CAPÍTULO 11: Bioenergética: la función del ATP

La bioenergética, o termodinámica bioquímica, es el estudio de los cambios de energía que acompañan a reacciones bioquímicas. Los sistemas biológicos son, en esencia, isotérmicos, y usan energía química para impulsar procesos vivos. El modo en que un animal obtiene combustible idóneo a partir de sus alimentos para proporcionar esta energía es básico para el entendimiento de la nutrición y el metabolismo normales. La muerte por inanición ocurre cuando se agotan las reservas de energía disponibles, y ciertas formas de malnutrición se relacionan con desequilibrio de energía (marasmo). Las hormonas tiroideas controlan el índice metabólico (índice de liberación de energía) y sobreviene enfermedad cuando funcionan mal. El almacenamiento excesivo de energía excedente causa obesidad, misma que es cada vez más común en la sociedad occidental, padecimiento que predispone a muchas enfermedades, como enfermedad cardiovascular y diabetes mellitus tipo 2, además de que disminuye la esperanza de vida del individuo.

El cambio de energía libre de Gibbs (ΔG) es la porción del cambio de energía total en un sistema que está disponible para desempeñar trabajo, es decir, la energía útil, también conocida como el potencial químico.

Los sistemas biológicos se conforman a las leyes generales de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la energía total de un sistema, incluso sus alrededores, permanece constante. Eso implica que dentro del sistema total, la energía no se pierde ni se gana durante cambio alguno; sin embargo, sí se puede transferir de una porción del sistema a otra, o transformarse en otra forma de energía. En sistemas vivos, la energía química se transforma hacia calor o hacia energías eléctrica, radiante o mecánica.

La segunda ley de la termodinámica establece que para que un proceso ocurra de manera espontánea, es necesario que la entropía total de un sistema aumente. La entropía es la extensión de trastorno o de aleatoriedad del sistema y alcanza su punto máximo conforme alcanza el equilibrio. En condiciones de temperatura y presión constantes, el vínculo entre el cambio de energía libre (ΔG) de un sistema que está reaccionando y el cambio de entropía (ΔS) se expresa por medio de la ecuación que sigue, que combina las dos leyes de la termodinámica:

donde DH es el cambio de la entalpía (calor) y T es la temperatura absoluta.

En reacciones bioquímicas, dado que ΔH es aproximadamente igual a ΔE, el cambio total de energía interna de la reacción, la relación anterior puede expresarse como sigue:

Si ΔG es negativa, la reacción procede de modo espontáneo con pérdida de la energía libre; esto es, es exergónica. Si, además, ΔG es de gran magnitud, la reacción avanza casi hasta completarse y es, en esencia, irreversible. Por otra parte, si ΔG es positiva, la reacción sólo procede si es factible ganar energía libre; de modo que es endergónica. Si, además, ΔG es de gran magnitud, el sistema es estable, con poca o ninguna tendencia a que ocurra una reacción. Si ΔG es de cero, el sistema está en equilibrio y no tiene lugar un cambio neto.

Cuando los reactivos están presentes en concentraciones de 1.0 mol/L, ΔG⁰ es el cambio de energía libre estándar. Para reacciones bioquímicas, un estado estándar es definido como tener un pH de 7.0. El cambio de energía libre estándar a tal estado estándar es indicado por ΔG⁰´.

El cambio de energía libre estándar puede calcularse a partir de la constante de equilibrio K_eq.

donde R es la constante gaseosa y T es la temperatura absoluta (capítulo 8). Es importante notar que la ΔG real puede ser mayor o menor que ΔG^0’, según las concentraciones de los diversos reactivos, incluso el solvente, diversos iones y proteínas.

En un sistema bioquímico, una enzima sólo acelera el logro del equilibrio; nunca altera las concentraciones finales de los reactivos en equilibrio.

