Bioenergetica cellulare e ATP

La bioenergetica riguarda le trasformazioni energetiche che avvengono all’interno del nostro organismo. Gli organismi viventi sono costituiti da 4 famiglie di macromolecole: proteine, lipidi, carboidrati e acidi nucleici.
Fin che queste macromolecole sono isolate sono inanimate, non si riproducono, però quando queste molecole si aggregano all’interno della cellula e possono interagire le une con le altre si vengono a sviluppare proprietà caratteristiche della materia vivente.

I tessuti acquistano così la capacità di autoreplicarsi, di autocostruirsi, di produrre le molecole che costituiscono la materia vivente, di autoconservarsi e sono altamente complicati e organizzati. Per fare ciò è necessaria una grande quantità di energia, che viene prelevata dall’ambiente esterno, quindi le cellule viventi sono dei sistemi aperti, dove avviene un continuo scambio di energia e materia. In queste trasformazioni energetiche valgono le leggi della termodinamica.

L’energia che può essere utilizzata dagli esseri viventi è di 2 tipi:

  • Energia solare, che viene utilizzata dagli organismi autotrofi tramite la fotosintesi clorofilliana: partendo da H2O e CO2 viene prodotto O2 e sostanze organiche, di cui gli eterotrofi si cibano
  • Energia chimica, che viene utilizzata dagli organismi eterotrofi, derivante dai processi ossidativi che si attuano sulle molecole introdotte con la dieta

 

LEGGI DELLA TERMODINAMICA

1^ Legge della Conservazione dell’Energia: nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma. In un sistema chiuso la somma delle varie forme di energia risulta costante

Q = DE + L

Q = calore

DE = variazione di energia interna

L = lavoro

2^ Legge: in ogni modificazione alla fine aumenta il grado di Entropia (S), il disordine del sistema, cioè la forma di energia che non può essere direttamente utilizzata per compiere lavoro.

DG = DH – T DS

DG = energia libera di Gibbs, che può essere utilizzata per compiere lavoro

DH = entalpia, variazione totale di energia del sistema

T = temperatura in K

 

Quando un substrato si trasforma in un prodotto la variazione di energia dipende dal livello energetico del substrato (S) e del prodotto (P). Per andare da S a P si passa per lo stato di transizione, dove si ha la modificazione dei legami dei reagenti ed è quella barriera energetica, che devono superare tutte le molecole di S per diventare P. Il DG della reazione dipende dal livello energetico dello stato iniziale (S) e da quello dello stato finale (P).

Le reazioni possono essere:

  • esoergoniche, se viene liberata energia, cioè DG < 0
  • endoergoniche, se viene richiesta energia, cioè DG > 0

Per confrontare le variazioni di energia che avvengono tra processi diversi bisogna utilizzare le condizioni standard: T = 25°C, P = 1 atm, pH = 0 e M = 1

La variazione di energia in queste condizioni si chiama DG°.

DG° = -RTlnK

R = costante dei gas         K = costante di equilibrio

Però nelle reazioni biochimiche pH = 7 e si utilizza DG°’

DG° e DG°’ sono dei valori costanti e dipendono dal tipo di reazione che considerata, quello che invece è variabile è il DG, che non è in condizioni standard, anche perché le concentrazioni dei S e dei P variano durante lo sviluppo della reazione.

DG = DG°’ + RT ln ([A]/[B])     ®     DG = DG°’ + 2,303RT log ([A]/[B])

Quindi il DG stabilisce il verso di una reazione.

 

I processi metabolici sono dati da una serie di reazioni che partendo da un substrato iniziale attraverso modificazioni intermedie si arriva a un prodotto finale. Il DG totale è la somma dei DG delle singole reazioni, quindi se è < 0 la via metabolica nel suo complesso è spontanea, anche se in mezzo a questa sequenza di reazioni c’è una reazione che ha DG > 0.Se un DG°’> 0 non è detto che resti così anche in condizioni intracellulari, perché all’interno della cellula non succede che i reagenti e i prodotti abbiano sempre M = 1 , avendo una continua trasformazione delle molecole.
Ad esempio nella glicolisi c’è una reazione che consiste nella scissione del fruttosio-1,6-difosfato grazie all’enzima aldolasi in diidrossiacetonfosfato e gliceraldeide-3-fosfato. Questa reazione ha DG°’ = 5,7 Kcal/mol, però la gliceraldeide-3-fosfato formandosi viene rapidamente rimossa dalla reazione successiva, questo fa sì che il rapporto [Gliceraldeide]/[Fruttosio] < 1, tende a 0, quindi log e DG°’ diventano negativi nelle condizioni intracellulari e la reazione totale diventa esoergonica.

