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Bioquímica clínica: Bioenergética y el ciclo del adenosin trifosfatoBIOENERGÉTICA Y EL CICLO DELADENOSIN TRIFOSFATOnullLa bioenergética o termodinámica bioquímica estudia los cambios de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas. Proporciona los principios bioquímicos del por qué algunas rea...

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Bioquímica clínica:

Bioenergética y el ciclo del adenosin trifosfato

BIOENERGÉTICA Y EL CICLO DEL ADENOSIN TRIFOSFATO La bioenergética o termodinámica bioquímica estudia los cambios de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas. Proporciona los principios bioquímicos del por qué algunas reacciones pueden producirse y otras no. Los sistemas no biológicos pueden utilizar la energía calorífica para realizar trabajo, mientras que, los sistemas biológicos al ser esencialmente isotermos emplean energía química para impulsar sus procesos vitales. Para proveer la energía que capacite al ser vivo para llevar a cabo sus procesos normales como el movimiento, respiración, reproducción, etc., se requiere del combustible adecuado, el mismo que procede de la liberación de energía de los compuestos que la contienen (alimentos) y de un mecanismo de transducción de energía. La forma en que los seres vivos obtienen energía de sus alimentos, es un conocimiento básico para comprender la nutrición y el metabolismo normales. La muerte por inanición ocurre cuando las reservas energéticas disponibles se agotan y algunas formas de desnutrición se relacionan con cierto desequilibrio de la energía, como ocurre con el kwashiorkor y el marasmo. Para llevar a cabo las manifestaciones de la vida, incluyendo la biosíntesis de macromoléculas; los organismos vivos deben extraer energía de su entorno y convertirla en formas químicamente útiles. La velocidad de liberación de energía, que se mide por la tasa metabólica, controlada por acción de las hormonas tiroideas. El almacenaje del excedente de energía conduce a la obesidad, una de las enfermedades más comunes en el mundo occidental.

Según la fuente de energía que utilizan los organismos vivos, estos son clasificados en fototrofos (células autotróficas, células vegetales) y en quimiotrofos (células heterotróficas, la mayoría de las bacterias y células animales). Ver el gráfico anterior. Los organismos fototrofos, atrapan la luz radiante del sol y la convierten en energía química que es utilizada o almacenada en los distintos compuestos orgánicos sintetizados por ellos, y los organismos quimiotrofos, son los que requieren de materiales orgánicos que al ser degradados u oxidados liberan energía química para cumplir sus funciones biológicas. REACCIONES EXERGÓNICAS Y ENDERGÓNICAS. De modo general las reacciones de oxidación que liberan energía se llevan a cabo cuando el sistema químico reactante pasa de un nivel energético elevado a otro más bajo; frecuentemente la energía se libera en forma de calor. En los sistemas no biológicos esta energía calorífica puede ser transformada en energía química, mecánica luminosa; pero como los seres vivos son esencialmente isotermos, no pueden hacer uso directo del calor liberado en las oxidaciones biológicas para impulsar los procesos vitales que requieren energía, como las reacciones de síntesis de macromoléculas, la contracción muscular, la conducción nerviosa, etc., obtienen energía al enlazarse o acoplarse químicamente a las reacciones oxidativas. Este acoplamiento en su forma más simple puede representarse así: A .

Calor (0) D

ENERGIA RADIANTE

Energía química Sust. Orgánicas, oxígeno

B

C A + C

FOTOTROFOS

ENERGÍA QUÍMICA

QUIMIOTROFO

H2 O, CO2 NH3

Los organismos quimitrofos y fototropos dependen biológicamente uno del otro

B + D + 0

La reacción desde el reactante A hasta el producto B que ocurre con liberación de energía (E), se acopla con otra reacción que requiere energía para convertir el metabolito C en el producto D. Como algo de la energía liberada en la reacción oxidativa (exergónica) es transferida a la reacción sintética (endergónica) en una forma distinta al calor (O ), los términos químicamente habituales, de exotérmico y endotérmico, no pueden ser aplicados a este tipo de reacciones, en lugar de ellos se utilizan los términos de exergónico y endergónico. Las reacciones exergónicas son las que liberan energía libre (catabolismo) y las reacciones endergónicas son las

