ATP (adenosín trifosfato): qué es, estructura, funciones, ciclo
¿Qué es el ATP (adenosín trifosfato)?
El ATP (adenosín trifosfato) es una molécula orgánica que porta la energía primaria de todas las formas de vida (bacterias, mohos, vegetales, levaduras, células, etc.). Tiene un papel fundamental en el metabolismo, ya que transporta la energía necesaria para mantener una serie de procesos celulares de manera eficaz.
Esta molécula se presenta con enlaces de alta energía constituida por un anillo de adenina, una ribosa y tres grupos fosfatos. Es ampliamente conocida por el término “moneda energética”, ya que su formación y su utilización ocurre fácilmente, permitiendo “pagar” rápidamente las reacciones químicas que requieren energía.
Aunque la molécula a simple vista es pequeña y sencilla, guarda una cantidad importante de energía en sus enlaces. Los grupos fosfatos poseen cargas negativas, que están en constante repulsión, convirtiéndolo en un enlace lábil y de fácil ruptura.
Esta molécula se encarga de proporcionar la energía necesaria para que tengan lugar la mayoría de los procesos que ocurren en el interior de la célula, desde la síntesis de proteínas hasta la locomoción. Además, permite el tráfico de moléculas a través de las membranas y actúa en la señalización celular.
Estructura del ATP
El ATP, como su nombre lo indica, es un nucleótido con tres fosfatos. Su estructura particular, específicamente los dos enlaces pirofosfato, lo convierten en un compuesto rico en energía. Está compuesto por los siguientes elementos:
– Una base nitrogenada, la adenina. Las bases nitrogenadas son compuestos cíclicos que contienen uno o más nitrógeno en su estructura. También los encontramos como componentes en los ácidos nucleicos, el ADN y el ARN.
– En el centro de la molécula se ubica la ribosa. Es un azúcar del tipo pentosa, ya que posee cinco átomos de carbono. Su fórmula química es C5H10O5. El carbono 1 de la ribosa está unido al anillo de adenina.
– Tres radicales fosfatos. Los dos últimos son los “enlaces de alta energía” y se representan en las estructuras gráficas con el símbolo de la virgulilla: ~. El grupo fosfato es uno de los más importantes en los sistemas biológicos. Los tres grupos se denominan alfa, beta y gamma, del más cercano al más alejado.
Dicho enlace es muy lábil, por lo que se divide de manera rápida, fácil y espontánea cuando las condiciones fisiológicas del organismo lo ameritan. Esto ocurre porque las cargas negativas de los tres grupos fosfato intentan alejarse la una de la otra constantemente.
Funciones del ATP
El ATP juega un papel indispensable en el metabolismo energético de virtualmente todos los organismos vivos. Por esta razón, suele denominarse moneda energética, ya que se puede gastar y reponer de manera continua en tan solo unos minutos.
De manera general, el ATP actúa como una molécula de señalización en los procesos que ocurren en el interior de la célula; es necesario para sintetizar los componentes del ADN y el ARN y para la síntesis de otras biomoléculas, participa en el tráfico a través de las membranas, entre otras.
Las funciones del ATP son muy amplias. Por ello, nombraremos tres ejemplos puntuales.
Suministro de energía para el transporte de sodio y potasio a través de la membrana
El ATP introduce energía en el sistema de la bomba sodio-potasio, mecanismo de transporte activo celular que bombea constantemente iones de sodio hacia el exterior de la célula, e iones de potasio hacia el interior.
Se calcula que un tercio del ATP formado en la célula es usado para mantener activa a la bomba.
Lógicamente, el uso del ATP no se restringe al transporte de sodio y potasio. Existen otros iones, como el calcio, el magnesio, entre otros, que necesitan de esta moneda energética para ingresar.
Participación en la síntesis proteica
Las moléculas de proteínas se encuentran formadas por aminoácidos, unidos entre sí por enlaces peptídicos. Para formarlos se requiere la ruptura de cuatro enlaces de alta energía. En otras palabras, se deben hidrolizar un número considerable de moléculas de ATP para la formación de una proteína de longitud promedio.
La síntesis de las proteínas ocurre en estructuras llamadas ribosomas. Estas son capaces de interpretar el código que posee el ARN mensajero y traducirlo a una secuencia de aminoácido: este proceso depende de ATP.
En las células más activas, la síntesis proteica puede dirigir hasta el 75% del ATP sintetizado en esta importante labor.
Por otro lado, la célula no solo sintetiza proteínas, también necesita de lípidos, colesterol, y otras sustancias indispensables y para hacerlo requiere de la energía contenida en los enlaces del ATP.
Suministrar energía para la locomoción
El trabajo mecánico es una de las funciones más importantes del ATP. Por ejemplo, para que nuestro cuerpo sea capaz de ejecutar la contracción de las fibras musculares, necesita disponer de grandes cantidades de energía.
