KATABOLIZMAS: KATABOLINĖS FUNKCIJOS IR PROCESAI - BIOLOGIJA - 2025

Katabolizmas apima visus degradacijos reakcija medžiagų organizme. Katabolinės reakcijos ne tik „suskaido“ biomolekulių komponentus į jų mažiausius vienetus, bet ir gamina energiją, daugiausia ATP pavidalu.

Kataboliniai keliai yra atsakingi už molekulių, gaunamų iš maisto, skaidymą: angliavandenius, baltymus ir lipidus. Proceso metu cheminė energija, esanti jungtyse, yra išleidžiama panaudoti ląstelių veikloje, kuriai to reikia.

Šaltinis: „EsquemaCatabolismo.svg“: aš; mažų klaidų taisymas: krepšinio žudynių kūrinys: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), per „Wikimedia Commons“

Kai kurie gerai žinomų katabolizmo būdų pavyzdžiai: Krebso ciklas, beta riebalų rūgščių oksidacija, glikolizė ir oksidacinis fosforilinimas.

Katabolizmo būdu pagamintas paprastas molekules ląstelė panaudoja reikalingiems elementams sukurti, taip pat panaudodama to paties proceso teikiamą energiją. Šis sintezės kelias yra katabolizmo antagonistas ir vadinamas anabolizmu.

Organizmo metabolizmas apima sintezės ir skilimo reakcijas, kurios ląstelėje vyksta vienu metu ir kontroliuojamu būdu.

funkcijos

Pagrindinis katabolizmo tikslas yra oksiduoti maistines medžiagas, kurias kūnas naudoja kaip „kurą“, vadinamąsias angliavandeniais, baltymais ir riebalais. Suskaidžius šias biomolekules susidaro energija ir atliekos, daugiausia anglies dioksidas ir vanduo.

Katabolizme dalyvauja keletas fermentų, kurie yra baltymai, atsakingi už ląstelėje vykstančių cheminių reakcijų spartinimą.

Degalų medžiagos yra maistas, kurį vartojame kasdien. Mūsų racioną sudaro baltymai, angliavandeniai ir riebalai, kurie suskaidomi katabolizmo keliais. Labiausiai organizmas vartoja riebalus ir angliavandenius, nors esant trūkumui jis gali suskaidyti baltymus.

Katabolizmo būdu išgaunama energija yra minėtų biomolekulių cheminiuose ryšiuose.

Kai vartojame bet kokį maistą, jį kramtome, kad būtų lengviau virškinti. Šis procesas yra analogiškas katabolizmui, kai kūnas yra atsakingas už „skaidymą“ dalelėmis mikroskopiniu lygiu, kad jos būtų naudojamos sintezės ar anaboliniais būdais.

Kataboliniai procesai

Kataboliniai keliai apima visus medžiagų skaidymo procesus. Galime išskirti tris proceso etapus:

- Skirtingos ląstelėje esančios biomolekulės (angliavandeniai, riebalai ir baltymai) yra skaidomos pagrindiniuose juos sudarančiuose vienetuose (atitinkamai cukruose, riebalų rūgštyse ir amino rūgštyse).

- I pakopos produktai patenka į paprastesnes sudedamąsias dalis, kurios susilieja į bendrą tarpinį produktą, vadinamą acetil-CoA.

- Galiausiai šis junginys patenka į Krebso ciklą, kur tęsia oksidaciją, kol išgauna anglies dioksido ir vandens molekules - galutines molekules, gautas vykdant bet kokią katabolinę reakciją.

Tarp ryškiausių yra karbamido ciklas, Krebso ciklas, glikolizė, oksidacinis fosforilinimas ir riebalų rūgščių beta oksidacija. Žemiau aprašysime kiekvieną iš paminėtų maršrutų:

Karbamido ciklas

Karbamido ciklas yra katabolinis kelias, vykstantis mitochondrijose ir kepenų ląstelių citozolyje. Jis yra atsakingas už baltymų darinių perdirbimą, o jo galutinis produktas yra karbamidas.

