Ottenimento di energia

Tutte le cellule hanno bisogno di energia per originare polimeri, mantenere un ordine interno e riprodursi; questa viene ricavata attraverso reazioni di ossidoriduzione; elettroni, cioè, si muovono “in discesa”, vengono estratti da molecole ad alto livello energetico e portati ad altre molecole a livello energetico più basso che, acquisendo energia in queto modo, possono formare legami chimici ad alto livello energetico; la principale molecola che svolge questo ruolo è l’ATP, un coenzima fondamentale in tutte le reazioni di condensazione (reazioni che avvengono con la perdita di acqua) ed anche il principale donatore di energia per altri tipi di lavoro cellulare. L’ATP, quando si trasforma in ADP, rilascia parte dell’energia che è stata necessaria per la sua formazione a partire dall’ADP e da un gruppo fosfato.

A questa “staffetta” di elettroni partecipano dei catalizzatori presenti sulle membrane e un catalizzatore solubile, generalmente NAD o NADP.
L’accoppiamento fra trasferimento di elettroni e formazione di ATP avviene tramite intermedi, generalmente composti organici contenenti zolfo (tioesteri). Nei successivi passaggi, l’accoppiamento fra flusso di elettroni e sintesi di ATP si verifica tramite una forza motrice protonica (sostanzialmente ioni idrogeno); mano a mano che il flusso di elettroni libera energia, alcune proteine presenti nella catena, la utilizzano per trasportare attivamente ioni idrogeno attraverso la membrana, così l’ATP-sintetasi, un enzima, può utilizzare l’energia creatasi dalla differenza di concentrazione per produrre ATP. Questo, una volta resosi disponibile, può essere impiegato per tutte le reazioni di sintesi che avvengono nella cellula. Perché la vita si formi e si mantenga, pertanto, sono necessarie fonti energetiche stabili e soprattutto elettroni; gli organismi  eterotrofi attuali ottengono elettroni dagli alimenti, per poi trasferirli all’ossigeno o, in certi batteri anaerobi, ad altri accettori assunti dall’ambiente (solfati, nitrati o ioni ferro); altri organismi utilizzano invece dei metaboliti da loro stessi prodotti come l’alcol etilico o l’acido lattico per eliminare gli elettroni, una volta che siano stati utilizzati (si parla in questo caso di fermentazione). Gli eterotrofi utilizzano il cibo anche per ricavare energia e materia per la loro crescita e il loro mantenimento e, per un certo tempo, possono continuare ad attingere ai propri costituenti per ricavarne elettroni; anche gli autotrofi, del resto, quando non hanno accesso alla loro più importante fonte di energia, usano le proprie riserve come fonti di elettroni. Gli organismi chemiotrofi funzionano in modo molto simile agli eterotrofi, anche se si procurano gli elettroni da donatori inorganici, come idrogeno o solfuro di idrogeno.
Gli organismi fotoautotrofi ricavano elettroni da molecole a bassa energia; questi elettroni vengono però portati dalle onde elettromagnetiche a livelli energetici superiori. Alcuni di questi elettroni eccitati sono diretti verso reazioni di sintesi, mentre altri passano attraverso una catene di trasportatori associata alla membrana, sintetizzando ATP, per poi tornare al fotosistema per essere nuovamente attivati.
I batteri fototrofi primitivi possiedono un unico fotosistema situato sulla menbrana plasmatica, che effettua tutto il processo utilizzando come donatori di elettroni composti inorganici come i solfuri di idrogeno, mentre le cianoficee, le piante, i protisti fototrofi possiedono un secondo fotosistema (fotosistema II), che lavora insieme al fotosistema I e assume gli elettroni dall’acqua. Quale può essere stata la fonte di elettroni del passato?

E' possibile che esistano meccanismi spontanei di autoassemblaggio?