Il metabolismo si riferisce a tutte le reazioni chimiche che avvengono all’interno di un organismo attraverso le quali molecole complesse vengono scomposte per produrre energia e attraverso le quali l’energia viene utilizzata per costruire molecole complesse. Un esempio di reazione metabolica è quella che avviene quando una persona mangia un cucchiaio di zucchero. Una volta all’interno del corpo, le molecole di zucchero vengono scomposte in molecole più semplici con il rilascio di energia. Questa energia viene poi utilizzata dal corpo per una varietà di scopi, come mantenere il corpo caldo e costruire nuove molecole all’interno del corpo.
Tutte le reazioni metaboliche possono essere suddivise in una delle due categorie generali: reazioni cataboliche e anaboliche. Il catabolismo è il processo attraverso il quale grandi molecole vengono scomposte in molecole più piccole con il rilascio di energia. L’anabolismo è il processo attraverso il quale l’energia viene utilizzata per costruire molecole complesse necessarie al corpo per mantenersi e svilupparsi.
Il processo di digestione
Un modo per capire il processo del metabolismo è seguire il percorso di un tipico nutriente mentre passa attraverso il corpo. Un nutriente è una qualsiasi sostanza che aiuta un organismo a rimanere in vita, in salute e a crescere. Tre grandi categorie di nutrienti sono i carboidrati, le proteine e i grassi.
Parole da sapere
Anabolismo: Il processo attraverso il quale l’energia è usata per costruire molecole complesse.
ATP (adenosina trifosfato): Una molecola usata dalle cellule per immagazzinare energia.
Carboidrato: Un composto formato da carbonio, idrogeno e ossigeno che si trova nelle piante e che viene usato come cibo dall’uomo e da altri animali.
Catabolismo: Il processo attraverso il quale grandi molecole vengono scomposte in molecole più piccole con il rilascio di energia.
Legame chimico: Una forza di attrazione tra due atomi.
Enzima: Composti chimici che agiscono come catalizzatori, aumentando la velocità con cui avvengono le reazioni in un organismo vivente.
Pool metabolico: La quantità totale di molecole semplici formate dalla scomposizione dei nutrienti.
Nutriente: Una sostanza che aiuta un organismo a rimanere in vita, a rimanere sano e a crescere.
Proteine: Grandi molecole che sono essenziali per la struttura e il funzionamento di tutte le cellule viventi.
Supponiamo, per esempio, che una persona abbia appena mangiato un pezzo di pane. Un importante nutriente in quel pane è l’amido, un carboidrato complesso. Non appena il pane entra nella bocca di una persona, inizia la digestione. Gli enzimi nella bocca iniziano a rompere le molecole di amido e a convertirle in molecole più piccole di sostanze più semplici: gli zuccheri. Questo processo può essere osservato facilmente, poiché chiunque tenga un pezzo di pane in bocca per un periodo di tempo comincia a riconoscere un sapore dolce, il sapore dello zucchero formato dalla scomposizione dell’amido.
La digestione è un primo passo necessario per tutti gli alimenti. Le molecole di cui sono fatti gli alimenti sono troppo grandi per passare attraverso il rivestimento del sistema digestivo. La digestione porta alla formazione di molecole più piccole che sono in grado di passare attraverso quel rivestimento e di entrare nel flusso sanguigno della persona. Le molecole di zucchero formate dalla digestione dell’amido entrano nel flusso sanguigno. Poi vengono trasportate alle singole cellule in tutto il corpo della persona.
Le molecole più piccole in cui vengono scomposti i nutrienti costituiscono il pool metabolico. Il pool metabolico consiste nelle sostanze più semplici formate dalla scomposizione dei nutrienti. Include zuccheri semplici (formati dalla scomposizione dei carboidrati complessi), glicerolo e acidi grassi (formati dalla scomposizione dei lipidi), e aminoacidi (formati dalla scomposizione delle proteine). Le cellule usano le sostanze del pool metabolico come materiali da costruzione, proprio come un falegname usa legno, chiodi, colla, punti metallici e altri materiali per la costruzione di una casa. La differenza è, naturalmente, che le cellule costruiscono parti del corpo, non case, dai materiali con cui devono lavorare.
