CATABOLISM: FUNCȚII ȘI PROCESE CATABOLICE - BIOLOGIE - 2025

Catabolismul cuprinde toate reacțiile de degradare a substanțelor din organism. Pe lângă faptul că „descompun” componentele biomoleculelor în unitățile lor cele mai mici, reacțiile catabolice produc energie, în principal sub formă de ATP.

Căile catabolice sunt responsabile de degradarea moleculelor care provin din alimente: carbohidrați, proteine ​​și lipide. În timpul procesului, energia chimică conținută în legături este eliberată pentru a fi utilizată în activitățile celulare care o necesită.

Sursa: De EsquemaCatabolismo.svg: eu însumi; corectarea micilor greșeli: Lucrare basquetteurderivativă: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), prin Wikimedia Commons

Câteva exemple de căi catabolice cunoscute sunt: ​​ciclul Krebs, oxidarea beta a acizilor grași, glicoliza și fosforilarea oxidativă.

Moleculele simple produse de catabolism sunt folosite de celulă pentru a construi elementele necesare, folosind și energia furnizată de același proces. Această cale de sinteză este antagonistul catabolismului și se numește anabolism.

Metabolismul unui organism cuprinde atât reacții de sinteză, cât și de degradare, care apar simultan și într-un mod controlat în interiorul celulei.

Caracteristici

Obiectivul principal al catabolismului este oxidarea nutrienților pe care organismul îi utilizează ca „combustibil”, numiți carbohidrați, proteine ​​și grăsimi. Degradarea acestor biomolecule generează energie și produse reziduale, în principal dioxid de carbon și apă.

O serie de enzime participă la catabolism, care sunt proteine ​​responsabile de accelerarea vitezei reacțiilor chimice care apar în celulă.

Substanțele combustibile sunt alimentele pe care le consumăm zilnic. Dieta noastră este formată din proteine, carbohidrați și grăsimi care sunt defalcate pe căi catabolice. Organismul folosește în mod preferențial grăsimile și carbohidrații, deși în situații de insuficiență poate recurge la descompunerea proteinelor.

Energia extrasă de catabolism este conținută în legăturile chimice ale biomoleculelor menționate.

Când consumăm orice aliment, îl mestecăm pentru a fi mai ușor de digerat. Acest proces este analog cu catabolismul, unde organismul este responsabil de „digerarea” particulelor la nivel microscopic, astfel încât acestea să fie utilizate de sinteza sau căile anabolice.

Procese catabolice

Căile sau căile catabolice includ toate procesele de degradare a substanțelor. Putem distinge trei etape ale procesului:

- diferitele biomolecule găsite în celulă (carbohidrați, grăsimi și proteine) sunt degradate în unitățile fundamentale care le constituie (zaharuri, acizi grași și, respectiv, aminoacizi).

- Produsele din stadiul I trec la constituenți mai simpli, care converg într-un intermediar comun numit acetil-CoA.

- În sfârșit, acest compus intră în ciclul Krebs, unde își continuă oxidarea până când produce molecule de dioxid de carbon și apă - moleculele finale obținute în orice reacție catabolică.

Printre cele mai proeminente se numără ciclul ureei, ciclul Krebs, glicoliza, fosforilarea oxidativă și oxidarea beta a acizilor grași. Mai jos vom descrie fiecare dintre rutele menționate:

Ciclul ureei

Ciclul ureei este o cale catabolică care apare în mitocondrii și în citosolul celulelor hepatice. Este responsabil pentru prelucrarea derivaților proteici, iar produsul final al acestuia este urea.

Ciclul începe cu intrarea primei grupe amino din matricea mitocondriilor, deși poate intra și în ficat prin intestin.

Prima etapă de reacție implică ATP, ioni bicarbonat (HCO ₃ ^- ) și fosfat carbomoil de amoniu (NH ₄ ⁺ ), ADP și P _i . A doua etapă constă în unirea fosfatului de carbomoil și ornitină pentru a produce o moleculă de citrulină și P _i . Aceste reacții apar în matricea mitocondrială.

Ciclul continuă în citosol, unde citrulina și aspartatul se condensează împreună cu ATP pentru a genera argininosuccinat, AMP și PP _i . Argininosuccinatul trece în arginină și fumarat. Aminoacidul arginină se combină cu apa pentru a da ornitină și în cele din urmă ureei.

Acest ciclu este interconectat cu ciclul Krebs, deoarece metabolitul fumarat participă la ambele căi metabolice. Cu toate acestea, fiecare ciclu acționează independent.

