Élni vagy létezni? – 21. Energia-áramlatok

Élni vagy létezni?

  1. Energia-áramlatok

 

Valami megoldás-félére kellene jutnunk abban a kérdésben, hogy a lebontó anyagcserére alapozott élő rendszereken belül mi tartja mozgásban az elektronok áramlásait. A helyzet ugyanis az, hogy – szemben az ember által készített áramlási szisztémákkal – az élő anyag esetében aktív transzport nem fordulhat elő az energiahordozó továbbításának kérdésében. Jelen ismereteink szerint ugyanis azon környezeti paraméterek között, melyekben egyáltalán élet lehetséges, az elektron nem osztható.

Vagyis, az élő rendszeren belül az energia-elszámolás alapegysége az elektron. Egy elektron és egész számú többszörösei jöhetnek számításba minden aktív finanszírozást igénylő élettani munkavégzésben, az „élet-tünetek” kialakításában. (Senkit ne tévesszen meg az a jelenség, melynek során az elektron töltése megosztható különböző atomok között. Ez esetben sem az elektron kerül felosztásra, csupán arról van szó, hogy idejének mekkora hányadát tölti egyik vagy másik atom vonzáscentrumában. Valahogy úgy működik ez, mint az osztatlan közös tulajdon a polgárjogban. A kialakított arányban minden érintett tulajdonosa a vagyontárgynak, de senki sem tudja megmutatni, melyik darabja az övé.)

Tehát, az elektron aktív transzportjához egész elektront kellene felhasználni. Hogy egyet-e, vagy többet, az sok környezeti tényező függvénye lenne. Például a szállítási távolságé, a megkívánt sebességé, a közegellenállásé. Azt is figyelembe kell vennünk, hogy azonos (negatív) töltésük okán, az elektronok nem lennének képesek egymást a „hátukon cipelni”. Olyan anyagi konstrukciót kellene a fuvarozáshoz felhasználni, mely biztosítja az azonos töltések egymást taszító hatásának kiküszöbölését, hogy mind a szállításra váró, mind a hajtóerőt biztosító töltések békésen megférjenek egymással az út ideje alatt.

Nyilvánvaló, hogy ez újabb hibaforrás lenne az élő rendszer működésében, arról nem is beszélve, hogy a sikeres transzportot követően a kiürült „elektron-kamionnal” kezdeni kellene valamit. Vagy visszajuttatni a kiinduló pontra, vagy szétszerelni a célban. Egyik esetben a visszfuvar, másikban pedig a pótlás emésztene fel újabb elektronokat.

A természet nem gazdálkodik ilyen pazarló módon. Az élő szervezet úgy van megszerkesztve, hogy az alapvető törvényszerűségeknek engedelmeskedve, minimális erőbedobással (ahol lehet, passzív módon) oldja meg a működés feladatait. (Az se tévesszen meg senkit, hogy léteznek aktív transzportok is a szervezetünkben, mint például a vér- és a nyirok keringése. Ezek a szervezetté bonyolódott biológiai rendszer kiszolgálását végzik, működésük mérettartománya a makro. Az elektron-áramlás, amiről beszélek, a legelemibb töltés-tranzitot, a szub- és szupramolekuláris mozgás mérettartományát fedi le.)

Ezen a szinten, az energia-átadás lépcsőfokai között, majdnem bizonyosra vehető, hogy az adott elektron sem a saját, sem más elektron szabadenergiáját nem használja fel a mozgása kivitelezésére. Az áramlatok, amik a töltéshordozók periodikus tovahaladásából kialakulnak, passzív transzportok tehát.

Mi mozgatja e töltés-vándorlásokat?

Más szavakkal feltéve a kérdést: szívó, nyomó, vagy kombinált, szívó-nyomó áramoltatási rendszerrel állunk-e szemben?

