Per metabolismo cellulare si intende l’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all’interno delle cellule. Il metabolismo cellulare è l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula, per scomporre o formare molecole complesse (proteine, lipidi, carboidrati, acidi nucleici), costituenti strutturali e funzionali della cellula, che ne consentono la sopravvivenza, la crescita e la riproduzione. In sintesi, 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.
Queste reazioni, che danno luogo a un continuo scambio di energia e sostanze tra l’ambiente esterno e la cellula stessa, sono definite anaboliche e cataboliche. Complessa rete di processi chimici e fisici usata dalla cellula per accrescersi, organizzare la sua struttura interna, riprodursi e svolgere compiti specifici. Tali reazioni, che danno luogo a un continuo scambio di energia e sostanze tra l’ambiente esterno e la cellula stessa, sono definite anaboliche e cataboliche.
Reazioni Cataboliche e Anaboliche
Le reazioni possono essere facilitate dagli enzimi, particolari proteine che funzionano da catalizzatori, rendendo possibile se non accelerando la reazione in cui sono coinvolti. Ogni reazione può essere accelerata da un enzima. 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. Nei processi catabolici, macromolecole vengono scisse in molecole più piccole, con liberazione di energia. 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.
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La scomposizione delle molecole complesse in molecole più piccole (catabolismo) comporta liberazione di energia. Le reazioni cataboliche forniscono energia (reazioni esoergoniche). Le seconde le distruggono per produrre scorie esportabili.
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. La formazione di molecole complesse a partire da molecole più piccole (anabolismo) comporta consumo di energia. Le prime costruiscono molecole per la cellula a partire dalle sostanze nutrienti. Le reazioni anaboliche consumano energia e sono da considerarsi endoergoniche.
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. I due tipi di processi avvengono separatamente, talvolta in compartimenti cellulari distinti e separati, ma si complementano e sono in equilibrio: i prodotti dei processi catabolici sono i substrati dei processi anabolici, viceversa, i prodotti dei processi anabolici sono i substrati dei processi catabolici.
Il metabolismo cellulare è l'insieme di due processi, il catabolismo e l'anabolismo, che avvengono all'interno di una cellula, anche in compartimenti diversi: una rete di reazioni chimiche in equilibrio tra loro, gran parte delle quali catalizzate da proteine specializzate, gli enzimi.
Fonti di Energia e Metabolismo
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.
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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
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. La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri, possibili in presenza di ossigeno.
Glicolisi
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. Nella glicolisi, che si svolge nel citoplasma cellulare, una molecola di glucosio (altri carboidrati possono entrare nella via della glicolisi, in altri punti) viene scissa in due molecole di piruvato (a tre atomi di carbonio) con la rottura di un legame carbonio-carbonio e conseguente liberazione di energia, parte della quale viene immagazzinata in due molecole di ATP (prodotte dalla fosforilazione di due molecole di ADP) e due di NADPH.
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Nelle cellule anaerobie facoltative (lieviti, cellule muscolari), la glicolisi, in presenza di ossigeno, è preliminare alla respirazione, ma quando la disponibilità di ossigeno è limitata, è il principale sistema in grado di garantire il flusso di ATP. Nelle cellule anaerobie obbligate la glicolisi è l'unico sistema utile per la produzione di energia.
Controllo dell'Energia
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.
Fotosintesi e Ciclo del Carbonio
La fotosintesi è la più importante via anabolica, nella quale l'energia solare viene catturata e trasformata in energia chimica, immagazzinata in legami carbonio-idrogeno C-H. 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.
L'ATP (adenosintrifosfato) deriva dalla fotofosforilazione dell'ADP: l'energia solare viene immagazzinata come energia chimica quando in una molecola di ADP un gruppo fosfato viene legato, in un legame ad alta energia, al secondo fosfato dell'ADP, formando ATP. L'NADPH (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) deriva dalla riduzione dell'NADP+.
L'ATP e l'NADPH, prodotti nelle reazioni alla luce, forniscono l'energia e il potere riducente necessari per la sintesi dei carboidrati: riduzione di anidride carbonica CO2 e sintesi di glucosio C6H12O6. Il ciclo del carbonio. Fotosintesi: l'energia solare viene utilizzata per la sintesi del glucosio a partire da anidride carbonica e acqua.
Gli organismi autotrofi, fotosintetici (piante, alghe, alcuni batteri) usano la fotosintesi come via anabolica per la produzione di composti organici a partire da composti inorganici ed energia solare. Gli organismi eterotrofi, non fotosintetici (animali, funghi, alcuni batteri) utilizzano come cibo i composti organici (carboidrati, grassi, proteine) prodotti dagli organismi fotosintetici.
Nutrizione Cellulare: Fagocitosi e Pinocitosi
L'assunzione di particelle solide avviene per mezzo della fagocitosi. Tale proprietà venne studiata per la prima volta sui leucociti di un mollusco da Haeckel, nel 1862, e consiste nella emissione di pseudopodi (prolungamenti, dovuti ad estroflessioni della membrana cellulare) o di membranelle ondulanti, per cui il materiale da inglobare viene circoscritto da tali prolungamenti ed infine inglobato entro il citoplasma.
