Ένας ακόμη κύκλος της ζωής. Καταβολικές διεργασίες, διαφορές με αναβολισμό.

Ένας ακόμη κύκλος της ζωής. Καταβολικές διεργασίες, διαφορές με αναβολισμό.

(Η περιγραφή των καταβολικών οδών αφορά κυρίως μαθητές και φοιτητές και μπορεί να παραληφθεί κατά τη μελέτη του κειμένου.)

Ο καταβολισμός περιλαμβάνει όλες τις αντιδράσεις αποικοδόμησης ουσιών στο σώμα. Εκτός από την “αποσύνθεση” των συστατικών των βιομορίων στις μικρότερες μονάδες τους, οι καταβολικές αντιδράσεις παράγουν ενέργεια, κυρίως με τη μορφή ΑΤΡ..
Οι καταβολικές οδοί είναι υπεύθυνες για την υποβάθμιση των μορίων που προέρχονται από τα τρόφιμα: υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λιπίδια. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η χημική ενέργεια που περιέχεται στους δεσμούς απελευθερώνεται για χρήση σε κυτταρικές δραστηριότητες που την απαιτούν.

Μερικά παραδείγματα πολύ γνωστών καταβολικών οδών είναι: ο κύκλος του Krebs, η βήτα οξείδωση των λιπαρών οξέων, η γλυκόλυση και η οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Τα απλά μόρια που παράγονται από τον καταβολισμό χρησιμοποιούνται από το κύτταρο για την κατασκευή των απαραίτητων στοιχείων, χρησιμοποιώντας επίσης την ενέργεια που παρέχεται από την ίδια διαδικασία. Αυτή η οδός σύνθεσης είναι ο ανταγωνιστής καταβολισμού και ονομάζεται αναβολισμός.

Ο μεταβολισμός ενός οργανισμού περιλαμβάνει τόσο τις αντιδράσεις σύνθεσης όσο και την αποικοδόμηση, που συμβαίνουν ταυτόχρονα και ελέγχονται εντός του κυττάρου.

Λειτουργίες
Ο καταβολισμός έχει ως κύριο στόχο την οξείδωση των θρεπτικών ουσιών που το σώμα χρησιμοποιεί ως «καύσιμο», που ονομάζονται υδατάνθρακες, πρωτεΐνες και λίπη. Η υποβάθμιση αυτών των βιομορίων δημιουργεί ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ (+) ΑΠΟΒΛΗΤΑ, κυρίως διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

 

Μια σειρά από ένζυμα συμμετέχουν στον καταβολισμό, τα οποία είναι πρωτεΐνες υπεύθυνες για την επιτάχυνση της ταχύτητας των χημικών αντιδράσεων που εμφανίζονται στο κύτταρο.
Οι ουσίες καυσίμων είναι τα τρόφιμα που καταναλώνουμε καθημερινά. Η διατροφή μας αποτελείται από πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λίπη που υποβαθμίζονται από καταβολικές οδούς. Ο οργανισμός χρησιμοποιεί κατά προτίμηση λίπη και υδατάνθρακες, αν και σε καταστάσεις έλλειψης μπορεί να καταφύγει στην υποβάθμιση πρωτεϊνών.
Η ενέργεια που εξάγεται από τον καταβολισμό περιέχεται στους χημικούς δεσμούς των αναφερθέντων βιομορίων.
Όταν καταναλώνουμε οποιοδήποτε φαγητό, το μασώνουμε για να το καταφέρουμε πιο εύκολα. Αυτή η διαδικασία είναι ανάλογη με τον καταβολισμό, όπου το σώμα είναι υπεύθυνο για την «πέψη» των σωματιδίων σε μικροσκοπικό επίπεδο έτσι ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν με συνθετικές ή αναβολικές οδούς.

Καταβολικές διεργασίες
Οι καταβολικές οδοί περιλαμβάνουν όλες τις διεργασίες αποικοδόμησης των ουσιών. Μπορούμε να διακρίνουμε τρία στάδια στη διαδικασία:
– Τα διαφορετικά βιομόρια που βρίσκονται στο κύτταρο (υδατάνθρακες, λίπη και πρωτεΐνες) αποικοδομούνται στις θεμελιώδεις μονάδες που τις συνθέτουν (σάκχαρα, λιπαρά οξέα και αμινοξέα, αντίστοιχα).
– Τα προϊόντα του σταδίου Ι περνούν σε απλούστερα συστατικά, τα οποία συγκλίνουν σε ένα κοινό ενδιάμεσο που ονομάζεται ακετυλ-CοΑ.
– Τελευταία, αυτή η ένωση εισέρχεται στον κύκλο του Krebs περαιτέρω οξειδώνεται για να δώσει μόρια του διοξειδίου του άνθρακα και νερού – τελική μορφήμορίων που λαμβάνονται σε οποιαδήποτε καταβολική αντίδραση.

