D2 - D3 - LA CELLULA IN SINTESI - Incontro con le scienze integrate - Zanichelli
1. La cellula eucariote
La cellula è la struttura più semplice in grado di svolgere tutte le funzioni vitali di un vivente. Essa è l'unità
costitutiva del corpo di qualsiasi vivente, unicellulare o pluricellulare: se unicellulare il corpo è fatto da una sola
cellula, se pluricelluare da più cellule.
Il riconoscimento della cellula, come unità funzionale di tutti gli esseri viventi, risale al 1838, quando due
scienziati tedeschi, Matthias jakob Schleiden (botanico, 1804-1881) e Theodor Schwann (zoologo, 1810-1882),
formularono la teoria cellulare, che nella sua forma moderna può essere espressa nei seguenti punti
fondamentali:
la cellula è l'unità funzionale e strutturale di ogni vivente;
tutti i viventi sono costituiti da un numero più o meno grande di cellule;
ogni cellula proviene necessariamente da un'altra cellula preesistente;
ogni cellula compie le funzioni proprie del vivente, cioè respira, scambia materiali con l'esterno, reagisce agli
stimoli e si riproduce:
tutte le cellule possiedono una membrana plasmatica che le delimita e seleziona le sostanze in entrata e in
uscita.
Questi punti fondamentali sono condivisi da entrambi i tipi di cellule che formano il corpo dei viventi: la cellula
procariote, costitutiva dei comuni batteri e degli archibatteri, e la cellula eucariote, costitutiva di tutti gli altri
organismi non batterici, noi compresi.
La cellula procariote, che misura circa 1 micrometro, ha un diametro circa dieci volte più piccolo di quello della
cellula eucariote, non possiede una membrana nucleare che racchiuda il DNA e quindi manca di un vero e
proprio nucleo. Inoltre, non contiene gli organuli specializzati in compiti diversi che invece troviamo nella cellula
eucariote. La cellula eucariote, che costituisce il corpo degli animali, delle piante e dei funghi, ha dimensioni
estremamente varie. Di solito, le cellule degli animali variano tra i 10 e i 30 micrometri, mentre quelle delle piante
possono raggiungere i 100 micrometri. Le dimensioni delle cellule non dipendono dalle dimensioni
dell'organismo a cui appartengono. Per esempio, il nostro stesso corpo è formato da 100 mila miliardi di cellule
di dimensioni e forma diverse organizzate in insiemi chiamati tessuti.
In genere, per semplicità, le cellule sono rappresentate con una forma regolare cubica o sferica, ma nella realtà
possono avere forme molto particolari in relazione alla funzione che svolgono. Un globulo rosso, per esempio,
assomiglia a un dischetto biconcavo; una cellula nervosa possiede lunghi prolungamenti filamentosi; in una
cellula adiposa quasi tutto lo spazio è occupato da grasso e il nucleo è spinto alla periferia della cellula.I
La cellula eucariote, oltre che per le dimensioni e la forma, si differenzia da quella procariote soprattutto perché
è molto più complessa. Per usare un'analogia, mentre la cellula procariote è come un piccolo laboratorio
costituito da un unico locale, la cellula eucariote, al confronto, assomiglia a un grande stabilimento formato da
molti settori diversi: in alcuni arrivano le materie prime, in altri avvengono i processi produttivi, in altri ancora si
effettua lo stoccaggio e la spedizione dei prodotti finiti.
Come quella procariote, anche la cellula eucariote è delimitata da una sottilissima membrana, la membrana
cellulare, che, al microscopio elettronico, appare come un esile bordo al confine tra l'estemo e l'interno della
cellula. La membrana cellulare è costituita da un doppio strato di fosfolipidi e svolge il ruolo importante di
regolare lo scambio di materiali tra l'ambiente interno alla cellula e l'ambiente esterno in cui la cellula è immersa.
La membrana cellulare costituisce, infatti, una "frontiera" che alcune sostanze valicano facilmente, mentre altre
la attraversano solo mediante particolari meccanismi di trasporto. Inoltre, raccoglie informazioni sull'ambiente
che la circonda e comunica con le altre cellule. Questo permette alla cellula di adattare il proprio comportamento
alle condizioni esterne e di agire in modo coordinato con le altre cellule, una proprietà essenziale per il corretto
sviluppo e funzionamento degli organismi pluricellulari.
