Il metabolismo cellulare rappresenta l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula per scomporre o formare molecole complesse, come proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici. Queste molecole sono i costituenti strutturali e funzionali della cellula, essenziali per la sua sopravvivenza, crescita e riproduzione.
Le sostanze che assumiamo con il cibo e l’ossigeno dell’aria che respiriamo vengono trasformati dalle cellule del nostro organismo in energia e nuovo materiale di ricambio, indispensabili per svolgere le attività del corpo e per mantenerlo in buone condizioni di salute.
I Processi Chiave del Metabolismo Cellulare
Il metabolismo cellulare è l'insieme di due processi principali: il catabolismo e l'anabolismo. Questi processi avvengono all'interno di una cellula, spesso in compartimenti diversi, e costituiscono una rete di reazioni chimiche in equilibrio tra loro. Gran parte di queste reazioni sono catalizzate da proteine specializzate chiamate enzimi.
Catabolismo: Demolizione per l'Energia
La scomposizione delle molecole complesse in molecole più piccole (catabolismo) comporta liberazione di energia. Nei processi catabolici, le macromolecole vengono scisse in molecole più piccole, con liberazione di energia.
- Le vie cataboliche hanno lo scopo di liberare energia e materiale di base per costruire tutte le molecole che servono alle cellule del nostro organismo.
- Queste vie seguono percorsi chimici ‘in discesa’ rispetto alla struttura dell’albero che consentono di andare facilmente da un punto all’altro senza fatica.
Anabolismo: Sintesi con Consumo di Energia
La formazione di molecole complesse a partire da molecole più piccole (anabolismo) comporta consumo di energia. Le vie anaboliche sono, al contrario, processi chimici ‘in salita’, dove le grandi molecole vengono costruite con assorbimento di energia.
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- Le reazioni anaboliche, invece, seguono cammini diversi per arrivare alla trasformazione delle molecole semplici in molecole più grandi e complesse (macromolecole), grazie proprio all’energia accumulata sotto forma di ATP.
- Le piccole molecole a due o tre atomi di carbonio sono inizialmente convertite in ‘unità di costruzione’ (amminoacidi, zuccheri semplici, acidi grassi, glicerolo), che vengono poi unite tra loro a formare le macromolecole.
- Per esempio, la costruzione delle proteine inizia con la formazione di molecole intermedie, successivamente trasformate in amminoacidi.
Il Ruolo degli Enzimi
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.
Ogni via metabolica si compone di più tappe, ognuna delle quali è compiuta da un enzima specifico.
In alcuni casi, quando ha raggiunto una certa concentrazione il prodotto di una reazione può inibire, vale a dire bloccare, l’attività dell’enzima responsabile della reazione precedente: in questo modo una determinata sostanza regola la propria sintesi (con un meccanismo omeostatico) evitando che si raggiungano concentrazioni troppo elevate, dannose o comunque non necessarie alla cellula.
In terzo luogo, il prodotto finale di una reazione può attivare o inibire un enzima di altre vie metaboliche, consentendo una regolazione coordinata di più catene di reazioni.
Le Vie Metaboliche Principali
Le vie metaboliche sono strutturate in modo che il prodotto di una reazione sia il substrato di quella successiva e sono controllate da fattori genetici, endocrini e nervosi.
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Via metabolica, o in inglese pathway metabolico, è l’espressione utilizzata per indicare un insieme di queste reazioni in sequenza.
Alcune vie metaboliche comprendono sia processi di degradazione sia di sintesi: sono le vie amfiboliche, come per es., il ciclo di Krebs (o dell’acido citrico).
Glicolisi
Gli zuccheri semplici che contengono sei o cinque atomi di carbonio, chiamati rispettivamente esosi e pentosi, vengono trasformati in acido piruvico, una piccola molecola composta di soli tre atomi di carbonio, attraverso un processo, denominato glicolisi (che significa «distruzione degli zuccheri»), a cui partecipano molti enzimi diversi.
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.
Ciclo di Krebs e Fosforilazione Ossidativa
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).
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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.
Fotosintesi
La fotosintesi è la più importante via anabolica. 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.
Regolazione del Metabolismo
Come fa la cellula a controllare che tutto avvenga nel modo giusto? Le reazioni metaboliche sono collegate tra loro: il prodotto di una prima reazione è il substrato, cioè il materiale di partenza, della seconda reazione e così via per tutte le reazioni che seguono quella via metabolica.
Inoltre, le vie metaboliche possono essere controllate regolando l’attività degli enzimi.
Infine le reazioni non avvengono tutte nella stessa zona della cellula, ma in spazi diversi e ben delimitati, come l’interno di organelli specializzati (per esempio, mitocondri e ribosomi).
Malattie Metaboliche
Le malattie metaboliche sono disordini ereditari determinati da difetti genetici che, alterando la produzione degli enzimi specifici, comportano dei deficit nella catena metabolica; questi si manifestano, per es., con l’accumulo nell’organismo di un metabolita.
Esistono malattie del m. dei carboidrati, dei lipidi,dei glicosamminoglicani, malattie di alterato m. degli amminoacidi, delle purine e delle pirimidine, e così via.
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