Funkcje katabolizmu, procesy kataboliczne, różnice z anabolizmem



The katabolizm obejmuje wszystkie reakcje degradacji substancji w organizmie. Oprócz „rozpadu” składników biomolekuł w ich mniejszych jednostkach, reakcje kataboliczne wytwarzają energię, głównie w postaci ATP..

Drogi kataboliczne są odpowiedzialne za rozkład cząsteczek pochodzących z pożywienia: węglowodanów, białek i lipidów. Podczas tego procesu energia chemiczna zawarta w wiązaniach jest uwalniana do wykorzystania w czynnościach komórkowych, które tego wymagają.

Niektóre przykłady dobrze znanych szlaków katabolicznych to: cykl Krebsa, beta utlenianie kwasów tłuszczowych, glikoliza i fosforylacja oksydacyjna.

Proste cząsteczki wytwarzane przez katabolizm są wykorzystywane przez komórkę do budowy niezbędnych elementów, również przy użyciu energii dostarczonej przez ten sam proces. Ta droga syntezy jest antagonistą katabolizmu i nazywa się anabolizmem.

Metabolizm organizmu obejmuje zarówno reakcje syntezy, jak i degradacji, które zachodzą jednocześnie i są kontrolowane w komórce.

Indeks

  • 1 Funkcje
  • 2 Procesy kataboliczne
    • 2.1 Cykl mocznikowy
    • 2.2 Cykl Krebsa lub cykl kwasu cytrynowego
    • 2.3 Glikoliza
    • 2.4 Fosforylacja oksydacyjna
    • 2.5 β-utlenianie kwasów tłuszczowych         
  • 3 Regulacja katabolizmu
    • 3.1 Kortyzol
    • 3.2 Insulina
  • 4 Różnice w anabolizmie
    • 4.1 Synteza i degradacja cząsteczek
    • 4.2 Wykorzystanie energii
  • 5 referencji

Funkcje

Głównym celem katabolizmu jest utlenianie składników odżywczych, które organizm wykorzystuje jako „paliwo”, zwane węglowodanami, białkami i tłuszczami. Degradacja tych biomolekuł wytwarza energię i produkty odpadowe, głównie dwutlenek węgla i wodę.

Szereg enzymów uczestniczy w katabolizmie, które są białkami odpowiedzialnymi za przyspieszenie szybkości reakcji chemicznych zachodzących w komórce.

Substancje paliwowe to produkty spożywane codziennie. Nasza dieta składa się z białek, węglowodanów i tłuszczów, które są degradowane przez szlaki kataboliczne. Ciało preferencyjnie wykorzystuje tłuszcze i węglowodany, chociaż w sytuacjach niedoboru może uciekać się do degradacji białek.

Energia wyekstrahowana przez katabolizm zawarta jest w wiązaniach chemicznych wymienionych biocząsteczek.

Kiedy spożywamy jedzenie, żujemy je, aby ułatwić trawienie. Proces ten jest analogiczny do katabolizmu, w którym ciało jest odpowiedzialne za „trawienie” cząstek na poziomie mikroskopowym, aby mogły zostać wykorzystane przez drogi syntetyczne lub anaboliczne.

Procesy kataboliczne

Drogi lub szlaki kataboliczne obejmują wszystkie procesy degradacji substancji. Możemy wyróżnić trzy etapy procesu:

- Różne biomolekuły znajdujące się w komórce (węglowodany, tłuszcze i białka) są rozkładane w podstawowych jednostkach, które je tworzą (odpowiednio cukry, kwasy tłuszczowe i aminokwasy).

- Produkty etapu I przechodzą do prostszych składników, które zbiegają się na wspólnym półprodukcie o nazwie acetylo-CoA.

- Wreszcie, związek ten wchodzi w cykl Krebsa, gdzie kontynuuje utlenianie, aby uzyskać cząsteczki dwutlenku węgla i wody - końcowe cząsteczki uzyskane w dowolnej reakcji katabolicznej.

