KATABOLISMS: KATABOLISKĀS FUNKCIJAS UN PROCESI - BIOLOĢIJA - 2025

Katabolismu ietver visus degradācijas reakcijas vielu organismā. Papildus biomolekulu komponentu "sadalīšanai" mazākās vienībās, kataboliskās reakcijas rada enerģiju, galvenokārt ATP veidā.

Katabolisma ceļi ir atbildīgi par molekulu, kas nāk no pārtikas, sadalīšanu: ogļhidrātus, olbaltumvielas un lipīdus. Procesa laikā saitēs esošā ķīmiskā enerģija tiek atbrīvota izmantošanai šūnu darbībās, kurām tā nepieciešama.

Avots: Autors EsquemaCatabolismo.svg: es pats; nelielu kļūdu labošana: basketa slepkavotāju darbs: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), izmantojot Wikimedia Commons

Daži labi zināmu katabolisko ceļu piemēri ir: Krebsa cikls, taukskābju beta oksidēšana, glikolīze un oksidatīvā fosforilēšana.

Vienkāršās molekulas, ko rada katabolisms, šūna izmanto, lai izveidotu nepieciešamos elementus, izmantojot arī enerģiju, ko nodrošina tas pats process. Šis sintēzes ceļš ir katabolisma antagonists, un to sauc par anabolismu.

Organisma metabolisms ietver gan sintēzes, gan sadalīšanās reakcijas, kas šūnā notiek vienlaikus un kontrolētā veidā.

Iespējas

Katabolisma galvenais mērķis ir oksidēt barības vielas, kuras ķermenis izmanto kā "degvielu", ko sauc par ogļhidrātiem, olbaltumvielām un taukiem. Šo biomolekulu noārdīšanās rada enerģiju un atkritumus, galvenokārt oglekļa dioksīdu un ūdeni.

Katabolismā piedalās virkne fermentu, kas ir olbaltumvielas, kas atbild par šūnā notiekošo ķīmisko reakciju paātrināšanu.

Degvielas vielas ir pārtika, ko mēs patērējam katru dienu. Mūsu uzturu veido olbaltumvielas, ogļhidrāti un tauki, kas tiek sadalīti pa kataboliskiem ceļiem. Ķermenis galvenokārt izmanto taukus un ogļhidrātus, lai arī trūkuma situācijās tas var izmantot olbaltumvielu sadalīšanos.

Katabolisma rezultātā iegūtā enerģija atrodas minēto biomolekulu ķīmiskajās saitēs.

Kad mēs patērējam jebkuru ēdienu, mēs to sakošļājam, lai būtu vieglāk sagremot. Šis process ir analogs katabolismam, kad ķermenis ir atbildīgs par daļiņu “sagremošanu” mikroskopiskā līmenī, lai tās izmantotu sintēzes vai anaboliskajos ceļos.

Kataboliskie procesi

Katabolisma ceļi vai ceļi ietver visus vielu sadalīšanās procesus. Mēs varam izdalīt trīs procesa posmus:

- Dažādās šūnā atrodamās biomolekulas (ogļhidrāti, tauki un olbaltumvielas) tiek sadalītas pamatvienībās, kas tās veido (attiecīgi cukuri, taukskābes un aminoskābes).

- I posma produkti nonāk vienkāršāku sastāvdaļu sastāvā, kas saplūst kopējā starpproduktā ar nosaukumu acetil-CoA.

Visbeidzot, šis savienojums nonāk Krebsa ciklā, kur tas turpina savu oksidāciju, līdz iegūst oglekļa dioksīda un ūdens molekulas - gala molekulas, kas iegūtas jebkurā kataboliskā reakcijā.

Starp visizcilākajiem ir urīnvielas cikls, Krebsa cikls, taukskābju glikolīze, oksidatīvā fosforilēšanās un beta oksidācija. Zemāk mēs aprakstīsim katru no minētajiem maršrutiem:

Urīnvielas cikls

Karbamīda cikls ir katabolisms ceļš, kas notiek mitohondrijos un aknu šūnu citosolī. Tas ir atbildīgs par olbaltumvielu atvasinājumu pārstrādi, un tā galaprodukts ir urīnviela.

