LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGIA

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. Para las enzimas implicadas en la transducción de energía, la energía utilizada para realizar trabajo está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. 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

Lipmann propuso lo siguiente:

-La energía que se deriva de hidrólisis de un compuesto de fosfato depende exclusivamente de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula. El enlace de N-P del fosfato de creatina, el fosfato del enol del fosfoenolpiruvato, las uniones fosfoanhídrido del ATP y de PPi, y el enlace del acilfosfato del aspartil fosfato eran enlaces de fosfato ricos en energía típicos.

-Los enlaces de fosfato ricos en energía, son los que presentan una Keq elevada para la hidrólisis en agua e inversamente, los enlaces de fosfato pobres en energía tendrían una constante de equilibrio baja para la hidrólisis. En este sentido, los fosfoésteres tales como la glucosa-6-fosfato y el glicerol fosfato son compuestos de fosfato típicos de baja energía.

-Se pensaba que la transferencia de un grupo fosfato desde una molécula hacia otra, dependía solamente de la energía de hidrólisis de los enlaces químicos. Así, el fosfato gama del ATP se puede transferir a una molécula de glucosa formando glucosa-6-fosfato, pero en condiciones fisiológicas, la reacción reversa no sería posible a menos que energía adicional fuera proporcionada al sistema. Entonces la única manera de regenerar cualquier molécula de ATP hidrolizado en la célula sería invertir compuestos de fosfato de energía igual mayor que el propio ATP, tal como por ejemplo la creatina.

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:

La enzima une al ATP

El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento  exacto de la ruptura del enlace de fosfato.

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;

La enzima ahora uniría al ADP y al Pi

Una salida de energía en el sitio catalítico sería necesaria dirigir la síntesis del ATP

Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el citosol sin la necesidad de energía extra.

Así se pensaba que la elevada constante de equilibrio (Keq) para la hidrólisis del PPi  (PPi) y del ATP, estaba determinada por las cargas negativas y la resonancia de oposición del enlace P-O-P.

La carga negativa de cualquier lado del enlace se rechazaría, creando tensión dentro de la molécula y la resonancia de oposición generaría puntos de debilidad a lo largo del esqueleto.

Consecuentemente, sería fácil romper la molécula y difícil mantener unidos a los productos de la reacción hidrolítica. La combinación de estos dos factores sería responsable de la elevada Keq para la hidrólisis de los enlaces del fosfoanhídrido del ATP o de PPi.

Nuevos conceptos- aproximación teórica

En 1970 y George colaboradores [6], concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. Por lo tanto se esperaría que las moléculas de agua se organicen alrededor del compuesto de fosfato y que ambos protejan las cargas de la molécula, neutralizando así la repulsión electrostática, y además, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando de esta forma los puntos débiles generados a lo largo de la esqueleto de la molécula por medio de resonancias opuestas.

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.

Cuantificaciones experimentales

La estrategia adoptada fue medir la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. De acuerdo con la propuesta de la teoría de solvatación, encontramos que un cambio discreto de la actividad de agua es suficiente para promover un cambio drástico en la energía de hidrólisis del PPi. En medio totalmente acuoso, el PPi se comporta como compuesto de alta energía cuando se compara con la glucosa 6-fosfato, pero en un ambiente hidrofóbico (Wa = 0.5) la glucosa-6-fosfato se convierte en un compuesto de fosfato con una energía de hidrólisis más alta que el PPi.

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.

Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las enzimas

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.

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.

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.

En el proceso inverso, los compuestos de fosfato tales como ATP, PPi y el residuo de  acilfosfato se sintetizan en el ambiente hidrofóbico del sitio catalítico de la enzima sin necesidad de energía, es decir, la energía se necesita entonces para la conversión del compuesto de fosfato de ““baja energía”” en un compuesto de "alta energía". Esta conversión estaría acompañada por una transición hidrofóbica (Wa bajo) - hidrofílica (Wa alto) en el sitio catalítico de la enzima. 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 ocurren 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.

Se encontró recientemente que algunas enzimas pueden manejar la energía derivada de hidrólisis del ATP de tal manera que determinan cuánta energía se utiliza para el trabajo y cuánta se disipa como calor. En este sentido, la cantidad total de energía liberada durante la hidrólisis del ATP es siempre igual, pero la fracción de la energía total que se convierte en trabajo o calor se modula por la enzima. Esto fue demostrado originalmente para la Ca2+-ATPasa del retículo sarcoplásmico y más adelante para la hexoquinasa y pirofosfatasas de plantas.

Para la Ca2+-ATPasa se encontró que la cantidad de calor liberada durante la hidrólisis del ATP varía dependiendo de si el residuo de acilfosfato formado a partir del ATP es hidrolizado antes o después de su transformación de "alto" a "bajo" contenido de energía.


Bibliografía
Meis and Gutemberg G. Alves. LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA. Mensaje Bioquímico, Vol XXVIII. Depto Bioquímica, Fac Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd Universitaria, México, DF, MÉXICO. (2004).