Bioenergética: La Función del ATP PDF

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S E C C i ó n Bioenergética II y el metabolismo de carbohidratos y lípidos 11 C a p í t u l o Bioenergética: la función del atp Kathleen M. Botham, PhD, DSc y Peter A. Mayes, PhD, DSc O b j e t i v O s Enunciar la primera y segunda leyes de la termodinámica, y entender cómo se aplican a sistemas biológicos. Después de estudiar Explicar qué significan los términos energía libre, entropía, entalpía, exergónico este capítulo, usted debe y endergónico. ser capaz de: apreciar cómo las reacciones que son endergónicas pueden ser impulsadas por acoplamiento a las que son exergónicas en sistemas biológicos. Entender el papel de fosfatos de alta energía, atp y otros nucleótido trifosfatos en la transferencia de energía libre desde procesos exergónicos hacia endergónicos, lo que les permite actuar como la “moneda de energía” de las células. ImportancIa bIomédIca La energía LIbre es La La bioenergética, o termodinámica bioquímica, es el estudio de energía útIL en un sIstema los cambios de energía que acompañan a reacciones bioquími­ El cambio de energía libre de Gibbs (ΔG) es la porción del cam­ cas. Los sistemas biológicos son, en esencia, isotérmicos, y usan bio de energía total en un sistema que está disponible para des­ energía química para impulsar procesos vivos. El modo en que empeñar trabajo, es decir, la energía útil, también conocida un animal obtiene combustible idóneo a partir de sus alimentos como el potencial químico. para proporcionar esta energía es básico para el entendimiento de la nutrición y el metabolismo normales. La muerte por inani- ción ocurre cuando se agotan las reservas de energía disponibles, Los sistemas biológicos y ciertas formas de malnutrición se relacionan con desequilibrio se conforman a las leyes de energía (marasmo). Las hormonas tiroideas controlan el ín­ dice de liberación de energía (índice metabólico) y sobreviene generales de la termodinámica enfermedad cuando funcionan mal. El almacenamiento excesi­ La primera ley de la termodinámica establece que la energía vo de energía excedente causa obesidad, misma que es cada vez total de un sistema, incluso sus alrededores, permanece más común en la sociedad occidental, padecimiento que predis­ constante. Eso implica que dentro del sistema total, la energía pone a muchas enfermedades, como enfermedad cardiovascular no se pierde ni se gana durante cambio alguno; sin embargo, sí y diabetes mellitus tipo 2, además de que disminuye la esperanza se puede transferir de una porción del sistema a otra, o trans­ de vida del individuo. formarse en otra forma de energía. En sistemas vivos, la energía 109 11 Murray_C11.indd 109 11/15/12 12:31 PM  110 sección ii Bioenergética y el metabolismo de carbohidratos y lípidos química se transforma en calor o en energías eléctrica, radiante A o mecánica. La segunda ley de la termodinámica establece que para que Calor Ex un proceso ocurra de manera espontánea, es necesario que la er gó entropía total de un sistema aumente. La entropía es la exten­ D ni ca sión de trastorno o de aleatoriedad del sistema y alcanza su pun­ Energía libre to máximo conforme logra el equilibrio. En condiciones de temperatura y presión constantes, el vínculo entre el cambio de energía libre (ΔG) de un sistema que está reaccionando y el Energía cambio de entropía (ΔS) se expresa por medio de la ecuación ica química n que sigue, que combina las dos leyes de la termodinámica: r gó de En ∆G = ∆H − T∆S donde ΔH es el cambio de la entalpía (calor) y T es la tempera­ C B tura absoluta. A+C B + D + Calor En reacciones bioquímicas, dado que