Saprai già che l'energia è uno dei requisiti più importanti per il normale funzionamento di tutte le cellule viventi. Senza di essa non c'è vita, poiché i processi chimici essenziali all'interno e all'esterno delle cellule non potrebbero essere eseguiti. Per questo motivo gli esseri umani e le piante utilizzano l'energia, immagazzinando quella in eccesso.
Per essere utilizzata, questa energia deve essere prima trasferita. L'ATP è responsabile del trasferimento di energia; per questo motivo viene spesso definita la moneta energetica delle cellule negli organismi viventi.
L'ATP o adenosina trifosfato è la molecola portatrice di energia essenziale per tutti gli organismi viventi. In particolare, serve a trasferire l'energia chimica necessaria per i processi cellulari.
Che cosa si intende per "moneta energetica"? Significa che l'ATP trasporta energia da una cellula all'altra. L'ATP viene a volte paragonata al denaro. Il denaro viene definito valuta quando viene utilizzato come mezzo di scambio. Lo stesso si può dire dell'ATP: anch'essa viene utilizzata come mezzo di scambio, ma per lo scambio di energia. L'ATP è estremamente versatile, in quanto viene utilizzata per varie reazioni e può essere riutilizzata.
Formula e struttura dell'adenosina trifosfato
L'ATP è un nucleotide fosforilato. I nucleotidi sono molecole organiche costituite da un nucleoside (una subunità o monomero composto da una base azotata e da uno zucchero) e da un fosfato. Quando diciamo che un nucleotide è fosforilato, significa che alla sua struttura viene aggiunto un fosfato. Pertanto, l'ATP è composto da tre parti:
Adenina - un composto organico contenente azoto = base azotata
Ribosio - uno zucchero pentoso a cui sono attaccati altri gruppi
Fosfati - una catena di tre gruppi fosfato
L'ATP è un composto organico come i carboidrati e gli acidi nucleici. Nella molecola di ATP sono presenti una serie di strutture ad anello: quella del ribosio, che contiene atomi di carbonio, e quella degli altri due gruppi, che contengono idrogeno (H), ossigeno (O), azoto (N) e fosforo (P).
L'ATP è un nucleotide e contiene ribosio, uno zucchero pentoso a cui si attaccano altri gruppi. Ti suona familiare? Forse sì, se hai già studiato gli acidi nucleici DNA e RNA. I loro monomeri sono nucleotidi con uno zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio) come base. L'ATP è quindi simile ai nucleotidi del DNA e dell'RNA.
Stoccaggio di energia nell'adenosina trifosfato
La principale funzione dell'ATP è quella di stoccare, trasportare e scambiare energia. L'energia dell'ATP è immagazzinata nei legami ad alta energia tra i gruppi fosfato. Di solito, il legame tra il 2° e il 3° gruppo fosfato (contati a partire dalla base del ribosio, vedi figura 1 più avanti) viene rotto per liberare energia durante l'idrolisi.
Non bisogna confondere lo stoccaggio di energia nell'ATP con quello dei carboidrati e dei lipidi. Piuttosto che immagazzinare energia a lungo termine come l'amido o il glicogeno, l'ATP cattura l'energia, la immagazzina nei legami ad alta energia e la rilascia rapidamente dove necessario. Le molecole di stoccaggio vere e proprie, come l'amido, non possono semplicemente rilasciare l'energia, poiché hanno bisogno dell'ATP per trasportarla ulteriormente.
Idrolisi dell'adenosina trifosfato
L'energia immagazzinata nei legami ad alta energia tra le molecole di fosfato viene rilasciata durante l'idrolisi.
L'idrolisi è una particolare reazione chimica in cui il ruolo da protagonista è svolto dalla molecola dell'acqua che provoca la scissione di un legame chimico.
Come già accennato, a rompersi è solitamente il legame con la terza o l'ultima molecola di fosfato (contata a partire dalla base del ribosio), la quale di conseguenza si stacca dal resto del composto. La reazione avviene come segue:
L'acqua viene aggiunta al composto, il che provoca la rottura dei legami tra le molecole di fosfato, i quali sono particolarmente instabili e quindi facilmente scindibili.
