BIOENERGETICA

BIOENERGETICA

(App. IV, I, p. 280)

Gli studi condotti nell'ultimo decennio sul metabolismo energetico cellulare degli organismi viventi hanno portato alla delucidazione delle relazioni esistenti tra i differenti cicli metabolici deputati alla produzione dei cosiddetti composti fosforilati ad alta energia (ATP, ADP, creatin fosfato, ecc.) e tutte quelle reazioni che richiedono un dispendio di energia (ricavata appunto dalla degradazione di tali composti fosforilati) e che consentono, però, lo svolgimento di funzioni vitali per la sopravvivenza stessa delle cellule. Un'attenzione particolare è stata rivolta allo studio delle reazioni coinvolte nel fenomeno della contrattilità muscolare degli organismi superiori (che è uno dei processi che richiede il maggior consumo di energia), in condizioni sia fisiologiche che patologiche.

In condizioni fisiologiche, il muscolo a riposo necessita di un continuo apporto di ATP, la cui degradazione aumenta repentinamente di 20÷200 volte durante il lavoro muscolare. Poiché la concentrazione di ATP nel muscolo a riposo è di circa 5 μmoli/g di tessuto umido, sufficiente cioè a garantire la massima attività contrattile solamente per circa 0,5 secondi, l'aumento del consumo di ossigeno durante il lavoro muscolare viene effettuato per mantenere costante il livello di ATP attraverso l'attivazione dei cicli ossidativi mitocondriali (ciclo di Krebs, beta-ossidazione dei grassi, fosforilazione ossidativa). È da ricordare, però, che il principale composto fosforilato del muscolo è il creatin fosfato (CrP) che viene utilizzato come ''riserva energetica'' quando la produzione di ATP diminuisce. Questo avviene grazie alla reazione catalizzata dalla creatin chinasi:

CrP + ADP ⇆ creatina + ATP

Dal valore della costante di reazione K, calcolabile secondo l'espressione:

è possibile determinare il valore del potenziale di fosforilazione che è una misura diretta dello stato energetico delle cellule del tessuto muscolare. In condizioni di riposo, la concentrazione di CrP è circa 3÷8 volte superiore a quella dell'ATP: ciò permette, nel caso in cui il muscolo sia stimolato e i suoi cicli metabolici deputati alla produzione di ATP siano bloccati, di mantenere costante la concentrazione di ATP che, seppure per un tempo limitato, garantisce il mantenimento della contrattilità. Negli Invertebrati, il ruolo metabolico del CrP è svolto da altri composti fosforilati quali la fosfoarginina (negli Artropodi e negli Echinodermi), gli N-fosfo-derivati dell'acido guanidinacetico (negli Anellidi), la fosfotaurociammina (arenicola) e il guanidinoetilserilfosfato (muscolo di sanguisuga).

La conoscenza dei fenomeni bioenergetici acquista una particolare importanza nel caso del tessuto cardiaco degli animali superiori e, in particolare, dell'uomo. Il mantenimento della contrattilità cardiaca è infatti un requisito fondamentale per la sopravvivenza dell'intero organismo. Essa è garantita da un equilibrio costante tra quantità di energia consumata da tutte le funzioni del tessuto e quantità di energia prodotta attraverso i cicli metabolici cellulari. Anche in questo caso l'energia (sia quella consumata che quella prodotta) è rappresentata dai composti fosforilati, ATP e CrP in particolare. A differenza del muscolo scheletrico, nel muscolo cardiaco il rapporto CrP/ATP è circa 1,5 (per es., nel cuore di ratto sono contenute circa 33 μmoli CrP/g di tessuto secco contro le circa 22 μmoli ATP/g di tessuto secco). Ciò comporta che il tessuto cardiaco, nel caso in cui si verifichino fenomeni di arresto dei cicli metabolici deputati alla produzione di energia, come per es. accade durante i processi ischemici, è in grado di mantenere quasi inalterata la sua funzionalità per periodi di tempo relativamente limitati.

È stato infatti determinato, negli animali da esperimento, che periodi di ischemia globale (che interessa cioè l'intero organo in maniera uniforme) superiori a 5 minuti provocano dei danni irreversibili per il miocardio. Questo avviene poiché la mancanza di ossigeno, che si registra durante l'ischemia, provoca la perdita della funzionalità dei mitocondri, organelli intracellulari all'interno dei quali si svolgono le ossidazioni biologiche accoppiate alla produzione di composti fosforilati ad alta energia (le quali presentano il maggior rendimento energetico e sono quindi responsabili del rifornimento continuo di ATP). Si deve infatti pensare che l'ossidazione completa di una mole di glucosio, in condizioni cioè di aerobiosi, porta alla formazione di 38 moli di ATP grazie al contributo dato dal ciclo di Krebs e dalla fosforilazione ossidativa. Viceversa, in condizioni di anaerobiosi, come avviene durante i fenomeni ischemici, vengono prodotte solamente due moli di ATP per ogni mole di glucosio trasformato attraverso la glicolisi anaerobia. Il muscolo cardiaco utilizza soprattutto, come fonte di rifornimento energetico, la beta-ossidazione dei grassi, che, seppure ha un'efficienza inferiore alla degradazione ossidativa del glucosio, è in grado di fornire 27 moli di ATP per ogni mole di acido grasso degradata.

Bisogna inoltre sottolineare che il mantenimento del contenuto energetico a un livello costante è un problema che interessa tutte le cellule, indipendentemente dal tessuto a cui appartengono. Basti ricordare che nella maggior parte degli animali superiori le trasformazioni metaboliche, che si verificano in qualunque tessuto sottoposto a un fenomeno ischemico, si svolgono attraverso una serie di reazioni concatenate il cui meccanismo di attivazione è comune a tutti i sistemi cellulari aerobi. L'induzione di questa sequenza di eventi molecolari è direttamente responsabile della manifestazione macroscopica dei danni tissutali (per es., perdita della contrattilità, necrosi cellulare, ecc.).

Lo studio delle variazioni dei processi bioenergetici indotte in diversi tessuti da alcune manifestazioni patologiche (quali appunto l'ischemia), oltre a evidenziare il fatto che le manifestazioni macroscopiche dei danni ai tessuti sono il risultato di modificazioni molecolari spesso irreversibili, che le precedono in ordine di tempo, ha messo in luce l'importanza del mantenimento del metabolismo energetico cellulare per ridurre le alterazioni delle funzioni svolte dall'organo interessato e per prevenire l'estendersi dei danni ad altri organi o tessuti. In base a queste conoscenze, sono state individuate una serie di sostanze d'interesse farmacologico (alcune delle quali già presenti sul mercato farmaceutico e utilizzate con successo in terapia, altre ancora in fase di studio sugli animali da esperimento) capaci d'intervenire positivamente sui processi bioenergetici dei tessuti colpiti dalle patologie ischemiche e di contribuire significativamente alla riduzione della gravità e dell'estensione dei danni tissutali.

Bibl.: AA.VV., in Journal of Molecular and Cellular Cardiology, 17 (1985), pp. 145-52; AA.VV., in Acta Physiologica Scandinavica, 548 (1986), pp. 65-78; S. H. Humprey, L. H. Cartner, D. G. Holliss, in Basic Research in Cardiology, 82 (1987), pp. 304-16.