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Probablemente sepas que la glucosa es un componente nutricional importante de los alimentos. En la misma escala submicroscópica, otra molécula es igualmente indispensable para la producción de energía: El ATP, o trifosfato de adenosina. Cuando el ATP se descompone por hidrólisis, ¡produce energía!
Ahora, coge un tentempié para suministrar energía a tus neuronas, ¡y vamos a explorar la hidrólisis del ATP!
- En primer lugar, veremos la estructura de una molécula de ATP.
- Después, aprenderemos la definición y el mecanismo de la hidrólisis del ATP.
- Después, veremos la reacción implicada en la hidrólisis del ATP.
- Por último, exploraremos la energía libre de la hidrólisis de ATP y también hablaremos de la hidrolasa de ATP.
Molécula de ATP
Comencemos nuestro viaje definiendo el ATP.
Eltrifosfato de adenosina, o ATP, es una molécula cuyo papel central es el suministro de energía.
La estructura del ATP consta de una adenosina y tres fosfatos (figura 1).
La adenosina es un nucleósido, que son moléculas que contienen un anillo orgánico con nitrógeno y azúcar.
El fosfato es un grupo funcional compuesto por un átomo de fosfato rodeado por cuatro átomos de oxígeno.
Fig. 1. Estructura molecular del trifosfato de adenosina (ATP) y sus grupos funcionales, bajo licencia CC BY 3.0.
La principal fuente de síntesis de ATP en las células y los organismos vivos es la respiración.
En las plantas, el ATP también se sintetiza durante la fotosíntesis.
En entornos con poco o nada de oxígeno, el ATP puede crearse alternativamente mediante respiración anaeróbica, como la fermentación por bacterias.
¿Te suena el término adenosina ? Es posible que hayas encontrado un término similar durante tus estudios sobre el ARN o el ADN.
Esto se debe a que el ATP es un nucleótido, definido por tener una base que contiene nitrógeno (en este caso, la adenina), un grupo fosfato y un grupo azúcar.
Si recuerdas, la adenina es uno de los cuatro componentes básicos del ARN y el ADN. Los otros tres son la citosina, la guanina y el uracilo (para el ARN) o la timina (para el ADN). Sin embargo, funcionalmente, el ARN y el ATP son muy diferentes. Los nucleótidos se han ganado la reputación de bloques de construcción del ARN y el ADN, mientras que el ATP, en cambio, es un nucleótido cuya función es la de una molécula sintetizadora de energía.
Definición de la hidrólisis del ATP
Al igual que se necesita esfuerzo para darse la mano, los enlaces químicos requieren cierta cantidad de energía para mantenerse. Cuando se rompe un enlace, se "libera" la energía necesaria para mantener el enlace. En otras palabras, la reacción es exergónica.
Una reacción exergónica es una reacción química en la que se libera energía.
Una reacción endergónica es una reacción química en la que se absorbe energía.
Lasreacciones químicas son interacciones entre moléculas, y la liberación de energía del ATP no es una excepción. Necesita un compañero de reacción: el agua.
La hidrólisis es un tipo de reacción química en la que el agua rompe un enlace molecular.
Veamos ahora la definición de hidrólisis del ATP .
La hidrólisisdel ATP es una reacción química en la que el agua rompe un enlace fosfato del ATP, liberando energía.
Mecanismo de la hidrólisis del ATP
Para continuar nuestro viaje por la hidrólisis de ATP, veamos su mecanismo. El ATP almacena y, lo que es más importante, suministra energía en sus enlaces fosfato.
Durante la hidrólisis del ATP se produce la desfosforilación .
Ladesfosforilación describe la ruptura de un enlace fosfato del ATP para liberar energía, y la pérdida de un grupo fosfato.
Concretamente, pierde un ortofosfato, que es un único grupo fosfato no unido. La molécula resultante se llama difosfato de adenosina o ADP.
El prefijo di- significa dos, como en dos fosfatos. El prefijo tri- en ATP significa tres, como en tres fosfato.
Hay que tener en cuenta que el ADP puede seguir siendo desfosforilado por hidrólisis, en una molécula llamada AMP, o monofosfato de adenosina(mono significa uno, como en un fosfato).
Curiosamente, ¡la hidrólisis del ADP libera aún más energía! Entonces, ¿para qué molestarse con el ATP?
No parece haber una explicación conocida, pero una teoría sugiere que las células simplemente han coevolucionado con el ATP y, por tanto, las células tienen los mecanismos adecuados (moléculas, enzimas, receptores, etc.) para utilizar el ATP como fuente de energía. No obstante, ¡el AMP suministra ocasionalmente energía en situaciones específicas para algunos organismos!
Ecuación de la hidrólisis del ATP
La ecuación de la hidrólisis del ATP es la siguiente:
| ATP | + | H2O | ⇾ | ADP | + | PO43- | + | H+ | + | 30,5 kJ |
| Trifosfato de adenosina | Agua | Difosfato de adenosina | Ortofosfato | Hidrógeno | Energía |
Reacción de hidrólisis del ATP
La reacción de hidrólisis del ATP es exergónica, lo que significa que libera energía. Esta reacción exergónica libera 30,5 kJ por mol de ATP en condiciones estándar.
Una reacción estándar (en condiciones estándar) supone una cantidad igual de ATP y de agua. Por supuesto, en una célula hay mucha agua y mucho menos ATP. Corrigiendo por una reacción no estándar, la reacción de hidrólisis del ATP tiene un potencial de liberación de 45 a 75 kJ/mol.
