L'ATP, o adenosina trifosfato, è una molecola presente in tutti gli organismi viventi, e rappresenta la principale forma di accumulo di energia immediatamente disponibile. L'insieme dei processi che generano ATP ed energia per le necessità della cellula costituisce il metabolismo energetico. La sede cellulare principale del metabolismo energetico sono i mitocondri.
Struttura e Funzione dell'ATP
L'ATP ha una struttura chimica particolare da cui deriva il suo nome. È costituita da una molecola di adenina e una di ribosio (uno zucchero a 5 atomi di carbonio) a cui sono legati tre gruppi fosforici, mediante due legami ad alta energia.
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.
Metabolismo Energetico: Un Processo in Tre Fasi
Il metabolismo energetico ha inizio alla fine del processo di demolizione (catabolismo) dei nutrienti ed è caratterizzato da una serie di ossidoriduzioni in cui un substrato ridotto (un carboidrato, un acido grasso e anche un aminoacido) con una determinata energia potenziale di legame, è ossidato ad acqua e anidride carbonica.
È possibile distinguere tre fasi del metabolismo energetico a partire dai prodotti principali del metabolismo di carboidrati, lipidi e proteine: glucosio, acidi grassi e aminoacidi.
Leggi anche: Diagnosi e Trattamento delle Malattie del Metabolismo
- Nella prima fase i prodotti del catabolismo sono degradati ad acetil-CoA.
- Nella seconda fase, corrispondente al ciclo di Krebs, si ha l’ossidazione dei due atomi di C dell’acetil-CoA a CO2 e la produzione di tre molecole di NADH e una di FADH2.
- Nella terza fase, questi cofattori sono ossidati, con trasporto di equivalenti di riduzione all’ossigeno, mediante i componenti della catena respiratoria. L’ossidazione è accoppiata alla sintesi di ATP mediante il gradiente protonico elettrochimico transmebrana nel processo denominato fosforilazione ossidativa.
ATP e Metabolismo Cellulare
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. 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 ciclo dell'ATP tra catabolismo e anabolismo.
Idrolisi dell'ATP e Energia Libera
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.
Fonti di ATP
Nella maggior parte delle cellule, la fosforilazione è il processo principale per la sintesi di nuovo ATP. Per il corretto funzionamento della fosforilazione ossidativa sono necessari tanti “mattoncini” prelevabili dagli alimenti ingeriti durante la giornata.
Leggi anche: Spiegazione Metabolismo Aerobico
La glicolisi è la via metabolica delle cellule per produrre ATP, a partire dalla scissione dei carboidrati, dal glicogeno muscolare o dal glucosio prelevato dal sangue. Dal punto di vista biochimico esiste una glicolisi veloce e una glicolisi lenta: quando il piruvato viene convertito in lattato per assenza di ossigeno, si parla di glicolisi veloce, mentre la glicolisi lenta avviene quando il piruvato entra nei mitocondri e, in presenza di ossigeno, si produce 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.
ATP e Contrazione Muscolare
L’enorme interesse mostrato sia dagli allenatori che dai preparatori nei confronti della struttura muscolare si focalizza sui meccanismi che regolano la crescita del tessuto contrattile, in seguito a specifici esercizi fisici. Alla base degli scambi energetici troviamo una molecola, l’ATP.
La cellula muscolare ha a disposizione riserve limitate di ATP (2,5 g/Kg di muscolo, per un totale di circa 50g). Tali riserve sono sufficienti soltanto per lavori massimali della durata di circa un secondo.
Quando si è in uno stato di riposo, la velocità di ricambio energetico è di circa 1 mmol di ATP al minuto per ogni kg di muscolo ed esso aumenta sino a ca. 180 mmol di ATP in un soggetto sportivo. Rispetto a questa serie di dati si potrà facilmente affermare che la cellula ha bisogno di esser predisposta al recupero più o meno rapido di ATP.
Leggi anche: Betotal: Un Aiuto per il Metabolismo
Quasi tutte le reazioni cellulari e i processi dell'organismo che richiedono energia vengono alimentati dalla conversione di ATP in ADP; tra di esse vi sono, ad esempio, la trasmissione degli impulsi nervosi, la contrazione muscolare, i trasporti attivi attraverso le membrane plasmatiche, la sintesi delle proteine e la divisione cellulare. Nei vertebrati il gruppo fosfato necessario a questa reazione viene conservato in un composto, chiamato creatinfosfato, che si trova soprattutto nel tessuto muscolare.
Altri Sistemi di Risintesi dell'ATP
Nel muscolo, come in altre cellule, esiste una riserva importante di gruppi fosforici attivi chiamata fosfocreatina o creatina fosfato (CP) o fosfageno. La creatina fosfato si forma nel muscolo a riposo associando ad una molecola di creatina una molecola di fosfato inorganico.
Il creatin-fosfato è una molecola presente nel muscolo con un quantitativo 3-4 volte superiore alla concentrazione di ATP: se così non fosse, si metterebbe in pericolo la capacità del muscolo di poter recuperare le proprie scorte energetiche, compromettendo i processi cellulari (Houston, 2008).
L’adenilato chinasi è un secondo enzima che permette a due molecole di ADP di dare origine ad ATP e AMP (adenosin-mono-fosfato) a livello cellulare. Infine, l’AMP-deaminasi permette la trasformazione sia dell’AMP che di uno ione H+,, così da generare inosina-monofosfato (IMP) e uno ione ammonio (NH4+). Tra questi tre sistemi fosfageni, l’enzima maggiormente attivo resta in ogni caso la creatin-kinase.
Durante l'attività muscolare intensa e di breve durata, il decremento della forza sviluppata è direttamente collegato al depauperamento delle riserve muscolari di fosfocreatina. ATP e fosfocreatina stivate nei muscoli vengono usate contemporaneamente nel corso di sforzi brevi ed intensi. Anche questo sistema energetico non utilizza ossigeno.
Sistemi Energetici e Attività Fisica
Nel meccanismo anaerobico alattacido l'ossigeno non interviene e proprio a questa caratteristica si deve l'aggettivo "anaerobico". Il sistema anaerobico alattacido ha una latenza molto breve, una potenza elevata ed una capacità estremamente ridotta. Le riserve di fosfocreatina, infatti, si esauriscono rapidamente (circa 4-5 secondi).
Notiamo per l'ennesima volta, come ATP e fosfocreatina (CP) abbiano un ruolo essenziale nei primi secondi di esercizio (attività di potenza) e come tra i 15 ed i 50 secondi subentri il massimo contributo della glicolisi anaerobica, con produzione di lattato.
| Sistema Energetico | Durata Tipica | Caratteristiche |
|---|---|---|
| Anaerobico Alattacido (ATP-CP) | 4-5 secondi | Potenza elevata, capacità ridotta |
| Glicolisi Anaerobica | 15-50 secondi | Produzione di lattato |
| Metabolismo Aerobico | Lunga durata | Richiede ossigeno, alta capacità |
tags: #ATP #metabolismo #energetico #spiegazione