A disszimiláció Szerk.: Vizkievicz András A disszimiláció, vagy lebontás az autotróf, ill. a heterotróf élőlényekben lényegében azonos módon zajlik. A disszimilációs - katabolikus - folyamatok mindig valamilyen nagyméretű, redukált szerves vegyületekből indulnak ki. Ezek leggyakrabban tartalék tápanyagok - lipidek, poliszacharidok -, makromolekulák. A lebontás során kisebb, alacsonyabb energiatartalmú vegyületek keletkeznek. A disszimiláció célja: egyrészt az energianyerés - ATP szintézis - a különböző életfolyamatokhoz, pl. mozgás, asszimiláció, másrészt az anyag átalakítás, mivel a katabolizmus köztes termékei kiindulásként szolgálnak különböző szerves vegyületek szintéziséhez. A katabolikus reakcióutak konvergensek, azaz összetartók. A legkülönfélébb anyagokból kiindulva lényegében azonos reakcióutakra terelődve bomlanak le az anyagok. Ebből következik, hogy bármilyen anyag teljes oxidatív lebomlása végső soron széndioxidot és vizet eredményez. A katabolikus folyamatok első lépése a makromolekulák lebomlása monomerekké, amely lejátszódhat mind a bélcsatorna üregében, mind a sejtek citoplazmájában: a keményítő és a glikogén glükózzá, a zsírok glicerinre és zsírsavakra, a fehérjék aminosavakra, a nukleinsavak nukleotidokra bomlanak. A lebontás eme első szakasza energia igényes, és a táplálékkal felvett anyagok esetén a bélcsatorna üregében játszódik le. A folyamat kémiailag hidrolízis! A monomerek a vérkeringés útján jutnak el a sejtekhez, amelyek azokat felvéve a citoplazmájukban, ill. a mitokondriumukban folytatják további bontásukat. A szénhidrátok lebomlása Központi jelentőségű anyagcsere folyamat: mert a szénhidrátok a növényekben elsődleges, állatokban másodlagos tartalék tápanyagok, a reakcióút köztes termékei - intermedierjei - több bioszintetikus útnak részei. A glükóz lebomlás 2 útja: a biológiai oxidáció, az erjedés. 1
A biológiai oxidáció A biológiai oxidáció akkor játszódik le, ha a glükóz lebomlás oxigén jelenlétében folyik, aerob körülmények között. A glükóz lebomlásának leghatékonyabb módja, melynek terméke a széndioxid és a víz. Három fő szakaszra osztható: a glikolízis, a citrát-kör, a terminális oxidáció. A glikolízis Glikolízisnek nevezzük a glükóztól a piroszőlősavig vezető reakciósorozatot. A glükóz lebomlás első szakasza. Nem kell hozzá oxigén, ezért az erjedési folyamatok részét is képezi. A sejtek citoplazmájában játszódik le. A glikolízis eredményeképpen a glükózból molekulánként keletkezik: 2 molekula piroszőlősav, 2 molekula ATP, 2 molekula NADH + H +. A glikolízis nettó energianyeresége 2 ATP glükóz molekulánként. A glikolízis lépései 1. Energiaigényes foszforiláció. A citoplazmában szabad állapotban található glükóz ATP bontásából származó foszforsavval kapcsolódik össze. glükóz + ATP = glükóz-6-foszfát 2. Izomerizáció, energiaigényes foszforiláció. Izomerizáció és újabb ATP felhasználásával járó energia igényes foszforilációval fruktóz-1,6-difoszfát keletkezik glükóz-6-foszfát + ATP = fruktóz-1,6-difoszfát 3. Bomlás fruktóz-1,6-difoszfát = 2 glicerin-aldehid-3-foszfát 4. Oxidáció és nem energiaigényes foszforiláció. Glicerin-aldehid-3-foszfát glicerinsavvá oxidálódik. Az oxidáció jelen estben H-leadást jelent, amelyeket NAD molekulák szállítanak el. Az oxidációval párhuzamosan, szabad foszfát csoporttal glicerinsav-1,3- difoszfáttá alakul. glicerin-aldehid-3-foszfát + P = glicerinsav-1,3-difoszfát + NADH + H + 5. Energia felszabadulással járó defoszforiláció. glicerinsav-1,3-difoszfát + ADP = glicerinsav-3-foszfát + ATP 6. Izomerizáció, dehidratáció, defoszforiláció. Ezt követően piroszőlősav keletkezik több lépésben. glicerinsav-3-foszfát + ADP = piroszőlősav + ATP 2
