Trifosfato de adenosina

Animación interactiva de la estructura de ATP

El trifosfato de adenosina (ATP) es un compuesto orgánico 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 síntesis química. Encontrado en todas las formas de vida conocidas, el ATP a menudo se conoce como la "unidad monetaria monetaria" de transferencia de energía intracelular. Cuando se consume en procesos metabólicos, se convierte en difosfato de adenosina (ADP) o en monofosfato de adenosina (AMP). Otros procesos regeneran ATP. El cuerpo humano recicla su propio peso corporal equivalente en ATP cada día. 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

El ATP consta de una adenina unida por el átomo de nitrógeno 9 al átomo de carbono 1′ de un azúcar (ribosa), que a su vez está unida en el 5' átomo de carbono del azúcar a un grupo trifosfato. En sus numerosas 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 etiquetan como alfa (α), beta (β) y, para el fosfato terminal, gamma (γ).

En solución neutra, el ATP ionizado existe principalmente como ATP⁴⁻, con una pequeña proporción de ATP³⁻.

Enlace de cationes metálicos a ATP

Al ser polianiónico y presentar un grupo polifosfato potencialmente quelante, el ATP se une a los cationes metálicos con gran afinidad. La constante vinculante para Mg2+ es (9554). 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-Mg²⁺, el ATP existe en la célula principalmente como un complejo con Mg²⁺
unido a los centros de oxígeno de fosfato.

Un segundo ion de magnesio es fundamental para la unión de ATP en el dominio quinasa. La presencia de Mg²⁺ regula la actividad quinasa.

Propiedades químicas

Las sales de ATP se pueden aislar como sólidos incoloros.

Los ciclos de síntesis y degradación del ATP; 2 y 1 representan el aporte y la producción 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. En el contexto de las reacciones bioquímicas, los enlaces P-O-P se denominan con frecuencia enlaces de alta energía.

Aspectos reactivos

La hidrólisis de ATP en ADP y fosfato inorgánico libera 20,5 kJ/mol de entalpía. Los valores de la energía libre liberada al escindir una unidad de fosfato (P_i) o pirofosfato (PP_i) del ATP en concentraciones de estado estándar de 1 mol/L en pH 7 son:

ATP + H
₂O → ADP + P_i ΔG°' = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)

ATP + H
₂O → AMP + PP_i ΔG°' = −45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol)

Estas ecuaciones abreviadas a un pH cercano a 7 se pueden escribir de manera más explícita (R = adenosilo):

[RO-P(O)₂-O-P(O)₂-O-PO₃]^4- + H
₂O → [RO-P(O)₂-O-PO₃]^{3 - 3} [HPO]₄]^{2 - 2} + H⁺

[RO-P(O)₂-O-P(O)₂-O-PO₃]^4- + H
₂O [RO-PO₃]^{2 - 2} + [HOHO₃P-O-PO₃]^{3 - 3} + H⁺

En condiciones citoplasmáticas, donde la relación ADP/ATP está a 10 órdenes de magnitud del equilibrio, el ΔG es de alrededor de −57 kJ/mol.

Esta imagen muestra una rotación de 360 grados de un solo magnesio-ATP en fase gaseosa con carga de −2. El anión fue optimizado en el nivel teórico UB3LYP/6-311+G(d,p) y la conectividad atómica modificada por el optimizador humano para reflejar la estructura electrónica probable.

Producción de AMP y ADP

Producción, condiciones aeróbicas

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

El ATP puede ser producido por varios procesos celulares distintos; las tres vías principales en los 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 alrededor de 30 equivalentes de ATP a partir de cada molécula de glucosa.

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

Glucólisis

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 parte de la ATP sintasa. El piruvato generado como producto final de la glucólisis es un sustrato para el ciclo de Krebs.

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, se genera ATP a partir de ADP. En el ciclo de la glucólisis se forma una red de dos ATP. La ruta de la glucólisis se asocia más tarde con el ciclo del ácido cítrico que produce equivalentes adicionales de ATP.

Regulación

En la glucólisis, la hexoquinasa es inhibida directamente por su producto, la glucosa-6-fosfato, y la piruvato quinasa 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 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 de proteína, pero la unión de ATP al sitio inhibidor estabiliza la conformación que se une mal a F6P. Varias otras moléculas pequeñas pueden compensar el cambio inducido por ATP en la conformación del equilibrio y reactivar la PFK, incluido el AMP cíclico, los iones de amonio, el fosfato inorgánico y la fructosa-1,6- y -2,6-bifosfato.

