Temas selectos de Biofisica

• TEMA 2.1 – EL ATP COMO FUENTE DE ENERGÍA LIBRE EN LOS SISTEMAS BIOLÓGICOS
  

El ATP (Adenosina Tri Fosfato o Trifosfato de Adenosina) es una molécula que almacena bastante energía, proveniente principalmente de los alimentos que pueden clasificarse en tres grandes grupos: Carbohidratos, Proteínas y Grasas. Estos tres tipos de alimentos al final pueden metabolizarse como energía para el organismo:

Grupo alimenticio	Unidad metabolizada	Transformación convergente
Carbohidratos	Glucosa	ENERGÍA en ATP
Grasas (Lípidos)	Ácidos grasos
Proteínas	Aminoácidos

La energía de una molécula de ATP se almacena en los enlaces fosfato que son dos para cada molécula. Estos enlaces fosfato se rompen fácilmente, por lo cual su energía almacenada es bastante disponible para los procesos bioquímicos. La energía almacenada en los enlaces de fosfato se libera a través de un proceso catabólico (tipo de metabolismo que consiste en la transformación de una molécula compleja en otras más sencillas con liberación de energía).

De esta forma es que el ATP, libera energía transformándose en ADP + P + E°.

Esta reacción es reversible, o sea el ATP del organismo se reconstituye a partir de ADP para almacenar la energía presente en los alimentos que consumimos. Usualmente el ATP se transforma en ADP para liberar energía, y el ADP en ATP para almacenar energía. Sin embargo bajo ciertas condiciones el ADP se transforma en AMP (Adenosina Mono Fosfato), liberando así un excedente de energía al romper el segundo enlace fosfato, pero esta condición no es muy usual.

Es importante recalcar que esta "transacción" energética (almacenamiento y liberación) utilizando ATP es común en todos los sistemas biológicos, desde los procariotes hasta los organismos más complejos del grupo pluricelular. Debido a esto es que se conceptúa al ATP como la "moneda universal" de las transacciones energéticas en todos los sistemas biológicos.

USOS COMUNES DEL ATP

El ATP a parte que sirve para el almacenamiento "a cortísimo plazo" de la energía, es utilizado por el organismo para los siguientes procesos (todos ellos trabajos, recuerde que trabajo es toda utilización de energía):

• Transporte activo en las membranas celulares, para el movimiento de solutos en contra del gradiente de concentración. De toda la utilización de ATP por las células, se le atribuye a este proceso un 30% de participación.
  


• Síntesis de compuestos químicos (anabolismo), muchos de los procesos bioquímicos requieren energía para ejecutarse o sea son procesos endergónicos. El ATP provee la energía para la ejecución de dichas reacciones. Se atribuye a estos procesos un 70% de participación en el uso global de ATP a niveles celulares.
  
  
• Trabajo mecánico, específicamente movimiento muscular, de cilios - flagelos y movimientos ameboideos.
  

ALMACENAMIENTO DE ATP

Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de consumo. En principio, el ATP se produce de forma continua, pero cualquier proceso que bloquee su producción provoca la muerte rápida (como es el caso de determinados gases de combate diseñados para tal fin; o venenos como el cianuro, que bloquean la cadena respiratoria; o el arsénico, que sustituye el fósforo y hace que sean inutilizables las moléculas fosfóricas).

Las moléculas de creatina enlazan un fosfato mediante un enlace rico en energía como el ATP. El ADP puede convertirse en ATP por acoplamiento con la hidrólisis de fosfato de creatina. La creatina, por tanto, recicla el fosfato liberado por la hidrólisis de la molécula de ATP original. Esto ayuda a mantener la energía fácilmente movilizada sin agotar las reservas de ATP.

El ATP no se puede almacenar en su estado natural, sino sólo como intermediarios de la cadena de producción de ATP. Por ejemplo, el glucógeno puede ser convertido en glucosa y aportar combustible a la glucolisis si el organismo necesita más ATP. El equivalente vegetal del glucógeno es el almidón. La energía puede también ser almacenada como grasa, mediante neo-síntesis de ácidos grasos.

