KATABOLISME: KATABOLISKE FUNKTIONER OG PROCESSER - BIOLOGI - 2025

Den katabolisme omfatter alle nedbrydningsreaktioner af stoffer i kroppen. Ud over at "nedbryde" komponenterne i biomolekyler i deres mindste enheder producerer kataboliske reaktioner energi, hovedsageligt i form af ATP.

De kataboliske veje er ansvarlige for nedbrydning af molekylerne, der kommer fra mad: kulhydrater, proteiner og lipider. Under processen frigøres den kemiske energi, der er indeholdt i bindingerne, til anvendelse i cellulære aktiviteter, der kræver det.

Kilde: Af EsquemaCatabolismo.svg: mig selv; korrektion af små fejl: Basquetteurderivativt arbejde: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), via Wikimedia Commons

Nogle eksempler på kendte kataboliske veje er: Krebs-cyklussen, beta-oxidation af fedtsyrer, glykolyse og oxidativ fosforylering.

De enkle molekyler produceret ved katabolisme bruges af cellen til at opbygge de nødvendige elementer, også ved at bruge energien, der leveres ved den samme proces. Denne syntesevej er antagonisten mod katabolisme og kaldes anabolisme.

En organismes metabolisme omfatter både syntese og nedbrydningsreaktioner, der forekommer samtidigt og på en kontrolleret måde i cellen.

Funktioner

Catabolismens hovedmål er at oxidere de næringsstoffer, som kroppen bruger som "brændstof", kaldet kulhydrater, proteiner og fedt. Nedbrydningen af ​​disse biomolekyler genererer energi og affaldsprodukter, hovedsageligt kuldioxid og vand.

En række enzymer deltager i katabolisme, som er proteiner, der er ansvarlige for at fremskynde hastigheden af ​​kemiske reaktioner, der forekommer i cellen.

Brændstofstoffer er den mad, vi spiser dagligt. Vores diæt består af proteiner, kulhydrater og fedt, der nedbrydes efter kataboliske veje. Kroppen bruger fortrinsvis fedt og kulhydrater, skønt den i knaphedssituationer kan ty til nedbrydning af proteiner.

Energien, der udvindes ved katabolisme, er indeholdt i de kemiske bindinger i de nævnte biomolekyler.

Når vi spiser mad, tygger vi den for at gøre det lettere at fordøje. Denne proces er analog med katabolisme, hvor kroppen er ansvarlig for at "fordøje" partiklerne på mikroskopisk niveau, så de bruges på syntetiske eller anabolske veje.

Kataboliske processer

De kataboliske veje eller veje inkluderer alle nedbrydningsprocesser af stoffer. Vi kan skelne mellem tre faser i processen:

- De forskellige biomolekyler, der findes i cellen (kulhydrater, fedt og proteiner) nedbrydes i de grundlæggende enheder, der udgør dem (henholdsvis sukkerarter, fedtsyrer og aminosyrer).

- Produkterne fra trin I overføres til enklere bestanddele, der konvergerer i et fælles mellemprodukt kaldet acetyl-CoA.

Endelig går denne forbindelse ind i Krebs-cyklussen, hvor den fortsætter sin oxidation, indtil den giver molekyler af kuldioxid og vand - de endelige molekyler opnået i enhver katabol reaktion.

Blandt de mest fremtrædende er urinstofcyklus, Krebs-cyklus, glykolyse, oxidativ phosphorylering og beta-oxidation af fedtsyrer. Nedenfor beskriver vi hver af de nævnte ruter:

Ureacyklus

Ureacyklus er en katabolisk vej, der forekommer i mitokondrier og i levercyters cytosol. Det er ansvarligt for behandlingen af ​​proteinderivater, og det endelige produkt heraf er urinstof.

Cyklussen begynder med indgangen til den første aminogruppe fra matochondriens matrix, skønt den også kan komme ind i leveren gennem tarmen.

Det første reaktionstrin involverer ATP, bicarbonationer (HCO ₃ ^-) og ammonium (NH ₄ ⁺) carbomoyl phosphat, ADP og P _i. Det andet trin består af foreningen af carbomoyl phosphat og ornithin til opnåelse af et molekyle af citrullin og P _i. Disse reaktioner forekommer i den mitokondriske matrix.

Cyklussen fortsætter i cytosol, hvor citrulline og aspartat kondenserer sammen med ATP til dannelse af argininosuccinat, AMP og PP _i. Argininosuccinat overføres til arginin og fumarat. Aminosyren arginin kombineres med vand for at give ornithin og til sidst urinstof.

