LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA

Los compuestos de fosfato son la materia biológica común de intercambio de energía y el trifosfato de adenosina (ATP) es el portador de energía más importante de la célula. Un grupo de enzimas conocidas como ATPasas pueden convertir la energía derivada de hidrólisis del ATP en el trabajo (contracción muscular), el transporte de iónes (Ca2+-ATPasa, Na++K+-ATPasa) o aún la producción de luz (luciferasa de las luciérnagas). No toda la energía derivada de hidrólisis de los compuestos de fosfato es convertida en trabajo por las enzimas; una parte significativa de la energía total se disipa en el ambiente circundante como calor.

La energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si se encuentra en solución o en la superficie de la enzima. La energía utilizada para realizar trabajo está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. La evidencia obtenida durante los últimos 5 años indica que las ATPasas pueden modular la conversión de la energía durante el ciclo catalítico, determinando la fracción de la energía derivada del compuesto de fosfato que será convertida en trabajo y la fracción que se convertirá en calor.


Los compuestos de fosfato de alta y baja energía
El concepto inicial
La historia del ATP se remonta a los años 20´s cuando Fiske y Subbarow buscaban un método para la cuantificación de fosfato inorgánico (Pi) en los tejidos animales. Durante el curso de su experimento, purificaron al ATP y al fosfato de creatina de tejidos animales. En ese entonces no se conocía la importancia fisiológica de estos compuestos de fosfato. Tomó varios años para descubrir que estos compuestos eran portadores de energía y que su ruptura proporciona la energía necesaria para la contracción muscular. Fue hasta 1941 que los conceptos de compuestos de fosfato “ricos" y “pobres” en energía fue formalmente presentado por Lipmann en una revisión en la cual analizaba sus datos y los obtenidos en otros laboratorios.

Al inicio de los años 40´s, poco se sabía sobre la estructura de las proteínas y del mecanismo catalítico de las enzimas. Por lo tanto, en la revisión de Lipmman quedó implícito que la energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato sería la misma sin importar si estuvieran unidos a la enzima o libres en solución.
En base a las formulaciones anteriormente descritas, se pensaba que la secuencia de eventos durante el proceso de la transducción de energía en enzimas, estaba compuesto por los siguientes pasos:

(i) La enzima une al ATP;
(ii) El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento exacto de la ruptura del enlace de fosfato.
(iii) La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar trabajo. Para la síntesis del ATP a partir de ADP y Pi, la secuencia de eventos sería igual, pero en orden inverso;
(iv) La enzima ahora uniría al ADP y al Pi;
(v) Una salida de energía en el sitio catalítico sería necesaria dirigir la síntesis del ATP;
(vi) Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el citosol sin la necesidad de energía extra.


Estos conceptos permanecieron sin disputa desde la época de la revisión de Lipmann en 1941 hasta 1970. Durante este período, la mayoría del trabajo se fue de naturaleza teórica y se pensaba que la naturaleza de "alta energía" del enlace de fosfato era dependiente de efectos intramoleculares tales como resonancia de oposición, las repulsiones electrostáticas y la distribución del electrón a lo largo del esqueleto de la molécula. En 1970 y George colaboradores, concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. George y colaboradores propusieron que la Keq para la hidrólisis de un ompuesto de fosfato se debe determinar por las diferencias en energías de solvatación de los reactivos y productos y no por efectos intramoleculares como se había propuesto previamente. La energía de solvatación es la cantidad de energía necesaria para remover a las moléculas de solvente que se organizan alrededor de una sustancia en solución. Mientras más solvatada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solvatada y la Keq para la hidrólisis estaría determinada por la diferencia de energía de solvatación entre los reactivos y los productos. En este sentido, la Keq de una reacción es alta cuando los productos están más solvatados que los reactivos.

