KATABOLIZMA: KATABOLIK IŞLEVLER VE SÜREÇLER - BIYOLOJI - 2024

Katabolizma vücuttaki maddelerin tüm bozunma reaksiyonlarını kapsamaktadır. Biyomolekül bileşenlerinin en küçük birimlerine "parçalanmasına" ek olarak, katabolik reaksiyonlar, özellikle ATP biçiminde enerji üretir.

Katabolik yollar, gıdalardan gelen molekülleri parçalamaktan sorumludur: karbonhidratlar, proteinler ve lipitler. İşlem sırasında, bağların içerdiği kimyasal enerji, onu gerektiren hücresel faaliyetlerde kullanılmak üzere serbest bırakılır.

Kaynak: EsquemaCatabolismo.svg tarafından: kendim; küçük hataların düzeltilmesi: Basquetteurderivative çalışma: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), Wikimedia Commons aracılığıyla

İyi bilinen katabolik yolların bazı örnekleri şunlardır: Krebs döngüsü, yağ asitlerinin beta oksidasyonu, glikoliz ve oksidatif fosforilasyon.

Katabolizmanın ürettiği basit moleküller, hücre tarafından gerekli elementleri oluşturmak için kullanılır, yine aynı işlemin sağladığı enerjiyi kullanır. Bu sentez yolu, katabolizmanın antagonistidir ve anabolizma olarak adlandırılır.

Bir organizmanın metabolizması, hücre içinde aynı anda ve kontrollü bir şekilde meydana gelen hem sentez hem de bozunma reaksiyonlarını kapsar.

Özellikleri

Katabolizmanın temel amacı, vücudun "yakıt" olarak kullandığı karbonhidratlar, proteinler ve yağlar olarak adlandırılan besinleri okside etmektir. Bu biyomoleküllerin bozunması, başta karbondioksit ve su olmak üzere enerji ve atık ürünler üretir.

Hücrede meydana gelen kimyasal reaksiyonların hızlanmasından sorumlu proteinler olan katabolizmaya bir dizi enzim katılır.

Akaryakıt maddeleri günlük tükettiğimiz besindir. Diyetimiz, katabolik yollarla parçalanan proteinler, karbonhidratlar ve yağlardan oluşur. Vücut, tercihli olarak yağları ve karbonhidratları kullanır, ancak kıtlık durumunda proteinlerin parçalanmasına başvurabilir.

Katabolizma ile çıkarılan enerji, bahsedilen biyomoleküllerin kimyasal bağlarında bulunur.

Herhangi bir yiyecek tükettiğimizde, onu sindirmeyi kolaylaştırmak için çiğneriz. Bu süreç, vücudun mikroskobik düzeyde parçacıkları "sindirmek" ten sorumlu olduğu ve böylece sentetik veya anabolik yollarla kullanılmaları için katabolizmaya benzer.

Katabolik süreçler

Katabolik yollar veya yollar, maddelerin tüm bozunma süreçlerini içerir. Süreçte üç aşamayı ayırt edebiliriz:

- Hücrede bulunan farklı biyomoleküller (karbonhidratlar, yağlar ve proteinler), onları oluşturan temel birimlerde (sırasıyla şekerler, yağ asitleri ve amino asitler) bozulur.

- Aşama I ürünleri, asetil-CoA adı verilen ortak bir ara maddede birleşen daha basit bileşenlere geçer.

- Son olarak, bu bileşik, herhangi bir katabolik reaksiyonda elde edilen son moleküller olan karbondioksit ve su moleküllerini verene kadar oksidasyonunu sürdürdüğü Krebs döngüsüne girer.

Bunlardan en önemlileri üre döngüsü, Krebs döngüsü, glikoliz, oksidatif fosforilasyon ve yağ asitlerinin beta oksidasyonudur. Aşağıda belirtilen rotaların her birini açıklayacağız:

Üre döngüsü

Üre döngüsü, mitokondride ve karaciğer hücrelerinin sitozolünde meydana gelen katabolik bir yoldur. Protein türevlerinin işlenmesinden sorumludur ve nihai ürünü üredir.

