ATP 2 (soluciones)
1.- ¿Qué es la energía libre de Gibbs? ¿Cuál es el significado de ΔG?
Gibbs consideró globalmente las dos leyes de la termodinámica y estableció la función de energía libre (G), que permite medir la capacidad de un sistema para producir trabajo útil a presión y temperatura constantes.
La energía libre se puede definir como el componente de la energía total del sistema que está disponible para realizar trabajo útil.
Desde el punto de vista metabólico, todos los sistemas reaccionantes tienden a alcanzar el equilibrio termodinámico, situación en la cual la energía libre es mínima.
ΔG es el modo de simbolizar la variación de energía libre que tiene lugar durante el transcurso de una reacción. Se pueden dar estos casos:
• ΔG < 0 (reacción espontánea)
• ΔG > 0 (reacción no espontánea)
• ΔG = 0 (sistema en equilibrio)
2.- En relación con la hidrólisis del ATP, en unos libros se lee que ΔG = -7,3 kcal/mol, mientras que en otros aparece una cifra distinta: ΔG = -30,5 kJ/mol. ¿Puede aclararlo?
Téngase en cuenta que 1 caloría (cal) equivale a 4,18 J (julios). O sea: 7,3 x 4,18 = 30,5.
Por lo tanto, las expresiones “7,3 kcal/mol” y “30,5 kJ/mol” son magnitudes equivalentes.
El signo negativo se debe a que la hidrólisis del ATP es una reacción exergónica (que libera energía), o sea: ΔG < 0.
3.- ¿Qué son reacciones exergónicas? ¿Qué valor toma en ellas ΔG? Haga un esquema.
La reacciones exergónicas son las que liberan energía, por lo que la variación de energía libre se considera negativa (ΔG < 0).
Por ejemplo: A se transforma en B liberando energía.
La variación de energía libre sólo depende de los estados inicial y final, por lo que, esquemáticamente, al representar en el eje de ordenadas la energía libre (E), y en el de abscisas, el transcurso de la reacción (t), resulta una línea recta.
“Ei” corresponde al nivel energético del sustrato (A), y “Ef”, al del producto (B), que ha disminuido por haberse liberado energía durante la reacción. La variación energética entre los estados final e inicial viene dada por: ΔG = Ef – Ei. En este caso la diferencia es negativa (al ser Ei mayor que Ef), o sea: ΔG < 0.
Sólo pueden ser espontáneas las reacciones exergónicas.
4.- ¿Qué son reacciones endergónicas? ¿Qué valor toma en ellas ΔG? Haga un esquema.
La reacciones endergónicas son las que consumen energía, de forma que la variación de energía libre es positiva (ΔG > 0).
Por ejemplo: es preciso suministrar energía a C para que se transforme en D.
La variación de energía libre sólo depende de los estados inicial y final, por lo que, esquemáticamente, al representar en el eje de ordenadas la energía libre (E), y en el de abscisas, el transcurso de la reacción (t), resulta una línea recta.
“Ei” corresponde al nivel energético del sustrato (C), y “Ef”, al del producto (D), que ha aumentado debido al aporte de energía. La variación energética entre los estados final e inicial viene dada por: ΔG = Ef – Ei. En este caso la diferencia es positiva (al ser Ei menor que Ef), o sea: ΔG > 0.
Las reacciones endergónicas no pueden ser espontáneas.
5.- ¿Qué significa: ΔG = 0?
Cuando no hay variación de energía libre, o sea, ΔG = 0, se considera que el proceso está en equilibrio, es decir, que en estas condiciones no varía la concentración de sustratos y productos. Debe interpretarse que la reacción transcurre a la misma velocidad en ambos sentidos.
6.- ¿Cómo pueden llevarse a cabo las reacciones metabólicas que sean endergónicas? Ponga un ejemplo.
Es preciso que las reacciones metabólicas endergónicas (que consumen energía) vayan acopladas a otras muy exergónicas (que liberan energía), de manera que el balance global sea exergónico.
El ejemplo siguiente representa una fosforilación a nivel de sustrato:
El acoplamiento de reacciones endergónicas con exergónicas es uno de los aspectos cruciales de la actividad metabólica celular, pues posibilita la realización de numerosos procesos termodinámicamente desfavorables: biosíntesis, transporte activo a través de las membranas, etc.
7.- Interprete el esquema adjunto y escriba una conclusión.
En la primera reacción, una enzima quinasa cataliza la transferencia de un grupo fosfato desde el compuesto “X-P” al ADP formando ATP.
En la segunda, otra quinasa específica cataliza la transferencia del grupo fosfato terminal desde el ATP al compuesto “Y”, cuyo contenido energético aumenta al transformarse en “Y-P”.
El efecto neto de las dos reacciones, acopladas por el intermediario común ATP, es la transferencia de energía química desde “X-P” hasta “Y” a través del grupo fosfato.
