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Curso: Biología avanzada (AP Biology) > Unidad 3

Lección 3: Energía Celular
Ciencia
Biología avanzada (AP Biology)
Energética Celular
Energía Celular
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El ATP y las reacciones acopladas

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Estructura del ATP, hidrólisis de ATP a ADP y acoplamiento de reacciones.

Introducción

Una célula puede considerarse como una pequeña ciudad bulliciosa. Proteínas portadoras mueven sustancias hacia el interior y el exterior de la célula, proteínas motoras transportan cargas a lo largo de pistas formadas por microtúbulos y las enzimas metabólicas afanosamente degradan y construyen macromoléculas.
Incluso si no son energéticamente favorables (que liberan energía, o que son exergónicos) de forma aislada, estos procesos continuarán alegremente si hay energía disponible para impulsarlos (así como un negocio que continuará realizándose en una ciudad mientras fluya dinero). Sin embargo, si la energía se agota, las reacciones se detienen y la célula comienza a morir.
Las reacciones energéticamente desfavorables se "pagan" con reacciones acopladas energéticamente favorables que liberan energía. En la reacción de "pago" suele participar una pequeña molécula en particular: el trifosfato de adenosina, o ATP.

Hidrólisis y estructura del ATP

El trifosfato de adenosina, o ATP, es una molécula pequeña relativamente simple. Esta puede ser considerada como la principal moneda energética de las células, así como el dinero es la principal moneda económica de las sociedades humanas. La energía liberada por la hidrólisis (degradación) del ATP se utiliza para impulsar muchas reacciones celulares que requieren energía.
Estructura del ATP. En el centro de la molécula se encuentra un azúcar (ribosa), unida a la base adenina de un lado y a una cadena de tres fosfatos al otro. El grupo fosfato más cercano a la ribosa se denomina grupo fosfato alfa, el que está a la mitad de la cadena es el grupo fosfato beta y el del final es el grupo fosfato gama.
Crédito de la imagen: OpenStax Biología
Estructuralmente , el ATP es un nucleótido de ARN que lleva una cadena de tres fosfatos. En el centro de la molécula se encuentra un azúcar de cinco carbonos, una ribosa, que se une a la base nitrogenada adenina y a la cadena de tres fosfatos.
Los tres grupos fosfato se denominan —en orden del más cercano al más alejado del azúcar ribosa— alfa, beta y gamma. El ATP es inestable debido a las tres cargas negativas adyacentes en su cola fosfato, la cuales no se "quieren" e intentan alejarse entre ellas. Los enlaces entre los grupos fosfato se llaman enlaces fosfoanhídridos y puedes encontrar que se conocen como enlaces de "alta energía".

Hidrólisis del ATP

¿Por qué se considera que los enlaces fosfoanhídridos son de alta energía? Lo que esto realmente significa es que se libera una cantidad apreciable de energía cuando uno de estos enlaces se rompe en una reacción de hidrólisis (ruptura mediada por agua). El ATP se hidroliza a ADP en la siguiente reacción:
ATP+H2O⇋ADP+Pi+energía
Nota: Pi simplemente representa a un grupo de fosfato inorgánico (PO43−).
Como la mayoría de las reacciones químicas, la hidrólisis de ATP en ADP es reversible. La reacción inversa, que regenera ATP a partir de ADP y Pi, requiere energía. La regeneración de ATP es importante porque las células tienden a usar (hidrolizar) las moléculas de ATP muy rápidamente y dependen de que el ATP sea reemplazado constantemente1.
Imagen del ciclo del ATP. El ATP es como una batería cargada, mientras que el ADP es como una batería muerta. El ATP puede ser hidrolizado a ADP y Pi mediante la adición de agua, liberando energía. El ADP puede "recargarse" para formar ATP al añadir energía, y combinarse con Pi en un proceso que libera una molécula de agua.
Puedes considerar al ATP y al ADP como una especie de batería recargable, en sus formas cargada y descargada (como se muestra anteriormente). El ATP, la batería cargada, tiene energía que puede ser utilizada para alimentar reacciones celulares. Una vez que la energía ha sido utilizada, la batería descargada (ADP) debe recargarse antes poder usarla de nuevo como fuente de poder. La reacción de regeneración del ATP es la reacción inversa de la hidrólisis:
Energía+ADP+Pi⇋ATP+H2O
Hemos mencionado que se libera un montón de energía libre durante la hidrólisis de ATP, pero ¿exactamente de cuánto estamos hablando? La ∆G para la hidrólisis de un mol de ATP en ADP y Pi es −7.3 kcal/mol (−30.5 kJ/mol) en condiciones estándar (concentración 1M de todas las moléculas, a 25°C, and pH=7.0). No está mal, pero las cosas se ponen más impresionantes bajo condiciones no estándar: ∆G para la hidrólisis de un mol de ATP en una célula viva es casi el doble del valor observado en condiciones normales, cerca de −14kcal/mol (−57 kJ/mol).

