Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Homeosztázis és szabályozás. Az anyag- és energiaforgalom és a
biológiai információ átadásának alapjai
Az élő szervezet alapjelenségei
Homeosztázis és belső környezetBernard (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 térfogati állandóságIzoionia oldott ionok állandóságaIzohidria pH állandóságaIzozmózis ozmotikus nyomás állandóságaIzotermia 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)
Na+ 142 138-151
K+ 4 3,4-5,2
Cl- 106 101-111
HCO3- 25 21-28,5
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
TRH
TSH
T4/T3
TRH
TSH
T4/T3
hipotalamusz
hipofízis
pajzsmirigy
+
+
-
-
negatív visszacsatolás
negatív éspozitív visszacsatolás
komplex szabályozó rendszerek
fájdalom+
magas
vérplazma
ozmolaritás
alacsony
vérnyo-
más
vízvissza-
szívás
hipotalamusz
neuroszekréciós
sejt
hipofízis
hátsó lebeny
gyűjtőcsatorna
hGH
szomatosztatin
IGF1
GHRH
hGH
szomatosztatin
IGF1IGF1
GHRH
hipotalamusz
hipofízis
máj
+-
Az anyag- és energiaforgalom alapjai
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
Táplákozás - anyagcsere
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 ellenébenb)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 fenntartása4) kémiai munka: saját molekulák felépítése
• anabolizmus: egyszerűbb vegyületekből összetettebb vegyületek keletkeznek, a szükséges energiát a katabolikus folyamatok biztosítják növekedés, raktározás energiatárolás
• a szervezet termodinamikai gép: táplálékkal energiafelvétel → energia részleges átalakítása →
energia leadása a környezetnek (hő + külső munka) energiamegmaradás alapelve
• metabolikus ráta: energiafelvétel- és leadás viszonya
t
E
t
E
t
E
t
E RMHT
ahol: T – táplálékH – hőM – külső munkaR – raktárak
energiamérleg egyensúlyban: =0 (csak átmeneti)
táplálékfelvétel ciklusos → tápanyag felszívódásakor a mérleg pozitív, posztabszorptív fázisban (felszívódás után) negatív
teljes testi nyugalom (bazális állapot):
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)
t
E R
t
E
t
E RH
A szervezet energiamérlege
A kémiai reakciók alaptípusai; alapfogalmak
• kémiai energia: olyan energia, amely a kémiai kötések és a molekulák formájában tárolódik
• energia – különböző formák, egymásba átalakulhatnak, de nem veszhet el és nem is keletkezhet
(→ energiamegmaradás törvénye)
• 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
hely
zeti
ene
rgia
a reakció lefutása
a reakció-partnerek energiája
a termékek energiája
a reakció lezajlásakor felszabaduló energia
a reakció indításához elnyelt energia
hely
zeti
ene
rgia
a reakció lefutása
a reakció-partnerek energiája
a termékek energiája
aktivációs energia katalizátor nélkülaktivációs energia katalizátor jelenlétében
• 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)
lebontó folyamatok (katabolizmus, disszimiláció)
A + B AB
A + BAB
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)
• poláros
- nagy kohéziós (összetartó) erő
- disszociál:
• a legfontosabb szervetlen alkotóelem
- más poláros vegyületeknek jó oldószer
• hidrolízis: lebontásuk során a makromolekulák vízmolekulá(k) beépítése mellett kisebb egységekre bomlanak
• vízkilépés (kondenzáció): vízmolekula kilépése pl. valamilyen anyag szintézise során
H2O H+ + OH-
Szervetlen anyagok és oldatok
- sav: H+ és anion (proton donor)
- bázis: OH- és kation (proton akceptor)
sav bázis só
- amfoter: savként és bázisként is viselkedhet (pl. H2O)
• disszociáció: szervetlen anyagok oldódása vízben
• 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
semleges lúgossavas
• 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
• pH:
mol/liter
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:
*R: változó molekularészlet, funkciós csoport
hidroxil karbonil karboxil észter amino
foszfát
tiolvagy vagy vagy
Szerves anyagok• monomer - dimer - polimer
• izomer: azonos kémiai összetétel, de eltérő szerkezet
glükóz (C6H12O6) fruktóz (C6H12O6)
szénhidrátok (cukrok, glikogén, keményítő, cellulóz)
• kémiai energia legfőbb forrása: ATP előállítás
• testtömeg ~ 2-3%-a
• C, H, O tartalom; 2:1 H:O arány (mint a víznél...)
