ATP

 

ATP 

El ATP como fuente de energía libre en los sistemas biológicos

La adenosina- 5^´- trifosfato (fig.9.5) es la fuente fundamental de energía de muchas reacciones bioquímicas, que van desde la síntesis de proteínas y el transporte de iones hasta la contracción muscular y las actividades eléctricas en las células nerviosas. La energía que se requiere para llevar a cabo estos procesos se deriva de la reacción de la hidrólisis a pH 7:

Esta reacción va acompañada de una disminución de la energía estándar de Gibbs hasta 25 a 40 kJ por mol de ATP hidrolizada. El valor exacto depende del pH, la temperatura y los iones metalices presentes. Uno de los sistemas que se ha estudiado con mayor precisión es el complejo Mg-ATP, en el cual Δ_rG°´=-30.5kJmol^- a pH=7 y T=310K.los bioquímicos prefieren representar la hidrolisis de ATP de manera diferente:

En esta ecuación los átomos de H y las cargas no están balanceados y los símbolos como ATP y P_i representan la suma de todas las fuerzas existentes de ATP y el fosfato inorgánico. Entonces, P_i incluye las especies                    

; la ATP incluye, y así en adelante.

Estructura del ATP: inestabilidad y formación de híbridos de resonancia

La gran disminución de Gibbs que resulta de la hidrólisis de la ATP y de la ADP llevo a algunos bioquímicos a utilizar el término enlace fosfato de alta energía par describir estos compuestos. Desafortunadamente este término implica en forma errónea que el enlace P-O en estas moléculas es de una manera diferente del enlace covalente normal, lo cual no es cierto. Entonces ¿Por qué Δ_rG°´ tiene ese valor negativo tan grande?, para responder esta pregunta, examinaremos las estructuras de la ATP y sus productos de la hidrólisis, la ADP y el 

, porque Δ_rG°´ depende de las diferencias entre las energías estándares de Gibbs de los productos y los reactivos. Al menos dos factores deben de tenerse en cuenta: la repulsión electrostática y la estabilización de la resonancia. A pH 7, la unidad trifosfato de la ATP porta 4 cargas negativas:

Debido a la proximidad de las cargas, existe una considerable repulsión electrostática. Esta repulsión se reduce cuando se hidroliza la ATP a ADP y  

, por que solo existen tres cargas negativas en la ADP. El otro factor que contribuye al elevado valor de Δ_rG°´ es que la ADP y el

poseen más estructura de resonancia que la ATP. Por ejemplo, el  

tiene varias estructuras de resonancia importantes:

La porción terminal de la ATP tiene menos estructuras importantes de resonancia por grupo fosfato. La siguiente estructura de resonancia de la ATP es improbable porque uno de los átomos de oxigeno tiene tres enlaces y existe una carga + en el átomo de oxigeno adyacente al átomo de fosforo cargado de manera positiva:

Finalmente en menor medida, la liberación de la aglomeración esférica entre los átomos de oxigeno y los grupos fosfatos adyacentes en la ATP en la hidrólisis también contribuye a la gran disminución de la energía estándar de Gibbs.

Potenciales de transferencia de fosfato

Existe otra forma de entender los valores de ΔG°´ para diversos compuestos fosfato de energía elevada. El potencial se define simplemente como el valor de -ΔG°´ de la hidrólisis. Cada compuesto impulsa la fosforilacion de compuestos situados en un lugar mas bajo de la escala, siempre que se disponga de un mecanismo de acoplamiento adecuado. Consideremos por ejemplo, las reacciones siguientes que se han escrito en forma abreviada que utilizaremos con frecuencia:

Así pues el fosfoenolpiruvato, que posee un potencial de transferencia de fosfato muy alto, de 62kJ/mol, es capaz de añadir un grupo fosfato al ADP en un proceso favorecido termodinámicamente. El ATP puede pasar este fosfato a la glucosa, ya que  el potencial de transferencia de fosfato de la glucosa-6-fosfato es todavía mucho mas bajo en la escala:

Estos ejemplos resaltan la forma en la que el ATP puede actuar como un agente versátil de transferencias de fosfato mediante reacciones acopladas. En cada caso, el acoplamiento se realiza haciendo que las reacciones se produzcan en la superficie de una molécula proteica grande, una enzima.

Hidrólisis de ATP y energía libre

La hidrólisis del ATP es muy exergonica, con un valor de ΔG°’= -31kJ/mol. Este valor corresponde a una constante de equilibrio superior a 10⁵. Este equilibrio esta desplazado hacia la derecha de la hidrolisis del ATP, puede considerarse prácticamente irreversible.

