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.
Rompere e Costruire: Le Vie Metaboliche
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.
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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.
L'Energia e le Cellule
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.
Respirazione Cellulare e Ciclo di Krebs
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).
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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. 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 Fermentazione
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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La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri, possibili in presenza di ossigeno.
ATP: La Moneta Energetica Cellulare
L'adenosin-trifosfato, o ATP, è la molecola che consente l'accoppiamento tra le reazioni eso ed endoergoniche. È formato da una molecola di ribosio, la base azotata adenina e 3 gruppi fosfato.
La sintesi di ATP a partire da ADP (adenosin-difosfato) e fosfato è una reazione endoergonica ed è catalizzata da enzimi chiamate chinasi. Il simbolo Pi, fosfato inorganico, indica l'acido fosforico presente in soluzione come ione fosfato.
Il distacco di un gruppo fosfato, invece, fornisce energia libera di reazione pari a circa 7,3 kcal/mole ed è una reazione di idrolisi che richiede la presenza di un enzima chiamato ATPasi. Le fosfatasi, invece, staccano un gruppo fosfato da un substrato.
L'ATP può essere prodotto in due modi:
- Fosforilazione a livello del substrato: un composto fosforilato può cedere un gruppo fosfato, ricco di energia, all'ADP in una reazione esoergonica, trasformandolo in ATP, a volte mediato da altre molecole ad alta energia, come il GTP.
- La maggior parte dell'ATP è però ottenuta dalla fosforilazione ossidativa e fotofosforilazione con un processo chiamato chemiosmosi, che avviene nei cloroplasti e nei mitocondri.
Una proteina integrale di membrana, la pompa protonica, è presente nelle membrane dei tilacoidi e delle creste mitocondriali. Essa espelle continuamente ioni H+ (protoni) dallo stroma o dalla matrice mitocondriale verso il lume dei tilacoidi o lo spazio intermembrana dei mitocondri contro il gradiente di concentrazione, determinando in questi due scomparti un aumento di pressione chemiosmotica.
L'energia per attivare la pompa è fornita dalla luce solare nei cloroplasti e dall'ossidazione del glucosio nei mitocondri.
Questi ioni tenderebbero a ritornare nella matrice mitocondriale o nello stroma del cloroplasto seguendo il gradiente ma, essendo la membrana impermeabile agli ioni, sono costretti ad attraversare il canale di una grossa proteina transmembrana, l'ATP-sintasi e, sfruttando il potenziale chemiosmotico, si libera energia per la formazione dell'ATP.
Trasportatori di Idrogeni ed Elettroni
Il NAD (nicotinammide adenindinucleotide) è un coenzima che trasporta elettroni e ioni H+ nelle reazioni di ossidoriduzione. La forma ossidata, NAD+, può accettare due elettroni e un solo H+ riducendosi a NADH e viceversa. La riduzione comporta un assorbimento di energia mentre l'ossidazione è esoergonica e libera circa 52 kcal/mole. La reazione richiede un enzima specifico.
Dal punto di vista chimico, il NAD è formato da una adenina unita, tramite il suo gruppo fosforico, al gruppo fosforico di un altro nucleotide, la nicotinammide, un derivato della vitamina PP (niacina). Analogo al NAD è il NADPH (nicotinammide adenindinucleotide fosfato), che ha in più un gruppo fosfato.
Il FAD (flavina adenindinucleotide) si riduce a FADH2 acquistando due elettroni e due ioni H+. È formato dall'adenina e dalla flavina, un derivato della vitamina B2.
Fasi del Metabolismo Energetico
Il metabolismo energetico ha inizio alla fine del processo di demolizione (catabolismo) dei nutrienti ed è caratterizzato da una serie di ossidoriduzioni in cui un substrato ridotto (un carboidrato, un acido grasso e anche un aminoacido) con una determinata energia potenziale di legame, è ossidato ad acqua e anidride carbonica.
È possibile distinguere tre fasi del metabolismo energetico a partire dai prodotti principali del metabolismo di carboidrati, lipidi e proteine: glucosio, acidi grassi e aminoacidi:
- Nella prima fase i prodotti del catabolismo sono degradati ad acetil-CoA.
- Nella seconda fase, corrispondente al ciclo di Krebs, si ha l’ossidazione dei due atomi di C dell’acetil-CoA a CO2 e la produzione di tre molecole di NADH e una di FADH2.
