Élni vagy létezni? – 25. Hány sejt az egy sejt?

Élni vagy létezni?

  1. Hány sejt az egy sejt?

 

A sorozatnak ez a része is egy olyan rész lesz, melyben a kedves Olvasónak meg kell ismerkednie és barátkoznia néhány idegen névvel, mert az élettani folyamatokban szerepet játszó vegyületeket nem lehet másképpen nevezni, mint ahogyan azt a tudomány teszi. Kárpótlásul betekintést nyerhet abba a csodálatos, ciklusokba szervezett anyag-energia körforgásba, mely nem egyebet eredményez, mint magát az Életet.

A lebontó anyagcsere végső lépését, melyben a táplálékból származó szabadenergia felszabadul, s a sejt élettani erőforrását jelentő ATP-be beépül, terminális oxidációnak, illetve oxidatív foszforilációnak szokták nevezni. Nincs tévedés a dologban – ugyanannak az élettani folyamatnak a két oldaláról van szó a két megnevezésben. A terminális oxidáció a lebontó folyamatok végső lépésére utal, melyben alacsonyabb szabadenergia-tartalmú égéstermék-molekula (víz) képződik, energia-felszabadulás mellett, az oxidatív foszforiláció pedig azt a mozzanatot célozza meg, melyben magasabb szabadenergia-tartalmú molekula (ATP) szintetizálódik, energia elnyelése mellett.

A két folyamat térben és időben szorosan egymáshoz rendelt, egymás függvényeként zajló kémiai változás. Első pillantásra is nyilvánvalónak látszik, hogy energia felszabadítása nélkül nem valósulhat meg az energia-igényes szintézis. Ami viszont ennél meglepőbb, hogy úgy néz ki, az ATP-szintézis elmaradása (például ADP hiányában) visszafelé is blokkolja magát az energia-felszabadítást, vagyis a terminális oxidációt.

A lebontó anyagcserét folytató szervezetekben a glükózt tekintjük elsődleges energiaforrásnak. A glükóz primer, nagy mennyiségű megjelenése a zöld növények fotoszintéziséhez köthető. Az anyagi, szerkezeti változások, melyek az eredeti molekula szabadenergia-tartalmát felszabadítani hivatottak, négy fő lépés-sorozatba rendezhetőek. A folyamatokban jelenik meg néhány új szerves vegyület, melyek az elektron továbbadásában vesznek részt. Azt kell tudni róluk, hogy mind oxidált, mind redukált formájukban jelen vannak a sejtéletben – az elektron-ellátottsághoz kötött állapotuk visszafordítható, reverzibilis, ezáltal képesek a körfolyamatokban aktív szerepet vállalni. A lebontó anyagcsere szempontjából nézve oxidált formájukban lépnek be a korai ciklusokba, hogy redukált állapotban távozzanak azokból. A végső oxidációt azután ezek a redukált molekulák hajtják végre, hogy ismét oxidált változatukban kerüljenek ki belőle – s térjenek vissza újra a folyamatok kezdő lépéseibe. A kérdéses molekulák redukciója szabadenergia-tartalommal tölti fel azokat, az oxidációjuk pedig ezt szabadítja fel.

Ezek, az elektron-transzport és energia-átalakulás szempontjából fontos molekulák a következők: NAD+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid), ennek foszfatált terméke, a NADP+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát), valamint ezek redukált alakjai, a NADH és a NADPH. Az egyszerűség kedvéért mondjuk azt, hogy a redukált alakok egy hidrogén-atommal és egy elektronnal tartalmaznak többet, mint a pozitív töltésű, oxidált változatok. Egy molekula NADH és egy proton oxidálása 2,5 molekula ATP szintézisének fedezésére elegendő.

A FAD (flavin-adenin-dinukleotid) és redukált megjelenése, a FADH2 szintén az elektron-transzport résztvevője. A FADH2 által átmenetileg tárolt, terminális oxidációhoz szállított elektronok energiája 1,5 molekula ATP szintéziséhez elegendő.

