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)