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Una formula quimica
Animación interactiva de la estructura de ATP

El trifosfato de adenosina ( ATP ) es un compuesto orgánico e hidrotropo que proporciona energía para impulsar muchos procesos en las células vivas , como la contracción muscular, la propagación del impulso nervioso, la disolución del condensado y la síntesis química. Encontrado en todas las formas de vida conocidas, el ATP a menudo se conoce como la "unidad molecular de moneda " de la transferencia de energía intracelular . [2] Cuando se consume en procesos metabólicos , se convierte en difosfato de adenosina (ADP) o en monofosfato de adenosina.(AMPERIO). Otros procesos regeneran ATP para que el cuerpo humano recicle su propio peso corporal equivalente en ATP cada día. [3] También es un precursor del ADN y el ARN, y se utiliza como coenzima .

Desde la perspectiva de la bioquímica , el ATP se clasifica como un nucleósido trifosfato , lo que indica que consta de tres componentes: una base nitrogenada ( adenina ), el azúcar ribosa y el trifosfato .

Estructura [ editar ]

El ATP consiste en una adenina unida por el átomo de nitrógeno 9 al átomo de carbono 1 'de un azúcar ( ribosa ), que a su vez está unido en el átomo de carbono 5' del azúcar a un grupo trifosfato. En sus muchas reacciones relacionadas con el metabolismo, los grupos adenina y azúcar permanecen inalterados, pero el trifosfato se convierte en di- y monofosfato, dando respectivamente los derivados ADP y AMP . Los tres grupos fosforilo se denominan alfa (α), beta (β) y, para el fosfato terminal, gamma (γ).

En solución neutra, el ATP ionizado existe principalmente como ATP 4− , con una pequeña proporción de ATP 3− . [4]

Unión de cationes metálicos a ATP [ editar ]

Al ser polianiónico y con un grupo polifosfato potencialmente quelable , el ATP se une a los cationes metálicos con alta afinidad. La constante de unión para Mg2+es ( 9 554 ). [5] La unión de un catión divalente , casi siempre magnesio , afecta fuertemente la interacción del ATP con varias proteínas. Debido a la fuerza de la interacción ATP-Mg 2+ , el ATP existe en la célula principalmente como un complejo con Mg2+
unido a los centros de fosfato de oxígeno. [4] [6]

Un segundo ion magnesio es fundamental para la unión de ATP en el dominio quinasa. [7] La presencia de Mg 2+ regula la actividad quinasa. [8]

Propiedades químicas [ editar ]

Las sales de ATP se pueden aislar como sólidos incoloros. [9]

Los ciclos de síntesis y degradación de ATP; 2 y 1 representan entrada y salida de energía, respectivamente.

El ATP es estable en soluciones acuosas entre pH 6,8 y 7,4, en ausencia de catalizadores. A pH más extremos, se hidroliza rápidamente a ADP y fosfato. Las células vivas mantienen la proporción de ATP a ADP en un punto diez órdenes de magnitud desde el equilibrio, con concentraciones de ATP cinco veces más altas que la concentración de ADP. [10] [11] En el contexto de las reacciones bioquímicas, los enlaces POP se denominan con frecuencia enlaces de alta energía . [12]

La hidrólisis de ATP en ADP y fosfato inorgánico libera 30,5  kJ / mol de entalpía, con un cambio en la energía libre de 3,4 kJ / mol. [13] La energía liberada por la escisión de ya sea un fosfato (P i ) o pirofosfato (PP i ) Unidad de ATP en estado estándar de 1 M son: [14]

ATP + H
2
O
→ ADP + P i   Δ G ° = −30.5 kJ / mol (−7.3 kcal / mol)
ATP + H
2
O
→ AMP + PP i   Δ G ° = −45,6 kJ / mol (−10,9 kcal / mol)

Estas ecuaciones abreviadas se pueden escribir de forma más explícita (R = adenosilo ):