Los procesos vitales —p. ej., reacciones sintéticas, contracción muscular, conducción de impulsos nerviosos, transporte activo— obtienen energía mediante enlace químico, o acoplamiento, a reacciones oxidativas. En su forma más simple, este tipo de acoplamiento puede representarse como lo muestra la figura 11-1. La conversión del metabolito A en el metabolito B ocurre con liberación de energía libre y está acoplada a otra reacción en la cual se requiere energía libre para convertir el metabolito C en el metabolito D. Los términos exergónico y endergónico, en lugar de los términos químicos normales “exotérmico” y “endotérmico”, indican que un proceso está acompañado de pérdida o ganancia, respectivamente, de energía libre en cualquier forma, no siempre como calor. En la práctica, un proceso endergónico no puede existir de manera independiente, sino que debe ser un componente de un sistema exergónico-endergónico acoplado donde el cambio neto general es exergónico. Las reacciones exergónicas reciben el nombre de catabolismo (en general, la desintegración u oxidación de moléculas de combustible), en tanto que las reacciones sintéticas que acumulan sustancias se llaman anabolismo; los procesos catabólico y anabólico combinados constituyen el metabolismo.

Si la reacción que se muestra en la figura 11-1 va de izquierda a derecha, el proceso general debe acompañarse de pérdida de energía libre como calor. Un mecanismo posible de acoplamiento podría imaginarse si un intermediario (I) obligatorio común tomó parte en ambas reacciones, esto es,

Algunas reacciones exergónicas y endergónicas en sistemas biológicos están acopladas de este modo. Este tipo de sistema tiene un mecanismo integrado para el control biológico del índice de procesos oxidativos, puesto que el intermediario obligatorio común permite que el índice de utilización del producto de la vía sintética (D) determine mediante acción de masa el índice al cual se oxida A. En realidad, estos vínculos proporcionan una base para el concepto de control respiratorio, el proceso que evita que un organismo se consuma fuera de control. Las reacciones de deshidrogenación, que están acopladas a hidrogenaciones por medio de un acarreador intermedio (figura 11-2), proporcionan una extensión del concepto de acoplamiento.

Un método alternativo de acoplar un proceso exergónico a uno endergónico es sintetizar un compuesto de alta energía potencial en la reacción exergónica, e incorporar este nuevo compuesto hacia la reacción endergónica, lo que efectúa una transferencia de energía libre desde la vía exergónica hacia la endergónica (figura 11-3). La ventaja biológica de este mecanismo es que el compuesto de energía potencial alta, ∽, al contrario de I en el sistema previo, no necesita estar relacionado de modo estructural con A, B, C o D, lo que permite que sirva como un transductor de energía desde una amplia gama de reacciones exergónicas hacia una gama igual de amplia de reacciones o procesos endergónicos, como biosíntesis, contracción muscular, excitación nerviosa y transporte activo. En la célula viva, el principal intermediario de alta energía o compuesto acarreador (designado ∽ en la figura 11-3), es el trifosfato de adenosina (ATP) (figura 11-4).

A fin de mantener procesos vivos, todos los organismos deben obtener energía libre desde su ambiente. Los organismos autotróficos utilizan procesos exergónicos simples; por ejemplo, la energía de la luz solar (plantas verdes), la reacción Fe²⁺ → Fe³⁺ (algunas bacterias). Por otra parte, los organismos heterotróficos obtienen energía libre al acoplar su metabolismo a la desintegración de moléculas orgánicas complejas en su ambiente. En todos estos organismos, el ATP tiene una función fundamental en la transferencia de energía libre desde los procesos exergónicos hacia los endergónicos (figura 11-3). El ATP es un nucleósido que consiste en el nucleósido de adenosina (adenina ligada a ribosa) y tres grupos fosfato (capítulo 32). En sus reacciones en la célula, funciona como el complejo de Mg²⁺ (figura 11-4).

La importancia de los fosfatos en el metabolismo intermediario se hizo evidente con el descubrimiento de la función del ATP, difosfato de adenosina (ADP) (figura 11-4) y fosfato inorgánico (P_i) en la glucólisis (capítulo 17).

