L’energia è la capacità di compiere un lavoro o di produrre un cambiamento.
L’energia non si crea né si distrugge: si trasforma. Vi sono diversi tipi di energia.
Vi è ad esempio l’energia potenziale che è l’energia che si ha a disposizione per
compiere un’azione.
L’energia cinetica è l’energia del
Per esempio l’acqua contenuta in
movimento, che si sprigiona per esempio
una diga contiene energia
durante la corsa.
potenziale perché è trattenuta
dalla diga.
E’ provato che prima o dopo una conversione di energia, la quantità di energia è la
stessa, ma durante il cambiamento la quantità disponibile per eseguire un lavoro
utile diminuisce sempre. Le conversioni non sono mai completamente efficienti,
perché una parte dell’energia va sempre persa sottoforma di calore, cioè il
movimento casuale di atomi e molecole. Per descrivere questo movimento casuale di
atomi e molecole gli scienziati utilizzano il termine entropia: maggiore è il disordine,
maggiore è l’entropia e quindi essi sono direttamente proporzionali.
In una reazione chimica l’energia dei legami chimici si sposta e gli atomi si dispongono
in maniera diversa formando nuovi tipi di molecole. Le sostanze di partenza, i
reagenti, interagiscono per formare nuove sostanze, i prodotti. Questa reazione
avviene spontaneamente ed emette energia sottoforma di calore. Alcune reazioni,
emettono energia, ma prima di avviarsi hanno bisogno di un iniziale apporto di
energia, il risultato complessivo è una emissione di energia. Le reazioni che emettono
energia si chiamano esoergoniche. Reazioni completamente diverse sono quelle
endoergoniche, che non si avviano spontaneamente né emettono calore. L’energia
delle reazioni endoergoniche deriva dalle reazioni esoergoniche e si parla in questo
caso di reazioni accoppiate: l’energia scaturita da una reazione esoergonica fornisce
l’energia necessaria ad una reazione endoergonica che la richiede e così via, lungo una
catena di reazioni collegate che costituiscono la catena metabolica.
L’energia emessa nel corso di una reazione esoergonica viene intrappolata in legami
chimici di una sostanza in grado di “trasportare” questa energia da una molecola
all’altra. La molecola di trasporto più comune è l’ATP (adenosina trifosfato). Le
cellule viventi sintetizzano l’ATP partendo dall’ADP (adenosina difosfato),
composto da due molecole di fosfato invece che da tre come l’ATP. Quando il
fosfato viene staccato dall’ATP, si forma l’ADP che può essere a sua volta
trasformato in AMP (adenosina monofosfato).
All’interno delle cellule la maggior parte delle trasformazioni vengono facilitate da
particolari molecole, gli enzimi, come quelli digestivi. Essi sono proteine che
fungono da catalizzatori biologici, cioè sostanze che accelerano le reazioni
chimiche senza essere modificati dalla reazione. Nelle reazioni chimiche c’è una
barriera energetica che separa i reagenti e i prodotti. Perché una coppia di
reagenti venga convertita in prodotti, i primi devono scontrarsi con forza
sufficiente a rompere i propri legami chimici e formarne di nuovi nei prodotti. Per
un istante i legami chimici nei reagenti sono distorti: questo stato intermedio non
può essere raggiunto senza un impatto molto energetico fra le molecole. Questa
condizione si definisce stato di transizione.
Alcune molecole non possiedono l’energia cinetica sufficiente per superare la
barriera energetica e si limitano a rimbalzare l’una contro l’altra. Alcune molecole,
invece, si scontrano con energia cinetica sufficiente generando lo stato di
transizione e trasformandosi in prodotti. Un’energia di impatto abbastanza grande
da spingere le molecole attraverso la barriera energetica si definisce energia di
attivazione.
La maggior parte delle reazioni metaboliche che avviene nelle nostre cellule ha
luogo anche in cellule di altri animali, piante ecc. I metodi per ricavare energia
sono due: la via aerobica e la via anaerobica. La via aerobica è un processo che
avviene solo in presenza di ossigeno, è anche definito respirazione cellulare ed è
costituito da tre fasi principali: glicolisi, ciclo di Krebs, catena di trasporto
degli elettroni.
