Los compuestos de fosfato son la materia biológica común de intercambio de energía y el trifosfato de adenosina (ATP) es el portador de energía más importante de la célula. las ATPasas pueden convertir la energía derivada de hidrólisis del ATP en el trabajo (contracción muscular), el transporte de iónes (Ca2+-ATPasa, Na++K+-ATPasa) o aún la producción de luz (luciferasa de las luciérnagas).No toda la energía derivada de hidrólisis de los compuestos de fosfato es convertida en trabajo por las enzimas; una parte significativa de la energía total se disipa en el ambiente circundante como calor.antes de la ruptura del compuesto de fosfato, las ATPasas pueden modular la conversión de la energía durante el ciclo catalítico, determinando la fracción de la energía derivada del compuesto de fosfato que será convertida en trabajo y en calor.
2+-ATPasa, la transición2+-ATPasa del retículo sarcoplasmico , la (Na+ + K+)-ATPas y la porción F1 soluble de la ATPasa mitocondrial . En este último caso, la adición de unsolvente orgánico promueve una disminución dramática de la Km aparente de la enzima por el Pi
Los compuestos de fosfato de alta y baja energía
(i) La energía que se deriva de hidrólisis de un compuesto de fosfato depende exclusivamente de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula. El enlace de N-P del fosfato de creatina, el fosfato del enol del fosfoenolpiruvato, las uniones fosfoanhídrido del ATP y de PPi, y el enlace del
acilfosfato del aspartil fosfato eran enlaces de fosfato ricos en energía típicos.
(ii) Los enlaces de fosfato ricos en energía, son los que presentan una Keq elevada para la hidrólisis en agua e inversamente, los enlaces de fosfato pobres en energía tendrían una constante de equilibrio baja para la hidrólisis. En este sentido, los fosfoésteres tales como la glucosa-6-fosfato y el glicerol fosfato son compuestos de fosfato típicos de baja energía.
(iii) Se pensaba que la transferencia de un grupo fosfato desde una molécula hacia otra, dependía solamente de la energía de hidrólisis de los enlaces químicos. Así, el fosfato gama del ATP se puede transferir a una molécula de glucosa formando glucosa-6-fosfato, pero en condiciones fisiológicas, la reacción reversa no sería posible a menos que energía adicional fuera proporcionada al sistema. Entonces la única manera de regenerar cualquier molécula de ATP hidrolizado en la célula sería invertir compuestos de fosfato de energía igual mayor que el propio ATP, tal como por ejemplo la creatina.
En 40´s, no se sabía sobre la estructura de las proteínas y del mecanismo catalítico de las enzimas. Por lo tanto, en la revisión de Lipmman quedó implícito que la energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato sería la misma sin importar si estuvieran unidos a la enzima o libres en solución.
En base a las formulaciones anteriormente descritas, se pensaba que la secuencia de
eventos durante el proceso de la transducción de energía en enzimas, estaba compuesto por los
siguientes pasos:
(i) La enzima une al ATP;
(ii) El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento
exacto de la ruptura del enlace de fosfato.
(iii) La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar
trabajo. Para la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi, la secuencia de eventos sería
igual, pero en orden inverso;
(iv) La enzima ahora uniría al ADP y al Pi;
(v) Una salida de energía en el sitio catalítico sería necesaria dirigir la síntesis del ATP;
(vi) Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el
citosol sin la necesidad de energía extra.
se infirió que el trabajo sería realizado en la parte de la molécula de la enzima en donde se libera la energía
Estos conceptos permanecieron desde 1941 hasta 1970, la mayoría del trabajo se fue de naturaleza teórica y se pensaba que la naturaleza de "alta energía" del enlace de fosfato era dependiente de efectos intramoleculares tales como resonancia de oposición, las repulsiones electrostáticas y la distribución del electrón a lo largo del esqueleto de la molécula .
(PPi) y del ATP, estaba determinada por las cargas negativas y la resonancia de oposición del enlace P-O-P.
La carga negativa de cualquier lado del enlace se rechazaría, creando tensión dentro de la molécula y la resonancia de oposición generaría puntos de debilidad a lo largo del esqueleto.
Consecuentemente, sería fácil romper la molécula y difícil mantener unidos a los productos de la
reacción hidrolítica. La combinación de estos dos factores sería responsable de la elevada Keq para la hidrólisis de los enlaces del fosfoanhídrido del ATP o de PPi.
en los años 20´s cuando Fiske y Subbarow buscaban un método para la cuantificación de fosfato inorgánico (Pi) en los tejidos animales. Durante el transcurso de su experimento, purificaron al ATP y al fosfato de creatina de tejidos animales, no se conocían la importancia fisiológica de estos compuestos de fosfato. años despues descubrieron que los compuestos eran portadores de energía y que su ruptura proporciona la energía necesaria para la contracción muscular. En 1941 los conceptos de compuestos de fosfato “ricos" y “pobres” en energía fueron presentados por Lipmann, proponiendo:i.e., en la vecindad inmediata del sitio catalítico.se pensaba que la elevada constante de equilibrio (Keq) para la hidrólisis del PPi En 1970 George y colaboradores, concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. se esperaría que las moléculas de agua se organicen alrededor del compuesto de fosfato y que ambos protejan las cargas de la molécula, neutralizando así la repulsión eletrostatica, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando los puntos débiles generados a lo largo de la esqueleto de la molécula por medio de resonancias opuestas.
