Metabolismo: definizione, storia, processi catabolici - Guida completa

Ultimo aggiornamento: 23 Luglio 2021

Il metabolismo è, per definizione, il complesso di reazioni biochimiche di sintesi ( anabolismo ) e di degradazione ( catabolismo ), che si svolgono in ogni organismo vivente e che ne determinano l’accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento.

Indice

Introduzione al metabolismo

L’energia necessaria al corpo umano allo svolgimento delle sue funzioni proviene dalle molecole nutritive che sono state scomposte, in un processo chiamato metabolismo (metabolismus, der. del gr. metabolḗ ‘mutazione’).

Il metabolismo comprende due fasi principali: anabolismo (costruzione, chiamata anche biosintesi) e catabolismo (scomposizione), che è il processo attraverso il quale i nutrienti vengono scomposti e utilizzati a scopo energetico.

La natura delle reazioni cataboliche, ovvero la base da cui l’organismo produce energia, differisce da organismo a organismo ed è descrittiva dell’organismo stesso:

Litotrofo: organismo che utilizza composti inorganici come fonte di elettroni nel metabolismo energetico
Autotrofo: organismo in grado di sintetizzare le proprie molecole organiche a partire da sostanze inorganiche
Organotrofo: organismo che utilizza fonti organiche a scopo di produzione energetica
Fototrofo: organismo che sfrutta la luce del sole come energia chimica
Eterotrofo: organismo che utilizza i composti organici come fonte di energia (i composti non sono sintetizzati dall’organismo, ma ottenuti attraverso il cibo).

Le reazioni comuni di base nel catabolismo includono reazioni di ossidoriduzione (redox) che implicano il trasferimento di elettroni da molecole donatrici ridotte, come molecole organiche, acqua, ammoniaca, idrogeno solforato o ioni ferrosi, a molecole accettrici, come ossigeno, nitrato o solfato.

Negli esseri umani e negli animali (organismi eterotrofi), le reazioni di ossidoriduzione coinvolgono molecole organiche complesse che vengono scomposte in molecole più semplici, come il biossido di carbonio e l’acqua.

In organismi fotosintetici come piante e cianobatteri (fototrofi), queste reazioni di trasferimento di elettroni non rilasciano energia. Queste reazioni aiutano solo a immagazzinare l’energia assorbita dalla luce solare.

Cenni Storici

Il metabolismo e i processi che lo determinano sono oggetto di studio da diversi secoli e si sono evoluti dall’esame di animali interi nei primi studi, all’esame delle reazioni metaboliche individuali nella biochimica moderna e nella biologia molecolare.

I primi studi sul metabolismo

Studi metabolici furono condotti già nel XIII secolo da Ibn al-Nafis (1213-1288), il quale affermava che “il corpo e le sue parti si trovano in uno stato continuo di dissoluzione e nutrimento, quindi sono inevitabilmente sottoposti a cambiamenti permanenti”.

I primi studi documentati e condotti con metodo scientifico iniziarono negli ultimi decenni del XVI secolo. Fu durante questo periodo che l’osservazione diretta fu migliorata da una strumentazione che consentiva la quantificazione e, quindi, la verifica dei processi vitali, in particolare nei sistemi biologici. In medicina, il progresso fu favorito dall’applicazione della chimica, della matematica e della fisica.

Santorio Santorio (1561-1636) contribuì alla ricerca sul metabolismo studiando la traspirazione. La sua opera, frutto di anni di sperimentazione, ha dato origine agli studi sul bilancio metabolico. I primi esperimenti controllati nel metabolismo umano furono pubblicati da Santorio Santorio nel 1614 nel volume: “Ars de statica medecina“. Nei suoi esperimenti, pesava se stesso prima e dopo aver mangiato, dormito, lavorato, fatto sesso, digiunato, bevuto ed defecato. Scoprì che la maggior parte del cibo che assumeva era disperso in quello che chiamava “insensibile traspirazione”.