El trabajo de George y colaboradores seguío inadvertido por varios años. No fue hasta 1978 que la teoría de solvatación fue revisada y verificada por Hayes y colaboradores. Estos autores calcularon la energía de hidrólisis de varios los compuestos de fosfato en fase de gaseosa, una situación en la cual los reactivos y los productos no están
solvatados y compararon estos valores con los obtenidos en agua (Tabla 2). En solución acuosa, el acetilfosfato y los enlaces de N~P de la fosfocreatina y de la fosfoarginina son de alta energía. Sin embargo, en la fase gaseosa, esto no es verdad. Por el contrario, la energía libre positiva de hidrólisis indica que cuando los reactivos y los productos no están solvatados, el acetilfosfato y la fosfocreatina son más estables que los productos de su hidrólisis, y según la definición de Lipmann, se comportan como compuestos de fosfato de baja energía.

PPi de alta y baja energía
Los cromatóforos de las bacterias fotosintéticas R. rubrum contienen una enzima pirofosfatasa inorgánica membranal, que sintetiza PPi cuando un gradiente electroquímico de protones se forma a través de la membrana de los cromatóforos iluminados. Cuando la luz se apaga (en oscuridad), el PPi sintetizado previamente es metabolizado por la enzima antes mencionada.
El ciclo de transducción de energía medido con los cromatóforos se puede reproducir por un pirofosfatasa soluble, sin la necesidad de la membrana, de la clorofila o de la luz. La enzima soluble puede sintetizar PPi en la oscuridad cuando la actividad de agua del medio es reducida por la adición de solventes orgánicos. En esta condición, el ΔGo de hidrólisis de PPi tiene un valor positivo, es decir, el PPi no es un compuesto de alta energía y se sintetiza espontáneamente


Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las enzimas
Durante las últimas cuatro décadas se ha aclarado el ciclo catalítico de varias enzimas implicadas en procesos de transducción de energía. Estos estudios revelaron que la energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si están en solución o unidos a la enzima. Las reacciones que se pensaban prácticamente irreversibles en solución acuosa, ocurren espontáneamente cuando los reactivos están unidos a la enzima. Según estos resultados, la energía para realizar trabajo no está disponible para la enzima en el momento de la ruptura del compuesto de fosfato.

Para las ATPasas del transporte iónico, la energía necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. Durante el ciclo catalítico hay una disminución considerable de la Keq para la hidrólisis del compuesto de fosfato unido a la enzima (residuo de acilfosfato) y el transporte a través de la membrana se acopla con esta transición de la Keq y no con la ruptura del compuesto de fosfato. La hidrólisis parece ser necesaria para permitir solamente la disociación de los productos de hidrólisis de la enzima y no para proporcionar energía al sistema. Para la ATPasa de la actomiosina, la energía está disponible cuando el ADP y (o) el Pi se disocian de la enzima y no cuando se hidroliza el ATP [23-25]. La Keq para la hidrólisis del ATP en el sitio catalítico de la actomiosina es cerca de 1, es decir, la hidrólisis del ATP no implica un cambio significativo de la energía libre. Según estos nuevos resultados, la secuencia de eventos para la transducción de energía en ATPasas de transporte o actomiosina son como sigue:

(a) La enzima une al ATP u otros compuestos de fosfato;
(b) La enzima realiza trabajo sin que el compuesto de fosfato sea hidrolizado. Esto es acompañado por una disminución del nivel de energía del compuesto de fosfato;
(c) El compuesto de fosfato se rompe y los productos de hidrólisis se disocian de la enzima en un proceso que implica un cambio de energía relativamente pequeño.
La síntesis de ATP y de PPi por la ATP sintasa mitocondrial, involucra un cambio conformacional de la proteína que permite la disociación del ATP y de PPi en el medio hidrofílico del ensayo. Para las ATPasas de transporte tales como la Ca2+-ATPasa, la transición hidrofóbica-hidrofílica ocurre en el sitio catalítico. La información disponible actualmente sobre la estructura de las ATPasas de transporte indica que el trabajo se realiza en una región de la estructura terciaria de la proteína distante a aquella donde se localiza el sitio catalítico y que los cambios conformacionales de la proteína sincronizan la secuencia de evento que ocurre en estas dos regiones.

