Vie Metaboliche e Processi Vitali

Si definisce Fabbisogno Energetico la quantità di energia necessaria, nell'arco di 24h, a soddisfare le esigenze del Metabolismo Basale e delle Attività di un organismo.

Il Metabolismo Basale è l'insieme dei processi vitali che avvengono involontariamente nell'organismo quando questo si trova in uno stato di salute sia fisico che mentale.

In generale si definisce metabolismo l'insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule degli organismi. Queste reazioni possono essere di due tipi.

Le reazioni Anaboliche sono le reazioni di sintesi, cioè le reazioni necessarie per ottenere molecole complesse partendo da molecole semplici. Le reazioni Cataboliche invece sono le reazioni di scomposizione, ovvero le reazioni che scompongono le molecole complesse per ottenere molecole più semplici.

Le reazioni anaboliche sono di tipo esoenergonico, cioè liberano energia sfruttando la rottura dei legami chimici.  Le reazioni cataboliche invece sono endoergonico, cioè necessitano energia per formare i legami tra le nuove molecole. 
Questa energia deve essere quindi fornita alla cellula in modo tale che possa svolgere tutti i processi necessari alla vita.

Tutte le reazioni metaboliche vengono anche mediate da particolare proteine chiamate enzimi, che consentono di aumentare la velocità e la resa della reazione.

Tutti gli organismi, sia autotrofi che eterotrofi, ottengono l'energia che utilizzano per il proprio metabolismo attraverso la rottura dei legami chimici delle sostanze organiche alimentari.

Il meccanismo più utilizzato è quello dell'Idrolisi (reazione di scomposizione) del Glucosio. 

Gli organismi Autotrofi sono organismi in grado di produrre da soli le sostanze organiche, partendo da sostanze inorganiche. Si dividono in fotosintetici, i quali sfruttano l'energia solare e il carbonio presente in atmosfera, e i chemiosintetici che sfruttano l'energia prodotta da reazioni di ossidoriduzione.

Gli organismi Eterotrofi invece non sono in grado di sintetizzare molecole organiche partendo da inorganiche, e devono per forza introdurle dall'ambiente esterno.

L'Adenosinatrifosfato, meglio conosciuta come ATP, è una molecola che le cellule utilizzano come fonte di energia.

Questa molecola è un nucleotide, formato da uno zucchero pentoso (il Ribosio) e 3 Gruppi fosfati.

L'ATP riesce facilmente a cedere energia perché i legami tra i gruppi fosfato, in particolare l'ultimo, si rompono facilmente e sono in grado di liberare molta energia.

Dalla scissione di una molecola di ATP si ottiene ADP (Adeninadifosfato) e un gruppo fosfato inorganico. L'energia prodotta dalla rottura del legame è pari a 7kcal/mole.

Dalla rottura del secondo legame si ottiene AMP (Adeninamonofosfato) e un secondo gruppo fosfato. L'energia del legame è invece pari a 4,1kcal/mole.

Il meccanismo attraverso il quale le cellule producono l'energia prodotta dall'ATP è detto Forforilazione Ossidativa e consiste in reazioni che comportano il passaggio di elettroni. Queste reazioni sono di tipo ossidoriduttivo. In particolare le reazioni di ossidazione sono reazioni di perdita di elettroni, mentre quelle di riduzione comportano l'acquisto di elettroni.

La fotosintesi è un processo attuato dagli organismi autotrofi (piante, alghe e alcuni batteri) che sfrutta l'energia solare (energia termica e luminosa) per la produzione di glucosio (energia chimica), composto organico utilizzato per la produzione di energia nella cellula.

Perché la fotosintesi avvenga gli organismi necessitano acqua e anidride carbonica, composti inorganici presenti nell'ambiente. Avvenuta la reazione sono invece in grado di liberare ossigeno nell'atmosfera e produrre glucosio organico. 

La reazione complessiva è:

Questa reazione avviene all'interno dei cloroplasti (vedi cellula), contenuti nelle cellule vegetali. Qui l'energia luminosa viene accumulata dai pigmenti: clorofilla (A & B) e carotenoidi, che sono contenuti all'interno dei Tilacoidi presenti nei Cloroplasti.

 La fotosintesi è separata in due fasi: la Fase Luminosa e la Fase Oscura.

La fase luminosa della Fotosintesi sfrutta la luce assorbita dalla clorofilla presente nei cloroplasti per rompere i legami chimici della molecola d'acqua e produrre ATP e NADPH (un altro tipo di molecola energetica).

Questo avviene sfruttando dei pigmenti riuniti in due gruppi, il Fotosistema I e il Fotosistema II.