• TEMA 2.2 – ESTRUCTURA DEL ATP: INESTABILIDAD Y FORMACIÓN DE HÍBRIDOS DE RESONANCIA
  

El ATP es un nucleótido trifosfato que se compone de adenosina (adenina y ribosa, como β-D-ribofuranosa) y tres grupos fosfato. Su fórmula molecular es C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃. La estructura de la molécula consiste en una base purina (adenina) enlazada al átomo de carbono 1' de un azúcar pentosa. Los tres grupos fosfato se enlazan al átomo de carbono 5' de la pentosa. Los grupos fosforilo, comenzando con el grupo más cercano a la ribosa, se conocen como fosfatos alfa (α), beta (β) y gamma (γ).

El ATP es altamente soluble en agua y muy estable en soluciones de pH entre 6.8 y 7.4, pero se hidroliza rápidamente a pH extremo. Por consiguiente, se almacena mejor como una sal anhidra.

Es una molécula inestable y tiende a ser hidrolizada en el agua. Si el ATP y el ADP se encuentran en equilibrio químico, casi todos los ATP se convertirán a ADP. Las células mantienen la proporción de ATP a ADP en el punto de diez órdenes de magnitud del equilibrio, siendo las concentraciones de ATP miles de veces superior a la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio significa que la hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le llama a veces "molécula de alta energía", aunque esto no es correcto, ya que una mezcla de ATP y ADP en equilibrio en el agua no puede hacer un trabajo útil. El ATP no contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría como una forma de almacenar energía si la célula mantuviera su concentración lejos del equilibrio.



Las razones químicas de esa tendencia son tres:

1. Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa. Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos. La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis.
   
2. Tensión eléctrica entre las cargas negativas vecinas existente en el ATP (las flechas entre los O de los Pi). Esa tensión es evidentemente menor en los productos de hidrólisis.
   
3. Solvatación: la tendencia natural es hacia una mayor solvatación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.
   
   
   En la célula existen muchos enlaces de alta energía, la mayoría de los cuales son enlaces fosfato. El ATP ocupa una posición intermedia entre los fosfatos de alta energía. Una de las más importantes funciones del ATP es dar el paso para que ingresen las sustancias a la célula. Esta gran energía puede ser útil para fines de recarga a seres artificiales, ya que su hidrolisis libera una cantidad significante de energía.
   

• TEMA 2.3 – POTENCIALES DE TRANSFERENCIA DE FOSFATO
  

En bioquímica, enlace de alta energía es aquel que libera una gran cantidad de energía libre (∆G) cuando se hidroliza. Ciertos compuestos fosfatados se denominan de alta energía porque al hidrolizar los enlaces fosfoanhídridos resultan ser de alta energía. El ATP, un nucleótido que consta de una molécula de adenina unida una molécula de ribosa, a su vez, enlazada a una unidad de trifosfato, es una molécula rica en energía porque su unidad trifosfato contiene dos enlaces fosfoanhídridos que al hidrolizarse hasta ADP y Pi (ortofosfato) o AMP y PPi (pirofosfato) liberan una gran cantidad de energía libre, aproximadamente, de -7.3 Kcal / mol.

Existe una variedad de otros compuestos en los sistemas biológicos que poseen un alto potencial de transferencia de grupos fosfatos. Algunos de ellos tienen un potencial de transferencia de grupos mayor que el del ATP, tales como el fosfoenolpiruvato (-14.8 Kcal por mol), el acetilfosfato (-10.3 Kcal por mol) y el carbamil fosfato (-12.3 Kcal por mol). Esto significa que el fosfoenolpiruvato puede transferir su grupo fosforilo al ADP para formar ATP. De hecho, este es uno de los caminos mediante los que se genera ATP durante la destrucción de los azúcares. Es significativo que el ATP tenga un potencial de transferencia de grupos que es intermedio entre el de las moléculas fosforiladas biológicamente importantes. Esta posición intermedia capacita al ATP para funcionar eficientemente como transportador de grupos fosforilos.