Acoplamiento de reacciones

¿Cómo se utiliza la energía liberada por la hidrólisis de ATP para impulsar otras reacciones en una célula? En la mayoría de los casos, las células utilizan una estrategia denominada acoplamiento de reacciones, en la que una reacción energéticamente favorable (como la hidrólisis de ATP) se vincula directamente con una reacción energéticamente desfavorable (endergónica). La vinculación suele ocurrir mediante un compuesto intermedio compartido, lo que significa que el producto de una reacción es "tomado" y utilizado como reactivo en la segunda reacción.
Cuando dos reacciones se acoplan, estas pueden sumarse para dar una reacción general y la ΔG de esta reacción será la suma de los valores de ΔG de las reacciones individuales. Mientras el ΔG global sea negativo, ambas reacciones pueden ocurrir. Incluso puede ocurrir una reacción muy endergónica si se acopla a una muy exergónica (como la hidrólisis de ATP). Por ejemplo, podemos sumar un par de reacciones genéricas acopladas por un intermedio común, B, de la siguiente manera2:
A⇋BΔG=X+B⇋C+DΔG=YA⇋C+DΔG=X+Y
Te habrás dado cuenta que el intermediario, B, no aparece en la reacción acoplada general. Esto se debe a que aparece como producto y como reactivo, así que las dos Bs se cancelan entre sí al sumar las reacciones.

El ATP en el acoplamiento de reacciones

Cuando participa ATP en el acoplamiento de reacciones, el intermedio compartido suele ser una molécula fosforilada (una molécula a la que se ha añadido un grupo fosfato del ATP). Como ejemplo de cómo funciona esto, veamos la formación de sacarosa, o azúcar de mesa, a partir de glucosa y fructuosa3,4.

Estudio de caso: ¡hagamos sacarosa!

