ATP e Proteine: Definizione e Ruolo nel Metabolismo Cellulare

Il metabolismo cellulare è l'insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all'interno delle cellule, alcune delle quali permettono di ottenere le molecole e l'energia di cui le cellule hanno bisogno. Ogni reazione può essere accelerata da un enzima. La massima produzione di energia nella cellula si ottiene attraverso processi che hanno luogo nei mitocondri, possibili in presenza di ossigeno.

Metabolismo Cellulare: Rompere e Costruire

Per metabolismo cellulare si intende l’insieme delle reazioni biochimiche che avvengono all’interno delle cellule. Le reazioni possono essere facilitate dagli enzimi, particolari proteine che funzionano da catalizzatori, rendendo possibile se non accelerando la reazione in cui sono coinvolti. Gli enzimi legano in maniera altamente specifica uno o più substrati, le molecole coinvolte nella reazione, facilitando così la loro trasformazione nei prodotti della reazione stessa, che sono poi rilasciati dall’enzima.

Spesso perché all’interno delle cellule avvengano le trasformazioni molecolari desiderate da un prodotto iniziale a uno finale, occorrono più fasi, ciascuna delle quali può essere catalizzata da un diverso enzima. In ciascuna di queste fasi, un substrato viene convertito in un prodotto, che a sua volta diventa il substrato per la reazione successiva. Via metabolica, o in inglese pathway metabolico, è l’espressione utilizzata per indicare un insieme di queste reazioni in sequenza. Le cellule sono in grado di controllare le vie metaboliche a seconda dei propri bisogni e ci riescono anche grazie alla regolazione dell’attività degli enzimi stessi.

Sono dette cataboliche quelle vie che permettono la degradazione di molecole complesse. In queste reazioni, le molecole sono trasformate nei loro costituenti (per esempio, dalle proteine si ottengono gli amminoacidi), mentre l’energia viene rilasciata come calore oppure immagazzinata sotto forma di particolari molecole. La sintesi di nuove molecole, le macromolecole, avviene attraverso vie definite anaboliche, che possono partire proprio dai prodotti del catabolismo e che per procedere hanno bisogno di energia. Per far sì che le cellule controllino i propri livelli di metaboliti fondamentali e abbiano a disposizione una quantità sufficiente di energia, le vie cataboliche e anaboliche devono essere in equilibrio.

L'Energia Cellulare e l'ATP

L’energia non si crea né si distrugge, ma si trasforma. Da dove arriva allora l’energia di cui hanno bisogno le cellule? Nel caso di alcuni tipi di batteri, delle alghe e delle piante la “fonte” è rappresentata dal sole. Nel noto processo di fotosintesi, le cellule catturano l’energia solare e la utilizzano per produrre molecole organiche. Altri organismi, come gli esseri umani, funzionano diversamente e ricavano le molecole organiche dall’alimentazione.

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Attraverso la nutrizione gli esseri umani ottengono l’acqua e i nutrienti, quali carboidrati, grassi, proteine, sali e minerali, che vengono se necessario scomposti in prodotti più piccoli, quindi assorbiti nel circolo ematico e recapitati a tessuti e cellule che ne hanno bisogno. L’energia è contenuta nei legami chimici delle molecole dei nutrienti e, attraverso diversi processi, viene trasformata in una forma che le cellule possono utilizzare. Rilasciata dalla rottura di tali legami, l’energia viene immagazzinata sotto forma di molecole ad alta energia, come l’ATP (adenosina trifosfato), il trasportatore di energia più abbondante nelle cellule.

La respirazione cellulare è un processo mediante il quale le cellule ricavano l’energia dai nutrienti. La degradazione di carboidrati, grassi e proteine converge in una via centrale del metabolismo, il cosiddetto ciclo dell’acido citrico (detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs dal nome del suo scopritore, Hans Krebs). Il ciclo dell’acido citrico avviene all’interno dei mitocondri, le centrali energetiche della cellula. A questo ciclo, da cui si formano anidride carbonica e altre importanti molecole, segue la fosforilazione ossidativa, la fase di massima resa in termini di formazione di molecole di ATP, che vede il coinvolgimento della catena di trasporto degli elettroni ed è resa possibile da diverse proteine situate nella membrana interna dei mitocondri. Nell’insieme questo processo consuma ossigeno e produce anche acqua.

