ATP e ciclo di Krebs

Oltre che per la fosforilazione, il trasferimento di un gruppo fosforico dell’ATP serve per attivare alcune molecole che dal punto di vista metabolico risultano inerti, ossia non potrebbero essere ulteriormente trasformate. Queste molecole hanno bisogno di un input di energia per poter subire le modifiche successive.

Una molecola inerte quindi, per essere riattivata può subire la fosforilazione.

Nello schema a lato analizziamo il caso in cui sul substrato X entra il gruppo fosforico ceduto dall’ATP, che si porta dietro una certa quantità di energia, successivamente entra una seconda molecola Y che non poteva inserirsi direttamente perché non c’era l’energia sufficiente per fare avvenire la trasformazione: il gruppo fosforico viene quindi richiesto per fornire l’energia che verrà utilizzata successivamente. Si ha un doppio scambio, prima entra il gruppo fosfato, che viene sostituito da un secondo substrato per fornire la molecola finale.

Altre volte non è solo il gruppo fosforico ad essere trasferito, ma addirittura il gruppo pirofosfato (PP) per fornire ancora più energia rispetto al caso precedente. Naturalmente, per perdita di 2 gruppi fosforici, l’ATP diventa AMP. Una volta avvenuta l’attivazione della molecola subentra il secondo substrato che sostituisce il pirofosfato. Quest’ultimo è una molecola molto energetica, quindi, grazie alla presenza all’interno del citoplasma delle cellule di un enzima (PIROFOSFATASI INORGANICA), è possibile scindere il legame tra i 2 gruppi fosfato formando 2 molecole di fosfato inorganico (Pi). L’enzima è ubiquitario, ossia presente in tutte le cellule e questa reazione, grazie alla diffusione dell’enzima avviene spesso. L’AMP che si libera dovrà essere ricaricato. Questa reazione avviene per mezzo dell’enzima ADENILATO CINASI che utilizza l’energia contenuta nell’ATP. L’apporto di energia in queste reazioni è notevole per:

  • il trasferimento del gruppo pirofosfato con conseguente rottura del legame tra un fosfato e l’altro
  • l’idrolisi del pirofosfato

Il terzo caso è molto particolare, invece di introdurre i gruppi fosforici, viene introdotto il gruppo adenilato, ossia l’AMP. Ancora una volta assistiamo ad un doppio scambio, viene introdotto l’AMP che fornisce molta energia che permette l’ingresso del secondo substrato.

In genere, quando l’ATP interviene nelle reazioni, l’energia che da esso viene donata si accompagna al trasferimento, normalmente di un gruppo fosforico, ma in altri casi, può essere trasferito un pirofosfato, l’AMP o l’adenosina, come nell’ultimo esempio.

In altri casi, l’ATP si idrolizza, come sul sito attivo di un enzima o su una molecola che deve subire una modifica conformazionale. Il gruppo fosforico viene liberato nel mezzo e l’energia che si libera viene utilizzata per il trasporto di molecole contro gradiente di concentrazione, ad esempio, oppure per la contrazione muscolare.

L’ATP può intervenire in 2 modi per fornire energia:

  • la cessione di energia è accompagnata dal trasferimento di gruppi fosfato, di pirofosfato e AMP
  • l’ATP viene liberamente idrolizzato liberando energia che viene utilizzata per il cambiamento di conformazione di una molecola o per svolgere attività che richiedano energia

Un altro esempio di reazione in cui viene utilizzato l’ATP è quella in cui partendo dal glutammato, o acido glutammico otteniamo glutammina a seguito di una trasformazione.

Perché otteniamo glutammina??

L’ammoniaca è una molecola tossica per il nostro organismo. Durante il catabolismo delle proteine, gli aminoacidi che da esse derivano devono essere deaminati, devono cioè perdere il loro gruppo amminico prima di poter essere ossidati completamente. Si arriva ad un certo punto in cui dall’aminoacido si distacca l’ammoniaca che deve essere rimossa dal nostro organismo molto velocemente. Se l’NH3 si forma a livello del fegato, entra nel ciclo dell’urea e viene eliminata, altrimenti esistono reazioni di deaminazione a livello del sistema nervoso centrale. Qui, l’acido glutammico, normalmente presente in tutti i tessuti reagisce con l’ammoniaca togliendola dal mezzo (la lega a sé) e si forma la glutammina. L’addizione di NH3 non avviene spontaneamente, perché il legame tra glutammato ed ammoniaca è una reazione che per avvenire richiede una certa quantità di energia (circa 3.4 kcal/mole), prontamente fornita dall’ATP. Alla fine della reazione vengono liberate 3.9 kcal/mole. La reazione non avviene in un unico stadio, ma in 2:

  • l’ATP reagisce con il glutammato donando il gruppo fosforico → si forma glutammilfosfato (il gruppo fosforico attiva il gruppo carbossilico). Il composto ha incamerato l’energia fornita dall’ATP
  • il gruppo fosfato viene sostituito dall’ammoniaca che può unirsi perché entra in un composto che ha un livello energetico più alto di quello di partenza. Esce il fosfato ed entra l’ammoniaca, si forma la glutammina.

