Tránsito de energía en la célula: ATP y NADH

Todos los procesos metabólicos que hemos estudiado, hemos mencionado varios tipos de sistemas de transferencia de energía. Vamos a analizar las moléculas usadas por los organismos para mediar en estas transferencias. Unas de ellas aprovecharán la energía de los enlaces fosfatos, otros transportarán energía indirectamente a modo de poder reductor.

ATP.

Veamos la estructura del ATP.

ATP

Esta molécula corresponde al ATP4-. Como indicamos, las cargas negativas se saturan con Mg2+ o con Mn2+. La forma ionizada es la que aparece en condiciones normales, a pH 7.

ATP y fosforilaciones.

La energía que utiliza el ATP es la que se guarda en los enlaces anhidrofosfóricos.

En cuanto a la energía de enlace:

ATP + H2O → ADP + Pi - ΔGº = -7,3 Kcal/mol

ATP + H2O → AMP + PPi - ΔGº = -7,3 Kcal/mol

ADP + H2O → AMP + Pi - ΔGº = -7,3 Kcal/mol

PPi + H2O → Pi + Pi - ΔGº = -7,3 Kcal/mol

AMP + H2O → Adenosina + Pi - ΔGº = -3,4 Kcal/mol

La razón de la variación de energía alta en el ATP parece que radica en la abundancia de cargas. Cuando se hidroliza el ATP disminuyen las cargas, hay un alivio. Estamos trabajando en condiciones de estado:

En realidad, la ΔG vendría dada por la siguiente ecuación:

En la cual sabemos que ΔGº = -7,3 Kcal/mol.

En condiciones normales la ΔG es mayor de 7,3, es un valor más alto que variaría entre -11 y -16 Kcal/mol.

El valor de ΔGº’ se le llama potencia de transferencia de grupos fosfatos. Se llama no solo para el ATP, también para otros compuestos fosforilados.

Función del ATP en el metabolismo.

El ATP tiene un valor intermedio de energía y eso es importante para su función. El ATP no almacena la energía, de esto se ocupan otras moléculas como las grasas, el glucógeno o el almidón. Su función es más dinámica, hace de molécula intermediaria transportando energía desde los procesos que produzcan energía a los procesos que la consumen. Transfiere energía desde las moléculas energéticas y la lleva a moléculas menos energéticas.

Lo va a poder hacer por tener un ΔGº’ en un nivel intermedio en la escala de diferentes productos fosforilados. Va a poder dar energía para la fosforilación de compuestos con un ΔG más bajo en nivel absoluto (es decir, al ser más negativo, tendríamos que hablar de más alto si nos ceñimos a conceptos matemáticos). Por ejemplo, a la glucosa para formar glucosa 6 fosfato (G6P):

Glc + Pi → G6P + H2O - ΔGº’ = +3,3 Kcal/mol

ATP + H2O → ADP + Pi - ΔGº’ = -7,3 Kcal/mol

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Glc + ATP → ADP + G6P - ΔGº’ = -4 Kcal/mol

Se ha transferido un grupo fosfato del ATP a la glucosa.

El ADP se podrá fosforilar a ATP a partir de un compuesto fosforilado con más ΔGº’:

ADP + Pi → ATP + H2O - ΔGº’ = +7,3 Kcal/mol

PEP + H2O → Piruvato Pirúvico + Pi - ΔGº’ = -14,8 Kcal/mol

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PEP + ADP→ ATP + Piruvato Pirúvico - ΔGº’ = -7,5 Kcal/mol

Si el ATP tuviera un ΔGº’ mayor no podría regenerarse con facilidad y si fuese más bajo no sería buen donante de energía. El ATP es la forma fundamental de intercambio energético. Pero hay otras.

Las fosforilaciones no solo se van a hacer por medio de procesos como el anterior. Hay más mecanismos más asociados, como las fosforilaciones a nivel de sustrato y las que tienen lugar en mitocondria y cloroplastos, que veremos a continuación.

