CATABOLISM: หน้าที่และกระบวนการ CATABOLIC - ชีววิทยา

catabolismโลกไซเบอร์ปฏิกิริยาการย่อยสลายของสารทั้งหมดในร่างกาย นอกเหนือจากการ "สลาย" ส่วนประกอบของชีวโมเลกุลให้เป็นหน่วยที่เล็กที่สุดแล้วปฏิกิริยาคาตาบอลิกยังผลิตพลังงานโดยส่วนใหญ่อยู่ในรูปของ ATP

ทางเดินของ catabolic มีหน้าที่ในการย่อยสลายโมเลกุลที่มาจากอาหาร: คาร์โบไฮเดรตโปรตีนและไขมัน ในระหว่างกระบวนการนี้พลังงานเคมีที่อยู่ในพันธะจะถูกปล่อยออกมาเพื่อใช้ในกิจกรรมของเซลล์ที่ต้องการ

ที่มา: โดย EsquemaCatabolismo.svg: ตัวเอง; การแก้ไขข้อผิดพลาดเล็ก ๆ น้อย ๆ : Basquetteurderivative work: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg) ผ่าน Wikimedia Commons

ตัวอย่างบางส่วนของ catabolic pathways ที่รู้จักกันดี ได้แก่ วัฏจักร Krebs, การออกซิเดชั่นเบต้าของกรดไขมัน, ไกลโคไลซิสและฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน

โมเลกุลอย่างง่ายที่เกิดจาก catabolism ถูกใช้โดยเซลล์เพื่อสร้างองค์ประกอบที่จำเป็นโดยใช้พลังงานที่ได้รับจากกระบวนการเดียวกัน วิถีการสังเคราะห์นี้เป็นตัวต่อต้านของ catabolism และเรียกว่า anabolism

การเผาผลาญของสิ่งมีชีวิตครอบคลุมทั้งปฏิกิริยาการสังเคราะห์และการย่อยสลายซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกันและในลักษณะที่ควบคุมได้ภายในเซลล์

คุณสมบัติ

วัตถุประสงค์หลักของ Catabolism คือการออกซิไดซ์สารอาหารที่ร่างกายใช้เป็น "เชื้อเพลิง" เรียกว่าคาร์โบไฮเดรตโปรตีนและไขมัน การย่อยสลายของสารชีวโมเลกุลเหล่านี้ก่อให้เกิดพลังงานและของเสียซึ่งส่วนใหญ่เป็นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ

ชุดของเอนไซม์มีส่วนร่วมในการเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นโปรตีนที่ทำหน้าที่เร่งความเร็วของปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเซลล์

สารเชื้อเพลิงเป็นอาหารที่เราบริโภคทุกวัน อาหารของเราประกอบด้วยโปรตีนคาร์โบไฮเดรตและไขมันที่ถูกย่อยสลายโดยวิถีทาง catabolic ร่างกายต้องการใช้ไขมันและคาร์โบไฮเดรตเป็นหลักแม้ว่าในสถานการณ์ที่ขาดแคลนก็สามารถใช้โปรตีนที่สลายได้

พลังงานที่สกัดโดย catabolism มีอยู่ในพันธะเคมีของชีวโมเลกุลที่กล่าวถึง

เมื่อเราบริโภคอาหารใด ๆ เราจะเคี้ยวอาหารเพื่อให้ย่อยง่ายขึ้น กระบวนการนี้คล้ายคลึงกับ catabolism ซึ่งร่างกายรับผิดชอบในการ“ ย่อย” อนุภาคในระดับจุลภาคเพื่อให้อนุภาคเหล่านั้นถูกใช้โดยกระบวนการสังเคราะห์หรือทาง anabolic

กระบวนการ catabolic

catabolic pathways หรือ pathways รวมถึงกระบวนการย่อยสลายของสารทั้งหมด เราสามารถแยกแยะได้สามขั้นตอนในกระบวนการ:

- สารชีวโมเลกุลต่าง ๆ ที่พบในเซลล์ (คาร์โบไฮเดรตไขมันและโปรตีน) จะถูกย่อยสลายในหน่วยพื้นฐานที่ประกอบขึ้นเป็น (น้ำตาลกรดไขมันและกรดอะมิโนตามลำดับ)