Ciklas prasideda pirmosios amino grupės patekimu iš mitochondrijų matricos, nors ji taip pat gali patekti į kepenis per žarnyną.

Pirmoji reakcija žingsnis yra susijęs su ATP, rūgščiojo karbonato jonų (HCO ₃ ^- ) ir amonio (NH ₄ ⁺ ) karbamoil fosfato, ADP ir P _i . Antrasis etapas susideda iš karbomilo fosfato ir ornitino jungties, kad būtų gauta citrulino ir P _i molekulė . Šios reakcijos vyksta mitochondrijų matricoje.

Ciklas tęsiasi citozolyje, kur citrullinas ir aspartatas kondensuojasi kartu su ATP, kad susidarytų argininosukcinatas, AMP ir PP _i . Argininosukcinatas pereina į argininą ir fumaratą. Aminorūgštis argininas susijungia su vandeniu, kad gautų ornitiną ir galiausiai karbamidą.

Šis ciklas yra susijęs su Krebso ciklu, nes fumarato metabolitas dalyvauja abiejuose metabolizmo keliuose. Tačiau kiekvienas ciklas veikia savarankiškai.

Klinikinės patologijos, susijusios su šiuo keliu, neleidžia pacientui valgyti dietos, kurioje gausu baltymų.

Krebso ciklas arba citrinos rūgšties ciklas

Krebso ciklas yra būdas, dalyvaujantis ląstelių kvėpavime visiems organizmams. Erdviniu būdu jis atsiranda eukariotinių organizmų mitochondrijose.

Ciklo pirmtakas yra molekulė, vadinama acetilkoenzimu A, kuri kondensuojasi su oksaloacetato molekule. Ši sąjunga sukuria šešių anglies junginį. Kiekvienos revoliucijos metu ciklas sukuria dvi anglies dioksido molekules ir vieną oksaloacetato molekulę.

Ciklas prasideda izomerizacijos reakcija, katalizuojama aconitazės, kur citratas patenka į cis-aconitą ir vandenį. Panašiai akonitazė katalizuoja cis-akonitato praėjimą į izocitratą.

Izocitratas oksiduojamas į oksalosukcinatą izocitrato dehidrogenazės būdu. Ta pati fermentas izocitrato dehidrogenazė šią molekulę dekarboksilina į alfa-ketoglutaratą. Alfa-ketoglutaratas virsta sukcinil-CoA veikiant alfa-ketoglutarato dehidrogenazei.

Sukcinil-CoA tampa sukcinatu, kuris oksiduojamas į fumaratą sukcinato dehidrogenazės būdu. Iš eilės fumaratas tampa l-malatu, o galiausiai l-malate - oksalacetatu.

Ciklą galima apibendrinti tokia lygtimi: Acetil-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + BVP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

Glikolizė

Glikolizė, dar vadinama glikolize, yra esminis kelias, vykstantis praktiškai visuose gyvuose organizmuose, pradedant mikroskopinėmis bakterijomis ir baigiant stambiaisiais žinduoliais. Maršrutą sudaro 10 fermentinių reakcijų, kurios skaido gliukozę į piruvo rūgštį.

Procesas prasideda gliukozės molekulės fosforilinimu fermento heksokinazės pagalba. Šio žingsnio idėja yra „suaktyvinti“ gliukozę ir sulaikyti ją ląstelės viduje, nes gliukozės-6-fosfatas neturi pernešėjo, per kurį jis galėtų išeiti.

Gliukozės-6-fosfato izomerazė paima gliukozės-6-fosfatą ir perskirsto jį į savo fruktozės-6-fosfato izomerą. Trečiąjį etapą katalizuoja fosfofruktokinazė, o produktas yra fruktozės-1,6-bisfosfatas.

