Biológiai, Környezet- és Élelmiszertudományi Doktori Bizottság

64

BIOKÉMIA

BEVEZETÉS

Eredetileg az élő szervezetekben előforduló szerves molekulák vizsgálata a szerves kémia feladata volt. Később a szénvegyületekkel kapcsolatos ismeretek olyan szövevényesek lettek, és annyi részfeladat várt megoldásra, hogy az eredeti célkitűzés feledésbe merült. Évtizedek múlva új tudományág alakult ki, amely az élettelen természet, azon belül is a szerves kémia és az élő természet, azaz a biológia között teremtett kapcsolatot. Ennek az új tudománynak, a biokémiának lett feladata az élő szervezetben előforduló biomolekulák vizsgálata, a lejátszódó vegyi folyamatok feltárása, és az egyes folyamatok közötti bonyolult szabályozási rendszer megismerése. A biokémia vizsgált folyamatai inkább a szerves kémiával mutatnak hasonlóságot, módszereiben, amelyek gyakran statisztikai módszerek, azonban inkább a biológiával rokon. A biokémia azokat a lebontási és felépítési folyamatokat tárgyalja, amelyek során az élő szervezetet alkotó biomolekulák állandóan átalakulnak. Ezek az átalakulási folyamatok szolgáltatják azt az energiát is, amelynek befektetése lehetővé teszi az energetikailag instabil, a környezettel egyensúlyban nem lévő élő szervezetek fennmaradását.

Az anyagcsere folyamatok, azaz a biomolekulák lebomlása és felépülése az élő szervezet alapegységeiben, a sejtekben játszódnak le. Minden élőlényre, sőt az egyes élőlények különböző szöveteire más és más sejttípus jellemző, egyes speciális célsejtek felépítésétől eltekintve mégis elmondhatjuk, hogy egy sejt különböző sejtorganellumokat tartalmaz, amelyeket speciális felépítésű hártyák, úgynevezett membránok választanak el egymástól. A sejtfalak felépítésében is nagy szerepet játszanak a membránok. A korábban bemutatott membránok speciális felépítésű, meghatározott biomolekulákat tartalmazó szerkezeti elemek, amelyeknek nem csak az egyes szerkezeti egységek elkülönítésében, hanem azok kapcsolattartásában is jelentős szerepet játszanak. A sejtek szerkezetét illetően az élő szervezetek két nagy csoportba oszthatók, az alacsonyabb fejlettségi fokon álló, elkülönített sejtmaggal nem rendelkező prokariótákra és a fejlettebb, sejtmaggal rendelkező eukariótákra. A mikroorganizmusok a prokarióták közé tartoznak. A prokarióták és eukarióták anyagcseréje egyes folyamatok lefutásában, különösen a nukleinsav anyagcserében, némileg eltér egymástól.

A sejt néhány jellemző szervezeti egysége külön említést érdemel. A sejtet a citoplazma, másnéven citoszol tölti ki. Az anyagcsere szempontjából igen fontos a mitokondrium, a sejtlégzés szintere, amelynek kettős membránja van. A membránok közül a belső nagyobb, ezért annak a mitokondrium belső tere, a mátrix tér felé kitüremkedései vannak. A fotoszintetizáló sejtek szintesteinek, a kloroplasztiszoknak felépítése némi rokonságot mutat a mitokondriuméval. A sejt fontos része a riboszóma, amely a fehérjeszintézis szintere. Az eukarótákban a sejtmag elkülönítve tartalmazza az öröklődést biztosító dezoxiribonukleinsav (DNS) tartalmat, a prokariótákban nincs ilyen elkülönülés.

Az élő szervezetben lejátszódó anyagcsere folyamatok kölcsönösen visszahatnak egymásra, különböző szervezettségi szinten egymást szabályozzák. E szabályozási rendszerben nagy szerepet játszanak egyes, kiválasztott feladatot végző molekulák (ezek a hormonok), amelyek az egyéb szabályozási mechanizmusokkal együtt lehetővé teszik az élő szervezet harmónikus működését.

Az élő és élettelen világ közötti különbség nem csak a molekulákat felépítő elemek minőségében és az egyes folyamatok kölcsönhatásában van. Az élettelen világban vannak olyan szervezeti egységek, ilyenek például a kőzetek, amelyek létezésének nincs meghatározott funkciója. Az élő szervezetekben minden szervezeti egységnek meg van a funkciója, a szabályozási mechanizmusok éppen ezeket a funkciókat hangolják össze.

ANYAGCSERE FOLYAMATOK

Az anyagcserefolyamatok lebonyolítói, az enzimek

Az anyagcsere folyamatok energetikai háttere

Az élő szervezetben lejátszódó kémiai folyamatokban is érvényesek a fizikai kémia törvényei. Az élő szervezetek anyagcseréje, a metabolizmus folytonos kémiai átalakulások sorozata. A lebontó (a katabolizmusban résztvevő) és bioszintetikus, azaz felépítő (az anabolizmusban résztvevő) folyamatok nem azonos úton és nem teljesen azonos enzimkészlettel működnek, ez teszi lehetővé, hogy a környezettel egyszerű kémiai egyensúlyban nem lévő élőlény állandóan fenntartsa szervezeti állandóságát (homeosztázis). Az élő szervezet az egyensúly szempontjából nyitott rendszer, állandósága valójában stacionárius (steady state) állapot, ezért a környezettel állandó energia- és anyag-kicserélődésben van. A felvett energia (autotróf élőlényeknél, például a növényeknél az esetek túlnyomó többségében a napenergia, a heterotróf élőlényeknél a tápanyagul szolgáló biomolekulák lebontásából származó energia) fedezi az élő szervezet fennmaradásának energiaszükségletét.

Az autotróf szervezetek az energián kívül a környezetből csak vizet, szén-dioxidot és szervetlen sókat vesznek fel, testük biomolekuláit maguk építik fel. A heterotróf élőlények fennmaradásához szerves molekulák felvételére is szükség van, ezeket esszenciális szerves molekuláknak nevezzük. Az élő szervezeteket alkotó biomolekulák állandóan lebomlanak és helyükre új biomolekulák szintetizálódnak. Minden szervezet valamennyi sejtje, sőt valamennyi molekulája meghatározott periodicitással kicserélődik. Az élő szervezet a környezettől felvett energia egy részét makroerg kötések formájában tárolni képes.

Egyes energiaigényes szintézisek úgy mennek végbe, hogy a reakcióval párhuzamosan egy vagy több makroerg kötés hidrolizálódik és a felszabaduló energia fedezi a szintézis energiaigényét. Ilyenkor a szubsztrát és a makroerg kötést viselő molekula (általában ATP) közös, makroerg kötést tartalmazó intermediert képez, ennek bomlása során nem csak a termék keletkezik, hanem az ATP hidrolíziséből származó molekulák is megjelennek.

Az élet molekuláris szintű törvényei

Az anyagcsere folyamatok, közöttük az enzimek működése is, a biomolekulák különböző kölcsönhatásain, illeszkedésén alapul. A biomolekulák kölcsönhatásaival foglalkoznak az élet molekuláris szintű törvényei.

A bioaffinitás törvénye szerint minden biomolekula legalább egy másik biomolekulával olyan asszociátumot, komplexet tud képezni, amelyben a komponensek aránya, illeszkedése és térbeli elrendeződése pontosan definiálható. A bioaffinitás törvényének tesz eleget az enzim-szubsztrát komplexek (ES) szerkezete is. A komplexen belül a másodlagos kötések jelenléte dominál, de előfordulnak másodlagosan kialakuló kovalens kötések is.

A biokatalízis törvénye az enzimek működésével foglalkozik. Az enzimek is biomolekulák (mint korábban megállapítottuk, néhány kivételtől eltekintve fehérjék), működésük reakció-specifikus (csak adott reakciót katalizálnak), és szubsztrát-specifikus (csak egy biomolekulát, esetleg annak néhány analógját képesek átalakítani), fajtájuk a sejtben gyakorlatilag annyi, ahány fajta kémiai folyamat a sejtben végbemegy. Ezért mondhatjuk azt, hogy a sejt enzimkészlete megszabja a sejt valamennyi tulajdonságát.

A bioreguláció törvénye az enzimek katalizálta folyamatok összehangolásának folyamatával foglalkozik. Az anyagcsere folyamatokban meghatározó fontosságú enzimek (kulcsenzimek) és bizonyos, úgynevezett szabályozó molekulák között a bioaffinitás törvénye szerint kapcsolat jöhet létre. Ez a kötődés megváltoztatja az enzim katalitikus aktivitását: aktivátor molekula esetében az enzimműködés fokozódik, ha inhibítor (gátló) molekula kapcsolódik, az enzim aktivitása lecsökken, esetleg teljesen megszünik. A bioregulációt végrehajtó biomolekulák anyagcseréje ugyancsak szabályozható enzimek segítségével bonyolódik. Ez a bonyolult szabályozási rendszer hangolja össze az anyagcsere folyamatait, teszi lehetővé az élőlény bizonyosfokú alkalmazkodását az egyre változó környezet hatásaihoz.

ENZIMKATALIZÁLT REAKCIÓK

Az enzimek között egyszerű és összetett fehérjék is vannak, gyakran több alegységet tartalmaznak, tehát negyedleges szerkezettel bírnak. Általában globulárisak és felületüknek csak egy kis hányada vesz aktívan részt az enzimreakcióban - ezt a részt aktív helynek vagy aktív centrumnak nevezzük. A peptidlánc aktív helyet alkotó aminosav egységei nem feltétlenül szomszédosak a fehérjelánc szekvenciájában. A fehérje gombolyagban a primer szerkezetben távolabb lévő aminosav egységek is térben közel kerülhetnek egymáshoz, sőt másodlagos kötésekkel egymás mellé is rögzülhetnek. A fehérje aktív helyen kívüli, tehát nagyobb része elsősorban az aktív hely térszerkezetét (konformációját) biztosítja.

Az aktív helyet felépítő aminosav egységek oldalláncai különleges tulajdonságokat vehetnek fel, pédául ha a szerin alkoholos hidroxilcsoportja egy térben közeli hisztidin egyik gyűrűnitrogénjével hidrogén kötésbe léphet, ennek következtében inkább alkoholát anionként reagál, savas tulajdonságúvá válik. Az aktív hely működésében gyakran szerepet játszik a cisztein SH csoportja is, amely sokszor kovalens kötést alakít ki a szubsztráttal, ilyenkor kovalens katalízisről beszélünk.

Az aktív helynek két fontos pontja van. A szubsztrátkötő hely, amelyhez a szubsztrát pontosan illeszkedik, és amelyhez az esetek többségében másodrendű kötésekkel kapcsolódik (ez okozza az enzimek szubsztrát-specificitását, és magyarázza azt, hogy az ES komplex kialakulása kis aktiválási energiát igényel). A katalitikus hely, amely az enzimhez kötött szubsztrát átalakítását végzi (ennek működése felelős az enzim reakció-specifikus voltáért, és az ES komplex továbbalakításának kis energiaigényéért). Más reakciópartnert, például koenzimet is igénylő reakcióknál a koenzim is az aktív helyhez kötődik a szubsztráthoz képest a reakció szempontjából kedvező konformációban, általában ugyancsak másodlagos kötésekkel.

A koenzim közreműködését igénylő, de történetesen azt nem tartalmazó enzimet apoenzimnek, az enzim-koenzim komplexet holoenzimnek nevezzük. Korábban már említettük, hogy amennyiben a szükséges reakciópartner az enzimhez kovalensen kötődik, koenzim helyett prosztetikus csoportról beszélünk. Az enzimek katalizálta reakciókhoz egyes esetekben különleges funkciójú anyagok, kofaktorok is szükségesek. A kofaktorok gyakran valamilyen töltéssel rendelkező részecskék, például fém ionok, amelyek sokszor az enzim aktív konformációját biztosítják, bár lehetséges, hogy részt vesznek magában az enzimreakcióban is. Vannak azonban a szubsztráthoz hasonló felépítésű kofaktorok is. Ez utóbbi típus akkor szükséges, ha az enzimreakció célja a molekula egyik részének áthelyezése, de a molekularészlet nem tud átugrani, ezért szükséges a kofaktor, amelyben két ilyen molekularészlet van, az egyik az eredeti, a másik az átalakulás utáni helyen. A kofaktor közvetítésével sorozatos átadások után a szubsztrátból kofaktor lesz, a kofaktorból termék, végül valamennyi szubsztrát molekula átalakul egy kivételével, amelyből kofaktor lesz.

