- Eigenschaften
- Katabolische Prozesse
- Der Harnstoffkreislauf
- Der Krebszyklus oder Zitronensäurezyklus
- Glykolyse
- Oxidative Phosphorylierung
- β-Oxidation von Fettsäuren
- Regulation des Katabolismus
- Cortisol
- Insulin
- Unterschiede zum Anabolismus
- Synthese und Abbau von Molekülen
- Energieverbrauch
- Verweise
Der Katabolismus umfasst alle Abbaureaktionen von Substanzen im Körper. Katabolische Reaktionen "zerlegen" nicht nur die Bestandteile von Biomolekülen in ihre kleinsten Einheiten, sondern produzieren auch Energie, hauptsächlich in Form von ATP.
Die katabolen Wege sind für den Abbau der aus der Nahrung stammenden Moleküle verantwortlich: Kohlenhydrate, Proteine und Lipide. Während des Prozesses wird die in den Bindungen enthaltene chemische Energie freigesetzt, um für zelluläre Aktivitäten verwendet zu werden, die dies erfordern.
Quelle: Von EsquemaCatabolismo.svg: ich selbst; Korrektur kleiner Fehler: Basquetteurderivative Arbeit: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), via Wikimedia Commons
Einige Beispiele für bekannte katabolische Wege sind: der Krebszyklus, die Beta-Oxidation von Fettsäuren, die Glykolyse und die oxidative Phosphorylierung.
Die durch den Katabolismus erzeugten einfachen Moleküle werden von der Zelle verwendet, um die notwendigen Elemente aufzubauen, wobei auch die Energie verwendet wird, die durch denselben Prozess bereitgestellt wird. Dieser Syntheseweg ist der Antagonist des Katabolismus und wird Anabolismus genannt.
Der Metabolismus eines Organismus umfasst sowohl Synthese- als auch Abbaureaktionen, die gleichzeitig und kontrolliert in der Zelle ablaufen.
Eigenschaften
Das Hauptziel des Katabolismus besteht darin, die Nährstoffe zu oxidieren, die der Körper als "Brennstoff" verwendet, die als Kohlenhydrate, Proteine und Fette bezeichnet werden. Der Abbau dieser Biomoleküle erzeugt Energie und Abfallprodukte, hauptsächlich Kohlendioxid und Wasser.
Eine Reihe von Enzymen ist am Katabolismus beteiligt. Hierbei handelt es sich um Proteine, die für die Beschleunigung der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen in der Zelle verantwortlich sind.
Kraftstoffsubstanzen sind die Lebensmittel, die wir täglich konsumieren. Unsere Ernährung besteht aus Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten, die über katabolische Pfade abgebaut werden. Der Körper verwendet bevorzugt Fette und Kohlenhydrate, obwohl er in Situationen der Knappheit auf den Abbau von Proteinen zurückgreifen kann.
Die durch den Katabolismus gewonnene Energie ist in den chemischen Bindungen der genannten Biomoleküle enthalten.
Wenn wir Lebensmittel konsumieren, kauen wir sie, um die Verdauung zu erleichtern. Dieser Prozess ist analog zum Katabolismus, bei dem der Körper dafür verantwortlich ist, die Partikel auf mikroskopischer Ebene zu „verdauen“, damit sie auf dem Synthese- oder anabolen Weg verwendet werden.
Katabolische Prozesse
Die katabolen Wege oder Wege umfassen alle Abbauprozesse von Substanzen. Wir können drei Phasen des Prozesses unterscheiden:
- Die verschiedenen in der Zelle vorkommenden Biomoleküle (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) werden in den Grundeinheiten abgebaut, aus denen sie bestehen (Zucker, Fettsäuren bzw. Aminosäuren).
- Die Produkte der Stufe I gehen in einfachere Bestandteile über, die in einem gemeinsamen Zwischenprodukt namens Acetyl-CoA konvergieren.
- Schließlich tritt diese Verbindung in den Krebszyklus ein, wo sie ihre Oxidation fortsetzt, bis sie Moleküle aus Kohlendioxid und Wasser ergibt - die endgültigen Moleküle, die bei jeder katabolen Reaktion erhalten werden.
