KATABOLISM: KATABOLISKA FUNKTIONER OCH PROCESSER - BIOLOGI - 2025

Den katabolism omfattar alla nedbrytningsreaktioner av ämnen i kroppen. Förutom att "bryta ner" komponenterna i biomolekyler i deras minsta enheter, producerar kataboliska reaktioner energi, främst i form av ATP.

De kataboliska vägarna ansvarar för att försämra molekylerna som kommer från mat: kolhydrater, proteiner och lipider. Under processen frigörs den kemiska energin i bindningarna för att användas i cellulära aktiviteter som kräver det.

Källa: Av EsquemaCatabolismo.svg: mig själv; korrigering av små misstag: Basquetteurderivativt arbete: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), via Wikimedia Commons

Några exempel på välkända kataboliska vägar är: Krebs-cykeln, beta-oxidation av fettsyror, glykolys och oxidativ fosforylering.

De enkla molekylerna som produceras av katabolismen används av cellen för att bygga de nödvändiga elementen, även med energin som tillhandahålls av samma process. Denna syntesväg är antagonisten mot katabolism och kallas anabolism.

En organisms metabolism omfattar både syntes- och nedbrytningsreaktioner, som förekommer samtidigt och på ett kontrollerat sätt i cellen.

Funktioner

Katabolismens huvudmål är att oxidera de näringsämnen som kroppen använder som "bränsle", kallad kolhydrater, proteiner och fetter. Nedbrytningen av dessa biomolekyler genererar energi och avfallsprodukter, främst koldioxid och vatten.

En serie enzymer deltar i katabolismen, som är proteiner som ansvarar för att påskynda hastigheten på kemiska reaktioner som uppstår i cellen.

Bränsleämnen är maten vi konsumerar dagligen. Vår diet består av proteiner, kolhydrater och fetter som bryts ned efter kataboliska vägar. Kroppen använder företrädesvis fetter och kolhydrater, även om det i svårighetssituationer kan ta till nedbrytning av proteiner.

Energin som utvinns genom katabolism ingår i de kemiska bindningarna i de nämnda biomolekylerna.

När vi konsumerar mat, tuggar vi den för att göra det lättare att smälta. Denna process är analog med katabolismen, där kroppen ansvarar för att ”smälta” partiklarna på mikroskopisk nivå så att de används av syntesen eller anabola vägar.

Kataboliska processer

De kataboliska vägarna eller vägarna inkluderar alla nedbrytningsprocesser för ämnen. Vi kan skilja tre steg i processen:

- De olika biomolekylerna som finns i cellen (kolhydrater, fetter och proteiner) bryts ned i de grundläggande enheterna som utgör dem (socker, fettsyror respektive aminosyror).

- Produkterna från stadium I övergår till enklare beståndsdelar, som konvergerar i en vanlig mellanprodukt som kallas acetyl-CoA.

- Slutligen kommer denna förening in i Krebs-cykeln, där den fortsätter sin oxidation tills den ger molekyler av koldioxid och vatten - de slutliga molekylerna som erhålls i varje katabolisk reaktion.

Bland de mest framstående är ureacykeln, Krebs-cykeln, glykolys, oxidativ fosforylering och beta-oxidation av fettsyror. Nedan beskriver vi var och en av de nämnda rutten:

Karbamidcykeln

Karbamidcykeln är en katabolisk väg som förekommer i mitokondrier och i cytosol i leverceller. Det ansvarar för bearbetning av proteinderivat och den slutliga produkten av det är urea.

Cykeln börjar med inträdet av den första aminogruppen från mitokondriens matris, även om den också kan komma in i levern genom tarmen.

Det första reaktionssteget innefattar ATP, bikarbonatjoner (HCO ₃ ^- ) och ammonium (NH ₄ ⁺ ) carbomoyl fosfat, ADP och P _i . Det andra steget består av unionen av carbomoyl fosfat och ornitin för att ge en molekyl av citrullin och P _i . Dessa reaktioner förekommer i mitokondrial matris.

Cykeln fortsätter i cytosol, där citrulline och aspartat kondenserar tillsammans med ATP för att generera argininosuccinat, AMP och PP _i . Argininosuccinat överförs till arginin och fumarat. Amgininsyran arginin kombineras med vatten för att ge ornitin och slutligen urea.

Denna cykel är sammankopplad med Krebs-cykeln eftersom fumaratmetabolitten deltar i båda metaboliska vägarna. Men varje cykel verkar oberoende.

