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 3: Una fabbrica dentro le cellule

Rubrica: Bioingegneria e Biotecnologie

Titolo o argomento: Macchine meccaniche delle dimensioni di molecole

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Ora iniziamo ad avere una vaga idea di cosa siano i sistemi supramolecolari ma un esempio renderà tutto più semplice. Avete mai sentito la parola enzima? Sono sicuro di sì, almeno in qualche documentario o giornale scientifico di divulgazione per amatori. Ma cosa sono esattamente gli enzimi? Se li avessimo davanti agli occhi, ingranditi nel mondo macroscopico, cosa vedremmo?

In sostanza gli enzimi sono sistemi supramolecolari molto complessi, dei veri e propri “macchinari” posizionati all’interno delle cellule al fine di soddisfare i bisogni delle cellule stesse. Si tratta di veri macchinari fatti di molecole le quali compiono movimenti meccanici sotto l’azione dell’energia chimica (o, come vedremo nei prossimi articoli, dell’energia elettrica o di quella luminosa). Questi movimenti meccanici possono essere semplici, come rotazioni o spostamenti lineari, oppure possono essere complessi e tra loro interconessi al fine di eseguire cambiamenti di forma, sequenze ordinate di movimenti, spostamenti, reazioni, trasformazioni, trasduzioni, scambi, ecc..

Si assolvono così funzioni quali ad esempio:
compiere reazioni chimiche per trasformare delle molecole in altre utili alla vita;
trasportare materiale molecolare;
copiare ed effettuare operazioni di trasduzione del codice genetico nelle proteine;
scambiare informazioni con altre cellule;
compiere movimenti macroscopici (come l’estensione e la contrazione dei tessuti muscolari);
permettere al cervello di pensare.

Tutte conseguenze di movimenti che avvengono a livello molecolare grazie a macchinari composti da mattoncini di molecole che possono interagire tra loro come i macchinari di una grande fabbrica automatizzata.

Pertanto le Macchine Molecolari Naturali (o Bionanomacchine) sono dei macchinari meccanico-chimici più noti con il nome di Enzimi. Un enzima è una proteina con capacità avanzate, nella fattispecie con la capacità di formare un complesso supramolecolare (quindi un macchinario) con una molecola più piccola per poi modificarla (e ricavarne un prodotto finito con precise funzioni richieste dalla cellula).
A sua volta una proteina è un assieme di molecole costituite da catene ripetitive (quindi modulari) di aminoacidi, quest’ultimi possono essere presenti in poche unità fino a migliaia a seconda delle funzioni per le quali vengono assemblati.
Ogni molecola ha la particolarità di contenere al suo interno tutte le informazioni sulle sue caratteristiche (come una sorta di libretto contenente tutte le “specifiche di fabbrica” che permettono di capire, a chi vi si avvicina, cosa tale molecola può fare e come); pertanto ogni molecola ha precise proprietà che possono essere richiamate quando interagisce con altre molecole o quando riceve segnali esterni come quelli elettrici o quelli luminosi.
Al loro incontro le molecole sono in grado di leggere le rispettive informazioni (riconoscimento molecolare) in modo tale da formare all’occorrenza sistemi supramolecolari (composti da due o più molecole), o aggregarsi formando nuove specie o, ancora, ignorarsi laddove non vi sia alcuna utilità.

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;

Animazione

L’immagine riportata in basso è tratta da una sequenza animata che trovi al link riportato di seguito. La spettacolarità di questa animazione sta nel fatto che permette di apprezzare il movimento vibrante delle molecole. Capiremo nei prossimi articoli cosa alimenta questo movimento e come si fa per orientarlo, ad esempio, in maniera similare ad un braccio robotico.

https://www.youtube.com/watch?v=yk14dOOvwMk

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Qualche tempo fa scrissi un articolo che si intitola “Non puoi inventare ciò che non esiste” (vedi in basso i Link correlati). Al suo interno citavo alcuni esempi di cose che l’uomo crede di aver inventato e che in realtà ha solo scoperto. L’obiettivo era quello di comunicare che l’Uomo si ispira a ciò che trova e osserva in Natura per le sue “invenzioni” (o scoperte).

Tra gli esempi esposti ne mancava uno che è a dir poco sbalorditivo: le Macchine Meccaniche di scala “nanometrica” presenti in Natura. Nanometrico significa di dimensioni dell’ordine del Nanometro, il Nanometro altro non è che la milionesima parte del millimetro o, se preferite, la miliardesima parte del metro. Questo significa che potete prendere tra le mani un righello, osservare un singolo millimetro e immaginare di dividerlo 1 milione di volte per arrivare alle dimensioni di queste strabilianti Macchine Meccaniche Naturali dette Macchine Molecolari.

Se ora vi sentite un po’ interdetti sappiate che la risposta è Sì, stiamo parlando di veri e propri macchinari, delle dimensioni di gruppi di molecole, che svolgono funzioni del tutto simili a quelle che l’Uomo ripropone (inconsapevolmente) nelle sue fabbriche a partire dalla Rivoluzione industriale e che sono contenute in piante e animali, quindi anche dentro di voi.

Esse svolgono funzioni quali ad esempio trasportare molecole ingerite con il cibo o con il respiro, estrarre da tali molecole l’energia necessaria per permettere i movimenti, convertire le molecole che poi generano la struttura ed i tessuti di un organismo, riparare danni… passando per attività strabilianti come la sintesi dell’ATP (che vedremo nel dettaglio più avanti) mediante veri e propri motori elettrici nanometrici (dotati quindi di statore e rotore) alimentati da ioni a idrogeno (spesso erroneamente definiti motori a protoni), fino alla gestione dei sensi, delle sinapsi, del pensiero, possibili grazie a veri e propri interruttori molecolari che si attivano e si disattivano, ad esempio nella retina, per poter riconoscere le lettere che compongono anche le parole di questo articolo.

L’intero funzionamento del corpo umano, così come quello delle piante (che, come vedremo in uno dei prossimi articoli, gli scienziati hanno dimostrato dispongono di capacità decisamente superiori rispetto a quanto siamo soliti immaginare…), è orchestrato da congegni molecolari capaci di lavorare con elevata efficienza, rapidità e precisione i quali moltissimo hanno in comune con i nostri motori elettrici, con gli attuatori presenti nelle fabbriche automatizzate, con i microinterruttori presenti nei processori e, addirittura, con gli strumenti presenti nei nostri laboratori. Ora l’Uomo comincia persino ad imparare a riprodurre artificialmente queste Macchine Molecolari per impieghi nei campi della Bioingegneria e della Biotecnologia, si parla in questo caso di Macchine Molecolari Artificiali di cui vedremo esempi sorprendenti.

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;

Immagine

Nell’immagine è rappresentato un Motore Molecolare Naturale, il suo funzionamento è molto simile a quello dei nostri motori elettrici; ne sono presenti una moltitudine “installati” nei nostri Mitocondri, ovvero all’interno di ciò che potremmo definire la “centrale energetica” delle nostre cellule. Grazie a questi Motori Molecolari Naturali viene prodotta energia sotto forma di ATP (Adenosina Trifosfato) di primaria importanza per il nostro organismo perché necessaria per svolgere qualsiasi tipo di lavoro biologico. Ne vedremo il funzionamento in dettaglio nei prossimi articoli.

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