Metabolismo

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Introduzione

Metabolismo Termine che indica l'insieme delle reazioni chimiche che si svolgono in un organismo. Le attività metaboliche di una cellula comprendono le reazioni per l’ottenimento di energia (metabolismo energetico), quelle per la degradazione (catabolismo) di molecole complesse in composti semplici che servono come unità fondamentali per la sintesi (anabolismo) di molecole necessarie all’organismo, come acidi nucleici, proteine strutturali ed enzimatiche, carboidrati, lipidi, ormoni. Il catabolismo permette anche l’eliminazione di sostanze nocive e di molecole malfunzionanti, che potrebbero avere effetti negativi per l’organismo. Errori nei processi metabolici sono alla base di un particolare gruppo di malattie, le malattie metaboliche, in molti casi di origine genetica. Ciascuna reazione viene innescata e catalizzata da enzimi ed è coordinata a numerose altre reazioni che avvengono contemporaneamente in tutto l'organismo. In particolare, si indica come via metabolica un insieme di reazioni che avvengono in sequenza e che portano alla sintesi di un prodotto finale attraverso la formazione di composti intermedi.

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Anabolismo e catabolismo

In generale, le vie anaboliche hanno inizio da composti chimici relativamente semplici, che, impiegando l'energia prodotta da altre reazioni a catalisi enzimatica, conducono a prodotti finali specifici e complessi. Le vie cataboliche agiscono, invece, in direzione opposta, utilizzando reazioni chimiche diverse che decompongono le macromolecole complesse in composti chimici più semplici, usati come mattoni da costruzione o come fonte di energia per le reazioni anaboliche. In molte reazioni metaboliche vengono prodotte sostanze, chiamate intermedi, che a loro volta possono essere substrati di altre reazioni.

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L'energia metabolica

Secondo i primi due principi della termodinamica, gli organismi non possono né creare, né distruggere energia, ma possono solo trasformarla da una forma all'altra. Nel processo di fotosintesi, l'energia presente nella radiazione solare viene utilizzata dagli organismi autotrofi per le reazioni di sintesi delle molecole organiche a partire da sostanze inorganiche come anidride carbonica e acqua. Le molecole organiche conservano nei loro legami chimici (cioè, sotto forma di energia chimica) parte dell'energia solare utilizzata per la loro sintesi. Quando tali molecole vengono assunte dagli organismi eterotrofi (erbivori e carnivori), la rottura dei legami chimici libera energia, che diviene disponibile per le reazioni metaboliche cellulari; in altri termini, l'energia solare convertita in energia chimica fluisce attraverso i viventi che compongono la catena alimentare e rende possibile il loro metabolismo, cioè la loro stessa sopravvivenza.

Le molecole organiche vengono prodotte autonomamente dagli organismi autotrofi, e assunte mediante la nutrizione dagli eterotrofi. L’ossidazione delle molecole organiche attraverso i processi di fermentazione, di glicolisi e di respirazione cellulare, permette la liberazione di energia che era contenuta nei legami chimici; questa viene immagazzinata nei legami altamente energetici di alcune semplici molecole che rappresentano per la cellula delle vere e proprie “scorte” di energia. La principale di queste molecole è l’ATP, o adenosina trifosfato.

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Energia dagli alimenti

Il valore energetico degli alimenti può essere espresso in calorie o joule. Nel metabolismo energetico si usa generalmente la grande caloria o kilocaloria, cioè la quantità di energia necessaria a innalzare la temperatura di 1 kg di acqua da 14,5 a 15,5 °C. I carboidrati hanno un valore energetico medio di 4,1 kcal (17 kJ) per grammo, le proteine di 5,7 kcal (24 kJ) per grammo e i grassi di 9,3 kcal (39 kJ) per grammo. I grassi sono la forma più efficiente di riserva energetica, in quanto a parità di massa contengono più energia delle altre due categorie di alimenti.

Sebbene le cellule viventi seguano fondamentalmente gli stessi principi termodinamici della trasformazione energetica utilizzati anche dalle macchine, esse sono infinitamente più versatili. Una caratteristica unica dei sistemi viventi è, ad esempio, la capacità di degradare i propri tessuti di riserva (in particolare, il tessuto adiposo), se non sono immediatamente disponibili le sostanze nutritive. Inoltre i sistemi viventi producono energia attraverso sequenze di reazioni, quindi in modo progressivo; ad esempio, la respirazione cellulare si verifica attraverso tre fasi (glicolisi, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa). La liberazione graduale di energia garantisce, così, un'efficienza globale elevata con un lavoro minimo da parte delle cellule. I sistemi meccanici come i motori a scoppio liberano, invece, energia tutta di un colpo, a partire da composti a combustione rapida e, in genere, non prevedono catene di reazioni strettamente coordinate l'una all'altra.