Il Metabolismo Spiegato ai Bambini

Si sente spesso parlare di metabolismo, in merito a salute, peso e alimentazione. Il metabolismo è un processo attraverso il quale il nostro corpo converte in energia ciò che mangiamo e beviamo. Ma cosa significa esattamente?

Cos'è il Metabolismo?

Il corpo umano per vivere e crescere ha bisogno di energia che viene fornita esclusivamente dagli alimenti. Energia di cui abbiamo bisogno non solo per muoverci, ma anche per garantire il dispendio energetico necessario a tutte le funzioni metaboliche vitali (metabolismo basale) come la respirazione, la circolazione del sangue o la riparazione delle cellule. Ogni volta che mangiamo noi facciamo rifornimento di energia per il nostro organismo che, come una macchina, non si ferma mai… neppure mentre dormiamo.

Nel sonno, infatti, gli organi continuano a lavorare: respiriamo, le cellule si rinnovano, i capelli e le unghie crescono etc. Queste spese energetiche che sono alla “base” della vita determinano il nostro Metabolismo basale. Al metabolismo basale dobbiamo aggiungere il metabolismo energetico, determinato dal movimento e dall’attività fisica che compiamo ogni giorno, e dalla termogenesi indotta dagli alimenti.

Metabolismo Veloce e Lento

Il metabolismo può essere “veloce” (alto) e trasformare più velocemente il cibo che mangiamo in energia, o “lento” (basso), impiegando più tempo per riuscire a farlo. Il metabolismo di un soggetto è dato dalla somma del metabolismo basale, dalla termogenesi dieta-indotta (l’energia che si sviluppa nei processi digestivi), e dall’attività fisica.

Il nostro dispendio energetico è determinato, infine, dall’Attività Fisica, cioè tutti quegli esercizi fisici che si fanno una volta scesi dal letto: dalla semplice camminata all’attività sportiva vera e propria. Un equilibrio tra le reazioni anaboliche (di distruzione) e le reazioni cataboliche (di costruzione) dell’organismo ci permette di modulare l’assunzione degli alimenti, al fine di mantenere un adeguato bilancio tra l’assunzione di cibo e la spesa energetica.

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Abbiamo bisogno di energia anche per digerire il cibo. La digestione degli alimenti è un processo lungo e laborioso che nel trasformare i nutrienti in energia, produce, a sua volta, calore. Questo processo si chiama Termogenesi Indotta dalla Dieta.

Calorie e Nutrienti

L’unità di misura dell’energia è la caloria, anche se negli ultimi anni, a livello internazionale, si sta utilizzando il joule (1 kcal = 4,186 kj). Quali sono i nutrienti che forniscono energia? Sono tre: grassi (anche chiamati lipidi), proteine, carboidrati (detti anche zuccheri). I grassi sono i più calorici, danno 9 Kcal (chilocalorie) per ogni grammo. Mentre un grammo di proteine e carboidrati fornisce 4 Kcal.

Per la nostra salute è molto importante soddisfare le richieste energetiche dell’organismo, ma nello stesso tempo bisogna stare attenti a non eccedere. Ad esempio ci sono delle fasi della nostra vita in cui il nostro corpo richiede più energia, come la crescita, la gravidanza, l’allattamento al seno o un intenso sforzo fisico. Ci sono altre fasi, invece, in cui il corpo umano “consuma” di meno, come nella vecchiaia, durante la quale il metabolismo basale si abbassa e l’attività fisica diminuisce.

Per stare bene, quindi, dobbiamo mantenere in equilibrio il bilancio energetico. Se si introduce più energia di quella che si spende, il bilancio è positivo e l’energia in eccesso viene immagazzinata sotto forma di grasso, con conseguente aumento del peso corporeo. Se invece il bilancio energetico è negativo, si perde peso e l’organismo è costretto ad attingere alle sue riserve di grasso e, in seguito, a demolire i tessuti muscolari.

La diffusione dell’obesità nei paesi industrializzati ci suggerisce che nella vita di tutti i giorni è molto frequente che il nostro bilancio energetico sia positivo. A pagare le conseguenze di questo cattivo stile di vita sono purtroppo soprattutto i bambini, abituati ormai a consumare cibi ipercalorici ed a muoversi poco.

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Come Funziona il Metabolismo?

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. Il nostro corpo ha continuamente bisogno di energia: anche quando stiamo fermi o dormiamo, consumiamo energia, per esempio per mantenere costanti il battito del cuore e la frequenza del respiro.

Tutta l’energia necessaria al nostro organismo viene prodotta attraverso milioni di reazioni chimiche, in cui il cibo e l’ossigeno dell’aria vengono combinati tra loro e trasformati.

