Metabolismo cellulare
Che cos'è il metabolismo cellulare?
Il metabolismo cellulare è l'insieme di due processi, il catabolismo e l'anabolismo, che avvengono all'interno di una cellula.
Nel primo caso, macromolecole vengono scisse in molecole più piccole, con liberazione di energia; viceversa, nel secondo caso, molecole più piccole vengono unite in molecole più grandi con l'impiego di energia.
La fotosintesi è la più importante via anabolica. La glicolisi e la respirazione cellulare sono le più importanti vie cataboliche.
Che cosa si intende per metabolismo cellulare?
Il metabolismo cellulare è l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono all'interno della cellula, per scomporre o formare molecole complesse (proteine, lipidi, carboidrati, acidi nucleici), costituenti strutturali e funzionali della cellula, che ne consentono la sopravvivenza, la crescita e la riproduzione.
La scomposizione delle molecole complesse in molecole più piccole (catabolismo) comporta liberazione di energia, la formazione di molecole complesse a partire da molecole più piccole (anabolismo) comporta consumo di energia.
I due tipi di processi avvengono separatamente, talvolta in compartimenti cellulari distinti e separati, ma si complementano e sono in equilibrio: i prodotti dei processi catabolici sono i substrati dei processi anabolici, viceversa, i prodotti dei processi anabolici sono i substrati dei processi catabolici.
Nei processi anabolici viene consumata energia (solare o chimica), nei processi catabolici viene liberata energia (chimica), in parte dissipata sotto forma di calore, in parte immagazzinata in molecole "trasportatrici di energia".
La fotosintesi è una via anabolica; la glicolisi e la respirazione cellulare sono vie cataboliche.
Il ciclo del carbonio. Fotosintesi: l'energia solare viene utilizzata per la sintesi del glucosio a partire da anidride carbonica e acqua. Glicolisi: il glucosio viene scisso in due molecole di piruvato, con produzione di due molecole di ATP. Respirazione cellulare: le molecole di piruvato vengono ossidate ad anidride carbonica ed acqua, con produzione di 36 molecole di ATP, molecole trasportatrici di energia, che saranno utilizzate per il lavoro cellulare.
Fotosintesi
La fotosintesi è la più importante via anabolica, nella quale l'energia solare viene catturata e trasformata in energia chimica, immagazzinata in legami carbonio-idrogeno C-H.
L'energia solare viene utilizzata per sintetizzare glucosio (carboidrato), a partire da anidride carbonica e acqua, che non reagiscono direttamente, ma si scompongono separatamente negli elementi che andranno a costituire il glucosio, attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione, basate sul trasferimento di elettroni da una molecola all'altra: reazioni alla luce, nelle quali si ha la scissione dell'acqua, e reazioni al buio, nelle quali si ha la sintesi del glucosio.
Le reazioni si svolgono nei cloroplasti: le reazioni alla luce si svolgono sulla membrana interna dei cloroplasti, le reazioni al buio si svolgono nello stroma dei cloroplasti.
Reazioni alla luce
La clorofilla (gli elettroni delle molecole di clorofilla) cattura l'energia solare e la utilizza per eccitare elettroni ricavati dall'acqua H20. L'energia degli elettroni eccitati viene quindi utilizzata per produrre composti ad alto contenuto energetico, come ATP e NADPH.
L'ATP (adenosintrifosfato) deriva dalla fotofosforilazione dell'ADP: l'energia solare viene immagazzinata come energia chimica quando in una molecola di ADP un gruppo fosfato viene legato, in un legame ad alta energia, al secondo fosfato dell'ADP, formando ATP.
L'NADPH (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) deriva dalla riduzione dell'NADP+.
- Reazioni al buio
L'ATP e l'NADPH, prodotti nelle reazioni alla luce, forniscono l'energia e il potere riducente necessari per la sintesi dei carboidrati: riduzione di anidride carbonica CO2 e sintesi di glucosio C6H12O6.
L'anidride carbonica reagisce con il ribuloso bifosfato RuBP, formando due molecole di fosfoglicerato PGA.
A questo punto, ATP e NADPH vengono utilizzati per trasformare il fosfoglicerato PGA in fosfogliceraldeide PGAL, composto di partenza per la sintesi dei componenti cellulari (incrocio di molte vie metaboliche): glucosio (una molecola di glucosio da due molecole di PGAL), altri zuccheri, acidi grassi, amminoacidi, lipidi, nucleotidi, altri materiali cellulari.
