Metabolismo chemiotrofo

Metabolismo chemiotrofo

Biologia animale

Le vie metaboliche

La cellula eucariotica, a livello del mitocondrio, può sfruttare substrati organici che, se ossidati, possono fornire alla cellula l’energia necessaria per vivere?

A partire dall’energia luminosa, le piante possono produrre substrati organici, dai quali poi i chemiotrofi riescono a ricavare l’energia necessaria, sotto forma di molecole di riserva energetica, ATP e coenzimi ridotti, per la vita della cellula. Altro elemento fondamentale per la produzione di ATP a livello dei mitocondri è la respirazione cellulare, il termine sta proprio ad intendere l’utilizzo di ossigeno che ossida i composti organici e fornisce l’energia sufficiente per la biosintesi di ATP. Conseguenza dell’intero processo che porta alla sintesi di ATP è la produzione di CO₂ e H₂O, prodotti di scarto che la cellula animale rilascia nell’ambiente e che possono essere utilizzati dai fototrofi per la fotosintesi clorofilliana. Parte dell’energia di questo flusso viene dissipata sotto forma di calore.

Nella cellula avvengono numerose trasformazioni biochimiche, che sono catalizzate da enzimi, all’interno di vie metaboliche. Esse si dividono in:

• Anaboliche: sintesi di componenti cellulari, reazioni endoergoniche, richiesta di energia e lavoro, diminuzione dell’entropia e aumento dell’ordine molecolare.
• Cataboliche: demolizione di componenti cellulari, reazioni esoergoniche, produzione di energia, aumento dell’entropia e diminuzione dell’ordine molecolare.

Le vie cataboliche liberano energia ossidando i combustibili organici, che contengono energia potenziale depositata nei legami tra i loro atomi. Con la rottura di questi legami si può liberare l’energia immagazzinata in essi, che può in parte essere sfruttata per compiere qualsiasi tipo di lavoro. Tuttavia, una via catabolica non è semplicemente il contrario della corrispondente via anabolica. Per esempio, la via catabolica della degradazione del glucosio e la via anabolica della sua sintesi utilizzano enzimi e prodotti intermedi che sono in parte diversi tra loro.

L’estrazione di energia nei processi catabolici può essere compiuta con modalità diverse che hanno rese energetiche diverse:

• Fermentazione, in assenza di ossigeno: demolizione parziale dei composti organici iniziali, quindi si ha una bassa resa energetica.
• Respirazione aerobia, in presenza di ossigeno: demolizione totale dei composti organici iniziali, che, in accoppiamento con la glicolisi, ha un’alta resa energetica. Viene operata dagli eucarioti.
• Respirazione anaerobia, in assenza di ossigeno: demolizione totale dei composti organici iniziali, operata da alcuni procarioti. Si ha un’alta resa energetica.

L’ATP: la principale molecola energetica

Le reazioni anaboliche delle cellule sono responsabili della biosintesi durante i processi di crescita e riparazione e richiedono apporto di energia, mentre le reazioni cataboliche che degradano le molecole alimentari liberano l’energia necessaria per rendere possibili le reazioni anaboliche. La molecola più utilizzata come fonte di energia è l’ATP e critica per la produzione di energia è l’idrolisi di ATP, con conseguente separazione tra ADP e fosfato, che avviene per rottura dell’ultimo legame fosfoanidridico. L’idrolisi dell’ATP è reversibile, quindi si può anche sintetizzare ATP, con consumo di energia. Dunque la sintesi di ATP è endoergonica, mentre l’idrolisi di ATP è endoergonica.

Ma non solo l’ATP è in grado di liberare energia per i processi endoergonici, infatti anche alcuni coenzimi ridotti, come NADH, che partecipano alle reazioni enzimatiche come cosubstrato, si comportano da trasportatori che possono portare a produzione di energia per mezzo della loro riduzione.

Perché l’idrolisi di ATP è così altamente esoergonica?

Perché l’idrolisi di ATP è così altamente esoergonica? ΔG = -7,3 kcal/mol. Il valore di ΔG così favorevole nella reazione di idrolisi di ATP è legato a:

• Repulsione di carica tra i gruppi fosfato nella molecola di ATP che rende alto il valore di energia libera. Cariche di stesso segno, infatti, si respingono.
• Concetto di risonanza: stabilizza molto ADP e gruppo fosfato a livello termodinamico, quindi ADP e P_i hanno un’energia libera molto bassa. Questo è dovuto alla stabilità del gruppo carbossilico, esso infatti viene formalmente rappresentato da un atomo di carbonio legato con un doppio legame a un ossigeno e da un singolo legame a un altro ossigeno. In realtà il gruppo carbossilico possiede un doppietto di elettroni che è delocalizzato, distribuito equamente, su tutti i legami del carbonio con l’ossigeno. La vera struttura dei gruppi carbossilici è in realtà la media delle due strutture contribuenti ed è detta ibrido di risonanza.