La membrana cellulare non deve essere confusa con la parete cellulare che ha una funzione di sostegno e
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quindi una struttura diversa. La parete forma uno strato anche 100 volte più spesso della membrana e le si
sovrappone, rivestendo la cellula dall'esterno. Non svolge un ruolo selettivo, in quanto lascia passare tutte le
sostanze. Manca nelle cellule degli animali, ma si trova in quelle delle piante e dei funghi, oltre che in quelle
batteriche.
Nelle cellule delle piante, la parete cellulare è fatta principalmente di cellulosa, quasi sempre impregnata di
altre sostanze che la induriscono, come la lignina.
Essa forma una vera e propria "scatoletta" rigida e resistente, che tiene in forma e sostiene la cellula. Le piante
"stanno in piedi" senza bisogno di scheletro. perché miliardi di queste "scatoline" di legno sovrapposte e vicine le
une alle altre, anche dopo la morte della cellula formano il legno del tronco.
All'interno delle cellule, sia animali sia vegetali, si trova il citoplasma. una massa gelatinosa composta
prevalentemente di acqua in cui sono disciolte molte sostanze, come proteine, ioni, zuccheri, aminoacidi, e in cui
sono dispersi vari organuli cellulari. Nel citoplasma delle cellule eucariote si trovano migliaia di corpuscoli
costituiti da proteine e RNA, chiamati ribosomi. I ribosomi delle cellule eucariote sono più grossi di quelli
presenti nei batteri ma svolgono la stessa funzione, cioè controllano la produzione delle proteine seguendo le
istruzioni fornite dal DNA.
Il citoplasma, in particolare nelle cellule animali, è attraversato da una sottile impalcatura di tubuli e filamenti
formati da proteine contrattili che possono allungarsi o ridursi, conferendo forma e flessibilità alla cellula, il
citoscheletro, cioè lo scheletro della cellula. Il citoscheletro è responsabile del sostegno meccanico e dei
movimenti della cellula.
2. Gli organuli specializzati della cellula eucariote
A differenza della cellula procariote, la cellula eucariote contiene gli organuli, strutture ben visibili al microscopio
elettronico (alcune anche al microscopio ottico) delimitate da membrane. Ciascun organulo compie una
particolare funzione, essenziale alla vita della cellula.
Gli organuli non sono strutture statiche; cambiano forma e dimensioni e si spostano
di continuo. Cominciamo ora a descriverli a partire dal più importante, il nucleo,
quello che controlla le direttive per tutte le attività delle cellule.
Il nucleo. È di forma tondeggiante e nella cellula animale è posto più o meno al centro, mentre nella cellula
vegetale è spesso addossato alla membrana cellulare. Esso appare nettamente delimitato da una doppia
membrana, la membrana nucleare, che presenta piccole aperture, i pori nucleari, che consentono lo scambio di
sostanze con il citoplasma.
All'interno della membrana nucleare si trova la cromatina, un groviglio di filamenti costituiti da lunghe molecole
di DNA (Acido DeossiriboNucleico) legato a proteine dette istoni.
Quando la cellula si prepara a dividersi in due cellule figlie, la cromatina si addensa e forma dei bastoncini ben
evidenti: i cromosomi. Cromatina e cromosomi sono quindi forme differenti in cui lo stesso DNA si presenta in
fasi diverse della vita della cellula. Nella cromatina il DNA è "disteso" e può più facilmente svolgere le sue
funzioni. Nei cromosomi, invece, il DNA è ripiegato in una struttura molto compatta che può essere facilmente
spostata all'interno della cellula.
Il nucleo è il "centro direzionale" della cellula perché contiene, nel DNA dei cromosomi, le informazioni
necessarie al suo funzionamento.
Il nucleo dirige non solo la vita della cellula, ma anche la sua morte. Talvolta, in risposta a certi segnali esterni, la
cellula si riduce in frammenti e muore, realizzando così la morte cellulare programmata dal nucleo, denominata
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apoptosi.
L'apoptosi permette agli organismi pluricellulari di eliminare le cellule malfunzionanti, come per esempio le
cellule tumorali o quelle generate in eccesso.
Il nucleo contiene anche uno o più corpiccioli rotondeggianti denominati nucleoli, ricchi di RNA che serve a
fabbricare i ribosomi.
