Cominciamo questo favoloso viaggio nel mondo della biologia e della bioenergetica affrontando il temuto argomento del metabolismo cellulare.
Perché fra processi anabolici e catabolici, ATP e metabolismo autotrofo ed eterotrofo potresti avere un bella confusione in testa.
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Se stai cercando un riassunto sul metabolismo cellulare sei nel posto giusto! Non perdo altro tempo e mi metto subito all'opera per darti una spiegazione semplice sul tema.
Cos'è il metabolismo cellulare?
Prima di capire cos'è il metabolismo cellulare è bene orientarsi all'interno della materia cominciando a fare - almeno mentalmente - una mappa concettuale e uno schema mentale dell'argomento.
Stiamo infatti per affrontare uno dei tanti rami della ben più ampia bioenergetica, ovvero la scienza che studia tutti i processi con cui le cellule utilizzano, immagazzinano e scambiano energia.
Col termine metabolismo energetico si intendono proprio tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli esseri viventi. Queste ultime (affamate come te dopo tre spritz all'aperitivo) assimilano i nutrienti di cui hanno bisogno per poi scomporli in forme utilizzabili e utili alla creazione di energia.
In estrema sintesi, è proprio questa la definizione di metabolismo cellulare!
Ma magari fosse così semplice 😪 Queste reazioni sono infatti composte da una complessa rete di processi che, a loro volta, si suddividono nel catabolismo e nell'anabolismo. E, a loro volta, questi processi non potrebbero esistere senza un vettore chimico fondamentale.
Ne avrai sicuramente sentito parlare, perché mi sto riferendo alla celebre molecola di ATP, l'adenosina trifosfato. Senza l'ATP non avverrebbero infatti le reazioni di ossidoriduzione (redox per gli amici) che permettono il trasferimento di elettroni fra due molecole alimentando così lo scambio di energia.
➡️ Ma attenzione, la produzione di ATP è differente da cellula a cellula e proprio da questa diversità dipende il modo in cui gli organismi producono e conservano le molecole di ATP.
Ci sono ad esempio gli organismi autotrofi, che bastano a sé stessi e utilizzano composti inorganici per produrre i nutrienti e immagazzinare ATP; ci sono poi gli organismi eterotrofi, che producono ATP partendo da composti organici che devono reperire nutrendosi.
Ti sei già perso? 😅 Niente paura. So che c'è tanta carne al fuoco e per questo - dopo questa densa premessa - ti faccio uno schema qui sotto.
A brevissimo andrò a spiegare ogni singolo punto nominato in questo paragrafo, ovvero:
- La definizione di metabolismo cellulare
- La differenza fra anabolico e catabolico
- Il ruolo dell'ATP nel metabolismo energetico
- Le reazioni di ossidoriduzione
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Se poi hai ancora qualche dubbio in merito, puoi sempre dare un'occhiata alla nostra fantastica playlist su Youtube in cui illustriamo per filo e per segno tutti gli argomenti correlati a questa tematica.
Non ci resta che addentrarci nell'argomento! 🧑🎓
La differenza fra anabolico e catabolico
Cominciamo dal primo punto, fondamentale per capire al meglio il metabolismo cellulare: la differenza fra le reazione anaboliche e cataboliche.
📎Il catabolismo riguarda le reazioni di demolizione delle macromolecole organiche in sostanze più semplici da assimilare e per liberare energia. Quest'energia viene poi utilizzata dalla cellula per sintetizzare la famosa ATP. Queste reazioni vengono anche definite esoergoniche. Alcuni esempi di catabolismo sono la glicolisi, l'idrolisi delle macromolecole e la respirazione cellulare.
📎L'anabolismo, al contrario, riguarda tutte quelle reazioni di sintesi che sono preposte a creare macromolecole a partire da elementi più semplici, quindi si tratta dell'esatto contrario del catabolismo: per fare questo viene consumato ATP. Le reazioni anaboliche sono anche chiamate reazioni endoergoniche, ovvero che necessitano del consumo di energia. Un esempio di anabolismo è la fotosintesi clorofilliana.
➡️Quindi, riassumendo in modo estremo: il catabolismo produce energia che viene poi utilizzata, l'anabolismo consuma energia per creare molecole più complesse.
E il primo punto l'abbiamo sfangato. Ora tocca alla molecola dell'ATP, la temutissima adenosina trifosfato.
ATP e metabolismo cellulare
Bene, a questo punto possiamo parlare dell'ATP, per esteso adenosina trifosfato. Come abbiamo appena visto è essenziale per alimentare i processi del metabolismo cellulare. Potremmo quasi immaginarla come una moneta energetica che le cellule producono e o utilizzano per ottenere altro.
