5. anabolizm i katabolizm

5. ANABOLIZM I KATABOLIZM
METABOLIZM obejmuje dwa przeciwstawne procesy: ANABOLIZM i KATABOLIZM.
ANABOLIZM jest to proces syntezy złożonych związków organicznych z substancji
prostych np. proces syntezy białek z aminokwasów, cukrów z dwutlenku węgla i wody,
synteza glikogenu z glukozy. Warunkiem do prawidłowego zajścia tych reakcji jest stałe
pochłanianie
energii,
ponieważ
związki
o
niewielkich
zasobach
energetycznych
przekształcane są w związki wysokoenergetyczne, co wiąże się z przejściem na wyższy
stopień energetyczny.
Przykłady procesów anabolicznych:

Synteza tłuszczów - powstanie tłuszczów jest bardzo ściśle związane z oddychaniem,
ponieważ niektóre metabolity tego procesu są produktami do syntezy tłuszczów tzn.
kwasów tłuszczowych i glicerolu,

Synteza kwasów tłuszczowych - kwasy te tworzą się przez stopniowe przyłączanie
reszty dwuwęglanowej,

Powstanie glicerolu

Glukoneogeneza - proces syntezy glukozy z prekursorów, które nie są
węglowodanami, proces tez zachodzi w wątrobie,

Glikogeneza - proces syntezy glikogenu z glukozy,

Biosynteza białek,

Fotosynteza, chemosynteza w czasie, której u roślin zostaje związany dwutlenek
węgla,

Biosynteza DNA (replikacja),

Biosynteza RNA (transkrypcja),

Synteza produktów przemiany azotowej,

Wiązanie azotu atmosferycznego.
KATABOLIZM jest to proces rozpadu złożonych związków organicznych na związki
prostsze o znacznie mniejszych zasobach energetycznych. W tych przemianach produkty
znajdują się na niższym poziomie energetycznym niż substraty. Najważniejszym procesem
katabolicznym jest oddychanie w czasie, którego utlenianie cukrów prowadzi do powstania
dwutlenku węgla i wody z równoczesnym uwalnianiem energii zmagazynowanej
w wysokoenergetycznych wiązaniach chemicznych.
Przykłady procesów katabolicznych:

Hydroliza tłuszczów - prowadzi do ich rozpadu na glicerol i wolne kwasy
tłuszczowe,

Glikoliza - katabolizm cząsteczki, który zachodzi w cytoplazmie i polega na
przekształceniu glukozy w kwas pirogronowy z jednoczesną syntezą ATP,

Katabolizm białek - zachodzi pod wpływem enzymów proteolitycznych,

Fermentacja,

Cykl Krebsa (cykl kwasu cytrynowego),

Łańcuch oddechowy,

Fotooddychanie charakterystyczne dla organizmów roślinnych.
Mechanizmy kontrolujące przebieg przemiany materii:

Temperatura, której wzrost powoduje przyśpieszenie reakcji chemicznych zaś jej
obniżenie powoduje zwolnienie reakcji.

Ilość substratów.

Ilość produktów reakcji.

Katalizatory, czyli substancje przyspieszające reakcje.

Enzymy, które w procesach biologicznych pełnią funkcję katalizatorów. Są to
specyficzne substancje białkowe wytwarzane w komórkach.

Koenzymy, którymi są witaminy.

Jony metali takich jak wapń, magnez, sód, potas wpływają na aktywność enzymów.
Za pośrednictwem składu jonowego środowiska przebieg procesów metabolicznych
może być kontrolowany przez impulsy nerwowe.

