Metabolismul (partea a IV-a): adenozin trifosfatul (ATP)

Chiar și reacțiile exoterme, producătoare de energie, au nevoie de o cantitate mică de energie de activare pentru a se desfășura. Totuși, reacțiile endoterme au nevoie de o cantitate mult mai mare de energie, deoarece produșii lor de reacție au mai multă energie liberă decât reactanții. De unde provine această energie? Răspunsul este adenozin trifosfatul (ATP).

Adenozin trifosfatul este o moleculă mică, relativ simplă (Figura 7), însă unele dintre legăturile sale chimice au potențialul de a elibera rapid o cantitate mare de energie ce poate fi utilizată de celulă pentru desfășurarea reacțiilor ce au loc în interiorul său.

După cum îi sugerează și numele, adenozin trifosfatul este compus din adenozină legată de trei  grupări fosfat. Adenozina este o nucleotidă formată din adenină (o bază azotată) și riboză (un zahar cu cinci atomi de carbon). Celei trei grupări fosfat, numerotate de la cea mai apropiată de riboză spre cea mai depărtată de riboză, sunt desemnate cu literele grecești alfa, beta și gamma.

Figura 7 – Molecula de ATP este principala sursă de energie a celulei. Ea conține adenină, riboză și trei grupări fosfat.

Nu toate legăturile din molecula de ATP există într-o stare energetică ridicată. Cel mai înalt nivel energetic îl au cele două legături dintre grupările fosfat (legătura dintre grupările fosfat gamma și beta și legătura dintre grupările fosfat beta și alfa), numite legături fosfoanhidridice. Prin rupere, aceste legături eliberează suficientă energie pentru a alimenta numeroase reacții și procese celulare.

Motivul pentru care aceste legături sunt considerate de energie ridicată este faptul că produșii ruperii lor (adenozin difosfatul și gruparea fosfat anorganic) prezintă o energie liberă considerabil mai mică decât reactanții (adenozin trifosfatul și molecula de apă). Deoarece ruperea legăturii fosfoanhidridice se realizează cu ajutorul unei molecule de apă, ea este considerată o reacție de hidroliză. Cu alte cuvinte, ATP-ul este hidrolizat în ADP după următoarea reacție chimică:

ATP + H₂O → ADP + P_i + energie liberă

La fel ca majoritatea reacțiilor chimice, hidroliza ATP-ului în ADP este reversibilă. Reacția inversă regenerează ATP din ADP și P_i. Din moment ce hidroliza ATP-ului eliberează energie, regenerarea ATP-ului necesită energie liberă din exterior. Reacția formării ATP-ului este următoarea:

ADP + P_i + energie liberă → ATP + H₂O

Energia liberă (ΔG) calculată eliberată prin hidroliza unui mol de ATP în ADP și P_i este -7,3 kcal/mol (-30,5 kJ/mol). Deoarece acest calcul este valabil în condiții standard, este de așteptat ca valoarea intracelulară să fie diferită. De fapt, ΔG pentru hidroliza unui mol de ATP într-o celulă este aproape dublă față de condițiile standard: -14 kcal/mol (-57 kJ/mol).

Adenozin trifosfatul este o moleculă foarte instabilă. Dacă nu este utilizat imediat, ATP-ul disociază spontan în ADP și P_i, iar energia liberă eliberată prin acest proces se pierde sub formă de căldură.

Având în vedere cele de mai sus, celula folosește energia eliberată prin hidroliza ATP-ului în funcție de o strategie denumită cuplare energetică (energy coupling). Celulele cuplează reacția exotermă de hidroliză a ATP-ului cu reacțiile endoterme, ceea ce le permite acestora din urmă să se desfășoare.

Un exemplu de cuplare energetică este utilizarea ATP-ului pentru acționarea pompei de ioni transmembranare, una dintre funcțiile celulare extrem de importante. Această pompă de sodiu-potasiu (pompă Na⁺/K⁺) scoate sodiul afară din celulă și introduce potasiul în celulă (Figura 8). Pentru acționarea acestei pompe este utilizată o cantitate însemnată de ATP celular, deoarece procesele celulare introduc mult sodiu și înlătură mult potasiu din celulă. Pompa funcționează constant pentru a stabiliza concentrațiile celulare de sodiu și potasiu; pentru desfășurarea unui ciclu al pompei, adică exportul a trei ioni de sodiu și importul unui ion de potasiu, se hidrolizează o moleculă de ATP.

Atunci când molecula de ATP este hidrolizată, gruparea sa fosfat din poziția gamma nu dispare în celulă, ci este transferată unei proteine din structura pompei de sodiu-potasiu. Acest proces prin care o grupare fosfat se leagă de o moleculă se numește fosforilare. În stare fosforilată, pompa de sodiu-potasiu prezintă mai multă energie liberă și suferă o modificare conformațională. Această modificare îi permite să elibereze sodiul în afara celulei. Apoi pompa leagă potasiul extracelular, fapt care, prin intermediul unei alte modificări conformaționale, face ca gruparea fosfat să se desprindă de pompă, ceea ce duce la eliberarea potasiului în interiorul celulei. În esență, energia eliberată de hidroliza ATP-ului este cuplată cu energia necesară alimentării pompei de sodiu-potasiu.

Figura 8 – Pompa de sodiu-potasiu este un exemplu de cuplare energetică. Energia rezultată din hidroliza ATP-ului este utilizată pentru pomparea ionilor de sodiu și potasiu prin membrana celulară.

Deseori în timpul reacțiilor metabolice, cum sunt sinteza și degradarea nutrienților, anumite molecule trebuie să sufere mici modificări ale conformației pentru a deveni substrat în următoarea etapă a lanțului de reacții chimice. Un exemplu în acest sens sunt chiar primele etape ale respirației celulare, când o moleculă de glucoză este degradată prin procesul de glicoliză. În prima etapă a acestui proces, ATP-ul este necesar pentru fosforilarea glucozei, creându-se un intermediar instabil cu energie ridicată. Această reacție de fosforilare induce o modificare conformațională ce permite glucozei fosforilate să fie convertită în fructoză fosforilată. Fructoza este un intermediar necesar pentru ca glicoliza să continue.

În cazul prezentat mai sus, reacția exotermă de hidroliză a ATP-ului este cuplată cu reacția endotermă de convertire a flucozei în intermediarul fosforilat. Încă o dată, energia eliberată de ruperea legăturii fosfat din ATP a fost utilizată pentru fosforilarea unei alte molecule, creând un intermediar instabil și inducând o modificare conformațională importantă.