La chimica spiega come gli esseri viventi sono arrivati ad usare l’ATP per trasportare ed accumulare energia

Come mai gli esseri viventi utilizzano l'ATP come valuta universale? A darci qualche informazione al riguardo potrebbe essere la chimica ancestrale

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La paleochimica ci spiega per gli esseri viventi usano l'ATP per trasportare ed accumulare energia
La paleochimica ci spiega per gli esseri viventi usano l'ATP per trasportare ed accumulare energia

Come mai gli esseri viventi utilizzano l’ATP come valuta universale? A darci qualche informazione potrebbe essere la chimica antica. Un semplice composto a due atomi di carbonio potrebbe essere stato un attore cruciale nell’evoluzione del metabolismo prima dell’avvento delle cellule, secondo un nuovo studio pubblicato il 4 ottobre sulla rivista ad accesso aperto PLOS Biology, da Nick Lane e i suoi colleghi dell’University College di Londra. La scoperta potenzialmente fa luce sulle prime fasi della biochimica prebiotica e suggerisce come l’ATP sia diventato il vettore energetico universale di tutta la vita cellulare oggi.

Che cos’è l’ATP e a cosa serve

L’ ATP, adenosina trifosfato, è usato da tutte le cellule come intermedio energetico. Durante la respirazione cellulare, l’energia viene catturata quando un fosfato viene aggiunto all’ADP (adenosina difosfato) per generare ATP; la scissione di quel fosfato rilascia energia per alimentare la maggior parte dei tipi di funzioni cellulari.

C’è un però: costruire da zero la complessa struttura chimica dell’ATP è ad alta intensità energetica e richiede sei fasi separate guidate dall’ATP. Modelli convincenti consentono la formazione prebiotica dello scheletro di ATP senza energia dall’ATP già formato e suggeriscono, inoltre, che l’ATP fosse in origine probabilmente piuttosto scarso. Di conseguenza qualche altro composto potrebbe aver svolto un ruolo centrale nella conversione dell’ADP in ATP in questa fase di evoluzione.

Il candidato più valido secondo gli esperti

Il candidato più probabile, secondo Nick Lane e gli altri studiosi che hanno partecipato alla ricerca, era il composto a due atomi di carbonio acetilfosfato (AcP), che oggi funziona sia nei batteri che negli archaea come intermedio metabolico. È stato dimostrato che AcP fosforila l’ADP in ATP in acqua in presenza di ioni ferro, ma dopo quella dimostrazione sono rimaste una serie di domande, incluso anche il fatto se piccole molecole possano funzionare altrettanto, se AcP è specifico per l’ADP o invece possano essere compatibili con difosfati di altri nucleosidi (come guanosina o citosina) e se il ferro sia unico nella sua capacità di catalizzare la fosforilazione dell’ADP in acqua.

Nel loro nuovo studio, gli autori hanno analizzato tutte queste domande. Basandosi su dati e ipotesi sulle condizioni chimiche della Terra prima della nascita della vita, hanno testato la capacità di altri ioni e minerali di catalizzare la formazione di ATP nell’acqua; nessuno era efficace quasi quanto il ferro. Successivamente, hanno testato un pannello di altre piccole molecole organiche per la loro capacità di fosforilare l’ADP; nessuno era efficace come AcP e solo un altro (carbamoilfosfato) aveva un’attività significativa. Infine, hanno dimostrato che nessuno degli altri difosfati nucleosidici accettava un fosfato da AcP.

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La spiegazione degli autori

Combinando questi risultati con la modellazione molecolare-dinamica, gli autori propongono una spiegazione meccanicistica per la specificità della reazione ADP/AcP/ferro, ipotizzando che il piccolo diametro e l’elevata densità di carica dello ione ferro, combinati con la conformazione dell’intermedio formatosi quando i tre si uniscono, forniscono una geometria “giusta” che consente al fosfato di AcP di cambiare partner, formando ATP.

Lane: “AcP precursore dell’ATP”

Nick Lane ha specificato tramite alcune dichiarazioni riportate da Phys.org: “I nostri risultati suggeriscono che AcP è il precursore più plausibile dell’ATP come fosforilatore biologico” e inoltre: “L’emergere dell’ATP come valuta energetica universale della cellula non è stato il risultato di un ‘incidente congelato’, ma è sorto dalle interazioni uniche di ADP e AcP. Nel corso del tempo, con l’emergere di catalizzatori adatti, l’ATP potrebbe eventualmente sostituire AcP come donatore di fosfato onnipresente e promuovere la polimerizzazione di amminoacidi e nucleotidi per formare RNA, DNA e proteine“.

Pinna: “ATP centrale per il metabolismo”

Silvia Pinna, autrice principale dell’articolo, ha chiarito: “L’ATP è così centrale per il metabolismo che ho pensato che potesse essere possibile formarlo dall’ADP in condizioni prebiotiche. Ma ho anche pensato che avrebbero funzionato diversi agenti fosforilanti e catalizzatori di ioni metallici, specialmente quelli conservati in vita“.