KATABOLIZMUS: KATABOLICKÉ FUNKCIE A PROCESY - BIOLÓGIE - 2026

Katabolizmu zahŕňa všetky degradačné reakcie látok v tele. Okrem „rozkladu“ zložiek biomolekúl na ich najmenšie jednotky produkujú katabolické reakcie energiu, najmä vo forme ATP.

Katabolické dráhy sú zodpovedné za degradáciu molekúl, ktoré pochádzajú z potravy: uhľohydráty, bielkoviny a lipidy. Počas procesu sa uvoľňuje chemická energia obsiahnutá vo väzbách, aby sa mohla použiť pri bunkových činnostiach, ktoré to vyžadujú.

Zdroj: Autor: EsquemaCatabolismo.svg: já; oprava malých chýb: Basquetteurderivative work: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), prostredníctvom Wikimedia Commons

Niektoré príklady dobre známych katabolických ciest sú: Krebsov cyklus, beta oxidácia mastných kyselín, glykolýza a oxidačná fosforylácia.

Bunky vytvárajú jednoduché molekuly produkované katabolizmom na vybudovanie potrebných prvkov, ktoré využívajú energiu získanú rovnakým procesom. Táto cesta syntézy je antagonistom katabolizmu a nazýva sa anabolizmus.

Metabolizmus organizmu zahŕňa tak syntézu, ako aj degradačné reakcie, ktoré sa vyskytujú súčasne a kontrolovaným spôsobom v bunke.

Vlastnosti

Hlavným cieľom katabolizmu je oxidovať živiny, ktoré telo používa ako „palivo“, nazývané uhľohydráty, bielkoviny a tuky. Degradácia týchto biomolekúl vytvára energiu a odpadové produkty, najmä oxid uhličitý a vodu.

Na katabolizme sa podieľa celý rad enzýmov, čo sú proteíny zodpovedné za urýchlenie rýchlosti chemických reakcií, ktoré sa vyskytujú v bunke.

Palivové látky sú jedlo, ktoré denne konzumujeme. Naša strava sa skladá z bielkovín, uhľohydrátov a tukov, ktoré sa rozkladajú katabolickými cestami. Telo prednostne používa tuky a uhľohydráty, hoci v prípade ich nedostatku sa môže uchýliť k rozkladu bielkovín.

Energia extrahovaná katabolizmom je obsiahnutá v chemických väzbách uvedených biomolekúl.

Keď konzumujeme nejaké jedlo, žuváme ho, aby sa ľahšie strávil. Tento proces je analogický katabolizmu, kde telo má na starosti „trávenie“ častíc na mikroskopickej úrovni, takže ich využíva syntéza alebo anabolické cesty.

Katabolické procesy

Katabolické dráhy alebo dráhy zahŕňajú všetky degradačné procesy látok. Môžeme rozlíšiť tri fázy procesu:

- Rôzne biomolekuly nachádzajúce sa v bunke (uhľohydráty, tuky a bielkoviny) sa degradujú v základných jednotkách, ktoré ich tvoria (cukry, mastné kyseliny a aminokyseliny).

- Výrobky zo stupňa I prechádzajú na jednoduchšie zložky, ktoré sa zbližujú do spoločného medziproduktu nazývaného acetyl-CoA.

- Nakoniec táto zlúčenina vstupuje do Krebsovho cyklu, kde pokračuje v oxidácii, až kým nevytvára molekuly oxidu uhličitého a vody - výsledné molekuly získané pri akejkoľvek katabolickej reakcii.

Medzi najvýznamnejšie patria močovinový cyklus, Krebsov cyklus, glykolýza, oxidačná fosforylácia a beta oxidácia mastných kyselín. Nižšie popíšeme každú z uvedených trás:

Cyklus močoviny

Cyklus močoviny je katabolická dráha, ktorá sa vyskytuje v mitochondriách a v cytosóle pečeňových buniek. Je zodpovedný za spracovanie proteínových derivátov a konečným produktom je močovina.

Cyklus začína vstupom prvej aminoskupiny z matrice mitochondrie, hoci môže tiež vstúpiť do pečene cez črevo.

Prvý reakčný krok zahŕňa ATP, hydrogenuhličitanu ióny (HCO ₃ ^- ) a amónny (NH ₄ ⁺ ) karbamoyl fosfát, ADP a P _i . Druhý krok spočíva v spojení karbamoyl fosfátu a ornitín, čím sa získa molekula citrulínu a P _i . Tieto reakcie sa vyskytujú v mitochondriálnej matrici.

Cyklus pokračuje v cytosolu, kde citrulín a aspartátu kondenzátu spolu s ATP pre generovanie argininosukcinátsyntetázy, AMP a PP _i . Argininosukcinát prechádza na arginín a fumarát. Aminokyselina arginín sa kombinuje s vodou za vzniku ornitínu a nakoniec močoviny.

Tento cyklus je prepojený s Krebsovým cyklom, pretože metabolit fumarátu sa podieľa na oboch metabolických cestách. Každý cyklus však pôsobí nezávisle.

