ANABOLIZM: FUNKCJE, PROCESY, RÓŻNICE Z KATABOLIZMEM - BIOLOGIA - 2025

Anabolizm jest podział metabolizmu udziałem reakcji powstawania dużych cząsteczek z mniejszymi. Aby ta seria reakcji zaszła, niezbędne jest źródło energii, którym jest generalnie ATP (adenozynotrifosforan).

Anabolizm i jego odwrotność metaboliczna, katabolizm, są pogrupowane w serię reakcji zwanych szlakami metabolicznymi lub szlakami organizowanymi i regulowanymi głównie przez hormony. Każdy mały krok jest kontrolowany, aby następował stopniowy transfer energii.

Źródło: www.publicdomainpictures.net

Procesy anaboliczne mogą przyjmować podstawowe jednostki, z których składają się biocząsteczki - aminokwasy, kwasy tłuszczowe, nukleotydy i monomery cukrów - i wytwarzać bardziej skomplikowane związki, takie jak białka, lipidy, kwasy nukleinowe i węglowodany, jako producenci energii końcowej.

cechy

Metabolizm to termin obejmujący wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w organizmie. Komórka przypomina mikroskopijną fabrykę, w której nieustannie zachodzą reakcje syntezy i degradacji.

Dwa cele metabolizmu to: po pierwsze, wykorzystanie energii chemicznej zgromadzonej w pożywieniu, a po drugie, zastąpienie struktur lub substancji, które już nie funkcjonują w organizmie. Zdarzenia te zachodzą zgodnie ze specyficznymi potrzebami każdego organizmu i są kierowane przez przekaźniki chemiczne zwane hormonami.

Energia pochodzi głównie z tłuszczów i węglowodanów, które spożywamy w pożywieniu. W przypadku niedoboru organizm może uzupełnić niedobór białkiem.

Również procesy regeneracji są ściśle powiązane z anabolizmem. Regeneracja tkanek jest warunkiem sine qua non utrzymania zdrowego organizmu i prawidłowego funkcjonowania. Anabolizm jest odpowiedzialny za produkcję wszystkich związków komórkowych, które zapewniają im funkcjonowanie.

W komórce zachodzi delikatna równowaga między procesami metabolicznymi. Duże cząsteczki mogą zostać rozbite na najmniejsze składniki w wyniku reakcji katabolicznych, a proces odwrotny - od małych do dużych - może nastąpić poprzez anabolizm.

Procesy anaboliczne

Ogólnie anabolizm obejmuje wszystkie reakcje katalizowane przez enzymy (małe cząsteczki białka, które przyspieszają reakcje chemiczne o kilka rzędów wielkości) odpowiedzialne za „budowę” lub syntezę składników komórkowych.

Przegląd szlaków anabolicznych obejmuje następujące etapy: Proste cząsteczki, które uczestniczą jako półprodukty w cyklu Krebsa, są aminowane lub chemicznie przekształcane w aminokwasy. Są one później składane w bardziej złożone cząsteczki.

Procesy te wymagają energii chemicznej pochodzącej z katabolizmu. Do najważniejszych procesów anabolicznych należą: synteza kwasów tłuszczowych, synteza cholesterolu, synteza kwasów nukleinowych (DNA i RNA), synteza białek, synteza glikogenu, synteza aminokwasów.

Rola tych cząsteczek w organizmie i drogi ich syntezy zostaną pokrótce opisane poniżej:

Synteza kwasów tłuszczowych

Lipidy to wysoce heterogeniczne biocząsteczki, które po utlenieniu są zdolne do wytwarzania dużej ilości energii, w szczególności cząsteczki triacyloglicerolu.

Kwasy tłuszczowe to archetypowe lipidy. Składają się z głowy i ogona wykonanych z węglowodorów. Mogą być nienasycone lub nasycone, w zależności od tego, czy mają podwójne wiązania na ogonie, czy nie.

Lipidy są niezbędnymi składnikami wszystkich błon biologicznych, oprócz tego, że są substancją rezerwową.

Kwasy tłuszczowe są syntetyzowane w cytoplazmie komórki z cząsteczki prekursora zwanej malonylo-CoA, pochodzącej z acetylo-CoA i wodorowęglanu. Ta cząsteczka przekazuje trzy atomy węgla, aby rozpocząć wzrost kwasu tłuszczowego.

Po utworzeniu malonilu reakcja syntezy przebiega w czterech zasadniczych etapach:

-Kondensacja acetylo-ACP z malonylo-ACP, reakcja, w której powstaje acetoacetylo-ACP i uwalnia dwutlenek węgla jako substancję odpadową.

-Drugi etap to redukcja acetoacetylo-ACP przez NADPH do D-3-hydroksybutyrylu-ACP.

- Następuje późniejsza reakcja dehydratacji, która przekształca poprzedni produkt (D-3-hydroksybutyryl-ACP) w krotonylo-ACP.

-W końcu, krotonylo-ACP jest redukowane, a produktem końcowym jest butyryl-ACP.

