Il metabolismo cellulare è l'insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all'interno delle cellule. Alcune di queste reazioni permettono di ottenere le molecole e l’energia di cui le cellule hanno bisogno.
Il Concetto di Metabolismo Cellulare
Per metabolismo cellulare si intende l’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all’interno delle cellule. Le reazioni possono essere facilitate dagli enzimi, particolari proteine che funzionano da catalizzatori, rendendo possibile se non accelerando la reazione in cui sono coinvolti. Gli enzimi legano in maniera altamente specifica uno o più substrati, le molecole coinvolte nella reazione, facilitando così la loro trasformazione nei prodotti della reazione stessa, che sono poi rilasciati dall’enzima.
Spesso, perché all’interno delle cellule avvengano le trasformazioni molecolari desiderate da un prodotto iniziale a uno finale, occorrono più fasi, ciascuna delle quali può essere catalizzata da un diverso enzima. In ciascuna di queste fasi, un substrato viene convertito in un prodotto, che a sua volta diventa il substrato per la reazione successiva. Via metabolica, o in inglese pathway metabolico, è l’espressione utilizzata per indicare un insieme di queste reazioni in sequenza. Le cellule sono in grado di controllare le vie metaboliche a seconda dei propri bisogni e ci riescono anche grazie alla regolazione dell’attività degli enzimi stessi.
Vie Cataboliche e Anaboliche
Sono dette cataboliche quelle vie che permettono la degradazione di molecole complesse. In queste reazioni, le molecole sono trasformate nei loro costituenti (per esempio, dalle proteine si ottengono gli amminoacidi), mentre l’energia viene rilasciata come calore oppure immagazzinata sotto forma di particolari molecole. La sintesi di nuove molecole, le macromolecole, avviene attraverso vie definite anaboliche, che possono partire proprio dai prodotti del catabolismo e che per procedere hanno bisogno di energia. Per far sì che le cellule controllino i propri livelli di metaboliti fondamentali e abbiano a disposizione una quantità sufficiente di energia, le vie cataboliche e anaboliche devono essere in equilibrio.
Catabolismo = insieme delle reazioni che portano alla demolizione delle macromolecole. Anabolismo = insieme delle reazioni che portano alla sintesi di molecole complesse a partire da molecole semplici. Le reazioni anaboliche hanno inizio dal ciclo di Krebs, fase in cui le piccole molecole introdotte si trasformano in composti più pesanti. Via metabolica = serie di reazioni, catalizzate da enzimi, che avvengono secondo una determinata sequenza. In genere le vie cataboliche sono convergenti, mentre quelle anaboliche divergenti. Le vie metaboliche non sono isolate ma interdipendenti fra loro.
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Il Ruolo dell'Energia e della Respirazione Cellulare
L’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. Da dove arriva allora l’energia di cui hanno bisogno le cellule? Nel caso di alcuni tipi di batteri, delle alghe e delle piante la “fonte” è rappresentata dal sole. Nel noto processo di fotosintesi, le cellule catturano l’energia solare e la utilizzano per produrre molecole organiche. Altri organismi, come gli esseri umani, funzionano diversamente e ricavano le molecole organiche dall’alimentazione. Attraverso la nutrizione gli esseri umani ottengono l’acqua e i nutrienti, quali carboidrati, grassi, proteine, sali e minerali, che vengono se necessario scomposti in prodotti più piccoli, quindi assorbiti nel circolo ematico e recapitati a tessuti e cellule che ne hanno bisogno.
L’energia è contenuta nei legami chimici delle molecole dei nutrienti e, attraverso diversi processi, viene trasformata in una forma che le cellule possono utilizzare. Rilasciata dalla rottura di tali legami, l’energia viene immagazzinata sotto forma di molecole ad alta energia, come l’ATP (adenosina trifosfato), il trasportatore di energia più abbondante nelle cellule.
La respirazione cellulare è un processo mediante il quale le cellule ricavano l’energia dai nutrienti. La degradazione di carboidrati, grassi e proteine converge in una via centrale del metabolismo, il cosiddetto ciclo dell’acido citrico (detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs dal nome del suo scopritore, Hans Krebs). Il ciclo dell’acido citrico avviene all’interno dei mitocondri, le centrali energetiche della cellula. A questo ciclo, da cui si formano anidride carbonica e altre importanti molecole, segue la fosforilazione ossidativa, la fase di massima resa in termini di formazione di molecole di ATP, che vede il coinvolgimento della catena di trasporto degli elettroni ed è resa possibile da diverse proteine situate nella membrana interna dei mitocondri. Nell’insieme questo processo consuma ossigeno e produce anche acqua.
