Temas selectos de Biofisica

1. INTRODUCCIÓN
   

La energía es una cuestión central en la vida y para sobrevivir, los organismos vivos han encontrado varias maneras para interconvertir continuamente las diversas formas de energía disponibles en el ambiente. Los compuestos de fosfato son la materia biológica común de intercambio de energía y el ATP es el portador de energía más importante de la célula. Las enzimas conocidas como ATPasas pueden convertir la energía derivada de hidrólisis del ATP en el trabajo (contracción muscular), el transporte de iones o aún la producción de luz (luciferasa de las luciérnagas), la otra parte de la energía total se disipa en el ambiente circundante como calor.

La energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si se encuentra en solución o en la superficie de la enzima. Las enzimas implicadas en la transducción de energía, la energía utilizada para realizar trabajo está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. Las ATPasas pueden modular la conversión de la energía durante el ciclo catalítico, determinando la fracción de la energía derivada del compuesto de fosfato que será convertida en trabajo y la fracción que será convertida en calor.

1. CONCEPTO INICIAL
   

La historia del ATP se remonta a los años 20's cuando Fiske y Subbarow buscaban un método para la cuantificación de fosfato inorgánico (P_i) en los tejidos animales. Fue hasta 1941 que los conceptos de compuestos de fosfato "ricos" y "pobres" en energía fueron formalmente presentados por Lipmann en una revisión en la cual analizaba sus datos y los obtenidos en otros laboratorios. Lipmann propuso lo siguiente:

• La energía que se deriva de hidrólisis en un compuesto de fosfato depende exclusivamente de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula.
  
• Los enlaces de fosfato ricos en energía, son los que presentan una Keq elevada para la hidrólisis en agua e inversamente, los enlaces de fosfato pobres en energía tendrán una constante de equilibrio baja para la hidrólisis.
  
• La transferencia de un grupo fosfato desde una molécula hacia otra depende solamente de la energía de hidrólisis de los enlaces químicos.
  

En la revisión de Lipmann quedó implícito que la energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato sería la misma sin importar si estuvieran unidos a la enzima o libres en solución. En base a las formulaciones antes descritas, se pensaba que la secuencia de eventos durante el proceso de la transducción de energía de enzimas, estaba compuesto por los siguientes pasos:

• La enzima une al ATP;
  
• El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento exacto de la ruptura del enlace de fosfato.
  
• La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar trabajo. Para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, la secuencia de eventos sería igual, pero en orden inverso;
  
• La enzima ahora unirla al ADP y Pi;
  
• Una salida de energía en el sitio catalítico sería necesaria para dirigir la síntesis del ATP;
  
• Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el citosol sin la necesidad de energía extra.
  

A partir de esta secuencia, el trabajo sería realizado en la parte de la molécula de la enzima donde se libera la energía en la vecindad inmediata del sitio catalítico. Se pensaba que la elevada Keq para la hidrólisis del PPi y del ATP, estaba determinada por las cargas negativas y la resonancia de oposición del enlace P-O-P.

La carga negativa de cualquier lado del enlace se rechazaría, creando tensión dentro de la molécula y la resonancia de oposición generaría puntos de debilidad a lo largo del esqueleto. Sería fácil romper la molécula y difícil mantener unidos a los productos de la reacción hidrolítica. La combinación de estos dos factores sería responsable de la elevada Keq para la hidrólisis de los enlaces del fosfoanhídrido del ATP o el PPi.

1. NUEVOS CONCEPTOS, APROXIMACIÓN TEÓRICA
   

En 1970 George y colaboradores concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. Se esperaría que las molécula del agua se organicen alrededor del compuesto de fosfato y que ambos protejan las cargas de la molécula, neutralizando así la repulsión electrostática, y además, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando de esta manera los puntos débiles generados a los largo del esqueleto de la molécula por medio de resonancias opuestas.

Se propuso que la Keq para la hidrólisis de un compuesto de fosfato se debe determinar por la diferencias en energías de solvatación de los reactivos y productos y no por efectos intramoleculares como se había propuesto anteriormente. La energía de solvatación es la cantidad de energía necesaria para remover a las moléculas de solvente que se organizan alrededor de una sustancia en solución. Mientras más solvatada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solvatada y la Keq para la hidrólisis estaría determinada por la diferencia de energía de solvatación entre los reactivos y los productos.

