Что такое катаболизм в биологии: Катаболизм — все самое интересное на ПостНауке

Катаболизм — Insch.Ru

Мы объясним, что такое катаболизм и чем он отличается от анаболизма. А также типы, которые существуют, их значение и примеры
Катаболизм – это расщепление питательных веществ для получения энергии

Что такое катаболизм?

Катаболизм – это процесс расщепления сложных питательных веществ на простые вещества для получения энергии для организма. Это одна из двух фаз метаболизма живых организмах , вторая – анаболизм (процесс, противоположный и дополняющий катаболизм)

Этот термин происходит от греческого katos (вниз) и ballein (бросать), поскольку он идет от более сложных и больших к более простым и маленьким. Она требует небольших затрат энергии от организма, но высвобождает химическую энергию , которую организм накапливает в виде АТФ (аденозинтрифосфата) для использования в других ближайших процессах

Катаболические реакции, то есть реакции, составляющие катаболизм, могут сильно отличаться друг от друга, хотя в то же время они мало различаются среди различных известных форм жизни. Обычно они состоят из реакций восстановления-окисления органических молекул, хотя существуют микроорганизмы , способные метаболизировать железо и серу

Кроме того, катаболические реакции делятся на те, которые требуют кислорода (аэробные), и те, которые не требуют (анаэробные). И то, и другое происходит в человеческом организме, например, при пищеварении (которое расщепляет органические макромолекулы на составляющие их мономеры), а затем при внутриклеточном метаболическом цикле (цикл Кребса и окислительное фосфорилирование)

Различия между катаболизмом и анаболизмом

Катаболизм и анаболизм – это взаимодополняющие, но противоположные процессы. Катаболизм расщепляет органические макромолекулы до более простых форм. При этом высвобождается химическая энергия их химических связей. Анаболизм, с другой стороны, потребляет энергию из организма для образования новых связей и новых сложных молекул в обратном направлении

Поэтому пока один потребляет энергию, другой ее высвобождает ; пока один идет от базового к сложному, другой идет в обратном направлении. Это означает, что когда катаболизм и анаболизм находятся в равновесии, клетки остаются стабильными; но когда необходимо разрушить ткани (например, сжигание жира ), катаболизм преобладает над анаболизмом

Клеточный катаболизм

Катаболизм происходит внутри клеток организма через серию процессов, которые составляют клеточное дыхание. Это происходит через различные процессы, в зависимости от наличия или отсутствия кислорода, но в целом состоит из окисления биомолекул глюкозы для получения энергии

Этот процесс, называемый гликолизом, происходит в цитозоле клеток, получая на каждую молекулу глюкозы (с 6 атомами углерода ) две молекулы пирувата (с 3 атомами углерода каждая), в процессе, который затрачивает две молекулы АТФ, чтобы получить четыре в обмен. Затем этот пируват будет перерабатываться в зависимости от наличия или отсутствия кислорода:

• В присутствии кислорода (аэробная среда) пируват окисляется до CO2 , высвобождая энергию из своих связей для производства АТФ. Это происходит в матриксе митохондрий клетки на его первой фазе (цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса), а затем в дыхательной цепи, которая происходит в мембранах митохондрий. Этот процесс является высокоэнергетическим и дает около 36 молекул АТФ на молекулу глюкозы.
• Клеточная ферментация. В отсутствие кислорода (анаэробная среда) организмы не могут окислять пируват, но ферментируют его, производя вместо CO2 молекулы этанола или молочной кислоты. Эти молекулы гораздо труднее удалить и они дают гораздо меньше энергии: всего около 2 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.

Продолжение следует: Гликолиз

Мышечный катаболизм

Физические упражнения в сочетании с правильным питанием предотвращают мышечный катаболизм.