La ruptura hidrolítica del  enlace anhídrido ácido fosfórico terminal (fosfoanhídrido) del ATP elimina uno de los tres fosfatos cargados negativamente, con lo que disminuye la repulsión electrostática del ATP; el P_i () liberado esta estabilizado  por la formación de varias formas resonantes que no son posibles en el ATP; y el ADP^2-, el otro producto directo de la hidrólisis, ioniza inmediatamente liberando H⁺ a un medio de baja [H⁺] (~10^-7M). Puesto que las concentraciones de los productos directos de hidrólisis de ATP en la célula están muy por debajo de las concentraciones de equilibrio, la acción de masas favorece la reacción de hidrólisis en la célula.

La ruptura rápida del enlace fosfoanhídrido tiene lugar bajo catálisis enzimática.

Hidrólisis de ATP acoplada a las reacciones bioquímicas no espontáneas

NADH y FADH2 como fuentes de poder reductor

NADH y NADPH son importantes transportadores electrones otras moléculas transportadoras activadas participan en reacciones de oxidación- reducción  y habitualmente forman parte de reacciones acopladas en las células. Estos transportadores activados están especializados en transportar electrones ricos de energía y átomos de hidrogeno. Las más importantes de estos transportadores de electrones son el NAD⁺ (nicotinamida adenina dinucleotido) y la molécula, y muy relacionada con esta, el NADP⁺ (nicotinamida adenina dinucleotido fosfato). El NAD⁺ y el NADP⁺ toman cada uno de ellos “un paquete de energía” correspondiente a dos electrones ricos en energía mas un pronto (H⁺), convirtiéndose respectivamente en NADH (nicotinamida adenina dinucleotido reducido) y NADPH (nicotinamida adenina dinucleotido fosfato reducido). Estas moléculas también pueden considerarse como transportadores de iones hidruro (el H⁺ mas dos electrones, o H^-). Como el ATP el NADPH es un transportador activado que participa en muchas reacciones biosinteticas, las cuales en caso contrario serian energéticamente desfavorables. A través de un conjunto especial de reacciones catabólicas productoras de energía, un átomo de hidrogeno y dos electrones son eliminados de la molécula de sustrato y se añade al anillo de nicotinamida del NADP⁺, formando NADPH. Se trata de una reacción de oxido reducción;  el sustrato se oxida y el NADP⁺ se reduce. El ion hidruro transportado por el NADPH es liberado fácilmente en una reacción posterior de oxidación- reducción, puesto que sin el anillo puede alcanzar un estado más estable. En esta reacción posterior, que regenera NADP⁺, el que se oxida es el NADPH y el que se reduce es el otro sustrato. El NADPH es un dador eficiente del ión hidruro a otras moléculas por la misma razón que el ATP transfiere fácilmente un fosfato: en ambos casos la transferencia va acompañada de una importante variación negativa de energía libre.

La diferencia de un solo grupo fosfato no afecta a las propiedades de transferencia de electrones del NADPH respecto a las del NADH, pero la presencias de este fosfato es crucial para distintas funciones de estos transportadores. El grupo fosfato extra del NADPH ésta lejos de la región  implicada en la transferencia de electrones y no tiene importancia en la reacción de transferencia. Sin embargo, hace que la molécula de NADPH, tenga una forma diferente a  la del NADH, de modo que el NADPH y el NADH se unen, como sustratos a conjuntos diferentes de enzimas. El NADPH actúa preferentemente con enzimas que catalizan reacciones anabólicas, suministrando electrones ricos en energía que se necesitan para sintetizar moléculas ricas en energía.  El NADH por el contrario actua como intermediario en el sistema catabólico de reacciones que generan ATP a través de la oxidación de las moléculas de alimento. En el interior de la celula la relación de NAD⁺/NADH se mantiene alta, mientras que  la relación NADP⁺/NADPH se mantiene baja. Este hecho hace que haya una gran cantidad de NAD⁺ (que actua como agente oxidante) y una gran cantidad de NADPH (que actua como agente reductor), como requieren los papeles específicos de ambos transportadores en el catabolismo y anabolismo respectivamente.

Las flavoproteínas son enzimas que catalizan reacciones de oxidación-reducción utilizando el flavin mononucleotido (FMN) o el flavina adenina dinucleotido (FAD) como coenzima. Estos coenzimas, los nucleótidos de flavina, provienen de la vitamina rivoflavina, la estructura de los anillos fusionados de nucleótidos de flavina (el anillo isoaloxazima) se reduce de manera reversible, aceptando uno o dos electrones en forma de uno o dos átomos de hidrogeno (cada átomo consiste en un protón mas un electrón) desde un sustrato reducido. Las formas completamente reducidas se abrevian FADH₂ y FMNH₂. Debido a que las flavoproteínas pueden participar en la transferencia de uno o dos electrones, esta clase de proteínas intervienen en una mayor variedad de reacciones que las deshidrogenasas ligadas a NAD(P).

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