Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
A kémiai energia átalakítása a sejtekben A sejtek olyan mikroszkópikus képződmények amelyek működése egy vegyi gyárhoz hasonlítható. Tehát a sejtek mikroszkópikus vegyi gyárak. Mi mindenben hasonlítanak a sejtek a vegyi gyárakra? Először is, a gyárakhoz hasonlóan a térnek egy szigorúan meghatározott részét foglalják el, amit a külvilágtól, akárcsak a gyárat a gyárfal, a sejtmembrán választ el (gyakran sejtfal is van). A környezettől való elhatárolódás nem jelent elszigeteltséget, hiszen akárcsak a gyárak a sejtek is intenzív anyag és energia forgalomban állnak környezettükkel. A sejtekbe tápanyag molekulák lépnek be és a salakanyagok hagyják el. Az ilyen környezetükkel anyag és energia kapcsolatban álló rendszereket nyílt rendszereknek nevezzük. Tehát a gyárak és a sejtek is nyílt rendszerek. Mi történik a gyárak és a sejtek belsejében? Egészen általánosan fogalmazva anyag- és energia-átalakítás történik.
sejtmembrán
Mik végzik ezt az anyag és energia átalakítást? A gyárakban gépek dolgoznak, a sejtekben pedig enzimek. Az enzimek fehérje molekulák, amik kémiai reakciókat katalizálnak, amik (kis) miniatűr gépeknek tekinthetők. Mik ugyanis a gépek? A gépek hasznos munkát végző szerkezetek, amik valamilyen információ alapján készülnek. A gyárakban 1
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
levő gépek az emberi tudásban felhalmozódott információ, a fehérjék pedig a sejtekben tárolt információ alapján készülnek. Ez az információ a sejtekben nukleinsavakban, pontosabban DNS-ben tárolódik. Van azonban egy döntő különbség a sejtek és a hétköznapi gyárak között. A sejtek minden gépet (enzimet), amire szükségük van, maguk elő tudnak állítani, a gyárak pedig inkább beszerzik azokat. Vagyis a sejtek a legcsodálatosabb vegyi gyárak. Mindezeket összefoglalva, a sejtek olyan mikroszkópikus vegyi gyárak, amik a DNS-ben kódolt információ alapján előállított enzimekkel kémiai energiaátalakítást végeznek. Az információ és az energia az élő sejtek két legfontosabb aspektusa. A XX. században nagyon sok Nobel díjat adtak a sejtek információ két legnagyszerűbb ötlete a biológiában a sejtek információ tároló és energia-átalakító szerepével kapcsolatos. A DNS kettős spirál szerkezetének felderítéséért Watson és Crick (Wilkins-sel együtt) kaptak Nobel Díjat. A sejtek energia-átalakításának megismeréséért számos Nobel-díjat adtak, többek között az egyiket Szent-György Albert kapta. Ezek közül csak egyről fogok beszélni, az energia átalakítás egyik alapvető mechanizmusának felderítéséről, ami Peter Mitchell nevéhez fűződik, aki 1978-ban Nobel díjat kapott. Ez lesz előadásom témája: a második legnagyobb ötlet a XX. Század biológiájában. Nézzük ezek után milyen folyamatok játszódnak le pontosan az élő sejtben mint pl. egy baktériumban. A sejt a felvett tápanyag molekulákat, mint pl. a glükózt kis más kis molekulákká alakítja. A kis molekulák sorsa alapvetően kétféle lehet:
tápanyag
makromolekulák
CO2
H2O
végtermékek
2
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
1. vagy elég CO2-á és vízzé, 2. vagy a kismolekulák egymással összekapcsolódva (polimerizálódva) makromolekulákat képeznek, mint fehérjék, RNS, DNS vagy poliszaharidok. Nézzük akkor most ezen kémiai folyamatokat energetikai szempontból. A világon minden folyamat az alábbi két kategóriába egyikébe sorolható: 1. Energia felszabadító folyamatok: során energia szabadul fel és ezért ezek spontán lejátszódó folyamatok. Ilyen pl. hogy a kövek legurulnak a hegyoldalról. Ez persze nem jelenti azt, hogy ezek a folyamatok minden külső beavatkozás nélkül lejátszódnak. Ha ez így lenne akkor nem lenne hegy a Földön. A kő ugyanis lehet egy gödörben és ilyenkor aktiválni kell, hogy leguruljon (meg kell rugdosni). 2. Ezzel szemben az energia igényes folyamatokat mint pl. egy vizes vödör felemelkedése a földről, hiába aktiváljuk, akkor sem játszódnak le spontán. Ilyen folyamatok bekövetkezése ugyanis nem teljesen valószínűtlen, de nagyon kicsi. Hogy a vizes vödör magától felemelkedjen ahhoz minden vízmolekulának egyszerre felfelé kellene elmozdulnia, ami minden 10 millió évben egyszer következik be. Ennek ellenére a vizes vödör simán felemelkedhet, de sokkal egyszerűbb nem megvárni amíg ez spontán lejátszódik, hanem összekapcsolni egy energia felszabadító folyamattal, mint pl. a hegyről leguruló kövekkel. Ehhez nem kell más mint az ábrán látható gép, aminek nem tudom mi a neve, legyen herkentyű és ezzel a két folyamat összekapcsolható. Mi tehát a tanulság? Energia felszabadító és felhasználó folyamatokkal géppel összekapcsolhatók.