• felépítő folyamatokban ált. kisebb jelentőség (de ld. dezoxiribóz - DNS!)
A szénhidrátok
egyszerű cukrok: mono- és diszacharidok
• monoszacharidok (édes ízt adók):C3: trióz; C4: tetróz; C5: pentóz; C6: hexóz; C7: heptóz
pentózok
hexózok
dezoxiribóz ribóz
glükóz
(szőlőcukor)
fruktóz
(gyümölcscukor)galaktóz• diszacharidok:
pl. szacharóz, laktóz, maltóz szacharóz
glükóz fruktóz+
szacharóz
glükóz fruktóz+ összetett cukrok: poliszacharidok
glükóz monomer
- hidrolízissel lebonthatóak egyszerű cukoralkotóikra
- ált. nem édesek, vízben oldhatatlanok• glikogén: glükóz monomerekből épül fel
(máj, vázizom)
glikogén
• keményítő (növények)
• cellulóz (növények; nem emészthető)
keményítőszemcséknövényi sejtekben
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
hidroxil csoport
4 gyűrű
szénhidrát oldallánc
koleszterinhidroxil csoport
4 gyűrű
szénhidrát oldallánc
koleszterin
- koleszterinből számos szteroid szintézise (pl. nemi hormonok)
- gyengén amfipatikus: hidroxil csoport
prosztaglandinok, leukotriének
nagy energiatartalmú vegyületek
esszenciális zsírsavak
• állati zsírokból vagy olajokból
• omega-6 zsírsav (linolsav) és omega-3 zsírsav (alfa-
linolénsav), 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 zsírok szerepe
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)
• monomer: aminosav (20 féle)R: oldallánc
amino
(NH2)
csoport
karboxil
(COOH)
csoport
tirozintirozinglicinglicin
- eltérő oldallánc, eltérő szerkezet
• peptid kötés
glicin alanin glicilalanin (dipeptid)
peptid kötésvízkilépés
(szintézis)
hidrolízis
amino-karbonsavak
Az aminosavak
tölt
és n
élk
üli
po
láro
s,
tölt
és n
élk
üli
tölt
éssel
ren
delk
ező
valinglicin leucin
cisztein prolinmetionin izoleucin
tripto-
fán
fenil-
alanin
alanin
szerin treonin tirozin
aszpa-
ragin
gluta-
min
hiszti-
din
aszpara-
ginsav
glutamin
-sav
lizin arginin
Aminosavak, fehérjék
N-terminális
C-terminális
hidrofób as.
hidrofil as.
