АНАБОЛІЗМ: ФУНКЦІЇ, ПРОЦЕСИ, ВІДМІННОСТІ З КАТАБОЛІЗМОМ - БІОЛОГІЯ - 2025

Анаболізму є поділ обміну речовин , включаючи реакції утворення великих молекул з більш дрібних. Для цієї серії реакцій необхідне джерело енергії, і, як правило, це АТФ (аденозинтрифосфат).

Анаболізм та його метаболічний зворот, катаболізм згруповані в ряд реакцій, які називаються метаболічними шляхами або шляхами, оркестрованими і регульованими головним чином гормонами. Кожен маленький крок контролюється так, щоб відбулася поступова передача енергії.

Джерело: www.publicdomainpictures.net

Анаболічні процеси можуть приймати основні одиниці, що складають біомолекули - амінокислоти, жирні кислоти, нуклеотиди та мономери цукру - та утворюють складніші сполуки, такі як білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти та вуглеводи як виробники кінцевої енергії.

Особливості

Метаболізм - це термін, який охоплює всі хімічні реакції, що відбуваються всередині організму. Клітина нагадує мікроскопічну фабрику, де постійно відбуваються реакції синтезу та деградації.

Дві цілі метаболізму: по-перше, використовувати хімічну енергію, що зберігається в їжі, і по-друге, замінити структури або речовини, які більше не функціонують в організмі. Ці події відбуваються відповідно до конкретних потреб кожного організму і спрямовуються хімічними посланниками, які називаються гормонами.

Енергія надходить в основному від жирів і вуглеводів, які ми споживаємо в їжу. У разі дефіциту організм може використовувати білок, щоб поповнити дефіцит.

Також процеси регенерації тісно пов'язані з анаболізмом. Регенерація тканин є умовою, необхідною для підтримки здорового тіла та нормальної роботи. Анаболізм відповідає за вироблення всіх клітинних сполук, які підтримують їх функціонування.

Між обмінними процесами в клітині існує делікатний баланс. Великі молекули можуть бути розбиті на їх найдрібніші компоненти катаболічними реакціями, і зворотний процес - від малого до великого - може відбуватися через анаболізм.

Анаболічні процеси

Загалом анаболізм включає всі реакції, що каталізуються ферментами (невеликими білковими молекулами, що прискорюють швидкість хімічних реакцій на кілька порядків), що відповідають за "побудову" або синтез клітинних компонентів.

Огляд анаболічних шляхів включає наступні етапи: Прості молекули, які беруть участь як посередники в циклі Кребса, або амінуються, або хімічно перетворюються в амінокислоти. Пізніше вони збираються в більш складні молекули.

Ці процеси потребують хімічної енергії, походить від катаболізму. Серед найбільш важливих анаболічних процесів: синтез жирних кислот, синтез холестерину, синтез нуклеїнових кислот (ДНК та РНК), синтез білка, синтез глікогену та синтез амінокислот.

Роль цих молекул в організмі та шляхи їх синтезу будуть коротко описані нижче:

Синтез жирної кислоти

Ліпіди - це високо гетерогенні біомолекули, здатні генерувати велику кількість енергії при окисленні, особливо молекули триацилгліцерину.

Жирні кислоти - це архетипні ліпіди. Вони складаються з голови і хвоста з вуглеводнів. Вони можуть бути ненасиченими або насиченими, залежно від того, чи мають у хвості подвійні зв’язки.

Ліпіди є найважливішими компонентами всіх біологічних мембран, крім участі як резервної речовини.

Жирні кислоти синтезуються в цитоплазмі клітини з молекули-попередника, званої малоніл-КоА, отриманої з ацетил-КоА та бікарбонату. Ця молекула дарує три атоми вуглецю, щоб почати ріст жирної кислоти.

Після утворення малонілу реакція синтезу триває в чотири основні етапи:

-Конденсація ацетил-АСР з малонілом-АСР, реакція, яка виробляє ацетоацетил-АСР і виділяє вуглекислий газ як відходи речовини.

-Другім етапом є відновлення ацетоацетил-АСР, NADPH до D-3-гідроксибутирил-АСР.

-Послідує реакція дегідратації, яка перетворює попередній продукт (D-3-гідроксибутирил-АСР) в кротоніл-АСР.

-Зрештою, кротоніл-АСР знижується, а кінцевим продуктом є бутирил-АСР.