Cikls sākas ar pirmās aminogrupas ienākšanu no mitohondriju matricas, lai gan tas var iekļūt aknās arī caur zarnu.

Pirmā reakcija solis ietver ATP, bikarbonāta jonus (HCO ₃ ^- ) un amonija (NH ₄ ⁺ ) karbamoil fosfātu, ADP un P _i . Otrais solis sastāv no karbomilfosfāta un ornitīna savienības, lai iegūtu citrulīna un P _i molekulu . Šīs reakcijas notiek mitohondriju matricā.

Cikls turpinās citosolā, kur citrulīns un aspartāts kondensējas kopā ar ATP, veidojot argininosukcinātu, AMP un PP _i . Argininosukcināts nonāk arginīnā un fumarātā. Aminoskābe arginīns apvienojas ar ūdeni, iegūstot ornitīnu un visbeidzot urīnvielu.

Šis cikls ir savstarpēji saistīts ar Krebsa ciklu, jo fumarāta metabolīts piedalās abos metabolisma ceļos. Tomēr katrs cikls darbojas neatkarīgi.

Ar šo ceļu saistītās klīniskās patoloģijas neļauj pacientam ēst diētu, kas bagāts ar olbaltumvielām.

Krebsa cikls vai citronskābes cikls

Krebsa cikls ir ceļš, kas piedalās visu organismu elpošanā ar šūnām. Telpiski tas notiek eikariotu organismu mitohondrijos.

Cikla priekšgājējs ir molekula, ko sauc par acetilkoenzīmu A, kas kondensējas ar oksaloacetāta molekulu. Šī savienība rada sešu oglekļa savienojumu. Katrā apgriezienā cikla laikā iegūst divas oglekļa dioksīda molekulas un vienu oksalacetāta molekulu.

Cikls sākas ar izomerizācijas reakciju, ko katalizē akonitāze, kur citrāts nonāk cis-akonitātā un ūdenī. Tāpat akonitāze katalizē cis-akonitāta nokļūšanu izocitrātā.

Izocitrāts tiek oksidēts par oksalosukcinātu ar izocitrāta dehidrogenāzes palīdzību. Ar šo pašu enzīmu izocitrāta dehidrogenāzi šī molekula tiek dekarboksilēta alfa-ketoglutarātā. Alfa-ketoglutarāts tiek pārveidots par sukcinil-CoA, rīkojoties ar alfa-ketoglutarāta dehidrogenāzi.

Sukcinil-CoA kļūst par sukcinātu, kuru ar sukcinātu dehidrogenāzi oksidē par fumarātu. Pēc kārtas fumarāts kļūst par l-malātu un visbeidzot - par l-malātu kļūst par oksalacetātu.

Ciklu var apkopot šādā vienādojumā: Acetil-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + IKP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

Glikolīze

Glikolīze, ko sauc arī par glikolīzi, ir būtisks ceļš, kas atrodas praktiski visos dzīvos organismos, sākot no mikroskopiskām baktērijām līdz lieliem zīdītājiem. Maršruts sastāv no 10 fermentatīvām reakcijām, kas sašķeļ glikozi līdz pirūtskābei.

Process sākas ar glikozes molekulas fosforilēšanu ar fermentu heksokināzi. Šī soļa ideja ir "aktivizēt" glikozi un notvert to šūnā, jo glikozes-6-fosfātam nav pārvadātāja, caur kuru tas var izkļūt.

Glikozes-6-fosfāta izomerāze ņem glikozes-6-fosfātu un pārkārto to savā fruktozes-6-fosfāta izomērā. Trešo soli katalizē fosfofruktokināze, un produkts ir fruktoze-1,6-bifosfāts.

