El trifosfato de adenosina ( ATP ) es un complejo químico orgánico que proporciona energía para impulsar muchos procesos en las células vivas , por ejemplo, la contracción muscular, la propagación de los impulsos nerviosos y la síntesis química. Se encuentra en todas las formas de vida, el ATP se refiere a menudo como la "unidad molecular de moneda " de la transferencia de energía intracelular . [2] Cuando se consume en procesos metabólicos , se convierte en difosfato de adenosina (ADP) o en monofosfato de adenosina (AMP). Otros procesos regeneran ATP para que el cuerpo humano recicle su propio peso corporal equivalente en ATP cada día. [3] También es un precursor del ADN y el ARN, y se utiliza como coenzima .
Desde la perspectiva de la bioquímica , el ATP se clasifica como un trifosfato de nucleósido , lo que indica que consta de tres componentes: una base nitrogenada ( adenina ), la ribosa del azúcar y el trifosfato .
Estructura [ editar ]
En términos de su estructura, el ATP consiste en una adenina unida por el átomo de nitrógeno 9 al átomo de carbono 1 'de un azúcar ( ribosa ), que a su vez está unida al átomo de carbono 5' del azúcar a un grupo trifosfato. En sus muchas reacciones relacionadas con el metabolismo, los grupos de adenina y azúcar permanecen sin cambios, pero el trifosfato se convierte en di y monofosfato, dando respectivamente los derivados ADP y AMP . Los tres grupos fosforilo se denominan alfa (α), beta (β) y, para el fosfato terminal, gamma (γ).
En solución neutra, el ATP ionizado existe principalmente como ATP 4− , con una pequeña proporción de ATP 3− . [4]
Unión de cationes metálicos a ATP [ editar ]
Al ser polianiónico y con un grupo polifosfato potencialmente quelante , el ATP se une a los cationes metálicos con alta afinidad. La constante de unión para Mg 2+
es ( 9 554 ). [5] La unión de un catión divalente , casi siempre magnesio , afecta fuertemente la interacción de ATP con varias proteínas. Debido a la fuerza de la interacción ATP-Mg 2+ , el ATP existe en la célula principalmente como un complejo con Mg 2+
unido a los centros de oxigeno fosfato. [4] [6]
es ( 9 554 ). [5] La unión de un catión divalente , casi siempre magnesio , afecta fuertemente la interacción de ATP con varias proteínas. Debido a la fuerza de la interacción ATP-Mg 2+ , el ATP existe en la célula principalmente como un complejo con Mg 2+
unido a los centros de oxigeno fosfato. [4] [6]
Un segundo ion de magnesio es crítico para la unión de ATP en el dominio de la quinasa. [7] La presencia de Mg 2+ regula la actividad de la quinasa. [8]
Propiedades químicas [ editar ]
Las sales de ATP se pueden aislar como sólidos incoloros. [9]
El ATP es estable en soluciones acuosas entre pH 6,8 y 7,4, en ausencia de catalizadores. A pH más extremos, se hidroliza rápidamente a ADP y fosfato. Las células vivas mantienen la proporción de ATP a ADP en un punto diez órdenes de magnitud desde el equilibrio, con concentraciones de ATP cinco veces más altas que la concentración de ADP. [10] [11] En el contexto de las reacciones bioquímicas, los enlaces POP se denominan frecuentemente enlaces de alta energía . [12]
La hidrólisis de ATP en ADP y fosfato inorgánico libera 30.5 kJ / mol de entalpía, con un cambio en la energía libre de 3.4 kJ / mol. [13] La energía liberada al dividir una unidad de fosfato (P i ) o pirofosfato (PP i ) de ATP en el estado estándar de 1 M es: [14]
- ATP + H
2 O→ ADP + Pi ΔG° = −30.5 kJ / mol (−7.3 kcal / mol) - ATP + H
2 O→ AMP + PPi ΔG° = −45.6 kJ / mol (−10.9 kcal / mol)
- [RO-P (O) 2 -OP (O) 2 -O-PO 3 ] 4− + H
2 O→ [RO-P (O)2-O-PO3]3−+ [PO4]3− + 2 H+ - [RO-P (O) 2 -OP (O) 2 -O-PO 3 ] 4− + H
2 O→ [RO-PO3]2−+ [O3P-O-PO3]4− + 2 H+
Producción de AMP y ADP [ editar ]
Producción, condiciones aeróbicas [ editar ]
Con una concentración intracelular típica de 1 a 10 mM , el ATP es abundante. [15] La desfosforilación de ATP y la refosforilación de ADP y AMP ocurren repetidamente en el curso del metabolismo aeróbico.
