Per garantire le funzioni vitali, all’interno delle cellule di tutti gli organismi viventi si svolgono continuamente reazioni chimiche che mettono in relazione due o più atomi o molecole di una sostanza (reagenti) per ottenerne un’altra (prodotto). Si ha una reazione di sintesi quando si uniscono due o più reagenti per formare un unico prodotto, mentre si ha una reazione di decomposizione quando si scompone un reagente per ottenerne gli elementi costituenti separati.
Tutte le reazioni chimiche generano scambi di energia, studiati dalla termodinamica, per la quale la cellula si comporta come un sistema aperto, che scambia energia e materia con l’ambiente esterno. Negli organismi viventi, infatti, le reazioni chimiche possono essere sia esoenergetiche sia endoenergetiche: nel primo caso i reagenti hanno più energia dei prodotti, quindi la reazione può avvenire spontaneamente senza bisogno di apporti dall’esterno e l’energia in eccesso viene dispersa come calore; nel secondo caso invece i prodotti hanno più energia dei reagenti, quindi per ottenerli è necessario l’apporto di energia dall’esterno. Le reazioni esoenergetiche perciò possono essere usate per fornire energia per quelle endoenergetiche. Anche le reazioni spontanee, tuttavia, a causa della temperatura corporea relativamente bassa, spesso hanno bisogno di un supporto per realizzarsi, cioè di catalizzatori proteici (gli enzimi) che forniscano alle molecole reagenti la velocità necessaria per urtarsi in maniera efficace e stabilire i legami chimici. Ogni enzima è specifico per una reazione o per un gruppo di reazioni, perché ciascuno possiede una cavità, detta sito attivo, che contiene gruppi chimici a cui si può legare solo una molecola o alcune molecole specifiche.
L’insieme delle reazioni chimiche in un organismo vivente è detto metabolismo. Esso si divide in catabolismo, la fase di demolizione delle sostanze assimilate, degradate in molecole semplici, e anabolismo, la fase di sintesi di nuove sostanze. Vi è infine il metabolismo energetico, che produce composti ricchi di energia per le funzioni della cellula, come l’ATP (adenosintrifosfato), una molecola specializzata nel trasporto di energia dai siti dove è liberata dalle reazioni esoenergetiche a quelli dove è necessaria per le reazioni endoenergetiche. L’ATP infatti è formato da adenosina e da tre gruppi fosfato legati da molta energia, e con la fosforilazione può cedere uno di questi gruppi e parte dell’energia a essi associata alle molecole che ne hanno bisogno per compiere una reazione chimica. L’ATP viene poi riformato con l’energia prodotta dal catabolismo nella combustione degli alimenti (reazione esoenergetica) e il ciclo ricomincia.
Le reazioni chimiche del metabolismo possono essere raggruppate in vie metaboliche, cioè sequenze in cui i prodotti di una reazione fungono da reagenti per quella successiva. Questo avviene per esempio nella fotosintesi, processo attraverso cui gli organismi autotrofi (in grado di produrre da soli il proprio nutrimento) ricavano energia dal Sole, e nella glicolisi, processo attraverso cui l’energia delle sostanze nutritive viene resa disponibile alle cellule.
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