DROGI METABOLICZNE: RODZAJE I GŁÓWNE SZLAKI - BIOLOGIA - 2026

Szlaku metabolicznym jest zestaw reakcji chemicznej, katalizowanej przez enzymy. W tym procesie cząsteczka X jest przekształcana w cząsteczkę Y za pomocą pośrednich metabolitów. Szlaki metaboliczne zachodzą w środowisku komórkowym.

Poza komórką reakcje te trwałyby zbyt długo, a niektóre mogą się nie pojawić. Dlatego każdy krok wymaga obecności białek katalitycznych zwanych enzymami. Rolą tych cząsteczek jest przyspieszenie każdej reakcji na szlaku o kilka rzędów wielkości.

Główne szlaki metaboliczne
Źródło: Chakazul (dyskusja · wkład), za Wikimedia Commons.

Fizjologicznie szlaki metaboliczne są ze sobą połączone. Oznacza to, że nie są izolowane w komórce. Wiele z najważniejszych szlaków ma wspólne metabolity.

W konsekwencji zbiór wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w komórkach nazywany jest metabolizmem. Każda komórka charakteryzuje się specyficzną wydajnością metaboliczną, która jest określona przez zawartość enzymów w jej wnętrzu, co z kolei jest uwarunkowane genetycznie.

Ogólna charakterystyka szlaków metabolicznych

W środowisku komórkowym zachodzi wiele reakcji chemicznych. Zbiór tych reakcji to metabolizm, a główną funkcją tego procesu jest utrzymanie homeostazy organizmu w normalnych warunkach, a także w warunkach stresowych.

Zatem musi istnieć równowaga przepływów tych metabolitów. Wśród głównych cech szlaków metabolicznych mamy:

Reakcje są katalizowane przez enzymy

Reakcja katalizowana przez enzymy cyklooksygenazy (źródło: Pancrat za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Bohaterami szlaków metabolicznych są enzymy. Są odpowiedzialni za integrację i analizę informacji o stanie metabolicznym i są w stanie modulować swoją aktywność w oparciu o aktualne wymagania komórkowe.

Metabolizm jest regulowany przez hormony

Metabolizmem kieruje szereg hormonów, które są w stanie koordynować reakcje metaboliczne, uwzględniając potrzeby i wydajność organizmu.

Podział na przedziały

Istnieje podział szlaków metabolicznych. Oznacza to, że każdy szlak przebiega w określonym przedziale subkomórkowym, zwanym między innymi cytoplazmą, mitochondriami. Inne trasy mogą przebiegać jednocześnie w kilku przedziałach.

Podział ścieżek pomaga regulować szlaki anaboliczne i kataboliczne (patrz poniżej).

Koordynacja przepływu metabolicznego

Koordynacja metabolizmu osiągana jest poprzez stabilność aktywności zaangażowanych enzymów. Należy zauważyć, że szlaki anaboliczne i ich kataboliczne odpowiedniki nie są całkowicie niezależne. Natomiast są skoordynowane.

Na szlakach metabolicznych znajdują się kluczowe punkty enzymatyczne. Wraz z szybkością konwersji tych enzymów regulowany jest cały przepływ szlaku.

Rodzaje szlaków metabolicznych

W biochemii wyróżnia się trzy główne typy szlaków metabolicznych. Podział ten odbywa się według kryteriów bioenergetycznych: drogi kataboliczne, anaboliczne i amfibolowe.

Drogi kataboliczne

Szlaki kataboliczne obejmują reakcje degradacji oksydacyjnej. Przeprowadzane są w celu uzyskania energii i mocy redukcyjnej, która zostanie później wykorzystana przez komórkę w innych reakcjach.

Większość cząsteczek organicznych nie jest syntetyzowana przez organizm. W przeciwieństwie do tego, musimy spożywać go z pożywieniem. W reakcjach katabolicznych cząsteczki te są rozkładane na składające się z nich monomery, które mogą być wykorzystywane przez komórki.

