Lezione 5: Appunti di Biochimica

Lezione sul metabolismo cellulare

Prima di fare questo dobbiamo avere delle informazioni rispetto ai flussi energetici che si originano da un metabolismo cellulare. Tutti gli organismi viventi derivano la loro energia direttamente o indirettamente dall'energia radiante della luce solare. La luce solare è quella che in effetti ci dà la possibilità di vedere. La luce solare genera dei fotoni che interagiscono direttamente con una serie di processi biologici per formare energia.

Respirazione e fotosintesi

Negli animali, nelle piante, nelle alghe, nei batteri durante la respirazione cellulare si produce anidride carbonica. Noi respirando emettiamo anidride carbonica; questa viene utilizzata nei processi della fotosintesi delle piante per generare dei combustibili e ossigeno che verranno utilizzati negli animali attraverso questo ciclo continuo che ha bisogno essenzialmente di energia per poter funzionare. La CO₂ non viene eliminata del tutto ma viene parzialmente utilizzata per formare molecole.

L'energia infatti è il tema centrale della biochimica. Tutti gli organismi viventi estraggono energia dall'ambiente grazie ai nutrienti che sono molecole complesse come zuccheri e grassi, utilizzando anche la luce solare per poter utilizzare in pieno questi nutrienti. Una parte di questa energia che viene estratta dai nutrienti viene convertita in una forma capace di produrre lavoro. Viene utilizzata di fatto per produrre lavoro inteso come sintesi chimiche, lavoro meccanico, trasferimento di informazioni genetiche; tutte queste informazioni hanno bisogno di energia e una parte di questa energia proviene direttamente dai nutrienti che noi ingeriamo.

Energia e calore

Un'altra parte di energia assunta sotto forma di nutrienti viene restituita all'ambiente e viene restituita sotto forma di calore, noi emettiamo calore. Una parte di energia la utilizziamo per il lavoro cellulare, l'altra invece viene ceduta all'ambiente esterno sotto forma di calore. Inoltre, all'ambiente esterno noi rilasciamo anche i prodotti terminali del metabolismo. Quando ingeriamo molecole complesse come zuccheri e grassi, questi vengono degradati e questa degradazione genera prodotti terminali meno organizzati di quelli di partenza, quindi molecole molto più semplici.

Entropia e ordine

Queste molecole meno organizzate generano un aumento del disordine dell'universo, cioè un aumento dell'entropia. Questo è in accordo con il secondo principio della termodinamica secondo il quale l'entropia dell'universo tende ad aumentare. Questo aumento del disordine viene contrastato da un aumento dell'ordine dovuto alla formazione di molecole complesse, cioè noi è vero che degradiamo macromolecole complesse ma è vero anche che le nostre cellule sono capaci di sintetizzare molecole complesse, quindi c'è un bilancio fra degradazione e sintesi.

Catabolismo e anabolismo

Possiamo dire che le molecole che contengono energia come i carboidrati, grassi e proteine, attraverso un processo noto come catabolismo, originano dei prodotti poveri di energia come CO₂, acqua e ammoniaca. Da molecole complesse otteniamo molecole molto semplici prive totalmente di energia. Questo processo, la degradazione di molecole complesse, genera energia sotto forma di ATP a partire da ADP più fosfato si forma così l'adenosina trifosfato che rappresenta il principale composto energetico presente in una cellula.

Oltre all'ATP si formano anche altre molecole capaci di contenere energia come NADH, FADH₂, sono tutte molecole che contengono energia. È anche vero il processo inverso cioè a partire da molecole precursori come molecole molto semplici come amminoacidi, zuccheri, acidi grassi, basi azotate, attraverso un processo che è noto come anabolismo si generano molecole complesse come proteine, polisaccaridi, lipidi, acidi nucleici. Mentre il processo precedente genera energia, l'anabolismo invece brucia energia, consuma energia.

Nel suo insieme il catabolismo e l'anabolismo prende il nome di metabolismo cellulare, sintesi e degradazione. Ovviamente i due processi non possono avvenire simultaneamente, sarebbe inutile che la cellula degrada e sintetizza incessantemente poiché sarebbe una perdita di tempo inutile. Quindi la cellula degraderà quando c'è un eccesso di nutrienti energetici, mentre andrà incontro a processi di anabolismo, quindi sintesi, quando c'è carenza di macromolecole necessarie per la cellula. Questi due processi infatti sono altamente regolati.

Ruolo dell'ATP

L'ATP è l'intermedio chimico che collega i processi che rilasciano energia, quindi i processi di catabolismo, a quelli che invece richiedono energia e quindi i processi di anabolismo. Come vediamo dalla slide, nelle reazioni del catabolismo, che sono in genere reazioni esoergoniche, viene formata essenzialmente ATP; nelle reazioni anaboliche, che sono endoergoniche, viene invece consumata una molecola di ATP.

Come dicevamo, in queste reazioni di catabolismo di molecole complesse si formano dei prodotti molto semplici come CO₂, ammoniaca, acqua, che rappresentano i precursori per le reazioni anaboliche. Le reazioni cataboliche e anaboliche sono reazioni separate tra di loro, non sono l'una l'inversa dell'altra e rappresentano due strade diverse che la cellula deve intraprendere: può decidere di catabolizzare o di anabolizzare.

Tutti i processi che richiedono un lavoro, come il movimento, il trasporto attivo, la sintesi di molecole, l'amplificazione di segnali, sono processi che richiedono il consumo di ATP. È ovvio che durante il lavoro muscolare noi consumiamo energia, consumiamo ATP. Quando invece le molecole vengono ossidate, allora a partire da ADP verrà formata una molecola di ATP. L'ATP rappresenta il principale composto che racchiude l'energia all'interno di una cellula e noi andremo a guardare sempre i flussi di energia.

Guardare la formula dell'ATP nella slide: è presente uno zucchero, legato ad una base azotata che si chiama adenosina e al ribosio sono legati tre gruppi fosfati, denominato adenosina trifosfato perché ha tre fosfati. Quando l'ATP viene consumato avviene l'idrolisi di una molecola di fosfato che viene così persa; l'ATP si trasforma in ADP (adenosina difosfato). Attraverso un processo opposto, l'ADP può assumere un altro gruppo fosfato e ridiventare ATP. C'è quindi un bilancio continuo, un bilancio perfetto tra produzione di ATP e idrolisi di ADP. La cellula non fa altro che mantenere più o meno costanti i livelli di ATP e ADP.

Metabolismo delle macromolecole

Durante il metabolismo noi vedremo che le principali macromolecole che assumiamo con l'alimentazione, cioè i grassi, i polisaccaridi e le proteine, subiscono una serie di fasi e passaggi. Il primo passaggio è la trasformazione di queste grandi macromolecole in molecole più semplici. Infatti, i grassi verranno degradati in acidi grassi e glicerolo. I grassi non sono altro che composti costituiti appunto da acidi grassi e glicerolo attraverso un processo di esterificazione.