Először talán elemezzük ki a túlnyomás alapján működő elektronáramlás lehetőségét. Az ember által alkotott elektromos hálózatok így működnek. A generátor pörög, s a mágnes által rezgésre késztetett, magasabb szabadenergia-tartalommal bíró elektronok feltöltik az áramlás útvonalát, azt keresve, hol adhatják át felesleges erejüket a világban növekvő entrópia óceánjának. Ha nem találnak megfelelő munkavégzési helyet, alkalmasint visszafullasztják a rendszert, melyből vétettek – az áramlási rendszerben fellelhető minden generátorra fékező hatást gyakorolnak. Könnyen beláthatjuk, hogy a lebontó anyagcserére alapozott élő rendszerek esetében ilyen elektronnyomásról nem beszélhetünk. Az energiahordozóként szolgáló táplálék molekulái lényegesen kötöttebb módon tárolják a munkavégzésre felszabadítandó elektronokat.

Ha a légszáraz szőlőcukrot steril körülmények közé helyezzük, időtlen időkig képes anyagi szerkezetét, s a benne tárolt szabadenergiát megőrizni. Nem alakul ki elektronnyomás benne, önmagától nem oxidálódik széndioxiddá és vízzé.

Marad tehát a szívó hatás, mint az energia-áramlás eredendő oka. (Az áramlást nem a generátor, hanem a fogyasztó készülék indítja be és tartja fenn, amíg működik.) Egyértelmű, hogy a legnagyobb szívó hatást a felhasználási pontok fejtik ki, melyeken az elektron átadja szabadenergia-tartalmát a világnak. (Ha a kádból leengedjük a vizet, a mozgásba lendülő folyadék minden pontján érzékelhető a szívó hatás, ám a legnagyobb a lefolyónál mérhető, ahol az anyag elhagyja addigi rendszerét, s a külvilágba távozik.)

Ha visszatérünk a kétütemű fénymotorunk működési vázlatára, elmondhatjuk, hogy a második ütemben zajló munkavégzés indukálja alapvetően az elektronfelhők felszínén végbemenő töltés-áthelyeződéseket.

Igen ám, de az élettani jelenségeket produkáló munkavégzési helyeket viszont nem közvetlenül táplálják be a lebontó anyagcserében keletkezett magas potenciálú elektronok, hanem az ATP-ben átmenetileg megkötött, annak hidrolíziséből felszabaduló elektronok dolgoznak. Hogyan érvényesülhet a „munkagép” elektronszívó hatása, ha nincs direkt kapcsolatban a „generátorral”? Egyáltalán, miért kellett az ATP beiktatásával megszakítani az „áramkört”?

Nos, én azt gondolom, hogy az adenozin, a mono-, a di- és a trifoszfátja egyszerre tölti be az akkumulátor (erről már beszéltünk), a kapcsolószekrény és a biztosíték szerepét a bioelektronikában. Univerzális akkumulátor, mert a képződés és felhasználás helyétől, jellegétől függetlenül, bárhol fel tudja venni és le tudja adni a töltést. A lebontó anyagcsere energia-nyerésének favorizált formája az oxidatív foszforiláció, de más egyéb folyamatokat is ismerünk, melyek energiát termelnek az élő rendszerrel. Ha ezeket a folyamatokat mind közvetlenül akarnánk a felhasználási helyekkel összekötni, a jelenleginél is bonyolultabb, átláthatatlan, kaotikus szerkezetté válna a sejt. Megmondani sem lehet, mekkora térbeli kiterjedést és anyagtömeget képviselne – arról nem is beszélve, hogy a méret növelésével mennyi új problémát kellene megoldani. (Statikait, mechanikait, stb.) A Teremtőnek le kellett hát egyszerűsítenie a vezetékelési problémakört, így kerültek az adenozin foszfatált származékai a képbe.

Az ATP, mint központi fordítóegység, a következőképpen egyszerűsíti le a „tápkábel-kérdést” az élő rendszerben: informatikai értelemben many-to-one kapcsolatot tart fenn az energia-felszabadító pontokkal, azaz, egymaga képes mindenféle helyszínű és eredetű elektron-felszabadulást lekezelni. Ugyanakkor one-to-many kapcsolatban áll minden fogyasztóval, tehát szintén egymaga képes minden élettani munkafolyamat energetikai betáplálására.

E feladata ellátására azért lehet képes, mert minden bizonnyal sokkal elektron-affinisebb, mint a „fénymotor” „első ütemében” résztvevő molekulák. El tudja hát tőlük ragadni a magasabb szabadenergia-tartalommal bíró tölteteket. Ugyanakkor, kevésbé elektron-affinis, mint a „fénymotor” „második ütemében” fellelhető, a tényleges  élettani munkát végző molekulák, ezért jelenlétükben hidrolizál, s az addig szállított elektronokat átengedi. Az első ütem anyagaival tehát akceptorként, a második ütem résztvevőivel pedig donorként viselkedik.