Ciclo del ácido cítrico

En la mitocondria, el complejo de 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 el ciclo de Krebs). Cada "turno" del ciclo del ácido cítrico produce dos moléculas de dióxido de carbono, un equivalente de ATP trifosfato de guanosina (GTP) a través de la fosforilación a nivel de sustrato catalizada por la succinil-CoA sintetasa, cuando la succinil-CoA se convierte en succinato, tres equivalentes de NADH y un equivalente de FADH2. NADH y FADH₂ se reciclan (a NAD⁺ y FAD, respectivamente) mediante fosforilación oxidativa, generando ATP adicional. La oxidación de NADH da como resultado la síntesis de 2 o 3 equivalentes de ATP, y la oxidación de un FADH₂ produce entre 1 y 2 equivalentes de ATP. 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 estrictamente aeróbico porque el O₂ se usa para reciclar el NADH y el FADH₂. En ausencia de oxígeno, el ciclo del ácido cítrico cesa.

La generación de ATP por la mitocondria a partir del NADH citosólico se basa en la lanzadera de malato-aspartato (y, en menor medida, en la lanzadera de glicerol-fosfato) porque la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH y al 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 oxaloacetato y NADH a partir del malato recién transportado y la reserva interna de NAD⁺ de la mitocondria. Una transaminasa convierte el oxaloacetato en aspartato para su transporte a través de la membrana y al espacio intermembrana.

En la fosforilación oxidativa, el paso de electrones desde NADH y FADH₂ a través de la cadena de transporte de electrones libera la energía para bombear protones fuera de la matriz mitocondrial hacia el 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 de potencial, es decir, desde el espacio intermembrana hasta la matriz, produce ATP mediante la ATP sintasa. 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 aumentadas e hidrólisis de ATP), contribuye al potencial de la membrana mitocondrial e impulsa directamente la síntesis de ATP..

La mayor parte del ATP sintetizado en la mitocondria 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, producir y exportar un ATP requiere 4H^+. La membrana interna contiene un antiportador, la translocasa ADP/ATP, que es una proteína de membrana integral que se usa para intercambiar ATP recién sintetizado en la matriz por ADP en el Espacio Intermembrano. 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 movidas hacia el interior. Sin embargo, también es necesario transportar fosfato a la mitocondria; el transportador 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.

Regulación

El ciclo del ácido cítrico está regulado principalmente por la disponibilidad de sustratos clave, particularmente la proporción de NAD⁺ a NADH y las concentraciones de calcio, fosfato inorgánico, ATP, ADP y AMP. El citrato, el ion que da nombre al ciclo, es un inhibidor de la 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.

Beta oxidación

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 oxidación beta acorta la cadena de ácidos grasos en dos átomos de carbono y produce un equivalente de acetil-CoA, NADH y FADH₂. La acetil-CoA es metabolizada por el ciclo del ácido cítrico para generar ATP, mientras que el NADH y FADH₂ son utilizados por fosforilación oxidativa para generar ATP. Docenas de equivalentes de ATP son generados por la beta-oxidación de una sola cadena de acilo larga.

Regulación

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 de citocromo c. La cantidad de citocromo c reducido disponible está directamente relacionada con las cantidades de otros sustratos:

12NADH+CytcOx+ADP+Pi⇌ ⇌ 12NAD++Cytcrojo+ATP{fnK} {fnMicroc} {fnK}} {fnMicroc} {f}} {f}} {f}}}}} {f}}} {f}}}}}}} {f}}}}}} {f}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} { {NADH}+{ce {cyt} {} {c_{ox}}+{ce} {ADP}+{ce {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicroc {1}{2}{ce} {fnMicroc} {fn} {fn}} {f}}} {fn}}}} {f}}}} {fn}} {fn}} {f}}} {f}}}}} {fnf}}}} {f}f}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}f}}}}}}}}}} {f} {f}} {f}f}}}}}}}}}}}}}} {f} {f} {f} {f}}}}}f}f} {f} {f}f}f}f}f}}f}f}f}}}}}f}f}}f}}}}}}}}}} {NAD^+}+{ce {}}c}cH}cH00} {} {c_{red}}+{ce} {ATP}}

lo que implica directamente esta ecuación:

[cSí.tcred][cSí.tcox]=()[NADH][NAD]+)12()[ADP][Pi][ATP])Keq{displaystyle {frac {fnhm {fnhm}}} {mhm {fnhm}}}}=eft({frac}}}}=mfnMic [mathrm {fnh} {fnh} {fnh}}derecha)} {frac {fn}}left({frac {mhm {fnhm {fnhm} {m}}}}}} {m}}}}}}} {m}} {m}}}} {m} {m}}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}}} {m}} {m}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}} {m} {m}}}}}}}}}} {m} {m}} {m}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {

Por lo tanto, una relación alta de [NADH] a [NAD⁺] o una relación alta de [ADP][P_i] a [ATP] implica una alta cantidad reducida de citocromo c y un alto nivel de actividad de citocromo c oxidasa. Las tasas de transporte de ATP y NADH entre la matriz mitocondrial y el citoplasma introducen un nivel adicional de regulación.

