Catabolisme: fonctions, processus cataboliques, différences avec l'anabolisme

Le catabolisme englobe toutes les réactions de dégradation des substances dans le corps. En plus de "désintégrer" les composants de biomolécules dans leurs unités plus petites, les réactions cataboliques produisent de l'énergie, principalement sous forme d'ATP.

Les voies cataboliques sont responsables de la dégradation des molécules issues de l'alimentation: glucides, protéines et lipides. Au cours du processus, l'énergie chimique contenue dans les liaisons est libérée pour être utilisée dans les activités cellulaires qui l'exigent.

Quelques exemples de voies cataboliques bien connues sont: le cycle de Krebs, la bêta oxydation des acides gras, la glycolyse et la phosphorylation oxydative.

Les molécules simples produites par catabolisme sont utilisées par la cellule pour construire les éléments nécessaires, en utilisant également l’énergie fournie par le même processus. Cette voie de synthèse est l'antagoniste du catabolisme et s'appelle l'anabolisme.

Le métabolisme d'un organisme comprend à la fois les réactions de synthèse et de dégradation, qui se produisent simultanément et contrôlées à l'intérieur de la cellule.

Fonctions

Le catabolisme a pour objectif principal d'oxyder les nutriments que le corps utilise comme "carburant", appelés glucides, protéines et lipides. La dégradation de ces biomolécules génère de l'énergie et des déchets, principalement du dioxyde de carbone et de l'eau.

Une série d'enzymes participent au catabolisme, protéines responsables de l'accélération de la vitesse des réactions chimiques dans la cellule.

Les substances combustibles sont les aliments que nous consommons quotidiennement. Notre régime alimentaire est composé de protéines, de glucides et de graisses dégradées par les voies cataboliques. Le corps utilise préférentiellement les graisses et les glucides, bien que dans les situations de pénurie, il puisse recourir à la dégradation des protéines.

L'énergie extraite par catabolisme est contenue dans les liaisons chimiques des biomolécules susmentionnées.

Lorsque nous consommons un aliment, nous le mâchons pour le rendre plus facile à digérer. Ce processus est analogue au catabolisme, où le corps est responsable de la "digestion" des particules au niveau microscopique afin qu'elles puissent être exploitées par des voies synthétiques ou anaboliques.

Processus cataboliques

Les voies ou voies cataboliques incluent tous les processus de dégradation des substances. Nous pouvons distinguer trois étapes dans le processus:

- Les différentes biomolécules présentes dans la cellule (glucides, lipides et protéines) se dégradent dans les unités fondamentales qui les constituent (sucres, acides gras et acides aminés, respectivement).

- Les produits de l'étape I passent à des constituants plus simples, qui convergent vers un intermédiaire commun appelé acétyl-CoA.

- Enfin, ce composé entre dans le cycle de Krebs, où il poursuit son oxydation pour produire des molécules de dioxyde de carbone et d’eau - molécules finales obtenues lors d’une réaction catabolique.

Parmi les plus importants figurent le cycle de l'urée, le cycle de Krebs, la glycolyse, la phosphorylation oxydative et la bêta oxydation des acides gras. Ensuite, nous décrirons chacun des itinéraires mentionnés:

Le cycle de l'urée

Le cycle de l'urée est une voie catabolique qui se produit dans les mitochondries et dans le cytosol des cellules du foie. Il est responsable du traitement des dérivés de protéines et son produit final est l'urée.

Le cycle commence par l'entrée du premier groupe amino de la matrice des mitochondries, mais peut également entrer dans le foie par l'intestin.

La première réaction implique le passage de l'ATP, des ions bicarbonates (HCO 3 -) et de l'ammonium (NH 4 +) dans du phosphate de carbomoyle, de l'ADP et du P i . La deuxième étape est la liaison du phosphate de carbomoyle et de l'ornithine pour donner une molécule de citrulline et de P i . Ces réactions se produisent dans la matrice mitochondriale.

Le cycle se poursuit dans le cytosol, où la citrulline et l'aspartate sont condensés avec de l'ATP pour générer de l'argininosuccinate, de l'AMP et du PP i . L'argininosuccinate passe à l'arginine et au fumarate. L'acide aminé arginine se combine à l'eau pour donner de l'ornithine et enfin de l'urée.

Ce cycle est interconnecté avec le cycle de Krebs car le fumarate, un métabolite, participe aux deux voies métaboliques. Cependant, chaque cycle agit indépendamment.

