A biológiai membrán és transzport a membránon keresztül (PDF)

1 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. 2. A BIOLÓGIAI MEMBRÁN, KEMO- A plazmamembrán tömegének általában kb. 50%-a fehérje, biol...

1 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. 2. A BIOLÓGIAI MEMBRÁN, KEMO- A plazmamembrán tömegének általában kb. 50%-a fehérje, biológiai funkciójában a fehérjéknek ÉS FOTOSZINTÉZIS, SEJTLÉGZÉS elengedhetetlen szerepe van (2.4. és 2.5. ábra). A A sejthártya szerkezete. A sejthártya funkciói. membránfehérjéknek lokalizáció szempontjából a Anyagáramlás a sejthártyán keresztül. következő fontosabb típusai vannak. A sejtek anyag- és energiaellátása, az energiatermelés A transzmembrán fehérjékre az jellemző, hogy egy, strukturális alapjai. Kemo- és fotoszintézis, fény- és vagy több olyan doménjük (funkcionális egységük) sötétreakciók. Glükolízis, fermentáció és sejtlégzés van, amelyek átívelnek a sejthártyán (2.6. ábra). A (oxidativ foszforiláció). transzmembrán domén legtöbbször egy olyan α-hélix, amely ~20 hidrofób vagy semleges jellegű A fejezetet Szabad János egyetemi tanár jegyzete aminosavból áll. A fehérje azon részeiben, amelyek a alapján módosította és összeállította Lippai Mónika. transzmembrán doménnel szomszédosak, gyakoriak a pozitív töltésű lizin és arginin aminosavak. A pozitív A BIOLÓGIAI MEMBRÁN töltésű oldalláncok a foszfolipidek poláros feji A biológiai membránok képződése az élet kialaku- részéhez kötődve stabilizálják a fehérjét. Gyakoriak az lásának egyik alapvető feltétele volt.. A sejthártya olyan fehérjék, amelyeknek több transzmembrán sok, a sejtek szintjén megvalósuló alapvető élet- doménje van. Jellegzetes példák az ioncsatornák, folyamathoz szükséges. A membránok egyrészt amelyeken nyitott állapotban ionok áramlanak át. elkülönítik a sejt belsejét a külvilágtól, másrészt szelektív kapcsolatot biztosítanak a sejt belseje és a környezete között. A sejthártyákban lokalizálódó szerkezetek biztosítják a sejtek közötti kapcsolatot is. A sejthártya (plazmamembrán) szerkezete A sejthártya alapja egy kb. 8-10 nm „vastag” kettős foszfolipid réteg (2.1. ábra). A membrán belsejét a foszfolipidek hidfrofób szénhidrogén oldalláncai alkotják. A membrán külső részein a foszfolipidek hidrofil részei helyezkednek el. 2.1. ábra. A sejthártyák alapja két foszfolipid réteg. A foszfolipidekben a glicerinhez két zsírsav kapcsolódik (észter kötéssel), és vagy egy foszforsav maradék (a foszfatidokban), vagy a foszforsav mara- dékhoz még egy poláros csoport (leggyakrabban kolin. etanolamin vagy szerin, 2.2. ábra). Minél rövidebbek a zsírsav oldalláncok, és minél több bennük a telítetlen kettős kötés, annál kevésbé szabályos az elrendeződésük. Minél több a telítetlen zsírsavak aránya, annál folyékonyabb maga a membrán. A membránok koleszterint is tartalmaznak (2.3. ábra). A koleszterin a membránok fluiditását 2.2. ábra. Háromféle foszfolipid:a) foszfatidsav, b) a élettani körülmények között csökkenti. A foszfatidil-kolin, a lecitin egy komponense c) membránfluiditás-változásnak fontos szerepe van a foszfatidil-etanolamin (kefalin). hőmérséklethez való alkalmazkodásban. 2.3. ábra. A koleszterin és néhány származéka.  2 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. 2.4. ábra. A membránfehérjék különféle típusai. 2.5. ábra. A sejthártya felépítése sematikusan. 2.6. ábra. Egy transzmembrán motívum szerkezete. Sok fehérje, nem íveli át, hanem belülről vagy kívülről kapcsolódik a sejthártyához (2.4. és 2.5. ábra). Ez lehetséges úgy, hogy hidrofób horgonnyal A transzmembrán fehérjék teremtenek kapcsolatot a (amely lehet lipid-oldallánc is) rendelkeznek, vagy sejten belüli szerkezetek, a sejtváz elemei és a sejten úgy, hogy transzmembrán fehérjékkel létesítenek kívüli állomány (extracelluláris mátrix) között. A kapcsolatot. membránon átívelő kapcsolat erős és rugalmas: A sejthártya külső felszínén található fehérje- biztosítja a sejthártya integritását, és a kapcsolatot a oldalláncokhoz gyakran kapcsolódnak különféle sejten kívüli molekulákkal. A transzmembrán fehérjék cukor-származékok (2.4. és 2.5. ábra). A sejt egy része receptorként működik: külső „antenna” védelmén kívül egyéb fontos szerepük is van. része gyűjti össze a sejthez érkező információkat, és Némelyikük a sejtek azonosításához, identitásához juttatja a sejten belülre a jelátvitel során. A molekula járul hozzá, mások a sejtekhez érkező jelek citoplazmatikus részének enzimatikus aktivitása van, felfogásában és továbbításában játszanak szerepet, és biztosítja, hogy a jel tovább haladjon a sejt ismét mások a sejtek között, vagy az extracelluláris belsejébe. mátrixszal teremtenek kapcsolatot.  