KATABOLISME: KATABOLE FUNCTIES EN PROCESSEN - BIOLOGIE - 2026

Het katabolisme omvat alle afbraakreacties van stoffen in het lichaam. Naast het "afbreken" van de componenten van biomoleculen in hun kleinste eenheden, produceren katabole reacties energie, voornamelijk in de vorm van ATP.

De katabole routes zijn verantwoordelijk voor het afbreken van de moleculen die uit voedsel komen: koolhydraten, eiwitten en lipiden. Tijdens het proces wordt de chemische energie in de bindingen vrijgegeven om te worden gebruikt in cellulaire activiteiten die dit nodig hebben.

Bron: door EsquemaCatabolismo.svg: mezelf; correctie van kleine fouten: Basquetteurderivative werk: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), via Wikimedia Commons

Enkele voorbeelden van bekende katabole routes zijn: de Krebs-cyclus, bèta-oxidatie van vetzuren, glycolyse en oxidatieve fosforylering.

De eenvoudige moleculen die door katabolisme worden geproduceerd, worden door de cel gebruikt om de nodige elementen te bouwen, ook met behulp van de energie die door hetzelfde proces wordt geleverd. Deze syntheseroute is de antagonist van katabolisme en wordt anabolisme genoemd.

Het metabolisme van een organisme omvat zowel synthese- als afbraakreacties, die gelijktijdig en gecontroleerd plaatsvinden in de cel.

Kenmerken

Het belangrijkste doel van het katabolisme is het oxideren van de voedingsstoffen die het lichaam gebruikt als "brandstof", koolhydraten, eiwitten en vetten genaamd. De afbraak van deze biomoleculen genereert energie en afvalproducten, voornamelijk kooldioxide en water.

Een reeks enzymen neemt deel aan het katabolisme, eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het versnellen van de snelheid van chemische reacties die in de cel plaatsvinden.

Brandstofsubstanties zijn het voedsel dat we dagelijks consumeren. Ons dieet bestaat uit eiwitten, koolhydraten en vetten die worden afgebroken door katabole routes. Het lichaam gebruikt bij voorkeur vetten en koolhydraten, hoewel het in situaties van schaarste zijn toevlucht kan nemen tot de afbraak van eiwitten.

De energie die door katabolisme wordt gewonnen, zit in de chemische bindingen van de genoemde biomoleculen.

Wanneer we voedsel consumeren, kauwen we het om het gemakkelijker te verteren. Dit proces is analoog aan katabolisme, waarbij het lichaam verantwoordelijk is voor het "verteren" van de deeltjes op microscopisch niveau, zodat ze worden gebruikt door de synthese of anabole routes.

Katabole processen

De katabole routes of routes omvatten alle afbraakprocessen van stoffen. We kunnen drie fasen in het proces onderscheiden:

- De verschillende biomoleculen die in de cel worden aangetroffen (koolhydraten, vetten en eiwitten) worden afgebroken in de fundamentele eenheden waaruit ze bestaan ​​(respectievelijk suikers, vetzuren en aminozuren).

- De producten van fase I gaan over in eenvoudigere bestanddelen, die samenkomen in een gemeenschappelijk tussenproduct genaamd acetyl-CoA.

- Ten slotte komt deze verbinding in de Krebs-cyclus, waar het zijn oxidatie voortzet totdat het moleculen kooldioxide en water oplevert - de uiteindelijke moleculen die worden verkregen bij elke katabole reactie.

Tot de meest prominente behoren de ureumcyclus, de Krebs-cyclus, glycolyse, oxidatieve fosforylering en bèta-oxidatie van vetzuren. Hieronder beschrijven we elk van de genoemde routes:

De ureumcyclus

De ureumcyclus is een katabole route die voorkomt in mitochondriën en in het cytosol van levercellen. Het is verantwoordelijk voor de verwerking van eiwitderivaten en het eindproduct ervan is ureum.

De cyclus begint met het binnenkomen van de eerste aminogroep uit de matrix van de mitochondriën, hoewel deze ook via de darm de lever kan binnendringen.

De eerste reactiestap omvat ATP, waterstofcarbonaat ionen (HCO ₃ ^- ) en ammonium (NH ₄ ⁺ ) carbomoyl fosfaat, ADP en P _i . De tweede stap bestaat uit de vereniging van carbomoyl fosfaat en ornithine een molecuul citrulline en P verkregen _i . Deze reacties komen voor in de mitochondriale matrix.

De cyclus gaat verder in het cytosol, waar citrulline en aspartaat samen met ATP condenseren om argininosuccinaat, AMP en PP _i te genereren . Argininosuccinaat gaat over in arginine en fumaraat. Het aminozuur arginine vormt samen met water ornithine en tenslotte ureum.

Deze cyclus is onderling verbonden met de Krebs-cyclus omdat de fumaraatmetaboliet deelneemt aan beide metabole routes. Elke cyclus werkt echter onafhankelijk.

