KATABOLISMUS: KATABOLICKÉ FUNKCE A PROCESY - BIOLOGIE - 2025

Katabolismu zahrnuje všechny degradační reakce látek v těle. Kromě „štěpení“ složek biomolekul na jejich nejmenší jednotky produkují katabolické reakce energii, zejména ve formě ATP.

Katabolické dráhy jsou zodpovědné za degradaci molekul, které pocházejí z potravy: uhlohydráty, bílkoviny a lipidy. Během procesu se uvolní chemická energie obsažená ve vazbách, která se použije v buněčných činnostech, které to vyžadují.

Zdroj: Od EsquemaCatabolismo.svg: já; oprava malých chyb: Basquetteurderivative work: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), přes Wikimedia Commons

Některé příklady dobře známých katabolických drah jsou: Krebsův cyklus, beta oxidace mastných kyselin, glykolýza a oxidační fosforylace.

Jednoduché molekuly produkované katabolismem jsou využívány buňkou k vytváření potřebných prvků, také využívajících energii poskytovanou stejným procesem. Tato cesta syntézy je antagonistou katabolismu a nazývá se anabolismus.

Metabolismus organismu zahrnuje jak syntézní, tak degradační reakce, které se vyskytují současně a kontrolovaným způsobem v buňce.

Funkce

Hlavním cílem katabolismu je oxidovat živiny, které tělo používá jako „palivo“, nazývané sacharidy, bílkoviny a tuky. Degradace těchto biomolekul generuje energii a odpadní produkty, zejména oxid uhličitý a vodu.

Na katabolismu se podílí řada enzymů, což jsou proteiny zodpovědné za urychlení rychlosti chemických reakcí, ke kterým dochází v buňce.

Palivové látky jsou jídlo, které denně konzumujeme. Naše strava je tvořena bílkovinami, uhlohydráty a tuky, které se rozkládají katabolickými cestami. Tělo přednostně používá tuky a uhlohydráty, i když v případě nedostatku se může uchýlit k rozkladu bílkovin.

Energie extrahovaná katabolismem je obsažena v chemických vazbách uvedených biomolekul.

Když konzumujeme jakékoli jídlo, žvýkáme ho, aby bylo snazší strávit. Tento proces je analogický katabolismu, kdy tělo má na starosti „trávení“ částic na mikroskopické úrovni, takže jsou využívány syntetickými nebo anabolickými cestami.

Katabolické procesy

Katabolické dráhy nebo dráhy zahrnují všechny procesy rozkladu látek. Můžeme rozlišit tři fáze procesu:

- Různé biomolekuly nalezené v buňce (uhlohydráty, tuky a bílkoviny) jsou degradovány v základních jednotkách, které je tvoří (cukry, mastné kyseliny a aminokyseliny).

- Produkty fáze I přecházejí na jednodušší složky, které se sbíhají do společného meziproduktu zvaného acetyl-CoA.

- Nakonec tato sloučenina vstupuje do Krebsova cyklu, kde pokračuje ve své oxidaci, dokud nevytváří molekuly oxidu uhličitého a vody - konečné molekuly získané při jakékoli katabolické reakci.

Mezi nejvýznamnější patří močovinový cyklus, Krebsův cyklus, glykolýza, oxidační fosforylace a beta oxidace mastných kyselin. Níže popíšeme každou z uvedených tras:

Cyklus močoviny

Cyklus močoviny je katabolická cesta, která se vyskytuje v mitochondriích a v cytosolu jaterních buněk. Je zodpovědný za zpracování proteinových derivátů a finálním produktem je močovina.

Cyklus začíná vstupem první aminoskupiny z matrice mitochondrie, ačkoli může také vstoupit do jater střevem.

První reakční krok zahrnuje ATP, hydrogenuhličitanu ionty (HCO ₃ ^-) a amonný (NH ₄ ⁺) karbamoyl fosfát, ADP a P _i. Druhý krok spočívá v spojení karbamoyl fosfátu a ornithin, čímž se získá molekula citrulinu a P _i. Tyto reakce se vyskytují v mitochondriální matrici.

Cyklus pokračuje v cytosolu, kde se citrulin a aspartát kondenzují společně s ATP za vzniku argininosukcinátu, AMP a PP _i. Argininosukcinát přechází na arginin a fumarát. Aminokyselina arginin se spojí s vodou za vzniku ornithinu a nakonec močoviny.

Tento cyklus je propojen s Krebsovým cyklem, protože metabolit fumarátu se účastní obou metabolických cest. Každý cyklus však funguje nezávisle.

