Steem Power de la Célula: La molécula de ATP
El papel protagónico en la transferencia de energía química en la célula es para: la molécula de ATP, Adenosín Trifosfato. Ésta constituye una maquinaria de transporte energético, conocida como el sistema ATP~ADP. Mediante reacciones de fosforilación y desfosforilación, este mecanismo permite el empalme entre las vías catabólicas y anabólicas.
Al estudiar metabolismo celular, nos topamos con transformaciones energéticas, debido a que en el citoplasma y compartimientos intracelulares, se producen una serie de reacciones químicas, analizadas desde el punto de vista termodinámico en relación al contenido energético de los estados inicial y final del sistema célula, lo que determina funciones de estado.
Una función de estado, de gran valor en este contexto de estudio, es la energía libre de Gibbs, o potencial termodinámico, puesto que permite predecir el desplazamiento del equilibrio químico, a favor de la formación de productos o hacia los reactantes. En consecuencia, la variación de energía libre ΔG constituye un indicador de espontaneidad en la dirección en que se escribe la reacción, a condiciones de temperatura y presión constantes, tal como se considera en el cuerpo humano. Bien sea, reacción catabólica exergónica (ΔG < 0), desarrolladas de manera espontánea (en dirección a los productos) y caracterizadas por la liberación de energía; o reacción anabólica endergónica (ΔG > 0), no espontánea y requieren de energía libre.
La propia naturaleza de la molécula de ATP, determina su alto valor energético, de ahí que sea la moneda celular por excelencia. En efecto, para introducirse al estudio de la unidad básica de la vida y su metabolismo, es necesario comprender la bioenergética implicada en esta estructura con tres grupos fosfatos. A continuación, se plantean los objetivos del presente post.
Objetivos
- Describir la naturaleza de la molécula de ATP y su nexo con la bioenergética a nivel celular.
- Asociar la molécula de ATP como intermediario común, con la fisiología de la célula.
- Diseñar material didáctico ilustrativo para el estudio de la molécula de ATP.
Naturaleza de la molécula de ATP y Bioenergética
El Adenosin Trifosfato, tal como lo indica su nomenclatura, es una molécula constituida por una base nitrogenada (Adenina), un azúcar pentosa (Ribosa) y tres grupos fosfato. Éstos últimos, se encuentran unidos entre sí por dos enlaces anhídridos (~), mientras que el enlace entre el fosfato y la ribosa es un enlace éster.
La célula es un sistema abierto, es decir, intercambia materia y energía con su entorno, debido a mecanismos de transporte pasivo y transporte activo (primario y secundario), además del transporte activo grueso. Del mismo modo, los procesos que ocurren en la naturaleza, y por ende en sistemas vivos, son espontáneos e irreversibles. No obstante, en bioenergética se hacen consideraciones para el estudio de determinadas reacciones catalizadas por enzimas con el fin predictivo, en relación al equilibrio químico.
A continuación se muestra el acoplamiento de reacciones para la determinación del ΔGº΄, con las consideraciones de pH 7, concentración 1,0 M de reactantes y productos, temperatura 37ºC, en presencia de exceso de ión de Mg.
En la reacción de hidrólisis del ATP, determinada por acoplamiento de las reacciones y teniendo en cuenta el carácter aditivo de las variaciones de energía libre, se obtiene un ΔGº΄ de – 7,30 Kcal/mol, lo que indica una liberación de 7300 calorías por mol (reacción exergónica), en la ruptura de este enlace fosfoanhídrido. Cabe señalar que, esta hidrólisis se encuentra catalizada por la enzima ATPasa.
En consecuencia, la variación de energía libre de Gibbs, estándar a pH 7, ΔGº΄ para la hidrólisis de la molécula de ATP, es un valor muy negativo, que se traduce en un proceso espontáneo e indica un claro desplazamiento de la reacción hacia la derecha. Esto es lo que le confiere a esta molécula, la mención de “moneda de transferencia energética por excelencia” para el desarrollo de procesos celulares.