COMPUESTO	G0' de Hidrólisis (kcal/mol)
Fosfoenol-piruvato	-14.8
Carbamil-fosfato	-12.3
Fosfocreatina	-10.3
ATP ( --------> ADP + Pi)	-7.3
ADP ( --------> AMP + Pi)	-7.3
AMP (---------> Adenosina + Pi)	-3.4
Glucosa-6-fosfato	-3.3
Glicerol-1-fosfato	-2.2

• TEMA 2.4 – HIDRÓLISIS DE ATP Y ENERGÍA LIBRE

El producto de las interacciones y los choques efectivos ocurridos entre el ATP y las moléculas de agua (H₂O) bajo la acción enzimática, provoca que los tres enlaces P~O de "alta energía" del ATP y uno de los enlaces O-H del agua se rompan, con el consecuente reordenamiento atómico que origina la formación de nuevos enlaces y nuevas estructuras moleculares (ADP, AMP y P (H₃PO₄) ) y la liberación de una energía libre aprovechable (proceso exergónico) para la realización de distintos tipos de trabajo biológico: de transporte activo de sustancia a través de membranas, para la contracción y la relajación muscular, en el impulso nervioso, en la secretación hormonal, para la realización de múltiples reacciones del metabolismo (endergónicas) en la que se forman cientos de sustancias necesarias al organismo, etc.

El ATP es un nucleótido que consta de una adenina, una ribosa y un grupo trifosfato. La forma activa del ATP es normalmente un complejo de ATP con Mg²⁺ o Mn²⁺. Al considerar el papel del ATP como el de un transportador de energía, debemos fijarnos en su grupo trifosfato. El ATP es una molécula rica en energía porque su componente trifosfato contiene dos enlaces anhídrido fosfórico. Cuando el ATP se hidroliza hasta adenosina difosfato (ADP) y ortofosfato (Pi) o cuando se hidroliza hasta adenosina monofosfato (AMP) y pirofosfato (PPi) se desprende una gran cantidad de energía libre.

La energía libre desprendida en la hidrólisis del ATP se utiliza para impulsar reacciones que requieren un aporte de energía libre, como son la de contracción muscular. A su vez se forma ATP, a partir de ADP y Pi en los seres quimiótrofos cuando se oxidan las moléculas combustibles o en fotótrofos cuando la atrapan de la luz. Este ciclo de ATP-ADP es la forma fundamental de intercambio de energía en los seres vivos.

Algunas reacciones biosintéticas se hallan dirigidas por la hidrólisis de nucleósidos trifosfato que son análogos al ATP, es decir, la guanosina trifosfato (GTP), la uridina trifosfato (UTP) y la citidina trifosfato (CTP). Las formas difosfatadas de estos nucleótidos se designan GDP, UDP y CDP, respectivamente y las formas monofosfato por GMP, UMP y CMP. Hay enzimas que catalizan la transferencia del grupo fosforilo terminal de un nucleótido a otro. Las nucleósidos monofosfato quinasas realizan la fosforilación de los nucleósidos monofosfato. Una enzima muy específica, la nucleósido difosfato quinasa realiza la fosforilación de los nucleótidos difosfato.

Se debe resaltar que, aunque todos los nucleósidos trifosfato son equivalentes desde el punto de vista energético. El ATP, es sin lugar a dudas, el principal transportador energético de la célula y desempeña un papel primordial en el metabolismo energético.

• TEMA 2.5 – HIDRÓLISIS DE ATP ACOPLADA A LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS NO ESPONTÁNEAS
  

En células vivas, las reacciones químicas que liberan energía son generalmente los involucrados en el catabolismo, el desglose de los complejos compuestos orgánicos en otros más sencillos. Estas reacciones se denominan catabólicas, o de degradación. Sin embargo, la energía que requieren las reacciones son en su mayoría participan en el anabolismo, o de biosíntesis. Los procesos anabólicos implican a menudo la síntesis de la deshidratación (reacciones de liberación del agua) y requieren de energía para formar enlaces químicos nuevos. Ejemplos de los procesos anabólicos son la formación de proteínas a partir de aminoácidos, ácidos nucléicos a partir de nucleótidos, y los polisacáridos de azúcar simple.

