Élni vagy létezni? 28. – Alfa? Béta?

Élni vagy létezni?

28.Alfa? Béta?

 

„Hosszú kutatói pályafutásom alatt mély benyomást tett rám az emberi test tökéletessége. Valamennyi azon betegségek közül, amelyekről orvostanhallgatóként tanulnom kellett, nagy részben a testünkkel való visszaélés és nem megfelelő bánásmód következménye…” (Szent-Györgyi Albert: A C-vitamin – ötven év távlatából)

Eljutottunk odáig, hogy megállapíthattuk, a magasabb rendű élőlények sejtélettani folyamataiban az ATP-be kötött energia-nyerés a részben a táplálék szerves molekuláiból, részben a citoplazma vizéből nyert hidrogén oxidálásából eredeztethető. Az energia-előállítás (átalakítás) ezen módját oxidatív foszforilációnak nevezzük. A folyamat, mint a neve is sugallja, oxigénhez kötött változást takar.

Az eukarióta (valódi sejtmaggal rendelkező) élőlények oxidatív foszforilációja a sejtekben fellelhető (minimálisan egy, de akár több ezer), mitokondrium névre keresztelt szervecskéhez köthető. Ezek, a saját genetikai állománnyal rendelkező, félautonóm sejtalkotók a felelősek a sejt energetikai egyensúlyáért, a megfelelő mennyiségű ATP előállításáért. A bennük zajló kémiai folyamatok reakcióidő-igénye miatt egyértelmű, hogy teljesítőképességük, teljesítmény-leadásuk felülről korlátozott, vagyis maximált.

A sejten belüli számuk bizonyára azért olyan változó, mert az energia-igény (és a kiépítési lehetőségek) függvényében, moduláris szisztémával szervezik össze a szükséges ATP-kibocsátási kapacitást. (Ez egyébként nagyon hasonlít az ember által alkotott kémiai áramforrások kapacitás-méretezéséhez. Egészen pontosan az ember által folytatott elem- és akkumulátor-gyártás hasonlít a mitokondriális modulok szerveződésére, hiszen a mitokondriumok voltak előbb.)

Ma még nem tudjuk pontosan, milyen mechanizmusok szabályozzák a mitokondriumok osztódását, sejten belüli létszámuk kialakulását. Logikai megközelítéssel az lehetne az első tippünk, hogy az elégetésre váró táplálék mennyisége adja ki az osztódásra szóló utasítást. Ennek azonban ellentmondani látszik, hogy a sejt nem feltétlenül égeti el a rendelkezésére álló összes tápanyagot. Teljesen triviálisnak tűnik, hogy magas szabadenergia-tartalmú molekulák formájában deponálja az aktuálisan feleslegesnek tekinthető cukor- és zsír-molekulákat. Az energiahordozók mennyiségéhez köthető, pozitív feedback-et tehát nem állapíthatunk meg.

Nézzük meg, létezhet-e negatív visszacsatolás!

A citoplazma ATP-szintje megfelelő jelzésnek látszik a folyamat indításához. (Az ember társadalmi-gazdasági tevékenységéből erre is találunk analógiát. A raktári gazdálkodásban jelzőkészletnek nevezik a tárolt anyagoknak azon mennyiségét, melynek beálltakor a pótlásuk felől intézkedni kell.) Feltételezhetjük tehát, hogy a citoplazma ATP-szintjének szignál-szint alá csökkenése elindíthatja azokat a sejtélettani folyamatokat, melyekben a mitokondrium replikálásához szükséges anyagok szintézise zajlik. (Az ATP-szint csökkenése az energiahordozó molekulák felhasználása vagy sejtből való kiáramlása folytán következhet be. Tehát: vagy a megnövekedett sejtélettani aktivitás, vagy – többsejtű szervezetek esetén – az ATP-nek a sejtek közötti allokálása eredményezheti azt.)

Az energia-hiány indító jelét szükséges, de nem elégséges feltételként kell kezelnünk a mitokondriumok osztódásának kérdésében. A jelzés megjelenését követően a sejtorganellumok felépítéséhez szükséges anyagok rendelkezésre álló mennyisége adja meg a szűk keresztmetszetet. Teljesen nyilvánvaló, hogy az indító szignál sürgetésére csak annyi új mitokondriális építőelemet tud a sejt (és félig-meddig elkülönült mitokondrium maga is) létrehozni, amennyihez elégségesek az elemi építőanyagai. E tekintetben különös jelentőségre tesz szert a vas és a réz. Mint a korábban tárgyaltakból kitűnik, az energia feltárásáért, átalakításáért felelős enzimek kikerülhetetlen alkotói ezek az elemek. Hiányukban nem közvetíthetőek azok a redox-változások, melyek a sor végén a hidrogén elégetését és az ATP szintézisét eredményezik.

