Az intermedier anyagcsere fogalma és fő folyamatai

Az intermedier anyagcsere az élő szervezetekben az anyagfelvétel és -leadás között lezajló átalakítási folyamatok összessége. Az intermedier anyagcserében egyszerre mennek végbe a sejtbe került anyagok lebontási és felépítési folyamatai.

Az intermedier anyagcsere biztosítja a szervezet sejtjei, szövetei számára a mindenkor megfelelő energiaellátást. A szervezetben a sejt intermedier anyagcseréje a szervezet többi sejtjének működésével összhangban zajlik.

Az anyagcsere és az intermedier anyagcsere kapcsolata

Anyagcsere: az élő sejtekben zajló biokémiai folyamatok összessége. Az élő rendszer és a környezete között lezajló anyagfelvétel, az anyagok átalakítása és az anyagleadás hármas egysége, mely az élő számára megfelelő anyagot, energiát és információcserét biztosít.

A sejt és a többsejtű élőlény szintjén is megjelenik az anyagcsere hármas egysége három alapfeladatával. Nyílt anyagi rendszer: az élő sejtek a környezetükkel állandó anyag és energiaforgalmat bonyolítanak le.

• Anyagáramlás
• Energiaáramlás
• Információáramlás

A három folyamat összekapcsolódik. Az élőlények a felvett anyagokat átalakítják: beépítik, energianyerés céljából lebontják.

Intermedier anyagcsere: a felvétel és a leadás közötti átalakító folyamatok összessége. Transzportfolyamatok: a membránokon keresztül végbemenő anyagfelvétel és anyagleadás.

Az intermedier anyagcsere fő feladatai

A sejtben folyó anyagcsere jellegzetes reakcióútjai közé tartozik a kémiai energia kinyerése, felszabadítása az anyagcsere során képződött molekulákból és a táplálékból.

• A makromolekulák felépítő egységeinek, monomerjeinek létrehozása.
• A sejtek, illetve a szervezet specifikus feladatait ellátó molekulák képzése, illetve bontása.
• Hormonok, információtovábbító anyagok, enzimek, koenzimek és tartalék tápanyagok képzése.
• Az anyagcsere-végtermékek, illetve mérgező anyagok leadásra alkalmas formába hozása (biotranszformáció).
• Az anyagok membránokon keresztüli szállítása.

Az anyagcsere teszi lehetővé az önfenntartást. A szüntelenül változó környezetben fenntartja az élő rendszer egyediségét, viszonylagos állandóságát és rendezettségét, miközben működése rugalmasan változhat.

Az élő rendszerek a környezetüktől elhatárolódnak, de környezetükkel dinamikus egyensúlyt alakítanak ki. Ez az egyensúly akkor is fennmaradhat, ha a környezet változik.

Anabolizmus és katabolizmus

Az intermedier anyagcsere két, egymással szorosan összekapcsolódó folyamattípusból áll: felépítő és lebontó folyamatokból.

Anabolizmus

Az anabolizmus a kisebb molekulákból nagyobb, összetettebb molekulák felépítését jelenti. A felépítő folyamatok energiaigényesek, ezért a sejten belül minden felépítő folyamathoz energiára, elsősorban ATP-re van szükség.

Felépítő folyamat például a fehérjeszintézis, a lipogenezis és a glikogenezis. A felépítő folyamatok közben az anyag redukálódik, az elektront a NADPH szolgáltatja.

Katabolizmus

A katabolizmus összetett molekulák kisebb molekulákra történő lebontása. A lebontó folyamatok során a sejtek a szerves molekulák kötéseiben tárolt kémiai energiát nyerik ki.

Az oxidációval nyert energia jelentős része az ATP nagy energiájú kötéseibe kerül. Lebontó folyamat például a proteolízis, a lipolízis, a glikolízis és a glikogenolízis.

A felépítő és lebontó folyamatok szorosan összekapcsolódnak. Kapcsolatukat az ATP és néhány köztestermék biztosítja.

A lebontó folyamatokban keletkező ATP a felépítő és egyéb energiaigényes folyamatokban használódik fel. A folyamatokban kialakuló molekulák kiléphetnek a reakciósorból és átkerülhetnek más folyamatba, ott alakulva tovább.

