La molécula de ATP

El ATP es la “moneda energética” en los seres vivos

En este artículo se revisarán aspectos resaltantes del ATP como “moneda energética” universal de los sistemas biológicos, sin entrar en consideraciones termodinámicas, lo cual será tratado en otro escrito. Las siglas ATP, representa el nombre de uno de los ocho nucleótidos principales, que junto con las proteínas, lípidos y carbohidratos, constituyen las moléculas fundamentales que forman a los seres vivos. El ATP es específicamente un ribonucleosido trifosfatado, formado por la base nitrogenada de adenina, por una ribosa (pentosa) y tres grupos fosfato, designados como alfa (a), beta (b) y gamma (g) (Ver figura).

En su estructura se puede observar la presencia de dos enlaces fosfoanhídrido en la unión de los tres grupos fosfatos (distal y proximal), y también la presencia de un enlace fosfoéster entre el grupo fosfato alfa (a) y la ribosa. Es importante recordar que un anhídrido es un grupo funcional formado por la unión de dos ácidos.

El ATP actúa como portador de la energía entre los procesos metabólicos que la producen (catabolismo) y los de síntesis que la consumen (anabolismo). Su selección como “moneda energética” debió realizarse muy temprano en los inicios de la vida, pues esta molécula cumple la misma función en todos los organismos, desde los unicelulares más simples hasta los mamíferos.

Diversas circunstancias y razones permiten entender porque este nucleótido fue seleccionado para el papel de intermediario energético. Una de éstas debió ser su presencia en los comienzos de la vida. Como se sabe, las moléculas primarias de los organismos son el DNA y RNA, ya que son las portadoras de la información genética. Sin ellas la vida sería inconcebible. Químicamente dichas moléculas son polímeros de nucleótidos, entre los cuales se encuentra el AMP (para el RNA) y el dAMP (para el DNA). De modo que, cualquier hipótesis que involucre al DNA o al RNA en el surgimiento de la vida, incluye necesariamente a los nucleótidos de adenina y al ATP entre las primeras moléculas presentes en el origen.

       

             Otra de las características del ATP que debió privar para su selección como moneda energética, debió ser su valor intermedio del cambio de energía libre de hidrólisis de sus grupos fosfatos. La hidrólisis de su enlace fosfoanhídrido distal (ATP^4- + H₂O ---> ADP^3– + Pi^2- + H⁺), libera - 30,5 kJ/mol en condiciones estándar. Dicho valor es intermedio con respecto al del fosfato de los “compuestos macroérgicos”, como el fosfoenol piruvato (-61,9 kJ/mol), y al del fosfato de “compuestos microérgicos”, como la glucosa-6-fosfato (-13,8 kJ/mol).

             Esta posición intermedia del ATP, permite que la transferencia del fosfato, desde compuestos de alta energía a los de baja energía, sea escalonada y puedan realizarse en las concentraciones en la que éstos se encuentran en las células. Ello hace posible que el DG°’ de las reacciones de transferencia de grupos fosfatos, entre compuestos macro- y microérgicos, no sea tan elevado como lo sería si no existiese este intermediario.

             También la capacidad que posee el ATP para fraccionar la liberación de su energía, debió constituir otro elemento que contribuyó a su selección como moneda energética. La hidrólisis del ATP, además de producirse en el  enlace fosfoanhídrido distal, también puede llevarse a cabo sobre el enlace fosfoanhídrido proximal. En esta última reacción (ATP^4- + H₂O ---> AMP^2- + PPi^3- + H⁺), llamada escisión pirofosforolítica, el ATP libera una cantidad de energía similar a la del enlace distal. Pero además, el pirofosfato inorgánico (PPi) generado en esta reacción, se hidroliza inmediatamente (PPi^3- + H₂O ---> 2Pi^2- + H⁺₎, con el desprendimiento también de - 30,5 kJ/mol, que se suma a la energía proveniente del enlace distal, para producirse una liberación total de - 61,0 kJ/mol en condiciones estándar.

