav-3-foszfát keletkezik. Az átalakuláshoz a foszfoglicerinsav-kináz enzim szükséges.

A nyolcadik lépésben a glicerinsav-3-foszfát foszfát csoportja áthelyeződik a második szénatomra és glicerinsav-2-foszfát képződik. A reakciót a foszfoglicerinsav-mutáz katalizálja.

A kilencedik lépésben a glicerinsav-2-foszfátból foszfoenol-piroszőlősav keletkezik vízkilépéssel, ehhez a foszfoglicerinsav-hidratáz (enoláz) enzim szükséges.

Végül a tizedik lépésben foszfoenolpiroszőlősav foszfát csoportját hasítva piroszőlősavvá alakul, miközben ADP-ből és a lehasított foszfát csoportból ATP keletkezik. A tizedik reakciót a piroszőlősav kináz enzim katalizálja. Ebben a lépésben, egy glükóz molekulára számítva 2 ATP keletkezik. A Glikolízis hetedik és tizedik lépésében az ATP keletkezését szubsztrát szintű foszforilálásnak nevezik.

28. ábra: A Glikolízis és a Fermentáció folyamata

Ezt követően a piroszőlősav a mitokondrium mátrixába szállítódik, ahol a piruvát dehidrogenáz enzimkomplex működése révén karboxil csoportját elveszti, 2 e- elvesztésével oxidálódik és kapcsolódik a KoA molekulához, így acetil-KoA képződik. A folyamatot oxidatív dekarboxileződésnek nevezzük. Ezután az acetil-KoA belép a Citromsav ciklusba.

A piroszőlősav kináz és a foszfofruktokináz-1 enzimek aktivitása szigorú allosztérikus és hormonális szabályozás alatt áll. A piroszőlősav dehidrogenáz enzim is allosztérikus reguláció alatt áll. Az allosztérikus szabályozás során az enzim aktivitását a folyamatban keletkező végtermék felhalmozódása gátolja meg egy negatív visszacsatolás során.

A Glikolízis teljes folyamata, valamennyi lépése csak O2 jelenlétében, aerob körülmények között játszódik le. Ilyenkor a folyamat lépéseiben NAD+-ból redukálódó NADH az e--okat a mitokondrium légzési láncának adja át (részletei a Terminális oxidáció részben).

Ha nincs O2, anaerob körülmények között a folyamatot Fermentációnak nevezzük (28. ábra). Ebben az esetben a NADH által szállított e--ok a piroszőlősavhoz kerülnek, amely a folyamat során tejsavvá (laktáttá) alakul. A folyamat megerőltető, nagy intenzitású testedzés során megfigyelhető. Hátránya, hogy a piroszőlősav nem oxidálódik acetil-csoporttá, nem folytatódik a folyamat a Citromsav ciklussal és a Terminális oxidációval, így egy glükóz molekula lebontásakor az energianyereség csupán 2 ATP. A termelődő tejsav a májba kerülve a Cori-körben képes visszaalakulni piroszőlősavvá, illetve glükózzá.

II. A második részfolyamat, a Citromsav ciklus (Szent-Györgyi-Krebs ciklus, Trikarbonsav ciklus, Citrát-kör)

A Citromsav ciklus a mitokondriumban lejátszódó nyolclépéses körfolyamat (29. ábra).

A folyamat bruttó egyenlete:

Acetil-KoA + 2 H2O + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi → 2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + +FADH2 + GTP

Az első lépésben a folyamatba belépő KoA által szállított acetil-csoportból és az oxálecetsavból citromsav képződik, a citromsav-szintáz enzim által katalizált kondenzációs, majd hidrolitikus reakcióban. A második lépésben a citromsav egy izomerizációs reakcióban izocitromsavvá alakul, mely reakciót az akonitáz enzim katalizálja. A harmadik lépésben az izocitromsavból izocitromsav-dehidrogenáz enzim katalízise révén α-ketoglutársav és CO2 keletkezik, miközben egy NAD+ molekula redukálódik. A negyedik lépésben az α-ketoglutársav dehidrogenáz enzim katalizálja az α-ketoglutársav szukcinil-KoA átalakulást, miközben CO2 és NADH képződik. Az ötödik lépésben a szukcinil-KoA hidrolízisével borostyánkősav (szukcinilsav) és KoA keletkezik. Ezt a reakciót a szukcinil-KoA-szintetáz enzim katalizálja, GDP-ből és szervetlen foszfátból (Pi) energiahordozó vegyület, GTP keletkezik (bioenergetikai szempontból hatása megegyezik az ATP-vel). A hatodik lépésben a borostyánkősav oxidációjával fumársav képződik FAD redukciója közben, mely folyamatot a borostyánkősav-dehidrogenáz katalizál. A hetedik lépésben a fumársavból víz addíciójával, egy H+ és OH- kapcsolódásával almasav keletkezik. Ezen lépést katalizáló enzim neve a fumaráz. A befejező nyolcadik lépés során az almasav a kiindulási oxálecetsavvá alakul, miközben NAD+ redukálódik NADH-vá, a reakciót az almasav-dehidrogenáz enzim katalizálja.