La via anaerobica, invece, avviene in assenza di ossigeno e attraverso due fasi: la
glicolisi, già accennata, e la
fermentazione.
La fermentazione utilizza gli atomi di carbonio del piruvato ricavato dalla glicolisi
e successivamente ricicla i materiali necessari perché essa possa proseguire.
Senza la fermentazione la cellula non potrebbe neppure sfruttare la glicolisi per
produrre scarse quantità di ATP.
L’estrazione dell’energia da molecole
energetiche comincia con la scissione del
glucosio in una sequenza di reazioni definita
glicolisi. Le reazioni di glicolisi scompongono
il glucosio, che ha 6 atomi di carbonio, in due
molecole con 3 atomi di carbonio, il piruvato.
La scissione del glucosio rende disponibili
elettroni ricchi di energia e ioni idrogeno.
Questi elettroni e ioni idrogeno vengono
trasferiti a una speciale molecola
trasportatrice di elettroni. Le fasi della
glicolisi si svolgono nel citoplasma della
cellula e vengono facilitate dagli enzimi in
esso disciolti. Per ciascuna molecola di
glucosio scissa durante la glicolisi si ha un
guadagno netto di 2 ATP e 2 molecole di
piruvato. Una volta prodotti, gli ATP possono
quindi muoversi attraverso il citoplasma; le
molecole di piruvato lasciano invece il
citoplasma ed entrano nell’organulo cellulare
detto
mitocondrio
Le cellule molto attive contengono un gran numero di organuli a forma di fagiolo, i
mitocondri. Essi sono formati da due membrane: la membrana esterna è immersa
direttamente nel citoplasma cellulare ed è perforata da grandi pori attraverso i
quali possono passare molecole delle dimensioni di piccole proteine; la membrana
interna è ripiegata in estroflessioni dette creste mitocondriali.
In tutti gli eucarioti la membrana
interna del mitocondrio è molto
meno permeabile di quella
esterna; pertanto, la zona
racchiusa dalla membrana
interna, detta matrice, è un
comparto ben isolato dal resto
della cellula. La matrice contiene
diverse copie della molecola
circolare del DNA mitocondriale
e centinaia di ribosomi
mitocondriali. All’interno del
mitocondrio il piruvato formatosi
dopo la glicolisi viene utilizzato
nella successiva fase aerobica: il Ciclo di Krebs.
Il ciclo di Krebs è una serie di
reazioni chimiche che avviene
all’interno dei mitocondri e scompone
il piruvato in anidride carbonica e
acqua. Nel corso di diverse fasi gli
atomi di carbonio del piruvato vengono
scissi, uno alla volta, e liberati sotto
forma di anidride carbonica. Nella
matrice del mitocondrio gli enzimi
scindono il piruvato in una molecola di
anidride carbonica più un residuo a
due atomi di carbonio. Gli enzimi nel
ciclo di Krebs uniscono questa
porzione bicarboniosa a una sostanza
a quattro atomi di carbonio, per
formare una molecola a sei carboni.
Il risultato finale è che il ciclo di
Krebs converte tutti gli atomi di
carbonio del glucosio originario in
anidride carbonica e immagazzina
l’energia in trasportatori di elettroni.
Successivamente si passa all’ultima
fase della via aerobica:
La catena di trasporto degli elettroni.
Sempre all’interno del mitocondrio,
dal ciclo di Krebs, vengono caricate di
elettroni otto molecole trasportatrici
di elettroni per ogni molecola iniziale
di glucosio. Questi trasportatori si
spostano alla catena di trasporto
degli elettroni, un gruppo di enzimi e
molecole di pigmenti incastonati nelle
creste mitocondriali. Per ogni
molecola iniziale di glucosio entrato
nella glicolisi la catena di trasporto
degli elettroni produce un numero di ATP incredibilmente alto: 32.
