bioenergètica

sf. [sec. XX; bio-+energetica]. Studio dei meccanismi mediante i quali la cellula produce e consuma l'energia necessaria al mantenimento delle funzioni vitali e costituisce un buon esempio dell'evoluzione delle problematiche affrontate dalla biochimica attuale. È detta anche biodinamica. Sebbene molti composti ad alta energia potenziale vengano usati come “carburante” nelle reazioni biochimiche cellulari, il metabolismo ne produce e utilizza due principali che vengono quindi a trovarsi in una posizione preminente: l'adenosina trifosfato (ATP), la cui idrolisi ad adenosina difosfato (ADP) e ione fosfato libera 7,3 KCal/mole, ed il nicotinamide adenina dinucleotide (NADH), che trasporta elettroni nelle principali ossidoriduzioni biologiche. Tutti gli altri composti ad alta energia potenziale necessari alle reazioni biosintetiche vengono prodotti utilizzando come fonte di energia l'ATP o il NADH. L'energia conservata nel NADH può essere utilizzata per sintetizzare ATP a partire da ADP e ione fosfato, mentre la conversione inversa non avviene in condizioni fisiologiche; la stechiometria globale è la seguente:

NADH + H⁺ + 1/2 O₂ + 3 ADP + 3 H₃PO₄ <===> NAD⁺ + 4 H₂O + 3 ATP

Questa reazione non avviene in un singolo evento ma in una serie ordinata di eventi distinti, catalizzati ciascuno da uno specifico enzima, che avvengono nel mitocondrio. Il mitocondrio è un organello cellulare che può essere visualizzato al microscopio elettronico; esso è delimitato da due sistemi chiusi di membrane lipidiche: la membrana interna racchiude la matrice mitocondriale mentre la membrana esterna avvolge la precedente e ne è separata dallo spazio intermembranario. Al di fuori della membrana esterna si trova il citoplasma cellulare. Gli enzimi responsabili dell'ossidazione del NADH costituiscono la cosiddetta catena respiratoria e sono localizzati, stabilmente o temporaneamente, nella membrana mitocondriale interna; essi catalizzano una serie di reazioni di ossidoriduzione i cui risultati finali sono la riduzione dell'ossigeno ad acqua ed il trasferimento di ioni idrogeno dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembranario, che come conseguenza diviene acido. La biosintesi di ATP è effettuata da un altro enzima della membrana: membrana mitocondriale interna, la F₀-F₁ ATP-asi, che utilizza come sorgente di energia il gradiente di pH generato dalla catena respiratoria e accoppia la sintesi di 3 molecole di ATP al trasferimento di 10 ioni idrogeno dallo spazio intermembranario alla matrice mitocondriale. Questa breve esposizione del meccanismo della biosintesi dell'ATP illustra la natura delle problematiche che sono oggetto della moderna ricerca biochimica: infatti nessuna delle reazioni descritte avverrebbe nello stesso modo nella provetta del chimico e nella cellula. Se la catena respiratoria viene estratta dalla sua localizzazione mitocondriale e gli enzimi vengono solubilizzati mediante detergenti (operazione possibile per molti di essi), è ancora possibile studiarne le reazioni caratteristiche, ma la biosintesi dell'ATP non è più possibile in quanto nessun gradiente di pH viene formato.