29. ábra: A sejtlégzés második részfolyamata, a Citromsav ciklus

A Citromsav ciklusban összességében a 3., a 4. és a 8. lépésben keletkezik a reakcióból e- kilépéssel a NAD+-ból NADH, illetve a 6. lépésben a FAD az e- akceptor molekula. A 3. és 4. lépés dekarboxilációs reakciók, melynek során CO2 keletkezik. Az 5. lépésben szubsztrát szintű foszforilációval GTP keletkezik.

III. A harmadik részfolyamat, a Terminális oxidáció

Ezen utolsó részfolyamatban történik az ATP szintézise, melynek molekuláris folyamata a kemiozmotikus modell alapján írható le (30. ábra). A Terminális oxidáció elekrtontranszportáló rendszere a mitokondrium belső membránján helyezkedik el. Az elektrontranszportáló légzési láncot négy nagyméretű fehérje komplex építi fel. A Glikolízis, a ß-oxidáció és a Citromsav ciklus során képződött redukált koenzimek (NADH, FADH2) szállítják az e--t és a p+-t a terminális oxidáció helyszínére.

Az első komplex a NADH-ubikinon - oxidoreduktáz fehérje, melyet szokás NADH- dehidrogenáznak is nevezni. A mitokondrium alapállománya felé néző kötőhelyeire a korábbi folyamatok során keletkezett NADH molekulák bekötődnek. A NADH által szállított e--ok az első komplexről a harmadik komplexre, az ubikinonra tevődnek át. Ezen komplexnek protonpumpa aktivitása is van, p+ juttat a mitokondrium alapállományából a membránközti térbe.

Az elektrontranszportáló rendszer második tagja a borostyánkősav-Koenzim Q oxidoreduktáz enzimkomplex, melynek része a Citromsav ciklus borostyánkősav dehidrogenáz enzime. A Citrát körben termelődő FADH2 által szállított e--ok a második komplexről hasonlóan az előzőhöz, az ubikinon molekulára kerülnek. Az ubikinon protonpumpa aktivitással nem rendelkezik.

A harmadik komplex az ubikinon-citokróm C oxidoreduktáz enzim. Az e--ok az ubikinonról a citokróm c-re kerülnek. A harmadik komplex ugyancsak protonpumpa aktivitással rendelkezik.

A negyedik komplex a citokróm-oxidáz, melynél a vízképződés zajlik.

Az e--k a légzési láncon vándorolva, energiát biztosítanak a p+ transzportjára a mitokondrium alapállományából a két membránja közti térbe. Mikor a p+-ok ATP szintázon keresztül beáramlanak a két membrán közti térből az alapállományba, energia generálódik, amely ADP és Pi kiindulási anyagokból ATP szintézisére fordítódik. A folyamatot az ATP-szintáz enzimkomplex katalizálja és ebben a reakcióban az ATP keletkezését oxidatív foszforilációnak nevezzük. Egy FADH2 molekula oxidációja során képződő 2 mol ATP, míg egy NADH molekula esetében 3 mol ATP keletkezik.

Egyetlen glükóz molekula oxidációja során 36 mol ATP keletkezik oxidatív foszforilációval, míg további 2 mol ATP szubsztrát szintű foszforilálással. Így összesen 38 mol ATP keletkezik egy glükóz lebontása során. A zsírsav molekula esetén mérete szabja meg a keletkező energia mennyiségét, például a palmitinsav esetében 131 mol ATP keletkezik.

30. ábra: A sejtlégzés harmadik részfolyamata, a Terminális oxidáció

a. A zsírsavak és az aminosavak lebontása, az egyes reakcióutak kapcsolata

A ß-oxidáció a zsírsavak lebomlásának a folyamata (31. ábra), amely a mitokondrium alapállományában zajló folyamat. Először a zsírsav a mitonkondriumba való belépése előtt ATP bomlása közben aktiválódik, tioéter kötés alakul ki a zsírsav karboxil csoportja és a KoA szulfhidril csoportja között. Ez a folyamata a mitokondrium külső membránján játszódik le és az acil-KoA szintetáz enzim katalizálja. Ezt követően az aktivált zsírsav a karnitin molekulához kapcsolódik, és a karnitin acil-karnitin formájában átszállítja a mitokondrium belső membránján. A reakciót a karnitin-aciltranszferáz I enzim katalizálja. A mitokondrium mátrixában a karnitin leválik a zsírsavról, amely újból a KoA-hoz kapcsolódik. Ehhez a lépéshez a karnitin-aciltranszferáz II enzim szükséges. Ezután a karnitin visszakerül a mitokondrium külső, sejtplazma felöli részére. Végül megkezdődik a zsírsav tényleges oxidációja, amely négy lépésből áll.