3 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. 2.9. ábra. A fehérjék a membránokon át történő anyagszállítás fontos szereplői. A passzív transzporthoz nincs szükség energiára. A passzív transzport azt jelenti, hogy a membránba épült fehérjék közvetítésével a koncentráció-grádiensüknek 2.7. ábra. Különféle anyagok átjutási képessége megfelelő irányban áramlanak be anyagok a sejtekbe mesterséges lipidmembránon. (2.9. ábra). A transzportot biztosító fehérjék lehetnek csatornák, rajtuk keresztül legtöbbször ionok áramlanak át. Vannak állandóan nyitott, és Anyagszállítás membránokon keresztül szabályozott, csak adott jelre megnyíló ioncsatornák. A hordozó fehérje -carrier, transzporter - egy, a A csak foszfolipid molekulákból álló mesterséges membránba épült fehérje, amely mintegy „bezsilipeli” membránon a gázok, a hidrofób molekulák, a töltés a molekulákat a sejtbe. A hordozó fehérjétől függő nélküli kis molekulák, valamint a kis poláros diffúziónak három típusát különböztetik meg, a természetű molekulák könnyen átjutnak (2.7. ábra). szállított molekulafajták számától és a transzport Minél jobban oldódik valamely molekula lipidekben, irányától függően (2.10. ábra). Kétféle anyag annál könnyebben jut át egy lipidmembránon (2.8. transzportja esetén (szimport, antiport) az egyik ábra), a nagyobb poláros molekulák és az ionok mindig a koncentráció-grádiensének megfelelő, a azonban nem képesek erre. másik azzal ellentétes irányban jut át a membránon. 2.8. ábra. A lipidoldékonyság és a lipidmembránon 2.10. ábra. A hordozó fehérjétől (transzportertől) átjutás közötti kapcsolat. függő diffúzió típusai. A tapasztalat viszont az, hogy a biológiai Az aktív transzport során a pumpafehérjék ATP-ben membránokon a nagyobb poláros természetű raktározott energia felhasználásával juttatnak át molekulák és az ionok is átjutnak, ebben. a molekulákat a membránon (2.9. ábra). Ekkor az membránok fehérjéi játszanak szerepet (2.9. ábra). A anyagszállítás mindig koncentráció-grádienssel biológiai membránokon keresztül, fehérjék szemben valósul meg. Az aktív transzport jól ismert segítségével történő anyagtranszportnak energia- példája a Na+-K+ pumpa, amely ATP segítségével felhasználás szempontjából két formáját lehet három Na+ iont pumpál ki a sejtből, miközben két K+ elkülöníteni. iont juttat be a (2.11. ábra).  4 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. Az izomsejtek speciális endoplazmatikus A membránok szerepe az energiatermelésben retikulumából, a szarkoplazmatikus retikulumból a A plazmamembrán külső és belső oldala között -60-90 citoplazmába jutó, az összehúzódáshoz szükséges mV a nyugalmi membrán-potenciál értéke. A Ca2+-ionokat az ún. Ca2+ pumpa szivattyúzza vissza a membrán szigetelőképessége kiváló: ez az érték szarkoplazmatikus retikulumba. A szarkoplazmatikus 2,4x105 V/cm-nek felel meg. A kiváló retikulum membránjába épült Ca2+ pumpa tíz szigetelőképesség potenciális lehetőség transzmembrán domént, ATP-kötő, energiageneráló és energianyerésre is: ha a membrán két oldalán további funkcionális egységeket tartalmaz (2.12. felhalmozódott töltéskülönbséget apránként le lehet ábra). Az MDR (multidrog resistance) fehérje is vezetni, és például ATP-ben lehet raktározni, meg pumpaként működik. A sejt számára káros különféle lehet oldani a sejtek energia-ellátását. A membránokba hatóanyagokat (köztük a citosztatikumokat) pumpálja épült ATP-szintáz enzim azt az energiát építi be ATP- ki a sejtekből (2.13. ábra). be, amelyet a membrán két oldalán eltérő H+ ion- koncentráció miatt rajta átáramló H+ ionokból nyer. Az eltérő H+-ion koncentráció kialakítására három „megoldás” terjedt el az élővilágban. 1. Egyes archebaktérium fajok sejthártyájába bakterio- rodopszin molekulák épülnek. A fotopigmentet tartalmazó bakteriorodopszin lényegében egyfajta protonpumpa: az elnyelt fényenergiát arra használja, hogy protont szivattyúzzon a sejt belsejéből a sejten kívülre. 2. A fotoszintetizáló élőlényekben a fényenergia hatására bekövetkező elektronmozgás olyan protonpumpákat „működtet”, amelyek protont juttatnak a kloroplasztok tilakoidjainak belsejébe a 2.11. ábra. A Na+-K+ pumpa működésének sematikus fotoszintézis folyamán. ábrázolása. 3. A mitokondriumokban a szerves anyagok oxidá- ciójából származik az az energia, amellyel a protonpumpák H+ ionokat juttatnak a mitokondrium belsejéből a mitokondrium külső és belső membránja közötti térbe. Az eltérő H+-ion koncentrációban rejlő energia hasznosulásának is három módja ismert. 1. Az ATP-szintáz tevékenysége révén ATP-be épül be, hogy kielégítse a sejtek szerteágazó energiaigényét. (Lásd a 2.20 és a 2.27. ábrát.) 