I processi metabolici sono sequenze di reazioni biochimiche che avvengono all’interno delle cellule viventi per mantenere la vita. Possono essere divisi in due tipi principali. I processi catabolici, o percorsi, comportano la scomposizione di molecole complesse dal cibo in unità più piccole che possono essere utilizzate come elementi costitutivi per nuove molecole o per fornire energia. I percorsi anabolici comportano l’uso di energia per costruire nuove sostanze chimiche che diventano componenti delle cellule. Queste reazioni sono rese possibili da una serie di catalizzatori organici noti come enzimi.
Insieme, i due tipi di processi metabolici consentono la trasformazione delle materie prime, o nutrienti, che vengono assorbite da un organismo in tessuto. Un composto, comune a tutta la vita cellulare, è essenziale per queste trasformazioni. L’adenosina trifosfato (ATP) viene utilizzata per immagazzinare l’energia ottenuta dai nutrienti, come i carboidrati, e per rilasciare energia quando è necessaria per la costruzione di nuove molecole.
Processi catabolici
Alcuni organismi, come le piante verdi, producono il proprio cibo da materiali inorganici, mentre altri, come gli animali, consumano materiali organici per ottenere il proprio nutrimento. Il cibo consumato dagli animali può essere suddiviso in tre tipi principali: carboidrati, lipidi (grassi e oli) e proteine. La digestione coinvolge processi catabolici che li scompongono in componenti più semplici. Ad esempio, carboidrati relativamente complessi, come polisaccaridi e disaccaridi, vengono scomposti in glucosio e le proteine vengono scomposte in amminoacidi. Questi composti più semplici possono essere utilizzati da processi anabolici per costruire nuovi materiali, oppure possono essere ulteriormente scomposti per fornire energia.
La respirazione cellulare è il processo mediante il quale il glucosio carboidrato (C6H12O6) viene scomposto in anidride carbonica (CO2) e acqua (H2O), producendo energia che viene immagazzinata in ATP. La procedura prevede l’ossidazione e, dove è disponibile ossigeno atmosferico, viene utilizzato nella cosiddetta respirazione aerobica. Questo è il processo che avviene negli animali, nelle piante e in alcuni microrganismi. La reazione complessiva può essere riassunta come
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O
ma il processo si svolge in più fasi e i dettagli sono piuttosto complessi.
In condizioni in cui non è presente ossigeno libero, avviene la respirazione anaerobica. Questo si trova solo in alcuni microrganismi che vivono nel suolo, nella materia organica in decomposizione, sotto il mare, in profondità nel sottosuolo e nell’intestino degli animali. Questi organismi utilizzano alternative come nitrati, solfati, fumarato e persino zolfo al posto dell’ossigeno libero. La respirazione anaerobica è molto meno efficiente del processo aerobico e produce molto meno ATP, ma all’inizio della storia della Terra – prima che ci fosse ossigeno libero nell’atmosfera – questa era l’unica forma di respirazione possibile.
Negli animali, anche i lipidi vengono ossidati in anidride carbonica e acqua, ma i primi passaggi sono diversi. La chimica degli organismi avviene in un ambiente a base d’acqua, ma i grassi e gli oli non si mescolano con l’acqua. Il primo passo è emulsionare queste sostanze, il che significa convertirle in una forma che si mescolerà con l’acqua, allo stesso modo in cui i detergenti possono aiutare a ripulire le fuoriuscite di petrolio. Questo viene fatto da sostanze simili al sapone contenute nella bile rilasciate dalla cistifellea nell’intestino tenue. I lipidi vengono quindi scomposti in acidi grassi e glicerolo, che possono essere assorbiti attraverso l’intestino, e che possono quindi subire reazioni di ossidazione simili a quelle eseguite sui carboidrati.
Le proteine sono molecole molto grandi e complesse, costituite da elementi costitutivi noti come amminoacidi. Sono metabolizzati da varie reazioni che li scindono nei loro amminoacidi, che possono essere assorbiti e quindi utilizzati all’interno delle cellule. Generalmente, le proteine non vengono utilizzate per fornire energia, ma gli amminoacidi vengono invece utilizzati per produrre nuove proteine per costruire tessuti e muscoli. Nei casi in cui non sono disponibili carboidrati o grassi nella dieta e il corpo ha esaurito le sue riserve di grasso, le proteine possono essere utilizzate per generare energia, mediante l’ossidazione dei loro amminoacidi. In questi casi, il corpo può iniziare a scomporre le proteine muscolari.
Processi anabolizzanti
Conosciute anche come biosintesi, queste sono reazioni che consumano l’energia immagazzinata nell’ATP dai processi catabolici. Includono la costruzione di proteine dagli amminoacidi e la costruzione del DNA dai nucleotidi. Negli animali, possono essere incluse anche le contrazioni muscolari che alimentano il movimento, poiché richiedono l’uso di energia immagazzinata. Nelle piante, la sintesi del glucosio dall’anidride carbonica e dall’acqua attraverso la fotosintesi è un’altra via anabolica.
Processi metabolici e peso corporeo
L’energia ricavata dal cibo dal catabolismo può essere utilizzata subito, tramite processi anabolici, ma se non viene utilizzata gran parte di essa viene immagazzinata come grasso. La quantità di energia che può essere estratta da un alimento può essere misurata in calorie. Allo stesso modo, anche la quantità utilizzata da varie forme di esercizio può essere misurata in questo modo. Se vengono consumate costantemente più calorie di quelle utilizzate, il grasso si accumulerà, con conseguente aumento di peso. Al contrario, se vengono consumate più calorie di quelle consumate, il corpo otterrà energia utilizzando le sue riserve di grasso, perdendo peso.