Cetosis

Los cuerpos cetónicos se pueden utilizar como combustibles y producen 22 moléculas de ATP y 2 de GTP por molécula de acetoacetato cuando se oxidan en la mitocondria. Los cuerpos cetónicos se transportan desde el hígado a otros tejidos, donde el acetoacetato y el beta-hidroxibutirato se pueden reconvertir en acetil-CoA para producir equivalentes reductores (NADH y FADH₂), a través del ciclo del ácido cítrico. El hígado no puede utilizar los cuerpos cetónicos como combustible porque el hígado carece de la enzima β-cetoacil-CoA transferasa, también llamada tiolasa. El acetoacetato en 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 altas concentraciones es absorbido por otras células además de las del hígado y entra en una vía diferente a través del 1,2-propanodiol. Aunque la ruta sigue una serie diferente de pasos que requieren ATP, el 1,2-propanodiol se puede convertir en piruvato.

Producción, condiciones anaeróbicas

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

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

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

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

Producción de ATP durante la fotosíntesis

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

Reciclado de ATP

La cantidad total de ATP en el cuerpo humano es de aproximadamente 0,1 mol/L. La mayor parte del ATP se recicla a partir del ADP mediante los procesos antes mencionados. Por lo tanto, en un momento dado, la cantidad total de ATP + ADP permanece bastante constante.

La energía utilizada por las células humanas en un adulto requiere la hidrólisis de 100 a 150 mol/L de ATP al día, lo que significa que un ser humano normalmente utilizará el valor de ATP de su peso corporal a lo largo del día. Cada equivalente de ATP se recicla entre 1000 y 1500 veces durante un solo día (150 / 0,1 = 1500), a aproximadamente 9×10²⁰ moléculas/s.

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

Funciones bioquímicas

Señalización intracelular

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 un pequeño número de pliegues comunes. La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar una cascada tal como la cascada de proteína quinasa activada por mitógeno.

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 un segundo mensajero, el AMP cíclico, que participa en la activación de las señales de calcio mediante la liberación de calcio de las reservas intracelulares. Esta forma de transducción de señales es particularmente importante en la función cerebral, aunque está involucrada en la regulación de una multitud de otros procesos celulares.

Síntesis de ADN y ARN

El ATP es uno de los cuatro monómeros necesarios en la síntesis de ARN. El proceso es promovido por las ARN polimerasas. 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

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

1. aa + ATP  aa-AMP + PPi
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) a través de un enlace éster (en la ilustración).

Transportador de cassette de unión ATP

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 cassettes de unión a ATP. El genoma humano codifica 48 transportadores ABC, que se utilizan para exportar fármacos, lípidos y otros compuestos.

Señalización extracelular y neurotransmisión

Las células secretan ATP para comunicarse con otras células en un proceso llamado señalización purinérgica. El ATP sirve 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 proteínas de canal o se bombea en vesículas que luego se fusionan con la membrana. Las células detectan ATP utilizando las proteínas receptoras purinérgicas P2X y P2Y.

Solubilidad de proteínas

Se ha propuesto recientemente que el ATP actúa como un hidrotropo biológico y se ha demostrado que afecta la solubilidad de todo el proteoma.

Análogos de ATP

Los laboratorios de bioquímica suelen utilizar 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 complejo con ATP, a menudo junto con otros sustratos.

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

La mayoría de los análogos de ATP útiles no se pueden hidrolizar como se haría con el ATP; en cambio, atrapan la enzima en una estructura estrechamente relacionada con el estado unido al 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 un ritmo mucho más lento que el propio ATP y funciona como un inhibidor de los procesos dependientes de ATP. En estudios cristalográficos, los estados de transición de hidrólisis son modelados por el ion vanadato unido.

Se requiere precaución al interpretar los resultados de los experimentos que utilizan análogos de ATP, ya que algunas enzimas pueden hidrolizarlos a velocidades apreciables en concentraciones altas.

Uso médico

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

Historia

El ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann y Jendrassik e, independientemente, por Cyrus Fiske y Yellapragada Subba Rao de la Escuela de Medicina de Harvard, ambos equipos compitiendo entre sí para encontrar un análisis de 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.

Alexander Todd lo sintetizó por primera vez en el laboratorio en 1948, y recibió el Premio Nobel de Química en 1957 en parte por este trabajo.

El Premio Nobel de Química de 1978 fue otorgado al Dr. Peter Dennis Mitchell por el descubrimiento del mecanismo quimiosmótico de la síntesis de ATP.

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