De kliniska patologierna i samband med denna väg förhindrar patienten från att äta en proteinrik diet.

Krebs-cykeln eller citronsyracykeln

Krebs-cykeln är en väg som deltar i cellens andning av alla organismer. Rumsligt förekommer det i mitokondrierna hos eukaryota organismer.

Föregångaren till cykeln är en molekyl som kallas acetylkoenzym A, som kondenserar med en oxaloacetatmolekyl. Denna sammanslutning genererar en sexkolförening. I varje revolution ger cykeln två molekyler koldioxid och en molekyl oxaloacetat.

Cykeln börjar med en isomeriseringsreaktion katalyserad av akonitas, där citratet passerar in i cis-aconitat och vatten. På liknande sätt katalyserar akonitas passagen av cis-aconitate till isocitrat.

Isocitrat oxideras till oxalosuccinat med isocitratdehydrogenas. Denna molekyl dekarboxyleras till alfa-ketoglutarat med samma enzym, isocitratdehydrogenas. Alfa-ketoglutarat omvandlas till succinyl-CoA genom verkan av alfa-ketoglutarat-dehydrogenas.

Succinyl-CoA blir succinat, som oxideras till fumarat med succinat-dehydrogenas. Framgångsrikt blir fumaratet l-malat och slutligen blir l-malatet oxaloacetat.

Cykeln kan sammanfattas i följande ekvation: Acetyl-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + BNP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H ^) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

glycolysis

Glykolys, även kallad glykolys, är en avgörande väg som finns i praktiskt taget alla levande organismer, från mikroskopiska bakterier till stora däggdjur. Vägen består av 10 enzymatiska reaktioner som bryter ned glukos till pyruvinsyra.

Processen börjar med fosforylering av glukosmolekylen med enzymet hexokinas. Idén med detta steg är att "aktivera" glukosen och fånga den inuti cellen, eftersom glukos-6-fosfat inte har en transporter genom vilken den kan fly.

Glukos-6-fosfatisomeras tar glukos-6-fosfat och omorganiserar det till sin fruktos-6-fosfatisomer. Det tredje steget katalyseras av fosfofruktokinas och produkten är fruktos-1,6-bisfosfat.

Därefter klyver aldolaset ovanföreningen i dihydroxiacetonfosfat och glyceraldehyd-3-fosfat. Det finns jämvikt mellan dessa två föreningar katalyserade av triosfosfatisomeras.

Enzymet glyceraldehyd-3-fosfatdehydrogenas producerar 1,3-bisfosfoglycerat som omvandlas till 3-fosfoglycerat i nästa steg av fosfoglyceratkinas. Fosfoglyceratmutas förändrar kolens position och ger 2-fosfoglycerat.

Eolas tar den senare metabolitten och omvandlar den till fosfoenolpyruvat. Det sista steget i vägen katalyseras av pyruvat-kinas och slutprodukten är pyruvat.

Oxidativ fosforylering

Oxidativ fosforylering är en process för ATP-bildning tack vare överföringen av elektroner från NADH eller FADH ₂ till syre och utgör det sista steget i cellulära andningsförfaranden. Det förekommer i mitokondrierna och är den viktigaste källan för ATP-molekyler i aeroba andningsorganismer.

Dess betydelse är obestridlig, eftersom 26 av 30 ATP-molekyler som genereras som en produkt av fullständig oxidation av glukos till vatten och koldioxid sker genom oxidativ fosforylering.

Konceptuellt kopplar oxidativ fosforylering oxidation och syntes av ATP med ett flöde av protoner genom membransystemet.

Således används NADH eller FADH _{2 som} genereras på olika vägar, kallar det glykolys eller oxidation av fettsyror, för att minska syre och den fria energin som genereras i processen används för syntes av ATP.

ß-oxidation av fettsyror

Β-oxidation är en uppsättning reaktioner som tillåter oxidation av fettsyror att producera stora mängder energi.

Processen innefattar periodisk frisättning av regionerna i fettsyran med två kolatomer genom reaktion tills fettsyran är helt nedbruten. Slutprodukten är acetyl-CoA-molekyler som kan komma in i Krebs-cykeln för att oxideras fullständigt.

Före oxidation måste fettsyran aktiveras, där den binder till koenzym A. Karnitintransportören ansvarar för att translokera molekylerna till matrisen i mitokondrierna.

