4.23 : ATP Energy Storage and Release

L'ATP è una molecola altamente instabile. A meno che non venga utilizzato rapidamente per eseguire il lavoro, l'ATP si dissocia spontaneamente in ADP e fosfato inorganico (P_i) e l'energia libera rilasciata durante questo processo viene persa sotto forma di calore. L'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP viene utilizzata per eseguire il lavoro all'interno della cellula e dipende da una strategia chiamata accoppiamento energetico. Le cellule accoppiano la reazione esoergonica dell'idrolisi dell'ATP con le reazioni endergoniche, permettendo loro di procedere.

Un esempio di accoppiamento di energia utilizzando l'ATP coinvolge una pompa ionica transmembrana che è estremamente importante per la funzione cellulare. Questa pompa sodio-potassio (pompa Na⁺/K⁺) spinge il sodio fuori dalla cellula e il potassio nella cellula. Una grande percentuale dell'ATP di una cellula viene spesa per alimentare questa pompa perché i processi cellulari importano regolarmente grandi quantità di sodio nella cellula ed esportano grandi quantità di potassio fuori dalla cellula. La pompa lavora costantemente per stabilizzare le concentrazioni cellulari di sodio e potassio. Affinché la pompa possa girare un ciclo (esportando tre ioni Na⁺ e importando due ioni K⁺), una molecola di ATP deve essere idrolizzata. Quando l'ATP viene idrolizzato, il suo gamma fosfato viene trasferito sulla proteina di pompa.

Questo processo di legame di un gruppo fosfato a una molecola è chiamato fosforilazione. Come nella maggior parte dei casi di idrolisi dell'ATP, un fosfato dall'ATP viene trasferito su un'altra molecola. In uno stato fosforilato, la pompa Na⁺/K⁺ ha più energia libera e viene attivata per subire un cambiamento conformazionale. Questo cambiamento gli consente di rilasciare Na⁺ all'esterno della cellula. Quindi si lega al K⁺ extracellulare, che, attraverso un altro cambiamento conformazionale, provoca il distacco del fosfato dalla pompa. Questo rilascio di fosfato innesca il rilascio del K⁺ all'interno della cellula. Essenzialmente, l'energia rilasciata dall'idrolisi dell'ATP è accoppiata con l'energia necessaria per alimentare la pompa e trasportare gli ioni Na⁺ e K⁺. L'ATP svolge il lavoro cellulare utilizzando questa forma base di accoppiamento energetico attraverso la fosforilazione.

Spesso durante le reazioni metaboliche cellulari, come la sintesi e la degradazione dei nutrienti, alcune molecole devono alterare leggermente la loro conformazione per diventare substrati per la fase successiva della serie di reazioni. Un esempio è durante la glicolisi, le primissime fasi della respirazione cellulare. In questa prima fase, l'ATP è necessario per fosforilare il glucosio, creando un intermedio ad alta energia ma instabile. Questa reazione di fosforilazione alimenta un cambiamento conformazionale che consente alla molecola di glucosio fosforilata di convertirsi in zucchero fosforilato fruttosio. Il fruttosio è un intermedio necessario per l'avanzamento della glicolisi. Qui, la reazione esoergonica dell'idrolisi dell'ATP, accoppiata con la reazione endergonica della fosforilazione del glucosio, costituisce un passaggio intermedio nella via. Ancora una volta, l'energia rilasciata dalla rottura di un legame fosfato all'interno dell'ATP è stata utilizzata per fosforilare un'altra molecola, creando un intermedio instabile e alimentando un importante cambiamento conformazionale.

Questo testo è adattato da Openstax, Biology 2e, Sezione 6.4:ATP: Adenosina Trifosfato