miércoles, 30 de junio de 2021

Portadores de energía

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En este capítulo echaremos un vistazo más próximo a los portadores de la energía, sustancias necesarias para acoplar las reacciones espontáneas con las no espontáneas mediante la transferencia energética. Los portadores de energía vincularan pues las reacciones que producen energía libre de Gibbs con aquellas que consumen energía libre de Gibbs. Los portadores de energía se caracterizan por almacenar la energía libre en sus enlaces químicos de alta energía mediante la adquisición de grupos fosfato o de protones con sus correspondientes electrones. De cierta manera podemos entender el funcionamiento de los portadores de energía en términos de las reacciones ácido base.

ATP

El  o trifosfato de adenosina es el principal portador de energía de los seres vivos, y se forma en base al nucleósido adenosina y a tres grupos fosfato. 


Figura 7. Ácido pirofosfórico H3P2O7.


Figura 8. Ácido trifosfórico

Para entender el funcionamiento del ATPes conveniente conocer algo de la química de los ácidos del fosforo. Por lo general conocemos al ácido ortofosfórico que se disocia liberando tres protones.  Esto genera un grupo fosfato libre de tres cargas negativas, sin embargo los iones fosfato pueden unirse nuevamente para formar el ácido pirofosforico. En el enlace pirofosfórico el oxígeno que sirve de puente entre los dos fosfatos almacena mucha energía, por lo que se lo conoce como enlace pirofosfórico o simplemente pirofosfato.

En el ATP hay tres grupos fosfato unidos por dos enlaces pirofosfato, lo que implica dos uniones de alta energía. El ATP es un nucleósido constituido por una base nitrogenada que da el nombre “en este caso adenina” y un azucar hemiacetal, es decir en forma de anillo de cinco carbonos llamado ribosa. Las tres cosas unidas tienen una estructura semejante a lo que se observa en la Figura 10.


Figura 9. Representaciones estructurales de la disociación del ácido fosfórico: .

Figura 10. Modelo simplificado de la fórmula estructural del ATP.

En términos químicos la adenosina de trifosfato es una sal orgánica y un ácido al mismo tiempo, ya que puede liberar los protones para las posiciones negativas de los fosfatos. En medio acuoso el ATP puede perder dos de sus pirofosfatos para convertirse en una molécula cíclica conocida como monfosfato de adenosina. Lo anterior nos lleva a una caracteristica de los portadores de energía, y es que pueden presentarse en estados de alta y de baja energía, y pára el ATP se nos presenta un estado de energía intermedio llamado ADP. El estado de alta energía es el ATP con los tres pirofosfatos, el de media energia seria el difosfato de adenosina con solo dos pirofosfatos  y el estado de baja energía es el monofoscato cíclico de adenosina o AMPc con un solo pirofosfato.  El ATP es el mas común de los portadores de energía celular, a tal punto que se lo conoce como la moneda energética de la célula, aunque no es el único.

GTP

 es una molécula análoga al ATP y funciona de la misma manera, almacenando energía en grupos pirofosfato, con tres versiones, la de alta energía es el trifosfato de guanosina GTP, la de media energía conocida como difosfato de guanosina GDP y la de baja energía el monofosfato cíclico de guanosina o GMPc. Lo único que cambia realmente es la base nitrogenada que ya no es adenina sino guanina.

Figura 11. Modelo simplificado de la fórmula estructural del GTP.

La GTP es una coenzima de transferencia de energía clave en procesos como:

1-    Ciclo de Krebs un metabolismo clave para oxidar completamente los azúcares y las grasas.

2-    Traducción genética para fabricar las proteínas propias del cuerpo

3-    Durante la polimerización de los microtúbulos para que las células se puedan dividir adecuadamente

4-    Sistema olfativo permitiendo la transmisión del impulso nervioso y por ende, el sentir el olor de las cosas.

La nicotinamida adenina dinucleótido es una coenzima que se obtiene en base al ATP el cual pierde un pirofosfato y es reemplazado por otra ribosa que posee una basa nitrogenada llamada nicotinamida.

Figura 12. El NAD “arriba” y el NADH:  “abajo”. La forma reducida tiene el hidrógeno extra implícito en el anillo, mientras que también se genera un ion  que no está unido al anillo.

