Nozi
oni di metabolismo cellulare
Metabolismo: esprime il flusso di energia e materia nella cellula. È l'insieme di procedimenti di trasformazione
di sostanze organiche, di demolizione (reazioni cataboliche) e di sintesi (reazioni anaboliche) che avvengono
nella cellula con il relativo bilancio energetico.
Principali reazioni cataboliche
Generalmente nel loro insieme sono reazioni esoergoniche e quindi liberano energia che viene immagazzinata
sotto forma di ATP. Questi cicli sono attuati sia da organismi fotoautotrofi (esempio le piante) che
chemioeterotrofi (esempio gli animali). Spesso, cambiando la specie si svolgono in maniera leggermente
differente e utilizzano enzimi differenti.
Nel catabolismo di tutte le sostanze complesse si ottengono prima molecole più semplici per azione per
esempio di enzimi idrolitici (che rompono i legami di condensazione impiegando una molecola di acqua) con un
processo che nel suo insieme si chiama “digestione”. Queste molecole poi vengono opportunamente
trasformate in modo da essere ulteriormente degradate per essere infine smaltite producendo energia, o
immagazzinate per i processi anabolici necessari alla cellula.
GLICOLISI: avviene nel citoplasma, non viene utilizzato l’ossigeno. Da glucosio si producono cataboliti
organici intermedi (quali la gliceraldeide e l’acido piruvico alla fine), ATP e coenzimi ridotti (NADH)
CICLO DI KREBBS: avviene nei mitocondri, i cataboliti della glicolisi e di altri processi demolitivi (da lipidi e
proteine) vengono degradati completamente fino a CO2 e si produce ATP e molti coenzimi ridotti (NADH)
CATENA RESPIRATORIA: avviene ad opera di enzimi sulla membrana interna dei mitocondri e in presenza di
ossigeno (respirazione aerobia). I coenzimi ridotti vengono riossidati con produzione di molta ATP e di H2O
endogena.
Reazione riassuntiva della respirazione (comprendente glicolisi, ciclo di Krebs e catena respiratoria):
C6H12O6 + 6 O2 ➔
6 CO2 + 6 H2O + Energia
FERMENTAZIONI: senza utilizzare l'ossigeno (o per la sua assenza o in particolari casi) alla glicolisi può
seguire la fermentazione per riossidare i coenzimi e smaltire i cataboliti intermedi; questi però non vengono
degradati completamente ma si ottengono sostanze organiche di rifiuto (si formano per esempio l’acido lattico
nei muscoli o l’alcool etilico e CO2 nella fermentazione alcolica durante la lievitazione del pane o la vinificazione)
Principali reazioni anaboliche
Sono le reazioni di costruzione di molecole organiche, nel loro insieme richiedono energia che possono prendere
dall’ATP prodotto dal catabolismo o, nel caso della fotosintesi, dall’energia luminosa.
FOTOSINTESI: è attuata solo dagli organismi fototrofi (in grado si trarre energia dalla luce e di organicare
autonomamente il carbonio dalla CO2) e avviene in due fasi
• Fase luminosa: nei cloroplasti l’energia luminosa viene catturata dalla clorofilla che con una serie di
reazioni che impiegano enzimi fotosintetici, la trasformano in energia chimica (ATP). Durante questo
procedimento viene consumata acqua, si produce ossigeno e coenzimi ridotti.
• Fase oscura: i coenzimi ridotti e l’ATP prodotti precedentemente vengono utilizzati per organicare il
carbonio che entra come CO2 che viene utilizzata per la produzione di glucosio in quello che si chiama “ciclo
di Calvin-Benson”.
Reazione riassuntiva della fotosintesi:
6 CO2 + 6 H2O + Energia ➔
C6H12O6 + 6 O2
Per le altre reazioni di sintesi (gluconeogenesi, glicogenosintesi,…) si consulti lo schema.
Ogni organismo produce le sue caratteristiche macromolecole a partire dai relativi monomeri, in genere con
reazioni di condensazione. Le molecole più semplici invece possono essere prodotte per “sintesi endogena” o
provenire dall’esterno. Spesso sono possibili entrambi i procedimenti ma, dato che l’assunzione dall’esterno
richiede meno energia che la sintesi, viene preferita a quest’ultima. Quando una cellula non è in grado di
sintetizzare una determinata molecola (esempio un aminoacido particolare) perché non ha gli enzimi adatti, si
dice che è eterotrofo per quella sostanza che diventa “essenziale” per la vita della cellula e deve essere fornita
dall’esterno.
COMPOSTI IMPORTANTI
Il CoA è un coenzima attivante che ha come gruppo funzionale – SH
Si schematizza quindi CoA–SH
ALTRI CICLI IMPORTANTI
Ciclo dei pentosi: collega la glicolisi ai pentosi, fra cui il ribosio rendendo possibile il riciclo e la sintesi degli
acidi nucleici. Produce inoltre coenzimi ridotti (NADPH) indispensabili nel metabolismo lipidico
Anabolismo e catabolismo dei trigliceridi: la loro sintesi avviene per esterificazione utilizzando un
intermedio della glicolisi (gliceraldeide che viene ridotta a glicerolo) e gli acidi grassi sintetizzati dall’acetil-CoA.
La degradazione libera gli stessi prodotti che rientrano nel ciclo
β-ossidazione: processo di degradazione degli acidi grassi con formazione di Acetil-CoA (CH3 – CO – S – CoA)
composto fortemente energetico intermedio di moltissimi processi è fra l’altro l’iniziatore del ciclo di Krebs e il
punto di partenza della sintesi degli steroidi e degli acidi grassi.
Deaminazione: all’aminoacido viene sottratto il gruppo amminico (che verrà poi trasformato in urea) e
rimane un α-chetoacido
Transaminazione: processo che trasferisce il gruppo amminico da un aminoacido ad un α-chetoacido
tramutando il secondo in un altro aminoacido necessario in quel momento, e il primo in un α-chetoacido
(esempio acido piruvico e molti acidi del ciclo di Krebs) che entra nei diversi cicli metabolici
Esempio: sintesi dell’aminoacido aspartato (= acido aspartico) utilizzando alanina ad opera dell’enzima ALT
(=alanina transaminasi)
Energia prodotta da un composto a 6 atomi di Carbonio
Metabolismo fermentante anaerobio (glicolisi + fermentazione per rigenerare i coenzimi) = 2 ATP
Metabolismo ossidante (con la respirazione)
Glicolisi + ciclo di Krebs (2 volte) + catena respiratoria = 36 ATP
β-ossidazione (2 volte) + ciclo di Krebs (3 volte) + catena respiratoria = 46 ATP