En el músculo, la energía química puede transformarse en energía mecánica gracias a la reorganización de las proteínas con capacidad de contracción que lo forman. La longitud de estas estructuras se acorta, lo que crea una tensión que se traduce en la generación de movimiento.
Hidrólisis del ATP
La hidrólisis del ATP es una reacción que involucra la ruptura de la molécula por la presencia de agua. La reacción se representa de la siguiente manera:
ATP + Agua ⇋ ADP + Pi + energía. Donde, el término Pi hace referencia al grupo de fosfato inorgánico y el ADP es adenosín difosfato. Nótese que la reacción es reversible.
La hidrólisis del ATP es un fenómeno que involucra la liberación de una inmensa cantidad de energía.
La ruptura de cualquiera de los enlaces pirofosfatos se traduce en la liberación de 7 kcal por mol –específicamente 7,3 de ATP a ADP y 8,2 para la producción de adenosinmonofosfato (AMP) a partir del ATP.
Esto equivale a 12.000 calorías por mol de ATP.
¿Por qué ocurre esta liberación de energía?
Los productos de la hidrólisis son mucho más estables que el ATP.
Es necesario mencionar que solo la hidrólisis que ocurre sobre los enlaces pirofosfatos para dar lugar a la formación de ADP o AMP conlleva a una generación de energía en cantidades importantes.
La liberación de energía proveniente de estas reacciones es usada para la realización de reacciones metabólicas en el interior de la célula, ya que muchos de estos procesos necesitan de energía para funcionar, tanto en los pasos iniciales de las rutas de degradación como en la biosíntesis de compuestos.
Obtención de ATP
El ATP puede obtenerse mediante dos vías: fosforilación oxidativa y fosforilación en cuanto a sustrato. La primera requiere oxígeno, mientras que la segunda no lo necesita. Aproximadamente el 95% del ATP formado ocurre en la mitocondria.
Fosforilación oxidativa
La fosforilación oxidativa involucra un proceso de oxidación de los nutrientes en dos fases: la obtención de coenzimas reducidas NADH y FADH2 derivadas de vitaminas.
La reducción de estas moléculas requiere la utilización de hidrógenos provenientes de los nutrientes. En las grasas, la producción de coenzimas es notable, gracias a la enorme cantidad de hidrógenos que estas poseen en su estructura, comparado con los péptidos o con los carbohidratos.
Aunque existen varias vías de producción de coenzimas, la ruta más importante es el ciclo de Krebs. Posteriormente, las coenzimas reducidas se concentran a las cadenas respiratorias ubicadas en la mitocondria, que transfiere los electrones hasta el oxígeno.
La cadena transportadora de electrones está formada por una serie de proteínas acopladas a la membrana, que bombean protones (H+) al exterior (ver imagen). Estos protones entran y cruzan nuevamente la membrana por medio de otra proteína, la ATP sintasa, encargada de la síntesis del ATP.
En otras palabras, tenemos que la reducción de coenzimas, más ADP y oxígeno, generan agua y ATP.
Fosforilación a nivel de sustrato
La fosforilación en cuanto a sustrato no es tan importante como el mecanismo descrito anteriormente y, como no requiere de moléculas de oxígeno, suele asociarse con la fermentación.
Esta vía, aunque es muy rápida, extrae poca energía: si la comparamos con el proceso de oxidación sería unas quince veces menos.
En nuestro organismo, los procesos fermentativos ocurren a nivel del músculo. Este tejido puede funcionar sin oxígeno, por ello es posible que una molécula de glucosa sea degradada a ácido láctico (cuando estamos realizando alguna actividad deportiva intensa, por ejemplo).
En las fermentaciones, el producto final aún posee potencial energético que puede ser extraído. En el caso de la fermentación en el músculo, los carbonos en el ácido láctico están al mismo nivel de reducción que los de la molécula inicial: la glucosa.
Así, la producción de energía ocurre por la formación de moléculas que poseen enlaces de alta energía, entre ellas el 1,3-bifosfoglirato y el fosfoenolpiruvato.
En la glucólisis, por ejemplo, la hidrólisis de estos compuestos está ligada a la producción de moléculas de ATP, por ello el término “en cuanto a sustrato”.
Ciclo de ATP
El ATP nunca se almacena. Está en un ciclo continuo de utilización y de síntesis. De este modo se crea un equilibrio entre el ATP formado y su producto hidrolizado, el ADP.
Referencias
- Guyton, A. C., & Hall, J. E. (2000). Textbook of human physiology.
- Hall, J. E. (2017). Guyton E Hall Tratado De Fisiologia Médica. Elsevier Brasil.
- Lim, M. Y. (2010). Lo esencial en metabolismo y nutrición. Elsevier.
- Pratt, C. W., & Kathleen, C. (2012). Bioquímica. Editorial El Manual Moderno.
- Voet, D., Voet, J. G., & Pratt, C. W. (2007). Fundamentos de Bioquímica. Editorial Médica Panaméricana.