Zu den bekanntesten zählen der Harnstoffzyklus, der Krebszyklus, die Glykolyse, die oxidative Phosphorylierung und die Beta-Oxidation von Fettsäuren. Nachfolgend beschreiben wir jede der genannten Routen:
Der Harnstoffkreislauf
Der Harnstoffzyklus ist ein katabolischer Weg, der in Mitochondrien und im Cytosol von Leberzellen auftritt. Es ist für die Verarbeitung von Proteinderivaten verantwortlich und das Endprodukt davon ist Harnstoff.
Der Zyklus beginnt mit dem Eintritt der ersten Aminogruppe aus der Matrix der Mitochondrien, kann aber auch über den Darm in die Leber gelangen.
Der erste Reaktionsschritt umfasst ATP, Bicarbonationen (HCO 3 - ) und Ammonium (NH 4 + ) carbomoylphosphat, ADP und P i . Der zweite Schritt besteht in der Vereinigung von Carbomoylphosphat und Ornithin zu einem Molekül aus Citrullin und P i . Diese Reaktionen treten in der mitochondrialen Matrix auf.
Der Zyklus setzt sich im Cytosol fort, wo Citrullin und Aspartat zusammen mit ATP kondensieren, um Argininosuccinat, AMP und PP i zu erzeugen . Argininosuccinat geht in Arginin und Fumarat über. Die Aminosäure Arginin verbindet sich mit Wasser zu Ornithin und schließlich zu Harnstoff.
Dieser Zyklus ist mit dem Krebszyklus verbunden, da der Fumaratmetabolit an beiden Stoffwechselwegen beteiligt ist. Jeder Zyklus wirkt jedoch unabhängig.
Die mit diesem Weg verbundenen klinischen Pathologien verhindern, dass der Patient eine proteinreiche Ernährung zu sich nimmt.
Der Krebszyklus oder Zitronensäurezyklus
Der Krebszyklus ist ein Weg, der an der Zellatmung aller Organismen beteiligt ist. Räumlich kommt es in den Mitochondrien eukaryotischer Organismen vor.
Der Vorläufer des Zyklus ist ein Molekül namens Acetyl-Coenzym A, das mit einem Oxalacetat-Molekül kondensiert. Diese Vereinigung erzeugt eine Sechs-Kohlenstoff-Verbindung. In jeder Umdrehung liefert der Zyklus zwei Moleküle Kohlendioxid und ein Molekül Oxalacetat.
Der Zyklus beginnt mit einer durch Aconitase katalysierten Isomerisierungsreaktion, bei der das Citrat in cis-Aconitat und Wasser übergeht. In ähnlicher Weise katalysiert Aconitase den Übergang von cis-Aconitat in Isocitrat.
Isocitrat wird durch Isocitratdehydrogenase zu Oxalosuccinat oxidiert. Dieses Molekül wird durch dasselbe Enzym, Isocitratdehydrogenase, zu Alpha-Ketoglutarat decarboxyliert. Alpha-Ketoglutarat wird durch die Wirkung von Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase in Succinyl-CoA umgewandelt.
Succinyl-CoA wird zu Succinat, das durch Succinatdehydrogenase zu Fumarat oxidiert wird. Nacheinander wird das Fumarat zu L-Malat und schließlich wird das L-Malat zu Oxalacetat.
Der Zyklus kann in der folgenden Gleichung zusammengefasst werden: Acetyl-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2 H 2 O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH 2 + GTP + 2 CO 2 .
Glykolyse
Die Glykolyse, auch Glykolyse genannt, ist ein entscheidender Weg, der in praktisch allen lebenden Organismen vorhanden ist, von mikroskopisch kleinen Bakterien bis zu großen Säugetieren. Die Route besteht aus 10 enzymatischen Reaktionen, bei denen Glukose zu Brenztraubensäure abgebaut wird.
Der Prozess beginnt mit der Phosphorylierung des Glucosemoleküls durch das Enzym Hexokinase. Die Idee dieses Schritts ist es, die Glukose zu "aktivieren" und in der Zelle einzufangen, da Glukose-6-phosphat keinen Transporter hat, durch den sie entweichen kann.