Do najbardziej znanych należą cykl mocznikowy, cykl Krebsa, glikoliza, fosforylacja oksydacyjna i beta utlenianie kwasów tłuszczowych. Następnie opiszemy każdą z wymienionych tras:

Cykl mocznika

Cykl mocznikowy jest szlakiem katabolicznym, który występuje w mitochondriach i cytozolu komórek wątroby. Odpowiada za przetwarzanie pochodnych białkowych, a jego końcowym produktem jest mocznik.

Cykl rozpoczyna się od wejścia pierwszej grupy aminowej z matrycy mitochondriów, ale może również dostać się do wątroby przez jelito.

Pierwsza reakcja obejmuje przejście ATP, jonów wodorowęglanowych (HCO)3-) i amonu (NH4+) w fosforanie karbomilu, ADP i Pi. Drugim etapem jest wiązanie fosforanu karbomilu i ornityny z wytworzeniem cząsteczki cytruliny i Pi. Reakcje te zachodzą w macierzy mitochondrialnej.

Cykl jest kontynuowany w cytozolu, w którym cytrulina i asparaginian są skondensowane razem z ATP w celu wytworzenia argininobursztynianu, AMP i PPi. Argininobursztynian przechodzi do argininy i fumaranu. Aminokwas arginina łączy się z wodą dając ornitynę, a na koniec mocznik.

Cykl ten jest powiązany z cyklem Krebsa, ponieważ fumaran metabolitu uczestniczy w obu szlakach metabolicznych. Jednak każdy cykl działa niezależnie.

Kliniczne patalogie związane z tą drogą zapobiegają przyjmowaniu przez pacjenta diety bogatej w białka.

Cykl Krebsa lub cykl kwasu cytrynowego

Cykl Krebsa jest ścieżką, która uczestniczy w oddychaniu komórkowym wszystkich organizmów. Przestrzennie występuje w mitochondriach organizmów eukariotycznych.

Prekursorem cyklu jest cząsteczka zwana acetylokoenzymem A, skondensowana z cząsteczką szczawiooctanu. To połączenie generuje związek sześciu atomów węgla. W każdej rewolucji cykl daje dwie cząsteczki dwutlenku węgla i jedną cząsteczkę szczawiooctanu.

Cykl rozpoczyna się od reakcji izomeryzacji katalizowanej przez akonitazę, w której cytrynian przechodzi do cis-akonitu i wody. Podobnie, akonitaza katalizuje przejście cis-akonitu do izocytryny.

Izocytrat jest utleniany do oksalobursztynianu przez dehydrogenazę izocytrynianu. Ta cząsteczka jest dekarboksylowana w alfa-ketoglutaranie przez ten sam enzym, dehydrogenazę izocytrynianu. Alfa-ketoglutaran przechodzi do sukcynylo-CoA w wyniku działania dehydrogenazy alfa-ketoglutaranu.

Sukcynylo-CoA przechodzi w bursztynian, który jest utleniany do fumaranu przez dehydrogenazę bursztynianową. Następnie fumaran przechodzi do l-jabłczanu i ostatecznie l-jabłczan przechodzi do szczawiooctanu.

Cykl można podsumować następującym równaniem: Acetylo-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH2 + GTP + 2 CO2.

Glikoliza

Glikoliza, zwana również glikolizą, jest kluczowym szlakiem, który występuje praktycznie we wszystkich żywych organizmach, od mikroskopijnych bakterii po duże ssaki. Droga składa się z 10 reakcji enzymatycznych, które degradują glukozę do kwasu pirogronowego.

Proces rozpoczyna się od fosforylacji cząsteczki glukozy przez enzym heksokinazę. Ideą tego kroku jest „aktywacja” glukozy i zatrzymanie jej w komórce, ponieważ glukozo-6-fosforan nie ma transportera, przez który może uciec.