Nei diversi passaggi che portano dalla demolizione dei nutrienti al ciclo di Krebs, ha un ruolo importante una particolare molecola, chiamata acetilcoenzima A. La sua formazione a partire dal glucosio inizia nel citoplasma della cellula con la glicolisi, una via metabolica che non necessita di ossigeno e in cui da una molecola di glucosio si formano due molecole di piruvato, con un guadagno netto di due molecole di ATP, un numero decisamente inferiore rispetto alla fosforilazione ossidativa, e altre molecole. Il piruvato è poi trasportato nei mitocondri e convertito nell’acetilcoenzima A, che entra così nel ciclo di Krebs.
Controllo dell'Energia e Disponibilità di Ossigeno
La trasformazione dell’energia chimica in una forma utile alle cellule viene regolata tramite diverse modalità. Per esempio, le cellule possono rispondere a certi segnali o non possedere alcuni organuli (come i globuli rossi, che non hanno mitocondri). Centrale è la disponibilità di ossigeno. In condizioni di assenza o di bassi livelli di ossigeno, il piruvato prodotto dalla glicolisi potrà avere un diverso destino: invece di entrare nei mitocondri, resterà nel citoplasma dove, grazie al coinvolgimento di un particolare enzima, si produrrà il lattato (o acido lattico). Si noti che, quando le cellule muscolari fanno affidamento sulla glicolisi per la produzione di energia a causa della bassa disponibilità di ossigeno, è proprio l’accumulo di questo prodotto che provoca la caratteristica sensazione di dolore.
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Enzimi: I Catalizzatori Biologici
Enzimi = proteine che svolgono il ruolo di catalizzatori nelle reazioni che avvengono nelle cellule. Il termine “enzima” fu coniato dal fisiologo tedesco Kühne nel fine Ottocento per indicare molecole presenti negli estratti di lievito, in grado di catalizzare la trasformazione di zuccheri in alcol (“enzima” = “nel fermento”). Gli enzimi vengono classificati in sei categorie diverse, ciascuna delle quali è ulteriormente divisa in sottoclassi. La nomenclatura ufficiale attribuisce a ogni enzima un codice numerico preceduto dalla sigla EC (Enzyme Commission). Gli isoenzimi agiscono sullo stesso substrato, differenziandosi solo per la velocità di reazione e meccanismi di regolazione.
Sito Attivo e Modelli di Interazione
Il sito attivo contiene amminoacidi capaci di interagire con un substrato specifico, determinato dalla forma della catena polipeptidica. Il substrato si lega al sito attivo attraverso numerose interazioni non covalenti (legami a H, interazioni elettrostatiche, forze di van der Waals e interazioni idrofobiche). Secondo il primo modello, proposto a fine Ottocento da Fischer, la forma del substrato corrisponde esattamente alla forma del sito attivo e risultarne quindi complementare. Nel secondo modello, Koshland propone un sito attivo che può cambiare forma solo dopo aver interagito con il substrato, diventando complementare ad esso.
Fattori che Influenzano l'Attività Enzimatica
- pH: al variare del pH si possono verificare alterazioni nella struttura tridimensionale dell’enzima (addirittura la denaturazione).
- Temperatura: in una reazione chimica, l’aumento di temperatura provoca l’aumento di velocità di reazione (aumentano collisioni tra molecole).
Regolazione Enzimatica
La regolazione degli enzimi avviene attraverso il controllo dell’attività enzimatica o controllo dei livelli enzimatici e attraverso la compartimentazione delle vie metaboliche.
- Controllo allosterico: enzimi che risentono di questo controllo vengono detti “allosterici” e in genere presentano una seconda regione detta sito allosterico (in alcuni casi questo può coincidere con il sito attivo). Gli effettori allosterici (o modulatori allosterici) si legano in modo reversibile al sito allosterico, cambiandone l’attività oltre che la forma.
- Modificazione covalente: questa regolazione può essere reversibile o irreversibile (nel senso che gli inibitori possono essere rimossi dal legame o meno). La modificazione reversibile consiste nella formazione o rottura del legame tra determinati gruppi chimici e alcuni amminoacidi di un enzima. L’aggiunta o rimozione di questi gruppi chimici dipende da enzimi specifici, come ad esempio nella fosforilazione ( = aggiunta di gruppi fosfato) catalizzata dall’enzima proteina chinasi. La defosforilazione ( = rimozione di gruppi fosfato) avviene grazie all’enzima proteina fosfatasi.
- Controllo dell’espressione genica: i geni che codificano per gli enzimi da produrre possono essere attivati o disattivati.
- Compartimentazione delle vie metaboliche: Esistono due tipi di compartimentazione delle vie metaboliche (che ne rende possibile la regolazione): quella cellulare e quella in organi e tessuti.
