Az anyag- és energiaforgalom alapjai

Átírás

1 Az anyag- és energiaforgalom alapjai

2 Anyagcsere Tápanyagbevitel a szükségletnek megfelelően - test felépítése - energiaszükséglet fedezete Szénhidrátok, Zsirok, Fehérjék, Nukleinsavak, Munka+hő+raktározás Vitaminok, ionok

3 A kémiai reakciók alaptípusai; alapfogalmak energia különböző formák, egymásba átalakulhatnak, de nem veszhet el és nem is keletkezhet (energiamegmaradás törvénye) kémiai energia: olyan energia, amely a kémiai kötések és a molekulák formájában tárolódik exoterm reakció: több energiát termel, mint amennyit felhasznál (pl. hőtermelés) endoterm reakció: több energiát használ fel, mint amennyit termel (pl. párologtatás) aktivációs energia: a reakciópartnerek eredeti kémiai kötéseinek felbontása ahhoz, hogy az új reakció végbemehessen

4 helyzeti energia A kémiai reakciók alaptípusai; alapfogalmak helyzeti energia aktivációs energia a reakció indításához elnyelt energia a reakció lezajlásakor felszabaduló energia aktivációs energia katalizátor nélkül aktivációs energia katalizátor jelenlétében a reakciópartnerek energiája a termékek energiája a reakciópartnerek energiája a termékek energiája a reakció lefutása a reakció lefutása katalízis (katalizátor): olyan anyagok, melyek a kémiai reakciók lefolyását az aktivációs energiát csökkentve felgyorsítják (pl. enzimek)

5 A kémiai reakciók alaptípusai; alapfogalmak felépítő folyamatok (szintetikus reakciók, anabolizmus, asszimiláció) A + B AB lebontó folyamatok (katabolizmus, disszimiláció) AB A + B kicserélődési (helyettesítő) folyamatok AB + CD AC + BD reverzibilis (visszafordítható) folyamatok A + B AB

6 Szervetlen anyagok és oldatok egyszerű kémiai szerkezet, ált. nem tartalmaznak szénmolekulát (de pl. CO 2, HCO 3-, H 2 CO 3!) ionos vagy kovalens kötések testtérfogat ~ 55-60%-a víz, 1-2% szervetlen anyag víz (H 2 O) a legfontosabb szervetlen alkotóelem poláros - más poláros vegyületeknek jó oldószer - nagy kohéziós (összetartó) erő - disszociál: H 2 O H + + OH - vízkilépés (kondenzáció): vízmolekula kilépése pl. szintézis során hidrolízis: lebontásuk során a makromolekulák vízmolekulá(k) beépítése mellett kisebb egységekre bomlanak NaCl kristály hidratált Na + ion hidratált Cl - ion

7 Szervetlen anyagok és oldatok disszociáció: szervetlen anyagok oldódása vízben - sav: H + és anion (proton donor) - bázis: OH - és kation (proton akceptor) - amfoter: savként és bázisként is viselkedhet (pl. H 2 O) sav bázis só HCl + KOH sav bázis H + + Cl - + K + + OH - disszociált ionok KCl + H 2 O só víz ph: a folyadékok hidrogénion (H + ) koncentrációját fejezi ki (mol/l; a hidrogénion koncentráció negatív alapú logaritmusa) a skála 1-14 között ph=7: semleges; ph > 7: lúgos; ph < 7: savas

8 Szervetlen anyagok és oldatok ph: mol/liter savas semleges lúgos puffer: gyenge savnak (vagy bázisnak) és annak egy erős savval (vagy bázissal) alkotott sójának oldata (pl. H 2 CO 3 ) - állandó ph-értéket biztosít egy rendszerben - nagy mennyiségű savat/bázist képes befogadni anélkül, hogy az oldat ph-értéke nagymértékben megváltozna

9 Szerves anyagok mindig tartalmaznak szénmolekulát és ált. hidrogént is (C, H + O, N, S, P) kovalens kötések ált. makromolekulák, legtöbbször szénvázzal testtömeg ~ 38-43%-a a fontosabb funkcionális csoportok: hidroxil karbonil karboxil észter amino tiol vagy vagy vagy foszfát *R: változó molekularészlet, funkciós csoport