Döngü, ilk amino grubunun mitokondri matrisinden girmesiyle başlar, ancak karaciğere bağırsaktan da girebilir.

İlk reaksiyon adımı ATP, bikarbonat iyonları (HCO ₃ ^- ) ve amonyum (NH ₄ ⁺ ) karbomoil fosfat, ADP ve P _{i içerir} . İkinci adım, sitrulin ve P bir molekül vermek üzere karbomoil fosfat ve ornitinden birliği oluşur _i . Bu reaksiyonlar mitokondriyal matrikste meydana gelir.

Döngü, sitrülin ve aspartatın argininosüksinat, AMP ve PP _i oluşturmak için ATP ile birlikte yoğunlaştığı sitozolde devam eder . Argininosüksinat, arginin ve fumarata geçer. Amino asit arginin suyla birleşerek ornitin ve son olarak üre verir.

Bu döngü Krebs döngüsü ile bağlantılıdır çünkü fumarat metaboliti her iki metabolik yola katılır. Bununla birlikte, her döngü bağımsız olarak hareket eder.

Bu yolla ilgili klinik patolojiler, hastanın protein yönünden zengin bir diyet yemesini engellemektedir.

Krebs döngüsü veya sitrik asit döngüsü

Krebs döngüsü, tüm organizmaların hücresel solunumuna katılan bir yoldur. Mekansal olarak ökaryotik organizmaların mitokondrilerinde meydana gelir.

Döngünün öncüsü, bir oksaloasetat molekülü ile yoğunlaşan asetil koenzim A adlı bir moleküldür. Bu birlik, altı karbonlu bir bileşik oluşturur. Her devirde, döngü iki karbon dioksit molekülü ve bir oksaloasetat molekülü verir.

Döngü, sitratın cis-akonitat ve suya geçtiği, aconitase tarafından katalize edilen bir izomerizasyon reaksiyonu ile başlar. Benzer şekilde, aconitase cis-akonitatın izositrata geçişini katalize eder.

İzositrat, izositrat dehidrojenaz ile oksalosüksinata oksitlenir. Bu molekül, aynı enzim olan izositrat dehidrojenaz tarafından alfa-ketoglutarata dekarboksilatlanır. Alfa-ketoglutarat, alfa-ketoglutarat dehidrojenazın etkisiyle süksinil-CoA'ya dönüştürülür.

Süksinil-CoA, süksinat dehidrojenaz tarafından fumarata oksitlenen süksinat haline gelir. Ardışık olarak fumarat l-malat olur ve sonunda l-malat oksaloasetat olur.

Döngü aşağıdaki denklemde özetlenebilir: Asetil-CoA + 3 NAD ⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H ₂ O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH ₂ + GTP + 2 CO ₂ .

Glikoliz

Glikoliz olarak da adlandırılan glikoliz, mikroskobik bakterilerden büyük memelilere kadar neredeyse tüm canlı organizmalarda bulunan çok önemli bir yoldur. Rota, glikozu piruvik aside parçalayan 10 enzimatik reaksiyondan oluşur.

İşlem, glikoz molekülünün hekzokinaz enzimi tarafından fosforilasyonu ile başlar. Bu adımın amacı, glikozu "aktive etmek" ve onu hücre içinde tutmaktır, çünkü glikoz-6-fosfatın içinden kaçabileceği bir taşıyıcı yoktur.

Glukoz-6-fosfat izomeraz, glukoz-6-fosfatı alır ve onu fruktoz-6-fosfat izomerine yeniden düzenler. Üçüncü aşama fosfofruktokinaz ile katalize edilir ve ürün fruktoz-1,6-bifosfattır.

Daha sonra aldolaz, yukarıdaki bileşiği dihidroksiaseton fosfat ve gliseraldehit-3-fosfata böler. Trioz fosfat izomeraz tarafından katalize edilen bu iki bileşik arasında bir denge vardır.