Az anyagcsere-folyamatok a sejtekben egymás mellett, ugyanakkor térben egymástól elhatárolva, gyakran egyidejűleg mennek végbe.

Az intermedier anyagcsere szabályozása

A reakciók végbemenetelét az enzimek, az energia, a kiindulási anyagok, valamint a köztes- és végtermékek jelenléte szabályozza.

A felépítő és lebontó folyamatok összehangolása biztosítja, hogy a sejt az aktuális energia- és anyagszükségletének megfelelően működjön. Egy adott köztes termék több különböző reakcióútba is beléphet, ezért az anyagcsere rugalmasan alkalmazkodik a sejten belüli és a szervezeten belüli változásokhoz.

Minden átépítés energiaveszteséggel jár. Nincs 100% hatékonyságú folyamat: ha a lebontás 10 ATP-t termel, a felépítés többet fog igényelni, hogy mennyivel, az az adott folyamattól függ.

Ha valami lebomlik, majd akár ugyanolyan szerkezetben visszaépül, energiát veszít a rendszer. Az energia nem vész el, az energiakülönbség hővé alakul.

Biológiai oxidáció és fermentáció

Biológiai oxidáció: aerob, oxigéndús környezetben lezajló lebontó folyamat, mely a szerves anyagok szénatomjait szén-dioxiddá, hidrogénjeit vízzé oxidálja.

A glükóz biológiai oxidációjának fő részei a glikolízis és a hozzá kapcsolódó folyamatok, a citromsavciklus és a terminális oxidáció.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP

Erjedés vagy fermentáció: anaerob körülmények között lezajló anyaglebontás, melynek végterméke a részleges oxidáció eredményeként létrejövő szerves anyag.

• Glükolízis
• Erjedésre lépés

Alkoholos erjedés:

C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2CO₂ + 2ATP

Tejsavas erjedés:

C₆H₁₂O₆ → 2CH₃-CHOH-COOH + 2ATP

Köztes termék az az anyag, mely a biokémiai folyamat során képződik, majd továbbalakul. Végtermék a folyamatsor végén keletkezett anyag.

Az intermedier anyagcsere főbb útjai

Az intermedier anyagcsere több, egymással összekapcsolódó anyagcsereútból áll. Ezek a szénhidrátok, a lipidek, az aminosavak, a nukleotidok és más nitrogéntartalmú vegyületek átalakítását foglalják magukban.

Szénhidrát-anyagcsere

A glükózból glikogén glikogenezissel képződik. A glikogénből glükóz glikogenolízissel szabadul fel.

Glükózból acetil-CoA glikolízis, majd a piruvát oxidációja révén képződhet. Aminosavból, laktátból és glicerinből glükóz glukoneogenezissel képződhet.

• Glükózból glikogén: glikogenezis.
• Glikogénből glükóz: glikogenolízis.
• Aminosavból, laktátból, glicerinből glükóz: glukoneogenezis.
• Glükózból acetil-CoA: glikolízis.

A glikogén anyagcseréje magában foglalja a glikogenolízis és a glikogenezis lépéseit, valamint ezek szabályozását. A glükagon és az inzulin jelpályája meghatározó szerepet játszik a glikogénraktárak felépítésében és mobilizálásában.

A glicerin-foszfát-inga, a Pasteur-effektus és a Cori-kör a szénhidrát-anyagcsere kapcsolódó folyamatai. A piruvát acetil-CoA-vá oxidálódik, majd az acetil-CoA a citrátkörben alakul tovább.

A légzési lánc és az oxidatív foszforiláció az energiatermelés központi folyamatai. A pentózfoszfát-ciklus a szénhidrát-anyagcsere másik fontos útja.

Lipidanyagcsere

Az acetil-CoA-ból zsírsavak, majd zsírsavakból és glicerinből triacilglicerolok képződhetnek lipogenezissel.

A triacilglicerolok zsírsavakra és glicerinre bomlanak lipolízissel. A zsírsavak β-oxidáció során oxidatív módon bomlanak le, amelynek során acetil-CoA képződik.

A zsírsavakból ketontestek képződhetnek ketogenezissel, a ketontestek pedig ketolízissel hasznosulhatnak. A ketonanyagok jelentősége különösen akkor nő meg, amikor a glükózellátás korlátozott.

