Reazioni di ossido-riduzione

Nella reazione di respirazione cellulare il glucosio viene demolito grazie alla presenza di ossigeno e si dice che viene ossidato. Con il termine chimico ossidazione però non si intende solo una reazione con l'ossigeno, ma più generalmente ogni reazione che implichi trasferimento di elettroni da un atomo a un altro; l'ossidazione corrisponde alla rimozione di elettroni, mentre la riduzione corrisponde all'acquisizione di elettroni. Gli elettroni possiedono differenti quantità di energia a seconda della loro distanza dal nucleo e dell'attrazione che il nucleo ha per essi.

Un apporto di energia fa passare un elettrone a un livello energetico superiore; senza questo apporto di energia, un elettrone tende a rimanere nel proprio livello. Le reazioni chimiche sono essenzialmente trasformazioni della materia in cui l'energia accumulata nei legami chimici delle sostanze di partenza è trasferita ai nuovi legami chimici dei prodotti finali. In tali trasferimenti gli elettroni passano da un livello di energia a un altro. In molte reazioni gli elettroni passano anche da un atomo o da una molecola a un altro atomo o molecola. Queste reazioni, di grande importanza, sono dette reazioni di ossido-riduzione. Ossidazione e riduzione hanno sempre luogo contemporaneamente perché un elettrone perduto da un atomo viene accettato da un altro atomo; l'atomo o la molecola che perde l'elettrone si ossida, mentre chi acquista l'elettrone si riduce. Le reazioni di ossido-riduzione possono consistere in un solo passaggio di elettroni, per esempio quando il sodio perde un elettrone e si ossida a ione Na+ e il cloro accetta un elettrone e si riduce a Cl-; tali semplici reazioni riguardano in genere elementi o composti inorganici. Nelle più complesse reazioni che riguardano le molecole organiche si ha spesso uno spostamento di protoni che accompagna la reazione di ossido-riduzione: gli elettroni quindi viaggiano con i protoni, cioè come atomi di idrogeno; in queste reazioni, l'ossidazione consiste nella rimozione di atomi di idrogeno e la riduzione nell'accettazione di questi atomi. Per esempio, nel processo di fotosintesi atomi di idrogeno sono trasferiti dall'acqua all'anidride carbonica; in questo modo l'anidride carbonica viene ridotta e si forma glucosio. In questa reazione gli elettroni passano da un livello energetico minore (reagenti) a un livello energetico maggiore (prodotti); la reazione quindi è endoergonica, ovvero ha bisogno di un apporto di energia per poter avvenire. Nell'ossidazione del glucosio, invece, la molecola di glucosio perde atomi di idrogeno e l'ossigeno li accetta formando acqua. In questa reazione gli elettroni passano da un livello energetico più alto (reagenti) a uno più basso (prodotti); pertanto la reazione è esoergonica, cioè avviene con liberazione di energia. Nei sistemi viventi le reazioni che catturano energia (come la fotosintesi) e le reazioni che liberano energia (per esempio, la glicolisi e la respirazione) sono reazioni di ossido-riduzione. La riduzione di anidride carbonica per formare una mole di glucosio accumula 686 kilocalorie di energia nei legami chimici del glucosio; viceversa, l'ossidazione completa di una mole di glucosio libera 686 kilocalorie di energia. Se questa energia venisse liberata tutta in una volta, gran parte di essa verrebbe dissipata come calore e non solo non sarebbe di alcuna utilità per la cellula, ma produrrebbe un aumento della temperatura che sarebbe letale. Ciò non avviene perché nei sistemi viventi si sono evoluti meccanismi che regolano le reazioni chimiche in modo da liberare l'energia, accumulata in legami chimici particolari, in piccole quantità e secondo le esigenze della cellula. Questi meccanismi, che richiedono solo pochi tipi di molecole, consentono alle cellule di utilizzare l'energia in modo efficiente, senza spezzare i delicati equilibri che caratterizzano un sistema vivente.