КАТАБОЛИЗЪМ: КАТАБОЛИЧНИ ФУНКЦИИ И ПРОЦЕСИ - БИОЛОГИЯ - 2024

На катаболизма обхваща всички реакции на разграждане на вещества в организма. Освен че "разграждат" компонентите на биомолекулите до най-малките им единици, катаболните реакции произвеждат енергия, главно под формата на АТФ.

Катаболните пътища са отговорни за разграждането на молекулите, които идват от храната: въглехидрати, протеини и липиди. По време на процеса химическата енергия, съдържаща се в връзките, се освобождава, за да се използва в клетъчни дейности, които се нуждаят от нея.

Източник: От EsquemaCatabolismo.svg: себе си; коригиране на малки грешки: Basketeturderivative работа: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), чрез Wikimedia Commons

Някои примери за добре известни катаболни пътища са: цикъл на Кребс, бета окисляване на мастни киселини, гликолиза и окислително фосфорилиране.

Простите молекули, произведени от катаболизъм, се използват от клетката за изграждане на необходимите елементи, като се използва и енергията, осигурена от същия процес. Този път на синтез е антагонист на катаболизма и се нарича анаболизъм.

Метаболизмът на организма обхваща както реакции на синтез, така и разграждане, които протичат едновременно и контролирано в клетката.

Характеристика

Основната цел на катаболизма е да окисли хранителните вещества, които тялото използва като "гориво", наречени въглехидрати, протеини и мазнини. Разграждането на тези биомолекули генерира енергия и отпадни продукти, главно въглероден диоксид и вода.

Поредица от ензими участват в катаболизма, които са протеини, отговорни за ускоряване на скоростта на химичните реакции, които протичат в клетката.

Горивните вещества са храната, която консумираме ежедневно. Диетата ни се състои от протеини, въглехидрати и мазнини, които се разграждат по катаболни пътища. Тялото предпочитано използва мазнини и въглехидрати, въпреки че в ситуации на недостиг може да прибегне до разграждането на протеините.

Енергията, добита чрез катаболизъм, се съдържа в химичните връзки на споменатите биомолекули.

Когато консумираме каквато и да е храна, ние я дъвчем, за да улесним храносмилането. Този процес е аналогичен на катаболизма, където тялото е отговорно за „усвояването“ на частиците на микроскопично ниво, така че те да бъдат използвани по синтез или по анаболни пътища.

Катаболни процеси

Катаболните пътища или пътеки включват всички процеси на разграждане на веществата. Можем да различим три етапа в процеса:

- Различните биомолекули, намиращи се в клетката (въглехидрати, мазнини и протеини), се разграждат в основните единици, които ги съставляват (съответно захари, мастни киселини и аминокиселини).

- Продуктите от етап I преминават към по-прости съставки, които се сближават в общ междинен продукт, наречен ацетил-КоА.

- Накрая, това съединение навлиза в цикъла на Кребс, където продължава окисляването си, докато не получи молекули въглероден диоксид и вода - крайните молекули, получени при всяка катаболна реакция.

Сред най-изявените са цикъла на уреята, цикъл на Кребс, гликолиза, окислително фосфорилиране и бета окисляване на мастни киселини. По-долу ще опишем всеки от посочените маршрути:

Цикъла на уреята

Цикълът на уреята е катаболен път, който се среща в митохондриите и в цитозола на чернодробните клетки. Той е отговорен за преработката на протеинови производни, а крайният продукт от него е урея.

Цикълът започва с влизането на първата аминогрупа от матрицата на митохондриите, въпреки че може да навлезе и в черния дроб през червата.

Първият етап на реакция включва АТР, бикарбонатни йони (HCO ₃ ^-) и амониев (NH ₄ ⁺) карбомоил фосфат, ADP и Р _аз. Вторият етап се състои от съединението на карбомоил фосфат и орнитин, за да се получи молекула от цитрулин и P _i. Тези реакции протичат в митохондриалната матрица.

Цикълът продължава в цитозола, където цитрулин и аспартат се кондензират заедно с АТФ за генериране на аргининосукцинат, AMP и PP _i. Аргининосукцинатът преминава в аргинин и фумарат. Аминокиселината аргинин се комбинира с вода, за да даде орнитин и накрая урея.

