KATABOLIZEM: KATABOLIČNE FUNKCIJE IN PROCESI - BIOLOGIJA - 2025

Katabolizem zajema vse razpadne reakcije snovi v telesu. Poleg "razgradnje" komponent biomolekul v njihove najmanjše enote katabolične reakcije proizvajajo energijo, predvsem v obliki ATP.

Katabolične poti so odgovorne za razgradnjo molekul, ki prihajajo iz hrane: ogljikovih hidratov, beljakovin in lipidov. Med postopkom se kemična energija, ki jo vsebujejo vezi, sprosti in se uporablja za celične dejavnosti, ki jo potrebujejo.

Vir: Avtor EsquemaCatabolismo.svg: sam; popravek majhnih napak: Basketturdervativno delo: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), prek Wikimedia Commons

Nekaj ​​primerov dobro znanih kataboličnih poti je: Krebsov cikel, beta oksidacija maščobnih kislin, glikoliza in oksidativna fosforilacija.

Preproste molekule, proizvedene s katabolizmom, celica uporablja za izgradnjo potrebnih elementov, pri čemer uporablja tudi energijo, ki jo zagotavlja isti postopek. Ta sintezna pot je antagonist katabolizma in se imenuje anabolizem.

Presnova organizma obsega tako sintezo kot razgradne reakcije, ki potekajo istočasno in kontrolirano znotraj celice.

Lastnosti

Glavni cilj katabolizma je oksidacija hranil, ki jih telo uporablja kot "gorivo", imenovano ogljikovi hidrati, beljakovine in maščobe. Razgradnja teh biomolekul ustvarja energijo in odpadne produkte, predvsem ogljikov dioksid in vodo.

V katabolizmu sodeluje vrsta encimov, ki so beljakovine, odgovorne za pospešitev hitrosti kemičnih reakcij, ki se dogajajo v celici.

Snovi za gorivo so hrana, ki jo zaužijemo vsak dan. Našo prehrano sestavljajo beljakovine, ogljikovi hidrati in maščobe, ki jih razgrajujejo katabolične poti. Telo prednostno uporablja maščobe in ogljikove hidrate, čeprav se v pomanjkanju lahko zateče k razgradnji beljakovin.

Energija, ki jo pridobiva katabolizem, je vsebovana v kemičnih vezah omenjenih biomolekul.

Ko uživamo katero koli hrano, jo prežvečimo, da jo lažje prebavimo. Ta postopek je analogen katabolizmu, kjer je telo zadolženo za "prebavo" delcev na mikroskopski ravni, tako da jih uporabljajo s sintezo ali anabolično potjo.

Katabolični procesi

Katabolične poti ali poti vključujejo vse procese razgradnje snovi. V tem procesu lahko ločimo tri faze:

- Različne biomolekule v celici (ogljikovi hidrati, maščobe in beljakovine) se razgradijo v osnovnih enotah, ki jih sestavljajo (sladkorji, maščobne kisline in aminokisline).

- Proizvodi stopnje I prehajajo na enostavnejše sestavine, ki se združijo v skupni intermediat, imenovan acetil-CoA.

- Končno ta spojina vstopi v Krebsov cikel, kjer nadaljuje z oksidacijo, dokler ne dobimo molekul ogljikovega dioksida in vode - končnih molekul, ki jih dobimo v kateri koli katabolični reakciji.

Med najvidnejšimi so cikel sečnine, Krebsov cikel, glikoliza, oksidativno fosforilacijo in beta oksidacija maščobnih kislin. Spodaj bomo opisali vsako od omenjenih poti:

Cikel sečnine

Cikel sečnine je katabolična pot, ki se pojavi v mitohondrijih in v citosolu jetrnih celic. Odgovoren je za predelavo beljakovinskih derivatov, končni produkt le-tega pa je sečnina.

Cikel se začne z vstopom prve amino skupine iz matriksa mitohondrijev, čeprav lahko skozi črevesje vstopi tudi v jetra.

Prva reakcija korak vključuje ATP, bikarbonat ionov (HCO ₃ ^- ) in amonijevega (NH ₄ ⁺ ) carbomoyl fosfat, ADP in P _i . Drugi korak je sestavljen iz združitve karbomoil fosfata in ornitina, da dobimo molekulo citrulina in P _i . Te reakcije se pojavljajo v mitohondrijskem matriksu.

Cikel se nadaljuje v citosolu, kjer se citrulin in aspartat kondenzirata skupaj z ATP, da nastane argininosukcinat, AMP in PP _i . Argininosukcinat prehaja v arginin in fumarat. Aminokislina arginin se kombinira z vodo, da dobi ornitin in na koncu sečnino.

