ATP, ATPasas, quinasas y tu energía

ATP
Tomado de Wikipedia

El ATP es un intermediario energético universal en el metabolismo de todos los seres vivos. De todos. Sin excepción. Es la molécula elegida por la vida para captar energía de algunas reacciones; y también para cederla en otras. Pero no solo en eso. El ATP se emplea durante la actuación de proteínas contráctiles. En el movimiento, vaya… Y en el mantenimiento de gradientes, pasando solutos de un lado a otro de los compartimentos, en contra de la concentración.

Una persona sedentaria, adulta, no gasta mucha energía al día. Unas 2.000 Kcal. Lo cual significa… ¡Unos 80 Kg de ATP! Diarios… Y solo tenemos unos 250 gr de esa sustancia en nuestro cuerpo… ¿Cuál es el secreto? Reciclarlo. Formarlo, guardando energía en él. E hidrolizarlo, obteniendo energía de él. Y cada molécula se recicla unas 300 veces al día. Por tanto, el ATP no es un almacén. No lo es. Almacenes de energía son lípidos y glúcidos. Y en momentos de emergencia, incluso proteínas. Pero no el ATP. El ATP y las moléculas relacionadas con él (NAD, FAD, NADP, GTP…) son intermediarios metabólicos. Son las moléculas que conectan unas reacciones con otras. Se forman en unas, se gastan en otras. Y vuelta a empezar. Por eso las plantas tienen que tomar el sol un día tras otro, por eso tú y yo tenemos que comer todos los días. Para recargar el ATP.

La hidrólisis del ATP libera unas 7 u 11 Kcal mol-1. Dependiendo de que se hidrolicen uno (ADP + Pi, que es el símbolo del ortofosfato) o sus dos enlaces (AMP + PPi, que es el símbolo del pirofosfato). Que por cierto… Se llaman fosfoanhidros. Los enlaces, digo. Yo creo que habría que saber los nombres de las cosas de las que depende nuestra vida…

ATP-ADP
Tomado de Respiration has two meanings

¿Por qué tiene el tercer enlace fosfoanhidro del ATP más energía que los otros dos, los que forman ADP y AMP? Hay tres razones. La primera. Resulta que el ortofosfato y el ADP son estructuras moleculares que están estabilizadas por enlaces resonantes. Pero cuando se reúnen, cuando se ligan, parte de esa resonancia se pierde y el resultado es más inestable de lo esperado. La segunda. La repulsión electrostática. Y es que la densidad de carga negativa del ADP ya es alta, y cuando se le añade un Pi aumenta aún más. Y la tercera. El ADP está más estabilizado por su unión a las moléculas de agua del medio de lo que lo está el ATP. Añadir el Pi cuesta trabajo por la inestabilidad que introduce en las moléculas de agua que rodearían al ATP resultante. Cada una de esas tres fuerzas contribuye en cierta medida para que ese último enlace fosfoanhidro del ATP sea más energético que los anteriores.

Y si la hidrólisis libera esas cantidades, su formación capta otro tanto… Por tanto, la formación y ruptura de ATP se puede acoplar a reacciones catabólicas y anabólicas respectivamente. Pero son reacciones que, como comprenderás, no se dejan al azar, no. Están catalizadas, claro está. Por unas enzimas llamadas quinasas. Que pueden funcionar en ambos sentidos, son reversibles.

Quinasa
Tomado de Cure Talk

Podríamos considerar a las quinasas como uno de los grandes inventos de la vida. Capaces de acoplar reacciones energéticamente desfavorables a la muy favorable ATP -> ADP + Pi. Y así hacer posibles las primeras. O capaces de acoplar reacciones energéticamente favorables a la muy desfavorable ADP + Pi -> ATP. Y así hacer aprovechable la primera. ¡Son las quinasas de tu cuerpo y tú sin saber de ellas!

Aparte de eso, el ATP se puede fabricar también al convertir, unas proteínas de membrana llamadas ATPasas, la energía almacenada en gradientes de concentración y/o eléctricos. ¿Suena raro? Ya, lo entiendo… Pero es que es así. El ATP se logra, no solo rompiendo enlaces, sino pasando sustancias de un lado a otro y acumulándolas. Y, luego, permitiéndoles entrar de nuevo. Pero aprovechando su paso a través de la membrana para que esa energía, la de pasar de un lado a otro, se convierta en ATP. ¿Sigue sonando raro? Ya, lo entiendo… Es que no estamos acostumbrados a ver que una diferencia de concentración entre dos compartimentos represente una energía. Pero lo es, lo es. Porque es un desequilibrio. Y todo desequilibrio, toda diferencia de potencial, representa una energía. Que se puede aprovechar. Que la vida ha aprendido a aprovechar gracias a las ATPasas.

ATPasas y quinasas… Para que hagas cosas con la energía que te prestan. Cosas buenas, por favor… :)

Ciclo del ATP
Tomado de Plant Biochemistry

¿Que qué es quimiósmosis? Quimiósmosis eres tú…

Fotosíntesis y respiración hacen lo contrario desde el punto de vista metabólico. La una introduce energía en moléculas inorgánicas (oxidadas) para convertirlas en orgánicas reducidas. La otra hace exactamente lo opuesto.

