Termodinamica dei composti contenenti fosfato

I processi endoergonici responsabili del mantenimento dello stato vivente sono favoriti dalle reazioni esoergoniche di ossidazione delle sostanze nutrienti. Questo accoppiamento è molto spesso mediato dalla sintesi di alcuni tipi di intermedi ad “alta energia” il cui consumo esoergonico guida i processi endoergonici. Uno di questi intermedi è l'adenosina trifosfato (ATP). Questa è costituita da un gruppo adenosina a cui sono legati sequenzialmente tre gruppi fosforici (-PO32-) mediante un legame fosfodiestere che è seguito da due legami fosfoanidrinici. L'adenosina difosfato (ADP) e il 5'-adenosina monofosfato (AMP) sono chimicamente simili all'ATP, ma contengono rispettivamente soltanto due gruppi fosforici ed un gruppo fosforico.
REAZIONI DI TRASFERIMENTO DEL GRUPPO FOSFORICO
Le reazioni di trasferimento del gruppo fosforico:
R1—O—PO32- + R2—OH <--> R1—OH + R2—O—PO32-
sono molto rilevanti per il metabolismo generale. Alcune delle reazioni di questo tipo più importanti da questo punto di vista sono la sintesi e l'idrolisi dell'ATP:
ATP + H2O <--> ADP + Pi
ATP + H2O <-->  AMP+PPi
dove Pi e PPi rappresentano rispettivamente l'ortofosfato (PO32-) e il pirofosfato (P2O74-).
Queste reazioni altamente esoergoniche sono accoppiate a numerosi processi biochimici endoergonici per guidarli a compimento. L'ATP viene poi rigenerato accoppiando la sua sintesi a un processo ancora più esoergonico. Per meglio illustrare questi concetti prendiamo in considerazione la tappa iniziale del metabolismo del glucosio che è la sua conversione in glucosio-6-fosfato. La reazione diretta del glucosio con Pi è termodinamicamente sfavorita. Nei sistemi biologici però questa reazione è accoppiata all'idrolisi esoergonica dell'ATP in modo tale che la reazione complessiva risulti termodinamicamente possibili. L'ATP può, a sua volta, essere sintetizzato a partire da ADP e Pi mediante l'idrolisi più esoergonica del fosfoenolpiruvato. I valori negativi del ΔG di idrolisi vengono spesso indicati come potenziale di trasferimento del gruppo fosforico, che è una misura della tendenza dei composti fosforilati a trasferire i loro gruppi fosforici all'acqua. Il ΔG di una reazione varia a seconda della concentrazione totale dei suoi reattanti e dei suoi prodotti, del pH, della concentrazione di ioni metallici bivalenti (gli ioni metallici bivalenti come Mg+ hanno un'elevata affinità di legame ai gruppi fosforici) e dalla forza ionica.
I legami la cui idrolisi procede con valori di ΔG profondamente negativi vengono spesso chiamati legami ad alta energia e sono spesso indicati con il simbolo (~). Quindi l'ATP può essere rappresentato come AR—P~P~P, dove A è l'adenina, R il ribosio e P i vari gruppo fosforici.
ALTRI COMPOSTI AD ALTA ENERGIA
L'idrolisi di acil fosfati (anidridi miste fosforicocarbossiliche), come ad esempio l'acetil fosfato e l'1,3-bisfosfoglicerato, è favorita dalle stesse influenze di competizione per risonanza e dalla diversa solvatazione che operano nell'idrolisi delle fosfoanidridi (ATP).
L'elevato potenziale di trasferimento del gruppo fosforico degli enol fosfati come il fosfoenolpiruvato deriva dal fatto che i loro prodotti di idrolisi enolico è meno stabile della forma tautomerica chetonica. La conversione altamente esoergonica della forma enolica nella forma chetonica è quindi quella reazione responsabile dell'impeto termodinamico aggiuntivo che consenta al fosfoenolpiruvato di fosforilare l'ADP e formare ATP (l'idrolisi del fosfoenolpiruvato viene divisa in due tappe, l'idrolisi e la tautomerizzazione, vedi dopo).
L'alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico delle fosfoguanine, come la fosfocreatina e la fosfoarginina, deriva in gran parte dalla competizione per risonanza nel loro gruppo guaninico, che è molto più pronunciato in questi composti che nelle fosfoanidridi. Di conseguenza la fosfocreatina può fosforilare l'ADP. Invece, i composti come il glucosio-6-fosfato oppure il glicerolo-3-fosfato, non hanno una stabilizzazione per risonanza oppure una separazione di carica significativamente diverse da quelle dei loro prodotti di idrolisi. Per questo le loro energie libere di idrolisi sono quindi più basse di quelle dei cosiddetti composti ad alta energia.
ACETIL FOSFATO – 1,3-BISFOSFOGLICERATO
IL RUOLO DELL'ATP
In generale, le reazioni di trasferimento di gruppo fosforico altamente esoergoniche che hanno luogo durante la degradazione delle sostanze nutrienti sono accoppiate alla formazione di ATP a partire da ADP e Pi catalizzata da una serie di enzimi noti con il nome di chinasi. L'ATP viene consumato in molti modi diversi:
Tappe iniziali della demolizione delle sostanze nutrienti. L'idrolisi esoergonica dell'ATP ad ADP può essere accoppiata enzimaticamente a una reazione endoergonica di fosforilazione per formare un composto fosforilato a “bassa energia”. Un esempio di tutto questo è la fosforilazione, catalizzata dalla fosfofruttochinasi del fruttosio-6-fosfato per generare il fruttosio-1,6-bisfosfato.
Interconversione dei nucleosidi trifosfato. Molti processi biosintetici, come la sintesi delle proteine e degli acidi nucleici, richiedono anche nucleosidi trifosfato diversi dall'ATP. Per esempio nella biosintesi del RNA sono necessari, oltre all'ATP, anche i ribonucleosidi trifosfato CTP, GTP e UTP, mentre i deossiribonucleosidi trifosfato dATP, dCTP, dGTP e dTTP sono invece precursori del DNA. Tutti questi nucleosidi trifosfato (NTP) vengono sintetizzati dall'ATP e dai corrispondenti nucleosidi difosfato(NDP) in una reazione catalizzata da un enzima non specifico chiamato nucleoside difosfato chinasi:
ATP + NDP <--> ADP + NTP
Processi fisiologici. L'idrolisi di ATP ad ADP e Pi produce l'energia essenziale per i processi fisiologici endoergonici come la contrazione del muscolo e il trasporto di molecole e ioni attraverso la membrana contro un gradiente di concentrazione.
Altri tipi di rottura delle fosfoanidridi nelle reazioni altamente endoergoniche. In molte delle reazioni a cui partecipa l'ATP si ha la formazione di ADP e Pi (rottura ortofosforica), in altre si ha la formazione di AMP e PPi (rottura pirofosforica). In quest'ultimo caso, il PPi si idrolizza rapidamente a 2Pi ad opera della pirofosfatasi inorganica; quindi, nella rottura pirofosforica si ha l'idrolisi di due legami fosfoanidridici ad “alta energia”. La prima tappa dell'ossidazione degli acidi grassi è un esempio di questo tipo di reazione.