ATP (ADENOSINA TRIFOSFATO): STRUTTURA, FUNZIONI, IDROLISI - BIOLOGIA - 2025

L' ATP (adenosina trifosfato) è una molecola organica con legami ad alta energia formata da un anello di adenina, ribosio e tre gruppi fosfato. Ha un ruolo fondamentale nel metabolismo, poiché trasporta l'energia necessaria a far funzionare in modo efficiente una serie di processi cellulari.

È ampiamente conosciuta con il termine "moneta energetica", in quanto la sua formazione ed utilizzo avviene facilmente, permettendole di "pagare" velocemente le reazioni chimiche che richiedono energia.

Fonte: Utente: Mysid (Self-made in bkchem; modificato in perl.), Via Wikimedia Commons

Sebbene la molecola ad occhio nudo sia piccola e semplice, immagazzina una quantità significativa di energia nei suoi legami. I gruppi fosfato hanno cariche negative, che sono in costante repulsione, rendendolo un legame labile che si rompe facilmente.

L'idrolisi dell'ATP è la scomposizione della molecola per presenza di acqua. Con questo processo l'energia contenuta viene rilasciata.

Ci sono due principali fonti di ATP: fosforilazione a livello di substrato e fosforilazione ossidativa, quest'ultima è la più importante e la più utilizzata dalla cellula.

La fosforilazione ossidativa accoppia l'ossidazione di FADH ₂ e NADH + H ⁺ nei mitocondri e la fosforilazione a livello del substrato avviene al di fuori della catena di trasporto degli elettroni, in percorsi come la glicolisi e il ciclo degli acidi tricarbossilici.

Questa molecola è responsabile di fornire l'energia necessaria per la maggior parte dei processi che avvengono all'interno della cellula, dalla sintesi proteica alla locomozione. Inoltre, consente il traffico di molecole attraverso le membrane e agisce nella segnalazione cellulare.

Struttura

L'ATP, come suggerisce il nome, è un nucleotide con tre fosfati. La sua particolare struttura, in particolare i due legami pirofosfati, lo rendono un composto ricco di energia. È composto dai seguenti elementi:

- Una base azotata, l'adenina. Le basi azotate sono composti ciclici che contengono uno o più azoto nella loro struttura. Li troviamo anche come componenti di acidi nucleici, DNA e RNA.

- Il ribosio si trova al centro della molecola. È uno zucchero di tipo pentoso, poiché ha cinque atomi di carbonio. La sua formula chimica è C ₅ H ₁₀ O ₅ . Il carbonio 1 di ribosio è attaccato all'anello di adenina.

- Tre radicali fosfato. Gli ultimi due sono i "legami ad alta energia" e sono rappresentati nelle strutture grafiche dal simbolo di inclinazione: ~. Il gruppo fosfato è uno dei più importanti nei sistemi biologici. I tre gruppi sono chiamati alfa, beta e gamma, dal più vicino al più lontano.

Questo legame è molto labile, quindi si divide rapidamente, facilmente e spontaneamente quando le condizioni fisiologiche del corpo lo richiedono. Ciò si verifica perché le cariche negative dei tre gruppi fosfato cercano costantemente di allontanarsi l'una dall'altra.

Caratteristiche

L'ATP svolge un ruolo indispensabile nel metabolismo energetico di quasi tutti gli organismi viventi. Per questo motivo, viene spesso definita valuta energetica, in quanto può essere continuamente spesa e reintegrata in pochi minuti.

Direttamente o indirettamente, l'ATP fornisce energia per centinaia di processi, oltre a fungere da donatore di fosfato.

In generale, l'ATP agisce come una molecola di segnalazione nei processi che avvengono all'interno della cellula, è necessario sintetizzare i componenti di DNA e RNA e per la sintesi di altre biomolecole, partecipa al traffico attraverso membrane, tra gli altri.

Gli usi dell'ATP possono essere suddivisi in categorie principali: trasporto di molecole attraverso membrane biologiche, sintesi di vari composti e infine lavoro meccanico.

Le funzioni dell'ATP sono molto ampie. Inoltre, è coinvolto in così tante reazioni che sarebbe impossibile nominarle tutte. Pertanto, discuteremo tre esempi specifici per esemplificare ciascuno dei tre usi menzionati.