Tada aldolazė suskaido aukščiau esantį junginį į dihidroksiacetono fosfatą ir glicerraldehido-3-fosfatą. Tarp šių dviejų junginių yra pusiausvyra, katalizuojama triozės fosfato izomerazės.

Fermentas glicerraldehido-3-fosfato dehidrogenazė gamina 1,3-bisfosgliceridą, kuris fosforglicerinato kinazės būdu paverčiamas 3-fosfogliceridu kitame etape. Fosfoglicerinato mutazė keičia anglies padėtį ir gaunamas 2-fosfogliceratas.

Eolazė paima pastarąjį metabolitą ir paverčia jį fosfoenolpiruvatu. Paskutinį kelio žingsnį katalizuoja piruvato kinazė, o galutinis produktas yra piruvatas.

Oksidacinis fosforilinimas

Oksidacinis fosforilinimas yra ATP formavimo procesas dėl elektronų perkėlimo iš NADH ar FADH ₂ į deguonį ir yra paskutinis ląstelių kvėpavimo procesų etapas. Jis atsiranda mitochondrijose ir yra pagrindinis ATP molekulių šaltinis aerobinio kvėpavimo organizmuose.

Jos svarba neginčijama, nes 26 iš 30 ATP molekulių, susidarančių kaip visiško gliukozės oksidacijos į vandenį ir anglies dioksido produktas, atsiranda oksidacinio fosforilinimo būdu.

Koncepciniu požiūriu oksidacinis fosforilinimas sujungia ATP oksidaciją ir sintezę protonų srautu per membranos sistemą.

Taigi, NADH arba FADH _2, susidarantys skirtingais keliais, vadinami riebalų rūgščių glikolize ar oksidacija, yra naudojami deguoniui sumažinti, o proceso metu susidaranti laisvoji energija naudojama ATP sintezei.

Riebalų rūgščių β-oksidacija

Β-oksidacija - tai visuma reakcijų, leidžiančių oksiduoti riebalų rūgštis ir gauti didelį energijos kiekį.

Šis procesas apima periodišką dviejų anglies riebalų rūgšties sričių išsiskyrimą reakcijos metu, kol riebioji rūgštis visiškai suskaidoma. Galutinis produktas yra acetil-CoA molekulės, kurios gali patekti į Krebso ciklą, kad būtų visiškai oksiduotos.

Prieš oksidaciją riebalų rūgštis turi būti suaktyvinta ten, kur ji jungiasi su kofermentu A. Karnitino pernešėjas yra atsakingas už molekulių perkėlimą į mitochondrijų matricą.

Po šių ankstesnių žingsnių pati β-oksidacija prasideda oksidacijos, hidratacijos, oksidacijos NAD ⁺ ir tiolizės procesais.

Katabolizmo reguliavimas

Turi būti daugybė procesų, reguliuojančių skirtingas fermentines reakcijas, nes jie negali visą laiką veikti maksimaliu greičiu. Taigi metabolizmo kelius reguliuoja daugybė veiksnių, įskaitant hormonus, neuronų kontrolę, substrato prieinamumą ir fermentinį modifikavimą.

Kiekviename maršrute turi būti bent viena negrįžtama reakcija (tai yra, ji vyksta tik viena kryptimi) ir ji nukreipia viso maršruto greitį. Tai leidžia reakcijas veikti tokiu greičiu, kokio reikalauja ląstelė, ir neleidžia sintezės ir skilimo keliams veikti tuo pačiu metu.

Hormonai yra ypač svarbios medžiagos, veikiančios kaip cheminiai pasiuntiniai. Jie sintetinami įvairiose endokrininėse liaukose ir išleidžiami į kraują veikti. Keli pavyzdžiai:

Kortizolio

Kortizolis veikia sulėtindamas sintezės procesus ir padidindamas katabolinius kelius raumenyse. Šis poveikis pasireiškia aminorūgščių išsiskyrimu į kraują.

