KATABOLIZAM: KATABOLIČKE FUNKCIJE I PROCESI - BIOLOGIJA - 2026

Katabolizam obuhvaća sve reakcije razgradnje tvari u tijelu. Pored "razgradnje" komponenti biomolekula u njihove najmanje jedinice, kataboličke reakcije proizvode energiju, uglavnom u obliku ATP-a.

Katabolički putevi odgovorni su za razgradnju molekula koje potiču iz hrane: ugljikohidrata, proteina i lipida. Tijekom procesa, kemijska energija sadržana u vezama se oslobađa da bi se koristila u staničnim aktivnostima koje to zahtijevaju.

Izvor: Autor EsquemaCatabolismo.svg: sebe; ispravljanje malih pogrešaka: Basketterizvodički rad: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), putem Wikimedia Commons

Neki primjeri dobro poznatih kataboličkih puteva su: Krebsov ciklus, beta oksidacija masnih kiselina, glikoliza i oksidativna fosforilacija.

Jednostavne molekule proizvedene katabolizmom stanica koristi za izgradnju potrebnih elemenata, također koristeći energiju dobijenu istim postupkom. Taj put sinteze je antagonist katabolizma i naziva se anabolizmom.

Metabolizam organizma obuhvaća reakcije sinteze i razgradnje, koje se odvijaju istovremeno i kontrolirano u stanici.

Značajke

Glavni cilj katabolizma je oksidacija hranjivih tvari koje tijelo koristi kao "gorivo", koje se nazivaju ugljikohidrati, bjelančevine i masti. Razgradnjom tih biomolekula stvaraju se energija i otpadni proizvodi, uglavnom ugljični dioksid i voda.

Niz enzima sudjeluje u katabolizmu, a to su proteini odgovorni za ubrzanje brzine kemijskih reakcija koje se događaju u stanici.

Supstance za gorivo su hrana koju konzumiramo svakodnevno. Naša prehrana sastoji se od bjelančevina, ugljikohidrata i masti koje se razgrađuju kataboličkim putevima. Tijelo preferirano koristi masti i ugljikohidrate, iako u situacijama oskudice može pribjeći razgradnji proteina.

Energija izvučena katabolizmom sadržana je u kemijskim vezama spomenutih biomolekula.

Kad konzumiramo bilo koju hranu, žvačemo je kako bismo je lakše probavili. Proces je analogan katabolizmu, gdje je tijelo zaduženo za "probavu" čestica na mikroskopskoj razini, tako da ih oni koriste sinteznim ili anaboličkim putem.

Katabolički procesi

Katabolički putevi ili putovi uključuju sve procese razgradnje tvari. U procesu možemo razlikovati tri faze:

- Različite biomolekule koje se nalaze u stanici (ugljikohidrati, masti i proteini) razgrađuju se u osnovnim jedinicama koje ih čine (šećeri, masne kiseline i aminokiseline, respektivno).

- Proizvodi faze I prelaze na jednostavnije sastavne dijelove, koji se konvergiraju u zajednički intermedijar koji se zove acetil-CoA.

- Konačno, ovaj spoj ulazi u Krebsov ciklus, gdje nastavlja oksidaciju sve dok ne dobije molekule ugljičnog dioksida i vode - završne molekule dobivene u bilo kojoj kataboličkoj reakciji.

Među najistaknutijim su urea ciklus, Krebsov ciklus, glikoliza, oksidativna fosforilacija i beta oksidacija masnih kiselina. U nastavku ćemo opisati svaki od navedenih ruta:

Ciklus uree

Ciklus uree je katabolički put koji se javlja u mitohondrijama i u citosolu jetrenih stanica. Odgovorna je za preradu proteinskih derivata, a konačni proizvod od njih je ureja.

Ciklus započinje ulaskom prve amino skupine iz matrice mitohondrija, iako on može u jetru ući i kroz crijeva.

Prvi reakcijski korak uključuje ATP, bikarbonata iona (HCO ₃ ^-) i amonijaka (NH ₄ ⁺) karbomoil fosfat, ADP i P _I. Drugi korak sastoji se od spoja karbomoil fosfata i ornitina, čime se dobiva molekula citrulina i P _i. Te se reakcije događaju u mitohondrijskom matriksu.

Ciklus se nastavlja u citosolu, gdje se citrulin i aspartat kondenziraju zajedno s ATP-om da bi se stvorio argininosukcinat, AMP i PP _i. Argininosukcinat prelazi u arginin i fumarat. Aminokiselina arginin kombinira se s vodom da bi se dobio ornitin i na kraju urea.

Taj je ciklus međusobno povezan s Krebsovim ciklusom jer fumaratni metabolit sudjeluje u oba metabolička puta. Međutim, svaki ciklus djeluje neovisno.

