ATP

EL ATP COMO FUENTE DE ENERGÍA LIBRE EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS

La energía adquirida por las células se conserva en ellas para ser utilizada principalmente cuando se requiera en forma de adenosín trifosfato (ATP). Tanto si proviene de la luz solar o de la oxidación de compuestos orgánicos, se invierte en la formación de ATP, en una proporción muy alta. El ATP es entonces el "fluido energético" que pondrá en marcha las demás funciones de la célula.

Todos los seres vivos necesitan un aporte continuo de materia y energía, aunque existen grandes diferencias en la forma de obtenerlas y de su utilización. Los vegetales son seres autótrofos, utilizan la energía solar como fuente de energía y como materia usan el agua, el dióxido de carbono (CO₂) y los iones orgánicos. En la fotosíntesis los cloroplastos captan la energía solar y tienen la maquinaria para convertirla en energía química (ATP); además extraen los iones de hidrógeno del agua para convertirlos en equivalentes de reducción (NADPH + H). Como producto de esta reacción se libera oxígeno molecular.

Las células requieren un continuo suministro de energía. Esta es necesaria para la síntesis de moléculas complejas, la ejecución de trabajo mecánico y el transporte de sustancias a través de sus membranas. La energía es transferida desde las reacciones químicas que la acumulan a las que las consumen, mediante una molécula especial, el ATP. El término ATP es el acrónimo de adenosina trifosfato, con la F de fosfato reemplazada por la P del símbolo químico del fósforo. En las células, la energía que recibe o cede el ATP es la contenida en el enlace entre su último fosfato y el resto de la molécula. El enlace se forma durante la síntesis de ATP: incorporan así energía, la que se cede cuando el enlace se escinde.

ESTRUCTURA DEL ATP; INESTABILIDAD Y FORMACIÓN DE HIBRIDOS DE RESONANCIA

Es un nucleósido trifosfato derivado de la adenina. a pH fisiológico tiene una carga negativa en cada grupo fosfato. Los grupos fosfato se unen mediante enlaces fosfoanhidrilo. Si en lugar de tres tiene dos fosfatos es ADP y si tiene uno es AMP.

Hidrolisis del fosfato: los grupos en el ATP están especialmente exerginica: porque el grupo del pirofosfato que resulta es estabilizado grandemente por múltiplo, estructuras de resonancia haciendo los productos (ADP y P_i) baje mucho en energía que el reactivo (ATP). La alta densidad de la carga negativa asociada a las tres unidades adyacentes del fosfato del ATP también desestabiliza la molécula, haciéndolo más alto en energía. La hidrólisis releva alguno de estas repulsiones electrostáticas también, liberando energía útil en el proceso.

La hidrólisis del enlace fosfatidico terminal es un proceso altamente exergonico, produciendo -30.5 kJ mol^-1 energía. Esta reacción se puede entonces juntar con reacciones termodinámico desfavorables para dar una negativa total (espontánea) ΔG para la secuencia de la reacción. El valor real de ΔG para la hidrólisis del ATP varía, sobre todo dependiendo del magnesio²⁺ la concentración, y bajo condiciones physiologic normales está realmente más cercano a -50 kJ mol^-1.