Nei diversi passaggi che portano dalla demolizione dei nutrienti al ciclo di Krebs, ha un ruolo importante una particolare molecola, chiamata acetilcoenzima A. La sua formazione a partire dal glucosio inizia nel citoplasma della cellula con la glicolisi, una via metabolica che non necessita di ossigeno e in cui da una molecola di glucosio si formano due molecole di piruvato, con un guadagno netto di due molecole di ATP, un numero decisamente inferiore rispetto alla fosforilazione ossidativa, e altre molecole. Il piruvato è poi trasportato nei mitocondri e convertito nell’acetilcoenzima A, che entra così nel ciclo di Krebs.

Il Controllo dell'Energia

La trasformazione dell’energia chimica in una forma utile alle cellule viene regolata tramite diverse modalità. Per esempio, le cellule possono rispondere a certi segnali o non possedere alcuni organuli (come i globuli rossi, che non hanno mitocondri). Centrale è la disponibilità di ossigeno. In condizioni di assenza o di bassi livelli di ossigeno, il piruvato prodotto dalla glicolisi potrà avere un diverso destino: invece di entrare nei mitocondri, resterà nel citoplasma dove, grazie al coinvolgimento di un particolare enzima, si produrrà il lattato (o acido lattico). Si noti che, quando le cellule muscolari fanno affidamento sulla glicolisi per la produzione di energia a causa della bassa disponibilità di ossigeno, è proprio l’accumulo di questo prodotto che provoca la caratteristica sensazione di dolore.

Adenosina Trifosfato (ATP): La Valuta Energetica Cellulare

L'adenosina trifosfato (ATP) può essere definito la valuta energetica della cellula, lo strumento attraverso cui la cellula realizza processi che necessitano di energia (endoergonici) ed è prodotto da reazioni che liberano energia (esoergonici). L'ATP svolge, quindi, un ruolo di fondamentale importanza nel metabolismo energetico. Il metabolismo è il complesso di razioni variamente interconnesse che consentono la continua conversione di molecole in altre più o meno o parimenti complesse, a seconda delle esigenze della cellula.

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Il metabolismo è suddivisibile in due grandi gruppi di reazioni: anabolismo e catabolismo. L'anabolismo comprende le reazioni di biosintesi che, mediante il consumo di energia e quindi di ATP, consentono di produrre composti organici complessi (carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici) a partire da sostanze più semplici. Il catabolismo, invece, realizza il processo opposto e, mediante la demolizione ossidativa delle macromolecole, consente di liberare energia, gradualmente recuperata mediante la sintesi di ATP.

Il legame fosfoanidridico è definito un legame ad alta energia, vale a dire un legame la cui idrolisi è esoergonica (ΔG < 0), cioè termodinamicamente favorita e che può essere sfruttata dalla cellula per compiere un lavoro. I valori di variazioni di energia libera riportati si riferiscono a reazioni di idrolisi in condizioni standard (pH = 7 e 25 °C). Essi dipendono molto dalla concentrazione di vari ioni, tra cui Mg+2 (con cui di norma l'ATP e i gruppi fosfato liberi sono coniugati) e altri metalli.

La variazione negativa di energia libera delle reazioni di idrolisi dell'ATP è spiegabile facendo riferimento alla maggiore stabilità dei prodotti delle reazioni. I gruppi fosfato liberi e anche il pirofosfato sono sottoposti a una minore repulsione elettrostastica tra le cariche negative e sono stabilizzati per risonanza e grazie all'idratazione con un maggior numero di molecole di acqua rispetto all'adenosina trifosfato (ATP).

L'energia di idrolisi dell'ATP è anche detta potenziale di fosforilazione, dato che i processi termodinamicamente sfavoriti sono resi energeticamente più vantaggiosi dal trasferimento di uno o più gruppi fosfato alle molecole coinvolte. Il potenziale di fosforilazione dell'ATP lo colloca in una posizione intermedia rispetto ad altri composti fosforilati ad alta energia.

Alcune reazioni biosintetiche (si pensi alla sintesi di DNA o alla sintesi dell'RNA) sono rese possibili dall'idrolisi di altri nucleosidi trifosfato, come guanosina trifosfato (GTP), uridina trifosfato (UTP) o citidina trifosfato (CTP). Nonostante l'energia di idrolisi degli altri nucleosidi trifosfato sia equivalente a quello dell'ATP, quest'ultimo rimane il carrier per eccellenza dell'energia della cellula.

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L’ATP è una molecola costituita da adenosina e da tre gruppi fosfato. L’adenosina è un nucleoside formato da adenina e da uno zucchero a cinque atomi di carbonio, il ribosio; i tre gruppi fosfato sono collegati in serie con il ribosio. I legami che mantengono uniti gli ultimi due gruppi fosfato posseggono un elevato livello di energia e, per tali motivi, vengono comunemente detti legami altamente energetici.