Az enzimes katalízis kinetikai vizsgálatával Michaelis és Menten, később Briggs és Haldane foglalkoztak. Nevükhöz fűződik az enzimreakciók egymást követő, több lépéses, azaz konszekutív jellegének felismerése, és annak megállapítása, hogy míg az enzim-szubsztrát (ES) komplex képződése egyensúlyi, megfordítható (reverzibilis) folyamat, az enzim-szubsztrát komplex szétesése termékké (product, P) és enzimmé gyakorlatilag megfordíthatatlan (irreverzibilis). A reakciókinetika szabályainak értelmében a reakció sebessége (v) arányos a reakciópartnerek koncentrációjának szorzatával, arányossági tényező a sebességi állandó (k). Ennek megfelelően

A reakció kezdetén a szubsztrát koncentrációja nagy, ezért a sebesség (kezdeti sebesség, v0) nagy, idővel a szubsztrát mennyisége csökken, végül elfogy, ezért a termék keletkezése lassan megáll, a termék koncentrációja az idő függvényében tehát hiperbola lefutású görbét ad.

Enzimkinetikai diagrammok

Ha a kezdeti sebességet a szubsztrát koncentráció függvényében ábrázoljuk, ugyancsak hiperbola lefutású függvényt kapunk. A kezdeti sebesség kezdetben egyenletesen (lineárisan) nő a szubsztrát mennyiségének növelésével, mert újabb és újabb ES komplexek keletkeznek. A szubsztrát koncentráció egy pontján már valamennyi enzim molekula ES formában van (Et = ES), ennél tovább emelve a szubsztrát koncentrációját a kezdeti sebesség növekedése már egyre lassabb, egy határérték, a maximális sebesség (Vmax) felé tart, amelyet elvben csak végtelenül nagy szubsztrát koncentráció esetében érhet el. Az enzimreakcióra jellemző másik érték a Michaelis állandó (KM), amely az a szubsztrát koncentráció, amelynél a kezdeti sebesség az elérhető maximális sebesség fele (KM = Vmax/2).

A valóságot legjobban megközelítő elképzelés szerint az enzimreakcióban egy stacionárius állapot ("steady state") alakul ki, az ES keletkezésének és elbomlásának sebessége közelítően azonos, az ES komplex koncentrációja sokáig állandó marad

A v0 és a szubsztrát koncentráció összefüggését bemutató összefüggés az enzimkinetika alapegyenlete, a Michaelis-Menten egyenlet. Megjegyezzük, hogy Michaelis és Menten eredetileg egy egyszerűbb modellre írta fel az összefüggést. Megközelítésükben az ES komplex visszaalakulása enzimmé és szubsztráttá sokkal gyorsabb volt, mint a termék kialakulása (k-1k2), ez a "gyors egyensúly" ("rapid equilibrium") modell, szemben a "steady state" modellel, ahol k-1k2). Michaelis és Menten eredeti összefüggésében a Michaelis állandó (KM) helyett KS, az ES komplex disszociációs állandója szerepelt. A jelenlegi megközelítésben a "rapid equilibrium" modell a "steady state" modell szélsőséges esete.

A KM és Vmax állandók kísérletes meghatározása nehéz. A fenti egyenlet kettős reciprok ábrázolása (Lineweaver-Burk-féle lineáris ábrázolás) segítségével azonban grafikusan könnyen meghatározhatók.

E két állandó jól jellemzi az enzimreakció két egymást követő lépését. A KM a szubsztrátkötő hely, a Vmax a katalitikus hely állapotára vonatkozóan nyújt információt. Minden olyan behatás, amely megzavarja az ES komplex kialakulását, tehát a szubsztrátkötő hely működését, emeli a KM értékét. Minden olyan behatás, amely megzavarja a katalitikus hely működését, csökkenti a Vmax értékét. Ilyen módon az enzimreakció paramétereinek hatását kinetikai mérésekkel vizsgálni lehet. Az enzimek működését fehérje jellegük is jelentősen befolyásolja. Minden olyan behatás, amely veszélyezteti az enzim natív (aktív) konformációját, csökkenti az enzim aktivitását.

Az enzimaktivitás közvetlen, reverzibilis gátlása

Az enzimek katalitikus aktivitásának befolyásolásában nagy szerepet játszanak különböző szerves molekulák (esetleg ionok), amelyek az enzimek működését aktiválják vagy gátolják (aktivátorok és inhibítorok). Az enzimaktivitást módosító hatások reverzibilisek vagy irreverzibilisek lehetnek. Az anyagcsere szabályozása szempontjából a reverzibilis gátlásoknak van nagyobb jelentősége. A Michaelis-Menten kinetikájú enzimeknél három fontosabb gátlás típust különböztetünk meg: a kompetitív, nemkompetitív és vegyes gátlást. A három típus különböző mechanizmussal gátolja az enzimek működését, ezért enzimkinetikai vizsgálatokkal, a KM, illetve Vmax értékekre gyakorolt hatás alapján megkülönböztethető.

A kompetitív módon ható inhibítor molekulák szerkezete a szubsztrátéval analóg. Két hasonló szerkezet verseng a szubsztrátkötő helyért, az ES komplex mellett EI komplex is keletkezik. Az inhibítorral képződött EI nem képes továbbalakulni. Értelemszerűen a kompetitív gátlószerek jelenlétében az enzimekre jellemző KM értéke megnő, a Vmax változatlan marad.

A nemkompetitív módon gátló molekula nem akadályozza meg az ES komplex képződését, hatását a katalitikus helyen fejti ki, megakadályozza az ES komplex tovább alakulását. Értelemszerűen jelenlétében az enzimre jellemző Vmax értéke csökken, a KM változatlan marad.

A vegyes típusú gátlószerek mind a szubsztrátkötő hely, mind a katalitikus hely működését akadályozzák. Az inhibítor molekulák nem csak a szabad enzimen képesek megkötődni, hanem - bár kisebb affinitással - az ES komplexen is, sőt az EI komplex is képes a szubsztrátot megkötni. Az ESI és EIS komplexek disszociációs állandója nem azonos. Ilyen gátlószerek jelenlétében az enzimre jellemző mindkét állandó értéke megváltozik, a KM nő, a Vmax pedig csökken.

Az anyagcsere folyamatok szabályozása szempontjából kiemelkedő fontossága van az allosztérikus szabályozásnak. Ilyenkor hosszabb anyagcsere folyamatok végterméke a folyamat első enzimére allosztérikus gátlószerként hat, ez megakadályozza, hogy a szóbanforgó anyag feldúsuljon. Ezt a szabályozást negatív visszacsatolásnak (feed back) nevezzük. Az allosztérikus gátlásra alkalmas enzimek legalább két alegységet tartalmaznak, tehát negyedleges szerkezettel rendelkeznek. A szabályozó anyag a szabályozó (reguláló) centrumon kötödik meg, amely nem az aktív centrumot tartalmazó, hanem a másik alegységben van.

Az allosztérikus szabályozás összehangolt (concerned) mechanizmussal megy végbe, amelyet Monod tárt fel. Az alegységeknek két lehetséges konformációja van, az aktív (lazított, relaxed - R) és inaktív (feszített, tensed - T) konformáció. A két alegység egyszerre csak azonos konformációban lehet: RR vagy TT. A két forma egyensúlyban van egymással 1:10000 arányban a T forma javára. A szubsztrát molekula az aktív helyet tartalmazó alegységnek csak R konformációjú alakjával képes reagálni. Az allosztérikus aktiválószer hatására a reguláló centrumot tartalmazó alegység R konformációjú, így a másik, a katalitikus alegység is R konformációjú lesz, az ES komplex kialakulása meggyorsul. Az allosztérikus gátlószerek kötődésekor a reguláló centrumot tartalmazó alegység a T konformációban rögzül, ez lehetetlenné teszi, hogy a szubsztrát molekulák az ugyancsak T állású második centrumon megkötődjenek. Például a szervezetben a maga ATP szint meggátolja a glikolízis foszfofruktokináz enzimét.

A fentiek értelmében könnyen értelmezhető a hőmérséklet befolyása az enzimek működésére. A reakciókinetika szabályai szerint egy energia befektetését igénylő reakció hőmérsékletének 10 oC-kal való emelése a reakciósebességet megkétszerezi. Az enzimek viszont fehérjék, ezért a hőmérséklet emelése fokozza a denaturáció valószínüségét. A hőmérséklet emelése ezért két folyamat, egy aktiváló és egy dezaktiváló folyamat összegződése miatt a kezdeti sebesség változásában optimumot eredményez. Ez az optimum látszólagos, mert két ellentétes folyamat eredője, ezért minél rövidebb ideig tesszük ki az enzimet a hőhatásnak, az optimum annál magasabb hőmérséklet felé tolód

Az enzimreakciók pH függésének értelmezéséhez jobban meg kell ismernünk az aktív centrum szubsztrátkötő helyének és katalitikus helyének szerkezetét. E kitüntetett helyekre jellemző, hogy működésükben két-két, protont leadni és felvenni képes, általában savas (csak néhány esetben bázikus) csoport játszik szerepet, ezek egyike az enzim működése közben disszociált állapotban van, ez a savasabb, pK értéke kisebb, a másik csoport pedig disszociálatlan állapotú, ez a kevésbé savas csoport, pK értéke magasabb. Matematikai összefüggések nélkül is belátható az, hogy olyan erősen savas körülmények között, amikor a savasabb csoport disszociációja is visszaszorul, illetve olyan erősen bázikus körülmények között, amikor a gyengébben savas csoport is disszociálódik, sem a szubsztrátkötő hely, sem a katalitikus hely nem képes dolgozni.

Az enzimek osztályozása

Az enzimek osztályokba sorolását a hetvenes években az International Union of Biochemistry (IUB) nemzetközi bizottsága fogadta el, és látta el az egyes osztályokat sorszámokkal. Az enzimeket az enzim katalógus (EC) szerint négyjegyű számmal jellemezzük: az első szám az enzim osztályt, a második az alosztályt, a harmadik az alosztályon belüli csoportosítást, a negyedik szám ezen a kisebb alegységen belül az enzim egyéni számát jelenti.

Az első osztályba az oxidoreduktázok tartoznak, amelyek a szubsztrát molekulákat oxidálják, illetve redukálják (közben egy másik molekula - a koenzim -redukálódik, illetve oxidálódik). A reakció kémiailag cserebomlás, a hidrogének vagy elektronok áthelyezése. A reakció mechanizmusának megfelelően változik a közreműködő koenzim, amelynek típusait a koenzimeknél tárgyaljuk. Az enzim elnevezése mindig a "dehidrogenáz" irányból történik, mivel a reakciók megfordíthatók.

A második osztályba a transzferázok tartoznak, amelyek szubsztitúciós rekkciókat katalizálnak. Gyakori egy foszfátcsoport áthelyezése egy hidroxilcsoportra. Ha a foszfátcsoport ATP molekulából származik, akkor az enzimet kináznak nevezzük. A továbbítandó csoport lehet acilcsoport, egy vagy két szénatomot tartalmazó, úgynevezett C1 vagy C2 komponens (fragmens), illetve két vagy három szénatomos cukor részlet is. Ez utóbbi reakciókat a transzketolázok, illetve transzaldolázok katalizálják.

A harmadik osztályba a hidrolázok tartoznak. Közreműködésükkel a szubsztrát molekula úgy hasad el víz hatására, hogy a víz alkotórészei, a proton és a hidroxid anion a kialakuló két rész végére hidrogénként és hidroxilcsoportként épülnek be.