I mitocondri. Sono organuli a forma di fagiolo e delimitati da una doppia membrana. Essi dispensano energia
alla cellula, tanto che potremmo considerarli come delle "centrali energetiche". Grazie ai mitocondri la cellula
respira, cioè utilizza l'ossigeno introdotto dall'esterno per bruciare le sostanze organiche, come gli zuccheri
ricavati dagli alimenti, e liberare l'energia che esse contengono. Questo processo è detto respirazione
cellulare.
I cloroplasti. Sono organuli che si trovano solo nelle cellule delle parti verdi delle piante e delle alghe.
I cloroplasti, ben visibili al microscopio ottico, hanno la forma di piccole lenticchie verdi, perche contengono
clorofilla, e sono avvolti da una doppia membrana. Sono la sede della fotosintesi, il processo che consente alla
cellula vegetale di utilizzare l'energia solare per produrre, a partire da anidride carbonica e acqua, sostanze
organiche ricche di energia.
Il reticolo endoplasmatico. È un sistema di membrane in comunicazione tra loro che attraversano il citoplasma
dalla zona intorno al nucleo fino alla membrana cellulare. Si possono distinguere due tipi di reticolo
endoplasmatico: uno dall'aspetto granulare, detto perciò rugoso, l'altro privo di granulazioni, detto liscio.
Il reticolo endoplasmatico rugoso appare bitorzoluto, perché sulla sua superficie aderiscono i ribosomi, gli stessi
corpuscoli presenti anche liberi nel citoplasma. I ribosomi hanno un ruolo molto importante: sono come i "banchi
di montaggio" per la produzione delle proteine sulla base delle direttive fornite dal DNA.
Il reticolo endoplasmatico liscio non è associato a ribosomi e non partecipa alla costruzione delle proteine, ma è
coinvolto nella produzione di sostanze grasse come il colesterolo e gli ormoni sessuali.
L'apparato di Golgi. È costituito da una serie di "sacchetti" schiacciati, simill a palloncini sgonfiati, formati da
membrane e impilati l'uno sull'altro. Il nome deriva da quello di un medico italiano, Camillo Golgi (1843-1926),
che lo mise in evidenza per primo nel 1898.
Esso riceve le proteine e i grassi sintetizzati dal reticolo endoplasmatico rugoso, le modifica e quindi le invia
all'interno di vescicole in altre parti della cellula o all'esterno.
Ciglia e flagelli. Sono gli organuli associati al movimento della cellula. Appaiono come sottili estroflessioni del
citoplasma percorse nella loro lunghezza da tubuli del citoscheletro. Le ciglia sono più corte e in genere
rivestono numerose tutta la superficie cellulare; i flagelli invece sono più lunghi e in numero limitato.
La nostra trachea. il condotto attraverso cui passa l'aria che respiriamo, è tappezzata da cellule dotate di ciglia
che si agitano incessantemente allo scopo di rimuovere le particelle estranee introdotte con l'aria. Gli
spermatozoi si muovono, invece, grazie a un lungo flagello.
3. La cellula per funzionare ha bisogno di energia
La cellula è costantemente al lavoro. Prendiamo per esempio un globulo bianco che deve produrre una grande
quantità di anticorpi, le proteine che difendono il nostro corpo; o ancora consideriamo una cellula nervosa che
deve trasmettere a distanza un messaggio di tipo elettrico ad altre cellule. Tutte queste attività richiedono molta
energia.
Da dove proviene l'energia necessaria alle cellule per svolgere i loro specifici compiti e per mantenersi in vita?
L'energia che consente alle cellule di svolgere le loro mansioni e mantenersi in vita proviene dal cibo. Le
molecole organiche che costituiscono gli alimenti (proteine, grassi e zuccheri) contengono energia chimica,
intrappolata nei legami che tengono uniti gli atomi. Come è possibile estrarre questa energia chimica e utilizzarla
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per effettuare lavoro? Questa energia può essere estratta rompendo i legami tra gli atomi e convertendo le
molecole organiche come il glucosio in molecole più piccole. La reazione che libera la maggior quantità di
energia dalle molecole organiche è una particolare combustione lenta, che avviene all'interno della cellula e che
a partire dal glucosio porta alla formazione di due molecole semplici e a basso contenuto energetico: l'anidride
carbonica (CO2) e l'acqua (H2O).
La principale sorgente di energia utilizzata dalle cellule è il glucosio. Il processo di combustione del glucosio.
che nelle cellule libera energia utile per le loro attività, è detta respirazione cellulare.
