Le trasformazioni dell’energia che hanno luogo all’interno delle cellule, sono tutte reazioni di carattere chimico.
Due tipi di reazioni che si verificano sono di carattere:
- endoergonico – richiedono un apporto di energia
- esoergonico – liberano energia.
Ogni cellula compie continuamente migliaia di queste reazioni il cui insieme, costituisce il metabolismo cellulare.
La “connessione” tra le reazioni esoergoniche e quelle endoergoniche avviene per mezzo di molecole denominate ATP (adenosina trifosfato).
La molecola di ATP è composta da una “fonte” di azoto (adenina); una di zucchero (ribosio) e tre gruppi di atomi di fosfato (contenenti fosforo) interconnessi, che catalizzano l’energia necessaria alla sopravvivenza della cellula.
Il distacco del legame molecolare da parte del terzo gruppo fosfato dal secondo, favorisce il rilascio di energia e trasforma l’ATP in ADP (adenosina disosfato), molecola composta da due nucleotidi anziché tre.
Il metabolismo cellulare può connettere le reazioni esoergoniche a quelle endoergoniche e tutte le reazioni originate all’interno delle cellule, sia internamente che esternamente, sono catalizzate dalla presenza di particolari molecole proteiche chiamate enzimi, che fungono da acceleratori di velocità di reazione, senza però alterare la quantità di energia fornita dai reagenti e quindi dai prodotti metabolizzati. Il reagente è spesso denominato “substrato” e ad esso, ogni enzima reagisce in modo particolareggiato a seconda del legame che riesce a creare.
In assenza di enzimi, la maggior parte delle reazioni metaboliche della cellula avverrebbero troppo lentamente con grave compromissione della vita di quest’ultima e con essa, dell’organismo a cui appartiene.
Le cellule compiono principalmente due funzioni:
- acquisizione
- eliminazione.
Acqua, ossigeno, anidride carbonica, zuccheri, sostanze di scarto ecc., entrano ed escono dalle cellule continuamente, come le persone da una metropolitana ad ogni apertura dei portelli.
Gli scambi di “materia” cellulare tra l’ambiente interno e l’esterno, avvengono grazie alla membrana plasmatica che può essere immaginata come una serratura sulla quale è posta la chiave di ingresso. Alcune molecole possono attraversarla senza particolare dispendio energetico e quindi, per trasporto passivo dove le particelle, eseguono uno spostamento da una parte all’altra della membrana, a seconda della loro quantità e concentrazione fisica. Lo spostamento avviene a partire dal sito in cui risultano più concentrate, spostandosi verso la parte di membrana dove le particelle risultano meno concentrate.
L’ossigeno, l’anidride carbonica e alcune minute molecole organiche, attraversano la membrana proprio grazie al meccanismo di trasporto passivo (per diffusione semplificata), regolato dall’attività di particolari proteine che sono presenti all’interno della membrana cellulare.
Le proteine che attraversano il doppio strato, detto fosfolipidico, “incidono” la cellula lasciando dei minuscoli pori e favoriscono il passaggio di ioni specifici. Ogni poro diviene un canale di ingresso e di uscita che si apre e si chiude (un pò come succede, a livello macroscopico, per le chiavi o tasti di un oboe o di un sassofono). Questo, in risposta ai segnali ricevuti dalla membrana plasmatica, controllando così lo spostamento delle sostanze in entrata e in uscita.
Anche la diffusione dell’acqua che attraversa la membrana (fenomeno di osmosi) viene favorita dalla presenza di speciali canali idrici catalizzati da proteine che attraversano la membrana. Durante il processo di osmosi, l’acqua passa da una soluzione meno concentrata (ipotonica) ad una soluzione più concentrata (ipertonica). Quando le sostanze attraversano la membrana plasmatica, le cellule vengono indotte ad un maggior consumo di energia e in tal caso, il trasporto è definito attivo. Le molecole di soluto vengono trasportate laddove risultano meno concentrate verso la parte di membrana che ne possiede una maggiore concentrazione.
Il trasporto “attivo” varia a seconda delle dimensioni delle molecole spostate. Le molecole più piccole vengono trasportate da una parte all’altra della cellula, grazie a particolari proteine intrinseche alla membrana. Il soluto passa quindi da un lato all’altro accumulandosi all’interno o all’esterno della cellula stessa.
Il meccanismo bidirezionale attraverso il quale le molecole si spostano per attraversare il citoplasma è definito esocitosi o endocitosi, a seconda se avviene all’esterno all’interno della cellula.
Le cellule ricavano energia dagli zuccheri mediante un processo chiamato respirazione cellulare
La respirazione cellulare consiste in una serie di reazioni chimiche mediante le quali, i composti organici, rilasciano energia sotto forma di glucosio. Lle molecole alimentari, vengono convertite in molecole più semplici e la conversione avviene attraverso una trasformazione e riorganizzazione delle sostanze, che diventano così disponibili e utili allo svolgimento dell’attività cellulare.
Nella respirazione cellulare viene consumato ossigeno ed emessa acqua e anidride carbonica in qualità di sostanze di scarto.
La respirazione cellulare avviene attraverso una catena di reazioni che la distinguono in:
- Aerobica – che richiede ossigeno e rilascia un quantitativo notevole di energia
- Anaerobica – in assenza di ossigeno e pertanto, richiede meno dispendio di energia.
Il “cuore” della respirazione cellulare è rappresentato da fenomeni di Ossidazione e riduzione che si verificano sempre parallelamente: una sostanza riceve ossigeno e un’altra ne viene privata e questa alternanza, dà luogo al fenomeno di ossidoriduzione anche detta reazione redox.
La respirazione aerobica attraversa tre principali fasi:
Durante la glicolisi, le molecole di glucosio vengono suddivise in acido piruvico mediante una sequenza di reazioni enzimatiche. La glicolisi interessa sia la fase aerobica che anaerobica (1).
Durante il ciclo di Krebs (premio nobel per la medicina assegnato ad H. Adolf Krebs nel 1953), anello di congiunzione metabolica per la disgregazione dei carboidrati, le molecole attraversano ben otto fasi distinte dove, per ossidoriduzione viene prodotto acido acetico (2).
Durante la fosforilazione ossidativa, il NADH “trasporta” gli ioni di idrogeno che si combinano con l’ossigeno e formano acqua e liberando ioni di idrogeno. Durante la respirazione aerobica, l’ossidazione di una molecola di glucosio produce 38 molecole di ATP (3).
Nel lievito, la respirazione anaerobica può essere così riassunta:
glucosio —-> etanolo + anidride carbonica + energia.
In fase anaerobica, durante la glicolisi, le molecole di glucosio vengono suddivise in due piruvati (molecole di tre atomi di carbonio) durante una sequenza di reazioni enzimatiche. La reazione è analoga a quella della respirazione aerobica. In assenza di ossigeno il piruvato viene convertito in etanolo che, nella completa ossidazione del glucosio, sprigiona solo il 10% circa dell’energia rilasciata. In quest’ultima fase ossidoriduttiva il NADH viene convertito in NAD +, consentendo alla glicolisi di proseguire il processo fermentativo.
Il processo fermentativo può avvenire quindi anche in assenza di ossigeno e il prodotto relativo, derivante dalla reazione fermentativa, dipende dalla tipologia di cellula che origina la fermentazione: alcuni ceppi di lieviti (funghi unicellulari) producono alcol etilico; i batteri producono acido lattico.
