Metabolismo cellulare: vie metaboliche, ATP, catabolismo e anabolismo

Metabolismo

Metabolismo: Il metabolismo è l'insieme di reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula. Le diverse sequenze di reazioni e/o rotte sono chiamate vie metaboliche e le molecole coinvolte sono i metaboliti.

Fasi del metabolismo

• Catabolismo: trasformazione di molecole complesse in molecole più semplici (degradazione biologica). Questo processo rilascia energia, parte della quale può essere immagazzinata in legami fosfato sotto forma di ATP.
• Anabolismo: sintesi di molecole complesse a partire da molecole semplici (costruzione). Questo processo richiede energia, in particolare ATP.

Struttura delle vie metaboliche

• Lineare: gli intermedi sono utilizzati solo in una via particolare.
• Ramificata: un metabolita può entrare in due o più rotte, provocando incroci tra percorsi.
• Ciclica: dopo una serie di trasformazioni si ha la rigenerazione dell'intermedio iniziale.

Tipi di metabolismo in base all'origine del carbonio

1) Se la CO₂ viene utilizzata come fonte di carbonio si parla di metabolismo autotrofo. Se l'energia proviene dalla luce: fotosintesi. Se l'energia proviene da reazioni chimiche: chetosintesi (chemosintesi).

2) Se il carbonio proviene da materia organica (metano, glucosio, grassi, ecc.) si parla di metabolismo eterotrofo.

ATP

ATP (adenosina trifosfato) è un nucleotide di grande importanza nel metabolismo: serve da deposito e trasportatore di energia mediante i suoi legami fosfato ad alta energia. Gli enzimi che catalizzano l'idrolisi dell'ATP si chiamano ATPasi.

La sintesi dell'ATP avviene principalmente in due modi:

• Fosforilazione a livello del substrato: trasferimento diretto di un gruppo fosfato da una molecola donatrice all'ADP durante una reazione di sintesi.
• Fosforilazione ossidativa (e fotofosforilazione): le reazioni redox liberano elettroni che vengono catturati da molecole trasportatrici; la successiva riossidazione di questi trasportatori libera energia utilizzata per fosforilare ADP in ATP.

Trasporto di elettroni

Nelle reazioni metaboliche redox molti elettroni liberati vengono catturati da molecole trasportatrici. Queste molecole vengono poi riossidate restituendo gli elettroni a altri composti. Il trasferimento di elettroni lungo catene trasportatrici è un passo cruciale perché l'energia liberata viene utilizzata per la sintesi di ATP.

Catabolismo

Catabolismo: è la fase degradativa del metabolismo finalizzata all'ottenimento di energia. Le molecole organiche vengono trasformate in prodotti finali semplici; alcuni prodotti sono espulsi dalla cellula. L'energia rilasciata da queste reazioni viene immagazzinata come ATP per essere poi utilizzata nelle reazioni di sintesi e in altre attività cellulari.

Il catabolismo è simile in molti aspetti sia negli organismi autotrofi sia negli eterotrofi.

Tipi di catabolismo a seconda dell'accettore di elettroni

• Fermentazione: l'accettore di elettroni è una molecola organica.
• Respirazione: l'accettore di elettroni è un composto inorganico (es. O₂, nitrati, solfati).

Catabolismo dei carboidrati

Le riserve come glicogeno e amido sono idrolizzate a glucosio, che entra nei percorsi degradativi. Si distinguono due fasi principali:

Glicolisi

Nella glicolisi il glucosio viene scisso in due molecole di acido piruvico (piruvato) e vengono prodotti 2 ATP netti. La glicolisi avviene nel citoplasma ed è generalmente anaerobica. È costituita da una sequenza di reazioni enzimatiche che si possono riassumere in due fasi:

• Fase preparatoria (1° stadio): il glucosio viene fosforilato e frammentato, formando due molecole di gliceraldeide-3-fosfato. Questo processo consuma 2 ATP.
• Fase di rendimento (2° stadio): le due molecole di gliceraldeide-3-fosfato sono ossidate e convertite in piruvato, con produzione complessiva di 4 ATP. L'efficienza energetica netta della glicolisi è quindi di 2 ATP per molecola di glucosio.

Fermentazione

La fermentazione è un processo anaerobico che consente l'ossidazione parziale delle molecole organiche per ottenere ATP, ma con basso rendimento energetico. Esistono organismi anaerobi facoltativi e anaerobi obbligati.

Esempi:

• Fermentazione lattica: effettuata da batteri (es. lactobacilli) e da cellule muscolari in condizioni anaerobiche. Il NADH prodotto nella glicolisi viene ossidato rigenerando NAD+ e convertendo il piruvato in lattato.
• Fermentazione alcolica: eseguita da alcuni lieviti (es. Saccharomyces cerevisiae) e altri microrganismi. Il piruvato viene decarbossilato e convertito in etanolo e CO₂. Il NADH prodotto nella glicolisi viene rigenerato nell'etanolo.

Respirazione

Il piruvato prodotto nella glicolisi viene trasportato nei mitocondri (nelle cellule eucariotiche), dove subisce una decarbossilazione ossidativa catalizzata dal complesso enzimatico piruvato deidrogenasi, che forma acetil-CoA. L'acetil-CoA entra poi nel ciclo di Krebs per ulteriori ossidazioni e produzione di equivalenti riducenti utili per la fosforilazione ossidativa.