Synteza cholesterolu

Cholesterol jest sterolem z typowym 17-węglowym jądrem steranów. Odgrywa różne role w fizjologii, ponieważ działa jako prekursor różnych cząsteczek, takich jak kwasy żółciowe, różne hormony (w tym płciowe) i jest niezbędna do syntezy witaminy D.

Synteza zachodzi w cytoplazmie komórki, głównie w komórkach wątroby. Ten szlak anaboliczny składa się z trzech faz: najpierw powstaje jednostka izoprenowa, następnie w wyniku postępującej asymilacji tych jednostek powstaje skwalen, który przechodzi do lanosterolu, a na końcu uzyskuje się cholesterol.

Aktywność enzymów w tym szlaku jest regulowana głównie przez względny stosunek hormonów insulina: glukagon. Wraz ze wzrostem tego współczynnika aktywność szlaku wzrasta proporcjonalnie.

Synteza nukleotydów

Kwasy nukleinowe to DNA i RNA, pierwszy zawiera wszystkie informacje niezbędne do rozwoju i utrzymania organizmów żywych, a drugi uzupełnia funkcje DNA.

Zarówno DNA, jak i RNA składają się z długich łańcuchów polimerów, których podstawową jednostką są nukleotydy. Z kolei nukleotydy składają się z cukru, grupy fosforanowej i zasady azotowej. Prekursorem puryn i pirymidyn jest rybozo-5-fosforan.

Puryny i pirymidyny są wytwarzane w wątrobie z prekursorów, takich jak między innymi dwutlenek węgla, glicyna, amoniak.

Synteza kwasu nukleinowego

Nukleotydy muszą być połączone w długie łańcuchy DNA lub RNA, aby mogły spełniać swoją biologiczną funkcję. Proces obejmuje szereg enzymów, które katalizują reakcje.

Enzymem odpowiedzialnym za kopiowanie DNA w celu wytworzenia większej liczby cząsteczek DNA o identycznych sekwencjach jest polimeraza DNA. Enzym ten nie może zainicjować syntezy de novo, więc musi w nim uczestniczyć mały fragment DNA lub RNA zwany starterem, który umożliwia utworzenie łańcucha.

To wydarzenie wymaga udziału dodatkowych enzymów. Na przykład helikaza pomaga otworzyć podwójną helisę DNA, tak aby polimeraza mogła działać, a topoizomeraza jest w stanie modyfikować topologię DNA, albo przez splątanie go, albo rozplątanie.

Podobnie polimeraza RNA uczestniczy w syntezie RNA z cząsteczki DNA. W przeciwieństwie do poprzedniego procesu synteza RNA nie wymaga wspomnianego startera.

Synteza białek

Synteza białek jest kluczowym wydarzeniem we wszystkich żywych organizmach. Białka pełnią różnorodne funkcje, takie jak transport substancji lub pełnienie roli białek strukturalnych.

Zgodnie z centralnym „dogmatem” biologii, po skopiowaniu DNA do informacyjnego RNA (jak opisano w poprzedniej sekcji), jest ono z kolei przekształcane przez rybosomy w polimer aminokwasów. W RNA każdy tryplet (trzy nukleotydy) jest interpretowany jako jeden z dwudziestu aminokwasów.

Synteza zachodzi w cytoplazmie komórki, w której znajdują się rybosomy. Proces przebiega w czterech fazach: aktywacji, inicjacji, wydłużenia i zakończenia.

Aktywacja polega na związaniu określonego aminokwasu z odpowiednim transferowym RNA. Inicjacja obejmuje wiązanie rybosomu z 3 'końcową częścią informacyjnego RNA, wspomagane przez „czynniki inicjacji”.

Wydłużenie obejmuje dodanie aminokwasów zgodnie z komunikatem RNA. Wreszcie, proces zatrzymuje się z określoną sekwencją w informacyjnym RNA, zwaną prezerwatywą terminacji: UAA, UAG lub UGA.

Synteza glikogenu

Glikogen to cząsteczka zbudowana z powtarzających się jednostek glukozy. Działa jako substancja rezerwowa energii i występuje głównie w wątrobie i mięśniach.

Droga syntezy nazywana jest glikogenogenezą i wymaga udziału enzymu syntazy glikogenu, ATP i UTP. Szlak rozpoczyna się od fosforylacji glukozy do glukozo-6-fosforanu, a następnie do glukozo-1-fosforanu. Następnym krokiem jest dodanie UDP w celu uzyskania UDP-glukozy i nieorganicznego fosforanu.

Cząsteczka UDP-glukozy przyłącza się do łańcucha glukozy poprzez wiązanie alfa 1-4, uwalniając nukleotyd UDP. W przypadku wystąpienia rozgałęzień są one utworzone przez wiązania alfa 1-6.

Synteza aminokwasów

Aminokwasy to jednostki tworzące białka. W naturze występuje 20 rodzajów, każdy o unikalnych właściwościach fizycznych i chemicznych, które określają ostateczną charakterystykę białka.

Nie wszystkie organizmy potrafią syntetyzować wszystkie 20 typów. Na przykład ludzie mogą syntetyzować tylko 11, pozostałe 9 należy włączyć do diety.

