Tú entras en un bullicioso mercado y descubres que, por casualidad, no tienes efectivo, así que le dices al vendedor ambulante que tienes una villa cerca de Central Park en Manhattan y algunas acciones de Microsoft. Los vendedores ambulantes solo te dan un encogimiento de hombros y el trato fracasa. Es similar en la biología. Aunque se almacena abundante energía en la materia orgánica como las grasas y los azúcares, que es como bienes raíces valiosos o acciones, no puede ser utilizada directamente por las células. Lo que las células necesitan es ATP, un compuesto de alta energía que circula tan rápido como el efectivo para facilitar todas las transacciones en el “mercado biológico”. Por ejemplo, agregar glucosa a un tubo de ensayo que contiene luciferina y enzimas no produce luz, pero un débil resplandor se emite cuando se agrega ATP. Por lo tanto, el ATP o trifosfato de adenosina también es conocido como la moneda energética de las células.
Estructura: ¿Cómo almacena energía el ATP?
El ATP es un derivado de nucleótido compuesto por tres componentes más pequeños. El primer componente es una ribosa de cinco carbonos que actúa como andamiaje para la adsorción de las otras dos subunidades. El segundo componente es adenina, una molécula orgánica formada por dos anillos de carbono-nitrógeno que es común en el ADN y el ARN. El tercer componente es la parte más importante del ATP, y es una cadena de tres fosfatos con carga negativa. Se requiere una cantidad considerable de energía química para superar la fuerte repulsión electrostática y unirlos. Son como un resorte comprimido listo para estirarse y liberar energía potencial en cualquier momento. Así, el ATP es un compuesto inestable y de alta energía. Su baja energía de activación facilita su hidrólisis en ADP y fosfato (Pi). La descomposición del ATP libera más energía en los organismos vivos que en condiciones estándar. Los organismos vivos cosechan 35 kJ de energía por cada mol de ATP hidrolizado.
El ciclo continuo del ATP en las células: hidrólisis y síntesis
Las reacciones exergónicas requieren una entrada de energía de activación para superar las barreras. Las reacciones endergónicas tampoco ocurren espontáneamente porque los productos tienen más energía libre que los reactivos (∆G > 0). Sin embargo, casi todas las reacciones bioquímicas en las células consumen menos energía que la energía liberada por la hidrólisis del ATP. Cuando se acoplan juntas, la energía libre total reducida siempre las impulsa a proceder espontáneamente (∆G < 0). La hidrólisis del ATP proporciona energía para todas las actividades celulares, y una porción de la energía se disipa en forma de calor.
La mayoría de las reacciones bioquímicas solo involucran la hidrólisis del fosfato externo de alta energía porque es más fácilmente roto debido a la repulsión por los otros dos fosfatos. En algunos casos, se elimina el segundo grupo fosfato para liberar energía adicional, dejando monofosfato de adenosina (AMP). El AMP no tiene otros grupos fosfato que proporcionen repulsión electrostática, por lo que no tiene enlaces de alta energía.
ATP + H₂O ↔ ADP + Pi + Energía
ADP + H₂O ↔ AMP + Pi + Energía
La hidrólisis es reversible. La mayor parte del ATP se produce mediante la ATP sintasa, que está incrustada en las membranas de los cloroplastos o las mitocondrias y funciona como un pequeño generador hidroeléctrico. Cuando los protones fluyen a través de esta máquina micro-molecular, el fosfato se comprime en el ADP para sintetizar ATP. En las células vegetales y en algunos procariotas, la fotosíntesis almacena energía solar en ATP. Esta se transferirá a energía potencial en los enlaces carbono-hidrógeno de los polisacáridos. Todos los organismos también descomponen la materia orgánica en la respiración aeróbica o anaeróbica para almacenar energía química en el ATP. La mayor parte de la energía se desperdicia como movimiento térmico porque su eficiencia no es alta. La eficiencia de la respiración es de aproximadamente el 40%, mientras que la eficiencia de la fotosíntesis es de menos del 4%.
Los seres humanos consumen una gran cantidad de ATP que equivale casi al peso de su cuerpo cada día. Obviamente, esto excede con creces la capacidad de almacenamiento de las células. En cambio, todo el ATP es consumido por las células en cuestión de segundos. Así, el ATP se regenera a partir de ADP y Pi para formar un ciclo equilibrado mediante el cual se sustentan todas las actividades celulares.
¿Cómo proporciona energía el ATP para impulsar las reacciones químicas?
Unión covalente: Cuando el ATP se hidroliza, se libera un grupo fosfato que se combina con el sustrato de manera covalente. El fosfato con carga negativa altera la distribución de la carga del sustrato, lo que resulta en un cambio conformacional. Este proceso se llama fosforilación. La energía del ATP se transfiere a un intermediario inestable. Luego, el intermediario se descompone rápidamente en productos y fosfato bajo la catálisis de enzimas. Por ejemplo, varias bombas en el transporte activo, como la Na⁺/K⁺-ATPasa, Ca²⁺-ATPasa y H⁺-ATPasa.
Unión no covalente: Su principio es similar a la fosforilación, pero el sustrato acepta la molécula intacta de ATP para causar su distorsión. Luego, el ATP se descompone en ADP y Pi. Este modo ocurre en la miosina responsable de la contracción muscular y en las proteínas ABC responsables del transporte activo de pequeñas moléculas a través de las biomembranas.