Fornitura di energia per il trasporto di sodio e potassio attraverso la membrana

La cellula è un ambiente altamente dinamico che richiede il mantenimento di concentrazioni specifiche. La maggior parte delle molecole non entra nella cellula in modo casuale o casuale. Affinché una molecola o una sostanza entri, deve farlo tramite il suo trasportatore specifico.

I trasportatori sono proteine ​​che attraversano la membrana che funzionano come “custodi” cellulari, controllando il flusso dei materiali. Pertanto, la membrana è semipermeabile: consente l'ingresso di alcuni composti e altri no.

Uno dei mezzi di trasporto più noti è la pompa sodio-potassio. Questo meccanismo è classificato come trasporto attivo, poiché il movimento degli ioni avviene contro le loro concentrazioni e l'unico modo per eseguire questo movimento è introducendo energia nel sistema, sotto forma di ATP.

Si stima che un terzo dell'ATP formato nella cellula venga utilizzato per mantenere attiva la pompa. Gli ioni di sodio vengono costantemente pompati fuori dalla cellula, mentre gli ioni di potassio vengono pompati nella direzione opposta.

Logicamente, l'uso dell'ATP non è limitato al trasporto di sodio e potassio. Ci sono altri ioni, come calcio, magnesio, tra gli altri, che hanno bisogno di questa valuta energetica per entrare.

Partecipazione alla sintesi proteica

Le molecole proteiche sono costituite da amminoacidi, legati tra loro da legami peptidici. Per formarli è necessaria la rottura di quattro legami ad alta energia. In altre parole, un numero considerevole di molecole di ATP deve essere idrolizzato per la formazione di una proteina di media lunghezza.

La sintesi proteica avviene in strutture chiamate ribosomi. Questi sono in grado di interpretare il codice che ha l'RNA messaggero e tradurlo in una sequenza di amminoacidi, un processo dipendente dall'ATP.

Nelle cellule più attive, la sintesi proteica può dirigere fino al 75% dell'ATP sintetizzato in questo importante lavoro.

D'altra parte, la cellula non solo sintetizza le proteine, ma necessita anche di lipidi, colesterolo e altre sostanze essenziali e per farlo necessita dell'energia contenuta nei legami ATP.

Fornisci energia per la locomozione

Il lavoro meccanico è una delle funzioni più importanti dell'ATP. Ad esempio, affinché il nostro corpo possa effettuare la contrazione delle fibre muscolari, è necessaria la disponibilità di grandi quantità di energia.

Nel muscolo l'energia chimica può essere trasformata in energia meccanica grazie alla riorganizzazione delle proteine ​​con la capacità di contrarsi che la formano. La lunghezza di queste strutture viene modificata, accorciata, il che crea una tensione che si traduce nella generazione del movimento.

In altri organismi, il movimento delle cellule avviene anche grazie alla presenza di ATP. Ad esempio, il movimento di ciglia e flagelli che consente lo spostamento di alcuni organismi unicellulari avviene attraverso l'uso di ATP.

Un altro movimento particolare è quello amebico che prevede la sporgenza di uno pseudopodo alle estremità della cellula. Diversi tipi di cellule utilizzano questo meccanismo di locomozione, inclusi leucociti e fibroblasti.

Nel caso delle cellule germinali, la locomozione è essenziale per l'efficace sviluppo dell'embrione. Le cellule embrionali percorrono distanze importanti dal loro luogo di origine alla regione in cui devono originare strutture specifiche.

Idrolisi

L'idrolisi dell'ATP è una reazione che prevede la scomposizione della molecola per presenza di acqua. La reazione è rappresentata come segue:

ATP + Acqua ⇋ ADP + P _i + energia. Dove il termine P _i riferisce al gruppo fosfato inorganico e ADP è adenosina difosfato. Nota che la reazione è reversibile.

L'idrolisi dell'ATP è un fenomeno che comporta il rilascio di un'immensa quantità di energia. La rottura di uno qualsiasi dei legami pirofosfato provoca il rilascio di 7 kcal per mole - in particolare 7,3 da ATP ad ADP e 8,2 per la produzione di adenosina monofosfato (AMP) da ATP. Ciò equivale a 12.000 calorie per mole di ATP.

Perché si verifica questo rilascio di energia?

Perché i prodotti di idrolisi sono molto più stabili del composto iniziale, cioè ATP.

Va ricordato che solo l'idrolisi che avviene sui legami pirofosfati per dare origine alla formazione di ADP o AMP porta alla generazione di energia in quantità significative.