Az első lépésben KoA-hoz kapcsolt zsírsav (acil-KoA) oxidációja játszódik le, ezt a reakciót az acil-KoA dehidrogenáz enzim katalizálja. Az α (2.) és ß (3.) szénatomok között kettőskötés alakul ki, transz-enoil-KoA keletkezik, közben FAD koenzim redukálódik. A második, az enoil-KoA hidratáz enzim által katalizált lépés, melynek során víz addíciója zajlik, a ß szénatomhoz egy hidroxil-csoport kapcsolódik, az α és ß szénatomok közötti kettőskötés felbomlik és hidroxiacil-KoA keletkezik. A harmadik lépésben a hidroxiacil-KoA újból oxidálódik a ß szénatom hidroxil csoportja keto-csoportra cserélődik, NAD+ redukálódik és ketoacil-KoA keletkezik. Ezt a lépést a hidroxiacil-KoA dehidrogenáz katalizálja. A negyedik, befejező lépésben a ketoacil-KoA molekulában hasítás következik be az α és ß szénatomok között, a reakciót az acil-KoA aciltranszferáz enzim katalizálja.

Zsírsavban annyi hasítási ciklus játszódik le ahány kétszénatomos darabra lehet darabolni az eredeti molekulát. A végeredmény egy acetil-KoA és egy két szénatommal rövidebb acil-KoA.

31. ábra: A ß-oxidáció folyamata

Az aminosavak lebontása a sejtekben zajló folyamat (27. ábra), lényeges lépése az amino-csoport és/vagy a karboxil-csoport eltávolítása, mely lehetővé teszi az aminosavak más anyagcsere utakba való bekapcsolódását. Az egyik ilyen folyamat az oxidatív dezaminálás, melynek során az α-aminosav az aminocsoportját α-ketoglutaminsavnak átadja, így az glutamattá alakul, majd ez később oxidatív deamináción esik át és ammónia képződik.

Másik lehetőség, amikor egy α-aminosav egy α-karbonsavnak átadja az aminocsoportját. A korábbi aminosav karbonsavvá, míg a karbonsav aminosavvá alakul. Ez a folyamat megfordítható. Az aminocsoport átvitelét α-aminosavról egy α-karbonsavra a különböző amonitranszferáz enzimek katalizálják.

A harmadik lehetőség esetén a szerin és a treonin aminosavak direkt deaminációt hajtanak végre, az aminocsoportjuk leválik és közvetlenül átalakul ammóniává, a reakciót a szerin- és a treonin-dehidratáz katalizálja. Az α-aminosavakból pedig α-karbonsav lesz.

Az előzőekben említett átalakulások révén képesek az aminosavak belépni a Citromsav ciklusba, illetve piroszőlősavvá alakulva akár a Glikolízis folyamatába is.

Ellenőrző feladatok:

  1. Sorolja fel, hogy az állati szervezetek milyen biomolekulák lebontásával képesek energiát nyerni!
  2. Milyen kifejezés rövidítése az ATP? Melyek a legfontosabb funkciói?
  3. Sorolja fel a sejtlégzés három részfolyamatát és jellemezze röviden azokat!
  4. Milyen kifejezés rövidítése a NAD+, a FAD és a KoA? Mi a legfontosabb feladatuk?
  5. A Gikolízis mely lépéseiben képződik ATP, illetve redukálódik NAD+?
  6. Mi a fermentáció és milyen esetben következik be?
  7. A ß-oxidáció melyik lépéseiben zajlik dehidrogénezés? Jellemezze azokat!
  8. A Citromsav ciklusból mely anyagok és milyen mennyiségben távoznak? Ezek közül melyek vesznek részt a Terminális oxidáció folyamatában?
  9. Mit jelent a kemiozmotikus modell?
  10. 10. Foglalja össze a sejtlégzés folyamatát röviden!

