Il metabolismo cellulare è una complessa rete di processi chimici e fisici usata dalla cellula per accrescersi, organizzare la sua struttura interna, riprodursi e svolgere compiti specifici. È l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula, per scomporre o formare molecole complesse (proteine, lipidi, carboidrati, acidi nucleici), costituenti strutturali e funzionali della cellula, che ne consentono la sopravvivenza, la crescita e la riproduzione.
Reazioni Anaboliche e Cataboliche
Tali reazioni, che danno luogo a un continuo scambio di energia e sostanze tra l’ambiente esterno e la cellula stessa, sono definite anaboliche e cataboliche. Le prime costruiscono molecole per la cellula a partire dalle sostanze nutrienti, le seconde le distruggono per produrre scorie esportabili.
- Reazioni Anaboliche: consumano energia e sono da considerarsi endoergoniche; l’energia necessaria per questi processi viene fornita agli organismi o sotto forma di energia chimica contenuta negli alimenti o sotto forma di energia radiante.
- Reazioni Cataboliche: queste reazioni distruttive forniscono energia (reazioni esoergoniche). La scomposizione delle molecole complesse in molecole più piccole (catabolismo) comporta liberazione di energia, la formazione di molecole complesse a partire da molecole più piccole (anabolismo) comporta consumo di energia.
I due tipi di processi avvengono separatamente, talvolta in compartimenti cellulari distinti e separati, ma si complementano e sono in equilibrio: i prodotti dei processi catabolici sono i substrati dei processi anabolici, viceversa, i prodotti dei processi anabolici sono i substrati dei processi catabolici.
Costituenti Cellulari
L’organizzazione, l’accrescimento, la funzionalità e la riproduzione della cellula coinvolgono una grande quantità di costituenti, i quali hanno una gamma enorme di strutture molecolari e di funzioni. I polimeri più importanti sono gli acidi nucleici, gli amminoacidi, le membrane cellulari, formate da lipidi, proteine e altri costituenti, e i carboidrati. Inoltre, per una corretta funzionalità, la cellula ha bisogno di una grande varietà di molecole piccole e di atomi metallici.
L’apparato molecolare della cellula serve essenzialmente per due scopi: l’automantenimento della cellula stessa e la riproduzione del genotipo. Una caratteristica molto interessante di questo apparato è la sua uniformità in tutta la biologia. Una peculiarità della riproduzione biologica è che non solo il genotipo, ma anche le istruzioni per ricostruire l’intero apparato metabolico, sono trasmessi alla generazione successiva.
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Il secondo scopo, cioè la riproduzione della cellula o dell’organismo multicellulare, è il requisito base per avere successo nell’evoluzione. Ogni giorno, le nostre cellule vanno incontro a numerosissime reazioni da cui ottengono energia (ATP) e molecole indispensabili per la loro vita e per quella dell’organismo. Oltre a questo, bisogna considerare il metabolismo come il dispendio energetico totale.
Vie Metaboliche Chiave
Il metabolismo cellulare è l'insieme di due processi, il catabolismo e l'anabolismo, che avvengono all'interno di una cellula, anche in compartimenti diversi: una rete di reazioni chimiche in equilibrio tra loro, gran parte delle quali catalizzate da proteine specializzate, gli enzimi. Nei processi catabolici, macromolecole vengono scisse in molecole più piccole, con liberazione di energia.
Fotosintesi
La fotosintesi è la più importante via anabolica. La fotosintesi è la più importante via anabolica, nella quale l'energia solare viene catturata e trasformata in energia chimica, immagazzinata in legami carbonio-idrogeno C-H. La clorofilla (gli elettroni delle molecole di clorofilla) cattura l'energia solare e la utilizza per eccitare elettroni ricavati dall'acqua H20. L'energia degli elettroni eccitati viene quindi utilizzata per produrre composti ad alto contenuto energetico, come ATP e NADPH.
- ATP (adenosintrifosfato): deriva dalla fotofosforilazione dell'ADP: l'energia solare viene immagazzinata come energia chimica quando in una molecola di ADP un gruppo fosfato viene legato, in un legame ad alta energia, al secondo fosfato dell'ADP, formando ATP.
