Il ciclo ATP-ADP, un efficace strumento di raccordo: quando la chimica-fisica e la chimica biologica si sovrappongono

Le reazioni chimiche mantengono in vita la vita. Nell’organismo umano avvengono un numero enorme di reazioni: milioni di molecole presenti nelle nostre cellule si trasformano in altre molecole: alcune più grandi si scindono in frammenti più piccoli; altre, più piccole si uniscono a formare molecole più grandi. Oltre a queste reazioni di demolizione e di sintesi, altre reazioni permettono di legare, trasportare e cedere ossigeno o di far passare determinate sostanze all’interno delle cellule e viceversa. Questa incessante attività chimica di un organismo vivente è denominata metabolismo. Un sistema vivente può conseguire tale risultato solo mediante un costante approvvigionamento di energia dall’ambiente esterno. Il metabolismo è costituito, infatti, dall’insieme di reazioni chimiche, quasi tutte catalizzate da enzimi, che avvengono nell’organismo vivente. Ciascuna sostanza che partecipa a una delle reazioni del metabolismo prende il nome di metabolita.
Uno degli obiettivi più importanti delle reazioni che avvengono nell’organismo è quello di mantenere intatto l’alto livello di organizzazione delle sue strutture, contrastando la naturale tendenza verso il massimo disordine (II° principio della termodinamica)
Nell’affrontare gli aspetti energetici delle reazioni chimiche che si svolgono nei sistemi viventi il chimico ricorre a grandezze termodinamiche: ricordiamo che la variazione di energia libera associata a una reazione può essere determinata dall’equazione:
ΔG = ΔH – TΔS
Ricordiamo inoltre che:
-         Se ΔG < 0 la reazione è spontanea; viene definita esoergonica e in genere libera energia
-         Se ΔG › 0 le reazione non è spontanea; viene definita endoergonica e in genere assorbe energia
-         Se ΔG = 0 la reazione è all’equilibrio: non sviluppa né assorbe energia
Le reazioni esoergoniche sono rappresentate dalle reazioni di ossidazione in cui da macromolecole biologiche, mediante sottrazione di idrogeno ed elettroni, si ottengono molecole più semplici, per esempio CO₂, H₂O, N₂. Viceversa, le reazioni endoergoniche sono rappresentate dalle reazioni di riduzione in cui, a partire la molecole più semplici (CO₂, H₂O, N₂) si ottengono le macromolecole biologiche.
Poiché le reazioni endoergoniche non sono spontanee, ma è necessario che avvengono nel nostro organismo, quest’ultimo, durante il lungo periodo della sua storia evolutiva, ha acquisito la capacità straordinaria di ottenere dei prodotti anche dalle reazioni endoergoniche, come la sintesi delle proteine, mediante l’ingegnoso sistema delle reazioni accoppiate.
In tali reazioni, l’energia liberata da una reazione spontanea viene sfruttata per modificare i reagenti di una reazione endoergonica, in modo che quest’ultima avvenga spontaneamente.
Affinché lo “ stratagemma” delle reazioni accoppiate funzioni, occorre che:
1)       Le reazioni avvengano simultaneamente
2)     La reazione spontanea sia sufficientemente esoergonica affinché il valore negativo del suo ΔG prevalga sul valore positivo del ΔG della reazione endoergonica
3)     Le reazioni abbiano una o più sostanze in comune.
Consideriamo ad esempio le due seguenti reazioni generiche:
G + P ⇌ GP + B                ΔG = + 20 Kj/mol
TP + B ⇌ T + P                 ΔG = – 32 Kj/mol
L’organismo vivente non potrebbe procurarsi la sostanza GP attraverso la prima reazione, perché è endoergonica, ma se accoppiamo le due reazioni che hanno in comune la sostanza B e P, si ottiene la sostanza GP. Infatti è possibile sommare tutti i termini delle due reazioni chimiche; reagenti, prodotti e rispettivi fattori energetici. Si otterrà una nuova equazione caratterizzata da un valore negativo di ΔG:
G + P + TP + B ⇌ GP + B + T + P        ΔG= (+20 – 32) Kj/mol
Eliminando i termini presenti sia nei reagenti che nei prodotti di reazione, l’equazione diviene:
G + TP  ⇌ GP + T            ΔG = – 12 Kj/mol
La reazione complessiva, ovvero la reazione accoppiata, è spontanea perché ΔG<0
Un meccanismo del genere permette all’organismo di accoppiare un gran numero di reazioni diverse utilizzando come mezzi di collegamento pochi composti-chiave; si realizza in tal modo una notevole semplificazione di tutto il sistema. Uno dei più importanti di questi composti è l’ATP che costituisce il principale trasportatore di energia dalle reazioni esoergoniche a quelle endoergoniche.
Il nome ATP è l’abbreviazione della denominazione Adenosintrifosfato: tale molecola è costituita dalla base azotata adenina, legata allo zucchero ribosio, al quale, a sua volta, sono legati in sequenza tre gruppi fosfato come si può vedere in figura:

La capacità dell’ATP di fungere da trasportatore di energia dipende dal fatto che la molecola è in grado di sviluppare una notevole quantità di energia quando subisce il distacco di un gruppo fosforico, ad esempio quando, per azione dell’acqua e di un enzima specifico, subisce l’idrolisi:
ATP + H₂O → ADP + HPO₄^2-         ΔG = – 30.5 Kj/mol
I prodotti della reazione sono una molecola di ADP  adenosindifosfato e uno ione idrogeno fosfato ( che verrà in seguito indicato con P_i). L’energia che si libera con il distacco di uno ione fosforico dall’ATP serva a far procedere gran parte delle reazioni endoergoniche che avvengono nella cellula. Ad esempio, la reazione di produzione del glucosio-6-fosfato, la cui struttura è illustrata in figura

 

Ha ΔG = + 13.8 kJ/mol: è endoergonica e, pertanto non spontanea. Tuttavia, se questa reazione è accoppiata all’idrolisi dell’ATP, il ΔG della reazione complessiva risulta negativo, quindi, la cellula può ottenere il glucosio-6-fosfato:
glucosio + P_i ⇌ glucosio-6-fosfato + H₂O        ΔG = + 13.8 kJ/mol
ATP + H₂O  ⇌ ADP + HPO₄^2-                               ΔG = – 30.5 Kj/mol
La reazione complessiva risulta:
glucosio + ATP ⇌ glucosio-6-fosfato + ADP      ΔG = – 16.7 kJ/mol
Accoppiamenti del genere con la trasformazione dell’ATP in ADP consentono all’organismo di far avvenire processi endoergonici quali, ad esempio, la sintesi di macromolecole biologiche, la contrazione muscolare, il trasporto attraverso le membrane cellulari, il trasferimento di informazioni genetiche, e, perfino, la produzione di energia luminosa, come nel caso delle lucciole e di scariche elettriche, come nel caso di certi pesci.
L’elevata richiesta di ATP rischierebbe di azzerarne la disponibilità con il conseguente arresto di tutti i processi metabolici, se questa sostanza non venisse rapidamente e costantemente risintetizzata da ADP e P_i.
Se la reazione di idrolisi dell’ATP in ADP è esoergonica, la sua ricostituzione è, ovviamente, endoergonica, con un ΔG uguale in valore assoluto, ma di segno opposto:
ADP + P_i → ATP + H₂O                 ΔG = + 30.5 Kj/mol
Pertanto per produrre una mole di ATP da ADP e P_i si richiede una quantità di energia pari a + 30.5 Kj/mol. Di conseguenza, la reazione endoergonica di formazione dell’ATP può avvenire solo per accoppiamento con una reazione metabolica esoergonica che produca più di 30.5 Kj/mol. L’eventuale energia liberata in eccesso rispetto a questo valore da tale reazione esoergonica, o quella liberata dalle reazioni metaboliche esoergoniche che producono meno di 30.5 Kj/mol, non può essere immagazzinata nell’ATP e va perduta in forma non utilizzabile dalla cellula, come calore.
Il processo di ricostituzione dell’ATP da ADP e P_i prende il nome di fosforilazione, in quanto da tale processo si forma un legame fosforo ossigeno.
In sostanza l’ATP è una molecola ad elevata energia e l’ADP è una molecola a bassa energia. Il ciclo ATP-ADP è un fondamentale sistema per il raccordo energetico tra le reazioni esoergoniche e quelle endoergoniche per questo motivo si parla spesso dell’ATP come della “ moneta di scambio energetico” nei processi cellulari.