Mentre la respirazione può essere infatti rappresentata come la semplice “combustione” dei carboidrati per favorire la formazione di anidride carbonica e acqua, la cellula non può permettersi di rilasciare tutta l’energia chimica immagazzinata in carboidrati in un unico passaggio, poiché danneggerebbe irreversibilmente l’intricato equilibrio e l’omeostasi del organismo.
Invece, i nutrienti vengono prima digeriti e poi assimilati dal nostro organismo, subendo il metabolismo nel citoplasma, con i loro prodotti finali che vengono trasportati nei mitocondri, per partecipare al ciclo di Kreb, noto anche come “ciclo dell’acido citrico”.
Qui, l’energia chimica nelle molecole organiche viene rilasciata gradualmente, attraverso l’ossidazione graduale al biossido di carbonio. Il processo genera anche un numero di elettroni ad alta energia, che sono imbrigliati da speciali molecole chiamate “portatori di elettroni”. I più comuni portatori di elettroni associati alla fosforilazione ossidativa sono la nicotinammide adenina dinucleotide (NAD) e la flavina adenina dinucleotide (FAD). Quando NAD + e FAD accettano gli elettroni, diventano agenti riducenti, in grado di trasferire questi elettroni a molecole che hanno un’alta affinità, per loro.
La fosforilazione ossidativa inizia con l’ossidazione degli agenti riducenti. L’energia degli elettroni rilasciati da queste due molecole viene imbrigliata in modo graduale e utilizzata per creare un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna negli eucarioti. Questo gradiente protonico alimenta quindi la formazione di ATP da ADP. L’ultimo accettore di questi elettroni ad alta energia è l’ossigeno e quindi la fosforilazione ossidativa genera sia ATP che acqua.
Fosforilazione ossidativa e riserve di energia
ATP ha tre gruppi di fosfati in stretta prossimità fisica l’uno con l’altro. L’aggiunta di ogni gruppo di fosfati deve essere accoppiata con qualche altra reazione di rilascio di energia o esergonica, poiché la repulsione naturale tra i gruppi fosfato carichi negativamente, deve essere superata.
Una volta che ATP si forma, diventa un pronto accumulo di energia, poiché il legame terminale del fosfato può essere rapidamente idrolizzato per alimentare qualche altro processo all’interno della cellula. Questo fa sì che ATP si comporti come una sorta di riserva energetica della cellula.
La presenza di ATP consente alla cellula di garantire le attività di respirazione, immagazzinazione dell’energia temporanea nei legami ad alta energia della molecola e l’utilizzo in luoghi e in punti diversi nel tempo. Senza ATP, ogni singola reazione endergonica (cioè, che richiede energia) dovrebbe essere accoppiata nel tempo e nello spazio con l’ossidazione dei nutrienti, limitando gravemente la complessità possibile all’interno di un organismo vivente. L’importanza di tale meccanismo è sottolineato dal fatto che ATP si trova in tutte le cellule viventi.
Come avviene la conversione di energia
La fonte di energia originale per quasi l’intera biosfera è rappresentata dalle reazioni nucleari all’interno del sole. Dalle piante e altri autotrofi, ai protozoi monocellulari e ai più grandi mammiferi, l’energia per sostenere la vita deriva dal sole, attraverso una serie di conversioni energetiche.
Negli autotrofi, la radiazione solare viene prima utilizzata per generare elettroni ad alta energia, che vengono poi utilizzati per pompare i protoni contro il loro gradiente di concentrazione, creando una forza motrice protonica attraverso una membrana. L’energia potenziale in tale gradiente elettrochimico viene incanalata per generare ATP, il che, a sua volta, facilita la formazione di complesse macromolecole. I nutrienti creati dagli autotrofi vengono consumati dagli eterotrofi, digeriti e quindi metabolizzati all’interno delle loro cellule.
L’energia chimica del legame in queste molecole si comporta come un sistema di immagazzinamento dell’energia inizialmente sfruttata dal sole. Quando i nutrienti sono ossidati, l’energia del legame viene rilasciata, sia come ATP che come elettroni ad alta energia. In un processo parallelo alle reazioni iniziali all’interno dei cloroplasti, questi elettroni sono utilizzati per creare gradualmente un gradiente elettrochimico che, ancora una volta, alimenta la formazione di ATP. ATP è ripetutamente generata e utilizzata per sostenere i processi viventi dell’organismo.
L’energia proveniente dal sole, quindi, viene trasmutata da una forma all’altra, come l’energia negli elettroni, l’energia potenziale nei gradienti dei protoni e l’energia di legame delle macromolecole.