Curiosità: Santorio Santorio è considerato l’inventore della bilancia pesapersone.

Gli studi iniziali sul metabolismo furono condotti su animali vivi o su volontari umani: i meccanismi di questi processi metabolici non erano ancora stati identificati e la convizione diffusa era che esistesse una “forza vitale” che animava il tessuto vivente.

XIX e XX secolo

Nel XIX secolo, Louis Pasteur, sperimentando la fermentazione del lievito da zucchero ad alcool, notò che la fermentazione era catalizzata da sostanze all’interno delle cellule di lievito che battezzò: “fermenti”.

Questa scoperta, insieme alla pubblicazione di Friedrich Wöhler del 1828 sulla sintesi chimica dell’urea, gettò le basi per lo studio dei composti organici e delle reazioni chimiche rilevate nelle cellule che compongono le vie metaboliche.

Eduard Buchner, all’inizio del XX secolo, portò ulteriormente in avanti la conoscenza del metabolismo scoprendo gli enzimi. Scoprì che lo studio delle reazioni chimiche del metabolismo era un ramo diverso dallo studio biologico delle cellule e iniziò a gettare le basi per la comprensione della biochimica.

L’inizio del XX secolo vide un rapido sviluppo negli studi biochimici. I risultati più importanti furono la scoperta del ciclo dell’acido citrico da parte di Hans Krebs, che diede un enorme contributo allo studio del metabolismo. Scoprì il ciclo dell’urea e, in seguito, lavorando con Hans Kornberg, il ciclo dell’acido citrico e il ciclo del gliossilato.

Oggi

Il metabolismo è ora studiato con l’aiuto di tecniche di biotecnologia molecolare e genomica (branca della genetica che studia la struttura, il contenuto, la funzione ed evoluzione del genoma umano). Vengono comunemente usati strumenti come la cromatografia, la diffrazione ai raggi X, la spettroscopia NMR, l’etichettatura dei radioisotopi, microscopi elettronici e simulazioni di dinamica molecolare. Queste tecniche hanno permesso la scoperta e l’analisi dettagliata dei processi metabolici e le basi genetiche dei disordini metabolici.

Gli studi degli ultimi due secoli hanno aiutato la moderna scienza del metabolismo a compiere passi avanti nella comprensione del metabolismo dei farmaci e del metabolismo degli xenobiotici.

Energia attraverso la nutrizione

Negli esseri umani, l’energia viene prodotta attraverso i grassi, i carboidrati e le proteine del cibo.

Delle tre molecole organiche, il grasso è la fonte di energia più concentrata perché ne fornisce più del doppio, a parità di peso, rispetto a proteine e carboidrati.

Il fabbisogno energetico è normalmente espresso calorie o kilocalorie. Una kilocaloria (kcal) è la quantità di energia termica richiesta per innalzare la temperatura di un chilogrammo di acqua di un grado Celsius. Il grasso fornisce la maggior energia per massa, a 9 kcal/g, seguita da proteine e carboidrati (4 kcal/g) e carboidrati idrati (1,3 kcal/g).

Le reazioni di ossidoriduzione scompongono i lipidi in acidi grassi, le proteine in amminoacidi e i carboidrati in glucosio.

Metabolismo Basale (MB o BMR)

Il metabolismo basale (BMR, Basal Metabolic Rate) è, per definizione, il calore eliminato dal corpo a riposo quando la temperatura è normale. In altre parole, è la quantità di energia minima necessaria ad un organismo vivente, in condizioni di riposo, per espletare le funzioni vitali come la respirazione, il battito cardiaco, la digestione, la crescita di peli e unghia ecc.

Un adulto di corporatura media richiede 2.000-2.400 calorie al giorno, mentre un uomo di stazza superiore, che fa lavori pesanti, può richiedere fino a 6.000 calorie al giorno. I bisogni energetici dei bambini variano molto in base alla loro età, statura, corporatura e attività fisiche svolte.