Този цикъл е свързан с цикъла на Кребс, тъй като фумаратният метаболит участва в двата метаболитни пътя. Всеки цикъл обаче действа независимо.

Клиничните патологии, свързани с този път, пречат на пациента да се храни с диета, богата на протеини.

Цикъл на Кребс или цикъл на лимонена киселина

Цикълът на Кребс е път, който участва в клетъчното дишане на всички организми. Пространствено се среща в митохондриите на еукариотни организми.

Предшественикът на цикъла е молекула, наречена ацетил коензим А, която се кондензира с оксалоацетатна молекула. Този съюз генерира шест въглеродно съединение. При всяка революция цикълът дава две молекули въглероден диоксид и една молекула оксалоацетат.

Цикълът започва с реакция на изомеризация, катализирана от аконитаза, при което цитратът преминава в цис-аконитат и вода. По подобен начин аконитазата катализира преминаването на цис-аконитат в изоцитрат.

Изоцитратът се окислява до оксалосукцинат чрез изоцитрат дехидрогеназа. Тази молекула се декарбоксилира в алфа-кетоглутарат от същия ензим, изоцитрат дехидрогеназа. Алфа-кетоглутарат се превръща в сукцинил-КоА под действието на алфа-кетоглутарат дехидрогеназа.

Сукцинил-КоА става сукцинат, който се окислява до фумарат чрез сукцинат дехидрогеназа. Последователно фумаратът става l-малат и накрая l-малатът става оксалоацетат.

Цикълът може да бъде обобщен в следното уравнение: Acetyl-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂.

гликолиза

Гликолизата, наричана още гликолиза, е решаващ път, който присъства практически във всички живи организми - от микроскопични бактерии до едри бозайници. Пътят се състои от 10 ензимни реакции, които разграждат глюкозата до пирувиновата киселина.

Процесът започва с фосфорилиране на глюкозната молекула от ензима хексокиназа. Идеята на тази стъпка е да "активира" глюкозата и да я залови вътре в клетката, тъй като глюкозо-6-фосфатът няма транспортер, чрез който може да избяга.

Глюкозо-6-фосфатната изомераза поема глюкозо-6-фосфат и я пренарежда в своя изомер на фруктоза-6-фосфат. Третият етап се катализира от фосфофруктокиназа и продуктът е фруктоза-1,6-бисфосфат.

След това алдолазата разцепва горното съединение в дихидроксиацетон фосфат и глицералдехид-3-фосфат. Има равновесие между тези две съединения, катализирани от триоза фосфатна изомераза.

Ензимът глицералдехид-3-фосфат дехидрогеназа произвежда 1,3-бисфосфоглицерат, който се превръща в 3-фосфоглицерат в следващия етап чрез фосфоглицерат киназа. Фосфоглицератната мутаза променя позицията на въглерода и дава 2-фосфоглицерат.

Eolase приема последния метаболит и го превръща във фосфоенолпируват. Последната стъпка в пътя се катализира от пируват киназа и крайният продукт е пируват.

Окислително фосфорилиране

Окислителното фосфорилиране е процес на образуване на АТФ благодарение на прехвърлянето на електрони от NADH или FADH ₂ в кислород и представлява последната стъпка в процесите на клетъчно дишане. Той се среща в митохондриите и е основният източник на ATP молекули в организмите за аеробно дишане.

Неговото значение е неоспоримо, тъй като 26 от 30 молекули на АТФ, които се генерират като продукт на пълното окисляване на глюкозата до вода и въглероден диоксид, се осъществяват чрез окислително фосфорилиране.

Концептуално окислителното фосфорилиране свързва окисляването и синтеза на АТФ с поток протони през мембранната система.

По този начин, NADH или FADH _2, генерирани по различни начини, наричат ​​го гликолиза или окисляване на мастни киселини, се използват за намаляване на кислорода, а свободната енергия, генерирана в процеса, се използва за синтеза на АТФ.

β-окисляване на мастни киселини

Β -окисляване е съвкупност от реакции, които позволяват окисляването на мастните киселини да произвежда големи количества енергия.

Процесът включва периодично освобождаване на участъци от дву въглеродна мастна киселина чрез реакция до пълното разграждане на мастната киселина. Крайният продукт са ацетил-КоА молекули, които могат да влязат в цикъла на Кребс, за да бъдат напълно окислени.

