Energia cellulare: dal metabolismo alla rigenerazione dell'ATP

Le cellule e l'energia

Le cellule sono dei sistemi aperti, in quanto scambiano energia con l’ambiente e lavorano in condizioni isobare e isotermiche. Il lavoro che producono è l’energia che l’organismo utilizza.
1) Entalpia (ΔH): è il parametro che misura lo scambio di calore di una reazione. Una reazione per essere spontanea deve essere esotermica (ΔH

2) Entropia (ΔS): misura la variazione di disordine durante una reazione chimica. Affinché una reazione avvenga spontaneamente deve avere ΔS>0.

Energia libera di Gibbs

3) Energia libera di Gibbs (ΔG): sarebbe la quota di energia disponibile per compiere lavoro. - Reazione Esoergonica (ΔGcellula.

- Reazione all'Equilibrio (ΔG = 0): Non c'è un flusso netto di energia.

- Reazione Endoergonica (ΔG > 0): La reazione non è spontanea. Nella cellula però non sempre le concentrazioni sono 1M, per questo utilizziamo il ΔG che tiene conto anche delle concentrazioni: ΔG=ΔG°+RTlnK. Ora se ci troviamo all’equilibrio (ΔG=0), la formula diventa: ΔG°=-RTlnKeq. In base al valore di ΔG° possiamo dedurre verso dove è spostata la reazione. Nella cellula abbiamo pH=7 e [H2O]=55,5M e la formula diventa: ΔG’°=-RTlnK’eq.

Reazioni reversibili e esoergoniche

Le reazioni reversibili sono quelle che hanno ΔG~0 e possono avvenire in entrambi i versi: se c’è abbondanza di reagente procede verso avanti, se c’è abbondanza di prodotto torna indietro. Quindi la loro direzionalità e velocità è determinata dalle concentrazioni. Le reazioni esoergoniche (ΔGenzimi regolatori. Nel caso di reazioni non spontanee, la cellula per farle avvenire lo stesso le accoppia a reazioni spontanee. In pratica utilizza l’energia ceduta dalle reazioni spontanee per far avvenire quelle non spontanee, in modo che il ΔG sia sempre negativo.

Ruolo dell'ATP nella cellula

L’ATP ha 3 gruppi fosfato, i quali hanno carica negativa e, respingendosi, rendono molecola instabile. Per questo, la rottura di questi legami fosfoanidridici libera energia. Nella cellula la concentrazione di ATP è superiore al suo punto di equilibrio, per cui la sua idrolisi fornisce ancora più energia. L’ATP e ADP sono legati al Mg2+, che li stabilizza. Ora ci chiederemo come fa l’ATP a liberare così tanta energia dalla sua idrolisi? La risposta è che ci sono vari meccanismi che rendono più stabile la molecola dopo l'idrolisi: - Riduzione della repulsione elettrostatica: l'ATP ha 4 cariche negative sui fosfati che si respingono. L'idrolisi separa queste cariche (2 vanno sul Pi e 2 sull'ADP), alleviando la tensione. - Stabilizzazione per risonanza: il fosfato libero (Pi) è molto più stabile rispetto a quando è legato nell'ATP perché può distribuire meglio le sue cariche attraverso risonanza. - Ionizzazione: l'ADP si ionizza rilasciando un H+ in un ambiente a pH 7 (dove la concentrazione di H^+ è bassa), rendendo il prodotto finale più stabile. - Solvatazione: l'acqua circonda e stabilizza l'ADP e il Pi in modo molto più efficiente di quanto faccia con l'ATP. Nonostante l’ATP sia una bomba carica, per esplodere ha comunque bisogno di un enzima per superare l’energia di attivazione.

Sintesi e idrolisi dell'ATP

L'ATP non si limita a rompersi rilasciando energia sotto forma di calore, ma partecipa covalentemente alla reazione. Infatti prima l'ATP dona un gruppo fosfato a un substrato rendendolo instabile e ricco di energia. Dopodiché il gruppo fosfato viene sostituito da un altro gruppo, completando la reazione.Oltre a donare un singolo fosfato (Pi), l'ATP può donare un gruppo pirofosforico (PPi) o un gruppo adenilato (AMP) per attivare molecole ancora più complesse. Ma chi fornisce energia per sintetizzare ATP? Quando si idrolizza, il fosfato viene staccato e si forma il piruvato. Il piruvato può esistere in due forme tautomeriche: enolica e chetonica. Questa tautomerizzazione stabilizza il prodotto, rendendo la reazione molto esoergonica.

Fosfocreatina e rigenerazione dell'ATP

Ha legame P–N che può idrolizzarsi formando creatina e Pi. Pi e creatina hanno diverse forme di risonanza, quindi il prodotto è più stabile. La fosfocreatina serve a mantenere costante la concentrazione di ATP. Senza di essa, durante uno scatto improvviso, le riserve di ATP si esaurirebbero in pochissimi secondi.Quando la cellula ha energia (ATP) in eccesso la stocca trasferendo un gruppo fosfato dall'ATP alla creatina, creando fosfocreatina.

Ruolo della creatina chinasi

Quando l'ATP la cellula sta consumando energia rapidamente, la fosfocreatina cede immediatamente il suo gruppo fosfato per rigenerare nuovo ATP.

Quindi nei muscoli la fosfocreatina è molto concentrata, permettendo una sintesi estremamente rapida di ATP, catalizzata dall'enzima creatina chinasi (CK). La CK è importante anche in diagnostica perché normalmente si trova all'interno delle cellule (muscoli e cuore). Se il tessuto cardiaco subisce un danno (come in un infarto), le cellule si rompono e rilasciano questo enzima nel sangue. Trovare livelli elevati della forma CK-MB nel sangue è quindi un segnale che il cuore ha subito un danno.

Idrolisi di tioesteri

Infine, anche l’idrolisi di tioesteri (come Acetil-CoA), visto che lo zolfo non è in grado di fare stabilizzazione per risonanza, libera molta energia.