miért

  • Marta Bartošovičová külső szerkesztő
  • 2019. augusztus 19

Gondolkodott már azon, miért kell lélegeznünk? Egyszerűen mondhatnánk, hogy azért lélegzünk, hogy ne fojtsuk el. De mit jelent ez? Miért nem élhetnénk légzés nélkül? Miért nem tudunk megfulladni? Összefoglalhatnánk a valódi okot a következőképpen: Energiára van szükségünk az életünkhöz, és kémiai reakciók révén nyerünk energiát, amelyek oxigént fogyasztanak. Ezért kell lélegeznünk.

Mi az energia, és miért van rá szükségünk?

Gyakran találkozunk az energia kifejezéssel, de nem mindig tudjuk, mi ez. A természettudósok az energia kifejezést a rendszer munkaképességeként értik. Minél több energiája van a rendszernek, annál több munkát tud elvégezni, és számszerűen ki tudjuk számolni és kifejezni. A modern energiaegység egy Joule (J), ugyanaz az egység, amelyet a munka mennyiségének kifejezésére használunk. Gyakran egy régebbi egységet használnak - kalória (kal).

Az energia többféle formát ölthet. Egyszerű példa erre a test helyzeti energiája, amely súlyától és a talaj feletti magasságától függ, amelyben található. Minél nehezebb és minél magasabb a test, annál több munkát tud elvégezni. Például, amikor felakasztjuk egy tárcsára, akkor lehetővé teszi számunkra, hogy egy másik testet megemeljünk úgy, hogy az leereszkedjen. Elveszíti a helyzeti energiájának egy részét, és megterheli a feladatot.

A teher felemelésével éppúgy megnöveltük a helyzeti energiáját, mint a rendszerünk. A tömeg energiájának egy része más használhatatlan energiaformává alakult át, például a súly deformációja vagy a talajjal történő ütközés hatására felszabaduló hő. Megmaradt azonban a rendszer teljes energiája, vagyis mindkét test helyzeti energiájának összege ezzel a használhatatlan komponenssel együtt. Egy fontos fizikai törvényhez érkeztünk, amelyet az energiatakarékosság törvényének vagy a termodinamika első tételének nevezünk. Ez azt jelenti, hogy bármely elszigetelt rendszerben (vagyis olyanban, amely nem cserél energiát a környezettel) a teljes energia megmarad. A rendszer egyik részéről a másikra mozoghat, vagy egyik formáról a másikra változhat, de az összeg mindig ugyanaz.


Doc. Mgr. Peter Polčic, Ph.D.

Az energia másik formája az kémiai energia, amely a molekulák atomjai közötti kémiai kötelékekben rejtőzik. A kémiai reakciókban, amikor változások vannak a kémiai kötésekben, az egyes molekulák energiájában is változások következnek be. Az ilyen energiát a reakció függvényében fel lehet használni új kémiai kötések kialakítására, munka elvégzésére vagy hő előállítására.

Az élethez állandó energiaellátásra van szükségünk. Ha mozogni akarunk, például sportolni, akkor szükségünk van energiára, amelyet mechanikai munkává alakítunk - testünk mozgása. Ugyanakkor elegendő energiára van szükségünk, még akkor is, ha semmit sem csinálunk, és a kanapén fekszünk. Meg kell mozgatnunk azokat az izmokat, amelyek életben tartanak bennünket, például a szívet. Vezetnünk kell az agyat és az idegeket, amelyek akkor is működnek, ha nem tudunk róla. Sejtjeinkre azért van szükség, hogy fenntartsuk azokat a kémiai reakciókat, amelyek a testünk összes biológiai funkciójához szükséges vegyületeket alkotják. Ezeknek a reakcióknak általában energiára van szükségük.

A testünk hogyan nyer energiát

Hogyan van elrendezve a testünkben? Ha kissé leegyszerűsítjük a helyzetet, akkor feloszthatjuk sejtjeink kémiai reakcióit azokra, amelyekben az étel által bevitt tápanyagok, például cukrok és zsírok lebomlanak. Energiát kapunk ezekből a reakciókból - hívjuk őket katabolikus reakciók. Az így megszerzett energia, akkor szükségünk van rá anabolikus reakciók, vagyis azok, amelyekben összetettebb anyagokat képezünk egyszerű anyagokból, például azokból az anyagokból, amelyek sejtjeinket alkotják.

