Anyagcsere

A metabolizmus (vagy hétköznapi nevén anyagcsere) egy orvosi és biokémiai fogalom, mely az élő szervezetekben végbemenő anyag-, energia- és információáramlást jelenti.

A metabolizmus és felosztása

Az anyagcsere lehet:

1. Építő (bioszintézis, anabolizmus): Egyszerű anyagból összetett lesz, energiára van szükség. Szintézis folyamatok ilyenek, például fotoszintézis, fehérje szintézis.
2. Lebontó (katabolizmus): Az összetett anyagok lebontódnak egyszerű anyagokra, energia szabadul fel. Ez az energia (katabolitikus energia) a sejtben átalakul munkavégzési- és tartalékenergiává, és egy része felszabadul mint hőenergia (KE = ME + TE + Q.)

A metabolizmus folyamatairól

Mindkettő folyamatnál, anabolizmusnál és katabolizmusnál egyaránt szükséges az oxigén. A glükóz adja a legnagyobb energiát, égéssel bontódik. Az energiát az ATP köti és tárolja, ha a sejtnek szüksége van, akkor munkavégzési energiára használja: mozgáshoz (izmok), életműködés fenntartásához, sejtfal feszültség fenntartásához, aktív szállításra. Maradhat viszont az ATP-ben is, vagy felszabadulhat hőként. Lebontó folyamatok: légzés.

Az anyagcsere biokémiai folyamatai

Lebontó folyamatok

A tápanyagokat a szervezet azért bontja le, hogy energiát nyerjen vele valamint a felépítő folyamatokhoz szükséges köztestermékeket állítsa vele elő a szervezet. A katabolizmus fő feladata az, hogy a nagy energiatartalmú redukált vegyületeket kis energiatartalmú oxidált vegyületekké alakítsa át. A tápanyagok lebontása a glükóz lebontásával kezdődik, majd a további vegyületek lebontása ebbe a folyamatba kerül.

Glükóz lebontása

A biológiai oxidáció bruttó egyenlete az alábbi:

  C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O

Ezt az egyenletet fel lehet osztani két egyenletre, melyek együttesen 38 ATP molekulányi energiafelszabadulást eredményeznek 1 darab glükózmolekulánként. Az első egyenlet a glükolízis és a citromsavciklus összesített egyenlete, amiből 2 ATP szabadul fel:

  C6H12O6 + 6 H2O = 6 CO2 + 24 H

A glükolízis a sejtplazmában zajlik. Ahhoz azonban, hogy a glükózt le tudja bontani a szervezet, aktiválni kell azt. Ez úgy történik, hogy egy ATP molekula foszfátcsoportja helyettesíti a 6'-os szénatomon található OH- csoport H-ját és ezáltal glükóz-6-foszfát keletkezik, majd ez enzim hatására átalakul fruktóz-6-foszfáttá, majd az első lépés megismételésével fruktóz-1,6-difoszfát keletkezik. Ezt követően a molekula ketté hasad, ebből 2 ATP szabadul fel. A termék 2 darab glicerinaldehid-3-foszfát lesz, mely molekulák aztán glicerinsav-3-foszfát keletkezik, melyről a foszfátcsoport lekerül, majd az ADP foszforilációja következik be. Ezt követően a glicerinsavból oxidációval és 2 hidrogénatom elvonásával piroszőlősav keletkezik. A folyamat energiamérlege 2 ATP molekula. A 4 hidrogénatom a NAD+ -ra kerül és 2 darab szén-dioxid molekula és 2 darab acetilcsoport keletkezik.

Citromsavciklus

A citromsavciklusnak vagy citrátkörnek nevezett folyamatban a glükolízisben keletkezett két szénatomos acetilcsoportot, melyet a KoA szállít a sejt mitokondriális mátrixába, a négy szénatomos oxálecetsavhoz. Az acetilcsoport hozzákapcsolódik az oxálecetsavhoz. Az így keletkezett hatszénatomos termék egy trikarbonsav, mely a citromsav. A citromsavból kiválik a szén-dioxid és a víz majd a hidrogének pedig a NAD+ szállítómolekulára kerülnek. Így a citromsav izocitráttá alakul, majd α-keto-glutársav keletkezik hosszú folyamatok útján. A folyamat során 4 szén-dioxid - , 20H (NAD+ - on) és 1 ATP molekula keletkezik. A folyamatról további információ a Citromsavciklus szócikkben található.

Terminális oxidáció

Az utolsó állomása a lebontó anyagcserének a terminális oxidáció, melynek során a citromsavciklusból a NAD+ - ra kerülő hidrogénatomok vízzé oxidálódnak. A folyamat a mitokondriumokban zajlik. A folyamatban 36 ATP keletkezik. A folyamat egyenlete:

 24 H + 6 O2 = 12 H2O

A folyamat az ADP oxidatív foszforilációjával párhuzamosan zajlik.

Az energiamérés módszerei

Minden anyagcsere folyamatosan, szakaszosan játszódik le, enzimek szabályozzák. Az állatok energia szükségleteit táplálékkal biztosítjuk, amelyet átalakítanak, közben szabadul fel az energia, kJ-ban fejezik ki, a mérése kalorimetriai eljárással történik. Történhet:

1. Közvetlen úton: a biztosított táplálékot elégetik egy kaloribombában és megállapítják a felszabaduló hő energiáját
2. Indirekt úton:
   • Megetetjük az állatot, zárt helyre tesszük és a testhő által felmelegített fémdoboz melegedésének fokát figyeljük
   • Lemérjük mennyi oxigént fogyaszt az állat 24 óra alatt. 1 liter oxigén 21 kJ energiát szabadít fel. Alapanyagcsere (bazális metabolizmus) embernél is meghatározható.

