Metabolismo e bioenergetica, funzioni dell' ATP

Il metabolismo

Definizione e funzioni del metabolismo

Nelle cellule hanno luogo innumerevoli reazioni chimiche catalizzate da enzimi e queste reazioni sono generalmente definite con il termine “metabolismo”. Non dobbiamo pensare al metabolismo cellulare come un sacchetto delimitato da una membrana contenente enzimi che agiscono casualmente. Il metabolismo è un'attività cellulare altamente coordinata a cui cooperano molti sistemi multienzimatici (vie metaboliche). Il metabolismo ha quattro funzioni specifiche:

• Ottenere energia chimica degradando sostanze nutrienti ricche di energia, dall’ambiente o da energia solare
• Convertire le molecole nutritive nei precursori di base di macromolecole cellulari
• Polimerizzare questi precursori di base per formare proteine, acidi nucleici, lipidi e polisaccaridi
• Sintetizzare e degradare le biomolecole necessarie per le funzioni specializzate della cellula (come ad esempio i lipidi di membrana, messaggeri intracellulari e pigmenti)

Aspetti macroscopici del metabolismo

È possibile dividere gli organismi viventi in due grandi gruppi in base a come ricavano atomi di carbonio, il composto fondamentale per la vita.

• Gli autotrofi (come i batteri fotosintetici, le alghe verdi e le piante vascolari) possono usare l’anidride carbonica dell’atmosfera come fonte di atomi di carbonio, con cui poi costruiscono tutte le loro biomolecole organiche.
• Gli eterotrofi non possono utilizzare l'anidride carbonica e devono ottenere gli atomi di carbonio dall'ambiente sotto forma di molecole organiche relativamente complesse, come il glucosio.

Le cellule degli animali superiori e della maggior parte dei microrganismi sono eterotrofi. Gli organismi autotrofi sono relativamente autosufficienti, mentre quelli eterotrofi, data la loro necessità di ottenere carbonio in forme complesse, dipendono dai prodotti di altri organismi.

Nella nostra biosfera gli organismi autotrofi ed eterotrofi convivono insieme in un grande ciclo interdipendente, in cui gli autotrofi utilizzano la CO₂ dell'atmosfera per costruire le loro molecole organiche; durante questo processo alcuni generano ossigeno dall'acqua. Gli eterotrofi a loro volta usano come nutrienti i prodotti organici degli autotrofi e rimandano CO₂ nell'atmosfera.

Quindi il carbonio, l'ossigeno e l'acqua sono riciclati costantemente tra i mondi autotrofi ed eterotrofi; in ultima analisi, è l'energia solare la forza trainante di tutto questo processo.

Cellule autotrofi e eterotrofi

È importante sottolineare che non tutte le cellule di un dato organismo sono della stessa classe. Per esempio, nelle piante superiori, le cellule verdi delle foglie contenenti clorofilla sono autotrofi fotosintetici, mentre le loro cellule delle radici che non contengono clorofilla sono eterotrofi. Inoltre, le cellule verdi delle foglie sono autotrofiche solo in presenza di luce; al buio funzionano come eterotrofi traendo la loro energia mediante l'ossidazione dei carboidrati prodotti in presenza di luce.

Gli organismi eterotrofici a loro volta possono essere divisi in due sottoclassi:

• Gli aerobi, che vivono circondati dall'aria e usano l'ossigeno molecolare per ossidare le loro molecole organiche nutritive
• Gli anaerobi, che degradano le loro sostanze nutritive senza usare ossigeno. Gli anaerobi che non possono assolutamente usare ossigeno e sono avvelenati da esso, sono detti anaerobi stretti.

Molte cellule, come i lieviti, possono vivere sia in aerobiosi che in anaerobiosi; questi organismi sono detti facoltativi. Solitamente le cellule facoltative in presenza di ossigeno usano le vie aerobiche.

Il ciclo dell’azoto

L'azoto è uno dei costituenti principali degli amminoacidi e dei nucleotidi, è pertanto facile da intuire che questo elemento chimico è di fondamentale importanza per gli esseri viventi. Questi ultimi riciclano l'azoto disponibile nella biosfera attraverso una serie di processi che nel loro insieme costituiscono il cosiddetto ciclo dell'azoto.

Una enorme quantità di azoto lo si trova nell'atmosfera allo stato molecolare (N₂) come costituente dell'aria. Però, solo alcuni microrganismi detti azotofissatori (come alcuni batteri e alcune alghe azzurre) sono capaci di utilizzare direttamente l'azoto molecolare presente nell'aria trasformandolo in azoto ammoniacale (ammoniaca, NH₃ o ione ammonio, NH₄₊).

Esistono però altre specie di batteri in grado di fissare l’azoto che si trova nel suolo. La maggior parte dell'azoto presente nel terreno è dovuto ai seguenti fattori:

• Decomposizione di organismi vegetali;
• Decomposizione di organismi animali;
• Prodotti di escrezione animale come ad esempio l'urea.

I batteri azotofissatori del terreno trasformano l'azoto, presente nelle sostanze organiche più svariate, in azoto ammoniacale (ammoniaca, NH₃ o ione ammonio, NH₄₊). Alcuni di questi batteri vivono simbioticamente nei noduli delle radici di alcune piante, soprattutto della famiglia delle leguminose.

Successivamente, attraverso la nitrificazione, l'azoto ammoniacale viene attaccato da batteri nitrosatori e nitratatori che ossidano rispettivamente lo ione ammonio in ione nitroso, NO_2-, e quest'ultimo in ione nitrico, NO_3-.

Alcuni batteri noti come denitrificanti, operano tutta una serie di reazioni inverse e trasformano gli ioni nitrici in azoto molecolare (N₂) nell'atmosfera. Tali batteri impoveriscono pertanto il terreno di azoto combinato.

In tutti questi processi, che si svolgono nel terreno a opera di microrganismi, si inseriscono i vegetali superiori fotoautotrofi; questi ultimi richiedono azoto combinato (NH₄₊ o NO_3-) per il loro metabolismo. Gli ioni nitrici assorbiti dai vegetali autotrofi subiscono a livello cellulare un processo di riduzione ad ammoniaca (NH₃). L'ammoniaca così ottenuta determina un processo di amminazione e viene ridotta ad acido glutammico (un amminoacido).

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.

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 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 FADH₂.

Il catabolismo e l'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:

• 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 costituenti.
• 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.
• 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.

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

Vi sono tre importanti differenze tra le vie cataboliche e le corrispondenti vie anaboliche:

• La prima differenza tra le due vie consiste nel fatto che il catabolismo è un processo convergente, mentre l'anabolismo è un processo divergente, poiché quest’ultimo inizia con pochi precursori semplici dai quali viene formata una grande quantità di macromolecole.
• Secondariamente è importante notare che le vie cataboliche e le corrispondenti vie anaboliche procedono attraverso tappe intermedie e metaboliti diversi. Per esempio, la degradazione del glucosio ad acido lattico è catalizzata da una sequenza di 11 enzimi specifici mentre la sua via biosintetica procede solo attraverso 9 tappe enzimatiche. Le differenze tra le due vie hanno importanti motivi energetici e funzionali: La degradazione di una molecola organica complessa è di solito un processo in discesa poiché procede con perdita di energia libera mentre la biosintesi 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. 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.