Ανάμεσα στις πιο γνωστές καταβολικές αντιδράσεις είναι τα ο κύκλος της ουρίας, ο κύκλος του Krebs, η γλυκόλυση, η οξειδωτική φωσφορυλίωση και η βήτα-οξείδωση των λιπαρών οξέων. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε κάθε μια από τις αναφερθείσες διαδρομές:

Ο κύκλος της ουρίας
Ο κύκλος της ουρίας είναι μια καταβολική οδός που εμφανίζεται στα μιτοχόνδρια και στο κυτταρόπλασμα των ηπατικών κυττάρων. Είναι υπεύθυνη για την επεξεργασία των παραγώγων πρωτεϊνών και το τελικό προϊόν αυτών είναι η ουρία.


Ο κύκλος αρχίζει με την είσοδο της πρώτης αμινομάδας(αμινομάδες είναι αζωτούχες οργανικές ενώσεις) από τη μήτρα των μιτοχονδρίων, αλλά μπορεί επίσης να εισέλθει στο ήπαρ μέσω του εντέρου.
Η πρώτη αντίδραση περιλαμβάνει τη διέλευση των ΑΤΡ, διττανθρακικών ιόντων (HCO)3-) και αμμώνιο (ΝΗ4+) σε φωσφορικό καρβομοϋλ, ΑϋΡ και Ρi. Το δεύτερο στάδιο είναι η δέσμευση του φωσφορικού καρβομοϋλίου και της ορνιθίνης για να δώσει ένα μόριο κιτρουλίνης και Ρi. Αυτές οι αντιδράσεις εμφανίζονται στη μιτοχονδριακή μήτρα.
Ο κύκλος συνεχίζεται στο κυτταρόπλασμα, όπου η κιτρουλλίνη και το ασπαρτικό συμπυκνώνεται μαζί με το ΑΤΡ για να παράγουν αργινινοηλεκτρικό, ΑΜΡ και ΡΡi. Το αργινινοηλεκτρικό άλας περνάει σε αργινίνη και φουμαρικό άλας. Το αμινοξύ αργινίνη συνδυάζεται με νερό για να δώσει ορνιθίνη και, τέλος, ουρία.
Αυτός ο κύκλος συνδέεται με τον κύκλο του Krebs επειδή ο φουμαρικός μεταβολίτης συμμετέχει και στις δύο μεταβολικές οδούς. Ωστόσο, κάθε κύκλος λειτουργεί ανεξάρτητα.
Οι κλινικές παθολογίες που σχετίζονται με αυτή τη διαδρομή αποτρέπουν τον ασθενή να πάρει μια δίαιτα πλούσια σε πρωτεΐνες (καθώς τα συστατικά των πρωτεινών είναι τα αμινοξέα που περιλαμβάνουν τουλάχιστον μία αμινομάδα.)

Ο κύκλος του Krebs ή ο κύκλος του κιτρικού οξέος
Ο κύκλος του Krebs είναι ένα μονοπάτι που συμμετέχει στην κυτταρική αναπνοή όλων των οργανισμών. Χωροτακτικά, εμφανίζεται στα μιτοχόνδρια των ευκαρυωτικών οργανισμών.
Ο πρόδρομος του κύκλου είναι ένα μόριο που ονομάζεται ακετύλιο συνένζυμο Α, το οποίο συμπυκνώνεται με ένα μόριο οξαλοξικού. Αυτή η ένωση παράγει μια ένωση έξι ανθράκων. Σε κάθε επανάσταση, ο κύκλος αποδίδει δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα και ένα μόριο οξαλοξικού.
Ο κύκλος αρχίζει με μία αντίδραση ισομερισμού καταλυόμενη από ακονίταση, όπου το κιτρικό διέρχεται σε cis-ακονίτη και νερό. Παρομοίως, η ακονιτάση καταλύει τη δίοδο του cis-ακονίτη σε ισοκυτταρικό άλας.
Το ισοκυκλικό οξύ οξειδώνεται προς οξαλουκκινικό με ισοκυτταρική αφυδρογονάση. Αυτό το μόριο αποκαρβοξυλιώνεται σε άλφα-κετογλουταρικό με το ίδιο ένζυμο ισοκυτταρική αφυδρογονάση. Το άλφα-κετογλουταρικό διέρχεται στο ηλεκτρυλ-ΟοΑ με τη δράση της άλφα-κετογλουταρικής αφυδρογονάσης.
Το σουκκινύλιο-ΟοΑ περνά στο ηλεκτρικό, το οποίο οξειδώνεται προς φουμαρικό με ηλεκτρική αφυδρογονάση. Στη συνέχεια το φουμαρικό διέρχεται στο 1-μηλικό και τελικά το Ι-μηλικό διέρχεται στο οξαλικό άλας.
Ο κύκλος μπορεί να συνοψιστεί στην ακόλουθη εξίσωση: Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 Η2O → CoA-SH + 3 (NADH + Η +) + FADH2 + GTP + 2 CO2.