Le reazioni metaboliche all’interno del nostro organismo, devono avvenire in modo coordinato e i composti devono essere sintetizzati solo quando c’è necessità. La maggior parte dei processi che avvengono nel nostro organismo serve per:

  • fornire energia
  • permettere alle vie biosintetiche di funzionare attraverso l’utilizzo di energia

Le 2 molecole che entrano in gioco per fare avvenire questi processi sono ATP e ADP.

Se la concentrazione di ADP all’interno di una cellula è alta, significa che questa si trova ad un basso livello energetico, così iniziano i processi catabolici, come glicolisi, ciclo di Krebs. Questi liberano una grande quantità di energia.

L’ADP è un modulatore POSITIVO per i processi catabolici, la grande concentrazione di quest’ultimo stimola il catabolismo. Quando il processo catabolico è in funzione da un po’ e abbiamo bruciato le sostanze introdotte con la dieta, gran parte dell’ADP presente precedentemente viene trasformato in ATP. A questo punto non è necessario che continuiamo a bruciare le sostanze introdotte con la dieta o le nostre riserve energetiche perché abbiamo raggiunto i livelli normali di energia all’interno della cellula indicati da un’alta concentrazione di ATP. L’ATP ha quindi una funzione inibitoria del catabolismo e di modulatore positivo per l’anabolismo. L’anabolismo rappresenta l’insieme delle reazioni che dai costituenti base più semplici, porta alle macromolecole presenti in tutti i tessuti, naturalmente per queste reazioni viene usata energia.

Possiamo affermare che ADP e ATP, NAD+ e NADH, FAD+ e FADH rappresentano i modulatori più importanti per il metabolismo cellulare. Queste molecole agiscono in modo coordinato, in quanto quando è attivo il catabolismo occorre che l’anabolismo venga bloccato e viceversa, in questo modo i cicli futili sono evitati.

Per ottenere energia, il nostro organismo può anche utilizzare quella contenuta nelle sostanze che introduciamo con la dieta estraendola attraverso i processi di ossido-riduzione.

Partendo dalle proteine che vengono scisse negli aminoacidi costituenti, dagli acidi grassi o dagli zuccheri avvengono vari processi ossidativi.

L’Acetil-CoA si forma sia dalla demolizione ossidativa degli aminoacidi, che dalla β ossidazione degli acidi grassi, che dalla glicolisi degli zuccheri. Questo intermedio comune entrerà nel ciclo di Krebs e infine si formeranno CO2 e H2O che rappresentano i prodotti di scarto del ciclo. In tutti questi processi catabolici vengono progressivamente liberati elettroni con carica naturalmente negativa. Gli elettroni non rimangono liberi nel mezzo,ma devono essere caricati da accettori. Questi accettori sono i coenzimi di ossidoriduzione. Accettando gli elettroni i coenzimi si riducono; passano da NAD+ a NADH, da FAD+ a FADH. Affinché questi processi catabolici possano continuare ad avvenire le forme ridotte dei coenzimi devono tornare nella forma ossidata per poter continuare ad accettare elettroni provenienti dal catabolismo. Ciò avviene grazie alla catena respiratoria, di cui il NADH e il FADH sono i punti di ingresso. Queste 2 molecole sono i substrati iniziali della catena respiratoria. Tramite la catena gli elettroni vengono trasferiti fino all’accettore finale che è l’ossigeno, che caricando gli elettroni diventa H2O. La funzione importante di questo processo non è tanto quella di formare acqua, ma produrre energia sotto forma di ATP.

In ogni reazione di ossido-riduzione sono sempre presenti due coppie:

  • una che si riduce
  • una che si ossida

AH2 rappresenta la forma ridotta, A rappresenta la forma ossidata. AH2 deve cedere i suoi equivalenti riducenti a B che è la forma ossidata della seconda coppia. Partendo quindi da AH2 ridotta + B ossidato→ A forma ossidata + B forma ridotta.

In ogni reazione di ossido-riduzione, gli elettroni vengono trasferiti da una coppia donatrice ad una coppia accettrice. Perché avvenga il passaggio di elettroni occorre che ci sia un donatore, ma è altrettanto fondamentale la presenza di un accettore.

Cosa stabilisce il senso di transito degli elettroni?? La reazione può essere come l’abbiamo scritta, oppure andare nel senso contrario. E’ un valore costante per ogni tipo di ossidoriduzione che prendiamo in considerazione e viene indicato come Eo’, potenziale standard di ossido-riduzione.

Le condizioni standard indicano

  • concentrazioni 1 molare
  • P = 1 atmosfera
  • T = 25°celsius

Il ’ indica che siamo però a pH 7

Va ricordato che Eo’ è una condizione teorica, quello che noi abbiamo concretamente è E, calcolato all’interno della cellula. Questo valore teorico però ci serve come indicatore, per sapere quali sono le coppie che hanno un alto potere riducente e quali hanno invece un alto potere ossidante.

Gli elettroni passano dalle coppie con potenziale red-ox più negativo a quelle con potenziale red-ox più positivo.