4.4. A humán vér biokémiája

4.4.1. A humán vér általános jellemzői és alapvető összetétele

A felnőtt emberi szervezet ereiben átlagosan 4-5 liter vér kering folyamatosan. A vértérfogat függ az életkortól, a nemtől, a testtömegtől és a testösszetételtől is. Egy átlagos embernek 60-65 ml/ testsúly kilogramm (tskg) vére van. A vér pH értéke 7,35 - 7,45 közötti szűk tartományban változik, amely az enyhén lúgos kémhatású állományba tartozik. Viszkozitása nagyobb, mint a vízé.

A vér egy szállításra specializálódott testfolyadék, amely keresztülhaladva a tüdőn O2-nel dúsul, majd a nagy vérkörben a belekből felszívódó tápanyagokat és az O2-t szállítja egészen a sejtekig, biztosítva a működésükhöz szükséges tápanyagokat. Ezt követően felveszi és transzportálja a sejtekben keletkező bomlástermékeket és a CO2-t (részleteiben 2.1.8. fejezetben). A szállításon kívül jelentős szerepe van a szervezet védekezésében, a hőszabályozásban és a vérvesztés csökkentésében, mely funkcióját a véralvadás folyamatán keresztül fejti ki.

A vér egyszerre tekinthető egy szövetnek és egy testfolyadéknak. Szövet (módosult kötőszövet), hiszen számos sejtes elem (fehérvérsejtek, vörösvértestek) található benne, testfolyadék, mivel ezek a sejtek mind a folyékony vérplazmában találhatóak.

A vér összetételét a szervek, szervrendszerek működése jelentős mértékben befolyásolja. Ez az egyik oka annak, hogy napjainkban az egészségdiagnosztikai vizsgálatok nagy részét a vérből végzik. Az összetételt befolyásolja a tüdő működése, mely a vörösvértestek által szállított légzési gázok cseréjét biztosítja, a tápcsatorna, melyből felszívódó tápanyagokat a vér szállítja, a vese, amely a felesleges víztől és vízben oldott bomlástermékektől tisztítja a vért. A belső elválasztású (endokrin) mirigyek által termelt hormonok kiválasztása a vérbe történik és azon keresztül szállítódnak a célszervekhez. Számos, a vérben található anyag koncentrációja a hormonok által, negatív visszacsatoláson keresztül szabályozódik. Ilyen anyag például a vérben található glükóz.

A vér összetételét és funkcióját tekintve felbontható két részre, a vérplazmára és az alakos elemekre. A vérplazma a teljes vérmennyiség hozzávetőlegesen 55 %-a, míg az alakos elemek a fennmaradó 45 %-ot teszik ki (32. ábra). Az alakos elemek közé tartoznak a vörösvértestek, a fehérvérsejtek és a vérlemezkék. Az említett sejtes elemek eltávolításával jutunk a vérplazmához.

32. ábra: A vér összetétele

4.4.2. A vérplazma összetétele

A vérplazma a vér folyadék halmazállapotú része, melynek 90 %-át a víz alkotja, a további 10 %-át a különböző vízben oldott ionok és szerves molekulák (33. ábra). Egy fiatal felnőtt férfi esetében az átlagos vérplazma mennyisége 35 ml/ tskg.

A vérplazma legnagyobb arányban (7 %) fehérjéket tartalmaz, melyeknek többsége a májban termelődik. Ezek közül is a plazmában az albumin található legnagyobb mennyiségben (fehérjék 60 %-a). A fehérjék szerepet játszanak az erekben keringő víz visszatartásában, ezáltal a kolloid ozmotikus nyomás fenntartásában, illetve a zsírsavak, a bilirubin szállításában is fontos. A vérben található fehérjék másik típusa a globulinok, melyek heterogén csoportot alkotnak, és számos funkcióval rendelkeznek. Míg a B-limfociták által termelt immunglobulinok (γ-globulinok) az immunfolyamatokban, az α- és a ß-globulinok a zsírok, a szteroidok, B12 vitamin, hemoglobin és a fémionok (vas, réz) szállításában fontosak. A plazma fehérjék harmadik nagy csoportja a fibrinogén, amely a véralvadás folyamatában esszenciális funkcióval bír.

A vérplazma tartalmaz zsírokat is, melyek plazmában lévő szintjét leginkább a táplálkozás és a testmozgás befolyásolja, de örökletes tényezők is hatnak rá. A zsírok közül a plazmában a koleszterin található a legnagyobb koncentrációban, de foszfolipidek és a trigliceridek is nagymennyiségű alkotói. Ezeknél valamivel kisebb mennyiségben vannak jelen a szabad zsírsavak.