Nel nostro corpo il glucosio, ottenuto dal cibo con la digestione, attraversa la parete intestinale e passa nel
sangue, che lo distribuisce a tutte le cellule. Qui viene utilizzato per la respirazione cellulare. Tutti gli esseri
viventi compiono la respirazione cellulare, ma diversa è la modalità con cui le cellule si procurano il glucosio. Gli
organismi eterotrofi, come gll animali, che non sono in grado di produrre il glucosio da soli, usano quello che
ricavano dagli alimenti; gli organismi autotrofi invece, come le piante, utilizzano il glucosio che essi stessi hanno
prodotto con la fotosintesi.
La fotosintesi è il processo mediante il quale le piante e gli altri organismi fotosintetici utilizzano l'energia
luminosa del Sole per produrre, a partire dall'anidride carbonica e dall'acqua, molecole organiche ricche di
energia chimica quale il glucosio.
Le reazioni chimiche come la fotosintesi, che necessitano di energia fornita dall'esterno, vengono definite
reazioni endoergoniche. Nelle reazioni endoergoniche il contenuto energetico dei prodotti è maggiore rispetto a
quello dei reagenti.
Le reazioni chimiche come la respirazione cellulare che liberano energia sono definite reazioni esoergoniche.
Nelle reazioni esoergoniche il contenuto energetico dei prodotti è inferiore a quello dei reagenti.
4. Per gli scambi energetici la cellula utilizza l'ATP
Ogni cellula, per il suo funzionamento, ha bisogno di energia dispensata a piccole dosi. Come una banconota di
grosso taglio non è utilizzabile per piccole spese, come prelevare una bibita da un distributore, così l'energia di
"grosso taglio" immagazzinata nella molecola del glucosio non è utilizzabile se liberata tutta in una volta, ma solo
se trasformata in "moneta energetica di piccolo taglio".
Le dosi di energia spicciola necessarie per il funzionamento della cellula vengono rilasciate nel corso della
respirazione cellulare. La "combustione" del glucosio nella respirazione cellulare non avviene in modo rapido e
veloce, come quando lo zucchero brucia all'aria producendo una fiamma e un intenso calore. Al contrario, nella
respirazione cellulare, al fine di liberare gradualmente l'energia, la combustione del glucosio avviene in modo
controllato, a basse temperature e attraverso tappe successive, che liberano l'energia a poco a poco.
Per immagazzinare le piccole dosi di energia via via rilasciate, la cellula ricorre a una molecola straordinaria, che
si trova in tutti i viventi: l'ATP.
L'ATP chimicamente è un nucleotide (simile a quelli che costituiscono gli acidi nucleici) formato dalla base
azotata Adenina, dallo zucchero ribosio e da Tre gruppi P o gruppi fosfato (dal simbolo del fosforo, P); il nome
per esteso del composto è adenosintrifosfato.
L'ATP si forma a partire dall'adenosindifosfato o ADP (una molecola che contiene solo Due gruppi P), con
l'aggiunta di un terzo gruppo fosfato. Attraverso tale aggiunta viene incamerata energia all'interno della molecola
(reazione endoergonica).
La reazione sara dunque:
ADP + P + energia → ATP
Quando la cellula necessita di energia. può essere rilasciata quella accumulata nell'ATP (reazione esoergonica).
Infatti, quando l'ATP cede uno dei suoi gruppi P e libera energia, ridiventa ADP nel corso della reazione inversa:
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ATP → ADP + P + energia
In ogni istante, in ciascuna cellula, milioni di molecole di ATP si decompongono in ADP + P liberando energia.
Questa energia verrà utilizzata per l'attività muscolare, per il trasporto attivo dei materiali attraverso la
membrana e per tutte le attività della cellula che richiedono energia. Le riserve di ATP delle cellule sono molto
ridotte: 1 kg di muscolo del nostro corpo ne contiene quanto basta per una contrazione che duri 6 secondi.
Quindi, è indispensabile che l'ATP venga costantemente ricostituito con l'energia liberata dalla demolizione di
altro glucosio. Questo spiega perché la respirazione cellulare è un'attività che non si può interrompere.