A negyedik osztályba tartozó liázok (szintázok) addíciós és eliminációs reakciókat katalizálnak.

Az ötödik osztályba tartozó izomerázok a szubsztrát molekula izomer átalakulását katalizálják tautomerizáció segítségével

A hatodik osztályba tartozó ligázok (szintetázok) nagy pozitív szabad entalpia változással járó reakciók végbemenetelét teszik lehetővé azzal, hogy egyidejűleg egy ATP vagy más NTP egyik vagy mindkét makroerg foszforsavanhidrid kötése hidrolitikusan felhasad, a felszabaduló energia fedezi az irreverzibilis, endoterm reakció energiaszükségletét.

Az enzimek működését az enzim aktivitásával jellemezzük. Az aktivitás mérésénél azt határozzuk meg, hogy időegység alatt az enzim egységnyi mennyisége (1 mg fehérje vagy 1 ml enzim oldat) mennyi szubsztrátot alakít át. A gyakorlatban két egységet különböztetnek meg. A standard enzim-egység (standard unit, SU) a szubsztrát mennyiségét molban adja meg, időegységnek percet számít. Az SI rendszer a katal egységet ismeri el, ez az átalakult szubsztrát mennyiségét molban, az időt másodpercben adja meg. Jól jellemzi az enzim aktivitását az átviteli szám is, amely az enzim molekula által 1 másodperc alatt átalakított szubsztrát molekulák számát adja meg.

Membrántranszport folyamatok

A membránok az élő szervezetek sejtjeit vagy sejtrészleteit (organellumait) úgy választják el egymástól, hogy a membránba ékelődött és azon áthatoló (integráns) fehérjék útján bizonyos korlátozott kapcsolatot is lehetővé tesznek. A membránok, amelyek lipideken és fehérjéken kívül szénhidrátokat is tartalmazhatnak kötött állapotban, jelentős szerepet játszanak a biokémiai (anyagcsere) folyamatokban. A felületaktív vegyületek irányított adszorpciójának segítségével felépülő membránok belső, hidrofób részében apoláris molekulák, például apoláris (zsírokban oldódó) vitaminok tárolhatók. A lecitinek az állati sejtek membránjának felépítésében vesznek részt, a növényekben ezt a feladatok felületaktív összetett fehérjék végzik.

A membránokon keresztül csak kicsi, valamint nem nagyméretű, erősen apoláris molekulák képesek akadály nélkül áthaladni. Más molekulák áthaladását az áthatoló (intergráns) fehérjék segítik elő. Ennek különböző módozatai vannak.

Az oldott anyagok a membránon keresztül hordozó (karrier) molekulák segítségével vagy anélkül juthatnak át, az esetek túlnyomó többségében a passzív diffúzió szabályai szerint, tehát a magasabb koncentrációjú hely irányából a hígabb oldat felé.

A hordozóval végrehajtott passzív diffúzió legegyszerűbb formája a könnyített (facilitált) diffúzió, amelyben a hordozó megkönnyíti a szubsztrát átjutását a koncentrációesés irányába.

Az egyirányú egyidejű transzport (szimport, kotranszport) folyamatában a hordozó membrán-fehérje azonos oldalon egyszerre kétféle szubsztrátot köt meg és továbbít a membrán túloldalára, például a nátrium ion és a glükóz így jut be egyidőben a sejtbe. A passzív diffúzió szabályai ekkor is érvényben vannak, de a két anyag koncentrációjának összege a mérvadó - ez esetben a sejten belüli alacsony Na+ koncentráció teszi lehetővé, hogy a glükóz a magasabb belső koncentráció ellenére is bejusson.

Az ellentétes irányú egyidejű transzport (antiport) is passzív transzport, esetében a két szubsztrát egyszerre kötődik meg a membrán két oldalán, majd a fehérje konformáció változása következtében a két anyag helyet cserél. Az antiport folyamatokat kivitelező karrier fehérjéket transzlokázoknak nevezzük.

Míg a karrierrel végrehajtott membrán-transzport folyamatok külön energia befektetése nélkül csak a passzív diffúzió szabályai szerint játszódhatnak le, az aktív transzportban a szubsztrát átvitele koncentráció gradiens ellenében megy végbe, ez energia befektetését igényli. Ebben az esetben többnyire antiport játszódik le, amelyet egy makroerg kötés hidrolízisének hatására végbementő konformációváltozás idéz elő.

Az anyagcserefolymatok fajtái

Az anyagcsere folyamatok (metabolizmus) során az élő szervezetek biomolekulái, illetve a szervezetbe kerülő tápanyagok molekulái a levegő oxigénjének felhasználásával oxidatív úton lebomlanak (katabolizmus), ennek során egyrészt energia szabadul fel, amely az előző fejezetben ismertetett módon az élő szervezetnek, ezek közül is elsősorban a heterotróf élőlényeknek, mint energetikailag nyitott rendszereknek fenntartásához szükséges, másrészt keletkeznek azok az intermedierek, amelyek a szervezet anyagainak felépítéséhez, a bioszintetikus folyamatokhoz (anabolizmus) szükségesek. A lebontó folyamatok legvégén a biomolekulák végeredményben szén-dioxiddá és vízzé oxidálódnak ("égnek el").

Az autotróf szervezetekben (pl. növények) a szervezet fenntartásához szükséges energiát a fényenergia szolgáltatja (bár vannak kémiai energiát felhasználó mikroorganizmusok is), a felépítő folyamatok egyrészt a fotoszintézis (széndioxid és víz beépítés), másrészt ammónia beépítés segítségével mennek végbe. Egyes mikroorganizmusoknál a nitrogén forrás a nitrogén gáz, mások lebontó folyamataikhoz nem használnak fel oxigént, hanem erjesztéses folyamatokkal működnek.

Az anyagcsere folyamatok vázlata nem tudja érzékeltetni azt a sokrétegű szabályozási hálózatot, amely az anyagcsere folyamatokat összehangolja, így teszi lehetővé az élő szervezet harmónikus működését.

Lebontó folyamatok, katabolizmus

Az anyagcsere folyamatok tárgyalását a lebontási folyamatokkal kezdjük. Először végig kísérjük a tápanyagok (szénhidrátok, lipidek és fehérjék) lebomlását addig az intermedierig (acetil-koenzim-A), amely a lebontó folyamatok közös, befejező szakaszához vezet el, majd részleteiben vizsgáljuk a közös lebontó folyamatokat (a citrátkört és a terminális oxidációt). Ezután áttekintjük e három biomolekula típus bioszintézisét, végül a fehérjeszintézissel kapcsolatban foglalkozunk a nukleinsavak anyagcseréjével is.

Az élő szervezetbe kerülő tápanyagok, valamint a nukleinsavak olyan összetett molekulák (glikozidok, savamidok és észterek), amelyekből hidrolízissel szabadulnak fel azok az egyszerű biomolekulák (cukrok, aminosavak, zsírsavak stb.), amelyek az oxidatív lebontási folyamatok kiindulási anyagai. E biopolimerek lebontását hidroláz enzimek végzik. A hidrolázoknak két alapvető típusát különböztetjük meg. Az exo-hidrolázok a hidrolízist a polimerlánc végén kezdik meg, onnan egy vagy két egységet tartalmazó részeket hasítanak le. Képesek a láncvégeket megkülönböztetni, szükség esetén specifikusak a kötések térállására és a kötésben részt vevő komponensek minőségére is. Az endo-hidrolázok a lánc közben hasítanak fel kötéseket. Olyan biopolimerekben, amelyekben a felépítő egységek egymástól különböznek (pl. fehérjék), meghatározott egységek közötti kötéseket hidrolizálnak. Az azonos (legfeljebb néhány féle) egységekből felépülő biopolimerekben az endo-hidrolázok véletlenszerű (random) helyeken hasítanak.

A mitokondrium felépítése

A biomolekulák hidrolízise, majd a hidrolizált termékek oxidatív lebomlásának első lépései a citoszolban mennek végbe. A további, oxidatív lebontó folyamatok szintere a mitokondrium, amelynek kettős membránja van. A membránok közül a belső memrán felülete nagyobb, ezért annak a mitokondrium belső tere, a mátrix tér felé kitüremkedései vannak, ezeket krisztáknak nevezik. A külső membrán és a belső membrán közötti teret intermembrán (közti) térnek nevezik. A mitokondrium membránjain az anyagok a membrántranszport szabályainak megfelelően juthatnak át, bár a külső membránon egyes kis molekulák könnyen átjuthatnak.. Egyes esetekben nem csak a koncentráció viszonyok a meghatározók, az áthaladás csak bizonyos molekulák számára megengedett. Ezek a szabályok a belső membrán esetében szigorúbbak, mint a külső membránnál. A további, oxidatív lebontó folyamatok a mátrix térben zajlanak le, kivéve a végső oxidációt, a terminális oxidációt, amelynek a szintere a mitokondrium belső membránja.

A mitokondrium membránjai

A szénhidrátok lebontásának egyéni szakasza az acetil-koenzim-A-ig

A poliszacharidok glikozidos kötéseit hidrolizáló enzimeket glikozidázoknak nevezzük. Az exo-glikozidázok általában a nem redukáló láncvégről kezdik a hasítást. A keményítő glikozidázai: az α-amiláz endo-glíkozidáz, a β-amiláz exo-glikozidáz, a nem redukáló láncvégről maltóz egységeket hasít le. A maltózt a maltáz bontja két glükózra. A cellulózt bontó cellulázokat csak egyes mikroorganizmusok termelik. A cellobiózt a cellobiáz, a tejcukrot a β-galaktozidáz, a szacharózt az invertáz hidrolizálja.

Az élő szervezetekben lezajló szénhidrát anyagcserének kulcsvegyülete a glükóz, amelyből első lépésben glükóz-6-foszfát, majd belőle fruktóz-6-foszfát keletkezik. Egyes poliszacharid bontó enzimek, a foszforilázok meghatározott poliszacharidokról (például a glikogénről) egy molekula szervetlen foszfát segítségével közvetlenül glükóz-1-foszfátot hasítanak le, amely a glükóz-foszfát-mutáz (transzferáz) enzim segítségével, a glükóz-1,6-biszfoszfát kofaktor közreműködésével alakul glükóz-6-foszfáttá.

Mivel a szénhidrátok elsősorban a glükózon keresztül bomlanak le, a tárpanyagban előforduló egyéb cukrok valamilyen származékuk, gyakran nukleozid-difoszfáttal képzett, aktivált formájukban alakulnak a megfelelő glükóz-származékká, ilyan például a galaktóz. A cukrok glikozidos hidroxilcsoportjainak foszfát-észtereiből nukleozid-trifoszfátokkal képzett, makroerg savanhidrid kötést tartalmazó NDP-cukor származékainak a poliszacharidok bioszintézisénél van nagy jelentősége. E származékok keletkezésekor a kihasadó pirofoszfát hidrolízisekor felszabaduló energia fedezi a reakció energiaigényét. A mannóz-6-foszfát a mannóz-foszfát-izomeráz segítségével reverzibilisen képes glükóz-6-foszfáttá alakulni. Az aszkorbinsav (C-vitamin) a glükuronsavból keletkezik több lépésben.

Glikolízis

A glükóz anaerob (levegő távollétében lezajló) és aerob (a levegő oxigénjét felhasználó) lebomlásának első, a piruvátig tartó közös, a citoplazmában lejátszódó szakaszát glikolízisnek nevezzük. Megjegyezzük, hogy a legtöbb biokémiai szakkönyv a glükóz teljes anaerob lebontását hívja glikolízisnek, de a folyamatot ezek is csak a piruvátig tárgyalják érdemben. Véleményünk szerint a piruvát az anyagcsere folyamatok egyik fontos elágazási pontja, ezért indokolt a keletkezését szolgáló folyamatot külön egységnek tekinteni.

