КАТАБОЛИЗМ: КАТАБОЛИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ПРОЦЕССЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Катаболизма охватывает все реакции разложения веществ в организме. Помимо «расщепления» компонентов биомолекул на их мельчайшие единицы, катаболические реакции производят энергию, в основном в форме АТФ.

Катаболические пути отвечают за разложение молекул, поступающих с пищей: углеводов, белков и липидов. Во время этого процесса химическая энергия, содержащаяся в связях, высвобождается для использования в клеточной деятельности, которая в ней нуждается.

Источник: Автор EsquemaCatabolismo.svg: я; исправление мелких ошибок: Basquetteur производная работа: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), через Wikimedia Commons

Некоторые примеры хорошо известных катаболических путей: цикл Кребса, бета-окисление жирных кислот, гликолиз и окислительное фосфорилирование.

Простые молекулы, образующиеся в результате катаболизма, используются клеткой для создания необходимых элементов, также используя энергию, обеспечиваемую тем же процессом. Этот путь синтеза является антагонистом катаболизма и называется анаболизмом.

Метаболизм организма включает реакции синтеза и разложения, которые происходят одновременно и контролируемым образом внутри клетки.

Характеристики

Основная цель катаболизма - окисление питательных веществ, которые организм использует в качестве «топлива», называемых углеводами, белками и жирами. При разложении этих биомолекул образуется энергия и отходы, в основном двуокись углерода и вода.

В катаболизме участвует ряд ферментов, которые представляют собой белки, отвечающие за ускорение скорости химических реакций, происходящих в клетке.

Топливные вещества - это пища, которую мы потребляем ежедневно. Наша диета состоит из белков, углеводов и жиров, которые расщепляются катаболическими путями. Организм преимущественно использует жиры и углеводы, хотя в условиях дефицита он может прибегать к расщеплению белков.

Энергия, извлекаемая при катаболизме, содержится в химических связях упомянутых биомолекул.

Когда мы потребляем какую-либо пищу, мы пережевываем ее, чтобы облегчить ее переваривание. Этот процесс аналогичен катаболизму, когда организм отвечает за «переваривание» частиц на микроскопическом уровне, так что они используются синтезом или анаболическим путем.

Катаболические процессы

Катаболические пути или пути включают в себя все процессы разложения веществ. В этом процессе можно выделить три этапа:

- Различные биомолекулы, обнаруженные в клетке (углеводы, жиры и белки), разлагаются на основные составляющие их единицы (сахара, жирные кислоты и аминокислоты, соответственно).

- Продукты стадии I переходят к более простым компонентам, которые объединяются в общий промежуточный продукт, называемый ацетил-КоА.

- Наконец, это соединение входит в цикл Кребса, где оно продолжает окисление до тех пор, пока не образует молекулы диоксида углерода и воды - конечные молекулы, полученные в любой катаболической реакции.

Среди наиболее известных - цикл мочевины, цикл Кребса, гликолиз, окислительное фосфорилирование и бета-окисление жирных кислот. Ниже мы опишем каждый из упомянутых маршрутов:

Цикл мочевины

Цикл мочевины - это катаболический путь, который происходит в митохондриях и цитозоле клеток печени. Он отвечает за переработку производных белка, а конечный продукт - мочевина.

Цикл начинается с поступления первой аминогруппы из матрикса митохондрий, хотя она также может попасть в печень через кишечник.

Первая стадия реакции включает АТФ, ионы бикарбоната (HCO ₃ ^- ) и карбомоилфосфат аммония (NH ₄ ⁺ ), АДФ и P _i . Вторая стадия состоит из объединения карбомоилфосфата и орнитина с образованием молекулы цитруллина и P _i . Эти реакции происходят в митохондриальном матриксе.

Цикл продолжается в цитозоле, где цитруллин и аспартат конденсируются вместе с АТФ с образованием аргининосукцината, АМФ и PP _i . Аргининосукцинат переходит в аргинин и фумарат. Аминокислота аргинин соединяется с водой с образованием орнитина и, наконец, мочевины.

Этот цикл взаимосвязан с циклом Кребса, поскольку метаболит фумарата участвует в обоих метаболических путях. Однако каждый цикл действует независимо.

Клинические патологии, связанные с этим путем, не позволяют пациенту придерживаться диеты, богатой белком.