ΔH es aproximada­ mente igual a ΔE, el cambio total de energía interna de la reac­ FIgura 11–1 Acoplamiento de una reacción exergónica a una ción, la relación anterior puede expresarse como sigue: endergónica. ∆G = ∆E − T∆S Si ΔG es negativa, la reacción procede de modo espontáneo 11-1. La conversión del metabolito A en metabolito B ocurre con pérdida de la energía libre; esto es, es exergónica. Si, ade­ con liberación de energía libre y está acoplada a otra reacción en más, ΔG es de gran magnitud, la reacción avanza casi hasta com­ la cual se requiere energía libre para convertir el metabolito C pletarse y es, en esencia, irreversible. Por otra parte, si ΔG es en el metabolito D. Los términos exergónico y endergónico, en positiva, la reacción sólo procede si es factible ganar energía li­ lugar de los términos químicos normales “exotérmico” y “endo­ bre; de modo que es endergónica. Si, además, ΔG es de gran térmico”, indican que un proceso está acompañado de pérdida o magnitud, el sistema es estable, con poca o ninguna tendencia a ganancia, respectivamente, de energía libre en cualquier forma, que ocurra una reacción. Si ΔG es de cero, el sistema está en no siempre como calor. En la práctica, un proceso endergóni­ equilibrio y no tiene lugar un cambio neto. co no puede existir de manera independiente, sino que debe ser Cuando los reactivos están presentes en concentraciones de un componente de un sistema exergónico­endergónico acopla­ 1.0 mol/L, ΔG0 es el cambio de energía libre estándar. Para reac­ do donde el cambio neto general es exergónico. Las reacciones ciones bioquímicas, un estado estándar es definido como tener exergónicas reciben el nombre de catabolismo (en general, la un pH de 7.0. El cambio de energía libre estándar a tal estado desintegración u oxidación de moléculas de combustible), en estándar es indicado por ΔG0ʹ. tanto que las reacciones sintéticas que acumulan sustancias se El cambio de energía libre estándar puede calcularse a par­ llaman anabolismo; los procesos catabólico y anabólico combi­ tir de la constante de equilibrio Keq. nados constituyen el metabolismo. Si la reacción que se muestra en la figura 11­1 va de izquierda ∆G 0’ = −RT ln K ’eq a derecha, el proceso general debe acompañarse de pérdida de energía libre como calor. Un mecanismo posible de acoplamien­ donde R es la constante gaseosa y T es la temperatura absoluta to podría imaginarse si un intermediario (I) obligatorio común (cap. 8). Es importante notar que la ΔG real puede ser mayor o tomó parte en ambas reacciones, esto es, menor que ΔG0ʹ, según las concentraciones de los diversos reac­ tivos, incluso el solvente, diversos iones y proteínas. A+C→I→B+D En un sistema bioquímico, una enzima sólo acelera el logro del equilibrio; nunca altera las concentraciones finales de los Algunas reacciones exergónicas y endergónicas en sistemas reactivos en equilibrio. biológicos están acopladas de este modo. Este tipo de sistema tiene un mecanismo integrado para el control biológico del ín­ dice de procesos oxidativos, puesto que el intermediario obliga­ torio común permite que el índice de utilización del producto de Los procesos endergónIcos la vía sintética (D) determine mediante acción de masa el índi­ proceden por medIo ce al cual se oxida A. En realidad, estos vínculos proporcionan de acopLamIento una base para el concepto de control respiratorio, el proceso que evita que un organismo se consuma fuera de control. Las a procesos exergónIcos reacciones de deshidrogenación, que están acopladas a hidroge­ Los procesos vitales —p. ej., reacciones sintéticas, contracción naciones por medio de un acarreador intermedio (figura 