Il metabolismo e l'energia

Il metabolismo e l'energia

I sistemi viventi si caratterizzano per la loro capacità di trasformare le biomolecole presenti nei nutrienti al fine di:

• Ricavare energia;
• Ricavare precursori per la biosintesi di macromolecole.

L'attività di trasformazione delle molecole da parte degli organismi viventi è detta metabolismo.

Le vie metaboliche

Le trasformazioni chimiche del metabolismo avvengono attraverso blocchi di reazioni chimiche dette vie metaboliche. Si tratta di sequenze di reazioni catalizzate da enzimi, in cui i prodotti di una reazione fungono da substrati per la reazione successiva. I prodotti che si generano all'interno della via metabolica sono detti intermedi metabolici.

Le vie metaboliche procedono in due sensi, possono essere di tipo degradativo e vengono dette vie cataboliche o di tipo sintetico e vengono dette vie anaboliche. Le vie metaboliche che funzionano sia in senso catabolico che anabolico sono dette anfiboliche. Quindi la cellula ricava energia e precursori attraverso il catabolismo di carboidrati, acidi grassi e proteine. Attraverso l'anabolismo, la cellula è in grado invece di sintetizzare le biomolecole che servono per le sue funzioni.

Vie convergenti, divergenti, cicliche

Dato che lo scopo del catabolismo è di fornire energia e precursori, le vie degradative delle diverse macromolecole (carboidrati, lipidi, proteine) terminano tutte su di un intermedio comune, l'acetil-coenzima A (acetil-CoA). Queste vie sono dette convergenti. Le vie anaboliche invece partono da intermedi comuni per dare molti prodotti differenti, esse sono quindi divergenti. Alcune vie metaboliche iniziano e finiscono con lo stesso intermedio: sono vie cicliche. Un esempio è il ciclo di Krebs, che utilizza l’acetil-CoA prodotto dal catabolismo.

Gli stadi del catabolismo e dell’anabolismo

Il catabolismo ha carattere principalmente ossidativo, mentre per l’anabolismo è richiesto molto potere riducente. Catabolismo e anabolismo sono interconnessi e possono essere suddivisi in stadi principali:

• Le vie cataboliche sono energeticamente favorite, mentre le vie anaboliche richiedono dispendio di energia, per cui non possono procedere insieme.
• Una via anabolica non è l’esatto inverso di quella catabolica. Es: la degradazione del glicogeno a lattato richiede 12 enzimi, mentre la via inversa solo 9.
• Le vie cataboliche e anaboliche sono regolate indipendentemente e da enzimi diversi. Questo permette una regolazione del metabolismo più efficace.

Le vie metaboliche sono compartimentalizzate

Spesso, le reazioni metaboliche sono isolate in distretti cellulari. Ad esempio la degradazione da glucosio a piruvato avviene nel citosol, mentre la generazione di acetil-CoA da piruvato e il successivo ciclo di Krebs avvengono nel mitocondrio. Questa separazione serve a isolare reazioni potenzialmente in conflitto tra loro (ad es. competendo per intermedi comuni) e a garantire una regolazione efficiente attraverso la modulazione della velocità di passaggio dei metaboliti da un compartimento all’altro.

La produzione di energia: ossidazione

Tutti gli organismi eterotrofi ricavano la loro energia da reazioni di ossido-riduzione, in cui elettroni sono trasferiti da un donatore (agente riducente) ad un accettore (agente ossidante). Negli organismi aerobi, l’energia è ottenuta dalla respirazione, in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli elettroni generati durante le reazioni di ossidazione del catabolismo dei nutrienti. Quindi, una delle funzioni principali del catabolismo è generare energia chimica sotto forma di elettroni. Questa sarà conservata sotto forma di molecole ad alta energia come l’ATP, mentre gli elettroni saranno alla fine ceduti all’ossigeno (con produzione di H₂O e CO₂).

Il metabolismo richiede energia

Le cellule possono essere considerate come macchine in grado di svolgere un lavoro (il metabolismo) in condizioni di temperatura, pressione e volume costanti. Tale lavoro è di tipo chimico e richiede energia. Questa è ottenuta direttamente dal Sole nei vegetali grazie alla fotosintesi, mentre negli altri organismi l'energia è estratta dai legami chimici delle macromolecole presenti nell'ambiente, attraverso il catabolismo ossidativo. Per poter essere utilizzata nelle reazioni anaboliche, questa energia deve essere immagazzinata nella cellula, sotto forma di composti ad elevata energia.

Quando un sistema compie un lavoro, passa da uno stato iniziale ad un nuovo equilibrio finale. La differenza di energia tra i due stati corrisponde all'energia disponibile per svolgere il lavoro ed è detta variazione di energia libera, indicata come ∆G. In una reazione chimica, il ∆G corrisponde quindi alla differenza tra l'energia libera dei prodotti e quella dei substrati. Per paragonare la variazione di energia tra le reazioni chimiche si utilizza la variazione di energia libera standard o ∆G.

Il ∆G è la variazione di energia libera di una reazione chimica alla temperatura di 25 °C (T = 298 K), pH = 7 e la pressione 1 atm.

Calcolo del ∆G di una reazione

Data la reazione chimica A+B → C+D il suo ∆G è dato dalla relazione:

∆G = -RT ln ([C][D]/[A][B])

Dove R è la costante dei gas, T la temperatura assoluta e [A], [B] e [C], [D] sono le concentrazioni dei reagenti e dei prodotti, rispettivamente. Misurando sperimentalmente le concentrazioni di reagenti e prodotti alla fine della reazione, è possibile calcolare questa variazione di energia.