anyagcseretípusai (Márialigeti Károly)
6.1. Az aktívan szaporodó sejt energiaigényének fedezéseenergiaigényének fedezése
A glukóz - ammónium szulfát - foszfát minimál táptalajon szaporodóEscherichia coliK-12 törzs mintegy 40 percenként megkettőződik. Az átlagos sejtje 9,5 x 10-13g tömegű, amelyből 70% víz (6,7 x 10-13g). A 2,8 x 10-13 g száraz tömegének 55 %-a fehérje, 16,7 %-a rRNS, 3 %-a tRNS, 0,8 %-a mRNS, 3,1 %-a DNS, 9,1 %-a lipid, 3,4 %-a lipopoliszacharid, 2,5 %-a peptidoglikán, míg 3,9 %-át építőkövek és szervetlen ionok teszik ki. Továbbra is a számoknál maradva, de már az egyes alkatrészek „darabszámát” felsorolva megállapíthatjuk, hogy az aktívan szaporodó sejtben átlagosan 2 kromoszomális DNS példányt mutathatunk ki, 18-20 000 riboszóma működik és 1-2 000 különböző fehérje összesen mintegy 1-2 milliónyi molekulája végzi az anyagcsere folyamatokat. Ennek a hihetetlenül komplex gépezetnek a működtetése másodpercenként 2 milliónál is több ATP molekula energiáját igényli… Bár az egyes mikrobafajok szaporodási sebessége különböző és nyilvánvalóan vannak az E. colinál egyszerűbb és sokszorosan összetettebb felépítésű sejtek, ezt az átlagos nagyenergiájú kötésmennyiséget elő kell állítani. Az élővilág számára az energiának két forrása áll rendelkezésre.
Akemotrófélőlények a környezetükben rendelkezésre álló szerves, vagy szervetlen anyagokból nyerik az ATP formájában konzerválható „szabadenergiát”. A fototróf szervezetek a fényenergiát képesek az ATP kémiai kötéseiben levő energiává konvertálni. Bárhány változata is létezik a kemo-, ill. fototróf katabolikus anyagcsere utaknak (lásd 8. fejezet) a nagyenergiájú foszfát kötések kialakítására (foszforiláció) az élővilágban mindössze két mechanizmus ismeretes. Az egyik, a feltehetően ősibb rendszer, aszubsztrát szintűfoszforiláció. A másik esetben az ATP szintézise, afoszforiláció proton hajtóerő segítségével, annak rovására történik. A proton hajtóerő létrejötte
szerint megkülönböztetjük az elektrontranszporthoz kapcsolható rendszereket, ill. a membrán iontranszport folyamatokhoz csatolt utakat.
Az élővilág legnagyobb részében a proton hajtóerő kialakulása elektrontranszporthoz kötött. Ezt az elektrontranszport folyamatot az oxidatív foszforiláció esetében elsődleges elektron donorok és végső elektron akceptorok közötti elektromos potenciálkülönbség hajtja. A fotofoszforiláció folyamatában az elektrontranszport a fény segítségével gerjesztett klorofill molekulák elektronleadásával indul, majd az elektronok az elektrontranszportláncon áthaladva oda is térnek vissza. Amennyiben ez a folyamat ciklikus, fotofoszforilációról beszélünk. A membrán iontranszport folyamatokhoz köthető proton hajtóerő képzés csak az élővilág néhány kisebb prokarióta csoportjában alakult ki.
Ez esetben is két mechanizmust lehet megkülönböztetni. Egyes obligát anaerob baktériumok (leggyakrabban) szukcinát, ill. oxalát oxidálásához kötve hoznak létreproton antiport/szimporthajtóerőt. Ennél jobban ismert a fény hajtotta protonpumpa(8.3.3. fejezet), a bakteriorodopszin segítségével kialakuló proton hajtóerő.
A szubsztrát szintű foszforiláció folyamata meglehetősen egyszerű. Ez esetben az ATP közvetlenül a szubsztrát katabolizmusa során kialakuló nagyenergiájú köztitermékekből szintetizálódik. E molekulákat az 5.3 táblázatban soroltuk fel (a teljesség igénye nélkül). Példaképpen a mindenki által ismert Embden-Meyerhof-Parnas anyagcsereútban előforduló két szubsztrát szintű foszforilációval járó lépést hozzuk fel (részletesen lásd a 7.2.1.
fejezetet):
• a glicerinaldehid-3-P oxidációja glicerinsav 1,3-biszfoszfáttá, majd ebből ATP képzése, ill.;
• a glicerinsav-2-P átalakítása foszfoenolpiruváttá, majd ebből ATP szintézise.