- Nella terza fase, questi cofattori sono ossidati, con trasporto di equivalenti di riduzione all’ossigeno, mediante i componenti della catena respiratoria. L’ossidazione è accoppiata alla sintesi di ATP mediante il gradiente protonico elettrochimico transmembrana nel processo denominato fosforilazione ossidativa.
Le cellule hanno bisogno di “bruciare” sostanze, come se fossero del carburante, e ricavarne energia. Questo processo avviene in più tappe, ognuna fondamentale per la buona riuscita delle altre. Le reazioni chimiche interne a questo processo sono reazioni metaboliche. La maggior parte di essere prende il nome di reazioni di ossidoriduzione (o redox). Durante queste reazioni chimiche due composti si scambiano un certo numero di elettroni fra di loro. Ricordando che spesso in queste reazioni gli elettroni sono accompagnati da ioni di idrogeno, possiamo anche vedere le reazioni redox come uno scambio di ioni H.
Glicolisi, Fermentazione e Respirazione Cellulare
Questo è un processo universale, quindi avviene all’interno del citoplasma delle cellule procariotiche ed eucariotiche. La molecola del glucosio viene quindi scissa e ossidata. Per far sì che la reazione inizi sono presenti nel composto iniziale due molecole di ATP, che poi nel prodotto finale saranno 4, con un guadagno effettivo di 2ATP. Quindi il processo libera una piccola quantità di energia, ma è solo l’inizio.
Non dimentichiamoci del coenzima NAD, anch’esso complice nella buona riuscita di questo processo. Partiamo dal composto iniziale con 2NAD, poi esso si riduce a NADH. Nel composto finale infatti avremmo 2NADH.
A questo punto del processo, la presenza dell’ossigeno o meno fa una grande differenza. In assenza di esso, si verifica la fermentazione, altrimenti abbiamo il processo denominato respirazione cellulare. La fermentazione avviene in assenza di ossigeno ed è il processo utile ad ossidare il NADH, prodotto dalla glicolisi, nuovamente in NAD. Durante questo processo non c’è nessun guadagno in termini di energia (ATP).
Fermentazione Lattica
Oltre che in completa assenza di ossigeno, questo processo può avvenire anche nelle cellule muscolari umane dopo uno sforzo molto intenso. Infatti, in seguito a molta fatica, il flusso di ossigeno sarà troppo limitato perché possa avvenire la respirazione cellulare, allora l’organismo opterà per la fermentazione lattica. Durante il processo, il piruvato viene ridotto in acido lattico utilizzando come reagente il NADH, che in questo modo si ossida a NAD.
Fermentazione Alcolica
Questo processo avviene solo in condizione anaerobiche e produce NAD e diossido di carbonio (CO2). In una prima tappa, il piruvato viene trasformato in una sostanza chiamata acetaldeide, liberando CO2.
Respirazione Cellulare in Presenza di Ossigeno
Nel caso in cui, invece, l’ossigeno sia presente, tutta la nostra attenzione si deve spostare proprio sui mitocondri, i caratteristici organuli presenti nelle cellule eucariotiche. A questo punto, al gruppo acetile che abbiamo ottenuto viene unito il coenzima A (CoA), simile ad una navetta che ha il compito far entrare il gruppo acetile all’interno del Ciclo di Krebs. Questo processo è la seconda via metabolica della respirazione cellulare, avviene nella matrice e si svolge in otto tappe.
Successivamente il gruppo acetile si ossida completamente (quindi perdiamo 2C dal citrato sotto forma di CO2) e il composto passa da citrato a ossalacetato, che può essere riutilizzato. L'energia liberata è usata in parte per ridurre i coenzimi, come il NAD e il FAD (simile al NAD), in NADH e FADH. Inoltre si produce 1 ATP per ogni gruppo acetile.
È anche importante ricordare che da una sola molecola di glucosio otteniamo due piruvati, e che per ogni piruvato di svolge un Ciclo di Krebs.
Ossidazione dei Coenzimi e Chemiosmosi
Essi cedono i propri elettroni al primo accettore di una catena di trasporto posta nella membrana mitocondriale interna. Nella struttura della catena respiratoria, i trasportatori elettroni sono disposti in maniera tale da prelevare dei protoni dalla parte più interna e trasportarli fin nello spazio intermembrana.
A causa dalla carica positiva dei protoni questa disposizione causa una differenza di concentrazione sia protonica che di carica elettrica. Questa condizione fa sì che i protoni abbiano la tendenza a dirigersi di nuovo verso l’interno, ossia a tornare indietro.
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