A glikolízis első, hexokináz (transzferáz) katalizálta lépését, amelyben a glükózon egy ATP foszfát-észter kötést alakít ki és glükóz-6-foszfát keletkezik, sokan a glükóz aktiválásának tekintik. A megfordíthatatlan reakcióban keletkező glükóz-6-foszfát nem tartalmaz makroerg kötést vagy nagyon könnyen reagáló csoportot, ezért nem tekinthető "aktív" származéknak. Kétségtelen azonban, hogy a molekula poláris jellege a foszforilálással nő, ionos másodlagos kötésekkel enzimekkel könnyebben képez enzim-szubsztrát komplexet. A hexokináznak egyéb hexózok, így a fruktóz is szubsztrátja lehet, de a fruktóz affinitása az enzimhez a glükózénak csak töredéke, ezért a fruktóz lebomlása során csak később kapcsolódik be a glikolízisbe.

A glükóz-6-foszfátból a glükóz-foszfát-izomeráz (régebbi nevén foszfo-glükóz-izomeráz) hatására kettős tautomer átrendeződéssel fruktóz-6-foszfát keletkezik, amelynek 1-es szénatomján, a primer hidroxilcsoporton ismét egy ATP alakít ki foszfát-észter kötést, ugyancsak megfordíthatatlan reakcióban a foszfo-frukto-kináz (PFK) enzim (ezt is helyesebb lenne fruktóz-foszfát-kináznak nevezni) hatására. A PFK a glikolízis sebesség meghatározó (kulcs) enzime, fruktóz-2,6-biszfoszfáttal jelentős mértékben aktiválható, ezen kívül számos anyagcsere termék befolyásolja aktivitását (pl. ATP, AMP, citrát stb). A glikolízis hat szénatomos (C6) szakaszának utolsó lépésében az aldoláz (liáz) a fruktóz-1,6-biszfoszfátot két trióz-3-foszfáttá, dihidroxi-aceton-foszfáttá (DHAP) és glicerinaldehid-3-foszfáttá hasítja (a kialkuló kettős kötés az utóbbi karbonilcsoportjában van).

A glikolízis hat szénatomos (C6) szakasza

A két trióz-foszfát a trióz-foszfát-izomeráz segítségével egyensúlyi elegyet alkot. A glicerinaldehid-3-foszfát a glicerinaldehid-3-foszfát-dehidrogenáz (oxidoreduktáz) hatására egy szervetlen foszfát beépítésével a makroerg kötést tartalmazó glicerinsav-1,3-biszfoszfáttá oxidálódik, a folyamat NAD koenzimmel működik, tehát (NADH+H) keletkezik. Ez a glikolízis egyik energia termelő lépése.

A glikolízis három szénatomos (C3) szakasza és a piruvát továbbalakulási lehetőségei

A glicerinsav-1,3-biszfoszfát makroerg kötésének energiája a glicerát-foszfát-kináz (transzferáz) hatására egy ADP-ATP átalakulásba épül be. A glicerinsav-3-foszfátból a glicerinsav-2,3-biszfoszfát kofaktor közreműködésével a glicerát-foszfát-mutáz (transzferáz) hatására glicerinsav-2-foszfát keletkezik, amely az enoláz (liáz) hatására vizet veszít és a glikolízis második energia termelő lépésében a makroerg enol-észter kötést tartalmazó foszfoenolpiruvát (PEP) keletkezik.

A glicerát-foszfát-mutáz katalizálta reakció

A glikolízis három szénatomos (C3) szakaszának utolsó lépésében, energetikailag megfordíthatatlan folyamatban a piruvát-kináz (transzferáz) hatására a makroerg kötés energiája egy ADP-ATP átalakulásba épül be, így keletkezik a piruvát. Megjegyezzük, hogy a glikolízis enzimei és intermedierjei régóta ismertek, több nevük is használatban van, a karboxilát-foszfát nevek helyett a foszfo-karboxilát nevek is legalább annyira elterjedtek.

A glükóz anaerob (oxigént nem igénylő) lebomlásának további lépései is a citoplazmában játszódnak le. A tejsavas erjedésben a piruvát a glikolízisben keletkező redukált koenzimet felhasználva L-tejsavvá (laktáttá) redukálódik a laktát-dehidrogenáz (oxidoreduktáz) hatására. Így keletkezik az izommunka kezdeti szakaszában tejsav.

Az alkoholos erjedésben a piruvát a piruvát-dekarboxiláz hatására acetaldehiddé alakul, a transzfer koenzim, mint a dekarboxilázoknál általában, a TPP. Az acetaldehid a glikolízisben keletkező redukált koenzim felhasználásával, az alkohol-dehidrogenáz hatására etilalkohollá (etanollá) redukálódik. A szeszes italok alkoholja ezen folyamat megfordításával bomlik le.

A borhamisítási botrányok hívták fel a figyelmet az egyébként fagyállóként közismert etilén-glikol mérgező tulajdonságaira. Az etilén-glikol a szervezetben az alkohol-dehidrogenáz hatására először glikolaldehiddé, majd további enzimreakciókban végeredményben a mérgező és vesekárosító oxálsavvá oxidálódik.

Az etilén-glikol mérgezésben igen hatásos ellenszer az etanol, mert az alkohol-dehidrogenáz kompetitív gátlószere. Mivel a rendkívül mérgező metanol (faszesz) is analóg úton oxidálódik formaldehiddé, majd hangyasavvá, az etanol itt is ellenszer lehet.

Egyéb egyszerű cukrok bekapcsolódása a lebontási folyamatokba

A fruktóz lebontása

Mint említettük, a fruktóz affinitása a hexokinázhoz kicsi, ezért lebomlása kezdetben eltér a glükózétól. Először a fruktokináz (transzferáz) hatására egy ATP fruktóz-1-foszfátot alakít ki, amely a frukóz-1-foszfát-aldoláz (liáz) hatására DHAP-tá és glicerinaldehiddé hasad szét. A DHAP bekapcsolódik a glikolízisbe. A glicerinaldehidet a trióz-kináz (transzferáz) egy ATP segítségével glicerinaldehid-3-foszfáttá foszforilálja, amely ugyancsak bekapcsolódhat a glikolízisbe. Alacsonyabbrendű élőlényekben a glükóz és fruktóz reverzibilisen egymásba alakítható.

Mivel a szénhidrátok elsősorban a glükózon keresztül bomlanak le, a tárpanyagban előforduló egyéb cukrok valamilyen származékuk, gyakran nukleozid-difoszfáttal képzett, aktivált formájukban alakulnak a megfelelő glükóz-származékká, ilyan például a galaktóz. A cukrok glikozidos hidroxilcsoportjainak foszfát-észtereiből nukleozid-trifoszfátokkal képzett, makroerg savanhidrid kötést tartalmazó NDP-cukor származékainak a poliszacharidok bioszintézisénél van nagy jelentősége. E származékok keletkezésekor a kihasadó pirofoszfát hidrolízisekor felszabaduló energia fedezi a reakció energiaigényét. A mannóz-6-foszfát a mannóz-foszfát-izomeráz segítségével reverzibilisen képes glükóz-6-foszfáttá alakulni. Az aszkorbinsav (C-vitamin) a glükuronsavból keletkezik több lépésben.

A piruvát-dehidrogenáz katalizálta reakció

A piruvát számára a mitokondrium külső és belső membránja mindkét irányban egyaránt átjárható, ezért aerob körülmények között a piruvát a mitokondriumban oxidálódik tovább, szén-dioxid kihasadásával "aktív acetsavvá", a makroerg tiol-észter kötést tartalmazó acetil-koenzim-A-vá alakul.

A piruvát oxidatív dekarboxileződését a piruvát-dehidrogenáz multienzim komplex katalizálja, amely három enzim alegységet, három koenzimet (TPP, Koenzim-A, NAD) és két prosztetikus csoportot (liponsav, FAD) tartalmaz. A dekarboxiláz alegység a piruvát két szénatomos egységét szén-dioxid vesztés közben a TPP tiazolgyűrűjének már koenzimeknél bemutatott 2-es szénatomjához köti. A folyamatot egy proton lehasadása, majd a piruvát oxocsoportja oxigénjéhez kapcsolódása teszi teljessé. Az "aktív acetaldehid" igen reakcióképes "acetálos" hidroxilcsoportja a transzacetiláz alegység hatására oxidálódik, közben a liponsav prosztetikus csoport redukálódik és egyben a képződő acetilcsoporttal elreagál, S-acetil-dihidro-liponsav keletkezik. A liponsavat gyakran liponsavamidnak nevezik, mert prosztetikus csoportként az enzim egyik lizinjének oldalláncvégi aminocsoportjához kapcsolódik savamid kötéssel. Az acetilcsoport további útját a multienzim komplex harmadik alegysége, a dihidro-lipoil-dehidrogenáz irányítja. A dihidro-liponsavról az acetilcsoport egy koenzim-A láncvégi tiolcsoportjára kerül, így alakul ki az acetil-koenzim-A. A dihidro-liponsav FAD prosztetikus csoport közvetítésével NAD segítségével oxidálódik vissza.

A makroerg tiolészter csoportot tartalmazó acetil-koenzim-A a kiindulási anyaga az egyik közös lebontó folyamatnak, a citrátkörnek, amely működése során a szénatomok széndioxiddá oxidálódnak

A lipidek lebontásának egyéni szakasza az acetil-koenzim-A-ig

A lipidek lebontási folyamatainál meg kell különböztetnünk az összetett és egyszerű lipidek lebomlását. Az összetett lipidek lebontása a citoszolban kezdődik az észtercsoport lipázok katalizálta hidrolízisével (a foszfolipideket hidrolizáló enzimeket foszfolipázoknak nevezzük). A triglicerideken bemutatva a hidrolízis három lépésben zajlik le, először az egyik láncvégi észtercsoport bomlik el, majd tetszőleges sorrendben hasad le a másik két zsírsav. A zsírok fokozott lebontására az emberi szervezetet az adrenalin hormon készteti, amely egy bonyolult reakciósor (kaszkád rendszer) beindításával, foszforilálás útján aktiválja a lipáz enzimeket. A hidrolízis termékek közül a glicerolt először egy kináz segítségével egy ATP foszforilálja, az így "aktivált" glicerol-3-foszfátot (ismertebb, és a biokémiában gyakrabban használt néven α-glicerol-foszfátot) az α-glicerol-foszfát-dehidrogenáz enzim DHAP-tá oxidálja, amely bekapcsolódik a glikolízisbe.

A zsírsavak általában a 3-as (β) szénatomon kiinduló lebontási folyamattal, a β-oxidáxióval bomlanak le. A trigliceridek hidrolízise során a citoszolban keletkező zsírsavaknak be kell jutniuk a mitokondriumba, a β-oxidáció szinterére. A bejutás egy speciálisan poláris molekulához, a karnitinhez kapcsolódva, karnitin ellenében antiport membrán-transzport folyamatban, transzlokáz közreműködésével történik.

A citoszolban a zsírsavak a karbonsavakra általánosan jellemző módon egy ligáz (acil-koenzim-A-szintetáz) közreműködésével aktiválódnak: először egy ATP molekula segítségével a makroerg savanhidrid kötést tartalmazó acil-AMP keletkezik, amely a koenzim-A-val helyettesítési reakcióba lép, makroerg tiol-észter kötést tartalmazó acil-koenzim-A és AMP keletkezik. A reakció energiaigényét a leszakadó pirofoszfát hidrolízise biztosítja.

A zsírsavak aktív származéka, az acil-koenzim-A a citoszolbeli karnitin-acil-transzferáz hatására képes egy karnitint megacilezni, majd a mitokondriumban egy koenzim-A segítségével a mitokondriális karnitin-acil-transzferáz közreműködésével az acil-koenzim-A regenerálódik, a karnitin visszatér a citoszolba.

A zsírsavak β-oxidációja

Az acil-koenzim-A β-oxidációjának lépései a zsírsav 3-as metiléncsoportján egy karbonilcsoport kiépítését célozzák egy kettős kötés oxidatív kialakításán, vízaddíción és a β-hidroxilcsoport oxidációján keresztül.

