Biologia (6/10): Il metabolismo

Il metabolismo è l'insieme delle reazioni chimiche dell'organismo, ed è una proprietà emergente della vita che deriva dalle interazioni tra molecole all'interno dell'ambiente cellulare.

La chimica della vita è organizzata in vie metaboliche che modificano le molecole attraverso una serie di tappe successive, dove gli enzimi indirizzano la materia attraverso queste vie accellerando in modo selettivo ogni tappa.
Il metabolismo è impegnato nella gestione delle risorse energetiche e materiali della cellula.
Le vie cataboliche sono quei processi degradativi con cui certe vie metaboliche liberano energia demolendo molecole complesse in composti più semplici.
Le vie anaboliche invece, consumano energia per costruire le complesse molecole a partire da precursori più semplici.
Un esempio dell'anabolismo è la sintesi di una proteina da partire dagli amminoacidi.
Le vie cataboliche e anaboliche sono rispettivamente la strada in discesa e in salita della mappa metabolica, inoltre queste vie si intersecano in modo che l'energia liberata dalle reazioni in discesa sia utilizzabile per alimentare le reazioni in salita (fenomeno dell'accoppiamento energetico).

La bioenergetica si occupa dello studio delle modalità di gestione delle risorse energetiche da parte degli organismi.
L'energia è la capacità di compiere lavoro, cioè di spostare materia contro una forza di opposizione, è la capacità di cambiare la disposizione di un campione di materia.
Il lavoro alla base della vita dipende dalla capacità delle cellule di trasformare l'energia da una forma ad un'altra.
L'energia cinetica è l'energia legata al movimento, mentre il calore o energia termica è l'energia cinetica risultante dal movimento caotico delle molecole.
L'energia contenuta da un oggetto è detta energia potenziale, ed è l'energia posseduta dalla materia in base alla struttura o alla sua localizzazione (es: una persona ferma su uno scivolo ha una certa energia che verrà liberata solo durante la discesa).
L'energia chimica è una forma di energia potenziale che si trova depositata nelle molecole in virtù della disposizione dei legami che uniscono i loro atomi.
La termodinamica è lo studio delle trasformazioni dell'energia che si verificano su un campione di materia.
Secondo la termodinaca il sistema è il campione di materia in esame, mentre l'ambiente è tutto ciò che si trova all'esterno del sistema.
Un sistema chiuso è un sistema isolato, mentre un sistema aperto è in grado di scambiarsi enegia con l'ambiente, gli organismi sono sistemi aperti perchè assorbono energia liberando nell'ambiente calore e prodotti metabolici di rifiuto.
Le trasformazioni energetiche negli organismi sono regolate dalle 2 leggi della termodinamica:

1. La prima legge della termodinamica (principio di conservazione dell'energia): l'energia può essere trasferita e trasformata, ma non può essere creata nè distrutta.
2. La seconda legge della termodinamica: qualsiasi trasferimento di energia rende l'universo più disordinato.
   La misura di disordine di un sistema è detta entropia, un valore che aumenta all'aumentare del disordine.

L'energia dell'universo è costante in quantità ma non in qualità.
Quando si svolge un lavoro, una parte di energia viene inevitabilmente trasformata in calore, passando quindi da una energia ordinata ad un'energia caotica, e in generale, i sistemi viventi vanno ad aumentare l'entropia dell'ambiente.L'entropia di un sistema può diminuire a patto che aumenti quella dell'universo (sistema+ambiente).
Un processo spontaneo è un cambiamento che può verificarsi senza alcun aiuto esterno, che può essere utilizzato allo scopo di compiere del lavoro.
I sistemi instabili tendono a trasformarsi spontaneamente in modo da divenire più stabili, e in generale il sistema passa sempre alla condizione più stabile, se nulla glielo impedisce.

L'energia libera è quella porzione di energia di un sistema che può essere utilizzata per compiere un lavoro quando la temperatura si mantiene costante in tutto il sistema.
La quantità di energia libera di un sistema è indicata con G, ed è la somma dell'energia totale del sistema H e la sua entropia S:
G=H-TS
Dove T è la temperatura assoluta in gradi kelvin (K=+271°C), che rappresenta l'intensità del moto molecolare disorsinato.
Non tutta l'enegia del sistema è disponibile per compiere lavoro, l'energia utile per il lavoro (l'energia libera) si calcola sottraendo all'energia totale, il disordine del sistema espresso da S.
I sistemi ricchi di energia sono instabili (es la molla compressa) e in qualsiasi processo spontaneo, l'energia libera del sistema diminuisce.
La variazione di energia libera: ΔG=G_{stato finale} - G_{stato iniziale} oppure ΔG=ΔH-TΔS
Poichè il processo si verifichi spontaneamente il sistema deve cedere energia (diminuzione di H), diminuire il proprio ordine (aumento di S) o entrambe le cose.
Con questi cambiamenti ΔG deve risultare negativo (ΔG<0). Tanto più è marcata questa diminuizione di energia, tanto maggiore risulta la quantità massima di lavoro che può essere compiuto da un processo spontaneo. 