11-2), muscular, conducción de impulsos nerviosos, transporte acti­ proporcionan una extensión del concepto de acoplamiento. vo— obtienen energía mediante enlace químico, o acoplamien- Un método alternativo de acoplar un proceso exergónico a to, a reacciones oxidativas. En su forma más simple, este tipo de uno endergónico es sintetizar un compuesto de alta energía poten­ acoplamiento puede representarse como lo muestra la figura cial en la reacción exergónica, e incorporar este nuevo compuesto 11 Murray_C11.indd 110 11/15/12 12:31 PM  cApítuLO 11 Bioenergética: la función del atp 111 AH2 Trans- BH2 NH2 portador N N A Trans- H2 B portador Mg2+ N N FIgura 11–2 Acoplamiento de reacciones de O– O– O– deshidrogenación e hidrogenación por un transportador – O P O P O P O CH2 O intermedio. O O O C C H H hacia la reacción endergónica, lo que efectúa una transferen­ ATP H H cia de energía libre desde la vía exergónica hacia la endergónica OH OH (figura 11-3). La ventaja biológica de este mecanismo es que el compuesto de energía potencial alta, ~ , al contrario de I en el sistema previo, no necesita estar relacionado de modo es­ NH2 tructural con A, B, C o D, lo que permite que sirva como N N un transductor de energía desde una amplia gama de reacciones exergónicas hacia una gama igual de amplia de reacciones o proce­ Mg2+ N N sos endergónicos, como biosíntesis, contracción muscular, exci­ O– O– O– tación nerviosa y transporte activo. En la célula viva, el principal – intermediario de alta energía o compuesto acarreador (designa­ O P O P O P O CH2 O do ~ en la figura 11­3), es el trifosfato de adenosina (ATP) O O O C C H H (figura 11-4). ADP H H OH OH Los FosFatos de aLta energía FIgura 11–4 el trifosfato de adenosina (Atp) y el difosfato tIenen una FuncIón de adenosina mostrados como complejos de magnesio. FundamentaL en La captacIón y La transFerencIa de energía A fin de mantener procesos vivos, todos los organismos deben en la transferencia de energía libre desde los procesos exergóni­ obtener energía libre desde su ambiente. Los organismos auto- cos hacia los endergónicos (figura 11­3). El ATP es un nucleósido tróficos utilizan procesos exergónicos simples; por ejemplo, la trifosfato que contiene adenina, ribosa y tres grupos fosfato. En energía de la luz solar (plantas verdes), la reacción Fe2+ → Fe3+ sus reacciones en la célula, funciona como el complejo de Mg2+ (algunas bacterias). Por otra parte, los organismos heterotrófi- (figura 11­4). cos obtienen energía libre al acoplar su metabolismo a la desin­ La importancia de los fosfatos en el metabolismo interme­ tegración de moléculas orgánicas complejas en su ambiente. En diario se hizo evidente con el descubrimiento de la función del todos estos organismos, el ATP tiene una función fundamental ATP, difosfato de adenosina (ADP) (figura 11­4) y fosfato inor­ gánico (Pi) en la glucólisis (cap. 18). A el valor intermedio para la energía libre de hidrólisis del Atp tiene gran importancia bioenergética D El cuadro 11-1 muestra la energía libre estándar de la hidrólisis E de diversos fosfatos importantes desde el punto de vista bioquí­ Energía libre mico. Un estimado de la tendencia comparativa de cada uno de los grupos fosfato para transferir hacia un aceptor idóneo puede obtenerse a partir de la ΔG0ʹ de la hidrólisis a 37°C. El valor para E la hidrólisis del fosfato terminal del ATP divide la lista en dos grupos. Los fosfatos de baja energía, ejemplificados por los fos­ fatos éster que se encuentran en los intermediarios de la glucóli­ sis, tienen valores de G0ʹ menores que los del ATP, mientras que B C en los fosfatos de alta energía el valor es mayor que el del ATP. Los componentes de este último grupo, incluso el ATP, por lo FIgura 11–3 transferencia de energía libre desde una general son anhídridos (p. ej., el 1­fosfato del 1,3­bisfosfoglice­ reacción exergónica hacia una endergónica mediante un rato), enolfosfatos (p. ej., fosfoenolpiruvato) y fosfoguanidinas compuesto intermedio de alta energía (~ ). (p. ej., creatina fosfato, arginina fosfato). 