Мышечный катаболизм – это уменьшение мышечной массы в результате собственного метаболизма , то есть разрушение мышечной ткани для получения ресурсов, необходимых для питания

Это происходит, когда пищи , поступающей в организм, недостаточно для поддержания метаболизма или когда потребность в энергии намного превышает количество энергии, получаемой из пищи

В таких случаях организм обращается за дополнительной энергией к жирам и, истощив их, прибегает к отчаянным мерам, таким как сжигание мышц, чтобы обмен веществ продолжал работать

Чтобы избежать мышечного катаболизма, необходимо соблюдать диету, соответствующую объему тренировок или физической активности. Кроме того, важно обеспечить организму достаточную возможность для отдыха, так как наибольшее количество мышечной массы создается во время сна

Важность катаболизма

Катаболизм является ключевой частью метаболического процесса живых организмов , то есть их способов получения энергии, особенно в случае гетеротрофов , которые должны питаться органическим веществом других живых организмов, переваривая его и расщепляя на минимальные части, полезные для их организма

Понимание катаболизма имеет фундаментальное значение для понимания того, как и почему мы выживаем на основе потребления пищи , поскольку наши тела должны превращать то, что мы едим, в полезные части, из которых можно создавать новые клетки и ткани

Пример катаболизма

Катаболизм позволяет нам превращать пищу в простые вещества.

Катаболизм это основной принцип переваривания пищи, которую мы едим. Например, пища, которую мы едим, перерабатывается и расщепляется на более крупные биомолекулы, которые поступают в организм для катаболизма

Так, белки расщепляются на аминокислоты, липиды – на жирные кислоты, а сахара – на моносахариды. Эти более простые соединения затем сходятся в один метаболический путь: ацетил-КоА, соединение, которое поступает в клетки для запуска клеточного дыхания (цикл Кребса)

Этапы энергетического обмена – Российский учебник

Живой организм построен из клеток. А некоторые, например, амеба или инфузория, состоят из одной клетки. Сложные многоклеточные особи представлены сочетаниями клеток, которые образуют различные системы организма: дыхательную или пищеварительную. Весь организм пронизан клетками нервной ткани, которые обеспечивают регуляцию и управление макроорганизмом.

Живая клетка от неживой отличается тем, что в ней постоянно и непрерывно протекает два разнонаправленных процесса:

• синтез, или строительство новых органелл (пластический обмен или ассимиляция)
• катаболизм, или разрушение питательных элементов с образованием энергии (энергетический обмен или диссимиляция)

В живых особях баланс между ассимиляцией и диссимиляцией поддерживается не всегда. Если наблюдать за жизнью организма, можно заметить, что сначала тело становится больше по размерам, крепче и выносливее. Чем старше становится организм, тем меньше заметен рост, а в старости начинают преобладать процессы распада, организм не успевает восстанавливаться и погибает.

Чтобы машина ехала, ей нужен бензин. А бензин делают из нефти. Чтобы макроорганизм существовал, ему нужна энергия. В учебниках биологии часто можно встретить фразу глюкоза — ресурс энергии для клетки. Это так. Но глюкоза — как нефть для автомобиля. Поэтому сначала глюкозу нужно превратить в бензин. И таким бензином для клетки будет молекула АТФ.

Молекула АТФ известна миру довольно давно. Через десять лет, в 2029 году отпразднует сто лет со дня открытия вещество, благодаря которому в живой клетке поддерживается упорядоченность структур и она может противостоять хаосу и растущей энтропии (почему так происходит, подробно рассказано на странице 30 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.

А.).

В 1929 году, практически одновременно, сотрудники Института биологии кайзера Вильгельма в Берлине Карл Ломан и Отто Мейергоф и ученые Гарвардской Медицинской школы Сайрус Фиске и Йеллапрагад Суббарао в Гарвардской Медицинской школе опубликовали работы, в которых описали молекулу АТФ.

В 30 годах ХХ века в лаборатории Мейергофа появился молодой ученый, Фриц Липман, который заинтересовался энергетическими аспектами клеточного метаболизма, и в 1941 году талантливый биохимик доказал, что АТФ – основной двигатель энергетических реакций в живой клетке. А в 1953 году его вклад в физиологию совместно с Х. Кребсом был удостоен Нобелевской премии.

АТФ — аденозинтрифосфат, нуклеотид, глобальный ресурс энергии для сложных реакций обмена веществ, происходящих в клетках организма. Схематично молекула АТФ представлена на странице 99 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А..