Pēc tam aldolāze sadala iepriekš minēto savienojumu dihidroksiacetonfosfātā un glicerraldehīd-3-fosfātā. Starp šiem diviem savienojumiem pastāv līdzsvars, ko katalizē triozes fosfāta izomerāze.

Enzīms glicerraldehīd-3-fosfāta dehidrogenāze iegūst 1,3-bisfosflicerātu, kas nākamajā posmā ar fosfoglicerāta kināzi tiek pārveidots par 3-fosfoglicerātu. Fosfoglicerāta mutāze maina oglekļa stāvokli un iegūst 2-fosfoglicerātu.

Eolāze uzņem pēdējo metabolītu un pārvērš to fosfoenolpiruvātā. Pēdējo ceļa posmu katalizē piruvāta kināze, un galaprodukts ir piruvāts.

Oksidējošā fosforilēšana

Oksidatīvā fosforilēšana ir ATP veidošanās process, pateicoties elektronu pārnešanai no NADH vai FADH ₂ uz skābekli, un tas ir pēdējais solis šūnu elpošanas procesos. Tas rodas mitohondrijos un ir galvenais ATP molekulu avots aerobos elpošanas organismos.

Tās nozīme ir nenoliedzama, jo 26 no 30 ATP molekulām, kas rodas kā pilnīgas glikozes oksidācijas ūdenī un oglekļa dioksīds, rodas oksidatīvā fosforilēšanās ceļā.

Konceptuāli oksidatīvā fosforilēšanās saista ATP oksidāciju un sintēzi ar protonu plūsmu caur membrānas sistēmu.

Tādējādi NADH vai FADH _{2, kas} rodas dažādos maršrutos, to sauc par taukskābju glikolīzi vai oksidāciju, tiek izmantoti skābekļa samazināšanai, un procesā radītā brīvā enerģija tiek izmantota ATP sintēzei.

Taukskābju β-oksidācija

Β-oksidēšana ir reakciju kopums, kas ļauj taukskābju oksidēšanai radīt lielu enerģijas daudzumu.

Process ietver periodisku divu oglekļa taukskābes reģionu atbrīvošanu, līdz taukskābe ir pilnībā sadalījusies. Galaprodukts ir acetil-CoA molekulas, kuras var iekļūt Krebsa ciklā, lai būtu pilnībā oksidētas.

Pirms oksidācijas jāaktivizē taukskābe, kur tā saistās ar koenzīmu A. Karnitīna transportētājs ir atbildīgs par molekulu pārvietošanu uz mitohondriju matricu.

Pēc šīm iepriekšējām darbībām pati β-oksidācija sākas ar oksidācijas, hidratācijas, oksidācijas ar NAD ⁺ un tiolīzes procesiem.

Katabolisma regulēšana

Jābūt virknei procesu, kas regulē dažādas fermentatīvās reakcijas, jo tās nevar visu laiku darboties ar maksimālo ātrumu. Tādējādi metabolisma ceļus regulē vairāki faktori, ieskaitot hormonus, neironu vadību, substrāta pieejamību un fermentatīvo modifikāciju.

Katrā maršrutā jābūt vismaz vienai neatgriezeniskai reakcijai (tas ir, tā notiek tikai vienā virzienā), un tā vada visu maršruta ātrumu. Tas ļauj reakcijām darboties šūnā vajadzīgajā ātrumā un neļauj sintēzes un noārdīšanās ceļiem darboties vienlaicīgi.

Hormoni ir īpaši svarīgas vielas, kas darbojas kā ķīmiski kurjeri. Tie tiek sintezēti dažādās endokrīnajās dziedzeros un izlaisti asinsritē, lai tie darbotos. Daži piemēri:

Kortizols

Kortizols darbojas, palēninot sintēzes procesus un palielinot kataboliskos ceļus muskuļos. Šis efekts rodas, atbrīvojot aminoskābes asinsritē.

