1. I sistemi biologici sono ordinati cioe' hanno bassa entropia e il loro mantenimento richiede energia. Diminure l'entropia di un sistema termodinamico (ad es. un organismo) e' possibile, ma ha due costi: richiede consumo di energia e fa aumentare l'entropia esterna al sistema.
2. Energia e' richiesta per tutte le funzioni biologiche, o per la maggioranza di esse: movimento, mantenimento di gradienti di concentrazione, biosintesi di macromolecole e altri componenti dell'organismo, ricambio cellulare, escrezione, etc.
3. L'energia dei sistemi biologici deriva dalla luce del sole (fotosintesi) o dal metabolismo dei nutrienti. In entrambi i casi sono necessarie reazioni di ossido-riduzione.
4. L'energia fornita dalla fotosintesi o dal metabolismo deve essere conservata ed utilizzata mediante molecole che agiscono come scambiatori, costantemente riciclate.
5. Gli scambiatori principali sono: l'ATP per tutte le funzioni non ossido-riduttive ed il NADH/NADPH per tutte le funzioni ossido-riduttive. Le reazioni nelle quali questi scambiatori forniscono energia sono le seguenti:
6. Mentre l'energia derivante dall'idrolisi del legame anidridico dell'ATP si misura in kcal/mole, per stimare l'energia contenuta nel NADH si utilizza il suo potenziale redox standard, che deve essere confrontato con quello degli altri ossidanti e riducenti biologici:
7. La conversione della differenza di potenziale in energia libera e' molto semplice e richiede di moltiplicare il ΔE0 della reazione redox, a condizioni standard, per il numero di elettroni scambiati e per la costante di Faraday (96.500 J / V.mole). Ad esempio per la reazione della catena respiratoria mitocondriale:
ΔG0 = 4 x 96.500 x 1,136 = 438.496 J / mole = 438,5 kJ / mole di O2
Se si vuole convertire in calorie bisogna dividere per l'equivalente calorico del Joule:
438,5 kJ /mole / 4,18 J/cal = 105 kcal /mole di O2 (52,5 kcal /mole di NADH)
La fosforilazione ossidativa accoppia l'ossidazione di 1 mole di NADH alla fosforilazione di 3 moli di ATP, con un rendimento teorico di 22 / 52,5 = 42% (molto elevato rispetto a quello di una tipica macchina termica); il rimanente e' disperso sotto forma di calore (ma anche l'uso dell'ATP alla fine converte energia in calore). Per contro si puo' osservare che le reazioni redox del metabolismo sono estremamente efficienti nella conversione dell'energia dei nutrienti in NADH in quanto l'equivalente calorico dell'ossigeno, misurato rispetto ai nutrienti e' di 117 kcal /mole; quindi il rendimento delle reazioni redox e' di 105 / 117 = 90% (simile al rendimento di una macchina elettrica).
8. Un esempio delle conversioni energetiche del metabolismo:
Il glucosio fornisce energia per circa 4 kcal / g, che corrispondono alla sua ossidazione completa secondo la reazione
Per una mole di glucosio si ottengono 2 NADH e 2 ATP dalla glicolisi, 2 NADH dalla conversione di piruvato in acetil-Coa, e 6 NADH, 2 FADH2 e 2 GTP dal ciclo di Krebs. In totale: 10 NADH, 2 FADH2 e l'equivalente di 4 ATP. Considerando i valori del ΔG0 per l'ossidazione con O2del NADH (52,5 kcal / mole) e FADH2 (48 kcal / mole) il rendimento energetico alla fine del ciclo di Krebs risulta:
In realta' i rendimenti sono piu' bassi di quelli indicati perche' in condizioni fisiologiche i rendimenti della fosforilazione ossidativa sono in genere minori di quelli indicati (disaccoppiamento parziale del gradiente protonico) e perche' esistono alcuni costi energetici aggiuntivi dovuti ai trasferimenti di metaboliti tra il citoplasma e il mitocondrio.
9. Si puo' facilmente stimare che un metabolismo basale di 1600 kcal/die, con il rendmento indicato sopra, corrisponde a 1600x0,39 = 620 kcal/die in ATP, corrispondenti a 620 / 7,3 = 85 moli di ATP. Poiche' il PM dell'ATP e' 507, questa quantita' di ATP corrisponde a oltre 40 kg in peso! Ovviamente il nostro corpo non contiene questa massa di ATP: ogni molecola di questo cofattore e' riutilizzata molte migliaia di volte in cicli di fosforilazione / defosforilazione: questo e' il senso dello scambiatore di energia, che viene costantemente riciclato, al contrario del nutriente che viene consumato.
10. La funzione dello scambiatore di energia e' consentire l'accoppiamento con reazioni enzimatiche sfavorevoli: ovviamente sarebbe impossibile immaginare un enzima capace di utilizzare a questo scopo direttamente l'energia contenuta nel glucosio.