A zsírsavak szintézise kiterjed a páros és páratlan szénatomszámú, valamint a telítetlen zsírsavak képzésére. A koleszterin, az epesavak és a szteroid hormonok biokémiája szintén a lipidanyagcseréhez kapcsolódik.

Aminosav- és nitrogénanyagcsere

Az aminosavak anyagcseréje magában foglalja az esszenciális aminosavak szerepét, a transzaminálást és az oxidatív dezaminálást.

Az aminosavak nitrogénmentes szénlánca különböző anyagcsereutakba léphet be. Az ammónia méregtelenítésében az ornitin-ciklus és alternatív méregtelenítési utak vesznek részt.

Az aminosavak dekarboxilezésével biogén aminok keletkezhetnek. A glutation biokémiája, a hem szerkezete, a hemoglobin szintézise és lebontása szintén a nitrogéntartalmú vegyületek anyagcseréjéhez kapcsolódik.

Nukleotid-anyagcsere

A nukleotidok anyagcseréje magában foglalja a purinnukleotidok és a pirimidinnukleotidok szintézisét és bontását. A dezoxiribonukleotidok anyagcseréje a nukleinsavak képzéséhez és átalakításához szükséges.

Az energiaforrások és az energiaellátás

Az energiafelhasználás folyamatos, de nem egyenletes. Az energiabevitel szakaszos.

A sejtek számára közvetlenül a transzport-tápanyagok érhetőek el. Ezeknek mennyisége azonban kicsi, a vérplazmában kevés van.

• Kis molekulatömegük miatt nagy ozmotikus aktivitásuk van.
• Vízben jól oldódnak, ezért filtrálódnak.
• Nagyobb mennyiséget nagyobb energiabefektetéssel lehetne csak visszaszívni a veséből, vagy nem sikerülne.
• A lipidek rosszul oldódnak, a szállítófehérjéik kapacitása véges.

Károsak lehetnek a nagy koncentrációban jelen levő transzport-tápanyagok: a nagy glükózkoncentráció a fehérjék glikálódását, a nagy lipidkoncentráció az atherosclerosis kialakulását segíti elő.

A sejtek egy része válogatós, azaz főként vagy kizárólag glükózt képes felhasználni. Ilyen például az agy, a vörösvértest, a szemlencse, a cornea és a here.

Az agy alapból glükózt használ, de ketontesteket is használhat, ha elég nagy a koncentrációjuk. Az agy glükózon kívül képes ketontestet is felhasználni, de csak akkor, ha ez nagy koncentrációban van jelen, és akkor is csak részben képes innen fedezni az energiafelhasználását.

Bizonyos körülmények között a nem válogatós, nem csak glükózfelhasználó szövetek, például az izom hypoxiában, is csak glükózt tudnak hasznosítani.

Az egyes energiaforrások nem alakíthatók át szabadon egymásba, zsírokból elhanyagolható mennyiségű glükóz képződhet csak. Zsírból csak oxidatív lebontásból nyerhetünk ki energiát.

A tápanyagok raktározása

A raktározás módja intracelluláris. A szénhidrátok glikogén formájában tárolódnak.

A glikogén rendkívül hidrofil, ezért nehéz raktározni. A májban körülbelül 50 g raktározódik, ez 1-2 órára elég. Az izmokban 200 g raktározódik, de ezt az izom saját maga használja fel.

Fehérje formájában sokkal több tárolódik minden szövetben. Jelentős mennyiség van az izmokban, felhasználásukkor azonban elvész a funkciójuk.

Zsírból tárolódik a legnagyobb mennyiség, elsősorban a zsírszövetben. Ideális lenne, mert vízmentesen és nagy energiasűrűséggel tárolható, de a legértékesebb tápanyag, a glükóz nem képződhet belőle.

A legfontosabb szervek szerepe

Az intermedier anyagcsere fő szereplői és effektorai a máj, a zsírszövet, a vázizom és az agy.

A máj intermedier anyagcseréje

A máj által felvett glükóz glikogén formájában raktározódhat, zsírsavakká alakulhat vagy ketontestekké alakulhat. A májba aminosavak is kerülhetnek, ezekből glükóz is keletkezhet.