El ATP puede ser producido por varios procesos celulares distintos; las tres vías principales en los eucariotas son (1) la glucólisis , (2) el ciclo del ácido cítrico / la fosforilación oxidativa y (3) la oxidación beta . El proceso general de oxidación de la glucosa al dióxido de carbono , la combinación de las vías 1 y 2, se conoce como respiración celular y produce aproximadamente 30 equivalentes de ATP de cada molécula de glucosa. [dieciséis]
La producción de ATP por un eucariota aerobio no fotosintético ocurre principalmente en las mitocondrias , que comprenden casi el 25% del volumen de una célula típica. [17]
Glicólisis [ editar ]
En la glucólisis, la glucosa y el glicerol se metabolizan a piruvato . La glucólisis genera dos equivalentes de ATP a través de la fosforilación del sustrato catalizada por dos enzimas, PGK y piruvato quinasa . También se producen dos equivalentes de NADH , que pueden oxidarse a través de la cadena de transporte de electrones y dar lugar a la generación de ATP adicional por la ATP sintasa . El piruvato generado como producto final de la glucólisis es un sustrato para el ciclo de Krebs . [18]
La glucólisis se considera que consta de dos fases con cinco pasos cada una. Fase 1, "la fase preparatoria", la glucosa se convierte en 2-d-gliceraldehído -3-fosfato (g3p). Un ATP se invierte en el Paso 1, y otro ATP se invierte en el Paso 3. Los pasos 1 y 3 de la glucólisis se denominan "Pasos de cebado". En la Fase 2, dos equivalentes de g3p se convierten en dos piruvatos. En el paso 7, se producen dos ATP. Además, en el Paso 10, se producen dos equivalentes adicionales de ATP. En los Pasos 7 y 10, ATP se genera desde ADP. Una red de dos ATP se forman en el ciclo de glucólisis. La ruta de la glucólisis se asocia posteriormente con el ciclo del ácido cítrico que produce equivalentes adicionales de ATP.
Reglamento [ editar ]
En la glucólisis, la hexocinasa está directamente inhibida por su producto, la glucosa-6-fosfato, y la piruvato quinasa es inhibida por el propio ATP. El principal punto de control de la vía glucolítica es la fosfofructoquinasa(PFK), que es inhibida de forma alostérica por las altas concentraciones de ATP y activada por las altas concentraciones de AMP. La inhibición de PFK por ATP es inusual, ya que ATP también es un sustrato en la reacción catalizada por PFK; La forma activa de la enzima es un tetrámero que existe en dos conformaciones, solo una de las cuales se une al segundo sustrato fructosa-6-fosfato (F6P). La proteína tiene dos sitios de uniónpara el ATP: el sitio activoes accesible en cualquier conformación de proteínas, pero la unión de ATP al sitio del inhibidor estabiliza la conformación que se une pobremente a F6P. [18] Una serie de otras moléculas pequeñas pueden compensar el cambio inducido por el ATP en la conformación de equilibrio y reactivar el PFK, incluido el AMP cíclico , los iones de amonio , el fosfato inorgánico y la fructosa-1,6- y -2,6-bifosfato. [18]
Ciclo del ácido cítrico [ editar ]
En la mitocondria , el piruvato se oxida por el complejo de la piruvato deshidrogenasa a la acetil grupo, que está totalmente oxidado a dióxido de carbono por el ciclo del ácido cítrico (también conocido como el ciclo de Krebs). Cada "giro" del ciclo del ácido cítrico produce dos moléculas de dióxido de carbono, un equivalente de ATP guanosina trifosfato (GTP) a través de la fosforilación a nivel de sustrato catalizada por la succinil-CoA sintetasa , ya que la succinil-CoA se convierte en succinato, tres equivalentes de NADH , y un equivalente de FADH 2 . NADH y FADH 2 se reciclan (a NAD+ y FAD , respectivamente), generando ATP adicional por fosforilación oxidativa . La oxidación de NADH da como resultado la síntesis de 2–3 equivalentes de ATP, y la oxidación de un FADH 2 produce entre 1–2 equivalentes de ATP. [16] La mayoría del ATP celular es generado por este proceso. Aunque el ciclo del ácido cítrico en sí no involucra oxígeno molecular , es un proceso aeróbico obligatorio porque el O 2 se utiliza para reciclar el NADH y el FADH 2 . En ausencia de oxígeno, cesa el ciclo del ácido cítrico. [17]
La generación de ATP por la mitocondria a partir de NADH citosólica se basa en la lanzadera malato-aspartato (y, en menor medida, la lanzadera de glicerol-fosfato ) porque la membrana mitocondrial interna es impermeable a NADH y NAD + . En lugar de transferir el NADH generado, una enzima malato deshidrogenasa convierte el oxaloacetato en malato , que se transloca a la matriz mitocondrial. Otra reacción catalizada por malato deshidrogenasa ocurre en la dirección opuesta, produciendo oxaloacetato y NADH a partir del malato recién transportado y el almacén interior de mitocondria de NAD + . Una transaminasa convierte el oxaloacetato enAspartato para el transporte de regreso a través de la membrana y hacia el espacio intermembrana. [17]
En la fosforilación oxidativa, el paso de electrones desde NADH y FADH 2 a través de la cadena de transporte de electrones bombea protones fuera de la matriz mitocondrial y al espacio intermembrana. Este bombeo genera una fuerza motriz de protones que es el efecto neto de un gradiente de pH y un gradiente de potencial eléctrico através de la membrana mitocondrial interna. El flujo de protones por este gradiente potencial, es decir, desde el espacio intermembrana a la matriz, produce ATP por la ATP sintasa . [19] Se producen tres ATP por turno.