Γλυκόλυση
Η γλυκόλυση, που ονομάζεται επίσης γλυκόλυση, είναι μια κρίσιμη οδός που υπάρχει σχεδόν σε όλους τους ζώντες οργανισμούς, από τα μικροσκοπικά βακτήρια μέχρι τα μεγάλα θηλαστικά. Η διαδρομή αποτελείται από 10 ενζυματικές αντιδράσεις που αποικοδομούν τη γλυκόζη σε πυροσταφυλικό οξύ.

Η διαδικασία αρχίζει με τη φωσφορυλίωση του μορίου γλυκόζης από το ένζυμο εξοκινάση. Η ιδέα αυτού του βήματος είναι να “ενεργοποιήσει” τη γλυκόζη και να την παγιδεύσει μέσα στο κύτταρο, δεδομένου ότι η γλυκόζη-6-φωσφορική δεν έχει έναν μεταφορέα μέσω του οποίου μπορεί να διαφύγει.
Η γλυκόζη-6-φωσφορική ισομεράση παίρνει το 6-φωσφορικό γλυκόζη και την αναδιατάσσει στο ισομερές της φρουκτόζης-6-φωσφορικής. Το τρίτο στάδιο καταλύεται από φωσφοφρουκτοκινάση και το προϊόν είναι 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη.
Στη συνέχεια, η αλδαλάση διασπά την ανωτέρω ένωση σε φωσφορική διυδροξυακετόνη και 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη. Υπάρχει μια ισορροπία μεταξύ αυτών των δύο ενώσεων που καταλύονται από την ισομεράση φωσφορικής τριόζης.
Γλυκεραλδεΰδης-3-φωσφορικής αφυδρογονάσης ένζυμο παράγει 1,3-δισφωσφογλυκερικό που μετατρέπεται σε 3-φωσφογλυκερικό στο επόμενο βήμα από το γονίδιο φωσφογλυκερικής κινάσης. Η φωσφογλυκερική μουτάση αλλάζει τη θέση του άνθρακα και αποδίδει 2-φωσφογλυκερικό άλας.
Το Enolase παίρνει αυτόν τον τελευταίο μεταβολίτη και το μετατρέπει σε φωσφοενελοπυροσταφυλικό. Το τελευταίο στάδιο της οδού καταλύεται από πυροσταφυλική κινάση και το τελικό προϊόν είναι πυροσταφυλικό.

Οξειδωτική φωσφορυλίωση
Η οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι μια διαδικασία σχηματισμού ΑΤΡ χάρη στη μεταφορά ηλεκτρονίων από NADH ή FADH2 μέχρι το οξυγόνο και είναι το τελευταίο βήμα των διαδικασιών κυτταρικής αναπνοής. Εμφανίζεται στα μιτοχόνδρια και αποτελεί την κύρια πηγή μορίων ΑΤΡ σε οργανισμούς με αερόβια αναπνοή.
Η σημασία της είναι αναμφισβήτητη, όπως οι 26 30 μόρια ΑΤΡ που παράγεται ως αποτέλεσμα της πλήρους οξείδωσης της γλυκόζης σε νερό και διοξείδιο του άνθρακα λαμβάνει χώρα με οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Ενδεικτικά, η οξειδωτική φωσφορυλίωση ζευγαρώνει την οξείδωση και σύνθεση του ΑΤΡ με μία ροή πρωτονίων μέσω του συστήματος μεμβράνης.
Έτσι, το NADH ή το FADH2 που δημιουργούνται σε διάφορες διαδρομές, κλήση γλυκόλυση ή οξείδωση των λιπαρών οξέων χρησιμοποιείται για να μειώσει το οξυγόνο και ελεύθερη ενέργεια που παράγεται κατά τη διαδικασία χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του ΑΤΡ.
β-οξείδωση των λιπαρών οξέων
Β-οξείδωση είναι ένα σύνολο αντιδράσεων που επιτρέπουν την οξείδωση των λιπαρών οξέων για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας.
Η διαδικασία περιλαμβάνει την περιοδική απελευθέρωση περιοχών λιπαρών οξέων από δύο άτομα άνθρακα ανά αντίδραση έως ότου αποικοδομεί πλήρως το λιπαρό οξύ. Το τελικό προϊόν είναι μόρια ακετυλ-ΟοΑ που μπορούν να εισέλθουν στον κύκλο Krebs για να οξειδώσουν πλήρως.
Πριν από την οξείδωση, το λιπαρό οξύ πρέπει να ενεργοποιηθεί, όπου συνδέεται με το συνένζυμο Α καρνιτίνη μεταφορέας είναι υπεύθυνος για να μετατοπίσει τα μόρια στην μιτοχονδριακή μήτρα.
Μετά από αυτά τα προηγούμενα στάδια, η ίδια η β-οξείδωση ξεκινά με τις διαδικασίες οξείδωσης, ενυδάτωσης, οξείδωσης με NAD+ και της θειόλυσης.

