קטבוליזם: פונקציות ותהליכים קטבוליים - ביולוגיה - 2025

הפירוק מקיף את כל תגובות ההשפלה של חומרים בגוף. בנוסף ל"פירוק "רכיבי הבי מולקולות ליחידות הקטנות ביותר שלהם, תגובות קטבוליות מייצרות אנרגיה, בעיקר בצורה של ATP.

המסלולים הקטבוליים אחראיים על השפלת המולקולות המגיעות ממזון: פחמימות, חלבונים וליפידים. במהלך התהליך, האנרגיה הכימית הכלולה בקשרים משתחררת לשימוש בפעילות סלולרית הדורשת זאת.

מקור: מאת EsquemaCatabolismo.svg: עצמי; תיקון טעויות קטנות: עבודה בסיסית רצחנית: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), באמצעות Wikimedia Commons

כמה דוגמאות למסלולי קטבוליקה ידועים הם: מחזור קרבס, חמצון בטא של חומצות שומן, גליקוליזה וזרחן חמצוני.

המולקולות הפשוטות המיוצרות על ידי קטבוליזם משמשות את התא לבניית היסודות הנחוצים, גם הם משתמשים באנרגיה המסופקת על ידי אותו תהליך. מסלול סינתזה זה הנו אנטגוניסט של קטבוליזם ונקרא אנבוליזם.

חילוף החומרים של אורגניזם מקיף גם תגובות סינתזה וגם השפלה, המתרחשות במקביל ובאופן מבוקר בתוך התא.

מאפיינים

המטרה העיקרית של קטבוליזם היא חמצון החומרים המזינים בהם הגוף משתמש כ"דלק ", המכונים פחמימות, חלבונים ושומנים. השפלה של ביומולקולות אלה מייצרת אנרגיה ופסולת, בעיקר פחמן דו חמצני ומים.

סדרת אנזימים משתתפת בקטבוליזם, שהם חלבונים האחראים להאצת מהירות התגובות הכימיות המתרחשות בתא.

חומרי דלק הם המזון שאנו צורכים מדי יום. הדיאטה שלנו מורכבת מחלבונים, פחמימות ושומנים המתפרקים על ידי מסלולי קטבוליים. עדיף שהגוף משתמש בשומנים ופחמימות, אם כי במצבים של מחסור הוא יכול להשתמש בפירוק חלבונים.

האנרגיה המופקת על ידי קטבוליזם כלולה בקשרים הכימיים של הבי-מולקולות שהוזכרו.

כאשר אנו צורכים מזון כלשהו, ​​אנו לועסים אותו כדי להקל על העיכול. תהליך זה מקביל לקטבוליזם, כאשר הגוף אחראי על "עיכול" החלקיקים ברמה המיקרוסקופית כך שישמשו אותם באמצעות הסינתזה או בנתיבים אנבוליים.

תהליכים קטבוליים

המסלולים או המסלולים הקטבוליים כוללים את כל תהליכי השפלה של חומרים. אנו יכולים להבחין בשלושה שלבים בתהליך:

- הבי-מולקולות השונות שנמצאות בתא (פחמימות, שומנים וחלבונים) מושפלות ביחידות היסוד המהוות אותן (סוכרים, חומצות שומן וחומצות אמינו, בהתאמה).

- תוצרי שלב I עוברים למרכיבים פשוטים יותר, המתכנסים ביניים משותף הנקרא אצטיל-CoA.

- לבסוף, תרכובת זו נכנסת למחזור קרבס, שם היא ממשיכה בחמצון עד שהיא מניבה מולקולות של פחמן דו חמצני ומים - המולקולות הסופיות המתקבלות בכל תגובה קטבולית.

בין הבולטים הם מחזור האוריאה, מחזור קרבס, גליקוליזה, זרחן חמצוני וחמצון בטא של חומצות שומן. להלן נתאר כל אחד מהנתיבים שהוזכרו:

מחזור אוריאה

מחזור השתן הוא מסלול קטבולי המתרחש במיטוכונדריה ובציטוזול של תאי הכבד. זה אחראי על עיבוד נגזרות חלבון והתוצר הסופי ממנו הוא אוריאה.

