L’insieme di reazioni organiche interdipendenti nella cellula che avvengono in continuità e costituiscono il fondamento della vita è detto metabolismo cellulare.
Il metabolismo cellulare consiste, nelle linee generali di due tipi di reazioni:
1) Quelle che producono l’energia necessaria al funzionamento delle cellule
2) Quelle che sintetizzano i componenti necessari alla crescita e alla rigenerazione
Queste reazioni chimiche sono classificabili in un numero ristretto di tipi. Vi sono, ad esempio, pochissime sostituzioni aromatiche e le reazioni di sostituzione al carbonio saturo sono limitate a substrati che abbiano come gruppi uscenti i gruppi fosfato o solfuro.
Gruppi funzionali
Le reazioni del gruppo carbonilico e dell’analogo gruppo imminico rivestono un ruolo importante. I gruppi funzionali delle molecole biologiche più comuni sono: -OH, -NH2, -SH, -SR, -SSR, =O (aldeidi, chetoni e derivati imminici), , -COOH, -COOR, -COSR, -CONHR, esteri fosforici, eterocicli azotati.
La limitazione dei gruppi funzionali più comuni e dei tipi di reazioni osservata è dovuta, tra l’altro, al fatto che le reazioni biochimiche avvengono praticamente sempre in solvente acquoso e a temperatura ambiente. Conseguentemente sono poco comuni quei gruppi funzionali che reagiscono rapidamente con acqua o che, formando con difficoltà legami a idrogeno, non facilitano la solubilità delle molecole. La catalisi, operata da enzimi, rende estremamente rapide le reazioni anche a temperatura ambiente.
Una delle generalizzazioni più importanti che emergono dallo studio della biochimica è che le funzioni vitali degli organismi sono mantenute dagli stessi gruppi di reazioni chimiche sia negli uomini che nei semplici batteri. Ciò semplifica lo studio della biochimica in quanto gli studi metabolici effettuati in organismi semplici può essere esteso ad animali superiori.
Identità del metabolismo cellulare
In tutte le specie, infatti, non solo si ritrovano le stesse reazioni e gli stessi meccanismi, ma perfino un’identità tra le molecole fondamentali che partecipano al metabolismo. Tale identità del metabolismo cellulare degli esseri viventi costituisce un’evidenza dell’origine comune e dell’evoluzione della specie.
La necessità primaria nell’economia metabolica della cellula vivente è quella sia di fornire sia l’energia che viene consumata dalle sue altre funzioni che il materiale da utilizzare nella sintesi dei componenti chimici di cui ha bisogno.
Le piante ricavano l’energia direttamente dal Sole e i materiali organici di partenza soprattutto dall’anidride carbonica e dall’acqua che si combinano per dare i carboidrati tramite la fotosintesi che avviene in due fasi: fase luminosa e fase oscura detta ciclo di Calvin
Gli animali si riforniscono di nutrimento ed energia nella forma di cibo e di ossigeno. Le molecole presenti nel cibo sono ossidate dall’ossigeno in una serie di reazioni che liberano energia ed hanno come prodotto finale il biossido di carbonio che è espulso.
L’energia è trasferita, sotto forma di energia di legame, a molecole labili che a loro volta trasferiscono la loro energia tramite reazioni chimiche.
Queste producono:
- il calore corporeo
- il lavoro muscolare
- gli impulsi nervosi e la percezione sensoria
o sintetizzano le molecole necessarie alla crescita o alla sostituzione di materiali cellulari.
Queste molecole labili sono ad alto contenuto energetico e danno luogo a reazioni di equilibrio spostati verso la formazione di prodotti.
L’energia di tutti i processi vitali proviene quindi dal Sole. Essa è catturata nella reazione fotochimica responsabile della fotosintesi nelle piante ed immagazzinata sotto forma di energia di legame nei carboidrati.
Aspetto termodinamico del metabolismo cellulare
Dal punto di vista termodinamico queste molecole hanno un contenuto energetico superiore a quello dell’anidride carbonica e dell’acqua da cui si sono formate. L’energia animale è successivamente ricavata dalla combustione graduale e controllati dei carboidrati delle piante fino alla riformazione di anidride carbonica e acqua.
Le piante e gli animali sono perciò organismi mutuamente dipendenti per quanto riguarda il ciclo di reazioni che distribuisce l’energia solare nei processi vitali mantenendo inalterato l’equilibrio tra ossigeno e anidride carbonica.
6 CO2 + 6 H2O ↭ C6H12O6 + 6 O2
La sequenza di reazioni che producono energia durante la demolizione ossidativa degli zuccheri passa attraverso una serie di intermedi chimici.
Queste molecole possono essere prelevate in qualunque momento dalla combustione controllata per essere utilizzate come materiali di partenza di diverse sintesi. Esse sono atte a produrre tutti i prodotti chimici necessari al metabolismo cellulare e alla formazione dei tessuti. Durante la demolizione dell’amido si passa attraverso 20 intermedi i quali a loro volta sono usati in sintesi comprendenti ciascuna da 10 a 20 reazioni.
Il numero totale di reazioni che avvengono in una delle più semplice cellule viventi, quali quella di un batterio è calcolato in circa 3000. Il numero di molecole piccole o di monomeri diversi presenti nella cellula vivente è sorprendentemente piccolo per un’entità così complessa. Tuttavia è possibile un’enorme varietà nelle catene polimeriche quali proteine, acidi nucleici e polisaccaridi che costituiscono la maggior parte del materiale cellulare.