BIOLOGIA - Lezione 14 - Metabolismo Cellulare: Introduzione

[Musica] Bentornati a tutti. Siamo finalmente arrivati a trattare il metabolismo. Nei prossimi video, infatti, andremo ad affrontare il metabolismo di una cellula eucariote animale, iniziando con questo video a vedere una breve introduzione su che cos'è il metabolismo. Lo diamo inoltre per scontato che abbiate già visto tutti i video precedenti presenti in questa playlist; saranno essenziali per comprendere, ovviamente, questo argomento. Iniziamo andando a dire che il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche che avvengono dentro le nostre cellule. Le reazioni chimiche comportano, ovviamente, delle trasformazioni energetiche. Le trasformazioni possono liberare energia e quindi vengono dette esoergoniche, oppure possono richiedere energia, e cioè bisogna fornire energia per farle avvenire; in questo caso vengono definite endoergoniche. Ecco che quindi un organismo sfrutterà reazioni esoergoniche abbinate a reazioni endoergoniche. E quindi l'insieme di reazioni che avvengono all'interno della cellula, e cioè reazioni che liberano l'energia e reazioni che invece richiedono dell'energia, viene appunto chiamato metabolismo cellulare.

Tutte queste reazioni, però, all'interno del nostro corpo devono essere ovviamente facilitate, perché, come sappiamo, una reazione chimica che libera energia potrebbe provocare anche, ad esempio, un innalzamento della temperatura oppure potrebbe anche provocare un cambiamento di pH. Ecco che questo non può verificarsi all'interno del nostro organismo, perché, come sappiamo, il nostro range di temperatura che dobbiamo, che l'organismo deve mantenere, si trova tra i 35-37 gradi centigradi. E allora, per far avvenire queste reazioni, le nostre cellule utilizzano particolari proteine chiamate enzimi. Cosa sono gli enzimi? Gli enzimi sono delle molecole proteiche, e quindi delle proteine che svolgono i numerosi lavori che bisogna fare all'interno di una cellula. Gli enzimi vengono anche definiti i catalizzatori biologici, e cioè che cos'è un catalizzatore? Il catalizzatore è una molecola che velocizza una reazione; in poche parole, diminuisce l'energia di attivazione di una reazione. Quindi, cosa fa un enzima, e più in generale un catalizzatore? Velocizza e facilita il procedere di una reazione. Quindi, giusto per ricapitolare, i catalizzatori sono delle sostanze che velocizzano le reazioni; in ambito biologico, e cioè dentro una cellula, questi catalizzatori sono fatti da proteine, vengono chiamati enzimi. Quindi si può dire che gli enzimi sono i catalizzatori biologici e, come leggiamo anche in questa slide, se non ci fossero gli enzimi, gran parte delle reazioni metaboliche avverrebbero troppo lentamente per la vita della cellula.

Allora prendiamo in considerazione il termine metabolismo. Ecco, il termine metabolismo viene spesso utilizzato per andare ad affrontare solo una parte di questo ampio processo, che è quella del catabolismo. Scopriamo, infatti, che il metabolismo in realtà è composto da due fasi che sono distinte ma correlate tra loro. La prima viene denominata anabolismo. E cioè che cos'è l'anabolismo? L'anabolismo è la sintesi, la costruzione di nuove parti del corpo, di nuove parti dell'organismo. Immaginiamo che vogliamo sintetizzare delle proteine; ecco, quella è una funzione anabolica. Infatti, possiamo andare per assonanza a ricordare gli anabolizzanti, cioè quelle sostanze che vengono utilizzate nello sport o in palestra per andare a stimolare la crescita muscolare. Però, per sintetizzare, costruire nuove molecole e nuove parti, quindi delle cellule, c'è bisogno di mattoncini, e quindi i monomeri che le costruiranno, e c'è bisogno anche di tanta energia. Dove la si trova questa energia e questi mattoncini? Grazie al catabolismo. Catabolismo vuol dire appunto decomposizione o distruzione. E che cos'è il catabolismo? È quello che più comunemente si chiama metabolismo, però in realtà bisogna fare un focus e chiamarlo catabolismo. Il catabolismo è appunto la digestione, la decomposizione di quello che mangiamo, che viene spezzettato in tanti mattoncini, in tanti monomeri che, come sapete, poi sono i saccaridi, gli aminoacidi, i vari acidi grassi. E grazie anche alla scomposizione di queste molecole viene liberata dell'energia, e questa energia poi l'organismo la utilizzerà per andare a costruire appunto delle parti nuove.