המחזור מתחיל בכניסת קבוצת האמינו הראשונה ממטריצת המיטוכונדריה, אם כי היא יכולה גם להיכנס לכבד דרך המעי.

הצעד התגובה הראשונה כרוכה ATP, יונים ביקרבונט (HCO ₃ ^- ) ו אמוניום (NH ₄ ⁺ ) פוספט carbomoyl, ADP ו- P _i . השלב השני מורכב מהאיחוד של קרבומואיל פוספט ואורניטין ליצירת מולקולה של ציטרולין ו- P _i . תגובות אלה מתרחשות במטריקס המיטוכונדריאלי.

המחזור ממשיך בציטוזול, שם מתעבים ציטרולין ואספרטט יחד עם ATP ליצירת ארגינינוצסינאט, AMP ו- PP _i . ארגינינוצסינאט עובר לארגינין וגימה. חומצת האמינו ארגינין משתלבת עם מים בכדי לתת אורניטין ולבסוף אוריאה.

מחזור זה מחובר זה לזה למחזור קרבס מכיוון שהמטבוליט הפומטרי משתתף בשני מסלולי המטבול. עם זאת, כל מחזור פועל באופן עצמאי.

הפתולוגיות הקליניות הקשורות למסלול זה מונעות מהמטופל לאכול תזונה עשירה בחלבון.

מחזור קרבס או מחזור חומצות לימון

מחזור הקרבס הוא מסלול שמשתתף בנשימה התאית של כל האורגניזמים. מבחינה מרחבית הוא מתרחש במיטוכונדריה של אורגניזמים אוקיארוטים.

מבשר המחזור הוא מולקולה הנקראת אצטיל קואנזים A, המתעבה עם מולקולת אוקסלואצטט. איחוד זה מייצר תרכובת של שש פחמן. בכל מהפכה המחזור מניב שתי מולקולות של פחמן דו חמצני ומולקולה אחת של אוקסאלואצטט.

המחזור מתחיל בתגובת איזומריזציה המנותזת על ידי אקוניטאז, שם הציטראט עובר לתוך ציס-אקוניט ומים. באופן דומה, אקוניטאז מזרז את המעבר של ציס-אקוניט לאיסוציטרט.

האיזוציטרט מחומצן לאוקסלוסוקצינאט על ידי איזוציטרט דהידרוגנז. מולקולה זו מנוגדת לחרושת אלפא-קטוגלוטרט על ידי אותו אנזים, איזוציטרט דהידרוגנז. אלפא-קטוגלוטרט מומר לסוקסיניל-CoA על ידי פעולה של אלפא-קטוגלוטרט דה-הידרוגנז.

סוקסיניל-CoA הופך לסוקסינאט, המחומצן לפומראט על ידי סוכטין דהידרוגנז. בהצלחה הפומאראט הופך ל- l-malate ולבסוף ה- l-malate הופך לאוקסלואצטט.

ניתן לסכם את המחזור במשוואה הבאה: Acetyl-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

גליקוליזה

גליקוליזה, המכונה גם גליקוליזה, היא מסלול מכריע הקיים כמעט בכל היצורים החיים, החל מחיידקים מיקרוסקופיים וכלה ביונקים גדולים. המסלול מורכב מעשרה תגובות אנזימטיות המפרקות גלוקוז לחומצה פירובית.

התהליך מתחיל בזרחן של מולקולת הגלוקוזה על ידי האנזים הקסוקינאז. הרעיון של צעד זה הוא "להפעיל" את הגלוקוז וללכוד אותו בתוך התא, מכיוון שלגלוקוז-6-פוספט אין טרנספורטר דרכו הוא יכול לברוח.

איזומרז גלוקוז-6-פוספט לוקח גלוקוז-6-פוספט ומסדר אותו מחדש לאיזומר הפרוקטוז-6-פוספט שלו. השלב השלישי מזרז פוסופרופוקטוקינאז והמוצר הוא פרוקטוז-1,6-ביספוספט.

