Macchine Molecolari Naturali, Parte 5: L’energia chimica

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

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Al fine di facilitare la comprensione dei fondamentali aspetti energetici legati alle macchine molecolari naturali, può tornar utile introdurre (in via del tutto semplificata) concetti cardine quali: ATP, ADP, idrolisi dell’ATP, sintesi dell’ATP, reazione esoergonica ed endoergonica, respirazione cellulare. Ciò semplificherà molto la comprensione dei meccanismi che hanno luogo nelle macchine molecolari naturali quando l’energia viene accumulata e quando viene ceduta. Per i dovuti approfondimenti, invece, si rimanda alle fonti citate al termine di ognuno degli articoli di questa caratteristica rubrica. A tal proposito i nostri ringraziamenti vanno ad Alberto Credi e Vincenzo Balsani per aver condiviso liberamente/gratuitamente pubblicazioni che, a mio avviso, sono a dir poco spettacolari (maggiori info su “1088press.it” l’editoria in open access dell’Università di Bologna).

Che cos’è l’ATP?

ATP sta per Adenosina Trifosfato, si tratta di una molecola centrale nel metabolismo energetico di ogni cellula che costituisce il nostro organismo. L’ATP è costituita da: adenina (che è una base azotata), ribosio (che è uno zucchero pentoso, ovvero costituito da 5 atomi di carbonio) e da 3 gruppi fosfato collegati in serie con il ribosio. I legami dei gruppi fosfato sono particolarmente ricchi di energia, vengono infatti detti legami altamente energetici. Questa energia, al momento della separazione di 1 gruppo fosfato (P), viene rilasciata e, per ogni mole di ATP, si ottengono circa 7,3 Kcal. Solitamente l’energia viene ricavata per rottura di un solo legame fosfato ottenendo così ADP (Adenosina Difosfato), un fosfato (P) e l’energia appena citata. In caso di necessità, però, è possibile rompere anche il legame del secondo fosfato (ma è un caso che non prenderemo in considerazione in questo breve trattato per ragioni di semplicità). La rottura di un legame fosfato dell’ATP, che avviene per idrolisi, produce quindi ADP + P con emissione di Energia.

Image’s copyright: 1088press, Alberto Credi, Vincenzo Balsani

Che cos’è l’ADP?

L’ADP, Adenosina Difosfato, è costituita (ovviamente) da: adenina (base azotata), ribosio (zucchero pentoso) e 2 gruppi fosfato. Qualora vi sia una particolare richiesta energetica, la rottura del legame di un ulteriore gruppo fosfato, trasformerebbe l’ADP in AMP ovvero Adenosina Monofosfato. Per comprendere meglio cosa siano e che ruoli abbiano l’ATP e l’ADP passiamo ai paragrafi successivi sull’idrolisi dell’ATP e sulla sintesi dell’ATP.

Che cos’è l’idrolisi dell’ATP?

L’idrolisi dell’ATP è una reazione che libera energia necessaria al funzionamento delle nanomacchine biologiche (o macchine molecolari naturali). L’energia viene liberata in seguito alla rottura di un legame fosfato dalla molecola di ATP per idrolisi. La rottura di un legame fosfato avviene per idrolisi ovvero la reazione chimica di scissione è possibile grazie all’intervento dell’acqua. Tale reazione produce ADP + P + Energia. Le reazioni che, come questa, emettono energia sono dette reazioni esoergoniche.

ATP → ADP + P + Energia da utilizzare per le funzioni metaboliche

Che cos’è la sintesi dell’ATP?

Quando otteniamo energia tramite l’idrolisi dell’ATP, otteniamo anche delle sostanze di scarto che non sono utili al buon funzionamento della macchina molecolare. La Natura, grazie all’azione del metabolismo e di un enzima detto ATP sintasi (o ATPasi), ricicla e riutilizza l’ADP e il fosfato libero P per produrre nuova ATP (processo rinnovabile). Il compito dell’enzima ATPasi è quello di catalizzare la reazione tra ADP e il fosfato libero P. Questa reazione si dice endoergonica perchè incamera energia (che in questo caso sarà utile ai processi cellulari) proveniente dalla respirazione cellulare. L’ATP sintasi è in realtà un assieme costituito da un enzima, due motori molecolari ed una pompa ionica. Immaginavate ci fosse tutta questa “Meccanica” nelle cellule del vostro corpo?