La condizione di massima stabilità di un sistema è detta di equilibrio ΔG=0.
Una reazione chimica o un processo fisico che si trovano in equilibrio non possono compiere lavoro.
Un processo è spontaneo e può compiere lavoro solo quando si sta modificando verso l'equilibrio, mentre lo spostamento contrario alla posizione di equilibrio non può avvenire spontaneamente.
Una reazione spontanea può verificarsi così lentamente da essere impercettibile.

Una reazione esoergonica si ha con una liberazione netta di energia, dove si avrà ΔG negativo che corrisponderà alla massima quantità di lavoro che la reazione può effettuare.
Una reazione endoergonica si ha con l'assorbimento di energia libera dall'ambiente , con ΔG positivo che corrisponde alla minima quantità di energia necessaria perchè la reazione possa decorrere.
La reazione esoergonica è in discesa ed è ad esempio la respirazione cellulare, la reazione endoergonica è invece in salita ed è ad esempio la produzione fotosintetica. 

Se una cellula raggiungesse l'equilibrio morirebbe.
Il metabolismo porta all'equilibrio nei sistemi chiusi, ma per fortuna la cellula è un sistema aperto e perciò può compiere lavoro mantenendosi viva, e tutto ciò è possibile perchè il prodotto di una reazione non si accumula, ma diventa il reagente della reazione successiva.
Questo è possibile nella cellula perchè riceve continue scorte di glucosio  e altre molecole combustibile, e perchè è in grado di espellere nell'ambiente materiali di scarto.
L'accoppiamento energetico è l'uso di un processo esoergonico per fornire energia ad un processo endoergonico, il tutto grazie alla molecola dell'ATP (adenosintrifosfato) che fa da mediatrice.

L'ATP fornisce energia al lavoro cellulare accoppiando reazioni esoergoniche a reazioni endoergoniche.
Una cellula compie 3 tipi di lavoro: lavoro meccanico, lavoro di trasporto, lavoro chimico, e nella maggior parte dei casi è l'ATP la fonte diretta di energia che alimenta il lavoro della cellula.
L'ATP contiene la base azotata adenina legata ad una molecola di ribosio alla quale è legata una catena di 3 gruppi di fosfato i cui legami possono essere rotti per idrolisi (contatto con molecola d'acqua), trasformando la l'ATP in ADP in una reazione esoergonica.
L'instabilità dei legami gruppi di fosfato (dovuta alla vicinanza delle cariche negative) comporta una elevata quantità di energia liberata dall'idrolisi, che porta a dei prodotti (ADP e P_i) più stabili. 

Quasi tutto il lavoro delle cellule dipende dal supporto energetico dell'ATP, che attiva altre molecole trasferendovi gruppi di fosfato.

Un organismo che compie del lavoro utilizza ATP in continuazione, ATP che viene rigenerato grazie all'addizione di fosfato all'ADP, dove l'energia necessaria per fosforilare l'ADP deriva dal catabolismo.
Questo ciclo dell'ATP procede ad incredibile velocità e accoppia i processi endocellulari che liberano energia a quelli che la richiedono.

