Biochimica - metabolismo cellulare

Metabolismo cellulare

Il metabolismo cellulare è un'attività strettamente regolata e coordinata che ha lo scopo ultimo di:

• Ottenere energia chimica dall'ambiente catturando luce solare o degradando sostanze nutrienti ricche di energia.
• Convertire le sostanze dei nutrienti nelle molecole caratteristiche della cellula stessa.
• Polimerizzare precursori in proteine, acidi nucleici.
• Sintetizzare e degradare le biomolecole necessarie per le funzioni biologiche.

Gli organismi viventi si possono dividere in due grandi categorie in base al metabolismo:

• Autotrofi
• Eterotrofi

Gli organismi autotrofi sono quegli organismi che ottengono il carbonio di cui hanno bisogno dall'anidride carbonica dell'atmosfera, gli eterotrofi invece lo ottengono dalla scissione di altre molecole. Gli organismi autotrofi ed eterotrofi sono in costante equilibrio tra loro in quanto gli eterotrofi metabolizzano biomolecole più o meno complesse per ottenere carbonio producendo anidride carbonica la quale viene riutilizzata dagli autotrofi per ottenere il carbonio. In genere gli organismi autotrofi sono fotosintetici.

Gli organismi, oltre al carbonio, necessitano dell'azoto per la sopravvivenza. In genere le piante ricavano l'azoto da ioni inorganici mentre i vertebrati lo ricavano dal metabolismo di amminoacidi o composti azotati.

Il metabolismo è un processo che richiede energia quindi fondamentalmente c'è una perdita di energia libera (o energia utile) con conseguente aumento di energia non utilizzabile (calore o entropia). Gli esseri viventi non possono rigenerare energia utile dall'energia dissipata sotto forma di calore o entropia.

Il metabolismo è la somma di tutte le trasformazioni chimiche che avvengono in una cellula o in un organismo, avviene attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi e costituiscono le vie metaboliche. Ogni processo metabolico produce una modificazione chimica che trasforma una molecola in prodotto attraverso una serie di intermedi metabolici chiamati metaboliti. Con metabolismo intermedio ci si riferisce a tutte quelle reazioni che riguardano l'immagazzinamento e la produzione di energia metabolica e l'impiego di questa energia per la biosintesi di composti a basso peso molecolare e composti che servono come riserva energetica.

Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo in cui le molecole organiche dei nutrienti vengono convertite in prodotti finali più semplici. Le reazioni cataboliche liberano energia che viene conservata mediante la formazione dell'ATP e dei trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH, FADH²).

Anabolismo, chiamato anche biosintesi, è quel processo grazie al quale precursori semplici vengono uniti tra loro per formare molecole complesse come i lipidi, i polisaccaridi, le proteine, etc. Nelle reazioni anaboliche c'è un consumo di energia spesso ricavata dall'ATP.

Le vie metaboliche possono essere lineari o ramificate generando prodotti diversi a partire dallo stesso precursore o prodotti identici a partire da precursori diversi. In genere le vie cataboliche sono convergenti mentre quelle anaboliche divergenti.

Bioenergetica e termodinamica

La bioenergetica è lo studio quantitativo delle trasduzioni energetiche che avvengono nelle cellule, della natura e della funzione dei processi chimici alla base delle conversioni di energia.

Prima legge della termodinamica

In una qualsiasi modificazione chimica o fisica la quantità totale di energia nell'universo resta costante: l'energia può cambiare forma o essere trasferita da una zona a un'altra, ma non può essere né creata né distrutta (basata sulla variazione di entalpia).

Seconda legge della termodinamica

In tutti i processi naturali l'entropia (disordine) tende ad aumentare (basata sulla variazione di entropia). Le cellule e gli organismi viventi sono sistemi aperti ossia scambiano energia e materia con il loro ambiente esterno. I sistemi viventi non sono mai in equilibrio con l'ambiente esterno e i continui scambi spiegano come mai possa esserci ordine tra loro anche se questo è contro la seconda legge della termodinamica.

Le tre entità termodinamiche che esprimono le variazioni di energia che avvengono durante le reazioni sono:

• Energia libera di Gibbs (G) che esprime la quantità di energia in grado di produrre un lavoro durante una reazione a temperatura e pressione costanti. Quando la reazione procede con rilascio di energia libera la variazione di energia libera ΔG ha segno negativo e la reazione viene detta esoergonica, se la reazione procede con acquisizione di energia libera la variazione di energia libera ΔG ha segno positivo e la reazione viene detta endoergonica.
• L'entalpia (H) è il contenuto termico di un sistema che sta reagendo. Riflette il numero e il tipo di legami chimici dei reagenti.