Insulinas

Priešingai, yra hormonų, kurie turi priešingą poveikį ir mažina katabolizmą. Insulinas yra atsakingas už baltymų sintezės padidėjimą ir tuo pačiu sumažina jų katabolizmą. Tokiu atveju padidėja proteolizė, o tai palengvina aminorūgščių išsiskyrimą į raumenis.

Skirtumai su anabolizmu

Anabolizmas ir katabolizmas yra antagonistiniai procesai, apimantys visą organizme vykstančių metabolinių reakcijų visumą.

Abu procesai reikalauja daugybės fermentų katalizuojamų cheminių reakcijų ir yra griežtai kontroliuojami hormonų, galinčių sukelti arba sulėtinti tam tikras reakcijas. Tačiau jie skiriasi šiais pagrindiniais aspektais:

Molekulių sintezė ir skaidymas

Anabolizmas apima sintezės reakcijas, o katabolizmas yra atsakingas už molekulių irimą. Nors šie procesai yra atvirkštiniai, jie yra susiję su subtilia medžiagų apykaitos pusiausvyra.

Manoma, kad anabolizmas yra skirtingas procesas, kurio metu imami paprasti junginiai ir paverčiami didesniais junginiais. Priešingai nei katabolizmas, kuris klasifikuojamas kaip susiliejantis procesas, nes iš didelių molekulių gaunamos mažos molekulės, tokios kaip anglies dioksidas, amoniakas ir vanduo.

Skirtingi kataboliniai keliai paima makromolekules, iš kurių susidaro maistas, ir sumažina jas iki mažiausių sudedamųjų dalių. Tuo tarpu anaboliniai keliai gali paimti šiuos vienetus ir vėl sukurti sudėtingesnes molekules.

Kitaip tariant, kūnas turi „pakeisti maistą sudarančių elementų konfigūraciją“, kad jie būtų naudojami reikalinguose procesuose.

Procesas yra panašus į populiarųjį „Lego“ žaidimą, kur pagrindinės sudedamosios dalys gali sudaryti skirtingas struktūras su daugybe įvairių erdvių.

Energijos sunaudojimas

Katabolizmas yra atsakingas už energijos, esančios cheminiuose maisto ryšiuose, išgavimą, todėl pagrindinis jos tikslas yra energijos generavimas. Šis skaidymas dažniausiai vyksta dėl oksidacinių reakcijų.

Tačiau nenuostabu, kad kataboliniams keliams reikia pridėti energijos pradiniuose etapuose, kaip mes matėme glikolitiniame kelyje, kuriam reikia ATP molekulių apversimo.

Kita vertus, anabolizmas yra atsakingas už laisvos energijos, gautos katabolizme, pridėjimą, kad būtų galima surinkti dominančius junginius. Tiek anabolizmas, tiek katabolizmas ląstelėje vyksta nuolat ir tuo pačiu metu.

Paprastai ATP yra molekulė, naudojama energijai perduoti. Tai gali pasklidėti ten, kur to reikia, ir hidrolizuodamasi išsiskiria cheminė energija, esanti molekulėje. Panašiai energija gali būti gabenama kaip vandenilio atomai arba elektronai.

Šios molekulės yra vadinamos kofermentais ir apima NADP, NADPH ir FMNH ₂ . Jie veikia per redukcijos reakcijas. Be to, reduktorius jie gali perkelti į ATP.

Nuorodos

1. Chanas, YK, Ng, KP ir „Sim“, DSM (Red.). (2015). Ūmios priežiūros farmakologiniai pagrindai. „Springer“ tarptautinė leidyba.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Kvietimas į biologiją. Macmillanas.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… ir Matsudaira, P. (2008). Molekulinių ląstelių biologija. Macmillanas.
4. Ronzio, RA (2003). Mitybos ir geros sveikatos enciklopedija. „Infobase“ leidyba.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Biochemijos pagrindai: gyvenimas molekuliniame lygmenyje. Panamerican Medical Ed.