A piroszőlősavnál a reakcióutak szétágaznak. Amennyiben a lebomlás anaerob körülmények között zajlik, a piruvát az erjedés folyamatában alakul tovább (lásd később). Azonban, ha a disszimiláció oxigén mellett folyik, a reakcióút a citromsav-ciklusba vezet. Aerob körülmények között a piroszőlősav CO 2 és H vesztése mellet acetil-csoporttá alakul. Az acetil-csoport a KoA-hoz kapcsolódik, amely elszállítja a citrát-körbe. Piroszőlősav + KoA = acetil-koa + CO 2 + NADH + H + A piroszőlősav aerob bomlása és a további reakciók eukariótákban már a mitokondriumban, prokariótákban a citoplazmában játszódnak le. A citrát-kör, citromsav-ciklus, Szent-Györgyi-Krebs ciklus A citrát-kör lényege, hogy az acetil-csoport C-atomjai vízfelvétel mellett széndioxiddá alakulnak. A keletkezett széndioxid a légzés útján távozik szervezetből. CH 3 CO-KoA + 3 H 2 O = 2 CO 2 + 3 NADH + H + + FADH 2 Az oxidáció során felszabaduló hidrogének H-szállító koenzimekhez kapcsolódnak. 3
Az acetil-csoportot az oxálecetsav köti meg, miközben citromsavvá alakul. A ciklus során több lépésben távoznak a széndioxid molekulák, ill. a H atomok és a végén az oxálecetsav újra képződik. A folyamat energianyeresége minimális, mindössze egyetlen ATP (GTP) keletkezik acetil-csoportonként (glükózonként persze 2). A citrát-kör az anyagcsere egyik legfontosabb anyagelosztója. A folyamat köztestermékei különböző bioszintézisek kiindulási vegyületei. Az eddigi folyamatok során a glükóz C-atomjai széndioxiddá alakultak: piruvát acetil-koa átalakuláskor (2 CO 2 ), a citrát-ciklus során (4 CO 2 ). A glükóz hidrogénjei H-szállító koenzimekhez kapcsolódtak, NADH és FADH 2 - t képezve, amelyek nagy energiatartalmú vegyületek, mivel erősen redukáltak. Energiatartalmuk felszabadítása végső oxidációjukkal történik, amely a terminális oxidáció folyamatában valósul meg. A terminális oxidáció A terminális oxidáció lényege, hogy a NADH-ról származó elektronok - a fotoszintézis fényszakaszához hasonlóan - egy elektron transzportláncba kerülnek (citokrómok), ahol az elektronok áramlása energia felszabadulással jár, amely ATP szintézisére fordítódik. Az elektron transzportlánc utolsó tagja oxigént köt meg, így az elektronok végső soron az oxigénre kerülnek. Az így keletkezett oxidion az oldatban található protonokkal vízzé egyesül. Tehát a NADH szubsztrátoktól átvett protonjai és elektronjai egy bonyolult elektron transzportláncon keresztül jutnak el a végső elektronfelfogó molekulához, az oxigénhez. A teljes folyamatsort, a glükóztól a széndioxid és a víz keletkezéséig, sejtlégzésnek, biológiai oxidációnak nevezzük. 4
A biológiai oxidáció során felszabaduló energia közel 95 %-a a terminális oxidáció során szabadul fel, ami 34 mol ATP-t jelent 1 mol glükóz esetén. Ezen kívül a glikolízisben 2, a citrát-ciklusban is 2 ATP jön létre glükózonként. 1 NADH molekula oxidálásakor 3, 1 FADH 2 molekula oxidálásakor 2 ATP keletkezik. A lebomlás során összesen 10 NADH és 2 FADH 2 keletkezik glükóz molekulánként: glikolízis: 2 NADH acetil-koa keletkezésénél 2 NADH citrát-ciklusban 6 NADH + 2 FADH2 Összegezve: 10 x 3 = 30 ATP (NADH) 2 x 2 = 4 ATP (FADH 2 ) + 2 ATP a glikolízisből + 2 ATP a citrátciklusból Összesen 38 ATP glükózonként, ami átszámítva grammonként 17,2 kj energiát jelent. Az erjedés A glükóz anaerob körülmények mellett történő bontását erjedésnek vagy fermentációnak nevezzük. Az erjedésnek elsősorban mikroorganizmusokban pl. élesztőgombákban - van jelentősége, de magasabb rendűeknél állatok vázizmaiban - is előfordul anaerob körülmények között (izomláz). Az erjedés végterméke igen