Преди окисляване, мастната киселина трябва да се активира, където се свързва с коензим А. Транспортерът на карнитин е отговорен за преместването на молекулите в матрицата на митохондриите.

След тези предишни стъпки, самото β-окисляване започва с процесите на окисляване, хидратация, окисление чрез NAD ⁺ и тиолиза.

Регулация на катаболизма

Трябва да има серия от процеси, които регулират различните ензимни реакции, тъй като те не могат да работят през цялото време с максималната си скорост. По този начин метаболитните пътища се регулират от редица фактори, включително хормони, невронални контроли, наличие на субстрати и ензимна модификация.

Във всеки маршрут трябва да има поне една необратима реакция (тоест тя се проявява само в една посока) и това задвижва скоростта на целия маршрут. Това позволява реакциите да работят със скоростта, изисквана от клетката и не позволява едновременно да работят пътищата за синтез и разграждане.

Хормоните са особено важни вещества, които действат като химически вестители. Те се синтезират в различните ендокринни жлези и се освобождават в кръвта, за да действат. Някои примери са:

Кортизолът

Кортизолът действа като забавя синтезните процеси и увеличава катаболните пътища в мускула. Този ефект се проявява чрез отделянето на аминокиселини в кръвта.

инсулин

За разлика от тях има хормони, които имат обратен ефект и намаляват катаболизма. Инсулинът е отговорен за увеличаването на синтеза на протеини и в същото време намалява техния катаболизъм. В този случай протеолизата се увеличава, което улеснява отделянето на аминокиселини в мускула.

Разлики с анаболизъм

Анаболизмът и катаболизмът са антагонистични процеси, които обхващат съвкупността от метаболитни реакции, протичащи в организма.

И двата процеса изискват множество химични реакции, катализирани от ензимите и са под строг хормонален контрол, способен да предизвика или забави определени реакции. Те обаче се различават в следните основни аспекти:

Синтез и разграждане на молекулите

Анаболизмът включва реакциите на синтеза, докато катаболизмът е отговорен за разграждането на молекулите. Въпреки че тези процеси са обърнати, те са свързани в деликатния баланс на метаболизма.

Казват, че анаболизмът е разнопосочен процес, приемане на прости съединения и превръщането им в по-големи съединения. Противно на катаболизма, който се класифицира като конвергентен процес, поради получаването на малки молекули като въглероден диоксид, амоняк и вода от големи молекули.

Различните катаболни пътища поемат макромолекулите, които съставляват храната и ги свеждат до най-малките си съставки. Междувременно анаболните пътища са способни да поемат тези единици и да изграждат отново по-сложни молекули.

С други думи, тялото трябва да "промени конфигурацията" на елементите, съставляващи храната, така че те да бъдат използвани в процесите, които изисква.

Процесът е аналогичен на популярната игра Lego, където основните съставки могат да образуват различни структури с голямо разнообразие от пространствени разположения.

Използване на енергия

Катаболизмът е отговорен за извличането на енергията, съдържаща се в химичните връзки на храната, следователно основната му цел е генерирането на енергия. Това разграждане се случва в повечето случаи от окислителни реакции.

Обаче не е изненадващо, че катаболните пътища изискват добавяне на енергия в началните си стъпки, както видяхме в гликолитичния път, който изисква инверсия на ATP молекулите.

От друга страна, анаболизмът е отговорен за добавянето на свободната енергия, произведена при катаболизъм, за да се постигне сглобяването на съединенията, които представляват интерес. Както анаболизмът, така и катаболизмът се срещат постоянно и едновременно в клетката.

По принцип АТФ е молекулата, използвана за пренос на енергия. Това може да се разпространи в зоните, където се изисква и когато се хидролизира химическата енергия, съдържаща се в молекулата. По подобен начин енергията може да бъде транспортирана като водородни атоми или електрони.

Тези молекули се наричат ​​коензими и включват NADP, NADPH и FMNH ₂. Те действат чрез редукционни реакции. Освен това те могат да прехвърлят намаляващия капацитет в ATP.

Препратки

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (ред.). (2015). Фармакологични основи на остра грижа. Springer International Publishing
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Покана за биология. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Молекулярно-клетъчна биология. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Енциклопедия на храненето и доброто здраве. Издаване на база данни
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Основи на биохимията: живот на молекулярно ниво. Panamerican Medical Ed.