Metabolismo, anabolismo e catabolismo

Definisci il metabolismo e spiega la differenza tra anabolismo e catabolismo, facendo un esempio di processo per ciascun tipo.

Classifica i seguenti processi in anabolici o catabolici e giustifica brevemente la tua scelta: la sintesi proteica, la respirazione cellulare, la fotosintesi e la digestione degli alimenti.

Le trasformazioni metaboliche avvengono in vie formate da molte reazioni concatenate, ciascuna catalizzata da un enzima. Spiega che cos'è una via metabolica e quali vantaggi offre suddividere una trasformazione in numerosi passaggi.

Distingui tra organismi autotrofi ed eterotrofi dal punto di vista metabolico (fonte di carbonio e di energia) e fai un esempio per ciascun tipo.

Che cos'è l'ATP e perché è noto come la «moneta energetica» della cellula? Indica che cosa accade quando viene idrolizzato ad ADP.

Descrivi la composizione chimica della molecola di ATP (base azotata, zucchero e gruppi fosfato) e indica quale legame si rompe quando viene idrolizzata ad ADP e perché si dice che tale legame è ricco di energia.

Perché la fonte immediata di energia della cellula è l'ATP e non il glucosio? Motiva la risposta confrontando come viene liberata l'energia nei due casi (in piccole dosi utilizzabili rispetto alla combustione rapida e incontrollata che comporterebbe liberare in un colpo solo tutta l'energia del glucosio).

Un essere umano adulto di 70 kg possiede in ogni istante una massa totale costante di appena 50 g circa di ATP. Tuttavia, la sua attività basale e quotidiana richiede di idrolizzare e risintetizzare circa 50 kg di ATP ogni 24 ore.

1. a) Calcola quante volte al giorno ogni molecola di ATP viene in media riciclata in questo individuo e deduci il tempo medio (in secondi o minuti) che trascorre tra la sintesi di una molecola di ATP e la sua successiva idrolisi.
2. b) Se il nostro organismo non potesse riciclare l'ADP e dovesse immagazzinare in anticipo come ATP libero i 50 kg necessari per la giornata, giustifica le conseguenze insormontabili che ciò provocherebbe sul volume cellulare e sulla pressione osmotica delle cellule. Spiega perché i grassi neutri (triacilgliceroli) e i polisaccaridi sono macromolecole fisiologicamente idonee come riserve energetiche a lungo termine rispetto all'ATP.

Che cos'è un enzima e perché si dice che le reazioni del metabolismo sono reazioni catalizzate? Indica che cosa accade all'enzima al termine della reazione.

Che cos'è l'energia di attivazione di una reazione? Spiega come gli enzimi fanno sì che le reazioni metaboliche avvengano rapidamente alla temperatura del corpo umano.

Le reazioni anaboliche richiedono, oltre all'ATP, potere riducente sotto forma di NADPH. Spiega che cosa apporta il NADPH alle sintesi e in che cosa la sua funzione si differenzia da quella del NADH nel metabolismo.

In un batterio, la via di sintesi dell'amminoacido essenziale L a partire dal precursore P consta di tre tappe consecutive catalizzate dagli enzimi $E_1, E_2$ e $E_3$. L'enzima $E_1$ è allosterico e subisce inibizione a feedback da parte del prodotto stesso L. a) Prevedi in modo motivato che cosa accadrebbe alla concentrazione degli intermedi della via e al bilancio energetico cellulare se una mutazione alterasse il sito allosterico di $E_1$, impedendo il legame di L ma mantenendo intatta la sua attività catalitica, quando il batterio cresce in un mezzo con abbondante L esogeno. b) Se un'altra mutazione inattivasse completamente l'enzima $E_2$, spiega quale composto si accumulerà e se l'attività di $E_1$ si manterrà o si ridurrà in assenza di L nel mezzo. c) Giustifica il vantaggio selettivo di collocare il controllo allosterico sul primo enzima specifico della via e non sull'ultimo ($E_3$).

Spiega perché si dice che gli esseri viventi sono sistemi aperti dal punto di vista dello scambio di materia ed energia e quale differenza c'è, in questo aspetto, con una macchina isolata.

Osserva lo schema dello scambio di materia ed energia nel metabolismo. Indica quale processo (anabolismo o catabolismo) rappresentano A e B, quale molecola è indicata con ? e spiega, con un esempio, come l'energia liberata da un processo alimenta l'altro.

Uno studente propone un apparente paradosso: «Il secondo principio della termodinamica stabilisce che i processi spontanei procedono con un $\Delta G < 0$. Poiché l'anabolismo costruisce molecole complesse attraverso reazioni fortemente endoergoniche ($\Delta G > 0$), la biosintesi di macromolecole non viola forse le leggi della fisica?»

1. a) Confuta l'obiezione dello studente giustificando, mediante il principio dell'accoppiamento energetico e la funzione intermediaria del sistema ATP/ADP, come la cellula fa sì che una via anabolica globale sia termodinamicamente favorevole.
2. b) Se a una sospensione di epatociti si aggiunge un composto disaccoppiante della fosforilazione ossidativa (come il DNP) che dissipa il gradiente elettrochimico protonico mitocondriale, prevedi in modo motivato che cosa accadrà al tasso di catabolismo del glucosio, alla sintesi di biomolecole (anabolismo) e alla temperatura del mezzo.