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que van acompañadas de ganancia de energía libre (anabolismo), sin tomar en cuenta la forma de energía en juego. En la práctica estos procesos no pueden existir solos, sino que son componentes de un sistema acoplado exergónico-endergónico, en el que el cambio neto global es exergónico. El conjunto de procesos catabólicos (exergónicos) y anabólicos (endergónicos) constituye el metabolismo. Si la reacción mostrada en la figura de la página anterior se va a llevar a cabo de izquierda a derecha, el proceso global debe estar acompañado de pérdida de energía libre en forma de calor. Un posible mecanismo de acoplamiento podría efectuarse a través de la formación de un intermediario obligatorio común I que participa en ambas reacciones A + C

I

B + D

Se debe apreciar que este tipo de sistemas tiene un mecanismo incorporado para el control biológico de la velocidad a la cual permite que se produzcan los procesos oxidativos, ya que la existencia de un intermediario común obligatorio I para los dos tipos de reacciones, permite que la velocidad de utilización del producto D, de la reacción sintética, sea la que determine la velocidad a la cual debe ser oxidado el reactante A. De hecho estas relaciones proporcionan una base para el concepto de control respiratorio, proceso que evita que un organismo fuera de control se incendie. Una extensión de este concepto es dada por las reacciones de deshidrogenación que están acopladas a otras de hidrogenación a través de un transportador intermediario; el siguiente gráfico sirve de ejemplo: SH2

S

Transportador

Transportador H2

A

D

E

L I B R E

E B

C

Transferencia de energía libre desde una vía exergónica a través de la síntesis de un compuesto intermediario de alta energía ( E )

La ventaja biológica de este mecanismo es que E a diferencia de I del sistema anterior, no precisa estar emparentado estructuralmente con A, B, C ni D. Esto permite a E servir como un agente transportador de energía desde una amplia gama de reacciones exergónicas hasta también una amplia gama de reacciones endergónicas, como se ilustra en el siguiente gráfico. Reacciones exergónicas

Procesos endergónicos

1

Síntesis de moléculas

2

Contracción muscular E

3

Excitación nerviosa

4

Transporte activo

1

S H2 Transducción de energía libre de las reacciones exergónicas a los procesos biológicos que requieren energía libre (endergónicos), mediante un compuesto de alto contenido energético E

1

S

En la célula viva el principal e importante compuesto transportador o intermediario de alta energía y designado como E es el adenosin trifosfato (ATP)

Acoplamiento de una reacción de deshidrogenación a otra de hidrogenación mediante un transportador intermediario

En los seres vivos, una alternativa de acoplar un proceso exergónico con otro endergónico es sintetizando un compuesto de elevado potencial energético en el transcurso de la reacción exergónica e incorporarlo a la reacción endergónica; de esta manera se efectúa la transferencia de energía libre desde la vía exergónica hasta la endergónica. En el siguiente gráfico E es un compuesto de elevado potencial energético, mientras que E es un compuesto de bajo potencial energético

FOSFATOS DE ALTA ENERGÍA En todos los seres vivos se encuentra un compuesto que desempeña un papel central en la transferencia de la energía libre de los procesos exergónicos hacia los procesos endergónicos, este compuesto es el adenosina trifosfato (ATP), que forma parte de un grupo de compuestos de elevado potencial energético; se los denomina así porque muestran una gran disminución de su energía libre al experimentar un proceso de hidrólisis. El ATP es un nucleótido especializado que contiene en su molécula: ribosa, adenosina y tres grupos fosfato.