La mayor parte del ATP sintetizado en las mitocondrias se usará para procesos celulares en el citosol; por lo tanto debe ser exportado desde su sitio de síntesis en la matriz mitocondrial. El movimiento hacia afuera del ATP se ve favorecido por el potencial electroquímico de la membrana porque el citosol tiene una carga relativamente positiva en comparación con la matriz relativamente negativa. Por cada ATP transportado, cuesta 1 H + . Un ATP cuesta alrededor de 3 H + . Por lo tanto, hacer y exportar un ATP requiere 4H +. La membrana interna contiene un antiportador , la ADP / ATP translocasa, que es una proteína de membrana integral que se utiliza para intercambiar ATP recién sintetizado en la matriz para ADP.En el espacio intermembrana. [20] Esta translocasa es impulsada por el potencial de membrana, ya que da como resultado el movimiento de aproximadamente 4 cargas negativas fuera de la membrana mitocondrial a cambio de 3 cargas negativas movidas dentro. Sin embargo, también es necesario transportar el fosfato a la mitocondria; El portador de fosfato mueve un protón con cada fosfato, disipando parcialmente el gradiente de protones. Después de completar la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, se producen aproximadamente 30-38 ATP por glucosa.
Reglamento [ editar ]
El ciclo del ácido cítrico está regulado principalmente por la disponibilidad de sustratos clave, particularmente la relación de NAD + a NADH y las concentraciones de calcio , fosfato inorgánico, ATP, ADP y AMP. Citrate , el ion que da su nombre al ciclo, es un inhibidor de la retroalimentación de la citrato sintasa y también inhibe la PFK, proporcionando un enlace directo entre la regulación del ciclo del ácido cítrico y la glucólisis. [18]
Beta oxidación [ editar ]
En presencia de aire y diversos cofactores y enzimas, los ácidos grasos se convierten en acetil-CoA . La vía se llama beta-oxidación . Cada ciclo de beta-oxidación acorta la cadena de ácido graso en dos átomos de carbono y produce un equivalente de acetil-CoA, NADH y FADH 2 . La acetil-CoA se metaboliza por el ciclo del ácido cítrico para generar ATP, mientras que el NADH y FADH 2 se utilizan por fosforilación oxidativa para generar ATP. Se generan docenas de equivalentes de ATP mediante la oxidación beta de una sola cadena de acilo larga. [21]
Reglamento [ editar ]
En la fosforilación oxidativa, el punto de control clave es la reacción catalizada por la citocromo c oxidasa , que está regulada por la disponibilidad de su sustrato, la forma reducida del citocromo c . La cantidad de citocromo c reducido disponible está directamente relacionada con las cantidades de otros sustratos:
- 1 / 2 NADH + cyt c buey + ADP + P i ⇌ 1 / 2 NAD + + cyt c rojo + ATP
lo que implica directamente esta ecuación:
![{\ displaystyle {\ frac {[\ mathrm {cyt ~ c_ {red}}]} {[\ mathrm {cyt ~ c_ {ox}}]}} = \ left ({\ frac {[\ mathrm {NADH}]] } {[\ mathrm {NAD}] ^ {+}}} \ right) ^ {\ frac {1} {2}} \ left ({\ frac {[\ mathrm {ADP}] [\ mathrm {P_ {i }}]} {[\ mathrm {ATP}]}} \ right) K _ {\ mathrm {eq}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/baed008d658c507750599ae155a9a1c11da873e7)
Por lo tanto, una alta proporción de [NADH] a [NAD + ] o una alta proporción de [ADP] [P i ] a [ATP] implica una alta cantidad de citocromo c reducido y un alto nivel de actividad de citocromo c oxidasa. [18] Las tasas de transporte de ATP y NADH introducen un nivel adicional de regulación entre la matriz mitocondrial y el citoplasma. [20]
Cetosis [ editar ]
Los cuerpos cetónicos se pueden usar como combustibles, produciendo 22 moléculas de ATP y 2 de GTP por molécula de acetoacetato cuando se oxidan en las mitocondrias. Los cuerpos cetónicos se transportan desde el hígado a otros tejidos, donde el acetoacetato y el beta- hidroxibutirato se pueden reconvertir en acetil-CoA para producir equivalentes reductores (NADH y FADH 2 ), a través del ciclo del ácido cítrico . El hígado no puede utilizar los cuerpos cetónicos como combustible, ya que el hígado carece de la enzima β-cetoacil-CoA transferasa, también llamada tioforesa. Acetoacetatoen bajas concentraciones es absorbido por el hígado y se desintoxica a través de la vía de metilglioxal que termina con el lactato. El acetoacetato en altas concentraciones es absorbido por células distintas de las del hígado y entra en una ruta diferente a través del 1,2-propanodiol . Aunque la ruta sigue una serie diferente de pasos que requieren ATP, el 1,2-propanodiol se puede convertir en piruvato. [22]
