Homeosztázis és szabályozás. Az anyag- és energiaforgalom és a biológiai információ átadásának alapjai
Az élő szervezet alapjelenségei
Homeosztázis és belső környezet Bernard (XIX. sz.): belső környezet fogalma az élő szervezet egy folyékony belső közegben (=extracelluláris folyadék) létezik, amelynek stabilitását biztosítani kell Cannon (1926): homeosztázis fogalma - „a szervezet azon képessége, hogy belső állapotának szükséges állandóságát megőrizze” - manapság inkább a dinamikus egyensúly fenntartása az életműködésekben Izovolémia Izoionia Izohidria Izozmózis Izotermia
térfogati állandóság oldott ionok állandósága pH állandósága ozmotikus nyomás állandósága hőmérsékleti állandóság
Claude Bernard (1813-1878)
Walter B. Cannon (1871-1945)
Az élettani működések általános szabályozása • a belső környezetet átlagos értékekkel jellemezhetjük plazmaelektrolitok
átlagos koncentráció (mmol/l)
95%-os tartomány (mmol/l)
142
138-151
K+
4
3,4-5,2
Cl-
106
101-111
HCO3-
25
21-28,5
Na+
az egyensúlyi tartománytól való eltérés aktiválja a szabályozó folyamatokat a szabályozó folyamatok beindítása az egyes élettani folyamatokra jellemző „beállítási” értékeknél indul meg az élettani folyamatokat a szervezet ált. negatív visszacsatolással szabályozza, de kialakulhat pozitív visszacsatolás is
Az élettani működések általános szabályozása negatív visszacsatolás
-
negatív és pozitív visszacsatolás
TRH
hipotalamusz
hipotalamusz
-
hipofízis
+ T4/T3
+
GHRH
hipofízis
-
hipotalamusz neuroszekréciós sejt
szomato sztatin
+ TSH
komplex szabályozó rendszerek
hGH
IGF1
+ máj
fájdalom
hipofízis hátsó lebeny
alacsony vérnyomás
vízvisszaszívás
pajzsmirigy gyűjtőcsatorna
magas vérplazma ozmolaritás
Az anyag- és energiaforgalom alapjai
Táplákozás - anyagcsere tápanyagbevitel az aktuális szükségletnek megfelelően test felépítése energiaszükséglet fedezete a sejtek csak kémiai energiát képesek felhasználni, amelyet a tápanyagok biztosítanak: fehérjék
zsírok (lipidek) szénhidrátok a sejtek felépítéséhez és működéséhez további anyagok is szükségesek: nukleinsavak vitaminok ionok
Anyag- és energiaforgalom • metabolizmus: anyag- és energiaátalakulások összessége egy biológiai rendszerben • katabolizmus: sejten belüli anyaglebontás oxidációs folyamatokkal, közben az anyagban tárolt kémiai energia felszabadul az energia jelentős része hő formájában szabadul fel az energia munkavégzésre fordítódik a) külső munka: vázizmokkal, a külső környezet erői ellenében b)belső munka: 1) belső mechanikai munka: pl. vér keringetése, légzőmozgások, simaizmok működtetése a bélrendszerben 2) ozmotikus munka: IC és EC tér közti koncentrációkülönbségek fenntartása (ld.: Membránok ea) 3) elektromos munka: membránpotenciál fenntartása 4) kémiai munka: saját molekulák felépítése • anabolizmus: egyszerűbb vegyületekből összetettebb vegyületek keletkeznek, a szükséges energiát a katabolikus folyamatok biztosítják növekedés, raktározás energiatárolás
A szervezet energiamérlege • a szervezet termodinamikai gép: táplálékkal energiafelvétel → energia részleges átalakítása → energia leadása a környezetnek (hő + külső munka) energiamegmaradás alapelve • metabolikus ráta: energiafelvétel- és leadás viszonya
ET E H E M E R t t t t
ahol:
T – táplálék H – hő M – külső munka R – raktárak
E R energiamérleg egyensúlyban: =0 (csak átmeneti) t táplálékfelvétel ciklusos → tápanyag felszívódásakor a mérleg pozitív, posztabszorptív fázisban (felszívódás után) negatív EH E R teljes testi nyugalom (bazális állapot): t t táplálékfelvételt tehát úgy kell beállítani, hogy: a testtömeg hosszú távon stabil legyen a következményes hőtermelés és hőleadás olyan egyensúlyban legyen, hogy az állandó testhőmérséklet (homoiotermia) fenntartható legyen (lásd még: A tápcsatorna élettana előadás)
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 felbontásához szükséges, a reakció csak így mehet végbe
A kémiai reakciók alaptípusai; alapfogalmak aktivációs energia katalizátor aktivációs energia nélkül katalizátor
aktivációs energia
a reakció lezajlásakor felszabaduló energia a termékek energiája
a reakciópartnerek energiája
a reakció lefutása
jelenlétében
helyzeti energia