George y colaboradores propusieron que la Keq para la hidrólisis de un compuesto de fosfato se debe determinar por las diferencias en energías de solvatación de los reactivos y productos, no por efectos intramoleculares. La energía de solvatación es la cantidad de energía necesaria para remover a las moléculas de solvente que se organizan alrededor de una sustancia en solución. Mientras más solvatada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solvatada y la Keq para la hidrólisis estaría determinada por la diferencia de energía de solvatación entre los reactivos y los productos. En este sentido, la Keq de una reacción es alta cuando los productos están más solvatados que los reactivos.
el acetilfosfato y los enlaces de N~P de la fosfocreatina y de la fosfoarginina son de alta energía.
Sin embargo, en la fase gaseosa, esto no es verdad. Por el contrario, la energía libre positiva de hidrólisis indica que cuando los reactivos y los productos no están solvatados, el acetilfosfato y la fosfocreatina son más estables que los productos de su hidrólisis, y según la definición de Lipmann, se comportan como compuestos de fosfato de baja energía. el concepto de energía de solvatación parece ser válido solamente para los compuestos de fosfato de alta y no para los de baja energía porque los valores calculados para las energías de
hidrólisis de la glucosa-6-fosfato y otros los fosfoésteres son iguales sin importar si las moléculas
están en soluciones acuosas o en fase gaseosa.
en 1978 que la teoría de solvatación fue revisada y verificada por Hayes y colaboradores, calcularon la energía de hidrólisis de varios los compuestos de fosfato en fase de gaseosa, una situación en la cual los reactivos y los productos no están solvatados y compararon estos valores con los obtenidos en agua. En solución acuosa, En 1984 se descubrio de que la misma especie química, un residuo acilfosfato, tendría diferentes energías de hidrólisis dependiendo, si está en solución (agua) o en la superficie de la enzima. se midio la energía de
hidrólisis del PPi en medios con diversas actividades de agua, y la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. En medios totalmente acuosos (Wa = 1), el
compuesto de alta energía a uno de baja. Un año despues Wolfenden y Williams encontraron que el ATP se podría sintetizar espontáneamente en cloroformo hidratado y recientemente Kirby et al., observaron que el acetilfosfato se puede sintetizar espontáneamente en medios con actividad de agua disminuida. Contrastando con el PPi, el ATP y los residuos de acilfosfato, la actividad de agua no tiene prácticamente ningún efecto en la
energía de hidrólisis de fosfoésteres tales como glucosa-6-fosfato. En medio totalmente acuoso, el PPi se comporta como compuesto de alta energía cuando se compara con la glucosa 6-fosfato, pero en un ambiente hidrofóbico (Wa = 0.5) la glucosa-6-fosfato se convierte en un compuesto de fosfato con una energía de hidrólisis más alta que el PPi .
ΔGo de hidrólisis de PPi fue -5 kcal/mol, pero se elevó a +1 kcal/mol cuando la actividad de agua del medio fue disminuida a 0.5. por lo tanto dependiendo de la actividad de agua del medio, el PPi podía cambiar de un se observo que los cromatóforos de las bacterias fotosintéticas
R. rubrum contienen una enzima pirofosfatasa inorgánica membranal, que sintetiza PPi cuando un gradiente electroquímico de protones se forma a través de la membrana de los cromatóforos iluminados. Cuando la luz se apaga (en oscuridad), el PPi sintetizado previamente es metabolizado por la enzima. La enzima soluble puede sintetizar PPi en la oscuridad cuando la actividad de agua del medio es reducida por la adición de solventes orgánicos. En esta condición, el
previamente es metabolizado por la enzima porque ahora el PPi se ha convertido en un compuesto de alta energía con una Keq alta para la hidrólisis. se concluyo que:(a) una disminución de Wa puede desempeñar un papel en el mecanismo por el cual la energía derivada del gradiente electroquímico generado por la luz es utilizado para la síntesis de PPi en los cromatóforos de
PPi es un compuesto de fosfato de baja energía y se forma espontáneamente mientras que en el segundo ambiente se convierte en un compuesto de fosfato de alta energía.
ΔGo de hidrólisis de PPi tiene un valor positivo, es decir, el PPi no es un compuesto de alta energía y se sintetiza espontáneamente. Si diluimos el medio con agua, para disminuir la concentración del solvente orgánico y aumentar la actividad de Wa del medio, el PPi sintetizadoR. rubrum. (b) para la síntesis del PPi, la energía no es necesaria para la formación del enlace covalente del PPi como se pensaba en los años 40´s, sino al contrario para modificar el ambiente de un punto bajo de actividad de agua a uno elevado. En el primer ambiente el Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las
enzimas,
estudios revelaron que la energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si están en solución o unidos a la enzima. Las reacciones que se pensaban prácticamente irreversibles en solución acuosa, ocurren espontáneamente cuando los reactivos están unidos a la enzima. la energía para realizar trabajo no está disponible para la enzima en el momento de la ruptura del compuesto de fosfato. Para las ATPasas del transporte iónico, la energía necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato.