- ผลิตภัณฑ์ของขั้นตอนที่ฉันส่งผ่านไปยังองค์ประกอบที่ง่ายกว่าซึ่งมาบรรจบกันในตัวกลางทั่วไปที่เรียกว่า acetyl-CoA

- ในที่สุดสารประกอบนี้จะเข้าสู่วัฏจักร Krebs ซึ่งมันจะยังคงออกซิเดชั่นต่อไปจนกว่าจะให้โมเลกุลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ - โมเลกุลสุดท้ายที่ได้รับจากปฏิกิริยา catabolic ใด ๆ

สิ่งที่โดดเด่นที่สุด ได้แก่ วัฏจักรของยูเรีย, วัฏจักรเครบส์, ไกลโคไลซิส, ฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นและเบต้าออกซิเดชั่นของกรดไขมัน ด้านล่างนี้เราจะอธิบายแต่ละเส้นทางที่กล่าวถึง:

วัฏจักรของยูเรีย

วัฏจักรของยูเรียเป็นวิถีทาง catabolic ที่เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียและในไซโตซอลของเซลล์ตับ มีหน้าที่ในการแปรรูปอนุพันธ์ของโปรตีนและผลิตภัณฑ์สุดท้ายของมันคือยูเรีย

วัฏจักรเริ่มต้นด้วยการเข้าสู่กลุ่มอะมิโนกลุ่มแรกจากเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรียแม้ว่าจะสามารถเข้าสู่ตับผ่านลำไส้ได้

ขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาแรกที่เกี่ยวข้องกับเอทีพีไอโอนิกไบคาร์บอเนต (HCO ₃^- ) และแอมโมเนีย (NH ₄⁺ ) carbomoyl ฟอสเฟต ADP และ P ฉันขั้นตอนที่สองประกอบด้วยสหภาพของฟอสเฟต carbomoyl และ ornithine เพื่อให้ผลผลิตโมเลกุลของ citrulline และ, P ฉันปฏิกิริยาเหล่านี้เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียเมทริกซ์

วงจรอย่างต่อเนื่องในเซลล์ที่ citrulline และ aspartate กลั่นร่วมกับเอทีพีเพื่อสร้าง argininosuccinate, แอมป์และ PP ฉันArgininosuccinate ผ่านเข้าสู่ arginine และ fumarate กรดอะมิโนอาร์จินีนรวมตัวกับน้ำเพื่อให้ออร์นิทีนและยูเรียในที่สุด

วัฏจักรนี้เชื่อมต่อกับวงจร Krebs เนื่องจากเมตาบอไลต์ของฟูมาเรตมีส่วนร่วมในเส้นทางการเผาผลาญทั้งสอง อย่างไรก็ตามแต่ละรอบทำหน้าที่อย่างอิสระ

พยาธิสภาพทางคลินิกที่เกี่ยวข้องกับวิถีนี้ป้องกันไม่ให้ผู้ป่วยรับประทานอาหารที่อุดมไปด้วยโปรตีน

วงจร Krebs หรือวงจรกรดซิตริก

วัฏจักร Krebs เป็นวิถีทางที่มีส่วนร่วมในการหายใจระดับเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ในเชิงพื้นที่เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต

สารตั้งต้นของวัฏจักรคือโมเลกุลที่เรียกว่าอะซิติลโคเอนไซม์เอซึ่งควบแน่นกับโมเลกุลออกซาโลอะซิเตต สหภาพนี้สร้างสารประกอบหกคาร์บอน ในการปฏิวัติแต่ละครั้งวัฏจักรจะให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สองโมเลกุลและออกซาโลอะซีเตตหนึ่งโมเลกุล

วัฏจักรเริ่มต้นด้วยปฏิกิริยาไอโซเมอไรเซชันที่เร่งปฏิกิริยาโดยอะโคนิเทสซึ่งซิเตรตจะผ่านเข้าสู่ซิส - อะโคนิทและน้ำ ในทำนองเดียวกัน aconitase เร่งการผ่านของ cis-aconitate ให้เป็น isocitrate

ไอโซซิเตรตถูกออกซิไดซ์เป็นออกซาโลซูซิเนตโดยไอโซซิเตรตดีไฮโดรจีเนส โมเลกุลนี้ถูก decarboxylated เป็น alpha-ketoglutarate โดยเอนไซม์เดียวกัน isocitrate dehydrogenase Alpha-ketoglutarate ถูกเปลี่ยนเป็น succinyl-CoA โดยการกระทำของ alpha-ketoglutarate dehydrogenase