változatos lehet - tejsav, alkohol, vajsav, aceton, stb. A végtermékek redukált állapotú szerves vegyületek, amelyek még magas energiatartalmúak. A fermentáció során oxidáció nem történik, az energiafelszabadulás a molekulák átrendeződéséből származik. Az erjedés során csekély mennyiségű energia - glükózonként csupán 2 ATP - szabadul fel. Az erjedési folyamatok a sejtek citoplazmájában zajlanak. Legáltalánosabb a tejsavas és az alkoholos erjedés (ezenkívül: propionsavas, vajsavas, butanolos, stb.). A Pasteur-effektus szerint a sejtek aerob körülmények között oxidatív módon bontják a glükózt, azonban amennyiben nem áll rendelkezésre elég oxigén, anaerob fermentáció zajlik le. Ez a jelenség az ún. fakultatív anaerobok, mint pl. élesztő esetében tapasztalható. A biológiai oxidáció energia felszabadítása 19x hatékonyabb a fermentációnál, ezért anaerob körülmények között a mikroorganizmusok glükóz felhasználása sokkal nagyobb. 5
A tejsavas erjedés Anaerob körülmények között a glikolízisben keletkezett piroszőlősav a feleslegben felhalmozódó NADH-val tejsavvá alakul. Tejsavas erjedés zajlik: pl. a tejsavbaktériumokban, melynek során a tejben található laktózt tejsavvá alakítják. A savas kémhatás - a tej savanyodása - a tej fehérjéjét, a kazeint kicsapja, aminek következtében a tej kocsonyásodik (aludt tej). Az állati szervezetekben és az emberben a vázizomszövetben romló oxigén ellátottság esetén. A tartós izomösszehúzódás csökkenti az izmok oxigén ellátottságát, az oxigénhiány miatt az izmok működésükhöz az energiát tejsavas erjedéssel biztosítják. Az izmokban felhalmozódó tejsav - savas kémhatása folytán - fájdalmasan ingerli az idegvégződéseket. Ez az izomláz. Idővel a vérkeringés a májba szállítja a tejsavat, amelyből újra glükóz képződik a glükoneogenezis folyamatában, kortizol hormon hatására (ez az izomláz tejsavelmélete). Az izomláz kialakulásához hozzájárul még az erőkifejtés során elszenvedett mikrosérülések okozta gyulladás miatti fájdalom (sérülés elmélet). Az alkoholos erjedés Különféle heterotróf mikroorganizmusokban, baktériumokban, ill. élesztőgombákban zajlik, továbbá növények magvaiban a csírázás kezdeti szakaszában. A folyamat során a piroszőlősavból széndioxid kiválása mellett NADH redukciójával etilalkohol keletkezik. Alkoholos erjedés zajlik a bor keletkezésénél és a tészta kelésénél egyaránt. 6
A lipidek neutrális zsírok lebomlása Az állati szervezetekben a tartalék tápanyag szerepét elsősorban a lipidek töltik be. Ennek két oka van: a zsír vízmentes körülmények között tárolható (1g glikogén 2g vizet köt meg). Oxidációjukkor kétszer annyi energia szabadul fel, mint a glikogén oxidációjakor. Átlagos 7Okg súlyú egyén energiaraktára a következőkből épül fel: neutrális zsírok 42OOOO KJ fehérje (izom) 1O5OOO KJ glikogén 25OO KJ glükóz 168 KJ A testsúly kb. 16%-át adják a zsírok.(azonos energiakészlet glikogén alakjában való tárolása kb. 55 kg súlytöbbletet jelentene.) Energiatárolás tekintetében legfontosabbak a neutrális zsírok, lebomlásuk adja a májban, vesében, szívizomban, nyugvó vázizomban stb. az oxidációs úton keletkező energiának mintegy felét. Az agyban viszont nincs zsírsavoxidáció, a neuronok fő energiaforrása a glükóz. A táplálékkal a szervezetbe jutott zsírok vízben oldhatatlanok lévén cseppeket képeznek. A tápcsatornában az epe segíti elő, hogy a cseppek emulgeálódjanak, és a zsírbontó enzimek számára nagyobb felületen hozzáférhetőkké váljanak. A neutrális zsírok hidrolízisét a vékonybélben és a sejtekben a lipázok végzik. A felszívódás után a zsírok reszintetizálódnak a bélben. A keringés útján szállított neutrális zsírok fő gyűjtőhelye