Les patalogías cliniques liés à cette voie empêchent le patient de manger une alimentation riche en protéines.

Le cycle de Krebs ou cycle de l'acide citrique

Le cycle de Krebs est une voie qui participe à la respiration cellulaire de tous les organismes. Spatialement, il se produit dans les mitochondries d'organismes eucaryotes.

Le précurseur du cycle est une molécule appelée acétyl-coenzyme A, qui est condensée avec une molécule d'oxaloacétate. Cette union génère un composé de six atomes de carbone. À chaque tour, le cycle produit deux molécules de dioxyde de carbone et une molécule d'oxaloacétate.

Le cycle commence par une réaction d'isomérisation catalysée par une aconitase, dans laquelle le citrate passe dans du cis-aconite et de l'eau. De même, l'aconitase catalyse le passage du cis-aconite en isocitrate.

L'isocytrate est oxydé en oxalosuccinate par l'isocitrate déshydrogénase. Cette molécule est décarboxylée en alpha-cétoglutarate par la même enzyme, l'isocitrate déshydrogénase. L'alpha-cétoglutarate est converti en succinyl-CoA par l'action de l'alpha-cétoglutarate déshydrogénase.

Le succinyl-CoA passe au succinate, qui est oxydé en fumarate par la succinate déshydrogénase. Ensuite, le fumarate passe au l-malate et finalement le l-malate passe à l’oxaloacétate.

Le cycle peut être résumé dans l'équation suivante: Acétyl-CoA + 3 NAD + + FAD + PIB + Pi + 2 H 2 O → CoA-SH + 3 (NADH + H +) + FADH 2 + GTP + 2 CO 2 .

Glycolyse

La glycolyse, également appelée glycolyse, est une voie cruciale présente dans presque tous les organismes vivants, des bactéries microscopiques aux grands mammifères. La voie consiste en 10 réactions enzymatiques qui dégradent le glucose en acide pyruvique.

Le processus commence par la phosphorylation de la molécule de glucose par l'enzyme hexokinase. L'idée de cette étape est "d'activer" le glucose et de le piéger à l'intérieur de la cellule, car le glucose-6-phosphate ne possède pas de transporteur à travers lequel il peut s'échapper.

La glucose-6-phosphate isomérase prend le glucose-6-phosphate et le réarrange dans son isomère fructose-6-phosphate. La phosphofructokinase catalyse la troisième étape et consiste en fructose-1, 6-bisphosphate.

Ensuite, l'aldolase clive le composé ci-dessus dans du phosphate de dihydroxyacétone et du glycéraldéhyde-3-phosphate. Il existe un équilibre entre ces deux composés catalysés par la triose phosphate isomérase.

L'enzyme glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase produit le 1, 3-biphosphoglycérate qui est converti en 3-phosphoglycérate dans l'étape suivante par la phosphoglycérate kinase. La phosphoglycérate mutase modifie la position du carbone et donne le 2-phosphoglycérate.

Enolase prend ce dernier métabolite et le convertit en phosphoénolpyruvate. La pyruvate kinase catalyse la dernière étape de la voie et le produit final est le pyruvate.

Phosphorylation oxydative

La phosphorylation oxydative est un processus de formation d'ATP résultant du transfert d'électrons de NADH ou de FADH 2 en oxygène et constitue la dernière étape des processus de respiration cellulaire. Il se produit dans les mitochondries et constitue la principale source de molécules d’ATP dans les organismes à respiration aérobie.

Son importance est indéniable, puisque 26 des 30 molécules d’ATP générées par l’oxydation complète du glucose en eau et en dioxyde de carbone se produisent par phosphorylation oxydative.

Conceptuellement, la phosphorylation oxydative associe l'oxydation et la synthèse de l'ATP à un flux de protons à travers le système membranaire.

Ainsi, le NADH ou le FADH 2 généré par différentes voies, appelé glycolyse ou oxydation des acides gras, est utilisé pour réduire l'oxygène et l'énergie libre générée dans le processus est utilisée pour la synthèse de l'ATP.

β-oxydation des acides gras

La β-oxydation est un ensemble de réactions permettant à l’oxydation d’acides gras de produire de grandes quantités d’énergie.

Le processus implique la libération périodique de régions d'acide gras de deux atomes de carbone par réaction jusqu'à ce qu'elle dégrade complètement l'acide gras. Le produit final est constitué de molécules d'acétyl-CoA pouvant entrer dans le cycle de Krebs pour s'oxyder complètement.