Calcolo del metabolismo basale

Esistono diverse formule per calcolare il proprio metabolismo basale, che forniscono risultati più o meno precisi e accurati.

Quella che segue, tra le più semplici da computare, è la formula suggerita dalla FAO

Età	Donna	Uomo
< 3	(P x 16.24) + (H x 1022) – 413	(P x 0.167) + (H x 1517) – 616
3-9	(P x 16.96) + (H x 162) + 370	(P x 19.59) + (H x 131) + 416
10 -17	(P x 8.36) + (H x 466) + 201	(P x 16.2) + (H x 136) + 516
18- 29	(P x 14.7) + 496	(P x 15.3) + 679
30 – 59	(P x 8.7) + 829	(P x 11.6) + 879
60 – 74	(P x 9.2 )+ 688	(P x 11.9) + 700
> 75	(P x 9.8) + 624	(P x 8.4) + 819

Fonte: http://www.fao.org/3/y5686e/y5686e07.htm

Ad esempio, un uomo di 35 anni, che pesa 70 kg, dovrà fare il seguente calcolo: MB = (70 x 11.6) + 879 = 1691 Kcal / giorno.

Fabbisogno Calorico giornaliero

Spesso confuso con il metabolismo basale, il Fabbisogno Calorico Giornaliero (FCG, oppure TEE, Total Energy Expenditure) rappresenta il quantitativo di energia di cui l’organismo necessita per mantenere il metabolismo basale e le attività quotidiane del soggetto.

Negli adulti il metabolismo basale incide sul fabbisogno calorico in percentuale variabile tra il 45% e il 70%.

Per semplificare il calcolo del FCG, L’OMS indica tre moltiplicatori del valore del metabolismo basale, detti PAL – Physical Activity Level– che identificano l’attività fisica svolta dal soggetto:

Sedentario / lieve attività fisica (x 1.53)
Normale / attività fisica moderata (x 1.76)
Vigoroso / intensa attività fisica (x 2.25)

Per calcolare il proprio fabbisogno calorico giornalieri, è necessario moltiplicare il MB per il coefficiente corrispondente al proprio livello di attività fisica.

Riconducendoci all’esempio prima fatto, l’FCG dell’uomo di 35 anni del peso di 70 kg, il cui MB calcolato è 1691 Kcal / giorno e di cui ipotizzeremo un’intensa attività fisica:

FCG = MB x 2.25 = 1691 x 2.25 = 3084,75

I processi catabolici

Entrambe le fasi del metabolismo, catabolismo e anabolismo, devono verificarsi contemporaneamente perché il catabolismo fornisce l’energia necessaria affinché possa avvenire anabolismo.

L’ATP (adenosina trifosfato) è la molecola energetica che trasferisce l’energia chimica nelle cellule umane. In generale, l’energia per sintetizzare le molecole di ATP deve essere ottenuta dalle molecole del cibo. L’ATP è principalmente sintetizzato nei mitocondri delle cellule, con alcuni ATP aggiuntivi sintetizzati nel citoplasma.

Il ciclo ATP-ADP: L’adenosina trifosfato (ATP) è una sostanza chimica organica che fornisce energia alle cellule. L’adenosina difosfato (ADP) è un composto organico per il metabolismo cellulare (immagine: Quora)

Il catabolismo può essere suddiviso in tre fasi principali:

Digestione

Nel tratto digestivo umano, le molecole organiche (proteine, lipidi, carboidrati) vengono scomposte nei loro componenti più piccoli (rispettivamente in acidi grassi, aminoacidi e glucosio) al di fuori della cellula da enzimi digestivi, come le idrolasi glucoside per i carboidrati e la pepsina per le proteine.