Következő főszereplőnk az ubikinon, más, talán ismertebb nevein a koenzim-Q, CoQ10, esetleg Q10. Olajban oldódó, vitaminszerű anyag, mely gyógyszerként, táplálkozási kiegészítőként is megfutotta már a maga pályáját, 1957-es felfedezése óta. Peter Mitchel 1961-ben vetette fel annak lehetőségét, hogy a molekula szerepet játszhat az légzési elektron-transzportban. Eredményeiért 1978-ban Nobel-díjat kapott.

A Q-10 az elektronszállításban betöltött központi szerepét annak a tulajdonságának köszönheti, hogy teljesen oxidált és abszolút redukált állapotában is képes a sejten belül létezni. Redox szempontból három alakot vehet fel. Ezek, oxidáltsági sorrendben: ubikinon – szemikinon – ubikinol. Ez az egyetlen molekula, mely képes az ATP-t előállító szintetáz részére elektront szállítani, ezért minden, valódi sejtmaggal rendelkező élőlény szervezetében megtalálható. (A kérdéses organizmusok energia-átalakításának 95 %-a az ubikinon – ubikinol reverzibilis átalakulásokhoz kötött.)

Szót kell még ejtenünk a GDP-ről és a GTP-ről (Guanozin-di- és guanozin-trifoszfát). Ijedelemre semmi okunk: ezek a molekulák a már sokat emlegetett és jól megismert ADP és ATP rokonai. Visszafordítható egymásba alakulásuk révén ugyanazt a feladatot látják el, mint az ADP-ATP páros – energiát vesznek fel, tárolnak és adnak le. A különbség az, hogy a GTP energiáját lényegesen kevesebb élettani működéshez tudja felhasználni a sejt. (Elsősorban a fehérje-szintézisben és a genetikai átírási folyamatokban bír jelentőséggel.) Ha kisebb lenne a specifikus felhasználás igénye, mint a termelés mennyisége, akkor sincs baj – a GTP átalakulhat ATP-vé. A tárolt energia szempontjából a két molekula ekvivalensnek tekinthető.

Egy szőlőcukor-molekula teljes elégetéséből (vízzé és szén-dioxiddá) 30-32 molekula ATP keletkezik.

Hogyan?

Lépésről lépésre, az alábbi összefüggések mentén:

A citoszolban zajló első szakaszban, amit glikolízisnek nevez a tudomány, a szőlőcukor, 10 elemi lépésben, 2 piruvátra (piroszőlősavra) hullik szét. Eközben 2 molekulányi ATP, 2 NADH, 2 proton és 2 vízmolekula keletkezik. A folyamat anaerob, tehát végrehajtásához nincs szükség oxigénre. A csekély mennyiségű ATP felszabadulásával járó glikolízis jelentősége inkább az egy molekulányi oxigén későbbi redukálásához szükséges 2 NADH és 2 proton kinyerésében, valamint a glükóz-molekula kettéhasításában, a két molekula piroszőlősav előállításában valósul meg. A valóban komoly mennyiségű energiát felszabadító folyamatok kiinduló anyaga ugyanis a piruvát (piroszőlősav).

Dekarboxilációnak nevezik a következő lépést, melynek során a piruvát acetil-koenzim-A-vá alakul. A dekarboxiláció (és a soron következő folyamatok) már a sejt energia-gazdálkodásának kiemelt helyszínén, a mitokondriumban mennek végbe. A szőlőcukorból nyert 2 piruvátból 2 NADH, 2 proton és 2 ecetsav-molekula keletkezik ebben a lépésben, 2 molekulányi szén-dioxid pedig távozik.