לאחר מכן האלדולאז שובר את התרכובת לעיל לדיהידרוקסיצטון פוספט וגליצראלדהיד -3-פוספט. יש שיווי משקל בין שני תרכובות אלו המוזרזות על ידי איזומרז פוספט טריוס.

האנזים גליצראלדהיד-3-פוספט dehydrogenase מייצר 1,3-bisphosphoglycerate המומר ל- 3-phosphoglycerate בשלב הבא על ידי phosphoglycerate kinase. מוטוזה פוספוגליצרט משנה את מיקום הפחמן ומניבה דו-פוספוגליצרט.

Eolase לוקח את המטבוליט האחרון וממיר אותו לפוספואנולפירובט. השלב האחרון במסלול מזרז את פירובאט קינאז והתוצר הסופי הוא פירובט.

זרחן חמצוני

זרחן חמצוני הוא תהליך של היווצרות ATP בזכות העברת אלקטרונים מ- NADH או FADH ₂ לחמצן ומהווה את השלב האחרון בתהליכי הנשימה סלולריים. זה מופיע במיטוכונדריה והוא המקור העיקרי למולקולות ATP באורגניזמים של הנשימה אירובית.

אין לערער על חשיבותו, שכן 26 מתוך 30 מולקולות ATP הנוצרות כתוצר של חמצון מוחלט של גלוקוז למים ופחמן דו חמצני מתרחשות על ידי זרחן חמצוני.

מבחינה מושגית, זרחן חמצוני מקשר בין חמצון וסינתזה של ATP עם זרימת פרוטונים דרך מערכת הממברנה.

כך, NADH או FADH ₂ הנוצרים בדרכים שונות, מכנים זאת גליקוליזה או חמצון של חומצות שומן, משמשים להפחתת חמצן והאנרגיה החופשית הנוצרת בתהליך משמשת לסינתזה של ATP.

β-חמצון של חומצות שומן

Β חמצון הוא קבוצה של תגובות המאפשרות לחמצון של חומצות שומן לייצר כמויות אנרגיה גבוהות.

התהליך כולל שחרור תקופתי של אזורים של חומצת השומן הדו-פחמנית על ידי תגובה, עד שהחומצה השומנית מושפלת לחלוטין. התוצר הסופי הוא מולקולות אצטיל-CoA שיכולות להיכנס למחזור קרבס כדי להתחמצן במלואו.

לפני החמצון, יש להפעיל את חומצת השומן, שם היא נקשרת לקואנזים A. טרנספורטר הקרניטין אחראי לתרגם את המולקולות למטריצה ​​של המיטוכונדריה.

לאחר שלבים קודמים אלה, חמצון ה- β עצמו מתחיל בתהליכים של חמצון, הידרציה, חמצון על ידי NAD ⁺ ותיוליזיס.

ויסות קטבוליזם

חייבות להיות סדרה של תהליכים המווסתים את התגובות האנזימטיות השונות, מכיוון שאלו לא יכולים לעבוד כל הזמן במהירות המרבית שלהם. לפיכך, מסלולי חילוף החומרים מוסדרים על ידי מספר גורמים הכוללים הורמונים, בקרות עצביות, זמינות מצע ושינוי אנזימטי.

בכל מסלול חייבת להיות לפחות תגובה אחת בלתי הפיכה (כלומר היא מתרחשת בכיוון אחד בלבד) וזה מכוון את מהירות המסלול כולו. זה מאפשר לתגובות לעבוד במהירות הנדרשת על ידי התא ומונע מסלולי הסינתזה וההשפלה לעבוד בו זמנית.

הורמונים הם חומרים חשובים במיוחד הפועלים כשלוחים כימיים. אלה מסונתזים בבלוטות האנדוקריניות השונות ומשתחררים לזרם הדם לפעולה. חלק מהדוגמאות הן:

קורטיזול

קורטיזול פועל על ידי האטת תהליכי הסינתזה והגדלת המסלול הקטבולי בשריר. השפעה זו מתרחשת על ידי שחרור חומצות אמינו לזרם הדם.

