Metabolismo e bioenergetica, funzioni dell' ATP

Il ciclo dell'azoto nella biosfera

Una volta avvenuto l'inserimento dell'azoto in biomolecole azotate, questo elemento risulta disponibile per tutti quegli organismi incapaci di attingere a fonti inorganiche di esso, vale a dire per tutti gli animali, nonché funghi e alcuni batteri. Poiché la nostra terra contiene poco azoto organico in forma di sali, tutti gli organismi viventi sono in ultima analisi dipendenti sia dall'azoto atmosferico sia dagli organismi che fissano azoto. Quindi, oltre al ciclo globale del carbonio e dell'ossigeno, nella biosfera opera anche un ciclo dell'azoto, in cui grandi quantità di questo gas vengono continuamente utilizzate e riciclate. Il metabolismo richiede anche energia. I cicli del carbonio, dell'ossigeno e dell'azoto che interessano molte specie di organismi viventi dipendono da un corretto equilibrio tra l'attività dei produttori (gli autotrofi) e dei consumatori (gli eterotrofi) presenti nella biosfera. Questi

Grandi cicli di materia sono spinti da un enorme flusso di energia attraverso la biosfera, che comincia con la cattura della luce solare da parte degli organismi fotosintetici (autotrofi) e con il suo utilizzo per produrre carboidrati, cioè molecole ricche di energia, e altre sostanze nutrienti. Queste ultime vengono poi usate dagli organismi eterotrofi.

Nei processi metabolici ed in tutte le trasformazioni energetiche vi è il consumo di molta energia utile, parallelamente ad un inevitabile aumento della quantità di energia non utilizzabile (calore o entropia).

Al contrario dei cicli di materia, l'energia fluisce nella biosfera in una sola direzione: gli organismi viventi non possono rigenerare energia utile a partire dall'energia dissipata.

Il carbonio, l'ossigeno e l'azoto sono sottoposti a un continuo riciclo, mentre l'energia viene costantemente trasformata in forme non più utilizzabili, come il calore.

Passando da aspetti macroscopici

del metabolismo, ad eventi metabolici microscopici che avvengono nelle cellule viventi dobbiamo sempre ricordare che ogni tipo di cellula ha necessità sue proprie caratteristiche di carbonio, ossigeno, azoto e anche di energia.

Il metabolismo cellulare quindi si occupa delle trasformazioni enzimatiche sia della materia sia dell'energia partendo da materiali grezzi e portando alla biosintesi di materia vivente.

Il metabolismo

Catabolismo e anabolismo

Il metabolismo, 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.

Gli enzimi sono quindi le unità più semplici dell'attività metabolica e catalizzano ciascuno una specifica reazione chimica. Il metabolismo viene perciò trattato in termini di sequenze multienzimatiche.

Questi sistemi enzimatici possono comprendere da 2 a 20 enzimi che agiscono in modo consecutivo e concatenato cosicché il

prodotto del primo enzima diventi il substrato del secondo e così via; i prodotti delle trasformazioni sono quindi intermedi metabolici (o metaboliti). Ognuna delle tappe della via produce una piccola ma specifica modificazione chimica, di solito la rimozione, il trasferimento o l'aggiunta di uno specifico atomo o di un gruppo funzionale. Il metabolismo si suddivide in due fasi: il catabolismo e l'anabolismo. Il catabolismo è la fase degradativa del metabolismo, in cui le molecole organiche dei nutrienti (carboidrati, grassi e proteine) vengono convertite in prodotti finali più semplici (per esempio acido lattico, CO2, NH3). Le vie cataboliche rilasciano energia, parte della quale viene conservata mediante la produzione di ATP e di trasportatori di elettroni in forma ridotta (NADH, NADPH e FADH2); la parte rimanente viene rilasciata sotto forma di calore. Nell'anabolismo, chiamato anche biosintesi, i precursori semplici vengono uniti tra loro per formare molecole più complesse, come proteine, carboidrati e lipidi. Questa fase richiede energia e utilizza i prodotti del catabolismo come fonte di materiale e di energia.