5. Il lavoro degli enzimi
Se si osserva una cellula con un microscopio ad alto ingrandimento, quello che si vede fa pensare a un piccolo
mondo in subbuglio. Ciò è dovuto alle migliaia di reazioni chimiche che avvengono in ogni istante tra i materiali
contenuti al suo interno. Il lavoro cellulare consiste infatti in un susseguirsi ininterrotto di reazioni chimiche grazie
alle quali la cellula è in grado di svolgere le sue funzioni. Sono reazioni chimiche quelle che consentono la
rottura a tappe del glucosio per liberare le piccole quantità di energia da immagazzinare nell'ATP; sono reazioni
chimiche quelle che consentono la formazione del glucosio nella fotosintesi a partire da CO 2 e H2O; sono
reazioni chimiche quelle che consentono alle fibre muscolari di contrarsi, ai globuli rossi del sangue di formare
l'emoglobina, alle cellule nervose di trasmettere messaggi per via elettrica.
Le reazioni chimiche che avvengono nelle cellule dei viventi tuttavia sarebbero di per sé lentissime e non
potrebbero avere luogo in un tempo compatibile con la vita se non ci fossero delle particolari sostanze, gli
enzimi, che le accelerano in tempo utile. Per esempio, l'anidrasi carbonica è un enzima che controlla la reazione
e la velocità della reazione tra l'anidride carbonica e l'acqua per il trasporto della CO 2 nel sangue sotto forma di
acido carbonico (H2CO3). In sua presenza la velocità di reazione aumenta di 10.000.000 di volte rispetto a quella
della reazione senza enzimi. Un valore sorprendente, aldilà delle nostre capacità di percezione.
Gli enzimi sono proteine che hanno la proprietà di intervenire nelle reazioni chimiche, aumentando la velocità
con cui le molecole reagiscono tra loro, senza subire alcuna trasformazione. Alla fine della reazione a cui
hanno partecipato essi, infatti, si ritrovano inalterati. In chimica le sostanze che hanno questa proprietà sono
dette catalizzatori.
Nello stesso modo in cui a ogni serratura si adatta una sola chiave, così ogni enzima ha un sito attivo che può
accogliere un solo substrato di forma specifica.
Alcuni di essi consentono i processi di assemblaggio di molecole piccole per costruirne di grandi. Per esempio,
consentono l'unione o condensazione delle molecole di glucosio per formare l'amido. Altri invece operano la
demolizione o idrolisi delle macromolecole. Sono di questo tipo gli enzimi digestivi come la lattasi che permette
la digestione dello zucchero del latte (o lattosio), oppure l'arnilasi che permette la digestione dell'amido. Come si
deduce, i nomi degli enzimi in genere derivano da quello del substrato su cui agiscono, a cui viene aggiunta la
desinenza asi.
Raramente gli enzimi compiono un lavoro isolato: in genere, infatti, i processi che conducono alla formazione di
importanti molecole biologiche si svolgono attraverso stadi successivi, in una sequenza di reazioni, ciascuna
catalizzata da uno specifico enzima. Questa sequenza è detta via metabolica. L'insieme di tutte le vie
metaboliche dell'organismo prende nome di metabolismo.
Poiché un organismo per funzionare deve avere il suo corredo di enzimi al completo, molti disturbi o malattie
sono dovuti alla mancanza o al cattivo funzionamento di enzimi. Per esempio, la mancanza di pigmentazione
della pelle, o albinismo, è dovuta al mancato funzionamento di un enzima, la tirosinasi. La tirosinasi controlla
una delle tappe della via metabolica che dall'aminoacido tirosina conduce alla melanina, pigmento della pelle.
Come può accadere che un enzima non sia in grado di funzionare? Per rispondere a questa domanda, tenete
presente che un enzima è una proteina che funziona solo se gli aminoacidi sono disposti secondo la giusta
sequenza nella catena proteica.
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Le informazioni riguardanti il tipo di aminoacidi necessari e l'ordine cui devono essere disposti nella catena
proteica sono contenute in codcei nei geni, costituiti dal DNA. Se il gene che controlla la produzione della
tirosinasi è alterato, l'enzima non viene prodotto o, se viene prodotto, non funziona.
6. Le funzioni della membrana cellulare
Molte delle reazioni chimiche che avvengono in ogni istante all'interno della cellula possono richiedere un
apporto di materiali dall'esterno. Altre reazioni, invece, possono portare alla formazione di prodotti da eliminare o
da esportare al di fuori dell'ambiente cellulare. La cellula deve quindi operare un continuo controllo sia dei
materiali che entrano sia di quelli che, una volta elaborati, devono essere rilasciati all'esterno. Questo continuo
traffico in entrata e in uscita è regolato dalla membrana cellulare, che delimita la cellula, ne regola gli scambi con
l'ambiente e le permette di interagire con le altre cellule.