ADP + P + Energia dalla respirazione cellulare → ATP (reazione endoergonica)

Che cos’è la respirazione cellulare?

C6 H12 O6 (glucosio) + 6O2 → 6CO2 + 6H2O e rilascio di Energia.

Il glucosio reagisce con 6 molecole di ossigeno e restituisce 6 molecole di anidride carbonica, 6 molecole di acqua con emissione di energia. Tale energia serve per trasformare l’ADP in ATP grazie all’addizione di un gruppo fosfato; questo lavoro viene compiuto dall’ATPasi, l’enzima di cui sopra.
Quindi dal binomio cibo + ossigeno ricaviamo energia che serve per formare, indirettamente, molecole di ATP. Indirettamente in quanto la respirazione cellulare non provvede a fornire in maniera diretta l’energia per le funzioni metaboliche ma la fornisce al “macchinario” che se ne occuperà. Nel momento in cui il nostro corpo ha bisogno di energia procede di nuovo alla rottura del legame fosfato e la molecola di ATP torna ad ADP + P + Energia, come in una sorta di accumulatore.

Curiosità

La quantità di ATP accumulata in ogni cellula è molto limitata e può sostenere l’attività metabolica solamente per una frazione di minuto. Ciò implica la necessità di una continua risintetizzazione che converta ADP in ATP al fine di soddisfare i fabbisogni energetici cellulari.

Ogni conversione di energia potenziale è soggetta a perdite, in questo caso non più della metà dell’energia chimica disponibile può essere utilizzata per formare ATP.

Sia le macchine ma­croscopiche (ad esempio il motore a combustione interna detto anche motore endotermico o, ancora, motore a scoppio) che quelle nanometriche funzionano ossidando un com­bustibile e producendo scarti. Quello che cambia fortemente sono principalmente le temperature e le pressioni in gioco nonché le conseguenze della fisica alla scala nanometrica rispetto a quelle del mondo macroscopico (vedi in basso i link correlati).

Movimenti molecolari ordinati

Abbiamo visto nell’articolo precedente “Macchine Molecolari Naturali, parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica” (vedi in basso i link correlati) che per ottenere movimenti molecolari ordinati la Natura sfrutta magistralmente la combinazione di due energie: quella del moto browniano come energia intensa di spinta (quella che nel mondo macroscopico permetterebbe ad un braccio meccanico di sollevare un pesante carico) e quella molto più modesta (ma strategica) dell’ATP fondamentale per “orientare le scosse di terremoto browniane” affinché il movimento nella direzione desiderata, ovvero quella utile a compiere il lavoro richiesto, ad esempio la contrazione di un muscolo, diventi più probabile nel “sisma”.

Pertanto quando funzioni, come ad esempio il battito cardiaco, richiedono la contrazione di tessuti, tale contrazione avverrà letteralmente ad opera di piccolissimi macchinari naturali di dimensioni nanometriche i cui pezzi meccanici costituenti sono vere e proprie molecole (vedremo nello specifico i movimenti lineari, rotatori e di trasformazione nel seguito di questa rubrica).

Nel mondo macroscopico una ruspa aziona i suoi sistemi di spinta oleodinamici grazie all’energia fornita dal motore a combustione interna. Questo funziona a sua volta mediante l’opportuna miscela di una sostanza ad elevato contenuto energetico, il combustibile (idrocarburi), nel comburente (aria). La combustione avviene a temperature e pressioni elevate ma simili condizioni non possono essere adottate all’interno delle macchine molecolari. Quest’ultime infatti operano a temperatura ambiente costante.
Nel suo celebre discorso del 1959, Feyn­man fece osservare: «Un motore a combustione interna di dimensioni molecolari è impossibile. Possono però essere utilizzate reazioni chimiche che liberano energia ‘a freddo’». Ed è proprio quel che accade nelle macchine molecolari naturali in cui le reazioni, che liberano l’energia utile al loro funzionamento (l’idrolisi dell’ATP), avvengono a temperatura e pressione ambiente secondo una moltitudine di stadi successivi che coinvolgono ognuno una piccola quantità di energia.