Transducción energética y producción de calor en las ATPasas de transporte
En las reacciones que implican la transducción de energía, solamente una parte de la energía química liberada durante la hidrólisis del ATP se convierte en trabajo u otras formas de energía tales como energía osmótica. La otra parte se convierte en calor, y en animales endotérmicos, el calor liberado se utiliza para mantener la temperatura del cuerpo constante y alta. El interés en la producción del calor y la termogénesis ha aumentado durante la última década debido a sus implicaciones para la salud y enfermedad. Las alteraciones de la termogénesis se observan en varios desórdenes, tales como el control del peso corporal y la disfunción endocrina, en el hipertiroidismo hay una disminución del peso corporal, y un aumento del metabolismo basal y de la tasa de producción de calor, al hormona tiroidea T3 (3,5,3'-tri-iodo-L-tironina) está implicada en la regulación térmica de vertebrados.

Metabolismo

El metabolismo se divide en dos fases principales: catabolismo y anabolismo. El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo, en la cual moléculas nutritivas complejas y relativaente grandes (glúcidos, lípidos y proteínas) que provienen o bien del entorno o bien de sus propios depósitos de reserva, se degradan para producir moléculas más sencillas jales como ácido láctico, ácido acético, CO2, amoniaco o urea. El catabolismo va acompañado de la liberación de la energía química inherente a la estructura de las moléculas orgánicas nutritivas y a su conservación en forma de molécula de trifosfato de adenosina (ATP), transferidora de energía.
El anabolismo constituye la fase constructiva o biosintética del metabolismo en la cual tiene lugar la biosíntesis enzimática de los componentes moleculares de las células tales como los ácidos nucleicos, las' proteínas, los, polisácáridos y los lípidos a partir de sus precursores sencillos. La biosíntesis de las moléculas orgánicas a partir de estos, precisa del consumo de energía química aportada por el ATP generado durante el catabolismo. El catabolismo y el anabolismo se desarrollan simultáneamente y de modo concurrente en las células, pero son regulados independientemente, como ya veremos. Debido a que el metabolismo procede de modo escalonado a través de muchos intermediarios, se emplea con frecuencia, el término de metabolismo intermediario para designar a las rutas químicas del metabolismo. Los productos intermedios del .metabolismo se llaman también metabolitos.
Cada una de las reacciones del metabolismo, catalizada enzimáticamente, va acompañada de un cambio de energía característico. En determinadas etapas específicas de las rutas catabólicas, se conserva la energía química de los metabolitos en forma de ATP, mientras que en otras etapas de las rutas de biosíntesis, se emplea la energía del ATP.


Sistemas multienzimáicos
Los enzimas son las unidades catalíticas del metabolismo intermediario. Actúan, normalmente, de modo secuencial, catalizando reacciones consecutivas conectadas por intermediarios comunes de modo que el producto del primer enzima es el sstrato del siguiente, y así sucesivamente. Los sistemas enzimáticos pueden comprender desde 2 hasta 20 o más enzimas actuando en una secuencia. La mayor parte de las reacciones consecutivas del metabolismo intermediario, implican transferencias enzimáticas de átomos de hidrógeno, de moléculas de agua o de unidades funcionales específicas como grupos amino, acetilo, fosfato, metilo, formilo, carboxilo o adenililo. Otros sistemas multienzimáticos poseen un grado de organización más elevado, de modo que los enzimas están física mente asociados y funcionan conjuntamente como complejos multienziáticos.
Los sistemas multienzimáticos más complicados y con mayor grado de organización, son los que se hallan asociados a grandes estructuras supramoleculares como por ejemplo las membranas o los ribosomas. Un ejemplo importante es la cadena de enzimas transportadores de electrones, responsable de la transferencia de electrones desde los sustratos hasta el oxigeno en las células heterótrofas. Estos enzimas están ligados a la membrana mitocondrial interna, y en realidad forman parte de su estructura. Cuando más complicado es el sistema enzimático, más probable es que se halle asociado a algún orgánulo u otra estructura intracelular.



