Biology for Non-Majors I

Cosa imparerai a fare: Descrivi come le cellule immagazzinano e trasferiscono energia libera usando ATP

Tutti gli esseri viventi richiedono energia per funzionare. Mentre diversi organismi acquisiscono questa energia in modi diversi, la immagazzinano (e la usano) allo stesso modo. In questa sezione, impareremo a conoscere ATP-l’energia della vita. ATP è come le cellule immagazzinano energia. Queste molecole di stoccaggio sono prodotte nei mitocondri, piccoli organelli trovati nelle cellule eucariotiche a volte chiamati la “centrale elettrica” della cellula.

Medico della malattia mitocondriale

Cosa succede quando le reazioni critiche della respirazione cellulare non procedono correttamente? Le malattie mitocondriali sono disturbi genetici del metabolismo. I disturbi mitocondriali possono derivare da mutazioni nel DNA nucleare o mitocondriale e provocano la produzione di meno energia di quella normale nelle cellule del corpo.

Nel diabete di tipo 2, ad esempio, l’efficienza di ossidazione del NADH è ridotta, influenzando la fosforilazione ossidativa ma non le altre fasi della respirazione. I sintomi delle malattie mitocondriali possono includere debolezza muscolare, mancanza di coordinazione, episodi simili a ictus e perdita della vista e dell’udito. Le persone più colpite vengono diagnosticate durante l’infanzia, anche se ci sono alcune malattie ad esordio adulto.

Identificare e trattare i disturbi mitocondriali è un campo medico specializzato. La preparazione educativa per questa professione richiede un’istruzione universitaria, seguita da una scuola medica con una specializzazione in genetica medica. I genetisti medici possono essere certificati dall’American Board of Medical Genetics e continuare a diventare associati a organizzazioni professionali dedicate allo studio delle malattie mitocondriali, come la Mitochondrial Medicine Society e la Society for Hereditary Metabolic Disease.

Risultati di apprendimento

Descrivi come le cellule immagazzinano e trasferiscono energia libera usando ATP

Una cellula vivente non può immagazzinare quantità significative di energia libera. L’eccesso di energia libera si tradurrebbe in un aumento di calore nella cellula, che si tradurrebbe in un eccessivo movimento termico che potrebbe danneggiare e quindi distruggere la cellula. Piuttosto, una cellula deve essere in grado di gestire tale energia in un modo che consenta alla cellula di immagazzinare energia in modo sicuro e rilasciarla per l’uso solo se necessario. Le cellule viventi realizzano questo usando l’adenosina trifosfato composto (ATP). L’ATP è spesso chiamato la “valuta energetica” della cellula e, come la valuta, questo composto versatile può essere utilizzato per soddisfare qualsiasi esigenza energetica della cellula. Come? Funziona in modo simile a una batteria ricaricabile.

Quando l’ATP viene scomposto, di solito mediante la rimozione del suo gruppo fosfato terminale, l’energia viene rilasciata. L’energia è usata per fare il lavoro dalla cellula, solitamente dal fosfato liberato che si lega ad un’altra molecola, attivandola. Ad esempio, nel lavoro meccanico della contrazione muscolare, l’ATP fornisce l’energia per spostare le proteine muscolari contrattili. Ricorda il lavoro di trasporto attivo della pompa sodio-potassio nelle membrane cellulari. ATP altera la struttura della proteina integrale che funziona come la pompa, cambiando la sua affinità per sodio e potassio. In questo modo, la cella esegue il lavoro, pompando ioni contro i loro gradienti elettrochimici.

Struttura e funzione ATP

Questa illustrazione mostra la struttura molecolare dell'ATP. Questa molecola è un nucleotide adeninico con una serie di tre gruppi fosfatici collegati ad esso. I gruppi fosfatici sono denominati alfa, beta e gamma in ordine crescente di distanza dallo zucchero ribosio a cui sono attaccati.

Figura 1. L’ATP (adenosina trifosfato) ha tre gruppi fosfatici che possono essere rimossi per idrolisi per formare ADP (adenosina difosfato) o AMP (adenosina monofosfato).Le cariche negative sul gruppo fosfato si respingono naturalmente a vicenda, richiedendo energia per legarle insieme e rilasciando energia quando questi legami sono rotti.

Al centro dell’ATP c’è una molecola di adenosina monofosfato (AMP), che è composta da una molecola di adenina legata a una molecola di ribosio e ad un singolo gruppo fosfato (Figura 1). Il ribosio è uno zucchero a cinque atomi di carbonio che si trova nell’RNA e l’AMP è uno dei nucleotidi nell’RNA. L’aggiunta di un secondo gruppo fosfato a questa molecola principale provoca la formazione di adenosina difosfato (ADP); l’aggiunta di un terzo gruppo fosfato forma adenosina trifosfato (ATP).

L’aggiunta di un gruppo fosfato a una molecola richiede energia. I gruppi fosfatici sono caricati negativamente e quindi si respingono l’un l’altro quando sono disposti in serie, come sono in ADP e ATP. Questa repulsione rende le molecole di ADP e ATP intrinsecamente instabili. Il rilascio di uno o due gruppi fosfatici da ATP, un processo chiamato defosforilazione, rilascia energia.