Вся суть энергетического обмена сводится к решению задачи, как энергию из сложных молекул пищи превратить в молекулу АТФ. В процессе эволюции эта задача была решена.

Так как же булочка из Макдональдса превращается в энергию макроэргических связей АТФ?

В энергетическом обмене выделяют несколько процессов, разделенных не только временем, но и протекающих в различных частях клетки:

• Подготовительный этап
• Гликолиз
• Кислородное окисление

Подготовительный этап у человека и других многоклеточных макроорганизмов начинается в ротовой полости, продолжается в желудочно-кишечном тракте и представляет собой многоступенчатый процесс распада сложных полимеров белков, жиров и углеводов пищи до мономеров.

Из курса химии помним, что во время разрыва связей элементов выделяется энергия. Для образования аденозинтрифосфата этой энергии недостаточно, и она вся уходит во внешнюю среду.

Что же происходит у простых одноклеточных организмов, у которых нет ротиков и животиков? Пища, захваченная одноклеточным организмом, попадает в пищеварительную вакуоль или лизосому, где при помощи ферментов-катализаторов, способствующих пищеварению, протекает начальный этап диссимиляции.

Подготовленные во время предварительного этапа вещества переходят во второй бескислородный этап энергетического обмена, который называется гликолиз.

Два греческих слова (гликос – «сладкий» и лизис – «расщеплять») дали название второй бескислородной фазе энергетического обмена — глико́лизу. 

Гликолиз является цепочкой из 10 биохимических превращений, итогом которых является трансформация стабильной молекулы глюкозы в трехуглеродные молекулы

пирувата, – или пировиноградной кислоты.

Что ещё почитать?

Химические и физические свойства водорода

Основные химические свойства кислот

Теория электролитической диссоциации

Массовая доля вещества

«Подождите, – могут сказать дотошные ученики, – глюкоза у нас находится в пищеварительной системе. А процессы метаболизма идут в клетках по всему организму, например, на кончике носа или задней лапе. Как же попадает глюкоза в цитоплазму клетки во всем организме?».

Глюкоза всасывается в желудочно-кишечном тракте, попадает в кровоток, током крови разносится ко всем тканям и клеткам организма, и благодаря белку-переносчику инсулину попадает в клетку.

Цитоплазма отдельной клетки – место осуществления реакций гликолиза. Энергии при этом выделяется совсем немного. Ее хватает лишь на формирование 2-х молекул АТФ. Казалось бы, энергия получена, и процесс может остановиться. Так и происходит у некоторых бактерий. Но никакому нормальному многоклеточному организму таких запасов АТФ не хватит. В пировиноградной кислоте остался еще достаточный запас энергии, которую тоже хотелось бы использовать макроорганизму.

У многоклеточных тел пируват переходит в третью фазу диссимиляции — клеточное дыхание в митохондриях. Дыханием процесс называется, поскольку в ходе химических реакций в митохондриях происходит потребление кислорода и выделение углекислого газа в цитоплазму клетки, а дальше, с помощью кровообращения и дыхания, – во внешнюю среду.

Клеточное дыхание представлено двумя этапами:

• цикл Кребса, протекающий в матриксе митохондрий
• окислительное фосфорилирование, протекающее на кристах митохондрий при участии ферментов дыхательной цепи

Итогом кислородного этапа энергетического обмена является выделение количества энергии, достаточного для образования 36 молекул АТФ, воды и СО2. При этом нужно помнить, что аденозинтрифосфат содержит три остатка фосфата, а макроэргических связей образуется только две. Суммарное уравнение биохимических реакций, протекающих в третьей фазе диссимиляции, можно записать так:

2C₃H₄O₃+6O₂+36H₃PO₄+36АДФ=6CO₂+42H₂O+36АТФ

В итоге этих реакций происходит накопление огромного количества энергии — 36 молекул аденозинтрифосфата против 2-х, что запасаются в процессе гликолиза. Однако поскольку эта фаза требует кислорода для своих реакций, в бескислородной среде процесс протекать не может.

При дефиците кислорода пируват окисляется до лактата. Именно ему принадлежит ощущение приятной боли после хорошей тренировки. У хорошо тренированных людей с активным кровоснабжением и хорошо развитой сетью капилляров нужно затратить большую физическую нагрузку перед тем, как начнет накапливаться молочная кислота.

