ATP. omo fuente de energía en los sitemas vivo.
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.
Los dos procesos más importantes que dan lugar a la formación del ATP son la fotosíntesis y la respiración celular. Ambos están asociados con el flujo de electrones a través de una cadena transportadora localizada en una membrana (la tilacoide de los cloroplastos en la fotosíntesis y la membrana interna de otra organela, la mitocondria, en la respiración). En la fotosíntesis los electrones fluyen desde el fotosistema II al fotosistema I, impulsados por la energía radiante que captan los fotosistemas. En la respiración, la energía proviene de la oxidación de sustancias derivadas de los alimentos y la concomitante reducción del oxígeno con formación de agua. La síntesis de ATP cesa si se perturba la integridad de las membranas donde transcurre el flujo de electrones. (1)
Hidólisis de ATP y energía libre.
Una molécula de ATP está formada por una base nitrogenada adenina ligada a ribosa (un azúcar), que está unida a una secuencia de tres grupos fosfatos. La hidrólisis del ATP genera energía libre, así como ADP y un ión fosfato inorgánico, HPO4-2 que se abrevia p. Así:
la propiedad importante de esta reacción es que es exergónica, por lo que libera energía libre. El cambio de energía libre (DG) es de alrededor de -7.3 kcal/mol a temperatura, Ph y concentración de solutos definidos.
Dos características del ATP son responsables de la energía libre liberada por la pérdida de uno de sus grupos fosfato:
Ø La energía libre del enlace P-O entre los grupos fosfato es mucho más alta que la energía del enlace H-O , que se forma después de la hidrólisis. Por lo tanto, ésta libera cierta energía utilizable.
Ø Como los fosfatos tienen carga negativa y, en consecuencia, se repelen entre sí, se requiere energía para acercarlos lo suficiente para que se forme un enlace covalente que los una. (2)
La hidrólisis, al provocar la separación de cargas, elimina la repulsión electrostática entre las cuatro cargas negativas del ATP.
El producto fosfato inorgánico (P;) se estabiliza por la formación de un híbrido de resonancia, en el que cada uno de los cuatro enlaces fósforo-oxígeno tiene el mismo grado de carácter de doble enlace mientras que el ión hidrógeno no está asociado de manera permanente con ninguno de los
oxígenos.
El producto ADP2-se ioniza inmediatamente, liberando un protón a un medio de [H+] muy baja (pH 7). Un cuarto factor (no mostrado) que favorece la hidrólisis del ATP es el mayor grado de solvatación (hidratación) de los productos P; y ADP con relación al ATP, lo que estabiliza todavía más
los productos con relación a los reactivos. (3)
Hidrólisis de ATP, acoplada a las reacciones bioquímicas no espontáneas
Muchas reacciones exergónicas diferentes de la célula pueden aportar la energía para convertir ADP en ATP. En los eucariontes, la más importante de ellas es la respiración celular, en la que parte de la energía liberada de moléculas alimentadoras es capturada por el ATP. La formación y la hidrólisis del ATP representan lo que podría denominarse un “ciclo de acoplamiento de energía”, en el que el ADP recoge la energía de reacciones exergónicas para convertirse en ATP, que DINA energía para reacciones endergónicas.
¿Cómo atrapa y libera energíaeste ciclo de ATP?. Una reacción exergónica se acopla a la reacción endergónica que forma ATP a partir de ADP y P.
El acoplamiento exergónico y endergónicos es muy común en el metabolismo. Cuando se forma, el ATP captura energía libre y la conserva en forma de enlace P-O. Después, se difunde a otro lugar de la célula, donde su hidrólisis libera energía libre para impulsar una reacción endergónica. (2)
Potenciales de transferencia de fosfatos.
Los compuestos fosforilados hallados en las células se clasifican, frecuentemente, como compuestos de alto o bajo contenido energético, según sea la magnitud de los valores del ΔGº´de su hidrólisis.
Energía libre estándar de hidrólisis de algunos compuestos fosforilados
Compuestos .............Potencial de transferencia del grupo fosfato
Fosfoenolpiruvato-------------------------------14.8
Fosfoarginina-----------------------------------7.7
ATP (ADP+Pi)----------------------------------7.3
Glucosa 1-fosfato-------------------------------5.0
Glucosa 6-fosfato------------------------------3.3
Cualquier compuesto situado en la escala por encima del ATP tenderá a perder su grupo fosfato y a cederlo a una moléculas capaz de aceptar dicho grupo, la cual se hallará en la parte inferior de la escala, como el ADP, siempre que se halle presente un catalizador capaz de promover su transferencia. De modo parecido el ATP tenderá a ceder su grupo fosfato a su aceptor situado por debajo de él en la escala. Esta escala nos informa la tendencia termodinámica o potencial del grupo fosfato y experimentar su transferencia. La expresión de potencial de transferencia del grupo fosfato, se emplea frecuentemente para indicar la "presión" del grupo fosfato.