10 Szerves anyagok monomer - dimer - polimer izomer: azonos kémiai összetétel, de eltérő szerkezet glükóz (C 6 H 12 O 6 ) fruktóz (C 6 H 12 O 6 ) szénhidrátok (cukrok, glikogén, keményítő, cellulóz) testtömeg ~ 2-3%-a kémiai energia legfőbb forrása: ATP előállítás felépítő folyamatokban ált. kisebb jelentőség (de ld. dezoxiribóz - DNS!) C, H, O tartalom; 2:1 H:O (mint a víz...)

11 A szénhidrátok egyszerű cukrok: mono- és diszacharidok pentózok Monoszacharidok (édes ízt adók): C3: trióz; C4: tetróz; C5: pentóz; C6: hexóz; C7: heptóz hexózok dezoxiribóz ribóz diszacharidok: pl. szacharóz, laktóz, maltóz - hidrolízissel bonthatóak glükóz (szőlőcukor) fruktóz (gyümölcscukor) szacharóz galaktóz összetett cukrok: poliszacharidok - ált. nem édesek, vízben oldhatatlanok glikogén: glükóz monomerekből épül fel (máj, vázizom) keményítő (növények) cellulóz (növények; nem emészthető) glükóz + glikogén fruktóz glükóz monomer

12 A zsírok sovány felnőttekben testtömeg ~ 18-25%-a C, H, O tartalom, de arányaiban kevesebb O atom: vízben oldhatatlan (hidrofób; apoláros) jobb oldhatóságért poláros / hidrofil csoportok: pl. lipoprotein (zsírsav + fehérje); foszfolipid (zsírsav + glicerin + foszfát csoport) zsírsavak - triglicerid és foszfolipid szintézisben szerep, ill. lebontásukkal ATP termelés - telített és telítetlen: egyes és kettős kötések (cis/trans) palmitilsav olajsav

13 trigliceridek A zsírok - leggyakoribb a testben és a táplálékban is - glicerin (C 3 H 8 O 3 ) + 3 zsírsavláncból vízkilépéses reakcióval; 3 észter kötés glicerin zsírsav - halmazállapot a telítetlen kötésektől függ (zsír - olaj) - leghatékonyabb energiaraktár... - a többszörösen telítetlen zsírsavak (pl. omega-3, omega-6) egészségesebbek (de csak a cis! a trans még jobban árthat; ld. sütőolaj)

14 foszfolipidek A zsírok - glicerin + 2 zsírsavlánc + foszfát csoport - amfipatikus szerkezet: poláros fej + apoláros oldalláncok; ld. sejtmembrán foszfát csoport apoláros farok poláros fej apolár farok szteroidok - szteránvázas vegyületek: gyűrűs szerkezet - koleszterinből számos szteroid szintézise (pl. nemi hormonok) - gyengén amfipatikus: hidroxil csoport prosztaglandinok, leukotriének hidroxil csoport szénhidrát oldallánc 4 gyűrű koleszterin

15 A zsírok szerepe Nagy energiatartalmú vegyületek Esszenciális zsírsavak állati zsírokból vagy olajokból Koleszterin - nem tudja szintetizálni a szervezet Vitaminoknak oldószere ( -karotin, D, E, K vitamin) Zsírraktárak

16 A fehérjék sovány felnőttekben testtömeg ~ 12-18%-a C, H, O, N, (S) tartalom igen sokféle szerkezet és funkció (enzimek, motor és vázfehérjék, hormonok, ellenanyagok, szállító moleulák, stb) monomer: aminosav (20 féle) - eltérő oldallánc, eltérő szerkezet amino (NH 2 ) csoport R: oldallánc karboxil (COOH) csoport peptid kötés glicin tirozin vízkilépés (szintézis) peptid kötés hidrolízis glicin alanin glicilalanin (dipeptid)