A páratlan szénatomszámú zsírsavak lebontása

A koenzim-A tiolcsoportjának nukleofil támadása a kialakított 3-as oxocsoporton a tioláz enzim katalizálta tiolízis. Az ezt megelőző, fent említett három lépés erős hasonlóságot mutat a később ismertetett citrátkör utolsó három lépésével. A β-oxidáció végén egy acetil-koenzim-A és egy két szénatommal rövidebb zsírsavval acilezett koenzim-A keletkezik, az utóbbi -oxidációval addig bomlik tovább, ameddig valamennyi zsírsav részlet acetil-koenzim-A-vá alakul. A páratlan szénatommal rendelkező zsírsavak lebontásánál az utolsó tiolízis után propionil-koenzim-A marad vissza, amely karboxileződés és alkil-vándorlás után szukcinil-koenzim-A formájában kapcsolódik be a citrátkörbe.

A csírázó növényekben egy alternatív lebomlás (α-oxidáció) páratlan szénatomos zsírsavak, valamint zsíralkoholok keletkezését teszi lehetővé egy peroxidáz enzim és hidrogén-peroxid segítségével. A folyamathoz aktiválásra nincs szükség.

A zsírsavak α-oxidációja

A foszfolipidek valamennyi észtercsoportját különböző foszfolipáz enzimek hidrolizálják le. Az egyszerű lipidek a β-oxidációhoz hasonlító oxidatív folyamatokkal bomlanak le acetil-koenzim-A molekulává.

A fehérjék, majd az aminosavak lebontásának egyedi útja valamelyik közös intermedierig

Az élő szervezetbe kerülő fehérjék a citoplazmában először proteázok (peptidázok) segítségével aminosavakká hidrolizálódnak. Az exo-peptidázok közül az amino-peptidázok a hidrolízist az N-terminálison kezdik, a C-terminálist a karboxi-peptidázok hasítják. A karboxi-peptidáz-B a láncvégi bázisos aminosavakat (Lys, Arg) hasítja le, a karboxi-peptidáz-A mindegyik láncvégi aminosavat lehasítja, kivéve a bázisos oldalláncúakat. Az endo-peptidázok meghatározott aminosavak közötti peptidkötéseket hidrolizálnak. A pepszin savas körülmények között aktív, olyan peptidkötéseket bont, amelyek amino komponense aromás aminosav (tehát az aromás aminosavak előtti kötést bontja), ilyenek a Phe, Tyr, His. Lúgos körülmények között dolgozik a tripszin és az -kimotripszin. Az előbbi bázisos aminosav (Lys, Arg) utáni, az utóbbi pedig aromás aminosavak (Phe, Tyr, Trp) utáni (tehát karbonil részletét tartalmazó) peptidkötéseket hidrolizál. A proteázok egy része aktív centrumuk katalitikus helyén nem két karboxilcsoportot viselnek, hanem a savasabb csoportként különleges aktivitású szerint (szerin-proteázok, pl. tripszin, kimotripszin) vagy ciszteint (cisztein-proteázok) tartalmaznak. A fém-proteázokban aktív helyen speciálisan kötött fém ion segíti elő a mellette rögzített peptidkötés hidrolitikus hasadását (pl. a karboxi-peptidáz-A-ban a Zn2+).

A proteázok saját környezetük fehérjéire is veszélyesek lennének, ezért általában inaktív állapotban, proenzimek (zimogének) formájában vannak. A zimogénekből megfelelő peptidázok kémiai, általában hidrolitikus átalakításával alakulnak ki az aktív enzimek. A pepszin zimogénje a pepszinogén, a tripsziné a tripszinogén stb.

A citoplazmában az aminosavak egy része helyben aktiválódik és közvetlenül a fehérjeszintézisben kerül, másik része négy lépéses folyamatban bomlik le. Az aminosavból először az aminocsoport távozik és α-keto-karbonsav keletkezik (transzaminálás), a folyamat további lépései: oxidatív dezaminálás, ammónia kiürítés és az oldalláncok oxidatív lebontása.

Az L-α-aminoavak lebomlása acetil-koenzim-A-ig vagy a citrátkör valamelyik intermedierjéig

Transzaminálás

A citoplazmában lejátszódó transzaminálásban az aminosavak aminocsoportjukat a transzaminázok közreműködésével, aldimin-ketimin átrendeződéssel, α-keto-glutársavnak adják át, azt glutaminsavvá változtatják, maguk közben α-keto-karbonsavakká alakulnak. A transzaminázok koenzimje a piridoxál-foszfát (PAL), amely kondenzációs reakcióban (valódi vízkilépés), aldimin képzés közben veszi át az aminocsoportot, majd tautomer átrendeződéssel ketiminné alakul, ez hidrolizálódik piridoxamin-foszfáttá (PAM) és α-keto-karbonsavvá. A PAM az előbbivel analóg, de fordított módon adja át aminocsoportját egy α-keto-glutársavnak és ketimin-aldimin átrendeződés, valamint hidrolízis után így regenerálódik a PAL, míg az aminocsoport glutaminsavba épülve bomlik tovább. A transzaminálás végén valamennyi aminosav aminocsoportjából glutaminsav képződik.

A transzaminálás első intermedierje, a piridoxál-foszfáttal képzett aldimin nem csak ketiminné tud átalakulni. Az aldiminek szén-dioxid vesztéssel jelentős biológiai hatású bázisokká (biogén aminokká) alakulnak. A ciszteinből származtatható ciszteamin a koenzim-A része, a hisztidinből származtatható hisztamin az emberi szervezetben az allergiás folyamatokban és a gyomorpanaszoknál játszik fontos szerepet. Az aminosavakból képzett aldiminekben az aminosav oldallánca is lehasadhat. Példa erre a szerin-glicin átalakulás, amelyet a hidroxi-metil-transzferáz katalizál. A szerinből származó hidroxi-metil oldallánc (C1) komponens, a tetrahidro-folsav (THF) 5-ös nitrogénjére kerül. Az aldiminek valamennyi átalakulásának első lépése mindig egy proton lehasadása. A biogén aminok több képviselőjét a biomolekulák tárgyalásakor mutattuk be.

Oxidatív dezaminálás

A glutaminsav az aminosavak lebontásának kulcsvegyülete a citoplazmában maradva oxidatív dezaminálással bomlik tovább. Aminocsoportját ammónia formájában veszti el (ez a sejtben, a vizes oldatban természetesen NH4 formában van), a glutarát-dehidrogenáz enzim és NAD koenzim közreműködésével könnyen hidrolizálódó imino-sav intermedieren keresztül regenerálódik a transzamináláshoz az α-keto-glutarát. A növényekben egyes α-keto-karbonsavakból ammónia segítségével képzett iminosavon keresztül közvetlenül redukcióval képezhető aminosav. Ezt a felépítő folyamatot reduktív aminálásnak nevezzük. A koenzim ilyenkor természetesen a (NADPH+H).

Az ammónía-liázok működése

Az aminosavakból ammónía-liázok hatására telítetlen sav és ammónia keletkezik. Így keletkezik például a növényekben a fenilalaninból a transz-fahéjsav.

A glutamin kialakulása és bomlása

Csak egysejtűek, egyes halak és rákok képesek az ammónia közvetlen kiürítésére. A magasabbrendű állati szervezeteket az ammónia mérgezi. A glutamát oxidatív dezaminálása után felszabaduló ammónia végleges kiürítése a karbamid (urea) ciklusban, karbamid formájában történik, de az ammónia szervezeten belüli szállítására is szükség van. Az ammónia a mitokondriumban a glutamin-szintetáz (ligáz) hatására a glutaminsav -karboxilcsoportjába savamidként, glutamint alkotva épül be, az ATPADP átalakulással képzett, makroerg savanhidrid kötést tartalmazó intermedier a -glutamil-foszfát. Analóg módon keletkezhet aszparagin is az aszparaginsavból. Az ammónia a szervezetben glutamin formában szállítható. A célhelyen a glutaminból az ammónia a glutamináz (hidroláz) segítségével regenerálható. A növényekben a glutamin és az aszparagin szintézise az ammónia beépítésének egyik alternatívája.

A glutamát alternatív keletkezése

A glutamin és glutaminsav más reakcióban is kapcsolatba kerülhet. Bár ez inkább felépítő folyamat, kapcsolatrendszere miatt itt tárgyaljuk. A glutamin és az α-keto-glutarát reduktív folyamatban, (NADPH+H) koenzim és a glutamát-szintáz közreműködésével két glutamáttá alakul.

A karbamid (urea) ciklus

Az ammónia különböző nitrogén-származékok, az esetek túlnyomó többségében karbamid (urea) formájában ürül ki az élő szervezetekből. Az ammónia a karmamid ciklusban (Krebs-féle urea ciklus) alakul át karbamiddá. A karbamid ciklus a mitokondriumban kezdődik, mivel ott szabadul fel a glutaminból az ammónia, amelyből szén-dioxid segítségével, két makroerg kötés energiájának felhasználásával (2ATD2ADP), két lépésben, makroerg kötést tartalmazó intermedier, karbamoil-foszfát (egyes szakkönyvek karbamil-foszfátnak nevezik) keletkezik. A karbamoil-foszfát egy ritka aminosavval, a karmabid ciklus első tagjával, az ornitinnal citrullinná alakul az ornitin-transzkarbamoiláz (transzferáz) hatására. A citrullin kijut a citoszolba, ott egy aszparaginsavval két makroerg kötés hasadását igénylő reakcióban (ATPAMP+PPi,valamint PPi+H2O2Pi), az arginino-szukcinát-szintetáz (ligáz) közreműködésével arginino-szukcináttá alakul, amely az arginino-szukcinát-liáz hatására argininra és fumársavra esik szét. A fumársav intermedierként felhasználódik, kapcsolatot teremtve a citrátkörrel, elősegítve az aszparaginsav regenerálását. Az arginin hidrolitikusan (argináz) ornitinná alakul vissza, valamint izokarbamid keletkezik, amely tautomer átalakulással a végtermék karbamiddá alakul és kiürül a szervezetből.

Az α-keto-karbonsavak oxidatív lebomlása

Az aminosavak transzaminálása után visszamaradó α-keto-karbonsavak egy része a citrátkör vagy a glikolízis egyik intermedierje. A többi oldallánc oxidatív lebomlása során ugyancsak a fenti intermedierek keletkeznek. Piruváttá bomlik le az Ala, Thr, Gly, Ser és a Cys oldallánca, aceto-acetil-koenzim-A-vá bomlik a Phe, Tyr, Trp, Leu és a Lys oldallánca, α keto-glutaráttá bomlik a Glu, Gln, His, Arg és a Pro oldallánca. A Met, Val és Ile oldalláncából szukcinil-koenzim-A képződik, az Asp és Asn oldallánca oxál-acetátot ad. E folyamatok részletes ismertetésére itt sajnos nincs lehetőség.

A tápanyagok lebontásából származó közös intermedier, az acetil-koenzim-A további sorsa

A különböző tápanyagokból származó acetil-koenzim-A a mitokondriumban oxidatív lebontási folyamatokban szén-dioxiddá és vízzé alakul ("ég el"), közben jelentős energia keletkezik, ennek egy része a szervezet későbbi energia szükségletének kielégítéséig ADPATP átalakulással makroerg kötések formájában tárolódik. A mitokondriumban lejátszódó közös lebontási folyamatnak azt a szakaszát, amelyben az eredetileg a tápanyagból származó széntartalomból szén-dioxid keletkezik és a tápanyagból származó hidrogének redukált koenzimek formájában kerülnek tovább, citrátkörnek nevezzük. Azt a folyamatot, amelyben a koenzimek regenerálódnak, a tápanyagból származó hidrogének a levegő oxigénjével vizet alkotnak, azaz az oxigén redukálódik (elektron-transzport), közben ADP-ből és szervetlen foszfátból ATP keletkezik (oxidatív foszforiláció), terminális oxidációnak nevezzük.