El hecho de que el ATP posea un valor intermedio en esta escala resulta de especial significación, ya que el ATP desempeña el papel intermediario común en la mayor parte de las reacciones de transferencia de grupos fosfato en la célula catalizadas por enzimas: el ADP puede aceptar un grupo fosfato de un compuesto fosforilado que se halle situado por encima de él en la escala, y el ATP que se forma puede ceder dicho grupo fosfato a una moléculas capaz de aceptarlo rindiendo un fosfato situado abajo en la escala. (3)
NADH y FADH2 como fuentes del poder reductor
La dinucleótido de nicotinamida adenina (abreviada NAD+ en su forma oxidada y NADH en su forma reducida) es una coenzima que contiene la vitamina B3 y cuya función principal es el intercambio de electrones e hidrogeniones en la producción de energía de todas las células.
El NAD+ interviene en múltiples reacciones metabólicas de óxido-reducción. Cuando una enzima oxida un sustrato por deshidrogenación, los átomos de hidrógeno arrancados a dicho sustrato son cedidos por la enzima al NAD+; éste actúa como agente oxidante al aceptar dos electrones (y un protón), quedando libre en el medio otro protón:
A-H2 + NAD+ → A + NADH+H+
El NADH es la forma reducida del NAD+, ya que posee dos electrones (y un protón) más. El NADH actúa como transportador de 2e- y 1H+, para acabar cediéndolos. En el catabolismo aerobio, el NADH cede sus electrones al complejo NADH-deshidrogenasa (el primer elemento de la cadena respiratoria) situado en la membrana interna de la mitocondria; en el catabolismo anaerobio, como en la fermentación láctica, el NADH cede sus electrones al ácido pirúvico que se reduce a ácido láctico.
El NADP+ es la nicotinamida adenín dinucleótido fosfato, siendo la NADPH su forma reducida; su mecanismo de acción es similar al descrito para el NAD+. La principal función del NADP+ es la oxidación de la glucosa-6-fosfato a 6-fosfato-gluconato en la Via de las pentosas, via alternativa de la oxidación de la Glucosa, cuyo objetivo principal es la producción de Ribosas y NADPH para su utilización durante la síntesis de ácidos grasos.
Las formas reducidas del NAD+ se obtienen de la glucólisis y ciclo de Krebs principalmente.
El FAD es una molécula compuesta por una unidad de riboflavina (vitamina B2), unida a un pirofosfato (P-P), éste unido a una ribosa y ésta unida a una adenina. Por tanto, la molécula es en realidad ADP unido a riboflavina; o también AMP unido al coenzima FMN.
Bioquímicamente es una coenzima que interviene como dador o aceptor de electrones y protones (poder reductor) en reacciones metabólicas redox; su estado oxidado (FAD) se reduce a FADH2 al aceptar dos átomos de hidrógeno (cada uno formado por un electrón y un protón), según la siguiente reacción:
Por tanto, al reducirse capta dos protones y dos electrones, lo que lo capacita para intervenir como dador de energía y/o poder reductor en el metabolismo . Por ejemplo, el FAD (y también el NAD), se reducen en el ciclo de Krebs y se oxida en la cadena respiratoria (respiración aeróbica).
La función bioquímica general del FAD es oxidar los alcanos a alquenos, mientras que el NAD+ (un coenzima con similar función) oxida los alcoholes a aldehídos o cetonas. Esto es debido a que la oxidación de un alcano (como el succinato) a un alqueno (como el fumarato) es suficiente exergónica como para reducir el FAD a FADH2, pero no para reducir el NAD+ a NADH.
La reoxidación del FADH2 (es decir, la liberación de los dos electrones y dos protones capturados) tiene lugar en la cadena respiratoria, lo que posibilita la formación de ATP (fosforilación oxidativa).
Muchas oxidorreductasas, denominadas flavoenzimas o flavoproteínas, requieren FAD como coenzima para oxidar los substratos. Pero en el enzima succinato deshidrogenasa, que oxida el succinato a fumarato en el ciclo de Krebs, el FAD es realmente un grupo prostético, ya que está unido fuerte y permanentemente al enzima mediante un enlace covalente. (5)
BIBLIOGRAFÍA
(1) http://www.cienciahoy.org.ar/hoy27/atp.htm
(2) Purves. La ciencia de la Biología. ed. médica Panamericana, 2009.
(3) http://grupos.unican.es/asignaturabioquimica/documentos/AAgrado%2009-10/T10%20TRANSFERENCIA%20DE%20GRUPOS%20FOSFORILO%20Y%20ATP%20.pdf
(4) Lehninger, Albert L. "Bioquímica" Ed. Omega, S. A. 15a ed. Barcelona, 1991. pp. 413, 414.
(5) http://mobilisvulgaris.wordpress.com/2010/07/01/atp-2/
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