Il metabolismo è l’insieme delle reazioni di trasformazione chimica che avvengono in una cellula, da cui derivano la crescita, la divisione , la produzione di energia, ecc…All’interno del metabolismo si osservano altri due tipi di reazioni: il catabolismo, che demolisce le sostanze alimentari in molecole più piccole, e l’anabolismo (o biosintesi), che consuma l’energia immagazzinata nei processi catabolici per alimentare la sintesi delle numerose altre molecole che formano la cellula.
Tutti gli esseri viventi creano e mantengono l’ordine, in un universo che tende sempre verso un maggior disordine: per compiere tutte le razioni che servono a mantenere l’ordine, gli organismi viventi richiedono una fonte di energia proveniente dalla materia non vivente. In questo frangente sono molto importanti gli enzimi, speciali proteine che accelerano, o catalizzano, le reazioni cui una certa molecola partecipa (un enzima catalizza una sola reazione alla volta). Gli enzimi abbassano la barriera energetica, cioè l’energia di attivazione, che ostacola le reazioni: per esempio, per la combustione del libro l’energia di attivazione è fornita dal calore di un fiammifero acceso.
Dato che gli oggetti inanimati, se lasciati a se stessi, finiscono nel disordine (gli edifici crollano, i morti si decompongono), si potrebbe pensare che le cellule e gli organismi viventi, creando e mantenendo l’ordine al loro interno, vadano contro la seconda legge della termodinamica, una legge fondamentale della fisica la quale stabilisce che nell’universo, o in un sistema isolato, il grado di disordine (o di entropia) può solo aumentare. Ma la cellula, che non è un sistema isolato,assorbe energia dall’ambiente sotto forma di cibo e poi, con questa energia libera crea ordine al suo interno; parte dell’energia consumata si trasforma in calore, il quale si disperde ben presto all’intorno creando un disordine ambientale: questo perché il calore è energia nella sua forma più disordinata in quanto le molecole al suo interno si muovono in modo caotico. Quindi la quantità di calore che si riversa nell’ambiente deve essere tale da produrre un disordine ambientale che compensi l’ordine generato nella cellula: concludendo, possiamo affermare che l’ordine creato dalla cellula al suo interno non va contro la seconda legge della termodinamica in quanto risulta aumentata l’entropia totale del sistema, cellula più ambiente esterno.
Inoltre per capire da dove proviene il calore liberato dalla cellula ci imbattiamo nella prima legge della termodinamica, la quale stabilisce che l’energia si può convertire da una forma all’altra, ma non si può creare né distruggere. Per esempio una cellula animale assume cibo e converte parte dell’energia racchiusa nei legami chimici tra gli atomi di quel cibo in energia termica.
Arrivati a questo punto si può parlare della fotosintesi operata dalle piante e dai batteri fotosintetici: con questo processo interno alla cellula l’energia elettromagnetica della luce solare viene convertita in energia di legame chimico. Le reazioni della fotosintesi avvengono in due fasi. Nella prima, dipendente dalla luce, la luce solare viene catturata e immagazzinata come energia di legame chimico e si libera ossigeno molecolare (O2 gassoso), mentre, nella seconda, vengono prodotti zuccheri da biossido di carbonio gassoso (CO2) e acqua (H2O), in un processo di fissazione del carbonio:
energia luminosa + CO2 + H2O → zuccheri + O2 + energia termica
L’ossidoriduzione consiste in una reazione nella quale avviene un trasferimento di elettroni da un atomo all’altro: l’ossidazione corrisponde ad una rimozione di elettroni, mentre la riduzione corrisponde ad un’acquisizione di elettroni (le due reazioni avvengono sempre simultaneamente dato che il numero di elettroni si conserva). Quando una molecola, oltre ad acquisire un elettrone, prende anche un protone si parla di idrogenazione, mentre l’opposto viene definito deidrogenazione.
Ora definiamo meglio l’energia libera: essa rappresenta l’energia estraibile da un sistema per compiere lavoro utile e la variazione di energia libera (ΔG) misura la quantità di disordine prodotta nell’universo quando avviene una reazione chimica; le reazioni favorite energicamente hanno ΔG negativo e creano disordine nell’universo, mentre le reazioni sfavorite energicamente hanno ΔG positivo e creano ordine nell’universo.
L’energia viene immagazzinata sotto forma di energia dei legami chimici tramite dei vettori attivati: ATP, NADH e NADPH
– ATP = adenosin 5’-trifosfato. Questo vettore serve per trasportare gruppi fosfato ad alta energia; l’ATP viene sintetizzato con una reazione di fosforilazione in cui viene aggiunto un gruppo fosfato all’ADP (adenosin 5’-difosfato). Di conseguenza l’ATP può cedere il suo gruppo fosfato scindendosi in ADP creano un vero e proprio ciclo dell’ATP. Si chiama fosforilazione l’aggiunta di un gruppo fosfato ad una molecola (protein chinasi come catalizzatore), mentre si definisce defosforilazione la rimozione del fosfato (protein fosfatasi come catalizzatore)
– NADH, NADPH = rispettivamente nicotinammide adenin dinucleotide ridotto e nicotinammide adenin dinucleotide fosfato ridotto. Trasportano elettroni ad alta energia, ma a destinazioni diverse, e si formano rispettivamente da NAD+ (nicotinammide adenin dinucleotide) e da NADP+ (nicotinammide adenin dinucleotide fosfato).
Oltre a questi esistono altri vettori attivati come l’acetil CoA (acetil coenzima A), il quale trasporta un gruppo acetile, oppure tanti altri che trasportano gruppi metile, carbossile e glucosio.