Kliničke patologije povezane s tim putem sprečavaju pacijenta da jede dijetu bogatu proteinima.

Krebsov ciklus ili ciklus limunske kiseline

Krebsov ciklus je put koji sudjeluje u staničnom disanju svih organizama. Prostorno se javlja u mitohondrijama eukariotskih organizama.

Predznak ciklusa je molekula nazvana acetil koenzim A, koja se kondenzira s molekulom oksaloacetata. Ova unija stvara spoj sa šest ugljika. U svakoj revoluciji, ciklus daje dvije molekule ugljičnog dioksida i jednu molekulu oksaloacetata.

Ciklus započinje reakcijom izomerizacije koja katalizira akonitazu, gdje citrat prelazi u cis-akonitat i vodu. Slično tome, akonitaza katalizira prolazak cis-akonitata u izocitrat.

Izocitrat se oksidira u oksalosukcinat izocitrat dehidrogenazom. Ova se molekula dekarboksilira u alfa-ketoglutarat istim enzimom, izocitrat dehidrogenazom. Alfa-ketoglutarat se pretvara u sukcinil-CoA djelovanjem alfa-ketoglutarata dehidrogenaze.

Sukcinil-CoA postaje sukcinat, koji se oksidira u fumarat sukcinatom dehidrogenazom. Sukcesivno fumarat postaje l-malat i na kraju l-malat postaje oksaloacetat.

Ciklus se može sažeti u sljedeću jednadžbu: Acetil-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + BDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂.

glikoliza

Glikoliza, koja se također naziva glikoliza, presudan je put koji je prisutan u gotovo svim živim organizmima, od mikroskopskih bakterija do velikih sisavaca. Put se sastoji od 10 enzimskih reakcija koje razgrađuju glukozu do piruične kiseline.

Proces započinje fosforilacijom molekule glukoze enzimom hekokinazom. Ideja ovog koraka je "aktivirati" glukozu i zarobiti je u stanici, jer glukoza-6-fosfat nema prijenosnik kroz koji može pobjeći.

Glukozno-6-fosfatna izomeraza uzima glukozu-6-fosfat i preuređuje je u svoj izomer fruktoze-6-fosfata. Treći korak katalizira foshofruktokinaza, a produkt je fruktoza-1,6-bisfosfat.

Zatim, aldolaza razloži gornji spoj u dihidroksiaceton fosfat i gliceraldehid-3-fosfat. Između ta dva spoja koja je katalizirana trioznom fosfatnom izomerazom postoji ravnoteža.

Enzim gliceraldehid-3-fosfat dehidrogenaza stvara 1,3-bisfosfoglicerat koji se u sljedećem koraku fosfoglicerat kinazom pretvara u 3-fosfoglicerat. Fosfogliceratna mutaza mijenja položaj ugljika i daje 2-fosfoglicerat.

Eolaza uzima potonji metabolit i pretvara ga u fosfoenolpiruvat. Posljednji korak u putu katalizira piruvat kinaza, a krajnji produkt je piruvat.

Oksidativne fosforilacije

Oksidativna fosforilacija je proces stvaranja ATP-a zahvaljujući prijenosu elektrona iz NADH ili FADH ₂ u kisik i predstavlja posljednji korak u staničnim procesima disanja. Javlja se u mitohondrijama i glavni je izvor ATP molekula u organizmima aerobnog disanja.

Njegova je važnost neosporna, jer 26 od 30 molekula ATP-a koje nastaju kao produkt potpune oksidacije glukoze u vodu i ugljičnog dioksida nastaje oksidacijskom fosforilacijom.

Konceptualno, oksidativna fosforilacija spaja oksidaciju i sintezu ATP-a s protokom protona kroz membranski sustav.

Stoga se NADH ili FADH ₂ generirani na različite načine, nazivaju ga glikoliza ili oksidacija masnih kiselina, koriste za smanjenje kisika, a slobodna energija koja se stvara u procesu se koristi za sintezu ATP-a.

β-oksidacija masnih kiselina

Β-oksidacija je skup reakcija koje omogućuju oksidaciju masnih kiselina da proizvode velike količine energije.

Proces uključuje periodično oslobađanje područja dvo-ugljične masne kiseline reakcijom dok se masna kiselina potpuno ne razgradi. Krajnji proizvod su acetil-CoA molekule koje mogu ući u Krebsov ciklus da bi bile u potpunosti oksidirane.

Prije oksidacije, masna kiselina mora se aktivirati tamo gdje se veže na koenzim A. Transporter karnitina odgovoran je za premještanje molekula na matricu mitohondrija.