Drogi anaboliczne

Szlaki anaboliczne obejmują reakcje chemiczne syntezy polegające na pobieraniu małych, prostych cząsteczek i przekształcaniu ich w większe, bardziej złożone elementy.

Aby te reakcje miały miejsce, musi być dostępna energia. Skąd pochodzi ta energia? Ze szlaków katabolicznych, głównie w postaci ATP.

W ten sposób metabolity wytwarzane na szlakach katabolicznych (które na całym świecie nazywane są „pulą metabolitów”) mogą być wykorzystywane w szlakach anabolicznych w celu syntezy bardziej złożonych cząsteczek, których organizm obecnie potrzebuje.

Wśród tej puli metabolitów znajdują się trzy kluczowe cząsteczki biorące udział w tym procesie: pirogronian, acetylo-koenzym A i glicerol. Te metabolity są odpowiedzialne za łączenie metabolizmu różnych biomolekuł, takich jak między innymi lipidy, węglowodany.

Szlaki amfibie

Szlak amfibolowy działa jako szlak anaboliczny lub kataboliczny. Oznacza to, że jest to trasa mieszana.

Najbardziej znaną trasą amfibolową jest cykl Krebsa. Ta droga odgrywa fundamentalną rolę w degradacji węglowodanów, lipidów i aminokwasów. Jednak bierze również udział w produkcji prekursorów szlaków syntetycznych.

Na przykład metabolity cyklu Krebsa są prekursorami połowy aminokwasów używanych do budowy białek.

Główne szlaki metaboliczne

We wszystkich komórkach, które są częścią żywych istot, przebiega szereg szlaków metabolicznych. Niektóre z nich są wspólne dla większości organizmów.

Te szlaki metaboliczne obejmują syntezę, degradację i konwersję najważniejszych dla życia metabolitów. Cały ten proces jest znany jako pośredni metabolizm.

Komórki stale potrzebują związków organicznych i nieorganicznych, a także energii chemicznej, która pozyskiwana jest głównie z cząsteczki ATP.

ATP (trifosforan adenozyny) jest najważniejszą formą magazynowania energii we wszystkich komórkach. Zyski energii i inwestycje w szlaki metaboliczne są często wyrażane w postaci cząsteczek ATP.

Poniżej zostaną omówione najważniejsze szlaki, które są obecne w ogromnej większości organizmów żywych.

Glikoliza lub glikoliza

Rysunek 1: Glikoliza a glukoneogeneza. Reakcje i zaangażowane enzymy.

Glikoliza to droga, która polega na degradacji glukozy do dwóch cząsteczek kwasu pirogronowego, uzyskując jako zysk netto dwie cząsteczki ATP. Występuje praktycznie we wszystkich żywych organizmach i jest uważany za szybki sposób na uzyskanie energii.

Ogólnie jest zwykle podzielony na dwa etapy. Pierwsza polega na przejściu cząsteczki glukozy do dwóch cząsteczek gliceraldehydu, odwróceniu dwóch cząsteczek ATP. W drugiej fazie generowane są związki wysokoenergetyczne, a jako produkty końcowe uzyskuje się 4 cząsteczki ATP i 2 cząsteczki pirogronianu.

Trasę można kontynuować na dwa różne sposoby. Jeśli jest tlen, cząsteczki zakończą utlenianie w łańcuchu oddechowym. Lub, w przypadku braku tego, zachodzi fermentacja.

Glukoneogeneza

AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Glukoneogeneza to szlak syntezy glukozy, zaczynając od aminokwasów (z wyjątkiem leucyny i lizyny), mleczanu, glicerolu lub któregokolwiek z produktów pośrednich cyklu Krebsa.

Glukoza jest niezbędnym substratem dla niektórych tkanek, takich jak mózg, czerwone krwinki i mięśnie. Zapasy glukozy można uzyskać z zapasów glikogenu.