L'idrolisi degli altri legami nella molecola non fornisce tanta energia, ad eccezione dell'idrolisi del pirofosfato inorganico, che ha una grande quantità di energia.

Il rilascio di energia da queste reazioni viene utilizzato per svolgere reazioni metaboliche all'interno della cellula, poiché molti di questi processi necessitano di energia per funzionare, sia nelle fasi iniziali delle vie di degradazione che nella biosintesi dei composti. .

Ad esempio, nel metabolismo del glucosio, i passaggi iniziali coinvolgono la fosforilazione della molecola. Nelle fasi successive viene generato nuovo ATP, per ottenere un utile netto positivo.

Dal punto di vista energetico, esistono altre molecole la cui energia di rilascio è maggiore di quella dell'ATP, tra cui 1,3-bisfosfoglicerato, carbamilfosfato, creatinina fosfato e fosfoenolpiruvato.

Ottenere ATP

L'ATP può essere ottenuto mediante due vie: fosforilazione ossidativa e fosforilazione a livello di substrato. Il primo richiede ossigeno mentre il secondo no. Circa il 95% dell'ATP formato si trova nei mitocondri.

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa comporta un processo di ossidazione dei nutrienti in due fasi: l'ottenimento di coenzimi ridotti NADH e FADH ₂ derivati ​​dalle vitamine.

La riduzione di queste molecole richiede l'uso di idrogeni da nutrienti. Nei grassi la produzione di coenzimi è notevole, grazie all'enorme quantità di idrogeni che hanno nella loro struttura, rispetto ai peptidi o ai carboidrati.

Sebbene esistano diversi percorsi di produzione del coenzima, il percorso più importante è il ciclo di Krebs. Successivamente i coenzimi ridotti si concentrano nelle catene respiratorie situate nei mitocondri, che trasferiscono gli elettroni all'ossigeno.

La catena di trasporto degli elettroni è costituita da una serie di proteine ​​accoppiate a membrana che pompano protoni (H +) verso l'esterno (vedi immagine). Questi protoni entrano e attraversano nuovamente la membrana per mezzo di un'altra proteina, l'ATP sintasi, responsabile della sintesi dell'ATP.

In altre parole, dobbiamo ridurre i coenzimi, più ADP e ossigeno generano acqua e ATP.

Fonte: di Bustamante Yess, da Wikimedia Commons

Fosforilazione a livello di substrato

La fosforilazione a livello del substrato non è importante quanto il meccanismo sopra descritto e, poiché non richiede molecole di ossigeno, è spesso associata alla fermentazione. In questo modo, sebbene sia molto veloce, estrae poca energia, se la confrontiamo con il processo di ossidazione sarebbe circa quindici volte inferiore.

Nel nostro corpo, i processi di fermentazione avvengono a livello muscolare. Questo tessuto può funzionare senza ossigeno, quindi è possibile che una molecola di glucosio venga degradata in acido lattico (quando stiamo facendo un'attività sportiva esaustiva, per esempio).

Nelle fermentazioni, il prodotto finale ha ancora un potenziale energetico che può essere estratto. Nel caso della fermentazione muscolare, i carboni dell'acido lattico sono allo stesso livello di riduzione di quelli della molecola iniziale: il glucosio.

Pertanto, la produzione di energia avviene mediante la formazione di molecole che hanno legami ad alta energia, tra cui 1,3-bisfosfoglicrato e fosfoenolpiruvato.

Nella glicolisi, ad esempio, l'idrolisi di questi composti è legata alla produzione di molecole di ATP, da cui il termine “a livello di substrato”.

Ciclo ATP

L'ATP non viene mai memorizzato. È in un ciclo continuo di utilizzo e sintesi. Questo crea un equilibrio tra l'ATP formato e il suo prodotto idrolizzato, ADP.

Fonte: di Muessig, da Wikimedia Commons

Altre molecole energetiche

L'ATP non è l'unica molecola composta da bisfosfato nucleosidico esistente nel metabolismo cellulare. Esistono numerose molecole con strutture simili all'ATP che hanno un comportamento energetico paragonabile, sebbene non siano così popolari come l'ATP.

L'esempio più evidente è il GTP, guanosina trifosfato, che viene utilizzato nel noto ciclo di Krebs e nella via gluconeogenica. Altri meno utilizzati sono CTP, TTP e UTP.

Riferimenti

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