Metabolismo cellulare

La cellula

La cellula è l’unità fondamentale della vita, capace di riprodursi e rispondere agli stimoli. Ogni cellula possiede tre

componenti essenziali:

• involucro che la separa dall’ambiente esterno e regola gli scambi di

Membrana plasmatica: sostanze.

• Citoplasma: fluido interno in cui si trovano gli organuli cellulari e si svolgono le principali funzioni cellulari.

• materiale genetico che contiene le istruzioni per la crescita e il funzionamento dell’organismo.

DNA: Il metabolismo cellulare si divide in catabolismo (degradazione di molecole per ottenere

energia) e anabolismo (costruzione di nuove molecole e componenti cellulari). La cellula

si riproduce per divisione cellulare e risponde agli stimoli grazie all’azione di enzimi e altre

proteine.

Le cellule possono essere unicellulari (un solo organismo costituito da una cellula) o

pluricellulari, in cui diverse cellule si specializzano per svolgere funzioni specifiche. La

loro forma dipende dall’ambiente e dalla funzione: possono essere sferiche, cubiche,

stellate o con prolungamenti (come i neuroni). Anche le dimensioni variano: le più piccole

sono i batteri (1-5 µm), mentre le più grandi sono le cellule uovo e alcuni neuroni, che

possono superare il mezzo metro.

Le cellule, si distinguono in procarioti (senza nucleo, come i batteri) ed eucarioti (con nucleo, come le cellule animali

e vegetali). Tra queste ultime, le vegetali possiedono parete cellulare e cloroplasti per la fotosintesi, mentre le animali

hanno altre strutture specifiche. L’analisi delle cellule comprende il loro metabolismo, struttura, organuli e strategie

riproduttive.

Il metabolismo cellulare

Il metabolismo cellulare si distingue in base alla capacità delle cellule di ottenere energia e nutrienti. Gli organismi si

dividono principalmente in due categorie:

• Autotrofi: Sono organismi che producono il proprio nutrimento utilizzando sostanze inorganiche. Ad esempio,

le piante sono fotoautotrofe perché sfruttano l’energia solare per trasformare anidride carbonica (CO₂) e acqua

in glucosio attraverso la fotosintesi. Esistono anche organismi chemioautotrofi (come alcuni batteri) che,

anziché usare la luce del sole, ricavano l’energia necessaria dall’ossidazione di sostanze inorganiche (come

zolfo o ferro).

• Eterotrofi: Sono organismi che non possono produrre il proprio nutrimento e devono ottenere energia

consumando altre forme di vita (piante, animali o altri organismi eterotrofi).

Un’altra distinzione tra i tipi di metabolismo è se sia aerobico (richiede ossigeno per i processi vitali) o anaerobico (non

richiede ossigeno per i processi vitali) Cellula eucariote

Cellula

Organulo Descrizione procariote Animale Vegetale Fungina

I mitocondri sono organuli delle cellule

eucariotiche responsabili della produzione di

energia (ATP). Hanno due membrane, una

esterna e una interna con creste mitocondriali.

Mitocondri No Sì Sì Sì

Contengono DNA, RNA, ribosomi e enzimi per il

metabolismo. Sono centrali nella respirazione

cellulare, inclusi il ciclo di Krebs e la fosforilazione

ossidativa.

I cloroplasti sono organuli presenti nelle cellule

vegetali, responsabili della fotosintesi

clorofilliana. Hanno due membrane: una esterna

permeabile e una interna selettiva che racchiude

lo stroma, contenente DNA, RNA e enzimi.

Cloroplasti No No Sì No

All’interno dello stroma ci sono i tilacoidi,

organizzati in grana, dove avviene parte della

fotosintesi. Alcuni batteri, come le cianoficee,

realizzano la fotosintesi, ma non possiedono

cloroplasti.

Processi catabolici ➔

Reazioni esoergoniche liberano energia (ATP)

• Glicolisi

• Idrolisi macromolecole

• Respirazione cellulare

Processi anabolici ➔

Reazioni endoergoniche consumano energia (ATP)

• Fotosintesi

• Sintesi macromolecole

➔ Adenosina trifosfato

ATP • È un NUCLEOTIDE TRIFOSFATO

• Formato da:

Trifosfato

▪ Adenina

▪ Ribosio

▪

Glicolisi

La glicolisi è il processo metabolico anaerobico in cui una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato

al fine di generare 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH + H per ogni molecola di glucosio utilizzata. Sebbene non

+

sia il più efficiente, questo è il processo più sfruttato in natura per produrre energia, soprattutto grazie alla sua

anaerobioticita.

Nella grande maggioranza dei viventi, la glicolisi avviene nel citoplasma delle cellule, esistono tuttavia alcune eccezioni.

