Il metabolismo dello zucchero (un carboidrato semplice) è un classico esempio dei molti processi cellulari che usano e producono energia. Gli esseri viventi consumano zucchero come principale fonte di energia, perché le molecole di zucchero hanno una grande quantità di energia immagazzinata nei loro legami. La scomposizione del glucosio, uno zucchero semplice, è descritta dall’equazione:
I carboidrati che vengono consumati hanno la loro origine in organismi fotosintetizzanti come le piante (Figura). Durante la fotosintesi, le piante usano l’energia della luce solare per convertire l’anidride carbonica (CO2) in molecole di zucchero, come il glucosio (C6H12O6). Poiché questo processo implica la sintesi di una molecola più grande, che immagazzina energia, richiede un input di energia per procedere. La sintesi del glucosio è descritta da questa equazione (notare che è l’inverso dell’equazione precedente):
Durante le reazioni chimiche della fotosintesi, l’energia è fornita sotto forma di una molecola ad alta energia chiamata ATP, o adenosina trifosfato, che è la valuta energetica primaria di tutte le cellule. Proprio come il dollaro è usato come moneta per comprare beni, le cellule usano molecole di ATP come moneta energetica per eseguire un lavoro immediato. Lo zucchero (glucosio) è immagazzinato come amido o glicogeno. I polimeri accumulatori di energia come questi sono scomposti in glucosio per fornire molecole di ATP.
L’energia solare è necessaria per sintetizzare una molecola di glucosio durante le reazioni di fotosintesi. Nella fotosintesi, l’energia luminosa del sole viene inizialmente trasformata in energia chimica che viene temporaneamente immagazzinata nelle molecole portatrici di energia ATP e NADPH (nicotinamide adenina dinucleotide fosfato). L’energia immagazzinata nell’ATP e nel NADPH viene poi utilizzata successivamente nella fotosintesi per costruire una molecola di glucosio da sei molecole di CO2. Questo processo è analogo al fare colazione al mattino per acquisire energia per il corpo che può essere utilizzata più tardi nel corso della giornata. In condizioni ideali, l’energia di 18 molecole di ATP è necessaria per sintetizzare una molecola di glucosio durante le reazioni della fotosintesi. Le molecole di glucosio possono anche essere combinate e convertite in altri tipi di zuccheri. Quando gli zuccheri vengono consumati, le molecole di glucosio alla fine si fanno strada in ogni cellula vivente dell’organismo. All’interno della cellula, ogni molecola di zucchero viene scomposta attraverso una complessa serie di reazioni chimiche. L’obiettivo di queste reazioni è di raccogliere l’energia immagazzinata nelle molecole di zucchero. L’energia raccolta viene usata per produrre molecole di ATP ad alta energia, che possono essere usate per compiere lavoro, alimentando molte reazioni chimiche nella cellula. La quantità di energia necessaria per fare una molecola di glucosio da sei molecole di anidride carbonica è di 18 molecole di ATP e 12 molecole di NADPH (ciascuna delle quali è energeticamente equivalente a tre molecole di ATP), o un totale di 54 molecole equivalenti richieste per la sintesi di una molecola di glucosio. Questo processo è un modo fondamentale ed efficiente per le cellule di generare l’energia molecolare di cui hanno bisogno.
