Enzimi chiamati chinasi catalizzano il trasferimento di gruppi fosforici a molecole organiche. La fonte del gruppo fosforilico nella maggior parte delle reazioni di fosforilazione è una molecola chiamata adenosina trifosfato, abbreviato ATP.
Nota che ci sono essenzialmente tre parti nella molecola: una base nucleosidica adenina, uno zucchero a cinque carati (ribosio), e un gruppo trifosfato. I tre fosfati sono designati dalle lettere greche a, b, e g. Anche il difosfato di adenosina (ADP) e il monofosfato di adenosina (AMP) sono attori importanti nelle reazioni di questo capitolo.
Vedrai ATP, ADP, e AMP abbreviati in molti modi diversi in questo testo e in tutta la letteratura biochimica. Per esempio, le tre strutture qui sotto sono tutte rappresentazioni abbreviate di ATP:
L’esercizio seguente ti darà un po’ di pratica nel riconoscere le diverse abbreviazioni per le molecole biologiche che contengono gruppi fosfato.
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Esercizio 10.2: Qui sotto ci sono diverse rappresentazioni, etichettate A-S, di molecole che contengono gruppi fosforilici. Sono usate diverse abbreviazioni. Disponi A-S in gruppi di disegni che rappresentano la stessa molecola, usando abbreviazioni diverse (o nessuna abbreviazione).
Quando si parla di energia di una molecola di ATP che viene “spesa”, si intende che un gruppo fosforilico viene trasferito dall’ATP a qualche altra molecola accettore, rendendo la molecola accettore più reattiva. Per esempio, in molte reazioni di trasferimento del fosforile (come la fosforilazione del glucosio, che abbiamo usato come esempio nella sezione 10.1D) il fosfato gamma (γ) dell’ATP viene trasferito a un accettore organico, rilasciando ADP.
In altre reazioni, la base, il ribosio, e il fosfato alfa vengono trasferiti alla molecola organica per formare un addotto organico-AMP, mentre il pirofosfato inorganico (PPi) viene rilasciato.
Occasione, i gruppi fosfato beta e gamma sono trasferiti insieme, con il rilascio di AMP.
In tutte queste reazioni, una molecola organica relativamente stabile viene trasformata in un prodotto fosforilato ad alta energia. Questo prodotto attivato può poi continuare a reagire in modi che la sua controparte più stabile e non fosforilata non potrebbe – i gruppi fosforilici, come sappiamo, sono gruppi di partenza molto migliori nelle reazioni di sostituzione nucleofila rispetto al gruppo idrossile degli alcoli. Anche se la conversione di un composto di partenza a bassa energia in un prodotto a più alta energia è, di per sé, un processo termodinamicamente in salita, la reazione complessiva di trasferimento del fosforile è termodinamicamente in discesa, perché la conversione di ATP in ADP o AMP – la rottura di un legame fosfato-anidride – libera una grande quantità di energia. In altre parole, l’energia immagazzinata nel legame fosfato-anidride dell’ATP è stata “spesa” per creare una molecola attivata (a più alta energia). Quando l’AMP o l’ADP viene riconvertito in ATP, è necessaria l’energia delle molecole di combustibile (o della luce solare) per riformare il legame di anidride ad alta energia (questo processo è oggetto di discussione più avanti in questa sezione)
La spiegazione del perché i legami di anidride fosfato nell’ATP siano così energetici risiede principalmente nel concetto di separazione di carica. Ricordiamo dalla sezione 10.1 che l’ATP, al pH fisiologico di ~7, è quasi completamente ionizzato con una carica totale vicina a -4. Quando uno dei due legami anidri è rotto, le cariche negative sui gruppi fosfato sono in grado di separarsi, eliminando parte della repulsione della stessa carica che esisteva nell’ATP. Un modo per immaginare questo è come una bobina che si apre.
Un altro motivo ha a che fare con l’energia di solvatazione dell’acqua. Quando il fosfato gamma dell’ATP viene trasferito a un alcool, per esempio, le molecole d’acqua circostanti sono in grado di formare più interazioni di legame a idrogeno con i prodotti (ADP e il fosfato organico) di quanto fosse possibile con l’ATP e l’alcool. Queste ulteriori interazioni di solvatazione stabilizzano i prodotti della reazione di fosforilazione rispetto ai composti di partenza.
Imparerai di più sul ruolo termodinamico dell’ATP nei percorsi metabolici se seguirai un corso di biochimica – ciò che è più importante capire a questo punto è che, a causa dell’energia immagazzinata nei suoi legami fosfato anidride, l’ATP è un potente donatore di gruppi fosforilici, e viene usato come tale in molte importanti reazioni biochimiche. Alcuni esempi sono discussi nel resto di questa sezione.