E allora vediamo come anabolismo e catabolismo sono collegati, perché il catabolismo comprenderà la distruzione, quindi la digestione delle sostanze e la liberazione di energia che poi verrà utilizzata, sia l'energia sia questi mattoncini arrivati dal catabolismo, per andare a sintetizzare, costruire nuove parti dell'organismo grazie all'anabolismo. Didatticamente parlando, noi andremo molto più spesso a trattare il catabolismo. Questo perché? Perché l'anabolismo, oltre ad essere un processo molto complesso, è stato anche studiato in tempi più recenti. Quindi quello che si va a studiare solitamente riguardante il metabolismo è proprio il catabolismo. E noi quindi faremo focus sul catabolismo. Perdonatemi, quindi, se ogni tanto mi scapperà la parola metabolismo per riferirmi al catabolismo; diciamo che nel linguaggio comune questa cosa è molto utilizzata. Andiamo quindi a vedere la reazione generale del metabolismo degli animali. Possiamo vedere come da una molecola di glucosio, e cioè di zucchero formata da sei atomi di carbonio, andandola a bruciare con delle molecole di ossigeno, potremo ottenere la scomposizione completa del glucosio in sei molecole più piccole da un solo atomo di carbonio di CO2, e cioè di anidride carbonica, e poi ci sarà ovviamente dell'acqua "di scarto", che poi ovviamente il nostro organismo non la scarta ma la riutilizza. E quindi vediamo come una molecola di zucchero, insieme all'ossigeno, venendo bruciata insieme all'ossigeno, può produrre sei molecole più piccole fatte ognuno da un carbonio solo, e cioè sei molecole di anidride carbonica. E questa cosa è molto interessante. Allora, innanzitutto, perché si prende sempre come esempio il glucosio? Perché il glucosio è la molecola più comune da cui prende energia il nostro organismo.

Come è fatto il glucosio? Il glucosio, come vediamo in figura, è composto da sei atomi di carbonio; ovviamente prende una conformazione leggermente diversa da quella che vi ho disegnato, ma ho voluto semplificare molto. Il glucosio può essere circolare, cioè essere ciclizzato in una molecola ciclica, oppure può essere in forma lineare. Le due forme ovviamente continuano a interscambiarsi tra loro. In questo caso ho preso anche qua una semplificazione della forma lineare, proprio perché viene molto più semplice capire quello che succede. Bisogna innanzitutto partire dal concepire dove è contenuta l'energia all'interno di una molecola. Ecco che, come l'energia elettrica viene trasportata dagli elettroni che fluiscono sul cavo di rame, così anche l'energia chimica è contenuta dentro i legami che si formano tra un atomo e l'altro. Questo perché i legami sono formati da elettroni che vengono condivisi dai rispettivi atomi che formano il legame. E quindi, andando a rompere quel legame, noi libereremo dell'energia; andando invece a formare un legame, noi staremo conservando dell'energia. Quindi cosa molto importante da capire, se in chimica ma soprattutto in questo caso in biologia, è che l'energia dentro le molecole è contenuta nei legami. Quindi, se noi romperemo un legame, l'energia si libererà; se noi andremo a formare un legame, invece, andremo a racchiudere quell'energia dentro quel legame.