2. „Meghajtja” a baktériumok membránjába épült rotorszerű szerkezetet, amely a flagellinből álló bakteriális ostort forgatja (lásd az 1.9. ábrát). 3. A mitokondrium úgynevezett menedékcsatornáin át hővé disszipálódik, biztosítva az állandó hőmérsékletű élőlények hőenergia-igényét. Minden biológiai energiatermelő rendszer funkciója 2.12. ábra. A Ca2+ pumpa moduláris felépítése. tehát membránokkal kapcsolatos, és a membránok kiváló töltésszigetelő képességén alapul. ÖSSZEFOGLALÁS A biológiai membránok a sejtek kulcsfontosságú alkotói, bizonyos anyagokat áteresztenek, másokat nem. Ez a szelektív áteresztő-képességük teszi lehetővé a sejtek belsejének viszonylagos állandóságát. A sejthártyák és a hozzá kapcsolódó szerkezetek gyűjtik össze a sejtekhez érkező információt, és feldolgozásra a sejt belsejébe továbbítják. A membránok biztosítják az eukarióta sejteken belül a különféle kompartmentek elkülö- 2.13. ábra. Az MDR fehérje szerkezete. nülését, hogy az egyes kompartmentekben a kémiai reakciók hatékonyan menjenek végbe. A membrá- noknak alapvető szerepe van az energiatermelő folyamatokban is.  5 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. KEMOSZINTÉZIS, FOTOSZINTÉZIS, LÉGZÉS Ezek az autotróf élőlények kemoszintetizáltak, azaz a fenti folyamathoz szükséges energiát még nem fényből, Az élőlények létezéséhez elengedhetetlen (i) a testüket hanem különböző szervetlen vegyületek oxidálásából felépítő anyagok, valamint (ii) az életfolyamataikhoz nyerték, ahogyan erre a ma élő baktériumok között is szükséges energia megléte. Aszerint, hogy erre a két sok példát találhatunk. Ma már természetesen olyan különböző célra milyen forrásból származik az energia, fajok is vannak, amelyek aerob környezetben élnek. az alábbi csoportokat állíthatjuk fel. Az autotróf élőlények a testüket felépítő szerves molekulákat ENERGIANYERÉS: A KEMOSZINTÉZIS szervetlen anyagokból állítják elő, a CO2 redukciójával szénhidrátokká. Energiájukat vagy a természetben A kemoszintézis során a mitokondriuméhoz (lásd rendelkezésre álló kémiai energiából (kemoautotrófok), később) nagyon hasonló, de a prokariótákban a vagy a fényenergiából nyerik (fotoautotrófok). plazmamembránban található elektrontranszportláncon A heterotróf élőlények az autotrófok által készített végighaladó elektron csökkenő energiája tárolódik el szerves anyagokat használják fel testépitő anyagként, ATP formájában. De míg a mitokondriumban az energiaforrásként pedig általában szintén szerves elektrondonor a redukált NADH és az akceptor az O2, a vegyületeket redukálnak (kemoheterotrófok), egyes prokariótákban mindkét pozícióban más molekulák is baktériumok pedig fényenergiát (fotoheterotrófok) (2.1. előfordulhatnak. táblázat). Energianyerés szervetlen anyagokból, anaerob 2.1. táblázat. Testépítő Energia- Élőlény Az élőlények körülmények között anyagok forrás osztályozása anyag- és A mai anaerob kénbaktériumok energiatermelő folya- energiaforrásu mata olyan, mint őseiké lehetett kb. 3-4 milliárd éve. k szerint.Az Oxidáción alapul, azaz a nagyobb energiájú redukált élőlény vegyületből oxidált forma keletkezik: típusa Kémiai Baktériumok H2S → S + energia Autotróf CO2 + H Baktériumok Energianyerés szervetlen anyagokból, aerob Fény Algák Növények körülmények között Baktériumok Az aerob kemoszintetizáló baktériumfajok a légköri Kémiai Gombák Heterotróf Szerves Állatok O2-t használják elektronakceptorként, és szervetlen Fény Baktériumok anyagokat oxidálnak energiatermelésük során. A legfontosabb példák a következők. Anyagcsere a korai földi körülmények között - Az aerob kénbaktérium fajok az elemi ként oxidálják: Az első élőlények valószínűleg az ősóceán szerves S + O2 → SO2 + energia (1230 kJ/mol) anyagát használták anyag- és energiaforrásként, tehát - A nitrifikáló baktériumok ammóniát oxidálnak kemoheterotrófok voltak. Mivel a Föld légkörében nem nitrátokká: volt oxigén, az első élőlények anaerobok lehettek. NH3 + O2 → NO3 + energia (619 kJ/mol) Energiájukat olyan mechanizmusokkal állíthatták elő, mint pl. a glükolízis vagy a fermentáció. A prebiotikus A nitrifikáló baktériumok mezőgazdasági szerepe eredetű szerves anyagok fogytán az élőlényeknek új kiemelkedő, mert hektáronként évente kb. 200 kg energia-, valamint építőanyag forrásokat kellett nitrátot készítenek. A nitrátok a növények számára a találniuk. legkönnyebben felvehető nitrogénforrások. Az aktív vulkáni tevékenység bőségesen ellátta az ősi - A metánbaktériumok metánt égetnek el, csökkentve a Föld légkörét CO2-al, H2-vel, CH4-el és H2S-el. Az metán szerepét az üvegházhatásban: ősóceán vizében bőven volt NH3, CO2, nitrátok, CH4 + O2 → CO2 + H2O + energia szulfátok és foszfátok. Kezdetben a légkör és a vizek CO2-koncentrációja a mainak többszöröse