Синтез холестерину

Холестерин - це стерол із типовим 17-вуглецевим ядром стеранів. Він відіграє різну роль у фізіології, оскільки функціонує як попередник різноманітних молекул, таких як жовчні кислоти, різні гормони (в тому числі і статеві) і є важливим для синтезу вітаміну D.

Синтез відбувається в цитоплазмі клітини, насамперед у клітинах печінки. Цей анаболічний шлях має три фази: спочатку формується одиниця ізопрену, потім відбувається прогресивне засвоєння одиниць з походженням сквалену, це переходить у ланостерол і нарешті отримується холестерин.

Активність ферментів на цьому шляху регулюється переважно відносним співвідношенням гормонів інсулін: глюкагон. Зі збільшенням цього співвідношення активність шляху збільшується пропорційно.

Синтез нуклеотидів

Нуклеїнові кислоти - це ДНК та РНК, перша містить всю інформацію, необхідну для розвитку та утримання живих організмів, а друга доповнює функції ДНК.

І ДНК, і РНК складаються з довгих ланцюгів полімерів, основна одиниця яких - нуклеотиди. Нуклеотиди, в свою чергу, складаються з цукру, фосфатної групи та азотистої основи. Попередник пуринів і піримідинів - рибоза-5-фосфат.

Пурини та піримідини виробляються в печінці з попередників, таких як вуглекислий газ, гліцин, аміак, серед інших.

Синтез нуклеїнової кислоти

Нуклеотиди повинні бути об'єднані в довгі ланцюги ДНК або РНК, щоб виконати свою біологічну функцію. Процес включає низку ферментів, які каталізують реакції.

Фермент, відповідальний за копіювання ДНК для створення більшої кількості молекул ДНК з однаковими послідовностями, є ДНК-полімеразою. Цей фермент не може ініціювати синтез de novo, тому повинен брати участь невеликий шматочок ДНК або РНК, який називається праймером, що дозволяє утворити ланцюг.

Ця подія вимагає участі додаткових ферментів. Наприклад, геліказа допомагає відкрити подвійну спіраль ДНК, щоб полімераза могла діяти, а топоізомераза могла змінювати топологію ДНК, або заплутуючи її, або розплутуючи.

Аналогічно, РНК-полімераза бере участь у синтезі РНК з молекули ДНК. На відміну від попереднього процесу, синтез РНК не потребує згаданого праймера.

Синтез білка

Синтез білка є важливою подією у всіх живих організмах. Білки виконують найрізноманітніші функції, такі як транспортування речовин або грають роль структурних білків.

Згідно з центральною «догмою» біології, після копіювання ДНК у месенджерну РНК (як описано в попередньому розділі), вона в свою чергу переводиться рибосомами в полімер амінокислот. У РНК кожен триплет (три нуклеотиди) інтерпретується як одна з двадцяти амінокислот.

Синтез відбувається в цитоплазмі клітини, де виявляються рибосоми. Процес відбувається в чотири фази: активація, ініціація, подовження та припинення.

Активація складається з зв'язування певної амінокислоти з відповідною передавальною РНК. Ініціація включає зв'язування рибосоми з 3 'кінцевою частиною месенджерної РНК, що сприяє "факторам ініціації".

Подовження передбачає додавання амінокислот відповідно до повідомлення РНК. Нарешті, процес зупиняється на певній послідовності в месенджерній РНК, що називається термінами термінації: UAA, UAG або UGA.

Синтез глікогену

Глікоген - це молекула, що складається з повторюваних одиниць глюкози. Він діє як запас енергії і здебільшого рясний в печінці та м’язах.

Шлях синтезу називається глікогеногенезом і вимагає участі ферменту глікоген-синтази, АТФ та УТП. Шлях починається з фосфорилювання глюкози до глюкозо-6-фосфату, а потім до глюкози-1-фосфату. Наступний крок включає додавання UDP для отримання UDP-глюкози та неорганічного фосфату.

Молекула UDP-глюкози додається до ланцюга глюкози через альфа-1-4 зв’язок, вивільняючи нуклеотид UDP. У разі виникнення гілок вони утворюються альфа-1-6 зв’язками.

Синтез амінокислот

Амінокислоти - це одиниці, що складають білки. У природі існує 20 видів, кожен з унікальними фізичними та хімічними властивостями, що визначають кінцеві характеристики білка.

Не всі організми можуть синтезувати всі 20 видів. Наприклад, людина може синтезувати лише 11, решта 9 необхідно включити в раціон.