Glucose-6-phosphat-Isomerase nimmt Glucose-6-phosphat auf und ordnet es in sein Fructose-6-phosphat-Isomer um. Der dritte Schritt wird durch Phosphofructokinase katalysiert und das Produkt ist Fructose-1,6-bisphosphat.
Dann spaltet die Aldolase die obige Verbindung in Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd-3-phosphat. Zwischen diesen beiden durch Triosephosphatisomerase katalysierten Verbindungen besteht ein Gleichgewicht.
Das Enzym Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase erzeugt 1,3-Bisphosphoglycerat, das im nächsten Schritt durch Phosphoglyceratkinase in 3-Phosphoglycerat umgewandelt wird. Phosphoglyceratmutase verändert die Position des Kohlenstoffs und ergibt 2-Phosphoglycerat.
Eolase nimmt den letzteren Metaboliten und wandelt ihn in Phosphoenolpyruvat um. Der letzte Schritt auf dem Weg wird durch Pyruvatkinase katalysiert und das Endprodukt ist Pyruvat.
Oxidative Phosphorylierung
Die oxidative Phosphorylierung ist ein Prozess der ATP-Bildung dank der Übertragung von Elektronen von NADH oder FADH 2 auf Sauerstoff und bildet den letzten Schritt in der Zellatmung. Es kommt in den Mitochondrien vor und ist die Hauptquelle für ATP-Moleküle in aeroben Atmungsorganismen.
Ihre Bedeutung ist unbestreitbar, da 26 von 30 ATP-Molekülen, die als Produkt der vollständigen Oxidation von Glucose zu Wasser und Kohlendioxid entstehen, durch oxidative Phosphorylierung entstehen.
Konzeptionell koppelt die oxidative Phosphorylierung die Oxidation und Synthese von ATP mit einem Protonenfluss durch das Membransystem.
So wird NADH oder FADH 2, das auf verschiedenen Wegen erzeugt wird, Glykolyse oder Oxidation von Fettsäuren genannt, verwendet, um Sauerstoff zu reduzieren, und die dabei erzeugte freie Energie wird für die Synthese von ATP verwendet.
β-Oxidation von Fettsäuren
Β-Oxidation ist eine Reihe von Reaktionen, die es der Oxidation von Fettsäuren ermöglichen, hohe Energiemengen zu erzeugen.
Das Verfahren beinhaltet die periodische Freisetzung von Regionen der Zwei-Kohlenstoff-Fettsäure durch Reaktion, bis die Fettsäure vollständig abgebaut ist. Das Endprodukt sind Acetyl-CoA-Moleküle, die in den Krebszyklus eintreten können, um vollständig oxidiert zu werden.
Vor der Oxidation muss die Fettsäure aktiviert werden, wo sie an Coenzym A bindet. Der Carnitintransporter ist für die Translokation der Moleküle in die Matrix der Mitochondrien verantwortlich.
Nach diesen vorherigen Schritten beginnt die β-Oxidation selbst mit den Prozessen der Oxidation, Hydratation, Oxidation durch NAD + und Thiolyse.
Regulation des Katabolismus
Es muss eine Reihe von Prozessen geben, die die verschiedenen enzymatischen Reaktionen regulieren, da diese nicht immer mit maximaler Geschwindigkeit arbeiten können. Somit werden Stoffwechselwege durch eine Reihe von Faktoren reguliert, einschließlich Hormonen, neuronalen Kontrollen, Substratverfügbarkeit und enzymatischer Modifikation.
Auf jeder Route muss es mindestens eine irreversible Reaktion geben (dh sie tritt nur in eine Richtung auf), die die Geschwindigkeit der gesamten Route steuert. Dies ermöglicht, dass die Reaktionen mit der von der Zelle geforderten Geschwindigkeit ablaufen und verhindert, dass die Synthese- und Abbauwege gleichzeitig ablaufen.