Izomeraza glukozo-6-fosforanowa pobiera glukozo-6-fosforan i przekształca go w izomer fruktozo-6-fosforanu. Trzeci etap jest katalizowany przez fosfofruktokinazę, a produktem jest fruktozo-1,6-bisfosforan.

Następnie aldolaza rozszczepia powyższy związek w fosforanie dihydroksyacetonu i 3-fosforanie gliceraldehydu. Istnieje równowaga między tymi dwoma związkami katalizowanymi przez izomerazę fosforanu triozy.

Enzym dehydrogenaza aldehydu 3-fosforano-glicerynowego wytwarza 1,3-bifosfoglicerynian, który w następnym etapie przekształca się w 3-fosfoglicerynian przez kinazę fosfoglicerynianową. Mutaza fosfoglicerynianowa zmienia pozycję węgla i daje 2-fosfoglicerynian.

Enolaza przyjmuje ten ostatni metabolit i przekształca go w fosfoenolopirogronian. Ostatni etap szlaku jest katalizowany przez kinazę pirogronianową, a produktem końcowym jest pirogronian.

Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna jest procesem powstawania ATP dzięki transferowi elektronów z NADH lub FADH2 aż do tlenu i jest ostatnim etapem procesów oddychania komórkowego. Występuje w mitochondriach i jest głównym źródłem cząsteczek ATP w organizmach z oddychaniem tlenowym.

Jego znaczenie jest niezaprzeczalne, ponieważ 26 z 30 cząsteczek ATP, które są wytwarzane jako produkt całkowitego utlenienia glukozy do wody i dwutlenku węgla, powstaje w wyniku fosforylacji oksydacyjnej.

Koncepcyjnie fosforylacja oksydacyjna łączy utlenianie i syntezę ATP z przepływem protonów przez układ membranowy.

Tak więc NADH lub FADH2 generowane na różnych drogach, glikoliza wywołana lub utlenianie kwasów tłuszczowych jest wykorzystywane do redukcji tlenu, a wolna energia wytwarzana w procesie jest wykorzystywana do syntezy ATP.

β-utlenianie kwasów tłuszczowych         

Β-utlenianie to zestaw reakcji, które umożliwiają utlenianie kwasów tłuszczowych w celu wytworzenia dużych ilości energii.

Proces obejmuje okresowe uwalnianie regionów kwasów tłuszczowych z dwóch atomów węgla na reakcję, aż do całkowitego rozkładu kwasu tłuszczowego. Produktem końcowym są cząsteczki acetylo-CoA, które mogą wejść w cykl Krebsa, aby całkowicie utlenić.

Przed utlenianiem kwas tłuszczowy musi zostać aktywowany, gdzie wiąże się z koenzymem A. Transporter karnityny jest odpowiedzialny za translokację cząsteczek do matrycy mitochondriów.

Po tych poprzednich krokach samo utlenianie β rozpoczyna się od procesów utleniania, hydratacji, utleniania przez NAD+ i tioliza.

Regulacja katabolizmu

Musi istnieć szereg procesów, które regulują różne reakcje enzymatyczne, ponieważ nie mogą one działać cały czas z maksymalną prędkością. Zatem szlaki metabolizmu są regulowane przez szereg czynników, w tym hormony, kontrole neuronalne, dostępność substratu i modyfikację enzymatyczną.

Na każdej trasie musi istnieć co najmniej jedna nieodwracalna reakcja (to znaczy jedna w jednym kierunku), która kieruje prędkością całej drogi. Dzięki temu reakcje działają z prędkością wymaganą przez komórkę i zapobiegają jednoczesnej pracy ścieżek syntezy i degradacji.

Hormony są szczególnie ważnymi substancjami działającymi jako przekaźniki chemiczne. Są one syntetyzowane w różnych gruczołach dokrewnych i uwalniane do krwiobiegu, aby działać. Oto kilka przykładów:

Kortyzol

Kortyzol działa poprzez zmniejszenie procesów syntezy i zwiększenie szlaków katabolicznych w mięśniu. Efekt ten występuje poprzez uwalnianie aminokwasów do krwiobiegu.