             Es importante mencionar, que en la mayoría de las reacciones en las que el ATP interviene como donador de la energía, es suficiente la hidrólisis de un solo enlace distal. No obstante, existen muchas reacciones endergónicas, que requieren el aporte de la energía de dos enlaces fosfoanhídridos. Para estos últimos casos, suelen frecuentemente producirse las escisiones pirofosforolíticas.

             La energía de activación de la reacción de hidrólisis del ATP es muy elevada, lo cual le confiere a esta molécula una importante estabilidad termodinámica, condición requerida para ser una moneda energética.  Esto hace que a la temperatura corporal, muy pocas moléculas de ATP que están en el interior celular alcancen la energía necesaria para hidrolizarse de manera espontánea (no catalizada). Además, en el medio celular, las cargas negativas de los grupos fosfatos se asocian con cationes Mg⁺⁺, que protegen a estos grupos y los hacen menos reactivos. En resumen, se comprende entonces que una molécula que deba funcionar como intermediario energético, es decir, como “moneda energética” en los seres vivos, ha de cumplir al menos, con los cuatro aspectos discutidos previamente.

Por otra parte, es también conocido que el valor intermedio del cambio de energía libre de hidrólisis de los fosfatos del ATP, en condiciones estándar, se debe a cuatro razones principales, que serán solo mencionadas brevemente en este escrito. La primera obedece a la repulsión que se genera entre los oxígenos con cargas negativas de los grupos fosfatos. La segunda está determinada por la mejor solvatación de sus productos de reacción (ADP^3– + Pi^2- + H⁺), que se solvantan mejor que el propio ATP, con lo cual se favorece el desplazamiento de la reacción hacia la formación de los productos.

El tercer elemento, en el sentido de lo anterior, lo constituye la estabilización por resonancia de sus productos de hidrólisis. Ello se debe a que éstos pueden existir en un mayor número de formas resonantes (híbridos). Cuanto mayor es el número de estructuras resonantes en las que se puede describir una especie química, mayor es su estabilidad termodinámica. Los esteres fosfóricos como el ortofosfato (Pi), está más estabilizado por resonancia que los anhídridos fosfóricos como el ATP y el ADP. La resonancia de estos últimos se encuentra desfavorecida, debido a que el oxígeno que actúa de puente entre los grupos fosfatos, no puede ceder electrones a dichos grupos de modo simultáneo.

Y finalmente, el último de los elementos señalados que determina el valor intermedio del cambio de energía libre del ATP, lo representa el aumento de la entropía de sus productos de reacción. Este elemento, junto con los tres anteriores, constituyen en distintos grados, las fuerzas motrices que presionan sobre el ATP para las escisión de sus enlaces fosfoanhídridos hacia el equilibrio.

Otros ribonucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos, como el GTP, UTP, CTP y TTP, comparten con el ATP todas las características que hemos mencionado antes, incluso la de liberar idéntica cantidad de energía cuando se hidrolizan sus enlaces fosfatos. Por lo tanto, éstas moléculas habrían podido ser elegidas como “moneda energética” en igualdad de condiciones con el ATP. Sin embargo, el ATP fue el seleccionado para esta función. Es probable que para esta selección, hayan tenido importancia las diferencias entre las bases nitrogenadas de los diferentes nucleótidos, y que no haya sido sólo una cuestión de azar.

Para cerrar este tema, es importante aclarar, que el término enlace de “alta energía”, y las expresiones, energía “contenida” o “atrapada” en enlaces, son químicamente incorrectos, pues la energía que se libera cuando se rompen, no proviene de los enlaces en sí, sino de la estabilización de los productos de la reacción, ya que un compuesto tiene menor energía cuando éste es más estable.

REFERENCIAS:

Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2008). Bioquímica. Barcelona, España. Editorial Reverté.

Mathews, C. K., Ahern, K. G., Van Holde, K. E. (2002). Bioquímica. Madrid, España. McGraw-Hill.

