Il Metabolismo

Metabolismo

Metabolismo: totalità dei processi vitali.

Via metabolica: processo in cui una molecola è convertita in prodotto attraverso una serie di reazioni chimiche catalizzate da enzimi.

Metabolita: molecola o intermedio del metabolismo.

Organismi

• Autotrofi: organismi in grado di nutrirsi da soli perché possono produrre le proprie molecole organiche ricche di energia a partire da sostanze inorganiche.
  • Chemiotrofi: utilizzano l'energia contenuta nei legami delle molecole.
  • Fototrofi: utilizzano l'energia fornita dalla luce del sole.
• Eterotrofi (uomo): il metabolismo dipende da molecole esterne che non sono in grado di produrre in modo autonomo.
  • Aerobi
  • Anaerobi
  • Anaerobi facoltativi

Reazioni e termodinamica

Le reazioni seguono i processi della termodinamica:

• Le reazioni dipendono dalla concentrazione e ad alte concentrazioni sono in un unico senso. Nel metabolismo sono irreversibili.
• Ogni via metabolica ha una tappa irreversibile che la controlla.
• Vie cataboliche esoergoniche e vie endoergoniche sono separate, altrimenti si instaurano cicli futili (la risultante della reazione è 0, quindi la cellula muore).

Controllo del metabolismo

Il controllo del metabolismo è sugli enzimi:

• Enzimi chiave, enzimi allosterici: selettivi per la via, allosterici e regolabili (generalmente in maniera reversibile, in modo da poter bloccare/attivare la via).
• Feedback
• Modifica covalente
• Espressione genica

Catabolismo

Le vie esoergoniche sono i processi che determinano la scomposizione di grosse molecole nutrienti ricche di energia (grassi, proteine, carboidrati) in molecole più piccole (acido lattico, CO₂, NH₃). Questo avviene liberando energia, necessaria per le reazioni endoergoniche dell'anabolismo. Parte di questa energia viene conservata mediante la produzione di ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH, FADH₂).

Anabolismo

Le vie endoergoniche comprendono l'insieme dei processi di sintesi delle molecole organiche più complesse da quelle più semplici. Questi processi richiedono energia, in genere sotto forma del potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell'ATP e del potere riducente del NADH, NADPH e FADH₂.

In genere le vie cataboliche sono convergenti, mentre le vie anaboliche sono divergenti. Alcune vie sono cicliche: una delle molecole di partenza della via viene rigenerata in una serie di reazioni che convertono un'altra molecola di partenza in un prodotto finale.

Il cuore di tutti questi processi metabolici è l'Acetil-CoA (acetato) che deriva dall'acido acetico.

Energia e reazioni

Reazioni di degradazione (catabolismo) coenzima NAD⁺:

Reazioni di biosintesi (anabolismo) coenzima NADPH:

La rottura del legame fosfoanidridico, che impegna il gruppo fosforico terminale dell'ATP, determina l'allontanamento di uno dei tre gruppi fosforici carichi negativamente e quindi rimuove dalla molecola alcune delle repulsioni elettrostatiche; il gruppo Pi (HPO₄^2-) rilasciato dalla reazione di idrolisi viene stabilizzato dalla formazione di alcune forme di risonanza che non sono possibili se il gruppo è inserito nella molecola dell'ATP.

Inoltre, il Mg²⁺ del citosol si lega all'ATP e all'ADP e la formazione del complesso con Mg²⁺ maschera parzialmente le cariche negative e influenza la conformazione dei gruppi fosforici in nucleotidi come l'ATP e l'ADP. Per la maggior parte delle reazioni che utilizzano l'ATP come donatore del gruppo fosforico, il vero substrato è MgATP^2-.

Molecole energetiche

Nel nostro organismo non si utilizzano molecole ad elevata energia perché ne richiedono altrettanta per essere sintetizzate. L'ATP si trova in un livello energetico intermedio quindi viene usata molto. (Prima viene consumata energia in ATP, poi in metabolismo anaerobio e poi (se sono allenato) in metabolismo aerobio).

Classifica a livello energetico dei legami

1. Legami fosfoestere-fosfoanidridico
2. Legami tioestere
3. Legami estere

Il fosfoenolpiruvato (PEP) contiene un gruppo fosforico legato con un legame estere che può andare incontro a idrolisi generando la forma enolica del piruvato. Poiché il prodotto dell'idrolisi (piruvato) può avere due forme tautomeriche (enolica e chetonica), mentre il reagente (PEP) ha una sola forma (enolica), il prodotto risulterà più stabile. Questa reazione, catalizzata da una chinasi, è seguita dalla tautomerizzazione spontanea del prodotto, il piruvato.

L'1,3-bisfofoglicerato contiene un legame anidridico tra il gruppo carbossilico sull'atomo C-1 e un acido fosforico. L'idrolisi del legame libera una grande quantità di energia. Il prodotto diretto dell'idrolisi è il 3-fosfoglicerato con un gruppo carbossilico non dissociato. La sua dissociazione permette la formazione di strutture di risonanza che rendono possibile la stabilizzazione dei prodotti rispetto ai reagenti. Un ulteriore contributo alla variazione di energia libera deriva dalla stabilizzazione per risonanza del Pi.

Nella fosfocreatina (carburante molto impiegato nel muscolo) il legame fosfoamminico (P—N) viene rotto.