Катаболизм — расщепление веществ в организме¶
Катаболизм — это совокупность биохимических реакций в живом организме, направленных на расщепление сложных органических молекул на более простые с выделением энергии. Вместе с анаболизмом (процессами синтеза новых веществ) катаболизм образует метаболизм — обмен веществ в организме. Если анаболизм строит, то катаболизм разрушает, обеспечивая клетки энергией и строительным материалом.
¶Основные этапы катаболизма
Катаболизм протекает в три последовательные стадии:
- Гидролиз (переваривание). Сложные молекулы пищи — белки, жиры, углеводы — расщепляются на мономеры: аминокислоты, жирные кислоты, глицерин, моносахариды. Этот этап начинается ещё в желудочно-кишечном тракте под действием ферментов.
- Деградация до ацетил-КоА. Продукты первого этапа превращаются в уксусную кислоту, связанную с коферментом А (ацетил-КоА) — общий метаболитический интермедиат. Аминокислоты теряют аминогруппу (дезаминирование), жирные кислоты подвергаются бета-окислению, а глюкоза проходит гликолиз.
- Окислительное фосфорилирование. Ацетил-КоА вступает в цикл Кребса, где полностью окисляется до CO₂ и воды. Электроны передаются по дыхательной цепи в митохондриях, и в результате синтезируется АТФ — основной источник энергии клетки.
¶Катаболизм основных питательных веществ
¶Углеводный катаболизм
Основной путь — гликолиз, в ходе которого одна молекула глюкозы (6 углеродов) распадается на две молекулы пирувата (3 углерода) с небольшим выходом АТФ. При недостатке кислорода пируват превращается в лактат (в мышцах) или этанол и CO₂ (при анаэробном дыхании дрожжей). При аэробных условиях пируват окисляется в ацетил-КоА и входит в цикл Кребса.
¶Жировой катаболизм
Триглицериды расщепляются на глицерин и жирные кислоты. Глицерин может вступать в гликолиз, а жирные кислоты подвергаются бета-окислению в митохондриях: молекула постепенно «отрезается» по две углеродных единицы в виде ацетил-КоА. Этот процесс даёт значительно больше АТФ, чем расщепление углеводов, поэтому жиры — основной энергетический резерв организма.
¶Белковый катаболизм
Аминокислоты теряют аминогруппу (дезаминирование), после чего углеродный скелет используется как источник энергии или как сырьё для глюконеогенеза. Продукты распада азотсодержащих соединений — аммиак, мочевина — выводятся из организма. В нормальных условиях белки расходуются на энергетические цели лишь при истощении запасов жиров и гликогена.
¶Регуляция катаболизма
Катаболизм управляется гормонами и энергетическим статусом клетки:
- Инсулин тормозит катаболизм, стимулируя запасание глюкозы в виде гликогена и жиров.
- Глюкагон, адреналин и кортизол, наоборот, активируют расщепление гликогена, жиров и белков, повышая уровень глюкозы в крови.
- Ключевой молекулярный «датчик» энергии — АМФ-активированная протеинкиназа (AMPK), которая включается при дефиците АТФ и запускает катаболические пути.
При голодании или интенсивной физической нагрузке катаболизм преобладает над анаболизмом; после приёма пищи и в покое, наоборот, доминируют процессы синтеза.
¶Катаболизм и мышечная ткань
В спортивной и медицинской практике термин «катаболизм» часто ассоциируется с распадом мышечного белка. Действительно, при дефиците калорий, хроническом стрессе или недостатке белка в рационе организм начинает использовать аминокислоты мышц для энергии. Этому способствует повышенный уровень кортизола. Для ограничения мышечного катаболизма рекомендуется достаточное белковое питание и регулярная физическая нагрузка, которая стимулирует противоположный процесс — мышечный анаболизм.
¶Нарушения катаболизма
Врождённые дефекты ферментов катаболических путей приводят к группе заболеваний — болезням накопления (лизосомным болезням накопления, органическим ацидемиям). Пример — фенилкетонурия, при которой отсутствует фермент, расщепляющий аминокислоту фенилаланин; без лечения это ведёт к тяжёлому поражению нервной системы. Нарушение катаболизма лежит в основе и приобретённых патологий: сахарного диабета (нарушение утилизации глюкозы), ожирения (дисбаланс жирового обмена), подагры (избыточное накопление мочевой кислоты).
¶Роль в экосистемах
Катаболизм осуществляют все живые организмы, включая бактерий и грибы. Микроорганизмы-деструкторы разлагают остатки растений и животных, замыкая круговорот веществ в природе. Без катаболизма биосфера была бы завалена органическими отходами, а элементы — углерод, азот, фосфор — оказались бы заперты в мёртвом веществе.
¶Источники
- Нельсон Д., Кокс М. «Основы биохимии Ленинджера»
- Альбертс Б. и др. «Молекулярная биология клетки»
- Лахин В.Г. «Биохимия»
- Медицинская энциклопедия, раздел «Обмен веществ»