POTENCIALES DE TRANSFERENCIA DE FOSFATO

La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato. Sin embargo, hay un nivel de entalpía a sobrepasar antes de liberar esta energía (estado de transición). Esto explica por qué la hidrólisis de los enlaces pirofosfato no sucede todo el tiempo. Las enzimas son capaces de reducir ese umbral de entalpía para utilizar la energía liberada. Si la energía se almacena en los enlaces anhídridos, podríamos preguntarnos cuál es el interés de los seres vivos para sintetizar la molécula en su conjunto y no sólo el pirofosfato libre. La razón es, probablemente, la capacidad de las enzimas para reconocer el ATP, más fácil de hidrolizar específicamente que los pirofosfatos libres, que son muy similares a todos los grupos fosfatos presentes en las biomoléculas. El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los procariotas, o por los cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP. La coenzima ATP/ADP es un proveedor de energía universal, y es la principal fuente de energía directamente utilizable por la célula. En los seres humanos, el ATP constituye la única energía utilizable por el músculo. En la síntesis del ácido nucleico ARN, el ATP es uno de los cuatro nucleótidos incorporados directamente en las moléculas por las enzimas ARN polimerasas. La energía que conduce esta polimerización procede de la ruptura del pirofosfato (dos grupos de fosfato). El proceso es similar en la biosíntesis de ADN, salvo que el ATP se reduce al desoxirribonucleótido dATP, antes de su incorporación en el ADN. El ATP está críticamente involucrado en el mantenimiento de la estructura celular, facilitando el montaje y desmontaje de elementos del citoesqueleto. En un proceso similar, el ATP es necesario para el acortamiento de los filamentos de actina y miosina necesarios para la contracción muscular. Este último proceso es una de las principales necesidades energéticas de los animales y es esencial para la locomoción y la respiración.

HIDRÓLISIS DE ATP Y ENERGÍA LIBRE

Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los enlaces anhídrido del ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. De hecho, la reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y fosfato es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -30,5 kJ/mol: Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de adenosina difosfato y fosfato es una reacción endergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol: La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -42 kJ/mol:

HIDRÓLISIS DE ATP ACOPLADA A LA REACCIONES BIOQUÍMICAS NO ESPONTÁNEAS

Hidrólisis del ATP es la reacción por la cual la energía química que se ha almacenado y se ha transportado een enlaces de gran energía en ATP se lanza, por ejemplo en los músculos, al trabajo del producto. El producto es ADP (Difosfato de adenosina) y fosfato inorganico, pirofosfato (pi). El ADP se puede hidrolizar más a fondo para dar energía, AMP(Monofosfato de adenosina), y otro pirofosfato (pi). La hidrólisis del ATP es el acoplamiento final entre la energía derivada del alimento o de la luz del sol y el trabajo útil tal como contracción del músculo, el establecimiento de los gradientes del ion a través de las membranas, y procesos biosintéticos necesarios para mantener vida.

NADH Y FAD2 COMO FUENTES DE PODER REDUCTOR

El mecanismo mediante el cual la energía transferida a la cadena transportadora de electrones es utilizada para sintetizar ATP fue un misterio que desafió al ingenio de muchos inve-tigadores, que dedicaron sus mejores esfuerzos a buscar sin éxito un intermediario químico que mediara el proceso. La solución fue proporcionada por el bioquímico británico Peter Mitchell. En el año 1961, éste publicó en la revista Nature una, para entonces, sorprendente teoíia. Segun Mitchell, el intermediario químico eludía la persecución de los investigadores porque no existía, ya que el transporte de electrones, en vez de generar un intermediario, inducia un "bombeo" de protones que generaba una diferencia de concentración de protones (H⁺) y de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana que contenía la cadena transportadora de electrones. La energía acumulada en estas diferencias era la que utilizaba la ATP sintetasa para formar ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. La teoria de Mitchell explicaba no solo por qué no se habéa encontrado el intermediario químico sino, también, por qué la formación de ATP requería la integridad de la membrana que aloja la cadena transportadora de electrones. A medida que pasó el tiempo, se acumularon evidencias a su favor, como la demostración de que diferencias de concentración de H⁺ a ambos lados de las membranas de cloroplastos y mitocondrias podían ser utilizadas directamente para sintetizar ATP; también que las ATP sintetasas de ambas membranas eran muy similares.

Lectura 1: Introducción a la bioenergética

El precursor de las ideas verdaderamente modernas y científicas sobre la energía fue Lavoisier. Los enlaces químicos de las moléculas de nuestros alimentos deben convertirse en los del adenosintrifosfato, o como se conoce en lenguaje bioquímico, ATP, moneda universal de las células para el manejo de la energía.

Como cualquier proceso natural, el fenómeno de la vida, para mantenerse, requiere una gran cantidad de energía.