Continua…

Fonti
Alberto Credi, Vincenzo Balsani, Le macchine molecolari. 1088 press, 2018;
Alberto Credi, professore ordinario di chimica all’Università di Bologna e
ricercatore associato al Consiglio Nazionale delle Ricerche;
Vincenzo Balzani, professore emerito presso l’Università di Bologna.
Grande Dizionario Enciclopedico, UTET;
UTET Scienze Mediche;
Fondamenti di Chimica, UTET;

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Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica
Macchine Molecolari Naturali, Parte 5: L’energia chimica

Image’s copyright: 1088press, Alberto Credi, Vincenzo Balsani

Illustrazione schematica dell’enzima ATP sintasi che presiede alla sintesi dell’adenosintrifosfato (ATP) a partire da adenosindifosfato, ADP, e fosfato inorganico (Pi). Questo enzima, di dimensioni intorno a 10 nm, è costituito da due motori molecolari rotanti, FO e F1, accoppiati fra loro (a). Nel funzionamento normale dell’enzima, una diversa concentrazione di ioni idrogeno ai due lati della membrana cellulare provoca un flusso degli stessi ioni attraverso l’unità C. Tale flusso mette in moto di rotazione l’unità C come se fosse un mulino. La camma γ, solidale con C, preme in successione sulle unità catalitiche α e β di F1, provocando la formazione dell’ATP a partire dagli ingredienti ADP e fosfato. La vista da sopra dell’enzima (b) evidenzia come la camma γ, ruotando, deforma in sequenza i tre siti in cui avviene la sintesi dell’ATP.

Macchine Molecolari Naturali, Parte 4: Conseguenze della fisica alla scala nanometrica

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

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Prima di passare ad una descrizione più dettagliata dei movimenti (lineari, rotatori, di trasformazione…) delle Macchine Molecolari Naturali, occorre fermare un momento l’attenzione su alcuni aspetti di carattere fisico ed energetico che renderanno un po’ più intuitivo l’inimmaginabile. Cosa accade alla Fisica quando si raggiunge la scala nanometrica, cambia?
Non esattamente. Infatti, se le leggi fisiche che regolano la materia rimangono esattamente le stesse, a cambiare sono invece le conseguenze pratiche che si verificano (su ciò che osserviamo) a mano a mano che cambiamo scala. Sono quindi le conseguenze, che precise leggi fisiche hanno, a dipendere fortemente dalla scala dimensionale alla quale ci troviamo. Subito alcuni rapidi chiarimenti.

Nel mondo macroscopico siamo soliti notare gli effetti che “gravità” e “inerzia” hanno sugli oggetti che maneggiamo continuamente; ebbene, nel mondo nanometrico, dove la massa delle molecole è estremamente piccola, questi effetti diventano trascurabili. Viceversa le interazioni intermolecolari, che nel mondo macroscopico sono irrilevanti, diventano di primaria importanza nel mondo nanometrico. Per meglio comprendere basti pensare ai gechi. Le loro zampe sono in grado di aderire in maniera strabiliante ad una grande varietà di superfici. Questo non è dovuto a ventose o liquidi, bensì, molto più semplicemente, a interazioni elettromagnetiche che hanno luogo tra le rugosità delle superfici calpestate e la formidabile conformazione del tessuto presente sotto le loro zampe. Questo tessuto è dotato di “migliaia di setole per millimetro quadrato” le quali, a loro volta, sono costituite da filamenti ancora più piccoli, le fibrille, il cui diametro è di appena 1,5 micron (pressappoco un diametro 50 volte inferiore a quello di un capello).

Un simile “trucco” della Natura offre un tornaconto non da poco: una grande area di contatto, ricavata tra le rugosità (anche minime) delle superfici toccate, che sfrutta per l’adesione interazioni elettromagnetiche conosciute con il nome di Forze di Van der Waals.

