L’ATP E L’ENERGIA LA CHIMICA DELLA VITA

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L’ATP e l’energia L’energia

Energia e reazioni chimiche Una reazione chimica avviene quando gli atomi possiedono energia a sufficiente a combinarsi tra loro,

sostituendo i vecchi legami e formandone di nuovi. Nel nostro corpo avvengono migliaia di reazioni chimiche:

l’insieme di tutte le reazioni chimiche che avvengono in un dato momento in un sistema biologico è chiamato

metabolismo. Le reazioni metaboliche comportano sempre delle variazioni energetiche.

Che cos’è l’energia? In fisica l’energia è definita come la «capacità di compiere lavoro», per esempio sollevare un peso

opponendosi alla forza di gravità, ma in biochimica è più utile considerarla come «la capacità di produrre un

cambiamento»: nelle reazioni biochimiche, infatti, le variazioni di energia sono generalmente associate a

cambiamenti nella composizione chimica e nelle proprietà delle molecole.

Due tipi di energia In natura l’energia si presenta in forme diverse:

chimica, racchiusa nei legami;

elettrica, dalla separazione delle cariche;

termica, dal gradiente di temperatura;

luminosa, racchiusa nei fotoni che formano la radiazione elettromagnetica;

meccanica, sprigionata dal moto dei corpi.

Tutte possono però essere ricondotte a due tipi fondamentali:

l’energia potenziale, associata alla posizione di un corpo o immagazzinata nei legami chimici di una

molecola:

l’energia cinetica, associata al movimento di un corpo o di una particella.

L’energia cinetica può trasformarsi in potenziale e viceversa. Per capire meglio le trasformazioni di energia

che avvengono nelle cellule è utile rifarsi ai principi della termodinamica.

Il primo e il secondo principio della termodinamica Il primo principio della termodinamica afferma che l’energia si converte da una forma all’altra ma non si

crea né si distrugge: in seguito ad una qualsiasi trasformazione l’energia totale è la stessa prima e dopo la

trasformazione. Questa legge è nota come principio di conservazione dell’energia.

Il secondo principio della termodinamica stabilisce che quando l’energia si converte da una forma all’altra,

una parte non può più essere utilizzata per compiere un lavoro. Questa energia non utilizzabile è dispersa

sotto forma di calore, ed è associata al movimento disordinato delle molecole.

Il grado di disordine di un sistema, ovvero della degradazione dell’energia in esso contenuta, è detto

entropia, nell’universo tutto tende all’entropia, ovvero alla disgregazione. Per mettere ordine in un sistema

è necessaria energia, ma le reazioni che creano ordine non avvengono spontaneamente in natura, al

contrario sono spontanee le reazioni che creano disordine e che dunque tendono all’entropia.

Il secondo principio e la vita Se è vero che tutto tende all’entropia e al disordine, e che ogni reazione disperde energia in calore non più

utilizzabile, come è compatibile questo con gli esseri viventi? Il corpo umano ad esempio è formato da

molecole grandi e complesse, tessuti e organi altamente organizzati, che funzionano in maniera ordinata.

Ciò, anche se può sembrare all’apparenza, non è in conflitto con il secondo principio, infatti:

La costruzione di complessità attraverso il metabolismo genera del disordine: per produrre 1 kg di

muscoli del corpo umano sono necessari circa 10 kg di nutrienti, per la maggior parte dispersi in CO2,

H2O e molecole semplici.

La vita richiede un apporto costante di energia per mantenere l’ordine, che quindi consuma molta

energia.

Il metabolismo

L’energia libera e la biochimica L’energia totale di un sistema comprende sia l’energia utilizzabile per compiere un lavoro che quella

inutilizzabile, associata al disordine. Nei sistemi biologici l’energia totale prende il nome di entalpia (H), quella

utilizzabile di energia libera (G), e quella inutilizzabile corrisponde all’entropia (S) moltiplicata per la

temperatura assoluta del sistema (T), poiché il disordine delle molecole di un sistema è infatti direttamente

proporzionale alla temperatura. Ne possiamo ricavare l’equazione:

H = G + TS ovvero G = H – TS (equazione di Gibbs)

Queste grandezze sono dette funzioni di stato, poiché non sono influenzate dai processi che subiscono ma

dipendono soltanto dalle loro condizioni iniziali e finali. Per questo motivo non si può determinare il loro

valore assoluto ma solo la loro variazione a temperatura costante. Nel sistema internazionale tali variazioni

si esprimono in calorie (cal) o in joule (J). Dunque:

𝚫𝑮 = 𝚫𝑯 − 𝑻𝚫𝑺

In questa forma possiamo capire se in una reazione chimica si libera o si consuma energia:

se Δ𝐺 < 0 (val. negativo), durante la reazione si libera energia utilizzandola per compiere un lavoro;

se Δ𝐺 > 0 (val. positivo), è necessario fornire energia al sistema perché la reazione avvenga.

Le reazioni metaboliche Nel metabolismo si verificano sia reazioni cataboliche, che demoliscono le molecole complesse in prodotti

più piccoli, sia reazioni anaboliche, che uniscono tra loro sostanze semplici per ottenere molecole complesse.

