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. Ogni reazione può essere accelerata da un enzima. La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri, possibili in presenza di ossigeno.
Rompere e Costruire: Catabolismo e Anabolismo
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.
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.
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Fonti di Energia e 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 Ruolo del Piruvato
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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Metabolismo degli Amminoacidi
Ma perché le cellule utilizzano tante vie metaboliche che richiedono energia (ad esempio per rigenerare i siti catalitici degli enzimi), ciascuna con un patrimonio enzimatico, per catabolizzare gli amminoacidi? Da quasi tutti gli amminoacidi si possono ottenere, attraverso vie specializzate, dei metaboliti che in piccola parte sono utilizzati per produrre energia (ad esempio, tramite la gluconeogenesi e la via dei corpi chetonici) ma che, soprattutto, portano alla formazione di molecole complesse, ad elevato numero di atomi di carbonio (ad esempio da fenilalanina e tirosina, nelle ghiandole surrenali che sono specializzate a questo scopo, si producono ormoni). Da un individuo sano, giornalmente vengono degradati due o tre etti di amminoacidi.
Gli altri possono essere gluconeogenetici, perché entrano nella gluconeogenesi epatica (generano glucosio), chetogenici, perché entrano nella chetogenesi epatica (generano corpi chetonici, che possono essere usati anch'essi come substrati energetici), o entrambi - a seconda delle proprietà chimiche dell'amminoacido. Nota: la chetogenesi è un processo molto "inflazionato" dal punto di vista delle "convinzioni" e delle "informazioni di facile accesso" - sia in positivo che in negativo. Si tratta di una via importantissima, perché, in questo modo, gli amminoacidi possono rimediare ad una carenza di zuccheri nel digiuno a breve termine; se questo persiste, tuttavia, dopo due giorni interviene la chetogenesi da parte dei lipidi. Da un ulteriore digiuno, anche il cervello si adatta ad utilizzare i corpi chetonici.
Ritornando al trasferimento del gruppo α-amminico, specifichiamo che questo avviene tramite una reazione di transaminazione; gli enzimi che catalizzano tale reazione, si dicono, appunto, transaminasi (o ammino transferasi). Tali enzimi utilizzano un cofattore enzimatico chiamato piridossal fosfato, che interviene con il suo gruppo aldeidico. La glutammato deidrogenasi è un enzima in grado di trasformare il glutammato in α-chetoglutarato e, quindi, di convertire i gruppi amminici degli amminoacidi che si trovano sotto forma di glutammato, in ammoniaca. Ciò che avviene è un processo ossidoriduttivo che passa attraverso l'intermedio α-ammino glutarato. Esistono due tipi di glutammato deidrogenasi: citoplasmatica e mitocondriale. Il cofattore, che è anche cosubstrato di questo enzima, è il NAD(P)+. La forma mitocondriale ha lo scopo di smaltire i gruppi amminici.
La glutammato deidrogenasi lavora quando bisogna smaltire i gruppi amminici degli amminoacidi come ammoniaca (via urine) oppure quando occorrono gli scheletri degli amminoacidi per produrre energia. I pesci smaltiscono l'ammoniaca immettendola in acqua tramite le branchie; gli uccelli la convertono in acido urico (che è un prodotto di condensazione) e la eliminano con le feci.
Il Ciclo dell'Urea
L'urea (NH2-CO-NH2) viene prodotta tramite il ciclo dell'urea. Questa fase è catalizzata dalla carbamil fosfato sintetasi ed avviene nel mitocondrio. La citrullina prodotta, esce dal mitocondrio e, nel citoplasma, va sotto l'azione dell'arginino succinato sintetasi. L'enzima arginino succinato sintetasi richiede una molecola di ATP, perciò, si ha un accoppiamento energetico. L'enzima successivo è l'arginino succinasi. Il ciclo dell'urea è completato dall'enzima arginasi. Il ciclo dell'urea è soggetto a modulazione indiretta da arginina. L'accumulo di arginina indica che occorre velocizzare il ciclo dell'urea; la modulazione dell'arginina è indiretta perché l'arginina modula positivamente l'enzima acetil glutammato sintetasi. Quest'ultimo è in grado di trasferire un gruppo acetile sull'azoto di un glutammato.
