Metabolismo

Il metabolismo energetico è il complesso di processi esoergonici ed endoergonici che avvengono all'interno delle cellule e/o sulla scala dell'intero organismo. Esso comprende tutte le reazioni di sintesi e demolizione di cellule, ed è ripartito in:

• catabolismo (esoergonico): scomposizione di molecole degli alimenti sprigionando energia → respirazione, fermentazione
• anabolismo (endoergonico): sintesi di molecole complesse da molecole più semplici consumando energia → fotosintesi

Le vie metaboliche sono sequenze ordinate di reazioni catalizzate da enzimi specifici, i quali regolano il metabolismo. Le singole reazioni che compongono una via metabolica sono dette tappe, e le molecole che vengono prodotte in ciascuna tappa intermedia sono dette – appunto – intermedi di reazione. L'enzima che catalizza la tappa più lenta, il “collo di bottiglia” della reazione, è detto enzima chiave in quanto da esso dipende la velocità di reazione.

L'attività enzimatica dipende da:

• concentrazione dell'enzima chiave
• attivazione/inibizione dell'enzima
• compartimentazione cellulare (gli enzimi e i substrati vengono vincolati a specifiche porzioni della cellula)

Il catabolismo è costituito dall'ossidazione delle molecole organiche, per:

• perdita di elettroni da ioni metallici che costituiscono cofattori o gruppi delle proteine (es. Eme con $\ce{Fe^2+}$ che diventa $\ce{Fe^3+}$
• addizione di ossigeno sottraendolo a un agente ossidante
• deidrogenazione → la più comune

Le vie cataboliche hanno come molecola target il piruvato (anione dell'acido piruvico¹⁾), raggiunto il quale è possibile procedere per via anaerobica – fermentazione – o aerobica – decarbossilazione ossidativa e conseguente formazione dell'acetil-CoA, che entrerà nel ciclo di Krebs. Quest'ultimo ciclo è seguito dalla fosforilazione ossidativa e assieme i due costituiscono il metabolsimo terminale, con cui tutto il carbonio è reso inorganico sotto forma di $\ce{CO2}$ e l'interezza dell'energia chimica disponibile è estratta dalle molecole inorganiche.

Il trasporto di energia è mediato da molecole con legami ad alta energia. I principali trasportatori energetici sono:

• ATP – adenosina trifosfato
  La chinasi (una trasferasi) può trasferire il gruppo fosfato a un substrato, liberando energia, portando il gruppo fosfato in condizione inorganica e trasformando la ATP in ADP (adenosinda difosfato). Questo processo prende il nome di fosforilazione ossidativa. La rottura dei legami tra i gruppi fosfato dell'ADP viene catalizzata dall'ATPasi, e in quanto i legami che tengono uniti al ribosio i primi due gruppi fosfato sono fosfoanidridici, essi hanno alta energia di legame (7,3 kcal/mol), molta più del legame estere fosforico che unisce in posizione 5' il terzo gruppo fosfato. In base alle necessità energetiche, ciascuna molecola di ATP ha dunque un turnover continuo tra ATP, ADP e AMP.
• 1,3-bifosfoglicerato
  Dotato di due gruppi fosforici, può cedere un gruppo fosforico a un'ADP rendendola di nuovo ATP. Questo processo prende il nome di fosforilazione a livello di substrato.
• PEP – fosfoenolpiruvato
  Legame enolofosfato con un fosfato in C2, che può cedere all'ADP per formare ATP.
• creatina
  Formata dal fegato a partire da amminoacidi Gly, Met, Arg; riceve un fosfato dall'ATP mediante chinasi, formando fosfocreatina, che può immagazzinare gruppi fosfato. La creatina serve nei muscoli, per rigenerare ATP durante la contrazione.

NAD e FAD sono coenzimi delle deidrogensasi (proteine enzimatiche della categoria ossidoreduttasi) che trasportano idrogeno ed elettroni. Essi sono rispettivamente:

• NAD: nicotinammide-adenin-dinucleotide
• FAD: flavin-adenin-dinucleotide

entrambi sono costituiti da coppie di nucleotidi costituiti ciascuno da ribosio con una base azotata (rispettivamente nicotinammide/adenina, flavina/adenina) e un gruppo fosfato, e in ciascuno i due nucleotidi sono legati da un legame fosfoanidridico tra i due gruppi fosfato.

In quanto coenzimi di ossidoreduttasi, esistono in forma ossidata e ridotta:

• nel NAD:
  • la forma ossidata ha una carica positiva sull'N della nicotinammide, e viene indicato come $\ce{NAD+}$
  • la forma ridotta porta idrogeno ed è elettricamente neutra, è indicata come $\ce{NADH}$
    la reazione di passaggio tra le due forme è\ $\ce{NAD+ + 2H+ + 2e- <=> NADH + H+}$
• nel FAD:
  • la forma ossidata è $\ce{FAD}$
  • la forma ridotta è $\ce{FADH2}$
    la reazione di sintesi è\ $\ce{FAD + 2H+ + 2e- <=> FADH2}$

La respirazione cellulare ha equazione globale:

$$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6H2O + 6CO2 + }energia$$

È pertanto una reazione esoergonica, che si articola nelle seguenti fasi:

• glicolisi
• ciclo di Krebs
• catena di trasporto degli elettroni

Nelle cellule eucariotiche, si giunge alla produzione di ATP grazie all'azione dei mitocondri, mentre tutte le reazioni nelle cellule procarioti avvengono direttamente nel citoplasma.

La respirazione cellulare è divisa in due fasi:

• fase anaerobica (glicolisi) il glucosio diventa due molecole di acido piruvico (come anione piruvato e protoni liberi)
• fase aerobica (ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni) → il piruvato viene demolito e rimangono diossido di carbonio e acqua

Dopo la glicolisi, tutto il piruvato (3C) entra nel mitocondrio e viene decarbossilato, dando un residuo (2C) che assieme al CoA forma acetil-CoA. Quest'ultimo entra poi nel ciclo di Krebs, che trasforma tutto l'acetil-CoA in $\ce{CO2}$. Nel corso di queste reazioni gli ioni $\ce{H+}$, elettroni e l'energia vengono captati da NAD e FAD che si ossidano e portano a compimento la formazione dell'ATP mediante catena di trasporto degli elettroni e chemiosmosi.