volt. - A durranógáz-baktériumok hidrogént égetve termelnek (Anaerob körülmények között a hidrogéntartalmú energiát: vegyületekből is sokkalta több volt, mint napjainkban. H2 + O2 → H2O + energia Ma, amikor a levegő O2-koncentrációja 21%, az O2- - A működésükhöz szintén oxigént igénylő vas- gazdag feltételek kedveznek a hidrogéntartalmú baktériumok az Fe2+→Fe3+ oxidáció során vegyületek oxidációjának). Az ősóceán szerves felszabaduló energiát hasznosítják. Leggyakrabban anyagainak fogytával azok a kemoszintetizáló élőlények vízvezetékrendszerekből kikerülő barna lepedékként élhettek tovább, amelyek szervetlen forrás alapján, CO2- láthatjuk őket. ből és hidrogéntartalmú vegyületekből is képesek voltak A kemoszintézis folyamán megtermelt energia szerves anyagokat előállítani a következő általános séma mennyisége csekély ugyan, de a kemoszintetizáló szerint: baktériumoknak elegendő. A kemoszintetizáló élőlények benépesítik az olyan sötét vagy fényszegény élettereket, CO2 + H2X + ENERGIA → CH2O + H2O + X, amelyekben oxidálható szervetlen molekulák állnak ahol H2X a hidrogéndonor, X a hidrogént vesztett rendelkezésükre (a CO2 mennyisége szinte sohasem (oxidálódott), CH2O a képződő szerves vegyület jele. korlátozza a kemoszintetizálók életét). Ismerünk olyan élőlényeket, mint pl. a Scenedesmus zöldalga, amely  6 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. fényben fotoszintetizál, sötétben pedig úgy termeli az energiát, mint a durranógáz -baktériumok. Létezése arra utal, hogy a fotoszintetizáló élőlények a kemoszinteti- zálókból fejlődtek.  7 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. ENERGIANYERÉS: A FOTOSZINTÉZIS Az anaerob fotoszintetizáló baktériumoknak csak A fotoszintézis az a biológiai folyamat, amely során az egyfajta pigmentrendszerük van - a pigmentrendszer élőlények a fényből származó energiát használják fel olyan pigmentmolekulák együttese, amelyek a energiaforrásként a szervetlen CO2 redukciójára reakciócentrumhoz továbbítják gerjesztési energiájukat. (fixálására) szerves anyagokká. A fotoszintézis az A reakciócentrumban a bakterioklorofill található, evolúció óriási "találmánya": megoldás a Napból fény amelynek, ha a gerjesztési energiák öszegződnek, egyik formájában érkező, jószerivel korlátlanul rendelkezésre elektronja képes kilépni és egy speciális fehérje- álló energia hasznosítására. Közvetve a fotoszintézis molekulára kerül át, majd továbbhalad. A tilakoidok is teszi lehetővé az állatok létezését is: hiszen heterotrófok tartalmaznak ugyanis egy fehérjékből álló lévén a testüket felépítő anyagokhoz szükséges szerves elektrontranszportláncot, amely az elektron továbbítása táplálék a Nap energiáját használó növényekből során felszabaduló energia segítségével protonokat eredeztethető. Ahogy a kemoszintézisnek, úgy a pumpál ki a sejtekből. A sejtekbe a bakteriális ATP- fotoszintézisnek is van egy anaerob körülmények között szintáz csatornáján keresztül visszaáramló protonok működő "egyszerűbb", és egy aerob körülmények között energiája raktározódik ATP-ben. működő bonyolultabb formája. Ezek a baktériumok nem képesek még a vízbontásra. Ezért a zöld és bíbor kénbaktériumok H2S-ből nyerik azt A fotoszintézis legegyszerűbb típusa az elektront, amivel pótolják a gerjesztés után a A fotoszintézis “legegyszerűbb” típusa magas bakterioklorofillról távozó elektront. Melléktermékként sótartalmú helyeken élő archebaktériumokban elemi ként választanak ki. A bíbor nemkén-baktériumok (halobaktériumok) folyik, amelyek a fényenergiát az vagy H2-t használnak, vagy szerves vegyületekből (pl. ún. bakteriorodopszinnal hasznosítják. A etanol, tejsav) nyerik az elektront és a hidrogént. bakteriorodopszin egy membránba épült fehérje (2.14. A H2S, a H2 vagy a szerves vegyületek bontásakor ábra), nagyon hasonlít az állatvilágban a fény keletkező elektron pedig az elektron-transzportlánc érzékelésére használt rodopszinra. Az egyébként végén NADPH-ba épül be (2.19. ábra) és a CO2 heterotróf (tehát CO2-t redukálni, fixálni nem képes) redukciójánál hasznosul – hasonlóan a kloroplasztokban halobaktériumok a bakteriorodopszint használva zajló fotoszintézishez (lásd alább). Ezek a baktériumok állítanak elő ATP-t: a fény energiája tehát már képesek a CO2 megkötésére –nincs feltétlenül szerkezetváltozást idéz elő a bakteriorodopszinban: szükségük tehát szerves vegyületekre, azaz autotrófok. protonokat pumpál ki a sejtből, majd a sejtbe Az anaerob fotoszintetizáló baktériumok 3,4 milliárd visszaáramló protonok energiája épül be ATP-be – a éve annyian éltek, hogy részlegesen lebomlott, magasabbrendű ATP-szintázzal (lásd később) rokon elszenesedett maradványaikból akkora széntelepek fehérje