A szükségletnek megfelelően anabolikus és katabolikus folyamatok játszódnak le.

A vastagon szedett folyamatok a transzport-tápanyagok eliminációját szolgálják, a többi transzport-tápanyagot mobilizál.

A vércukorszint szabályozása

A plazma glükózkoncentrációját állandó szinten kell tartani, mert mindkét irányba a kitérés rossz következményekkel jár.

Ha a glükózkoncentráció magas, minden szövet elsősorban glükózt használ fel, és a raktározás megindul.

Ha a glükózkoncentráció alacsony, az elfogyasztott glükózmennyiséget pótoljuk a glikogén lebontásával és a glukoneogenezissel, a nem obligát glükózfelhasználást korlátozzuk, és más energiaforrást használunk.

A szabályozás döntő tényezője az inzulin jelenléte, ez csökkenti a glükózkoncentrációt. A többi hormon általában emeli a vércukorszintet, ezek közül legjelentősebb a glukagon, de ide tartoznak még a katekolaminok, a növekedési hormon és a glukokortikoidok.

Az inzulin és a glukagon szerepe

A szabályozásban központi szerepük van a pancreas endokrin sejtjeinek. A különböző hormonokat különböző sejtek termelik:

• Inzulin: β-sejtek.
• Glukagon: α-sejtek.
• Szomatosztatin: δ-sejtek.

A termelést szabályozzák az egymás között ható parakrin hatások. Az inzulin a Langerhans-szigetek béta-sejtjeiben, a glukagon a Langerhans-szigetek alfa-sejtjeiben termelődik.

Azért fontos, hogy a béta-sejtek belül, az alfa-sejtek kívül vannak, mert a béta-sejtek által termelt inzulin tud hatni a glukagontermelő alfa-sejtekre.

Az inzulin képződése és tárolása

A riboszómákon megtermelődik a prepro-inzulin. Diszulfidhidak jönnek létre az A- és B-peptidek között.

A sejtmagban mRNS képződik, majd a riboszómákon prepro-inzulin keletkezik. Az endoplazmatikus retikulumban és a Golgiban proinzulin képződik, majd a Golgiban és a béta-granulumokban inzulin alakul ki.

A két peptidet összekötő C-peptid lehasad, és a kész inzulin a C-peptiddel együtt szecernálódik. A C-peptidnek nincsen élettani hatása, de szintjének mérésével az endogén inzulin mennyisége exogén inzulin bevitele közben is meghatározható.

Az inzulin és a C-peptid szekréciós granulumokban, cinkionnal együtt aggregálódva tárolódik. Az inzulin hexamerként tárolódik Zn²⁺-ion-komplexben.

Éhező egyénben napi 10 U inzulin szekretálódik, normál táplálkozás esetén 30-40 U. A pancreas inzulintartalma többszöröse az egy napi szükségletnek, körülbelül 180 U.

Az inzulinszekréció szabályozása

A béta-sejtekben a cAMP-szint növekedése és a Ca²⁺-szint növekedése fokozza az inzulin exocitózisát.

Az inzulinszekréciót serkentő tényezők:

• Glükóz.
• Aminosavak, például lizin, arginin és izoleucin.
• Vagus, M1-receptorokon keresztül.
• GLP.
• GIP.
• Akutan a szabad zsírsavak.
• β-adrenerg hatás.
• Glukagon.

Az inzulinszekréciót gátló tényezők:

• Hypoglikémia.
• Szomatosztatin.
• α₂-adrenerg hatás.
• Leptin.
• Krónikusan a szabad zsírsavak.

Az inzulint tartalmazó vezikulák között membránhoz dokkolt, gyorsan felszabadítható vezikulák és tartalék vezikulák találhatók.

A glükóz hatása a béta-sejtekre

Nulla, vagy a fiziológiás glükózkoncentrációnál nem nagyobb koncentráció hatására a béta-sejtek hiperpolarizálódnak. Magas glükózkoncentráció hatására azonban membránpotenciáljuk nő, és akciós potenciálhullám-sorozatok játszódnak le rajtuk.

Membránjukon megtalálható a GLUT2 glükóztranszporter, amely magas Km-értéke által érzékeny a glükóz koncentrációjának változására. Plazmájuk a magas Km-értékkel rendelkező, így szintén glükózkoncentrációra érzékeny glukokináz enzimet tartalmaz.

