Metabolismo: Una Definizione Semplice e Completa

Il metabolismo è il complesso delle trasformazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli organismi eucarioti e procarioti in modo coordinato e finalizzato, al quale cooperano molti enzimi e sistemi multienzimatici intracellulari. Ogni cellula è in pratica una formidabile fabbrica che produce energia e che provvede ad assolvere a un complesso di funzioni fisiologiche essenziali, come la crescita, il mantenimento delle strutture organiche e la loro riparazione, la secrezione, la contrazione muscolare, la riproduzione, la difesa immunitaria...

I Due Processi Chiave del Metabolismo

Il metabolismo presenta due fasi principali: l’anabolismo e il catabolismo.

• Catabolismo: Questo è il processo attraverso il quale le grandi strutture molecolari vengono convertite in sostanze più elementari liberando energia. Così, i lipidi vengono scissi in acidi grassi e glicerolo, i carboidrati in semplici molecole di glucosio e le proteine in aminoacidi.
• Anabolismo: Rappresenta il tragitto inverso: le più piccole molecole vengono convertite in complessi macromolecolari (momento che richiede e impiega energia). È la fase sintetica del metabolismo, quella che consente la costruzione di nuove strutture organiche e lo svolgimento di mille altre funzioni cellulari, sfruttando l’energia derivante da una sorta di “barretta energetica” - l’ATP (adenosina trifosfato) prodotto dai mitocondri - che la cellula “spezza” per le proprie esigenze anaboliche.

Un certo numero di molecole, comune a entrambi i processi, permette una interconnessione tra le vie anaboliche e quelle cataboliche.

Le Fasi del Catabolismo e dell'Anabolismo

Si possono riconoscere, sia nel catabolismo sia nell’anabolismo, tre stadi diversi costituiti da una serie di reazioni enzimatiche successive.

Catabolismo

1. Il primo stadio è rappresentato dalla demolizione delle macromolecole (proteine, lipidi, polisaccaridi, acidi nucleici) nei loro blocchi costitutivi (amminoacidi, monosaccaridi, acidi grassi, nucleotidi); questo stadio è essenzialmente idrolitico e non libera energia utilizzabile dalle cellule.
2. Nel secondo stadio, si ha la demolizione dei blocchi costitutivi in pochi intermedi fondamentali formati da 2-4 atomi di carbonio, come il piruvato, l’ossalacetato, l’acetato (sotto forma di acetil-CoA) e pochi altri, attraverso vie metaboliche specifiche per ogni tipo di composto (come la glicolisi, la β-ossidazione degli acidi grassi ecc.). A questo stadio è associata la liberazione di una parte relativamente piccola dell’energia totale racchiusa nei legami delle biomolecole.
3. Infine, nel terzo stadio, i pochi intermedi ottenuti precedentemente sono incanalati in un unico processo ciclico terminale, il ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs, che estrae tutta l’energia possibile dai legami chimici tramite reazioni ossidoriduttive. La riossidazione delle molecole ridotte nel ciclo dell’acido citrico è accoppiata alla produzione di energia sotto forma di ATP durante la fosforilazione ossidativa, nella quale l’accettore finale degli elettroni, provenienti si può dire da tutti i cicli metabolici precedenti, è l’ossigeno molecolare.

Anabolismo

1. Nel primo stadio dell’anabolismo, invece, piccole molecole entrano nel ciclo di Krebs, o si trasformano, comunque, in precursori a basso peso molecolare. Il ciclo dell’acido citrico, perciò, non può essere considerato esclusivamente una via catabolica, in quanto partecipa anche alla maggioranza delle vie biosintetiche, fornendo i precursori essenziali.
2. Nel secondo stadio, questi piccoli precursori (piruvato, ossalacetato, acetil-CoA ecc.) vengono trasformati in molecole specifiche che rappresentano i blocchi costitutivi delle varie classi di molecole biologiche (monosaccaridi, acidi grassi, amminoacidi ecc.). In questo stadio è, in genere, necessaria più energia di quella che le corrispondenti vie cataboliche sono in grado di liberare.

Regolazione del Metabolismo

Il metabolismo è sottoposto a una serie di fattori di regolazione che si differenziano a seconda del loro meccanismo d’azione, della loro localizzazione intracellulare e dell’ordine temporale della loro azione.