Jednak gdy są one wyczerpane, organizm musi rozpocząć syntezę glukozy, aby sprostać wymaganiom tkanek - głównie tkanki nerwowej.

Szlak ten występuje głównie w wątrobie. Jest to niezbędne, ponieważ na czczo organizm może nadal otrzymywać glukozę.

Aktywacja szlaku lub nie jest związana z odżywianiem organizmu. Zwierzęta, które spożywają dietę bogatą w węglowodany, mają niski wskaźnik glukoneogenny, podczas gdy dieta o niskiej zawartości glukozy wymaga znacznej aktywności glukoneogennej.

Cykl glioksylanowy

Zrobione i zredagowane z: Pierwotnym przesyłającym była Adenozyna z angielskiej Wikipedii. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

Ten cykl jest unikalny dla roślin i niektórych rodzajów bakterii. Ten szlak prowadzi do przekształcenia dwuwęglowych jednostek acetylowych w czterowęglowe jednostki - znane jako bursztynian. Ten ostatni związek może wytwarzać energię i może być również używany do syntezy glukozy.

Na przykład u ludzi niemożliwe byłoby utrzymanie się na samym octanie. W naszym metabolizmie acetylo-koenzym A nie może zostać przekształcony do pirogronianu, który jest prekursorem szlaku glukoneogennego, ponieważ reakcja enzymu dehydrogenazy pirogronianowej jest nieodwracalna.

Biochemiczna logika cyklu jest podobna do logiki cyklu kwasu cytrynowego, z wyjątkiem dwóch etapów dekarboksylacji. Występuje w bardzo specyficznych organellach roślin zwanych glioksysomami i jest szczególnie ważny w nasionach niektórych roślin, np. Słoneczników.

cykl Krebsa

Cykl kwasu trikarboksylowego (cykl Krebsa). Zrobione i zredagowane z: Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (przetłumaczone na hiszpański przez Alejandro Porto).

Jest to jedna z dróg uważanych za centralną w metabolizmie organizmów organicznych, ponieważ ujednolica metabolizm najważniejszych cząsteczek, w tym białek, tłuszczów i węglowodanów.

Jest składnikiem oddychania komórkowego i ma na celu uwolnienie energii zmagazynowanej w cząsteczce acetylo-koenzymu A - głównym prekursorze cyklu Krebsa. Składa się z dziesięciu etapów enzymatycznych i, jak wspomnieliśmy, cykl działa zarówno na szlaku anabolicznym, jak i katabolicznym.

W organizmach eukariotycznych cykl zachodzi w macierzy mitochondriów. U prokariotów - którym brakuje prawdziwych przedziałów subkomórkowych - cykl zachodzi w regionie cytoplazmatycznym.

Łańcuch transportu elektronów

Użytkownik: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

Łańcuch transportu elektronów składa się z szeregu transporterów zakotwiczonych w membranie. Łańcuch ma na celu generowanie energii w postaci ATP.

Łańcuchy są zdolne do tworzenia gradientu elektrochemicznego dzięki przepływowi elektronów, kluczowemu procesowi syntezy energii.

Synteza kwasów tłuszczowych

Kwasy tłuszczowe to cząsteczki, które odgrywają bardzo ważną rolę w komórkach, występują głównie jako składniki strukturalne wszystkich błon biologicznych. Z tego powodu niezbędna jest synteza kwasów tłuszczowych.

Cały proces syntezy zachodzi w cytozolu komórki. Centralna cząsteczka tego procesu nazywana jest koenzymem malonylowym A. Odpowiada za dostarczanie atomów, które utworzą szkielet węglowy powstającego kwasu tłuszczowego.

Beta-utlenianie kwasów tłuszczowych

Utlenianie beta to proces degradacji kwasów tłuszczowych. Odbywa się to w czterech etapach: utlenianie FAD, hydratacja, utlenianie NAD + i tioliza. Wcześniej kwas tłuszczowy wymagał aktywacji poprzez integrację koenzymu A.

