Il particolare percorso energetico che una cellula impiega dipende in gran parte da se che la cellula è un eucariote o un prokaryota. Le cellule eucariotiche utilizzano tre processi principali per trasformare l’energia contenuta nei legami chimici delle molecole alimentari in forme più facilmente utilizzabili, spesso molecole carrier ricche di energia. L’adenosina 5 ‘ – trifosfato, o ATP, è la molecola portante di energia più abbondante nelle cellule. Questa molecola è fatta di base di anitrogeno (adenina), uno zucchero ribosio e tre gruppi fosfatici., La parola adenosinereferisce all’adenina più lo zucchero ribosio. Il legame tra il secondo e il terzo fosfati è un legame ad alta energia (Figura 5).
Il primo processo nel percorso energetico eucariotico è la glicolisi, che letteralmente significa “scissione dello zucchero.”Durante la glicolisi, singole molecole di glucosio vengono divise e alla fine convertite in due molecole di una sostanza chiamata piruvato; poiché ogni glucosio contiene sei atomi di carbonio, ogni piruvato risultante contiene solo tre carboni. La glicolisi è in realtà una serie di dieci reazioni chimiche che richiede l’input di due molecole di ATP., Questo input viene utilizzato per generare quattro nuove molecole di ATP, il che significa che la glicolisi si traduce in un guadagno netto di due ATPS. Vengono prodotte anche due molecole di NADH; queste molecole fungono da portatori di elettroni per altre reazioni biochimiche nella cellula.
La glicolisi è un antico, importante percorso di produzione di ATP che si verifica in quasi tutte le cellule, eucarioti e procarioti allo stesso modo. Questo processo, noto anche come fermentazione, avviene nel citoplasma e non richiede ossigeno. Tuttavia, il destino del piruvato prodotto durante la glicolisi dipende dalla presenza di ossigeno., In assenza di ossigeno, il piruvato non può essere completamente ossidato in anidride carbonica, quindi risultano vari prodotti intermedi. Ad esempio, quando i livelli di ossigeno sono bassi, le cellule muscolari scheletriche si affidano alla glicolisi per soddisfare i loro intensi requisiti energetici. Questa dipendenza da glicolisi si traduce nell’accumulo di un intermedio noto come acido lattico, che può causare i muscoli di una persona a sentirsi come se fossero “in fiamme.”Allo stesso modo, il lievito, che è un eucariote unicellulare, produce alcol (invece di anidride carbonica) in ambienti carenti di ossigeno.,
Al contrario, quando l’ossigeno è disponibile, i piruvati prodotti dalla glicolisi diventano l’input per la porzione successiva della via energetica eucariotica. Durante questa fase, ogni molecola di piruvato nel citoplasma entra nel mitocondrio, dove viene convertita in acetil CoA, un vettore energetico a due atomi di carbonio, e il suo terzo carbonio si combina con l’ossigeno e viene rilasciato come anidride carbonica. Allo stesso tempo, viene generato anche un vettore NADH. L’acetil CoA entra quindi in una via chiamata ciclo dell’acido citrico, che è il secondo processo energetico principale utilizzato dalle cellule., Il ciclo dell’acido citrico in otto fasi genera altre tre molecole di NADH e altre due molecole carrier: FADH2 e GTP (Figura 6, al centro).
Il terzo processo principale nella via dell’energia eucariotica coinvolge una catena di trasporto di elettroni, catalizzata da diversi complessi proteici situati nel mitocondrio membrana interna., Questo processo, chiamato fosforilazione ossidativa, trasferisce elettroni da NADH e FADH2 attraverso i complessi proteici di membrana, e infine all’ossigeno, dove si combinano per formare acqua. Mentre gli elettroni viaggiano attraverso i complessi proteici nella catena, un gradiente di ioni idrogeno, o protoni, si forma attraverso la membrana mitocondriale. Le cellule sfruttano l’energia di questo gradiente protonico per creare tre molecole di ATP aggiuntive per ogni elettrone che viaggia lungo la catena., Nel complesso, la combinazione del ciclo dell’acido citrico e della fosforilazione ossidativa produce molta più energia della fermentazione – 15 volte più energia per molecola di glucosio! Insieme, questi processi che si verificano all’interno del mitocondione, il ciclo dell’acido citrico e la fosforilazione ossidativa, sono indicati come respirazione, un termine usato per i processi che accoppiano l’assorbimento di ossigeno e la produzione di anidride carbonica (Figura 6).
La catena di trasporto degli elettroni nella membrana mitocondriale non è l’unica che genera energia nelle cellule viventi., Nelle piante e in altre cellule fotosintetiche, i cloroplasti hanno anche una catena di trasporto di elettroni che raccoglie l’energia solare. Anche se non contengono mithcondria o chloroplatss, i procarioti hanno altri tipi di catene di trasporto di elettroni che producono energia all’interno delle loro membrane plasmatiche che generano anche energia.