Citrátkör (Szent-Györgyi - Krebs ciklus)

A mitokondriumban lejátszódó citrátkör ciklus jellegét Krebs fedezte fel, mechanizmusának tisztázásában Szent-Györgyi Albert jelentős szerepet játszott, ezért a kutatásáért ő is kapott Nobel díjat. A ciklusban a szén-dioxid és a redukált koenzimek keletkezésén kívül szubsztrát szinten egy makroerg kötés is kiépül (GDPGTP átalakulás). Az acetil-koenzim-A és a citrátkör tagjai számos bioszintetikus folyamatnak kiindulási anyagai, ezért a citrátkört az anyagcsere gyűjtőhelyének ("gyűjtőmedencéjének") tekintjük.

Az acetil-koenzim-A először az oxál-acetáttal citromsavat képez. Az acetil-koenzim-A-ból a citrát-szintázzal (liáz) képzett ES komplexben az enzim aktív helyének hisztidin oldalláncával kialakított hidrogén-kötés hatására enol-szerkezet alakul ki, amelynek láncvégi metilén-csoportja nukleofil támadást intéz az oxál-acetát karbonilcsoportja ellen, majd a koenzim-A hidrolitikusan lehasad.

A citrát vízvesztéssel (akonitsav) és vízaddícióval az akonitáz (liáz) hatására izocitráttá alakul, amelynek hidroxilcsoportját az izocitrát-dehidrogenáz a NAD koenzim segítségével ketonná oxidálja. Az oxál-borostyánkősav azonnal dekarboxileződik α-keto-glutaráttá. Az α-keto-glutarát egy multienzim komplex (α-keto-glutarát-dehidrogenáz) segítségével, koenzim-A belépésével oxidatív dekarboxileződésen esik át, makroerg tiol-észter kötést tartalmazó szukcinil-koenzim-A keletkezik. Ez a folyamat a piruvát oxidatív dekarboxileződéséhez hasonló módon megy végbe, az enzim a piruvát-dehidrogenáz enzimmel analóg felépítésű (TPP, liponsav, FAD, NAD, koenzim-A). Az intermedier makroerg kötésének energiája egy GDPGTP átalakulásba épül be, miközben egy ligáz, a szukcinil-koenzim-A-szintetáz (szukcinát-tiokináz) hatására a molekula felhasad, szukcinát (borostyánkősav) és koenzim-A keletkezik. A következő három lépés analóg a zsírsavak β-oxidációjának megfelelő lépéseivel: a szukcinát fumaráttá oxidálódik a szukcinát-dehidrogenáz hatására (koenzim: FAD), ezt követi a vízaddíció (az enzim a fumaráz - liáz), majd a keletkezett L-malát (almasav) oxidációja oxál-acetáttá (az enzim a malát-dehidrogenáz, a koenzim ismét NAD).

Megjegyezzük, hogy az áttekinthetőség kedvéért az ábrázolásban logikai bukfencet követtünk el, ugyanis az intermediereket a szokott formában rajzoltuk. Így nem látszik, hogy az intermedierek az eredeti acetilcsoport felől kötődnek az enzimekhez, a dekarboxileződési folyamatokban keletkező szén-dioxidok az oxál-acetátból származnak, az acetilcsoport két szene a regenerált oxál-acetátba épül be. Ezt az ellentmondást úgy oldottuk fel, hogy az oxál-acetát mintkét ábrázolását felrajzoltuk.

CH3–COSKoA+3NAD+FAD+GDP+Pi 2CO2+3(NADH+H)+FADH2+GTP

A citrátköt anyagmérlege

A citrátkör enzimei nagy enzim komplexekben a mitokondrium belső falához tapadva működnek. A citrátkör szabályozásában az ATP/ADP arány meghatározó szerepet játszik. Az ATP ugyanis a citrát-szintáz (régi, helytelen nevén citrát-szintetáz) speciális (allosztérikus) gátlószere, egyes intermedierek is a körfolyamat különböző enzimeit allosztérikusan gátolják.

Az anyagcsere lebontási folyamatai bonyolult szabályozás alatt állnak. A glikolízis és a citrátkör visszacsatolásos (feed back) szabályozás alatt van. A glikolízis első lépésének inhibítora a termék glükóz-6-foszfát. Mint már jeleztük, a PFK allosztérikus aktivátora a fruktóz-2,6-biszfoszfát és az AMP. Ugyanezt a folyamatot a citrát és az ATP is gátolja. A PEPpiruvát átalakulást a zsírsavak gátolják. A piruvát-dehidrogenáz működését, az acetil-koenzim-A keletkezését az ATP, a (NADH+H) és maga az acetil-koenzim-A gátolja.

Negatív visszacsatolás

Nem közvetlenül az enzimek aktív helyére hatnak, mégis közvetlenül befolyásolják az enzim aktivitását azok a vegyületek, amelyek az allosztérikus szabályozásban vesznek részt. Az anyagcsere folyamatok szabályozása szempontjából kiemelkedő fontossága van az allosztérikus szabályozásnak. Ilyenkor hosszabb anyagcsere folyamatok végterméke a folyamat első enzimére allosztérikus gátlószerként hat, ez megakadályozza, hogy a szóbanforgó anyag feldúsuljon. Ezt a szabályozást negatív visszacsatolásnak (feed back) nevezzük. Az allosztérikus gátlásra alkalmas enzimek legalább két alegységet tartalmaznak, tehát negyedleges szerkezettel rendelkeznek. A szabályozó anyag a szabályozó (reguláló) centrumon kötödik meg, amely nem az aktív centrumot tartalmazó, hanem a másik alegységben van. Gyakran a szubsztrát molekulák maguk is szabályozó hatásúak. Elvben természetesen lehetséges pozitív visszacsatolás is, de ez nem igen fordul elő az élő világban.

Az allosztérikus szabályozás összehangolt (concerned) mechanizmussal megy végbe, amelyet Monod tárt fel. Az alegységeknek két lehetséges konformációja van, az aktív (lazított, relaxed - R) és inaktív (feszített, tensed - T) konformáció. A két alegység egyszerre csak azonos konformációban lehet: RR vagy TT. A két forma egyensúlyban van egymással 1:10000 arányban a T forma javára. A szubsztrát molekula az aktív helyet tartalmazó alegységnek csak R konformációjú alakjával képes reagálni. Az allosztérikus aktiválószer hatására a reguláló centrumot tartalmazó alegység R konformációjú, így a másik, a katalitikus alegység is R konformációjú lesz, az ES komplex kialakulása meggyorsul. Az allosztérikus gátlószerek kötődésekor a reguláló centrumot tartalmazó alegység a T konformációban rögzül, ez lehetetlenné teszi, hogy a szubsztrát molekulák az ugyancsak T állású második centrumon megkötődjenek.

Terminális oxidáció

A tápanyagok közös lebontási folyamatának az a része, amelyben a redukált koenzimekről a tápanyagokból származó hidrogének az oxigénre kerülnek, közben a koenzimek visszoxidálódnak és az oxigén vízzé redukálódik (elektron-transzport részfolyamat), a tápanyagokból származó energia pedig makroerg kötésekbe épülve jelenik meg, ADP-ből és szervetlen foszfátból ATP szintetizálódik (oxidatív foszforiláció részfolyamat). Megjegyezzük, hogy a két részfolyamat nevét gyakran a teljes folyamat szinonímájaként használják. A terminális oxidáció helye a mitokondrium belső membránja, amelyről már korábban megemlítettük, hogy lévén a külső membránnál nagyobb, a belső tér (mátrix tér) felé kitüremkedései vannak, ezeket krisztáknak nevezik. Emlékeztetőül:

A mitokondrium membránjai

A mitokondrium belső membránjában rögzítve helyezkednek el az eletron-transzport nagyobb enzim komplexei (NADH-Q-reduktáz, citokróm-reduktáz, citokróm-oxidáz), valamint a belső membránban szabadon mozdulhatnak el a kisebb egységek, a Koenzim-Q és a citokróm-c. Ugyancsak a mitokondrium belső membránjában van az oxidatív foszforiláció enzimje, az FoF1-ATP-áz. A hidrofób Fo alegység a proton csatorna, aktív transzporttal H transzportot tesz lehetővé a mitokondrium mátrix teréből a belső membránon keresztül a közti térbe. Az ADPATP átalakulást katalizáló F1 alegység a belső membránnak a mátrix tér felé eső oldalán mintegy kidudorodásokat képez. A belső membránban több transzlokáz működik, az egyik úgy enged be egy ADP molekulát, hogy antiport folyamatban ATP molekulára cseréli.

Az elektron-transzportban a redukált koenzimekről a hidrogének (a folyamat elején együtt az elektronok és protonok, később térben elválasztva) az egyik enzim komplexről a másikra kerülnek, a részfolyamat végén a protonok, az elektronok és a levegőből származó, és a magasabbrendű élőlényeknél a hemoglobin segítségével hemoglobin-oxigén komplex formájában a vérkeringéssel a sejtbe vitt, oxigénre kerülnek, azaz vizet alkotnak. Az elektron-transzportban az elektronok (és a velük vagy tőlük elválasztva a protonok) a negatívabb standard redoxpotenciálú helyről a pozitívabb standard redoxpotenciálú hely felé tartanak. Azoknál az átmeneteknél, amelyeknél a standard redoxpotenciál különbség nagy, az elektron átvitel nagy negatív szabad entalpia változással jár, következik be az ATP szintézis. A standard redox potenciál értékeket zárójelben jelezzük.

Az elektron-transzport kiindulási anyaga a (NADH+H) (-0,32V), innen a hidrogének (hidrid anion a koenzimről és proton a mátrix térből) a NADH-Q-reduktáz (-0,30V) enzim komplexre jutnak. A NADH-Q-reduktáz FMN prosztetikus csoportot és vas-kén fehérjéket tartalmaz. Ez utóbbiak szabályos ("cluster") elrendeződésű, a fehérjében lévő cisztein oldalláncban kovalensen és vashoz ionosan kötött kenet tartalmaznak (ez utóbbi kén-tartalom savanyításra kénhidrogén formájában távozik, ezt záptojás szag jelzi).

Ezután a hidrogének (az elektronok és protonok még mindig együtt, kinonhidrokinon átalakulással) a koenzim-Q-ra (ubikinon) (+0,04V) kerülnek. A koenzim-Q molekulák szabadon úsznak a membránban. így viszik a hidrogéneket a következő enzim komplexhez, a citokróm-reduktázhoz (), közben hidrokinon-származékból (ubikinol) visszaoxidálódnak ubikinonná. A koenzim-Q aránylag nagy mozgékonysága miatt a mitokondrium belső membránjának külső oldaláról is át tud venni hidrogéneket, ezért a NADH-Q-reduktáznál pozitívabb standard redoxpotenciálú FADH2 és FMNH2, amely itt kapcsolódik be az elektron-transzportba, akkor is át tudja adni neki a hidrogénjeit, ha történetesen a közti térben van.. A továbbiakban a hidrogénekből származó elektronok és protonok útja szétválik. A protonok a mátrix térbe, illetve az oxidatív foszforiláció során a két membrán közötti térbe kerülnek, az elektronok pedig egyenként vándorolnak tovább a hemet tartalmazó citokrómok Fe3+Fe2+ átalakulásainak segítségével. A citokróm-reduktáz komplex több citokróm fajtát tartalmaz: az elektronok a citokróm-b566-ra (+0,07V) onnan a citokróm-b562-re kerülnek, innen hurokszerű átmenettel, bonyolult visszacsatolással vas-kén fehérjék következnek, majd a citokróm c1 (+0,23V), amely az enzim komplex utolsó állomása. Ezután a membránhoz lazán kötött, tehát szabadabban mozgó citokróm-c komplex következik, erről kerülnek egyesével az elektronok a lánc utolsó enzim komplexére, a citokróm-oxidázra, amelyben szintén több citokróm típus van, az utolsó, a citokróm-aa3 (+0,55V) két réz iont is tartalmaz. A citokróm-aa3-ról jutnak át az elektronok a mátrix térből származó protonokkal együtt az oxigénre (+0,82V), így alakulnak ki a H2O molekulák.