peptidkötés
semleges as.Esszenciális aminosavaktáplálékkal kell felvennifajonként változhatembernél: His, Ile, Leu, Lys, Met, Phe, Thr, Trp, Val
Nem esszenciális aminosavaka szervezet elő tudja állítani pl. Ala, Asn, Tyr
Megfelelő tápanyagok: teljes értékű fehérjékesszenciális aminosavak megfelelő mennyiségben és aránybannem teljes értékű fehérjék
Fehérjehiányos táplálkozás:marasmus: elégtelen fehérjebevitel elégtelen energiabevitellelkwashiokor: elégtelen fehérje- és energiabevitel, penészgombák májkárosító toxinjai
Fehérje - metabolikus körforgás, csak az anabolizmushoz kell (nem energiaszolgáltató)
kwashiokor
marasmus
-hidrofób és hidrofil részek lehetnek egy fehérjén belül is a funkciós csoporttól függően
Fehérjeszerkezet
Elsődleges szerkezetaminosavak sorrendjeMásodlagos szerkezetperiodikusan rendezett al-szerkezetek (alfa-hélix és béta-redőzött lemez)Harmadlagos szerkezetháromdimenziós struktúra (sokszor gömb alak → globuláris)Negyedleges szerkezettöbb fehérjelánc együttesénélmennyi lánc → dimer, oligomer, polimermilyen láncok → momomer(azonos egységek) vagy heteromer(eltérő egységek)pl. globin: 2 alfa+2 béta lánc → heterotetramer
A fehérjék funkciói
Membránfehérje
Sejtváz Biokatalizátor (enzim)
Szignál molekula („hírvivő)bizonyos hormonok neuropeptideknövekedési faktorok
A nukleinsavak
• C, H, O, N, P tartalom
• makromolekulák: DNS (dezoxiribonukleinsav)RNS (ribonukleinsav; rRNS, tRNS, mRNS)
• monomer: nukleotid- N tartalmú szerves bázisok: purinok (kettős gyűrű)
pirimidinek (egyes gyűrű)
adeninguanin
timin, citozin
- pentóz: C5 cukrok; dezoxiribóz (DNS) vagy ribóz (RNS)
- foszforsav (foszfát csoport; PO43-)
uracil (RNS)
A
G
T
C
• nukleozid: szerves bázishoz kapcsolódó ribóz(adenozin, guanozin, timidin, citidin)
A DNS szerkezete• 1953, Watson és Crick: kettős hélix
- "spirális létra”, 2 ellentétes DNS szál (kódoló/nem kódoló)
első szál második szál
foszfát csoport
dezoxiribdezoxiribóózz
hidrogén kötés
adenin
guanin
timin
citozin
szerves bázisok
első szál második szál
foszfát csoport
dezoxiribdezoxiribóózz
hidrogén kötés
adenin
guanin
timin
citozin
szerves bázisok
pentóz-
foszfát
váz
pentóz-
foszfát
váz
első szál második szál
foszfát csoport
dezoxiribdezoxiribóózz
hidrogén kötés
adenin
guanin
timin
citozin
szerves bázisok
első szál második szál
foszfát csoport
dezoxiribdezoxiribóózz
hidrogén kötés
adenin
guanin
timin
citozin
szerves bázisok
- eltérő szerves bázisok: bázissorrend
- lánckonformáció: hidrogén hidak; A-T, G-C
- észterkötés egy nukleotid foszfát csoportja és a következő nukleotid 3. szénatomja között: pentóz-foszfát váz
- Bázissorrend: eltérő szerves bázisok
- replikáció: a DNS szál megkettőződése (DNS polimeráz)
A kromoszómák szerkezete, osztódás, sejtciklus
DNS + fehérje = kromatin
Az interfázisú kromatin-eukromatin: kevésbé kondenzált (aktív (10%), inaktív)- heterokromatin: erősen kondenzált
két osztódás közötti idő illetve eseményekfolyamatosan osztódó sejt: 10-30 óra
Sejtciklus
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
• egy lánc, de a láncon belül kialakulhatnak H-hidak (spec. térszerkezet; "hajtű")
• dezoxiribóz helyett ribóz; timin helyett uracil (U)
mRNS (messenger; hírvivő mRNS)
- fehérjeszintézis (transzláció) templátja
mRNS
tRNS
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
adenin
ribóz
adenozin
foszfát csoport
adenozin difoszfát (ADP)
