metabolismo

Metabolismo

L’intreccio di reazioni che forniscono energia e materia alle cellule

Le sostanze che assumiamo con il cibo e l’ossigeno dell’aria che respiriamo vengono trasformati dalle cellule del nostro organismo in energia e nuovo materiale di ricambio, indispensabili per svolgere le attività del corpo e per mantenerlo in buone condizioni di salute. L’insieme delle trasformazioni chimiche che avvengono nella cellula per produrre energia e nuova materia si chiama metabolismo

Una definizione

Il nostro corpo ha continuamente bisogno di energia: anche quando stiamo fermi o dormiamo, consumiamo energia, per esempio per mantenere costanti il battito del cuore e la frequenza del respiro. Tutta l’energia necessaria al nostro organismo viene prodotta attraverso milioni di reazioni chimiche, in cui il cibo e l’ossigeno dell’aria vengono combinati tra loro e trasformati. L’insieme di queste reazioni chimiche si chiama metabolismo.

Oltre a estrarre energia dalle sostanze nutritizie, le reazioni metaboliche trasformano queste ultime in molecole semplici (dette precursori o unità di base) che poi ricombinano per costruire proteine, acidi nucleici (DNA e RNA), grassi e altri componenti cellulari.

L’albero del metabolismo

Le reazioni metaboliche si possono dividere in due tipi: quelle cataboliche, attraverso le quali le sostanze che sono presenti nel cibo (proteine, grassi e zuccheri) vengono scisse in molecole sempre più piccole (acqua, anidride carbonica, ammoniaca) con liberazione di energia, e quelle anaboliche, attraverso le quali energia e piccole molecole vengono combinate in molecole più grandi e complesse.

Si può rappresentare l’insieme delle reazioni metaboliche con un disegno che ricorda quello di un albero. Scendendo dalle foglie alle radici, seguiremo il cammino delle reazioni cataboliche, mentre risalendo dalle radici alle foglie faremo il percorso delle reazioni anaboliche. I processi catabolici e anabolici non sono, però, semplicemente l’uno opposto all’altro, ma usano vie parallele e indipendenti.

Lo scopo delle vie cataboliche è di liberare energia e materiale di base per costruire tutte le molecole che servono alle cellule del nostro organismo, seguendo percorsi chimici ‘in discesa’ rispetto alla struttura dell’albero che consentono di andare facilmente da un punto all’altro senza fatica. Le vie anaboliche sono, al contrario, processi chimici ‘in salita’, dove le grandi molecole vengono costruite con assorbimento di energia. È attraverso questi cicli anabolici e catabolici che il cibo assunto, per esempio, a pranzo o a cena, può venire trasformato in ormone della crescita, oppure in tessuto osseo o in grasso di deposito, a seconda di quello che è necessario in quel momento per l’organismo.

Le vie cataboliche

La trasformazione del cibo che mangiamo inizia con la digestione, in cui le grandi molecole polimeriche, cioè formate da tante unità (o precursori), tenute insieme da legami chimici in un’unica struttura, vengono smontate. Attraverso questo processo, le proteine sono trasformate in amminoacidi, i polisaccaridi in zuccheri semplici e i grassi in acidi grassi e glicerolo.

Queste trasformazioni avvengono principalmente al di fuori delle cellule, a opera degli enzimi, proteine particolari che rendono più rapide le reazioni chimiche, che si trovano nell’apparato digerente.

Le piccole molecole prodotte dalla digestione possono ora entrare nella cellula, attraverso meccanismi diversi (membrane biologiche), ed essere metabolizzate, cioè convertite in molecole ancora più semplici e in energia. Gli enzimi presenti nel citoplasma e nei vari organelli della cellula smontano le molecole di zuccheri, lipidi e proteine fino a ottenere un piccolo composto formato da due atomi di carbonio. Questo composto, chiamato gruppo acetilico, si lega a una molecola trasportatrice (coenzima A), anche in questo caso con l’aiuto di un enzima, per formare un complesso chiamato acetilcoenzima A. L’acetilcoenzima A è quindi un importante punto di arrivo comune alle diverse vie cataboliche ma è anche un punto di partenza per le vie anaboliche.