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que varios compuestos fosforilados poseen valores de energía mucho más negativos que el mismo ATP, que exhibe un valor intermedio en la escala termodinámica. Energía libre de hidrólisis de algunos órganofosfatos Compuesto Kcal./mol KJ/mol Fosfoenolpiruvato -14.8 -61.9 Carbamilfosfato -12.3 -51.4 1,3 difosfoglicerato -11.8 -49.3 Fosfato de creatina -10.3 -43.1 Fosfato de acetilo -10.1 -42.3 Fosfato de arginina -8.0 -33.5 ATP

ADP

Pi

-7.3

-30.5

Pi

-6.6 -6.6 -5.0 -3.8 -3.3 -2.2

-27.6 -27.6 -20.9 -15.9 -13.8 -9.2

. ADP AMP Pirofosfato Glucosa 1 fosfato Fructosa 6 fosfato Glucosa 6 fosfato Glicerol 3 fosfato

Fórmula estructural del adenosin trifosfato (ATP)

En las reacciones en las que participa el ATP de la célula, siempre lo hace bajo la forma de un complejo con 2+ el catión Mg La importancia de los fosfatos en los procesos metabólicos se puso en evidencia en la década de los años de 1930 a 1940 al ser descubiertos los detalles químicos de la glucólisis y el papel del ATP, ADP y el fosfato inorgánico (Pi) en este proceso. Se consideró que el ATP era el intermediario que transfería grupos fosfato en las reacciones de fosforilación. El verdadero papel del ATP en la bioquímica energética fue establecido por experimentos que demostraron que este compuesto y el fosfato de creatina son degradados durante la contracción muscular y que sus resíntesis dependían del suministro de energía por los procesos oxidativos en el músculo. Solo cuando Lippman, en el año 1941, introdujo los conceptos de ―fosfato de alta energía‖ y el de ―enlace de alta energía ( )‖, recién fue aclarada con precisión la verdadera función de estos compuestos en los cambios energéticos que tienen lugar en los sistemas biológicos. ENERGÍA LIBRE DE LA HIDRÓLISIS DEL ATP Y OTROS FOSFATOS ORGÁNICOS. Los compuestos orgánicos fosforilados encontrados en las células se clasifican en compuestos de alto contenido energético y compuestos de bajo contenido energético según los valores de energía libre* ( Gº) de su hidrólisis, en el siguiente cuadro se hallan colocados en forma decreciente. El ATP, pese a ser considerado como un compuesto de elevado contenido energético, habitualmente es clasificado en la parte intermedia del siguiente cuadro, ya que su valor de energía libre estándar de hidrólisis es menos negativo que muchos otros compuestos orgánicos fosforilados que aparecen en la misma tabla, que nos muestra que existe una clara división de estos compuestos en dos clases. Por otra parte nos muestra * Energía libre ( realizar un trabajo

Gº) es la energía disponible, capaz de

Este nos muestra los compuestos fosforilados divididos en dos grupos: compuestos de alto contenido energético y compuestos de bajo contenido energético Observe la posición del ATP, en la parte media

Los compuestos situados en la parte superior de la escala, por ejemplo, el fosfoenolpiruvato, tienen tendencia a hidrolizarse más ampliamente en el equilibrio con relación a los que se encuentran ubicados en la parte inferior de la tabla, y además, poseen una constante de equilibrio de hidrólisis superior. Cualquier compuesto situado en la parte superior de la escala, por encima del ATP, tenderá a perder su grupo fosfato y cederlo a una molécula capaz de aceptar dicho grupo, la misma que se hallará por debajo del ATP en la escala, por ejemplo el ADP, siempre que se encuentre un catalizador encargado de promover su transferencia. De modo similar, el ATP tenderá a ceder su grupo fosfato a un aceptor situado por debajo de él en la escala, ejemplo la glucosa 1 fosfato. De esta manera, la escala nos informa acerca de la tendencia termodinámica o potencial del grupo fosfato de los diversos organofosfatos, a experimentar transferencia Como ya sabemos, para indicar la presencia del grupo fosfato de alta energía se utiliza el símbolo P . Lo que en realidad, el símbolo significa es que el grupo fosfato ligado por el enlace, al ser transferido a un aceptor apropiado, da por resultado la transferencia de mayor cantidad de energía libre, por esta razón algunos científicos bioquímicos prefieren la expresión ―potencial de transferencia de grupo‖ a la de enlace de alta energía. El adenosin trifosfato (ATP) posee dos grupos fosfato de alto contenido energético, el adenosin difosfato (ADP) uno, mientras que el adenosin monofosfato (AMP) tiene un enlace del tipo ester normal, por lo tanto, es un compuesto de bajo contenido energético

