แคแทบอลิซึมเป็นกลุ่มกระบวนการเมแทบอลิกที่สลายโมเลกุลขนาดใหญ่ ซึ่งรวมไปถึงการสลายและการออกซิไดซ์ (oxidize) โมเลกุลอาหาร จุดประสงค์ของปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมคือ ให้พลังงานและส่วนประกอบที่จำเป็นแก่ปฏิกิริยาแอแนบอลิซึม ลักษณะที่แน่ชัดของปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมเหล่านี้แตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิต และสิ่งมีชีวิตสามารถถูกจำแนกประเภทได้ตามแหล่งพลังงานและคาร์บอน (ซึ่งเป็นหมู่อาหารหลัก) ได้ดังตารางข้างล่าง

ออร์แกโนโทรฟ (organotroph) ใช้สารอินทรีย์เป็นแหล่งพลังงาน ขณะที่ลิโทโทรฟ (lithotroph) ใช้สารอนินทรีย์ และโปรโตโทรฟ (phototroph) ใช้แสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมี อย่างไรก็ดี เมแทบอลิซึมที่ต่างรูปแบบกันทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกี่ยวข้องกับการย้ายอิเล็กตรอนจากโมเลกุลตัวให้อิเล็กตรอน (donor molecule) ในรูปรีดิวซ์ (reduced) เช่น สารอินทรีย์ น้ำ แอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์หรือเฟอร์รัสไอออนไปให้โมเลกุลตัวรับอิเล็กตรอน (acceptor molecule) เช่น ออกซิเจน ไนเตรตหรือซัลเฟต[33] ปฏิกิริยารีด็อกซ์ในสัตว์เกี่ยวข้องกับการสลายสารอินทรีย์ที่ซับซ้อนให้เป็นโมเลกุลที่เล็กกว่า เช่น คาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ในสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยแสงได้ เช่น พืชและไซยาโนแบคทีเรีย (สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน) ปฏิกิริยาย้ายอิเล็กตรอนเหล่านี้มิได้ให้พลังงานออกมา แต่ถูกใช้เป็นวิถีการเก็บสะสมพลังงานที่ดูดซึมมาจากแสงอาทิตย์[11]

กลุ่มปฏิกิริยาแคแทบอลิซึมที่พบมากที่สุดในสัตว์สามารถแบ่งได้เป็นสามขั้นหลัก ขั้นแรก สารอินทรีย์ขนาดใหญ่ เช่น โปรตีน พอลิแซ็กคาไรด์หรือลิพิดถูกย่อยเป็นส่วนประกอบที่เล็กกว่านอกเซลล์ ขั้นต่อมา โมเลกุลที่ถูกย่อยเหล่านี้ถูกเซลล์รับเข้าไปและแปลงเป็นโมเลกุลที่เล็กกว่า มักเป็นอะซิติลโคเอนไซม์ เอ (acetyl coenzyme A หรือ acetyl-CoA) ซึ่งให้พลังงานออกมาบ้าง ขั้นสุดท้าย หมู่เอซิลบนโคเอถูกออกซิไดซ์เป็นน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในวัฏจักรเครปส์และลูกโซ่ของการขนส่งอิเล็กตรอน (electron transport chain) ซึ่งปลดปล่อยพลังงานที่ถูกกักไว้โดยการรีดิวซ์ (reduce) โคเอนไซม์ นิโคทินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ (NAD+) เป็น NADH

การย่อย

เซลล์ไม่สามารถรับมหโมเลกุล อาทิ แป้ง เซลลูโลสหรือโปรตีนไปใช้ได้อย่างรวดเร็ว จำต้องสลายเป็นหน่วยที่เล็กกว่าเสียก่อนจึงจะนำไปใช้ในเมแทบอลิซึมของเซลล์ได้ เอนไซม์หลายคลาสทำหน้าที่ย่อยพอลิเมอร์เหล่านี้ เช่น protease ย่อยโปรตีนเป็นกรดอะมิโน, glycoside hydrolase ย่อยพอลิแซ็กคาไรด์เป็นมอโนแซ็กคาไรด์

