КАТАБОЛІЗМ: КАТАБОЛІЧНІ ФУНКЦІЇ ТА ПРОЦЕСИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Катаболізму охоплює всі реакції розкладання речовин в організмі. Окрім «розбиття» компонентів біомолекул на їх найдрібніші одиниці, катаболічні реакції виробляють енергію, головним чином у вигляді АТФ.

Катаболічні шляхи відповідають за руйнування молекул, що надходять з їжею: вуглеводи, білки та ліпіди. Під час процесу хімічна енергія, що міститься у зв’язках, вивільняється для використання в клітинній діяльності, яка цього вимагає.

Джерело: Автор EsquemaCatabolismo.svg: себе; виправлення невеликих помилок: Баскетердеривативні роботи: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), через Wikimedia Commons

Деякі приклади відомих катаболічних шляхів: цикл Кребса, бета-окислення жирних кислот, гліколіз та окисне фосфорилювання.

Прості молекули, що утворюються внаслідок катаболізму, використовуються клітиною для побудови необхідних елементів, також використовуючи енергію, що забезпечується тим самим процесом. Цей шлях синтезу є антагоністом катаболізму і називається анаболізмом.

Метаболізм організму охоплює як реакції синтезу, так і деградації, що відбуваються одночасно і контрольовано всередині клітини.

Особливості

Основна мета катаболізму - окислювати поживні речовини, які організм використовує як «паливо», зване вуглеводами, білками та жирами. Деградація цих біомолекул породжує енергію та відходи, переважно вуглекислий газ та воду.

У катаболізмі бере участь низка ферментів, які є білками, що відповідають за прискорення швидкості хімічних реакцій, що відбуваються в клітині.

Паливні речовини - це їжа, яку ми споживаємо щодня. Наш раціон складається з білків, вуглеводів і жирів, які розщеплюються катаболічними шляхами. Організм переважно використовує жири та вуглеводи, хоча в ситуаціях дефіциту він може вдатися до розпаду білків.

Енергія, видобута катаболізмом, міститься в хімічних зв'язках згаданих біомолекул.

Коли ми вживаємо будь-яку їжу, ми її жуємо, щоб полегшити її перетравлення. Цей процес є аналогічним катаболізму, коли організм відповідає за «перетравлення» частинок на мікроскопічному рівні, щоб вони використовувались шляхом синтезу чи анаболіки.

Катаболічні процеси

Катаболічні шляхи або шляхи включають усі процеси деградації речовин. Ми можемо виділити три етапи в процесі:

- Різні біомолекули, що знаходяться в клітині (вуглеводи, жири та білки), деградують в основні одиниці, що їх складають (цукру, жирні кислоти та амінокислоти відповідно).

- Продукти I стадії переходять до більш простих складових, які сходяться у загальному проміжному проміжному назві ацетил-КоА.

- Нарешті, ця сполука потрапляє в цикл Кребса, де продовжує своє окислення, поки не вийде молекули вуглекислого газу та води - кінцеві молекули, отримані в будь-якій катаболічній реакції.

Серед найвизначніших - цикл сечовини, цикл Кребса, гліколіз, окисне фосфорилювання та бета-окислення жирних кислот. Нижче ми опишемо кожен із згаданих маршрутів:

Цикл сечовини

Цикл сечовини - це катаболічний шлях, який відбувається в мітохондріях і в цитозолі клітин печінки. Він відповідає за переробку білкових похідних і кінцевим продуктом його є сечовина.

Цикл починається з виходу першої аміногрупи з матриксу мітохондрій, хоча він також може потрапляти в печінку через кишечник.

Перший етап реакції включає іони АТФ, бікарбонати (HCO ₃ ^- ) та карбомоїлфосфат амонію (NH ₄ ⁺ ), АДФ та P _i . Другий крок складається з об'єднання карбомоїлфосфату та орнітину з отриманням молекули цитруліну та P _i . Ці реакції відбуваються в мітохондріальній матриці.

Цикл продовжується в цитозолі, де цитруллін та аспартат конденсуються разом з АТФ для утворення аргініносукцинату, AMP та PP _i . Аргініносукцинат переходить у аргінін та фумарат. Амінокислота аргінін поєднується з водою, отримуючи орнітин і, нарешті, сечовину.