Цикл Кребса или цикл лимонной кислоты

Цикл Кребса - это путь, который участвует в клеточном дыхании всех организмов. Пространственно он встречается в митохондриях эукариотических организмов.

Предшественником цикла является молекула под названием ацетилкофермент А, которая конденсируется с молекулой оксалоацетата. Этот союз порождает шестиуглеродное соединение. За каждый оборот цикл дает две молекулы диоксида углерода и одну молекулу оксалоацетата.

Цикл начинается с реакции изомеризации, катализируемой аконитазой, где цитрат переходит в цис-аконитат и воду. Точно так же аконитаза катализирует переход цис-аконитата в изоцитрат.

Изоцитрат окисляется до оксалосукцината изоцитратдегидрогеназой. Эта молекула декарбоксилируется в альфа-кетоглутарат тем же ферментом, изоцитратдегидрогеназой. Альфа-кетоглутарат превращается в сукцинил-КоА под действием альфа-кетоглутаратдегидрогеназы.

Сукцинил-КоА становится сукцинатом, который окисляется до фумарата сукцинатдегидрогеназой. Последовательно фумарат превращается в l-малат и, наконец, l-малат становится оксалоацетатом.

Цикл можно резюмировать в следующем уравнении: Ацетил-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

гликолиз

Гликолиз, также называемый гликолизом, представляет собой важнейший путь, который присутствует практически во всех живых организмах, от микроскопических бактерий до крупных млекопитающих. Маршрут состоит из 10 ферментативных реакций, расщепляющих глюкозу до пировиноградной кислоты.

Процесс начинается с фосфорилирования молекулы глюкозы ферментом гексокиназой. Идея этого шага состоит в том, чтобы «активировать» глюкозу и удерживать ее внутри клетки, поскольку глюкозо-6-фосфат не имеет транспортера, через который он может выйти.

Глюкозо-6-фосфат-изомераза берет глюкозо-6-фосфат и превращает его в изомер фруктозо-6-фосфата. Третий этап катализируется фосфофруктокиназой, и продукт представляет собой фруктозо-1,6-бисфосфат.

Затем альдолаза расщепляет указанное выше соединение на дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат. Между этими двумя соединениями существует равновесие, катализируемое триозофосфатизомеразой.

Фермент глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа продуцирует 1,3-бисфосфоглицерат, который на следующей стадии превращается в 3-фосфоглицерат с помощью фосфоглицераткиназы. Фосфоглицератмутаза изменяет положение углерода и дает 2-фосфоглицерат.

Эолаза принимает последний метаболит и превращает его в фосфоенолпируват. Последняя стадия пути катализируется пируваткиназой, и конечным продуктом является пируват.

Окислительного фосфорилирования

Окислительное фосфорилирование - это процесс образования АТФ благодаря переносу электронов от НАДН или ФАДН ₂ к кислороду и представляет собой последнюю ступень в процессах клеточного дыхания. Он встречается в митохондриях и является основным источником молекул АТФ в организмах с аэробным дыханием.

Его важность неоспорима, поскольку 26 из 30 молекул АТФ, образующихся в результате полного окисления глюкозы до воды и углекислого газа, происходят в результате окислительного фосфорилирования.

Концептуально окислительное фосфорилирование связывает окисление и синтез АТФ с потоком протонов через мембранную систему.

Таким образом, НАДН или ФАДН _2, образующиеся разными путями, называемыми гликолизом или окислением жирных кислот, используются для снижения содержания кислорода, а свободная энергия, генерируемая в процессе, используется для синтеза АТФ.

β-окисление жирных кислот

Β-окисление - это набор реакций, которые позволяют окислению жирных кислот производить большое количество энергии.

Процесс включает периодическое высвобождение областей двухуглеродной жирной кислоты в результате реакции до полного разложения жирной кислоты. Конечным продуктом являются молекулы ацетил-КоА, которые могут войти в цикл Кребса и полностью окислиться.

Перед окислением жирная кислота должна быть активирована, где она связывается с коферментом А. Переносчик карнитина отвечает за перемещение молекул в матрицу митохондрий.

После этих предыдущих этапов само β-окисление начинается с процессов окисления, гидратации, окисления NAD ⁺ и тиолиза.