Patologiile clinice legate de această cale împiedică pacientul să mănânce o dietă bogată în proteine.

Ciclul Krebs sau ciclul acidului citric

Ciclul Krebs este o cale care participă la respirația celulară a tuturor organismelor. Spațial, apare în mitocondrii organismelor eucariote.

Precursorul ciclului este o moleculă numită acetil coenzima A, care se condensează cu o moleculă de oxaloacetat. Această uniune generează un compus cu șase atomi de carbon. În fiecare revoluție, ciclul produce două molecule de dioxid de carbon și o moleculă de oxaloacetat.

Ciclul începe cu o reacție de izomerizare catalizată de aconitază, unde citratul trece în cis-aconitate și apă. În mod similar, aconitaza catalizează trecerea cis-aconitului în izocitrat.

Izocitratul este oxidat la oxalosuccinat prin izocitrat dehidrogenază. Această moleculă este decarboxilată în alfa-cetoglutarat de aceeași enzimă, izocitrat dehidrogenază. Alfa-cetoglutaratul este transformat în succinil-CoA prin acțiunea alfa-cetoglutaratului dehidrogenazei.

Succinil-CoA devine succinat, care este oxidat la fumarat prin succinat dehidrogenază. Succesiv fumaratul devine l-malat și în final, l-malatul devine oxaloacetat.

Ciclul poate fi rezumat în următoarea ecuație: Acetil-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + PIB + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

glicoliză

Glicoliza, denumită și glicoliză, este o cale crucială care este prezentă în aproape toate organismele vii, de la bacterii microscopice la mamifere mari. Traseul constă din 10 reacții enzimatice care descompun glucoza în acidul piruvic.

Procesul începe cu fosforilarea moleculei de glucoză de către enzima hexokinază. Ideea acestei etape este „activarea” glucozei și capturarea acesteia în interiorul celulei, deoarece glucoza-6-fosfat nu are un transportor prin care să poată scăpa.

Glucoza-6-fosfat izomeraza preia glucoza-6-fosfat și o rearanjează în izomerul său fructoz-6-fosfat. A treia etapă este catalizată de fosfofructocinază, iar produsul este fructoza-1,6-bifosfat.

Apoi, aldolază scindează compusul de mai sus în dihidroxiacetona fosfat și gliceraldehida-3-fosfat. Există un echilibru între acești doi compuși catalizați de fosfat de triosa izomerază.

Enzima gliceraldehidă-3-fosfat dehidrogenază produce 1,3-bisfosfoglicerat care este transformat în 3-fosfoglicerat în următoarea etapă de fosfoglicratul de kinază. Fosfoglicratul mutază schimbă poziția carbonului și produce 2-fosfoglicrat.

Eolaza ia ultimul metabolit și îl transformă în fosfenolpiruvat. Ultima etapă a căii este catalizată de piruvat kinază, iar produsul final este piruvat.

Fosforilare oxidativă

Fosforilarea oxidativă este un proces de formare a ATP datorită transferului electronilor de la NADH sau FADH ₂ în oxigen și constituie ultimul pas în procesele de respirație celulară. Apare în mitocondrii și este principala sursă de molecule de ATP în organismele de respirație aerobă.

Importanța sa este de necontestat, deoarece 26 din 30 de molecule ATP care sunt generate ca produs al oxidării complete a glucozei în apă și a dioxidului de carbon apar prin fosforilarea oxidativă.

Conceptual, fosforilarea oxidativă îmbină oxidarea și sinteza ATP cu un flux de protoni prin sistemul membranar.

Astfel, NADH sau FADH ₂ generate pe diferite rute, numindu-l glicoliză sau oxidarea acizilor grași, este utilizat pentru a reduce oxigenul, iar energia liberă generată în proces este utilizată pentru sinteza ATP.

β-oxidarea acizilor grași

Β-oxidarea este un set de reacții care permit oxidarea acizilor grași să producă cantități mari de energie.

Procesul implică eliberarea periodică a regiunilor acidului gras cu două carbonuri prin reacție până la degradarea completă a acidului gras. Produsul final este molecule acetil-CoA care pot intra în ciclul Krebs pentru a fi oxidate complet.

Înainte de oxidare, acidul gras trebuie activat, unde se leagă de coenzima A. Transportatorul de carnitină este responsabil de translocarea moleculelor în matricea mitocondriilor.

