- Caratteristiche
- Processi catabolici
- Il ciclo dell'urea
- Il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico
- La glicolisi
- Fosforilazione ossidativa
- β-ossidazione degli acidi grassi
- Regolazione del catabolismo
- Cortisolo
- Insulina
- Differenze con l'anabolismo
- Sintesi e degradazione di molecole
- Uso dell'energia
- Riferimenti
Il catabolismo comprende tutte le reazioni di degradazione delle sostanze nel corpo. Oltre a "scomporre" i componenti delle biomolecole nelle loro unità più piccole, le reazioni cataboliche producono energia, principalmente sotto forma di ATP.
Le vie cataboliche sono responsabili della degradazione delle molecole che provengono dal cibo: carboidrati, proteine e lipidi. Durante il processo, l'energia chimica contenuta nei legami viene rilasciata per essere utilizzata nelle attività cellulari che lo richiedono.
Fonte: di EsquemaCatabolismo.svg: me stesso; correzione di piccoli errori: Basquetteur lavoro derivativo: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), via Wikimedia Commons
Alcuni esempi di vie cataboliche ben note sono: il ciclo di Krebs, la beta ossidazione degli acidi grassi, la glicolisi e la fosforilazione ossidativa.
Le semplici molecole prodotte dal catabolismo vengono utilizzate dalla cellula per costruire gli elementi necessari, sfruttando anche l'energia fornita dallo stesso processo. Questa via di sintesi è l'antagonista del catabolismo ed è chiamata anabolismo.
Il metabolismo di un organismo comprende sia reazioni di sintesi che di degradazione, che avvengono simultaneamente e in modo controllato all'interno della cellula.
Caratteristiche
L'obiettivo principale del catabolismo è ossidare i nutrienti che il corpo utilizza come "carburante", chiamati carboidrati, proteine e grassi. La degradazione di queste biomolecole genera energia e prodotti di scarto, principalmente anidride carbonica e acqua.
Una serie di enzimi partecipano al catabolismo, che sono proteine responsabili dell'accelerazione della velocità delle reazioni chimiche che si verificano nella cellula.
Le sostanze combustibili sono il cibo che consumiamo quotidianamente. La nostra dieta è composta da proteine, carboidrati e grassi che vengono scomposti per vie cataboliche. L'organismo utilizza preferenzialmente grassi e carboidrati, anche se in situazioni di scarsità può ricorrere alla scomposizione delle proteine.
L'energia estratta dal catabolismo è contenuta nei legami chimici delle biomolecole citate.
Quando consumiamo cibo, lo mastichiamo per renderlo più digeribile. Questo processo è analogo al catabolismo, dove il corpo ha il compito di "digerire" le particelle a livello microscopico in modo che vengano utilizzate per via di sintesi o anaboliche.
Processi catabolici
Le vie o vie cataboliche comprendono tutti i processi di degradazione delle sostanze. Possiamo distinguere tre fasi del processo:
- Le diverse biomolecole presenti nella cellula (carboidrati, grassi e proteine) vengono degradate nelle unità fondamentali che le costituiscono (rispettivamente zuccheri, acidi grassi e amminoacidi).
- I prodotti della fase I passano a costituenti più semplici, che convergono in un intermedio comune chiamato acetil-CoA.
- Infine, questo composto entra nel ciclo di Krebs, dove continua la sua ossidazione fino a produrre molecole di anidride carbonica e acqua, le molecole finali ottenute in qualsiasi reazione catabolica.
Tra i più importanti ci sono il ciclo dell'urea, il ciclo di Krebs, la glicolisi, la fosforilazione ossidativa e la beta ossidazione degli acidi grassi. Di seguito descriveremo ciascuno dei percorsi menzionati:
Il ciclo dell'urea
Il ciclo dell'urea è una via catabolica che si verifica nei mitocondri e nel citosol delle cellule epatiche. È responsabile del trattamento dei derivati proteici e il suo prodotto finale è l'urea.
Il ciclo inizia con l'ingresso del primo gruppo amminico dalla matrice dei mitocondri, sebbene possa anche entrare nel fegato attraverso l'intestino.
Il primo stadio di reazione comporta ATP, ioni bicarbonato (HCO 3 - ) e ammonio (NH 4 + ) carbomoyl fosfato, ADP e P i . La seconda fase consiste nell'unione di carbomoyl fosfato e ornitina per produrre una molecola di citrullina e P i . Queste reazioni si verificano nella matrice mitocondriale.
Il ciclo continua nel citosol, dove citrullina e aspartato si condensano insieme all'ATP per generare argininosuccinato, AMP e PP i . L'argininosuccinato passa in arginina e fumarato. L'amminoacido arginina si combina con l'acqua per dare l'ornitina e infine l'urea.