Avant l'oxydation, l'acide gras doit être activé et se lier à la coenzyme A. Le transporteur de carnitine est responsable de la translocation des molécules vers la matrice de la mitochondrie.

Après ces étapes précédentes, la β-oxydation elle-même commence par les processus d’oxydation, d’hydratation, d’oxydation par NAD + et de thiolyse.

Régulation du catabolisme

Il doit exister une série de processus qui régulent les différentes réactions enzymatiques, car celles-ci ne peuvent pas fonctionner tout le temps à leur vitesse maximale. Ainsi, les voies du métabolisme sont régulées par une série de facteurs comprenant les hormones, les contrôles neuronaux, la disponibilité du substrat et la modification enzymatique.

Dans chaque itinéraire, il doit y avoir au moins une réaction irréversible (c'est-à-dire une dans une direction) et qui dirige la vitesse de la route entière. Cela permet aux réactions de fonctionner à la vitesse requise par la cellule et empêche les voies de synthèse et de dégradation de fonctionner en même temps.

Les hormones sont des substances particulièrement importantes qui agissent comme des messagers chimiques. Celles-ci sont synthétisées dans les différentes glandes endocrines et libérées dans le sang pour agir. Quelques exemples sont:

Cortisol

Le cortisol agit en diminuant les processus de synthèse et en augmentant les voies cataboliques dans le muscle. Cet effet est dû à la libération d'acides aminés dans le sang.

L'insuline

En revanche, il existe des hormones qui ont l'effet inverse et réduisent le catabolisme. L'insuline est responsable de l'augmentation de la synthèse des protéines et en même temps diminue leur catabolisme. Dans ce cas, la protéolyse augmente, ce qui facilite la sortie des acides aminés vers le muscle.

Différences avec l'anabolisme

L'anabolisme et le catabolisme sont des processus antagonistes qui englobent la totalité des réactions métaboliques qui se produisent dans un organisme.

Les deux processus nécessitent de multiples réactions chimiques catalysées par des enzymes et sont soumis à un contrôle hormonal strict, capable de déclencher ou de ralentir certaines réactions. Cependant, ils diffèrent par les aspects fondamentaux suivants:

Synthèse et dégradation de molécules

L'anabolisme comprend les réactions de synthèse tandis que le catabolisme est responsable de la dégradation des molécules. Bien que ces processus soient inverses, ils sont liés au délicat équilibre du métabolisme.

On dit que l'anabolisme est un processus divergent puisqu'il prend des composés simples et les transforme en composés plus gros. Contrairement au catabolisme, qui est classé comme processus convergent, en obtenant de petites molécules telles que le dioxyde de carbone, l’ammoniac et l’eau, à partir de grosses molécules.

Les différentes voies cataboliques prennent les macromolécules qui forment l’aliment et le réduisent en constituants plus petits. Les voies anaboliques, par contre, sont capables de reprendre ces unités et de reconstruire des molécules plus élaborées.

En d'autres termes, l'organisme doit "changer la configuration" des éléments qui constituent l'aliment à utiliser dans les processus qu'il requiert.

Le processus est analogue au jeu populaire des legos, où les composants principaux peuvent former différentes structures avec une grande variété d'arrangements spatiaux.

Utilisation de l'énergie

Le catabolisme est responsable de l'extraction de l'énergie contenue dans les liaisons chimiques des aliments. Son objectif principal est donc de générer de l'énergie. Cette dégradation se produit dans la plupart des cas par des réactions oxydatives.

Cependant, il n’est pas étonnant que les voies cataboliques nécessitent l’ajout d’énergie dans leurs premières étapes, comme nous l’avons vu dans la voie glycolytique, ce qui nécessite l’inversion des molécules d’ATP.

En revanche, l’anabolisme est responsable de l’ajout de l’énergie libre produite par le catabolisme pour réaliser l’assemblage des composés d’intérêt. L'anabolisme et le catabolisme se produisent constamment et simultanément dans la cellule.

En général, l'ATP est la molécule utilisée pour transférer de l'énergie. Cela peut diffuser dans les zones où cela est nécessaire et, une fois hydrolysé, l'énergie chimique contenue dans la molécule est libérée. De la même manière, l'énergie peut être transportée sous forme d'atomes d'hydrogène ou d'électrons.

Ces molécules sont appelées coenzymes et incluent NADP, NADPH et FMNH 2 . Ils agissent par des réactions de réduction. En outre, ils peuvent transférer la capacité de réduction en ATP.