Anabola vs katabola (cellmetabolism): definition och exempel

Celler är de minsta enheterna av levande saker som skryter med alla de egenskaper som är förknippade med livet. En av dessa definierande egenskaper är ämnesomsättning, eller användningen av molekyler eller energi som samlats in från miljön för att utföra de biokemiska reaktioner som krävs för att förbli vid liv och i slutändan reproducera.

Metaboliska processer, ofta benämnda metaboliska vägar, kan delas in i de som är anabol, eller som involverar syntesen av nya molekyler, och de som är katabolisksom involverar nedbrytning av befintliga molekyler.

I allmänhet handlar anabola processer om att bygga ett hus och ersätta saker som windows och takrännor efter behov, och kataboliska processer handlar om att ta ut slitna eller trasiga bitar av huset till trottoarkant. Om dessa görs i konsert i rätt takt kommer huset att finnas i ett så stabilt tillstånd som möjligt, men aldrig passivt.

Celler och vävnaderna de bildar genomgår kontinuerligt "dubbelriktad" ämnesomsättning, vilket betyder att medan vissa saker flyter i anabola riktningar, andra går i motsatt riktning.

Detta är kanske tydligare på hela organismer: om du bränner igenom glukos medan du sprintar för att komma ikapp din hund (katabolisk process), fortsätter papperet som skärs på din hand från dagen innan att läka (anabola processen). Men samma dikotomi fungerar i enskilda celler.

Cellreaktioner katalyseras av speciella globulära proteinmolekyler som kallas enzymer, som per definition deltar i kemiska reaktioner utan att förändras själva till slut. De påskyndar reaktionerna kraftigt - ibland med en faktor på väl över tusen - och fungerar därmed som katalysatorer.

Anabola reaktioner kräver vanligtvis en energiinmatning och är därför endotermisk (löst översatt, "värme till insidan"). Detta är vettigt; du kan inte växa eller bygga muskler om du inte äter, varvid ditt matintag vanligtvis skalas till intensiteten och varaktigheten av en viss aktivitet.

Kataboliska reaktioner är vanligtvis exotermisk ("värme till utsidan") och frigör energi, varav mycket utnyttjas av cellen i form av adenosintrifosfat (ATP) och används för andra metaboliska processer.

De huvudsakliga strukturella elementen i kroppen och de molekyler den behöver för bränsle plus vävnadstillväxt och ersättning består av monomerer, eller små repeterande enheter inom en större helhet, kallad a polymer.

Dessa enheter kan vara identiska, som med glukosmolekylerna ordnade i långa kedjor av lagringsbränslet glykogen, eller de kan vara lika och kommer i "smaker", som med nukleinsyror och nukleotiderna som utgör dem.

De tre stora makronäringsämnen klasser av makromolekyler i mänsklig näring, kallas kolhydrater, proteiner och fett, består var och en av sin egen typ av monomer.

Glukos är det grundläggande substratet för hela livet på jorden, med varje levande cell som kan metabolisera den för energi. Som nämnts kan glukosmolekyler kopplas till "kedjor" för att bilda glykogen, som hos människor främst finns i muskler och levern. Proteiner består av monomerer hämtade från en grepppåse på 20 olika aminosyror.

Fetter är inte polymerer eftersom de består av tre fettsyror kopplad till en "ryggrad" i trekolmolekylen glycerol. När de växer eller krymper sker detta genom tillsats eller avlägsnande av atomer till ändarna av fettsyrakedjorna, snarare som ett stort "E" med den vertikala delen förblir samma storlek men de horisontella staplarna varierar i längd.

Överväg att få en låda med leksakbyggstenar i obegränsad storlek. Många är identiska utom i sin färg; andra har olika storlekar, men kan sammanfogas; ännu andra är inte avsedda att ansluta oavsett vilken konfiguration du väljer. Du kan skapa identiska konstruktioner som inkluderar säg, tre till fem delar, och länka dessa samman på ett sådant sätt att korsningarna mellan dessa konstruktioner också är identiska.