Le due reazioni sono spesso interconnesse. L’energia liberata dalle reazioni cataboliche, infatti, è impiegata

per alimentare le reazioni dell’anabolismo. Ciò è possibile grazie all’ATP.

Reazioni cataboliche Le reazioni cataboliche demoliscono le sostanze complesse e ordinate in prodotti piccoli, disposti in maniera

casuale; producono disordine e sprigionano energia (Δ𝐺 < 0), sono per tanto reazioni esoergoniche (o

esotermiche, in termodinamica) che possono avvenire spontaneamente.

molecole complesse energia libera + molecole semplici

Reazioni anaboliche Le reazioni anaboliche assemblano molecole complesse e ordinate partendo da molti reagenti di piccole

dimensioni; tendono ad aumentare l’ordine della cellula, chiedono energia libera Δ𝐺 > 0 per avvenire e sono

pertanto reazioni endoergoniche, che non possono avvenire spontaneamente (ma hanno bisogno di enzimi

ed altri agenti)

energia libera + molecole semplici molecole complesse

Valore di Δ𝐺 Il valore di Δ𝐺 dipende da numerosi fattori: le concentrazioni iniziali dei reagenti e dei prodotti, la

temperatura, la pressione e il pH della soluzione. I biochimici spesso calcolano il Δ𝐺 nelle condizioni standard

di laboratorio: 25°Cm 1 atm, concentrazione 1 M dei soluti e pH 7; in questo caso si parla di energia libera

standard indicata come Δ𝐺0′.

L’ATP

Cos’è l’ATP? Per “catturare” e trasferire energia libera, le cellule usano l’adenosina trifosfato (ATP). La molecola di ATP è

formata da uno zucchero pentoso (il ribosio) legato a una base azotata (l’adenina) e a tre gruppi fosfato.

Dal punto di vista energetico, l’ATP possiede due proprietà fondamentali:

quando viene idrolizzato libera una quantità elevata di energia;

può fosforilare, cioè cedere un gruppo fosfato a molti composti diversi che acquisiscono così parte

dell’energia contenuta nella sua molecola.

La grande quantità di energia è dovuta alla presenza dei gruppi fosfato. Essi infatti sono legati tra loro con

dei legami esteri, non molto forti ma ad alta quantità di energia, in particolare il penultimo e soprattutto

ultimo gruppo fosfato.

Ciò significa che quando questi legami (ottenuti per condensazione) subiscono idrolisi liberano una grande

quantità di energia utilizzabile nei processi metabolici. Idrolizzando l’ATP si ottiene l’ADP, l’acido fosforico ed

energia libera.

𝐴𝑇𝑃 + 𝐻2𝑂 → 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎

L’ATP accoppia le reazioni endoergoniche a quelle esoergoniche L’idrolisi di ATP è esoergonica (rilascia energia), la reazione inversa, la sintesi dell’ATP, è endoergonica

(chiede energia) richiede una molecola di ADP, uno ione fosfato (Pi) ed altrettanta energia di quanta ne risulta

dall’idrolisi di ATP.

𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑙𝑖𝑏𝑒𝑟𝑎 → 𝐴𝑇𝑃 + 𝐻2𝑂

Nella cellula hanno luogo molte reazioni esoergoniche in grado di fornire l’energia per sintetizzare l’ATP; per

gli eucarioti e per molti procarioti, la più importante di queste reazioni è la respirazione cellulare. La sintesi e

l’idrolisi di ATP costituiscono un accoppiamento energetico in cui l’ADP preleva l’energia dalle reazioni

esoergoniche diventando ATP, che poi a sua volta dona energia alle reazioni endoergoniche.

L’ATP è l’elemento che le reazioni eso- ed endoergoniche hanno in comune e svolge il ruolo di agente

accoppiante.

Nel metabolismo, l’accoppiamento tra reazioni esoergoniche ed endoergoniche è molto frequente. L’energia

libera è accumulata nei legami esteri 𝑃~𝑂 dell’ATP, che poi diffonde negli altri siti della cellula consegnandola

tramite idrolisi. Così l’energia libera prodotta dalle reazioni cataboliche può essere impiegata nelle reazioni

endoergoniche per il trasporto attivo, il movimento e l’anabolismo.

ATP rapidissima Una cellula in attività ha bisogno di produrre milioni di molecole di ATP ogni secondo per

alimentare i suoi apparati biochimici. Generalmente una molecola di ATP viene consumata

entro un secondo dalla sua formazione. Un individuo medio a riposo produce e idrolizza quasi 50 kg di ATP al

giorno: questo significa che ogni molecola di ATP subisce circa 10 000 cicli di sintesi e idrolisi in 24 ore. Queste

reazioni biochimiche, come quasi tutte le altre che avvengono nella cellula, non potrebbero procedere così

rapidamente senza l’ausilio degli enzimi, proteine che fungono da catalizzatori biologici.

Realizzato da Paolo Franchi, 5°BC A.S. 2015/2016 il 12/03/16 con l’ausilio di fotocopie fornite dall’insegnante.

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