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Il cervello e i muscoli utilizzano strategie particolari per eliminare i gruppi amminici. Il cervello sfrutta un metodo molto efficiente in cui vengono utilizzati un enzima glutammina sintetasi e un enzima glutammasi. Il primo è presente nei neuroni, mentre il secondo si trova nel fegato. Dal muscolo (scheletrico e cardiaco), i gruppi amminici, raggiungono il fegato tramite il ciclo glucosio-alanina; l'enzima coinvolto è la glutammina-piruvato transaminasi.
La presenza di transaminasi nel sangue, può essere un sintomo di un danno epatico o cardiopatico (cioè di danni tissutali alle cellule epatiche o cardiache); le transaminasi, sono in concentrazione molto elevate sia nel fegato sia nel cuore.
Le proteine sono importantissime, quindi vengono spesso riutilizzate. Il loro materiale va comunque smaltito ad un certo punto. La parte carboniosa viene sempre utilizzata e la parte amminica viene espulsa con le urine. La parte amminica viene trasferita da un AA all’altro fino ad arrivare al glutammato (oltre ad avere il gruppo carbossilico, ha il gruppo R acido; è il più diffuso neurotrasmettitore del cervello e va accumulato). Un amminoacido importante è l’α-chetobutarato, un intermedio del ciclo di Krebs. Le catene di processi di trasferimento del gruppo amminico si chiama transaminazione.
Il glutammato è un connettore di molti processi. Alla fine del processo c’è la deamminazione, che avviene nei mitocondri. In questo processo il glutammato reagisce con l’acqua con l’NADH o l’NADPH; si stacca lo ione ammonio e si forma l’acido α-chetoglutarato.
Il ciclo dell’urea è stato scoperto da Krebs. Qui due ioni ammonio reagiscono con lo ione bicarbonato, che si forma dalla reazione tra l’acqua e la CO2 nel sangue. È un processo ciclico, che avviene sia nei mitocondri che nel citoplasma.
Il gruppo carbonioso può prendere varie strade; nella maggior parte degli amminoacidi si trasforma in piruvato prima di entrare nel ciclo di Krebs; essi vengono chiamati glucogenici; gli altri chetogenici (formano acetil-CoA).
Ruolo del Glutammato nel Metabolismo delle Proteine
Il glutammato è un connettore di molti processi metabolici e regola la quantità degli altri neurotrasmettitori.
Come Avviene il Ciclo dell'Urea e Qual è la Sua Importanza
Il ciclo dell'urea, scoperto da Krebs, avviene sia nei mitocondri che nel citoplasma e coinvolge la reazione di due ioni ammonio con lo ione bicarbonato.
Quali Sono le Differenze tra Amminoacidi Glucogenici e Chetogenici
Gli amminoacidi glucogenici si trasformano in piruvato prima di entrare nel ciclo di Krebs, mentre quelli chetogenici formano acetil-CoA.
Digestione delle Proteine
Il succo gastrico acido (pH 1-2,5) ha azione denaturante, ovvero rende le proteine più facilmente digeribili. Le proteine non digerite e i peptidi giungono nell’intestino tenue, dove vengono attaccati da enzimi pancreatici (tripsina, chimotripsina e carbossipeptidasi A e B, elastasi) che formano amminoacidi liberi, di-tri peptidi e oligopeptidi (fino a 6 amminoacidi). Nota bene: a livello intestinale giungono anche oligopeptidi e proteine di origine esogena e endogena non digeriti.
Vie di Sintesi degli Amminoacidi
I diversi organismi possiedono vie diverse per la sintesi dei venti amminoacidi comuni. Per ricordarteli a memoria ti do questo consiglio: osserva le iniziali in ordine alfabetico: “FILMTV”.
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