Nem tudjuk, citokróm-rendszer nélküli, inaktív mitokondriumok keletkezhetnek-e az energiahiány jelzésére. Azt viszont bizonyosra vehetjük, hogy a nem működő sejtszervek nem termelnek ATP-t, tehát hiába épülnének fel, puszta jelenlétük nem csökkentené a negatív visszacsatolás start-jelzését. Vélelmezhetjük viszont, hogy a légzőenzimek nélküli mátrix és membránok szakadatlan építése teljesen eltorzítaná, kórossá tenné a sejtélettant. Gyakorlatilag úgy viselkednének az egyébként tökéletes és békés szimbiózisban élő mitokondriumok, mint a vírusok – üres, funkció nélküli vázuk kialakításához felélnék a citoplazma anyag- és erőtartalékait, s ez a céltalan burjánzásuk végül sejthalálhoz vezetne.

Okkal feltételezhetjük tehát, hogy az osztódásuk szabályozása egy többlépcsős, hierarchikus szabályozás felügyelete alatt áll. Az energiahiány szignáljának kérését egy olyan, felsőbb szintű szabályozási elem változtatja utasítássá, mely a végrehajtáshoz szükséges építőelemek jelenlétében aktiválódik. Ez a „szupervizor” tehát pozitív visszacsatolású – vagyis, ha van miből építkezni, akkor elengedi a jelzőszignált, ha nincs alapanyag, akkor blokkolja azt. Értelemszerűen, a vizsgálati tartományába, adatbázisába, az esszenciális anyagok tartoznak. Azok, amiket a sejt önmaga nem tud létrehozni – tehát kénytelen a környezetből felvenni.

Teljesen nyilvánvaló, hogy a vas és a réz atomjait, ionjait nem képes a sejt létrehozni – tehát ezek, a citokróm-rendszer számára elengedhetetlen enzim-alkotók primér esszenciális összetevőinek tekinthetők.

Alacsony ATP-koncentráció mellett tehát érkezik egy szignál, mely osztódást modulálna. Ha van elegendő esszenciális építőanyag, a hierarchia második szintje továbbengedi a jelet. Anyaghiányban blokkolja azt. Ám az így továbbengedett jel még mindig nem elegendő ahhoz, hogy a mitokondriumok szaporodása beinduljon. Mivel az alapjel ATP hiányában keletkezik, értelemszerűen, csak az ATP növekménye állítja le. Tehát, kell lenni egy harmadik szabályozó szintnek is, mely a tápanyag, az oxigén és a foszfát mennyisége szerint, pozitív visszacsatolással modulálja tovább a kapott „elő-parancsot”. Amennyiben az ATP előállításához szükséges minden input anyag rendelkezésre áll, a szabályozás harmadik szintje utasításként továbbítja az energiahiány kezdő szignálját.

A mitokondriumok szaporodás-szabályozásának, vagyis a sejten belüli mitokondrium-szám kialakításának primitív szabályozási mechanizmusát ezzel fel is állíthatjuk: a citoplazma ATP-szintjének csökkenése, a maga negatív visszacsatolásának következtében jelet ad a szaporodás megkezdésére. A jelet az esszenciális építőanyagok (alapvetően a vas- és réztartalom) mértékéhez pozitív visszacsatolással kötött regulátor értékeli, s ha van elég esszenciális építőanyag, akkor továbbengedi, ha nincs, akkor blokkolja. A hierarchia következő szintjén a funkció ellátásához szükséges bemeneti anyagok jelenlétéhez kötött értékelés eredményeként a beérkezett jel vagy utasítássá válik vagy blokkolásra kerül.

Az energia-ellátás fokozása, az ATP-szintetizáló modulok növelésének lehetősége a modellből már viszonylag egyszerűen következik: fel kell oldani a pozitív visszacsatolású felügyelő rész blokkját. Biztosítani kell a légzőenzimek szintéziséhez szükséges esszenciális anyagokat és a működés anyag-inputjait.

Egyszerű, de megkerülhetetlen feladat ez. Semmi más módon nem tudjuk érdemben és harmonikusan elérni a célt. Fizikai, kémiai, genetikai trükkökkel megpróbálhatnánk e pozitív visszacsatolású regulációkat kikerülni, de az csak oda vezetne, hogy, mint fentebb írtam, a mitokondriumok vázszerkezete (légzőenzimekkel vagy azok nélkül) szaporodna (akár vírusok módjára), s az oktalan eljárásunk felborítaná az idők kezdete óta fennálló harmonikus együttműködést és egyensúlyt a sejten belül.

Az oxigénnek, mint erős elektron-akceptornak a megjelenése tette végső soron lehetővé az elektronhiányos, félvezetésre alkalmas, kiegyensúlyozatlan fehérjék megjelenését, s végső soron a differenciálódást. Szent-Györgyi Albert a következőképpen látta ezt:

„Az élő rendszerek átalakult fehérjéik és kiegyensúlyozatlan erőhatásaik birtokában differenciálódni kezdtek, megindult bennük egyre komplikáltabb működésekre képes, fokozódóan bonyolult szerkezetek felépítése. Az életnek ezt a fény és oxigén megjelenését követő második szakaszát >béta-állapotnak< nevezem.”