Az ecetsav-molekulák, a koenzim-A-val képzett acetil-koenzim-A komplexeként lépnek be a Szent-Györgyi-Krebs ciklusba (más néven citrátkörbe), melynek során szén-dioxiddá, protonokká és elektronokká degradálódnak. Mindeközben további 2 ATP-molekula szintetizálódik. Önmagában ugyan ez a ciklus sem termel jelentős mennyiségű ATP-t, mégis megalapozza az élő rendszer energia-háztartásának beviteli oldalát. Mégpedig úgy, hogy nagy mennyiségben előállítja a NAD+ és a FAD molekulák redukált formáit, a NADH-t és a FADH2-t. A ciklusból ugyanis távozik 4 szén-dioxid, s megkeletkezik 6 NADH, 6 proton és 2 FADH2.

E három lépés mindösszesen 10 NADH és 2 FADH2 molekulát, valamint 10 protont hoz létre a végső lépés, a terminális oxidáció/oxidatív foszforiláció végrehajtásához.

A glükóz elégetésének képlete a következőképpen rögzült bennünk, kisiskolás korunk óta:

C6H12O6 + 6 O2 = 6CO2 + 6H2O

Aki viszont figyelmesen olvasta az eddig leírtakat, annak bizonyára feltűnt, hogy a C6H12O6 mennyiségi képlettel leírható szőlőcukor-molekulából a folyamatsorunk végére távozott 6 CO2 és 24 H (ebből 10 NADH, vagyis 1-1 többlet-elektront tartalmazó, további 10 proton, vagyis 1-1 elektronhiányt tartalmazó formájában. Tehát a töltések elszámolása is rendben van). Vagyis, 6 oxigén- és 12 hidrogén-atommal több lépett ki a harmadik szakasz végén, mint amennyi a glükózzal belépett az első szakaszba.

Ez bizony, éppen 6 vízmolekulának felel meg.

Ez pedig félreérthetetlenül arra utal, hogy a szőlőcukor katabolizmusának első három szakasza során vízbontás megy végbe a rendszerben. Tehát, az energia-feltáró folyamatokat nem azzal kezdi a szervezetünk, hogy égetéssel előállít 6 vízmolekulát, hanem éppenséggel, elbont ugyanannyit, hogy alapanyagot állítson elő a végső oxidációhoz. Az első három, anaerob szakasz helyes mennyiségi képlete tehát a következő:

C6H12O6 + 6H2O = 6CO2 + 24 H

A vízbontás energia-igényes reakció. Fedezetét vélhetően a 6 szénatom glükóz- és szén-dioxid-molekulákban kialakult kötési energiáinak különbsége szolgáltatja. (Természetesen, levonva e különbségből a már távozott ATP-k (GTP-k) által elvitt energiákat.)

Eljött az ideje, hogy szóljunk a sejtek energia-átalakító központjairól, az „erőművekről”.

A mitokondriumok, a lebontó anyagcsere energia-centrumai, gyakorlatilag minden, valódi sejtmaggal bíró élő szervezetben megtalálhatóak. Hengeres, fonál- vagy pálcika alakú, néhány mikrométer kiterjedésű szervecskék. Sejtenkénti számuk és eloszlásuk sejttípusonként változó. Általánosságként azt fogalmazhatjuk meg, hogy a nagyobb energia-felhasználású helyek környezetében gyakoribb az előfordulásuk. A mitokondriumot a sima felületű külső és a redőkkel, betüremkedésekkel változatos felszínt kialakító belső membrán határolja. A felület-növelő betüremkedések a tengelyre merőleges irányban helyezkednek el. A lemezes szerkezetűek biokémiailag passzívabbak, míg a csöves vagy zsákos kialakításúak aktívabbak.

A két membrán között található a külső kamra, ami egy kb. 10 nanométer szélességű rés. Savas, alacsonyabb pH-értékű anyag, az ún. citoszol tölti ki.

A belső membrán által határolt tér az ún. belső kamra, amiben a gélszerű alapállomány, a mátrix található.