helyzeti energia
a reakció indításához elnyelt energia
a termékek energiája
a reakciópartnerek energiája
a reakció lefutása
• katalízis (katalizátor): olyan anyagok, melyek a kémiai reakciók lefolyását az aktivációs energiát csökkentve felgyorsítják (pl. enzimek)
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
Szervetlen anyagok és oldatok • egyszerű kémiai szerkezet, ált. nem tartalmaznak szénmolekulát (de pl. CO2, HCO3-, H2CO3 !) • ionos vagy kovalens kötések • testtérfogat ~ 55-60%-a víz, 1-2%-a egyéb szervetlen anyag víz (H2O) • a legfontosabb szervetlen alkotóelem • poláros - más poláros vegyületeknek jó oldószer - nagy kohéziós (összetartó) erő - disszociál: H2O H+ + OH• vízkilépés (kondenzáció): vízmolekula kilépése pl. valamilyen anyag szintézise során • hidrolízis: lebontásuk során a makromolekulák vízmolekulá(k) beépítése mellett kisebb egységekre bomlanak
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. H2O)
sav
bázis
só
• pH: a folyadékok hidrogénion (H+)-koncentrációját fejezi ki (mol/l; a hidrogénion koncentráció negatív alapú logaritmusa) a skála 1 - 14 közötti
pH=7: semleges; pH > 7: lúgos; pH < 7: savas
Szervetlen anyagok és oldatok • pH:
mol/liter
savas
semleges
lúgos
• puffer: gyenge sav (vagy bázis) egy erős savval (vagy bázissal) alkotott sójának oldata (pl. H2CO3 - bikarbonát puffer a vérben) - állandó pH-értéket biztosít egy rendszerben - nagy mennyiségű savat/bázist képes befogadni anélkül, hogy az oldat pH-értéke nagymértékben megváltozna
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
tiol
karbonil
vagy
karboxil
észter
vagy
vagy
foszfát
*R: változó molekularészlet, funkciós csoport
amino
Szerves anyagok • monomer - dimer - polimer • izomer: azonos kémiai összetétel, de eltérő szerkezet glükóz (C6H12O6)
fruktóz (C6H12O6)
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 arány (mint a víznél...)
A szénhidrátok egyszerű cukrok: mono- és diszacharidok • monoszacharidok (édes ízt adók): C3: trióz; C4: tetróz; C5: pentóz; C6: hexóz; C7: heptóz
pentózok
dezoxiribóz
ribóz
hexózok
• diszacharidok: pl. szacharóz, laktóz, maltóz szacharóz - hidrolízissel lebonthatóak egyszerű cukoralkotóikra összetett cukrok: poliszacharidok glükóz + fruktóz - ált. nem édesek, vízben oldhatatlanok glikogén • glikogén: glükóz monomerekből épül fel (máj, vázizom) glükóz keményítőszemcsék • keményítő (növények) növényi sejtekben monomer glükóz (szőlőcukor)
• cellulóz (növények; nem emészthető)
fruktóz (gyümölcscukor)
galaktóz
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
A zsírok trigliceridek - leggyakoribb a testben és a táplálékban is - glicerinből (C3H8O3) + 3 zsírsavláncból vízkilépéses reakcióval; 3 észter kötés
- 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)
A zsírok foszfolipidek - glicerin + 2 zsírsavlánc + foszfát csoport - amfipatikus szerkezet: poláros fej + apoláros oldalláncok; ld. sejtmembrán szteroidok - szteránvázas vegyületek: gyűrűs szerkezet - koleszterinből számos szteroid szintézise (pl. nemi hormonok)
szénhidrát oldallánc
- gyengén amfipatikus: hidroxil csoport
4 gyűrű hidroxil csoport
prosztaglandinok, leukotriének
koleszterin
A zsírok szerepe nagy energiatartalmú vegyületek esszenciális zsírsavak • állati zsírokból vagy olajokból • omega-6 zsírsav (linolsav) és omega-3 zsírsav (alfalinolénsav), együtt: F-vitamin
koleszterin - nem tudja szintetizálni a szervezet vitaminok oldószere (A, D, E, K vitamin) zsírraktárak bőr alatti zsírszövet izomrostok között hashártya lemezei (cseplesz)
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 molekulák, stb) R: oldallánc
• monomer: aminosav (20 féle)
- eltérő oldallánc, eltérő szerkezet glicin
amino (NH2) csoport tirozin
• peptid kötés vízkilépés (szintézis)
glicin
alanin
hidrolízis
amino-karbonsavak peptid kötés
glicilalanin (dipeptid)
karboxil (COOH) csoport
töltéssel rendelkező
poláros, töltés nélküli
töltés nélküli
Az aminosavak
glicin
alanin
valin
leucin
cisztein
metionin
prolin
izoleucin
szerin
treonin
tirozin
fenilalanin
aszparagin
glutamin
hisztidin
triptofán
aszparaginsav
glutamin -sav
lizin
arginin
Aminosavak, fehérjék
C-terminális
Esszenciális aminosavak
semleges as.