Rilascio di energia

I componenti più piccoli vengono trasferiti nelle cellule da proteine di trasporto attivo e convertiti in molecole più piccole, tipicamente acetil coenzima A (acetil CoA), che rilascia energia. Nel citoplasma, il glucosio viene ulteriormente trasformato in piruvato, che provoca la sintesi di due molecole di ATP. Nell’uomo queste piccole molecole vengono trasportate attraverso i tessuti del sistema digestivo in tessuti circolatori, quindi distribuiti in tutto il corpo dove sono necessari per produrre energia.

Produzione di ATP

Nel ciclo dell’acido citrico (detto anche ciclo di Kreb o TCA), il gruppo acetilico di CoA viene ossidato in acqua e anidride carbonica. L’energia liberata da questo viene immagazzinata nell’ATP mediante riduzione del co-enzima adenindinucleotide (NAD +) nell’NADH nella catena di trasporto degli elettroni. Questo processo è chiamato fosforilazione ossidativa e rilascia anidride carbonica come prodotto di scarto.

Le diverse molecole organiche forniscono varie quantità di ATP. Ogni molecola di acido grasso rilascia oltre 100 molecole di ATP e ogni molecola di amminoacidi rilascia circa 40 molecole di ATP.

Gli amminoacidi vengono ossidati a chetoacidi mediante rimozione del gruppo amminico, che viene alimentato nel ciclo dell’urea. È quindi il chetoacido che entra nel ciclo dell’acido citrico e contribuisce alla produzione di ATP.

Quando non c’è ossigeno (condizioni anaerobiche), viene prodotto meno ATP. Il ciclo della glicolisi produce lattato, attraverso l’enzima lattato deidrogenasi, che ri-ossida NADH in NAD + per il riutilizzo in glicolisi. I grassi possono essere suddivisi in glicerolo, che entra in glicolisi.

Biomolecole chiave

Le proteine, i carboidrati e i grassi sono fonti importanti per le reazioni cataboliche, ma sono necessarie anche per altre funzioni del corpo. Anche i minerali sono importanti a fini metabolici.

Proteine

Le proteine sono fatte di aminoacidi. Durante il processo di sintesi proteica, gli aminoacidi sono collegati in lunghe catene chiamate catene polipeptidiche. Queste sono unite da legami peptidici. Le catene polipeptidiche subiscono ulteriori modifiche per formare proteine

Alcune proteine sono utilizzate per formare la struttura delle cellule e dei tessuti, mentre molti altre sono enzimi che catalizzano varie reazioni chimiche nel corpo. Le proteine sono anche importanti nei segnali cellulari, nelle risposte immunitarie, nell’adesione cellulare, nel trasporto attivo attraverso le membrane e nel ciclo cellulare.

I coenzimi sono sostanze organiche non proteiche (come minerali o metalli) che mediano diverse reazioni chimiche nelle vie metaboliche del corpo. Inoltre, aiutano anche nel trasferimento di energia. Un coenzima fondamentale è l’adenosina trifosfato (ATP), la “valuta energetica” delle cellule. C’è solo una piccola quantità di ATP nelle cellule, ma viene continuamente rigenerata. Altri coenzimi sono la nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), un derivato della vitamina B3 che agisce come un accettore di idrogeno.

Centinaia di diversi tipi di deidrogenasi rimuovono gli elettroni dai loro substrati e riducono l’NAD+ in NADH. Questa forma ridotta del coenzima è quindi un substrato per una qualsiasi delle riduttasi nella cellula che deve ridurre i substrati. L’NADH esiste in due forme correlate nella cellula: NADH e NADPH. La forma NAD + / NADH è più importante nelle reazioni cataboliche, mentre la forma NADP + / NADPH è utilizzata nelle reazioni anaboliche.

Carboidrati

I carboidrati costituiscono la fonte fondamentale di energia nel corpo.