Ta cikel je medsebojno povezan s Krebsovim ciklom, ker metabolit fumarata sodeluje v obeh presnovnih poteh. Vendar pa vsak cikel deluje neodvisno.

Klinične patologije, povezane s to potjo, pacientu preprečujejo uživanje diete, bogate z beljakovinami.

Krebsov cikel ali cikel citronske kisline

Krebsov cikel je pot, ki sodeluje pri celičnem dihanju vseh organizmov. Prostorno se pojavlja v mitohondrijih evkariontskih organizmov.

Predhodnik cikla je molekula, imenovana acetilni koencim A, ki se kondenzira z molekulo oksaloacetata. Ta zveza ustvarja šest-ogljikovo spojino. V vsaki obrati cikel prinese dve molekuli ogljikovega dioksida in eno molekulo oksaloacetata.

Cikel se začne z reakcijo izomerizacije, katalizirane z akonitazo, kjer citrat preide v cis-akonitat in vodo. Podobno akonitaza katalizira prehod cis-akonitata v izocitrat.

Izocitrat oksidira v oksalosukcinat z izocitrat dehidrogenazo. Ta molekula se dekarboksilira v alfa-ketoglutarat z istim encimom, izocitrat dehidrogenazo. Alfa-ketoglutarat se pretvori v sukcinil-CoA z alfa-ketoglutarat dehidrogenazo.

Sukcinil-CoA postane sukcinat, ki ga oksidira v fumarat s sukcinatno dehidrogenazo. Zaključno fumarat postane l-malat in na koncu l-malat postane oksaloacetat.

Cikel je mogoče povzeti po naslednji enačbi: Acetil-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + BDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

Glikoliza

Glikoliza, imenovana tudi glikoliza, je ključna pot, ki je prisotna v skoraj vseh živih organizmih, od mikroskopskih bakterij do velikih sesalcev. Pot je sestavljena iz 10 encimskih reakcij, ki razgrajujejo glukozo do pirvične kisline.

Postopek se začne s fosforilacijo molekule glukoze s pomočjo encima hekokinaza. Ideja tega koraka je "aktivirati" glukozo in jo ujeti znotraj celice, saj glukoza-6-fosfat nima prevoznika, skozi katerega bi lahko ušel.

Izomeraza glukoza-6-fosfata prevzame glukozo-6-fosfat in ga preuredi v svoj izomer fruktoze-6-fosfata. Tretji korak katalizira foshofruktokinaza, produkt pa fruktoza-1,6-bisfosfat.

Nato aldolaza razpiše zgornjo spojino v dihidroksiaceton fosfat in gliceraldehid-3-fosfat. Med tema dvema spojinama, ki ju katalizira triozna fosfatna izomeraza, obstaja ravnotežje.

Encim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza tvori 1,3-bisfosfoglicerat, ki se v naslednjem koraku s fosfoglicerat kinazo pretvori v 3-fosfoglicerat. Fosfogliceratna mutaza spremeni položaj ogljika in dobi 2-fosfoglicerat.

Eolaza prevzame slednji presnovek in ga pretvori v fosfoenolpiruvat. Zadnji korak poti katalizira piruvat kinaza, končni produkt pa piruvat.

Oksidativna fosforilacija

Oksidativna fosforilacija je proces nastajanja ATP zahvaljujoč prenosu elektronov iz NADH ali FADH ₂ v kisik in predstavlja zadnji korak pri celičnih dihalnih procesih. Pojavlja se v mitohondrijih in je glavni vir ATP molekul v aerobno vdihljivih organizmih.

Njen pomen je nesporen, saj se 26 od 30 molekul ATP, ki nastanejo kot produkt popolne oksidacije glukoze v vodo in ogljikovega dioksida, pojavi z oksidacijsko fosforilacijo.

Oksidativno fosforilacija konceptualno povezuje oksidacijo in sintezo ATP s tokom protonov skozi membranski sistem.

Tako se NADH ali FADH _{2, ki} nastajajo na različnih poteh, imenujejo glikoliza ali oksidacija maščobnih kislin, uporabljajo za zmanjšanje kisika, prosta energija, ustvarjena v postopku, pa se uporablja za sintezo ATP.

β-oksidacija maščobnih kislin

Β -oksidacija je skupek reakcij, ki omogočajo, da oksidacija maščobnih kislin proizvede velike količine energije.

Postopek vključuje občasno sproščanje regij dvoogljične maščobne kisline z reakcijo, dokler maščobna kislina ni popolnoma razkrojena. Končni produkt so molekule acetil-CoA, ki lahko vstopijo v Krebsov cikel in se v celoti oksidirajo.

Pred oksidacijo je treba aktivirati maščobno kislino, kjer se veže na koencim A. Prenašalnik karnitina je odgovoren za premik molekul v matrico mitohondrijev.