De klinische pathologieën die verband houden met deze route, verhinderen dat de patiënt een eiwitrijk dieet eet.

De Krebs-cyclus of citroenzuurcyclus

De Krebs-cyclus is een route die deelneemt aan de cellulaire ademhaling van alle organismen. Ruimtelijk komt het voor in de mitochondriën van eukaryote organismen.

De voorloper van de cyclus is een molecuul genaamd acetyl co-enzym A, dat condenseert met een oxaalacetaat molecuul. Deze vereniging genereert een zeskoolstofverbinding. Bij elke omwenteling levert de cyclus twee moleculen kooldioxide en één molecuul oxaalacetaat op.

De cyclus begint met een isomerisatiereactie die wordt gekatalyseerd door aconitase, waarbij het citraat overgaat in cis-aconitaat en water. Evenzo katalyseert aconitase de passage van cis-aconitaat in isocitraat.

Isocitraat wordt geoxideerd tot oxalosuccinaat door isocitraat dehydrogenase. Dit molecuul wordt door hetzelfde enzym, isocitraatdehydrogenase, gedecarboxyleerd tot alfa-ketoglutaraat. Alfa-ketoglutaraat wordt omgezet in succinyl-CoA door de werking van alfa-ketoglutaraat dehydrogenase.

Succinyl-CoA wordt succinaat, dat wordt geoxideerd tot fumaraat door succinaat dehydrogenase. Achtereenvolgens wordt het fumaraat l-malaat en tenslotte wordt het l-malaat oxaalacetaat.

De cyclus kan worden samengevat in de volgende vergelijking: Acetyl-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

Glycolyse

Glycolyse, ook wel glycolyse genoemd, is een cruciale route die in vrijwel alle levende organismen aanwezig is, van microscopisch kleine bacteriën tot grote zoogdieren. De route bestaat uit 10 enzymatische reacties die glucose afbreken tot pyrodruivenzuur.

Het proces begint met de fosforylering van het glucosemolecuul door het enzym hexokinase. Het idee van deze stap is om de glucose te "activeren" en het in de cel op te sluiten, aangezien glucose-6-fosfaat geen transporteur heeft waardoor het kan ontsnappen.

Glucose-6-fosfaat-isomerase neemt glucose-6-fosfaat en herschikt het in zijn fructose-6-fosfaat-isomeer. De derde stap wordt gekatalyseerd door fosfofructokinase en het product is fructose-1,6-bisfosfaat.

Vervolgens splitst het aldolase de bovenstaande verbinding in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Er is een evenwicht tussen deze twee verbindingen die worden gekatalyseerd door triosefosfaatisomerase.

Het enzym glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase produceert 1,3-bisfosfoglyceraat dat in de volgende stap wordt omgezet in 3-fosfoglyceraat door fosfoglyceraatkinase. Fosfoglyceraatmutase verandert de positie van de koolstof en levert 2-fosfoglyceraat op.

Eolase neemt de laatste metaboliet en zet deze om in fosfoenolpyruvaat. De laatste stap in de route wordt gekatalyseerd door pyruvaatkinase en het eindproduct is pyruvaat.

Oxidatieve fosforylering

Oxidatieve fosforylering is een proces van ATP-vorming dankzij de overdracht van elektronen van NADH of FADH ₂ naar zuurstof en vormt de laatste stap in cellulaire ademhalingsprocessen. Het komt voor in de mitochondriën en is de belangrijkste bron van ATP-moleculen in aerobe ademhalingsorganismen.

Het belang ervan valt niet te ontkennen, aangezien 26 van de 30 ATP-moleculen die worden gegenereerd als een product van de volledige oxidatie van glucose tot water en kooldioxide, plaatsvinden door oxidatieve fosforylering.

Conceptueel koppelt oxidatieve fosforylering de oxidatie en synthese van ATP met een stroom van protonen door het membraansysteem.

Zo wordt NADH of FADH ₂ gegenereerd in verschillende routes, genaamd glycolyse of oxidatie van vetzuren, gebruikt om zuurstof te verminderen en de vrije energie die in het proces wordt gegenereerd, wordt gebruikt voor de synthese van ATP.

β-oxidatie van vetzuren

Β-oxidatie is een reeks reacties die de oxidatie van vetzuren mogelijk maken om grote hoeveelheden energie te produceren.

De werkwijze omvat de periodieke afgifte van gebieden van het tweekoolstofvetzuur door reactie totdat het vetzuur volledig is afgebroken. Het eindproduct zijn acetyl-CoA-moleculen die de Krebs-cyclus kunnen ingaan om volledig te worden geoxideerd.

Voor oxidatie moet het vetzuur geactiveerd worden, waar het zich bindt aan co-enzym A. De carnitine transporter is verantwoordelijk voor de translocatie van de moleculen naar de matrix van de mitochondriën.

Na deze voorgaande stappen begint de β-oxidatie zelf met de processen van oxidatie, hydratatie, oxidatie door NAD ⁺ en thiolyse.