La reazione è catalizzata dall'enzima ATP idrolasi (ATPasi).
I risultati della reazione sono adenosina difosfato (ADP), un gruppo fosfato inorganico (Pi) e il rilascio di energia.
Anche gli altri due gruppi fosfato possono essere staccati dal composto al fine di liberare un maggior quantitativo di energia. Se viene rimosso un altro (secondo) gruppo fosfato, il risultato è la formazione di AMP o adenosina monofosfato. Se poi anche il terzo (ultimo) gruppo fosfato viene scisso dall'ATP, si ottiene la molecola adenosina.
Sintesi dell'adenosina trifosfato
L'idrolisi dell'ATP è reversibile, il che significa che il gruppo fosfato può essere riattaccato per formare la molecola completa di ATP. Questa operazione è chiamata sintesi dell'ATP. Pertanto, possiamo concludere quanto segue:
La sintesi dell'ATP è l'aggiunta di una molecola di fosfato all'ADP per formare l'ATP.
L'ATP viene prodotta durante la respirazione cellulare e la fotosintesi clorofilliana quando i protoni (ioni H+) si muovono attraverso la membrana cellulare (lungo un gradiente elettrochimico) attraverso una proteina canale, l'ATP sintasi. L'ATP sintasi è anche l'enzima che catalizza la sintesi di ATP. È incorporata nella membrana tiloidea dei cloroplasti e nella membrana interna dei mitocondri, dove viene sintetizzata l'ATP. Durante la reazione di sintesi dell'ATP, l'acqua viene rimossa quando si creano i legami tra le molecole di fosfato. In sostanza, si tratta del processo inverso all'idrolisi.
La condensazione è una reazione chimica in cui due o più molecole si uniscono provocando l'eliminazione di acqua.
Tieni presente che la sintesi di ATP e l'ATP sintasi sono due cose diverse e quindi non devono essere usate in modo intercambiabile. Il primo termine definisce infatti la reazione chimica, il secondo si riferisce invece all'enzima.
La sintesi di ATP avviene durante tre processi: la fosforilazione ossidativa, la fosforilazione a livello di substrato (fasi della respirazione cellulare) e la fotosintesi clorofilliana.
ATP nella fosforilazione ossidativa
La maggior quantità di ATP viene prodotta durante la fosforilazione ossidativa. Si tratta di un processo in cui l'ATP si forma utilizzando l'energia rilasciata dopo che le cellule ossidano i nutrienti con l'aiuto degli enzimi. La fosforilazione ossidativa avviene nella membrana dei mitocondri ed è una delle quattro fasi della respirazione aerobica cellulare.
ATP nella fosforilazione a livello di substrato
La fosforilazione a livello del substrato è il processo attraverso il quale le molecole di fosfato vengono trasferite per formare ATP. Ha luogo nel citoplasma delle cellule durante la glicolisi, il processo che estrae energia dal glucosio e che costituisce la prima fase della respirazione cellulare, e nei mitocondri durante il ciclo di Krebs, il ciclo in cui viene utilizzata l'energia rilasciata dopo l'ossidazione dell'acido acetico e che costituisce la terza fase della respirazione cellulare.
ATP nella fotosintesi clorofilliana
L'ATP viene prodotto anche durante la fotosintesi clorofilliana nelle cellule vegetali che contengono clorofilla. La sintesi di ATP avviene nell'organello chiamato cloroplasto, dove l'ATP viene prodotto durante il trasporto di elettroni dalla clorofilla alle membrane tiloidi. Questo processo è chiamato fotofosforilazione e avviene durante la reazione fotosintetica luce-dipendente. Per saperne di più, consulta l'articolo sulla fotosintesi clorofilliana.