In base alle proprietà fagocitanti, le cellule sono state distinte in macrofagi e in microfagi: i primi sono in grado di assimilare cellule batteriche al completo, i microfagi, invece, solo parti corpuscolate o residui di cellule. Entrambi i tipi di cellule fagocitanti sono abbondantemente rappresentati nel corpo umano.
Le funzioni a cui tali elementi sono deputati sono: difesa contro i germi e i microorganismi patogeni in genere, eliminazione di pulviscolo atmosferico che attraverso la respirazione perviene negli alveoli polmonari, eliminazione di detriti da organi in via di decomposizione (come avviene per esempio nella metamorfosi di alcuni animali) e infine l'assorbimento dei processi infiammatori.
Il meccanismo principale per mezzo del quale la cellula si nutre avviene attraverso l'assorbimento di particelle liquide. A tale riguardo, la membrana cellulare svolge una funzione fondamentale. Essa si comporta infatti, come una membrana semipermeabile, come un filtro, permettendo il passaggio di determinate sostanze e non di altre, anche se con notevole affinità chimica.
Regolazione e Disfunzioni Metaboliche
Il metabolismo cellulare può essere suddiviso in due categorie principali: il catabolismo e l'anabolismo. Il catabolismo è il processo attraverso il quale le molecole di nutrienti sono degradate in composti più semplici, liberando energia. Il catabolismo inizia con la digestione degli alimenti nel tratto gastrointestinale. Le molecole di carboidrati, proteine e lipidi sono digerite in zuccheri, amminoacidi e acidi grassi, rispettivamente.
Il processo di produzione di ATP inizia con la glicolisi, che converte il glucosio in due molecole di acido piruvico. Questo processo avviene nel citoplasma della cellula e produce una piccola quantità di ATP. Il ciclo di Krebs è una serie di reazioni chimiche che coinvolgono l'ossidazione degli acidi grassi e degli amminoacidi. Durante questo processo, l'acido piruvico viene convertito in altre molecole, tra cui il citrato, che viene poi ulteriormente degradato in molecole più semplici.
La fosforilazione ossidativa è il processo mediante il quale le molecole di ATP vengono prodotte a partire dall'ossidazione degli elettroni. Questo processo avviene nella catena di trasporto degli elettroni, che è composta da una serie di proteine che trasportano gli elettroni da una molecola all'altra.
L'anabolismo è il processo attraverso il quale le molecole più semplici vengono utilizzate per costruire molecole più complesse. Questo processo richiede energia e avviene attraverso una serie di reazioni chimiche. Ad esempio, l'anabolismo dei carboidrati avviene attraverso la gluconeogenesi, che converte i composti semplici in glucosio.
Il metabolismo cellulare è regolato da una serie di enzimi che controllano le reazioni chimiche. Questi enzimi sono regolati da fattori come il pH, la temperatura e la concentrazione di substrato. Le malattie metaboliche sono causate da problemi nel metabolismo delle cellule. Ad esempio, la diabete è causata da una ridotta capacità del corpo di utilizzare il glucosio a causa di una mancanza di insulina.
Componenti Molecolari e Funzioni
L’organizzazione, l’accrescimento, la funzionalità e la riproduzione della cellula coinvolgono una grande quantità di costituenti, i quali hanno una gamma enorme di strutture molecolari e di funzioni. I polimeri più importanti sono gli acidi nucleici, gli amminoacidi, le membrane cellulari, formate da lipidi, proteine e altri costituenti, e i carboidrati. Inoltre, per una corretta funzionalità, la cellula ha bisogno di una grande varietà di molecole piccole e di atomi metallici.
L’apparato molecolare della cellula serve essenzialmente per due scopi: l’automantenimento della cellula stessa e la riproduzione del genotipo. Una caratteristica molto interessante di questo apparato è la sua uniformità in tutta la biologia. Una peculiarità della riproduzione biologica è che non solo il genotipo, ma anche le istruzioni per ricostruire l’intero apparato metabolico, sono trasmessi alla generazione successiva.
Il secondo scopo, cioè la riproduzione della cellula o dell’organismo multicellulare, è il requisito base per avere successo nell’evoluzione. Tutti questi compiti richiedono infatti una grande quantità di elementi per poter essere portati a termine, quali acidi nucleici, amminoacidi, membrane cellulari, proteine, carboidrati ed una grande varietà di piccole molecole.
I processi anabolici rientrano in questa categoria tutti i processi attraverso il quale la cellula costruisce le molecole di cui ha bisogno a partire dalle sostanze nutrienti. I processi anabolici richiedono energia che, negli animali, viene fornita dagli alimenti sotto forma di energia chimica.
I processi catabolici: rientrano in questa categoria tutti i processi attraverso il quale la cellula ottiene energia “bruciando sostanze” e distrugge le sostanze di cui non ha più bisogno.
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