Quando viene scisso il legame con il gruppo fosfato terminale, si ottengono adenosindifosfato (ADP) e fosfato inorganico (Pi) con la liberazione di 7,3 Kcal di energia per mole di ATP. Più raramente, ulteriore energia può essere liberata dalla scissione di un secondo gruppo fosfato e, in tal caso, la molecola rimanente si chiama adenosinmonofosfato (AMP). La quantità di ATP accumulata in ogni cellula è assai limitata e può sostenere l’attività metabolica solamente per una frazione di minuto.

È per tale motivo che, per soddisfare i fabbisogni energetici cellulari, questo prezioso composto, una volta utilizzato, deve essere costantemente risintetizzato mediante la riconversione di ADP in ATP. La rigenerazione di ATP è un processo di sintesi che si avvale dell’energia liberata dalla demolizione delle sostanze nutrienti (catabolismo cellulare) e dalla scissione della fosfocreatina. Questa liberazione di energia è quindi funzionalmente collegata, ossia accoppiata, alla necessità di risintesi dell’ATP e le reazioni implicate in questo processo vengono dette reazioni accoppiate.

L'adenosina trifosfato o ATP è la molecola che fornisce l'energia necessaria per quatti tutte le forme di lavoro cellulare. L'ATP è costituito da adenina, una base azotata, legata a una molecola di ribosio; allo zucchero è attaccato anche un gruppo trifosfato, una catena di tre gruppi fosfato. I tre gruppi fosfato hanno carica negativa; la vicinanza di tre cariche negative rende la catena trifosfatica dell'ATP l'equivalente chimico di una molla compressa. I legami tra i gruppi fosfato sono infatti instabili e vengono facilmente idrolizzati (cioè scissi mediante aggiunta di acqua).

L'ATP ha un'altra proprietà che lo rende particolarmente utile alla cellula: può donare un gruppo fosfato ad altre molecole di vario tipo. L'ATP, grazie alla fosforilazione, mette a disposizione l'energia per svolgere tre tipi di lavoro cellulare: chimico, meccanico e di trasporto. Nel lavoro chimico, la fosforilazione dei reagenti fornisce l'energia necessaria alla sintesi endoergonica dei prodotti. Un esempio di lavoro meccanico si ha nelle cellule muscolari, dove il trasferimento di gruppi fosfato a speciali proteine motrici fa sì che esse cambino forma ed esercitino una trazione sui filamenti del muscolo, dando così luogo alla contrazione.

Molecola presente in tutti gli organismi viventi, per i quali rappresenta la principale forma di accumulo di energia immediatamente disponibile. L'adenosina trifosfato, o ATP, è costituita da una molecola di adenina e una di ribosio (zucchero a 5 atomi di carbonio) a cui sono legati tre gruppi fosforici, mediante due legami ad alta energia.

Dal momento che la funzione energetica dell'ATP è intimamente connessa alla funzione catalitica degli enzimi, l'ATP viene considerata un coenzima. I legami ad alta energia dell'ATP sono quelli che legano fra loro i tre gruppi fosfato. Tali legami possono venire scissi per mezzo di una reazione di idrolisi; dopo la loro rottura, essi liberano una grande quantità di energia, pari a circa 34 kJ per mole (circa 7,5 Kcal). L'idrolisi dell'ATP avviene a opera dell'enzima denominato ATPasi.

Oltre alla liberazione dell'energia, l'idrolisi parziale dell'ATP porta alla formazione di una molecola di adenosina difosfato (ADP) e di un gruppo fosfato; l'idrolisi totale forma invece una molecola di adenosina monofosfato e due gruppi fosfato. Una volta scissa, l'ATP viene sintetizzata nuovamente mediante reazioni di fosforilazione dell'ADP, attraverso le quali vengono aggiunti alle molecole i gruppi fosfato.

Respirazione Cellulare e ATP

Processo che avviene nelle cellule in presenza di ossigeno (aerobiosi), attraverso il quale le sostanze nutritive derivanti dalla digestione (negli animali) o dalla fotosintesi vengono ossidate allo scopo di produrre l'energia necessaria al metabolismo. In particolare, la principale molecola che agisce da substrato per la respirazione cellulare è il glucosio; l'energia che si ottiene viene immagazzinata nei legami ad alta energia contenuti nella molecola adenosina trifosfato, ATP.