Denne cyklus er forbundet med Krebs-cyklussen, fordi fumaratmetabolitten deltager i begge metaboliske veje. Hver cyklus fungerer imidlertid uafhængigt.

De kliniske patologier relateret til denne vej forhindrer patienten i at spise en diæt rig på protein.

Krebs-cyklus eller citronsyrecyklus

Krebs-cyklussen er en vej, der deltager i den cellulære respiration af alle organismer. Rumligt forekommer det i mitokondrierne hos eukaryote organismer.

Forløberen for cyklussen er et molekyle kaldet acetylcoenzym A, der kondenseres med et oxaloacetatmolekyle. Denne union genererer en seks-carbon-forbindelse. I hver omdrejning giver cyklussen to molekyler kuldioxid og et molekyle oxaloacetat.

Cyklussen begynder med en isomeriseringsreaktion katalyseret med aconitase, hvor citratet går over i cis-aconitate og vand. På lignende måde katalyserer aconitase passagen af ​​cis-aconitate til isocitrat.

Isocitrat oxideres til oxalosuccinat ved isocitratdehydrogenase. Dette molekyle decarboxyleres til alfa-ketoglutarat med det samme enzym, isocitratdehydrogenase. Alpha-ketoglutarat omdannes til succinyl-CoA ved hjælp af alfa-ketoglutarat dehydrogenase.

Succinyl-CoA bliver succinat, som oxideres til fumarat ved succinatdehydrogenase. Succes bliver fumaratet l-malat, og til sidst bliver l-malatet oxaloacetat.

Cyklussen kan sammenfattes i følgende ligning: Acetyl-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + BNP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2CO ₂.

glycolysis

Glykolyse, også kaldet glykolyse, er en afgørende vej, der findes i stort set alle levende organismer, fra mikroskopiske bakterier til store pattedyr. Ruten består af 10 enzymatiske reaktioner, der nedbryder glukose til pyruvinsyre.

Processen begynder med phosphorylering af glukosemolekylet af enzymet hexokinase. Ideen med dette trin er at "aktivere" glukosen og fælde den inde i cellen, da glukose-6-fosfat ikke har en transporter, gennem hvilken den kan undslippe.

Glucose-6-phosphatisomerase tager glukose-6-phosphat og omorganiserer det til sin fruktose-6-phosphatisomer. Det tredje trin katalyseres af phosphofructokinase, og produktet er fructose-1,6-bisphosphat.

Derefter spalter aldolasen den ovennævnte forbindelse i dihydroxyacetonphosphat og glyceraldehyd-3-phosphat. Der er en ligevægt mellem disse to forbindelser katalyseret af trios-phosphatisomerase.

Enzymet glyceraldehyd-3-phosphatdehydrogenase producerer 1,3-bisphosphoglycerat, som omdannes til 3-phosphoglycerat i det næste trin ved hjælp af phosphoglyceratkinase. Phosphoglyceratmutase ændrer positionen af ​​carbonet og giver 2-phosphoglycerat.

Eolase tager sidstnævnte metabolit og omdanner den til phosphoenolpyruvat. Det sidste trin i vejen katalyseres af pyruvatkinase, og slutproduktet er pyruvat.

Oxidativ fosforylering

Oxidativ fosforylering er en proces med ATP-dannelse takket være overførslen af ​​elektroner fra NADH eller FADH ₂ til ilt og udgør det sidste trin i cellulære respirationsprocesser. Det forekommer i mitokondrierne og er den vigtigste kilde til ATP-molekyler i aerobe respirationsorganismer.

Dets betydning er ubestridelig, da 26 ud af 30 ATP-molekyler, der dannes som et produkt af den komplette oxidation af glukose til vand og kuldioxid, forekommer ved oxidativ fosforylering.

Konceptuelt kobler oxidativ fosforylering oxidation og syntese af ATP med en strøm af protoner gennem membransystemet.

Således bruges NADH eller FADH _{2, der} genereres på forskellige ruter, kalder det glykolyse eller oxidation af fedtsyrer, til at reducere ilt, og den frie energi, der genereres i processen, bruges til syntesen af ​​ATP.

ß-oxidation af fedtsyrer

Β-oxidation er et sæt reaktioner, der tillader oxidation af fedtsyrer at producere store mængder energi.

Processen involverer den periodiske frigivelse af regioner af to-carbon fedtsyren ved reaktion, indtil fedtsyren er fuldstændigt nedbrudt. Slutproduktet er acetyl-CoA-molekyler, der kan komme ind i Krebs-cyklussen for at blive fuldt oxideret.