Insulīns

Turpretī ir hormoni, kuriem ir pretējs efekts un kas samazina katabolismu. Insulīns ir atbildīgs par olbaltumvielu sintēzes palielināšanos un vienlaikus samazina to katabolismu. Šajā gadījumā palielinās proteolīze, kas atvieglo aminoskābju izvadi muskuļos.

Atšķirības ar anabolismu

Anabolisms un katabolisms ir antagonistiski procesi, kas ietver visas metabolisma reakcijas, kas notiek organismā.

Abiem procesiem ir vajadzīgas vairākas ķīmiskas reakcijas, kuras katalizē fermenti, un tos stingri kontrolē hormoni, kas var izraisīt vai palēnināt noteiktas reakcijas. Tomēr tie atšķiras šādos pamata aspektos:

Molekulu sintēze un sadalīšanās

Anabolisms satur sintēzes reakcijas, savukārt katabolisms ir atbildīgs par molekulu sadalīšanos. Kaut arī šie procesi ir apgriezti, tie ir savienoti delikātajā metabolisma līdzsvarā.

Anabolisms tiek uzskatīts par atšķirīgu procesu, kurā ņem vienkāršus savienojumus un pārveido tos lielākos savienojumos. Pretstatā katabolismam, ko klasificē kā saplūstošu procesu, pateicoties tam, ka no lielām molekulām iegūst mazas molekulas, piemēram, oglekļa dioksīdu, amonjaku un ūdeni.

Dažādie katabolisma ceļi ņem makromolekulas, kas veido pārtiku, un samazina tās līdz mazākām sastāvdaļām. Anaboliskie ceļi tikmēr spēj uzņemt šīs vienības un atkal izveidot sarežģītākas molekulas.

Citiem vārdiem sakot, ķermenim ir "jāmaina pārtiku veidojošo elementu konfigurācija", lai tie tiktu izmantoti nepieciešamajos procesos.

Process ir analogs populārajai Lego spēlei, kur galvenās sastāvdaļas var veidot dažādas struktūras ar visdažādāko telpisko izvietojumu.

Enerģijas izmantošana

Katabolisms ir atbildīgs par enerģijas iegūšanu, kas atrodas pārtikas ķīmiskajās saitēs, tāpēc tās galvenais mērķis ir enerģijas ģenerēšana. Šī noārdīšanās vairumā gadījumu notiek ar oksidatīvām reakcijām.

Tomēr nav pārsteidzoši, ka kataboliskajiem ceļiem ir jāpievieno enerģija to sākotnējos posmos, kā mēs redzējām glikolītiskajā ceļā, kam nepieciešama ATP molekulu apgriezšana.

No otras puses, anabolisms ir atbildīgs par katabolismā iegūtās brīvās enerģijas pievienošanu, lai sasniegtu interesējošos savienojumus. Gan anabolisms, gan katabolisms šūnā notiek pastāvīgi un vienlaicīgi.

Parasti ATP ir molekula, ko izmanto enerģijas pārnešanai. Tas var izkliedēties vietās, kur tas nepieciešams, un, hidrolizējoties, izdalās molekulā esošā ķīmiskā enerģija. Līdzīgi enerģiju var pārvadāt kā ūdeņraža atomus vai elektronus.

Šīs molekulas sauc par koenzīmiem un ietver NADP, NADPH un FMNH ₂ . Viņi darbojas ar samazināšanas reakcijām. Turklāt viņi var pārnest reducējošo jaudu uz ATP.

Atsauces

1. Čana, YK, Ng, KP un Sim, DSM (Red.). (2015). Akūtas aprūpes farmakoloģiskais pamats. Starptautiskā izdevniecība Springer.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Ielūgums uz bioloģiju. Makmillans.
3. Lodish, H., Berks, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulāro šūnu bioloģija. Makmillans.
4. Ronzio, RA (2003). Uztura un labas veselības enciklopēdija. Infobase izdevējdarbība.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Bioķīmijas pamati: dzīve molekulārā līmenī. Panamerican Medical Ed.