Klinické patologie související s touto cestou zabraňují pacientovi jíst stravu bohatou na bílkoviny.

Krebsův cyklus nebo cyklus kyseliny citronové

Krebsův cyklus je cesta, která se účastní buněčného dýchání všech organismů. Prostorově se vyskytuje v mitochondriích eukaryotických organismů.

Předchůdcem cyklu je molekula zvaná acetyl koenzym A, která kondenzuje s oxaloacetátovou molekulou. Toto spojení vytváří sloučeninu se šesti uhlíky. V každé revoluci se z cyklu získají dvě molekuly oxidu uhličitého a jedna molekula oxaloacetátu.

Cyklus začíná isomerizační reakcí katalyzovanou akonitázou, kde citrát prochází do cis-akonitátu a vody. Podobně aconitáza katalyzuje průchod cis-akonitátu do isocitrátu.

Isocitrát je oxidován na oxalosukcinát isocitrate dehydrogenázou. Tato molekula je dekarboxylována na alfa-ketoglutarát stejným enzymem, isocitrate dehydrogenázou. Alfa-ketoglutarát je přeměňován na sukcinyl-CoA působením alfa-ketoglutarát dehydrogenázy.

Succinyl-CoA se stává sukcinátem, který je oxidován na fumarát sukcinátdehydrogenázou. Fumarát se postupně stává l-malátem a nakonec se l-malát stává oxaloacetátem.

Cyklus může být shrnuta v následující rovnici: Acetyl-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + HDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂.

Glykolýza

Glykolýza, také nazývaná glykolýza, je zásadní cestou, která je přítomna prakticky ve všech živých organismech, od mikroskopických bakterií po velké savce. Cesta sestává z 10 enzymatických reakcí, které rozkládají glukózu na kyselinu pyruvovou.

Proces začíná fosforylací glukózové molekuly enzymem hexokinázou. Myšlenkou tohoto kroku je „aktivovat“ glukózu a zachytit ji uvnitř buňky, protože glukóza-6-fosfát nemá transportér, kterým může uniknout.

Glukóza-6-fosfát izomeráza bere glukózu-6-fosfát a přeskupuje ji do svého izomeru fruktózy-6-fosfátu. Třetí krok je katalyzován fosfhofruktokinázou a produktem je fruktóza-1,6-bisfosfát.

Potom aldoláza štěpí výše uvedenou sloučeninu na dihydroxyaceton fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Mezi těmito dvěma sloučeninami katalyzovanými triose fosfát izomerázou je rovnováha.

Enzym glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenáza produkuje 1,3-bisfosfoglycerát, který je v dalším kroku přeměněn fosfoglycerát kinázou na 3-fosfoglycerát. Fosfoglycerát mutáza mění polohu uhlíku a poskytuje 2-fosfoglycerát.

Eolaza bere tento metabolit a převádí jej na fosfoenolpyruvát. Poslední krok v cestě je katalyzován pyruvát kinázou a konečný produkt je pyruvát.

Oxidační fosforylace

Oxidační fosforylace je proces tvorby ATP díky přenosu elektronů z NADH nebo FADH ₂ na kyslík a představuje poslední krok v buněčných respiračních procesech. Vyskytuje se v mitochondriích a je hlavním zdrojem molekul ATP v aerobních respiračních organismech.

Jeho význam je nepopiratelný, protože oxidační fosforylace se vyskytuje 26 z 30 molekul ATP, které jsou vytvářeny jako produkt úplné oxidace glukózy na vodu a oxid uhličitý.

Koncepčně oxidační fosforylace spojuje oxidaci a syntézu ATP s tokem protonů membránovým systémem.

Tak, NADH nebo FADH ₂ generovány v různých cest, volání se glykolýza nebo oxidace mastných kyselin, se používá ke snížení kyslíku a volná energie vznikající v procesu se používá pro syntézu ATP.

β-oxidace mastných kyselin

Β-oxidace je soubor reakcí, které umožňují oxidaci mastných kyselin produkovat velké množství energie.

Způsob zahrnuje periodické uvolňování oblastí mastné kyseliny se dvěma uhlíky reakcí, dokud není mastná kyselina úplně degradována. Konečným produktem jsou molekuly acetyl-CoA, které mohou vstoupit do Krebsova cyklu a plně oxidovat.

Před oxidací musí být mastná kyselina aktivována, kde se váže na koenzym A. Transportér karnitinu je zodpovědný za přemístění molekul do matrice mitochondrie.

