L’ossidazione del glucosio è un processo chimico che fornisce energia a un organismo per svolgere tutte le sue attività richieste. Durante questo processo il glucosio, una semplice molecola di zucchero ottenuta dal cibo, viene scomposto in anidride carbonica e acqua. Questa reazione rilascia energia e la immagazzina in una forma chimica che la cellula può utilizzare. Ci sono tre fasi separate dell’ossidazione del glucosio: la glicolisi, il ciclo dell’acido citrico e il sistema di trasporto degli elettroni.
Glucosio
Le molecole di glucosio vengono utilizzate per costruire carboidrati più complessi, come l’amido e la cellulosa. La formula chimica di questa molecola è C6H12O6, il che significa che è composta da sei atomi di carbonio, 12 atomi di idrogeno e sei atomi di ossigeno. Trovato nelle piante e in molti tipi di alimenti, il glucosio viene assorbito nel flusso sanguigno durante la digestione.
Ossidazione
L’ossidazione del glucosio è un processo aerobico, una reazione chimica che richiede ossigeno. Il termine “ossidazione”, infatti, si riferisce a qualsiasi reazione in cui l’ossigeno è combinato con un’altra molecola, che si dice poi ossidata. Durante il processo, una molecola di glucosio si combina con sei molecole di ossigeno per produrre sei molecole di anidride carbonica, sei molecole di acqua e adenosina trifosfato (ATP), una molecola che le cellule usano per immagazzinare o trasferire energia.
La glicolisi
Il primo passo nel processo di ossidazione è la glicolisi, che avviene all’interno del citoplasma di una cellula, la sostanza gelatinosa che riempie la cellula e circonda gli altri organi cellulari. Durante questa fase, la molecola di glucosio viene scomposta in due molecole di piruvato, un acido organico in grado di fornire energia alle cellule. Questa ripartizione rilascia anche energia, che viene utilizzata per aggiungere uno ione fosfato all’adenosina difosfato (ADP) per creare ATP. L’ADP, a sua volta, si forma con l’ATP che viene scomposto per rilasciare la sua energia.
La glicolisi di una singola molecola di glucosio consuma due molecole di ATP e ne produce quattro in totale, portando a un guadagno energetico netto di due ATP. L’energia del processo viene anche utilizzata per produrre due NADH, una forma di enzima utilizzata per trasferire gli elettroni per alimentare le reazioni chimiche cellulari.
Il ciclo dell’acido citrico
Per iniziare il ciclo dell’acido citrico, detto anche ciclo di Krebs, le molecole di piruvato prodotte dalla glicolisi vengono trasferite ai mitocondri, un organo cellulare coinvolto nei processi metabolici. Una volta lì, le molecole vengono convertite in acetil CoA, la molecola che alimenta il ciclo dell’acido citrico. L’acetil CoA è costituito dal carbonio del piruvato e dal coenzima A, una molecola che assiste nei processi biologici. Il processo di conversione produce un NADH.
L’acetil CoA rilascia la porzione di carbonio della molecola nel ciclo dell’acido citrico, che funziona costantemente, producendo ATP, elettroni ad alta energia e anidride carbonica. La maggior parte dell’energia prodotta viene immagazzinata sotto forma di elettroni ad alta energia e un giro del ciclo risulterà in tre NADH e un FADH2. Come NADH, FADH2 immagazzina gli elettroni catturati. Il ciclo produce anche due ATP e rilascia il resto dell’energia sotto forma di calore.
Il sistema di trasporto degli elettroni
Lo stadio finale dell’ossidazione del glucosio avviene anche all’interno dei mitocondri, dove un gruppo di proteine, chiamato sistema di trasporto degli elettroni, aiuta a trasformare l’energia degli elettroni catturati da NADH e FADH2 in ATP. Questo processo è modellato dalla teoria chemiosmotica, che descrive il modo in cui questi elettroni passano lungo il sistema di trasporto, rilasciando energia mentre si muovono.
L’energia rilasciata viene utilizzata per spostare avanti e indietro gli ioni di idrogeno carichi positivamente attraverso la membrana che separa due parti dei mitocondri. L’energia di questo movimento è immagazzinata in ATP. Questo processo è chiamato fosforilazione ossidativa, perché l’ossigeno è necessario per il passaggio finale, accettando elettroni e atomi di idrogeno per diventare H2O, o acqua. La resa energetica di questa fase va da 26 a 28 ATP.
Energia guadagnata
Quando una singola molecola di glucosio viene ossidata, la cellula guadagna circa 30-32 ATP. Questo numero può variare, perché spesso un mitocondrio non funziona a pieno regime. Una parte dell’energia può essere persa quando le molecole di NADH formate nella glicolisi trasferiscono i loro elettroni attraverso la membrana che separa i mitocondri e il citoplasma.
ATP
L’ATP è presente in tutti gli organismi viventi e svolge un ruolo fondamentale nel metabolismo cellulare, poiché è il principale modo in cui le cellule immagazzinano e trasferiscono energia. Le piante lo producono per fotofosforilazione, un processo che converte la luce solare in energia. L’ATP può anche essere prodotto in un processo anaerobico, una reazione che non richiede ossigeno. La fermentazione, ad esempio, può avvenire senza ossigeno presente, ma questo e altri processi metabolici anaerobici tendono ad essere modi molto meno efficienti per produrre questa molecola.
Un gran numero di funzioni cellulari richiede ATP. La cellula scompone queste molecole in ADP e ioni fosfato, rilasciando l’energia immagazzinata. Questa energia viene quindi utilizzata per fare cose come spostare grandi molecole dentro e fuori la cellula o per aiutare a creare proteine, DNA e RNA. L’ATP è anche coinvolto nel movimento muscolare ed è essenziale per mantenere il citoscheletro della cellula, la struttura all’interno del citoplasma che sostiene la cellula e la tiene insieme.