(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(El metabolismo)(Introducción)(Generalidades del metabolismo)(Los metabolismos y las reacciones químicas)(Portadores de energía)(Algunos catabolismos)(Algunos anabolismos)(El metabolismo secundario)(La diabetes)(Referencias bibliográficas)(Versión documento word)
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.
El
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
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:
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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