A vegyszerek előállítása mellett ezt az energiát különféle testi funkciók ellátására használjuk fel, például az agy, az összes szerv és a mozgás aktivitására. Annak érdekében, hogy a katabolikus reakciókból nyert energiát ezekre a célokra fel lehessen használni, a sejtek nagyon jó stratégiát alkalmaznak. A katabolikus reakciókban energiát fektetnek egy speciális kémiai vegyület - adenozin-trifoszfát (ATP). Ez áll adenozin-difoszfát (ADP) egy foszforsavmaradék hozzáadásával. Az ATP-t "üzemanyagként" használja gyakorlatilag az összes energiafogyasztó folyamat meghajtására. Ez az "üzemanyag" energiát juttat a folyamatba, és önmagában kimerül - visszabomlik ADP-re és a maradék foszforsavra.

Doc. Mgr. Peter Polčic, PhD., Előadás a DUK 2019-ben

Minden nap az ember körülbelül annyi ATP-t fogyaszt, amennyi súlya van. Érthető, hogy testünk nem képes ekkora mennyiségű ATP-t hordozni. Valójában körülbelül 100-200 g van, attól függően, hogy mekkorák vagyunk. Tehát még az sem, amit átlagosan 3 perc alatt elfogyasztunk. Ez azt jelenti, hogy folyamatosan meg kell újítanunk és újra és újra fel kell használnunk. Ezért kell lebontanunk a tápanyagokat és helyre kell állítanunk az ATP-ellátást.

Milyen szerepet játszik ebben a légzés és az oxigén?

Mi köze ennek a légzéshez? Nagyon. Annak érdekében, hogy a lehető legtöbb energiát nyerjük az ételtől, lebontjuk az általuk fogyasztott kémiai reakciókban oxigén. Így annyi energiát nyerhetünk tőlük, mintha tűzben égettük volna el őket. Míg tűzben égve energiát szabadítanánk fel ezekből az anyagokból hővé, a sejtjeinkben lévő katabolikus reakciók során fokozatosan átalakulnak kémiai reakciók sorozatában, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy ezt az energiát felhasználjuk ATP előállításához. Ha tűzben égeti el őket és megakadályozza az oxigén hozzáférését, például eltakarja őket, elfojtja a tüzet, a reakció nem megy végbe, és hő nem szabadul fel.

Hasonló lesz a sejtjeinkben is. Ha megeszi a Horalkát, amelynek energiaértéke a csomagolás szerint 1128 kJ vagy 270 kcal, annak érdekében, hogy ezt az energiát sejtekben lebontva nyerje, a Horalkán kívül oxigénre is szüksége van. Oxigén jelenlétében a Horalkában található cukrok és zsírok kémiailag átalakulnak szén-dioxid, amelyet kilélegzünk.

Hogyan működik a cukor lebomlása esetén? Cukor sejtjeink citoplazmájában a kémiai reakciók sorrendje átalakul pironsav. Az energia megszerzéséhez, azaz az ATP képződéséhez különösen fontosak azok a kémiai reakciók, amelyekben az anyagok elektronokat cserélnek - nevezzük őket redox-reakciók. A cukor pironsavvá történő átalakításakor nincs sok ilyen reakció. Az ebben a folyamatban felhasznált glükózcukor egy molekulájából csak 2 molekula ATP-t kapunk. A glükóz lebontásának ezen része még nem igényel oxigént. Ezért a cukor lebontása ily módon történik izmaink sejtjeiben, amikor keményen dolgozunk, lélegezünk és nem sikerül oxigént ellátnunk az izommal. A pirosav nem léphet be a lebomlás következő fázisába, amelyhez már oxigénre van szükség, és átalakul tejsav. Az izom ilyenkor elfárad, és nem tudja folytatni az erõfeszítést, mert nem sikerül elegendõ ATP-t termelni, ami a tevékenységéhez szükséges.

