1.10: ATP
Struttura e funzione dell’ATP
Al cuore dell’ATP si trova il nucleotide adenosina monofosfato (AMP). Come gli altri nucleotidi, l’AMP è composto da una base azotata (una molecola di adenina) legata a una molecola di ribosio e un singolo gruppo fosfato. L’aggiunta di un secondo gruppo fosfato a questa molecola centrale porta alla formazione dell’adenosina difosfato (ADP); l’aggiunta di un terzo gruppo fosfato forma l’adenosina trifosfato (ATP).
ATP (adenosina trifosfato) ha tre gruppi fosfato che possono essere rimossi per idrolisi per formare ADP (adenosina difosfato) o AMP (adenosina monofosfato). Se non ci sono fosfati, la molecola viene chiamata “nucleoside”, piuttosto che “nucleotide”.
La fosforilazione o la condensazione dei gruppi fosfato su AMP è un processo endergonico. Al contrario, l’idrolisi (scissione da parte dell’acqua) di uno o due gruppi fosfato dall’ATP, un processo chiamato defosforilazione, è esergonico. Perché? Ricordiamo che i termini endergonico ed esergonico si riferiscono al segno della differenza di energia libera di una reazione tra i prodotti e i reagenti, ΔG. In questo caso stiamo assegnando esplicitamente la direzione alla reazione, nella direzione della fosforilazione o della defosforilazione del nucleotide. In questa reazione di fosforilazione i reagenti sono il nucleotide e un fosfato inorganico, mentre i prodotti sono un nucleotide fosforilato e acqua. Nella reazione di defosforilazione/idrolisi, i reagenti sono il nucleotide fosforilato e l’acqua mentre i prodotti sono il fosfato inorganico e il nucleotide meno un fosfato.
L’energia libera di Gibbs è una “funzione di stato”, non importa come avviene la reazione, basta considerare gli stati iniziale e finale. I reagenti ATP e acqua sono caratterizzati dalla loro composizione atomica e dai tipi di legami tra gli atomi costituenti e una certa energia libera può essere associata a ciascuno dei legami e alle loro possibili configurazioni – lo stesso vale per i prodotti. L’idrolisi dell’ATP comporta la rottura dei legami e la loro ricostituzione in una nuova disposizione. Se esaminiamo la reazione dal punto di vista dei prodotti e dei reagenti e ci chiediamo “come possiamo ricombinare atomi e legami nei reagenti per ottenere i prodotti?”, troviamo che un legame fosfoanidride tra un ossigeno e un fosforo deve essere rotto nell’ATP, un legame tra un ossigeno e un idrogeno rotto nell’acqua, un legame si forma tra l’OH (proveniente dalla scissione dell’acqua) e il fosforo (dal PO3-2 liberato), e un legame deve essere formato tra l’H (derivato dalla scissione dell’acqua), e l’ossigeno terminale sul nucleotide fosforilato. La somma dei cambiamenti nelle energie associate a tutti questi riarrangiamenti di legame (compresi quelli direttamente associati all’acqua) rende questa reazione esergonica. Un’analisi simile potrebbe essere fatta con la reazione inversa.
Esercizio possibile
Utilizza la figura dell’ATP qui sopra e la tua conoscenza di come appare una molecola d’acqua per disegnare una figura dei passi di reazione descritti sopra: rottura del legame fosfoanidride, rottura dell’acqua, e formazione di nuovi legami per formare ADP e fosfato inorganico. Traccia gli atomi in colori diversi se questo aiuta.
Un altro pensiero-
La descrizione dei riarrangiamenti dei legami presentata sopra non spiega perché la separazione dell’aggiunta di un terzo gruppo fosfato all’ADP per fare ATP è endergonica (in condizioni standard). Guardando le strutture prima e dopo, puoi trovare qualche spiegazione del perché l’aggiunta di un fosfato richiederebbe lavoro (ha un ∆G positivo), ma la rottura di un fosfato rappresenta un ∆G negativo?