Efter dessa tidigare steg börjar själva ß-oxidationen med processerna för oxidation, hydrering, oxidation med NAD ⁺ och tiolys.

Reglering av katabolism

Det måste finnas en serie processer som reglerar de olika enzymatiska reaktionerna, eftersom dessa inte kan fungera hela tiden med sin maximala hastighet. Således regleras metaboliska vägar av ett antal faktorer inklusive hormoner, neuronala kontroller, tillgänglighet av substrat och enzymatisk modifiering.

På varje rutt måste det finnas minst en irreversibel reaktion (det vill säga den sker bara i en riktning) och som styr hastigheten på hela rutten. Detta tillåter reaktionerna att arbeta med den hastighet som krävs av cellen och förhindrar syntes- och nedbrytningsvägar från att arbeta samtidigt.

Hormoner är särskilt viktiga ämnen som fungerar som kemiska budbärare. Dessa syntetiseras i de olika endokrina körtlarna och släpps ut i blodomloppet för att verka. Några exempel är:

Kortisol

Cortisol fungerar genom att bromsa syntesprocesserna och öka de kataboliska vägarna i muskeln. Denna effekt uppstår genom att aminosyror frigörs i blodomloppet.

Insulin

Däremot finns det hormoner som har motsatt effekt och minskar katabolismen. Insulin ansvarar för att öka proteinsyntesen och minskar samtidigt deras katabolism. I detta fall ökar proteolysen, vilket underlättar utsändningen av aminosyror till muskeln.

Skillnader med anabolism

Anabolism och katabolism är antagonistiska processer som omfattar helheten av metaboliska reaktioner som förekommer i en organisme.

Båda processerna kräver flera kemiska reaktioner katalyserade av enzymer och är under strikt hormonell kontroll som kan trigga eller bromsa vissa reaktioner. De skiljer sig emellertid i följande grundläggande aspekter:

Syntes och nedbrytning av molekyler

Anabolism innefattar syntesreaktioner medan katabolism är ansvarig för nedbrytningen av molekyler. Även om dessa processer är vända, är de kopplade till den känsliga ämnesomsättningen i ämnesomsättningen.

Anabolism sägs vara en divergerande process, ta enkla föreningar och omvandla dem till större föreningar. I motsats till katabolism, som klassificeras som en konvergent process, på grund av att små molekyler som koldioxid, ammoniak och vatten erhålls från stora molekyler.

De olika kataboliska vägarna tar makromolekylerna som utgör mat och reducerar dem till sina minsta beståndsdelar. Anabola vägar kan under tiden ta dessa enheter och bygga mer genomarbetade molekyler igen.

Med andra ord måste kroppen "ändra konfigurationen" av de element som utgör mat så att de används i de processer den kräver.

Processen är analog med det populära Lego-spelet, där huvudbeståndsdelarna kan bilda olika strukturer med ett brett utbud av rumsliga arrangemang.

Användning av energi

Katabolismen ansvarar för att utvinna energin i livsmedlets kemiska bindningar, därför är dess huvudmål att generera energi. Denna nedbrytning sker i de flesta fall av oxidativa reaktioner.

Det är dock inte förvånande att kataboliska vägar kräver tillförsel av energi i sina initiala steg, som vi såg i den glykolytiska vägen, som kräver inversion av ATP-molekyler.

Å andra sidan är anabolismen ansvarig för att lägga till den fria energin som produceras i katabolismen för att uppnå sammansättningen av föreningarna av intresse. Både anabolism och katabolism förekommer ständigt och samtidigt i cellen.

Generellt är ATP molekylen som används för att överföra energi. Detta kan diffundera till de områden där det krävs och när det hydrolyserar frigörs den kemiska energin i molekylen. På liknande sätt kan energi transporteras som väteatomer eller elektroner.

Dessa molekyler är kallade koenzymer och inkluderar NADP, NADPH, och FMNH ₂ . De verkar genom reduktionsreaktioner. Dessutom kan de överföra reducerande kapacitet till ATP.

referenser

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (Eds.). (2015). Farmakologisk grund för akut vård. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Inbjudan till biologi. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, … & Matsudaira, P. (2008). Molekylär cellbiologi. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Uppslagsverket för näring och god hälsa. Infobase-publicering.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Grunder för biokemi: Liv på molekylär nivå. Panamerican Medical Ed.