Adenosín Trifosfato
Los seres vivos requieren de la continua utilización de energía para tres principales propósitos: la realización de trabajo mecánico en la contracción muscular u otros movimientos celulares, el transporte activo de iones y moléculas, y la síntesis de macromoléculas y otras biomoléculas a partir de precursores más simples. 2
El principal donador de energía en la mayoría de los procesos que la requieren es el adenosín trifosfato (ATP). 2
El ATP es un nucleótido constituido por una adenina, una ribosa y una unidad trifosfato (Fig. 1). 2
Una gran cantidad de energía se libera cuando el ATP se hidroliza a adenosín difosfato (ADP) y ortofosfato (Pi) o cuando se hidroliza a adenosín monofosfato (AMP) y pirofosfato (PPi). 2
Constituye una molécula rica en energía debido a que su unidad trifosfato contiene dos enlaces fosfoanhídrido. Una gran cantidad de energía se libera cuando el ATP se hidroliza a adenosín difosfato (ADP) y ortofosfato (Pi) o cuando se hidroliza a adenosín monofosfato (AMP) y pirofosfato (PPi). 1
Figura 1. La molécula de ATP se encuentra conformada por una base púrica (adenina), un azúcar (ribosa) y tres grupos fosfatos en cuyos enlaces se almacena una gran cantidad de energía, la cual se libera al romperse los enlaces y es empleada por la célula en diferentes procesos.
El ATP es el principal donador inmediato de energía en los sistemas biológicos. En una célula típica, la molécula de ATP se consume dentro del primer minuto que sigue a su formación, por lo que el movimiento, el transporte activo, la amplificación de señales y los procesos de biosíntesis pueden ocurrir sólo si el ATP se regenera continuamente. 1
Funciones del ATP
- Aporta la energía (química) que necesitan las múltiples reacciones químicas que ocurren en el organismo: Procesos oxidativos de sustancias combustibles como el glucógeno, la glucosa y los lípidos. 1
- Aporta la energía necesaria para la ocurrencia de casi todos los procesos celulares: Respiración, secreción hormonal, biosíntesis de sustancias (reparación de tejidos), transmisión de impulsos nerviosos, división celular, etc. 1
- Aporta la energía necesaria para el transporte de sustancias a través de membranas (30 % del ATP). 1
- Facilita la energía necesaria para la contracción muscular. El ATP es fuente inmediata de energía para el trabajo muscular. 1
- Su forma aniónica, juega es decisiva en el mecanismo de contracción muscular. 1
- Tiene actividad enzimática (ATPásica), facilitando la ocurrencia de muchas reacciones bioquímicas del organismo a la velocidad necesaria. 1
Estructura del ATP: inestabilidad y formación de híbridos de resonancia
Donde se necesita energía, el ATP es el principal encargado de donarla rompiéndose el enlace fosfato. Pero será preciso resintetizar otra vez el ATP en otros procesos, generándose un ciclo sin fin en los seres vivos. 2
En los procesos OXIDATIVOS se libera energía, parte de la cual es utilizada para la síntesis de ATP:
ADP + Pi --------------------------> ATP (
G0' = +7.3 kcal/mol)
G0' = +7.3 kcal/mol)Otros procesos,precisan un aporte de energía , suministrada por el ATP, con lo que existe un ciclo del ATP en muchos procesos biológicos. Su estructura es responsable de su capacidad como intermediario energético en las reacciones biológicas, ya que le confiere un G°' muy negativo para su hidrólisis; por ello el ATP posee una alta capacidad de transferencia de restos fosfato. 2
G°' muy negativo para su hidrólisis; por ello el ATP posee una alta capacidad de transferencia de restos fosfato. 2Debido a que el depende de la diferencia entre la energía libre de los productos y la de los reactantes, se debe analizar la estructura del ATP y la de sus productos de hidrólisis, ADP y Pi. A este respecto son importantes tres factores: la estabilización por resonancia, la repulsión electrostática y la estabilización por hidratación. 2
1.- Energía de Estabilización por resonancia: El ADP y Pi tienen mayor estabilización por resonancia que el ATP. El ortofosfato presenta varias formas resonantes con energía similar, en tanto que el grupo gamma-fosforilo del ATP presenta un número menor. 2
También viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa. 2
Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos. 2
La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis. 2
