- Caractéristiques
- Processus cataboliques
- Le cycle de l'urée
- Le cycle de Krebs ou cycle de l'acide citrique
- Glycolyse
- La phosphorylation oxydative
- β-oxydation des acides gras
- Régulation du catabolisme
- Cortisol
- Insuline
- Différences avec l'anabolisme
- Synthèse et dégradation de molécules
- Utilisation d'énergie
- Références
Le catabolisme englobe toutes les réactions de dégradation des substances dans le corps. En plus de «décomposer» les composants des biomolécules en leurs plus petites unités, les réactions cataboliques produisent de l'énergie, principalement sous forme d'ATP.
Les voies cataboliques sont responsables de la dégradation des molécules d'origine alimentaire: 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 le nécessitent.
Source: Par EsquemaCatabolismo.svg: moi-même; correction de petites erreurs: travail dérivé de Basquetteur: Gustavocarra (EsquemaCatabolismo.svg), via Wikimedia Commons
Quelques exemples de voies cataboliques bien connues sont: le cycle de Krebs, l'oxydation bêta des acides gras, la glycolyse et la phosphorylation oxydative.
Les molécules simples produites par le 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 est appelée anabolisme.
Le métabolisme d'un organisme englobe à la fois des réactions de synthèse et de dégradation, qui se produisent simultanément et de manière contrôlée dans la cellule.
Caractéristiques
L'objectif principal du catabolisme est d'oxyder les nutriments que l'organisme utilise comme «carburant», appelés glucides, protéines et graisses. 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, qui sont des protéines responsables de l'accélération de la vitesse des réactions chimiques qui se produisent dans la cellule.
Les substances combustibles sont les aliments que nous consommons quotidiennement. Notre alimentation est composée de protéines, de glucides et de graisses qui sont décomposés par des voies cataboliques. Le corps utilise préférentiellement les graisses et les glucides, bien qu'en situation de pénurie, il puisse recourir à la dégradation des protéines.
L'énergie extraite par catabolisme est contenue dans les liaisons chimiques des biomolécules mentionnées.
Lorsque nous consommons des aliments, nous les mâchons pour les rendre plus faciles à digérer. Ce processus est analogue au catabolisme, où le corps est chargé de «digérer» les particules au niveau microscopique pour qu'elles soient utilisées par les voies synthétiques ou anaboliques.
Processus cataboliques
Les voies ou voies cataboliques comprennent tous les processus de dégradation des substances. On peut distinguer trois étapes dans le processus:
- Les différentes biomolécules présentes dans la cellule (glucides, graisses et protéines) sont dégradées dans les unités fondamentales qui les constituent (respectivement sucres, acides gras et acides aminés).
- 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 continue son oxydation jusqu'à ce qu'il donne des molécules de dioxyde de carbone et d'eau - les molécules finales obtenues dans toute 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. Ci-dessous, 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 hépatiques. Il est responsable du traitement des dérivés protéiques et son produit final est l'urée.
Le cycle commence par l'entrée du premier groupe amino de la matrice des mitochondries, bien qu'il puisse également entrer dans le foie par l'intestin.
La première étape de réaction implique l'ATP, les ions bicarbonate (HCO 3 -) et le phosphate de carbomoyle d' ammonium (NH 4 +), l'ADP et P i. La deuxième étape consiste en l'union 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 se condensent avec l'ATP pour générer de l'argininosuccinate, de l'AMP et du PP i. L'argininosuccinate passe en arginine et en 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 métabolite du fumarate participe aux deux voies métaboliques. Cependant, chaque cycle agit indépendamment.
Les pathologies cliniques liées à cette voie empêchent le patient de suivre 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 des organismes eucaryotes.
Le précurseur du cycle est une molécule appelée acétyl coenzyme A, qui se condense avec une molécule d'oxaloacétate. Cette union génère un composé à six carbones. À chaque révolution, le cycle produit deux molécules de dioxyde de carbone et une molécule d'oxaloacétate.
Le cycle commence par une réaction d'isomérisation catalysée par l'aconitase, où le citrate passe en cis-aconitate et en eau. De même, l'aconitase catalyse le passage du cis-aconitate en isocitrate.
L'isocitrate 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 devient succinate, qui est oxydé en fumarate par la succinate déshydrogénase. Le fumarate devient successivement le l-malate et finalement le l-malate devient 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 qui est présente dans pratiquement 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 n'a pas de transporteur par lequel il peut s'échapper.
La glucose-6-phosphate isomérase prend le glucose-6-phosphate et le réorganise en son isomère de fructose-6-phosphate. La troisième étape est catalysée par la phosphofructokinase et le produit est le fructose-1,6-bisphosphate.
Ensuite, l'aldolase clive le composé ci-dessus en phosphate de dihydroxyacétone et glycéraldéhyde-3-phosphate. Il existe un équilibre entre ces deux composés catalysés par la triose phosphate isomérase.
L'enzyme glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase produit du 1,3-bisphosphoglycérate qui est converti en 3-phosphoglycérate à l'étape suivante par la phosphoglycérate kinase. La phosphoglycérate mutase modifie la position du carbone et donne du 2-phosphoglycérate.
Eolase prend ce dernier métabolite et le convertit en phosphoénolpyruvate. La dernière étape de la voie est catalysée par la pyruvate kinase et le produit final est le pyruvate.