táplálékkal kell felvenni fajonként változhat embernél: His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val
hidrofil as.
Nem esszenciális aminosavak
peptidkötés
a szervezet elő tudja állítani pl. Ala, Asn, Tyr
Megfelelő tápanyagok: teljes értékű fehérjék
kwashiokor hidrofób as.
esszenciális aminosavak megfelelő mennyiségben és arányban
nem teljes értékű fehérjék
Fehérjehiányos táplálkozás:
marasmus: elégtelen fehérjebevitel elégtelen energiabevitellel kwashiokor: elégtelen fehérje- és energiabevitel, penészgombák májkárosító toxinjai
Fehérje - metabolikus körforgás, csak az anabolizmushoz kell (nem energiaszolgáltató)
marasmus N-terminális
-hidrofób és hidrofil részek lehetnek egy fehérjén belül is a funkciós csoporttól függően
Fehérjeszerkezet Elsődleges szerkezet aminosavak sorrendje Másodlagos szerkezet periodikusan rendezett alszerkezetek (alfa-hélix és bétaredőzött lemez) Harmadlagos szerkezet háromdimenziós struktúra (sokszor gömb alak → globuláris) Negyedleges szerkezet több fehérjelánc együttesénél mennyi lánc → dimer, oligomer, polimer milyen láncok → momomer (azonos egységek) vagy heteromer (eltérő egységek) pl. globin: 2 alfa+2 béta lánc → heterotetramer
Sejtváz
A fehérjék funkciói
Biokatalizátor (enzim)
Membránfehérje
Szignál molekula („hírvivő) bizonyos hormonok neuropeptidek növekedési faktorok
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; PO43-) • nukleozid: szerves bázishoz kapcsolódó ribóz
T
A
C
G
(adenozin, guanozin, timidin, citidin)
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
pentózfoszfát váz
- észterkötés egy nukleotid foszfát csoportja és a következő nukleotid 3. szénatomja között: pentóz-foszfát váz
szerves bázisok adenin guanin timin citozin
- eltérő szerves bázisok: bázissorrend - Bázissorrend: eltérő szerves bázisok
- replikáció: a DNS
szál megkettőződése (DNS polimeráz)
foszfát csoport szerves bázisok
dezoxiribóz
adenin guanin timin citozin
hidrogén kötés
első szál
második szál
A kromoszómák szerkezete, osztódás, sejtciklus Sejtciklus
DNS + fehérje = kromatin Az interfázisú kromatin -eukromatin: kevésbé kondenzált (aktív (10%), inaktív) - heterokromatin: erősen kondenzált
két osztódás közötti idő illetve események folyamatosan osztódó sejt: 10-30 óra Mutáció: az örökítő anyag (DNS, esetleg RNS) spontán, maradandó megváltozása, ami miatt a fehérjeszerkezet is változhat → pontmutáció: báziscsere → kromoszómamutáció: kromoszómák törlődése, duplázódása, kicserélődése stb. Pl.: Down-szindróma: 3 db 21-es kromoszóma van jelen (2 helyett)
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
mRNS
tRNS
A kémiai energia tárolása - nagy energiájú kötések
• ATP: adenozin trifoszfát - ATPáz: ATP hidrolízise ATP
hidrolízis +H2O
hidrolízis
ADP + Pi
- ATP szintáz: ATP (újra)szintézise
+H2O
AMP + PPi
36 kJ/mol energiafelszabadulás
adenin