Klinické patológie súvisiace s touto cestou bránia pacientovi jesť stravu bohatú na bielkoviny.

Krebsov cyklus alebo cyklus kyseliny citrónovej

Krebsov cyklus je cesta, ktorá sa podieľa na bunkovom dýchaní všetkých organizmov. Priestorovo sa vyskytuje v mitochondriách eukaryotických organizmov.

Prekurzorom cyklu je molekula nazývaná acetyl koenzým A, ktorá kondenzuje s oxaloacetátovou molekulou. Tento spoj vytvára šesť uhlíkovú zlúčeninu. V každej revolúcii sa z cyklu získajú dve molekuly oxidu uhličitého a jedna molekula oxaloacetátu.

Cyklus začína izomerizačnou reakciou katalyzovanou akonitázou, kde citrát prechádza do cis-akonitátu a vody. Podobne akonitáza katalyzuje prechod cis-akonitátu na izocitrát.

Izocitrát je oxidovaný na oxalosukcinát izocitrátdehydrogenázou. Táto molekula je dekarboxylovaná na alfa-ketoglutarát rovnakým enzýmom, izocitrátdehydrogenázou. Alfa-ketoglutarát sa premení na sukcinyl-CoA pôsobením alfa-ketoglutarát dehydrogenázy.

Sukcinyl-CoA sa stáva sukcinátom, ktorý sa oxiduje na fumarát sukcinátdehydrogenázou. Fumarát sa postupne stáva l-malátom a nakoniec sa z l-malátu stáva oxaloacetát.

Cyklus môže byť zhrnutá v nasledujúcej 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, tiež nazývaná glykolýza, je rozhodujúcou cestou, ktorá sa vyskytuje prakticky vo všetkých živých organizmoch, od mikroskopických baktérií po veľké cicavce. Cesta pozostáva z 10 enzymatických reakcií, ktoré štiepia glukózu na kyselinu pyrohroznovú.

Proces začína fosforyláciou glukózovej molekuly enzýmom hexokináza. Cieľom tohto kroku je „aktivovať“ glukózu a zachytiť ju vo vnútri bunky, pretože glukóza-6-fosfát nemá transportér, cez ktorý môže uniknúť.

Glukóza-6-fosfát izomeráza vezme glukózu-6-fosfát a preusporiada ju na jej izomér fruktóza-6-fosfát. Tretí krok je katalyzovaný fosfofruktokinázou a produktom je fruktóza-1,6-bisfosfát.

Potom aldoláza štiepi vyššie uvedenú zlúčeninu na dihydroxyacetónfosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Medzi týmito dvoma zlúčeninami katalyzovanými triózou fosfát izomerázou je rovnováha.

Enzým glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza produkuje 1,3-bisfosfoglycerát, ktorý sa v nasledujúcom kroku prevedie fosfoglycerátkinázou na 3-fosfoglycerát. Fosfoglycerát mutáza mení polohu uhlíka a poskytuje 2-fosfoglycerát.

Eolaza berie tento metabolit a konvertuje ho na fosfoenolpyruvát. Posledný krok v ceste je katalyzovaný pyruvátkinázou a konečný produkt je pyruvát.

Oxidačná fosforylácia

Oxidatívny fosforylácie je proces tvorby ATP vďaka prenosu elektrónov z NADH alebo FADH z ₂ na kyslík a tvorí posledný krok v bunkovom dýchaní procesoch. Vyskytuje sa v mitochondriách a je hlavným zdrojom molekúl ATP v aeróbnych respiračných organizmoch.

Jeho význam je nepopierateľný, pretože oxidačnou fosforyláciou sa vyskytuje 26 z 30 molekúl ATP, ktoré sa tvoria ako produkt úplnej oxidácie glukózy na vodu a oxid uhličitý.

Koncepčne oxidačná fosforylácia spája oxidáciu a syntézu ATP s tokom protónov cez membránový systém.

Tak, NADH alebo FADH ₂ generované v rôznych ciest, volanie sa glykolýza alebo oxidácie mastných kyselín, sa používa na zníženie kyslíka a voľná energia vznikajúca v procese sa používa pre syntézu ATP.

p-oxidácia mastných kyselín

Β-oxidácia je skupina reakcií, ktoré umožňujú oxidácii mastných kyselín produkovať vysoké množstvo energie.

Tento spôsob zahrnuje periodické uvoľňovanie oblastí mastnej kyseliny s dvoma uhlíkmi reakciou, až kým sa mastná kyselina úplne nerozloží. Konečným produktom sú molekuly acetyl-CoA, ktoré môžu vstúpiť do Krebsovho cyklu, aby boli úplne oxidované.

Pred oxidáciou musí byť mastná kyselina aktivovaná, keď sa viaže na koenzým A. Transportér karnitínu je zodpovedný za translokáciu molekúl do matrice mitochondrií.

