La fotosintesi e la respirazione cellulare sono due processi metabolici complementari che permettono il flusso di energia e materia nella biosfera. Il primo immagazzina l'energia solare in molecole organiche, il secondo la libera in forma utilizzabile dalle cellule.
Ogni essere vivente ha bisogno di energia per crescere, muoversi e riprodursi, e questa energia deriva in ultima analisi dal Sole. Le piante, le alghe e alcuni batteri catturano la radiazione luminosa e la convertono in legami chimici attraverso la fotosintesi clorofilliana. Tutti gli organismi, comprese le piante stesse, demoliscono poi quelle molecole organiche per ricavarne energia tramite la respirazione cellulare. Comprendere questi due processi significa cogliere il principio fondamentale che sostiene la vita sulla Terra. Si tratta di reazioni inverse soltanto in apparenza, perché le tappe biochimiche, i compartimenti cellulari e gli enzimi coinvolti sono profondamente diversi. Studiarli insieme permette di vedere come materia ed energia circolino senza sosta tra mondo vegetale e mondo animale.
La fotosintesi clorofilliana
La fotosintesi avviene nei cloroplasti delle cellule vegetali e trasforma anidride carbonica e acqua in glucosio, liberando ossigeno come prodotto secondario. L'equazione complessiva è 6 CO2 + 6 H2O + energia luminosa → C6H12O6 + 6 O2 e riassume un percorso articolato in due fasi distinte ma collegate. La fase luminosa si svolge sulle membrane dei tilacoidi, dove la clorofilla assorbe la luce ed eccita gli elettroni che alimentano una catena di trasporto, producendo ATP e NADPH e scindendo l'acqua con liberazione di ossigeno. La fase oscura, o ciclo di Calvin, si svolge invece nello stroma e utilizza l'ATP e il NADPH per fissare la CO2 atmosferica in zuccheri a tre atomi di carbonio, da cui derivano poi glucosio e amido. Un esempio quotidiano aiuta a fissare il concetto: una foglia di geranio esposta al sole produce in poche ore amido rilevabile con la tintura di iodio, segno tangibile che la luce è stata convertita in materia organica. Questo processo non solo nutre la pianta, ma rifornisce di ossigeno l'atmosfera e rappresenta la base di quasi tutte le catene alimentari del pianeta.
La respirazione cellulare
La respirazione cellulare è il processo con cui le cellule estraggono energia dal glucosio combinandolo con ossigeno e restituendo anidride carbonica e acqua. L'equazione generale C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energia (ATP) appare specularmente opposta a quella fotosintetica, ma si articola in tre tappe successive che si svolgono in compartimenti diversi della cellula. La prima tappa, la glicolisi, avviene nel citoplasma e scinde il glucosio in due molecole di piruvato producendo una piccola quantità di ATP. La seconda tappa è il ciclo di Krebs, che si svolge nella matrice mitocondriale e libera CO2 mentre carica trasportatori come NADH e FADH2 di elettroni ad alta energia. La terza tappa è la catena di trasporto degli elettroni sulla membrana interna del mitocondrio, dove l'ossigeno funge da accettore finale e si genera la maggior parte dell'ATP grazie alla fosforilazione ossidativa, per un bilancio complessivo di circa 36-38 molecole di ATP per ogni glucosio. In assenza di ossigeno la cellula ripiega sulla fermentazione, molto meno efficiente, come accade nei muscoli sotto sforzo intenso che producono acido lattico.
Ricorda
- La fotosintesi immagazzina energia solare in glucosio nei cloroplasti, liberando ossigeno; la respirazione cellulare libera quell'energia nei mitocondri sotto forma di ATP, restituendo CO2 e acqua.
- I due processi non sono semplicemente l'uno l'inverso dell'altro: si svolgono in organuli diversi, con enzimi e tappe specifiche, e insieme garantiscono il ciclo del carbonio e dell'ossigeno nella biosfera.
- Esercizio attivo sul quaderno: disegna due rettangoli affiancati che rappresentino un cloroplasto e un mitocondrio, scrivi al loro interno le rispettive equazioni globali e collegali con due frecce che mostrino come i prodotti dell'uno siano i reagenti dell'altro.