Gliseraldehit-3-fosfat dehidrojenaz enzimi, bir sonraki aşamada fosfogliserat kinaz tarafından 3-fosfogliserata dönüştürülen 1,3-bifosfogliserat üretir. Fosfogliserat mutaz, karbonun konumunu değiştirir ve 2-fosfogliserat verir.

Eolase, ikinci metaboliti alır ve onu fosfoenolpiruvata dönüştürür. Yoldaki son adım, piruvat kinaz tarafından katalize edilir ve son ürün, piruvattır.

Oksidatif fosforilasyon

Oksidatif fosforilasyon, elektronların NADH veya FADH _2'den oksijene transferi sayesinde bir ATP oluşumu sürecidir ve hücresel solunum süreçlerinde son adımı oluşturur. Mitokondride oluşur ve aerobik solunum organizmalarındaki ATP moleküllerinin ana kaynağıdır.

Glikozun suya ve karbondioksite tam oksidasyonunun bir ürünü olarak üretilen 30 ATP molekülünden 26'sı oksidatif fosforilasyon ile meydana geldiğinden, önemi yadsınamaz.

Kavramsal olarak, oksidatif fosforilasyon, ATP'nin oksidasyonunu ve sentezini membran sistemi boyunca bir proton akışı ile birleştirir.

Bu nedenle, farklı yollarda üretilen NADH veya FADH ₂ , buna glikoliz veya yağ asitlerinin oksidasyonu olarak adlandırılır, oksijeni azaltmak için kullanılır ve işlemde üretilen serbest enerji ATP sentezi için kullanılır.

Yağ asitlerinin β-oksidasyonu

Β-oksidasyon, yağ asitlerinin oksidasyonunun yüksek miktarda enerji üretmesine izin veren bir dizi reaksiyondur.

İşlem, iki karbonlu yağ asidi bölgelerinin, yağlı asit tamamen bozunana kadar reaksiyonla periyodik olarak salınmasını içerir. Son ürün, tamamen oksitlenmek üzere Krebs döngüsüne girebilen asetil-CoA molekülleridir.

Oksidasyondan önce, yağ asidi koenzim A'ya bağlandığı yerde aktive edilmelidir. Karnitin taşıyıcısı, moleküllerin mitokondri matriksine taşınmasından sorumludur.

Bu önceki adımlardan sonra, β-oksidasyonun kendisi oksidasyon, hidrasyon, NAD ⁺ ile oksidasyon ve tiyoliz işlemleriyle başlar .

Katabolizmanın düzenlenmesi

Farklı enzimatik reaksiyonları düzenleyen bir dizi işlem olmalıdır, çünkü bunlar her zaman maksimum hızlarında çalışamazlar. Bu nedenle metabolik yollar, hormonlar, nöronal kontroller, substrat mevcudiyeti ve enzimatik modifikasyon dahil olmak üzere bir dizi faktör tarafından düzenlenir.

Her rotada en az bir geri çevrilemez reaksiyon olmalıdır (yani, yalnızca bir yönde meydana gelir) ve tüm rotanın hızını yönlendirir. Bu, reaksiyonların hücrenin gerektirdiği hızda çalışmasını sağlar ve aynı zamanda sentez ve bozunma yollarının çalışmasını engeller.

Hormonlar, kimyasal haberciler olarak hareket eden özellikle önemli maddelerdir. Bunlar çeşitli endokrin bezlerinde sentezlenir ve hareket etmek için kan dolaşımına salınır. Bazı örnekler:

Kortizol

Kortizol, sentez süreçlerini yavaşlatarak ve kastaki katabolik yolları artırarak çalışır. Bu etki, amino asitlerin kan dolaşımına salınmasıyla oluşur.

ensülin

Aksine, ters etkiye sahip olan ve katabolizmayı azaltan hormonlar vardır. İnsülin, protein sentezinin artmasından sorumludur ve aynı zamanda katabolizmalarını azaltır. Bu durumda, amino asitlerin kasa çıkışını kolaylaştıran proteoliz artar.