I carboidrati sono aldeidi a catena lineare o chetoni con gruppi ossidrile che possono esistere come catene o anelli diritti. Abbondanti in natura, svolgono diversi ruoli negli organismi viventi. Possono essere convertiti in glicogeni e utilizzati come fonti di energia di accumulo, come componenti strutturali (cellulosa nelle piante, chitina negli animali) e come fonte diretta di energia (glucosio).

Lipidi

I lipidi (grassi) sono importanti sostanze biochimiche estremamente versatili che svolgono molteplici funzioni nel corpo.

Formano la parte strutturale delle membrane biologiche, come la membrana cellulare, o sono usate come fonte di energia. I grassi sono un grande gruppo di composti che contengono acidi grassi e glicerolo.

I lipidi rappresentano una fondamentale riserva energetica per animali; in grado di liberare una grande quantità di calorie per unità di massa sono il substrato energetico ideale per le cellule. Sono classificati in Lipidi Semplici (trigliceridi, cere e Terpeni), Steroidi e Lipidi Complessi (fosfolipidi e glicolipidi).

Nucleotidi

I nucleotidi aiutano nella formazione del DNA e dell’RNA. Il DNA e l’RNA sono lunghe catene di nucleotidi essenziali per la conservazione e l’uso di informazioni genetiche. L’RNA e il DNA codificano anche per la sintesi proteica. Inoltre, i nucleotidi possono agire come coenzimi nelle reazioni di trasferimento del gruppo metabolico.

Cofattori e minerali nel metabolismo

I composti organici (proteine, lipidi e carboidrati) contengono la maggior parte del carbonio e dell’azoto nell’uomo, mentre la maggior parte dell’ossigeno e dell’idrogeno è presente sotto forma di acqua.

Ci sono diversi minerali e vitamine che svolgono ruoli critici nel metabolismo. Comune e abbondante tra questi sono sodio e potassio. Altri importanti minerali includono calcio, fosforo, ferro, ioni cloruro, rame, zinco, fluoro, iodio e magnesio. I micronutrienti metallici vengono assorbiti negli organismi da specifici trasportatori.

I cationi agiscono spesso da cofattori strettamente legati a una specifica proteina. I cofattori enzimatici possono essere modificati durante la catalisi, ma i cofattori tornano sempre al loro stato originale dopo la catalisi.

Termodinamiche del Metabolismo

I processi metabolici sono reazioni chimiche che implicano la generazione di calore. Il metabolismo cellulare fa andare d’accordo i processi spontanei del catabolismo con i processi non-spontanei di anabolismo. In termini termodinamici, il metabolismo mantiene l’equilibrio.

Le reazioni chimiche sono classificate come esergoniche o endergoniche. Ciò significa che una reazione può rilasciare energia utile per il lavoro (una reazione esergonica) o richiedere energia per procedere (una reazione endergonica). La produzione di ATP durante il catabolismo è quindi esergica, mentre l’anabolismo è una reazione endergonica.

Controllo del Metabolismo

Le vie metaboliche sono complesse e interdipendenti. Con condizioni dell’organismo che cambiano costantemente, le reazioni del metabolismo devono essere finemente regolate per mantenere il sistema costantemente in equilibrio all’interno delle cellule: questa condizione di stabilità è chiamata omeostasi (dal greco ὅμοιος+στάσις, “simile posizione“) . Il controllo delle vie metaboliche consente inoltre agli organismi di rispondere ai segnali e interagire con i loro ambienti.

Livelli di regolazione metabolica

Esistono più livelli di regolazione metabolica. Per la regolazione intrinseca delle vie metaboliche, le reazioni si autoregolano per rispondere ai cambiamenti nei livelli di substrati o prodotti. Ad esempio, una diminuzione della quantità di prodotto può aumentare la via metabolica. Questo è chiamato meccanismo di feedback.