Murray, R. K., Bender, D. A., Botham K. M., Kennelly P. J., Rodwell, V.W., Weil, P. A. (2010). Bioquímica Ilustrada de Harper. México, D.F. McGraw-Hill Interamericanas Editores.

Nelson, D. L. y Cox, M. M. (2014). Lehninger: Principios de Bioquímica. . Madrid, España. Ediciones Omega, S.A.

Voet, D. y Voet, J. G. (2006). Bioquímica. Argentina. Editorial Médica Panamericana S.A.

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Puentes de hidrógeno

¿Qué son los puentes de hidrógeno?

En un lenguaje formal químico, un enlace o puente de hidrógeno puede ser definido como una fuerza electrostática atractiva, que se establece entre un átomo electronegativo, con un átomo de hidrógeno que está unido covalentemente a otro átomo electronegativo. Para muchos estudiantes, la comprensión de este concepto puede resultar confusa, ya que se requiere de conocimientos previos que el estudiante debe manejar, por lo que es importante revisarlos brevemente para luego abordar con mayor propiedad el de puente de hidrogeno. Para tal fin, se explicará el referido concepto, dentro del marco de las interacciones que establecen las moléculas de agua entre sí, cuando éstas se encuentran en estado líquido o sólido.

Como es por todos conocido, las moléculas de agua están formadas por dos átomos de hidrógeno unidos covalentemente a uno de oxígeno, de allí su fórmula química general H₂O. Como los estudiantes deben recordar, el oxígeno, después del flúor, es el elemento con mayor electronegatividad presente en los seres vivos, que mide la capacidad de un átomo para atraer hacia su núcleo, solo aquellos  electrones que comparte con otros átomos en sus enlaces covalentes, cuando dichos átomos son parte de una molécula.

Debido a la mayor electronegatividad del oxígeno, con respecto a la del hidrógeno, la molécula de agua presenta una estructura de dipolo eléctrico permanente (Figura 1). Ello significa, que en todo momento, las moléculas de agua poseen un lado con una carga positiva y el otro lado con una carga negativa. Esta asimétrica distribución de cargas, se debe a que el oxígeno atrae hacia su núcleo, los electrones de los dos enlaces covalentes que éste forma con los hidrógenos. Dicha atracción, deja parcialmente sin electrón el núcleo de los hidrógenos, cuya carga positiva, debido a la presencia de un protón, queda ahora expuesta, razón que determina su condición de dipolo permanente. 

Además de la elevada electronegatividad del átomo de oxígeno, otros factores que contribuyen a la polaridad de la molécula de agua, son los electrones presentes en los orbitales profundos del oxígeno, y los dos pares de electrones no compartidos presentes en su capa de valencia. Hasta este punto, los elementos explicados permitirán comprender mejor el concepto de puente de hidrógeno, definido en el primer párrafo. En términos más precisos, dicho concepto expresa, que el hidrógeno de una molécula de agua, con su carga positiva, es atraído por las cargas negativas de los electrones no compartidos del oxígeno de otra molécula de agua, para formar el respectivo puente de hidrógeno (Figura 2). 

El nitrógeno es el otro elemento, junto con el oxígeno, presente en los compuestos biológicos, con la electronegatividad apropiada para formar puentes de hidrógeno (Figura 3). Dicha capacidad obedece a las mismas razones que poseen las moléculas de agua, con la diferencia de que con el nitrógeno, éstas son más reducidas. Ello se debe, a que este elemento  es menos electronegativo que el oxígeno, y además solo posee un par de electrones no compartido en su último orbital, que en conjunto, restringe su capacidad para formar los puentes. 

Este tipo de enlace es el que mantiene unidas a las moléculas de agua a temperatura ambiente (25 °C). De no existir tales interacciones el agua fuera un gas. Ello se hace evidente cuando se compara con el amoniaco (NH₃) y el sulfuro de hidrógeno (H₂S), cuyas estructuras son similares a la del agua, pero ambas sustancias son gases a temperatura ambiente, por poseer limitadas capacidades para formar puentes de hidrógenos.