adenozin trifoszfát (ATP)
A kémiai energia tárolása - nagy energiájú kötések
• ATP: adenozin trifoszfát
36 kJ/mol energiafelszabadulásATP ADP + Pi AMP + PPi
hidrolízis hidrolízis
+H2O +H2O
- ATPáz: ATP hidrolízise
- ATP szintáz: ATP(újra)szintézise
- központi jelentőség: mozgékony foszfátcsoport, nagy energiatartalom, kis méret
kreatin foszfát: szintén nagyenergiájú kötés (főleg izomban)
A főbb lebontó útvonalak
• energiatermelő folyamatok:
A lebontó folyamatok
- kémiai energia (ATP) raktározása vagy hőenergia felszabadulása
• redox folyamatok- oxidáció: egy atom vagy molekula elektronleadása
COOH
C OH
CH3
H
COOH
C O
CH3
oxidáció
-2H
tejsav piroszőlősav
+2Hredukció
- redukció: egy atom vagy molekula elektronfelvétele
• koenzimek a H szállítására:- NAD+ / NADH (nikotinamid-adenin-dinukleotid;
glükolízis, citromsavciklus)
NAD
- FAD / FADH2 (flavin-adenin-dinukleotid; citromsavciklus)
- NADP+ / NADPH (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát; zsírsav és nukleotid szintézis)
• glükóz oxidációja: ATP termelés
A szénhidrátok lebontása
- biológiai oxidáció (sejtlégzés): oxigén felhasználásával
- anaerob (O2 nélkül) erjedés: 2 ATP/glükóz (+tejsav/etanol)
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 FADHfelszabadulása (mitokondriumban)
4. terminális oxidáció: 6 O2 felhasználásával NADH/FADH lépcsőzetes oxidációja; 32 ATP és 6 H2O felszabadulás
S: 1 glükóz 36 ATP + 6CO2 + 6H2O
A biológiai oxidáció és az anaerob erjedés
1
NADH + 2 H+
2
2
2 piroszőlősav
1 glükóz
ATP
C6
2 C3
glükolízis
+ 2 H+NADH
CO2
2 Acetil
koenzim A
2
1
NADH + 2 H+
glükolízis
2 piroszőlősav
1 glükóz
ATP
C6
2 C3
Acetil-
koenzimA
kialakítása 2 C2
2
2
2
2
+ 6 H+
CO2
FADH2
NADH
2
4
6
2
ATP
3
+ 2 H+NADH
CO22
2
2 Acetil
koenzim A
2
1
NADH + 2 H+
glükolízis
2 piroszőlősav
1 glükóz
ATP
C6
2 C3
Acetil-
koenzimA
kialakítása 2 C2
citromsav
(Krebs) ciklus
2
2
e–
e–
e–
O26
6 H2O
elektronok
ATP
4
+ 6 H+
CO2
FADH2
NADH
2
4
6
2
ATP
3
+ 2 H+NADH
CO22
2
2 Acetil
koenzim A
2
1
NADH + 2 H+
glükolízis
2 piroszőlősav
1 glükóz
ATP
C6
2 C3
Acetil-
koenzimA
kialakítása 2 C2
citromsav
(Krebs) ciklus
2
2
terminális
oxidáció
32
tejsav
etanol
(izom)
(baktériumok)
O2 hiányában
2 C3
2 C2
CO22
S : 1 glükóz (C6H12O6) 2 ATP + 2 tejsavO2 hiányában
+ 2 ADP + Pi
S: 1 glükóz (C6H12O6) 36 ATP + 6CO2 + 6H2O+ 6 O2
+ 36 ADP + Pi
Glukóz lebontás, ATP szintézis
Anaerob körülmények:
Aerob körülmények:
A glükóz-átalakulás további lehetséges útvonalai
glükoneogenezis- glikogén raktárak kiürülése után glükóz előállítása egyes
aminosavakból, tejsavból vagy glicerolból (zsírok) : glükózmolekulák re-(újra) szintézise
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
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 citromsavciklushozkapcsolódás
A nukleinsavak lebontása
• nukleinsav nukleotidok
aminocsoportok levágása, N kiválasztás/körforgáshúgysav keletkezése
(köszvényes megbetegedés)
foszfátcsoport glükolízisbe kapcsolódik
pentóz átalakulás után glükolízisbe kapcsolódik
Energia szolgáltató folyamatok
AEROB ANAEROB(O2 elég)
(O2 kevés)
szénhidrát (38 db ATP) zsír (130 db ATP) fehérje (17 db ATP)(aerob - anaerob) (aerob) (aerob, normál esetben
nem szolgáltat energiát)
glikolízis béta - oxidáció oxidatív dezaminálás
Izomsejtekben: oxigénadósság (az anyagcsere szükséglete számára nem áll rendelkezésre a sejtekben elegendő mennyiségű oxigén)