TEMA 31: PAPEL DEL SISTEMA ATP/ADP EN LOS PROCESOS DE TRANSFERENCIA E INTERCONVERSIÓN DE LAS DISTINTAS FORMAS DE ENERGÍA.

Moléculas nutrientes + O2 CO2 + H2Oexergónica

ADP + Pi ATP

endergónica

Productos Reactivos

Las células heterotróficas obtienen energía libre en forma química a través del catabolismo (degradación) de las moléculas nutrientes y utilizan esta energía para producir ATP a partir de ADP y Pi. A continuación el ATP cede parte de su energía química a procesos endergónicos (anabolismo). Ejem, síntesis de intermediarios metabólicos y macromoléculas.

Esta cesión de energía a partir de ATP generalmente implica la participación covalente del ATP en la reacción que a de ser impulsada, con el resultado final de que el ATP se convierte en ADP y Pi o en algunas ocasiones en AMP y PPi.

Hidrólisis ATP:El potencial de hidrólisis de cada uno de los enlaces α, ß, γ de los grupos fosfatos tiene un valor debido a que su naturaleza es diferente.

HIDRÓLISIS PIROFOSFOLÍTICA

ATP + H2O ADP -2 + PPi ΔG’º = -45,6 KJ/mol Esta reacción tiene asociada la hidrólisis del PPi a 2 Pi debido a que su vida es muy corta y que en casi todas las células existe un enzima que lo hidroliza.

PPi +H2O 2 Pi ΔG’º = -19,2 KJ/mol.

Nota: las reacciones que en condiciones estándar transformadas tengan un ΔG’º > -30,5 KJ/mol, se tendrá que acoplar la reacción de hidrólisis pirofosfolítica de ATP.

ΔG GRANDE Y NEGATIVA

ATP a pH 7 tiene 4 cargas negativas, que están muy próximas entre sí formándose fuerzas de repulsión, que disminuye al producirse la hidrólisis.

En la hidrólisis del ATP el Pi que se forma se estabiliza mediante resonancia y el ADP2- que se forma se ioniza inmediatamente liberando un protón al medio de [H+] muy baja (pH 7).

Como la concentración de los productos directos de la hidrólisis del ATP en la célula estan por debajo de las concentraciones de equilibrio, la acción de masas favorece la reacción de hidrólisis del ATP.

La variación de energía libre para la hidrólisis del ATP es -30,5 KJ/mol en condiciones estándar (ΔG’º), pero la energía libre real de hidrólisis (ΔG) del ATP en las células es muy diferente, ya que las concentraciones de ATP, ADP y Pi no son idénticas y son mucho menores que las concentraciones estándar 1,0 M.

.Nota: en muchas reacciones el acoplamiento de ATP proporciona energía por la transferencia de grupo, no por la simple hidrólisis.

El ATP dona grupo fosforilo, pirofosforilo y adenililo:

Las reacciones de ATP son generalmente desplazamientos nucleófilos SN2, en los que el nucleófilo puede ser el oxígeno de un alcohol (R-OH), de un grupo carboxilo (R-COO -) o un fosfoanhídrido (un nucleósido mono- o difosfato). Cada uno de los tres fosfatos del ATP es susceptible de ataque nucleofílico y cada posición de ataque conduce a un tipo de producto.

Ataque de un alcohol sobre el fosfato γ desplaza ADP y produce un nuevo éster fosfato. El oxígeno puente del nuevo compuesto proviene del alcohol no del ATP; el grupo transferido por el ATP es un fosforilo (-PO3

2-) y no un fosfato (-OPO2-3). (síntesis de glutamina)

El ataque sobre el fosfato ß del ATP desplaza AMP y transfiere un grupo pirofosforilo.(Formación del intermediario 5’-fosforribosil—pirofosfato, en la síntesis de nucleótidos)

El ataque nucleofílico sobre la posición α del ATP desplaza PPi y transfiere adenilato (5’-AMP) como un grupo adenililo; la reacción es una adenililación. Este PPi es hidrolizado por la pirofosfato hidrolasa lo que proporciona un empujón energético adicional para la reacción de adenililación.La adenililación es un reacción termodinámicamente muy favorable.(Activación de los ácidos grasos).