[RO-P (O) 2 -OP (O) 2 -O-PO 3 ] 4− + H
2
O
→ [RO-P (O) 2 -O-PO 3 ] 3− + [PO 4 ] 3− + 2 H +
[RO-P (O) 2 -OP (O) 2 -O-PO 3 ] 4− + H
2
O
→ [RO-PO 3 ] 2− + [O 3 P-O-PO 3 ] 4− + 2 H +
Esta imagen muestra una rotación de 360 ​​grados de un único quelato de magnesio -ATP en fase gaseosa con una carga de -2. El anión se optimizó en el nivel teórico UB3LYP / 6-311 ++ G (d, p) y la conectividad atómica modificada por el optimizador humano para reflejar la probable estructura electrónica.

Producción de AMP y ADP [ editar ]

Producción, condiciones aeróbicas [ editar ]

Es difícil precisar una concentración intracelular típica de ATP; sin embargo, los informes han demostrado que hay 1 a 10 μmol por gramo de tejido en una variedad de eucariotas. [15] La desfosforilación de ATP y la refosforilación de ADP y AMP ocurren repetidamente en el curso del metabolismo aeróbico.

El ATP puede producirse mediante varios procesos celulares distintos; las tres vías principales en eucariotas son (1) la glucólisis , (2) el ciclo del ácido cítrico / fosforilación oxidativa y (3) la beta-oxidación . El proceso general de oxidación de la glucosa a dióxido de carbono , la combinación de las vías 1 y 2, conocida como respiración celular , produce aproximadamente 30 equivalentes de ATP de cada molécula de glucosa. [dieciséis]

La producción de ATP por un eucariota aeróbico no fotosintético ocurre principalmente en las mitocondrias , que comprenden casi el 25% del volumen de una célula típica. [17]

Glucólisis [ editar ]

En la glucólisis, la glucosa y el glicerol se metabolizan a piruvato . La glucólisis genera dos equivalentes de ATP a través de la fosforilación del sustrato catalizada por dos enzimas, PGK y piruvato quinasa . También se producen dos equivalentes de NADH , que pueden oxidarse a través de la cadena de transporte de electrones y dar como resultado la generación de ATP adicional por la ATP sintasa . El piruvato generado como producto final de la glucólisis es un sustrato para el ciclo de Krebs . [18]

Se considera que la glucólisis consta de dos fases con cinco pasos cada una. En la fase 1, "la fase preparatoria", la glucosa se convierte en 2 d-gliceraldehído -3-fosfato (g3p). Se invierte un ATP en el Paso 1 y otro ATP en el Paso 3. Los Pasos 1 y 3 de la glucólisis se denominan "Pasos de cebado". En la Fase 2, dos equivalentes de g3p se convierten en dos piruvatos. En el Paso 7, se producen dos ATP. Además, en el Paso 10, se producen dos equivalentes más de ATP. En los pasos 7 y 10, el ATP se genera a partir de ADP. Se forma una red de dos ATP en el ciclo de glucólisis. La vía de la glucólisis se asocia más tarde con el ciclo del ácido cítrico, que produce equivalentes adicionales de ATP.

Reglamento [ editar ]

En la glucólisis, la hexoquinasa es inhibida directamente por su producto, la glucosa-6-fosfato, y la piruvato cinasa es inhibida por el propio ATP. El principal punto de control de la vía glucolítica es la fosfofructoquinasa (PFK), que es inhibida alostéricamente por altas concentraciones de ATP y activada por altas concentraciones de AMP. La inhibición de PFK por ATP es inusual ya que el ATP también es un sustrato en la reacción catalizada por PFK; la forma activa de la enzima es un tetrámero que existe en dos conformaciones, solo una de las cuales se une al segundo sustrato fructosa-6-fosfato (F6P). La proteína tiene dos sitios de unión para ATP: el sitio activo.es accesible en cualquier conformación proteica, pero la unión de ATP al sitio del inhibidor estabiliza la conformación que se une mal a F6P. [18] Varias otras moléculas pequeñas pueden compensar el cambio inducido por ATP en la conformación de equilibrio y reactivar la PFK, incluyendo AMP cíclico , iones de amonio , fosfato inorgánico y fructosa-1,6- y -2,6-bifosfato. [18]