Każdy aminokwas ma swoją własną ścieżkę. Jednak pochodzą one z cząsteczek prekursorów, takich jak między innymi alfa-ketoglutaran, szczawiooctan, 3-fosfoglicerynian, pirogronian.

Regulacja anabolizmu

Jak wspomnieliśmy wcześniej, metabolizm jest regulowany przez substancje zwane hormonami, wydzielane przez wyspecjalizowane tkanki, gruczołowe lub nabłonkowe. Funkcjonują jako posłańcy, a ich chemiczna natura jest dość niejednorodna.

Na przykład insulina jest hormonem wydzielanym przez trzustkę i ma duży wpływ na metabolizm. Po posiłkach bogatych w węglowodany insulina działa stymulująco na szlaki anaboliczne.

Tym samym hormon jest odpowiedzialny za aktywację procesów umożliwiających syntezę substancji magazynujących, takich jak tłuszcze czy glikogen.

Są okresy życia, w których dominują procesy anaboliczne, takie jak dzieciństwo, okres dojrzewania, w czasie ciąży czy podczas treningu nastawionego na wzrost mięśni.

Różnice z katabolizmem

Wszystkie procesy i reakcje chemiczne zachodzące w naszym ciele - szczególnie w naszych komórkach - są na całym świecie znane jako metabolizm. Dzięki tej ściśle kontrolowanej serii wydarzeń możemy rosnąć, rozwijać się, rozmnażać i utrzymywać ciepło ciała.

Synteza a degradacja

Metabolizm obejmuje wykorzystanie biocząsteczek (białek, węglowodanów, lipidów lub tłuszczów i kwasów nukleinowych) w celu utrzymania wszystkich niezbędnych reakcji żywego układu.

Pozyskiwanie tych cząsteczek pochodzi z pożywienia, które codziennie spożywamy, a nasz organizm jest w stanie „rozłożyć” je na mniejsze jednostki podczas procesu trawienia.

Na przykład białka (które mogą pochodzić na przykład z mięsa lub jaj) są rozkładane na ich główne składniki: aminokwasy. W ten sam sposób możemy przetwarzać węglowodany na mniejsze jednostki cukru, ogólnie glukozę, jeden z węglowodanów najczęściej wykorzystywanych przez nasz organizm.

Nasz organizm jest w stanie wykorzystać te małe jednostki - między innymi aminokwasy, cukry, kwasy tłuszczowe - do budowy nowych, większych cząsteczek w konfiguracji, której potrzebuje nasz organizm.

Proces rozpadu i pozyskiwania energii nazywa się katabolizmem, podczas gdy tworzenie nowych, bardziej złożonych cząsteczek to anabolizm. Zatem procesy syntezy są powiązane z anabolizmem, a degradacja z katabolizmem.

Jako regułę mnemoniczną możemy użyć „c” w słowie katabolizm i odnieść to do słowa „wyciąć”.

Zużycie energii

Procesy anaboliczne wymagają energii, podczas gdy procesy degradacji wytwarzają tę energię, głównie w postaci ATP - znanej jako waluta energetyczna komórki.

Ta energia pochodzi z procesów katabolicznych. Wyobraźmy sobie, że mamy talię kart, jeśli mamy wszystkie karty starannie ułożone i rzucamy je na ziemię, robią to spontanicznie (analogicznie do katabolizmu).

Jeśli jednak chcemy je ponownie zamówić, musimy przyłożyć energię do układu i odebrać je z ziemi (analogicznie do anabolizmu).

W niektórych przypadkach szlaki kataboliczne potrzebują „zastrzyku energii” w swoich pierwszych krokach, aby rozpocząć proces. Na przykład glikoliza lub glikoliza to rozpad glukozy. Aby rozpocząć, ten szlak wymaga użycia dwóch cząsteczek ATP.

Równowaga między anabolizmem a katabolizmem

Dla utrzymania zdrowego i odpowiedniego metabolizmu niezbędna jest równowaga pomiędzy procesami anabolizmu i katabolizmu. W przypadku, gdy procesy anabolizmu przewyższają procesy katabolizmu, przeważają zdarzenia syntezy. W przeciwieństwie do tego, gdy organizm otrzymuje więcej energii niż jest to konieczne, przeważają ścieżki kataboliczne.

Kiedy organizm doświadcza przeciwności, nazywamy to chorobą lub okresami przedłużającego się postu, metabolizm skupia się na szlakach degradacji i wchodzi w stan kataboliczny.

Źródło: Alejandro Porto, źródło Wikimedia Commons

Bibliografia

1. Chan, YK, Ng, KP i Sim, DSM (red.). (2015). Farmakologiczne podstawy ostrej opieki. Wydawnictwo Springer International.
2. Curtis, H. i Barnes, NS (1994). Zaproszenie na biologię. Macmillan.
3. Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). Biologia komórki molekularnej. Macmillan.
4. Ronzio, RA (2003). Encyklopedia odżywiania i dobrego zdrowia. Infobase Publishing.
5. Voet, D., Voet, J. i Pratt, CW (2007). Podstawy biochemii: Życie na poziomie molekularnym. Panamerican Medical Ed.