Hormony.
W warunkach fizjologicznych oba procesy metaboliczne zachodzą jednocześnie. Gdy
anabolizm przeważa nad katabolizmem to po osiągnięciu dojrzałości oba te procesy będą
wykazywały tzw. równowagę dynamiczną. W dojrzałych organizmach anabolizm
i katabolizm przechodzą cykliczne wahania nie przekraczając pewnych norm fizjologicznych
niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania organizmu. Przekroczenie pewnych granic
w kierunku anabolizmu lub katabolizmu wiąże się z rozwojem procesów patologicznych.
W organizmach młodych warunkiem wzrostu jest przewaga anabolizmu nad katabolizmem
zaś w organizmach, w których procesy wzrostu są zakończone przeważa katabolizm.
Porównanie anabolizmu i katabolizmu.
METABOLIZM
ANABOLIZM
KATABOLIZM
Reakcja syntezy
Reakcja rozpadu
A+B=C
C=A+B
Energia
Dostarczenie energii
Uwolnienie energii
Poziom
Podwyższenie
energetyczny
energetycznego
Reakcja
Powstanie
Funkcja
poziomu
Obniżenie poziomu energetycznego
związków Powstanie energii do syntezy związków
budulcowych, energetycznych chemicznych oraz energii umożliwiającej
i zapasowych
wykonanie pracy.
Oddychanie komórkowe
Oddychanie komórkowe jest złożonym procesem pozyskiwania energii przez komórkę
na drodze rozkładu złożonych związków organicznych do prostych substancji chemicznych,
głównie nieorganicznych. Jest to więc proces kataboliczny. Głównym i podstawowym
substratem tego procesu jest glukoza, z której atomy wodoru transportowane są poprzez
szereg złożonych procesów i cykli metabolicznych (glikoliza, tworzenie acetylo-CoA, cykl
Krebsa, łańcuch oddechowy) aby ostatecznie wewnątrz mitochondrium dotrzeć do atomów
tlenu (tlenu wdychanego) i utlenić się do wody. Glukoza tracąc atomy wodoru utlenia się,
czyli spala (stąd mowa o „spalaniu glukozy”) do dwutlenku węgla, który w znacznej mierze
wydychany jest w procesie oddychania. Wobec tego wszystkie procesy chemiczne składające
się na poszczególne etapy oddychania komórkowego są reakcjami oksydo-redukcyjnymi,
które skrótowo można opisać sumarycznym równaniem utleniania glukozy:
Utlenianie, czyli spalanie jest procesem egzoenergetycznym, czyli w trakcie spalania
wydziela się energia. Oddychanie komórkowe rozdzielone jest na kilka etapów, gdzie każdy
etap przebiega w innym miejscu w komórce i składa się z szeregu procesów biochemicznych.
Efekt energetyczny każdego jednego procesu jest wyważony i skrupulatnie magazynowany
w wiązaniach chemicznych ATP. Oddychanie komórkowe składa się z 4 etapów:
1. glikoliza,
2. powstawanie acetylo-CoA,
3. cykl Krebsa,
4. łańcuch oddechowy.
Energia w komórce pozyskiwana jest przede wszystkim z cukrów. Może jednak
zdarzyć się sytuacja, kiedy brakuje węglowodanów, wtedy spalana zaczyna być tkanka
tłuszczowa, czyli tłuszcze. W ostateczności i w przypadku kryzysu procesowi spalania mogą
również być poddane białka. Niezależnie jednak od typu substratu wszystkie procesy od
momentu powstania acetylo-CoA aż do końca przebiegają zawsze jednakowo. Jedynie
pierwszy etap jest równoległy dla trzech typów związków organicznych:

glikoliza – dla cukrów,

β-oksydacja – dla kwasów tłuszczowych,

deaminacja – aminokwasy.
Oddychanie kojarzy się nam nierozerwalnie z tlenem – słusznie, jednak należy pamiętać,
iż tlen służy jedynie jako odbiorca elektronów i redukowany jest na końcu łańcucha
oddechowego do cząsteczek wody. W takim razie z chemicznego punktu widzenia tlen może
być zastępowany podobnymi pierwiastkami mającymi właściwości utleniające jak np. siarka.
Rzeczywiście w przyrodzie spotyka się organizmy, które nauczyły się wykorzystywać te
pierwiastki zamiast tlenu (np. bakterie siarkowe). Taki proces metaboliczny nazywa się
oddychaniem beztlenowym. Innymi przykładami oddychania beztlenowego jest fermentacja
alkoholowa (drożdże), czy fermentacja mleczanowa (bakterie fermentacji mlekowej, mięśnie
przy niedoborze tlenowym (dług tlenowy)). Jednak szlaki oddychania beztlenowego są
znacznie mniej wydajne niż oddychania z udziałem tlenu.
Cykl Krebsa
Ogólny schemat cyklu kwasu cytrynowego zaczyna się od powstawania 6-węglowej
cząsteczki cytrynianu z 4-węglowego szczawiooctanu i dwuwęglowej grupy acetylowej
pochodzącej z acetylo-CoA. 6-węglowy cytrynian następnie ulega podwójnej dehydrogenacji
(-2H+) i podwójnej dekarboksylacji (-2CO2) dając 4-węglowy kwas karboksylowy; ten z kolei
ulegając kilku dehydrogenacjom
i
hydratacji
(+H2O) przekształca się ponownie
w szczawiooctan i cykl się zamyka.
Szczegółowo Cykl Krebsa składa się z ośmiu etapów – biochemicznych reakcji
utleniania i redukcji – gdzie każdy etap katalizowany jest przez specyficzny enzym:
W każdym cyklu powstają 3 cząsteczki NADH, 1cz. FADH2, 2 cz. CO2 i jedna
cząsteczka ATP (pośrednio przez GTP). Jak pamiętamy z glikolizy z jednej cząsteczki
glukozy powstają dwa acetylo-CoA, czyli całkowite spalenie 1cz. glukozy wymaga obiegu
dwóch cykli Krebsa, czyli bilans należy liczyć podwójnie:
6cz. NADH
2cz. FADH2
4cz. CO2
2cz. GTP → 2cz. ATP
Łańcuch oddechowy
Ostatnim etapem pozyskiwania energii w komórce z rozkładu związków organicznych
jest tak zwany łańcuch oddechowy. Zachodzi on na grzebieniach wewnętrznej błony
mitochondrialnej. To tutaj zachodzi proces utleniania, do którego wykorzystywane są
cząsteczki wdychanego tlenu. Bardzo duża ilość energii uzyskana w tym etapie jest
porcjowana i magazynowana w wiązaniach chemicznych cząsteczek ATP (porównajmy je do
wagoników z węglem). Cząsteczki te są następnie transportowane i wykorzystywane
w endoenergetycznych reakcjach biochemicznych (reakcjach wymagających dostarczania
energii). Taki sposób dysponowania dużą ilością energii jest bardzo wygodny, ale przede
wszystkim bezpieczny dla komórki i organizmu.
Węglowodany są głównym źródłem energii dla organizmu. Energia zostaje
wyzwolona podczas utleniania biologicznego glukozy. W warunkach beztlenowych
(glikoliza) glukoza jest rozkładana do pirogronianu. W warunkach tlenowych pirogronian ten
jest utleniany do CO2 i H2O w cyklu kwasów trójkarboksylowych (cykl Krebsa). Cykl
Krebsa jest jednym z najważniejszych cykli dostarczających organizmowi energii nie tylko
z cukrów, ale również z białek i tłuszczów. Wstępną reakcją jest oksydacyjna dekarboksylacja
pirogronianu z utworzeniem acetylokoenzymu A i 3 cząsteczek ATP.
Acetylokoenzym A jest kluczowym związkiem pośredniczącym i powstaje:
a) w łańcuchu przemian cukrów podczas oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu;
b) z tłuszczów - poprzez beta-oksydację (beta-utlenienie) kwasów tłuszczowych lub glikolizę
glicerolu pochodzącego z tłuszczów;
c) z aminokwasów - poprzez pirogronian oraz w wyniku przemian aminokwasów do
produktów pośrednich cyklu kwasów trójkarboksylowych.
Acetylokoenzym A wchodzi do cyklu kwasów trójkarboksylowych, łącząc się ze
szczawiooctanem - produktem pośrednim tego cyklu; w wyniku rekacji powstaje kwas
cytrynowy. W kolejnych przemianach cuklu, od cytrynianu (związek 6-węglowy) do
szczawioostanu (związek 4-węglowy) uwalniane są 2 cząsteczki CO2, a na koenzymy
dehydrogenaz przenoszone są 4 pary atomów wodoru. Po utlenieniu wodorów w łańcuchu
oddechowym (łańcuch rekacji oksydacyjno-redukcyjnych) powstaje energia (ATP) i woda.
Związki pośrednie cyklu Krebsa mogą włączać się do innych przemian: mogą być
prekursorami
cukrów
(glukoneogeneza
-
poprzez
przemianę
szczawiooctanu
do
fosfoeneolopirogronianu i dalej do cukrów); mogą być prekursorami tłuszczów (poprzez
cytrynian i acetylokoenzym A do kwasów tłuszczowych); mogą być prekursorami
aminokwasów (poprzez aminację odpowiednich ketokwasów do kwasu asparaginowego
i kwasu
glutaminowego;
i szczawiooctan).
mogą
być
prekursorami
nukleotydów
(alfa-ketoglutaran
Schemat przedstawiający procesy rozkładu związków organicznych, w warunkach
tlenowych, w organizmach prokariotycznych.
Bia łka
Węglowodany
Aminokwasy
Monosacharydy
T ł u sz c z e
HYDROLIZA
Glicerol
Kwasy tłuszczowe
T RANS P ORT P RZEZ BŁ ONĘ CYT OP L AZM AT YCZNĄ
GLIK OLIZA
WEWNĄTRZKOMÓRKOWE
SZLAKI
DEGRADACYJNE
Dezaminacja
i rozkład
Szczawianooctan
Fumaran
Sukcyno-CoA
2-oksyglutaryl
Cykl
pentozofosforowy
Szlak
Etnera-Doudoroffa
Piorogronian
Acetylo-CoA
CYKL KREBSA
Cykle pomocnicze
MEZOSOMONY
ŁAŃCUCH
ODDECHOW Y
oksydacja
Acetylo-CoA