Biztosítékként is két irányba fejti ki hatását. A fogyasztóhelyek csak addig a mértékig képesek működni, mely mértékig az ATP finanszírozza energia-szükségletüket. Adenozin-foszfátok hiányában a fogyasztóhely működése leáll. Átmenetileg ez a legnagyobb baj, ami a sejtet érheti: bizonyos életfunkciói lelassulnak vagy megszűnnek. Ha nem letális a funkció alulműködése vagy kimaradása, a sejt túlélheti ezt az átmeneti állapotot. Kedvezőbb körülmények között, az energiaellátás újraindulása után, e funkciók is rehabilitálásra kerülhetnek. Ezzel szemben, ha a fogyasztó-munkavégző egységek közvetlen kapcsolatban állnának a „generátorral”, s az elektronszívó hatásuk „végigvákuumozhatná” a rendszert, annak beláthatatlan következményei lennének. Például ionizálhatnák a náluk kevésbé elektron-affinis molekulákat, s ez a folyamat rövid úton irreverzibilis szerkezeti károsodásokhoz vezetne. (A korábban elmondott strukturális-funkcionális szükséglethez ezen a ponton hozzáírhatjuk a szerkezetjavító alrendszert is, amennyiben a közvetlen kapcsolódások módszerében gondolkodunk. Mekkora lenne így a sejt mérete?)

A fogyasztók irányából érkező szívóhatástól így tudják tehát az adenozin foszfatált származékai megvédeni a sejtélettani „generátorokat”. Az „áramfejlesztők” működéséről feltételezhetjük, hogy azonos „fordulatszámon”, tehát azonos kimeneti erővel állítják elő az ATP-be építendő, szabadenergiát hordozó elektronokat. Az időegység alatt átadott energia mértéke a beépített elektronok számának függvénye, ami, mint az előző részben már említettem, a tényleges reakcióidő függvénye. Egy „generátor” a rá jellemző, egységnyi energiát szolgáltatja, adott időn belül. A sejt energiatermelése ettől kezdve moduláris jelleget ölt: ha növelni akarjuk a kimenő teljesítményt, növelni kell a generátorok számát. Eredményt, persze, csak úgy várhatunk, ha minden egyéb, vonatkozó feltételt is (üzemanyag, oxigén, töltésfelvevő molekulák) a megnövelt igényhez méretezünk.

Az energiatermelés fokozására, a modulok számának növelésére, a mitochondriumok osztódásának beindítására minden bizonnyal az ATP-nél alacsonyabb energiatartalmú foszfatált adenozin-molekulák (ADP, AMP) koncentrációjának növekedése adja meg a jelet. Ezek koncentrálódásával ugyanis megnövekedik az elektronfelvétel irányába ható „szívó” hatás. Szerkezeti károsodással, egyéb funkciózavarral nem kell viszont számolnunk, mint egy esetleges közvetlen „vezetékelésnél”. Nem, mert a feltöltetlen adenozin-foszfátok csekélyebb elektron-affinitással bírnak, mint a „végfogyasztók”, s emiatt „békésen” ki tudják várni, míg töltéshez jutnak.

De mi a helyzet akkor, amikor a „standard” áramtermelést sem fogyasztja el az élő rendszer? Hogyan fékezi vissza, ha visszafékezi, a generátorok pörgését a foszfatált adenozinok csökkenő „szívóhatása”?

A megoldás vonatkozásában a legszemléletesebb példát megint az emberi találékonyság egyik teljesítményében találjuk. A már felemlegetett erőművek egyik komoly problémája, hogy fogyasztók híján telítődik felszabadított töltésekkel a hálózat. (Nincs szívó hatás a sor végén.) Le kellene lassítani a generátort, esetleg le is kellene állítani, mert értelmetlen, akár káros is lehet a működése. Akkor viszont már a generátort meghajtó, energiát használó egységeket is le kellene állítani, mert az áramfejlesztőtől szétkapcsolva, miért pörögnének?