Anabolizma ile farklılıklar

Anabolizma ve katabolizma, bir organizmada meydana gelen metabolik reaksiyonların toplamını içeren antagonistik süreçlerdir.

Her iki işlem de enzimler tarafından katalize edilen çok sayıda kimyasal reaksiyon gerektirir ve belirli reaksiyonları tetikleyebilen veya yavaşlatabilen katı hormonal kontrol altındadır. Ancak, aşağıdaki temel hususlarda farklılık gösterirler:

Moleküllerin sentezi ve bozulması

Anabolizma, sentez reaksiyonlarını içerirken, katabolizma moleküllerin parçalanmasından sorumludur. Bu süreçler tersine çevrilmesine rağmen, hassas metabolizma dengesi ile bağlantılıdır.

Anabolizmanın, basit bileşikleri alıp daha büyük bileşiklere dönüştüren farklı bir süreç olduğu söyleniyor. Büyük moleküllerden karbondioksit, amonyak ve su gibi küçük moleküllerin elde edilmesi nedeniyle yakınsak süreç olarak sınıflandırılan katabolizmanın aksine.

Farklı katabolik yollar, yiyecekleri oluşturan ve onları en küçük bileşenlerine indirgeyen makromolekülleri alır. Bu arada, anabolik yollar, bu birimleri alıp tekrar daha ayrıntılı moleküller oluşturabilir.

Başka bir deyişle, vücut, besinleri oluşturan öğelerin "konfigürasyonunu değiştirerek", ihtiyaç duyduğu süreçlerde kullanılmalarını sağlamak zorundadır.

Süreç, ana bileşenlerin çok çeşitli mekansal düzenlemelerle farklı yapılar oluşturabildiği popüler Lego oyununa benzer.

Enerji kullanımı

Katabolizma, gıdanın kimyasal bağlarında bulunan enerjinin çıkarılmasından sorumludur, bu nedenle temel amacı enerji üretimidir. Bu bozulma, çoğu durumda oksidatif reaksiyonlarla meydana gelir.

Bununla birlikte, ATP moleküllerinin ters çevrilmesini gerektiren glikolitik yolda gördüğümüz gibi, katabolik yolların ilk aşamalarında enerji eklemeyi gerektirmesi şaşırtıcı değildir.

Öte yandan, ilgilenilen bileşiklerin bir araya gelmesini sağlamak için katabolizmada üretilen serbest enerjiyi eklemekten anabolizma sorumludur. Hücrede hem anabolizma hem de katabolizma sürekli ve aynı anda meydana gelir.

Genellikle ATP, enerjiyi transfer etmek için kullanılan moleküldür. Bu, ihtiyaç duyulan alanlara yayılabilir ve hidrolize edildiğinde molekülde bulunan kimyasal enerji açığa çıkar. Benzer şekilde, enerji hidrojen atomları veya elektronlar olarak taşınabilir.

Bu moleküllere koenzimler denir ve NADP, NADPH ve FMNH _{2'yi içerir} . İndirgeme tepkileriyle hareket ederler. Ayrıca, azaltma kapasitesini ATP'ye aktarabilirler.

Referanslar

1. Chan, YK, Ng, KP ve Sim, DSM (Eds.). (2015). Akut Bakımın Farmakolojik Temelleri. Springer Uluslararası Yayıncılık.
2. Curtis, H. ve Barnes, NS (1994). Biyolojiye davet. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Moleküler hücre biyolojisi. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Beslenme ve sağlık ansiklopedisi. Bilgi Bankası Yayıncılık.
5. Voet, D., Voet, J. ve Pratt, CW (2007). Biyokimyanın Temelleri: Moleküler düzeyde yaşam. Panamerican Medical Ed.