Metabolismo e vie metaboliche

Il metabolismo cellulare

La crescita e il mantenimento in vita degli organismi richiede un continuo apporto di energia, necessaria alle cellule per svolgere la loro attività. Le sostanze nutrienti sono la fonte da cui la cellula estrae l’energia chimica di cui ha bisogno. Le biomolecole assunte con gli alimenti vengono degradate in piccole molecole, che sono assorbite attraverso le pareti intestinali e ulteriormente trasformate in molecole dal peso molecolare ancora più basso, fino alla degradazione finale in diossido di carbonio (CO2) e acqua (H2O).

L’energia ricavata dall’intero processo in parte va dispersa come calore e in parte viene immagazzinata nella molecola di ATP, che appartiene alla classe dei nucleotidi. La cellula può estrarre l’energia dalle molecole di ATP per compiere numerosi processi, come la sintesi delle macromolecole, il trasporto attivo di sostanze da un compartimento all’altro, il movimento, l’eliminazione delle sostanze di scarto.

In termini semplici, la cellula ricava energia dalla degradazione delle macromolecole e utilizza tale energia per la costruzione di molecole più complesse. Si definisce catabolismo l’insieme delle reazioni che portano alla demolizione delle macromolecole. Le reazioni cataboliche generalmente avvengono con diminuzione dell’energia libera e sono dette esoergoniche. I prodotti finali del catabolismo sono detti cataboliti.

Si definisce anabolismo l’insieme delle reazioni che portano alla sintesi di molecole complesse a partire da molecole semplici. Le reazioni anaboliche generalmente si svolgono con aumento dell’energia libera e sono dette endoergoniche. I prodotti finali dell’anabolismo sono detti anaboliti.

Il metabolismo cellulare è la somma di tutte le reazioni che avvengono all’interno della cellula, ovvero delle reazioni cataboliche e delle reazioni anaboliche, finalizzate a produrre energia, sintetizzare nuove molecole ed eliminare i rifiuti.

Il metabolismo riguarda tutte le cellule e comprende migliaia di reazione che avvengono continuamente al loro interno, in maniera coordinata e finemente regolata. Molte reazioni metaboliche sono identiche in tutti gli organismi vivente. Gli organismi fotoautotrofi ricavano l’energia dalla luce solare mediante la fotosintesi, mentre gli organismi eterotrofi ricavano l’energia dalle sostanze nutrienti attraverso l’ossidazione delle biomolecole.

Le reazioni metaboliche

Il catabolismo delle macromolecole comprende una serie piuttosto complessa di reazioni, che coinvolgono inizialmente le classi di biomolecole separatamente e proseguono in seguito in un percorso comune.

Le reazioni cataboliche avvengono in quattro stadi:
1. Durante il processo di digestione le macromolecole contenute negli alimenti vengono scisse in molecole più semplici mediante reazioni di idrolisi grazie all’azione di enzimi specializzati.

I carboidrati si scindono nelle loro unità monosaccaridiche.
I grassi si scindono in glicerolo e acidi carbossilici.
Le proteine si scindono nei loro amminoacidi costituenti.

In questo stadio non viene prodotta energia utilizzabile dalla cellula.

2. I monosaccaridi, gli acidi grassi e gli amminoacidi subiscono reazioni cataboliche distinte e specifiche, ma vengono degradati tutti nello stesso composto finale, ovvero l’acetil-CoA, una molecola costituita da un gruppo acetile e dal coenzima A.

3. L’acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs (o ciclo dell’acido citrico), una serie ciclica di reazioni ossido-riduttive che avviene all’interno dei mitocondri, dove il gruppo acetilico è ossidato a CO2.

4. Le specie ridotte nel ciclo di Krebs si riossidano nell’ultimo stadio delle reazioni cataboliche, rappresentato dalla catena respiratoria e dalla fosforilazione ossidativa, che portano alla formazione di H2O ed energia sotto forma di ATP.

Le reazioni anaboliche

La biosintesi delle molecole complesse si attua a partire da piccole molecole, che entrano nel ciclo di Krebs e sono trasformate in composti a più alto peso molecolare. Nello stadio successivo da queste molecole si originano i monosaccaridi, gli acidi grassi e gli amminoacidi, ovvero le unità costitutive delle macromolecole, che nell’ultimo stadio si uniranno per formare rispettivamente i carboidrati, i lipidi e le proteine, con dispendio di una notevole quantità di energia sotto forma di consumo di ATP.

Le vie metaboliche

Il metabolismo non è semplicemente la somma di tute le reazioni chimiche che avvengono all’interno di una cellula, ma è una rete altamente strutturata che prevede la successione ben precisa di eventi, strettamente interconnessi.

Una serie di reazioni, catalizzate da enzimi, che avvengono secondo una determinata sequenza prende il nome di via metabolica. In una via metabolica da uno specifico precursore si ottiene uno specifico prodotto, attraverso la formazione di intermedi metabolici. I prodotti intermedi o finali delle vie metaboliche prendono il nome di metaboliti.

Le vie metaboliche possono essere:
• Lineari -> quando un precursore è convertito nel prodotto finale attraverso la formazione di sostanze intermedie;
• Ramificate -> che si distinguono in convergenti, se da più precursori si ottiene lo stesso prodotto finale, e divergenti, se da un precursore si formano prodotti differenti;
• Cicliche -> quando un composto di partenza è trasformato nel prodotto finale attraverso una serie di reazioni cicliche in cui gli intermedi vengono rigenerati.

In genere, le vie cataboliche sono convergenti, mentre le vie anaboliche sono divergenti. Le vie metaboliche non sono isolate, ma sono interdipendenti e in alcuni casi possono presentare intermedi metabolici in comune. In molti casi l’energia rilasciata dalle reazioni cataboliche è utilizzata per far avvenire le reazioni anaboliche (vie metaboliche accoppiate).

L’attività delle vie metaboliche è dunque integrata e inoltre è finemente regolata, mediante processi che coinvolgono gli enzimi. La maggior parte degli organismi viventi presenta vie metaboliche molto simili.