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Adenosina trifosfato ATP

Struttura dell'adenosina trifosfato ATP

L’ATP, adenosina trifosfato, è un nucleoside trifosfato che contiene:

- la base azotata adenina;

- il pentoso ribosio;

- un blocco di tre fosfati, indicati in successione come fosfato alfa (α), beta (β) e gamma (γ).

I legami chimici tra i gruppi fosfato alfa e beta e tra beta e gamma sono fosfoanidridici, definiti ad alta energia, in quanto la loro rottura, con conseguente rilascio di ADP e Pi (fosfato inorganico) o di AMP e PPi (pirofosfato inorganico), libera l’energia necessaria alla realizzazione di processi indispensabili per la cellula e altrimenti non realizzabili, come la biosintesi delle macromolecole, il trasporto attivo e la contrazione muscolare.

struttura dell'ATP

L’ATP è un nucleotide contenente tre gruppi fosfato legati al blocco dell’adenosina (ribosio e adenina).

Ruolo dell’adenosina trifosfato (ATP) nel metabolismo energetico

L’adenosina trifosfato (ATP) può essere definito la valuta energetica della cellula, lo strumento attraverso cui la cellula realizza processi che necessitano di energia (endoergonici) ed è prodotto da reazioni che liberano energia (esoergonici).

L’ATP svolge, quindi, un ruolo di fondamentale importanza nel metabolismo energetico.

Il metabolismo è il complesso di razioni variamente interconnesse che consentono la continua conversione di molecole in altre più o meno o parimenti complesse, a seconda delle esigenze della cellula.

Il metabolismo è suddivisibile in due grandi gruppi di reazioni: anabolismo e catabolismo.

  • L’anabolismo comprende le reazioni di biosintesi che, mediante il consumo di energia e quindi di ATP, consentono di produrre composti organici complessi (carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici) a partire da sostanze più semplici.
  • Il catabolismo, invece, realizza il processo opposto e, mediante la demolizione ossidativa delle macromolecole, consente di liberare energia, gradualmente recuperata mediante la sintesi di ATP.

Il meccanismo per eccellenza preposto alla sintesi dell’ATP è per gli organismi aerobici la fosforilazione ossidativa.

Negli organismi fotoautotrofi, come le piante e alcuni batteri, l’energia necessaria alla sintesi di ATP deriva dall’energia solare, sfruttata nella fotosintesi clorofilliana.

Sebbene la distinzione tra catabolismo e anabolismo sia piuttosto semplicistica e non sempre corretta, essa fornisce un’utile indicazione del flusso di energia mediato dall’ATP.

ciclo dell'ATP

Il ciclo dell’ATP tra catabolismo e anabolismo. Si noti come una parte, anche minima, dell’energia che viene continuamente trasferita venga dissipata sotto forma di calore.

L’idrolisi dei legami fosfoanidridici

Il legame fosfoanidridico è definito un legame ad alta energia, vale a dire un legame la cui idrolisi è esoergonica (ΔG < 0), cioè termodinamicamente favorita e che può essere sfruttata dalla cellula per compiere un lavoro.

Nelle cellule molte reazioni endoergoniche (ΔG > 0) e quindi termodinamicamente sfavorite sono rese possibili grazie all’accoppiamento con l’idrolisi dell’ATP in ADP e Pi o in AMP e PPi.

In quest’ultimo caso, l’idrolisi del pirofosfato in due gruppi fosfato liberi, mediante l’intervento dell’enzima pirofosfatasi, fornisce un ulteriore contributo allo spostamento a destra della reazione e quindi alla variazione negativa dell’energia libera.

ATP + H2O → ADP + Pi per la quale ΔG = -7,3 kcal · mol-1 (-30,5 kJ · mol-1)

ATP +H2O → AMP + PPi per la quale ΔG = -10,9 kcal · mol-1 (-45,6 kJ · mol-1)

PPi → 2 Pi per la quale ΔG = -8,0 kcal · mol-1 (-33,5 kJ · mol-1)

I valori di variazioni di energia libera riportati si riferiscono a reazioni di idrolisi in condizioni standard (pH = 7 e 25 °C).