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Metabolismo cellulare
Le sostanze che compongono il pool metabolico sono trasportate alle singole cellule dal flusso sanguigno. Passano attraverso le membrane cellulari ed entrano all’interno della cellula. Una volta all’interno di una cellula, un composto subisce un ulteriore metabolismo, di solito in una serie di reazioni chimiche. Per esempio, una molecola di zucchero viene scomposta all’interno di una cellula in anidride carbonica e acqua, con il rilascio di energia. Ma questo processo non avviene in un solo passo. Invece, ci vogliono circa due dozzine di reazioni chimiche separate per convertire la molecola di zucchero nei suoi prodotti finali. Ogni reazione chimica comporta un cambiamento relativamente modesto nella molecola di zucchero, la rimozione di un singolo atomo di ossigeno o di un singolo atomo di idrogeno, per esempio.
Lo scopo di queste reazioni è di liberare l’energia immagazzinata nella molecola di zucchero. Per spiegare questo processo, bisogna sapere che una molecola di zucchero è composta da atomi di carbonio, idrogeno e ossigeno tenuti insieme da legami chimici. Un legame chimico è una forza di attrazione tra due atomi. Questa forza di attrazione è una forma di energia. Una molecola di zucchero con due dozzine di legami chimici può essere pensata come se contenesse due dozzine di piccole unità di energia. Ogni volta che un legame chimico viene rotto, un’unità di energia viene liberata.
Le cellule hanno sviluppato metodi notevoli per catturare e immagazzinare l’energia rilasciata nelle reazioni cataboliche. Questi metodi fanno uso di composti chimici molto speciali, noti come vettori di energia. Un esempio di tali composti è l’adenosina trifosfato, generalmente noto come ATP. L’ATP si forma quando un composto più semplice, l’adenosina difosfato (ADP), si combina con un gruppo fosfato. La seguente equazione rappresenta questo cambiamento:
ADP + P → ATP
L’ADP si combina con un gruppo fosfato, come mostrato qui, solo se gli viene aggiunta energia. Nelle cellule, questa energia proviene dal catabolismo dei composti nel pool metabolico, come zuccheri, glicerolo e acidi grassi. In altre parole:
catabolismo: zucchero → anidride carbonica + acqua + energia;
energia dal catabolismo + ADP + P → ATP
La molecola di ATP così formata, quindi, ha assorbito l’energia precedentemente accumulata nella molecola di zucchero. Ogni volta che una cellula ha bisogno di energia per qualche processo, può ottenerla da una molecola di ATP.
All’interno delle cellule avviene anche l’inverso del processo mostrato sopra. Cioè, l’energia di una molecola di ATP può essere usata per mettere insieme molecole più semplici per fare molecole più complesse. Per esempio, supponiamo che una cellula abbia bisogno di riparare una rottura nella sua parete cellulare. Per farlo, avrà bisogno di produrre nuove molecole proteiche. Queste molecole proteiche possono essere prodotte dagli aminoacidi del pool metabolico. Una molecola proteica è composta da centinaia o migliaia di molecole di aminoacidi unite tra loro:
Aminoacido 1 + aminoacido 2 + aminoacido 3 + (e così via) → una proteina
L’energia necessaria per formare tutti i nuovi legami chimici necessari per tenere insieme le unità di aminoacidi viene dalle molecole di ATP. In altre parole:
energia da ATP + molti amminoacidi → molecola proteica
Le reazioni con cui un composto viene metabolizzato differiscono per vari nutrienti. Inoltre, possono essere coinvolti vettori energetici diversi dall’ATP. Per esempio, il composto noto come nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (NADPH) è anche coinvolto nel catabolismo e anabolismo di varie sostanze. Lo schema generale mostrato sopra, tuttavia, si applica a tutte le reazioni metaboliche.