Fosforilación a nivel de sustrato.

Está acoplada a la transformación enzimática de un sustrato. Vimos el ejemplo del fosfoenol pirúvico:

Fosforilaciones que tienen lugar en cloroplastos y mitocondrias.

La energía que se desprende en una cadena de transporte electrónico con la transferencia de un gradiente de protones. Es decir, un gradiente de protones genera una energía que hace que se produzca la siguiente reacción:

ADP + Pi → ATP + H2O

En las mitocondrias esta cadena será la fosforilación oxidativa, que llevará a cabo la oxidación de una molécula orgánica.

En los cloroplastos el proceso global será el mismo, pero la fuente primaria de energía es la luz, no la oxidación de una molécula orgánica. Es la fotofosforilación.

En las células se emplean otros tipos de intermediarios, como el GTP, UTP y CTP. Y habrá enzimas que catalizan transformaciones como la siguiente:

GTP + ADP → GDP + ATP

En esta reacción se transfieren los grupos fosfato.

Transferencias de poder reductor.

El poder reductor es otra forma intermediaria de energía. Va a haber dadores y aceptores de energía. Van a ser los coenzimas redox. Un compuesto redox puede tener una forma aceptora y una dadora de electrones (en eso consiste la transferencia redox). Las formas dadoras/aceptoras sería del tipo:

NADH/NAD+

FADH2/FAD

H2O/O2

Cu+/Cu2+

Fe2+/Fe3+

El cambio de electrones siempre se da entre la forma dadora de uno y la aceptora de otro (que será la forma oxidada). Las transferencias van de la dadora a la aceptora. Hay cuatro modalidades:

Que se transfieran electrones sueltos:

Fe2+ + Cu2+ → Fe3+ + Cu+

En esta reacción un electrón pasa del Fe2+ al Cu2+

Que se transfieran en forma de hidrógeno:

SH2 + FAD → S + FADH2

Que se transfiera un ión hidruro:

SH2 + NAD+ → S + NADH + H+

En este caso un ión hidruro (H-) pasa del SH2 al NAD+.

Un compuesto reductor se combina covalentemente con oxígeno:

R-CH3 + ½ O2 → R-CH2-OH

Se hagan las transferencias de una manera o de otra, el par redox tendrá un potencial eléctrico de oxidación característico que va a medir la mayor o menor tendencia que tendrá el compuesto a actuar como aceptor o dador. Se trata del potencial estándar, Eo’ y se medirá en voltios. Los más reductores serán los que tengan un potencial estándar más negativo.

Veamos el ejemplo del NADH con otros compuestos (los de más abajo tienen un potencial menos negativo o más positivo). Es decir, cuanto más negativo sea el potencial, más energético es el compuesto:

 Los electrones fluirán espontáneamente de los compuestos con potenciales más electronegativos a los más electropositivitos (de los Eo’ más pequeños, más negativos, a los mayores o más positivos):

NADH → O2 – El NADH le pasa los electrones al O2. ΔG < 0. Este proceso ocurre durante la respiración.

H2O → NADP+ - El H2O le pasa electrones al NADP+. ΔG > 0, por lo que se requiere energía. Esto ocurre en la fase luminosa de la fotosíntesis y la energía proviene de la luz.

Se cumple la siguiente ecuación:

Donde n es el número de electrones transferidos, F la constante d Faraday y *ΔEo’ el potencial redox.

Dado que es ΔGº’ las condiciones normales supuestas son 25ºC, pH 7 y concentraciones 1M.

En el caso de la reacción del NADH, la fórmula sería:

El principal transportador de electrones desde los procesos catabólicos (oxidativos) productores de electrones a los procesos biosintéticos reductores es el NADPH:

El NADH tiene otra función. Se utiliza para formar ATP mediante la cadena respiratoria de la fosforilación oxidativa.