Metabolismo cellulare

In sintesi

• Il metabolismo cellulare è la serie di reazioni biochimiche deputate al mantenimento della vita della cellula. Queste reazioni permettono di ottenere le molecole che ne costituiscono l’impalcatura e l’energia necessaria alle funzioni vitali.
• Ogni reazione è accelerata da un enzima.
• La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri e che sono possibili in presenza di ossigeno.

Per metabolismo cellulare si intende un notevole insieme di reazioni biochimiche che permettono alla cellula di sfruttare i nutrimenti che essa acquisisce dall’ambiente circostante.

Le reazioni metaboliche sono accelerate da diversi tipi di enzimi, particolari proteine che agiscono come catalizzatori, rendendo possibile o più rapida ogni trasformazione chimica. Gli enzimi si legano in modo altamente specifico a una o più molecole chiamate substrati, facilitandone la conversione nei prodotti della reazione. Una volta che quest’ultimi sono rilasciati, gli enzimi possono catalizzare nuove reazioni.

Spesso le trasformazioni molecolari da un prodotto iniziale a uno finale avvengono in più fasi, ciascuna delle quali può essere catalizzata da un diverso enzima. In ciascuna fase un substrato viene convertito in un prodotto, che a sua volta diventa il substrato per la reazione successiva.

Via metabolica, o in inglese pathway metabolico, è l’espressione utilizzata per indicare un insieme di reazioni che avvengono in sequenza. Le cellule controllano le vie metaboliche a seconda dei propri bisogni, anche grazie alla regolazione dell’attività degli enzimi stessi.

Sono dette cataboliche quelle vie che permettono la scomposizione di molecole complesse in molecole più semplici. In queste reazioni le molecole sono ridotte nei propri costituenti (per esempio, dai carboidrati si ottengono zuccheri semplici), mentre l’energia viene rilasciata come calore oppure immagazzinata sotto forma di particolari molecole come l’ATP (adenosina trifosfato), il trasportatore di energia più abbondante nelle cellule. Viceversa, le vie anaboliche utilizzano l’energia per sintetizzare molecole complesse (le macromolecole) a partire da quelle più semplici.

Per far sì che le cellule controllino i propri livelli di metaboliti fondamentali e abbiano a disposizione una quantità sufficiente di energia, le vie cataboliche e anaboliche devono essere in equilibrio.

Dai principi della termodinamica sappiamo che l’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. Da dove arriva allora l’energia di cui hanno bisogno le cellule? Nel caso di alcuni tipi di batteri, delle alghe e delle piante la “fonte” è rappresentata dal sole. Nel processo di fotosintesi le cellule catturano l’energia solare e la utilizzano per produrre molecole organiche, costituite da uno scheletro di atomi di carbonio. Altri organismi, come gli esseri umani, funzionano diversamente e ricavano le molecole organiche dall’alimentazione. Attraverso la nutrizione gli esseri umani ottengono l’acqua e i nutrienti necessari come carboidrati, grassi, proteine, sali e minerali, che vengono scomposti in prodotti più piccoli, assorbiti nel circolo sanguigno e inviati ai tessuti e alle cellule che ne hanno bisogno.

L’energia, quindi, è già contenuta nei legami chimici delle molecole dei nutrienti e, attraverso diversi processi, viene trasformata in una forma che le cellule possono utilizzare. Rilasciata dalla rottura di tali legami, l’energia viene immagazzinata sotto forma di molecole ad alta energia, come l’ATP.

La respirazione cellulare è il processo mediante il quale le cellule ricavano energia dai nutrienti. La degradazione di carboidrati, grassi e proteine converge in una via metabolica comune, il cosiddetto ciclo dell’acido citrico, detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs dal nome del suo scopritore Hans Krebs. Questo ciclo avviene principalmente all’interno dei mitocondri, le centrali energetiche della cellula.

Durante queste reazioni, un’importante molecola chiamata acetil-coenzima A viene ossidata, cioè perde elettroni, producendo anidride carbonica, molecole riducenti come NADH e FADH₂ e altre sostanze fondamentali per la cellula.

Le molecole riducenti prodotte nel ciclo di Krebs trasferiscono elettroni alla catena di trasporto degli elettroni, un complesso sistema di proteine situato nella membrana mitocondriale interna. Qui avviene la fosforilazione ossidativa, la fase in cui l’energia liberata dal flusso di elettroni viene utilizzata per generare la maggior parte delle molecole di ATP. In questo processo l’ossigeno funge da accettore finale di elettroni, combinandosi con protoni per formare acqua.

La formazione dell’acetil-coenzima A sopra menzionato ha inizio nel citoplasma (parte della cellula all’interno della membrana plasmatica), dove il glucosio viene demolito attraverso la glicolisi. Questa via metabolica non richiede ossigeno e porta alla formazione di due molecole di piruvato, con un guadagno netto di 2 molecole di ATP. Il piruvato viene poi trasportato nei mitocondri, dove viene convertito in acetil-coenzima A, pronto per entrare nel ciclo di Krebs e completare la produzione di energia.

Nel complesso la respirazione cellulare è un sistema altamente efficiente che consente alle cellule di trasformare l’energia chimica dei nutrienti in ATP, la forma immediatamente utilizzabile per sostenere le attività vitali, come la sintesi di molecole, la contrazione muscolare e la trasmissione nervosa.

La trasformazione dell’energia chimica in una forma utilizzabile dalle cellule è un processo finemente regolato, che varia in base alle condizioni ambientali, al tipo cellulare e alla disponibilità di nutrienti e ossigeno. Alcune cellule, come i globuli rossi, ne sono un esempio: poiché non possiedono mitocondri, ottengono la propria energia attraverso la glicolisi anaerobica, un insieme di reazioni da cui è possibile ottenere una quantità limitata di ATP.

Un fattore cruciale nel metabolismo energetico è la disponibilità di ossigeno. In condizioni di ipossia, quindi di bassi livelli di ossigeno, o in sua completa assenza, il piruvato generato dalla glicolisi non può entrare nei mitocondri per essere convertito in acetil-coenzima A e alimentare il ciclo di Krebs. Rimane invece nel citoplasma, dove viene trasformato in lattato o acido lattico grazie all’azione dell’enzima lattato deidrogenasi. Questo processo, detto di fermentazione lattica, permette di rigenerare NAD⁺, una molecola indispensabile per mantenere attiva la glicolisi anche in assenza di ossigeno.

Nelle cellule muscolari, l’accumulo di lattato in seguito a un’intensa attività fisica e a un ridotto apporto di ossigeno può causare la caratteristica sensazione di bruciore o dolore. Una volta ristabilita una normale ossigenazione, il lattato viene riconvertito in piruvato e metabolizzato, contribuendo al recupero energetico.

Oltre alla produzione immediata di energia, le cellule sono in grado di immagazzinare l’energia in eccesso: nelle cellule vegetali il glucosio viene convertito in amido, mentre nelle cellule animali si forma glicogeno, un deposito energetico prontamente utilizzabile quando le richieste metaboliche aumentano.