Вспомним, что еще 2 молекулы аденозинтрифосфата накапливаются на этапе гликолиза. Таким образом, при распаде одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ.

На портале LECTA В параграфе 22 учебника «Естествознание 11 класс» под редакцией Титова С.А. внимательные ученики найдут ответ на вопрос, почему цианистый калий – любимое средство убийц в детективных романах.

Тест

Катаболизм | Определение и метаболизм

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Факты и сопутствующий контент

Катаболизм – определение и примеры

Катаболизм Определение

Катаболизм – это часть метаболизма , отвечающая за расщепление сложных молекул на более мелкие молекулы. Другая часть метаболизма, анаболизм , превращает простые молекулы в более сложные. В ходе катаболизма энергия высвобождается из связей расщепляющихся больших молекул. Как правило, эта энергия затем запасается в связях аденозинтрифосфат (АТФ). Катаболизм увеличивает концентрацию АТФ в клетке, поскольку он расщепляет питательные вещества и пищу. АТФ в таких высоких концентрациях с гораздо большей вероятностью отдает свою энергию при высвобождении фосфата. Затем анаболизм использует эту энергию для объединения простых предшественников в сложные молекулы, которые добавляются к клетке и накапливают энергию для клеточного деления.

Многие пути катаболизма имеют аналогичные варианты анаболизма. Например, большие молекулы жира в пище организма должны быть расщеплены на маленькие жирные кислоты, из которых она состоит. Затем, чтобы организм запасал энергию на зиму, должны создаваться и запасаться большие молекулы жира. Катаболические реакции расщепляют жиры, а анаболические пути восстанавливают их. Эти метаболические пути часто используют одни и те же ферменты. Чтобы уменьшить вероятность того, что пути отменят прогресс друг друга, пути часто подавляют друг друга и разделены на разные органеллы у эукариот.

Примеры катаболизма

Катаболизм углеводов и липидов

Почти все организмы используют сахар глюкозу в качестве источника энергии и углеродных цепей. Глюкоза запасается организмами в более крупных молекулах, называемых полисахаридами . Эти полисахариды могут быть крахмалами, гликогеном или другими простыми сахарами, такими как сахароза. Когда клеткам животного нужна энергия, оно посылает сигналы частям тела, которые хранят глюкозу, или потребляет пищу. Глюкоза высвобождается из углеводов специальными ферментами на первом этапе катаболизма. Затем глюкоза распределяется по телу, чтобы другие клетки могли использовать ее в качестве энергии. Катаболический путь гликолиз затем еще больше расщепляет глюкозу, высвобождая энергию, запасенную в АТФ. Из глюкозы образуются молекулы пирувата. Дальнейшие катаболические пути создают ацетат , который является ключевой метаболической промежуточной молекулой. Ацетат может превращаться в самые разные молекулы, от фосфолипидов до молекул пигментов, гормонов и витаминов.

Жиры, представляющие собой крупные липидные молекулы, также расщепляются в процессе метаболизма для производства энергии и создания других молекул. Подобно углеводам, липиды хранятся в больших молекулах, но могут быть расщеплены на отдельные жирные кислоты. Затем эти жирные кислоты превращаются через бета-окисление в ацетат. Опять же, ацетат может использоваться в процессе анаболизма, для производства более крупных молекул или как часть цикла 90–139 лимонной кислоты, 90–140, который стимулирует дыхание и выработку АТФ. Животные используют жиры для хранения большого количества энергии для будущего использования. В отличие от крахмалов и углеводов, липиды гидрофобны и исключают воду. Таким образом, много энергии может быть сохранено без того, чтобы тяжелый вес воды замедлял работу организма.

Большинство катаболических путей сходится в том, что они оканчиваются в одной и той же молекуле. Это позволяет организмам потреблять и накапливать энергию в самых разных формах, но при этом иметь возможность производить все необходимые молекулы в анаболических путях. Другие катаболические пути, такие как катаболизм белка, обсуждаемый ниже, создают различные промежуточные молекулы-предшественники, известные как аминокислот , для создания новых белков.