La membrana cellulare è composta principalmente da fosfolipidi organizzati in un doppio strato nel quale si
inseriscono delle proteine, dette proteine di membrana. Questa struttura di base risponde al nome di modello
a mosaico fluido.
Nel doppio strato di fosfolipidi le "teste" idrofile sono rivolte verso il citoplasma e verso l'esterno della cellula,
mentre le "code" idrofobe sono nello spessore della membrana rivolte le une contro le altre.
Molte proteine di membrana, dette glicoproteine, sono legate a brevi catene di carboidrati rivolte verso l'esterno
e servono per la comunicazione e il riconoscimento tra cellule. In un taglio nella pelle, per esempio, le cellule di
un lembo che si sta rimarginando cessano di riprodursi quando le loro glicoproteine incontrano e riconoscono
quelle delle cellule del lembo opposto. I virus dell'influenza e del raffreddore penetrano nelle cellule delle vie
respiratorie perché riconoscono le glicoproteine che si trovano sulla loro membrana. Molte altre proteine
associate alla membrana cellulare svolgono la funzione di trasporto (carrier in inglese) e si occupano del
trasferimento di ioni e altre molecole attraverso essa.
Nell'uomo la distinzione dei gruppi sanguigni secondo il sistema AB0 è legata proprio alla presenza di
glicoproteine diverse, denominate A e B, sulla membrana dei globuli rossi. Infine alcune proteine formano delle
strutture chiamate giunzioni, che saldano tra loro cellule contigue tenendole unite, come accade nei tessuti della
pelle o delle pareti dei vasi sanguigni, i quali. per la loro presenza, risultano compatti e resistenti.
7. La respirazione cellulare
Quando respiriamo, cioè compiamo gli atti di inspirazione ed espirazione, introduciamo ossigeno ed espelliamo
anidride carbonica dai polmoni. L'ossigeno trasportato dal sangue va alle cellule che lo utilizzano per la
respirazione cellulare, mentre l'anidride carbonica, uno dei prodotti di scarto della respirazione cellulare, arriva ai
polmoni con un percorso inverso.
La reazione complessiva della respirazione cellulare consente la formazione di 36 molecole di ATP a partire
da ADP+P per ogni molecola di glucosio trasformata in H2O e CO2. In sintesi la reazione è la seguente:
6 O2 + C6H12O6 → 6 CO2 + 6 H2O
La respirazione cellulare si suddivide in due fasi: la fase anaerobica e la fase aerobica.
Fase anaerobica. La fase anaerobica (cioè senza ossigeno) o glicolisi avviene nel citoplasma, senza che sia
consumato l'ossigeno. Nel corso della glicolisi il glucosio, uno zucchero a 6 atomi di carbonio, è spezzato in due
molecole a tre atomi di carbonio (l'acido piruvico); viene così liberata solo una piccola parte dell'energia chimica
dello zucchero: quanto basta per la formazione di 2 ATP.
Fase aerobica. La fase aerobica avviene nei mitocondri, gli organuli cellulari che si trovano nel citoplasma; in
questa fase viene utilizzato l'ossigeno. Gli enzimi necessari sono allineati sulle pieghe della membrana interna
dei mitocondri, o creste mitocondriali. Le molecole a tre atomi di carbonio, provenienti dalla fase precedente, nel
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corso della fase aerobica sono convertite in CO 2 e H2O e liberano la restante parte dell'energia che consente la
formazione di 34 ATP.
La respirazione cellulare è un processo che avviene senza sosta e per questo il corpo deve introdurre
continuamente ossigeno.
Proteine e grassi possono, all'occorrenza, essere anch'essi utilizzati nella respirazione cellulare per liberare
energia; anche da queste sostanze, infatti, si formano CO2 e H2O come prodotti finali della combustione.
Talvolta, durante uno sforzo fisico prolungato, non riusciamo a rifornire in tempo utile le cellule dell'ossigeno
necessario per avviare la fase aerobica. In tal caso si dice che l'organismo è "in debito di ossigeno". In questa
situazione le cellule muscolari possono effettuare solo la glicolisi, cioè la parte anaerobica della respirazione
cellulare e per questo accumulano acido lattico, una sostanza che deriva dalla molecola a tre atomi di carbonio
prodotta dalla glicolisi: è proprio l'acido lattico il responsabile dei crampi e del senso di fatica che proviamo sotto
intenso sforzo muscolare.