Energia da ATP

L’idrolisi è il processo di rottura delle macromolecole complesse. Durante l’idrolisi, l’acqua viene divisa o lisata e l’atomo di idrogeno risultante (H+) e un gruppo idrossilico (OH–) vengono aggiunti alla molecola più grande. L’idrolisi dell’ATP produce ADP, insieme a uno inorganic fosfato inorganico (Pi) e il rilascio di energia libera. Per eseguire processi vitali, l’ATP viene continuamente suddiviso in ADP e, come una batteria ricaricabile, l’ADP viene continuamente rigenerato in ATP mediante il riattacco di un terzo gruppo fosfato. L’acqua, che è stata scomposta nel suo atomo di idrogeno e nel gruppo idrossile durante l’idrolisi dell’ATP, viene rigenerata quando un terzo fosfato viene aggiunto alla molecola ADP, riformando l’ATP.

Ovviamente, l’energia deve essere infusa nel sistema per rigenerare l’ATP. Da dove viene questa energia? In quasi tutti gli esseri viventi sulla terra, l’energia proviene dal metabolismo del glucosio. In questo modo, l’ATP è un collegamento diretto tra l’insieme limitato di vie exergoniche del catabolismo del glucosio e la moltitudine di vie endergoniche che alimentano le cellule viventi.

Fosforilazione

Ricordiamo che, in alcune reazioni chimiche, gli enzimi possono legarsi a diversi substrati che reagiscono tra loro sull’enzima, formando un complesso intermedio. Un complesso intermedio è una struttura temporanea e consente a uno dei substrati (come l’ATP) e ai reagenti di reagire più prontamente l’uno con l’altro; nelle reazioni che coinvolgono l’ATP, l’ATP è uno dei substrati e l’ADP è un prodotto. Durante una reazione chimica endergonica, l’ATP forma un complesso intermedio con il substrato e l’enzima nella reazione. Questo complesso intermedio consente all’ATP di trasferire il suo terzo gruppo fosfato, con la sua energia, al substrato, un processo chiamato fosforilazione. La fosforilazione si riferisce all’aggiunta del fosfato (~P). Ciò è illustrato dalla seguente reazione generica:

A + enzima + ATP → → B + enzima + ADP + phosphate fosfato

Quando il complesso intermedio si rompe, l’energia viene utilizzata per modificare il substrato e convertirlo in un prodotto della reazione. La molecola ADP e uno phosphate fosfato libero vengono rilasciati nel mezzo e sono disponibili per il riciclaggio attraverso il metabolismo cellulare.

Questa illustrazione mostra una reazione di fosforilazione a livello di substrato in cui il fosfato gamma di ATP è attaccato a una proteina.

Figura 2. Nelle reazioni di fosforilazione, il fosfato gamma di ATP è attaccato a una proteina.

Fosforilazione del substrato

L’ATP viene generato attraverso due meccanismi durante la disgregazione del glucosio. Alcune molecole di ATP vengono generate (cioè rigenerate dall’ADP) come risultato diretto delle reazioni chimiche che si verificano nelle vie cataboliche. Un gruppo fosfato viene rimosso da un reagente intermedio nella via e l’energia libera della reazione viene utilizzata per aggiungere il terzo fosfato a una molecola ADP disponibile, producendo ATP (Figura 2). Questo metodo molto diretto di fosforilazione è chiamato fosforilazione a livello di substrato.

Fosforilazione ossidativa

La maggior parte dell’ATP generato durante il catabolismo del glucosio, tuttavia, deriva da un processo molto più complesso, la chemiosmosi, che ha luogo nei mitocondri (Figura 3) all’interno di una cellula eucariotica o della membrana plasmatica di una cellula procariotica.

Questa illustrazione mostra la struttura di un mitocondrio, che ha una membrana esterna e una membrana interna. La membrana interna ha molte pieghe, chiamate cristae. Lo spazio tra la membrana esterna e la membrana interna è chiamato spazio intermembrana e lo spazio centrale del mitocondrio è chiamato matrice. Gli enzimi ATP sintasi e la catena di trasporto degli elettroni si trovano nella membrana interna

Figura 3. I mitocondri (Credit: modification of work di Mariana Ruiz Villareal)

La chemiosmosi, un processo di produzione di ATP nel metabolismo cellulare, viene utilizzata per generare il 90% dell’ATP prodotto durante il catabolismo del glucosio ed è anche il metodo utilizzato nelle reazioni di luce della fotosintesi per sfruttare l’energia della luce solare. La produzione di ATP utilizzando il processo di chemiosmosi è chiamata fosforilazione ossidativa a causa del coinvolgimento dell’ossigeno nel processo.

In sintesi: ATP nei sistemi viventi

L’ATP funziona come valuta energetica per le cellule. Permette che la cellula immagazzini brevemente l’energia e la trasporti all’interno della cellula per sostenere le reazioni chimiche endergonic. La struttura dell’ATP è quella di un nucleotide di RNA con tre fosfati attaccati. Poiché l’ATP viene utilizzato per l’energia, un gruppo fosfato o due vengono staccati e viene prodotto ADP o AMP. L’energia derivata dal catabolismo del glucosio viene utilizzata per convertire l’ADP in ATP. Quando l’ATP viene utilizzato in una reazione, il terzo fosfato viene temporaneamente attaccato a un substrato in un processo chiamato fosforilazione. I due processi di rigenerazione ATP che vengono utilizzati in combinazione con il catabolismo del glucosio sono fosforilazione a livello di substrato e fosforilazione ossidativa attraverso il processo di chemiosmosi.

Controlla la tua comprensione

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Usa questo quiz per verificare la tua comprensione e decidere se (1) studiare ulteriormente la sezione precedente o (2) passare alla sezione successiva.

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