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ANABOLISMO E CATABOLISMO

biologia



INTRODUZIONE  Metabolismo Termine che indica l'insieme delle reazioni chimiche con cui le cellule di un organismo trasformano l'energia, mantengono la propria identità e si riproducono. Tutte le forme viventi, dai batteri ai mammiferi, dipendono da molte centinaia di reazioni metaboliche simultanee 353j92d e regolate in modo preciso, che le sostengono per tutta la vita, dal concepimento alla crescita e alla maturità, fino alla morte. Ciascuna reazione viene innescata e catalizzata da enzimi ed è coordinata a numerose altre reazioni che avvengono contemporaneamente in tutto l'organismo.



ANABOLISMO E CATABOLISMO Il metabolismo comprende reazioni di sintesi e reazioni di demolizione, che avvengono contemporaneamente in diverse regioni della cellula o dell'organismo. Le prime sono reazioni in cui due o più sostanze semplici (substrati) si uniscono a formare una molecola più complessa (prodotto) e l'insieme di queste reazioni costituisce l'anabolismo; le seconde comprendono, viceversa, le reazioni di degradazione di composti chimici complessi in sostanze più semplici e nel loro insieme costituiscono il catabolismo.

I processi anabolici e catabolici avvengono lungo le cosiddette vie metaboliche: una fitta e complessa rete di reazioni, essenziali alla vita dell'organismo e studiate dalla biochimica. In generale le vie anaboliche hanno inizio da composti chimici relativamente semplici e diffusi, che con l'energia prodotta da altre reazioni a catalisi enzimatica, conducono a prodotti finali specifici e complessi, come carboidrati, proteine e lipidi. Le vie cataboliche agiscono, invece, in direzione opposta, utilizzando reazioni chimiche diverse che decompongono le macromolecole complesse in composti chimici più semplici, usati come mattoni da costruzione o come fonte di energia per le reazioni anaboliche. In molte reazioni metaboliche vengono prodotte sostanze, chiamate intermedi, che a loro volta possono essere substrati di altre reazioni.

Se i processi anabolici prevalgono su quelli catabolici, l'organismo cresce o aumenta di peso; se quelli catabolici superano quelli anabolici, come durante i periodi di digiuno o malattia, avvengono fenomeni opposti. Quando i due processi metabolici si bilanciano si dice che l'organismo è in uno stato di equilibrio stazionario.

L'ENERGIA METABOLICA Secondo i primi due principi della termodinamica, gli organismi non possono né creare, né distruggere energia, ma possono solo trasformarla da una forma all'altra. Così, la clorofilla delle piante cattura l'energia presente nell'irradiazione solare, che viene utilizzata da questi organismi vegetali per le reazioni di sintesi delle molecole organiche a partire da sostanze inorganiche come anidride carbonica, acqua e ammoniaca. Le molecole organiche così prodotte (carboidrati, grassi e proteine) conservano al loro interno, sotto forma di energia chimica, parte dell'energia solare utilizzata per la loro sintesi. Quando queste molecole vengono assunte dagli erbivori e successivamente dai carnivori, l'energia in esse contenuta viene utilizzata da questi animali per la costruzione di altre molecole organiche e, in generale, per la loro sopravvivenza.

In questo senso si può dire che le piante sono alla base della rete alimentare e che l'energia di tutti gli organismi viventi deriva dal sole. Con la riproduzione, tutti gli organismi viventi - siano essi una pianta verde, un erbivoro o un carnivoro - trasmettono alle generazioni successive le istruzioni, contenute nel proprio patrimonio genetico, su come catturare, trasformare e, alla fine della vita, restituire l'energia all'ambiente. Da un punto di vista termodinamico il metabolismo è, quindi, l'insieme dei processi chimici con cui le cellule catturano e distribuiscono l'energia che fluisce continuamente attraverso l'organismo.

ENERGIA E ALIMENTAZIONE Tutti i processi vitali degli organismi dipendono dall'energia contenuta negli alimenti. Mentre gli animali assumono le sostanze alimentari dall'ambiente esterno, nelle piante i carboidrati, i grassi e le proteine vengono sintetizzati durante i periodi di luce e immagazzinati nei tessuti di riserva (tuberi o radici), da cui vengono prelevati all'occorrenza.

Il valore energetico degli alimenti può essere espresso in calorie o joule. Nel metabolismo energetico si usa generalmente la grande caloria o kilocaloria, cioè la quantità di energia necessaria ad alzare la temperatura di 1 kg di acqua da 14,5 a 15,5 °C. I carboidrati hanno un valore energetico medio di 4,1 kcal (17 kJ) per grammo, le proteine di 5,7 kcal (24 kJ) per grammo e i grassi di 9,3 kcal (39 kJ) per grammo. A seconda delle necessità, i diversi animali si affidano di volta in volta a uno o all'altro di questi tipi di alimenti. I grassi sono la forma più efficiente di riserva energetica, in quanto a parità di massa contengono più energia delle altre due categorie di alimenti. Per questo motivo sono il tipo di riserva energetica preferito dagli organi o dalle forme di vita con esigenze di leggerezza e agilità, ad esempio i semi e le volpi. L'acero da zucchero, invece, non ha necessità di muoversi e quindi può permettersi di dedicare una grande porzione del proprio organismo, nella fattispecie tutto il suo apparato radicale, alle riserve energetiche, costituite da carboidrati come il saccarosio.