La catena di trasporto degli elettroni è la fase finale della via aerobica in cui
viene effettivamente utilizzato l’ossigeno, in quanto ultimo accettore di
elettroni della catena. Quando gli elettroni vengono aggiunti agli atomi di
ossigeno l’idrogeno e l’ossigeno si combinano formando acqua, sottoprodotto
della respirazione aerobica.
La fotosintesi clorofilliana è un processo che avviene nelle piante, e grazie al
quale si ricava energia attraverso la luce solare.
Anidride carbonica + Acqua + Luce
Glucosio + Ossigeno
C6H12O6 + O2
CO2 + H2O + Luce
Il percorso della fotosintesi comincia quando
la luce del sole irradia una pianta. Una parte
dell’energia colpisce la clorofilla o altre
molecole di pigmenti colorati dei cloroplasti
e ne resta intrappolata, spingendo gli
elettroni nei pigmenti verso livelli di maggior
energia. Gli elettroni lasciano la clorofilla e
fluiscono lungo una catena di trasporto di
elettroni molto simile a quella della
membrana mitocondriale.
Essi poi liberano gradualmente la propria
energia -come avviene nel mitocondrio- e
questa energia viene poi immagazzinata nei
legami chimici dell’ATP.
Gli atomi di idrogeno della molecola dell’acqua restano nel cloroplasto, mentre
l’ossigeno viene liberato nell’atmosfera. Tali eventi costituiscono la prima fase
della fotosintesi, cioè la fase luminosa o di cattura dell’energia.
L’ATP e i trasportatori di elettroni prodotti dalle reazioni che catturano l’energia
forniscono l’energia necessaria per la seconda fase della fotosintesi, la fase
oscura o di fissazione del carbonio, detto anche ciclo di Calvin-Benson.
Le reazioni possono avvenire sia di giorno sia di notte. Durante le reazioni di
fissazione del carbonio un enzima presente nello stroma del cloroplasto dapprima
aggiunge anidride carbonica presa dall’aria a una sostanza a 5 atomi di carbonio
precedentemente formata, elaborando una sostanza a 6 atomi di carbonio che si
scinde immediatamente in due composti tricarboniosi. Poi i cloroplasti
trasferiscono l’energia alle sostanze tricarboniose appena prodotte. Alcune delle
nuove molecole tricarboniose vengono unite e risistemate per rigenerare le
molecole di partenza originarie del ciclo, mentre altre possono essere dirottate in
molecole di carboidrati che immagazzinano l’energia.
I trasportatori di elettroni ricchi di energia e la sostanza a tre atomi di carbonio
piruvato sono i prodotti finali della glicolisi. La seconda fase della via anaerobica,
la fermentazione, modifica il piruvato in assenza di ossigeno. Gli enzimi si trovano
nel citoplasma e pertanto questo processo avviene nel liquido citoplasmatico. A
seconda dell’organismo, però, la fermentazione converte il piruvato in vari prodotti
finali, come l’etanolo (il comune alcol etilico) e l’anidride carbonica oppure in acido
lattico. Anche le cellule dei nostri muscoli producono acido lattico durante
l’esercizio anaerobico.
Di per sé la fermentazione non
produce ATP.
Le reazioni di fermentazione
riciclano la molecola
trasportatrice degli elettroni
necessaria per la glicolisi in modo
tale che quest’ultimo possa
continuare più volte.
Quando i livelli di ATP si accumulano, questo si lega a uno speciale sito di
regolazione su uno specifico enzima. Questo legame blocca l’attività enzimatica
che spegne tutta la via glicolitica.
Se la cellula ha già i livelli elevati di ATP è sufficiente la presenza della stessa
molecola per interromperne la produzione. Poi, quando i livelli di ATP scendono,
l’ATP legato lascia il macchinario enzimatico e la catena di smontaggio della
glicolisi riparte. Questo tipo di regolazione metabolica si definisce inibizione
per retroazione o feed-back negativo.
A cura di:
Raffaele Perlingieri
Lorenzo Ricci
Francesco Maugeri
della classe II C dell’Istituto Superiore Scientifico Mercalli