Po teh prejšnjih korakih se β-oksidacija sama začne s procesi oksidacije, hidracije, oksidacije z NAD ⁺ in tiolize.

Regulacija katabolizma

Obstajati mora vrsta postopkov, ki uravnavajo različne encimske reakcije, saj ti ne morejo delovati ves čas z največjo hitrostjo. Tako presnovne poti urejajo številni dejavniki, vključno s hormoni, nevronskimi kontrolami, razpoložljivostjo substrata in encimsko modifikacijo.

Na vsaki poti mora biti vsaj ena nepovratna reakcija (to je, da se zgodi le v eni smeri), ki usmerja hitrost celotne poti. To omogoča, da reakcije delujejo s hitrostjo, ki jo zahteva celica, in preprečujejo, da bi poti sinteze in razgradnje delovali istočasno.

Hormoni so še posebej pomembne snovi, ki delujejo kot prenašalci kemičnih snovi. Te se sintetizirajo v različnih endokrinih žlezah in sproščajo v krvni obtok, da delujejo. Nekaj ​​primerov je:

Kortizol

Kortizol deluje tako, da upočasni sintezne procese in poveča katabolične poti v mišici. Ta učinek se pojavi s sproščanjem aminokislin v krvni obtok.

Inzulin

V nasprotju s tem obstajajo hormoni, ki imajo nasproten učinek in zmanjšujejo katabolizem. Inzulin je odgovoren za povečanje sinteze beljakovin in hkrati zmanjšuje njihov katabolizem. V tem primeru se proteoliza poveča, kar olajša izhod aminokislin v mišico.

Razlike z anabolizmom

Anabolizem in katabolizem sta antagonistična procesa, ki obsegata celoten metabolični reakcij, ki se dogaja v organizmu.

Oba procesa zahtevata več kemičnih reakcij, ki jih katalizirajo encimi in so pod strogim hormonskim nadzorom, ki lahko sproži ali upočasni določene reakcije. Vendar se razlikujejo v naslednjih temeljnih vidikih:

Sinteza in razgradnja molekul

Anabolizem obsega sintezne reakcije, medtem ko je katabolizem odgovoren za razgradnjo molekul. Čeprav so ti procesi obrnjeni, so povezani v občutljivem ravnovesju metabolizma.

Anabolizem naj bi bil različen postopek, ki jemlje preproste spojine in jih preoblikuje v večje spojine. V nasprotju s katabolizmom, ki je razvrščen kot konvergentni postopek, zaradi pridobivanja majhnih molekul, kot so ogljikov dioksid, amoniak in voda, iz velikih molekul.

Različne katabolične poti prevzamejo makromolekule, ki sestavljajo hrano, in jih zmanjšajo na najmanjše sestavine. Medtem so anabolične poti sposobne zavzeti te enote in spet zgraditi bolj izpopolnjene molekule.

Z drugimi besedami, telo mora "spremeniti konfiguracijo" elementov, ki sestavljajo hrano, tako da se uporabljajo v procesih, ki jih potrebuje.

Postopek je analogen priljubljeni igri Lego, kjer lahko glavne sestavine tvorijo različne strukture z najrazličnejšo prostorsko ureditvijo.

Uporaba energije

Katabolizem je odgovoren za pridobivanje energije, ki jo vsebujejo kemične vezi hrane, zato je njen glavni cilj ustvarjanje energije. Ta razgradnja se v večini primerov pojavi zaradi oksidativnih reakcij.

Vendar ne preseneča, da katabolične poti zahtevajo dodajanje energije v svojih začetnih korakih, kot smo videli v glikolitični poti, ki zahteva inverzijo molekul ATP.

Po drugi strani je anabolizem odgovoren za dodajanje proste energije, proizvedene v katabolizmu, da bi dosegli sestavljanje spojin, ki nas zanimajo. V celici se nenehno in istočasno pojavljata tako anabolizem kot katabolizem.

Na splošno je ATP molekula, ki se uporablja za prenos energije. Ta se lahko razprši na območja, kjer je to potrebno, in ko hidrolizira kemično energijo, ki jo vsebuje molekula. Podobno se lahko energija prevaža kot vodikovi atomi ali elektroni.

Te molekule se imenujejo koencimi in vključujejo NADP, NADPH in FMNH ₂ . Delujejo prek redukcijskih reakcij. Poleg tega lahko zmanjšajo zmogljivost v ATP.

Reference

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (ur.). (2015). Farmakološke osnove akutne nege. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., in Barnes, NS (1994). Povabilo k biologiji. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, poslanec,… & Matsudaira, P. (2008). Molekularna celična biologija. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Enciklopedija prehrane in dobrega zdravja. Založništvo Infobase
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Temelji biokemije: življenje na molekularni ravni. Panamerican Medical Ed.