La respirazione cellulare porta complessivamente alla formazione netta di 38 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio coinvolta nella reazione. La glicolisi può costituire, in presenza di ossigeno, il primo ciclo di reazioni della respirazione cellulare. Per fare ciò i mitocondri utilizzano l'energia presente nelle molecole che costituiscono gli alimenti (zuccheri, grassi, proteine) e la trasferiscono nelle molecole di ATP. L'ultima fase di questo processo utilizza l'ossigeno ed è detta fosforilazione ossidativa.

Durante lo svolgimento di quest'ultima si possono formare dei composti, noti come radicali liberi dell'ossigeno che, se presenti in eccesso, possono causare danni ai costituenti delle cellule e, in particolare, ai mitocondri stessi in un processo noto come stress ossidativo. In particolare, l'invecchiamento dell'organismo va di pari passo con l'invecchiamento dei mitocondri.

Proteine: Struttura e Funzione

Le proteine sono macromolecole costituite da una, o più, lunghe catene polipeptidiche (dette anche protidi). Le proteine costituiscono la classe di molecole organiche più abbondanti in tutti gli organismi viventi; si trovano in tutte le cellule e costituiscono il 50% o più del loro peso secco. Le proteine sono essenziali per tutti i processi biologici legati alla vita, svolgendo un ruolo fondamentale per la struttura e la funzione cellulare, come nei processi di catalisi enzimatiche, di trasporto e deposito, di supporto meccanico, di protezione immunitaria, di generazione e trasmissione dell’impulso nervoso, di controllo della crescita e della differenziazione.

I primi studi fondamentali sulla struttura delle proteine risalgono agli anni 1950. Le proteine sono costituite da numerose molecole di α-amminoacidi (detti anche residui amminoacidici), legate fra loro mediante legami peptidici tra il gruppo carbossilico di una molecola e il gruppo amminico della successiva, costituendo nel loro insieme una catena polipeptidica. Il peso molecolare delle proteine può variare da circa 5000-10.000 in quelle più piccole (40-80 amminoacidi) sino ad alcuni milioni per quelle più grandi e complesse.

Tra tutti gli amminoacidi presenti in natura solo 20 sono i costituenti fondamentali delle proteine; è importante notare che sono tutti esclusivamente L-isomeri. Ogni proteina è caratterizzata da un punto isoelettrico (pI), cioè da un valore di pH al quale sono uguali il numero delle cariche negative (derivanti dalla dissociazione dei gruppi carbossilici) e il numero di quelle positive (derivanti dalla protonazione dei gruppi amminici) presenti nella molecola proteica; a tale valore di pH, la proteina.

Struttura delle Proteine

Le proteine presentano diversi livelli di organizzazione strutturale:

• Struttura primaria: Determinata dalla sequenza degli amminoacidi.
• Struttura secondaria: Disposizione strutturale degli amminoacidi vicini nella sequenza lineare, che permette alla proteina di ripiegarsi a formare una struttura ripetitiva regolare (α-elica e struttura β).
• Struttura terziaria: Disposizione spaziale della proteina, risultante dall'interazione tra le catene laterali degli amminoacidi.
• Struttura quaternaria: Modo in cui le catene polipeptidiche si associano nelle proteine oligomeriche o polimeriche.

Classificazione delle Proteine

Le proteine sono classificate in base a:

• Composizione chimica (semplici o coniugate)
• Forma delle molecole (globulari o fibrose)
• Solubilità in acqua
• Funzione biologica

La classificazione in base alle funzioni biologiche è la più utilizzata e soddisfacente, anche se molte proteine possono avere più di una sola funzione.

Funzioni delle Proteine

Le proteine svolgono una vasta gamma di funzioni biologiche, tra cui:

• Enzimi: Catalizzatori biologici che accelerano le reazioni chimiche.
• Regolatori: Influenzano la velocità di un intero ciclo metabolico (es. ormoni).
• Riserva: Sostanze nutritive e materiale costruttivo per la crescita embrionale (es. albumina dell'uovo, caseina del latte).
• Trasporto: Trasportano ioni o molecole complesse nel sangue (es. emoglobina, lipoproteine).
• Strutturali: Elementi di supporto e protezione (es. collagene, elastina, cheratina).
• Protettive: Difendono l'organismo da agenti esterni (es. immunoglobuline, tossine).

Gli enzimi rappresentano la classe più grande delle proteine. Alcuni enzimi, detti regolatori, sono in grado, attraverso la modulazione della loro attività catalitica, in risposta a vari tipi di segnali molecolari, di influenzare la velocità di un intero ciclo metabolico. Una simile funzione è svolta anche da varie proteine che aiutano a regolare l’attività cellulare fisiologica, come, per es., gli ormoni.

