Przemiany anaboliczne i kataboliczne w organizmie.
Natalia Rząp
kl. III TH
Metabolizm jest to całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu, związany z przepływem materii, energii i informacji, zapewniający organizmowi wzrost, ruch, rozmnażanie, wrażliwość i pobudliwość.
Istnieją dwa kierunki przemian metabolicznych: anabolizm i katabolizm.
Anabolizm (asymilacja, przyswajanie, synteza) obejmuje reakcje syntezy (biosyntezy) związków organicznych (złożonych) ze związków prostych (substraty). Reakcje te wymagają dostarczenia energii, w wyniku czego w produktach gromadzi się więcej energii niż jest zawarte w substratach. Do podstawowych reakcji anabolicznych zalicza się biosyntezę białek, tłuszczów i cukrów.
substrat -----> ATP ---> ADP -----> produkt
(energia)
Ogromną rolę w przemianie materii pełni ATP (adenozynotrójfosforan = adenozynotrifosforan, kwas adenozynotrójfosforowy). Udział ATP w składzie chemicznym organizmu wynosi 0,5%. Jest to związek zbudowany z adeniny (A), rybozy (R) i 3 reszt kwasu fosforowego (P); zawiera dwa wiązania wysokoenergetyczne; jest najważniejszym przenośnikiem energii, pełni funkcje aktywatora w przemianach metabolicznych. ATP jest stale odnawiany w procesie oddychania wewnątrzkomórkowego. Synteza ATP odbywa się głównie w mitochondriach w wyniku fosforylacji, polegającej na przyłączaniu przez ADP (adenozynodifosforan = adenozynodwufosforan) reszt fosforanowych (P):
A + R + 3P ---> ATP
ADP + P + energia ---> ATP
ATP jest wykorzystywany w reakcjach syntezy organicznej jako dawca energii i do aktywacji substratów przez wiązanie ich z resztą fosforanową pod wpływem kinaz, np.:
ATP + glukoza---> ADP + glukozo-6-fosforan (aktywna metabolicznie forma glukozy, czyli wzbogacona w energię, dzięki czemu glukoza może zostać włączona do procesów metabolicznych)
Katabolizm (dysymilacja, rozkład) obejmuje reakcje rozkładu złożonych związków oragnicznych na produkty proste. Wyzwolona z tych związków energia jest kumulowana w postaci ATP. Przykładem typowej reakcji katabolicznej jest oddychanie wewnątrzkomórkowe, czyli utlenienie biologiczne glukozy:
C6H12O6 + 6H2O ---> 6CO2 + 6H2O + energia (2877 kJ)
Powstała energia w rekacji oddychania jest wykorzystywana do pracy mechanicznej (np. skurcz mięśni), elektrycznej (np. przewodzenie impulsów nerwowych), osmotycznej (np. aktywny transport elektrolitów), świetlnej (np. u niektórych pierwotniaków i owadów).
Wyróżniamy przemianę materii ogólną, podstawową i pośrednią.
1. Przemiana materii ogólna to całokształt procesów materialnych i energetycznych zachodzących pomiędzy środowiskiem a ustrojem w normalnych warunkach fizjologicznych.
2. Przemiana materii podstawowa to całokształt przemian metabolicznych niezbędnych do podtrzymania istotnych (podstawowych) czynności życiowych (np. układu oddechowego, układu krążenia, układu nerwowego), w warunkach zupełnego spokoju, przy pustym przewodzie pokarmowym, w temperaturze pokojowej.
3. Przemianą materii pośrednią określamy całość przemian chemicznych i fizycznych odbywających się w komórkach, tkankach i narządach.
Anabolizm (asymilacja) i katabolizm (dysymilacja) przebiegają w organizmie równocześnie i wzajemnie są od siebie uzależnione.
Procesy kataboliczne to reakcje egzoergiczne (wyzwalają energię), a procesy anaboliczne to reakcje endoergiczne (pochłaniają energię). Wszystkie procesy metaboliczne przebiegają z udziałem enzymów i skłądników pokarmowych regulujących (biopierwiastki, witaminy), które pełnią funkcje biokatalizatorów (wpływają na tempo reakcji biochemicznych).