Del mismo modo, en este valor altamente negativo de ΔGº΄, incide la tensión eléctrica entre las cargas negativas presentes en la molécula. Por lo cual, el desplazamiento del equilibrio químico hacia los productos, se ve favorecido porque el grupo fosfato liberado y el ADP, son aniones, los cuales se repelen entre sí. Así como también, los híbridos de resonancia producto de la hidrólisis del ATP, los cuales se estabilizan, obteniendo un contenido de energía más bajo tras ocurrida la escisión del grupo fosfato.
ATP Intermediario Común en Metabolismo Celular
La molécula de ATP se encuentra presente en el citoplasma, mitocondria y núcleo, puesto que tiene un papel indispensable en la transferencia de fosfato en la célula, siendo en intermediario común en reacciones consecutivas. En efecto, el ADP acepta la energía química transferida desde el catabolismo de un compuesto fosforilado de alto nivel energético, lo que determina la obtención de molécula de ATP. Mientras que, en la consecuente reacción, ocurre la ruptura del grupo fosfato terminal del ATP, éste es cedido a un aceptor de fosfato específico, determinando la síntesis de un compuesto fosforilado bajo valor energético.
De este modo, puede visualizarse el nexo entre las reacciones catabólicas, de degradación enzimática de aquellos compuestos fosforilados de alto nivel energético (ΔGº΄ de hidrólisis mayor que el de la molécula de ATP), y las reacciones anabólicas, de síntesis enzimática de compuestos fosforilados de bajo nivel energético (ΔGº΄ de hidrólisis menor que el de la molécula de ATP). De este modo, las reacciones catabólicas van acompañadas de la liberación de energía, mientras que las anabólicas requieren de energía libre.
De esta manera, se transfiere energía química procedente del ATP en las vías biosintéticas para la obtención de moléculas complejas, tales como: carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos. Por su parte, en los mecanismos de formación de ATP, éste actúa como aceptor de fosfato, mediante: fosforilación del sustrato, fosforilación oxidativa (Cadena Transportadora de electrones) y fotofosforilación (En reacciones dependientes de la luz en proceso fotosintético).
Es importante destacar, el papel de reservorio de la fosfocreatina, debido a que mientras el músculo esquelético en relajación produce un excedente de ATP, este exceso se emplea para sintetizar la molécula de fosfocreatina, bajo la acción catalítica de la enzima creatincinasa. No obstante, cuando se desarrolla la actividad física y por ende la contracción muscular, la creatincinasa cataliza la transferencia de la energía química y del grupo fosfato al ADP, obteniendo el ATP requerido para cumplir con la demanda energética de la fibra muscular. Cabe mencionar que, la fosfocreatina también se encuentra presente en el músculo liso, en células nerviosas, y en menor cantidad, en el hígado y riñón.
Síntesis
La naturaleza de la molécula de ATP, determina un ΔGº΄ altamente negativo, para su reacción de hidrólisis. Éste valor indica un claro desplazamiento hacia la derecha, es decir, sentido hacia la formación de los productos. Favorecido a su vez, por los aniones obtenidos que se repelen entre sí, así como también, por la estabilización por resonancia. Este valor le confiere el nivel energético necesario para servir de nexo en la transferencia de energía.
La molécula de ATP interviene en la fisiología de la célula, actuando como intermediario común entre las reacciones catabólicas, exergónicas, cuya energía química es transferida a moléculas de ATP, y las reacciones anabólicas, endergónicas, donde se invierte energía procedente del ATP, para la síntesis de moléculas complejas.
Se elaboró material didáctico ilustrativo para el estudio de esta molécula de gran importancia en la regulación del metabolismo celular. Es necesario que el docente en el área de biología, conozca las bases moleculares que determinan la fisiología de los organismos y sirva de mediador al estudiante, al describirle la molécula de Adenosin Trifosfato, con el objeto de que pueda comprender por qué se le emplea como sinonimia de “moneda”, “energía”, “power” a nivel celular, puesto que todo su secreto energético se encuentra en su diseño molecular.
Referencias
- Lehninger, A. (1972). Bioquímica. Barcelona: Ediciones OMEGA.
- Maron, S. y Prutton, C. (1975). Fundamentos de fisicoquímica. México: LIMUSA.
- Philip, N. (2005). Física biológica: Energía, información y vida. Barcelona: Editorial Reverté, S.A.