Nakon ovih prethodnih koraka, β-oksidacija započinje procesima oksidacije, hidratacije, oksidacije NAD ⁺ i tiolize.

Regulacija katabolizma

Mora postojati niz postupaka koji reguliraju različite enzimske reakcije, jer oni ne mogu raditi cijelo vrijeme svojom maksimalnom brzinom. Stoga su metabolički putevi regulirani nizom faktora, uključujući hormone, neuronske kontrole, dostupnost supstrata i enzimske modifikacije.

U svakom pravcu mora postojati barem jedna nepovratna reakcija (to jest, događa se samo u jednom smjeru) i to usmjerava brzinu cijele rute. To omogućava reakcijama da rade brzinom koju zahtijeva stanica i sprječava da istovremeno djeluju putevi sinteze i razgradnje.

Hormoni su posebno važne tvari koje djeluju kao kemijski glasnici. Oni se sintetiziraju u različitim endokrinim žlijezdama i puštaju se u krvotok kako bi djelovali. Neki su primjeri:

kortizol

Kortizol djeluje usporavajući procese sinteze i povećavajući kataboličke puteve u mišićima. Ovaj učinak nastaje ispuštanjem aminokiselina u krvotok.

insulin

Suprotno tome, postoje hormoni koji imaju suprotan učinak i smanjuju katabolizam. Inzulin je odgovoran za povećanje sinteze proteina i ujedno smanjuje njihov katabolizam. U tom se slučaju proteoliza povećava, što olakšava izlaz aminokiselina u mišić.

Razlike s anabolizmom

Anabolizam i katabolizam su antagonistički procesi koji obuhvataju ukupnost metaboličkih reakcija koje se događaju u organizmu.

Oba postupka zahtijevaju više kemijskih reakcija kataliziranih enzimima i pod strogom su hormonskom kontrolom sposobni pokrenuti ili usporiti određene reakcije. Međutim, one se razlikuju u sljedećim temeljnim aspektima:

Sinteza i razgradnja molekula

Anabolizam obuhvaća reakcije sinteze, dok je katabolizam odgovoran za razgradnju molekula. Iako su ti procesi obrnuti, povezani su u osjetljivoj ravnoteži metabolizma.

Kaže se da je anabolizam različit proces, uzima jednostavne spojeve i pretvara ih u veće spojeve. Suprotno katabolizmu, koji je klasificiran kao konvergentni proces, zbog dobivanja malih molekula poput ugljičnog dioksida, amonijaka i vode, iz velikih molekula.

Različiti katabolički putevi uzimaju makromolekule koje čine hranu i reduciraju ih na njihove najmanje sastojke. U međuvremenu, anabolički putevi sposobni su preuzeti ove jedinice i ponovo izgraditi složenije molekule.

Drugim riječima, tijelo mora "promijeniti konfiguraciju" elemenata koji čine hranu tako da se oni koriste u postupcima koje traži.

Postupak je analogan popularnoj Lego igri, gdje glavni sastojci mogu tvoriti različite strukture s širokim rasponom prostornih rasporeda.

Korištenje energije

Katabolizam je odgovoran za ekstrahiranje energije sadržane u kemijskim vezama hrane, stoga je njegov glavni cilj stvaranje energije. Do ove degradacije dolazi, u većini slučajeva, oksidativnim reakcijama.

Međutim, nije iznenađujuće da katabolički putevi zahtijevaju dodavanje energije u svojim početnim koracima, kao što smo vidjeli u glikolitičkom putu, koji zahtijeva inverziju ATP molekula.

S druge strane, anabolizam je odgovoran za dodavanje slobodne energije proizvedene katabolizmom kako bi se postiglo sklapanje spojeva koji su od interesa. I anabolizam i katabolizam javljaju se stalno i istovremeno u stanici.

Općenito, ATP je molekula koja se koristi za prijenos energije. To može biti difuzno na područja gdje je potrebno i kad hidrolizira kemijsku energiju koja se nalazi u molekuli oslobađa se. Slično tome, energija se može transportirati u obliku atoma vodika ili elektrona.

Te se molekule nazivaju koencimi i uključuju NADP, NADPH i FMNH ₂. Oni djeluju kroz reakcije redukcije. Nadalje, oni mogu prenijeti smanjenje kapaciteta u ATP.

Reference

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (ur.). (2015). Farmakološke osnove akutne njege. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., i Barnes, NS (1994). Poziv na biologiju. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, Kalifornija, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekularna stanična biologija. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Enciklopedija prehrane i dobrog zdravlja. Izdavaštvo Infobase.
5. Voet, D., Voet, J., i Pratt, CW (2007). Temelji biokemije: život na molekularnoj razini. Panamerican Medical Ed.