Conclusión: el ATP actúa como un intermediario común en las reacciones de transferencia de fosfato.
8.- (Internet: “EC 2.7.1.40”). Identifique los compuestos A, B, C y D. ¿Qué función realiza la enzima? Escriba la reacción sin fórmulas.
“EC 2.7.1.40” corresponde a la enzima piruvato quinasa.
Los nombres de los compuestos son:
A = fosfoenolpirúvico (fosfoenolpiruvato)
B = adenosín difosfato (ADP)
C = ácido pirúvico (piruvato)
D = adenosín trifosfato (ATP)
La función que realiza la quinasa del piruvato es catalizar la transferencia del grupo fosfato desde el fosfoenolpiruvato al ADP, resultando ATP y piruvato.
La reacción sin fórmulas es:
Esta reacción tiene lugar al final de la glucólisis y es un ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato.
9.- ¿Qué entiende por fosforilación? Ponga un ejemplo.
Fosforilación es el término que se utiliza cuando algún compuesto incorpora fosfórico (Pi, fosfato inorgánico) en el transcurso de una reacción.
Este ejemplo representa la fosforilación del ADP:
ADP + Pi —› ATP + H2O
En general, para activar un compuesto, es decir, para que aumente su energía útil y pueda participar en determinadas reacciones (que de otro modo no tendrían lugar), se le suele transferir un grupo fosfato procedente de la hidrólisis del ATP. El compuesto, al quedar fosforilado, recibe parte de la energía almacenada en el ATP y aumenta su reactividad. Esquema:
10.- Existen compuestos fosforilados cuya energía libre de hidrólisis es menor que la del ATP. ¿Qué significa esto? ¿A qué se debe que la del ATP sea tan elevada?
Significa que el ATP tiene mayor potencial de transferencia de grupos fosforilo (fosfato) que los otros compuestos.
El elevado potencial de transferencia de grupos fosfato del ATP se debe a su estructura y la de sus productos de hidrólisis (ADP y fosfato), así como a la repulsión electrostática entre los fosfatos ionizados y la estabilización por resonancia de su estructura.
11.- (Internet: “3.6.1.1”). Haga un comentario sobre el proceso adjunto.
“EC 3.6.1.1” corresponde a una difosfatasa o pirofosfatasa (también llamada difosfato fosfohidrolasa).
A = difosfato
B = agua
C = fosfato
El difosfato posee un enlace fosfoanhidro cuya hidrólisis posibilita la liberación de mucha energía libre, en relación con lo cual cabe preguntar por qué los seres vivos utilizan el ATP para almacenar energía en lugar de otras moléculas más sencillas, como el pirofosfato libre.
Probablemente, la razón está relacionada con la especificidad enzimática, dada la capacidad de las enzimas para reconocer el ATP, más fácil de hidrolizar específicamente que los pirofosfatos libres, que son muy similares a todos los grupos difosfato presentes en las biomoléculas.
12.- (Internet: “EC 3.6.4.2”). ¿De qué enzima se trata y cuál es su función? Cite los nombres de los compuestos A, B, C y D.
“EC 3.6.4.2” corresponde a la enzima dineína ATPasa, que cataliza la siguiente reacción:
Nombres de los compuestos:
A = adenosín trifosfato (ATP)
B = agua
C = fosfórico (fosfato)
D = adenosín difosfato (ADP)
La hidrólisis del ATP, provocada por la dineína ATPasa, que está presente en los “brazos” de los microtúbulos, proporciona la energía necesaria para el movimiento de los cilios y los flagelos eucarióticos.
13.- (Internet: “EC 3.6.3.14”). ¿De qué enzima se trata? Escriba la reacción en inglés. ¿En qué parte de la célula se localiza y cuál es su función?
“EC 3.6.3.14” corresponde a la enzima ATP sintasa (ver nota 1).
La reacción (en inglés) es:
ADP + phosphate + H+out ‹—› ATP + H2O + H+in
La ATPsintasa constituye un complejo proteico enzimático que está integrado en la membrana mitocondrial interna, formando un canal hidrofílico a través del cual pasan los protones del espacio intermembranoso a la matriz mitocondrial. Según la hipótesis quimiosmótica, la energía liberada por este flujo de protones es utilizada por la ATP sintasa para fosforilar ADP y formar ATP, proceso denominado fosforilación oxidativa (ver nota 2).
Nota 1.- Dado que la función principal de esta enzima en la mitocondria es sintetizar ATP, es llamada en muchos libros ATP sintetasa, pero las ligasas o sintetasas pertenecen a la clase 6, mientras que la ATP sintasa se clasifica en la clase 3 (hidrolasas) ya que es capaz de hidrolizar ATP formando ADP y fosfato.