Tra questi sono compresi, per es.: l’adrenalina, che media la trasmissione dell’impulso nervoso; la tiroxina, che accelera le ossidazioni intracellulari delle proteine, dei carboidrati e dei lipidi; l’insulina, che regola il metabolismo glicidico; l’ormone somatotropo, che regola la crescita dell’organismo; l’ormone paratiroideo, che influisce direttamente sul trasporto del Ca++ e del fosfato. Inoltre proteine.

Un’altra classe di proteine ha la funzione di materiale di riserva, che serve da sostanza nutritiva e da materiale costruttivo per la crescita embrionale; ne sono un esempio l’albumina dell’uovo, la caseina del latte e la ferritina, che è una proteina di deposito del ferro nella milza. Anche nei semi delle piante troviamo proteine. Alcune proteine hanno una funzione di trasporto; infatti esse sono in grado di legare e trasportare nel sangue ioni o molecole più complesse, permettendone il trasferimento da un organo a un altro.

Per es., l’emoglobina degli eritrociti trasporta ossigeno dai polmoni ai tessuti periferici, dove viene rilasciato e utilizzato dalle cellule per le ossidazioni di sostanze che producono energia. La mioglobina, presente nel tessuto muscolare, ha invece la funzione di legare l’O2 nei miociti. Negli invertebrati sono le emocianine, le clorocruorine e le emeritrine a svolgere la funzione di trasportatori di ossigeno. Il plasma sanguigno contiene lipoproteine che trasportano i lipidi fra intestino, fegato e tessuti adiposi, mentre gli acidi grassi liberi si legano all’albumina sierica che li veicola dal tessuto adiposo ai vari organi.

Non meno importanti sono le proteine. Esistono, poi, proteine. Un’ulteriore classe di proteine comprende quelle che servono da elementi strutturali, ovvero come filamenti di supporto, cavi o lamine per dare ai sistemi biologici robustezza e protezione. Per es., il maggiore componente dei tendini e delle cartilagini è il collagene, proteina fibrosa con un’elevatissima capacità elastica.

Nelle cartilagini sono presenti in notevole quantità anche glicoproteine che conferiscono proprietà lubrificanti alle secrezioni mucose e al liquido sinoviale delle articolazioni dei Vertebrati. I legamenti contengono elastina, una proteina strutturale in grado di allungarsi in due dimensioni. Inoltre, i capelli, le unghie e le penne sono formati in gran parte di cheratina, proteina.

Alcune proteine hanno una funzione protettiva o difensiva, come le proteine del sistema di coagulazione del sangue, trombina e fibrinogeno, che impediscono la perdita di sangue in caso di danni al sistema vascolare; la catalasi, la glutationeperossidasi e la superossidodismutasi, che proteggono le cellule dalla tossicità delle specie radicaliche dell’ossigeno (➔ radicale); la glutationetransferasi e la NADPH-citocromo-P450-reduttasi, coinvolte nella detossificazione degli xenobiotici, sostanze naturali o sintetiche normalmente estranee alla nutrizione e al metabolismo dell’organismo.

Tra le proteine protettive più importanti bisogna ricordare le immunoglobuline, o anticorpi, prodotte dai linfociti; infatti, esse sono in grado di riconoscere e precipitare, o neutralizzare, batteri, virus, tossine o elementi estranei all’organismo. Anche le tossine batteriche, le proteine tossiche delle piante, come la ricina, e i veleni dei serpenti possono essere considerati come proteine.

Isolamento, Purificazione e Caratterizzazione delle Proteine

I metodi più comunemente utilizzati per l’isolamento, la purificazione e la caratterizzazione delle proteine:

1. Isolamento: Portare le proteine in soluzione, rompendo la struttura del tessuto.
2. Purificazione: Separare la proteina di interesse dalle altre molecole.
3. Caratterizzazione: Determinare le proprietà fisico-chimiche della proteina.

Non esiste una procedura standard per l’isolamento delle proteine da organi e tessuti, anche se la prima tappa del procedimento è di portarle in soluzione, rompendo la struttura del tessuto stesso. Le tecniche utilizzate per questo scopo dipendono dalle caratteristiche meccaniche del tessuto considerato e dalla localizzazione nella cellula della proteina in esame. Se la proteina si trova libera nel citoplasma, si ricorre alla lisi cellulare, ottenuta con mezzi chimici o meccanici; in alternativa, se la proteina è un componente di una struttura subcellulare, come, per es., membrane e mitocondri, la lisi cellulare deve essere accompagnata da una centrifugazione differenziale, che permette l’isolamento e la purificazione parzial...

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