Il ruolo cruciale dell'ATP e dei coenzimi nel metabolismo cellulare

Qual è il ruolo dell'ATP nelle cellule?

L’energia liberata dai processi non viene direttamente utilizzata dalla cellula ma è invece sfruttata per sintetizzare una particolare molecola denominata adenosintrifosfato ATP che riveste un ruolo chiave nel bilancio energetico delle cellule poiché l’energia libera prodotta dalle reazioni esoergoniche può essere utilizzata per produrre molecole di ATP che sono poi degradate nel corso di quei processi in cui è necessaria energia. Le molecole di ATP sono le uniche che le cellule sono in grado di utilizzare per poter fornire energia alle loro reazioni metaboliche.

Struttura e funzione dell'ATP

L’ATP è un nucleotide costituito da una base azotata (l’adenina (che si trova nel DNA e nel RNA) legata ad una molecola di ribosio (C5H10O5) che forma l’adenosina unita a 3 gruppi fosfati che si legano sul carbonio 5. I legami covalenti che tengono uniti questi tre legami fosfato sono rappresentati da una linea ondulata per indicare che sono legami ad alta energia (legami fosfoanidridici). L’ATP può essere idrolizzata (una reazione con un DELTA G e DELTA H adenosindifosfato (ADP) quando un gruppo fosfato si stacca per idrolisi in modo tale che:

ATP + H2O -> ADP + gruppo fosfato + energia (7,3 kcal/mol=30,5 kJ/mol energia prontamente utilizzabile).

La molecola di ADP risultante può essere riciclata in ATP mediante la reazione inversa con l’aggiunta di un gruppo fosfato e l’apporto energetico necessario e questo avviene quando nella cellula vengono demolite le molecole di glucosio con conseguente liberazione di energia e formazione di molecole più piccole e meno energetiche.

Mitocondri e teoria dell'endosimbiosi

I mitocondri sono degli organuli citoplasmatici presenti nelle cellule eucarioti sia animali che vegetali. La membrana interna si ripiega a formare le creste mitocondriali. All’interno c’è una specie di citoplasma che prende il nome di matrice in cui ci sono anche i ribosomi sparsi e sempre a livello di mitocondrio c’è il DNA mitocondriale. Per la teoria dell’endosimbiosi i mitocondri avevano originariamente delle cellule indipendenti che sono successivamente sono state inglobate nelle cellule per trarne reciproco vantaggio: il mitocondrio trova nella cellula le sostanze che gli servono e in cambio produce ATP.

Reazioni esoergoniche ed endoergoniche

Nonostante gli enzimi, che riducono l’energia di attivazione necessaria allo svolgimento di molti processi biochimici, nelle reazioni di biosintesi in cui molecole più grandi e complesse vengono sintetizzate da molecole più piccole e semplici, è necessario un ulteriore apporto di energia e tali reazioni dette endoergoniche sono quelle in cui il contenuto di energia dei prodotti è maggiore rispetto a quello dei reagenti prendendo energia dall’esterno. Le cellule riescono a superare questa difficoltà grazie a reazioni accoppiate in cui le reazioni che richiedono energia sono abbinate a delle reazioni dette esoergoniche che forniscono questo surplus di energia. La molecola che più frequentemente fornisce l’energia per queste reazioni accoppiate è l’ATP.

La reazione è reversibile e può essere idrolizzata sia:

ATP->

ADP->

Le reazioni esoergoniche che portano alla sintesi di ATP sono numerose ma indubbiamente la respirazione cellulare è il processo più importante.

Il ruolo del NAD e del FAD

Nel processo di demolizione del glucosio i coenzimi che funzionano da trasportatori di elettroni sono il NAD+ e il FAD. Il NAD+ è costituito da due nucleotidi e può accettare un protone e due elettroni riducendosi a NADH. Il FAD invece può accettare due atomi di idrogeno, cioè due protoni e due elettroni riducendosi a FADH2.

Una molecola importante per l’organismo è il NAD (nicotinammide adenina dinucleotide), un coenzima, cioè un composto organico che interviene con alcuni gruppi funzionali specifici che l’enzima non possiede e che sono necessari durante la catalisi di una data reazione. Il NAD non esiste chimicamente ma esiste solo il termine.

Durante le ossido riduzioni, il trasferimento di elettroni avviene grazie all’intervento dell’enzima deidrogenasi e del coenzima NAD+. Esiste il NAD+ e cioè la forma ossidata dopo la cessione di due elettroni e il NADH+H+ cioè la forma ridotta per l’acquisizione di due elettroni. Gli elettroni da soli sono tossici, velenosi, le cellule andrebbero ad essere danneggiate per cui nelle cellule gli elettroni si spostano solo insieme ai rispettivi protoni, gli H+, gli ioni dell’idrogeno. Nel passaggio da NAD+ a NADH+H+ non solo sono stati acquistati elettroni ma anche due H+. In biochimica cedere elettroni significa cedere anche protoni cioè ioni idrogeno. Riduzione significa acquistare elettroni ma anche ioni idrogeno H+.

Il FAD (favin adenin dinucleotide) ha la funzione di trasportatore di elettroni con la differenza che può accettare due protoni e due elettroni riducendosi a FADH2. Il FAD corrisponde alla forma ossidata la quale acquista elettroni con i rispettivi protoni H+ e diventa FADH2, la forma ridotta.