La reazione ➔ ➔

H O + 2ATP + 2NAD 2C H O + 4ATP + 2NADH + 2H O + 2H

+ +

C 12 6 3 4 3 2

6

È divisa in due fasi principali:

1. Fase di investimento o preparatoria: Durante questa fase, il glucosio viene trasformato in due molecole di

gliceraldeide 3-fosfato, attraverso cinque reazioni. Per farlo, vengono consumate 2 molecole di ATP, quindi

questa fase implica un consumo netto di energia.

2. Fase di rendimento o di recupero energetico: Le due molecole di gliceraldeide 3-fosfato prodotte nella fase

precedente vengono trasformate in due molecole di piruvato. In questo processo, vengono prodotti 4 ATP e 2

NADH + H , con un guadagno netto di energia di 2 ATP e 2 NADH + H .

+ +

Glucosio + 2 NAD + 2 ADP + 2 P 2 NADH + 2H + 2 piruvato + 2 ATP + 2 H O

→

+ +

i 2

Nel complesso, la glicolisi è un processo catabolico ed esotermico, in cui il glucosio, una molecola complessa e ricca di

energia, viene trasformato in molecole più semplici (piruvato) e meno energetiche, con la liberazione di energia che

viene immagazzinata sotto forma di ATP.

La glicolisi è quindi una via metabolica fondamentale per la produzione di ATP e può essere seguita da processi aerobici

o da fermentazione, a seconda delle condizioni cellulari e dell’ossigeno disponibile.

➔ glucosio + 2 ADP + 2HPO + 2NAD ➔ 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2H + 2H O

3- 42- + - 4- +

Equazione globale 2

Respirazione cellulare

Avviene negli eucarioti, mitocondri, procarioti, citosol

1. Decarbossilazione ossidativa = sintesi dell’ acetil-CoA

➔

2C3H4O3 + 2NAD+ + CoA 2 Acetil-CoA + 2 CO + 2NADH

2

2. Ciclo di Krebs

Dopo la glicolisi e la formazione dell’acetil-CoA, questo entra nei mitocondri per partecipare alla respirazione

cellulare aerobica, che comprende il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa.

Funzione del Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è un processo metabolico essenziale per le cellule che effettuano la respirazione cellulare. Ha

il compito di ossidare completamente i due atomi di carbonio dell’acetil-CoA, rilasciandoli sotto forma di CO e

2

producendo energia sotto forma di:

• 3 NADH + H⁺

• 1 FADH 2

• 1 GTP (che può essere convertito in ATP).

Dato che dalla glicolisi si ottengono due molecole di piruvato per ogni glucosio metabolizzato, l’intero ciclo di

Krebs deve avvenire due volte per ogni glucosio. Quindi, il bilancio totale per una molecola di glucosio è:

• 4 CO

2

• 6 NADH + H⁺

• 2 FADH 2

• 2 GTP (convertibili in ATP)

Caratteristiche del Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è un processo anfibolico, cioè svolge sia funzioni cataboliche (degradazione di carboidrati, lipidi

e proteine) sia anaboliche (fornisce precursori per altre vie metaboliche). Alcuni intermedi del ciclo, come α-

chetoglutarato e ossalacetato, sono fondamentali per la sintesi di altri composti cellulari.

Importanza Energetica

I prodotti del ciclo di Krebs (NADH e FADH₂) sono essenziali per la fase successiva della respirazione cellulare:

la fosforilazione ossidativa, che genera la maggior parte dell’ATP necessario alla cellula.

Dove avviene

• Eucarioti = matrice mitocondriale

• Procarioti = citosol

Bilancio energetico

Cos’è il bilancio energetico?

Il bilancio energetico è il calcolo dell’energia totale (ATP) che la cellula produce a partire da una molecola di glucosio

durante la respirazione cellulare.

Quando la cellula “brucia” il glucosio per ottenere energia, lo fa in tre fasi principali:

1) Glicolisi (nel citoplasma)

2) Ciclo di Krebs (nei mitocondri)

3) Fosforilazione ossidativa (nei mitocondri)

Ogni fase produce ATP direttamente o indirettamente, ed è importante sommare tutti i guadagni per sapere quanta

energia otteniamo alla fine.

1) ATP prodotto nella glicolisi

• 2 ATP prodotti direttamente

• 2 NADH × 3 ATP = 6 ATP

• Totale dalla glicolisi = 2 + 6 = 8 ATP

2) ATP prodotto dal ciclo di Krebs (per un piruvato)

• 4 NADH × 3 ATP = 12 ATP

• 1 FADH₂ × 2 ATP = 2 ATP

• 1 GTP = 1 ATP

Totale per un piruvato = 12 + 2 + 1 = 15 ATP

Poiché dalla glicolisi si