Ciclo del ácido cítrico [ editar ]

En la mitocondria , el complejo piruvato deshidrogenasa oxida el piruvato al grupo acetilo , que se oxida completamente a dióxido de carbono por el ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs). Cada "giro" del ciclo del ácido cítrico produce dos moléculas de dióxido de carbono, un equivalente de ATP guanosina trifosfato (GTP) a través de la fosforilación a nivel de sustrato catalizada por la succinil-CoA sintetasa , ya que la succinil-CoA se convierte en succinato, tres equivalentes de NADH y un equivalente de FADH 2 . NADH y FADH 2 se reciclan (a NAD+ y FAD , respectivamente), generando ATP adicional por fosforilación oxidativa . La oxidación de NADH da como resultado la síntesis de 2 a 3 equivalentes de ATP y la oxidación de un FADH 2 produce entre 1 y 2 equivalentes de ATP. [16] La mayor parte del ATP celular se genera mediante este proceso. Aunque el ciclo del ácido cítrico en sí no involucra oxígeno molecular , es un proceso aeróbico obligatorio porque el O 2 se usa para reciclar el NADH y el FADH 2 y proporciona la energía química que impulsa el proceso. [19] En ausencia de oxígeno, cesa el ciclo del ácido cítrico. [17]

La generación de ATP por la mitocondria a partir del NADH citosólico se basa en la lanzadera malato-aspartato (y en menor medida, la lanzadera glicerol-fosfato ) porque la membrana mitocondrial interna es impermeable a NADH y NAD + . En lugar de transferir el NADH generado, una enzima malato deshidrogenasa convierte el oxalacetato en malato , que se transloca a la matriz mitocondrial. Otra reacción catalizada por malato deshidrogenasa ocurre en la dirección opuesta, produciendo oxalacetato y NADH a partir del malato recién transportado y el depósito interior de la mitocondria de NAD + . Una transaminasa convierte el oxalacetato enaspartato para su transporte a través de la membrana y hacia el espacio intermembrana. [17]

En la fosforilación oxidativa, el paso de electrones de NADH y FADH 2 a través de la cadena de transporte de electrones libera la energía química del O 2 [19] para bombear protones fuera de la matriz mitocondrial y dentro del espacio intermembrana. Este bombeo genera una fuerza motriz de protones que es el efecto neto de un gradiente de pH y un gradiente de potencial eléctrico a través de la membrana mitocondrial interna. El flujo de protones a lo largo de este gradiente potencial, es decir, desde el espacio intermembrana hasta la matriz, produce ATP por ATP sintasa . [20] Se producen tres ATP por turno.

Aunque el consumo de oxígeno parece fundamental para el mantenimiento de la fuerza motriz del protón , en caso de escasez de oxígeno ( hipoxia ), la acidosis intracelular (mediada por tasas glucolíticas mejoradas e hidrólisis de ATP) contribuye al potencial de membrana mitocondrial e impulsa directamente la síntesis de ATP. [21]

La mayor parte del ATP sintetizado en las mitocondrias se utilizará para procesos celulares en el citosol; por tanto, debe exportarse desde su sitio de síntesis en la matriz mitocondrial. El movimiento hacia afuera del ATP se ve favorecido por el potencial electroquímico de la membrana porque el citosol tiene una carga relativamente positiva en comparación con la matriz relativamente negativa. Por cada ATP transportado, cuesta 1 H + . Producir un ATP cuesta alrededor de 3 H + . Por lo tanto, hacer y exportar un ATP requiere 4H +. La membrana interna contiene un antiportador , el ADP / ATP translocase, que es una proteína de membrana integral que se utiliza para intercambiar ATP recién sintetizado en la matriz por ADP.en el espacio intermembrana. [22] Esta translocasa es impulsada por el potencial de membrana, ya que da como resultado el movimiento de aproximadamente 4 cargas negativas a través de la membrana mitocondrial a cambio de 3 cargas negativas que se mueven hacia adentro. Sin embargo, también es necesario transportar fosfato a la mitocondria; el portador de fosfato mueve un protón con cada fosfato, disipando parcialmente el gradiente de protones. Después de completar la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico, la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa, se producen aproximadamente 30 a 38 moléculas de ATP por glucosa.