Ha a Nobel-díjas professzor ezt az állapotot bétának nevezi, teljesen evidens, hogy legalább egy, ettől különböző állapotnak, az alfának is léteznie kell. Vajon az milyen jellemzőkkel bírhat?

„Az élet sötét, levegőburokkal nem rendelkező, sűrű vízpárával borított földgolyón fogant. A légkör, mivel hidrogénből állt össze, szükségszerűen erősen redukáló volt, többségben voltak az elektrondonorok, azaz olyan anyagok, amelyek könnyebben adtak le, mint vettek fel elektronokat. Az így kialakult nagy elektronnyomás folytán a fehérjemolekula energiaszintjein valamennyi megengedett helyet elektronoknak kellett elfoglalni, nem maradt hely az elektronok elmozdulására, emiatt a fehérje dielektromossá, vagyis szigetelővé vált. A fehérjemolekulák egyes elektronpályáit elektronpárok töltötték be, és ellentétes perdületüknél fogva, ellensúlyozták egymás mágneses momentumát. A fehérjék jól kiegyensúlyozott, stabilis, dielektromos, zárt héjú molekulák voltak, amelyekben nem léptek fel olyan kiegyensúlyozatlan erők, amelyek ezeket bonyolult szerkezetekké tudták összekapcsolni.

Csak filozofálhatunk azon, hogy ilyen rideg feltételek között az élet csupán olyan egyszerű rendszerek megalkotására lehetett képes, melyek a bonyolult szerkezetet nem igénylő alapvető vegetatív működéseket, az erjedést és a szaporodást végezték. Az erjedés energiát termelt, és a szaporodás az életet örökkévalóvá, a környezeti feltételek megszabta sebességgel terebélyesedővé tette.

Ezt az első, sötét és anaerob szakaszt >alfa-periódusnak< nevezem, az élő rendszerek ennek megfelelő állapotát >alfa-állapotnak<”.

Tudjuk, hogy az erjedés lényegesen kisebb energia-felszabadítást eredményez, mint az oxidáció. Az energia-megmaradás törvényének értelmében, ez csak egy módon valósulhat meg: az erjedés végtermékei magasabb szabadenergia-tartalommal bírnak, mint az oxidáció kilépő anyagai – tehát a különbözetként felszabadított energia, értelemszerűen, a fermentációban kisebb lesz.

Ha most visszatekintünk a terminális oxidációnál kiderített összefüggésekre, megállapíthatjuk, hogy a kétféle energia-kinyerés egyáltalán nem áll szemben egymással. Mint ott láttuk, a lebontó anyagcsere, a Szent-Györgyi-Krebs-ciklus (citrátkör) végéig anaerob, vagyis környezeti oxigén-felhasználás nélküli folyamatokat takart. Végtermékként széndioxidot és magas szabadenergia-tartalmú hidrogént szabadított fel.

Nobel-díjasunk kategorizálásával élve: az alfa-működést valósította meg.

Az energia-feltárás következő szakaszában a 24 hidrogén, környezeti oxigén igénybe vételével, vízzé ég el, a reakcióban felszabadult energia jelentős részét ATP-be kötik a mitokondriumok. Ebben az etapban megvalósul tehát a béta-szakaszra jellemző működés.

Nagyon fontos belátnunk, hogy alacsony energiaszintű alfa-szakasz nélkül nincs magas energiaszintű béta-szakasz! Tehát, az alfa- és béta működések nem, mint antagonisztikus ellentétpár jelennek meg, hanem egy fejlődési folyamat két szintjét valósítják meg, úgy, hogy a magasabb szintű folyamatsor magába olvasztja a primitívebb reakciósort, s az alacsonyabb rendű feltárás által addig a környezetbe visszajuttatott (igen magas) szabadenergia-mennyiséget is kinyeri az élő organizmus számára.

Már csak annyit kell gondolatban elkövetnünk, hogy a béta-szakaszt összekötjük a terminális oxidációt kivitelező mitokondriumokkal. Ha van működő mitokondrium, van béta-szakasz, van differenciáltság. Hiányában mindez nem valósul meg.

Hogy pontosabban fogalmazzak: kellő mennyiségű működő mitokondrium hiányában veszélybe kerül a sejt béta-működésének fenntartása, aminek következtében a fehérjék telítetlensége, a bonyolult fehérje-struktúrák kiépülése, a differenciálódás fenntartása kerül veszélybe.

Ez pedig igen komoly diszharmónia kialakulásához is vezethet az élő organizmusban, ha nem terv szerint megy végbe, vagyis kilép a szabályozás alól…

 

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>