După aceste etape anterioare, β-oxidarea în sine începe cu procesele de oxidare, hidratare, oxidare prin NAD ⁺ și tioliză.

Reglarea catabolismului

Trebuie să existe o serie de procese care reglează diferitele reacții enzimatice, deoarece acestea nu pot funcționa tot timpul cu viteza maximă. Astfel, căile metabolice sunt reglementate de o serie de factori incluzând hormoni, controale neuronale, disponibilitatea substratului și modificarea enzimatică.

În fiecare traseu trebuie să existe cel puțin o reacție ireversibilă (adică are loc într-o singură direcție) și care direcționează viteza întregului traseu. Aceasta permite reacțiilor să funcționeze cu viteza cerută de celulă și împiedică căile de sinteză și degradare să funcționeze în același timp.

Hormonii sunt substanțe deosebit de importante care acționează ca mesageri chimici. Acestea sunt sintetizate în diferitele glande endocrine și eliberate în fluxul sanguin pentru a acționa. Câteva exemple sunt:

Cortizolul

Cortizolul funcționează prin încetinirea proceselor de sinteză și creșterea căilor catabolice din mușchi. Acest efect se produce prin eliberarea aminoacizilor în fluxul sanguin.

Insulină

În schimb, există hormoni care au efect opus și reduc catabolismul. Insulina este responsabilă de creșterea sintezei proteice și, în același timp, își reduce catabolismul. În acest caz, proteoliza crește, ceea ce facilitează ieșirea de aminoacizi în mușchi.

Diferențe cu anabolismul

Anabolismul și catabolismul sunt procese antagonice care cuprind totalitatea reacțiilor metabolice care apar într-un organism.

Ambele procese necesită reacții chimice multiple catalizate de enzime și sunt sub control hormonal strict, capabile să declanșeze sau să încetinească anumite reacții. Cu toate acestea, acestea diferă în următoarele aspecte fundamentale:

Sinteza și degradarea moleculelor

Anabolismul cuprinde reacțiile de sinteză, în timp ce catabolismul este responsabil pentru degradarea moleculelor. Deși aceste procese sunt inversate, ele sunt conectate în echilibrul delicat al metabolismului.

Se spune că anabolismul este un proces divergent, preluând compuși simpli și transformându-i în compuși mai mari. Contrar catabolismului, care este clasificat ca un proces convergent, datorită obținerii de molecule mici, cum ar fi dioxidul de carbon, amoniacul și apa, din molecule mari.

Diferitele căi catabolice iau macromoleculele care compun alimentele și le reduc la cei mai mici constituenți ai acestora. Căile anabolice, între timp, sunt capabile să ia aceste unități și să construiască din nou molecule mai elaborate.

Cu alte cuvinte, organismul trebuie să „schimbe configurația” elementelor care alcătuiesc alimentele, astfel încât acestea să fie utilizate în procesele pe care le cere.

Procesul este analog cu popularul joc Lego, în care elementele constitutive principale pot forma structuri diferite, cu o mare varietate de aranjamente spațiale.

Utilizarea energiei

Catabolismul este responsabil de extragerea energiei conținute în legăturile chimice ale alimentelor, prin urmare obiectivul său principal este generarea de energie. Această degradare apare, în majoritatea cazurilor, prin reacții oxidative.

Cu toate acestea, nu este surprinzător că căile catabolice necesită adăugare de energie în etapele lor inițiale, așa cum am văzut în calea glicolitică, care necesită inversarea moleculelor de ATP.

Pe de altă parte, anabolismul este responsabil de adăugarea energiei libere produse în catabolism pentru a realiza asamblarea compușilor de interes. Atât anabolismul, cât și catabolismul apar constant și simultan în celulă.

În general, ATP este molecula folosită pentru a transfera energie. Aceasta se poate difuza în zonele în care este necesar și atunci când hidrolizează energia chimică conținută în moleculă. În mod similar, energia poate fi transportată sub formă de atomi de hidrogen sau electroni.

Aceste molecule se numesc coenzime și includ NADP, NADPH și FMNH ₂ . Ei acționează prin reacții de reducere. În plus, pot transfera capacitatea de reducere în ATP.

Referințe

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (Eds.). (2015). Bazele farmacologice ale îngrijirii acute. Editura Springer International.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Invitație la biologie. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, … și Matsudaira, P. (2008). Biologia celulelor moleculare. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Enciclopedia nutriției și a sănătății bune. Editura Infobase.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Bazele biochimiei: Viața la nivel molecular. Editura Medicală Panamericană.