Az a kívánatos, hogy egy oxigén molekulára egyidőben kötődjék négy elektron és négy proton, ugyanis ellenkező esetben mérgező peroxid és szuperoxid gyökök (mivel párosítatlan elektronjuk negatív töltést kölcsönöz nekik, ionoknak is nevezhetjük őket) keletkeznek. Ennek érdekében a citokróm-oxidáz, illetve azon belül a citokróm-aa3 csak akkor engedi el az oxigént (O2), ha mind a négy elektron rajta van és a protonok is hozzákapcsolódtak, tehát a komplexről kész víz molekulák hasadnak le. E folyamatban játszanak jelentős szerepet a citokróm-aa3-hoz kapcsolódó Cu2+ ionok.

A toxikus melléktermékek keletkezésének lehetőségét két védőenzim is csökkenti. A szuperoxid-dizmutáz a szuperoxid gyök-ionokat oxigén segítségével peroxid ionokká alakítja. A peroxid gyök-ionok protonokkal hidrogén-peroxidot képeznek, amely a kataláz segítségével oxigénné és vízzé alakul. A két védőenzim nem csak a mitokondriumban található, előfordulásuk univerzális, feladatuk mindenhol a fenti méregtelenítés.

Szuperoxid ion keletkezése: O2 + e O2 Ө

Peroxid anionkeletkezése: O2 + 2e O22 Ө

Hidrogén-peroxid keletkezése: 2 H + O22Ө H2O2

A szuperoxid anion eliminálása a szuperoxid-dizmutáz hatására: 2 O2Ө O22Ө + O2

A hidrogén-peroxid eliminálása kataláz hatására: 2 H2O2 2H2O + O2

A mérgező gyökök eliminálásának folyamat

Az elektron-transzport-lánc egyes enzimei közötti standard redoxpotenciál különbségek okozta szabad entalpia változás három esetben nagy negatív érték, a NADH-Q-reduktáz és a Koenzim-Q, a citokróm-reduktáz (benne is a citokróm-b) és a citokróm-c, valamint a citokróm-aa3 és az oxigén között. Ezeknél az átmeneteknél felszabaduló energia épül be az oxidatív foszforilációban egy-egy ATP egy-egy makroerg kötésébe. Mivel a FADH2 és a FMNH2 a korábban ismertetett okokból csak a Koenzim-Q-nál kapcsolódik bele a transzport folyamatba, oxidációjakor csak két ADPATP átalakulás következik be.

Az oxidatív foszforiláció során az elektron-transzportban felszabaduló energia makroerg kötésekbe épül. A folyamat mechanizmusával kapcsolatban számos elméletet dolgoztak ki, ezek közül a Mitchell-féle kemiozmózisos kapcsolás elmélet közelíti meg legjobban a valóságot, bár egyes részletek még ma is tisztázatlanok. Mitchell feltételezése szerint az elektron-transzport megfelelő helyeinél felszabaduló energia az FoF1-ATP-áz Fo egységének konformációváltozásának segítségével protonokat pumpál ki a mitokondrium mátrix teréből a közti térbe. A protonpumpa működése következtében proton koncentráció gradiens (különbség) jön létre a belső membrán két oldala között, ez az ozmotikus energia az ATP szintézis hajtóereje.

A citoszolban képződött (NADPH+H) elsődleges feladata az, hogy a reduktív bioszintetikus folyamatokhoz elektronokat biztosítson. Szükség esetén a (NADPH+H) az elektron-transzportba is tud hidrogéneket juttatni, a NADPH-dehidrogenáz enzim közreműködésével.

(NADPH+H) + NAD NADP + (NADH+H)

A NADPH-dehidrogenáz katalizálta reakció

Mitchell eredeti elképzelése szerint minden nagyobb negatív szabad entalpia vátozáskor egy-egy proton, az újabb kísérletek szerint három-három proton pumpálódik ki a közti térbe. A membrán két oldala között kialakuló proton koncentráció különbség hatására az FoF1-ATP-áz F1 alegysége katalizálja az ADPATP átalakulást a belső membránban. Az ADP + Pi = ATP + H2O reakció során a víz eddig pontosan nem tisztázott körülmények között úgy keletkezik, hogy a membrán két oldala között a proton koncentráció különbség kiegyenlítődik. Ez utóbbi folyamatot, mivel meghatározott térbeli irányba mutat, vektoriális reakciónak nevezzük. Mivel a redukált koenzimből csak két proton származhat, a kipumpált protonok nagy többsége a víz disszociációjából származik. A mátrix térben visszamaradó hidroxid anionok negatív töltése a potenciál különbséget még hangsúlyozottabbá teszi.

A Mitchell-féle kemiozmózisos kapcsolás elméletre több bizonyíték létezik. A legszemléletesebb bizonyíték az elektron-transzport és az oxidatív foszforiláció szétkapcsolása úgynevezett szétkapcsoló anyagokkal. Ha ugyanis egy molekula más mechanizmussal képes a fennálló töltéseloszlással ellentétes töltéseket a membrán túloldalára juttatni, a töltések kiegyenlítődése az elektron transzportját nem akadályozza, de az ATP szintézisét lehetetlenné teszi. Ilyen szétkapcsoló anyagok egyes antibiotikumok, amelyek megváltoztatják a membránok átjárhatósági tulajdonságait (például az oligomicin, amelyről az Fo alegység a nevét kapta, és az úgynevezett ionofór antibiotikumok, amelyek specifikus komplexet képeznek egyes kationokkal - például a valinomicin a kálium ionokkal - és ezeket átviszik a mitokondrium belső membránján). Olyan erősen apoláris, protonra és anionra disszociálódni képes molekulák, amelyek számára a membrán mind disszociálatlan, mind disszociált állapotban átjárható, ugyancsak szétkapcsolók lehetnek. Ilyen vegyületek az éppen ezért rendkívül mérgező dinitro-fenolok, amelyeket a növényvédelemben rovarölőként (inszekticidként) használnak.

Az anyagcsere lebontó folyamatainak egymás közötti kapcsolatai

Az anyagcsere lebontó és felépítő (bioszintetikus) folyamatai, valamint az egyes lebontó folyamatok között a kapcsolatok bonyolult rendszere alakult ki. Az élő szervezeteknek a kapcsolatok kölcsönös szabályozásán kívül ez arra is lehetőséget ad, hogy egyik vagy másik folyamat ideiglenes vagy állandó korlátozásakor a megfelelő intermediert vagy végterméket alternatív úton hozza létre. A szénhidrátok, lipidek és fehérjék lebontási folyamatainak ismertetésénél többször utaltunk a fennálló kapcsolatokra, például a lipidek lebontásából származó glicerol és a glikolízis összefüggésére, illetve a transzaminálás, a karbamid ciklus és a citrátkör összefonódására. A kapcsolatok rendszerét a bioszintetikus folyamatok ismertetése teszi majd teljessé. Itt most olyan folyamatokat mutatunk be, amelyek nélkül a tápanyagok teljes lebontása nem lenne lehetséges.

Anaplerotikus (feltöltő) reakciók

Ahhoz, hogy a citrátkör zökkenőmentesen működjék, az acetil-koenzim-A molekulákon kívül a mitokondriumban megfelelő oxál-acetát koncentráció szükséges. Ha nincs jelen elegendő oxál-acetát, a felhalmozódott acetil-koenzim-A-ból nem kívánatos melléktermékek, úgynevezett ketontestek keletkeznek (aceto-acetát, azaz acetecetsav, abból dekarboxileződéssel aceton, redukcióval 3-hidroxi-butirát). A ketontestek számára a mitokondrium membránjai átjárhatók. Ez az állapot akkor következik be, ha a szervezet túl kevés glükózt és túl sok zsíradékot bont le, ezért felszaporodik az acetil-koenzim-A. Egyes anyagcsere-betegségekben (pl. cukorbetegség) is felszaporodhatnak a ketontestek, ez okozza a cukorbetegek jellegzetes illatú (acetonos) lehelletét. A cukorbetegségben azért halmozódnak fel a ketontestek, mert a glükóz anyagcsere zavara miatt az oxál-acetát egy része glükóz bioszintézisre fordítódik.

Ketontestek képződése

Megjegyezzük, hogy a legújabb kutatások szerint az emberi szívizomban fordított folyamat játszódhat le, az acetecetsav az acetil-koenzim-A prekurzora is lehet, így energiaforrásként szerepelhet.

Normális körülmények között a szervezet gondoskodik arról, hogy a citrátkör zavartalan működéséhez elegendő oxál-acetát álljon rendelkezésre. Az oxál-acetát készletet (szintet) biztosító reakciókat nevezzük anaplerotikus reakcióknak. Az oxál-acetát koncentráció fenntartása többszörös biztosítással, különböző enzimek segítségével történik.

Az állati szervezetekben a legelterjedtebb út a mitokondriumban a piruvát szén-dioxid megkötése (karboxilezése) a piruvát-karboxiláz hatására. A koenzim a biotin, ennek megfelelően az irreverzibilis reakció végbemeneteléhez makroerg kötés hasadása (ATPADP), az enzim működéséhez mangán ionok jelenléte szükséges.

A citoszolban a PEP karboxileződhet. A foszfo-enol-piruvát-karboxi-kináz által katalizált reakció megfordítható, mert a PEP makroerg enol-észter kötésének energiája egy újabb makroerg kötésbe (GDPGTP) épül be. Az enzim működéséhez magnézium ionok jelenléte szükséges. Ezeknek a folyamatoknak a glükóz egyik bioszintézis útjában is nagy jelentősége van. A citoszolban keletkezett oxál-acetát nem tud a mitokondriumba bejutni, ezért maláttá redukálódva jut át a membránon és a mitokondriumban regenerálódik.

A piruvátból két lépésben reduktív úton is keletkezhet oxál-acetát maláton keresztül a "malát" enzim (dekarboxiláló-malát-dehidrogenáz) segítségével. Ez a reakció egy nagyobb körfolyamat része, amely lehetővé teszi, hogy az acetil-Koenzim-A a mitokondriumból a citoplazmába jusson, közben a citoszolban a (NADH+H)-ból a felépítő folyamatokhoz szükséges (NADPH+H) keletkezzék.

Megjegyezzük, hogy oxál-acetátot eredményez az aszparaginsav transzaminálása is az aminosavak lebontásánál ismertett módon.

Redox ingák

A citoszolban a glikolízis során a glicerinaldehid-3-foszfát dehidrogénezésekor glükóz molekulánként két redukált koenzim (NADH+H) keletkezik. Mivel a redoxi koenzimek számára a mitokondrium membránjai átjárhatatlanok, a (NADH+H) visszaoxidálásáról a citoszolban kell gondoskodni. Két lehetséges megoldást a glükóz anaerob lebontásánál ismertettünk (alkoholos és tejsavas erjedés), Az erjedéses folyamatok azonban energianyereség szempontjából nem kedvezőek, ugyanakkor a mitokondriumban a terminális oxidációban két redukált koenzim hat makroerg kötés szintézisét jelentené. Két enzimrendszer lehetővé teszi azt, hogy a redukált koenzimekről legalább a hidrogének bejussanak a mitokondriumba, és ott hasonló koenzimekre kerülve beléphessenek a terminális oxidációba.