Questo ciclo è interconnesso con il ciclo di Krebs perché il metabolita del fumarato partecipa a entrambe le vie metaboliche. Tuttavia, ogni ciclo agisce in modo indipendente.
Le patologie cliniche legate a questo percorso impediscono al paziente di seguire una dieta ricca di proteine.
Il ciclo di Krebs o ciclo dell'acido citrico
Il ciclo di Krebs è un percorso che partecipa alla respirazione cellulare di tutti gli organismi. Spazialmente, si verifica nei mitocondri degli organismi eucarioti.
Il precursore del ciclo è una molecola chiamata acetil coenzima A, che si condensa con una molecola di ossalacetato. Questa unione genera un composto a sei atomi di carbonio. In ogni rivoluzione, il ciclo produce due molecole di anidride carbonica e una molecola di ossalacetato.
Il ciclo inizia con una reazione di isomerizzazione catalizzata dall'aconitasi, dove il citrato passa in cisaconitato e acqua. Allo stesso modo, l'aconitasi catalizza il passaggio del cis-aconitato in isocitrato.
L'isocitrato viene ossidato in ossalosuccinato dall'isocitrato deidrogenasi. Questa molecola viene decarbossilata in alfa-chetoglutarato dallo stesso enzima, l'isocitrato deidrogenasi. L'alfa-chetoglutarato viene convertito in succinil-CoA dall'azione dell'alfa-chetoglutarato deidrogenasi.
Il succinil-CoA diventa succinato, che viene ossidato in fumarato dalla succinato deidrogenasi. Successivamente il fumarato diventa l-malato e infine l'l-malato diventa ossalacetato.
Il ciclo può essere riassunto nella seguente equazione: Acetil-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2 H 2 O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH 2 + GTP + 2 CO 2 .
La glicolisi
La glicolisi, chiamata anche glicolisi, è un percorso cruciale che è presente praticamente in tutti gli organismi viventi, dai batteri microscopici ai grandi mammiferi. Il percorso consiste in 10 reazioni enzimatiche che scompongono il glucosio in acido piruvico.
Il processo inizia con la fosforilazione della molecola di glucosio da parte dell'enzima esochinasi. L'idea di questo passaggio è "attivare" il glucosio e intrappolarlo all'interno della cellula, poiché il glucosio-6-fosfato non ha un trasportatore attraverso il quale può sfuggire.
La glucosio-6-fosfato isomerasi prende il glucosio-6-fosfato e lo riorganizza nel suo isomero fruttosio-6-fosfato. La terza fase è catalizzata dalla fosfofruttochinasi e il prodotto è fruttosio-1,6-bisfosfato.
Quindi, l'aldolasi scinde il composto di cui sopra in diidrossiacetone fosfato e gliceraldeide-3-fosfato. Esiste un equilibrio tra questi due composti catalizzato dalla triose fosfato isomerasi.
L'enzima gliceraldeide-3-fosfato deidrogenasi produce 1,3-bisfosfoglicerato che viene convertito in 3-fosfoglicerato nella fase successiva dalla fosfoglicerato chinasi. La fosfoglicerato mutasi cambia la posizione del carbonio e produce 2-fosfoglicerato.
Eolase prende quest'ultimo metabolita e lo converte in fosfoenolpiruvato. L'ultimo passaggio del percorso è catalizzato dalla piruvato chinasi e il prodotto finale è il piruvato.
Fosforilazione ossidativa
La fosforilazione ossidativa è un processo di formazione di ATP grazie al trasferimento di elettroni da NADH o FADH 2 all'ossigeno e costituisce l'ultimo passaggio nei processi di respirazione cellulare. Si verifica nei mitocondri ed è la principale fonte di molecole di ATP negli organismi della respirazione aerobica.
La sua importanza è innegabile, poiché 26 delle 30 molecole di ATP che si generano come prodotto della completa ossidazione del glucosio in acqua e anidride carbonica avvengono per fosforilazione ossidativa.
Concettualmente, la fosforilazione ossidativa accoppia l'ossidazione e la sintesi di ATP con un flusso di protoni attraverso il sistema di membrana.
Pertanto, NADH o FADH 2 generato in percorsi diversi, chiamato glicolisi o ossidazione degli acidi grassi, viene utilizzato per ridurre l'ossigeno e l'energia libera generata nel processo viene utilizzata per la sintesi dell'ATP.
β-ossidazione degli acidi grassi
La Β-ossidazione è un insieme di reazioni che consentono all'ossidazione degli acidi grassi di produrre elevate quantità di energia.