17 Az aminosavak poláros, töltés nélküli töltéssel rendelkező töltés nélküli glicin alanin valin leucin cisztein metionin prolin izoleucin szerin treonin tirozin fenilalanin aszparagin glutamin hisztidin triptofán aszparaginsav glutamin -sav lizin arginin

18 A fehérjék másodlagos térszerkezet: - elsődleges - másodlagos - harmadlagos - negyedleges - hidrofób és hidrofil részek lehetnek egy fehérjén belül is a funkciós csoporttól függően elsődleges -hélix harmadlagos -redő negyedleges

19 sejtváz A fehérjék funkciói biokatalizátor reakció kötődés membránfehérjék

20 A nukleinsavak makromolekulák: DNS (dezoxiribonukleinsav) RNS (ribonukleinsav; rrns, trns, mrns) C, H, O, N, P tartalom monomer: nukleotid adenin - N tartalmú szerves bázisok: purinok (kettős gyűrű) guanin pirimidinek (egyes gyűrű) timin, citozin uracil (RNS) - pentóz: C5 cukrok; dezoxiribóz (DNS) vagy ribóz (RNS) - foszforsav (foszfát csoport; PO 4 3- ) nukleozid: szerves bázishoz kapcsolódó ribóz (adenozin, guanozin, timidin, citidin) T A C G

21 A DNS szerkezete 1953, Watson és Crick: kettős hélix - "spirális létra, 2 ellentétes DNS szál (kódoló/nem kódoló) - lánckonformáció: hidrogén hidak; A-T, G-C - észterkötés egy nukleotid foszfát csoportja és a következő nukleotid 3. szénatomja között: pentóz-foszfát váz - eltérő szerves bázisok: bázissorrend - Bázissorrend: eltérő szerves bázisok - replikáció: a DNS szál megkettőződése (DNS polimeráz) szerves bázisok adenin guanin timin citozin pentózfoszfát váz szerves bázisok adenin guanin timin citozin foszfát csoport dezoxiribóz hidrogén kötés első szál második szál

22 A kromoszómák szerkezete, osztódás Sejtosztódás Nem osztódó sejt RNS és fehérje szintézis pihenő vagy differenciálódott sejt DNS + fehérje = kromatin RNS és fehérje szintézis DNS megkettő -ződés Az interfázisú kromatin -eukromatin: kevésbé kondenzált (aktív (10%), inaktív) - heterokromatin: erőssen kondenzált

23 Az RNS szerkezete monomer: ribonukleotid dezoxiribóz helyett ribóz; timin helyett uracil (U) egy lánc, de a láncon belül kialakulhatnak H-hidak (spec. térszerkezet; "hajtű") mrns (messenger; hírvivő mrns) - fehérjeszintézis (transzláció) templátja rrns ( riboszomális RNS) - riboszómák alkotóeleme a fehérjék mellett trns ( transzfer RNS) - speciális "lóhere" térszerkezet; észter kötéssel specifikusan köt a szállítandó aminosavhoz - mrns-en lévő triplet (3 bázispár; kodon) felismerése: antikodon trns mrns

24 A kémiai energia tárolása - nagy energiájú kötések ATP: adenozin trifoszfát - ATPáz: ATP hidrolízise hidrolízis hidrolízis ATP ADP + P i AMP + PP i +H 2 O +H 2 O - ATP szintáz: ATP (újra)szintézise - központi jelentőség: mozgékony foszfátcsoport, nagy energiatartalom, kis méret kreatin foszfát: szintén nagyenergiájú kötés (főleg izomban) adenozin adenin ribóz 36 kj/mol energiafelszabadulás foszfát csoport adenozin difoszfát (ADP) adenozin trifoszfát (ATP)