W organizmach młodych, rozwijających się, procesy anaboliczne (asymilacji, A) przewyższają procesy dysymilacji, D (katabolizmu): A>D.
W organizmach dojrzałych, w wieku średnim (około 28-33 rok życia) procesy anabolizmu i katabolizmu są w dynamicznej równowadze: A=D. U osobników starych procesy kataboliczne przewyższają procesy anaboliczne: A<D.
Do reakcji anabolicznych zalicza się syntezę białek, tłuszczów, węglowodanów.
Przemiana białek
Białko pokarmowe ulega w procesie trawienia hydrolizie enzymatycznej do aminokwasów. Wchłonięte w jelicie aminokwasy zostają z krwią żyły wrotnej przetransportowane do wątroby, gdzie ulegają przemianom.
Aminokwasy mogą ulegać:
- reakcjom dezaminacji (deaminacji)
- reakciom transaminacji
- reakciom dekarboksylacji
Część aminokwasów jest wykorzystywana do syntezy białek budulcowych; kolejne do budowy hormonów, enzymów i barwników. Nadmiar aminokwasów ulega w wątrobie dezaminacji (odłączenie grupy aminowej -NH2 od aminokwasu) i przemianie na glukozę lub ketokwasy, które z kolei mogą być utlenione do CO2 i H2O z wyzwoleniem energii, lub też zamienione na tłuszcz. Odłączone od aminokwasów grupy -NH2 zostają przekształcone do amoniaku lub mocznika i wydalone z ustroju wraz z moczem i potem. Zatem w procesie dezaminacji aminokwasu wydzielony zostaje amoniak i powstaje alfa-ketokwas lub kwas nienasycony. Wyróżniamy dezaminację oksydacyjną i deazminację nieoksydacyjną.
Przemiana węglowodanów (cukrów)
Dla organizmów zwierzęcych (w tym ludzi) źródłem cukrowców jest pożywienie. Spożywane sa na ogół cukrowce złożone, które w trakcie hydrolizy enzymatycznej rozkładają się na sacharydy proste, głównie glukozę. Prawidłowe stężenie glukozy we krwi wynosi 0,08-0,12% (80-120 mg). Nadmierny spadek stężenia glukozy D (+) we krwi (nadmierna hipoglikemia) jest niebezpieczny, zwłaszcza dla układu nerwowego.
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.
Przemiana tłuszczów (lipidów)
Tłuszcze w hydrolizie enzymatycznej rozkładają się na kwasy tłuszczowe i glicerol. Substancje te są wchłaniane do krwi i limfy przez kosmki jelitowe. Żyłą wrotną część tłuszczów jest przetransportowana do wątroby, gdzie ulegają przemianom. Jednakże 95% spożytego tłuszczu przenika z krwiobiegu do układu limfatycznego z pominięciem wątroby.
Ważniejsze etapy biosyntezy kw. tłuszczowych:
1. Karboksylacja acetylo-CoA do malonylo-CoA (enzym biotynowy - karboksylaza acetylo-CoA);
2. Acetylo-CoA i malonylo-CoA są przekształcone w ich ACP-pochodne (Acyl Carrier Protein - proteina przenosząca acyle);
3. Kondensacja acetylo-ACP i malonylo-ACP do acetoacetylo-ACP, uwolnienie ACP i CO2;
4. Przekształcenie acetoacetylo-ACP do reszty kwasu masłowego butyrylo-ACP (proces redukcji i odwodnienia);
5. Wydłużanie łańcucha węglowodorowego przez przyłaczanie kolejnych dwuwęglowych (2-C) jednostek malonylo-ACP, aż do powstania palmitynianu 16-węglowego (C-16);
6. Dalsze wydłużanie (elongacja) łańcuchów węglowodorowych odbywa się na agranularnym (gładkim) retikulum endoplazmatycznym. Źródłem 2-węglowych jednostek jest malonylo-CoA, jednakże kwas tłuszczowy jest wiązany z koenzymem A, a nie z białkowym przenośnikiem ACP.
nataly1989