Insulina

W przeciwieństwie do tego istnieją hormony, które mają przeciwny efekt i zmniejszają katabolizm. Insulina jest odpowiedzialna za zwiększenie syntezy białek i jednocześnie zmniejsza ich katabolizm. W takim przypadku wzrasta proteoliza, która ułatwia wyjście aminokwasów do mięśni.

Różnice w anabolizmie

Anabolizm i katabolizm są antagonistycznymi procesami, które obejmują całość reakcji metabolicznych zachodzących w organizmie.

Oba procesy wymagają wielu reakcji chemicznych katalizowanych przez enzymy i są pod ścisłą kontrolą hormonalną zdolną do wyzwalania lub spowalniania pewnych reakcji. Różnią się jednak następującymi podstawowymi aspektami:

Synteza i degradacja cząsteczek

Anabolizm obejmuje reakcje syntezy, podczas gdy katabolizm jest odpowiedzialny za degradację cząsteczek. Chociaż procesy te są odwrotne, są połączone w delikatnej równowadze metabolizmu.

Mówi się, że anabolizm jest procesem rozbieżnym, ponieważ wymaga prostych związków i przekształca je w większe związki. W przeciwieństwie do katabolizmu, który jest klasyfikowany jako proces zbieżny, poprzez otrzymywanie małych cząsteczek, takich jak dwutlenek węgla, amoniak i woda, z dużych cząsteczek.

Różne szlaki kataboliczne zabierają makrocząsteczki tworzące pożywienie i redukują je do mniejszych składników. Z drugiej strony szlaki anaboliczne są w stanie wziąć te jednostki i zbudować bardziej skomplikowane molekuły.

Innymi słowy, ciało musi „zmienić konfigurację” elementów składających się na żywność, które mają być wykorzystane w procesach, które wymagają.

Proces ten jest analogiczny do popularnej gry legos, w której główne składniki mogą tworzyć różne struktury z szeroką gamą układów przestrzennych.

Wykorzystanie energii

Katabolizm jest odpowiedzialny za wydobywanie energii zawartej w wiązaniach chemicznych żywności, dlatego jego głównym celem jest wytwarzanie energii. Ta degradacja zachodzi w większości przypadków na skutek reakcji utleniających.

Jednak nie jest dziwne, że drogi kataboliczne wymagają dodania energii w początkowych etapach, jak widzieliśmy na szlaku glikolitycznym, który wymaga inwersji cząsteczek ATP.

Z drugiej strony, anabolizm jest odpowiedzialny za dodawanie darmowej energii wytwarzanej w katabolizmie, aby uzyskać zestaw interesujących związków. Zarówno anabolizm, jak i katabolizm występują stale i jednocześnie w komórce.

Ogólnie ATP jest cząsteczką wykorzystywaną do przesyłania energii. Może to przenikać do obszarów, w których jest wymagane, a po hydrolizie uwalniana jest energia chemiczna zawarta w cząsteczce. W ten sam sposób energia może być transportowana jako atomy wodoru lub elektrony.

Cząsteczki te nazywane są koenzymami i obejmują NADP, NADPH i FMNH2. Działają poprzez reakcje redukcji. Ponadto mogą przenosić zdolność redukcji w ATP.

Referencje

  1. Chan, Y. K., Ng, K. P. i Sim, D. S. M. (red.). (2015). Farmakologiczne podstawy ostrej opieki. Springer International Publishing.
  2. Curtis, H. i Barnes, N. S. (1994). Zaproszenie do biologii. Macmillan.
  3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, J.E., Kaiser, C.A., Krieger, M., Scott, M.P., ... & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórek molekularnych. Macmillan.
  4. Ronzio, R. A. (2003). Encyklopedia odżywiania i dobrego zdrowia. Infobase Publishing.
  5. Voet, D., Voet, J. i Pratt, C. W. (2007). Fundamentals of Biochemistry: Life na poziomie molekularnym. Ed. Panamericana Medical.