E allora cosa facciamo nel nostro catabolismo? Prendiamo una molecola di zucchero, come in questo caso da sei atomi di carbonio, e mediante l'utilizzo di una molecola di ossigeno, o meglio di più molecole di ossigeno, poi vedremo quante ne servono, potremo andare a scomporre, a rompere, a spezzettare tutti i legami che formano questa molecola, andando a separare la molecola in sei atomi di carbonio singoli. E a causa di questa separazione, quindi di questa rottura dei legami, ci sarà la liberazione dell'energia. Questa energia poi ovviamente verrà utilizzata dal nostro corpo. In che modo avviene il tutto? Ecco che, per chi studia magari in prima e seconda superiore, questa figura può essere già abbastanza, cioè sapere come avviene il catabolismo di una cellula eucariote animale. Vediamo che la molecola di glucosio, la vediamo qua a sinistra, verrà, grazie a un processo chiamato glicolisi, scomposta in due molecole da tre atomi di carbonio. Queste due molecole da tre atomi di carbonio utilizzeranno il ciclo di Krebs per essere scomposte in sei molecole totali di CO2, e quindi con un atomo di carbonio solo, e tutta l'energia ricavata da questi legami rotti viene trasportata in un processo chiamato fosforilazione ossidativa, che produrrà acqua utilizzando l'ossigeno e produrrà soprattutto tanta energia. L'energia conservata viene conservata in una molecola che si chiama ATP. Quindi che cos'è l'ATP? L'ATP è un nucleotide, e cioè una adenina legata a tre fosfati. L'ATP è esattamente la moneta di scambio dell'energia nel nostro organismo; è un po' come se fosse una pila che si ricarica e si scarica. L'ATP è molto particolare, perché possiamo vedere che l'adenina legata al ribosio poi è legata a tre gruppi fosfato, che qua vediamo come delle palline gialle. I gruppi fosfato sono queste molecole composte da fosforo e ossigeno, che però legandosi tra loro vanno a formare dei legami molto energetici. Rompendo questi legami, che vedete qua evidenziati con una stellina verde, questi legami, rompendosi, si liberano tanta energia, ma riformandosi invece vanno a conservare tanta energia. Questo perché sono legami altamente energetici. E allora quello che fa la nostra cellula è: quando gli arriva l'energia derivata dal catabolismo di uno zucchero, la nostra cellula va a prendere della adenina col ribosio e due gruppi fosfato e ci aggancia un terzo gruppo fosfato, cioè va a formare un legame, e quindi va a racchiudere quell'energia dentro questo legame. Quando invece l'energia ci serve per costruire nuove parti dell'organismo, allora viene presa la molecola di ATP e viene rotto il legame col fosfato e viene liberato quindi un fosfato e tanta energia. Questa energia servirà quindi per fare tutti i processi necessari. L'ATP che perde un fosfato viene chiamata ADP, questo perché ATP sta per adenosina trifosfato, mentre ADP sta per adenosina difosfato. Quindi il fatto che venga perso o aggiunto un fosfato sta ad indicare proprio quando il fosfato è aggiunto che quella ATP è carica, quindi è stata ricaricata di energia; quando invece viene perso un fosfato sta ad indicare che quella ATP, anzi quella ADP, è scarica e quindi ha perso dell'energia che è stata utilizzata. Molto spesso la domanda è: ma si può arrivare a connettere tutti i fosfati? Ecco, il nostro organismo, tendenzialmente le nostre cellule, vanno a togliere prima il fosfato, andando ad utilizzare l'energia del primo legame tra i due fosfati, e quindi passando dall'ATP alla ADP, e poi, se necessario, vanno a scomporre anche il successivo legame andando a formare una molecola chiamata AMP, e cioè adenosina monofosfato. Più di quello non viene rotto per il semplice fatto che l'ultimo legame, quello tra ribosio e il primo gruppo fosfato, non è molto energetico e quindi non necessita né romperlo né tantomeno andarlo a riformare nel momento in cui non serve. Quindi gli unici legami che si vanno a rompere e riformare sono il primo tra il terzo fosfato e il secondo, e poi, se necessita, anche il secondo legame tra i due fosfati.

Abbiamo quindi detto che l'ATP è la moneta di scambio dell'energia della cellula: quando si ricava energia si dice che si è ricavata ATP; quando bisogna consumare energia si dice che si consuma ATP. E con queste nozioni abbiamo chiuso il primo video introduttivo sul metabolismo. Nel prossimo video andremo ad approfondire invece un pochino meglio che cosa sono gli enzimi, questo perché sono parte fondamentale di questi processi. Quindi, se vi è stato utile questo video, lasciate un like, all'interesse anche il canale a crescere e iscrivetevi alla pagina, così che potrete vedere tutti i successivi video sul metabolismo e non solo. Detto questo, io vi do appuntamento alla prossima lezione.