Nota 2.- El complejo ATP sintasa también se halla en los cloroplastos, concretamente, en la membrana de los tilacoides. En este caso, la síntesis de ATP se denomina fosforilación fotosintética (fotofosforilación).
14.- ¿Mediante qué procesos obtiene ATP la célula?
El ATP puede generarse por:
• Fosforilación a nivel de sustrato, es decir, una molécula de sustrato que contiene un grupo fosfato se lo cede al ADP originando ATP, según la reacción: X-P + ADP —› ATP + X. Cuantitativamente es poco relevante.
• Fosforilación oxidativa, mediante la actividad del complejo ATP sintasa en las mitocondrias, según la teoría quimiosmótica. Por este procedimiento se genera casi todo el ATP celular.
• Fosforilación fotosintética (fotofosforilación), mediante la actividad del complejo ATP sintasa en los cloroplastos de la célula vegetal, según la citada teoría.
Nota.- Los músculos esqueléticos pueden proporcionar un máximo de ATP durante las emergencias, según la siguiente reacción (catalizada por la quinasa de la creatina):
fosfocreatina + ADP <—> creatina + ATP
15.- (Internet: “Nobelprize.org”). ¿Quién y por qué fue galardonado con el premio Nobel de Química en 1978? Haga un breve comentario.
El Premio Nobel de Química de 1978 fue otorgado a Peter Mitchell, por sus estudios sobre la transferencia de energía biológica explicada mediante la teoría quimiosmótica.
Mitchell (Nobelprize.org)
La hipótesis quimiosmótica de Mitchell propone que la energía liberada en la cadena de transporte de electrones (que tiene lugar tanto en las mitocondrias como en los cloroplastos), genera un gradiente de protones que sirve para activar el complejo ATP sintasa y producir ATP previa fosforilación del ADP (ADP + Pi —› ATP + H2O). Resultando que el gradiente de protones es el que transporta la energía desde la citada cadena a la síntesis de ATP.
16.- ¿Qué representan las fases 1 y 2 del esquema adjunto?
Fase 1. Durante el catabolismo tiene lugar la oxidación de moléculas “combustibles” que producen energía, parte de la cual se emplea para sintetizar ATP a partir de ADP y del fosfato.
Fase 2. Al hidrolizarse el ATP en ADP y fosfato, tiene lugar la cesión de la mayor parte de su energía química, proceso que posibilita las actividades celulares que requieren energía: biosíntesis, transporte activo, contracción muscular, bioluminiscencia, bioelectricidad, etc.
Considerando ambas fases queda de manifiesto que el ATP desempeña la función de intermediario entre las reacciones químicas que liberan energía y las que la consumen.
17.- Suponga que en la célula disminuye el cociente ATP/ADP. Proponga un mecanismo compensador.
La disminución del cociente ATP/ADP equivale a una falta de energía, situación que en la célula provocaría una activación de los procesos metabólicos generadores de energía: glucólisis, ciclo de Krebs, cadena respiratoria, β-oxidación, etc.
18.- ¿Cómo actúan a nivel bioquímico ciertos venenos, como el cianuro o el arsénico?
Cualquier proceso que bloquee la producción de ATP puede provocar la muerte del organismo. El cianuro es un veneno que bloquea la cadena respiratoria, quedando interrumpida la fosforilación oxidativa. La acción tóxica del arsénico se debe a que sustituye al fósforo y hace que sean inutilizables las moléculas fosfóricas (que son necesarias para integrar el ATP y otros nucleótidos).
19.- ¿Hay almacenamiento de ATP en las células?
El ATP se produce continuamente como consecuencia de la actividad metabólica celular, pero el ATP no se puede almacenar en su estado natural.
Cuando hay requerimiento energético, en las células animales, el glucógeno es hidrolizado en glucosa y cada molécula de ésta puede generar 38 de ATP (el equivalente vegetal del glucógeno es el almidón). También puede movilizarse la reserva de grasa y, mediante el proceso de la beta oxidación de ácidos grasos, obtener ATP de uso inmediato.
En resumen: la energía puede ser almacenada sobre todo en las moléculas integrantes de polisacáridos (glucógeno, almidón) y triglicéridos (grasa), pero no en forma de ATP.
20.- Redacte un breve comentario sobre el ciclo del ATP en las células e ilustre con un esquema. Escriba una conclusión.
En el transcurso de las oxidaciones metabólicas se libera energía, que se emplea para fosforilar el ADP y obtener ATP.
La hidrólisis del ATP libera energía útil para la realización de importantes procesos metabólicos.
El ciclo del ATP fue propuesto por Lipmann en 1941, resaltando que el ATP es el transportador primario y universal de la energía química en las células.
Esquema:
Conclusión: el ATP actúa como transportador energético en aquellos procesos celulares que requieren una aportación de energía.