Az anyagcsere áttekintése

Vajon mi minden zajlik e pillanatban a testedben? Elsőre azt felelhetnéd, hogy éhes vagy, esetleg izomlázad van a futástól, netán elfáradtál. De nézzünk mélyebbre, a tudat szintje alá, hogy lássuk, mi folyik a sejtjeidben!

Ha beleshetnél a tested egyik sejtjébe, nyüzsgő világ tárulna a szemed elé, ami sokkal inkább hasonlít egy forgalmas szabadtéri piacra, mint egy csendes szobára. Akár ébren vagy, akár alszol, futsz, vagy TV-t nézel, a sejtjeidben átalakuló energia különféle formákat ölt, amint a molekulák végighaladnak azokon az egymáshoz kapcsolt kémiai reakciókon, amelyek téged tartanak életben és működésben.

A sejtekben szüntelenül zajlanak a kémiai reakciók ezrei, amelyek a sejt és az egész test fenntartásához és egészségéhez szükségesek. Ezek a kémiai reakciók gyakran láncokká vagy útvonalakká kapcsolódnak össze. A sejten belüli kémiai reakciók összességét sejtanyagcserének nevezzük.

Azért, hogy érzékeltessük a sejtanyagcsere összetettségét, vessünk egy pillantást az alábbi ábrára. Ez a rengeteg össze-vissza vonal olyan, mint egy hatalmas metróhálózat térképe, esetleg valami hiper-szuper áramköri lap. Valójában ez a legfontosabb anyagcsere-útvonalak ábrája egy olyan eukarióta sejtben, mint amilyenek az emberi testet is alkotják. Minden vonal egy-egy reakciót jelképez, a körök pedig kiindulási anyagokat vagy termékeket jelentenek.

A sejtanyagcsere során egyes kémiai reakciók energiát szabadítanak fel, és spontán (energiabevitel nélkül) is bekövetkezhetnek. Más reakciók azonban csak energiafelvétellel mehetnek végbe. Ahogy időről időre neked is enned kell ahhoz, hogy pótold azt, amit a tested elhasznált, úgy a sejteknek is folyamatos energiautánpótlásra van szükségük az energiaigényes kémiai reakcióik ellátáshoz. Az elfogyasztott ételed tulajdonképpen nem más, mint a sejtjeid által felhasznált energia forrása!

Hogy az anyagcsere fogalmát kissé kézzelfoghatóbbá tegyük, vizsgáljunk meg két olyan anyagcsere-folyamatot, amelyek döntő fontosságúak a földi élet szempontjából: a cukrokat felépítő, illetve az azokat lebontó folyamatokat.

Az energiatermelő útvonalak egyik példájaként tekintsük át, hogyan bont le egy sejted egy cukormolekulát (például a nassolásként fogyasztott édességet).

Számos sejt, köztük a testi sejtjeid többsége, glükózból ($\text C_6\text H_{12}\text O_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript) nyeri az energiát a setjlégzés nevű folyamat során. Ebben a folyamatban a glükózmolekula fokozatosan, sok kis lépésben bomlik le. A folyamat az alábbi reakcióegyenlettel foglalható össze:

$\text C_6\text H_{12}\text O_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + $6\text O_2$6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript $→$→ $6 \text {CO}_2$6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + $6 \text H_2\text O$6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + $\text {energia}$start text, e, n, e, r, g, i, a, end text

A glükóz lebontása energiát szabadít fel, amelyet a sejt adenozin-trifoszfát, más néven ATP formájában tárol. Az ATP egy kicsiny molekula, amelyet a sejt a rövid távú energiatárolásra használ.

Az elkészült ATP a sejt más reakcióiban is felhasználható energiaforrásként. Ahogyan mi emberek a pénz használatával egyszerűsítjük le a csereberét, valahányszor szükségünk van valamire, úgy a sejt is egységesen az ATP-t használja az energiaforgalomban. Emiatt az ATP-t néha a sejt „energiavalutájának” is nevezik.

Az energiaigényes anyagcsere-útvonalak egyik példájaként vegyük szemügyre az előbbi példa fordítottját: azt, hogy hogyan épül fel egy cukormolekula.

A cukrokat, például a glükózt, növények állítják elő a fotoszintézis nevű folyamat során. A fotoszintézis során a növények a napfény energiáját használják fel ahhoz, hogy a szén-dioxid gázt cukormolekulákká alakítsák át. A fotoszintézis több kisebb lépésben zajlik, de összesített formában nem más, mint a sejtlégzés reakcióegyenletének a fordítottja:

$6 \text {CO}_2$6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + $6 \text H_2\text O$6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + $\text {energia}$start text, e, n, e, r, g, i, a, end text $→$→ $\text C_6\text H_{12}\text O_6$start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + $6\text O_2$6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript

Hozzánk hasonlóan a növények is energiát igényelnek a sejtszintű folyamataik ellátásához, így a cukrok egy részét maga a növény használja fel. A cukrok emellett táplálékául is szolgálhatnak a növényeket fogyasztó állatok – mint az alábbi képen látható mókus – számára. A glükóz mindegyik esetben a sejtlégzés során bomlik le, ATP-t termelve a sejtek folyamatos működéséhez.

A glükózmolekulák felépítése és a lebontása is egy-egy anyagcsereút. Az anyagcsereutak egymásba torkolló, összekapcsolt kémiai reakciók sorozatai. Az útvonalba egy vagy több kiindulási molekula lép be, amelyek egy sor köztes terméken keresztül alakulnak át végtermékekké.

Az anyagcsereutak a kimenetelük alapján két nagy kategóriába sorolhatók. A fotoszintézis, amelynek során cukrok épülnek fel kisebb molekulákból, „felépítő”, más néven anabolikus útvonal. Ezzel szemben a sejtlégzés kisebb molekulákra bontja le a cukrokat, így „lebontó”, vagy katabolikus útvonalnak nevezzük.

Az egyszerűbb molekulákból összetett molekulákat felépítő anabolikus útvonalak jellemzően energiaigényesek. Ennek egyik példája a glükóz keletkezése szén-dioxidból. Hasonló példa a fehérjék szintézise aminosavakból, vagy a DNS-szálaké nukleinsav-építőkövekből (nukleotidokból). Ezek a bioszintézisek a sejt állandó, létfontosságú életfolyamatai, és azt az energiát használják, amelyet az ATP, valamint más, rövidtávú energiatárolásra alkalmas molekulák szállítanak.

Az összetett molekulákat egyszerűbb molekulákká lebontó katabolikus útvonalak jellemzően energiát szabadítanak fel. A glükóz és a zsírok, illetve más összetett molekulák kötéseiben tárolt energia a katabolikus útvonalak során szabadul fel. Ezt követően olyan formákban tárolódik, amelyek képesek a sejt működéséhez energiát szolgáltatni (például az ATP szintézisén keresztül).

Egy végső, de fontos megjegyzés: az anyagcsere-útvonalakat alkotó kémiai reakciók nem automatikus, irányítatlan folyamatok. Az útvonal minden egyes lépését enzimeknek nevezett fehérjék segítik elő, azaz katalizálják. Arról, hogy az enzimek hogyan irányítják a biokémiai reakciókat, többet is megtudhatsz az enzimek témakörben.