La energía libre estándar (DG°) de la hidrólisis del ATP es (-30 kJ mol-1). En las células, por supuesto, las concentraciones de ATP, ADP y Pi no son iguales y son mucho menores a 1 M.
ATP ADPa AMP Pi PCr
Hepatocito de rata 3.38 1.32 0.29 4.8 0
Miocito de rata 8.05 0.93 0.04 8.05 28
Neurona de rata 2.59 0.73 0.06 2.72 4.7
Eritrocito humano 2.25 0.25 0.02 4.65 0
Escherichia coli 7.90 1.04 0.82 7.9 0
Tabla : Concentraciones de nucleótidos de adenina, fosfato inoránico y fosfocreatina en algunas células*
* para los eritrocitos, las concentraciones son aquellas en el citosol (los eritrocitos humanos carecen de núcleo y mitocondria). En todos los otros tipos celulares, los datos son de todo el contenido celular, aunque definitivamente, el citoplasma y la mitocondria contienen muy diferentes cantidades de ADP. PCr = fosfocreatina. Datos en mM.
De hecho el pH celular difiere del pH estándar (7.0) Entonces la energía libre de la hidrólisis del ATP bajo condiciones intracelulares difiere de el cambio en la energía libre estándar (DG°´). Es posible calcular esta diferencia. Por ejemplo, en eritrocitos humanos las concentraciones de ATP, ADP y Pi son de 2.25, 0.25, y 1.65 mM respectivamente. Si se asume por simplicidad que el pH y la temperatura son de condiciones estándar, 7.0 y 25 °C. La energía libre de la hidrólisis del ATP en el eritrocito bajo estas condiciones está dada por:
De ahí que el cambio en la energía libre para la hidrólisis del ATP en el eritrocito bajo estas condiciones es de –51.8 kJmol, que es mucho mayor que el cambio en la energía libre (-30.5khmol). En el mismo sentido, la energía libre necesaria para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi en el eritrocito bajo las mismas condiciones será de 51.8 kJmol.
Debido a que la concentraciones de ATP, ADP y Pi difieren de una célula a otra (ver Tabla X), la energía libre de la hidrólisis del ATP bajo condiciones intracelulares difiere entre células. De hecho en cualquier célula esta cantidad puede variar de vez en vez dependiendo de las condiciones metabólicas en la célula y en la influencia de las concentraciones de ATP, ADP y Pi, además del cambio en el pH.
¿Cómo el gradiente de concentración de proteínas se transforma en ATP? La transferencia de electrones libera una gran cantidad de energía libre que la fuerza protón motriz conserva, mucho mas de la energía libre (alrededor de 200 kJ) por mol de pares de electrones para permitir la formación de una molécula de ATP, lo cual requiere alrededor de 50 kJ. La fosforilación oxidativa mitocondrial no tiene problemas termodinámicos
El modelo quimiosmótico propuesto por Peter Mitchell es el paradigma del mecanismo.
Introducción.
La transferencia de electrones en la cadena de transporte de electrones es energéticamente favorable porque el NADH es un poderoso donador de electrones y el Oxígeno molecular es un potente aceptor de electrones. De hecho el flujo neto de electrones desde el NADH hasta el Oxígeno resulta en la síntesis de ATP. La fosforilación oxidativa es una serie de eventos químicos que llevan a la síntesis de ATP:
ADP + Pi ® síntesis del ATP
fosforilación del ADP
El evento vital se lleva a cabo en la membrana plasmática bacteriana, en la membrana interna mitocondrial y en los tilacoides de los cloroplastos.
En la década de los 30´s: Belitzer y Tsivakoba encontraron que el proceso de la fosforilación de ADP en los tejidos animales estaba asociado a la respiración o consumo de O2.Mas adelante se describió que la respiración se lleva a cabo en las mitocondrias.
H. Krebs encontró el ciclo de los ácidos tricarboxílicos en el cual el piruvato se transforma en Ac-CoA que a su vez interviene en la reducción de NAD+ y en la posterior generación delsuccinato.
Como ha sucedido muchas veces a los largo de la historia de la investigación científica, dos investigadores reportaron simultáneamente un evento bioquímico. En 1937, Kalkar en Dinamarca y Belitzer en la antigua URSS, encontraron una correlación muy interesante entre la desaparición del Pi y la respiración. Estudiaron el efecto de la adición de Pi (HPO34) ahomogenados de tejidos de mamíferos; el experimento lo realizaron en presencia y ausencia de 02 o en presencia de cianuro (CN-). Reportaron que a medida que se consumía el 02 el Pidesaparecía del medio de reacción y que cuando agregaban a un inhibidor del consumo de 02, CN- e este caso, el proceso no se llevaba a cabo. Posteriormente se verificó que la síntesis de ATP es una reacción endergonica, en la cual la respiración o consumo de 02 acopladas a la fosforilación del ADP, genera energía.
En los seres vivos la oxidación de moléculas orgánicas tiene como resultado el movimiento de protones (H+) del interior de la matriz mitocondrial al espacio intermembranal en mitocondrias y cloroplastos o bien al citoplasma en las bacterias. La cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa estuvieron separadas conceptualmente por mucho tiempo. Las observaciones de la formación del ATP hacían pensar a los investigadores en buscaba un intermediario fosforilado de la reación. Hasta que en 1961 Peter Mitchell propuso la hipótesis quimiosmótica en la cual propuso que el intermediario energético necesario para la formación del ATP (o fosforilación del ADP), era una diferencia en la concentración de protones a través de la membrana. Gracias a estas observaciones Mitchell recibió en premio Nobel de Química en 1978. Murió al final de la década de los 80´s.
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