Po těchto předchozích krocích začíná samotná β-oxidace procesy oxidace, hydratace, oxidace pomocí NAD ⁺ a thiolysy.

Regulace katabolismu

Musí existovat řada procesů, které regulují různé enzymatické reakce, protože tyto nemohou pracovat po celou dobu maximální rychlostí. Metabolické dráhy jsou tedy regulovány řadou faktorů, včetně hormonů, neuronálních kontrol, dostupnosti substrátu a enzymatické modifikace.

Na každé trase musí být alespoň jedna nevratná reakce (to znamená, že se vyskytuje pouze v jednom směru) a která řídí rychlost celé trasy. To umožňuje, aby reakce pracovaly rychlostí vyžadovanou buňkou a brání syntézním a degradačním cestám pracovat současně.

Hormony jsou zvláště důležité látky, které působí jako chemické posly. Ty jsou syntetizovány v různých endokrinních žlázách a uvolňovány do krevního řečiště, aby působily. Některé příklady jsou:

Kortizol

Kortizol působí tak, že zpomaluje procesy syntézy a zvyšuje katabolické dráhy ve svalu. K tomuto účinku dochází uvolňováním aminokyselin do krevního řečiště.

Inzulín

Naproti tomu existují hormony, které mají opačný účinek a snižují katabolismus. Inzulín je zodpovědný za zvýšení syntézy proteinů a zároveň snižuje jejich katabolismus. V tomto případě se zvyšuje proteolýza, což usnadňuje výstup aminokyselin do svalu.

Rozdíly s anabolismem

Anabolismus a katabolismus jsou antagonistické procesy, které zahrnují celou řadu metabolických reakcí, které se vyskytují v organismu.

Oba procesy vyžadují více chemických reakcí katalyzovaných enzymy a jsou pod přísnou hormonální kontrolou, schopnou vyvolat nebo zpomalit určité reakce. Liší se však v následujících základních aspektech:

Syntéza a degradace molekul

Anabolismus zahrnuje syntézní reakce, zatímco katabolismus je zodpovědný za degradaci molekul. Přestože jsou tyto procesy obráceny, jsou spojeny v jemné rovnováze metabolismu.

Anabolismus je považován za divergentní proces, který bere jednoduché sloučeniny a přeměňuje je na větší sloučeniny. Na rozdíl od katabolismu, který je klasifikován jako konvergentní proces, díky získání malých molekul, jako je oxid uhličitý, amoniak a voda, z velkých molekul.

Různé katabolické dráhy berou makromolekuly, které tvoří jídlo a redukují je na jejich nejmenší složky. Anabolické dráhy jsou mezitím schopny tyto jednotky vzít a znovu vytvořit propracovanější molekuly.

Jinými slovy, tělo musí „změnit konfiguraci“ prvků, které tvoří jídlo, aby byly použity v procesech, které vyžaduje.

Tento proces je obdobou populární hry Lego, kde hlavní složky mohou tvořit různé struktury se širokou škálou prostorových uspořádání.

Využití energie

Katabolismus je zodpovědný za získávání energie obsažené v chemických vazbách potravin, proto jeho hlavním cílem je výroba energie. K této degradaci dochází ve většině případů oxidačními reakcemi.

Není však překvapivé, že katabolické dráhy vyžadují přidání energie v jejich počátečních krocích, jak jsme viděli v glykolytické cestě, která vyžaduje inverzi molekul ATP.

Na druhé straně je anabolismus zodpovědný za přidávání volné energie produkované katabolismem, aby se dosáhlo shromáždění sledovaných sloučenin. Anabolismus i katabolismus se v buňce vyskytují neustále a současně.

Obecně je ATP molekula použitá k přenosu energie. To se může rozšířit do oblastí, kde je to vyžadováno, a když je hydrolyzována, uvolní se chemická energie obsažená v molekule. Podobně lze energii přenášet jako atomy vodíku nebo elektrony.

Tyto molekuly jsou tzv koenzymy a zahrnují NADP, NADPH a FMNH ₂. Působí prostřednictvím redukčních reakcí. Dále mohou převádět redukční kapacitu do ATP.

Reference

1. Chan, YK, Ng, KP a Sim, DSM (Eds.). (2015). Farmakologické základy akutní péče. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka k biologii. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologie molekulárních buněk. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Encyklopedie výživy a dobrého zdraví. Infobase Publishing.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Základy biochemie: Život na molekulární úrovni. Panamerican Medical Ed.