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 (ATP4- + H2O ---> ADP3–
+ Pi2- + 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
(ATP4- + H2O ---> AMP2- + PPi3-
+ 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 (PPi3-
+ H2O ---> 2Pi2- + 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 (ADP3–
+ Pi2- + 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:
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Tymoczko, J.L., Stryer, L. (2008). Bioquímica. Barcelona, España.
Editorial Reverté.
Mathews, C. K., Ahern, K. G., Van
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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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