Durante el ciclo catalítico hay una disminución considerable de la Keq para la hidrólisis del compuesto de fosfato unido a la enzima (residuo de acilfosfato) y el transporte a través de la
membrana se acopla con esta transición de la Keq y no con la ruptura del compuesto de fosfato.
Según estos nuevos resultados, la secuencia de eventos para la transducción de energía en
ATPasas de transporte o actomiosina son como sigue:
(a) La enzima une al ATP u otros compuestos de fosfato;
(b) La enzima realiza trabajo sin que el compuesto de fosfato sea hidrolizado. Esto es acompañado por una disminución del nivel de energía del compuesto de fosfato;
(c) El compuesto de fosfato se rompe y los productos de hidrólisis se disocian de la enzima
en un proceso que implica un cambio de energía relativamente pequeño.
En el proceso inverso, los compuestos de fosfato tales como ATP, PPi y el residuo de
acilfosfato se sintetizan en el ambiente hidrofóbico del sitio catalítico de la enzima sin necesidad
de energía, es decir, la energía se necesita entonces para la conversión del compuesto de
fosfato de “baja energía” en un compuesto de "alta energía". Esta conversión estaría
acompañada por una transición hidrofóbica (Wa bajo) - hidrofílica (Wa alto) en el sitio catalítico
de la enzima. La síntesis de ATP y de PPi por la ATP sintasa mitocondrial, involucra un cambio
conformacional de la proteína que permite la disociación del ATP y de PPi en el medio hidrofílico
del ensayo. Para las ATPasas de transporte tales como la Ca
hidrofóbica-hidrofílica ocurre en el sitio catalítico. La información disponible actualmente sobre la
estructura de las ATPasas de transporte indica que el trabajo se realiza en una región de la
estructura terciaria de la proteína distante a aquella donde se localiza el sitio catalítico y que los
cambios conformacionales de la proteína sincronizan la secuencia de evento que ocurren en
estas dos regiones .
La propuesta de que la conversión del compuesto de fosfato de alta energía en el de baja, es promovida por un cambio del Wa en el sitio catalítico de las enzimas se ha verificado por medio de cuantificaciones de la actividad enzimática en medios con diversos Wa. Se ha demostrado que las enzimas que utilizan la energía de un gradiente químico para sintetizar el ATP a partir del ADP y del Pi pueden promover esta síntesis incluso en ausencia del gradiente, simplemente por el cambio en la actividad de agua del medio. Esto fue demostrado por primera
vez con la Ca
y un aumento considerable en la cantidad ATP unido fuertemente en el sitio catalítico de la F1-
ATPasa.
En las reacciones que implican la transducción de energía, solamente una parte de la energía química liberada durante la hidrólisis del ATP se convierte en trabajo u otras formas de energía tales como energía osmótica. La otra parte se convierte en calor, y en animales endotérmicos, el calor liberado se utiliza para mantener la temperatura del cuerpo constante y alta.
Las alteraciones de la termogénesis se observan en varios desórdenes, tales como el control del peso corporal y la disfunción endocrina, en el hipertiroidismo hay una disminución del peso corporal, y un aumento del metabolismo basal y de la tasa de producción de calor, al hormona tiroidea T3 (3,5,3'-tri-iodo-L-tironina) está implicada en la regulación térmica de vertebrados .
algunas enzimas pueden manejar la energía derivada de hidrólisis del ATP de tal manera que determinan cuánta energía se utiliza para el trabajo y cuánta se disipa como calor .
baja energía rotos durante catálisis.
Para la Ca2+-ATPasa se encontró que la cantidad de calor liberada durante la hidrólisis del ATP varía dependiendo de si el residuo de acilfosfato formado a partir del ATP es hidrolizado antes o después de su transformación de "alto" a "bajo" contenido de energía. El transporte de Ca2+ a través de la membrana ocurre durante esta conversión. Si la ruptura sucede cuando el acilfosfato tiene una alta energía de hidrólisis (ambiente hidrofílico en el sitio catalítico) entonces toda la energía derivada de la ruptura se convierte en calor y no se utiliza nada para el transporte de Ca2+. Inversamente, cuando el acilfosfato bajo en energía se rompe (ambiente hidrofóbico en el sitio catalítico) una buena parte de la energía se utiliza para el transporte de Ca2+ y poca energía queda disponible para ser convertida en calor. La regulación de la producción del calor depende por lo tanto del cociente entre los residuos del acilfosfato de alta yAnteriormente se consideraba que la energía derivada de hidrólisis de los compuestos de fosfato se libera en el momento exacto de hidrólisis del enlace de fosfato y que la cantidad de energía liberada y la fracción de ella que se convierte en calor es siempre la misma sin importar si el compuesto se encuentra en solución o en la superficie de la enzima. En otras palabras las enzimas actuan como catalizadores, no teniendo ningún efecto en la energía de hidrólisis del substrato ni controlando la fracción de la energía total liberada que se convierte en calor.