Fai due esempi di processi della vita quotidiana che dipendono dall'energia liberata dall'idrolisi dell'ATP (contrazione muscolare, trasporto attivo, sintesi di molecole, trasmissione dell'impulso nervoso) e spiega brevemente uno di essi.

Gli organismi fotosintetici ottengono il loro ATP dalla luce e gli eterotrofi dai nutrienti, ma tutti lo producono con lo stesso meccanismo finale: lo sfruttamento di un gradiente protonico. Spiega che cos'è la chemiosmosi e in quali strutture membranose avviene nei due tipi di organismi.

Classifica le seguenti attività di una cellula muscolare a seconda che consumino o liberino ATP, giustificando ciascun caso: la contrazione, la sintesi di glicogeno, la degradazione del glucosio nella glicolisi e il trasporto attivo di ioni attraverso la membrana.

Durante l'esercizio fisico, il consumo di ossigeno di una persona può moltiplicarsi per dieci o più. Spiega che relazione ha questo fatto con il metabolismo cellulare e motiva perché l'ossigeno è necessario solo per una parte del metabolismo energetico.

Considera le due seguenti reazioni metaboliche indipendenti in condizioni fisiologiche:

1. $\text{Glucosio} + \text{P}_\text{i} \rightarrow \text{Glucosio-6-fosfato} + \text{H}_2\text{O} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = +13,8\text{ kJ/mol})$

2. $\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_\text{i} \quad (\Delta G^{\circ\prime} = -30,5\text{ kJ/mol})$

1. a) Giustifica a livello molecolare perché l'idrolisi dell'ATP presenta un $\Delta G^{\circ\prime}$ così fortemente esoergonico (fai riferimento alla repulsione delle cariche elettrostatiche e alla stabilizzazione per risonanza dei prodotti formati).
2. b) Scrivi l'equazione della reazione netta accoppiata catalizzata dall'enzima esochinasi, calcola il suo $\Delta G^{\circ\prime}$ globale e spiega come questo meccanismo di accoppiamento energetico rende possibile la realizzazione di processi cellulari che, isolatamente, sarebbero termodinamicamente non fattibili.

In una ricerca sul metabolismo muscolare si analizza una linea cellulare con una mutazione che rende l'enzima glicogeno sintasi costitutivamente attivo e insensibile all'inibizione per fosforilazione, così che rimane al 100 % di attività anche in presenza di forti scariche di adrenalina.

1. a) Durante una vigorosa contrazione muscolare scatenata dall'adrenalina, la glicogeno fosforilasi si attiva per fosforilazione a cascata. Prevedi in modo motivato la conseguenza metabolica immediata del fatto che entrambi gli enzimi (sintasi e fosforilasi) agiscano simultaneamente alla massima velocità e giustifica perché questo fenomeno (ciclo futile) risulta energeticamente dannoso per la cellula.
2. b) Spiega come la regolazione reciproca coordinata (mediante modificazione covalente reversibile e modulatori allosterici come AMP e ATP) evita che questo conflitto si verifichi nelle fibre muscolari normali durante il riposo e l'esercizio.

Un detrattore della teoria evolutiva afferma che la genesi e il mantenimento di esseri viventi complessi e ordinati a partire da precursori semplici è fisicamente impossibile perché contraddice il secondo principio della termodinamica, secondo cui il disordine (entropia) deve necessariamente aumentare.

1. a) Utilizzando la formulazione $\Delta S_\text{universo} = \Delta S_\text{sistema} + \Delta S_\text{ambiente} \ge 0$, confuta questo argomento distinguendo tra sistema aperto e sistema isolato, e giustifica come il catabolismo cellulare permette di compensare la diminuzione locale di entropia interna generata durante l'anabolismo.
2. b) Progetta un esperimento mentale in cui rinchiudi un animale e il suo cibo in un recipiente rigido, perfettamente ermetico e adiabatico (isolato dall'esterno rispetto a materia e calore). Prevedi il destino vitale e termodinamico del sistema con il passare del tempo e spiega perché la biosfera terrestre non subisce lo stesso collasso entropico grazie al flusso solare continuo.

Un veleno blocca l'idrolisi dell'ATP senza impedirne la sintesi. Prevedi, motivandolo, che cosa accadrà alla concentrazione cellulare di ATP, all'anabolismo, al catabolismo e ai lavori cellulari, e spiega perché la cellula finirà per morire anche se è «piena» di ATP.

Uno studente afferma: «Dato che la combustione diretta di una mole di glucosio in laboratorio e la sua ossidazione cellulare completa liberano la stessa quantità netta di energia ($\Delta G^\circ = -2870\ \text{kJ/mol}$), alla cellula vivente converrebbe bruciare il glucosio in un'unica reazione rapida per sintetizzare in un colpo solo tutto l'ATP ed evitare perdite intermedie». a) Confuta questa affermazione giustificando due ragioni citologiche o termodinamiche per cui la liberazione istantanea di tale energia sarebbe distruttiva o non praticabile per la cellula. b) Spiega il vantaggio biologico dell'ossidazione graduale e giustifica il ruolo chiave svolto da coenzimi come il $\text{NAD}^+$ e il FAD come intermediari di potenziale redox.