Katabolizm – co to jest, etapy, katabolizm a metabolizm

Katabolizm to destrukcyjna faza metabolizmu, która prowadzi do uwalniania energii.

Co to jest katabolizm?

Katabolizm to proces obejmujący serię reakcji chemicznych, które rozkładają złożone cząsteczki na mniejsze jednostki, zwykle w celu uwalniania energii. Na przykład duże cząsteczki, takie jak polisacharydy, kwasy nukleinowe i białka, są podzielone na mniejsze jednostki, takie jak monosacharydy, nukleotydy i aminokwasy.

Etapy katabolizmu

Etap 1 – Etap trawienia

Złożone cząsteczki organiczne, takie jak białka, lipidy i polisacharydy są katabolizowane do swoich mniejszych składników lub monomerów poza komórkami. Te złożone cząsteczki są nieabsorbowane w swoim złożonym stanie, a zatem dla ich wchłaniania istotne jest, aby te podstawowe i niezbędne cząsteczki rozpadły się na łatwo przyswajalne i mniejsze w procesie trawienia.

Etap 2 – Uwolnienie energii

Mniejsze cząsteczki, które zostały wstępnie rozbite w czasie trawienia są formą wchłanialną i są wychwytywane przez komórki i następnie przekształcane w przydatne substraty, takie jak acetylo-koenzym A (acetylo-CoA), uwalniając w tym procesie energię.

Etap 3 – nagazowanie energii

Wreszcie grupa acetylowa CoA jest utleniana do wody i dwutlenku węgla w cyklu kwasu cytrynowego. W tym procesie zmagazynowana energia jest uwalniana poprzez redukcję koenzymu, dinukleotydu nikotynamidoadeninowego (NAD+) do NADH.

Katabolizm a metabolizm

Każda żywa komórka ciała potrzebuje energii. Metabolizm to suma wszystkich niezbędnych reakcji, które mają na celu utrzymanie życia. Katabolizm i anabolizm razem tworzą metabolizm. Zasadniczo istnieją dwie podstawowe gałęzie metabolizmu: gałąź destrukcyjna, która dostarcza energii (czyli katabolizm) oraz gałąź konstruktywna metabolizmu, która wykorzystuje uwolnioną energię (czyli anabolizm).

Każda żywa komórka rozkłada i wytwarza cząsteczki. Te kolejne reakcje są znane jako szlaki metaboliczne.

Każdy etap tych kolejnych reakcji zachodzi pod wpływem określonego enzymu. Enzymy działają na cząsteczki zwane substratami, podczas gdy cząsteczka powstała w wyniku reakcji chemicznej nazywana jest produktem. Większość enzymów wiąże się z określonym substratem.

Istnieją cechy wspólne wszystkich reakcji metabolicznych (katabolicznych lub anabolicznych):

• wszystkie reakcje są katalizowane przez enzym,
• szlaki i reakcje metaboliczne są uniwersalne i wszystkie organizmy żywe wykazują podobieństwo pewne podobieństwo ich działania,
• wszystkie szlaki metaboliczne wykorzystują bardzo niewiele reakcji chemicznych,
• reakcje metaboliczne obejmują koenzymy; koenzymy to powszechne substraty, które biorą udział w wielu różnych reakcjach metabolicznych, na przykład NADH lub koenzym A,
• szlaki kataboliczne są zupełnie inne niż szlaki anaboliczne, co umożliwia lepszą kontrolę metabolizmu,
• kluczowe enzymy kontrolują i modulują wszystkie reakcje metaboliczne,
• większość reakcji metabolicznych zachodzi w określonych organellach komórkowych.

Katabolizm a anabolizm

Cel dwóch gałęzi metabolizmu, mianowicie katabolizmu i anabolizmu, jest całkowicie przeciwny. W procesie anabolicznym proste cząsteczki są przekształcane do złożonych za pomocą energii, podczas gdy proces kataboliczny jest procesem rozkładu, w którym złożone cząsteczki są dzielone na proste związki wraz z uwolnieniem energii.