Reglamento [ editar ]

El ciclo del ácido cítrico está regulado principalmente por la disponibilidad de sustratos clave, en particular la proporción de NAD + a NADH y las concentraciones de calcio , fosfato inorgánico, ATP, ADP y AMP. El citrato  , el ión que da nombre al ciclo, es un inhibidor de retroalimentación de la citrato sintasa y también inhibe la PFK, proporcionando un vínculo directo entre la regulación del ciclo del ácido cítrico y la glucólisis. [18]

Oxidación beta [ editar ]

En presencia de aire y varios cofactores y enzimas, los ácidos grasos se convierten en acetil-CoA . La vía se llama beta-oxidación . Cada ciclo de beta-oxidación acorta la cadena de ácidos grasos en dos átomos de carbono y produce un equivalente de cada uno de acetil-CoA, NADH y FADH 2 . La acetil-CoA es metabolizada por el ciclo del ácido cítrico para generar ATP, mientras que el NADH y FADH 2 se utilizan por fosforilación oxidativa para generar ATP. Se generan docenas de equivalentes de ATP mediante la beta-oxidación de una sola cadena larga de acilo. [23]

Reglamento [ editar ]

En la fosforilación oxidativa, el punto de control clave es la reacción catalizada por la citocromo c oxidasa , que está regulada por la disponibilidad de su sustrato, la forma reducida del citocromo c . La cantidad de citocromo c reducido disponible está directamente relacionada con las cantidades de otros sustratos:

lo que implica directamente esta ecuación:

Por lo tanto, una alta proporción de [NADH] a [NAD + ] o una alta proporción de [ADP] [P i ] a [ATP] implican una alta cantidad de citocromo C reducido y un alto nivel de citocromo c oxidasa actividad. [18] Un nivel adicional de regulación es introducido por las tasas de transporte de ATP y NADH entre la matriz mitocondrial y el citoplasma. [22]

Cetosis [ editar ]

Los cuerpos cetónicos pueden usarse como combustibles, produciendo 22 moléculas de ATP y 2 moléculas de GTP por molécula de acetoacetato cuando se oxidan en las mitocondrias. Los cuerpos cetónicos se transportan desde el hígado a otros tejidos, donde el acetoacetato y el beta- hidroxibutirato pueden reconvertirse en acetil-CoA para producir equivalentes reductores (NADH y FADH 2 ), a través del ciclo del ácido cítrico . Los cuerpos cetónicos no pueden ser utilizados como combustible por el hígado porque el hígado carece de la enzima β-cetoacil-CoA transferasa, también llamada tiolasa . Acetoacetatoen bajas concentraciones es absorbido por el hígado y se desintoxica a través de la vía del metilglioxal que termina con el lactato. El acetoacetato en concentraciones elevadas es absorbido por células distintas de las del hígado y entra en una vía diferente a través del 1,2-propanodiol . Aunque la vía sigue una serie diferente de pasos que requieren ATP, el 1,2-propanodiol se puede convertir en piruvato. [24]

Producción, condiciones anaeróbicas [ editar ]

La fermentación es el metabolismo de compuestos orgánicos en ausencia de aire. Implica fosforilación a nivel de sustrato en ausencia de una cadena de transporte de electrones respiratorios . La ecuación para la oxidación de glucosa a ácido láctico es:

C
6
H
12
O
6
→ 2  canales
3
CH (OH) COOH
+ 2 ATP

La respiración anaeróbica es la respiración en ausencia de O2. Los procariotas pueden utilizar una variedad de aceptores de electrones. Estos incluyen nitrato , sulfato y dióxido de carbono.