segítségével. képződtek, mint a fásszárú növényekből 3 milliárd évvel később. Fotoszintézis aerob körülmények között Az aerob fotoszintézis elektronforrásként a vizet használja. A víz bontása során „melléktermékként” O2 szabadul fel. A vízbontás képességére először a mai cianobaktériumok (kékbaktériumok) rokonai tettek szert 3-3,3 milliárd éve, amelyek bár anaerobok voltak és nem hasznosították a keletkező oxigént, de el tudták viselni jelenlétét. Az O2 megváltoztatta a Föld légkörét, klímáját. Az O2 2.14. ábra. A bakteriorodopszin a halobaktériumok teremtett lehetőséget az ózonpajzs kialakulására, így membránjába épült fehérje. arra, hogy az élőlények a földfelszínt élettérként elfoglalják. Ma a légkör 78%-a N2, 21%-a O2, és csak Anaerob fotoszintézis bakterioklorofillal 0.03%-a CO2 (és csak nyomokban tartalmaz más Az anaerob fotoszintetizáló baktériumok alkotókat). Megnyílt az út az O2 használatán alapuló, oxigénmentes környezetben élnek. Ma az anaerob jóval hatékonyabb energiatermelés előtt is – ez zajlik az fotoszintézis három fő típusát a zöld kénbaktériumok, a eukarióták a mitokondriumaiban is (lásd később)! bíbor kénbaktériumok és a bíbor nemkén-baktériumok Elsősorban az aerob fotoszintézisre képes autotróf képviselik. A fotoszintetikus rendszer szerveződése fajok rendkívüli elterjedése vonta ki a CO2 döntő nagyon hasonlít a növények kloroplasztjában működő többségét is a légkörből. A kivont és az élőlényekbe rendszerhez (lásd később). Legfontosabb fotoszintetikus beépült szén szerves anyagok és üledékek alkotója lett. pigmentjük a bakterioklorofill, amely mellett vörös és Az aerob fotoszintetizáló élőlények (a fenti anaerob sárga karotenoidokat, ún. járulékos pigmenteket is fotoszintetizáló baktériumokhoz hasonlóan) a fény tartalmaznak. A járulékos pigmentek olyan energiáját nemcsak ATP előállítására, hanem a CO2 hullámhossz-tartományban abszorbeálnak fényenergiát, redukálására (fixálására) alkalmas NADPH képzésére is ahol a bakterioklorofill nem. Gerjesztési energiájukat felhasználják. A kiindulási és végtermékek: átadják a bakterioklorofillnak, javítva a fényenergia- 6CO2 + 12H2O* + energia (2824 kJ/mol) → hasznosítás hatékonyságát. A pigmenteket a C6H12O6 + 6O2* + 6H2O sejthártyáról a citoszolba betüremkedő „tilakoidok” tartalmazzák (1.8. ábra). (A *-gal jelölt O2 a víz oxigénatomjából képződik a víz fotolízise során.)  8 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. A fotoszintézis mechanizmusa a kloroplasztokban cianobaktériumokra és növényekre is. A ciklikus A fotoszintézis a tilakoidokban történik (1.14. ábra), fotofoszforiláció során a fényenergia felhasználásával amelyek a növényekben a kloroplasztok részei. A csak ATP képződik, vízbontás és NADPH-termelés nem fényt a tikaloid membránjába ágyazott fotoszintetikus történik. A gerjesztett klorofill elektronja (az energia pigmentek abszorbeálják (2.15. és 2.16. ábra). A hordozója) ekkor is a tilakoid-membránba ágyazott klorofillok mellett ún. járulékos pigmentek, karotinok fehérjékre jut. A fehérjék egy olyan oxidációs-redukciós és fikobillinek is segítik a fény hasznosításának láncot alkotnak, ahol vándorlása közben az elektron hatékonyságát (a cianobaktériumokban fikocianin, a elveszti energiáját, de végül visszajut a vörös moszatokban fikoeritrin). A különböző reakciócentrumba. Az elektron energiája pigmentek abszorpciós spektruma éppen lefedi a Föld protonpumpákat működtet, amelyek tevékenysége felszínét elérő fény hullámhossz-tartományát. A nyomán a tilakoidok belsejében nő a H+-ion pigmentek pigmentrendszereket alkotnak, bennük egy- koncentrációja. A tilakoidok belsejéből a sztrómába egy reakciócentrummal. A reakciócentrumban lévő visszaáramló protonok energiáját az ATP szintáz alakítja klorofill-a molekula egy speciális membránfehérjéhez át ATP-vé az ADP + Pi + energia = ATP reakció kapcsolódik. Ez a membránfehérje veszi át a reakció- folyamán (ahol Pi a szervetlen foszfát jele). centrumból a gerjesztés hatására kilépő magasabb energiájú elektront, és biokémiai folyamatok sorozatát indítja el. A pigment-rendszereknek - összetételüknek és funkcióiknak megfelelően -két típusa van (lásd később). klorofill-b A napsugárzás intenzitása a fikoeritrin földfelszínen fikocianin β-karotin 2.17. ábra. A ciklikus fotofoszforiláció során a fény klorofill-a energiája csak ATP-ben raktározódik (az ábrán a protonpumpák és a protongrádiens nincs feltüntetve). Hullámhossz A nemciklikus fotofoszforiláció A nemciklikus fotofoszforilációban két pigmentrendszer 2.15. ábra. A fotoszintetikus pigmentek abszorpciós vesz részt, és nem csak ATP képződik, hanem NADPH spektruma. is (2.18. ábra). Az I. pigmentrendszer elektronja nem kerül vissza a pigmentrendszerre, hanem a NADP+-t redukálja NADPH-vá (2.18. és 2.19. ábra). Az “elveszett” elektront a II. pigmentrendszerből származó elektron pótolja, amely a vízbontás során képződő hidrogénből származik (2.18. ábra), az O2 pedig - mint melléktermék - kiválik. Az újabb elektron kiválásához és vándorlásához szükséges energiát mindig a pigmentek által elnyelt fényenergia biztosítja. Végeredményben tehát a II. pigmentrendszer kialakulása és a nemciklikus fotofoszforilációval járó vízbontás és O2-képződés miatt változott meg a Föld arculata. 