Ogni legame tra carbonio e ossigeno è equivalente a un legame e mezzo e ogni atomo di ossigeno possiede solo una carica negativa parziale. Quando gli elettroni sono delocalizzati in questo modo, una molecola si trova nel suo stato più stabile e si dice che è stabilizzata per risonanza. Allo stesso modo lo ione fosfato è stabilizzato per risonanza perché il doppietto elettronico in eccesso, mostrato formalmente come parte del doppio legame tra fosforo e ossigeno, è delocalizzato tra tutti e quattro gli atomi di ossigeno adiacenti al fosfato centrale. Al contrario, l’ATP è una molecola fortemente instabile, quindi con un elevato valore di energia libera. Andando a calcolare il ΔG, quindi si otterrà un valore positivo. Questa caratteristica non è esclusiva solo per l’ATP ma anche di altre molecole, nelle quali il fosfato inorganico si lega con un legame esterico o anidridico, perché questi tipi di legami portano a delocalizzare gli elettroni in eccesso solamente su tre atomi di ossigeno.

Nella tabella, infatti, sono mostrate altre molecole con caratteristiche analoghe all’ATP, ovvero un legame anidridico/esterico e un ΔG favorevole a livello termodinamico. I legami esterico o anidridico, infatti, immagazzinano una certa quantità di energia che può essere rilasciata conseguentemente ad idrolisi. Il valore di energia che viene rilasciata è variabile, dipende da come è costituita la molecola. Tutti i ΔG delle molecole presenti nella tabella, però, sono negativi, quindi le idrolisi di questi composti sono tutte esoergoniche. È interessante sottolineare che l’ATP si trova a metà dell’elenco. Questo significa che quando avviene la reazione di idrolisi dell’ATP possono avvantaggiarsi dell’energia liberata tutte le reazioni che hanno un ΔG > -7,3 kcal/mol. Ad esempio, all’idrolisi di ATP si può accoppiare la fosforilazione del glucosio a glucosio 1-fosfato. Viceversa, per sintetizzare ATP si può sfruttare l’energia liberata dalle reazioni che hanno un ΔG < -7,3 kcal/mol. Ad esempio all’idrolisi del fosfoenolpiruvato può essere accoppiata la sintesi di ATP. In altre parole l’ATP può servire da donatore di fosfato nelle reazioni cerchiate in giallo, che hanno un ΔG maggiore; mentre l’ADP può servire da accettore di fosfato nelle reazioni cerchiate in verde, con un ΔG minore.

Quindi all’idrolisi di fosfoenolpiruvato, di 1,3-bifosfoglicerato e di fosfocreatina, può essere accoppiata la sintesi di ATP; viceversa, alla sintesi di glucosio 1-fosfato, di glucosio 6-fosfato e di glicerofosfato, può essere accoppiata l’idrolisi di ATP.

Esempio

Esempio: nella figura è riportato un esempio di trasferimento esoergonico di gruppi fosfato. A partire dal fosfoenolpiruvato, infatti, con un ΔG = -14,8 kcal/mol, il gruppo fosfato che si stacca dal piruvato, si lega all’ADP per formare ATP, con un ΔG = -7,3 kcal/mol. (-14,8 kcal/mol + 7,3 kcal/mol = -7,5 kcal/mol). Questa sintesi, che normalmente sarebbe endoergonica, può dunque avvenire in modo esoergonico. A sua volta, l’ATP appena sintetizzato, se idrolizzato, può donare uno dei suoi gruppi fosfato per sintetizzare il glucosio 6-fosfato, con un ΔG = -3,3 kcal/mol. (-7,3 kcal/mol + 3,3 kcal/mol = -4 kcal/mol). In sintesi, molecole con energia libera alta possono essere donatori di energia per la biosintesi di molecole con energia libera bassa.

L’ATP viene dunque sintetizzato a partire da ADP e P_i, grazie a vie cataboliche di composti organici ossidabili, che contengono energia nei loro legami, senza significativa variazione di temperatura.

Metabolismo energetico chemiotrofo

La maggior parte delle reazioni metaboliche negli organismi chemiotrofi implica reazioni di ossido-riduzione, infatti l’equazione complessiva della respirazione cellulare è C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O ed è un’ossidoriduzione. Le ossidoriduzioni prevedono due semi-coppie: una formata da un agente riducente, che si ossida cedendo elettroni, e il relativo composto ridotto, l’altra formata da un agente ossidante, che si riduce acquistando elettroni, e il relativo composto ossidato. Relativamente alla reazione complessiva della respirazione cellulare, l’ossigeno molecolare si riduce, mentre il carbonio del glucosio si ossida.

Nella chimica biologica, però, all’interno delle reazioni redox, non vengono ce