אִינסוּלִין

לעומת זאת, ישנם הורמונים בעלי השפעה הפוכה ומפחיתים את הקטבוליזם. האינסולין אחראי להגברת סינתזת החלבון ובמקביל להפחתת הקטבוליזם שלהם. במקרה זה, הפרוטאוליזה עולה, המאפשרת את תפוקת חומצות האמינו לשריר.

הבדלים עם אנבוליזם

אנבוליזם וקטבוליזם הם תהליכים אנטגוניסטיים הכוללים את מכלול התגובות המטבוליות המתרחשות באורגניזם.

שני התהליכים דורשים תגובות כימיות מרובות שמסולזות על ידי אנזימים ונמצאים תחת שליטה הורמונאלית קפדנית המסוגלת לעורר או להאט תגובות מסוימות. עם זאת, הם נבדלים זה מזה בהיבטים הבסיסיים הבאים:

סינתזה והשפלת מולקולות

אנאבוליזם כולל את התגובות הסינתזה ואילו קטבוליזם אחראי להשפלת מולקולות. למרות שתהליכים אלה מתהפכים, הם קשורים במאזן העדין של חילוף החומרים.

אנו אומרים כי אנבוליזם הוא תהליך שונה, הנוטל תרכובות פשוטות והופך אותן לתרכובות גדולות יותר. בניגוד לקטבוליזם, המסווג כתהליך מתכנס, בגלל השגת מולקולות קטנות כמו פחמן דו חמצני, אמוניה ומים, ממולקולות גדולות.

המסלולים הקטבוליים השונים לוקחים את המקרו-מולקולות המרכיבות מזון ומצמצמים אותם למרכיביהם הקטנים ביותר. מסלולי אנבוליקה, בינתיים, מסוגלים לקחת יחידות אלה ולבנות מולקולות משוכללות יותר.

במילים אחרות, הגוף צריך "לשנות את התצורה" של האלמנטים המרכיבים מזון כך שישמשו בתהליכים שהוא דורש.

התהליך מקביל למשחק הלגו הפופולרי, בו המרכיבים העיקריים יכולים ליצור מבנים שונים עם מגוון רחב של סידורים מרחביים.

שימוש באנרגיה

קטבוליזם אחראי לחילוץ האנרגיה הכלולה בקשרים הכימיים של המזון, ולכן מטרתו העיקרית היא ייצור אנרגיה. השפלה זו מתרחשת, ברוב המקרים, בתגובות חמצוניות.

עם זאת, אין זה מפתיע כי מסלולי קטבוליים דורשים הוספת אנרגיה בצעדים הראשונים שלהם, כפי שראינו במסלול הגליקוליטי, הדורש היפוך של מולקולות ATP.

מצד שני, אנבוליזם אחראי להוסיף את האנרגיה החופשית המיוצרת בקטבוליזם בכדי להשיג את הרכיב של תרכובות העניין. גם אנבוליזם וגם קטבוליזם מתרחשים באופן תדיר ובו זמנית בתא.

באופן כללי, ATP היא המולקולה המשמשת להעברת אנרגיה. זה יכול להתפזר לאזורים שבהם הוא נדרש וכאשר הוא מביא הידרוליזה משתחררת האנרגיה הכימית הכלולה במולקולה. באופן דומה ניתן להעביר אנרגיה כאטומי מימן או אלקטרונים.

מולקולות אלה נקראות קואנזימים וכוללות NADP, NADPH ו- FMNH ₂ . הם פועלים באמצעות תגובות צמצום. יתר על כן, הם יכולים להעביר את הקיבולת המקטינה ל- ATP.

הפניות

1. צ'אן, YK, Ng, KP, ו- Sim, DSM (Edds). (2015). הבסיס הפרמקולוגי לטיפול חריף. הוצאת ספרינגר בינלאומית.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). הזמנה לביולוגיה. מקמילן.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). ביולוגיה מולקולרית של התא. מקמילן.
4. Ronzio, RA (2003). האנציקלופדיה של תזונה ובריאות טובה. הוצאת אינפובייס.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). יסודות הביוכימיה: חיים ברמה המולקולרית. פנמריקנית רפואית אד.