energia felszabadító folyamat
energia igényes folyamat
HÕ
hõ
3
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
Térjünk akkor most vissza a sejtben lejátszódó folyamatokhoz. A tápanyag molekulák elégetése egy spontán folyamat, ami energiafelszabadítással jár. Ez azért van így mert a CO2 és a víz sokkal alacsonyabb energiával rendelkeznek, mint a pl. glükóz vagy ezek a molekulák itt. Ezzel szemben a makromolekulák építőegységeinek összekapcsolása (polimerizálása) egy energia igényes és ezért nem spontán folyamat. Azért mert vízkilépéses folyamat vizes közegben nem kedvezményezett. Ennek ellenére simán lejátszódhat csak energiát kell befektetni. Ez egyszerűen megoldható, ha a tápanyag molekulák elégetése során felszabaduló energiát a sejt a felhasználja a polimerizálásnál. Az előbb láttuk, hogy energia felszabadító és felhasználó folyamatok egyszerűen összekapcsolhatók. A sejtben ezek nem közvetlenül, hanem csak közvetve vannak összekapcsolva egy energiát szállító kis teherautón keresztül. Az energia felszabadító folyamatok energiája a teherautó energiával való feltöltésére fordítódik, ami aztán a makromolekula szintéziseknél használódik fel.
tápanyag
makromolekulák energia
CO2
H2O
végtermékek
Mi szállítja az energiát a sejtben a lebontó folyamatoktól az energia igényes szintézisekhez? A sejtekben a kis teherautó az adenozindifoszfát. (ADP). Ha az ADP-hez még egy további foszforsav kacsolódásával ATP jön létre. Az ATP-nek a hidrolízise ADP-re és foszforsavra energia felszabadulással járó reakció. Éppen ezért az ATP ADP-ből és foszforsavból képződik, de ehhez viszont energiára van szükség. Ezek után a kérdés a következő. A sejtekben a tápanyag-molekulák lebontása révén energia szabadul fel, aminek egy részét ATP-ben
4
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
tárolják. Hogyan valósul ez meg? Egy energia felszabadító reakció miként kacsolható össze az energia igényes ATP szintézissel?
adenin
adenin
ribóz
ribóz
+
Nézzünk erre egy egyszerű példát: vegyünk egy aldehidet, amit ha eloxidálunk akkor egy karbonsavat kapunk. Ez egy energia felszabadulással járó reakció. A glükóz lebontás folyamatának egyik lépése az hogy glicerin-aldehid-3-foszfát keletkezik. Ez úgy oxidálódik vagyis dehidrogéneződik a sejtekben, hogy két hidrogént lecsippentenek róla. Az elektronok egy NAD nevű molekulára kerülnek, ami két elektron felvételére alkalmas molekula. A sejtekben ez a reakció amikor lejátszódik közben egy ATP szintetizálódik, vagyis a reakcióval párhuzamosan lejátszódik az energia igényes alábbi reakció, az ATP szintézise. Hogy van a sejtekben ez a két reakció összekapcsolva? Úgy hogy a GlcA-3-P nem vízzel hanem foszforsavval reagál miközben oxidálódik. Ennek eredményeként GlcS-1,3-P2 keletkezik. Ezt követően pedig a GlcS-1,3-P2 reagál ADP-vel és megkapjuk a GlcS-3-P és az ATP-t mint végtermékeket. Ez a közös közti termék képződés elve. A két reakció egy közös közti terméken keresztül van összekapcsolva.