Цей цикл пов'язаний з циклом Кребса, оскільки метаболіт фумарату бере участь в обох обмінних шляхах. Однак кожен цикл діє незалежно.

Клінічні патології, пов'язані з цим шляхом, заважають хворому їсти дієту, багату білком.

Цикл Кребса або цикл лимонної кислоти

Цикл Кребса - це шлях, який бере участь у клітинному диханні всіх організмів. Просторово він зустрічається в мітохондріях еукаріотичних організмів.

Попередник циклу - молекула під назвою ацетил-коензим А, яка конденсується з молекулою оксалоацетату. Цей союз генерує шестивуглецеву сполуку. У кожному обороті цикл дає дві молекули вуглекислого газу та одну молекулу оксалоацетату.

Цикл починається з реакції ізомеризації, каталізованої аконітазою, де цитрат переходить у цис-аконітат та воду. Аналогічно, аконітаза каталізує проходження цис-аконітату в ізоцитрат.

Ізоцитрат окислюється до оксалосукцинату ізоцитратдегідрогеназою. Ця молекула декарбоксилюється в альфа-кетоглутарат тим же ферментом, ізоцитратдегідрогеназою. Альфа-кетоглутарат перетворюється на сукциніл-КоА дією альфа-кетоглутаратдегідрогенази.

Сукциніл-КоА стає сукцинатом, який окислюється до фумарату сукцинатдегідрогеназою. Послідовно фумарат стає l-малатом і, нарешті, l-малат стає оксалоацетатом.

Цикл можна підсумувати наступним рівнянням: Ацетил-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + ВВП + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

Гліколіз

Гліколіз, який ще називають гліколізом, є вирішальним шляхом, який присутній практично у всіх живих організмах - від мікроскопічних бактерій до великих ссавців. Шлях складається з 10 ферментативних реакцій, які розщеплюють глюкозу до піровиноградної кислоти.

Процес починається з фосфорилювання молекули глюкози ферментом гексокіназа. Ідея цього кроку полягає в тому, щоб "активувати" глюкозу і потрапити в неї всередину клітини, оскільки глюкозо-6-фосфат не має транспортера, через який він може вийти.

Глюкозо-6-фосфатна ізомераза приймає глюкозо-6-фосфат і переставляє її у свій ізомер фруктозо-6-фосфату. Третя стадія каталізується фосфофруктокіназою і продуктом є фруктоза-1,6-бісфосфат.

Потім альдолаза розщеплює вищевказану сполуку на дигідроксіацетонфосфат та гліцеральдегід-3-фосфат. Між цими двома сполуками, що каталізуються триозною фосфатною ізомеразою, існує рівновага.

Фермент гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа продукує 1,3-бісфосфогліцерат, який на наступній стадії фосфогліцерат кіназою перетворюється в 3-фосфогліцерат. Мутаза фосфогліцерату змінює положення вуглецю і дає 2-фосфогліцерат.

Еолаза бере останній метаболіт і перетворює його у фосфоенолпіруват. Остання стадія шляху каталізується піруваткіназою, а кінцевим продуктом є піруват.

Окислювальне фосфорилювання

Окислювальне фосфорилювання - це процес утворення АТФ завдяки переносу електронів з НАДН або ФАДН ₂ в кисень і є останнім етапом у процесах клітинного дихання. Він зустрічається в мітохондріях і є основним джерелом молекул АТФ в аеробних органах дихання.

Його значення є незаперечним, оскільки 26 з 30 молекул АТФ, що утворюються як продукт повного окислення глюкози до води та вуглекислого газу, відбувається окислювальним фосфорилюванням.

Концептуально окисне фосфорилювання з'єднує окислення та синтез АТФ з потоком протонів через мембранну систему.

Таким чином, NADH або FADH _{2, що} утворюються різними шляхами, називають це гліколізом або окисленням жирних кислот, використовується для зниження кисню, а вільна енергія, що утворюється в процесі, використовується для синтезу АТФ.

β-окислення жирних кислот

Β -окислення - це сукупність реакцій, які дозволяють окисненню жирних кислот виробляти велику кількість енергії.

