lunes, 5 de septiembre de 2016

4 PORTADORES DE ENERGÍA

En este capítulo echaremos un vistazo más próximo a los portadores de la energía, sustancias necesarias para acoplar las reacciones espontáneas con las no espontáneas mediante la transferencia energética. Los portadores de energía vincularan pues las reacciones que producen energía libre de Gibbs con aquellas que consumen energía libre de Gibbs.

Los portadores de energía se caracteriza por almacenar la energía libre en sus enlaces químicos de alta energía mediante la adquisición de grupos fosfato o de protones con sus correspondientes electrones. De cierta manera podemos entender el funcionamiento de los portadores de energía en términos de las reacciones ácido base.

4.1 ATP

El ATP o trifosfato de adenosina es el principal portador de energía de los seres vivos, y se forma en base al nucleósido adenosina y a tres grupos fosfato. Para entender el funcionamiento del ATP es conveniente conocer algo de la química de los ácidos del fosforo. Por lo general conocemos al ácido ortofosforico que se disocia del siguiente modo.


Esto genera un grupo fosfato libre, sin embargo los iones fosfato pueden univer nuevamente para formar el ácido pirofosforico.

El enlace pirofosfórico en el oxígeno que sirve de puente al segunodo fosforo se almacena mucha energía, por lo que se lo conoce como enlace pirofosfórico. Esta es la parte mas oimportante del adenosin, pero en este hay tres grupos fosfato unidos por el enlace pirofosfato.

Por lo general el grupo troifosfato debe enlacarse a una coenzima que estabiliza los enlaces pirofosfato, el cual generalmente es un nucleócido del ARN que puede ser la adenosina o la guanosina.

El nculeósido posee una base nitrogenada que da el nombre y un azucar hemiacetyal, es decir en forma de anillo. Las tres coas unidas tienen una estructura semejante a esto.

En términos qupímicos la adenosina de trifosfato es una sal orgánica y un ácido al mismo tiempo ya que puede liberar los protones para las posiciones negativas de los fosfatos. En medio acuoso el ATP puede perder dos de sus pirofosfatos para convertirse en una molécula cíclica conocida como monfosfato de adenosina.

Lo anterior nos lleva a una caracteristica de los portadores de energía, y es que pueden presentarse en estados de alta y de baja energía, y pára el ATP se nos presenta un estado de energía intermedio. El estado de alta energía es el ATP con los tres pirofosfatos, el de medioa energia seria el difosfato de adebnosina con solo dos pirofosfatos y el estado de baja energía es el monofoscato de adenosina o AMP con un solo pirofosfato.  El ATP es el mas compun de los portadores de energía celular, a tal punto que se lo conoce como la moneda energética de la célula, aunque no es el único.

El ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma natural y liberar energía. as razones químicas de esa tendencia son tres:

1- Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa. Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones pi de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos. La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis.

2- Tensión eléctrica entre las cargas negativas vecinas existente en el ATP. Esa tensión es evidentemente menor en los productos de hidrólisis.

3- Solvatación: la tendencia natural es hacia una mayor solvatación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.

Una de las más importantes funciones del ATP es que almacena en los enlaces de alta energía que unen los grupos fosfato gran cantidad de energía para las funciones biológicas y se liberan cuando uno o dos de los fosfatos se separan de las moléculas de ATP.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

4.2 GTP

GTP es una molécula análoga al ATO y funciona de la misma manera, almacenando energía en grupos pirofosfato, con tres versiones, la de alta energía es el trifosfato de guanosina, la de media energía conocida como difosfato de guanosina GDP y la de baja energía el monofosfato de guanosina o GMP. Lo único que cambia realmente es la base nitrogenada que ya no es adenina sino guanina.

La GTP es una coenzima de transferencia de energía clave en procesos como:

1- Ciclo de Krebs: El GTP está implicado en la transferencia de energía en el interior de la célula. Por ejemplo, una molécula de GTP es generada en cada recorrido del ciclo de Krebs. Su energía es equivalente a la de generar una molécula de ATP, de hecho, es rápidamente convertida a éste.

2- Traducción genética: Durante la fase de elongación de la traducción, el GTP se utiliza como fuente de energía para la unión de un nuevo complejo aminoácido-ARNt al sitio A del ribosoma. Del mismo modo, el GTP es usado como fuente de energía para la translocación del ribosoma hacia el extremo 3' del ARNm.

3- Durante la polimerización de los microtúbulos, cada heterodímero formado por una subunidad α y una β, porta dos moléculas de GTP. El GTP es hidrolizado posteriormente a GDP cuando el heterodímero es incorporado al extremo + del filamento en crecimiento. Parece que la hidrólisis del GTP no es obligatoria para la formación del microtúbulo, sin embargo, sólo las moléculas de GDP-tubulina son capaces de despolimerizar. Así, un extremo GTP-tubulina en el microtúbulo estabiliza éste evitando su despolimerización. Una vez el GTP de este extremo es hidrolizado, el microtúbulo se despolimeriza rápidamente.