2.16. ábra. A klorofill szerkezete. A klorofillok hosszú szénhidrogén láncukkal illeszkednek a foszfolipid membrán hidrofób részébe. A klorofill gyűrűje hasonló a hemoglobin és a citokrómok hem csoportjához. A ciklikus fotofoszforiláció A ciklikus fotofoszforilációban csak egyetlen, az ún. I. 2.18. ábra. A nemciklikus fotofoszforiláció eredmé- típusú pigmentrendszer vesz részt (2.17. ábra). Ez nyeként a fény energiája ATP-ben és NADPH-ban jellemző egyes baktériumokra és bizonyos körülmények raktározódik, melléktermékként pedig O2 képződik (a között a két pigmentrendszerrel rendelkező kialakult protongrádiens itt sincs feltüntetve).  9 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. Az ATP-képződés strukturális alapjai A víz bontása a tilakoid belsejében történik (2.20. ábra). Az elektron a II. pigmentrendszert elhagyva a membránba épült elektrontranszport- láncon át az I. pigmentrendszerre jut. Mindeközben a citokróm-komplex - az elektron által leadott energia „költségén” - protonokat pumpál a sztrómából a tilakoid belsejébe. Az elektron az I. pigmentrendszer által hasznosított fényből nyert energia segítségével ismét magasabb energiaállapotba kerül, így képessé válik arra, hogy végül a nehezen redukálható NADP+-re jutva azt NADPH-vá redukálja. A fotoszintézis fényreakciói során a tilakoid 2.19. ábra. A NAD+ (nikotinamid dinukleotid) belsejében tehát protonok halmozódnak fel szerkezete. A bekeretezett rész a redukált (NADH) (csökken a pH). A protonok, koncentrációjukat formát ábrázolja. A NADP+-ban a ← nyíllal jelölt kiegyenlitendő, a tilakoid belsejéből a sztrómába helyen foszfátcsoport van. Az elektronfelvétel során keletkező NADH és a NADPH a legfontosabb és igyekeznek. Útjuk csak a tilakoidmembránba leghatékonyabb elektrondonorok a biokémiai épült csatornán át vezethet. A csatorna az ATP- reakciókban. A NADH többnyire a bontó, a NADPH az szintáz része - egy olyan enzimkomplexé, amely építő reakciók résztvevője. a protonok áramlásából származó energiát ATP- be építi (2.20. és 2.21. ábra). 2.20. ábra. A kloroplasztokban (a mitokondriumhoz hasonlóan –lásd később) az ATP az ún. kemiozmotikus mechanizmus szerint képződik: a protonok koncentráció-grádiensében rejlő energia révén.  10 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. 2.21. ábra. ATP. 2.22. ábra. A Calvin-Benson ciklus sematikus ábrázolása. A fotoszintézis biokémiája: A Calvin-Benson ciklus A nemciklikus fotofoszforiláció során a kloroplasztok sztrómájában tehát ATP és NADPH halmozódik fel, olyan molekulák, amelyek energiatartalma magas - és amelyek szükségesek a CO2 redukciójához. A CO2 redukciója és a szerves anyagok szintézise a fotoszintézis „sötét”, fényt nem igénylő reakciója, az ún. Calvin-Benson ciklus során történik (2.22. ábra). A folyamat részleteit kiderítendő, Melvin Calvin, Andrew Benson és munkatársaik egy vékony üvegpalackba fotoszintetizáló algákat tettek. A palackba a szén sugárzó izotópját tartalmazó 14CO2-t vezettek (2.23. ábra). A palackot erős fénnyel világították meg, hogy elkezdődjön a fotoszintézis. A palackból mintát engedtek forró alkoholba, hogy leállítsák a fotoszintézist és hogy kioldják a fotoszintézis termékeit. A minta 2.23. ábra. Berendezés a fotoszintézis sötét reakcióinak komponenseit papírkromatográfiával elválasztották és tanulmányozásához. autoradiográfiával tették láthatóvá. Amint azt a 2.24. ábra mutatja, a 14C már 30 másodperc multán sokféle szerves anyagnak volt alkotója. Az első radioaktívan jelölt anyag a 3-foszfoglicerinaldehid (PGA). A Calvin- Benson ciklus részleteivel a biokémia tantárgy foglalkozik. Itt csupán azt hangsúlyozzuk, hogy a Calvin-Benson ciklusban a fotoszintézis fényreakcióiban megtermelt ATP és NADPH felhasználásával PGA keletkezik, amelyből glükóz és más olyan szerves anyagok képződnek, amelyekből (i) a fotoszintetizáló élőlények felépítik testüket és (ii) fotoszintézisre nem képes sejtjeik is (mitokondriumaikban) energiát nyerhetnek. Lényegében a fotoszintetizáló (fotoautotróf) élőlények által előállított szerves anyagok adják minden heterotróf élőlény életének az alapját. 