Ma le differenze non finiscono qui. Il calore, ad esempio, a livello nanometrico fluisce molto più rapidamente e, ancora, nel mondo macroscopico un tornio, un robot, un motore a combustione interna possiedono due caratteristiche che scompaiono nelle macchine molecolari del mondo nanometrico: sono dotati di corpo rigido ed il loro funzionamento avviene in presenza anche di forti differenze di temperatura con l’ambiente in cui operano.
Ne sono un tipico esempio il pesante basamento di un tornio entro il quale sono rigidamente vincolati i movimenti del mandrino, della trasmissione o della torretta portautensili, così come la distribuzione, il manovellismo e la trasmissione dei motori a combustione interna. Sistemi dotati di organi che si muovono in moto rotatorio, alterno, o combinato, rigidamente vincolati (tra basamenti, monoblocchi, testate…) affinché possano svolgere il loro compito correttamente. Al contrario le macchine molecolari sono formate da parti estremamente flessibili che operano a temperatura costante, ovvero quella dell’ambiente in cui si trovano. Ma non solo…

Il moto browniano

E’ affascinante osservare come le macchine molecolari naturali siano perennemente sottoposte ad un moto disordinato delle molecole, il moto browniano (da Robert Brown, botanico scozzese, che lo scoprì ai primi dell’800). Gli effetti del moto browniano sono irrilevanti nei movimenti che osserviamo nel mondo macroscopico ma diventano considerevoli se ci portiamo alla scala nanometrica.

In quest’ultimo punto risiede una delle principali chiavi di comprensione del movimento meccanico delle Macchine Molecolari Naturali. Le molecole di un liquido (ricordiamo che ci troviamo dentro le cellule che potremmo, in questo momento e con estrema cautela, definire delle sacchette d’acqua) sono sottoposte ad un moto, incessante e disordinato, a zig-zag, che, come abbiamo introdotto, prende il nome di moto browniano.
Esso è la manifestazione diretta del movimento termico delle molecole del liquido. A livello nanometrico il moto browniano delle molecole è immaginabile come una sorta di terremoto che aumenta all’aumentare della temperatura e che può essere arrestato solo allo zero assoluto (-273,15°C). In questo sisma è molto difficile per una Macchina Molecolare Naturale eseguire un preciso movimento analogo ad esempio a quello di un braccio meccanico che si estende, raccoglie qualcosa e si contrae.
Per riuscirci la Natura adotta un geniale stratagemma sfruttando una intelligente combinazione di energie: quella del moto browniano come energia intensa di spinta (quella che nel mondo macroscopico permetterebbe ad un braccio meccanico di sollevare un pesante carico) e quella dell’ATP* (Adenosina Trifosfato ovvero il composto energetico richiesto dalla quasi totalità delle reazioni metaboliche endoergoniche) come energia che, seppur a confronto modestissima, è importante per “orientare le scosse di terremoto” affinché il movimento nella direzione desiderata, ovvero quella utile a compiere il lavoro richiesto, diventi più probabile nel “sisma”.

*Grossolanamente potremmo dire che l’ATP è l’energia che alimenta il metabolismo (delle cellule) ovvero che alimenta il complesso di reazioni biochimiche di sintesi ( anabolismo ) e di degradazione ( catabolismo ), che si svolgono in ogni organismo vivente e che ne determinano l’accrescimento, il rinnovamento, il mantenimento.

Così è facile comprendere come le macchine molecolari naturali, sebbene ruotino, scorrano e si trasformino (in senso lato) come i complessi macchinari di una fabbrica a dimensione d’uomo, non ne rappresentano (in senso stretto) una versione ridotta in scala. Questo proprio perché bisogna confrontarsi con il cambiamento delle proprietà e del comportamento della materia una volta raggiunta la scala nanometrica.

Continua…

Fonti
Alberto Credi, Vincenzo Balsani, Le macchine molecolari. 1088 press, 2018;
Alberto Credi, professore ordinario di chimica all’Università di Bologna e
ricercatore associato al Consiglio Nazionale delle Ricerche;
Vincenzo Balzani, professore emerito presso l’Università di Bologna.
Grande Dizionario Enciclopedico, UTET;
UTET Scienze Mediche;
Fondamenti di Chimica, UTET;

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