Essi dipendono molto dalla concentrazione di vari ioni, tra cui Mg+2 (con cui di norma l’ATP e i gruppi fosfato liberi sono coniugati) e altri metalli.

In media, considerando le concentrazioni cellulari, le reazioni di idrolisi sopra riportate hanno valori di ΔG intorno a -12 kcal · mol-1 (-50 kJ · mol-1).

Cause dell’elevato valore dell’energia di idrolisi dell’ATP

La variazione negativa di energia libera delle reazioni di idrolisi dell’ATP è spiegabile facendo riferimento alla maggiore stabilità dei prodotti delle reazioni.

I gruppi fosfato liberi e anche il pirofosfato sono sottoposti a una minore repulsione elettrostastica tra le cariche negative e sono stabilizzati per risonanza e grazie all’idratazione con un maggior numero di molecole di acqua rispetto all’adenosina trifosfato (ATP).

L’accoppiamento delle reazioni endoergoniche all’idrolisi dell’ATP è pertanto vantaggioso termodinamicamente perché in questo modo si ottengono prodotti più stabili rispetto ai reagenti.

distacco dello ione fosfato nell'ATP

Diminuzione della repulsione elettrostatica nell’ADP in seguito al distacco del fosfato γ.

A sinistra della figura seguente sono riportate le possibili strutture di risonanza del gruppo fosfato, mentre a destra è rappresentata la parte terminale dell’ATP dove l’eventualità della vicinanza di cariche positive non rende possibile la risonanza tra i gruppi fosfato.

strutture di risonanza del gruppo fosfato nell'atp

Il potenziale di fosforilazione dell’ATP

L’energia di idrolisi dell’ATP è anche detta potenziale di fosforilazione, dato che i processi termodinamicamente sfavoriti sono resi energeticamente più vantaggiosi dal trasferimento di uno o più gruppi fosfato alle molecole coinvolte.

Il trasferimento consente di creare ulteriori legami ad alto contenuto energetico oppure di indurre cambiamenti conformazionali in molecole come le proteine e tra queste gli enzimi, modulandone l’attività in senso positivo o negativo.

Il potenziale di fosforilazione dell’ATP lo colloca in una posizione intermedia rispetto ad altri composti fosforilati ad alta energia.

Ne consegue che la fosforilazione a spese dell’ATP può avvenire per quei composti in cui la formazione di legami con i gruppi fosfato richiede una quantità di energia pari o inferiore a quella dell’idrolisi dell’ATP che, invece, può essere rigenerato dall’idrolisi di composti a maggiore potenziale di trasferimento.

La sintesi di ATP a spese di altri composti fosforilati è detta fosforilazione a livello del substrato, un meccanismo alternativo rispetto alla fosforilazione ossidativa, mediante cui la cellula ricava la maggior parte delle molecole di ATP se le reazioni cataboliche sono condotte in condizioni aerobiche.

ruolo dell'ATP

L’ATP può essere utilizzato per creare composti fosforilati a minor contenuto energetico, mentre può essere ottenuto dall’idrolisi di composti fosforilati a maggior contenuto energetico.

Altri nucleosidi trifosfato

Alcune reazioni biosintetiche (si pensi alla sintesi di DNA o alla sintesi dell'RNA) sono rese possibili dall’idrolisi di altri nucleosidi trifosfato, come guanosina trifosfato (GTP), uridina trifosfato (UTP) o citidina trifosfato (CTP).

I vari nucleotidi sono tra loro intercambiabili grazie all’intervento di specifici enzimi che catalizzano il trasferimento del fosfato terminale da un nucleotide a un altro.

Nonostante l’energia di idrolisi degli altri nucleosidi trifosfato sia equivalente a quello dell’ATP, quest’ultimo rimane il carrier per eccellenza dell’energia della cellula.

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