Регулирование катаболизма

Должен существовать ряд процессов, регулирующих различные ферментативные реакции, поскольку они не могут работать все время с максимальной скоростью. Таким образом, метаболические пути регулируются рядом факторов, включая гормоны, нейрональный контроль, доступность субстрата и ферментативные модификации.

На каждом маршруте должна быть хотя бы одна необратимая реакция (то есть она происходит только в одном направлении), которая определяет скорость всего маршрута. Это позволяет реакциям работать со скоростью, необходимой клетке, и предотвращает одновременную работу путей синтеза и деградации.

Гормоны - особенно важные вещества, которые действуют как химические посредники. Они синтезируются в различных эндокринных железах и попадают в кровоток, чтобы действовать. Вот несколько примеров:

Кортизол

Кортизол замедляет процессы синтеза и увеличивает катаболические пути в мышцах. Этот эффект происходит за счет выброса аминокислот в кровоток.

инсулин

Напротив, есть гормоны, которые имеют противоположный эффект и снижают катаболизм. Инсулин отвечает за усиление синтеза белков и в то же время снижает их катаболизм. В этом случае протеолиз увеличивается, что способствует выработке аминокислот в мышцах.

Отличия от анаболизма

Анаболизм и катаболизм - антагонистические процессы, которые включают совокупность метаболических реакций, происходящих в организме.

Оба процесса требуют нескольких химических реакций, катализируемых ферментами, и находятся под строгим гормональным контролем, способным запускать или замедлять определенные реакции. Однако они различаются по следующим принципиальным аспектам:

Синтез и разложение молекул

Анаболизм включает реакции синтеза, в то время как катаболизм отвечает за разложение молекул. Хотя эти процессы обращены вспять, они связаны тонким балансом метаболизма.

Говорят, что анаболизм - это расходящийся процесс, в котором простые соединения превращаются в более крупные соединения. В отличие от катаболизма, который классифицируется как конвергентный процесс, из-за получения малых молекул, таких как диоксид углерода, аммиак и вода, из больших молекул.

Различные катаболические пути берут макромолекулы, из которых состоит пища, и восстанавливают их до мельчайших компонентов. Тем временем анаболические пути способны брать эти единицы и снова строить более сложные молекулы.

Другими словами, организм должен «изменить конфигурацию» элементов, составляющих пищу, чтобы они использовались в требуемых процессах.

Этот процесс аналогичен популярной игре Lego, где основные составляющие могут образовывать различные структуры с большим разнообразием пространственного расположения.

Использование энергии

Катаболизм отвечает за извлечение энергии, содержащейся в химических связях пищи, поэтому его основная цель - выработка энергии. Это разложение происходит в большинстве случаев в результате окислительных реакций.

Однако неудивительно, что катаболические пути требуют добавления энергии на своих начальных этапах, как мы видели на примере гликолитического пути, который требует инверсии молекул АТФ.

С другой стороны, анаболизм отвечает за добавление свободной энергии, вырабатываемой при катаболизме, для достижения сборки интересующих соединений. И анаболизм, и катаболизм происходят в клетке постоянно и одновременно.

Как правило, АТФ - это молекула, используемая для передачи энергии. Он может распространяться в те области, где он необходим, и при гидролизе химическая энергия, содержащаяся в молекуле, высвобождается. Точно так же энергия может переноситься в виде атомов водорода или электронов.

Эти молекулы называются коферментами и включают НАДФ, НАДФН и ФМНН ₂ . Они действуют через реакции восстановления. Кроме того, они могут передавать восстанавливающую способность в АТФ.

Ссылки

1. Чан, Ю.К., Нг, К.П. и Сим, DSM (ред.). (2015). Фармакологические основы неотложной помощи. Издательство Springer International.
2. Кертис, Х., и Барнс, Н.С. (1994). Приглашение в биологию. Macmillan.
3. Лодиш, Х., Берк, А., Дарнелл, Дж. Э., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Скотт, М. П.,… и Мацудаира, П. (2008). Молекулярная клеточная биология. Macmillan.
4. Ронцио, РА (2003). Энциклопедия питания и крепкого здоровья. Публикация информационной базы.
5. Воет, Д., Воет, Дж., И Пратт, К. В. (2007). Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне. Panamerican Medical Ed.