La inversión de la hidrólisis de ATP se denomina condensación. Puesto que la hidrólisis de ATP es una reacción exergónica, la inversa es claramente una reacción endergónica. Esto significa que hay que añadir energía a la reacción para unir el ortofosfato al ADP. Durante la condensación, el grupo hidroxilo del ortofosfato se desliga y se une a un protón de hidrógeno libre para formar agua.
Energía libre de la hidrólisis del ATP
Hablemos ahora de la energía libre.
La energíalibre es un término utilizado en química para describir la cantidad de energía disponible para realizar un trabajo.
Con 30,5 kJ por mol, el enlace fosfato se considera un enlace de alta energía , ¡porque libera mucha energía libre! Sin embargo, el enlace en sí no es especial. El ATP contieneenlaces fosfoanhídridos, que son enlaces químicos entre dos grupos fosfato.
Entonces, ¿por qué se le llama "de alta energía"? Averigüémoslo.
Laestructura única del AT P contribuye a su eficacia como molécula transportadora de energía. La cadena de grupos fosfato del ATP, todos con carga -3, actúan como imanes con la misma polaridad. Ejercen fuerzas repulsivas entre sí, de modo que cuando se produce una reacción que libera un grupo fosfato, ¡lo libera con fuerza y voluntariamente!
Además, la hidrólisis del ATP aumenta la entropía. Recordemos la segunda ley de la termodinámica, que dice que el estado natural de un sistema cerrado favorece la entropía. Así pues, la hidrólisis de ATP es espontánea.
El ortofosfato es muy estable, más que el ATP. Esto implica que se favorece el avance de la reacción química (es decir, la hidrólisis del ATP, no la condensación).
El ortofosfato tiene cuatro oxígenos enlazados a su átomo central de fósforo. Uno de esos enlaces es un doble enlace que es móvil y puede saltar entre los átomos de oxígeno (Fig. 2). El doble enlace móvil reorganiza la distribución de la carga y hace que el ortofosfato sea menos propenso a formar o reformar enlaces fosfoanhídridos.
Además de la distribución de energía, la hidrólisis de ATP también desprende un grupo fosfato. Este grupo fosfato desprendido no se desperdicia, ¡se recicla durante la síntesis de ATP!
Durante el paso de la glucólisis, un grupo fosfato libre se une a la glucosa para convertirse en glucosa fosforilada. El grupo fosfato actúa como una forma de etiquetar la molécula de glucosa para que avance durante la síntesis de ATP.
ATP hidrolasa (ATPasa)
Si la hidrólisis de ATP es una reacción espontánea, puede que te estés imaginando un torrente de ATP producido por la hidrólisis. Al fin y al cabo, ¡las células están llenas de agua! Sin embargo, no es así. La hidrólisis de ATP en las células suele requerir un catalizador, como una enzima.
Las ATPhidrolasas, o ATPasas, son un grupo de enzimas que catalizan la hidrólisis de ATP.
El uso de ATP hidrolasa permite cierto control sobre cuándo y dónde se produce la hidrólisis de ATP. El acoplamiento energético es la combinación de dos reacciones, en la que la reacción productora de energía potencia una segunda reacción. La hidrólisis de ATP, la reacción exergónica, suele ir acoplada a una reacción endergónica que realiza una función celular vital.
Sin el acoplamiento energético, ¡la hidrólisis de ATP se produciría sin sentido! Casi toda la energía producida se convertiría en energía térmica.
La energía térmica es importante porque permite a las células y a los organismos regular su propia temperatura. Sin embargo, la energía necesita regularmente ser dirigida y convertida para realizar una función específica. En lugar de calor, la energía puede utilizarse para realizar un movimiento, para crear moléculas o para su almacenamiento.
He aquí algunos ejemplos de acoplamiento energético que utilizan la hidrólisis del ATP:
Contracción muscular: En los músculos, el ATP se une a la proteína miosina contráctil. Esto provoca el desplazamiento de la miosina, que contrae el músculo.
Anabolismo: A veces, una célula necesita ensamblar moléculas. Para ello, debe formar enlaces entre moléculas, lo que requiere la energía proporcionada por la hidrólisis del ATP.
Transporte de iones: El ejemplo típico es la bomba de sodio-potasio, una proteína de la membrana celular. El ATP proporciona energía a esta proteína para mover activamente el sodio o el potasio, en contra de su gradiente de concentración.
Hidrólisis del ATP - Puntos clave
El trifosfato de adenosina, o ATP, es una molécula cuyo papel central es el suministro de energía. La estructura del ATP consta de una adenosina y tres fosfatos.
La hidrólisis es un tipo de reacción química en la que el agua rompe un enlace molecular.
La hidrólisis hace que el ATP se desfosforile, o pierda un fosfato, lo que libera energía.
Las ATP hidrolasas, o ATPasas, son un grupo de enzimas que catalizan la hidrólisis del ATP.
El acoplamiento energético es la combinación de dos reacciones, una exergónica y otra endergónica. La hidrólisis de ATP se acopla a las funciones celulares vitales para suministrarles energía.
Referencias
- Figura 1. 230 Estructura del trifosfato de adenosina (ATP)-01 (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7e/230_Structure_of_Adenosine_Triphosphate_%28ATP%29-01.jpg) by OpenStax College is licensed by CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)
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