Producción, condiciones anaeróbicas [ editar ]
La fermentación es el metabolismo de los compuestos orgánicos en ausencia de aire. Implica una fosforilación a nivel de sustrato en ausencia de una cadena de transporte de electrones respiratorios . La ecuación para la oxidación de glucosa a ácido láctico es:
- do
6 H
12 O
6 → 2 CH
3 CH (OH) COOH+ 2 ATP
La respiración anaeróbica es la respiración en ausencia de O
2 . Los procariotas pueden utilizar una variedad de aceptadores de electrones. Estos incluyennitrato,sulfatoy dióxido de carbono.
2 . Los procariotas pueden utilizar una variedad de aceptadores de electrones. Estos incluyennitrato,sulfatoy dióxido de carbono.
Reposición de ATP por nucleósido difosfato quinasas [ editar ]
El ATP también se puede sintetizar a través de varias reacciones denominadas "reposición" catalizadas por las familias de enzimas de las nucleósido difosfato quinasas (NDK), que utilizan otros trifosfatos de nucleósidos como un donante de fosfato de alta energía y la familia ATP: guanido-fosfotransferasa .
La producción de ATP durante la fotosíntesis [ editar ]
En las plantas, el ATP se sintetiza en la membrana tilacoide del cloroplasto . El proceso se llama fotofosforilación. La "maquinaria" es similar a la de las mitocondrias, excepto que la energía de la luz se utiliza para bombear protones a través de una membrana para producir una fuerza motriz de protones. La ATP sintasa sigue exactamente como en la fosforilación oxidativa. [23] Algunos de los ATP producidos en los cloroplastos se consumen en el ciclo de Calvin , que produce azúcares triose .
Reciclaje de ATP [ editar ]
La cantidad total de ATP en el cuerpo humano es de aproximadamente 0,2 moles . La mayoría de ATP se recicla de ADP mediante los procesos antes mencionados. Por lo tanto, en un momento dado, la cantidad total de ATP + ADP permanece bastante constante.
La energía utilizada por las células humanas requiere la hidrólisis de 100 a 150 moles de ATP diariamente, que es de alrededor de 50 a 75 kg. Un ser humano usualmente usará su peso corporal de ATP a lo largo del día. Cada equivalente de ATP se recicla 500-750 veces durante un solo día ( 100 / 0.2 = 500 ).
Funciones bioquímicas [ editar ]
Señalización intracelular [ editar ]
El ATP participa en la transducción de señales al servir como sustrato para las quinasas, enzimas que transfieren grupos fosfato. Las quinasas son las proteínas de unión a ATP más comunes. Comparten un pequeño número de pliegues comunes. [24] La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar una cascada como la cascada de la proteína quinasa activada por mitógeno . [25]
El ATP también es un sustrato de la adenilato ciclasa , más comúnmente en las vías de transducción de señales del receptor acoplado a la proteína G y se transforma en un segundo mensajero , AMP cíclico, que participa en la activación de las señales de calcio mediante la liberación de calcio de las reservas intracelulares. [26] Esta forma de transducción de señales es particularmente importante en la función cerebral, aunque está involucrada en la regulación de una multitud de otros procesos celulares. [27]
ADN y ARN síntesis [ editar ]
El ATP es uno de los cuatro "monómeros" requeridos en la síntesis de ARN . El proceso es promovido por las RNA polimerasas . [28] Se produce un proceso similar en la formación de ADN, excepto que el ATP se convierte primero en el desoxirribonucleótido dATP. Al igual que muchas reacciones de condensación en la naturaleza, la replicación del ADN y la transcripción del ADN también consumen ATP.
