Il ciclo ATP-ADP, un efficace strumento di raccordo: quando la chimica-fisica e la chimica biologica si sovrappongono

Le reazioni chimiche mantengono in vita la vita. 

Nell’organismo umano avvengono un numero enorme di reazioni: milioni di molecole presenti nelle nostre cellule si trasformano in altre molecole: alcune più grandi si scindono in frammenti più piccoli; altre, più piccole si uniscono a formare molecole più grandi.

Oltre a queste reazioni di demolizione e di sintesi, altre reazioni permettono di legare, trasportare e cedere ossigeno o di far passare determinate sostanze all’interno delle cellule e viceversa. Questa incessante attività chimica di un organismo vivente è denominata metabolismo. Un sistema vivente può conseguire tale risultato solo mediante un costante approvvigionamento di energia dall’ambiente esterno. 

Il metabolismo è costituito, infatti, dall’insieme di reazioni chimiche, quasi tutte catalizzate da enzimi, che avvengono nell’organismo vivente. Ciascuna sostanza che partecipa a una delle reazioni del metabolismo prende il nome di metabolita.

Uno degli obiettivi più importanti delle reazioni che avvengono nell’organismo è quello di mantenere intatto l’alto livello di organizzazione delle sue strutture, contrastando la naturale tendenza verso il massimo disordine (secondo principio della termodinamica)

Nell’affrontare gli aspetti energetici delle reazioni chimiche che si svolgono nei sistemi viventi il chimico ricorre a grandezze termodinamiche: ricordiamo che la variazione di energia libera associata a una reazione può essere determinata dall’equazione:

ΔG = ΔH – TΔS

Ricordiamo inoltre che:

–         Se ΔG < 0 la reazione è spontanea; viene definita esoergonica e in genere libera energia

–         Se ΔG › 0 le reazione non è spontanea; viene definita endoergonica e in genere assorbe energia

–         Se ΔG = 0 la reazione è all’equilibrio: non sviluppa né assorbe energia

Le reazioni esoergoniche sono rappresentate dalle reazioni di ossidazione in cui da macromolecole biologiche, mediante sottrazione di idrogeno ed elettroni, si ottengono molecole più semplici, per esempio CO2, H2O, N2. Viceversa, le reazioni endoergoniche sono rappresentate dalle reazioni di riduzione in cui, a partire la molecole più semplici (CO2, H2O, N2) si ottengono le macromolecole biologiche.

Poiché le reazioni endoergoniche non sono spontanee, ma è necessario che avvengono nel nostro organismo, quest’ultimo, durante il lungo periodo della sua storia evolutiva, ha acquisito la capacità straordinaria di ottenere dei prodotti anche dalle reazioni endoergoniche, come la sintesi delle proteine, mediante l’ingegnoso sistema delle reazioni accoppiate.

In tali reazioni, l’energia liberata da una reazione spontanea viene sfruttata per modificare i reagenti di una reazione endoergonica, in modo che quest’ultima avvenga spontaneamente.

Affinché lo “ stratagemma” delle reazioni accoppiate funzioni, occorre che:

1)       Le reazioni avvengano simultaneamente

2)     La reazione spontanea sia sufficientemente esoergonica affinché il valore negativo del suo ΔG prevalga sul valore positivo del ΔG della reazione endoergonica

3)     Le reazioni abbiano una o più sostanze in comune.

Consideriamo ad esempio le due seguenti reazioni generiche:

G + P ⇌ GP + B                ΔG = + 20 Kj/mol

TP + B ⇌ T + P                 ΔG = – 32 Kj/mol

L’organismo vivente non potrebbe procurarsi la sostanza GP attraverso la prima reazione, perché è endoergonica, ma se accoppiamo le due reazioni che hanno in comune la sostanza B e P, si ottiene la sostanza GP. Infatti è possibile sommare tutti i termini delle due reazioni chimiche; reagenti, prodotti e rispettivi fattori energetici. Si otterrà una nuova equazione caratterizzata da un valore negativo di ΔG:

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Author: Chimicamo

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