Процес включає періодичне вивільнення ділянок двовуглецевої жирної кислоти реакцією до повного руйнування жирної кислоти. Кінцевим продуктом є молекули ацетил-КоА, які можуть вступити в цикл Кребса, щоб повністю окислитись.

Перед окисненням жирну кислоту потрібно активувати, де вона зв’язується з коферментом А. Транспортер карнітину відповідає за переміщення молекул до матриці мітохондрій.

Після цих попередніх етапів саме β-окислення починається з процесів окислення, гідратації, окислення НАД ⁺ та тиолізу.

Регулювання катаболізму

Повинно бути ряд процесів, які регулюють різні ферментативні реакції, оскільки вони не можуть працювати весь час зі своєю максимальною швидкістю. Таким чином, метаболічні шляхи регулюються низкою факторів, включаючи гормони, нейронний контроль, наявність субстратів та ферментативну модифікацію.

У кожному маршруті має бути принаймні одна незворотна реакція (тобто вона відбувається лише в одному напрямку), яка спрямовує швидкість усього маршруту. Це дозволяє реакціям працювати зі швидкістю, необхідною клітині, і не дозволяє одночасно працювати шляхам синтезу та деградації.

Гормони є особливо важливими речовинами, які діють як хімічні вісники. Вони синтезуються в різних ендокринних залозах і вивільняються в кров, щоб діяти. Деякі приклади:

Кортизол

Кортизол діє, уповільнюючи процеси синтезу та збільшуючи катаболічні шляхи в м’язі. Цей ефект відбувається за рахунок викиду амінокислот у кров.

Інсулін

Навпаки, є гормони, які мають протилежну дію і знижують катаболізм. Інсулін відповідає за посилення синтезу білків і одночасно знижує їх катаболізм. У цьому випадку протеоліз збільшується, що полегшує вихід амінокислот у м’яз.

Відмінності з анаболізмом

Анаболізм і катаболізм - це антагоністичні процеси, які складають сукупність метаболічних реакцій, що відбуваються в організмі.

Обидва процеси потребують безлічі хімічних реакцій, що каталізуються ферментами і знаходяться під суворим гормональним контролем, здатним викликати або уповільнити певні реакції. Однак вони відрізняються такими фундаментальними аспектами:

Синтез і деградація молекул

Анаболізм включає реакції синтезу, тоді як катаболізм відповідає за деградацію молекул. Хоча ці процеси зворотні, вони пов'язані в делікатному балансі обміну речовин.

Кажуть, що анаболізм є різнобічним процесом, який приймає прості сполуки та перетворює їх у більші сполуки. Всупереч катаболізму, який класифікується як конвергентний процес, завдяки одержанню з великих молекул малих молекул, таких як вуглекислий газ, аміак та вода.

Різні катаболічні шляхи займають макромолекули, що входять до складу їжі, і зводять їх до найдрібніших складових. Тим часом анаболічні шляхи здатні взяти ці одиниці і знову створити більш досконалі молекули.

Іншими словами, організм повинен "змінити конфігурацію" елементів, що входять до складу їжі, щоб вони використовувалися в необхідних йому процесах.

Процес аналогічний популярній грі Lego, де основні складові можуть утворювати різні структури з найрізноманітнішим просторовим розташуванням.

Використання енергії

Катаболізм відповідає за видобуток енергії, що міститься в хімічних зв’язках їжі, тому її основна мета - вироблення енергії. Ця деградація відбувається, в більшості випадків, окислювальними реакціями.

Однак не дивно, що катаболічні шляхи потребують додавання енергії на своїх початкових етапах, як ми бачили в гліколітичному шляху, який вимагає інверсії молекул АТФ.

З іншого боку, анаболізм відповідає за додавання вільної енергії, виробленої в катаболізмі, для досягнення складання цікавих речовин. І анаболізм, і катаболізм відбуваються постійно і одночасно в клітині.

Взагалі, АТФ - це молекула, яка використовується для передачі енергії. Це може дифундувати до областей, де це потрібно, і коли він гідролізує хімічну енергію, що міститься в молекулі, виділяється. Аналогічно енергію можна транспортувати у вигляді атомів водню або електронів.

Ці молекули називаються коферментами і включають NADP, NADPH та FMNH ₂ . Вони діють через реакції відновлення. Крім того, вони можуть передавати зменшувальну здатність в АТФ.

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.