Produktem wspomnianych reakcji są jednostki utworzone przez parę atomów węgla w postaci acetylokoenzymu A. Cząsteczka ta może wejść w cykl Krebsa.

Efektywność energetyczna tego szlaku zależy od długości łańcucha kwasu tłuszczowego. Na przykład dla kwasu palmitynowego, który ma 16 atomów węgla, wydajność netto wynosi 106 cząsteczek ATP.

Ten szlak zachodzi w mitochondriach eukariontów. Istnieje również inna alternatywna droga w przedziale zwanym peroksysomem.

Ponieważ większość kwasów tłuszczowych znajduje się w cytozolu komórkowym, muszą one zostać przetransportowane do przedziału, w którym zostaną utlenione. Transport jest zależny od kartinitanu i umożliwia tym cząsteczkom przedostanie się do mitochondriów.

Metabolizm nukleotydów

Synteza nukleotydów jest kluczowym wydarzeniem w metabolizmie komórkowym, ponieważ są to prekursory cząsteczek wchodzących w skład materiału genetycznego, DNA i RNA, oraz ważnych cząsteczek energii, takich jak ATP i GTP.

Prekursory syntezy nukleotydów obejmują różne aminokwasy, 5 fosforan rybozy, dwutlenek węgla i NH ₃ . Ścieżki odzyskiwania są odpowiedzialne za recykling wolnych zasad i nukleozydów uwolnionych z rozkładu kwasów nukleinowych.

Utworzenie pierścienia purynowego odbywa się z fosforanu rybozy 5, staje się on jądrem purynowym i ostatecznie otrzymuje się nukleotyd.

Pierścień pirymidynowy jest syntetyzowany jako kwas orotowy. Następnie wiąże się z fosforanem rybozy 5 i przekształca się w nukleotydy pirymidynowe.

Fermentacja

Autorem oryginalnej wersji jest User: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Fermentacje to niezależne od tlenu procesy metaboliczne. Są typu katabolicznego, a końcowym produktem procesu jest metabolit, który nadal ma potencjał utleniający. Istnieją różne rodzaje fermentacji, ale fermentacja mlekowa zachodzi w naszym organizmie.

W cytoplazmie komórki zachodzi fermentacja mlekowa. Polega na częściowej degradacji glukozy w celu uzyskania energii metabolicznej. Jako substancja odpadowa powstaje kwas mlekowy.

Po intensywnej sesji ćwiczeń beztlenowych mięśnie nie mają odpowiedniego stężenia tlenu i następuje fermentacja mlekowa.

Niektóre komórki organizmu są zmuszane do fermentacji, ponieważ brakuje im mitochondriów, jak ma to miejsce w przypadku czerwonych krwinek.

W przemyśle procesy fermentacyjne są wykorzystywane z dużą częstotliwością do produkcji szeregu produktów przeznaczonych do spożycia przez ludzi, takich jak między innymi pieczywo, napoje alkoholowe, jogurt.

Bibliografia

1. Baechle, TR i Earle, RW (red.). (2007). Zasady treningu siłowego i kondycji fizycznej. Panamerican Medical Ed.
2. Berg, JM, Stryer, L. i Tymoczko, JL (2007). Biochemia. Odwróciłem się.
3. Campbell, MK i Farrell, SO (2011). Biochemia. Szósta edycja. Thomson. Brooks / Cole.
4. Devlin, TM (2011). Podręcznik biochemii. John Wiley & Sons.
5. Koolman, J. i Röhm, KH (2005). Biochemia: tekst i atlas. Panamerican Medical Ed.
6. Mougios, V. (2006). Biochemia ćwiczeń. Human Kinetics.
7. Müller-Esterl, W. (2008). Biochemia. Podstawy medycyny i nauk przyrodniczych. Odwróciłem się.
8. Poortmans, JR (2004). Zasady biochemii wysiłku. 3 ^rd , wydanie poprawione. Karger.
9. Voet, D. i Voet, JG (2006). Biochemia. Panamerican Medical Ed.