Hormony kataboliczne

W procesach katabolicznych zaangażowanych jest wiele niezbędnych enzymów. Niektóre hormony mają również działanie kataboliczne. Są to:

• adrenalina: ten hormon jest wytwarzany w nadnerczach; przyspiesza tętno i odpowiada za reakcję „walki i ucieczki” w sytuacjach stresowych lub awaryjnych,
• kortyzol: znany również jako hormon stresu – jest również wytwarzany w nadnerczach i uwalniany podczas okresów niepokoju, nerwowości; podnosi poziom cukru we krwi i ciśnienie krwi,
• glukagon: hormon jest wytwarzany przez trzustkę – jest potrzebny do rozbicia glikogenu na glukozę; glukagon jest przechowywany w wątrobie; stany wymagające energii, takie jak walka, ćwiczenia, wysoki poziom stresu, pobudzają wątrobę do uwalniania glikogenu,
• cytokiny: wykorzystywanie aminokwasów do różnych funkcji organizmu powoduje uwalnianie cytokin; cytokiny to rodzaj białek potrzebnych do komunikacji między komórkami.

Przykłady katabolizmu

Zasadniczo podczas katabolizmu złożone cząsteczki, takie jak białka, polisacharydy i tłuszcze, są rozbijane na małe cząsteczki, takie jak aminokwasy, monosacharydy i kwasy tłuszczowe. Niektóre z głównych procesów katabolicznych to:

• cykl kwasu cytrynowego (Cykl Krebsa),
• glikoliza,
• lipoliza,
• dezaminacja oksydacyjna,
• fosforylacja oksydacyjna,
• rozpad tkanki mięśniowej.

Cykl kwasu cytrynowego, glikoliza, lipoliza, dezaminacja oksydacyjna i fosforylacja oksydacyjna to kluczowe przykłady reakcji katabolicznych, które zachodzą we wszystkich komórkach eukariotycznych.

Cykl Krebsa – cykl kwasu cytrynowego

Kluczowym źródłem energii w cyklu Krebsa jest acetylo-CoA, który utlenia się do CO2 i H2O wewnątrz macierzy mitochondrialnej wraz z jednoczesną redukcją NAD do NADH i FAD do FADH₂. Następnie trzy cząsteczki NADH i jedna cząsteczka obu są wykorzystywane do generowania ATP w łańcuchu transportu elektronów.

Podczas utleniania NADH prowadzi do produkcji trzech cząsteczek ATP, podczas gdy FADH₂ daje w wyniku dwie cząsteczki ATP. Cykl ten jest powszechnym szlakiem utleniania węglowodanów, białek i tłuszczów. Jeden cykl Krebsa prowadzi do powstania siedmiu produktów: GTP, 3 NADH, 3FADH₂, 2 CO₂.

Czasami jest również klasyfikowany jako szlak amfiboliczny, ponieważ jest częścią zarówno szlaku katabolicznego, jak i szlaków anabolicznych. Proces uzupełniania półproduktów cyklu Krebsa jest znany jako anapleroza .

Glikoliza

Glikoliza to proces kataboliczny zachodzący we wszystkich komórkach eukariotycznych. Rozkład lub glukozy do kwasu pirogronowego przeprowadzana jest w obecności tlenu, podczas gdy w warunkach beztlenowych glukoza jest przekształcana w kwas mlekowy. Glikoliza beztlenowa jest również znana jako ścieżka Embden-Meyerhof (EMP).

Kiedy poziom ATP w komórce jest niski, w cytozolu komórki inicjowana jest glikoliza. Jest dalej podzielona na dwa etapy:

1. Faza przygotowawcza: tutaj jedna cząsteczka glukozy jest przekształcana w dwie cząsteczki D-gliceraldehydo-3-fosforanu, który ostatecznie przekształca się we fruktozo-6-difosforan. Wreszcie fruktozo-6-difosforan tworzy dwie cząsteczki gliceraldehydo-3-fosforanu;
2. Faza energetyczna: w tej fazie organiczny fosforan jest uwalniany do syntezy ATP. Aldehyd glicerynowy z pierwszego etapu jest utleniany i fosforylowany w celu wytworzenia 1,3-difosfoglicerynianu, który ostatecznie tworzy kwas pirogronowy lub mlekowy w zależności od dostępności tlenu. Dwie ATP są wytwarzane w beztlenowej glikolizie glukozy, podczas gdy glikoliza tlenowa może skutkować wytworzeniem do 38 cząsteczek ATP.