Po týchto predchádzajúcich krokoch samotná p-oxidácia začína procesmi oxidácie, hydratácie, oxidácie pomocou NAD ⁺ a tiolyzou.

Regulácia katabolizmu

Musí existovať celý rad procesov, ktoré regulujú rôzne enzymatické reakcie, pretože tieto nemôžu vždy pracovať pri maximálnej rýchlosti. Metabolické dráhy sú teda regulované celým radom faktorov vrátane hormónov, neuronálnych kontrol, dostupnosti substrátu a enzymatickej modifikácie.

Na každej trase musí byť najmenej jedna nezvratná reakcia (to znamená, že sa vyskytuje iba v jednom smere) a ktorá riadi rýchlosť celej trasy. To umožňuje, aby reakcie pracovali pri rýchlosti, ktorú vyžaduje bunka, a bráni syntéze a degradácii v tom istom čase.

Hormóny sú obzvlášť dôležité látky, ktoré pôsobia ako chemické posly. Tieto sa syntetizujú v rôznych endokrinných žľazách a uvoľňujú sa do krvného obehu, aby pôsobili. Niektoré príklady sú:

kortizol

Kortizol účinkuje tak, že spomaľuje syntézu a zvyšuje katabolické dráhy vo svaloch. Tento účinok nastáva uvoľňovaním aminokyselín do krvného riečišťa.

inzulín

Naopak, existujú hormóny, ktoré majú opačný účinok a znižujú katabolizmus. Inzulín je zodpovedný za zvýšenie syntézy bielkovín a zároveň znižuje ich katabolizmus. V tomto prípade sa zvyšuje proteolýza, ktorá uľahčuje produkciu aminokyselín do svalu.

Rozdiely s anabolizmom

Anabolizmus a katabolizmus sú antagonistické procesy, ktoré zahŕňajú množstvo metabolických reakcií, ktoré sa vyskytujú v organizme.

Oba procesy vyžadujú viac chemických reakcií katalyzovaných enzýmami a sú pod prísnou hormonálnou kontrolou, ktoré sú schopné vyvolať alebo spomaliť určité reakcie. Líšia sa však v týchto základných aspektoch:

Syntéza a degradácia molekúl

Anabolizmus zahŕňa syntézu, zatiaľ čo katabolizmus je zodpovedný za degradáciu molekúl. Aj keď sú tieto procesy zvrátené, sú spojené s jemnou rovnováhou metabolizmu.

Anabolizmus je považovaný za odlišný proces, ktorý berie jednoduché zlúčeniny a mení ich na väčšie zlúčeniny. Na rozdiel od katabolizmu, ktorý je klasifikovaný ako konvergentný proces v dôsledku získavania malých molekúl, ako je oxid uhličitý, amoniak a voda, z veľkých molekúl.

Rôzne katabolické dráhy berú makromolekuly, ktoré tvoria jedlo a redukujú ich na najmenšie zložky. Anabolické dráhy sú medzitým schopné tieto jednotky odobrať a znova vytvoriť zložitejšie molekuly.

Inými slovami, telo musí „zmeniť konfiguráciu“ prvkov, ktoré tvoria jedlo, aby sa použili v procesoch, ktoré vyžaduje.

Tento proces je analogický populárnej hre Lego, kde hlavné zložky môžu tvoriť rôzne štruktúry so širokou škálou priestorových usporiadaní.

Využitie energie

Katabolizmus je zodpovedný za získavanie energie obsiahnutej v chemických väzbách potravín, a preto je jeho hlavným cieľom výroba energie. K tejto degradácii dochádza vo väčšine prípadov oxidačnými reakciami.

Nie je však prekvapujúce, že katabolické dráhy vyžadujú pridávanie energie v počiatočných krokoch, ako sme videli v glykolytickej ceste, ktorá vyžaduje inverziu molekúl ATP.

Na druhej strane anabolizmus je zodpovedný za pridanie voľnej energie produkovanej katabolizmom, aby sa dosiahlo zostavenie požadovaných zlúčenín. Anabolizmus aj katabolizmus sa v bunke vyskytujú neustále a súčasne.

Všeobecne je ATP molekula použitá na prenos energie. Toto sa môže šíriť do oblastí, kde je to potrebné a keď hydrolyzuje chemickú energiu obsiahnutú v molekule, ktorá sa uvoľňuje. Podobne sa energia môže prenášať ako atómy vodíka alebo elektróny.

Tieto molekuly sú tzv koenzýmy a zahŕňajú NADP, NADPH a FMNH ₂ . Pôsobia redukčnými reakciami. Okrem toho môžu redukčnú kapacitu preniesť do ATP.

Referencie

1. Chan, YK, Ng, KP a Sim, DSM (Eds.). (2015). Farmakologický základ akútnej starostlivosti. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Pozvánka do biológie. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Molekulárna bunková biológia. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Encyklopédia výživy a dobrého zdravia. Infobase Publishing.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Základy biochémie: Život na molekulárnej úrovni. Panamerican Medical Ed.