Ρύθμιση καταβολισμού
Πρέπει να υπάρχει μια σειρά διαδικασιών που ρυθμίζουν τις διάφορες ενζυματικές αντιδράσεις, καθώς αυτές δεν μπορούν να λειτουργήσουν συνεχώς με τη μέγιστη ταχύτητά τους. Έτσι, οι οδοί του μεταβολισμού ρυθμίζονται από μια σειρά παραγόντων που περιλαμβάνουν ορμόνες, νευρωνικούς ελέγχους, διαθεσιμότητα υποστρώματος και ενζυματική τροποποίηση.
Σε κάθε διαδρομή πρέπει να υπάρχει τουλάχιστον μία μη αναστρέψιμη αντίδραση (δηλαδή, μία προς μία κατεύθυνση) και να κατευθύνει την ταχύτητα ολόκληρου του δρόμου. Αυτό επιτρέπει στις αντιδράσεις να δουλεύουν με την ταχύτητα που απαιτείται από το κύτταρο και να εμποδίζουν τις οδούς σύνθεσης και αποικοδόμησης από το να εργάζονται ταυτόχρονα.
Οι ορμόνες είναι ιδιαίτερα σημαντικές ουσίες που δρουν ως χημικοί αγγελιοφόροι. Αυτά συντίθενται στους διάφορους ενδοκρινείς αδένες και απελευθερώνονται στην κυκλοφορία του αίματος για να δράσουν. Μερικά παραδείγματα είναι:

Κορτιζόλη
Η κορτιζόλη δρα μειώνοντας τις διεργασίες σύνθεσης και αυξάνοντας τις καταβολικές οδούς στον μυ. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει με την απελευθέρωση αμινοξέων στην κυκλοφορία του αίματος.
Ινσουλίνη
Αντίθετα, υπάρχουν ορμόνες που έχουν το αντίθετο αποτέλεσμα και μειώνουν τον καταβολισμό. Η ινσουλίνη είναι υπεύθυνη για την αύξηση της σύνθεσης των πρωτεϊνών και ταυτόχρονα μειώνει τον καταβολισμό αυτών. Σε αυτή την περίπτωση αυξάνεται η πρωτεόλυση, η οποία διευκολύνει την έξοδο αμινοξέων στον μυ.
Διαφορές με αναβολισμό
Ο αναβολισμός και ο καταβολισμός είναι ανταγωνιστικές διεργασίες που περιλαμβάνουν το σύνολο των μεταβολικών αντιδράσεων που εμφανίζονται σε έναν οργανισμό.
Και οι δύο διαδικασίες απαιτούν πολλαπλές χημικές αντιδράσεις καταλυόμενες από ένζυμα και υπό αυστηρό έλεγχο ορμονών ικανές να προκαλέσουν ή να επιβραδύνουν ορισμένες αντιδράσεις. Ωστόσο, διαφέρουν στις ακόλουθες θεμελιώδεις πτυχές:

Σύνθεση και αποικοδόμηση μορίων
Ο αναβολισμός περιλαμβάνει τις αντιδράσεις σύνθεσης ενώ ο καταβολισμός είναι υπεύθυνος για την αποικοδόμηση των μορίων. Αν και αυτές οι διαδικασίες είναι αντίστροφο, συνδέονται με την ευαίσθητη ισορροπία του μεταβολισμού.
Λέγεται ότι ο αναβολισμός είναι μια αποκλίνουσα διαδικασία, δεδομένου ότι παίρνει απλές ενώσεις και τις μετατρέπει σε μεγαλύτερες ενώσεις. Σε αντίθεση με τον καταβολισμό, ο οποίος ταξινομείται ως διαδικασία σύγκλισης, με τη λήψη μικρών μορίων όπως το διοξείδιο του άνθρακα, η αμμωνία και το νερό, από μεγάλα μόρια.
Οι διαφορετικές καταβολικές οδοί λαμβάνουν τα μακρομόρια που σχηματίζουν τα τρόφιμα και τα μειώνουν στα μικρότερα συστατικά τους. Οι αναβολικές οδοί, από την άλλη πλευρά, είναι σε θέση να πάρουν αυτές τις μονάδες και να χτίσουν και πάλι πιο περίτεχνα μόρια.
Με άλλα λόγια, ο οργανισμός πρέπει να “αλλάξει τη διαμόρφωση” των στοιχείων που αποτελούν το τρόφιμο που θα χρησιμοποιηθεί στις διαδικασίες που απαιτούν.
Η διαδικασία είναι ανάλογη με το λαϊκό παιχνίδι του legos, όπου τα κύρια συστατικά μπορούν να σχηματίσουν διαφορετικές δομές με ευρεία ποικιλία χωρικών διατάξεων.

Χρήση ενέργειας
Ο καταβολισμός είναι υπεύθυνος για την εξόρυξη της ενέργειας που περιέχεται στους χημικούς δεσμούς των τροφίμων, οπότε ο κύριος στόχος της είναι η παραγωγή ενέργειας. Αυτή η υποβάθμιση εμφανίζεται, στις περισσότερες περιπτώσεις, από οξειδωτικές αντιδράσεις.
Ωστόσο, δεν είναι περίεργο ότι οι καταβολικές οδοί απαιτούν την προσθήκη ενέργειας στα αρχικά τους βήματα, όπως είδαμε στην γλυκολυτική οδό, η οποία απαιτεί την αναστροφή των μορίων ΑΤΡ.
Από την άλλη πλευρά, ο αναβολισμός είναι υπεύθυνος για την προσθήκη της ελεύθερης ενέργειας που παράγεται στον καταβολισμό για να επιτευχθεί η συναρμολόγηση των ενδιαφερομένων ενώσεων. Και ο αναβολισμός και ο καταβολισμός συμβαίνουν συνεχώς και ταυτόχρονα στο κύτταρο.
Γενικά, το ΑΤΡ είναι το μόριο που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά ενέργειας. Αυτό μπορεί να διαχέεται στις περιοχές όπου απαιτείται και όταν υδρολύεται η χημική ενέργεια που περιέχεται στο μόριο απελευθερώνεται. Με τον ίδιο τρόπο, η ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί ως άτομα υδρογόνου ή ηλεκτρόνια.
Αυτά τα μόρια ονομάζονται συνένζυμα και περιλαμβάνουν NADP, NADPH και FMNH2. Δρουν με αντιδράσεις μείωσης. Επιπλέον, μπορούν να μεταφέρουν τη μειωτική ικανότητα στο ATP.

ΠΗΓΗ : www.el.thpanorama.com

Αναφορές
1. Chan, Υ. Κ., Ng, Κ. Ρ., & Sim, D. S. Μ. (Eds.). (2015). Φαρμακολογική βάση οξείας περίθαλψης. Springer International Publishing.
2. Curtis, Η., & Barnes, Ν. S. (1994). Πρόσκληση στη βιολογία. Macmillan.
3. Οι Lodish, H., Berk, Α., Darnell, J.E., Kaiser, C.A., Krieger, Μ., Scott, Μ.Ρ., & Matsudaira,. Βιολογία των μοριακών κυττάρων. Macmillan.
4. Ronzio, R. Α. (2003). Η εγκυκλοπαίδεια της διατροφής και της καλής υγείας. Εκδόσεις Infobase.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, C.W. (2007). Βασικές αρχές της βιοχημείας: Η ζωή σε μοριακό επίπεδο. Ed. Panamericana Medical.

 

Υπόλοιπες εικόνες:

A: http://www.spoon-tamago.com/2019/07/30/kanako-shintaku-body-paint-art/#more-46551 and https://byjus.com/biology/differences-between-catabolism-and-anabolism/

D, E: https://byjus.com/biology/metabolism/

 



Facebook

Instagram

Follow Me on Instagram