Reposición de ATP por nucleósido difosfato quinasas [ editar ]

El ATP también se puede sintetizar a través de varias reacciones de "reposición" catalizadas por las familias de enzimas de nucleósido difosfato quinasas (NDK), que utilizan otros nucleósidos trifosfatos como donantes de fosfato de alta energía, y la familia ATP: guanido-fosfotransferasa .

Producción de ATP durante la fotosíntesis [ editar ]

En las plantas, el ATP se sintetiza en la membrana tilacoide del cloroplasto . El proceso se llama fotofosforilación. La "maquinaria" es similar a la de las mitocondrias, excepto que la energía de la luz se utiliza para bombear protones a través de una membrana para producir una fuerza motriz de protones. La ATP sintasa sobreviene entonces exactamente como en la fosforilación oxidativa. [25] Parte del ATP producido en los cloroplastos se consume en el ciclo de Calvin , que produce azúcares triosa .

Reciclaje de ATP [ editar ]

La cantidad total de ATP en el cuerpo humano es de aproximadamente 0,2  moles . La mayor parte del ATP se recicla del ADP mediante los procesos antes mencionados. Por tanto, en un momento dado, la cantidad total de ATP + ADP permanece bastante constante.

La energía que utilizan las células humanas en un adulto requiere la hidrólisis de 100 a 150 moles de ATP al día, lo que equivale a unos 50 a 75 kg. Un ser humano normalmente consumirá su peso corporal de ATP durante el transcurso del día. Cada equivalente de ATP se recicla entre 1000 y 1500 veces durante un solo día ( 100 / 0,2 = 500 ). [26]

Un ejemplo del pliegue de Rossmann, un dominio estructural de una enzima descarboxilasa de la bacteria Staphylococcus epidermidis ( PDB : 1G5Q ) con un cofactor de mononucleótido de flavina unido .

Funciones bioquímicas [ editar ]

Señalización intracelular [ editar ]

El ATP participa en la transducción de señales al servir como sustrato para las quinasas, enzimas que transfieren grupos fosfato. Las quinasas son las proteínas de unión a ATP más comunes. Comparten una pequeña cantidad de pliegues comunes. [27] La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar una cascada como la cascada de proteína quinasa activada por mitógenos . [28]

El ATP también es un sustrato de la adenilato ciclasa , más comúnmente en las vías de transducción de señales del receptor acoplado a proteína G y se transforma en el segundo mensajero , AMP cíclico, que participa en la activación de las señales de calcio mediante la liberación de calcio de las reservas intracelulares. [29] Esta forma de transducción de señales es particularmente importante en la función cerebral, aunque participa en la regulación de una multitud de otros procesos celulares. [30]

Síntesis de ADN y ARN [ editar ]

El ATP es uno de los cuatro monómeros necesarios en la síntesis de ARN . El proceso es promovido por ARN polimerasas . [31] Un proceso similar ocurre en la formación de ADN, excepto que el ATP se convierte primero en el desoxirribonucleótido dATP. Como muchas reacciones de condensación en la naturaleza, la replicación y la transcripción del ADN también consumen ATP.

Activación de aminoácidos en la síntesis de proteínas [ editar ]

Las enzimas aminoacil-tRNA sintetasa consumen ATP en la unión del tRNA a los aminoácidos, formando complejos aminoacil-tRNA. La aminoacil transferasa une el aminoácido AMP al ARNt. La reacción de acoplamiento se desarrolla en dos pasos:

  1. aa + ATP ⟶ aa-AMP + PP i
  2. aa-AMP + tRNA ⟶ aa-tRNA + AMP

El aminoácido está acoplado al penúltimo nucleótido en el extremo 3 'del ARNt (la A en la secuencia CCA) mediante un enlace éster (vuelco en la ilustración).

