Principi di Biochimica

L’ATP

La cellula deve ottenere energia

chimica e deve utilizzarla

sottoforma di ATP. Quest’ultimo

non è una riserva energetica ma

è una molecola di scambio

energetico; basti pensare al fatto

che le cellule non contengono

grandi quantitativi di ATP e quelle poche molecole vengono idrolizzate

velocemente ad ADP e fosfato (ad esempio una cellula muscolare attiva in

contrazione in pochi minuti consuma tutte le sue scorte di ATP). Le cellule, una

volta ottenuti ADP e fosfato, sono in grado di sintetizzare ATP che viene

ottenuto come prodotto finale del metabolismo energetico; la digestione ci dà

l’energia per sintetizzare ATP mentre l’idrolisi di quest’ultimo ci permette di

guidare le reazioni endoergoniche nella cellula.

Il processo di idrolisi dell’ATP viene utilizzato per attività di biosintesi,

amplificazione del segnale, movimento, trasporto attivo mentre la sintesi di ATP

viene usata

per

l’ossidazione di molecole di sostanze nutrienti organiche oppure per la

fotosintesi.

È stato scelto l’ATP per la tipologia dei legami che vengono idrolizzati: gli ultimi

due legami tra i gruppi fosfato richiedono l’idrolisi di due legami anidride che

liberano tanta energia.

Camilla Mancassola

In termini energetici vi sono delle reazioni all’interno della cellula, come ad

esempio la fosforilazione del glucosio (il primo passaggio della via di

demolizione del glucosio), che sono processi endoergonici e come tali

richiedono energia per avvenire. In questi casi la cellula non può far sì che la

reazione avvenga in modo spontaneo quindi la accoppia all’idrolisi dell’ATP

grazie all’azione di una chinasi che trasferisce il gruppo fosfato ottenuto dalla

demolizione dell’ATP al glucosio in questo modo il processo diventa



spontaneo e realizzabile.

L’elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico si può spiegare

analizzando le proprietà strutturali della molecola che dipendono da questi

fattori:

Repulsione elettrostatica: nella struttura dell’ATP i gruppi fosfato

 portano ciascuno una carica negativa e quindi strutturalmente hanno dei

problemi a stare vicini e la reazione di idrolisi è favorita. Anche se

solitamente nella struttura della molecola sono presenti degli ioni di

carica positiva che bilanciano la repulsone fra i gruppi fosfato;

Stabilizzazione per risonanza: il doppio legame del gruppo fosfato

 libero che si ottiene dall’idrolisi può risuonare in quattro posizioni e si

ottiene una struttura stabilizzata, un ibrido di risonanza in cui ciascuno

dei quattro legame P-O ha lo stesso grado di doppio legame e H non è

sempre legato allo stesso atomo di O (stabilizzazione che vi è anche nella

molecola dell’ATP ma che si fa più sentire nel momento in cui viene perso

il gruppo fosfato);

Stabilizzazione per idratazione: nel momento in cui viene rilasciato

 ADP questo si stabilizza velocemente perché viene circondato da

molecole d’acqua che vanno preferibilmente a solvatare gli ioni in

soluzione.

Turnover dell’ATP:

Camilla Mancassola

L’ATP è più classificabile come

 trasmettitore di energia che

non una riserva energetica;

Le cellule contengono una

 concentrazione di ATP

sufficiente a soddisfare le

proprie necessità per 1- 2

minuti;

Quelle cerebrali solo per pochi secondi e quelle muscolari durante

 l’esercizio per una frazione di secondi;

L’ATP viene continuamente consumato e rigenerato;

 Una persona a riposo (metabolismo basale) rigenera ATP ad una velocità

 di circa 3 mol/ h (1, kg/h), e 10

volte di più durante intensa

attività. Circa 40 kg vengono

rigenerati e consumati.

RISERVA ENERGETICA: la creatina

chinasi

Le cellule muscolari e nervose, che

hanno un alto turnover di ATP,

posseggono un’abbondante riserva

energetica che serve a rigenerare

l’ATP rapidamente: la fosfocreatina. La concentrazione di quest’ultima nel

muscolo è 10- 30 mM (10 volte superiore all’ATP) mentre nel cervello, rene,

muscolo liscio è di 5- 10 mM. Nel muscolo la fosfocreatina può fornire energia

per molti minuti (pochi secondi durante un esercizio intenso) grazie ad una

reazione catalizzata dall’enzima creatina chinasi: ADP + fosfocreatina < -- >

ATP + creatina. La fosfocreatina è un tampone di P mantiene elevata la

i

concentrazione di ATP nel lavoro muscolare intenso.

Grafico: in ascissa c’è una scala temporale mentre in ordinata c’è il contenuto

energetico. L’energia fornita dall’ATP (linea rossa) viene consumata subito, in

pochi secondi. Subito dopo comincia ad essere utilizzata l’energia fornita dalla

fosfocreatina (linea azzurra) che funziona da riserva e riesce a coprire il

fabbisogno energetico dell’organismo una volta che l’ATP è stato consumato.

Mentre vengono consumate le scorte di fosfocreatina, inizia il metabolismo

anaerobico (linea verde) quindi sostanzialmente la glicolisi; la sua energia

aumenta lentamente e una volta raggiunti i minuti di lavoro predomina.

Sempre ai minuti comincia il metabolismo aerobico (linea nera): questa sale

molto più in alto rispetto a quella del metabolismo anaerobico, anzi addirittura

questa si stabilizza ad un livello medio di energia mentre quella nera continua a

salire perché il metabolismo aerobico è molto più efficiente nel produrre

energia ma parte rallentato perché bisogna aspettare che alle cellule arrivi

l’ossigeno.