- központi jelentőség:
mozgékony foszfátcsoport, nagy energiatartalom, kis méret
kreatin foszfát: szintén nagyenergiájú kötés (főleg izomban)
adenozin
ribóz foszfát csoport adenozin difoszfát (ADP) adenozin trifoszfát (ATP)
A főbb lebontó útvonalak
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
COOH tejsav H
C OH CH3
oxidáció
COOH C
O
redukció +2H CH3
piroszőlősav
• koenzimek a H szállítására: - NAD+ / NADH (nikotinamid-adenin-dinukleotid;
NAD
glükolízis, citromsavciklus) - NADP+ / NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotidfoszfát; zsírsav és nukleotid szintézis) - FAD / FADH2 (flavin-adenin-dinukleotid; citromsavciklus)
A szénhidrátok lebontása • glükóz oxidációja: ATP termelés - biológiai oxidáció (sejtlégzés): oxigén felhasználásával
1. glükolízis: glükózból (C6) 2 piroszőlősav (2 C3) + 2 ATP + 2 NADH 2. acetil koenzimA (2 C2) készítés: 2CO2 és 2NADH felszabadulás 3. citromsav (Szentgyörgyi-Krebs) ciklus: acetilcsoport több lépcsős oxidációja; 2 ATP + 4 CO2 + 6 NADH + 2 FADH felszabadulása (mitokondriumban) 4. terminális oxidáció: 6 O2 felhasználásával NADH/FADH lépcsőzetes oxidációja; 32 ATP és 6 H2O felszabadulás
S: 1 glükóz
36 ATP + 6CO2 + 6H2O
- anaerob (O2 nélkül) erjedés: 2 ATP/glükóz
(+tejsav/etanol)
A biológiai oxidáció és az anaerob erjedés tejsav 1 glükóz
C6 2
glükolízis 2
AcetilkoenzimA kialakítása
2 Acetil koenzim A
ATP
(baktériumok)
NADH + 2 H+
O2 hiányában
2 C3 2
CO2
2
NADH + 2 H+
4
2 C2 2 3
citromsav (Krebs) ciklus
(izom)
etanol 2 C2 2
1
2 piroszőlősav
2 C3
2
CO2
terminális oxidáció 32
ATP
elektronok
4
CO2
6
NADH + 6 H+
2
FADH2
e– e– e–
6
O2
6
H2O
ATP
Glukóz lebontás, ATP szintézis Anaerob körülmények: S : 1 glükóz (C6H12O6)
O2 hiányában
2 ATP + 2 tejsav
+ 2 ADP + Pi
Aerob körülmények: S: 1 glükóz (C6H12O6)
+ 6 O2
+ 36 ADP + Pi
36 ATP + 6CO2 + 6H2O
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
A zsírok lebontása • zsírok
glicerin + zsírsavak glükolízis
oxidációs lépések: C2 lehasadás
acilcsoportok koenzim A-hoz kapcsolódása; belépés a citromsavciklusba
A fehérjék lebontása • fehérjék
aminosavak
- aminocsoportok levágása, N kiválasztás/körforgás - emlősőkben karbamid (urea) keletkezése (főleg a májban)
koenzim A-hoz vagy citromsavciklushoz kapcsolódás
A nukleinsavak lebontása • nukleinsav
nukleotidok
aminocsoportok levágása, N kiválasztás/körforgás húgysav keletkezése (köszvényes megbetegedés)
pentóz átalakulás után glükolízisbe kapcsolódik foszfátcsoport glükolízisbe kapcsolódik
Energia szolgáltató folyamatok AEROB
ANAEROB (O2 kevés)
(O2 elég)
szénhidrát (38 db ATP) (aerob - anaerob) glikolízis
zsír (130 db ATP) (aerob)
fehérje (17 db ATP) (aerob, normál esetben nem szolgáltat energiát)
béta - oxidáció
oxidatív dezaminálás
Izomsejtekben:
oxigénadósság (az anyagcsere szükséglete számára nem
áll rendelkezésre a sejtekben elegendő mennyiségű oxigén)