Succinyl-CoA กลายเป็น succinate ซึ่งถูกออกซิไดซ์เป็น fumarate โดย succinate dehydrogenase ต่อมา fumarate จะกลายเป็น l-malate และในที่สุด l-malate จะกลายเป็น oxaloacetate

วงจรสามารถสรุปได้ในสมการต่อไปนี้: Acetyl-CoA NAD + 3 ⁺ + + FAD GDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + ฉี่ + 2 CO 2

glycolysis

ไกลโคไลซิสหรือที่เรียกว่าไกลโคไลซิสเป็นวิถีทางสำคัญที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิดตั้งแต่แบคทีเรียขนาดเล็กไปจนถึงสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมขนาดใหญ่ เส้นทางประกอบด้วยปฏิกิริยาของเอนไซม์ 10 ชนิดที่สลายกลูโคสเป็นกรดไพรูวิก

กระบวนการเริ่มต้นด้วยการฟอสโฟรีเลชันของโมเลกุลกลูโคสโดยเอนไซม์เฮกโซไคเนส แนวคิดของขั้นตอนนี้คือการ "กระตุ้น" กลูโคสและดักจับไว้ภายในเซลล์เนื่องจากกลูโคส -6- ฟอสเฟตไม่มีตัวลำเลียงที่สามารถหลบหนีได้

Glucose-6-phosphate isomerase ใช้กลูโคส -6-phosphate และจัดเรียงใหม่เป็นไอโซเมอร์ของฟรุกโตส -6- ฟอสเฟต ขั้นตอนที่สามเร่งปฏิกิริยาโดย phosphofructokinase และผลิตภัณฑ์คือ fructose-1,6-bisphosphate

จากนั้น aldolase จะแยกสารประกอบข้างต้นออกเป็น dihydroxyacetone phosphate และ glyceraldehyde-3-phosphate มีความสมดุลระหว่างสารประกอบทั้งสองนี้ที่เร่งปฏิกิริยาโดยไตรโอสฟอสเฟตไอโซเมอเรส

เอนไซม์ไกลเซอราลดีไฮด์ -3-phosphate dehydrogenase สร้าง 1,3-bisphosphoglycerate ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็น 3-phosphoglycerate ในขั้นตอนต่อไปโดย phosphoglycerate kinase Phosphoglycerate mutase เปลี่ยนตำแหน่งของคาร์บอนและให้ผล 2-phosphoglycerate

Eolase นำเมตาบอไลต์หลังและแปลงเป็นฟอสโฟโนลไพรูเวต ขั้นตอนสุดท้ายในทางเดินถูกเร่งปฏิกิริยาโดยไพรูเวทไคเนสและผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือไพรูเวต

ฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่น

Oxidative phosphorylation เป็นกระบวนการสร้าง ATP เนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก NADH หรือ FADH ₂ไปยังออกซิเจนและถือเป็นขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการหายใจระดับเซลล์ เกิดขึ้นในไมโทคอนเดรียและเป็นแหล่งหลักของโมเลกุล ATP ในสิ่งมีชีวิตที่ช่วยหายใจแบบแอโรบิค

ความสำคัญของมันไม่อาจปฏิเสธได้เนื่องจากโมเลกุลของ ATP 26 จาก 30 โมเลกุลที่ถูกสร้างขึ้นเป็นผลิตภัณฑ์จากการออกซิเดชั่นที่สมบูรณ์ของกลูโคสสู่น้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นจากฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชัน

ตามแนวคิดแล้วฟอสโฟรีเลชันออกซิเดชั่นจะจับคู่การเกิดออกซิเดชันและการสังเคราะห์ ATP ด้วยการไหลของโปรตอนผ่านระบบเมมเบรน

ดังนั้น NADH หรือ FADH _{2 ที่}สร้างขึ้นในเส้นทางที่แตกต่างกันเรียกว่าไกลโคไลซิสหรือออกซิเดชั่นของกรดไขมันถูกใช้เพื่อลดออกซิเจนและพลังงานอิสระที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้จะถูกใช้สำหรับการสังเคราะห์ ATP