EL ATP PROPORCIONA ENERGÍA POR TRANSFERENCIA DE GRUPO Y NO POR SIMPLE HIDRÓLISISLas reacciones donde interviene el ATP se suelen mostrar como reacciones simples donde se refleja la hidrólisis del ATP mediante una fecha, mostrando la conversión del ATP en ADP + Pi o en AMP + PPi. Pero esto no es así ya que la simple hidrólisis no puede impulsar un proceso químico en un sistema isotérmico.

Casi siempre se suele dar en dos pasos este tipo de reacciones.1º/ Parte de la molécula de ATP (fosforilo, pirofosforilo o adenilato “AMP”), se transfiere a la molécula de sustrato o a un aminoácido de un enzima, quedando unido de manera covalente y elevando así su contenido en energía libre.2º/ Se desplaza la porción que contiene el grupo fosfato transferido en el primer paso, generando Pi, PPi, AMP.

Así el ATP participa de forma covalente en la reacción catalizada enzimáticamente a la que aporta energía libre.

Otros compuestos con energías libres de hidrólisis elevadas

FosfoenolpiruvatoCreatin fosfato1,3 bifosfooglicerato.

FOSFOENOLPIIRUVATO: Contiene un enlace éster fosfato que puede ser hidrolizado dando la forma enol del piruvato y este producto directo de la hidrólisis puede tautomerizarse en la forma ceto que es más estable.

1,3 BIFOSFOGLICERATO:

Compuesto de tres carbonos que contiene un enlace anhídrido entre el grupo carboxilo en C-1 y el ácido fosfórico. En la hidrólisis uno de los productos directos el ácido 3-fodfoglicérico, puede perder inmediatamente un protón para dar el ión carboxilato ( 3-fosfoglicerato), que tiene dos formas de resonancia igualmente probables.

FOSFOCREATINAEl enlace P-N puede ser hidrolizado formando creatina libre y Pi y lla estabilización por resonancia de la creatina favorece la reacción directa.

Nota: todas estas reacciones se ven favorecidos termodinámicamente por el cambio de entropía entre los reactivos y los productos, donde es mayor.

ATP COMO INTERMEDIARIO: El ATP puede ser sintetizado por los compuestos con capacidad de trasferencia del grupo fosfato, al donar el grupo fosfato al ADP.Esto es termodinámicamente favorable debido a que la ΔG’ºformación del ATP es menos a la ΔG’º de hidrólisis. Al acoplarse una con la otra la ΔGtotal es negativa y por lo tanto termodinámicamente posible.

TIOÉSTERES:Compuestos donde un átomo de azufre sustituye al oxígeno usual en el enlace éster.El Acetil-CoA es unos de los tioésteres importantes en el metabolismo.

El grupo acilo de estos compuestos se activa por reacciones de transacilación, condensación u oxidación-reducción, consumiendo energía (termodinámicamente desfavorables).Estos compuestos consiguen su elevada ΔG, debido a que los tioésteres tienen una estabilización por resonancia mucho menos que los ésteres de oxígeno; en consecuencia, la diferencia en energía libre entre el reactivo y sus productos (estabilizados por resonancia) es mayor para los tioésteres que para los ésteres de oxígeno.(aumenta más la entropía)

Potenciales de fosforilación del ATP a concentraciones reales:

ΔGp = ΔG’º +RT ln [ADP] [Pi][ATP]

Esta ecuación sirve para calcular la energía libre real de hidrólisis del ATP en condiciones intracelulares. Dependerá del pH, temperatura y concentración de Mg2+.