a zsírsejtek citoplazmája. A zsírsejtek képesek a zsírok szintézisére és szükség szerint mobilizálására, hogy az üzemanyag a véráram útján egyéb helyekre jusson. A mobilizáció első lépése a zsírok hidrolízise lipázok útján. A hidrolízis eredményeképpen a zsírok glicerinre és zsírsavakra bomlanak A keletkező glicerin glicerin-1-foszfáttá alakulva a glikolízisbe lép. A zsírsavak egy oxidációs spirálba kerülnek, melynek eredményeképpen a zsírsavak hosszú molekulái acetil-csoportokra esnek szét. Az acetil-csoportok a citrát-körbe bomlanak tovább. 7
A zsírsavak oxidációja A zsírsavak két szénatomos acetil-koa csoportokra esnek szét, mely folyamat lépései a mitokondriumban játszódnak le és röviden a következők: dehidrogénezés, vízbelépés, dehidrogénezés, acetil-csoport lehasadása és KoA-hoz kapcsolódása. A többi szénatom is hasonlóan, ún. oxidációs spirálban hasad le, ahol minden egyes fordulóban egy molekula acetil-koa keletkezik, amely a citrát-ciklusba lép. A zsírok lebomlása kb. 40 kj energiát szolgáltat grammonként. Aminosavak anyagcseréje Az állati szervezetben az aminosavak szerepe több irányú: a fehérjéket építik fel. ritkán energiaszolgáltatók, o glükózzá alakulnak (glükoneogenezis), o citrát-körbe lépve lebomlanak, koenzimek, hormonok, porfirinek előanyagai lehetnek. A szervezet aminosav készlete viszonylag állandó. A heterotróf szervezetek alapvetően 2 forrásból jutnak aminosavakhoz: 1. táplálékkal felvet fehérjékből, 2. saját maguk által előállított aminosavakból. 8
Az aminosavak egy részét a szervezet nem, vagy csak elégtelen mennyiségben képes előállítani, ezeket esszenciális aminosavaknak nevezzük, melyeket a táplálékkal kell felvenni. Emberben 9 ilyen aminosav ismert, mint pl. a fenil-alanin, lizin, metionin, valin stb. Általában az állati eredetű táplálék tartalmazza megfelelő mennyiségben és arányban az esszenciális aminosavakat. 1. A táplálékkal felvett fehérjék a tápcsatornában - a gyomorban és a vékonybélben - emésztődnek meg. A hidrolízist különféle emésztőenzimek végzik - pepszin, tripszin -, melynek eredményeképpen a fehérjék aminosavakra esnek szét. Az aminosavak felszívódva a vérbe kerülnek, amely a szövetekhez szállítja azokat. A szövetekben az aminosavak általában fehérjeszintézisben vesznek részt, ritkán lebomolva energiát szolgáltatnak. 2. A lebomlásra kerülő aminosavak másik forrása a szervezet fehérjéinek bomlása. Az aminosavak bomlása Általában a N-tartalmú rész lehasadásával veszi kezdetét. 1. Az aminocsoport leválasztása a májban és a vesében történik. Az NH 2 -csoport eltávolítása transzaminálással, vagy dezaminálással történik. A) A transzaminálás során az aminocsoport egy ketosavra (alfa-ketoglutársav) kerül át, amelyből ily módon aminosav (glutaminsav) keletkezik, az eredeti aminosavból pedig ketosav. Ebben a reakcióban az -NH 2 -csoport nem vész el, újra felhasználódik. B) A dezaminálás során a N-tartalmú részlet ammónia formájában lehasad. Az enzimek koenzimként NAD + -ot használnak. A májban zajló dezaminálással lehasított aminocsoport NH 4 +, karbamid (urea) vagy húgysav alakjában a vizelettel kiürül. 9
2. Az aminosavak N-mentes szénláncának a sorsa Az aminosav típusától függően különböző lehet: keletkezhet piroszőlősav, képződhet acetil-koa, a citrát-ciklus köztes termékeivé alakulva - pl. oxálecetsav - a citrát-körben bomlik le. Az aminosav disszimiláció ezen útvonalai lehetőséget biztosítanak arra, hogy a lebomló aminosavak szükség esetén átalakuljanak szénhidrátokká vagy zsírokká. A nukleinsavak lebomlása A nukleinsavak a tápcsatorna középbéli szakaszában emésztődnek meg nukleázok hatására. A hidrolízis eredményeképpen nukleotidokra esnek szét. A nukleotidok nukleotidázok hatására nukleozidokra és foszforsavra bomlanak. A bélből nukleozidok formájában szívódnak fel. Nukleozidok bomlása Első lépésként a N-tartalmú rész hasad le, amely vagy újrahasznosul, vagy karbamid, ill. húgysav formájában kiürül. húgysav Amennyiben a húgysav a szövetekben felhalmozódik, lerakódik, kikristályosodik, a köszvény kialakulását eredményezheti. karbamid A megmaradó pentózok a glikolízisben bomlanak le. 10