Quando gli alimenti, specialmente i carboidrati e i grassi, vengono bruciati in un organismo vivente, producono la stessa quantità di calorie per grammo che libererebbero in laboratorio, se venissero sottoposti a una combustione rapida all'interno di un calorimetro. Gli apparecchi meccanici, infatti, producono lo stesso numero di calorie per grammo di combustibile dei sistemi animali. Entrambi questi sistemi sono, inoltre, accomunati dal fatto che l'energia da essi prodotta viene perlopiù dissipata sotto forma di calore e solo in piccola parte trasformata in energia utile. Il muscolo animale, ad esempio, produce circa una caloria di energia meccanica per ogni quattro liberate sotto forma di calore. Nei sistemi animali, tuttavia, il calore non viene dissipato completamente, in quanto ha un ruolo estremamente importante nel mantenimento della temperatura corporea e, indirettamente, nell'induzione delle reazioni metaboliche, che a temperature basse avverrebbero troppo lentamente per mantenere l'efficienza delle funzioni fisiologiche.



Sebbene le cellule viventi seguano fondamentalmente gli stessi principi termodinamici della trasformazione energetica utilizzati anche dalle macchine, esse sono infinitamente più versatili. Una caratteristica unica dei sistemi viventi è, ad esempio, la capacità di consumare i propri tessuti, una volta che sono esaurite tutte le altre riserve di energia alimentare. Inoltre i sistemi viventi producono energia a poco a poco, in una serie di reazioni chimiche successive, poiché l'energia prodotta da una reazione chimica serve ad altre reazioni dell'organismo; la liberazione graduale di energia garantisce, così, un'efficienza globale elevata con un lavoro minimo da parte delle cellule. I sistemi meccanici come i motori a scoppio liberano, invece, energia tutta di un colpo, a partire da composti a combustione rapida e, in genere, non prevedono catene di reazioni strettamente coordinate l'una all'altra.

USO E TRASFERIMENTO DELL'ENERGIA: L'ATP A seconda che comportino un consumo o una liberazione di energia, le reazioni chimiche dell'organismo vengono definite come endoergoniche o esoergoniche. Le prime sono perlopiù reazioni anaboliche, mentre le seconde sono generalmente reazioni cataboliche. I prodotti di una reazione endoergonica possono essere i substrati di una reazione esoergonica. Quando una reazione chimica ne innesca un'altra, si dice che le due reazioni sono accoppiate. Il metabolismo consiste in una rete di reazioni pressoché infinite, collegate l'una all'altra da intermedi comuni e da scambi energetici.

La divisa universale degli scambi energetici cellulari è l'adenosina trifosfato(ATP), un composto contenente legami chimici ad alta energia. Le diverse forme in cui l'energia giunge alle cellule degli organismi vengono tutte trasformate in ATP, che a sua volta cede energia alle strutture che ne hanno necessità, perdendo uno o due dei suoi gruppi fosfato e trasformandosi, di conseguenza, in adenosina difosfato (ADP) o adenosina monofosfato (AMP). Sia l'ADP che l'AMP possono, poi, essere riconvertiti in ATP, per aggiunta di gruppi fosfato. Le trasformazioni di ATP in ADP o in AMP sono reazioni esoergoniche (liberano energia), mentre le trasformazioni in direzione opposta sono endoergoniche (richiedono un consumo di energia).

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO I processi metabolici sono continuamente sottoposti a un controllo preciso, che per tutta la vita mantiene cellule e tessuti in un equilibrio dinamico. Nella pelle, ad esempio, vi sono schiere di cellule che muoiono continuamente; i loro prodotti catabolici vengono, tuttavia, costantemente riciclati dalle reazioni anaboliche, che permettono il rinnovamento di questo tessuto, in un equilibrio metabolico pressoché perfetto.

Le molecole più importanti dal punto di vista della regolazione delle reazioni metaboliche sono gli enzimi. Ciascuna molecola enzimatica è specifica per una determinata reazione e questa specificità è garantita dalla struttura dell'enzima stesso, che ha una conformazione complementare a quella del substrato della reazione. La complementarità tra enzima e substrato impedisce che le migliaia di molecole diverse presenti nelle cellule diano luogo a reazioni incontrollate. La presenza di un enzima consente di dare inizio a una specifica reazione chimica, ma non ne può alterare l'andamento, né la velocità.