Il controllo estrinseco coinvolge la cellula in un organismo multicellulare che cambia il suo metabolismo in risposta a segnali provenienti da altre cellule. I segnali si avvicinano ai percorsi attraverso messaggeri solubili, come ormoni e fattori di crescita. Ad esempio, l’insulina ormonale proveniente dalle cellule beta del pancreas viene prodotta in risposta all’aumento dei livelli di glucosio nel sangue. Il legame dell’ormone ai recettori dell’insulina sulle cellule attiva quindi la chinasi proteica, che induce le cellule a prendere il glucosio e convertirlo in molecole di stoccaggio, come acidi grassi e glicogeno.

Regolazione del metabolismo dei carboidrati

L’omeostasi del glucosio richiede un’interazione estremamente complessa delle vie metaboliche, ma è vitale per gli organismi viventi. Questi processi aumentano o diminuiscono la concentrazione di glucosio nel sangue ma funzionano insieme per mantenere un livello ottimale.

Il glucosio è derivato dai carboidrati introdotti con la dieta. Il carboidrato viene scomposto zuccheri semplici: glucosio, fruttosio e galattosio. Questi zuccheri vengono assorbiti nell’intestino e trasportati al fegato. Successivamente il fegato converte il fruttosio e il galattosio in glucosio. L’aumento dei livelli di glucosio nel sangue stimola il rilascio di insulina dalle cellule beta delle isole di Langerhans che si trovano nel pancreas.

L’insulina è l’unico ormone che riduce i livelli di glucosio nel sangue, e lo fa attivando i meccanismi di trasporto del glucosio e le vie metaboliche che utilizzano il glucosio in diversi tessuti del corpo. Pertanto, l’insulina livella verso il basso i percorsi di formazione del glucosio.

L’insulina stimola l’assorbimento del glucosio (da parte del muscolo e del tessuto adiposo), la glicolisi, la glicogenesi (formazione di glicogeno dal glucosio libero) e la sintesi proteica. Per contro, l’insulina inibisce la gluconeogenesi (formazione di glucosio da acidi grassi, ecc.), La lipolisi (rottura degli acidi grassi), la proteolisi (rottura delle proteine) e la chetogenesi (formazione di corpi chetonici).

Disordini e manipolazione del metabolismo

I processi metabolici sono complessi e spesso interdipendenti. Qualsiasi cambiamento nelle vie metaboliche può dare origine a disturbi complessi. Ad esempio, lo squilibrio dell’omeostasi del glucosio e il metabolismo dei carboidrati è legato al diabete. Questo rende l’indagine delle vie metaboliche e la loro manipolazione importante nella diagnosi clinica e nella gestione delle patologie associate ai disordini del metabolismo.

Indagini sui processi metabolici e disturbi associati al metabolismo

Uno degli strumenti più efficaci per analizzare le vie metaboliche è la valutazione dei prodotti finali di un processo metabolico. Ad esempio, nel diabete mellito vi è una carenza dell’insulina ormonale che mantiene il normale livello di zucchero nel sangue e la valutazione dello zucchero nel sangue dopo un digiuno (dopo 8-10 ore di assenza di cibo) e dopo aver consumato cibo (2 ore dopo l’assunzione del cibo) è un prezioso aiuto per la diagnosi.

Altri metodi con cui le vie metaboliche possono essere investigate nella ricerca (ma non -ancora- nel corso di un’indagine clinica su un paziente) sono l’uso di traccianti radioattivi o studi metabolomici. I traccianti radioattivi possono aiutare a definire i percorsi dai precursori ai prodotti finali identificando dei marcatori radioattivi. Una volta valutate le sostanze chimiche marcate, gli enzimi che catalizzano queste reazioni chimiche possono essere purificati e la loro cinetica e le risposte agli inibitori possono essere studiate. Gli studi metabolomici possono fornire informazioni sulla struttura e la funzione di semplici percorsi metabolici. Tuttavia, questi studi possono essere inadeguati se applicati a sistemi più complessi, come il metabolismo di una cellula completa. Questo perché le reti metaboliche all’interno della cellula contengono migliaia di enzimi diversi e reti complesse. I genomi rivelano che ci sono circa 45000 geni che possono essere codificati come enzimi e altri cofattori all’interno delle vie metaboliche.