Hormone sind besonders wichtige Substanzen, die als chemische Botenstoffe wirken. Diese werden in den verschiedenen endokrinen Drüsen synthetisiert und in den Blutkreislauf freigesetzt, um zu wirken. Einige Beispiele sind:
Cortisol
Cortisol verlangsamt die Synthesevorgänge und erhöht die katabolen Bahnen im Muskel. Dieser Effekt tritt durch die Freisetzung von Aminosäuren in den Blutkreislauf auf.
Insulin
Im Gegensatz dazu gibt es Hormone, die den gegenteiligen Effekt haben und den Katabolismus verringern. Insulin ist für die Steigerung der Proteinsynthese verantwortlich und verringert gleichzeitig deren Katabolismus. In diesem Fall nimmt die Proteolyse zu, was die Abgabe von Aminosäuren an den Muskel erleichtert.
Unterschiede zum Anabolismus
Anabolismus und Katabolismus sind antagonistische Prozesse, die die Gesamtheit der in einem Organismus auftretenden Stoffwechselreaktionen umfassen.
Beide Prozesse erfordern mehrere chemische Reaktionen, die durch Enzyme katalysiert werden, und unterliegen einer strengen hormonellen Kontrolle, die bestimmte Reaktionen auslösen oder verlangsamen kann. Sie unterscheiden sich jedoch in folgenden grundlegenden Aspekten:
Synthese und Abbau von Molekülen
Der Anabolismus umfasst die Synthesereaktionen, während der Katabolismus für den Abbau von Molekülen verantwortlich ist. Obwohl diese Prozesse umgekehrt sind, hängen sie mit dem empfindlichen Gleichgewicht des Stoffwechsels zusammen.
Anabolismus soll ein divergierender Prozess sein, bei dem einfache Verbindungen in größere Verbindungen umgewandelt werden. Im Gegensatz zum Katabolismus, der aufgrund der Gewinnung kleiner Moleküle wie Kohlendioxid, Ammoniak und Wasser aus großen Molekülen als konvergenter Prozess eingestuft wird.
Die verschiedenen katabolen Wege nehmen die Makromoleküle, aus denen die Nahrung besteht, auf und reduzieren sie auf ihre kleinsten Bestandteile. Anabole Pfade sind in der Lage, diese Einheiten aufzunehmen und wieder ausgefeiltere Moleküle aufzubauen.
Mit anderen Worten, der Körper muss die Konfiguration der Elemente, aus denen Lebensmittel bestehen, "ändern", damit sie in den erforderlichen Prozessen verwendet werden.
Der Prozess ist analog zum beliebten Lego-Spiel, bei dem die Hauptbestandteile unterschiedliche Strukturen mit einer Vielzahl von räumlichen Anordnungen bilden können.
Energieverbrauch
Der Katabolismus ist für die Gewinnung der Energie verantwortlich, die in den chemischen Bindungen von Lebensmitteln enthalten ist. Daher ist sein Hauptziel die Energieerzeugung. Dieser Abbau erfolgt in den meisten Fällen durch oxidative Reaktionen.
Es ist jedoch nicht überraschend, dass katabolische Pfade in ihren ersten Schritten das Hinzufügen von Energie erfordern, wie wir im glykolytischen Pfad gesehen haben, der die Inversion von ATP-Molekülen erfordert.
Andererseits ist der Anabolismus dafür verantwortlich, die im Katabolismus erzeugte freie Energie hinzuzufügen, um den Zusammenbau der interessierenden Verbindungen zu erreichen. Sowohl Anabolismus als auch Katabolismus treten ständig und gleichzeitig in der Zelle auf.
Im Allgemeinen ist ATP das Molekül, das zur Energieübertragung verwendet wird. Dies kann in die Bereiche diffundieren, in denen es benötigt wird, und wenn es hydrolysiert, wird die im Molekül enthaltene chemische Energie freigesetzt. Ebenso kann Energie als Wasserstoffatome oder Elektronen transportiert werden.
Diese Moleküle werden Coenzyme genannt und umfassen NADP, NADPH und FMNH 2 . Sie wirken durch Reduktionsreaktionen. Darüber hinaus können sie die Reduktionskapazität in ATP übertragen.
Verweise
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