Reazioni Cataboliche e Anaboliche

Si può rappresentare l’insieme delle reazioni metaboliche con un disegno che ricorda quello di un albero. Scendendo dalle foglie alle radici, seguiremo il cammino delle reazioni cataboliche, mentre risalendo dalle radici alle foglie faremo il percorso delle reazioni anaboliche.

• Vie Cataboliche: Hanno lo scopo di liberare energia e materiale di base per costruire tutte le molecole che servono alle cellule del nostro organismo, seguendo percorsi chimici ‘in discesa’ rispetto alla struttura dell’albero che consentono di andare facilmente da un punto all’altro senza fatica.
• Vie Anaboliche: Sono, al contrario, processi chimici ‘in salita’, dove le grandi molecole vengono costruite con assorbimento di energia.

La trasformazione del cibo che mangiamo inizia con la digestione, in cui le grandi molecole polimeriche, cioè formate da tante unità (o precursori), tenute insieme da legami chimici in un’unica struttura, vengono smontate. Le piccole molecole prodotte dalla digestione possono ora entrare nella cellula, attraverso meccanismi diversi (membrane biologiche), ed essere metabolizzate, cioè convertite in molecole ancora più semplici e in energia.

I Processi Chiave del Metabolismo

Gli enzimi presenti nel citoplasma e nei vari organelli della cellula smontano le molecole di zuccheri, lipidi e proteine fino a ottenere un piccolo composto formato da due atomi di carbonio. Questo composto, chiamato gruppo acetilico, si lega a una molecola trasportatrice (coenzima A), anche in questo caso con l’aiuto di un enzima, per formare un complesso chiamato acetilcoenzima A.

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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.

L’acido piruvico entra nei mitocondri, gli organelli presenti nel citoplasma della cellula specializzati nella produzione di energia, dove viene degradato fino a formare l’acetilcoenzima A. Al contrario di zuccheri e grassi, formati solo da atomi idrogeno (H), ossigeno (O) e carbonio (C), le proteine contengono un quarto elemento, l’azoto (N).

I gruppi acetilici dell’acetilcoenzima A, e altri prodotti ottenuti dalla degradazione di zuccheri, amminoacidi e grassi, vengono incanalati nella via catabolica finale comune chiamata ciclo degli acidi tricarbossilici, che possiamo immaginare corrispondere al tronco dell’albero del metabolismo. Questa energia è ‘incamerata’ in alcune molecole particolari, di cui la più importante è chiamata adenosintrifosfato o ATP (il fosforo si indica con la lettera P).

L’ATP ‘accumula’ l’energia grazie alla particolare natura dei legami chimici tra gli atomi di fosforo presenti nella molecola. 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.

Le reazioni chimiche che compongono le vie cataboliche e anaboliche sono molti milioni. 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. 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. 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).

Autotrofi ed Eterotrofi

Gli organismi autotrofi, come le piante e alcuni batteri, utilizzano la luce solare per trasformare anidride carbonica e acqua in glucosio attraverso la fotosintesi. Gli organismi eterotrofi, come umani, animali, batteri e funghi, ricavano energia dalle sostanze nutritive sintetizzate dagli organismi autotrofi.

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli organismi viventi, permettendo loro di acquisire e utilizzare energia e nutrienti.

• Produttori o organismi autotrofi: Fabbricano il proprio nutrimento estraendo energia e sostanze da fonti non viventi.
• Consumatori o organismi eterotrofi: Ottengono energia e nutrienti nutrendosi di altri organismi.

Il metabolismo cellulare è la serie di reazioni biochimiche che avvengono nelle 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.

Reazioni Cataboliche e Anaboliche

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.
• 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.

Da Dove Arriva l'Energia?

L’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. 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. 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.

Essere in condizioni di sovrappeso ed avere una massa magra poco rappresentata determinano una riduzione del metabolismo, inoltre, se in aggiunta, manteniamo una attività fisica scarsa o assente andremo a peggiorare la condizione. Il 20% circa del metabolismo basale è rappresentato dalla muscolatura scheletrica, di conseguenza un aumento della muscolatura è il metodo fisiologico che abbiamo per aumentare il metabolismo basale.

Inoltre, possiamo aiutare la massa magra a preservarsi nel tempo o ad aumentare, se serve, non soltanto con adeguato movimento ed attività fisica, ma anche assumendo la giusta quantità di proteine ripartita nei pasti della giornata. Saltare la prima colazione, infatti, porta ad una riduzione della produzione insulinica nelle prime ore della giornata, con conseguente ed inevitabile incremento di peso nel tempo. È estremamente soggettivo. Ci aiuterà ad incrementare le motivazioni e le aspettative e a raggiungerle e mantenerle nel tempo.

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