La activación de aminoácidos en la síntesis de proteínas [ editar ]
Las enzimas aminoacil-ARNt sintetasa consumen ATP en la unión del ARNt a los aminoácidos, formando complejos aminoacil-ARNt. La aminoacil transferasa se une a AMP-aminoácido al ARNt. La reacción de acoplamiento procede en dos pasos:
- aa + ATP ⟶ aa-AMP + PP i
- aa-AMP + ARNt ⟶ aa-ARNt + AMP
El aminoácido se acopla al penúltimo nucleótido en el extremo 3 'del ARNt (el A en la secuencia CCA) a través de un enlace éster (se desplaza en la ilustración).
ATP casete de unión a transportador [ editar ]
El transporte de productos químicos fuera de una célula contra un gradiente a menudo se asocia con la hidrólisis de ATP. El transporte está mediado por los transportadores de casete de unión ATP . El genoma humano codifica 48 transportadores ABC, que se utilizan para exportar medicamentos, lípidos y otros compuestos. [29]
Señalización extracelular y la neurotransmisión [ editar ]
Las células secretan ATP para comunicarse con otras células en un proceso llamado señalización purinérgica . El ATP sirve como un neurotransmisor en muchas partes del sistema nervioso, modula el latido de las vellosidades, afecta el suministro de oxígeno vascular, etc. El ATP se secreta directamente a través de la membrana celular a través de las proteínas del canal [30] [31] o se bombea hacia las vesículas [32] que luego fusionar con la membrana. Las células detectan ATP utilizando las proteínas de los receptores purinérgicos P2X y P2Y.
Solubilidad de la proteína [ editar ]
El ATP se ha propuesto recientemente para actuar como un hidrótropo biológico [33] y se ha demostrado que afecta a la solubilidad de todo el proteoma. [34]
Análogos de ATP [ editar ]
Los laboratorios de bioquímica a menudo utilizan estudios in vitro para explorar procesos moleculares dependientes de ATP. Los análogos de ATP también se utilizan en la cristalografía de rayos X para determinar la estructura de una proteína en complejo con ATP, a menudo junto con otros sustratos.
Se necesitan inhibidores enzimáticos de las enzimas dependientes de ATP, como las quinasas , para examinar los sitios de unión y los estados de transición involucrados en las reacciones dependientes de ATP.
Los análogos de ATP más útiles no pueden hidrolizarse como lo sería el ATP; en su lugar, atrapan la enzima en una estructura estrechamente relacionada con el estado unido a ATP. La adenosina 5 '- (γ-tiotrifosfato) es un análogo de ATP extremadamente común en el que uno de los oxígenos gamma-fosfato se reemplaza por un átomo de azufre ; este anión se hidroliza a un ritmo mucho más lento que el propio ATP y funciona como un inhibidor de los procesos dependientes de ATP. En estudios cristalográficos, los estados de transición de hidrólisis son modelados por el ion vanadato unido .
Se debe tener precaución al interpretar los resultados de los experimentos que usan análogos de ATP, ya que algunas enzimas pueden hidrolizarlos a tasas apreciables a altas concentraciones. [35]
Historia [ editar ]
- El ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann [36] [37] y Jendrassik [38] e, independientemente, por Cyrus Fiske y Yellapragada Subba Rao de la Escuela de Medicina de Harvard , [39] ambos equipos compitiendo entre sí para encontrar un ensayo de fósforo. .
- Se propuso que fuera el intermediario entre las reacciones de producción de energía y que requerían energía en las células por Fritz Albert Lipmann en 1941. [40]
- Fue sintetizado por primera vez en el laboratorio por Alexander Todd en 1948. [41]
- El Premio Nobel de Química 1997 se dividió, una mitad conjuntamente con Paul D. Boyer y John E. Walker por su esclarecimiento del mecanismo enzimático subyacente a la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) y la otra mitad a Jens C. Skou por primera vez. descubrimiento de una enzima transportadora de iones, Na +, K + -ATPasa .
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