Un altro sistema di controllo delle vie metaboliche è rappresentato dai fenomeni di retroazione (o feedback) negativa, in cui al variare di determinate condizioni si attivano meccanismi che producono un effetto opposto a quello del processo in atto. Un esempio di retroazione negativa consiste nell'inibizione di una reazione chimica, cioè della trasformazione di un substrato in un prodotto, da parte dello stesso prodotto della reazione, man mano che esso si accumula.

Le reazioni metaboliche degli animali superiori sono sottoposte anche a una regolazione di tipo nervoso e ormonale. Gli organi che concorrono a questi due tipi di regolazione sono parte del sistema nervoso e di quello endocrino e i mezzi di regolazione utilizzati sono rispettivamente gli ormoni e i neurotrasmettitori.

Metabolismo delle macromolecole organiche Sebbene le tre categorie di macromolecole organiche (proteine, carboidrati e lipidi) presentino notevoli differenze strutturali e funzionali, le loro reazioni ossidative alla fine liberano gli stessi prodotti: energia, anidride carbonica e acqua. Benché separate, queste vie metaboliche hanno molti intermedi comuni.

Metabolismo delle proteine Negli animali, le proteine di origine alimentare vengono degradate lungo il canale digerente nei 20 tipi di amminoacidi da cui sono costituite e in questa forma vengono, quindi, assorbite dall'organismo. A questo punto gli amminoacidi vengono riutilizzati dalle cellule per sintetizzare proteine, come ormoni ed enzimi, necessarie alla funzionalità dell'organismo. Gli amminoacidi presenti in eccesso vengono, invece, degradati in semplici sostanze azotate (urea, ammoniaca e acido urico) e altri composti simili a quelli che si ottengono dal catabolismo dei carboidrati e dei grassi.



Metabolismo dei carboidrati I carboidrati complessi vengono assorbiti dalle pareti del canale digerente sotto forma di zuccheri semplici, soprattutto glucosio. Mantenuto nel sangue a una concentrazione pressoché costante, il glucosio viene catabolizzato velocemente dalle reazioni della glicolisi per soddisfare il fabbisogno energetico dell'organismo. Sempre a seconda delle necessità dell'organismo, il glucosio può essere anche convertito in molecole di riserva, ad esempio in glicogeno, e immagazzinato nelle cellule del fegato e dei muscoli. Quando queste riserve sono già molto abbondanti, il glucosio viene trasformato in grassi e depositato in questa forma nel tessuto adiposo. Vedi anche Metabolismo degli zuccheri.

Metabolismo dei lipidi I grassi assunti con l'alimentazione sono per lo più trigliceridi, che durante la digestione vengono degradati a glicerolo e acidi grassi. Una volta assorbiti, questi composti vengono poi riutilizzati per sintetizzare sostanze importanti per la fisiologia cellulare, come trigliceridi, composti del colesterolo e fosfolipidi. Colesterolo e fosfolipidi hanno importanti funzioni strutturali, ad esempio nelle membrane cellulari, mentre i trigliceridi vengono immagazzinati come riserva energetica nel tessuto adiposo, da cui vengono estratti all'occorrenza. Dall'ossidazione dei trigliceridi si ottengono composti del carbonio che vengono, quindi, degradati ad anidride carbonica e acqua.

Vitamine Le vitamine hanno un ruolo essenziale nel metabolismo degli amminoacidi, dei carboidrati e dei grassi. Alcuni organismi, soprattutto le piante verdi, sono in grado di sintetizzare autonomamente la maggior parte di questi composti, mentre gli animali devono procurarseli con la dieta. Vedi anche Scienza della nutrizione.

DIFETTI CONGENITI DEL METABOLISMO Se, a causa di un difetto genetico, un enzima coinvolto in una reazione metabolica è difettoso o addirittura assente, la trasformazione chimica di cui esso è responsabile non avviene in modo normale. Le conseguenze anche di un singolo difetto di questo tipo possono essere drammatiche per la salute dell'individuo portatore del gene in questione.

Gli effetti dei difetti metabolici si manifestano generalmente nella prima infanzia o, più raramente, nell'età adulta. Alcuni difetti possono essere incompatibili con la vita, altri possono non produrre alcun effetto apparente e altri ancora possono causare malattie più o meno gravi. La fenilchetonuria (PKU) è, ad esempio, dovuta a un difetto del metabolismo degli amminoacidi, che si manifesta nei bambini e comporta la trasformazione dell'amminoacido fenilalanina in una sostanza tossica per il cervello. Un difetto del metabolismo dei carboidrati porta, invece, alla galattosemia, in cui il galattosio non può essere convertito in glucosio e quindi si accumula nel sangue, provocando danni al cervello e al fegato. Vedi anche Malattie congenite; Malattie genetiche.






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