5
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
Energia felszabadító folyamat: H
O
O
C
OH C
H-C-OH
H-C-OH + NADH
NAD+
+ H2O +
CH2O P
+ H+
CH2O P
Energia igényes folyamat:
ADP +
ATP
Pi
+ H2O
A két folyamat összekapcsolása közös közti termékkel: H
O
O
H-C-OH +
NAD+
H-C-OH +
+ Pi
O
OP
OH C
C H-C-OH
NADH + H+
CH2O P
CH2O P
O
OP C
C
+
H-C-OH
ADP
ATP
CH2O P
CH2O P
A sejtekben a legtöbb az energia akkor szabadul fel, amikor a redukált NAD koenzimek oxidálódnak molekuláris O2-el. Ez a folyamatban nem a baktérium sejtek belsejében (citoplazmájában), hanem azok membránjában játszódik le és ez jelenti a tápanyag molekulák végső oxidációját (amikor azok H-jei oxigénnel oxidálódnak), ezért terminális oxidációnak nevezzük. Amint azt már említettem a NAD két elektront képes felvenni. A NAD ezeket az elektronokat a terminális oxidáció során átadja a sejtmembránban elhelyezkedő nagy fehérje komplexnek, ami azt tovább adja az ott elhelyezkedő társainak. Ezek együtt egy ún. elektrontranszport láncot alkotnak, ami teljesen olyan mint egy elektromos vezeték. Az elektron végső akceptora a molekuláris oxigén. Miután az oxigén redukálódott az elektronok által, akkor az oldatból protonokat vesz fel és víz keletkezik. A folyamat neve légzés és úgy is hívják, hogy légézési elektrontranszport lánc. Tulajdonképpen tehát hidrogének egyesülnek oxigénnel és víz keletkezik, vagyis a durranó gáz reakcióval van dolgunk. A folyamat azonban nem robbanásszerűen játszódik le, hanem szép lassan, kis lépésekben és az apró lépésekben 6
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
felszabaduló energia nagy része ATP szintézisére tud fordítódni. Minden pár elektron végighaladása a láncon 2-3 molekula ATP szintézisét eredményezi. De hogyan ? Terminális oxidáció 1. légzési komplex
2. légzési komplex citokróm c
3. légzési komplex
mebrán (lipid kettősréteg)
2eNADH
H2 O
ubikinon
2H+ + 1/2O2
NAD+
H2 durranógáz reakció
1/2O2
H20
Van tehát egy elektromos áramkörünk aminek katódja a redukált NAD és erről elektronok folynak az O2 felé, ami az anód. Ez az elektronáramlás hasznos munkát végez a sejt számára, mert a kis energiájú ADP-t nagyenergiájú ATP-vé alakítja. Egy hétköznapi áramkör esetében ezt a hasznos munka végzést egy kis elektromos pumpával meg lehet oldani, amivel vizet pumpálhatunk magasabb (tehát nagyobb helyzeti energiájú) helyre.
ATP 2H2O O2
ADP + Pi
pumpa NADH NAD+
Mi a pumpa? Hogyan kapcsolódik az elektrontranszport az AT szintézissel ?