A prokarióták anyagcseréjének áttekintése (Kiegészítő tananyag, szigorúan!) A prokarióták anyagcseretípusait energiaforrás és szénforrás szerint különbözetjük meg. Szénforrás szerint elkülönítjük az autotrófokat és a heterotrófokat. Energiaforrás szerint elkülönítjük a fototrófokat és a kemotrófokat. Ha az elektrondonor szerves vegyület organotrófokról, ha szervetlen vegyület litotrófokról beszélünk. Ha az e - akceptor O 2 aerob, NO 3 -, SO 4 2-, H + anaerob, szerves anyag anaerob. légzők fermentálók Autotrófok olyan szervezetek, amik növekedésükhöz szaporodásukhoz kizárólag CO 2 -t használnak C forrásként. Alábbi típusokat különbözetjük meg az autotróf anyagcseréjű baktériumokon belül. AUTOTRÓFIA Kemolitotrófok: kémiai energiát használnak fel, e - donorjuk szervetlen. Minden kemolitotróf baktérium légzést folytat, kén-, hidrogén-, vasoxidáló, nitrifikáló baktériumok. Fotolitotrófok: fényenergia hasznosítás, e - donorjuk szervetlen. Anaerob fototrófok: e - donorjuk: H 2 S, bíborbaktériumok. ELEKTRONDONOR MIKROORGANIZMUS H 2 H 2 O H-oxidáló b.-k H 2 S S 0 színtelen kénb.-k S 0 2- SO 4 színtelen kénb.-k Fe 2+ Fe 3+ vasb.-k NH 4 + NO 2 -, NO 2 -, NO 3 - HPO 3 2- HPO 4 2- nitrifikáló b.-k nitrifikáló b.-k foszfit-oxidáló b.-k Aerob fotoszintetizálók: elektrondonor: H 2 O, pl: zöldbaktériumok, kékbaktériumok. 11
HETEROTRÓFIA: szerves szénforrás hasznosítás. kemoorganotróf heterotróf: kémiai energiahasznosítás, pl. ilyen a legtöbb kórokozó baktérium. fotoorganotróf heterotróf: fényenergia hasznosítás, e - donor: szerves, pl. bíbor kénbaktériumok, zöld nem kén baktériumok, halobaktériumok. FERMENTÁCIÓ: az elektrondonor és az akceptor is szerves. Az energiaszolgáltató oxidációs-redukciós reakciók 5 alapvető csoportja (A kemotróf prokarióták típusai) elektron akceptor elektron donor O 2 aerob légzés egyéb szervetlen: NO 3 -, SO 4 ², CO 2 anaerob légzés szerves vegyületek anaerob, fermentáció szerves organotróf szervetlen litotróf szerves anyagok elégetése aerob légzés útján: ox glükóz CO 2 e- red O 2 H 2 O pl. E. coli I. aerob légzés szervetlen e- donorokkal szerves anyagok elégetése anaerob légzés útján ox tejsav CO 2 e- red SO 4 ² H 2 S pl. szulfátredukálók: Desulfovibrio II. anaerob légzés szervetlen e- donorral szerves anyagok fermentációja glükóz 2 piruvát 2 tejsav pl. Streptococcus lactis III. NH 3 NO 2 - e- O 2 H 2 O + CO 2 a szénforrás H 2 S SO 4 ² e- NO 3 - N 2 +CO 2 pl. Nitrosomonas sp. nitrifikálók IV. pl. Thiobacillus denitrificans denitrifikálók (autotrófok) V. Az összes parazita mikroorganizmus az I-es vagy a III-as típust alkalmazza. Fentiek alapján az alábbi anyagcsere típusokat lehet megkülönböztetni aerob fotolitotróf autotróf pl. növények, cianobaktériumok, anaerob fotolitotróf autotróf pl. zöld kénbaktériumok, fotoorganotróf heterotróf pl. bíbor nem kénbaktériumok, aerob kemolitotróf autotróf pl. nitrifikálók, Nitrosomonas europae, anaerob kemolitotróf autotróf pl. archeák: Thiobacillus denitrificans, aerob kemoorganotróf heterotróf pl. E. coli, sok eukarióta, anaerob kemoorganotróf heterotróf pl. Desulfovibrio sp. 12
A tanulást segítő ábrák 13
14
Egy kis mazsolázáshoz 15