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• Vi è una regolazione automatica, termodinamica e cinetica, che agisce in base alla concentrazione degli intermedi (substrati e prodotti delle singole reazioni enzimatiche) o dei coenzimi e del loro stato ossidoriduttivo, a livello del sito attivo degli enzimi interessati.
• La regolazione, basata sulla compartimentazione intracellulare delle vie metaboliche, consiste nella precisa localizzazione dei processi anabolici e catabolici in diversi compartimenti cellulari ed è caratteristica degli organismi eucarioti.
• Un altro tipo di controllo del metabolismo è dato dalla regolazione allosterica basata sulla modulazione dell’attività catalitica di particolari enzimi oligomerici (detti enzimi allosterici o regolatori), situati in posizione chiave delle vie metaboliche, in risposta alle variazioni di concentrazioni di effettori che si legano a siti particolari dell’enzima, detti siti allosterici.
• Il controllo del metabolismo è anche garantito dalla presenza di forme multiple di uno stesso enzima note come isoenzimi.
• La regolazione del metabolismo basata sulle modificazioni covalenti degli enzimi è un tipo di controllo più lento e permette di mantenere l’enzima in uno stato attivo, o inattivo, per parecchi eventi catalitici.
• La velocità di sintesi di alcuni enzimi è molto accelerata in certe condizioni, cosicché la concentrazione reale dell’enzima nella cellula risulta sostanzialmente aumentata.
• Inoltre, esiste un controllo del metabolismo che si manifesta per mezzo di una regolazione a distanza negli organismi multicellulari, sia attraverso l’uso di messaggeri chimici (ormoni, neuromediatori ecc.) sia attraverso connessioni fisse intercellulari.

Metabolismo Basale: Energia a Riposo

Il metabolismo basale è il dispendio energetico dell’organismo in condizioni ‘di base’, ossia in completo riposo fisico e psichico, a digiuno da almeno 12-16 ore e in neutralità termica. È, in buona sostanza, il lavoro svolto dalla macchina metabolica umana per garantire il mantenimento delle funzioni vitali in condizioni basali, a digiuno e a riposo. Esso rappresenta il fabbisogno calorico necessario al mantenimento delle funzioni vitali (attività cardiocircolatoria, respirazione, termoregolazione ecc.) e può essere espresso in kilocalorie per ora e per m² di superficie corporea.

Nell’uomo adulto normale in condizione di base il dispendio calorico è valutato pari a 40 kilocalorie per m² e per ora (un po’ meno nella donna; un po’ più nei bambini): ossia, per un individuo di media corporatura, intorno a 1700 kcal giornaliere.

Tra le numerose condizioni patologiche che modificano, nell’uomo, il metabolismo basale si possono ricordare lo stato febbrile, le malattie con dispnea o con tachicardia, l’acromegalia, affezioni tiroidee.

Come si Misura il Metabolismo?

Esistono diversi metodi per misurare il metabolismo, tra cui:

• Calorimetria Diretta: verifica la spesa energetica valutando la dispersione di calore di un individuo collocato per almeno 24 ore all’interno di una camera calorimetrica, una stanza super accessoriata ad hoc per la registrazione dei parametri vitali.
• Calorimetria Indiretta: misura il dispendio energetico a riposo sulla base della misurazione dei volumi di ossigeno inspirato e di anidride carbonica espirata. Il paziente, sdraiato su un lettino, a digiuno da 6-8 ore, indossa una mascherina connessa a un apparecchio, il metabolimetro, attraverso cui respira per circa 20-30 minuti. Grazie all’analisi dello spostamento dei flussi gassosi, inspirati ed espirati, diventa così possibile determinare l’entità del metabolismo basale, espresso come quantità di energia (o lavoro) per unità di tempo, ossia: kcal(chilocalorie)/minuto, kcal/die (giorno).

Non sempre è possibile misurare il metabolismo, e in questi casi si possono utilizzare delle formule specifiche, o determinati modelli matematici per predire o meglio calcolare il metabolismo basale, e ricavare dunque una stima approssimativa del fabbisogno calorico.

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Citiamo poi l’equazione di Harris e Benedict: risalente al 1919, poi revisionata e affinata nel 1984, tiene conto del sesso, del peso, dell’altezza e dell’età del soggetto.

Fabbisogno Energetico Umano

Nel 1981 la FAO (l'Organizzazione delle Nazioni Unite per l'alimentazione e l'agricoltura) e l'Organizzazione Mondiale della Sanità hanno stabilito, attraverso il lavoro di una commissione internazionale di esperti, il fabbisogno energetico umano, identificando nell'età e nelle differenze di genere gli elementi basilari per calcolare il fabbisogno individuale energetico.

Tuttavia, nel corso degli anni, sono stati sviluppati numerosi altri modelli ed equazioni basati su svariati dati e campioni di popolazione.

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