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A

P

P ATP

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P

A

P ADP

P

A

1. Fosforilación oxidativa

P

2. Fosfoenolpiruvato

AMP

2. 1,3 bisfosfoglicerato 3. Ciclo de Krebs (Succinil-CoA)

Recordaremos que los estudios de calorimetría permiten valorar tanto la capacidad calorífica de los alimentos como los requerimientos energéticos del organismo en distintas condiciones. La unidad calorimétrica es la caloría grande o kilocaloría (Kcal.) que es ―la cantidad de calor que permite elevar en 1º centígrado la temperatura de un kilogramo de agua, de 15 a 16º C‖, mientras que la unidad internacional de energía es el Joule; una Kcal. es igual a 4.184 joules, por tanto una kilocaloría aproximadamente es igual a 4,2 Kilojoules (KJ)

P 4 2 2

ALMACEN DE Creatina FOSFATO 2

LOS FOSFATOS DE ALTA ENERGÍA ACTÚAN COMO LA ENERGÍA CIRCULANTE DE LA CÉLULA. Como se acaba de expresar el ATP posee un valor intermedio en la escala termodinámica, lo cual resulta de especial significación, ya que es capaz de actuar como un donador de fosfato de alta energía para los compuestos que se encuentran por debajo de él, de manera análoga, y siempre que se disponga de la maquinaria enzimática necesaria, el ADP puede aceptar una grupo fosfato de alta energía de aquellos compuestos que se encuentran por encima del ATP. En efecto un ciclo ATP / ADP conecta los procesos que generan fosfatos de alta energía con aquellos que utilizan dichos fosfatos.

ADP

La fosforilación oxidativa. Es la fuente cuantitativa mayor en los organismos aerobios, la energía proviene de las reacciones catalizadas por la enzima ATP sintetasa, cuya actividad revierte la hidrólisis del ATP. La energía libre para conducir este proceso, procede de las oxidaciones en la cadena respiratoria, que se realiza dentro de las mitocondrias y emplea oxígeno molecular.

2.

La glucólisis, en la cual por cada molécula de glucosa metabolizada existe una formación neta de 2 ~ P como resultado de la formación de dos moléculas de lactato. Los procesos químicos responsables de la formación de estos ATP implican la incorporación de fosfato inorgánico (Pi), al metabolito, 3-fosfoglicerato que después de una deshidrogenación se convierte en el 1,3 bisfosfoglicerato que contiene un grupo fosfato de alta energía que al ser transferido al ADP, éste rinde un ATP. Como resultado de cambios moleculares posteriores se forma el fosfoenolpiruvato que también tiene un grupo fosfato de alto contenido energético que al ser transferido al ADP genera un segundo ATP.

3.

En el Ciclo del ácido cítrico se genera un ATP, directamente en el paso catalizado por la enzima

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ATP

P Otras fosforilaciones

En el siguiente gráfico observamos que existen cuatro fuentes principales de P que toman parte de la captura y/o conservación de energía, signados en el gráfico con los números del 1 al 4, estas fuentes son: 1.