β - ออกซิเดชันของกรดไขมัน

Β-oxidation คือชุดของปฏิกิริยาที่ยอมให้เกิดการออกซิเดชั่นของกรดไขมันเพื่อผลิตพลังงานจำนวนมาก

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการปลดปล่อยบริเวณของกรดไขมันคาร์บอนทั้งสองเป็นระยะโดยปฏิกิริยาจนกว่ากรดไขมันจะถูกย่อยสลายอย่างสมบูรณ์ ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือโมเลกุลของ acetyl-CoA ที่สามารถเข้าสู่วงจร Krebs เพื่อออกซิไดซ์ได้เต็มที่

ก่อนออกซิเดชั่นกรดไขมันจะต้องถูกกระตุ้นโดยที่มันจะจับกับโคเอนไซม์เอผู้ขนส่งคาร์นิทีนมีหน้าที่ในการย้ายโมเลกุลไปยังเมทริกซ์ของไมโทคอนเดรีย

หลังจากขั้นตอนก่อนหน้านี้β-oxidation เริ่มต้นด้วยกระบวนการออกซิเดชั่นการให้น้ำการออกซิเดชั่นโดย NAD ⁺และ thiolysis

การควบคุมการเผาผลาญ

ต้องมีชุดของกระบวนการที่ควบคุมปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่แตกต่างกันเนื่องจากสิ่งเหล่านี้ไม่สามารถทำงานได้ตลอดเวลาด้วยความเร็วสูงสุด ดังนั้นวิถีการเผาผลาญอาหารจึงถูกควบคุมโดยปัจจัยหลายประการเช่นฮอร์โมนการควบคุมเซลล์ประสาทความพร้อมของสารตั้งต้นและการปรับเปลี่ยนของเอนไซม์

ในทุกเส้นทางจะต้องมีปฏิกิริยาที่ย้อนกลับไม่ได้อย่างน้อยหนึ่งปฏิกิริยา (นั่นคือเกิดขึ้นในทิศทางเดียวเท่านั้น) และกำหนดความเร็วของเส้นทางทั้งหมด สิ่งนี้ช่วยให้ปฏิกิริยาทำงานด้วยความเร็วที่เซลล์ต้องการและป้องกันไม่ให้เส้นทางการสังเคราะห์และการย่อยสลายทำงานในเวลาเดียวกัน

ฮอร์โมนเป็นสารสำคัญโดยเฉพาะที่ทำหน้าที่เป็นสารเคมี สิ่งเหล่านี้ถูกสังเคราะห์ในต่อมไร้ท่อต่างๆและปล่อยเข้าสู่กระแสเลือดเพื่อทำหน้าที่ ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ :

คอร์ติซอ

คอร์ติซอลทำงานโดยการชะลอกระบวนการสังเคราะห์และเพิ่มเส้นทาง catabolic ในกล้ามเนื้อ ผลกระทบนี้เกิดขึ้นโดยการปล่อยกรดอะมิโนเข้าสู่กระแสเลือด

อินซูลิน

ในทางตรงกันข้ามมีฮอร์โมนที่มีผลตรงกันข้ามและทำให้ catabolism ลดลง อินซูลินมีหน้าที่ในการเพิ่มการสังเคราะห์โปรตีนและในขณะเดียวกันก็ลดการเร่งปฏิกิริยา ในกรณีนี้โปรตีโอไลซิสจะเพิ่มขึ้นซึ่งจะเอื้อต่อการส่งออกกรดอะมิโนไปยังกล้ามเนื้อ

ความแตกต่างกับ anabolism

Anabolism และ catabolism เป็นกระบวนการที่เป็นปฏิปักษ์กันซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาการเผาผลาญที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

กระบวนการทั้งสองต้องการปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างที่เร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์และอยู่ภายใต้การควบคุมของฮอร์โมนที่เข้มงวดซึ่งสามารถกระตุ้นหรือชะลอปฏิกิริยาบางอย่างได้ อย่างไรก็ตามมีความแตกต่างกันในประเด็นพื้นฐานดังต่อไปนี้:

การสังเคราะห์และการย่อยสลายโมเลกุล

Anabolism ประกอบด้วยปฏิกิริยาการสังเคราะห์ในขณะที่ catabolism มีหน้าที่ในการย่อยสลายโมเลกุล แม้ว่ากระบวนการเหล่านี้จะย้อนกลับ แต่ก็มีการเชื่อมต่อในสมดุลของการเผาผลาญ

Anabolism กล่าวกันว่าเป็นกระบวนการที่แตกต่างกันโดยใช้สารประกอบง่ายๆและเปลี่ยนเป็นสารประกอบขนาดใหญ่ ตรงกันข้ามกับ catabolism ซึ่งจัดเป็นกระบวนการบรรจบกันเนื่องจากได้รับโมเลกุลขนาดเล็กเช่นคาร์บอนไดออกไซด์แอมโมเนียและน้ำจากโมเลกุลขนาดใหญ่

เส้นทางการสลายตัวที่แตกต่างกันนำโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ประกอบขึ้นเป็นอาหารและลดลงให้เหลือองค์ประกอบที่เล็กที่สุด ในขณะเดียวกันวิถีทางอะนาโบลิกสามารถรับหน่วยเหล่านี้และสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อนขึ้นอีกครั้ง

กล่าวอีกนัยหนึ่งร่างกายต้อง "เปลี่ยนโครงร่าง" ขององค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นอาหารเพื่อที่จะนำไปใช้ในกระบวนการที่ต้องการ

กระบวนการนี้คล้ายคลึงกับเกมเลโก้ยอดนิยมซึ่งองค์ประกอบหลักสามารถสร้างโครงสร้างที่แตกต่างกันโดยมีการจัดวางเชิงพื้นที่ที่หลากหลาย

การใช้พลังงาน

การเผาผลาญมีหน้าที่ในการดึงพลังงานที่มีอยู่ในพันธะเคมีของอาหารดังนั้นวัตถุประสงค์หลักคือการสร้างพลังงาน การย่อยสลายนี้เกิดขึ้นโดยส่วนใหญ่โดยปฏิกิริยาออกซิเดชั่น

อย่างไรก็ตามไม่น่าแปลกใจที่ทางเดินแคตาบอลิกต้องการการเพิ่มพลังงานในขั้นตอนเริ่มต้นดังที่เราเห็นในวิถีไกลโคไลติกซึ่งต้องใช้การผกผันของโมเลกุล ATP

ในทางกลับกัน anabolism มีหน้าที่ในการเพิ่มพลังงานอิสระที่เกิดจาก catabolism เพื่อให้เกิดการรวมตัวกันของสารประกอบที่สนใจ ทั้ง anabolism และ catabolism เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องและพร้อมกันในเซลล์

โดยทั่วไปแล้ว ATP คือโมเลกุลที่ใช้ในการถ่ายเทพลังงาน สิ่งนี้สามารถแพร่กระจายไปยังบริเวณที่จำเป็นและเมื่อไฮโดรไลซิสพลังงานเคมีที่มีอยู่ในโมเลกุลจะถูกปล่อยออกมา ในทำนองเดียวกันพลังงานสามารถขนส่งเป็นอะตอมของไฮโดรเจนหรืออิเล็กตรอน

โมเลกุลเหล่านี้จะเรียกว่าโคเอนไซม์และรวมถึง NADP, NADPH และ FMNH 2พวกมันกระทำผ่านปฏิกิริยาการลด นอกจากนี้ยังสามารถถ่ายโอนความสามารถในการลดลงเป็น ATP

อ้างอิง

Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (Eds.). (2015) พื้นฐานทางเภสัชวิทยาของการดูแลผู้ป่วยเฉียบพลัน สำนักพิมพ์ Springer International.
Curtis, H. , & Barnes, NS (1994). ขอเชิญเข้าร่วมชีววิทยา Macmillan
Lodish, H. , Berk, A. , Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M. , Scott, MP, … & Matsudaira, P. (2008) อณูชีววิทยาของเซลล์. Macmillan
รอนซิโอ, RA (2003). สารานุกรมโภชนาการและสุขภาพที่ดี สำนักพิมพ์ Infobase.
Voet, D. , Voet, J. , & Pratt, CW (2007). รากฐานของชีวเคมี: ชีวิตในระดับโมเลกุล Panamerican Medical Ed.

CATABOLISM: หน้าที่และกระบวนการ CATABOLIC - ชีววิทยา - 2026