Катаболизм белков

Все белки в известном мире состоят из одних и тех же 20 аминокислот. Это означает, что белки в растениях, животных и бактериях представляют собой просто разные комбинации 20 аминокислот. Когда организм потребляет меньший организм, весь белок в этом организме должен быть переварен в процессе катаболизма. Ферменты, известные как протеиназы разрывают связи между аминокислотами в каждом белке до полного разделения кислот. После разделения аминокислоты могут быть распределены по клеткам организма. Согласно ДНК организма, аминокислоты будут рекомбинироваться в новые белки.

Если нет источника глюкозы или слишком много аминокислот, молекулы вступят в дальнейшие катаболические пути, чтобы расщепиться на углеродные скелеты. Эти небольшие молекулы могут быть объединены в глюконеогенез для создания новой глюкозы, которую клетки могут использовать в качестве энергии или хранить в больших молекулах. Во время голодания клеточные белки могут подвергаться катаболизму, что позволяет организму выживать за счет собственных тканей, пока не будет найдено больше пищи. Таким образом, организмы могут жить с небольшим количеством воды в течение очень долгого времени. Это делает их гораздо более устойчивыми к изменяющимся условиям окружающей среды.

• Анаболизм – Часть метаболизма, которая строит большие молекулы из меньших.
• Метаболизм – Сочетание анаболизма и катаболизма или всех ферментативных реакций в клетке.
• Метаболический путь – Последовательные химические реакции, организованные внутри клеток.
• Катаболический путь — Единственная серия реакций, которая разрушает определенную молекулу.

Викторина

1. Дрожжи — это одноклеточные организмы, используемые для производства алкоголя. В среде практически без кислорода дрожжи создают алкоголь как побочный продукт высвобождения энергии из глюкозы. Является ли производство алкоголя частью анаболического пути, катаболического пути или ни того, ни другого?
A. Анаболический путь
B. Катаболический путь
C. Ни

Ответ на вопрос №1

B ​​ правильный. Хотя алкоголь является побочным продуктом, он возникает при катаболизме глюкозы. Как и все клетки, дрожжи должны использовать глюкозу для получения энергии. Без кислорода дрожжи развили катаболический путь, известный как ферментация , при котором энергия все еще может быть собрана, но без кислорода. Вместо этого спирты создаются и выбрасываются в окружающую среду. Пивоварни, виноградники и винокурни используют этот хитрый трюк с глюкозой для создания спирта из сахаров. Различные источники сахара производят напитки с разными вкусами. В вине используется сахар из винограда, в пиве используется крахмал из ячменя, а в других спиртных напитках используется множество различных сахаров, таких как картофель в водке и рис в сакэ.

2. Плотоядные животные могут производить всю необходимую им глюкозу из животного белка. Травоядные получают всю необходимую им глюкозу из растений. Почему облигатные плотоядные не могут есть растения, а облигатные травоядные не могут есть мясо, чтобы получать энергию?
А. Они не умеют.
B. Не производят необходимые ферменты.
К. Могут! Всеядное животное — это всего лишь хищник, который научился питаться растениями.

Ответ на вопрос №2

B ​​ правильно. Облигатные хищники могут есть только мясо, потому что у них нет необходимых катаболических путей, которые разрушают растения. Эволюция, отбирая неиспользуемые и неэффективные пути, отбирает организмы, которые заполняют определенные ниши. Если эта ниша предлагает очень мало растительного материала, катаболизм меняется, и некоторые пути теряются. Таким образом, даже если бы вы научили хищника есть и собирать растения, его тело не могло бы перерабатывать питательные вещества. Точно так же травоядные могут получать питательные вещества только из растительных материалов. Всеядные эволюционировали в нише, которая требует использования энергии из обоих источников. У этих животных катаболизм способен переваривать оба вида пищи.

3. Бактерии, не имеющие специализированных компартментов в своих клетках, должны регулировать анаболизм и катаболизм, чтобы работать вместе. Ученый добавляет к бактериям химическое вещество, которое отключает анаболизм, постоянно активируя только катаболизм. Что будет с клеткой?
А. Он умрет.
Б. Будет расти.
C.