A mérés előtt 12 órával nem szabad enni. Szobahőmérsékleten fekszik. Az alapanyagcsere az embernél 6720-7560 kJ energia között van. Ha az ember munkát végez, akkor nagyobb, minél nehezebb a munka, akár 33 000-re is nőhet az érték. A munka nehézségét az is megszabja, hogy mikor áll be a fáradtság. Az energiatermelés és a fogyasztás függ a test tömegétől és annak felületétől, de csak a homeoterm állatoknál. A tömeg "készíti" az energiát, a testfelület viszont "leadja".

Szervezetek fajtái

1. Konformatív szervezetek: Olyan szervezetek, amelyek követik a környezet változását (alacsonyabb rendű lények): szivacsok, férgek, tömlősök – a testfolyadék a hidrolimfa, azonos a külső környezettel. Nincs szabályzó rendszerük.
2. Regulátor szervezetek: Magasabb rendű lényekre jellemző, függetlenek a környezettől, saját szabályzó központjuk van, saját só koncentrációjukat maguk állítják be.

Alkalmazkodás

Alkalmazkodáskor a külső tényezők kibillenthetik az állatot a beállt homeosztázisból (belső egyensúlyból) Külső környezetek:

1. Vízi környezet
   • oxigén oldott állapotban van, a hőmérséklettől függ mennyisége
   • láthatóság kisebb
   • a hőmérséklet viszonylag állandó
2. Szárazföldi környezet (szabadtéri)
   • ritka közeg
   • oxigén állandó
   • a láthatóság jó
   • a hőmérséklet nagyon változó

Az adaptálódást akklimatizációnak nevezzük. Klíma tényezők:

• hőmérséklet
• fény
• légáramlatok
• páratartalom
• nyomás

Ablimáció: a tényezők közül csak egyhez kell alkalmazkodni, kísérletek, általában mesterségesen vannak előállítva.

Központi idegrendszer szabályzási módjai

Ha megváltoznak a tényezők, kibillentik a homeosztázist. Ha kicsi a változás. az élőlény fokozatosan tudja követni, de ha hirtelen történik, akkor stresszhelyzetbe kerül. Fennmaradáshoz nélkülözhetetlen az alkalmazkodás és az ingerek felvétele és arra reagálás. A központi idegrendszer két módon szabályoz:

1. Irányítás: Az agy kiad egy utasító jelet a célszervnek, hogy változzon meg a működése (alacsonyabb rendeknél, az utasítás egy irányú)
2. Szabályzás: Magasabb rendűeknél az agy utasít a célszervnek, a célszerv visszautasít az agynak, miképp változtassa meg (kétirányú).

Szabályzás mechanizmusa

Akkor, ha valamilyen határok közt kell történni, akkor az agy kiadja az utasítást, KELL ÉRTÉK-et, a célszerv visszajelzést ad, hogy ennyi van, ez a VAN ÉRTÉK. Ha az értéket valami megváltoztatja, az agy hiába küldi, mert visszakapja a HIBA JELET. Az agy összehasonlítja a kezdő és van értéket, és színbe hozza, hogy visszaállhasson a normál érték. A testben az idegrendszer szabályoz (gyorsan), és a hormonális rendszer (lassan).

Lásd még a Wikipédiában

• Élet
• Az élet keletkezése
• Táplálkozási és emésztő szervrendszer
• Fotoszintézis
• Katabolizmus

Felhasznált forrás

Oláh Zsuzsa: Biológia 11.

Kiegészítő irodalom

• szerk.: Láng Ferenc: Növényélettan. A növényi anyagcsere I-II. kötet, 3, ELTE Eötvös Kiadó Kft. (2008). ISBN 963 463 567 9 
• Dr. Alexay Zoltán. Anyagcsere, Biológia I-II., Elektronikus jegyzetek környezetmérnök hallgatóknak. Széchenyi István Egyetem. Hozzáférés ideje: 2010. március 11. 

• Anyagcsere, A Pallas nagy lexikona. Arcanum (1998). ISBN 963 85923 2 X. Hozzáférés ideje: 2010. március 11. 

Egyéb kiegészítés

• Publikációk. Diabetológia és Anyagcsere Alapítvány. (Hozzáférés: 2010. március 11.)

• Tananyag: Biológia - Középiskola - tanulói leckék :: 8. Sejtekben lejátszódó anyagcsere-folyamatok. Nemzeti Fejlesztési Terv Humánerőforrás-fejlesztési Operatív Program. (Hozzáférés: 2010. március 11.) „A leckék nagy mennyiségben tartalmaznak illusztrációkat, animációkat, filmeket, modelleket és feladatokat elsődlegesen a 13-18 éves korosztály számára.”

• Horváth Judit. „5 mítosz az anyagcseréről”, Nők Lapja Cafe - Életmód, 2009. augusztus 31.. [2010. január 12-i dátummal az eredetiből archiválva] (Hozzáférés ideje: 2009. augusztus 31.) 

• Karkus Zsolt. 13. hét: Az ember táplálkozása, légzése, anyagszállítása, Biológia felvételi előkészítő a 2000. évi Felsőoktatási Felvételi Tájékoztatóban megjelent témakörjegyzék alapján. Hozzáférés ideje: 2010. március 11.