Ezekben a folyamatokban a citoszolban képződött (NADH+H) olyan, a citoszolban elérhető mennyiségben előforduló intermediert redukál, amely számára a mitokondrium membránja átjárható. A mitokondriumban a redukált intermedier visszaoxidálódik, a hidrogének egy mitokondriális redoxi koenzimre, majd a terminális oxidációba kerülnek, a visszaoxidálódott intermedier pedig egyszerűbb-bonyolultabb módon visszakerül a citoszolba Az állandó visszatérés miatt elvileg egyetlen hordozó molekula elegendő lenne a hidrogének átvitelére. Ezt szemléletesen fejezi ki az angol "shuttle" kifejezés, ami (szövőgépi) vetélőt jelent. Az általunk használt "inga" szó is analóg jelentésű, ezért használjuk annak ellenére, hogy a magyar szaknyelv csak elvétve használja. Ezt a folyamatot gyakran extramitokondriálisan képződő (NADH+H) oxidációjának nevezik.

Az α-glicerol-foszfát inga

Ebben a folyamatban a redukálódó vegyület a dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP), amely a glikolízisben nagy mennyiségben áll rendelkezésre. A DHAP a citoszolban a (NADH+H) segítségével glicerol-3 foszfáttá (régiesebb és gyakrabban használt nevén α-glicerol-foszfáttá redukálódik, amely csak a mitokonrium küldő membránján képes átjutni, és felhalmazódik a közti térben. A közti térben az α-glicerol-foszfát a FAD segítségével oxidálódik vissza DHAP molekulává, amely visszatér a citoszolba. A FADH2 nem kerül be a mátrix térbe, a belső membrán külső oldalánál lépes hidrogénjeit a membránban úszó koenzim-Q-nak átadni. Ez a redox inga látszólag energia veszteséggel működik, mert az eredeti, citoszolbeli (NADH+H) három makroerg kötés keletkezését indikálná, a mitokondrium közti terében keletkezett FADH2 csak kettőt jelent. Ez a folyamat a látszólagos energia veszteség ellenére is kedvező, mert a FADH2 redukált koenzim a nagyobb mitokondriumbeli (NADH+H) koncentráció, tehát koncentráció gradiens ellenében is képes a hidrogéneket a citoszolból a terminális oxidációba juttatni, tehát aktív membrán transzportnak tekinthető.

A malát-aszpartát inga

A másik redox inga elsősorban a máj és szív sejtjeiben működik. A malát-aszpartát rendszer nem jár energia veszteséggel, mivel a mitokondriumban is (NADH+H) keletkezik, ennek megfelelően az áthaladásra a passzív transzport szabályai érvényesek. Ez az oka annak, hogy a koncentráció viszonyoktól függően a hidrogén szállítás iránya megfordulhat (reduktív ekvivalens). Ebben az ingában a citoszolban oxál-acetát - malát átalakulás történik, és a malát számára egy transzlokáz segítségével a mitokondrium belső membránja is átjárható. A mitokondriumban az oxál-acetát regenerálódik. Mivel azonban számára a mitokondrium belső membránja átjárhatatlan, kerülőútra kényszerül.

Egy transzaminálási folyamatban az oxál-acetát és egy glutaminsav aszparaginsavvá és α-keto-glutaráttá alakul. E két anyag számára transzlokázok segítségével már átjárható a mitokondrium belső membránja. Az α-keto-glutarát a malát partnere az antiport membrán-transzport folyamatban. Az aszpartát egy másik transzlokáz segítségével jut ki, cserepartnere az a glutaminsav, amely az oxál-acetát mellett a regeneráló citoszolbeli, transzamináz katalizálta reakcióban keletkezik. A folyamat első fele megegyezik azzal a transzport folyamattal, amellyel az anaplerotikus reakciókban az oxál-acetát bejuttatható a mitokondriumba.

A malát-aszpartát inga csak a csúcsra járatott szervekben (ilyen a máj és a szív) képes működni, amelyekben a mátrix (NADH+H) koncentrációja a magas igénybevétel miatt aránylag alacsony.

A glükóz aerob lebontásának anyagmérlege

Egy molekula glükóz lebontása a α-glicerol-foszfát ingával:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O, valamint 36 ADP + 36 Pi 36 ATP + 36 H2O

A malát-aszpartát inga közreműködésével a képződő makroerg kötések száma 38.

Pentóz-foszfát ciklus

Az anyagcserében a lebontó és felépítő folyamatok között különleges helyet foglal el a citoszolban lejátszódó pentóz-foszfát ciklus. Természetét tekintve a glükóz alternatív lebontása. Ezt jelzi másik elnevezése is (a glükóz direkt oxidációja), amely félrevezető, mert a folyamat nem glükózból, hanem glükóz-6-foszfátból indul ki. A pentóz-foszfát ciklusban a glükóz-6-foszfát oxidatív degradáció (lebomlás) következtében szén-dioxidot veszít és ribulóz-5-foszfáttá, tehát pentóz-foszfáttá alakul, közben két (NADPH+H) keletkezik. Ez a redukált koenzim a bioszintetikus (felépítő) folyamatok koenzime, ez különleges kapcsolatot jelent a lebontó és felépítő anyagcsere folyamatok között. A ribulóz-5-foszfát transzfer cukor-foszfát átalakítási módszerekkel ciklusos reakcióban alakul tovább, végeredményben 6 ribulóz-5-foszfátból 5 glükóz-6-foszfát keletkezik. A glükóz alternatív lebontása energianyerés szempontjából nem különbözik számottevően a glükóz aerob lebontásától (egy glükóz-6-foszfátból 12 redukált koenzim keletkezik, ez elvben 36 makroerg kötésnek felel meg). A folyamat jelentősége nem ebben, hanem a keletkezett intermedierekben és végtermékekben van.

A pentóz-foszfát ciklusban keletkeznek a heterotróf élőlények reduktív, felépítő folyamataihoz szükséges redukált (NADPH+H) koenzimek (az autotróf növények ezekhez a fotoszintézisben jutnak). A pentóz-foszfát ciklusra a növényeknek is szükségük van, mert a fotoszintézisben kulcs-szerepet játszó ribulóz-1,5-biszfoszfát kiindulási anyaga, a ribulóz-5-foszfát itt keletkezik. A ciklusban a ribulóz-5-foszfátból egyéb cukor-foszfátok, így ribóz-5-foszfát is keletkezik, amely a nukleinsavak egyik felépítő anyaga, tehát a pentóz-foszfát ciklusra valamennyi élőlénynek szüksége van. Az emlősökben a glükóz körülbelül 10 %-a bomlik le ezen az úton.

A folyamat bevezető két lépésében keletkezik a két (NADPH+H), a glükóz-6-foszfát6-foszfo-glukonsav-lakton (glükóz-6-foszfát-dehidrogenáz), illetve a szén-dioxid fejlődésével járó glukonsav-6-foszfátribulóz-5-foszfát (Mg2+ ionokat igénylő glukonsav-6-foszfát-dehidrogenáz) átalakulásban. A ribulóz-5-foszfát egy izomeráz hatására ribóz-5-foszfáttá, egy epimeráz hatására pedig xilulóz-5-foszfáttá alakul.

A cukor-foszfátok további átalakulásában két transzferáz típus működik közre, mindkettő egy ketóz-foszfátból és egy aldóz-foszfátból úgy készít egy aldóz- és egy ketóz-foszfátot, hogy az eredeti ketóz-foszfát első két (transzketoláz) vagy három (transzaldoláz) szénatomos részletét az aldóz-foszfátra viszi, így az eredeti ketóz-foszfátból rövidebb aldóz-foszfát, az eredeti aldóz-foszfátból hosszabb ketóz-foszfát keletkezik. A fenti transzferázok csak olyan átalakulásokat katalizálnak, amelyekben az eredeti ketóz-foszfát 3-as szénatomjához és a kialakuló ketóz-foszfát 3-as szénatomjához (transzketoláz), illetve az átkerülő 3-as szénatomhoz (transzaldoláz) kapcsolódó hidroxilcsoport L térállású.

A transzketolázok és a transzaldoláz működésének eredményeképen 6-pentóz-5-foszfátból 4 glükóz-6-foszfát és 2 glicerinaldehid-3-foszfát keletkezik. A két utóbbiból a később bemutatott glükoneogenézis folyamata szerint keletkezik glükóz-6-foszfát.

A pentóz-foszfát ciklus anyagmérlege

Felépítő (bioszintetikus) folyamatok, anabolizmus

A szénhidrátok és a lipidek felépítő folyamatainak egy része a lebontó folyamatok fordított irányú lejátszódása néhány lényeges kulcslépés kivételével.

A szénhidrátokat felépítő folyamatok

A szénhidrátokat felépítő folyamatok közül elsősorban a glükóz bioszintézise, valamint a poliszacharidok felépülésének elve érdemel részletezést.

A glükóz bioszintézise (glükoneogenézis)

A glükóz piruvátból, laktátból, vagy a citrátkör intermedierjeiből kiinduló bioszintézisét nevezzük glükoneogenézisnek (a glükóz ujjászületésének). Kiindulási anyagul olyan aminosavak is szolgálhatnak, amelyek transzaminálással a fenti kiindulási anyagok valamelyik képviselőjévé alakulhatnak. A glükoneogenézis voltaképen a glikolízis fordított menetét követi.

A glikolízisnek három olyan lépése van, amely energetikailag nem megfordítható, ezeket a glikolízis ismertetésénél részletesen tárgyaltuk. A glükoneogenézis szempontjából az első lépés a piruvátPEP átalakulás is ezek közé tartozik, ezért csak kerülőúton mehet végbe. A lépést bonyolultabbá teszi, hogy a piruvát a mitokondriumban fordul elő nagyobb mennyiségben, a PEP-re pedig a citoplazmában van szükség. A piruvát a mitokondriumban az anaplerotikus reakcióknál ismertetett módon szén-dioxidot köthet meg a piruvát-karboxiláz hatására és oxál-acetáttá alakul. Az oxál-acetáton keresztül kapcsolódhatnak be a folyamatba a citrátkör egyéb intermedierjei. Az oxál-acetát ugyancsak az anaplerotikus reakcióknál részletezett feltételek mellett malát formájában jut ki a mitokondriumból a citoszolba és alakul PEP molekulává a foszfo-enol-piruvát-karboxi-kináz hatására. Ez utóbbi reakció most az anaplerotikus reakcióhoz képest ellentétes irányba megy végbe, ezért egy makroerg kötés energiáját igényli (GTPGDP). Végeredményben a piruvátPEP átalakulás két makroerg kötés felhasadását igényli (ATPADP és GTPGDP), a PEP molekula pedig csak egy makroerg enol-észter kötéssel rendelkezik, így a folyamat egy makroerg kötés energiáját emészti fel. A mitokondriumban lejátszódó lépések a bekeretezett részben láthatók.

Glükoneogenézis folyamata

A glikolízis másik két megfordíthatatlan reakciója a két kináz katalizálta foszforilálás. A fruktóz-1,6-biszfoszfát és a glükóz-6-foszfát foszfát-észter kötéseinek hidrolitikus hasadását a glükóz bioszintézisében két specifikus foszfatáz (hidroláz) végzi. Ha a glükoneogenézis célja poliszacharidok felépítése, akkor a glükóz-6-foszfátból a glükóz kialakulása elmarad.

A glükóz bioszintézise a növényekben (fotoszintézis)

Az élő világ szempontjából alapvető fontosságú az a folyamat, amelyben a napfény energiája fotonok formájában kémiai energiává képes átalakulni, ez a növényi fotoszintézis. Arra, hogy élő szervezetek szervetlen anyagokból szerves molekulákat állítsanak elő, kevés kivételtől eltekintve a fotoszintézis (a glükóz bioszintézise széndioxidból és vízből), az egyetlen lehetőség. A fotoszintézis során az elnyelt fényenergia a víz fotolízisét okozza, közben a levegő szén-dioxidja asszimilálódik, belőle glükóz szintetizálódik.

6 H2O + 6 CO2 12 h C6H12O6 + 6 O2

A víz és a szén-dioxid átalakulási folyamatai a lebontási folyamatokkal analóg módon a fotoszintézisben is elkülönülnek. A fotoszintézis fényszakaszában két fényelnyelő rendszer segítségével két foton energiájának hatására a víz fotolízist szenved és oxigén szabadul fel. A vízből származó hidrogének (elektronok és protonok) egy elektron-tra