Il Fotosistema II cattura l'energia irradiata dal sole e la trasferisce ad una particolare molecola di clorofilla, diversa dalle altre, chiamata centro di reazione. Colpita dall'energia questa molecola perde i suoi elettroni, che entrano in quella che viene chiamata catena di trasporto e vengono trasferiti ad un accettore primario. Il flusso di elettroni, proprio come accade per qualsiasi meccanismo elettrico, genera energia. Gli elettroni persi dal centro di reazione vengono poi sostituiti da quelli ottenuti dalla reazione di scomposizione dell'acqua (fotolisi), che produce ioni idrogeno (H+) e che libera ossigeno nell'atmosfera. Con l'energia acquisita viene prodotta l'ATP.

Gli elettroni acquistati dall'accettore primario sono trasferiti ad un secondo componente della catena di trasporto degli elettroni. 

Allo stesso tempo il Fotosistema I agisce come il Fotosistema precedente, colpito dalla luce provoca il rilascio di altri elettroni da un secondo accettore. Questo meccanismo provoca la produzione di NADPH. 

Gli elettroni ceduti dal Fotosistema I sono poi integrati dagli elettroni trasferiti dal Fotosistema II (gli elettroni che erano stati trasferiti al secondo accettore). Durante questo processo viene liberata energia che verrà nuovamente utilizzata per la produzione di ATP utilizzando la fosforilazione.

La Fase Oscura della fotosintesi è anche chiamata Ciclo di Calvin o Calvin-Benson (gli scopritori di questo meccanismo).

Questa parte della fotosintesi avviene nello stroma del cloroplasto, sfrutta le molecole di ATP e NADPH, e avviene in totale assenza di luce.

Definiamo intanto il concetto di ciclo: un ciclo è un insieme di reazioni, dove il prodotto della reazione precedente è il reagente della reazione successiva.
In particolare, il prodotto dell'ultima reazione è il reagente necessario per innescare la prima reazione, che avvia il ciclo.

Ogni volta che il Ciclo di Calvin si ripete una molecola di Anidrice Carbonica (CO2) viene combinata con uno zucchero a cinque atomi di carbonio (il Ribulosio Difosfato), formando una molecola a sei atomi di carbonio che viene subito divisa in acido fosfoglicerico (a tre atomi di carbonio). L'acido fosfoglicerico viene poi ridotto a fosfogliceraldeide sfruttando l'ATP e il NADPH.

Per produrre una molecola di glucosio è necessario che il ciclo si ripeta 6 volte. 

Ogni sei giri, delle 12 molecole di fosfogliceraldeide prodotte solamente 2 verranno utilizzate per formare una molecola di glucosio, mentre le altre serviranno per cominciare nuovamente un ciclo. 

La Respirazione Cellulare avviene solamente in presenza di ossigeno ed è il processo tipico utilizzato dalle cellule Eucarioti. Questo processo è il più lungo, ma anche il più produttivo: permette infatti di produrre 38 molecole di ATP.
 
Le processo è composto da tre fasi: la Glicolisi (che produce 2 molecole di ATP), Ciclo di Krebs (che produce 2 molecole di ATP) e Catena di Trasporto degli Elettroni (che trasforma le molecole ottenute nelle fasi precedenti in 34 molecole di ATP).
 

La Glicolisi è la prima frase dei processi aerobi e anaerobi e avviene nel citoplasma della cellula.

A partire da una molecola di Glucosio, con la glicolisi otteniamo 2 molecole di Acido Piruvico, 2 molecole di ATP e 2 molecole di NADH (Nicotinammidedinucleotide, molecola che trasporta l'energia).

La glicolisi è composta da 9 reazioni diverse ed ogni passaggio è catalizzato da uno specifico enzima:

1. A partire da 1 molecola di Glucosio si forma una molecola di Glucosio seifosfato.
   Si ha il consumo di un ATP, che viene convertito in ADP.
   
   
2. La Molecola di Glucocosio seifosfato viene convertita in Fruttosio seifosfato, azione che avviene senza il consumo di molecole energetiche.
   
   
3. Il Fruttosio seifosfato viene convertito in Fruttosio 1,6difosfato.
   Si ha il consumo di una seconda molecola di ATP.
   
   
4. Dal Fruttosio 1,6difosfato si ottengono 2 molecole di Fosfogliceraldeide.
   
   
5. Per ogni molecola di Fosfogliceraldeide si forma una molecola di Acido difosfoglicerico. Viene prodotta una molecola di NADH.
   