- NADPH (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato): deriva dalla riduzione dell'NADP+.
L'ATP e l'NADPH, prodotti nelle reazioni alla luce, forniscono l'energia e il potere riducente necessari per la sintesi dei carboidrati: riduzione di anidride carbonica CO2 e sintesi di glucosio C6H12O6.
Glicolisi
Nella glicolisi, che si svolge nel citoplasma cellulare, una molecola di glucosio (altri carboidrati possono entrare nella via della glicolisi, in altri punti) viene scissa in due molecole di piruvato (a tre atomi di carbonio) con la rottura di un legame carbonio-carbonio e conseguente liberazione di energia, parte della quale viene immagazzinata in due molecole di ATP (prodotte dalla fosforilazione di due molecole di ADP) e due di NADPH.
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Respirazione Cellulare
Nella respirazione cellulare, che si svolge nei mitocondri (organelli delimitati da membrana), il piruvato viene ossidato ad anidride carbonica e acqua utilizzando ossigeno, con la produzione di 36 molecole di ATP, in tre tappe: formazione di acetil CoA, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa.
Il coenzima A accoglie anche gruppi acetile prodotti nel catabolismo degli acidi grassi (provenienti da grassi animali e vegetali) e di alcuni amminoacidi, che entrano così nel ciclo di Krebs, mentre altri, come i nucleotidi, derivanti dal catabolismo degli acidi nucleici vi entreranno in tappe successive. Durante il ciclo di Krebs, questi due atomi di carbonio sono trasformati in CO2 con produzione di due molecole di ATP e di altre molecole di NADH.
Organismi Autotrofi ed Eterotrofi
Gli organismi autotrofi, fotosintetici (piante, alghe, alcuni batteri) usano la fotosintesi come via anabolica per la produzione di composti organici a partire da composti inorganici ed energia solare. Gli organismi eterotrofi, non fotosintetici (animali, funghi, alcuni batteri) utilizzano come cibo i composti organici (carboidrati, grassi, proteine) prodotti dagli organismi fotosintetici.
Metabolismo Anaerobico
Nelle cellule anaerobie facoltative (lieviti, cellule muscolari), la glicolisi, in presenza di ossigeno, è preliminare alla respirazione, ma quando la disponibilità di ossigeno è limitata, è il principale sistema in grado di garantire il flusso di ATP. Nelle cellule anaerobie obbligate la glicolisi è l'unico sistema utile per la produzione di energia.
Vie Cataboliche e Anaboliche: Un Equilibrio Dinamico
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.
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Catabolismo e Produzione di Energia
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.
Controllo dell'Energia
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.
Processi di Assunzione di Materiale
L'assunzione di particelle solide avviene per mezzo della fagocitosi. Tale proprietà venne studiata per la prima volta sui leucociti di un mollusco da Haeckel, nel 1862, e consiste nella emissione di pseudopodi (prolungamenti, dovuti ad estroflessioni della membrana cellulare) o di membranelle ondulanti, per cui il materiale da inglobare viene circoscritto da tali prolungamenti ed infine inglobato entro il citoplasma.
In base alle proprietà fagocitanti, le cellule sono state distinte in macrofagi e in microfagi: i primi sono in grado di assimilare cellule batteriche al completo, i microfagi, invece, solo parti corpuscolate o residui di cellule. Entrambi i tipi di cellule fagocitanti sono abbondantemente rappresentati nel corpo umano.
Le funzioni a cui tali elementi sono deputati sono: difesa contro i germi e i microorganismi patogeni in genere, eliminazione di pulviscolo atmosferico che attraverso la respirazione perviene negli alveoli polmonari, eliminazione di detriti da organi in via di decomposizione (come avviene per esempio nella metamorfosi di alcuni animali) e infine l'assorbimento dei processi infiammatori.
Il meccanismo principale per mezzo del quale la cellula si nutre avviene attraverso l'assorbimento di particelle liquide. A tale riguardo, la membrana cellulare svolge una funzione fondamentale. Essa si comporta infatti, come una membrana semipermeabile, come un filtro, permettendo il passaggio di determinate sostanze e non di altre, anche se con notevole affinità chimica.