33. ábra: A vérplazma összetétele és az egyes alkotók aránya

A plazma tartalmazza továbbá a fehérjék bomlástermékeit (húgysav, kreatinin), számos szerves savat (piroszőlősav, tejsav, citromsav), melyek a sejtek anyagcsere folyamatainak termékei, illetve további, a bélcsatornából felszívódó tápanyagokat (glükóz, aminosavak).

Ezen testfolyadéknak lényeges alkotói a szervetlen vegyületek közül, a vízben oldott formában jelen lévő pozitív (kation) és negatív töltésű ionok (anion), melyek a kolloid ozmotikus nyomás kialakításában fontosak, de a szív, az ideg- és izomrendszer megfelelő működéséhez is lényegesek.

A kationok közül a nátrium ion (Na+) a legnagyobb mennyiségben jelen lévő, ezt követi jóval alacsonyabb koncentrációjával a kálium ion (K+, 5. táblázat). Mindkettő plazmában lévő mennyiségét a mellékvese kéregállományában termelődő aldoszteron hormon szabályozza. További, az előző kettőnél alacsonyabb koncentrációban jelen lévő kation a magnézium ion (Mg2+) és a kálcium ion (Ca2+), amely részben fehérjékhez kötött formában található. A Ca2+ mennyiségét két hormon, a Ca2+ szintet emelő parathormon és a csökkentésében szerepet játszó kalcitonin szabályozza. A vas- (Fe2+ vagy Fe3+), a réz- (Cu2+) és a cink-ionok (Zn2+) kisebb mennyiségben szükségesek számos enzim, fehérje felépítéséhez és működéséhez is.

5. táblázat: A vérplazmában előforduló leggyakoribb ionok

Az anionok közül legnagyobb mennyiségben a klorid ion (Cl-) található a vérplazmában, azt követi a bikarbonát-ion (HCO3-), amely a CO2 szállításában és a pH szabályozásában játszik szerepet, majd a hidrogénfoszfát-ion (HPO42-, H2PO4-), mely erős puffer hatással bír (5. táblázat). A jodid (I-) nyomokban szükséges a pajzsmirigy tiroxin hormonjának előállításához.

Az összes endokrin mirigy váladéka, valamennyi hormon megtalálható a vérplazmában. Az említett vegyületeken, molekulákon kívül még számos összetevője lehet a vérplazmának, melyek kisebb jelentőségük miatt itt most nem kerülnek említésre.

4.4.3. Az alakos elemek

A vér alakos elemei közé tartoznak a vörösvértestek, a fehérvérsejtek és a vérlemezkék. A vérben vörösvértestek találhatóak a legnagyobb arányban, a sejtes alkotók, mintegy 99 %-át teszik ki. Az összes többi sejttípus kevesebb, mint 1 %-át alkotja az alakos elemeknek (34. ábra). A vörösvértestek feladata a légzési gázok szállítása. A fehérvérsejtek a celluláris és humorális immunitásban vesznek részt, míg a vérlemezkék a véralvadás folyamatában lényegesek.

A fehérvérsejtek tovább csoportosíthatóak, aszerint, hogy rendelkeznek-e granulumokkal vagy sem. A granuláris fehérvérsejtek közé tartoznak a bazofil, eozinofil, neutrofil granulociták, míg az agranulociták csoportjába a T- és B-limfociták, valamint a monociták. A vérlemezkék a véralvadás folyamatában lényegesek.

Felnőttkorban mindegyik sejtes elem a vöröscsontvelőben képződik, azonban az embrionális élet során a szikhólyag és a máj is részt vesz a vérsejtek képzésében (hematopoiesis). A sejtes alkotók érése azonban különböző helyeken zajlik.

34. ábra: Az alakos elemek százalékos megoszlása

Ellenőrző feladatok:

  1. Sorolja fel a vér alapvető funkcióit!
  2. Melyek a vérplazma legfontosabb szerves és szervetlen összetevői?
  3. Sorolja fel a vérplazmában található legfontosabb fehérjéket és jellemezze röviden azokat!
  4. Sorolja fel a vérplazmában található kationokat és anionokat!
  5. Milyen sejtes alkotóit ismeri a vérnek? Csoportosítva sorolja fel azokat!
« Előző fejezet Tartalomjegyzék Következő fejezet »

Események

Jelenleg nincs aktuális esemény.

További események... »

Ajánló

A pályázat egyetemi oldala

Sporttudományi és Testnevelési Intézet

Sportközpont

TTK Tanulmányi Osztály

Szentágothai János Szakkollégium

Botanikus Kert

BTK-TTK Könyvtár

Egyetemi Könyvtár

Nyitott Egyetem

Táncoló Egyetem

Univ Pécs

TTK meteorológiai állomás