Un cambio pequeño en la organización del solvente alrededor de las moléculas de los reactivos y los productos sería suficiente para explicar la energía de hidrólisis del PPi cuantificada. Hayes y colaboradores, calcularon la energía de hidrólisis de varios de los compuestos de fosfato en fase gaseosa, una situación en la cual los reactivos y los productos no están solvatados y compararon estos valores con los obtenidos en el agua. La energía libre positiva de hidrólisis indica que cuando los reactivos y los productos no están solvatados, el acetilfosfato y la fosfocreatina son más estables que los productos de su hidrólisis, y según la definición de Lipmann, se comportan como compuestos de fosfato de baja energía.

1. CUANTIFICACIONES EXPERIMENTALES
   

La estrategia adoptada fue medir la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. De acuerdo a la teoría de solvatación un cambio discreto de la actividad de agua es suficiente para promover un cambio drástico en la energía de hidrólisis del PPi, entonces dependiendo de la actividad de agua del medio, el PPi podía cambiar de un compuesto de alta energía a uno de baja. En medio totalmente acuso el PPi se comporta como compuesto de alta energía cuando se compara con la glucosa 6-fosfato, pero en un ambiente hidrofóbico la glucosa se convierte en un compuesto de fosfato con una energía de hidrólisis más alta que el PPi.

1. CONVERSIÓN DE ENLACES FOSFATO DE ALTA ENERGÍA EN EL SITIO CATALÍTICO DE LAS ENZIMAS
   

La energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si están en solución o unidos a la enzima. Las reacciones que se pensaban prácticamente irreversibles en solución acuosa, ocurren espontáneamente cuando los reactivos están unidos a la enzima. Para las ATPasas del transporte iónico, la energía necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. Durante el ciclo catalítico hay una disminución considerable de la Keq para la hidrólisis del compuesto de fosfato unido a la enzima (residuo de acilfosfato) y el transporta a través de la membrana se acopla con esta transición de la Keq y no con la ruptura del compuesto de fosfato. La hidrólisis parece ser necesaria para permitir solamente la disociación de los productos de hidrólisis de la enzima y no para proporcionar energía al sistema.

La secuencia de eventos para la transducción de energía en ATPasas de transporte o actomiosina son:

• La enzima une al ATP u otros compuestos de fosfato;
  
• La enzima realiza trabajo sin que el compuesto de fosfato sea hidrolizado. Esto es acompañado por una disminución del nivel de energía del compuesto de fosfato;
  
• El compuesto de fosfato se rompe y los productos de hidrólisis se disocian de la enzima en un proceso que implica un cambio de energía relativamente pequeño.
  

En el proceso inverso los compuestos de fosfato (ATP, PPi) y el residuo de acilfosfato e sintetizan en el ambiente hidrofóbico del sitio catalítico de la enzima sin necesidad de energía, es decir, la energía se necesita entonces para la conversión del compuesto de fosfato de "baja energía" en un compuesto de "alta energía". La síntesis de ATP y PPi por la ATP sintasa mitocondrial, involucra un cambio conformacional de la proteína que permite la disociación del ATP y de PPi en el medio hidrofílico del ensayo. Las enzimas que utilizan la energía de un gradiente químico para sintetizar el ATP a partir del ADP y Pi pueden promover esta síntesis incluso en ausencia del gradiente, simplemente por el cambio en la actividad de agua del medio.

1. TRANSDUCCIÓN ENERGÉTICA Y PRODUCCIÓN DE CALOR EN LAS ATPasas DE TRANSPORTE
   

En las reacciones que implican la transducción de energía, solamente una parte de la energía química liberada durante la hidrólisis de ATP se convierte en trabajo u otras formas de energía tales como energía osmótica. La otra parte se convierte en calor, y en animales endotérmicos, el calor liberado su utiliza para mantener la temperatura del cuerpo constante y alta.

Se encontró recientemente que algunas enzimas pueden manejar la energía derivada de hidrólisis del ATP de tal manera que determinan cuanta energía se utiliza para el trabajo y cuánta se disipa como calor. En este sentido, la cantidad total de energía liberada durante la hidrólisis del ATP es siempre igual, pero la fracción de la energía total que se convierte en trabajo o calor se modula por la enzima.

REFERENCIAS

• Flores Herrera O, Riveros Rosas H, Sosa Peinado A, Vázquez Contreras E (eds). Mensaje Bioquímico, Vol XXVIII. Depto Bioquímica, Fac Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México, DF, MÉXICO. (2004)
  

  (Http://bq.unam.mx/mensajebioquimico)
  

  (ISSN-0188-137X)