25 A főbb lebontó útvonalak

26 A lebontó folyamatok energiatermelő folyamatok: - kémiai energia (ATP) raktározása vagy hőenergia felszabadulása redox folyamatok - oxidáció: egy atom vagy molekula elektronleadása - redukció: egy atom vagy molekula elektronfelvétele -2H tejsav H COOH C OH CH 3 oxidáció redukció +2H COOH C O CH 3 piroszőlősav NAD koenzimek a H szállítására: - NAD + / NADH (nikotinamid-adenin-dinukleotid; glükolízis, citromsavciklus) - NADP + / NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotidfoszfát; zsírsav és nukleotid szintézis) - FAD / FADH 2 (flavin-adenin-dinukleotid; citromsavciklus)

27 A szénhidrátok lebontása glükóz oxidációja: ATP termelés - biológiai oxidáció (sejtlégzés): oxigén felhasználásával 1. glükolízis: glükózból (C 6 ) 2 piroszőlősav (2 C 3 ) + 2 ATP + 2 NADH 2. acetil koenzima (2 C 2 ) készítés: 2CO 2 és 2NADH felszabadulás 3. citromsav (Szentgyörgyi-Krebs) ciklus: acetilcsoport több lépcsős oxidációja; 2 ATP + 4 CO NADH + 2 FADH felszabadulása (mitokondriumban) 4. terminális oxidáció: 6 O 2 felhasználásával NADH/FADH lépcsőzetes oxidációja; 32 ATP és 6 H 2 O felszabadulás : 1 glükóz 36 ATP + 6CO 2 + 6H 2 O - anaerob (O 2 nélkül) erjedés: 2 ATP/glükóz (+tejsav/etanol)

28 A biológiai oxidáció és az anaerob erjedés tejsav 2 C 3 (izom) 1 glükóz C 6 etanol 2 C2 1 glükolízis 2 piroszőlősav 2 AcetilkoenzimA kialakítása 2 Acetil koenzim A 2 C 3 2 C 2 3 citromsav (Krebs) ciklus 2 2 ATP NADH + 2 H CO 2 NADH + 2 H ATP CO 2 NADH FADH H + O 2 hiányában elektronok 4 terminális oxidáció e e 6 (baktériumok) 2 e O 2 CO 2 32 ATP 6 H 2O

29 Glukóz lebontás, ATP szintézis Anaerob körülmények: O 2 hiányában : 1 glükóz (C 6 H 12 O 6 ) 2 ATP + 2 tejsav + 2 ADP + P i Aerob körülmények: + 6 O : 1 glükóz (C 6 H 12 O 6 ) 2 36 ATP + 6CO 2 + 6H 2 O + 36 ADP + P i

30 A glükóz-átalakulás további lehetséges útvonalai glikogenezis - ha azonnali ATP termelésre nincs szüksége a szervezetnek, a felesleges glükóz glikogénné alakul és raktározódik (máj, vázizom) glikogenolízis - glikogén raktárak lebontása, glükóz felszabadítása a véráramba szükség esetén glükoneogenezis - glikogén raktárak kiürülése után glükóz előállítása egyes aminosavakból, tejsavból vagy glicerolból (zsírok) : glükózmolekulák re-(újra) szintézise

31 A zsírok lebontása zsírok glicerin + zsírsavak glükolízis oxidációs lépések: C2 lehasadás acilcsoportok koenzim A-hoz kapcsolódása; belépés a citromsavciklusba fehérjék A fehérjék lebontása aminosavak - aminocsoportok levágása, N kiválasztás/körforgás - emlősőkben karbamid (urea) keletkezése (főleg a májban) koenzim A-hoz vagy citromsavciklushoz kapcsolódás

32 nukleinsav A nukleinsavak lebontása nukleotidok pentóz átalakulás után glükolízisbe kapcsolódik aminocsoportok levágása, N kiválasztás/körforgás húgysav keletkezése (köszvényes megbetegedés) foszfátcsoport glükolízisbe kapcsolódik

33 Energia szolgáltató folyamatok AEROB ANAEROB (O 2 elég) (O 2 kevés) szénhidrát (38 db ATP) zsír (130 db ATP) fehérje (17 db ATP) (aerob - anaerob) (aerob) (aerob, normál esetben nem szolgáltat energiát) glikolízis béta - oxidáció oxidatív dezaminálás Izomsejtekben: oxigénadósság