Biología para no profesionales I

Una célula viva no puede almacenar cantidades significativas de energía libre. Un exceso de energía libre daría lugar a un aumento de calor en la célula, lo que provocaría un movimiento térmico excesivo que podría dañar y luego destruir la célula. En cambio, una célula debe ser capaz de manejar esa energía de forma que le permita almacenar energía de forma segura y liberarla para utilizarla sólo cuando sea necesario. Las células vivas logran esto utilizando el compuesto trifosfato de adenosina (ATP). El ATP suele denominarse la «moneda energética» de la célula y, al igual que la moneda, este versátil compuesto puede utilizarse para satisfacer cualquier necesidad energética de la célula. ¿Cómo? Funciona de forma similar a una batería recargable.

Cuando el ATP se descompone, normalmente por la eliminación de su grupo fosfato terminal, se libera energía. La energía se utiliza para que la célula realice un trabajo, normalmente mediante la unión del fosfato liberado a otra molécula, activándola. Por ejemplo, en el trabajo mecánico de la contracción muscular, el ATP suministra la energía para mover las proteínas musculares contráctiles. Recordemos el trabajo de transporte activo de la bomba de sodio-potasio en las membranas celulares. El ATP altera la estructura de la proteína integral que funciona como bomba, cambiando su afinidad por el sodio y el potasio. De este modo, la célula realiza un trabajo, bombeando iones contra sus gradientes electroquímicos.

Estructura y función del ATP

Figura 1. El ATP (trifosfato de adenosina) tiene tres grupos fosfato que pueden ser eliminados por hidrólisis para formar ADP (difosfato de adenosina) o AMP (monofosfato de adenosina).Las cargas negativas del grupo fosfato se repelen naturalmente, requiriendo energía para unirlos y liberando energía cuando estos enlaces se rompen.

En el corazón del ATP se encuentra una molécula de monofosfato de adenosina (AMP), que está compuesta por una molécula de adenina unida a una molécula de ribosa y a un único grupo fosfato (Figura 1). La ribosa es un azúcar de cinco carbonos que se encuentra en el ARN, y el AMP es uno de los nucleótidos del ARN. La adición de un segundo grupo fosfato a esta molécula central da lugar a la formación de difosfato de adenosina (ADP); la adición de un tercer grupo fosfato forma trifosfato de adenosina (ATP).

La adición de un grupo fosfato a una molécula requiere energía. Los grupos fosfato están cargados negativamente y, por tanto, se repelen entre sí cuando están dispuestos en serie, como ocurre en el ADP y el ATP. Esta repulsión hace que las moléculas de ADP y ATP sean intrínsecamente inestables. La liberación de uno o dos grupos fosfato del ATP, un proceso llamado desfosforilación, libera energía.

Energía del ATP

La hidrólisis es el proceso de ruptura de macromoléculas complejas. Durante la hidrólisis, el agua se divide, o se lisa, y el átomo de hidrógeno resultante (H+) y un grupo hidroxilo (OH-) se añaden a la molécula más grande. La hidrólisis del ATP produce ADP, junto con un ion fosfato inorgánico (Pi), y la liberación de energía libre. Para llevar a cabo los procesos vitales, el ATP se descompone continuamente en ADP y, al igual que una batería recargable, el ADP se regenera continuamente en ATP mediante la reinserción de un tercer grupo fosfato. El agua, que se descompuso en su átomo de hidrógeno y grupo hidroxilo durante la hidrólisis del ATP, se regenera cuando se añade un tercer fosfato a la molécula de ADP, reformando el ATP.

Obviamente, se debe infundir energía en el sistema para regenerar el ATP. ¿De dónde procede esta energía? En casi todos los seres vivos de la Tierra, la energía procede del metabolismo de la glucosa. De este modo, el ATP es un enlace directo entre el conjunto limitado de vías exergónicas del catabolismo de la glucosa y la multitud de vías endergónicas que alimentan las células vivas.

Fosforilación

Recordemos que, en algunas reacciones químicas, las enzimas pueden unirse a varios sustratos que reaccionan entre sí en la enzima, formando un complejo intermedio. Un complejo intermedio es una estructura temporal, y permite que uno de los sustratos (como el ATP) y los reactivos reaccionen más fácilmente entre sí; en las reacciones en las que interviene el ATP, éste es uno de los sustratos y el ADP es un producto. Durante una reacción química endergónica, el ATP forma un complejo intermedio con el sustrato y la enzima de la reacción. Este complejo intermedio permite al ATP transferir su tercer grupo fosfato, con su energía, al sustrato, un proceso llamado fosforilación. La fosforilación se refiere a la adición del fosfato (~P). Esto se ilustra con la siguiente reacción genérica:

A + enzima + ATP → B + enzima + ADP + ion fosfato

Cuando el complejo intermedio se rompe, la energía se utiliza para modificar el sustrato y convertirlo en un producto de la reacción. La molécula de ADP y un ion fosfato libre se liberan al medio y están disponibles para su reciclaje a través del metabolismo celular.

Figura 2. En las reacciones de fosforilación, el fosfato gamma del ATP se une a una proteína.

Fosforilación del sustrato

El ATP se genera a través de dos mecanismos durante la descomposición de la glucosa. Se generan algunas moléculas de ATP (es decir, se regeneran a partir del ADP) como resultado directo de las reacciones químicas que ocurren en las vías catabólicas. Se elimina un grupo fosfato de un reactivo intermedio en la vía, y la energía libre de la reacción se utiliza para añadir el tercer fosfato a una molécula de ADP disponible, produciendo ATP (Figura 2). Este método tan directo de fosforilación se denomina fosforilación a nivel de sustrato.

Fosforilación oxidativa

La mayor parte del ATP generado durante el catabolismo de la glucosa, sin embargo, se deriva de un proceso mucho más complejo, la quimiosmosis, que tiene lugar en las mitocondrias (Figura 3) dentro de una célula eucariota o en la membrana plasmática de una célula procariota.

Figura 3. La mitocondria (Crédito: modificación del trabajo de Mariana Ruiz Villareal)

La quimiosmosis, un proceso de producción de ATP en el metabolismo celular, se utiliza para generar el 90 por ciento del ATP fabricado durante el catabolismo de la glucosa y es también el método utilizado en las reacciones lumínicas de la fotosíntesis para aprovechar la energía de la luz solar. La producción de ATP mediante el proceso de quimiosmosis se denomina fosforilación oxidativa debido a la participación del oxígeno en el proceso.

En resumen: el ATP en los sistemas vivos

El ATP funciona como la moneda energética de las células. Permite a la célula almacenar energía brevemente y transportarla dentro de la célula para apoyar las reacciones químicas endergónicas. La estructura del ATP es la de un nucleótido de ARN con tres fosfatos unidos. Cuando se utiliza el ATP para obtener energía, se desprenden uno o dos grupos de fosfato y se produce ADP o AMP. La energía derivada del catabolismo de la glucosa se utiliza para convertir el ADP en ATP. Cuando se utiliza el ATP en una reacción, el tercer fosfato se une temporalmente a un sustrato en un proceso denominado fosforilación. Los dos procesos de regeneración de ATP que se utilizan junto con el catabolismo de la glucosa son la fosforilación a nivel de sustrato y la fosforilación oxidativa a través del proceso de quimiosmosis.

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