4- Sistema olfativo: en su forma de baja energía el GMPc ayuda al adenosín monofosfato cíclico (cAMP) a activar los canales iónicos regulados por nucléotidos cíclicos en las neuronas del olfato.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

4.3 NADH2

La nicotinamida adenina dinucleótido es una coenzima que se obtiene en base al ATP el cual pierde un pirofosfato y es reemplazado por otra ribosa que posee una basa nitrogenada llamada nicotinamida. En la nicotinamida es donde se da el cambio estructural para captar dos hidrógenos. Un hidrógeno se une covalentemente a uno de los carbonos del anillo por viraje del enlace deslocalizado aromático, mientras que el segundo protón se une de forma coordinada al nitrógeno del anillo, y debido a que es un enlace coordinado en algunos textos el NADH2 se expresa en la forma NADH+H para expresar que el segundo protón no hace parte real del anillo de nicotinamida.

El NADH2 es laprimera de las coenzimas que se clasifican como poder reductor, en el sentido de que transportan protones, recordemos que en la química orgánica la reducción también puede verse como la captura de protones, lo cual va acompañaro con la captuira de sus correspondientes electrones. Químicamente las moléculas de poder reductor tambien se pueden visaluzar como ácidos de Brostened-Lowry débiles que existen en su forma ácida y de base conjugada. La forma ácida que porta los protones es la forma de alta energía y la base conjugada o NAD es la forma de baja energía.

Dado lo anterior cada vez que en una reacción metabólica se presenta un baso de NAD a NADH2 o su opuesto, nos encontramos ante un paso de flujo energético que por lo menos para un curso introductorio de metabolismo son los pasos mas importantes.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

4.4 NADPH

La nicotinamida adenina dinucleótido fosfato análogo a la NADH2, al igual que el es un ácido orgánico que posee dos estados energéticos, la forma de alta energía que contiene un protyón y un electrón, y la forma de baja energía o desprotonada.

La estructura es bastante compleja, y el protón extra fluye a través de un cambio en los dobles enlaces de la nicotinamida, un cambio muy pequeño para una molécula relativamente grande, pero que sin embargo es lo que le otorga su actividad biológica. A diferencia que en el NADH2 el NADPH solo puede capturar un protón covalentemente en el anillo de nicotoinamida y es incapaz de enlazar de forma coordinada al segundo protón, por lo que esta coenzima equivale a un ácido monoprótico.

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

4.5 FADH2

La flavina adenina dinucleótido es una coenzima homóloga al NAD ya que captura dos protones con sus correspondientes electrones, al igual que en los casos anteriores se obtiene en base al ATP. Sus capacidades como ácido diprótico débil son causadas por el anillo de flavina que si se une covalentemente a dos protones gracias a dos nitrógenos de anillos diferentes.

4.6 Fórmulas cortas

Existen muchísimos otros cofactores que transfieren muchísimos otros grupos diferentes, pero por lo menos hay que tener en mente a estos básicos ya que son universales. Y debido a su universalidad y complejidad en los esquemas de reacciones metabólicas casi nunca se los presenta en su fórmula estructural. Las moléculas de cofactores portadoras de energía se expresan con su acrónimo en términos de reacciones de flujo de energía como viene a continuación.

Las coenzimas que transfieren grupos pirofosfato almacenan su energía en los enlaces entre los pirofosfato, por lo que al perder estos grupos de fosforo pierden energía.

Las coenzimas que transfieren protones sirviendo como áciodos débiles de Brostened almacenan su energía en los electrones que forman los enlaces con los protónes (iones positivos del hidrógeno).

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014)

4.7 Fuentes de energía

Si tenemos portadores de energía, ahora la pregunta es de donde proviene la energía y hasta los protones (H+) que emplean los seres vivos. 

4.7.1 Fosforilación oxidativa

En la fosforilación oxidativa los electrones de alta energía son removidos de las moléculas orgánicas en los enlaces de alta energía entre carbonos, luego esos electrones son transferidos para sintetizar ATP por una reacción de transferencia de grupo pirofosfato mediado por enzimas específicas. El proceso puede realizarse en la glucólisis lo cual ocurre en el citoplasma, o en las membranas celulares a través de la cadena de transporte de electrones que es mucho más eficiente.

4.7.2 Electrones de la roca

Los minerales pueden almacenar electrones de alta energía, que los seres vivos pueden transferir a portadores como NAD, NADP o FAD gracias a ácidos y enzimas adecuados. Los protones que acompañan a los electrones extraídos de la roca provienen de la disociación del agua, por lo que una colonia de células puede sobrevivir drenando la energía de la roca, literalmente convirtiendo la materia inerte en vida.

4.7.3 Electrones del agua

No todos los minerales pueden dar el tipo de electrones que necesitan los seres vivos, el agua por ejemplo es una molécula absolutamente inadecuada,, ya que los enlaces de hidrógeno a oxígeno son de muy baja energía. Por tal razón se necesita una introducción de energía interna para cargar a los electrones, o excitarlos como se denomina técnicamente. Cuando los electrones de los enlaces del agua se excitan, el agua se rompe produciendo protones disueltos en agua y oxígeno molecular como material de desecho, proceso que se denomina como fotosíntesis, ya que la energía de excitación proviene del Sol. 

Referencias bibliográficas principales: (Audesirk et al., 2010; Berg et al., 2010; Campbell & Farrell, 2009; Karp, 2013; McMurry et al., 2007; Murray et al., 2009; Sadava et al., 2014; Solomons et al., 2014).

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