Glicolisi e respirazione cellulare
La glicolisi e la respirazione sono le più importanti vie cataboliche, nelle quali l'energia chimica presente nei carboidrati ed in altre molecole viene liberata e conservata, in buona parte, in molecole di ATP, utilizzate dalla cellula per lo svolgimento delle proprie funzioni.
Nella glicolisi, che si svolge nel citoplasma cellulare, una molecola di glucosio (altri carboidrati possono entrare nella via della glicolisi, in altri punti) viene scissa in due molecole di piruvato (a tre atomi di carbonio) con la rottura di un legame carbonio-carbonio e conseguente liberazione di energia, parte della quale viene immagazzinata in due molecole di ATP (prodotte dalla fosforilazione di due molecole di ADP) e due di NADPH.
Nella respirazione cellulare, che si svolge nei mitocondri (organelli delimitati da membrana), il piruvato viene ossidato ad anidride carbonica e acqua utilizzando ossigeno, con la produzione di 36 molecole di ATP, in tre tappe: formazione di acetil CoA, ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa.
Nella formazione di acetil CoA, un atomo di carbonio proveniente dal piruvato viene liberato sotto forma di CO2 e il restante composto a due atomi carbonio si lega al coenzima A sotto forma di gruppo acetile, con formazione di acetil CoA e riduzione di una molecola di NAD+ a NADH.
Il coenzima A accoglie anche gruppi acetile prodotti nel catabolismo degli acidi grassi (provenienti da grassi animali e vegetali) e di alcuni amminoacidi, che entrano così nel ciclo di Krebs, mentre altri, come i nucleotidi, derivanti dal catabolismo degli acidi nucleici vi entreranno in tappe successive.
Durante il ciclo di Krebs, questi due atomi di carbonio sono trasformati in CO2 con produzione di due molecole di ATP e di altre molecole di NADH.
Nella fosforilazione ossidativa, gli elettroni vengono trasportati dall'NADH all'ossigeno, con accoppiata la produzione di 34 molecole di ATP.
Gli organismi autotrofi, fotosintetici (piante, alghe, alcuni batteri) usano la fotosintesi come via anabolica per la produzione di composti organici a partire da composti inorganici ed energia solare.
Gli organismi eterotrofi, non fotosintetici (animali, funghi, alcuni batteri) utilizzano come cibo i composti organici (carboidrati, grassi, proteine) prodotti dagli organismi fotosintetici.
Queste macromolecole, durante la digestione, vengono scisse in unità componenti (zuccheri semplici, acidi grassi e glicerolo, amminoacidi), che, attraverso la respirazione cellulare, vengono ossidate ad anidride carbonica e acqua, con liberazione di energia, parte della quale viene persa in calore, mentre gran parte viene conservata sotto forma di legami chimici ad alta energia in molecole trasportatrici, che la libereranno per lo svolgimento delle funzioni vitali, compresa la sintesi di macromolecole organiche (proteine, acidi nucleici e polisaccaridi).
La glicolisi è usata da quasi tutte le cellule come via catabolica per la produzione di ATP, mentre la fotosintesi si svolge solo nelle cellule autotrofe e la respirazione si svolge solo nelle cellule aerobie.
Nelle cellule anaerobie facoltative (lieviti, cellule muscolari), la glicolisi, in presenza di ossigeno, è preliminare alla respirazione, ma quando la disponibilità di ossigeno è limitata, è il principale sistema in grado di garantire il flusso di ATP.
Nelle cellule anaerobie obbligate la glicolisi è l'unico sistema utile per la produzione di energia.
Nelle cellule aerobie, la glicolisi è seguita dalla respirazione cellulare, che richiede la presenza di ossigeno.
Riassumendo
- Il metabolismo cellulare è l'insieme di due processi, il catabolismo e l'anabolismo, che avvengono all'interno di una cellula, anche in compartimenti diversi: una rete di reazioni chimiche in equilibrio tra loro, gran parte delle quali catalizzate da proteine specializzate, gli enzimi. Nei processi catabolici, macromolecole vengono scisse in molecole più piccole, con liberazione di energia. Nei processi anabolici, molecole più piccole vengono unite in molecole più grandi con l'impiego di energia.
- La fotosintesi è la più importante via anabolica. L'energia luminosa viene utilizzata per fabbricare carboidrati, come il glucosio, a partire da anidride carbonica e acqua.
- La glicolisi e la respirazione cellulare sono le più importanti vie cataboliche. L'energia chimica liberata dalla scomposizione di macromolecole, come i carboidrati, viene, in gran parte, conservata in molecole di ATP, utilizzate dalla cellula per svolgere le funzioni che richiedono apporto di energia.
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