Ciclo ATP/ADP

Creatina P

Procesos endergónicos Activaciones Glucosa 6 P Glicerol 3 Glucosa 1,6 bs P

succiniltiocinasa que cataliza la reacción mediante la cual la succinil-CoA se transforma en succinato; es decir que el grupo fosfato se sintetiza en el ciclo mismo. 3.

Los fosfágenos. Son compuestos que actúan como formas de almacenaje de ~ P , en este grupo se incluye a la fosfocreatina (fosfágeno) que existe en el músculo, el cerebro, el corazón y los espermatozoides de los vertebrados y a la fosfoarginina que solo se encuentra en los músculos de los invertebrados. En condiciones fisiológicas, esta reacción permite que las concentraciones de ATP se mantengan en el músculo, aunque esté utilizándose rápidamente, porque la fosfocreatina sirve como fuente de energía para la contracción muscular. Por otra parte, cuando el ATP es abundante, su concentración puede ser suficiente para que se produzca la reacción inversa y el valor de la fosfocreatina se eleve de modo sustancial para funcionar como almacén de fosfato de alta energía.

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Creatina

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creatincinasa

P

ADP

creatina ATP

En el músculo se ha descrito una lanzadera de fosfato de creatina que traslada P de las mitocondrias al sarcolema y que actúa como un amortiguador del mismo. En el miocardio este amortiguador puede ser importante para proveer una protección inmediata contra los efectos del infarto. Cuando el ATP actúa como donador de fosfato para formar aquellos compuestos de menor energía libre de hidrólisis, el grupo fosfato es convertido invariablemente en otro compuesto de baja energía, por ejemplo: Glucosa + ATP

HEXOCINASA

glucosa P + ADP

INTERCONVERSIÓN DE LOS NUCLEÓTIDOS DE ADENINA La enzima adenilil cinasa (miocinasa) se encuentra en la mayor parte de las células, cataliza la interconversión del ATP en AMP por una parte y del AMP y ADP por otra, en la reacción:

Esta reacción va acompañada de pérdida de energía libre en forma de calor, lo que determina que la reacción de activación proceda hacia la derecha; siendo el proceso ayudado, además, por la ruptura hidrolítica del pirofosfato en dos Pi, bajo la acción de la pirofosfatasa inorgánica. Es de advertir que las activaciones de este tipo (vía pirofosfato) dan como resultado la pérdida de dos P , en lugar de uno que es lo que se pierde cuando se forma ADP y Pi. H2O

PPi

PIROFOSFATASA INORGANICA

FOSFATOS DE NUCLEOSIDOS RELACIONADOS CON EL ATP Y ADP. Por acción de la enzima nucleósido difosfato cinasa, los trifosfatos de nucleósidos relacionados o semejantes al ATP, pero que en su estructura, contienen una base distinta a la adenosina, pueden sintetizarse a partir de sus difosfatos con la intervención del ATP. ATP + CDP ATP + UDP ATP + GDP

ATP + AMP

ADENIL CINASA

Cuando el ATP reacciona para formar AMP se origina pirofosfato inorgánico (PPi), como ocurre por ejemplo, en la activación de los ácidos grasos de cadena larga.

R

COOH + CoA.SH

AMP + PPi O TIOCINASA

NUCLEÓSIDO DIFOSFATOCINASA NUCLEÓSIDO DIFOSFATOCINASA NUCLEÓSIDO DIFOSFATOCINASA

CTP + ADP UTP + ADP GTP + ADP

2 ADP

Esta reacción permite que el fosfato de alta energía del ADP sea utilizado en la formación de ATP, y también es el medio por el cual el AMP, formado en el transcurso de varias reacciones activantes que emplean ATP, puede ser fosforilado para generar más ADP. Por último permite que el AMP, cuya concentración aumenta cuando el ATP sufre una disminución, actúe como una señal metabólica (alostérica) para incrementar la velocidad de las reacciones catabólicas, lo cual a su vez, conduce a la generación de más ATP.

ATP

2 Pi
...