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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.

Per esempio l’acqua contenuta in

una diga contiene energia

potenziale perché è trattenuta

dalla diga.

L’energia cinetica è l’energia del

movimento, che si sprigiona per esempio

durante la corsa.


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

CO2 + H2O + Luce C6H12O6 + O2

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

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