Trasformazione di zuccheri, lipidi e proteine in acetilcoenzima A

Gli zuccheri semplici che contengono sei o cinque atomi di carbonio, chiamati rispettivamente esosi e pentosi, vengono trasformati in acido piruvico, una piccola molecola composta di soli tre atomi di carbonio, attraverso un processo, denominato glicolisi (che significa «distruzione degli zuccheri»), a cui partecipano molti enzimi diversi. L’acido piruvico entra nei mitocondri, gli organelli presenti nel citoplasma della cellula specializzati nella produzione di energia, dove viene degradato fino a formare l’acetilcoenzima A. In maniera simile, i grassi vengono trasformati attraverso una serie di degradazioni successive in acidi grassi liberi che vengono trasportati all’interno dei mitocondri dove sono convertiti in gruppi acetili dell’acetilcoenzima A.

Al contrario di zuccheri e grassi, formati solo da atomi idrogeno (H), ossigeno (O) e carbonio (C), le proteine contengono un quarto elemento, l’azoto (N). La loro degradazione è un po’ più complicata perché, per arrivare dagli amminoacidi alla formazione dell’acetilcoenzima A, è necessario liberarsi dell’azoto, che viene in parte eliminato sotto forma di urea, di acido urico o, in certi pesci, di ammoniaca, e in parte riutilizzato.

Il ciclo degli acidi tricarbossilici ossia il tronco dell’albero

I gruppi acetilici dell’acetilcoenzima A, e altri prodotti ottenuti dalla degradazione di zuccheri, amminoacidi e grassi, vengono incanalati nella via catabolica finale comune chiamata ciclo degli acidi tricarbossilici, che possiamo immaginare corrispondere al tronco dell’albero del metabolismo. In questa fase finale l’ossigeno, trasportato dal sangue dai polmoni alle cellule, consente la completa ossidazione dei gruppi acetilici, cioè la loro trasformazione in acqua e anidride carbonica, e il rilascio di una grande quantità di energia.

Questa energia è ‘incamerata’ in alcune molecole particolari, di cui la più importante è chiamata adenosintrifosfato o ATP (il fosforo si indica con la lettera P). L’ATP ‘accumula’ l’energia grazie alla particolare natura dei legami chimici tra gli atomi di fosforo presenti nella molecola. Infatti, la rottura di questi legami, attraverso una semplice reazione detta di idrolisi, rilascia il fosforo (sotto forma di fosfato inorganico, Pi) trasformando l’ATP in ADP, e libera l’energia immagazzinata ogni volta che la cellula lo richieda.

Le vie anaboliche

Le reazioni anaboliche, invece, seguono cammini diversi per arrivare alla trasformazione delle molecole semplici in molecole più grandi e complesse (macromolecole), grazie proprio all’energia accumulata sotto forma di ATP. Le piccole molecole a due o tre atomi di carbonio sono inizialmente convertite in ‘unità di costruzione’ (amminoacidi, zuccheri semplici, acidi grassi, glicerolo), che vengono poi unite tra loro a formare le macromolecole. Per esempio, la costruzione delle proteine inizia con la formazione di molecole intermedie, successivamente trasformate in amminoacidi. Infine, gli amminoacidi vengono legati tra loro attraverso speciali legami chimici (chiamati peptidici) per formare le diverse proteine.

Ci sono poi alcune particolari reazioni anaboliche che portano alla sintesi degli acidi nucleici (DNA e RNA), le unità fondamentali che costituiscono il nostro patrimonio genetico.

Il controllo del metabolismo

Le reazioni chimiche che compongono le vie cataboliche e anaboliche sono molti milioni. Come fa la cellula a controllare che tutto avvenga nel modo giusto? Le reazioni metaboliche sono collegate tra loro: il prodotto di una prima reazione è il substrato, cioè il materiale di partenza, della seconda reazione e così via per tutte le reazioni che seguono quella via metabolica. Inoltre, le vie metaboliche possono essere controllate regolando l’attività degli enzimi. In alcuni casi, quando ha raggiunto una certa concentrazione il prodotto di una reazione può inibire, vale a dire bloccare, l’attività dell’enzima responsabile della reazione precedente: in questo modo una determinata sostanza regola la propria sintesi (con un meccanismo omeostatico) evitando che si raggiungano concentrazioni troppo elevate, dannose o comunque non necessarie alla cellula. In terzo luogo, il prodotto finale di una reazione può attivare o inibire un enzima di altre vie metaboliche, consentendo una regolazione coordinata di più catene di reazioni. Infine le reazioni non avvengono tutte nella stessa zona della cellula, ma in spazi diversi e ben delimitati, come l’interno di organelli specializzati (per esempio, mitocondri e ribosomi). In questo modo, gruppi diversi di reazioni possono avvenire (anche contemporaneamente) in spazi separati, evitando pericolose interferenze.