A membránjukban ATP-vel szabályozott, befelé rektifikáló K⁺-csatornák, K_ATP-csatornák helyezkednek el. Növekvő glükózkoncentráció hatására nő a glükóz metabolizmusa, így az ATP mennyisége is.

Gátlás alá kerül ez a csatorna, így megindulhat a depolarizáció. Feszültségérzékeny Ca²⁺-csatornák indítják meg az akciós potenciálokat.

A gyógyszerként használt szulfanilurea zárja a K_ATP-csatornát, míg a diazoxid kinyitja, az ATP-koncentrációtól függetlenül, így az előbbi növeli, utóbbi csökkenti az inzulinszekréciót.

Az anyagok sejtek közötti szállítása

A sejtek anyagfelvétele és -leadása a membránokon keresztül zajlik. A transzportfolyamatok biztosítják, hogy a tápanyagok bejussanak a sejtekbe, az anyagcsere-végtermékek pedig eltávozzanak.

Passzív transzport

Passzív transzport esetén a kisméretű, kevéssé poláris molekulák vagy apoláris molekulák akadálytalanul átjutnak a membrán lipidrétegén.

Passzív diffúzió esetén az anyag a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú felé mozog. A csatornafehérjék külső hatásra nyílnak meg, és ATP-t nem igényelnek.

Apoláris oldószerek a szervezetbe kerülve feloldhatják a sejtek apoláris membránrétegét, ami sejthalálhoz vezethet, főleg az idegrendszerben.

Aktív transzport

Aktív transzport esetén az anyag a kisebb koncentrációjú hely felől a nagyobb koncentrációjú felé kerül. A folyamat ATP-t igényel.

Az aktív transzport egyik példája a Na⁺-K⁺-pumpa, amelynél 1 ATP felhasználásával 3 Na⁺ és 2 K⁺ szállítódik.

A membrán egyes fehérjéinek működésével ATP kell hozzá. Az ATP hidrolízisének hatására, a hidrolízisből felszabaduló energia felhasználásával, a fehérjemolekula térszerkezete időszakosan megváltozik.

A szállított anyag a membrán másik oldalára kerül, majd az energiaszint visszaáll, és a fehérje szerkezete is visszaáll. Az aktív centrum specificitása miatt csak egy vagy néhány szubsztrátot tud egyszerre átjuttatni.

Endocitózis és exocitózis

Endocitózis: az anyag sejtbe történő felvétele. Ez membránáthelyezéssel történő transzportfolyamat, amely ATP-t igényel a sejthártya átrendezéséhez.

A sejten kívül található anyagot a sejthártya körbeveszi, így az anyag egy lizoszómába zárva kerül a sejtbe. Például az emberi fehérvérsejtek bekebelezhetnek különböző részecskéket.

Exocitózis: az anyag sejtből történő leadása. Ez szintén membránáthelyezéssel történő transzportfolyamat, amely ATP-t igényel a sejthártya átrendezéséhez.

A lizoszómában lévő anyag úgy kerül a külvilágba, hogy a lizoszómamembrán az átrendeződés következtében beépül a sejthártyába. Ilyen módon kerülhetnek ki például a mirigysejtek által termelt váladékok és az idegsejtek ingerületátvivő anyagai.

Az intermedier anyagcsere jelentősége

Az intermedier anyagcsere biztosítja, hogy a táplálékból felvett anyagok a szervezet számára hasznos formába kerüljenek. A folyamatok egyszerre szolgálják az energiatermelést, a tartalékok felépítését, a sejtszerkezetek létrehozását és az anyagcsere-végtermékek eltávolítását.

Az intermedier anyagcserében az anabolikus és katabolikus folyamatok folyamatosan összehangoltan működnek. A sejtek az aktuális energiaellátás, a hormonális állapot, a táplálkozás és a rendelkezésre álló tápanyagok alapján változtatják meg az anyagcsere irányát.

Az intermedier anyagcsere így nem egyetlen reakciót, hanem a felvétel, az átalakítás, a raktározás, az energiatermelés és a leadás egymással összefüggő biokémiai folyamatrendszerét jelenti.

tags: #intermedier #anyagcsere #fogalma