A proton hajtóerő kialakulását az oxidatív foszforiláció példáján mutatjuk be a Mitchell féle kemiozmotikus modell (1961) nyomán. A modell a mitokondrium energiatermelésének a magyarázatára szolgált. Mi a mitokondrium legközelebbi filogenetikai ősének aParacoccus denitrificansbaktériumnak az aerob anyagcseréjét vesszük például (6.1/1. ábra). Az ábrán látható, hogy a citoplazmatikus oldalon H szállítók oxidálóknak. A leadott elektronok és protonok útja azonban kettéválik. Amíg az elektronok az elektrontranszport láncban a végső elektron akceptor (jelen esetben molekuláris oxigén) felé haladnak egy folyamatosan növekvő redox potenciál mentén, a protonok a membrán külső oldalára kerülnek. Az elektron szállítók a redox potenciáljuknak megfelelő sorrendben következnek egymás után az elektrontranszportláncban. Az is feltűnő, hogy az elektronszállítók elhelyezkedése nem szimmetrikus, és míg egyesek protonokat és elektronokat egyaránt szállítanak (pl. FMN - flavin mononukleotid), mások csak az elektronokat tudják tovább adni (pl. Fe-S fehérjék, citokrómok) és a protonok a membrán külső oldalára kerülnek.
Kiemelést érdemelnek a kinonok, amelyek a membránban „mozognak”. Redukciójukkor elektronokat az elektrontranszport láncból nyernek, míg protonokat a citoplazmából vesznek el. Ekkor átfordulnak a membrán külső oldalára. Amikor elektronjaikat az elektrontranszport láncban továbbadják, protonjaikat a periplazmatikus oldalon adják le. A protonok egy része az elektron szállítókról származik (NADH+H+), míg más protonok a víz disszociációja során „szabadultak” fel és kerülnek transzportra (az elektrontranszport lánc részletes ismertetését a 8.1.2. fejezetben olvashatjuk).
A citoplazma membrán a protonok, ill. hidroxil ionok számára (töltött „részecskék”) egyebekben „átjárhatatlan”.
Emiatt az elektron transzport folyamata pH gradienst (ΔpH) alakit ki: a citoplazma membrán külső oldalán a pH (erőteljesen) lecsökken a citoplazma közel semleges pH értékéhez viszonyítva. A pH gradiens egyidejűleg töltésmegoszlást is jelent a membrán két oldalán (Δψ; a külső oldalon pozitív, míg a belső oldalon negatív töltéstöbblet alakul ki).
6.1/1. ábra. A Paracoccus denitrificans baktérium proton hajtóerő előállítása aerob anyagcseréje során A membrán két oldalán a + és - töltések a hidrogén ionok, ill. hidroxil ionok jelzésére szolgálnak. Az elsődleges elektron/hidrogén donorról szállító molekulák (NADH+H+) juttatják a membránba az elektronokat és protonokat.
Az elektronok a membránban elhelyezkedő elektronszállítókon keresztül (elektrontranszportlánc) a végső elektron akceptorra (O2) jutnak. Az elektrontranszport során protonok kerülnek a membrán külső, periplazmatikus oldalára.
Így alakul ki a proton hajtóerő (elektrokémiai potenciál gradiens), amely ATP szintézisére fordítható.
Vagyis az elektrontranszport hatására elektrokémiai potenciálgrádiens, más néven proton hajtóerő jön létre.
Hasonlíthatjuk ezt egyfajta akkumulátorhoz is, ahol az elsődleges elektron donor és a végső elektron akceptor
közötti redoxpotenciál különbséggel (ΔE) alakítjuk ki a proton hajtóerővel feltöltött állapotot. Az elektrontranszport révén létrejött potenciális energia az ATP szintáz enzimek segítségével nagyenergiájú kötésekbe konvertálható.
Megjegyezzük, hogy a proton hajtóerő közvetlenül felhasználható a baktériumsejtek (csilló)mozgására, membrántranszportjának energizálására, a citoplazmatikus pH homeosztázis fenntartására stb. Fontos tudnunk azt is, hogy az ATP szintáz enzimrendszer működése reverzibilis, vagyis ATP energiája befektetésével protonok lökhetők ki a membrán külső oldalára, proton hajtóerő hozható létre.