El valor intermedio para la energía libre de hidrólisis del ATP tiene gran importancia bioenergética

El cuadro 11-1 muestra la energía libre estándar de la hidrólisis de diversos fosfatos importantes desde el punto de vista bioquímico. Un estimado de la tendencia comparativa de cada uno de los grupos fosfato para transferir hacia un aceptor idóneo puede obtenerse a partir de la ΔG^0’ de la hidrólisis a 37 °C. El valor para la hidrólisis del fosfato terminal del ATP divide la lista en dos grupos. Los fosfatos de baja energía, ejemplificados por los fosfatos éster que se encuentran en los intermediarios de la glucólisis, tienen valores de G^0’ menores que los del ATP, mientras que en los fosfatos de alta energía el valor es mayor que el del ATP. Los componentes de este último grupo, incluso el ATP, por lo general son anhídridos (p. ej., el 1-fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato), enolfosfatos (p. ej., fosfoenolpiruvato) y fosfoguanidinas (p. ej., creatina fosfato, arginina fosfato).

El símbolo ∽ indica que el grupo fijo al enlace, en el momento de transferencia hacia un aceptor apropiado, da por resultado la transferencia de la cantidad más grande de energía libre. Por este motivo, algunos prefieren el término potencial de transferencia de grupo, más que “enlace de alta energía”. De esta manera, el ATP contiene dos grupos fosfato de alta energía y el ADP contiene uno, mientras que el fosfato en el AMP (monofosfato de adenosina) es del tipo de baja energía, porque es un enlace éster normal (figura 11-5).

La posición intermedia del ATP permite que desempeñe una función importante en la transferencia de energía. El cambio de energía libre en el momento de la hidrólisis del ATP se debe a alivio de la repulsión de carga de átomos de oxígeno adyacentes que tienen carga negativa, y a estabilización de los productos de la reacción, en especial fosfato, como híbridos de resonancia (figura 11-6). Otros “compuestos de alta energía” son ésteres tiol que incluyen a la coenzima A (p. ej., acetil-CoA), proteína acarreadora de acilo, y ésteres aminoácidos comprendidos en la síntesis de proteína, S-adenosilmetionina (metionina activa), UDPGlc (uridina difosfato glucosa) y PRPP (5-fosforribosil-1-pirofosfato).

El ATP puede actuar como un donador de fosfato de alta energía para formar los compuestos que están por debajo del mismo en el cuadro 11-1. De igual modo, con las enzimas necesarias, el ADP puede aceptar fosfato de alta energía para formar ATP a partir de los compuestos que se hallan por arriba del ATP en el cuadro. En efecto, un ciclo de ATP/ADP conecta los procesos que generan ∽ con los procesos que lo utilizan (figura 11-7), lo que consume y regenera ATP de manera continua. Esto sobreviene a un índice muy rápido, dado que el fondo común total de ATP/ADP es en extremo pequeño, y suficiente para mantener un tejido activo sólo algunos segundos.

Hay tres fuentes principales de ∽ que participan en la conservación de energía o captación de energía:

1. La fosforilación oxidativa es la mayor fuente cuantitativa de∽ en organismos aeróbicos. El ATP es generado en la matriz mitocondrial conforme el O₂ es reducido a H₂O por electrones que pasan por la cadena respiratoria (capítulo 13).

2. Glucólisis: una formación neta de dos ∽ depende de la formación de lactato a partir de una molécula de glucosa, generada en dos reacciones catalizadas por fosfoglicerato cinasa y piruvato cinasa, respectivamente (figura 17-2).

3. El ciclo del ácido cítrico. Se genera un ∽ de modo directo en el ciclo en el paso de la succinato tiocinasa (figura 16-3).

Los fosfágenos actúan como formas de almacenamiento de fosfato de alta energía, e incluyen creatina fosfato, que se encuentra en el músculo estriado, el corazón, los espermatozoides y el cerebro de vertebrados, y arginina fosfato, que existe en el músculo de invertebrados. Cuando se está utilizando con rapidez ATP como una fuente de energía para la contracción muscular, los fosfágenos permiten que sus concentraciones se mantengan, pero cuando la proporción ATP/ADP es alta, su concentración puede incrementarse para actuar como una reserva de fosfato de alta energía (figura 11-8).