Før oxidation skal fedtsyren aktiveres, hvor den binder til coenzym A. Carnitintransportøren er ansvarlig for at translokere molekylerne til matochondriens matrix.

Efter disse foregående trin begynder selve ß-oxidationen med processerne med oxidation, hydrering, oxidation ved NAD ⁺ og thiolysis.

Regulering af katabolisme

Der skal være en række processer, der regulerer de forskellige enzymatiske reaktioner, da disse ikke kan arbejde hele tiden med deres maksimale hastighed. Metaboliske veje reguleres således af en række faktorer, herunder hormoner, neuronale kontroller, substrattilgængelighed og enzymatisk modifikation.

I hver rute skal der være mindst en irreversibel reaktion (det vil sige, den forekommer i kun en retning), og der styrer hastigheden på hele ruten. Dette gør det muligt for reaktionerne at arbejde med den hastighed, der kræves af cellen, og forhindrer syntese- og nedbrydningsveje i at arbejde på samme tid.

Hormoner er især vigtige stoffer, der fungerer som kemiske budbringere. Disse syntetiseres i de forskellige endokrine kirtler og frigøres i blodbanen for at virke. Nogle eksempler er:

Cortisol

Cortisol virker ved at bremse synteseprocesserne og øge de kataboliske veje i muskelen. Denne virkning sker ved frigivelse af aminosyrer i blodbanen.

Insulin

I modsætning hertil er der hormoner, der har den modsatte virkning og nedsætter katabolismen. Insulin er ansvarlig for at øge proteinsyntesen og reducerer samtidig deres katabolisme. I dette tilfælde forøges proteolyse, hvilket letter udgangen af ​​aminosyrer til musklen.

Forskelle med anabolisme

Anabolisme og katabolisme er antagonistiske processer, der omfatter helheden af ​​metaboliske reaktioner, der forekommer i en organisme.

Begge processer kræver flere kemiske reaktioner katalyseret af enzymer og er under streng hormonel kontrol, der er i stand til at udløse eller bremse visse reaktioner. De adskiller sig imidlertid i følgende grundlæggende aspekter:

Syntese og nedbrydning af molekyler

Anabolisme omfatter syntesereaktioner, mens katabolisme er ansvarlig for nedbrydningen af ​​molekyler. Selvom disse processer er vendt, er de forbundet i den delikate balance i stofskiftet.

Anabolisme siges at være en divergerende proces, idet man tager enkle forbindelser og omdanner dem til større forbindelser. I modsætning til katabolisme, der er klassificeret som en konvergent proces på grund af opnåelsen af ​​små molekyler, såsom carbondioxid, ammoniak og vand fra store molekyler.

De forskellige kataboliske veje tager makromolekylerne, der udgør mad og reducerer dem til deres mindste bestanddele. Anabolske veje er i mellemtiden i stand til at tage disse enheder og opbygge mere detaljerede molekyler igen.

Med andre ord, kroppen skal "ændre konfigurationen" af de elementer, der udgør mad, så de bruges i de processer, det kræver.

Processen er analog med det populære Lego-spil, hvor hovedbestanddelene kan danne forskellige strukturer med en lang række rumlige arrangementer.

Brug af energi

Katabolisme er ansvarlig for at udvinde den energi, der er indeholdt i de kemiske bindinger i fødevarer, derfor er dens hovedmål at generere energi. Denne nedbrydning forekommer i de fleste tilfælde ved oxidative reaktioner.

Det er imidlertid ikke overraskende, at kataboliske veje kræver tilføjelse af energi i deres indledende trin, som vi så i den glykolytiske vej, som kræver inversion af ATP-molekyler.

På den anden side er anabolisme ansvarlig for at tilføje den frie energi produceret i katabolisme for at opnå samlingen af ​​forbindelserne af interesse. Både anabolisme og katabolisme forekommer konstant og samtidig i cellen.

Generelt er ATP det molekyle, der bruges til at overføre energi. Dette kan diffundere til de områder, hvor det er nødvendigt, og når det hydrolyserer frigøres den kemiske energi indeholdt i molekylet. På lignende måde kan energi transporteres som brintatomer eller elektroner.

Disse molekyler er kaldet coenzymer og indbefatter NADP, NADPH, og FMNH ₂. De fungerer gennem reduktionsreaktioner. Desuden kan de overføre den reducerende kapacitet til ATP.

Referencer

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (Eds.). (2015). Farmakologisk grundlag for akut pleje. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitation til biologi. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekylær cellebiologi. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Leksikonet om ernæring og godt helbred. Infobase Publishing.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Fundamenter i biokemi: Liv på molekylært niveau. Panamerican Medical Ed.