A membránok és az általuk határolt terek adják meg a térben és időben összerendezett, egymásra épülő energia-átalakító reakciók kivitelezésének lehetőségét. A külső membrán, anyagai és szerkezete révén, az 5.000 Daltonnál kisebb molekulatömegű vegyületek számára átjárható. A belső membrán, ezzel szemben, erősen korlátolt áteresztő képességű, elsősorban az anyagát alkotó kardiolipinnek köszönhetően. Benne foglalnak helyet koncentráltan a sejtlégzési lánc, a terminális oxidáció (elektrontranszport-lánc) és az ATP-szintézis enzim-komplexei, s az anyagcseréért felelős transzlokáló-fehérjék.

A mátrix anyagában található a saját fehérjeszintézist végző, mitokondriális (70S) riboszómák és a citrátkör, valamint a zsírsav-β-oxidáció enzimrendszere. (Nem csak az ecetsav, hanem a zsírsavak elégetése is a mitokondriumban játszódik le.)

Ha azt mondjuk, hogy a mitokondrium saját fehérje-szintézist végez, ez feltételezi, hogy saját genetikai kóddal is bír. Valóban: a mitokondriumnak saját genetikai állománya, több másolatban, gyűrű alakú, mitokondriális DNS (mtDNS) formájában, szintén megtalálható a mátrixban. Felmerül a kérdés: ha saját DNS-sel rendelkezik a sejtszervecske, ez azt is jelenti, hogy a sejt osztódásától függetlenül, képes önmagát megsokszorozni?

Igen.

A termeltetni kívánt energia mennyiségétől függően, több-kevesebb mitokondriumot tartalmazhat egy-egy sejt. A valódi sejtmaggal rendelkező élőlények minimum egy, de akár több ezer ilyen „erőművel” is rendelkezhetnek. A mitokondriumok előzmény nélkül, „de novo”, nem keletkeznek meg. A legalább egy, meglévő szervecske növekedésével és befűződéses osztódásával jön létre a többlet-létszám. Ehhez, értelemszerűen, nukleinsav- és fehérje-szintézis szükséges. Tekintve azonban, hogy a bennük kódolt genetikai információ csekélyebb, mint amire szükségük lenne a szaporodáshoz (az emberi mtDNS kb. 16.000 bázispár hosszúságú, s csak 13 fehérje-kódoló gént tartalmaz), „importra” szorulnak.

Azzal a meglepő helyzettel állunk szemben, hogy a fehérjék előállításához szükséges genetikai információt a mitokondrium életterét adó sejt magja tárolja, így azok a citoplazmában szintetizálódnak meg, s onnét jutnak a szervecskébe. Mint ajándék. Vagy ellenszolgáltatás, az energiatermelésért.

A mitokondriumok, genetikai eredetük szerint, nem részei sejtjeinknek. Idegenek. Nem a mi genezisünkkel alakultak, alakulnak, hanem önálló utat jártak be. Tehát, nem lassú, szerves fejlődéssel jelentek meg bennünk, hanem, ugrásszerű változást produkálva, egyszer csak megjelentek. Mint egy fertőzés. Vagy sejtszerv-beültetés. Más szavakkal, de ezt mondja ki az eredetüket magyarázó endoszimbionta elmélet is.

Szemiautonómiájukat annyira megőrizték, hogy szemben a sejtmag genetikai tartalmával, bennük nem kombinálódik az apai és anyai eredetű genom. A spermiumok mitokondrium-készlete a megtermékenyítéskor nem hatol be a petesejtbe, kívül reked azon. Úgyhogy mindannyian csak anyai eredetű mitokondriumokat hordozunk. Ezer generációig visszamenően.

Tény viszont, hogy bármilyen eredet is legyen ezeké az organellumoké, az együttélésünk sikeres. Azok nem tudnának nélkülünk létezni. De mi sem nélkülük.

A szervezet energia-ellátásának egyik kulcskérdése, hogy a sejtek szintjén miként sikerül a mitokondriumok „jó közérzetét” biztosítani. Hogy szaporodjanak és sokasodjanak, s elegendő energiával lássák el a gazdaszervezetet…

 

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>