Cuando el ATP actúa como un donador de fosfato para formar los compuestos de energía libre más baja de hidrólisis (cuadro 11-1), el grupo fosfato siempre se convierte en uno de baja energía. Por ejemplo, la fosforilación del glicerol para formar glicerol-3-fosfato:

El ATP permite el acoplamiento de reacciones termodinámicamente desfavorables a reacciones termodinámicamente favorables

Las reacciones endergónicas no pueden proceder sin un ingreso de energía libre. Por ejemplo, la fosforilación de glucosa a glucosa 6-fosfato, la primera reacción de la glucólisis (figura 17-2):

Es altamente endergónica y no es posible que ocurra bajo condiciones fisiológicas. Para que tenga lugar, la reacción debe acoplarse con otra reacción —más exergónica—, como la hidrólisis del fosfato terminal del ATP.

Cuando (1) y (2) se acoplan en una reacción catalizada por hexocinasa, la fosforilación de la glucosa procede con facilidad en una reacción muy exergónica que en condiciones fisiológicas es irreversible. Muchas reacciones de “activación” siguen este modelo.

La adenilil cinasa (miocinasa) interconvierte nucleótidos adenina

Dicha enzima está presente en casi todas las células y cataliza la reacción que sigue:

La adenilato cinasa es importante para el mantenimiento de la homeostasis de energía en las células porque permite:

1. El fosfato de alta energía en el ADP se use en la síntesis de ATP.

2. El AMP, formado como consecuencia de varias reacciones de activación que comprenden ATP mediante refosforilación hacia ADP.

3. Aumente la concentración de AMP cuando el ATP se agota y actúa como una señal metabólica (alostérica) para incrementar el índice de reacciones catabólicas que, a su vez, llevan a la generación de más ATP (capítulo 14).

Cuando el ATP forma AMP, se produce pirofosfato inorgánico (PP_i)

El ATP también puede hidrolizarse de manera directa hacia AMP, con la liberación de PP_i (cuadro 11-1). Esto sucede, por ejemplo, en la activación de ácidos grasos de cadena larga (capítulo 22).

Esta reacción se acompaña de pérdida de energía libre como calor, lo que asegura que la reacción de activación irá hacia la derecha, y se auxilia más por la división hidrolítica del PP_i, catalizada por pirofosfatasa inorgánica, una reacción que en sí tiene una ΔG⁰´ grande, de −19.2 kJ/mol. Note que las activaciones por medio de la vía del pirofosfato dan por resultado la pérdida de dos ∽ más que de uno, como ocurre cuando se forman ADP y P_i.

Una combinación de las reacciones anteriores hace posible que el fosfato se recicle y que los nucleótidos adenina se intercambien (figura 11-9).

Otros nucleósidos trifosfato participan en la transferencia de fosfato de alta energía

Mediante la enzima nucleósido difosfato cinasa pueden sintetizarse UTP, GTP y CTP a partir de sus difosfatos, por ejemplo, UDP reacciona con ATP para formar UTP.

Todos estos trifosfatos participan en fosforilaciones en la célula. De modo similar, nucleósido monofosfato cinasas (NMP) específicas catalizan la formación de nucleósido difosfatos a partir de los monofosfatos correspondientes.

De esta manera, la adenilil cinasa es una monofosfato cinasa especializada.

• En los sistemas biológicos se utiliza energía química para impulsar procesos vivos.

• Las reacciones exergónicas tienen lugar de modo espontáneo, con pérdida de energía libre (ΔG es negativa). Las reacciones endergónicas requieren la ganancia de energía libre (ΔG es positiva) y sólo ocurren cuando se acoplan a reacciones exergónicas.

• El ATP actúa como la “moneda de energía” de la célula, al transferir energía libre derivada de sustancias de potencial de energía superior hacia las de potencial de energía inferior.