Rutas catabólicas, anabólicas y anabólicas
La degradación enzimática de cada uno de los elementos nutritivos mayoritarios de las células, a saber, los polisacáridos, los lípidos y las proteínas, tiene lugar por medio de cierto número de reacciones enzimáticas consecutivas organizadas en tres fases principales. En la fase I del catabolismo, las grandes moléculas nutritivas, se degradan, liberando sus sillares de construcción principales. Así los polisacáridos se degradan rindiendo hexosas o pentosas, los lípidos producen ácidos grasos, glícerina y otros componentes, y las proteínas se desintegran en sus componentes aminoácidos. En la fase II del catabolismo, todos los productos de la £ase anterior se convierten en un número menor de intermediarios todavía más sencillos. Así, las hexosas, las pentosas y la glícerina, se degradan pasando por el ácido pirúvico, intermediario de tres carbonos, para rendir una es-pecie más sencilla, de dos carbonos, el grupo acetilo del acetil-CoA. De modo análogo, los diversos ácidos grasos y aminoácidos se escinden para formar acetil-CoA y unos pocos productos finales diferentes. Finalmente, los grupos acetilo del acetil-CoA, así como otros productos de la fase II, se canalizan hacia la fase III, ruta catabólica final común en la que en último término resultan oxidados a dióxido de carbono y agua.
La biosíntesis tiene lugar también en tres etapas. En la etapa III se generan pequeñas moléculas precursoras que se convierten en la fase II en moléculas sillares; éstas a su vez, se ensamblan en la fase I para constituir macromoléculas. Por ejemplo, la biosíntesis de las proteínas comienza en la fase III con la formación de ciertos α-oxoácidos, que son los precursores de los «-aminoácidos. En la etapa II, los α-oxoácidos se aminan por los dadores de grupos amino formando los «-aminoácidos. Finalmente, en la fase I se ensamblan los aminoácidos para constituir las cadenas polipeptídicas.
La degradación de una molécula orgánica compleja mientras que su síntesis es un proceso cuesta abajo, mientras que su síntesis es un proceso cuesta arriba. Las rutas catabólicas de-terminan la formación de ATP a partir de ADP y de fosfato y a expensas de la energía libre liberada durante la degradación de diversas moléculas combustibles, especialmente en el proceso de fosforilación oxidativa de la fase III. Inversamente, las rutas biosintéticas o anabólicas, que son cuesta arriba, precisan del consumo de ATP y van acompañadas por su escisión a ADP y fosfato.




Ciclo energético en las células
Las moléculas orgánicas complejas, como la glucosa, contienen mucha energía potencial debido a su elevado grado de organización estructural; poseen, relativamente, poca libertad o entropía. Cuando la molécula de glucosa se oxida por el oxígeno molecular para formar seis moléculas de CO2 y seis de agua, sus átomos de carbono experimentan un incremento en su grado de libertad; se separan unos de otros en forma de CO2, y pueden adoptar así muchas posiciones diferentes unos con relación a los otros. Como resultado de esta transformación que significa un aumento en los grados de libertad de sus átomos constituyentes, la molécula de glucosa experimenta una pérdida de energía libre; es decir, de la forma de energía capaz de realizar trabajo bajo condiciones de temperatura y presión constante.
El ATP se produce enzimáticamente a partir de ADP y de fosfato inorgánico mediante reacciones enzimáticas de transferencia del grupo fosfato que están químicamente acopladas a estepas de oxidación específicas durante el catabolismo. El ATP así formado puede difundirse entonces hacia aquellos lugares de la célula en los que se necesitan energía; constituye una forma de transporte de energía libre.