Il controllo dello stato energetico cellulare è un indice della quantità di energia

cellulare disponibile, questo valore che varia tra 0 e 1 è la regolazione della

Camilla Mancassola

produzione di ATP: la carica energetica (più

molecole di ATP maggiore carica energetica). Il

valore si ottiene rapportando la concentrazione

dell’ATP (accanto a questa più precisamente si

mette ½ della concentrazione dell’ADP; ½ indica

che la molecola è in grado di rilasciare solo un

gruppo fosfato) con la somma delle

concentrazioni di ATP, ADP e AMP.

Grafico: in ascissa abbiamo la carica energetica

e in ordinata la velocità con cui avvengono le vie

metaboliche. Con la linea rossa vengono

indicate le vie cataboliche e con quella blu le vie

anaboliche. Si vede che quando la cellula ha

consumato tutto l’ATP (carica energetica pari a 0) aumenta la velocità delle vie

cataboliche (innesca l’aumento nella produzione di energia) e sono al minimo

le vie di biosintesi. Man mano che la carica energetica cresce fa sentire il suo

effetto regolatore perché le molecole di ATP si legano agli enzimi allosterici

facendo rallentare i processi che le producono fino a raggiungere valore zero

quando si arriva a carica energetica pari a 1. A questo punto sono alla velocità

massima le vie anaboliche che sfruttano l’ATP per la biosintesi. Le due curve si

intersecano in un punto che valo 0,8- 0,9 in cui cambiano bruscamente

direzione e si invertono (è il punto di equilibrio). La carica energetica, come il

pH di una cellula si dice tamponata (tra 0,8 e 0,9).

Immagine: viene messo in evidenza il catabolismo, l’estrazione dell’energia

dalle sostanze nutrienti. I grassi vengono demoliti ad acidi grassi e glicerolo, i

polisaccaridi a glucosio e altri zuccheri e le proteine ad amminoacidi. Tutte

queste vie convergono sulla molecola di acetil

CoA, che entra nel ciclo dell’acido citrico; il

carbonio viene completamente ossidato ad

anidride carbonica e da quel punto si

ottengono solo degli elettroni (coenzimi

ridotti) che entrano nel processo di

fosforilazione ossidativa (tipica soltanto degli

organismi aerobi). In questo processo

l’ossigeno molecolare viene ridotto ad acqua

e si ricava ATP.

Nel trasferimento degli elettroni per produrre

lavoro biologico è importante il ruolo delle

reazioni redox e dei coenzimi piridinici.

Quando un substrato va incontro a

ossidazione (deidrogenazione) perdendo due atomi di idrogeno la forma

ossidata di NAD+ o NADP+ accetta uno ione idruro, ovvero l’equivalente di un

protone e due elettroni riducendosi.

Il NAD+ è il principale accettore di elettroni nelle ossidazioni di molecole

combustibili, il rapporto intracellulare NAD+/ NADH è generalmente elevato nel

Camilla Mancassola

catabolismo. Il NADPH è il principale cofattore nelle biosintesi riduttive; il

rapporto intracellulare NADPH/ NADP+ è generalmente elevato

nell’anabolismo.

L’ultimo coenzima che entra in gioco è il FAD, coenzima flavinico che si trova

in un due forme: FAD e FADH Sono le forme coenzimatiche della riboflavina o

2.

vitamina B . Questi coenzimi non sono liberi nella cellula come quelli piridinici

2

(che reagiscono con gli enzimi ossido reduttasici solo nel momento in cui

devono catalizzare la reazione) ma interagiscono strettamente con gli enzimi

con cui lavorano (in alcuni casi sono legati covalentemente). Vi è anche il FMN

che non è un vero e proprio nucleotide in quanto non contiene uno zucchero (il

ribosio) ma un alcool a cinque atomi di carbonio, il ribitolo. I coenzimi flavinici,

a differenza di quelli piridinici, accettano 2H e 2e pertanto le loro forme

+ -

ridotte sono FMNH e FADH .

2 2

La glicolisi

La glicolisi è un processo metabolico mediante il quale, in condizioni di

anaerobiosi non stretta, una molecola di glucosio viene scissa in due molecole

di piruvato al fine di generare molecole a più alta energia, come due molecole

di ATP e due molecole di NADH per ogni molecola di glucosio utilizzata. È il

mezzo per ottenere energia più sfruttato in natura.

Il glucosio ha tre destini all’interno della cellula:

1. Rimanere una forma di riserva di energia sottoforma di glicogeno, amido

o saccarosio (dei primi due abbiamo già discusso precedentemente

mentre il saccarosio è la forma con cui lo zucchero viene trasportato nella

linfa);

2. Può subire ossidazione mediante la via del pentosio fosfato con

formazione di ribosio 5- fosfato (via alternativa alla glicolisi che porta ad

uno zucchero a cinque atomi di carbonio);

3. Può subire ossidazione mediante la glicolisi con formazione di piruvato

(zucchero a tre atomi di carbonio).

Si tratta di un processo ciclico che consta di 10 tappe e quindi interessa 10

enzimi diversi.

Nel nostro organismo ci sono tessuti che sono in grado di sintetizzare glucosio

(fegato e corticale dei reni) ed altri che invece usano il glucosio come fonte

primaria di energia (cervello, muscoli, eritrociti, testicoli, midollare dei reni).

All