2.24. ábra. A fotoszintézis termékeinek azonosítása papirkromatográfiával és autoradiográfiával.  11 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. ENERGIATERMELÉS SZERVES ANYAGOK Fermentáció BONTÁSÁVAL Anaerob, vagy csak kevés oxigént tartamazó környe- A sejtek a glükózban (vagy más szerves anyagban) zetben (munkavégzés során a vázizmokban is) a raktározott energiát a körülményektől függően vagy glükolízis a legfontosabb energiatermelő folyamat. Az (1) a glükolízis és a fermentáció, vagy (2) a glükolízis élesztőkben a glükolízis folyamán képződő piroszőlősav és a sejtlégzés folyamán szabadítják fel. a citoszolban etanollá fermentálódik, erjed. A Ezekben az energiatermelő folyamatokban piroszőlősavból CO2 hasad ki és acetaldehid képződik, lényegében a szerves anyagok oxidációja következik az acetaldehid NADH felhasználásával etilalkohollá be. Az energiatermelés apró, egymáshoz kapcsolódó redukálódik, miközben NAD+ képződik. A vázizmokban enzimatikus lépésekből áll. A szerves anyagok az erjedés végterméke a tejsav és a NAD+ (a tejsavtól oxidációja nyomán felszabaduló energia végül ATP- érzünk izomlázat). ben raktározódik - ugyanis az ATP-ben raktározott A piroszőlősav átalakulása alkohollá vagy tejsavvá az energia az egyik legkönnyebben hozzáférhető az erjedés során nem jár további energia felszabadulásával, éppen zajló életfolyamatok számára. Hosszabb távra csupán úgy hangolja át a sejtanyagcserét, hogy a az élőlények makromolekulákban tárolnak energiát. A glükolízis intenzitása az aerob körülmények közöttinek fontosabb szerves vegyületek energiatartalma a tízszeresére fokozódik. Végeredményben tehát a következő: a szénhidrátoké 17,2, a fehérjéké 17,2, a glükolízis a fermentációval kiegészítve mégis jelentős zsíroké 39,9 kJ/g (vagy 4,1, 4,1 és 9,3 kcal/g). mennyiségű energia felszabadulásával járhat. Ám a Természetesen a hosszútávú energiaraktározók glükolízis és a fermentáció végtermékei még mindig energiatartalma visszaalakítható ATP-be. energiában gazdag vegyületek. A vázizomsejtekkel szemben a legtöbb sejtféleségből hiányzik az az enzimrendszer, amely a fermentációhoz szükséges. Következésképpen sejtjeink nagyon Glükolízis érzékenyek az oxigén hiányára - oxigén hiányában A glükolízis (a glükóz bontása) a szerves elsőként éppen az idegsejtek halnak el. vegyületekből történő energia-felszabadító mechanizmusok legősibbike, a citoszolban történik. A Sejtlégzés glükolízis során a glükóz csak részlegesen bomlik le: A sejtlégzés során összességében energia szabadul fel, egy glükóz molekulából két piroszőlősav (piruvát) miközben a szerves anyagokból származó hidrogén a molekula képződik, valamint NADH és két ATP légkörből származó oxigénnel egyesül, valamint CO2 és (2.25. ábra). A glükolízis lényegében előkészítő lépés H2O képződik. A reakció ilyen tekintetben a fordítottja vagy a fermentációra, vagy a sejtlégzésre. annak, amellyel a fotoszintézis tanulmányozása során Energiahozama csekély, mindössze 586 kJ/mol. (A megismerkedtünk. A sejtlégzés során felszabaduló glükolízis részleteivel a biokémia tantárgy energia ATP-ben raktározódik. Hogyan képződik ATP a foglalkozik.) sejtlégzés folyamán? 2.26. ábra. A Szent-Györgyi-Krebs ciklus lépései. 2.25. ábra. A glükolízis lépései.  12 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. A glükolízis eredményeként képződő piroszőlősav a két membránja közötti tér pH-ja. Az ún. kemiozmotikus mitokondriumokba jut, ahol az ún. Szent-Györgyi-Krebs modell értelmében (Peter Mitchell, 1961) a protonok a (citromsav, trikarbonsav) ciklusban, egymást követő mitokondrium belsejébe igyekeznek visszadiffundálni. enzimatikus lépések során fokozatosan bomlik le, A protonok diffúziója egy olyan csatornán keresztül miközben CO2 hasad ki és NADH képződik (2.26. ábra.) valósul meg, amely a belső mitokondriális membránba (A Szent-Györgyi-Krebs ciklussal részletesen a ágyazott ATP-szintáz enzimkomplex része. Az ATP- biokémia foglalkozik.) szintáz a protonáramlás energiájával az ADP + Pi = ATP A Szent-Györgyi-Krebs ciklus a mitokondriumok reakcióban ATP-t szintetizál. A folyamatot oxidatív belsejében (a mátrixban) zajlik. A ciklusban résztvevő foszforilációnak is nevezik, hiszen oxigén jelenlétében csaknem minden enzim a mátrix része. A képződő foszforilálódik az ADP. NADH az elektronját a mitokondrium belső A mitokondriumok belső membránjában vannak olyan membránjába beágyazott elektrontranszportlánc, az ún. hőmérsékletre érzékeny, nyitható/zárható csatornácskák légzési lánc első tagjának, a NADH-Q reduktáznak adja is, amelyeken a protonok az ATP-szintáz csatornájának át (2.27. ábra). Az elektron tovább „csorog” az megkerülésével juthatnak be a mitokondriumok oxidációs-redukciós