Biochimica per Infermieristica

Biochimica metabolismo: anabolismo e catabolismo

Il metabolismo cellulare è un insieme di reazioni chimiche catalizzate da enzimi, attraverso cui la cellula si procura energia. Alcune di queste reazioni portano alla sintesi di molecole necessarie alla cellula partendo da precursori e prendono il nome di anabolismo. Infatti con anabolismo si indica un complesso di reazioni che porta alla costruzione di molecole utili alla cellula, le quali reazioni, essendo energicamente sfavorite, riescono a decorrere solo se accoppiate a reazioni che liberano energia, motivo per cui le reazioni in cui sono sintetizzate molecole a partire da precursori più semplici consumano ATP.

Altre reazioni, invece, portano alla degradazione, ossidazione di molecole organiche liberando energia e prendono il nome di catabolismo (ad es: il prodotto ultimo dell'ossidazione del carbonio è l'anidride carbonica, quello dell'idrogeno è l'acqua, quello dell'azoto è l'urea).

Dunque, nel corso del metabolismo, l'ATP viene consumato nelle reazioni anaboliche e prodotto da ADP + fosfato nelle reazioni cataboliche. Le migliaia di reazioni chimiche che avvengono nella cellula e che costituiscono il metabolismo non si verificano tutte contemporaneamente né indipendentemente le une dalle altre, ma sono organizzate in vie metaboliche.

Vie metaboliche

Con via metabolica si intende una sequenza di reazioni chimiche catalizzate da specifici enzimi e organizzate in modo tale che il prodotto della prima è il reagente della seconda, il prodotto della seconda è il reagente della terza e così via fino al prodotto ultimo della via. Le molecole prodotte e utilizzate in una via metabolica prendono il nome di intermedi.

L'energia necessaria alla cellula per sostenere le sue principali funzioni è ottenuta attraverso le reazioni cataboliche, quindi mediante l'ossidazione delle sostanze organiche, ma tale energia liberata non è immediatamente spendibile, quindi deve prima essere trasformata in energia chimica contenuta nelle molecole di ATP, prodotte a partire da ADP e fosfato. L'ATP è definita come molecola ad alta energia di idrolisi, per evidenziare il fatto che l'energia che si libera idrolizzando uno dei legami fosfato-fosfato è il triplo di quella liberata dall'idrolisi di un normale legame covalente. Quindi l'ATP è la più importante moneta di scambio energetico dell'organismo.

L'energia usata dagli esseri viventi deriva da reazioni di ossido-riduzione metaboliche e una volta sprigionata viene accumulata in molecole di ATP (adenosin trifosfato). Queste reazioni sono catalizzate da enzimi detti ossidoreduttasi con il contributo di alcuni co-enzimi, i più importanti dei quali sono il NAD (nicotinammide adenin dinucleotide) e il FAD (flavin adenin dinucleotide).

Il NAD e il FAD sono co-enzimi, ovvero qualcosa che non è un enzima ma che aiuta l'enzima nello svolgimento delle sue funzioni, che hanno la funzione di trasportare gli elettroni durante i processi catabolici. Il NAD è formato da due nucleotidi (NB: un nucleotide è formato da una base azotata + zucchero a 5 atomi di carbonio + gruppi fosfato) legati assieme tramite i loro gruppi fosfato. Un nucleotide è costituito dalla base azotata adenina, l'altro dalla nicotinammide. Il FAD è costituito dal nucleotide adeninico e da un altro nucleotide atipico in cui non compare uno zucchero ma un polialcol.

L'attività metabolica della cellula è regolata in modo tale che demolizione, sintesi o interconversione delle sostanze avvenga solo quando e nella misura in cui sono effettivamente necessarie, secondo il principio della massima economia. Ciò si realizza con meccanismi di regolazione del metabolismo.

Meccanismi di regolazione

Un meccanismo di regolazione si realizza attraverso la compartimentazione in specifici distretti cellulari degli enzimi. Così alcune vie metaboliche si realizzano nel citosol, altre nel reticolo endoplasmatico liscio, altre ancora nei mitocondri in modo tale che gli intermedi di vie metaboliche diverse siano separati da barriere rappresentate dalle membrane cellulari dei vari organelli, limitando le interferenze.

Glicolisi

La glicolisi è la più importante delle vie metaboliche che appartengono al gruppo delle fermentazioni anaerobie e permette agli organismi di trarre energia dalla parziale ossidazione del glucosio anche in assenza di ossigeno. Essa è presente in tutti gli esseri viventi e il fatto che possa realizzarsi anche in assenza di ossigeno evidenzia che questa via sia comparsa già nelle prime forme di vita in un'epoca in cui si ritiene che l'atmosfera fosse ancora povera di ossigeno.

L'unica reazione ossidativa della glicolisi avviene in assenza di ossigeno ed è catalizzata da un enzima che trasferisce due atomi di idrogeno da un intermedio della via a una molecola di NAD⁺ che si riduce a NAD + H⁺. L'energia liberata in questa reazione viene utilizzata per produrre direttamente una molecola di ATP.

Dato che il NAD⁺ presente in una cellula è limitato, affinché la glicolisi possa mantenersi attiva è necessario che questa molecola venga continuamente rigenerata attraverso il trasferimento degli atomi di idrogeno dal NADH a un altro accettore.

Negli organismi superiori la glicolisi avviene in presenza di ossigeno per ripristinare la forma ossidata del NAD + H⁺. Questa rigenerazione non può avvenire nelle specie anaerobie che non possiedono mitocondri, quindi questi organismi utilizzano come accettori degli atomi di idrogeno il prodotto ultimo della glicolisi, l'acido piruvico oppure l'aldeide acetica; in tal modo si generano rispettivamente acido lattico ed etanolo. Questi due processi prendono il nome di fermentazione lattica e fermentazione alcolica.

Ma torniamo alla nostra glicolisi. La glicolisi è una via metabolica irreversibile (catabolica) costituita da 10 reazioni catalizzate da enzimi che si trovano nel citosol e che trasformano il glucosio, attivato a glucosio-6-fosfato, in 2 molecole di acido piruvico con la produzione di 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH + H⁺.

Fasi della glicolisi

Inoltre la glicolisi può essere suddivisa in 2 fasi in cui avvengono rispettivamente 5 reazioni:

• Fase preparatoria (passaggi 1-5): Una molecola di glucosio viene attivata con il consumo di 2 molecole di ATP e la conversione del glucosio in gliceraldeide-3-fosfato.
• Fase del recupero energetico (passaggi 6-10): Conversione della gliceraldeide-3-fosfato ad acido piruvico e produzione di 4 ATP e 2 NADH. La resa netta della glicolisi è quindi di 2 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio.

Passaggi della glicolisi

I passaggi della glicolisi sono i seguenti:

1. Il glucosio viene fosforilato a glucosio 6-fosfato dagli enzimi esocinasi (presente in tutte le cellule) e glucocinasi (presente solo nelle cellule del fegato). È una reazione irreversibile.
2. Il glucosio 6-fosfato viene convertito nel suo isomero fruttosio 6-fosfato dall'enzima fosfoglucosio isomerasi col consumo di 1 molecola di ATP. È una reazione reversibile.
3. Il fruttosio 6-fosfato viene fosforilato a fruttosio 1,6-bisfosfato dall'enzima fosfofrutto...