❓Ma come viene prodotta l'ATP e, visto che è una moneta, è possibile rubarla chiudendosi nella zecca di stato delle cellule per poi ridarla al popolo e vivere costantemente energizzati? Ovviamente no!! 🤣
Ma non perdiamoci d'animo, perché ora sto per spiegare meglio cos'è l'ATP in biologia e il suo ruolo nella vastissima branca della bioenergetica.
Dal punto di vista strutturale siamo di fronte a un nucleotide trifosfato la cui particolarità sta proprio nel legame chimico che c'è fra i tre diversi gruppi fosfato che la compongono.
I legami che uniscono i gruppi fosfato sono infatti ad alta energia (legami fosfoanidridici). Infatti, quando i legami consentono l'unione dei diversi gruppi fosfato, in essi è potenzialmente racchiusa molta energia.
➡️ Quindi, se la cellula ha bisogno di recuperare energia, può spezzare questi legami, idrolizzandoli. A questo punto l'energia può essere usata dalla cellula per compiere altre fondamentali funzioni.
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L'idrolisi dell'ATP e il suo contrario
Ecco quindi comparire un concetto che bisogna tenere bene a mente, quindi appuntatelo 📌: l'idrolisi dell'ATP, ovvero il processo di demolizione che consente la rottura del legame fosfoanidridico, il conseguente distacco del gruppo fosfato e la liberazione di energia. Facile no?
Ma cosa succede quando l'ATP viene idrolizzato? Semplice, si crea un altro nucleotide che prende il nome di ADP (che contiene solo due gruppi fosfato), che può essere a sua volta idrolizzato creando a sua volta l'AMP (con un solo gruppo fosfato) liberando ulteriore energia.
Ma la cellula, oltre a consumare ATP idrolizzandolo, può anche produrlo, sintetizzandolo con le reazioni cataboliche. Il processo è esattamente il contrario dell'idrolisi: la cellula, utilizzando uno specifico enzima, utilizza energia per unire l'ADP a un grippo fosfato, sintetizzando ancora una volta l'ATP.
🆘 Se non hai capito bene questo concetto rileggilo più volte e fallo tuo, perché è F-O-N-D-A-M-E-N-T-A-L-E per comprendere il metabolismo cellulare.
Metabolismo autotrofo ed eterotrofo
Entriamo un po' nel vivo del discorso parlando degli organismi autotrofi ed eterotrofi che, come vedremo, hanno un metabolismo energetico molto diverso fra loro.
Partendo dal presupposto che una cellula può degradare composti organici (come il glucosio) per ricavare energia, questi composti organici devono essere pur sintetizzati in qualche modo per essere utilizzati in questo importante processo energetico.
E, in base al meccanismo attraverso il quale gli organismi si procurano le sostanze organiche, si differenziano in autotrofi ed eterotrofi.
📎Gli organismi autotrofi riescono a sintetizzare in maniera autonoma i composti organici di cui hanno bisogno partendo da composti inorganici. Vuoi un esempio concreto?
Fanno parte di questo gruppo gli organismi foto-autotrofi come le piante, che a partire da acqua e anidride carbonica (attraverso la fotosintesi) utilizzano la luce solare per sintetizzare il glucosio che poi servirà loro per tutti i loro processi energetici.
📎 Gli organismi eterotrofi al contrario non sono in grado di sintetizzate autonomamente i composti organici di cui hanno bisogno a partire dalla materia inorganica, e per questo devono ricavare le molecole organiche dall'ambiente circostante per dare alle cellule quello di cui hanno bisogno per funzionare. Come? Nutrendosi ovviamente!
Come avrai capito, tutti gli animali (ma anche i funghi e i procarioti) fanno parte di questo nutrito gruppo, compresi noi esseri umani.
Ora che hai capito cos'è il metabolismo cellulare, cos'è l'ATP e come funziona, e le diverse tipologie di metabolismo energetico hai guadagnato abbastanza punti esperienza per passare al livello successivo e affrontare le reazioni del metabolismo cellulare e la temutissima ossidoriduzione!