Manipolazione delle vie metaboliche

Dall’avvento degli studi genomici, sono state sviluppate tecniche di manipolazione dell’espressione genica partendo da microarray di DNA e dalla proteomica. Molti dei disordini metabolici congeniti sono stati trattati con la terapia genica e la manipolazione di geni che codificano per enzimi e proteine difettose nelle vie metaboliche.

Usando la genetica, è stato ora prodotto un modello del metabolismo umano che guiderà la la ricerca biochimica e la futura scoperta di farmaci. Questi modelli vengono ora utilizzati per classificare le malattie umane in gruppi che condividono proteine o metaboliti comuni.

L’ingegneria metabolica è l’alterazione mirata delle vie metaboliche presenti in un organismo. Questo aiuta a comprendere e utilizzare i percorsi cellulari per la trasformazione chimica, la trasduzione di energia e l’assemblaggio supramolecolare. L’ingegneria metabolica trae i principi dall’ingegneria chimica, dalle scienze computazionali, dalla biochimica e dalla biologia molecolare per progettare e analizzare i percorsi. L’ingegneria metabolica utilizza organismi come lievito, piante o batteri geneticamente modificati per renderli più utili nelle biotecnologie e aiutare la produzione di farmaci, come antibiotici o prodotti chimici industriali 1,3-propanediolo e acido shikimico. Queste modifiche mirano a ridurre la quantità di energia utilizzata per produrre il prodotto, aumentando le rese e riducendo la produzione di rifiuti.

Evoluzione del metabolismo

Le vie metaboliche includono diverse reazioni molecolari e chimiche lunghe e complesse che sono state conservate nel corso dell’evoluzione. Anche i microrganismi più semplici condividono alcune vie metaboliche comuni con organismi complessi come gli umani.

La conservazione di questi antichi percorsi può essere il risultato di queste reazioni come soluzione ottimale a particolari problemi metabolici. Ad esempio, la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico producono i loro prodotti finali in modo altamente efficiente e in un numero minimo di passaggi. Questa ‘economia’ e la ricerca di processi ottimali hanno portato all’evoluzione di queste reazioni nel tempo.

Evoluzione del ciclo dell’acido citrico

L’origine evolutiva del ciclo dell’acido citrico è stata a lungo un caso esemplificativo nella comprensione dell’origine e dell’evoluzione delle vie metaboliche. Sebbene le fasi chimiche del ciclo siano preservate intatte in tutta la natura, i diversi organismi fanno un uso diversificato della sua chimica. In alcuni casi, gli organismi usano solo parti selezionate del ciclo.

Più di un’ipotesi è stata proposta per spiegare l’evoluzione delle vie metaboliche. Questi includono l’aggiunta sequenziale di nuovi enzimi a percorsi molto più precoci, così come il reclutamento di enzimi preesistenti e il loro assemblaggio in una nuova via di reazione.

Studi genomici hanno dimostrato che gli enzimi in un percorso hanno probabilmente una discendenza condivisa, suggerendo che molti percorsi si sono evoluti in modo graduale. Lungo lo sviluppo dei percorsi, sono state create nuove funzioni da passaggi preesistenti nel percorso.

Un’ipotesi alternativa deriva da studi che tracciano l’evoluzione delle strutture delle proteine nelle reti metaboliche. Questo dimostra che gli enzimi vengono reclutati pervasivamente. Questo processo di reclutamento si traduce in un mosaico enzimatico evolutivo.

Esiste anche la possibilità che alcune parti del metabolismo possano esistere come “moduli” che possono essere riutilizzati in percorsi diversi ed eseguire funzioni simili su diverse molecole. Inoltre, alcune delle funzioni e parti dei percorsi che non sono essenziali per la sopravvivenza sono persi nel tempo.