Detta är i huvudsak anabol metabolism i aktion. De enskilda grupperna på tre till fem leksaksstycken representerar "monomerer" och den färdiga produkten är analog med "polymer." Och i celler, istället för att dina händer gör jobbet med att sätta ihop bitarna, styr enzymer bearbeta. I båda fallen är nyckelaspekten en inmatning av energi för att generera molekyler med större komplexitet (och vanligtvis också större storlek).

Exempel på anabola processer inkluderar, förutom proteinsyntes, glukoneogenes (syntesen av glukos från olika uppströms substrat), syntesen av fettsyror, lipogenes (syntesen av fetter från fettsyror och glycerol) och bildandet av urea och ketonkroppar.

För det mesta är kataboliska processer, på nivån för enskilda reaktioner, inte bara motsvarande anabola reaktioner som körs omvänd, även om många av dem är desamma. Vanligtvis är olika enzymer involverade.

Till exempel det första steget i glykolys (katabolism av glukos) är tillsatsen av en fosfatgrupp till glukos, med tillstånd av enzymet hexokinasför att bilda glukos-6-fosfat. Men det sista steget i glukoneogenes, avlägsnandet av fosfatet från glukos-6-fosfat för att bilda glukos, katalyseras av glukos-6-fosfatas.

Andra viktiga kataboliska processer som pågår i din kropp är glykogenolys (nedbrytningen av glykogen i muskler eller lever), lipolys (avlägsnande av fettsyror från glycerol), beta-oxidation ("förbränning" av fettsyror) och nedbrytning av ketoner, proteiner eller individuella aminosyror.

Att hålla kroppen i linje med dess behov i realtid kräver en hög grad av lyhördhet och samordning. Hastigheterna för anabola och katabola reaktioner kan regleras genom att variera mängden enzym eller substrat mobiliserat till en viss del av cellen, eller genom att feedbackhämning, där ackumuleringen av en produkt signalerar reaktionen uppströms att gå långsammare.

Dessutom, och viktigare ur synvinkeln att visualisera ämnesomsättningen holistiskt, kan substrat från en makronäringsväg förflyttas in i en annans efter behov.

Ett exempel på denna integration av vägar är att aminosyrorna alanin och glutamin, förutom att fungera som byggstenar för proteiner, också kan komma in i glukoneogenes. För att detta ska hända måste de kasta ut sitt kväve, som hanteras av enzymer som kallas transaminaser.

• Glycerol, en produkt av lipolys, kan också komma in i glukoneogenesvägen, vilket är ett sätt att, i lös mening, få socker från fett. Hittills finns det dock inga bevis för att produkter av fettsyraoxidation kan komma in i glukoneogenes.

Fysisk kondition är ett stort intresse för allmänheten i länder där människor ofta har lyxen av valfri träning.

Många av de vanliga metoderna är riktade starkt i riktning mot en eller annan process, såsom att lyfta vikter för att bygga muskelmassa (anabola övningar) eller använda en elliptisk tränare eller löpband för "cardio" och kasta magert eller fet kroppsmassa (eller kroppsvikt) för viktminskning (katabolisk övningar).
Ett exempel på båda systemen är en maratonlöpare som förbereder sig för och springer ett lopp på 42,2 km. Veckan innan laddar många medvetet upp kolhydratrika livsmedel medan de vilar för ansträngningen.

På grund av deras dagliga löpträning och det ständiga behovet av att ersätta kataboliserat bränsle har dessa idrottare höga nivåer aktivitet av enzymet glykogensyntas, vilket gör att deras muskler och lever kan syntetisera glykogen med ovanligt iver.

Under maraton omvandlas denna glykogen till glukos för att driva löparen i timmar i slutet, men dessa idrottare tar vanligtvis in glukoskällor (t.ex. sportdrycker) under hela evenemanget för att förhindra att "träffa vägg."

• Kroppens oförmåga att generera glukos från fettsyror är anledningen till att kolhydrater anses kritiska för hög intensitet, ihållande träning, eftersom beta-oxidation av fettsyror inte resulterar i tillräckligt med ATP för att hålla jämna steg med metaboliska behov.