La phosphorylation oxydative
La phosphorylation oxydative est un processus de formation d'ATP grâce au transfert d'électrons du NADH ou FADH 2 vers l'oxygène et constitue la dernière étape des processus de respiration cellulaire. Il se produit dans les mitochondries et est la principale source de molécules d'ATP dans les organismes de respiration aérobie.
Son importance est indéniable, puisque 26 des 30 molécules d'ATP qui sont générées comme un produit de l'oxydation complète du glucose en eau et en dioxyde de carbone se produisent par phosphorylation oxydative.
Conceptuellement, la phosphorylation oxydative couple l'oxydation et la synthèse de l'ATP avec un flux de protons à travers le système membranaire.
Ainsi, le NADH ou FADH 2 généré dans différentes voies, appelez-le glycolyse ou oxydation d'acides gras, est utilisé pour réduire l'oxygène et l'énergie libre générée dans le processus est utilisée pour la synthèse d'ATP.
β-oxydation des acides gras
La Β-oxydation est un ensemble de réactions qui permettent à l'oxydation des acides gras de produire de grandes quantités d'énergie.
Le processus implique la libération périodique de régions de l'acide gras à deux carbones par réaction jusqu'à ce que l'acide gras soit complètement dégradé. Le produit final est constitué de molécules d'acétyl-CoA qui peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour être complètement oxydées.
Avant l'oxydation, l'acide gras doit être activé, où il se lie à la coenzyme A. Le transporteur de la carnitine est responsable de la translocation des molécules vers la matrice des mitochondries.
Après ces étapes précédentes, la β-oxydation proprement dite commence par les processus d'oxydation, d'hydratation, d'oxydation par NAD + et de thiolyse.
Régulation du catabolisme
Il doit y avoir une série de processus qui régulent les différentes réactions enzymatiques, car ceux-ci ne peuvent pas fonctionner tout le temps à leur vitesse maximale. Ainsi, les voies métaboliques sont régulées par un certain nombre de facteurs, notamment 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 qu'elle se produit dans une seule direction) et qui dirige la vitesse de l'itinéraire entier. 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. Ceux-ci sont synthétisés dans les différentes glandes endocrines et libérés dans la circulation sanguine pour agir. Quelques exemples sont:
Cortisol
Le cortisol agit en ralentissant les processus de synthèse et en augmentant les voies cataboliques dans le muscle. Cet effet se produit par la libération d'acides aminés dans la circulation sanguine.
Insuline
En revanche, il existe des hormones qui ont l'effet inverse et diminuent 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 d'acides aminés vers le muscle.
Différences avec l'anabolisme
L'anabolisme et le catabolisme sont des processus antagonistes qui comprennent 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 sur 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 inversés, ils sont liés au délicat équilibre du métabolisme.
On dit que l'anabolisme est un processus divergent, prenant des composés simples et les transformant en composés plus grands. Contrairement au catabolisme, qui est classé comme un processus convergent, du fait de l'obtention 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 composent les aliments et les réduisent à leurs plus petits constituants. Les voies anaboliques, quant à elles, sont capables de prendre ces unités et de construire à nouveau des molécules plus élaborées.
En d'autres termes, le corps doit «changer la configuration» des éléments qui composent les aliments pour qu'ils soient utilisés dans les processus dont il a besoin.
Le processus est analogue au jeu Lego populaire, où les principaux constituants peuvent former différentes structures avec une grande variété d'arrangements spatiaux.
Utilisation d'énergie
Le catabolisme est responsable de l'extraction de l'énergie contenue dans les liaisons chimiques des aliments, son objectif principal est donc la génération d'énergie. Cette dégradation se produit, dans la plupart des cas, par des réactions oxydatives.
Cependant, il n'est pas surprenant que les voies cataboliques nécessitent un apport d'énergie dans leurs étapes initiales, comme nous l'avons vu dans la voie glycolytique, qui nécessite l'inversion des molécules d'ATP.
D'autre part, l'anabolisme est responsable de l'ajout de l'énergie gratuite produite dans le catabolisme pour réaliser l'assemblage des composés d'intérêt. L'anabolisme et le catabolisme se produisent constamment et simultanément dans la cellule.
Généralement, l'ATP est la molécule utilisée pour transférer l'énergie. Celle-ci peut se diffuser dans les zones où elle est requise et lorsqu'elle s'hydrolyse, l'énergie chimique contenue dans la molécule est libérée. De même, l'énergie peut être transportée sous forme d'atomes d'hydrogène ou d'électrons.
Ces molécules sont appelées coenzymes et comprennent le NADP, le NADPH et le FMNH 2. Ils agissent par des réactions de réduction. De plus, ils peuvent transférer la capacité de réduction dans l'ATP.
Références
- Chan, YK, Ng, KP et Sim, DSM (éd.). (2015). Base pharmacologique des soins aigus. Éditions internationales Springer.
- Curtis, H. et Barnes, N.-É. (1994). Invitation à la biologie. Macmillan.
- Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… et Matsudaira, P. (2008). Biologie cellulaire moléculaire. Macmillan.
- Ronzio, RA (2003). L'encyclopédie de la nutrition et de la bonne santé. Publication d'Infobase.
- Voet, D., Voet, J., et Pratt, CW (2007). Fondements de la biochimie: la vie au niveau moléculaire. Panamerican Medical Ed.