Il processo prevede il rilascio periodico di regioni dell'acido grasso a due atomi di carbonio per reazione fino a quando l'acido grasso non è completamente degradato. Il prodotto finale sono molecole di acetil-CoA che possono entrare nel ciclo di Krebs per essere completamente ossidate.
Prima dell'ossidazione, l'acido grasso deve essere attivato, dove si lega al coenzima A. Il trasportatore della carnitina è responsabile della traslocazione delle molecole nella matrice dei mitocondri.
Dopo questi passaggi precedenti, la β-ossidazione stessa inizia con i processi di ossidazione, idratazione, ossidazione da NAD + e tiolisi.
Regolazione del catabolismo
Devono esserci una serie di processi che regolano le diverse reazioni enzimatiche, poiché queste non possono funzionare sempre alla massima velocità. Pertanto, le vie metaboliche sono regolate da una serie di fattori tra cui ormoni, controlli neuronali, disponibilità di substrati e modificazione enzimatica.
In ogni percorso deve esserci almeno una reazione irreversibile (cioè avviene in una sola direzione) e che dirige la velocità dell'intero percorso. Ciò consente alle reazioni di funzionare alla velocità richiesta dalla cellula e impedisce che le vie di sintesi e degradazione funzionino contemporaneamente.
Gli ormoni sono sostanze particolarmente importanti che agiscono come messaggeri chimici. Questi sono sintetizzati nelle varie ghiandole endocrine e rilasciati nel flusso sanguigno per agire. Alcuni esempi sono:
Cortisolo
Il cortisolo agisce rallentando i processi di sintesi e aumentando le vie cataboliche nel muscolo. Questo effetto si verifica con il rilascio di aminoacidi nel flusso sanguigno.
Insulina
Al contrario, ci sono ormoni che hanno l'effetto opposto e diminuiscono il catabolismo. L'insulina è responsabile dell'aumento della sintesi proteica e allo stesso tempo diminuisce il loro catabolismo. In questo caso, aumenta la proteolisi, che facilita la produzione di amminoacidi al muscolo.
Differenze con l'anabolismo
L'anabolismo e il catabolismo sono processi antagonistici che comprendono la totalità delle reazioni metaboliche che si verificano in un organismo.
Entrambi i processi richiedono molteplici reazioni chimiche catalizzate da enzimi e sono sotto stretto controllo ormonale in grado di innescare o rallentare determinate reazioni. Tuttavia, differiscono nei seguenti aspetti fondamentali:
Sintesi e degradazione di molecole
L'anabolismo comprende le reazioni di sintesi mentre il catabolismo è responsabile della degradazione delle molecole. Sebbene questi processi siano invertiti, sono collegati nel delicato equilibrio del metabolismo.
Si dice che l'anabolismo sia un processo divergente, che prende composti semplici e li trasforma in composti più grandi. Contrariamente al catabolismo, che è classificato come un processo convergente, dovuto all'ottenimento di piccole molecole come anidride carbonica, ammoniaca e acqua, da grandi molecole.
Le diverse vie cataboliche prendono le macromolecole che compongono il cibo e le riducono ai loro componenti più piccoli. Le vie anaboliche, nel frattempo, sono in grado di prendere queste unità e ricostruire molecole più elaborate.
In altre parole, il corpo deve "cambiare la configurazione" degli elementi che compongono il cibo in modo che vengano utilizzati nei processi che richiede.
Il processo è analogo al popolare gioco Lego, in cui i componenti principali possono formare strutture diverse con un'ampia varietà di disposizioni spaziali.
Uso dell'energia
Il catabolismo è responsabile dell'estrazione dell'energia contenuta nei legami chimici del cibo, quindi il suo obiettivo principale è la generazione di energia. Questa degradazione avviene, nella maggior parte dei casi, per reazioni ossidative.
Tuttavia, non sorprende che le vie cataboliche richiedano l'aggiunta di energia nelle loro fasi iniziali, come abbiamo visto nella via glicolitica, che richiede l'inversione delle molecole di ATP.
D'altra parte, l'anabolismo è responsabile dell'aggiunta dell'energia libera prodotta nel catabolismo per ottenere l'assemblaggio dei composti di interesse. Sia l'anabolismo che il catabolismo si verificano costantemente e simultaneamente nella cellula.
Generalmente, l'ATP è la molecola utilizzata per trasferire l'energia. Questo può diffondersi nelle zone dove è richiesto e quando idrolizzato, l'energia chimica contenuta nella molecola viene rilasciata. Allo stesso modo, l'energia può essere trasportata come atomi di idrogeno o elettroni.
Queste molecole sono chiamate coenzimi e includono NADP, NADPH e FMNH 2 . Agiscono attraverso reazioni di riduzione. Inoltre, possono trasferire la capacità riducente in ATP.
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