Ha elegendő oxigén áll rendelkezésünkre, akkor a pirovinsav átjut a mitokondriumba. Mitokondria sejtes organellák, amelyeknek fontos szerepe az energia-átalakítás és az ATP-termelés. Ezért néha összehasonlítjuk őket a cellás erőművekkel. A mitokondriumokban a kémiai átalakulások addig folytatódnak, amíg a piroesav szén-dioxiddá nem alakul át. Több a redox reakció. Elektronok fokozatosan átkerülnek az oxigénbe, így ezek a reakciók nélküle nem valósulhatnak meg. Elektrontranszfer oxigénhez, amelyből a víz képződik, enzimrendszert biztosít - komplex fehérjekomplexek, amelyek a mitokondrium membránjában találhatók, és ezeket együtt hívjuk légzési lánc.

Doc. Peter Polčic indexeket ír alá a DUK 2019 hallgatóival

Az elektrontranszfer a légzőszervi láncon keresztül hajtja végre az ATP képződését, amelyet egy másik enzim komplex biztosít ugyanabban a membránban - ATP-szintáz. A légzési lánc és az ATP-szintáz együttes működése az ATP előállításához nagyon érdekes és emlékeztet az emberek által különböző helyzetekben használt gépekre. Mind a légzési lánc, mind az ATP szintáz komplexek megtalálhatók a mitokondriális membránban. Légzési lánc szivattyúk rendszereként működik, amelyek, amikor elektronokat juttatnak oxigénbe, egyúttal protonokat szivattyúznak át a membránon. Így átalakítják a kémiai reakció energiáját - az elektronok átvitelét potenciális energiává, éppen úgy, mintha terhelést hordoznánk egy magasságba.

A membrán protonok számára át nem eresztő, de ATP-szintázt tartalmaz, amelyet úgy terveztek, hogy a protonok visszaáramolhassanak rajta. Mint egy tehercsiga leengedése. Ennek során megpörgetik az ATP-szintáz egy részét, és ezáltal ösztönzik az ATP termelését. Ily módon akár 38 ATP-molekula nyerhető, ha egy glükózmolekula lebomlik. Ez sokkal több, mint 2 molekula, amelyet oxigén nélkül kapunk. És ez elég ahhoz, hogy kihasználhassuk az élethez szükséges összes funkciót.

Összegzés

Energiára van szükségünk minden létfontosságú funkció ellátásához. Az egyik fő energiaforma, amelyet felhasználhatunk ezeknek a funkcióknak az adenozin-trifoszfát (ATP) molekulák kémiai kötéseiben lévő energia. Az adenozin-trifoszfát képződéséhez energiát nyerünk tápanyagok, elsősorban cukrok és zsírok lebontásával. Oxigénre van szükségük hatékony lebontásukhoz, amely lehetővé teszi számunkra a lehető legtöbb energia kinyerését. Ezért kell lélegeznünk.

Előadással a témáról - Miért kell lélegeznünk? kilépett doc. Mgr. Peter Polčic, Ph.D., a pozsonyi Comenius Egyetem Természettudományi Karán, a Comenius Gyermekegyetemen 2019-ben.

Doc. Mgr. Peter Polčic, Ph.D. (1973) egyetemi tanár a pozsonyi Comenius Egyetem Természettudományi Karának Biokémiai Tanszékén. Pozsonyban született. A pozsonyi Kémiai Ipari Szakközépiskola (1988 - 1991) elvégzése után folytatta mesterképzését (1991 - 1996), majd doktori tanulmányait (1996 - 2001) biokémiai szakán a Károly Egyetem Természettudományi Karán. Érettségi után posztdoktori ösztöndíjat végzett az Oregoni Egészségügyi és Tudományegyetem Vollum Intézetében, Portland, OR, USA (2001 - 2004), ahol az emlősök által programozott sejthalál egyes lépéseinek modellezésére összpontosított élesztősejtekben. Szlovákiába való visszatérése óta a pozsonyi Károly Egyetem Természettudományi Karának Biokémiai Tanszékén dolgozik. Jelenleg az anyagok mitokondriális membránokon keresztül történő szállítása és a mitokondriumok szerepe érdekelt a programozott sejthalál folyamatában.

Az idei Comenius Gyermekegyetem 6. előadására 2019. augusztus 7-én került sor a pozsonyi Aréna Színházban.

Szerkesztette és kiadta: Marta Bartošovičová, NCP VaT, a CVTI SR