Funzioni dell'adenosina trifosfato
Come già detto, l'ATP trasferisce energia da una cellula all'altra e costituisce una fonte di energia immediata a cui le cellule possono accedere rapidamente. Tuttavia, messo a confronto con altre fonti di energia, ad esempio il glucosio, l'ATP immagazzina una quantità minore di energia: il glucosio è infatti un gigante energetico rispetto all'ATP! Quindi a cosa è dovuta l'importanza dell'ATP? Perché le cellule la preferiscono al glucosio? La risposta è che il rilascio di energia da parte dell'ATP è molto più facilmente e rapidamente gestibile. Le cellule hanno bisogno di energia in tempi brevi per mantenere i loro motori sempre accesi e l'ATP fornisce energia alle cellule bisognose in modo più immediato rispetto al glucosio. Pertanto, l'ATP funziona in modo molto più efficiente come fonte di energia rispetto ad altre molecole di stoccaggio come il glucosio. Di seguito troverai una lista di vari processi energetici delle cellule che sfruttano l'ATP:
I processi metabolici, come la sintesi di macromolecole, ad esempio proteine e amido, si basano sull'ATP. L'ATP rilascia l'energia utilizzata per unire le basi delle macromolecole, ovvero gli aminoacidi per le proteine e il glucosio per l'amido.
L'ATP fornisce energia per la contrazione muscolare o, più precisamente, per il meccanismo dei filamenti scorrevoli della contrazione muscolare. La miosina è una proteina che converte l'energia chimica immagazzinata nell'ATP in energia meccanica per generare forza e movimento. Per saperne di più, leggi l'articolo sul meccanismo del filamento scorrevole.
L'ATP funziona anche come fonte di energia per il trasporto attivo. È fondamentale per il trasporto di macromolecole attraverso un gradiente di concentrazione. Ad esempio, viene utilizzata in quantità significative dalle cellule epiteliali dell'intestino, le quali senza ATP non possono assorbire sostanze mediante trasporto attivo.
L'ATP fornisce energia per la sintesi degli acidi nucleici DNA e RNA, più precisamente durante la traduzione. L'ATP fornisce l'energia necessaria affinché gli amminoacidi sul tRNA si uniscano mediante legami peptidici e attacchino gli amminoacidi al tRNA.
L'ATP è necessario per formare i lisosomi, che hanno un ruolo nella secrezione dei prodotti cellulari.
L'ATP è utilizzato nella segnalazione sinaptica, poiché ricombina la colina e l'acido etanoico in acetilcolina, un neurotrasmettitore. Esplora l'articolo sulla trasmissione attraverso la sinapsi per maggiori informazioni su questo argomento complesso ma interessante.
L'ATP velocizza le reazioni catalizzate dagli enzimi. Come abbiamo visto in precedenza, il fosfato inorganico (Pi) viene rilasciato durante l'idrolisi dell'ATP. Il Pi può legarsi ad altri composti per renderli più reattivi e abbassare l'energia di attivazione nelle reazioni catalizzate dagli enzimi.
Adenosina trifosfato - Punti chiave
- L'ATP o adenosina trifosfato è la molecola portatrice di energia essenziale per i processi chimici degli organismi viventi.
- L'ATP è un nucleotide fosforilato. È costituito da adenina (un composto organico contenente azoto), ribosio (uno zucchero pentoso a cui sono attaccati altri gruppi) e fosfati (una catena di tre gruppi fosfato).
- L'energia dell'ATP è immagazzinata nei legami ad alta energia tra i gruppi fosfato che vengono rotti per rilasciare energia durante l'idrolisi.
- La sintesi dell'ATP consiste nell'aggiunta di una molecola di fosfato all'ADP. Il processo è catalizzato dall'ATP sintasi. La sintesi di ATP avviene durante tre processi: la fosforilazione ossidativa, la fosforilazione a livello del substrato e la fotosintesi clorofilliana.
- L'ATP svolge un ruolo fondamentale nella contrazione muscolare, nel trasporto attivo, nella sintesi degli acidi nucleici (DNA e RNA), nella formazione dei lisosomi e nella segnalazione sinaptica. Permette inoltre alle reazioni catalizzate dagli enzimi di svolgersi più rapidamente.
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