จุลินทรีย์หลั่งเอนไซม์ย่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม[34][35] แต่สัตว์หลั่งเอนไซม์จากเซลล์ที่ทำหน้าที่พิเศษเฉพาะในทางเดินอาหารเท่านั้น[36] จากนั้นกรดอะมิโนหรือน้ำตาลที่ถูกปล่อยออกจากเอนไซม์นอกเซลล์เหล่านี้จะถูกโปรตีนที่เจาะจงปั๊มเข้าสู่เซลล์ด้วยวิธีการลำเลียงแบบใช้พลังงาน (active transport)[37][38]

พลังงานจากสารอินทรีย์

แคแทบอลิซึมของคาร์โบไฮเดรตเป็นการสลายคาร์โบไฮเดรตเป็นหน่วยที่เล็กกว่า โดยปกติ คาร์โบไฮเดรตจะถูกนำเข้าสู่เซลล์เมื่อถูกย่อยเป็นมอโนแซ็คคาไรด์แล้ว[39] เมื่อเข้ามาในเซลล์ วิถีหลักในการสลายคือ ไกลโคไลสิส (glycolysis) ซึ่งน้ำตาลอย่างกลูโคสและฟรุกโทสถูกเปลี่ยนเป็นไพรูเวตและได้ ATP ออกมาจำนวนหนึ่ง[40] ไพรูเวตเป็นสารตัวกลางในวิถีเมแทบอลิซึมจำนวนมาก แต่ส่วนมากจะถูกแปลงเป็นอะซีติลโค เอ และป้อนเข้าสู่วัฏจักรเครปส์ แม้ว่า จะมีการสร้าง ATP ออกมาในวัฏจักรเครปส์ แต่ผลิตภัณฑ์ที่สำคัญที่สุดคือ NADH ซึ่งสร้างมาจาก NAD+ เมื่ออะซีติลโค เอ ถูกออกซิไดซ์ ปฏิกิริยานี้ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ของเสีย ในสภาวะขาดออกซิเจน ไกลโคไลสิสจะสร้างแลกเตต ผ่านเอนไซม์ lactate dehydrogenase ซึ่งออกซิไดซ์ NADH ให้กลับไปเป็น NAD+ เพื่อนำไปใช้ใหม่ในไกลโคไลสิส การสลายกลูโคสอีกวิถีหนึ่ง คือ วิถีเพนโตสฟอสเฟต (pentose phosphate pathway) ซึ่งรีดิวซ์โคเอนไซม์ NADPH และสร้างน้ำตาลเพนโตส เช่น ไรโบส ซึ่งเป็นน้ำตาลองค์ประกอบของกรดนิวคลีอิก

ปฏิกิริยาการสลายด้วยน้ำ (hydrolysis) สลายไขมันเป็นกรดไขมันอิสระและกลีเซอรอล กลีเซอรอลเข้าสู่กระบวนการไกลโคไลสิสและกรดไขมันถูกสลายด้วยกระบวนการเบตาออกซิเดชัน (beta oxidation) เพื่อให้ได้อะซีติลโค เอ ซึ่งจะถูกป้อนเข้าสู่วัฏจักรเครปส์ กรดไขมันปลดปล่อยพลังงานเมื่อสลายออกมามากกว่าคาร์โบไฮเดรต เพราะคาร์โบไฮเดรตมีออกซิเจนในโครงสร้างมากกว่า

กรดอะมิโนสามารถถูกใช้ได้ทั้งเพื่อสังเคราะห์โปรตีนและโมเลกุลชีวภาพอื่น ๆ หรือถูกออกซิไดซ์ให้เป็นยูเรียและคาร์บอนไดออกไซด์เป็นแหล่งพลังงาน[41] วิถีออกซิเดชันเริ่มต้นด้วยการนำหมู่อะมิโนออกด้วยเอนไซม์ transaminase หมู่อะมิโนจะถูกป้อนเข้าสู่วัฏจักรยูเรีย (urea cycle) เหลือแกนคาร์บอนที่ปราศจากหมู่อะมิโนในรูปของกรดคีโต ซึ่งกรดคีโตเหล่านี้จำนวนมากเป็นสารตัวกลางในวัฏจักรเครปส์ ตัวอย่างเช่น การย้ายหมู่อะมิโนจากกลูตาเมตเกิดเป็นแอลฟา-คีโตกลูตาเรต (α-ketoglutarate)[42] กรดอะมิโนกลูโคจีนิก (glucogenic amino acid) สามารถถูกเปลี่ยนเป็นกลูโคสได้ ผ่านกระบวนการการสร้างกลูโคส (gluconeogenesis)[43]