Por otra parte, los puentes de hidrógeno ejercen una profunda influencia sobre otras propiedades físicas del agua. Ellos son los responsables de que ésta posea valores altos de calor específico, de calor de fusión, de calor de evaporización, de viscosidad, de constante dieléctrica, de conductividad térmica, entre otras. En estado líquido, cada molécula de agua se asocia en promedio, a través de estos enlaces, con otras 3,7 moléculas, y en estado sólido con cuatro de ellas. 

En términos energético es importante destacar, que los puentes de hidrógeno son interacciones débiles y transitorias, con una vida media de aproximadamente 10^-11 segundos o menos. Su ruptura, en agua líquida, solo requiere alrededor de 4,5 Kcal/mol, que representa menos del 5 % de la energía necesaria para romper un enlace covalente entre un oxígeno y un hidrógeno. Si bien es cierto que individualmente los puentes de hidrógeno son enlaces muy débiles, en conjunto, constituyen una de las  principales fuerzas que sostienen y dan forma a las moléculas que forman a los seres vivos.

REFERENCIAS:

Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2008). Bioquímica. Barcelona, España. Editorial Reverté.

Mathews, C. K., Ahern, K. G., Van Holde, K. E. (2002). Bioquímica. Madrid, España. McGraw-Hill.

 

Murray, R. K., Bender, D. A., Botham K. M., Kennelly P. J., Rodwell, V.W., Weil, P. A. (2010). Bioquímica Ilustrada de Harper. México, D.F. McGraw-Hill Interamericanas Editores.

Nelson, D. L. y Cox, M. M. (2014). Lehninger: Principios de Bioquímica. . Madrid, España. Ediciones Omega, S.A.

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La ciencia de la Bioquímica

Importancia de la Bioquímica

 La bioquímica es la ciencia que estudia la composición molecular y las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos, cuyas interacciones dan origen al proceso de la vida. Etimológicamente, la palabra bioquímica significa “química de la vida”, y efectivamente de eso se trata, de estudiar los procesos biológicos a nivel de los átomos y de las moléculas. En síntesis, la bioquímica, es la química de los organismos.

Entre sus funciones se encuentra, el estudio de la estructura y propiedades de las distintas biomoleculas, en las que destacan las proteínas, lípidos, carbohidratos y ácidos nucleicos. Esta disciplina también se ocupa de las interacciones entre dichas moléculas para formar los  organelos, células, tejidos y órganos, como también de las interacciones que dan origen a los procesos metabólicos. Aparte de los anteriores aspectos, también Investiga los mecanismos de obtención y procesamiento de la energía, y de la autoperpetuación de los seres vivos.

La Bioquímica que se dicta en las carreras universitarias, desarrollan en los estudiantes el pensamiento analítico. Esta especialidad cuenta con un cuerpo de conocimientos que  constituyen la base para explicar los mecanismos fisiológicos normales, patológicos y evolutivos que se suceden en todas las formas de vida, como también su evolución y las enfermedades humanas. Dentro de este último campo, se incluyen también las enfermedades de animales de importancia doméstica y económica y las del mundo vegetal.

Esta disciplina también proporciona los conocimientos para entender la acción de los fármacos y de los trastornos clínicos que resultan de alteraciones a nivel molecular, causantes de múltiples patologías. Ella abarca también la ingeniería genética, de gran importancia para el diagnóstico de enfermedades infecciosas, hereditarias y prenatales.

Dado que la Bioquímica trata sobre las bases de los procesos que tienen lugar en los seres vivos, no hay ninguna rama de la Biología que escape a sus fronteras. Su conocimiento constituye un pilar esencial para el desarrollo de especialidades relacionadas con ella (Medicina, Genética, Farmacología, Inmunología, Nutrición, etc.), ya que abarca todos los aspectos fundamentales de los seres vivos sin distinción.

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