Transportador de casete de unión de ATP [ editar ]

El transporte de sustancias químicas fuera de una célula contra un gradiente a menudo se asocia con la hidrólisis de ATP. El transporte está mediado por transportadores de casetes de unión a ATP . El genoma humano codifica 48 transportadores ABC, que se utilizan para exportar fármacos, lípidos y otros compuestos. [32]

Señalización extracelular y neurotransmisión [ editar ]

Las células secretan ATP para comunicarse con otras células en un proceso llamado señalización purinérgica . El ATP actúa como neurotransmisor en muchas partes del sistema nervioso, modula el latido ciliar, afecta el suministro de oxígeno vascular, etc. El ATP se secreta directamente a través de la membrana celular a través de las proteínas del canal [33] [34] o se bombea a las vesículas [35] que luego fusionar con la membrana. Las células detectan ATP utilizando las proteínas receptoras purinérgicas P2X y P2Y.

Solubilidad de proteínas [ editar ]

Recientemente se ha propuesto que el ATP actúa como un hidrotropo biológico [36] y se ha demostrado que afecta la solubilidad en todo el proteoma. [37]

Análogos de ATP [ editar ]

Los laboratorios de bioquímica a menudo utilizan estudios in vitro para explorar procesos moleculares dependientes de ATP. Los análogos de ATP también se utilizan en cristalografía de rayos X para determinar una estructura de proteína en un complejo con ATP, a menudo junto con otros sustratos.

Se necesitan inhibidores enzimáticos de enzimas dependientes de ATP, como las quinasas , para examinar los sitios de unión y los estados de transición implicados en las reacciones dependientes de ATP.

Los análogos de ATP más útiles no se pueden hidrolizar como lo haría el ATP; en cambio, atrapan la enzima en una estructura estrechamente relacionada con el estado de unión a ATP. La adenosina 5 '- (γ-tiotrifosfato) es un análogo de ATP extremadamente común en el que uno de los oxígenos de gamma-fosfato se reemplaza por un átomo de azufre ; este anión se hidroliza a una velocidad dramáticamente más lenta que el propio ATP y funciona como un inhibidor de los procesos dependientes del ATP. En estudios cristalográficos, los estados de transición de hidrólisis se modelan mediante el ión vanadato unido .

Se justifica la cautela al interpretar los resultados de los experimentos que utilizan análogos de ATP, ya que algunas enzimas pueden hidrolizarlos a velocidades apreciables a altas concentraciones. [38]

Uso médico [ editar ]

El ATP se usa por vía intravenosa para algunas afecciones relacionadas con el corazón. [39]

Historia [ editar ]

ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann [40] y Jendrassik [41] y, de forma independiente, por Ciro Fiske y Yellapragada Subba Rao de la Escuela Médica de Harvard , [42] ambos equipos que compiten entre sí para encontrar un ensayo para el fósforo.

Fritz Albert Lipmann propuso en 1941 que fuera el intermediario entre las reacciones que producen energía y las que requieren energía en las células . [43]

Fue sintetizado por primera vez en el laboratorio por Alexander Todd en 1948. [44]

El Premio Nobel de Química 1997 se dividió, la mitad conjuntamente entre Paul D. Boyer y John E. Walker " por su elucidación del mecanismo enzimático subyacente a la síntesis de trifosfato de adenosina (ATP) " y la otra mitad para Jens C. Skou ". para el primer descubrimiento de una enzima transportadora de iones, Na +, K + -ATPasa ". [45]

Ver también [ editar ]

  • Difosfato de adenosina (ADP)
  • Monofosfato de adenosina (AMP)
  • Adenosina-tetrafosfatasa
  • Metilen trifosfato de adenosina
  • ATPasas
  • Prueba de ATP
  • Hidrólisis de ATP
  • Ciclo del ácido cítrico (también llamado ciclo de Krebs o ciclo de TCA)
  • Creatina
  • Monofosfato de adenosina cíclico (cAMP)
  • Factor de intercambio de nucleótidos
  • Fosfágeno
  • Fotofosforilación

Referencias [ editar ]

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Enlaces externos [ editar ]

  • ATP unido a proteínas en el AP
  • ScienceAid: Energy ATP y ejercicio
  • Entrada de PubChem para trifosfato de adenosina
  • Entrada KEGG para trifosfato de adenosina