Le reazioni del metabolismo cellulare e l'ossidoriduzione
Ma come funziona il metabolismo energetico della cellula dal punto di vista chimico? Semplice, attraverso specifiche reazioni che, la maggior parte delle volte, sono di ossidoriduzione. L'ossidoriduzione è una particolare reazione chimica che avviene attraverso due specie chimiche:
- Il riducente, ovvero l'elemento che si ossida perdendo elettroni, o meglio atomi di idrogeno (ossidazione) 🪫
- L'ossidante, ovvero l'elemento che si riduce acquisendo elettroni, o meglio atomi di idrogeno (riduzione) 🔋
Tanto più una molecola è ridotta, tanto più è l'energia contenuta all'interno dei suoi legami, che poi la cellula può utilizzare per creare ATP (ecco finalmente tornare l'adenosina trifosfato!): come potrai immaginare, abbiamo quasi finito perché stiamo finalmente per chiudere il cerchio del metabolismo cellulare, quindi tieni duro!
Il glucosio quindi rappresenta il substrato fondamentale per la creazione di energia all'interno della cellula: è proprio attraverso il processo di ossidoriduzione che il glucosio assunto dalle cellule viene completamente ossidato per trasformarsi in anidride carbonica. Quello che rimane è l'ossigeno, che si riduce dando origine alle molecole di acqua, liberando energia. Questo è quello che avviene, durante tutte le reazioni metaboliche e la creazione dell'ATP.
I processi metabolici più importanti utilizzati dalla cellula per ossidare il glucosio e sfruttare l’energia ricavata sono:
- la glicolisi
- la respirazione cellulare
- la fermentazione
La glicolisi
Spieghiamo meglio cos'è la glicolisi, una reazione anaerobica che quindi avviene in assenza di ossigeno nel citoplasma di tutte le cellule. La glicolisi è un processo metabolico con cui una molecola di glucosio viene scissa in due molecole di piruvato così da generare ulteriore molecole con più energia, ovvero quattro molecole di ATP e due molecola di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata.
Si suddivide in due parti che contano cinque reazioni (o tappe) ciascuna, tutte consecutive: le due parti sono la fase preparatoria e la fase di recupero energetico.
➡️ Nella fase preparatoria la cellula, attraverso cinque reazioni, fa un investimento energetico e consuma due molecole di ATP. Nella fase di recupero, con le ultime cinque reazioni, la cellula recupera invece energia producendo quattro molecole di ATP e due molecole di NADH H+ (anch'esse ricche di energie), e due molecole di acqua. Com'è facile immaginare, quindi, la resa energetica di questo processo metabolico è limitata perché, utilizzando due molecole di ATP si ha un guadagno netto di sole 2 molecole di ATP, più le altre molecole sopra elencate.
La fermentazione
La fermentazione è anch'essa un processo metabolico che si realizza nel citoplasma di una cellula e segue la glicolisi nelle cellule eucariotiche e procariotiche che vivono in assenza di ossigeno (processo anaerobico).
Si suddivide a sua volta nella fermentazione lattica (che produce molecole di acido lattico) e nella fermentazione alcolica (che produce molecole di etanolo). Nessuno di questi processi contribuisce a produrre ATP, quindi la resa energetica di questo processo è nulla.
➡️ A cosa serve quindi la fermentazione? In parole povere, essendo successiva alla glicolisi, ha il compito di ossidare ossidare il NADH H+, ritrasformalo nella sua forma ossidata NAD+, affinché poi possa avvenire una nuova glicolisi.
La respirazione cellulare
Eccoci arrivati (finalmente!) all'ultimo processo metabolico. Cos'è la respirazione cellulare? Te ne darò una spiegazione semplice e stringata. Come si può facilmente intuire dalla presenza della parola "respirazione", si tratta di una via metabolica che, per funzionare, necessita della presenza dell'ossigeno. Si realizza, all'interno delle cellule eucariotiche, nei mitocondri.
Attraverso la respirazione, il famoso piruvato che è stato prodotto dalla glicolisi viene modificato per produrre tante molecole di ATP. Le vie metaboliche della respirazione cellulare sono:
- La sintesi dell'Acetil-CoA
- Il ciclo di Krebs
- Fosforilazione ossidativa
🔝La fosforilazione ossidativa è il processo livello gold del metabolismo cellulare perché avviene in modo ubiquitario in tutti gli organismi aerobi (cioè quelli che usano l’ossigeno per produrre energia) per produrre enormi quantità di ATP, fondamentali per far funzionare tutta la baracca.
Metabolismo cellulare: fai un ripasso completo con ADT!
Bene, abbiamo finito! Hai sudato vero? Un po' anche io! Non è facile rendere chiari questi processi tanto basilari per il funzionamento degli esseri viventi quanto complessi e articolati.
Sappi, comunque che questo riassunto sul metabolismo cellulare ti sarà utilissimo per comprendere meglio tutta la biologia e soprattutto per superare con successo interrogazioni, compiti in classe e test di ammissione.
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