ATP: La Moneta Energetica Cellulare
L’energia ottenuta dalle reazioni metaboliche ed enzimatiche viene immagazzinata sotto forma di ATP (adenosintrifosfato), un nucleoside trifosfato formato da D-ribosio e adenina. L’ATP è una molecola instabile a causa delle repulsioni fra le cariche negative dei gruppi fosfato: quando essa è sottoposta a idrolisi (la scissione di un gruppo fosfato Pi) è in grado di rilasciare grandi quantità di energia. Questa è una reazione reversibile, quindi si può tornare da ADP ad ATP. Le reazioni biochimiche si dicono accoppiate: l’idrolisi dell’ATP è accoppiata ad una reazione endoergonica, mentre la sua sintesi è accoppiata ad un’esoergonica.
L'adenosin-trifosfato, o ATP, è la molecola che consente l'accoppiamento tra le reazioni eso ed endoergoniche. È formato da una molecola di ribosio, la base azotata adenina e 3 gruppi fosfato.
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La sintesi di ATP a partire da ADP (adenosin-difosfato) e fosfato è una reazione endoergonica ed è catalizzata da enzimi chiamate chinasi.
Il simbolo Pi, fosfato inorganico, indica l'acido fosforico presente in soluzione come ione fosfato.
Il distacco di un gruppo fosfato, invece, fornisce energia libera di reazione pari a circa 7,3 kcal/mole ed è una reazione di idrolisi che richiede la presenza di un enzima chiamato ATPasi. Le fosfatasi, invece, staccano un gruppo fosfato da un substrato.
Produzione di ATP
L'ATP può essere prodotto in due modi:
- Fosforilazione a livello del substrato: un composto fosforilato può cedere un gruppo fosfato, ricco di energia, all'ADP in una reazione esoergonica, trasformandolo in ATP, a volte mediato da altre molecole ad alta energia, come il GTP.
- La maggior parte dell'ATP è però ottenuta dalla fosforilazione ossidativa e fotofosforilazione (vedi più avanti), con un processo chiamato chemiosmosi, che avviene nei cloroplasti e nei mitocondri.
Una proteina integrale di membrana, la pompa protonica, è presente nelle membrane dei tilacoidi e delle creste mitocondriali. Essa espelle continuamente ioni H+ (protoni) dallo stroma o dalla matrice mitocondriale verso il lume dei tilacoidi o lo spazio intermembrana dei mitocondri contro il gradiente di concentrazione, determinando in questi due scomparti un aumento di pressione chemiosmotica. L'energia per attivare la pompa è fornita dalla luce solare nei cloroplasti e dall'ossidazione del glucosio nei mitocondri.
Questi ioni tenderebbero a ritornare nella matrice mitocondriale o nello stroma del cloroplasto seguendo il gradiente ma, essendo la membrana impermeabile agli ioni, sono costretti ad attraversare il canale di una grossa proteina transmembrana, l'ATP-sintasi e, sfruttando il potenziale chemiosmotico, si libera energia per la formazione dell'ATP.
Coenzimi: Trasportatori di Elettroni e Gruppi Chimici
Il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) trasporta elettroni e funge da coenzima alle reazioni di ossidoriduzione. Può assumere due forme: una ossidata (NAD+ > agente ossidante) e una ridotta (NADH > agente riducente). Il FAD (flavin adenina dinucleotide) opera come agente ossidante nelle reazioni biologiche. Il coenzima A trasporta gruppi acetilici (CH3CO) o acilici (RCO). Deriva dalla vitamina B5 (acido pantotenico). La sua formula di struttura contiene un gruppo tiolico (SH), al quale si può legare un acetilico (diventa acetil-coenzima A o acetil-CoA).
Trasportatori di Idrogeni ed Elettroni
- NAD (nicotinammide adenindinucleotide) è un coenzima che trasporta elettroni e ioni H+ nelle reazioni di ossidoriduzione. La forma ossidata, NAD+, può accettare due elettroni e un solo H+ riducendosi a NADH e viceversa. La riduzione comporta un assorbimento di energia mentre l'ossidazione è esoergonica e libera circa 52 kcal/mole. La reazione richiede un enzima specifico. Dal punto di vista chimico, il NAD è formato da una adenina unita, tramite il suo gruppo fosforico, al gruppo fosforico di un altro nucleotide, la nicotinammide, un derivato della vitamina PP (niacina). Analogo al NAD è il NADPH (nicotinammide adenindinucleotide fosfato), che ha in più un gruppo fosfato.
- FAD (flavina adenindinucleotide) si riduce a FADH2 acquistando due elettroni e due ioni H+. È formato dall'adenina e dalla flavina, un derivato della vitamina B2.
Tabella Riassuntiva dei Concetti Chiave
| Concetto | Descrizione |
|---|---|
| Metabolismo Cellulare | Insieme delle reazioni biochimiche nelle cellule. |
| Vie Cataboliche | Degradazione di molecole complesse con rilascio di energia. |
| Vie Anaboliche | Sintesi di molecole complesse con consumo di energia. |
| Enzimi | Catalizzatori biologici che accelerano le reazioni. |
| ATP | Molecola che immagazzina e trasporta energia. |
| NAD/FAD | Coenzimi che trasportano elettroni nelle reazioni redox. |
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