6. L'Acido difosfoglicerico viene convertito in Acido 3fosfoglicerico. Viene prodotta una molecola di ATP. 
   
   
7. L'Acido 3fosfoglicerico viene convertito in Acido fosfoglicerico, grazie all'enzima Transmutasi. 
   
   
8. L'Acido 2fosfoglicerico viene convertito in Acido fosfofenolpiruvico.
   
   
9. L'Acido fosfofenolpiruvico viene convertito in Acido Piruvico, producendo una seconda molecola di ATP.

Considerando che le reazioni dalla 5 alla 9 devono avvenire per entrambe le molecole di Fosfogliceraldeide, ottenute dalla quarta reazione, il bilancio finale sarà di +2 molecole di ATP + 2 molecole di NADH + 2 molecole di Acido Piruvico.

Il Ciclo di Krebs avviene nel citoplasma e corrisponde alla seconda fase della respirazione aerobia.

Prima del Ciclo vero e proprio si ha una fase "preparatoria", che avviene per entrambe le molecole di Acido Prodotte, in cui L'Acido Piruvico viene fatto reagire con il CoA per dare l'Acetil-coenzima A (Acetil CoA). Durante questa fase una molecola di NAD+ viene convertita in NADH e sono prodotte due molecole di CO2.

Il Ciclo di Krebs è la sequenza ciclica di 8 reazioni:

1. L'Acetil-coenzima A viene convertito in Acido Citrico.
   
   
2. L'Acido Citrico viene convertito in Acido Isocitrico, con produzione di una molecola di NADH.
   
   
3. L'Acido Isocitrico viene convertito in Acido Chetoglutarico.
   
   
4. L'Acido Chetoglutarico viene convertito in Succinil-CoA. Durante questo passaggio vengono prodotte una molecola di NADH e Anidride Carbonica.
   
5. Il Succinil-CoA viene convertito in Acido Fumarico. Si produce una molecola di ATP.
   
   
6. L'Acido Fumario è convertito in Acido Malico, con produzione di una molecola di FADH2.
   
7. L'Acido Malico è convertito in Acido Ossalacetico, con produzione di una molecola di NADH.
   
   
8. L'Acido Ossalacetico viene poi utilizzato per produrre nuovamente Acetil CoA. 

Alla fine del Ciclo di Krebs sono prodotte 2 molecole di ATP, 6 molecole di NADH e 2 molecole di FADH2.

La Catena di Trasporto degli Elettroni permette di trasformare le molecole di NADH e FADH2 in ATP. 

La catena di trasporto è costituita da proteine chiamate citocromi, disposti in modo ordinato le une dopo le altre sulle pareti dei mitocondri.

Qui, gli elettroni degli atomi di idrogeno presenti nelle due molecole energetiche verranno trasferiti da un trasportatore ad un altro. Durante questo processo libereranno energia, che verrà poi utilizzata per la sintesi di ATP.

Per ogni molecola di NADH verranno sintetizzate 3 molecole di ATP, mentre per ogni molecola di FADH2 verranno prodotte 2 molecole di ATP.

Il Processo Anaerobio avviene senza consumo di ossigeno. Questo processo viene sfruttato dalle cellule più semplici (batteriche e funginee) e nelle cellule Eucariote in assenza di ossigeno. Questo processo è più breve rispetto a quello Aerobico ma consente di produrre solamente 2 molecole di ATP.

Anche questo processo è composto da più fasi: la Glicolisi, che avviene nelle stesse modalità del processo aerobio, e la Fermentazione.

La Fermentazione non comporta produzione di ATP ma viene effettuata per produrre molecole organiche a partire dall'Acido Piruvico ottenuto con la Glicolisi e per ossidare il NADH in NAD+, che si accumula nella cellula.

A seconda delle molecole organiche prodotte abbiamo:

• Fermentazione Alcolica.
  Vengono prodotti Etanolo e Anidride Carbonica.  
  Questo meccanismo è solitamente utilizzato da lieviti e batteri.
• Fermentazione Omolattica.
  Viene prodotto esclusivamente Acido Lattico.
  Questo meccanismo è solitamente utilizzato da Streptococchi e Stafilococchi.
• Fermentazione Eterolattica.
  Vengono prodotti Acido Lattico, CO2 e Idrogeno come H2.
  Questo meccanismo è solitamente utilizzato dai lactobacilli.
• Fermentazione Acido-Mista.
  Vengono prodotti Acidi Carbossilici (Acido Lattico, Acido Acetico, Acido Succinico), CO2 e H2.
• Fermentazione Propionica.
  Vengono prodotti Acido Propionico, CO2 e H2.
• Fermentazione Butirrica.
  Viene prodotto Acido Butirrico.