8. La fotosintesi
Tutta la vita sulla Terra è mantenuta, direttamente o indirettamente, dalla luce del Sole, che inonda
continuamente il nostro pianeta di energia. Ma, come sapete, non tutti gli organismi sono in grado di ottenere
energia direttamente dalla luce solare. Solo quelli autotrofi, come le piante, le alghe e alcuni batteri, catturano la
luce solare, la immagazzinano nell'ATP che poi utilizzano per sintetizzare glucosio e altri composti organici a
partire da CO2 e H2O. Con questo processo detto fotosintesi, l'energia solare viene convertita nell'energia
chimica di composti organici, che sono poi utilizzati come fonte di energia sia dagli stessi autotrofi sia dagli
eterotrofi come l'uomo. La fotosintesi ha un altro aspetto importante: rilascia come sottoprodotto ossigeno,
rendendo possibile la sopravvivenza degli organismi aerobi sulla Terra.
Nelle piante, la luce solare è catturata da un pigmento verde contenente un atomo di magnesio (Mg), la
clorofilla. La clorofilla si trova nei cloroplasti, all'interno di un sistema di membrane interne chiamate tilacoidi,
nelle quali si trovano la maggior parte degli enzimi necessari per il compiersi delle reazioni che portano alla
formazione del glucosio.
La reazione complessiva della fotosintesi è praticamente l'inverso di quella della respirazione cellulare.
In realtà la fotosintesi consiste di un gran numero di reazioni, controllate da enzimi, che sono comprese in due
fasi: la fase luminosa e la fase oscura, che avvengono entrambe nel cloroplasto.
Fase luminosa. In questa fase l'energia solare è convertita nell'energia chimica dell'ATP; essa è detta luminosa
perché avviene solo in presenza di luce. Le molecole di clorofilla, raggruppate a centinaia a formare una sorta di
"antenna", captano l'energia luminosa, che viene utilizzata per produrre ATP e per scindere la molecola
dell'acqua in idrogeno e ossigeno, una reazione che richiede un'enorme quantità di energia. La scissione della
molecola dell'acqua nella fotosintesi è paragonabile all'elettrolisi.
Come nell'elettrolisi dell'acqua i due elettrodi di una pila forniscono l'energia necessaria perché l'acqua si
decomponga in idrogeno e ossigeno, così nei cloroplasti la luce del Sole fornisce l'energia per un analogo
processo. L'ossigeno si libera come prodotto di scarto ed esce dai cloroplasti, mentre l'idrogeno viene utilizzato
per le successive reazioni della fase oscura.
Complessivamente, dunque, nella fase luminosa si libera ossigeno e si forma ATP.
Fase oscura. Questa fase è detta oscura perché indipendente dalla luce e comprende una serie di reazioni
dette ciclo di Calvin. L'anidride carbonica, proveniente dall'aria, e l'idrogeno, che si è liberato dall'acqua nella
fase luminosa, sono impiegati per sintetizzare il glucosio, utilizzando l'energia dell'ATP, prodotto nella fase
luminosa. In questo modo il carbonio inorganico della CO 2 è fissato nelle molecole organiche degli zuccheri.
Abbiamo visto che il prodotto immediato della fotosintesi è il glucosio. In realtà però l'intero corpo di una pianta
può essere considerato prodotto della fotosintesi, poiché ogni atomo di carbonio di ogni molecola di questo
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organismo è derivato dall'anidride carbonica, fissata in forma organica durante la fotosintesi. Giungere a questa
conclusione non è stato semplice. Secondo la "teoria dell'humus", accettata fino alla seconda metà
dell'Ottocento, si riteneva che le piante ricavassero il carbonio dall'humus, ossia dalla materia organica del
terreno. Lo scienziato tedesco Justus von Liebig dimostrò che il contenuto di carbonio delle piante è molto più
elevato del contenuto di carbonio del terreno in cui esse crescono: questo elemento non poteva perciò provenire
dal suolo. Tutte le sostanze che otteniamo dalle piante, farmaci, profumi, spezie, veleni, coloranti e persino
l'ambra, una resina utilizzata come pietra preziosa, sono tutti prodotti, indiretti, della fotosintesi.
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