11 Murray_C11.indd 111 11/15/12 12:31 PM  112 sección ii Bioenergética y el metabolismo de carbohidratos y lípidos cuadro 11–1 energía libre estándar O– O– O– de hidrólisis de algunos organofosfatos Adenosina O P O P O P O– de importancia bioquímica O O O ΔG0ʹ o Adenosina P P P compuesto kj/mol kcal/mol Trifosfato de adenosina (ATP) Fosfoenolpiruvato −61.9 −14.8 O– O– Carbamoil fosfato −51.4 −12.3 Adenosina O P O P O– 1,3-bisfosfoglicerato −49.3 −11.8 (a 3-fosfoglicerato) O O Creatina fosfato −43.1 −10.3 o Adenosina P P atp → aMp + ppi −32.2 −7.7 Difosfato de adenosina (ADP) atp → aDp + pi −30.5 −7.3 O– Adenosina O P O– Glucosa 1-fosfato −20.9 −5.0 O ppi −19.2 −4.6 o Adenosina P Fructosa 6-fosfato −15.9 −3.8 Monofosfato de adenosina (AMP) Glucosa 6-fosfato −13.8 −3.3 Glicerol 3-fosfato −9.2 −2.2 FIgura 11–5 estructura del Atp, ADp y AMp, que muestra la posición y el número de fosfatos de alta energía (~ ). Abreviaturas: ppi, pirofosfato; pi, ortofosfato inorgánico. nota: todos los valores tomados de Jencks (1976), excepto los valores para el ppi, que son de Frey y arabshahi (1995). los valores difieren entre investigadores, según las condiciones precisas en las cuales se hicieron las mediciones. ADP puede aceptar fosfato de alta energía para formar ATP a partir de los compuestos que se hallan por arriba del ATP en el cuadro. En efecto, un ciclo de ATP/ADP conecta los procesos El símbolo ~ indica que el grupo fijo al enlace, en el mo­ que generan ~ con los procesos que lo utilizan (figura 11-7), mento de transferencia hacia un aceptor apropiado, da por re­ lo que consume y regenera ATP de manera continua. Esto so­ sultado la transferencia de la cantidad más grande de energía breviene a un índice muy rápido, dado que el fondo común total libre. Por este motivo, algunos prefieren el término potencial de transferencia de grupo, más que “enlace de alta energía”. De esta manera, el ATP contiene dos grupos fosfato de alta energía y el ADP contiene uno, mientras que el fosfato en el AMP (mo­ ADENOSINA nofosfato de adenosina) es del tipo de baja energía, porque es un – – – O O O enlace éster normal (figura 11-5). – La posición intermedia del ATP permite que desempeñe O P O P O P O CH2 O una función importante en la transferencia de energía. El cam­ O O O C C H H bio de energía libre en el momento de la hidrólisis del ATP se ATP 4– debe a alivio de la repulsión de carga de átomos de oxígeno H H adyacentes que tienen carga negativa, y a estabilización de los 3– OH OH Oδ– productos de la reacción, en especial fosfato, como híbridos de La hidrólisis de ATP4– a resonancia (figura 11-6). Otros “compuestos de alta energía” Oδ– P Oδ– ADP3– libera la repulsión son ésteres tiol que incluyen a la coenzima A (p. ej., acetil­CoA), Oδ– de carga proteína transportadora de grupos acilo, y ésteres aminoácidos El fosfato liberado es +H + comprendidos en la síntesis de proteína, S­adenosilmetionina estabilizado por la formación de un híbrido de resonancia ADP3– (metionina activa), UDPGlc (uridina difosfato glucosa) y PRPP en el cual las tres cargas negativas ADENOSINA (5­fosforribosil­1­pirofosfato). son compartidas entre los cuatro átomos de O O– O – – O P O P O CH2 O Los FosFatos de aLta energía O O C H H C actúan como La “moneda