Existe aun cierta confusión en cuanto a la energía, y tiene que ver precisamente con los términos que se emplean para expresar que en tal o cual proceso "interviene" la energía, se "utiliza" o "se gasta". Es de gran importancia señalar que la energía de un sistema no se crea ni se destruye, sino que se transforma.

Hay transformaciones de energía en funciones que son aun más complejas que el movimiento mismo. Hay otras más en las cuales no se observa movimiento, sin embargo tambien implican transformaciones de energía; tales como el funcionamiento de nuestros riñones y glándulas.

Las funciones más complicadas son las realizadas por el sistema nervioso, que en última instancia comprenden al pensamiento mismo. Las células nerviosas aunque inmóviles requieren energía, poseen una enorme serie de funciones las cuales requieren energía. Otra de las transformaciones de energía que no vemos, pero que se realiza con gran intensidad está dada por el movimiento de sustancias a través de membranas. El paso de los materiales nutritivos por la pared del intestino para ser aprovechados por las células. Todas deben nutrirse y desechar aquello que no quieren o no necesitan (los materiales alimenticios, el agua y las sales minerales). Todos los organismos utilizan buena parte de la energía de los materiales que se alimentan en este proceso de transporte continuo y muy activo de sustancias de unos lugares a otros y hacia dentro o fuera de las células.

Aunque no apreciamos ningún cambio aparente de un día a otro pero las moléculas de los organismos vivos se están renovando; aunque unas lo hacen a mayor velocidad que otras, a fin todas se cambian constantemente por moléculas nuevas. La renovación significa por una parte que las moléculas grandes o complejas deben ser destruidas, o convertidas en componentes más sencillos. Al romperlas, la energía química de sus enlaces se transforma en calor. La otra fase se denomina síntesis (formación) de las moléculas nuevas, lo que requiere de otra forma de energía diferente al calor, la cual debe provenir de los alimentos y sus transformaciones.

La gran fuente de energía de la que dependemos todos los seres vivos es el Sol. No es que las plantas "utilicen" la energía del Sol para fabricar ciertas moléculas simples; la verdad es que las plantas toman una pequeña parte de la energía luminosa que llega del Sol a la Tierra y la transforma en la energía química de diferentes sustancias.

En el proceso de la fotosíntesis hay que "utilizar" o transformar una parte de la energía luminosa que viene del Sol en la energía química que mantiene unidos los átomos en ese azúcar. Esta situación convierte entonces a los vegetales en los organismos más importantes en el camino de la utilización de la energía del Sol, como transformadores de la energía luminosa en energía de enlaces químicos, fundamentalmente de la glucosa. Las plantas tambien pueden elaborar a partir de la glucosa otros azúcares, grasas y proteínas o al menos los componentes de estas, los aminoácidos, tambien producen constantemente el oxigeno indispensable para la vida, según se le conoce hoy en día.

Las células deben convertir la energía en otra forma directamente aprovechable y para eso se utiliza una sustancia llamada ADP, o adenosín difosfato, que en su estructura contiene dos fosfatos. Esta molécula se puede convertir en ATP (adenosintrifosfato), que entonces contiene tres fosfatos, como resultado de un complicado proceso que supone que la energía de los enlaces de la glucosa se convierta en energía de los enlaces del ATP.

El combustible universal de las transformaciones de la energía de los seres vivos es el ATP, y se puede utilizar para muchísimos procesos. Lavoisier, a finales del siglo XVIII observó que si se quemaba glucosa en presencia de aire, se producía calor. Pensando que comemos glucosa y que nuestro organismo produce calor, propuso que en nuestro organismo tambien se utiliza la glucosa por un camino que lleva finalmente a su oxidación y a la producción de bióxido de carbono y agua, pero que la energía del azúcar es de alguna forma aprovechada o transformada, en alguna ora forma de energía aprovechable por el organismo.

Cuando las moléculas como la glucosa, los ácidos grasos o las proteínas se degradan, se produce una energía en la forma de ATP, o poder reductor mejor conocido como moléculas de NAD, que pueden reducirse con la incorporación de átomos de hidrogeno para dar NADH y reoxidarse cuando estos hidrógenos se pierden.