elemekből álló légzési láncon, belsejébe. Az ilyen "menedékcsatornákon” átáramló egészen az O2-ig, a rendszer legerősebben oxidáló protonok energiája hővé alakul. A termogenin nevű eleméig (2.27. ábra). Az O2 átveszi az elektronokat, fehérje által alkotott "menedékcsatornák” állatokban majd protonokat vesz fel a mátrixból, és közben vízzé elsősorban az ún. barna zsírszövet sejtjeiben gyakoriak, alakul. Megjegyzendő, hogy az O2 általában bőségesen és a hőgazdálkodás fontos tényezői. Bizonyos esetekben rendelkezésre áll. A végtermék víz nem toxikus, a kóros elhízás kapcsolatban van a "menedékcsatornák” könnyen eltávolítható, mint ahogy a CO2 is. genetikailag hibás funkciójával.] A Szent-Györgyi-Krebs ciklus és az aerob légzés sok baktériumfaj sejtjeiben is zajlik, és ATP is képződik, annak ellenére, hogy a külső membrán baktériumokban természetesen nincsenek mitokondriumok. Az aerob légzéssel energiát termelő baktériumok sejthártyája nagyon H+ H+ H+ hasonlít, és úgy is működik, mint a H+ Cyt c mitokondriumok belső membránja. Vannak anaerob körülmények között élő, és mégis oxigént redukáló baktériumok is. Ők nem az O2-re, hanem kémiailag kötött oxigénre továbbítják ATP- elektronjaikat. Példaként említjük NADH+H+ O2 H2O szintáz NAD+ - a szulfátredukáló baktériumokat ADP + Pi ATP Na2SO4 + H2 → Na2S + H2O + ATP, és a + Szent-Györgyi H H+ - a denitrifikáló baktériumokat Krebs ciklus NO3 + H2 → N2 + H2O + ATP mátrix A denitrifikáló baktériumok a termőtalaj nitráttartalmát használják el, amely a növények O2 FAD FADH2 egyetlen nitrogénforrása, komoly károkat okozva a H2O mezőgazdaságnak. Az anaerob denitrifikáló belső membrán baktériumok legnagyobb ellensége a szántás... A sejtek energiagazdálkodásának hatékonysága Egy mól glükóz elégetése során (O2-ben) 2880 kJ a két membrán közötti tér energia képződik. A glükóznak a sejtjeinkben H+ H+ történő elégetése folyamán az általános elképzelések szerint elméletileg 38 ATP molekula képződhet: 2 a glükolízis, 2 a Szent-Györgyi- 2.27. ábra. A légzési lánc a mitokondrium belső Krebs ciklus és 34 az oxidatív foszforiláció során membránjában, valamint az ATP képződés kemioz- (2.28. ábra). A valóságban ez soha nem teljesül a motikus mechanizmusa. folyamat „költségei”(pl. a piroszőlősavat be kell juttatni a mitokondrium mátrixába), a belső membrán igen alacsony, de létező proton-áteresztőképessége és az Az ATP-képződés strukturális alapjai egyes részfolyamatok nem 100%-os hatékonysága miatt A légzési lánc elemei, miközben elektronokat A valóságban maximum ~30 ATP keletkezhet egy továbbítanak, a kis „csomagokban” felszabaduló energia glükózból a glükolízis és a sejtlégzés során. révén protont pumpálnak a mitokondrium belső membránján át a mitokondrium belsejéből a két membrán közötti térbe (2.27. ábra). A légzési lánc működésének eredményeként csökken a mitokondrium  13 A sejt molekuláris biológiája és genetikája; 2. A biológiai membrán. Kemoszintézis, fotoszintézis, légzés. anyagok bontásával és oxidatív foszforilációjával nyerik. Ily módon a heterotróf élőlények közvetve szintén a Nap energiáját hasznosítják életjelenségeikhez. Akár közvetlenül fényenergiát (fotoszintézis) vagy szervetlen anyagok oxidálását, akár szerves anyagokban lévő kémiai kötések bomlását hasznosítja a sejt, az energia ATP-be történő építése leghatékonyabban először protongrádiens kialakításával, majd a protonok membránba ágyazott ATP-szintázon keresztül történő átáramlásával történhet. A sejtek számára elegendő mértékű energiatermelés tehát nem létezik erre specializálódott membránok nélkül!! 2.28. ábra. A glükózbontás lépéseinek sematikus ábrázolása, különös tekintettel az ATP képződésére. ÖSSZEFOGLALÁS Az autotróf élőlények az életfolyamataikhoz szükséges alapanyagokat képesek szervetlen anyagokból előállítani, energiájukat pedig szervetlen anyagok oxidációja során vagy fényenergiából nyerik, amely magasabb energiaállapotú elektront, és annak „átadogatásával” protongrádienst eredményez. Azért nincs szükségük szerves anyagokra, mert az általuk előállított energia egy részét képesek a CO2 megkötésére, szerves anyagokká történő redukálására is felhasználni. A cianobaktériumok és a növények a víz fotolíziséből pótolják a fotoszintézisük során elveszett elektront. A fotolízis „mellékterméke” az O2, amely egyben a fotoszintézisre nem képes aerob állati és növényi sejtekben a sejtlégzés, az oxidatív foszforiláció alapja. A heterotróf élőlények testük anyagaihoz az autotrófok (döntő többségükben a fotoszintetizáló növények) által előállított szerves anyagokat használják fel. Energiájukat pedig - egyes fotoszintetizáló heterotróf baktériumok kivételével - szintén az autotrófok által termelt szerves