2.- Repulsión electrostática: A pH 7 , la unidad trifosfato del ATP presenta cuatro cargas negativas. Estas cargas se repelen mutuamente al estar muy próximas. Al hidrolizarse el ATP, la repulsión entre ellas se reduce. 2
3.- Estabilización debido a la hidratación: Por último, el agua se puede unir más eficazmente al ADP y Pi, que a la porción fosfoanhídrido del ATP, con lo cual el ADP y Pi se estabilizan por hidratación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP. 2
Potenciales de transferencia de fosfato
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Hidrólisis de ATP y energía libre
Producto de las interacciones y los choques efectivos ocurridos entre el ATP y las moléculas de agua (H2O) bajo la acción enzimática, los tres enlaces P~O de "alta energía" del primero y uno de los enlaces O-H del agua se rompen, con el consecuente reordenamiento atómico que origina la formación de nuevos enlaces y nuevas estructuras moleculares (ADP, AMP y P (H3PO4) ) y la liberación de una energía libre aprovechable (proceso exergónico) para la realización de distintos tipos de trabajo biológico: de transporte activo de sustancia a través de membranas, para la contracción y la relajación muscular, en el impulso nervioso, en la secretación hormonal, para la realización de múltiples reacciones del metabolismo (endergónicas) en la que se formas cientos de sustancias necesarias al organismo, etc. 1
El ATP es un nucleotido que consta de una adenina, una ribosa y un grupo trifosfato. La forma activa del ATP es normalmente un complejo de ATP con Mg2+ o Mn2+ . Al considerar el papel del ATP como el de un transportador de energía, debemos fijarnos en su grupo trifosfato. El ATP es una molécula rica en energía porque su componente trifosfato contiene dos enlaces anhídrido fosfórico. Cuando el ATP se hidroliza hasta adenosina difosfato (ADP) y ortofosfato (Pi) o cuando se hidroliza hasta adenosina monofosfato (AMP) y pirofosfato (PPi) se desprende una gran cantidad de energía libre. 1
La energía libre desprendida en la hidrólisis del ATP se utiliza para impulsar reacciones que requieren un aporte de energía libre, como son la de contracción muscular. A su vez se forma ATP ,a partir de ADP y Pi en los seres quimiótrofos cuando se oxidan las moléculas combustibles o en fotótrofos cuando la atrapan de la luz. Este ciclo de ATP-ADP es la forma fundamental de intercambio de energía en los seres vivos. 1
Algunas reacciones biosintéticas se hallan dirigidas por la hidrólisis de nucleosidos trifosfato que son análogos al ATP, es decir, la guanosina trifosfato (GTP), la uridina trifosfato (UTP) y la citidina trifosfato(CTP) . Las formas difosfatadas de estos nucleotidos se designan GDP, UDP y CDP, respectivamente y las formas monofosfato por GMP, UMP y CMP. Hay enzimas que catalizan la transferencia del grupo fosforilo terminal de un nucleotido a otro. Las nucleosidos monofosfatos quinasas realizan la fosforilación de los nucleosidos monofosfato. Una enzima muy especifica, la nucleosido difosfato quinasa realiza la fosforilación de los nucleótidos difosfato. 1
Se debe resaltar que, aunque todos los nucleosidos trifosfato son equivalentes desde el punto de vista energético. El ATP, es sin lugar a dudas, el principal transportador energético de la célula y desempeña un papel primordial en el metabolismo energético. 1
Hidrólisis de ATP acoplada a las reacciones bioquímicas no espontáneas
Una reacción termodinámicamente desfavorable puede resultar posible al acoplarse a la hidrólisis del ATP. Supongamos una reacción de éstas características sin aporte de energía libre, una situación muy frecuente en las reacciones biosintéticas. 1
NADH y FADH2 como fuentes de poder reductor
En la fosforilación oxidativa, el flujo de electrones desde el NADH y el FADH2 hasta el oxígeno conduce al bombeo de H+ desde la matriz hacia el espacio intermembranoso. 2
Este gradiente de H+ puede producir ATP cuando pasa a través de la ATP sintasa en la membrana mitocondrial interna. 2
El NADH2 se forma en la carboxilación del pirúvico para formar Acetil CoA, se forma en la mitocondria, por tanto, al entrar en la mitocondria no se asocia en la cadena respiratoria al complejo I sino al complejo II como el FADH2, por ello, de esos 2 NADH2 que se forman en esta descarboxilación no dan 6 ATP sino 4 ATP, por tanto el balance global de la degradación de una molécula no son 38 ATP sino 36 ATP. 2
Bibliografía