H H de energía” de La céLuLa OH OH El ATP puede actuar como un donador de fosfato de alta energía para formar los compuestos que están por debajo del mismo en FIgura 11–6 cambio de energía libre en la hidrólisis de Atp el cuadro 11­1. De igual modo, con las enzimas necesarias, el a ADp. 11 Murray_C11.indd 112 11/15/12 12:31 PM  cApítuLO 11 Bioenergética: la función del atp 113 Fosfoenolpiruvato 1,3-bisfosfoglicerato dro 11­1), el grupo fosfato siempre se convierte en uno de baja Succinil- energía, por ejemplo, Fosforilación CoA oxidativa Creatina GLICEROL P CINASA P Glicerol + Adenosina P P P (Almacén de P ) ATP Creatina Glicerol P + Adenosina P P Ciclo del ATP/ADP el Atp permite el acoplamiento P ADP Glucosa 6-fosfato de reacciones desfavorables en el Otras fosforilaciones, activaciones y procesos aspecto termodinámico, a favorables Glucosa 1,6- endergónicos Glicerol 3-fosfato bisfosfato La fosforilación de glucosa hacia glucosa­6­fosfato, la primera reacción de la glucólisis (fig. 18­2), es muy endergónica y no FIgura 11–7 papel del ciclo del Atp/ADp en la transferencia puede proceder en condiciones fisiológicas. de fosfato. Glucosa + Pi → Glucosa 6-fosfato + H2O (1) (ΔG 0’ = + 13.8 kJ/mol) de ATP/ADP es en extremo pequeño, y suficiente para mante­ Para que tenga lugar, la reacción debe acoplarse con otra reac­ ner un tejido activo sólo algunos segundos. ción —más exergónica—, como la hidrólisis del fosfato terminal Hay tres fuentes principales de ~ que participan en la del ATP. conservación de energía o captación de energía: ATP → ADP + Pi (∆G 0’ = −30.5 kJ/mol) (2) 1. Fosforilación oxidativa: la mayor fuente cuantitativa de ~ en organismos aerobios. La energía libre proviene de la Cuando (1) y (2) se acoplan en una reacción catalizada por oxidación de la cadena respiratoria usando O2 molecular hexocinasa, la fosforilación de la glucosa procede con facilidad dentro de las mitocondrias (cap. 12). en una reacción muy exergónica que en condiciones fisiológi­ 2. Glucólisis: una formación neta de dos ~ depende de la cas es irreversible. Muchas reacciones de “activación” siguen este formación de lactato a partir de una molécula de glucosa, modelo. generada en dos reacciones catalizadas por fosfoglicerato cinasa y piruvato cinasa, respectivamente (figura 18­2). 3. El ciclo del ácido cítrico: se genera un ~ de modo directo La adenilil cinasa (miocinasa) en el ciclo en el paso de la succinato tiocinasa (figura 17­3). interconvierte nucleótidos adenina Dicha enzima está presente en casi todas las células. Cataliza la Los fosfágenos actúan como formas de almacenamiento de siguiente reacción: fosfato de alta energía, e incluyen creatina fosfato, que se en­ cuentra en el músculo estriado, el corazón, los espermatozoi­ ADENILIL des y el cerebro de vertebrados, y arginina fosfato, que existe CINASA en el músculo de invertebrados. Cuando se está utilizando con ATP + AMP 2ADP rapidez ATP como una fuente de energía para la contracción muscular, los fosfágenos permiten que sus concentraciones se Esto permite que: mantengan, pero cuando la proporción ATP/ADP es alta, su con­ 1. El fosfato de alta energía en el ADP se use en la síntesis de centración puede incrementarse para actuar como una reserva ATP. de fosfato de alta energía (figura 11-8). 