Ha mindezt megteszik, a rendszert teljesen leállítják, akkor önmaga elfojtására már tényleg nem pörög a mágnes. De!

Az újraindítása költséges és időigényes. Előfordulhat, hogy valami igen fontos feladat ellátása hiúsul meg, mert nem tudnak a megfelelő pillanatban áramot szolgáltatni. Kitalálták hát, hogy a feleslegesen megtermelt, el nem használt áramot megpróbálják deponálni. Ha másképpen nem, akkor úgy, hogy vizet szivattyúznak vele egy magasabb helyre, ahonnét csúcsidőben visszaengedik, s az meghajt egy vízkereket, mely egy másik generátort pörgetve visszaadja a víz helyzeti energiájává átalakított korábbi többlet-áram egy részét. Nem túl jó hatásfokú megoldás, az igaz, de legalább biztosítja az erőmű zavartalan működését, akkor is, amikor a csekély fogyasztás „visszaduzzasztja” az elektronok áramlását.

Ilyet az élő szervezet is tud produkálni.

Ha felhasználás alulmúlja a termelést, első körön a kész, fullra feltöltött ATP tárolásába fog. Magnezitsó formájában tárolja el szűkösebb időkre az „akkumulátor-molekulákat”. A tárolható mennyiségnek azonban van egy felső határa. Ha ennek eléréséig nem oldódott meg a „többlet-termelés” problémájának kezelése, az energiafeltáró anyagcsere belépő szakaszán folytatja a deponálást. Az elektron-felszabadító folyamat belépő anyagaiból épít, ATP-hasítással, magas energiatartalmú molekulákat. Nehezebb napokon majd előveszi azokat, s belépteti az energia-felszabadító folyamatba.

E második raktározási mechanizmus vélhetően a szakaszosan visszafulladó mitochondriális tevékenység köztes termékeinek koncentráció-emelkedésére indul be. Az AMP, ADP jelenlétének megszűnésekor eltűnik az elektronakceptáló képesség a Szent-Györgyi – Krebs ciklus végtermék oldalán. A protonok vízzé égetése leáll, a pH csökkenni fog. (A jelenség nagyon hasonlít az oxigén vagy a légzőenzimek hiányában beálló savasodásra. Alapvető különbség azonban közöttük, hogy az ATP-oldali visszafojtás esetén ez a pH-növekedés csak átmeneti lehet, s kikényszerített ATP-felhasználó folyamat beindulásáig tart. Az oxigén- vagy légzőenzim-hiányos savas állapot ezzel szemben tartós, és ATP-hiányos állapotot okoz.)

A proton-koncentráció növekedése aktiválja a deponálást végző enzimeket (talán éppen protonok bekötődésével), s azok, élettani felhasználóként, hidrolizálják az ATP-t. Ennek következtében megnő az ADP koncentráció, újra beáll az elektronok irányába gyakorolt „szívó-hatás”, az oxidatív foszforiláció restartol. A protonok vízzé égnek, a pH a kívánt élettani értékre emelkedik, a depó-enzimekhez kötött protonok leválnak, így a depó-enzimek inaktiválódnak.

Ha még mindig többlet-termelés tapasztalható az ATP vonatkozásában, a folyamat, a protonok felszabadulásával, újraindul. Ezzel a finomra hangolt szabályozással lehet biztosítani, hogy a pillanatnyi túltermelés esetén se érje el a citoplazma azt a savasságot, mely visszafelé lefékezné az egész citrátkört (Szent-Györgyi – Krebs ciklust). Az „anyaghiányos” oxidatív foszforilációnál viszont éppen ez következik be. Teljesen leáll a citrátkör, s más, alacsonyabb hatásfokú, oxigén nélkül működő (anaerob) folyamatok indulnak be, hogy megpróbálják pótolni a kiesett ATP-termelést. Persze, ez nem sikerül nekik, s a sejt egy más típusú, alacsonyabb energiaszintű működésbe kezd, ami akár a rák megjelenéséig fajulhat. De ez majd egy következő fejezet témája lesz.