Costruire molecole complesse più grandi come i lipidi, i polisaccaridi, le proteine e gli acidi nucleici. Le reazioni anaboliche hanno bisogno di un rifornimento di energia, in genere sotto forma del potenziale di trasferimento del gruppo fosforico dell'ATP e del potere riducente (atomi di idrogeno ad alta energia) di NADH, NADPH e FADH.2 Il catabolismo e anabolismo avvengono simultaneamente nelle cellule e le loro velocità sono regolate in modo indipendente.

Le tappe del catabolismo. La degradazione enzimatica di tutte le principali sostanze nutritive (carboidrati, lipidi e proteine) procede a tappe attraverso reazioni enzimatiche consecutive. Vi sono tre strati principali nel catabolismo aerobico:

1. Stadio 1) le macromolecole cellulari sono degradate nelle principali unità costituenti: i polisaccaridi sono degradati a esosi o pentosi; i lipidi sono degradati ad acidi grassi, glicerolo e altri componenti; mentre le proteine sono idrolizzate per formare i 20 aminoacidi.

1. Stadio 1) Le molecole complesse vengono scomposte in molecole più semplici.
2. Stadio 2) I vari prodotti formati sono raccolti e convertiti in molecole ancora più semplici. Così gli esosi, i pentosi e il glicerolo, formati nello stadio uno, sono degradati ad un singolo intermedio a 3 atomi di carbonio: il piruvato. Il piruvato viene a sua volta convertito in una singola unità a due atomi di carbonio, il gruppo acetilico dell'acetil-CoA. In modo simile anche gli acidi grassi e lo scheletro carbonioso della maggior parte degli amminoacidi vengono trasformati per formare gruppi acetile sotto forma di acetil-CoA. L'acetil-CoA è il prodotto finale comune dello stadio 2 del catabolismo.
3. Stadio 3) Il gruppo acetile dell'acetil-CoA viene inserito nel ciclo dell'acido citrico, la via finale comune dalla quale la maggior parte delle sostanze nutrienti che danno energia vengono infine ossidate ad anidride carbonica. L'acqua e l'ammoniaca, o altri prodotti azotati, sono gli altri prodotti finali del catabolismo.

Riassumendo,

tutte le vie del metabolismo convergono quindi allo stadio 3, al ciclo dell'acido citrico. Perciò il catabolismo somiglia ad un grande fiume alimentato da molti affluenti. Il metabolismo Le tappe dell'anabolismo Anche l'anabolismo può essere diviso in tre stadi, iniziando da piccole molecole precursori. Per esempio, la sintesi delle proteine inizia con la formazione di α-chetoacidi → nello stadio successivo gli α-chetoacidi vengono amminati da donatori di gruppi amminici per formare α-amminoacidi → nello stadio finale dell'anabolismo gli aminoacidi sono uniti insieme nelle catene polipeptidiche per formare molte proteine diverse. Allo stesso modo i gruppi acetile sono uniti per formare acidi grassi → gli acidi grassi a loro volta sono riuniti per formare i vari lipidi, come triacilgliceroli, fosfolipidi, colesterolo, ormoni steroidei, sali biliari e gli esteri del colesterolo. Differenze e analogie tra catabolismo e anabolismo Visono di solito processi in salita, che richiedono l'input di energia. Questo perché il catabolismo è responsabile della produzione di energia attraverso la rottura delle molecole complesse, mentre l'anabolismo è responsabile della sintesi di molecole complesse utilizzando l'energia prodotta dal catabolismo. Inoltre, le vie cataboliche sono spesso associate alla produzione di molecole di rifiuto o di prodotti di scarto, mentre le vie anaboliche sono associate alla produzione di molecole utili per l'organismo. In conclusione, le vie cataboliche e le corrispondenti vie anaboliche sono processi complementari che lavorano insieme per mantenere l'omeostasi e il corretto funzionamento dell'organismo.è un processo in salita che richiede immissione di energia. Per questo motivo la via utilizzata della degradazione di una biomolecola può non essere percorribile per motivi energetici per effettuare la biosintesi. Inoltre è fondamentale che le vie cataboliche e anaboliche siano regolate in modo indipendente. Se fosse usata una sola via reversibile in entrambe le direzioni rallentando la via catabolica per inibizione di uno dei suoi enzimi si rallenterebbe anche il corrispondente processo biosintetico. Una regolazione indipendente è possibile solo se le vie opposte sono completamente diverse o, nel caso abbiano tappe enzimatiche comuni, gli enzimi che controllano la velocità si trovino in parti non comuni alle due vie opposte. Una terza differenza tra le due vie consiste nella loro localizzazione all'interno della cellula: spesso le vie cataboliche e anaboliche hanno diverse localizzazioni sub-cellulari, ovvero si trovano in parti differenti della cellula.