La formación de sacarosa requiere de un aporte de energía: su ΔG es cercana a +27 kJ/mol (en condiciones estándar). La hidrólisis de ATP tiene una ΔG aproximada de −30 kJ/mol en condiciones estándar, por lo que puede liberar suficiente energía para "pagar" por la síntesis de una molécula de sacarosa:
glucosa +fructosa⇋sucrosaΔG=+27 kJ/molATP+H2O⇋ADP+PiΔG=−30 kJ/molglucosa +fructosa+ATP⇋sucrosa+ADP+PiΔG=−3kJ/mol
¿Cómo se canaliza la energía liberada durante la hidrólisis de ATP en la producción de una molécula de sacarosa? Resulta que en realidad se están llevando a cabo dos reacciones, no una sola reacción grande, y el producto de la primera reacción actúa como reactivo de la segunda.
  • En la primera reacción, se transfiere un grupo fosfato del ATP a la glucosa para formar un intermediario fosforilado de la glucosa (glucosa-P). Esta es una reacción energéticamente favorable (que libera energía) porque el ATP es muy inestable, es decir, realmente "quiere" perder su grupo fosfato.
  • En la segunda reacción, el intermediario glucosa-P reacciona con la fructuosa para formar sacarosa. Debido a que la glucosa-P es relativamente inestable (gracias al grupo fosfato que tiene unido), esta reacción también libera energía y es espontánea.
Ilustración del acoplamiento de reacciones por medio de ATP.
En la reacción desacoplada, la glucosa y la fructosa se combinan para formar sacarosa. Esta reacción es termodinámicamente desfavorable (requiere energía).
Cuando esta reacción es acoplada con la hidrólisis del ATP, se lleva a cabo en dos pasos energéticamente favorables. En el primer paso, se transfiere un grupo fosfato del ATP a la glucosa, creando la molécula intermediaria glucosa-P. La glucosa-P es reactiva (inestable) y puede reaccionar con la fructosa para generar sacarosa, liberando un fosfato inorgánico en el proceso.
Este ejemplo muestra cómo una reacción acoplada que involucra ATP puede funcionar por medio de fosforilación, al dividir una reacción en dos pasos energéticamente favorables conectados por un intermediario fosforilado (que lleva un fosfato). Esta estrategia es utilizada en muchas rutas metabólicas en la célula, y proporciona una manera para que la energía liberada al convertir ATP en ADP se use para promover otras reacciones.

Diferentes tipo de reacciones acopladas en la célula

El ejemplo anterior muestra cómo la hidrólisis de ATP puede acoplarse a una reacción de biosíntesis. Sin embargo, la hidrólisis de ATP también puede acoplarse a diferentes tipos de reacciones celulares, como los cambios conformacionales de las proteínas que transportan otras moléculas hacia el interior o el exterior de la célula.

Estudio de caso: la bomba de sodio-potasio

Mover sodio (Na+) al exterior o potasio (K+) al interior de una célula típica es energéticamente desfavorable porque este movimiento es en contra de sus gradientes de concentración. El ATP proporciona la energía para el transporte de sodio y potasio a través de una proteína incrustada en la membrana llamada bomba de sodio-potasio (bomba de Na+/K+).
  1. Tres iones de sodio se unen a la bomba de sodio-potasio, que está abierta hacia el interior de la célula.
  2. La bomba hidroliza ATP, se fosforila (al unir un grupo fosfato a sí misma) y libera ATP. Este evento de fosforilación causa un cambio conformacional en la bomba: se cierra en el interior de la célula y se abre en el exterior de la célula. Los tres iones de sodio se liberan y dos iones de potasio se unen al interior de la bomba.
  3. La unión de los iones de potasio desencadena otro cambio conformacional en la bomba, la cual pierde su grupo fosfato y vuelve a la forma en la que se abre hacia adentro. Los iones de potasio se liberan al interior de la célula y el ciclo de la bomba puede comenzar otra vez.
Imagen modificada de La bomba de intercambio de sodio-potasio, por personal de Blausen (CC BY 3.0).
En este proceso, el ATP transfiere uno sus grupos fosfato a la proteína bomba, y se forma ADP y una forma fosforilada "intermediaria" de la bomba. La bomba fosforilada es inestable en su conformación original (que abre hacia el interior de la célula) y se estabiliza al cambiar de forma, abriéndose hacia el exterior de la célula, donde libera iones sodio. Cuando se unen iones potasio extracelulares a la bomba fosforilada, estos activan la eliminación del grupo fosfato, con lo que la proteína se vuelve inestable en su forma que abre hacia el exterior. La proteína se vuelve más estable al regresar a su forma original, con lo que libera los iones potasio dentro de la célula.
Aunque este ejemplo involucra gradientes químicos y proteínas transportadoras, el principio básico es semejante al ejemplo anterior de la sacarosa. La hidrólisis del ATP se acopa a un proceso que requiere trabajo (no favorable energéticamente) por medio de la formación de un intermediario fosforilado inestable, lo que permite que el proceso se lleve a cabo en una serie de pasos energéticamente favorables.

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