Un ejemplo de catabolismo se produce cuando las células se rompen y transforman a los azúcares en dióxido de carbono y agua. Las reacciones catabólicas suministran la energía necesaria para conducir las reacciones anabólicas. El acoplamiento de la energía que requiere y la energía liberadora de reacciones es posible gracias a la molécula trifosfato de adenosina (ATP). Las reservas de ATP y la energía derivada de reacciones catabólicas y comunicados posteriormente a la unidad de reacciones anabólicas y al realizar un trabajo celular (es decir, el ATP es la moneda dentro de las células). Por lo tanto, las reacciones anabólicas están acopladas a la ruptura de ATP y reacciones catabólicas se acoplan a la síntesis de ATP. Es importante entender que las vías metabólicas de una célula están determinadas por sus enzimas, que son a su vez determinadas por la composición genética de la célula.

• TEMA 2.6 – NADH Y FADH2 COMO FUENTES DE PODER REDUCTOR
  

Muchos procesos bioquímicos catabólicos, tales como la glucólisis, el ciclo de Krebs y la beta oxidación, producen la coenzima reducida NADH. Esta coenzima contiene electrones que tiene un elevado potencial de transferencia; es decir, que liberan una gran cantidad de energía tras su oxidación. Sin embargo, la célula no libera toda esta energía a la vez, sino sería una reacción incontrolable. En vez de ello, los electrones eliminados del NADH y transferidos al oxígeno a través de una serie de enzimas cada una de las cuales libera una pequeña cantidad de energía. Este conjunto de enzimas, que consiste en complejos, del I al IV, llamado cadena de transporte de electrones se encuentra en la membrana de la mitocondria. El succinato también es oxidado por la cadena de transporte de electrones, pero entra en la vía metabólica por un punto diferente.

Enzimas respiratorias y sustratos típicos de eucariotas
Enzima respiratoria	Par redox	Potencial medio (Volts)
NADH deshidrogenasa	NAD+ / NADH	−0,32
Succinato deshidrogenasa	FMN o FAD / FMNH2 o FADH2	−0,20
Complejo del citocromo bc1	Coenzima Q10ox / Coenzima Q10red	+0,06
Complejo del citocromo bc1	Citocromo box / Citocromo bred	+0,12
Complejo IV	Citocromo cox / Citocromo cred	+0,22
Complejo IV	Citocromo aox / Citocromo ared	+0,29
Complejo IV	O2 / HO-	+0,82
Condiciones: pH = 7

En eucariotas, las enzimas en este sistema de transporte de electrones utilizan la energía liberada de la oxidación de NADH para bombear protones a través de la membrana interna mitocondrial. Esto provoca una acumulación de protones en el espacio intermembranal, y genera un gradiente electroquímico a través de la membrana. La energía almacenada en este potencial es luego utilizada por la ATP sintasa para producir ATP. La fosforilación oxidativa en las mitocondrias de organismos eucariotas es el ejemplo de este proceso mejor comprendido.

Bioquímicamente, el FAD 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⁺ (una 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.

• REFERENCIAS:
  

http://www.coenzima.com/adenosina_trifosfato_atp

http://es.wikipedia.org/wiki/Adenos%C3%ADn_trifosfato

http://www.fisicanet.com.ar/quimica/bioquimica/ap11_bioenergia.php

http://www.monografias.com/trabajos13/metaener/metaener.shtml#atp

http://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:bB0URUvZTGoJ:galeon.hispavista.com/melaniocoronado/

http://www.porquebiotecnologia.com.ar/educacion/cuaderno/img_c105/fig3.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Fosforilaci%C3%B3n_oxidativa

http://es.wikipedia.org/wiki/Flav%C3%ADn_aden%C3%ADn_dinucle%C3%B3tido

Lehninger, A. L. 1995. Principios de Bioquímica, 2^a ed., Omega Ediciones, Barcelona.

Mathews, C. K.; Van Holde, K. E.; Ahern, K. G. Bioquímica, 3^a ed., Pearson Educación, S.A., Madrid, 2002.