cellula. Per esempio l'ossidazione degli acidi grassi ad acetil-CoA nel fegato avviene ad opera di enzimi che sono localizzati per la maggior parte nei mitocondri, dove sono favorite le reazioni di ossidazione; mentre la biosintesi degli acidi grassi da Acetil-CoA avviene nel citosol della cellula, dove sono favorite le reazioni di riduzione.

Nonostante le vie cataboliche e anaboliche presentino molte differenze, lo stadio 3 del metabolismo agisce come un punto di incontro centrale accessibile ad entrambe le vie. Questo è chiamato stadio anfibolico del metabolismo poiché ha una doppia funzione: lo stadio 3 è usato catabolicamente per completare la degradazione delle molecole provenienti dallo stadio 2, ma è anche usato anabolicamente per fornire piccole molecole come precursori per la biosintesi di acidi grassi, aminoacidi, carboidrati.

Un'ultima caratteristica da sottolineare è che le reazioni del catabolismo e dell'anabolismo sono modificate per

avvenire con il minimo dispendio sia di materia che di energia, ad una velocità appena sufficiente per soddisfare alle loro necessità in quel dato momento. Il metabolismo Energia e regolazione Le cellule e gli organismi devono produrre lavoro per vivere, per crescere e per riprodursi. La capacità di catturare energia da fonti diverse e di incanalarla in processi che producono un lavoro biologico è una delle proprietà fondamentali di tutti gli organismi viventi. Gli organismi sono in grado di operare una grande varietà di trasduzioni energetiche, ovvero conversioni di una forma di energia in un'altra più utile in quel momento. Essi usano l'energia chimica presente nelle sostanze nutrienti per favorire i processi di sintesi delle macromolecole complesse partendo da precursori semplici. Inoltre sono in grado di convertire l'energia chimica in gradienti di concentrazione, gradienti elettrici, movimento e calore ed in luce. Lana forma all'altra) che avvengono all'interno degli organismi viventi. Questo campo di studio si occupa di comprendere come l'energia viene prodotta, trasferita e utilizzata dai sistemi biologici. La bioenergetica si basa sui principi della termodinamica, che descrivono le leggi che governano i processi energetici. In particolare, si concentra sull'energia libera, che è l'energia disponibile per compiere un lavoro utile. Gli organismi viventi utilizzano l'energia per svolgere una serie di funzioni vitali, come il movimento, la sintesi di molecole complesse e il mantenimento della temperatura corporea. Queste funzioni richiedono l'energia proveniente dalla trasformazione di sostanze chimiche, come i carboidrati, i grassi e le proteine. La bioenergetica studia anche i processi di trasferimento dell'energia all'interno degli organismi. Ad esempio, l'energia prodotta durante la respirazione cellulare viene trasferita attraverso una serie di reazioni chimiche che coinvolgono molecole come l'adenosina trifosfato (ATP). Inoltre, la bioenergetica si occupa di comprendere come gli organismi viventi regolano i processi energetici per adattarsi alle diverse condizioni ambientali. Ad esempio, durante l'esercizio fisico, il corpo umano aumenta la produzione di energia per soddisfare le richieste muscolari. In conclusione, la bioenergetica è una disciplina fondamentale per comprendere i processi energetici che avvengono all'interno degli organismi viventi. Attraverso lo studio di questi processi, è possibile acquisire una migliore comprensione delle basi biologiche dell'energia e delle sue implicazioni per la salute e il benessere umano.