Regulatie van katabolisme

Er moet een reeks processen zijn die de verschillende enzymatische reacties reguleren, aangezien deze niet altijd op hun maximale snelheid kunnen werken. Metabole routes worden dus gereguleerd door een aantal factoren, waaronder hormonen, neuronale controles, substraatbeschikbaarheid en enzymatische modificatie.

In elke route moet er minstens één onomkeerbare reactie zijn (dat wil zeggen, deze vindt plaats in slechts één richting) en die bepaalt de snelheid van de hele route. Hierdoor kunnen de reacties werken met de snelheid die de cel nodig heeft en wordt voorkomen dat de synthese- en afbraakroutes tegelijkertijd werken.

Hormonen zijn bijzonder belangrijke stoffen die als chemische boodschappers fungeren. Deze worden gesynthetiseerd in de verschillende endocriene klieren en in de bloedbaan afgegeven om te werken. Voorbeelden zijn:

Cortisol

Cortisol werkt door de syntheseprocessen te vertragen en de katabole routes in de spier te vergroten. Dit effect treedt op door het vrijkomen van aminozuren in de bloedbaan.

Insuline

Daarentegen zijn er hormonen die het tegenovergestelde effect hebben en het katabolisme verminderen. Insuline is verantwoordelijk voor het verhogen van de eiwitsynthese en vermindert tegelijkertijd hun katabolisme. In dit geval neemt de proteolyse toe, wat de output van aminozuren naar de spier vergemakkelijkt.

Verschillen met anabolisme

Anabolisme en katabolisme zijn antagonistische processen die het geheel van metabole reacties omvatten die in een organisme optreden.

Beide processen vereisen meerdere chemische reacties die worden gekatalyseerd door enzymen en staan ​​onder strikte hormonale controle en kunnen bepaalde reacties teweegbrengen of vertragen. Ze verschillen echter in de volgende fundamentele aspecten:

Synthese en afbraak van moleculen

Anabolisme omvat de synthesereacties, terwijl katabolisme verantwoordelijk is voor de afbraak van moleculen. Hoewel deze processen worden omgekeerd, zijn ze verbonden met het delicate evenwicht van het metabolisme.

Van anabolisme wordt gezegd dat het een divergerend proces is, waarbij eenvoudige verbindingen worden ingenomen en omgezet in grotere verbindingen. In tegenstelling tot katabolisme, dat wordt geclassificeerd als een convergent proces, vanwege het verkrijgen van kleine moleculen zoals kooldioxide, ammoniak en water, uit grote moleculen.

De verschillende katabole routes nemen de macromoleculen waaruit voedsel bestaat en reduceren ze tot hun kleinste bestanddelen. Anabole routes zijn ondertussen in staat om deze eenheden op te nemen en weer meer uitgebreide moleculen te bouwen.

Met andere woorden, het lichaam moet "de configuratie veranderen" van de elementen waaruit voedsel bestaat, zodat ze worden gebruikt in de processen die het nodig heeft.

Het proces is analoog aan het populaire Lego-spel, waarbij de hoofdbestanddelen verschillende structuren kunnen vormen met een grote verscheidenheid aan ruimtelijke ordeningen.

Gebruik van energie

Katabolisme is verantwoordelijk voor het extraheren van de energie die in de chemische bindingen van voedsel zit, daarom is het belangrijkste doel het opwekken van energie. Deze afbraak vindt in de meeste gevallen plaats door oxidatieve reacties.

Het is echter niet verrassend dat katabole routes het toevoegen van energie vereisen in hun eerste stappen, zoals we zagen in de glycolytische route, die de inversie van ATP-moleculen vereist.

Aan de andere kant is anabolisme verantwoordelijk voor het toevoegen van de vrije energie die bij katabolisme wordt geproduceerd om de assemblage van de verbindingen van belang te bereiken. Zowel anabolisme als katabolisme vinden constant en gelijktijdig plaats in de cel.

Over het algemeen is ATP het molecuul dat wordt gebruikt om energie over te dragen. Dit kan diffunderen naar de gebieden waar het nodig is en wanneer het hydrolyseert, komt de chemische energie in het molecuul vrij. Evenzo kan energie worden getransporteerd als waterstofatomen of elektronen.

Deze moleculen worden co-enzymen genoemd en omvatten NADP, NADPH en FMNH ₂ . Ze werken door middel van reductiereacties. Bovendien kunnen ze de reducerende capaciteit omzetten in ATP.

Referenties

1. Chan, YK, Ng, KP, & Sim, DSM (Eds.). (2015). Farmacologische basis van acute zorg. Springer International Publishing.
2. Curtis, H., & Barnes, NS (1994). Uitnodiging voor biologie. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Moleculaire celbiologie. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). De encyclopedie van voeding en een goede gezondheid. Infobase Publishing.
5. Voet, D., Voet, J., & Pratt, CW (2007). Fundamenten van biochemie: leven op moleculair niveau. Panamerican Medical Ed.