У кожної амінокислоти є свій шлях. Однак вони походять з молекул-попередників, таких як альфа-кетоглутарат, оксалоацетат, 3-фосфогліцерат, піруват.

Регуляція анаболізму

Як ми вже згадували раніше, метаболізм регулюється речовинами, які називаються гормонами, секретуються спеціалізованими тканинами, або залозистими, або епітеліальними. Ці функції месенджерів і їх хімічна природа досить неоднорідні.

Наприклад, інсулін - це гормон, який секретується підшлунковою залозою і має великий вплив на обмін речовин. Після їжі з високим вмістом вуглеводів інсулін працює як стимулятор анаболічних шляхів.

Таким чином, гормон відповідає за активізацію процесів, які дозволяють синтезу речовин, що зберігаються, таких як жири або глікоген.

Є періоди життя, де переважають анаболічні процеси, такі як дитинство, юність, під час вагітності або під час тренувань, орієнтованих на ріст м’язів.

Відмінності з катаболізмом

Усі хімічні процеси та реакції, що відбуваються в нашому організмі, зокрема в наших клітинах, загалом відомі як метаболізм. Ми можемо рости, розвиватися, відтворювати та підтримувати тепло тіла завдяки цій надзвичайно контрольованій серії подій.

Синтез проти деградації

Метаболізм передбачає використання біомолекул (білків, вуглеводів, ліпідів або жирів та нуклеїнових кислот) для підтримки всіх істотних реакцій живої системи.

Отримання цих молекул надходить з їжі, яку ми їмо щодня, і наш організм здатний "розщеплювати" їх на менші одиниці під час процесу травлення.

Наприклад, білки (які, наприклад, з м’яса або яєць) розпадаються на основні компоненти: амінокислоти. Таким же чином ми можемо переробляти вуглеводи на менші одиниці цукру, як правило, глюкозу, один із вуглеводів, які найбільше використовуються нашим організмом.

Наш організм здатний використовувати ці невеликі одиниці - амінокислоти, цукру, жирні кислоти, серед іншого - для створення нових більших молекул у конфігурації, необхідній нашому організму.

Процес розпаду і отримання енергії називається катаболізмом, тоді як утворення нових більш складних молекул - анаболізм. Таким чином, процеси синтезу пов'язані з анаболізмом, а процеси деградації - катаболізмом.

Як мнемонічне правило ми можемо використовувати слово "с" у слові катаболізм і пов'язати його зі словом "вирізати".

Використання енергії

Анаболічні процеси потребують енергії, тоді як процеси деградації виробляють цю енергію, головним чином у вигляді АТФ - відомої як енергетична валюта клітини.

Ця енергія надходить від катаболічних процесів. Давайте уявимо, що у нас є колоди карт, якщо у нас усі карти акуратно складені, і ми кидаємо їх на землю, вони роблять це мимовільно (аналогічно катаболізму).

Однак, якщо ми хочемо їх знову замовити, ми повинні застосувати енергію до системи та збирати їх із землі (аналогічно анаболізму).

У деяких випадках катаболічні шляхи потребують "введення енергії" на своїх перших кроках, щоб розпочати процес. Наприклад, гліколіз або гліколіз - це розпад глюкози. Цей шлях вимагає використання двох молекул АТФ для початку роботи.

Баланс між анаболізмом і катаболізмом

Для підтримки здорового та адекватного обміну речовин необхідно забезпечити баланс між процесами анаболізму та катаболізму. У тому випадку, якщо процеси анаболізму перевищують процеси катаболізму, переважають події синтезу. На противагу цьому, коли організм отримує більше енергії, ніж потрібно, переважають катаболічні шляхи.

Коли організм відчуває негаразди, називає це хворобою або періодами тривалого голодування, метаболізм фокусується на шляхах деградації і переходить у катаболічний стан.

Джерело: Автор Алехандро Порто, з Wikimedia Commons

Список літератури

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (ред.). (2015). Фармакологічні основи гострої допомоги. Міжнародне видавництво Springer
2. Кертіс, Х. та Барнс, штат Нью-Йорк (1994). Запрошення до біології. Макміллан.
3. Лодіш, Х., Берк, А., Дарнелл, Дж. Е., Кайзер, Каліфорнія, Крігер, М., Скотт, депутат, … і Мацудайра, П. (2008). Молекулярна клітинна біологія. Макміллан.
4. Ronzio, RA (2003). Енциклопедія харчування та міцного здоров’я. Видавнича інформація.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Основи біохімії: життя на молекулярному рівні. Panamerican Medical Ed.