1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

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.

5.

Regolazione del metabolismo

Le molecole più importanti dal punto di vista della regolazione delle reazioni metaboliche sono gli enzimi. Ciascuna molecola enzimatica è specifica per una determinata reazione e questa specificità è garantita dalla struttura dell'enzima stesso, che ha una conformazione complementare a quella del substrato della reazione. La complementarità tra enzima e substrato impedisce che le migliaia di molecole diverse presenti nelle cellule diano luogo a reazioni incontrollate. La presenza di un enzima consente di dare inizio a una specifica reazione chimica, ma non ne può alterare l'andamento, né la velocità.

Un altro sistema di controllo delle vie metaboliche è rappresentato dai fenomeni di retroazione (o feedback) negativa, in cui al variare di determinate condizioni si attivano meccanismi che producono un effetto opposto a quello del processo in atto. Un esempio di retroazione negativa consiste nell'inibizione di una reazione chimica, cioè della trasformazione di un substrato in un prodotto, da parte dello stesso prodotto della reazione, man mano che esso si accumula.

Le reazioni metaboliche degli animali superiori sono sottoposte anche a una regolazione di tipo nervoso e ormonale. Gli organi che concorrono a questi due tipi di regolazione sono parte del sistema nervoso e di quello endocrino e i mezzi di regolazione utilizzati sono rispettivamente gli ormoni e i neurotrasmettitori.

1.

Metabolismo delle proteine

Negli animali, le proteine di origine alimentare vengono degradate lungo il canale digerente nei 20 tipi di amminoacidi da cui sono costituite e in questa forma vengono, quindi, assorbite dall'organismo. A questo punto gli amminoacidi vengono riutilizzati dalle cellule per sintetizzare proteine, come ormoni ed enzimi, necessarie alla funzionalità dell'organismo. Gli amminoacidi presenti in eccesso vengono, invece, degradati in semplici sostanze azotate (urea, ammoniaca e acido urico) e altri composti simili a quelli che si ottengono dal catabolismo dei carboidrati e dei grassi.

2.

Metabolismo dei carboidrati

I carboidrati complessi vengono assorbiti dalle pareti del canale digerente sotto forma di zuccheri semplici, soprattutto glucosio. Mantenuto nel sangue a una concentrazione pressoché costante, il glucosio viene catabolizzato velocemente dalle reazioni della glicolisi per soddisfare il fabbisogno energetico dell'organismo. Sempre a seconda delle necessità dell'organismo, il glucosio può essere anche convertito in molecole di riserva, ad esempio in glicogeno, e immagazzinato nelle cellule del fegato e dei muscoli. Quando queste riserve sono già molto abbondanti, il glucosio viene trasformato in grassi e depositato in questa forma nel tessuto adiposo.

3.

Metabolismo dei lipidi

I grassi assunti con l'alimentazione sono per lo più trigliceridi, che durante la digestione vengono degradati a glicerolo e acidi grassi. Una volta assorbiti, questi composti vengono poi riutilizzati per sintetizzare sostanze importanti per la fisiologia cellulare, come trigliceridi, composti del colesterolo e fosfolipidi. Colesterolo e fosfolipidi hanno importanti funzioni strutturali, ad esempio nelle membrane cellulari, mentre i trigliceridi vengono immagazzinati come riserva energetica nel tessuto adiposo. Dall'ossidazione dei trigliceridi si ottengono composti del carbonio che vengono, quindi, degradati ad anidride carbonica e acqua.

4.

Vitamine

Le vitamine hanno un ruolo essenziale nel metabolismo degli amminoacidi, dei carboidrati e dei grassi. Alcuni organismi, soprattutto le piante verdi, sono in grado di sintetizzare autonomamente la maggior parte di questi composti, mentre gli animali devono procurarseli con la dieta.