2. El AMP, formado como consecuencia de varias reacciones Cuando el ATP actúa como un donador de fosfato para for­ de activación que comprenden ATP, se recupere mediante mar los compuestos de energía libre más baja de hidrólisis (cua­ refosforilación hacia ADP. 3. Aumente la concentración de AMP cuando el ATP se ago­ ta y actúa como una señal metabólica (alostérica) para in­ H Creatina crementar el índice de reacciones catabólicas, que a su vez P N cinasa H2N llevan a la generación de más ATP (cap. 20). C NH C NH H 3C N H3C N CH2 ADP ATP CH2 cuando el Atp forma AMp, se produce (∆G 0′ = –12.6 kJ/mol) COO – COO – pirofosfato inorgánico (ppi) Creatina fosfato Creatina El ATP también puede hidrolizarse de manera directa hacia AMP, con la liberación de PPi (cuadro 11­1). Esto sucede, por FIgura 11–8 transferencia de fosfato de alta energía entre ejemplo, en la activación de ácidos grasos de cadena larga Atp y creatina. (cap. 22). 11 Murray_C11.indd 113 11/15/12 12:31 PM  114 sección ii Bioenergética y el metabolismo de carbohidratos y lípidos Pirofosfatasa NUCLEÓSIDO inorgánica DIFOSFATO 2Pi CINASA ATP + UDP ADP + UTP (trifosfato de uridina) Pi PPi Todos estos trifosfatos participan en fosforilaciones en la cé­ Acil-CoA lula. De modo similar, nucleósido monofosfato cinasas específi­ sintetasa, etc. cas catalizan la formación de nucleósido difosfatos a partir de los monofosfatos correspondientes. ATP NUCLEÓSIDO MONOFOSFATO CINASAS ESPECÍFICAS ATP + Nucleósido P X2 ADP AMP ADP + Nucleósido P P Adenilil cinasa De esta manera, la adenilil cinasa es una monofosfato cinasa es­ FIgura 11–9 ciclos del fosfato e intercambio de nucleótidos pecializada. adenina. resumen ACIL-CoA En los sistemas biológicos se utiliza energía química SINTETASA para impulsar procesos vivos. ATP + CoA SH + R COOH Las reacciones exergónicas tienen lugar de modo espontáneo, AMP + PPi + R CO — SCoA con pérdida de energía libre (ΔG es negativa). Las reacciones Esta reacción se acompaña de pérdida de energía libre como endergónicas requieren la ganancia de energía libre (ΔG es calor, lo que asegura que la reacción de activación irá hacia la positiva) y sólo ocurren cuando se acoplan a reacciones exergónicas. derecha, y se auxilia más por la división hidrolítica del PPi, ca­ talizada por pirofosfatasa inorgánica, una reacción que en sí El ATP actúa como la “moneda de energía” de la célula, tiene una ΔG0ʹ grande, de –19.2 kJ/mol. Note que las activacio­ al transferir energía libre derivada de sustancias de potencial de energía superior hacia las de potencial de energía inferior. nes por medio de la vía del pirofosfato dan por resultado la pér­ dida de dos ~ más que de uno, como ocurre cuando se forman ADP y Pi. reFerencIas FOSFATASA de Meis L: The concept of energy­rich phosphate compounds: water, INORGÁNICA transport ATPases, and entropy energy. Arch Biochem Biophys PPi + H2O 2Pi 1993;306:287. Frey PA, Arabshahi A: Standard free­energy change for the hydrolysis Una combinación de las reacciones anteriores hace posible of the alpha, beta­phosphoanhydride bridge in ATP. Biochemistry que el fosfato se recicle y que los nucleótidos adenina se inter­ 1995;34:11307. cambien (figura 11-9). Harold FM: The Vital Force: A Study of Bioenergetics. Freeman, 1986. Harris DA: Bioenergetics at a Glance: An Illustrated Introduction. Blackwell Publishing, 1995. Otros nucleósidos trifosfato Haynie D: Biological Thermodynamics. Cambridge University Press, 2008. participan en la transferencia Jencks WP: Free energies of hydrolysis and decarboxylation. In: Handbook of Biochemistry and Molecular Biology, vol 1. Physical de fosfato de alta energía and Chemical Data. Fasman GD (editor). CRC Press, 1976:296–304. Mediante la enzima nucleósido difosfato cinasa pueden sinte­ Klotz IM: Introduction to Biomolecular Energetics. Academic Press, tizarse UTP, GTP y CTP a partir de sus difosfatos, por ejemplo, 1986. UDP reacciona con ATP para formar UTP. Nicholls D, Ferguson F: Bioenergetics. Elsevier, 2003. 11 Murray_C11.indd 114 11/15/12 12:31 PM