Néhány résszel ezelőtt már írtam arról, hogy az életjelenségek kivitelezéséért felelős enzimek saját, csak rájuk jellemző működési sávval bírnak, a fontos környezeti paraméterek kapcsán. Amit a deponáló enzimek feltételezett működési mechanizmusáról leírtam, az ennek a gyakorlati megvalósulása. Amíg a citoplazma pH-értéke a megfelelő élettani határértékeken belül van, azaz, elegendő az AMP – ADP koncentráció, s annak elektronszívó hatása az oxidatív foszforiláció folytatásához, ezek inaktívak. Amint megnövekszik az elégetetlen protonok koncentrációja, s a citoplazma savasodik, a pH-érték ezen enzimek működési sávjába ér, a raktározó enzimek aktiválódnak. Tevékenységüket mindaddig folytatják, míg a pH értéke működési sávjuk fölé nem csúszik.

Beszéltem már arról, hogy az élő organizmus élettani fontossági sorrendben használja fel az energiát. Ezt, az ATP-ből épített „kapcsolószekrény” segítségével igen egyszerűen be lehet programozni a sejtbe. Csak annyit kell feltételeznünk, hogy a „végfelhasználó” enzimek különböző „ATP-affinitással” rendelkeznek. Ehhez tegyük még hozzá, hogy élettani fontosságuk arányban áll ATP-affinitásukkal”. Ettől kezdve biztosított, hogy a kevésbé fontos funkciók kerüljenek előbb kikapcsolásra, s a legfontosabbak csak a legvégén, amikor már minden kötél szakad.

Adós vagyok még egy magyarázattal ebben a fejezetben. El kellene mondanom, mi hajtja az életjelenségeket produkáló enzimeket, hogy végfelhasználóként, a sor végéről, az univerzális ATP-fordítón keresztül, képesek legyenek az élő sejt töltésáramlásait mozgásban tartani.

Mint már megállapítottuk, az anyag élő állapota egy, a környezetével folyamatos anyag-energia-információ-áramlást fenntartó rendszer. A környezet folyamatai az entrópia növekedésének irányába folynak. A világot uraló entrópia mindent magába akar szívni. Az élő organizmus csak szelektálva és szakaszosan adja át szabadenergia-tartalmát a külvilágban növekvő entrópiának, úgy hogy eközben, az átadott energia egy részét újabb szabadenergia-tartalom megszerzésére fordítja. Amíg az energia-bevitel és visszaadás egyensúlyban van egymással, az élő rendszer prosperál. Amikor a szabadenergia kiáramlása felülmúlja a bevitel mértékét, az organizmus hanyatlani kezd.

Ha globális méretben szemléljük az élő állapotot, megállapíthatjuk, hogy a zöld levél által megkötött szabadenergia a lebontó szervezetek útján kerül vissza a káoszba. Kicsit tovább van jelen a világban, mintha meg sem kötötték volna, de a végén mégis az entrópia-növekménybe távozik. Amíg viszont itt van, a sok lépcsős, lassításos és ciklusokba szervezett folyamatokon keresztül megvalósít egy alig hihető csodát: az életet.

Kicsit hasonlít ez a flipper-játékra. A fotoszintetizáló szervezet fellövi az elektron-labdát a játékasztal tetejére, ahonnét az, már a lebontó szervezetek működésében, a gravitációnak engedelmeskedve, több ütközésen, ide-oda gördülésen keresztül, visszahullik oda, ahonnét vétetett. Csak közben elkövet néhány látványos mutatványt: csilingeltet, villogtat, berregtet és pontokat gyűjt, a flipper golyóját a gravitáció húzza ki a játéktérből.

Az élő szervezetek szabadenergia-tartalmát pedig az az erő, mely az entrópia növekedéséért felelős. Az őrületes kiegyenlítődési kényszer, ami nem ismer irgalmat. A környezeti kapcsolódásokat fenntartó sejtélettani molekulaszerkezetektől ez az erő veszi át a kiáramló szabadenergia-tartalmat. Ez kölcsönzi az áramlást biztosító szívóhatást.

Ha jól megnézzük, már csak azért is elképesztően zseniális kreáció az élet, mert éppen az entrópia-növekedés szülőatyja tartja fenn működését. Vagyis, maga a halál.

 

Kucsora István

Minden vélemény számít!

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

A következő HTML tag-ek és tulajdonságok használata engedélyezett: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>