En la nicotinamida es donde se da el cambio estructural para captar dos hidrógenos. Un hidrógeno se une covalentemente a uno de los carbonos del anillo por viraje del enlace deslocalizado aromático, mientras que el segundo protón se une de forma coordinada al nitrógeno del anillo, y debido a que es un enlace coordinado en algunos textos el NADH2 se expresa en la forma NADH:H+ para expresar que el segundo protón no hace parte real del anillo de nicotinamida.

El NADH:H+ es la primera de las coenzimas que se clasifican como poder reductor, en el sentido de que transportan protones, recordemos que en la química orgánica la reducción también puede verse como la captura de protones, lo cual va acompañado con la captura de sus correspondientes electrones. Químicamente las moléculas de poder reductor tambien se pueden visaluzar como ácidos de Brostened-Lowry débiles que existen en su forma ácida y de base conjugada. La forma ácida que porta los protones es la forma de alta energía y la base conjugada o NAD+ en este caso es la forma de baja energía.

Dado lo anterior cada vez que en una reacción metabólica se presenta un paso de NAD+ a NADH:H+ o su opuesto, nos encontramos ante un paso de flujo energético que por lo menos para un curso introductorio de metabolismo es lo que realmente nos importa.

La nicotinamida adenina dinucleótido fosfato análogo a la NADH:H, ya que también es un ácido orgánico que posee dos estados energéticos, la forma de alta energía que contiene dos protones y dos electrones, y la forma de baja energía o desprotonada. El funcionamiento es exactamente igual al del NAD, pues es el anillo de nicotinamida el que se encarga de unirse covalentemente aun protón y demanera coordinada al segundo protón.

Figura 13. El NADP+ es un isómero del NAD, incluso su región activa funciona de manera semejante.

La flavina adenina dinucleótido es una coenzima homóloga al NAD ya que captura dos protones con sus correspondientes electrones, al igual que en los casos anteriores se obtiene en base al ATP. Sus capacidades como ácido diprótico débil son causadas por el anillo de flavina que si se une covalentemente a dos protones gracias a dos nitrógenos de anillos diferentes.


Figura 14. El FAD al reducirse si porta realmente dos protones por lo que la notación FADH2 si es correcta.

Existen muchísimas otras coenzimas que transfieren muchísimos otros grupos diferentes, pero por lo menos hay que tener en mente a estos básicos ya que son universales. Y debido a su universalidad y complejidad en los esquemas de reacciones metabólicas casi nunca se los presenta en su fórmula estructural. Las moléculas de cofactores portadoras de energía se expresan con su acronimia en términos de reacciones de flujo de energía como viene a continuación. Las coenzimas que transfieren grupos pirofosfato almacenan su energía en los enlaces entre los pirofosfato, por lo que al perder estos grupos de fosforo pierden energía.

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Las coenzimas que transfieren protones sirviendo como áciodos débiles de Brostened almacenan su energía en los electrones que forman los enlaces con los protónes (iones positivos del hidrógeno).

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Si tenemos portadores de energía, ahora la pregunta es de donde proviene la energía y hasta los protones (H+) que emplean los seres vivos.

En la fosforilación oxidativa los electrones de alta energía son removidos de las moléculas orgánicas en los enlaces de alta energía entre carbonos, luego esos electrones son transferidos para sintetizar ATP por una reacción de transferencia de grupo pirofosfato mediado por enzimas específicas. El proceso puede realizarse en la glucólisis lo cual ocurre en el citoplasma, o en las membranas celulares a través de la cadena de transporte de electrones que es mucho más eficiente.

Los minerales pueden almacenar electrones de alta energía, que los seres vivos pueden transferir a portadores como NAD, NADP o FAD gracias a ácidos y enzimas adecuados. Los protones que acompañan a los electrones extraídos de la roca provienen de la disociación del agua, por lo que una colonia de células puede sobrevivir drenando la energía de la roca, literalmente convirtiendo la materia inerte en vida.

No todos los minerales pueden dar el tipo de electrones que necesitan los seres vivos, el agua por ejemplo es una molécula absolutamente inadecuada, ya que los enlaces de hidrógeno a oxígeno son de muy baja energía. Por tal razón se necesita una introducción de energía interna para cargar a los electrones, o excitarlos como se denomina técnicamente. Cuando los electrones de los enlaces del agua se excitan, el agua se rompe produciendo protones disueltos en agua y oxígeno molecular como material de desecho, proceso que se denomina como fotosíntesis, ya que la energía de excitación proviene del Sol.

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