Prendiamo ora in considerazione un’altra reazione della glicolisi: la trasformazione del glucosio in glucosio-6-fosfato. Essa ha DG = +3,3 Kcal/mol quindi è endoergonica e da sola non potrebbe avvenire, allora viene accoppiata ad un’altra reazione altamente esoergonica, l’idrolisi dell’ATP che forma ADP e Pi ed ha DG = -7,3 Kcal/mol.
Quindi queste reazioni devono avvenire contemporaneamente e questo succede sul sito catalitico dell’enzima. Gli enzimi che catalizzano questa reazione sono due cinasi, cioè enzimi che fosforilano. Il nome degli enzimi dipende dal substrato e dalla reazione che compiono. Questi due enzimi sono l’esocinasi, meno specifica, se il substrato è uno zucchero a 6 atomi di carbonio, e la glucocinasi, più specifica (specifica per il glucosio).
Nel sito attivo dell’enzima si colloca da una parte il glucosio e nelle strette vicinanze si trova l’ATP. Inoltre è stato verificato che l’esocinasi subisce una modificazione indotta dal legame del substrato, cioè l’enzima ha la cavità aperta quando non lega substrati, ma quando si lega il glucosio e l’ATP la cavità si chiude, affinché non entrino le molecole di H2O, che potrebbero idrolizzare l’ATP, così il gruppo fosforico viene allontanato e spostato direttamente sul glucosio. In questo modo l’energia che si libera dal distacco del gruppo fosforico viene subito utilizzata per formare il nuovo legame del glucosio-6-fosfato. Questa reazione è esoergonica e irreversibile, perché la reazione inversa richiederebbe un salto energetico troppo alto.

Ci sono 2 modi per controllare la direzione delle reazioni negli organismi viventi:

  • agire sulla concentrazione dei reagenti e dei prodotti, cioè in una reazione endoergonica se rimuoviamo velocemente i prodotti può diventare esoergonica e quindi spontanea
  • accoppiare reazione endoergonica all’idrolisi dell’ATP, la quale libera energia, che non viene dispersa nell’ambiente, ma viene utilizzata per formare altri legami, poi la differenza di energia viene dispersa nell’ambiente circostante sottoforma di calore.

 

ATP

Una delle molecole altamente energetiche presenti nel nostro organismo è l’ATP, l’adenosin trifosfato. Essa è formata dall’adenina, una base azotata presente nei nucleotidi degli acidi nucleici, che si lega a uno zucchero a 5 atomi di carbonio, il ribosio, che a sua volta in posizione 5 porta legati 3 gruppi fosforici. Adenina e ribosio formano un nucleoside, l’adenosina, da qui il nome ATP.

Questa molecola in tutte le cellule ha una concentrazione millimolare (Mm), mentre le altre molecole energetiche formate dagli altri nucleosidi (GTP, UTP, CTP) hanno concentrazioni mM. Questo indica che oltre ad essere presente negli acidi nucleici l’adenosina è utilizzata anche in altro modo: è contenuta nell’ATP, la forma di deposito di energia nel nostro organismo, cioè la molecola più utilizzata nelle reazioni metaboliche.
La molecola energetica usata nelle reazioni metaboliche dipende dalla specificità dell’enzima, che le catalizza. Per esempio nell’attivazione del glicerolo viene utilizzato il CTP (citidin-3-fosfato) e nella biosintesi del glicogeno viene utilizzato invece l’UTP (uridin-3-fosfato). Quindi tutti questi nucleotidi trifosfati rappresentano forme di deposito di energia, l’utilizzazione di uno al posto di un altro dipende dalla specificità del sito attivo dell’enzima e il fatto che la concentrazione di ATP è maggiore rispetto agli altri, indica che questo viene utilizzato in quantità maggiore.