Gli enzimi

Gli enzimi accellerano le reazioni metaboliche abbassandone la barriera energetica.
Un catalizzatore è un agente chimico che accellera la velocità di una reazione senza essere consumato nel corso della stessa.
Un enzima è una proteina dotata di attività catalitica.
L'energia libera di attivazione E_A è l'investimento energetico iniziale necessario perchè una reazione possa innescarsi.
Questa energia è fornita sotto forma di calore assorbito dall'ambiente da parte delle molecole reagenti, che rompono i propri legami solo quando hanno assorbito energia sufficiente per diventare instabili.
Quando le molecole si stabilizzano viene rilasciata energia nell'ambiente.
La barriera rappresentata dall'energia di attivazione è essenziale per la vita.
Un enzima accellera le reazioni cui partecipa abbassando la barriera dell'energia di attivazione così che lo stato di transizione viene raggiunto anche a temperature moderate.
Le reazioni creano calore, ma le alte temperature uccidono le cellule che hanno bisogno di un catalizzatore.
Gli enzimi accellerano reazioni che avverrebbero anche spontaneamente, in modo che le cellule possano avere un metabolismo dinamico.
Il substrato dell'enzima è il reagente su cui agisce l'enzima.
L'enzima lega con il suo substrato e quando questi 2 sono uniti, l'azione catalitica trasforma il substrato nel prodotto della reazione.
Substrato ----enzima-----> prodotto
Un enzima è in grado di riconoscere il proprio substrato anche tra molecole molto simili, e la specificità di ogni enzima si basa sulla forma della sua molecola.
Solo una regione limitata della molecola enzimatica lega il substrato, il sito attivo, che si presenta come una tasca o un solco sulla superficie della proteina.
Il substrato quando entra nel sito attivo crea un adattamento indotto che cambia la forma dell'enzima. 

Una quantità molto piccola di un enzima può avere un profondo impatto metabolico agendo per moltissimi cicli catalitici molto velocemente.
Tanto maggiore è il numero di molecole di substrato disponibili tanto più frequentemente queste si troveranno ad agire con il sito attivo dell'enzima.
L'enzima è saturato quando raggiunge la velocità massima e l'unico modo di aumentare ulteriormente questa velocità è quello di aggiungere un altro enzima.

L'ambiente fisico e chimico di una cellula influenzano l'attività degli enzimi.
L'attività degli enzimi è influenzata dalla temperatura e dal pH e dalla presenza di specifiche sostanze.
L'influenza della temperatura
Fino ad un certo punto la velocità di una reazione enzimica aumenta con l'aumentare della temperatura, ma superata un certa temperatura la velocità si riduce nettamente, dato che l'agitazione distrugge i legami ionici dell'enzima e avviene la denaturazione.
La temperatura ottimale degli enzimi umani è intorno ai 35-40°C.
L'influenza del pH
Il valore ottimale del pH è tra 6 e 8.

Cofattori
Sono molecole non proteiche che partecipano alla attività catalitica degli enzimi, che possono essere legate al sito attivo dell'enzima strettamente e permanentemente, o in modo debole e reversibile insieme alle molecole di substrato.
Il coenzima è il cofattore della molecola organica.
I cofattori hanno diverse funzioni e sono necessari affinchè la catalisi abbia luogo.

Inibitori enzimatici
Alcune sostanze inibiscono l'azione degli enzimi legandosi ad essi. Se il legame è covalente l'inibizione è irreversibile (di solito), se il legame è debole l'inibizione è reversibile.
Gli inibitori competitivi sono quegli inibitori reversibili che competono con il substrato per il legame col sito attivo e riducono l'efficienza catalitica dell'enzima impedendo alle molecole di substrato di legarsi liberamente al sito attivo.
Questa inibizione può essere rimossa aumentando la concentrazione di substrato in modo che sia sempre esso a legarsi col sito attivo.
Gli inibitori non competitivi si legano all'enzima in un sito diverso da quello attivo, modificando la forma dell'enzima e rendendo il sito attivo inadatto (o meno efficiente) all'aggancio con il substrato.
La pennicillina è un inibitore competitivo che blocca il sito attivo necessario ai batteri.

Il controllo del metabolismo

La cellula regola le sue vie metaboliche controllando quando e dove i propri enzimi siano attivi.
La regolazione dell'attività degli enzimi di solito avviene per mezzo di molecole che si comportano come inibitori non competitive, legandosi nel sito allosterico (uno specifico sito recettore).
I siti allosterici possono essere usati dagli inibitori ma anche dagli attivatori che riattivano l'enzima, queste molecole infatti, hanno una forma abbastanza simile.
Una sola molecola che si leghi ad un sito allosterico, influenza lo stato del sito attivo di tutte le subunità.
Certi enzimi che partecipano a vie cataboliche vengono inibiti dall'ATP e attivati dall'AMP.
L'inibizione per retroazione (feedback) si ha quando una via metabolica è bloccata ad opera del prodotto terminale che agisce da inibitore di uno degli enzimi della via stessa (es ATP che blocca la via catabolica che genera ATP).
Questa inibizione impedisce alla cellula di sprecare risorse chimiche.
Il meccanismo della cooperatività si ha quando una molecola di substrato agisce in modo da stimolare l'enzima affinchè leghi più facilmente altre molecole di substrato.
La localizzazione degli enzimi in una cellula contribuisce a rendere ordinato il metabolismo. 

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