kemiozmózisos hipotézis (1961): - az elektrontranszport lánc protonokat (H+) pumpál a membránon keresztül és ezáltal proton-gradienst hozz létre. - a proton-gradiensben tárolódik az elekrtontranszport során felszabadult energia. - a proton-gradiens ATP szintézist eredményez. Peter Mitchell (1920-1992)
7
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
1961-ben egy angol biokémikus, nevezetesen Peter Mitchell azzal a meghökkentő ötlettel állt elő, hogy a sejtek membránjában is egy kis elektromos pumpák működnek, amik az elektronáramlása során felszabaduló energiát ATP szintézisre fordítják. Ez a pumpa azonban nem vizet hanem hidrogén ionokat, protonokat pumpál a membránon keresztül. Ez annyira meghökkentő volt, hogy senki sem hitt neki. Ez jól kiviláglik abból a tényből, hogy csak 1978-ban kapott kémiai Nobel díjat. De nézzük az ötletet pontosabban. H+
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+ H+
H+ H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
A protonok nem tudnak átmenni a biológiai membránon, mert az csak az töltött molekulákra nem átjárható. Ennek az a magyarázata, hogy a membrán belseje hidrofób (apoláros), ezért csak az apoláros molekulákat engedi át. A membránba épült fehérjék(ún. membrán fehérjék) azonban átvihetnek protonokat a membránon, mert azok el tudják rejteni azok pozitív töltését. Mitchell azt feltételezte hogy ez a három komplex viszi át a protonokat. Mire jó hogy protonokat szállítanak a membránon keresztül? Tételezzük fel, hogy először egyforma a proton koncentráció (pH) a membrán két oldalán. Ha most protont viszünk egyik oldalról a másikra az egyenlőség felborul és nagyobb lesz az egyik oldalon mint a másikon. Ezt úgy nevezzük hogy proton gradiens van a membrán két oldalán. Ha most még egy protont át akarunk vinni, akkor ahhoz munkát végezni, mert kisebb koncentrációjú helyről akarunk nagyobb koncentrációjú helyre protont vinni. Ha egy harmadikat is akarunk átvinni akkor még 8
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
nehezebb. Mitchell azt jósolta, hogy a hidrogének elégetéséből felszabaduló energia, a durranógáz reakció energiája, a protonok mozgatására fordítódik. Éppen ezért nevezte elmélet kemiozmózisos hipotézisnek, mert a kémiai energia koncentráció különbséget (ozmózis) hoz létre. Az ozmózis jelenségét koncentráció különbség okozza egy membrán két oldalán. Ma már ez nem hipotézis, hanem egy elfogadott és igazolt elmélet, amit a Mitchell Nobel díj is jelez. De miért nem hitték ezt el? Ha ez igaz, akkor a membrán két oldalán proton koncentráció különbség (vagyis pH különbség) van. Ezt azonban nem olyan egyszerű megmérni és a különbség nem nagy. Miért? Mert a protonok nem maradnak örökre kint. Ez az elmélet második fele: Mitchell megjósolta hogy a protonok visszajönnek a membránon keresztül és közben ATP szintetizálódik. Ismert volt hogy a membránon van egy enzim, ami a ATP-t képes elhidrolizálni ADP-vé és foszforsavvá. Mitchell azt állította, hogy ez az enzim, ha a membrán két oldalán proton koncentráció különbség van, akkor fordítva működik: ADP-ből és foszforsavból ATP-t szintetizál. Ez ugye egy energia-igényes reakció, aminek lejátszódásához energiát kell közölni. Mitchell szerint az energiát a proton koncentráció gradiens biztosítja.
H+
H+
H+
H+
H+ H+
H+
H+ H+
H+ H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
Ez a sejtése is beigazolódott. 1997-ben három olyan kutatónak adták a kémiai Nobel-díjat akik bebizonyították, hogy ez a fehérje illetve fehérjék komplexe tulajdonképpen egy kis motor és felderítették annak működését. Kiderült, hogy ha kint több a proton akkor az bejön és 9
Novák Béla
Előadás a BME Nyílt Napon, 1999
forgatja ezt a részt. Vagyis a proton-koncentrációban lévő energia forgó mozgás energiájává alakul. Nagyon fontos, hogy ez a kis motor oda-vissza tud működni. Ha nagyon sok az ATP és kevés az ADP, valamint nem nagy a proton-koncentráció akkor ATP-t hidrolizál és protonokat pumpál kifelé. Az energiaátalakítás kemiozmózisos elve azonban nemcsak baktériumokban működik (akkor valószínűleg nem is adtak volna felderítéséért Nobel-díjat), hanem a mi saját eukarióta sejtjeinkben is működik. Ugyanis ezt az elvet használó baktériumokat több milliárd évvel ezelőtt bekebeleztek olyan sejtek, melyekből a mai eukarióta sejtek ősei kialakultak. A mitokondriumok kialakulása eukarióta őssejt belső membrán struktúrák
sejtmag
mitokondrium aerob baktérium
10