Metabolizm glukozy przy użyciu tej ścieżki zachodzi we wszystkich komórkach organizmu. Glikoliza tlenowa zachodzi w mózgu, podczas gdy glikoliza beztlenowa zachodzi w czerwonych krwinkach z powodu braku mitochondriów.

Ludzkie mięśnie szkieletowe ulegają glikolizie tlenowej prawie w 90 proc. przypadków, a także w normalnych warunkach. Jednak energiczne skurcze mięśni i wysiłek fizyczny wywołują beztlenową glikolizę. Powoduje to zakwasy, czyli ból mięśni spowodowany obecnością kwasu mlekowego.

Lipoliza czyli katabolizm kwasów tłuszczowych

Lipoliza to rozkład trójglicerydów w celu uzyskania energii. W tym procesie triacyloglicerol (TAG) przechowywany w kropelkach lipidów komórkowych, ulega hydrolitycznemu rozszczepieniu z wytworzeniem niezestryfikowanych kwasów tłuszczowych. Te niezestryfikowane kwasy tłuszczowe są następnie wykorzystywane jako substrat do produkcji energii, niezbędne prekursory do syntezy lipidów i błon lub mediatory procesów sygnalizacji komórkowej.

Lipidy lub triglicerydy są hydrolizowane do wolnych kwasów tłuszczowych i glicerolu. Powstały glicerol staje się następnie częścią glikolizy, podczas gdy utworzone kwasy tłuszczowe są dalej rozszczepiane przez beta-oksydację z uwolnieniem acetylo-CoA. Ten acetylo-Co-A jest kluczowym składnikiem cyklu kwasu cytrynowego.

Utlenianie kwasów tłuszczowych uwalnia więcej energii niż utlenianie węglowodanów. Dzieje się tak, ponieważ węglowodany zawierają więcej tlenu w swoich strukturach. Proces ten ma kluczowe znaczenie dla homeostazy energetycznej i lipidowej organizmu. Całkowite utlenianie kwasów tłuszczowych, zwłaszcza trójglicerydów, daje maksymalną ilość ATP, dlatego też kwas tłuszczowy jest podstawowym paliwem do magazynowania u większości zwierząt.

W diecie ketogenicznej wykorzystuje się właśnie proces lipolizy. Niedobór węglowodanów sprawia, że organizm jest zmuszony prowadzić lipolizę zamiast preferowanej glikolizy. Taki stan nazywa się ketozą.

Rozpad tkanki mięśniowej lub katabolizm mięśni

Wyższe tempo degradacji białka w porównaniu z jego syntezą stymuluje rozpad tkanki mięśni szkieletowych. Jest to całkowicie kataboliczny stan organizmu. Może to mieć miejsce w przypadku starzenia się, niedożywienia lub choroby, zwłaszcza posocznicy, raka, AIDS, cukrzycy i niewydolności nerek.

Przedłużający się stan rozpadu tkanki mięśniowej lub zanik mięśni może skutkować niewydolnością narządów i zagrażać życiu. W takim stanie aminokwasy z zapasów białka, zwłaszcza w tkance mięśniowej, są uwalniane do krwi i przekształcane w glukozę, aby zaspokoić zapotrzebowanie na glukozę we krwi.

Źródła:

1. Bolsover, SR, Hyams, JS, Shephard, EA, White, HA i Wiedemann, CG (2004). Metabolizm. In Cell Biology (red. SR Bolsover, JS Hyams, EA Shephard, HA White i CG Wiedemann). doi: 10.1002 / 047146158X.ch13
2. McCarthy, JJ i Esser, KA (2010). Szlaki anaboliczne i kataboliczne regulujące masę mięśni szkieletowych. Aktualna opinia w zakresie żywienia klinicznego i opieki metabolicznej, 13 (3), 230–235. https://doi.org/10.1097/MCO.0b013e32833781b5
3. DeBerardinis, RJ i Thompson, CB (2012). Metabolizm komórkowy i choroby: czego uczą nas odchylenia metaboliczne? Celi, 148 (6), 1132–1144. https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.02.032
4. Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002) Biochemistry. Wydanie 5. Nowy Jork: WH Freeman. Dostępne pod adresem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22553/
5. Sánchez López de Nava, A., Raja, A. (2020). Fizjologia, metabolizm W: StatPearls [Internet]. Treasure Island (Floryda): StatPearls Publishing; 2020 styczeń-. Dostępne pod adresem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK546690/