Pero…

Pero ambas usan la misma herramienta. La quimiósmosis. Es decir, bombear moléculas (protones) a un compartimento desde otro compartimento. Ambos separados entre sí. Y luego aprovechar que las diferencias de carga y concentración hacen que esos protones quieran volver al compartimento del que salieron. Para ponerles una puerta de entrada (ATPasa) que convierte ese paso en energía mecánica (la ATPasa gira sobre sí misma al pasar los H+ a su través). Y la energía mecánica en energía química (la rotación de la ATPasa provoca que el ADP se una a un Pi para formar ATP).

En otras palabras. Un potencial de membrana se convierte en energía química.

Ya está. Ese es el secreto de la vida. Ni más ni menos.

Otra cosa es cómo convencemos a los protones para que pasen del compartimento inicial al quimiosmótico. Cómo lograr acumular esa fuerza protonmotriz que es la suma de las energías producidas por las diferencias de concentración y de carga entre ambos compartimentos. Eso se obtiene mediante intermediarios energéticos. Moléculas que portan electrones que han recibido de otras moléculas anteriormente, y que pueden pasar a otras moléculas posteriormente. Una cadena de transporte electrónico, vaya. Hecha de moléculas que pueden existir en dos formas, la oxidada y la reducida. Y por eso pueden tanto aceptar electrones como cederlos. Más adelante te hablaré de ella con detalle…

Falta ponerle nombre a los espacios quimiosmóticos. En la mitocondria es el espacio intermembranal. En el cloroplasto es el tilacoide. Ambos son compartimentos sellados. Tienen que serlo. De ellos no pueden escapar los protones bombeados salvo por la ATPasa. En esos lugares reside la capacidad de la vida de mantenerse en desequilibrio. O sea, de ser vida.

Espacio intermembranal
Tomado de Wikipedia
Tilacoide
Tomado de Milagros Medina

¿Que si es importante el espacio intermembranal de la mitocondria? Pues un humano típico tiene como unos 14.000 m2… Busca tú a qué equivale eso…

Y en esos lugares reside, también, la muerte y el envejecimiento. Porque cuando los compartimentos dejan de estar sellados, y los protones escapan de ellos sin hacer su función, pasar por la ATPasa, no solo creo menos energía. También produzco H2O2, un potente oxidante. Que me mata. Poco a poco. Vivir y envejecer residen en el mismo lugar. En los mismos 14.000 m2.

Envejecimiento mitocondrial
Tomado de Ciencia y Salud

Metabolismo (algo) abstracto

¿Que qué es el metabolismo? Todas las reacciones químicas que tienen lugar en el interior de una célula, sí; pero solo las catalizadas (es decir, buscadas, elegidas). Hay más reacciones químicas, claro que sí. Algunas espontáneas, otras inducidas por la existencia de algún factor en el medio. Pero no forman parte del metabolismo si no están catalizadas. Y conectadas entre sí, organizadas en un entramado de moléculas que son productos de una reacción y reactivos de la siguiente.

Rutas metabólicas
Tomado de KEGG Pathway

El metabolismo busca dos objetivos: exprimir la energía almacenada en moléculas, en sus enlaces y en sus electrones disponibles, para reducir a otras moléculas; y construir moléculas nuevas, propias, a partir de las que se tomen del medio. Parecen objetivos contrapuestos. Arruinar una estructura química y edificar otra. No son contrapuestos, no. Son complementarios. Y me dan lo que necesito cuando lo necesito. Energía y materia. Convirtiendo la una en la otra.

En una bacteria típica pueden estar sucediendo unas 1.000 reacciones químicas habituales. Ese es su metabolismo. Y todas ellas suceden en el mismo compartimento. Pequeño, concentrado. Las 1.000 reacciones tienen que ser compatibles entre sí, porque las condiciones químicas y físicas son las mismas para todas ellas. Esa es la dificultad de las procariotas.

Célula eucariota Célula procariota
Tomado de Cell Biology Tomado de Cell Biology

En una célula eucariota suceden muchas más reacciones químicas. Tiene una variedad más amplia en su metabolismo. Lógico. Tiene compartimentos y puede aislar unas reacciones de otras, cambiando las condiciones de un lugar dentro de ella a otro lugar dentro de ella si están separados por membranas. Y, además, tiene mucho mayor volumen.

Pero toda esa diversidad de reacciones tiene denominadores comunes. Aunque haya muchas, no hay muchos tipos. Aunque haya muchas, no hay muchos objetivos. Aunque haya muchas, no hay muchas estrategias.

Podríamos considerar estos puntos como los comunes:

  1. Todos los procesos, de degradación o de síntesis, se dan paso a paso, evitando liberar o introducir la energía de golpe.
  2. Las reacciones se acoplan a la síntesis o hidrólisis del ATP (habitualmente), que actúa como intermediario de energía. Aportándola para las reacciones que la precise, tomándola de las reacciones que la liberen. Por tanto, muchas de las reacciones del metabolismo se acoplan a ATP <-> ADP + Pi
  3. En las rutas metabólicas todo producto (salvo los residuos) es reactivo de otra reacción.
  4. Toda ruta metabólica comparte alguno de sus componentes con otra, por lo que todas están interrelacionadas.
  5. Hay una alta regulación de las rutas metabólicas, lo cual justifica el decir que la biología se basa en una química elegida.
  6. Cualquier reacción metabólica, cualquiera, es termodinámicamente favorable. Puede que alguna  no lo sea pero, entonces, se tiene que acoplar con otra que sí lo sea, y que lo sea de sobra. Y así el conjunto de ambas sí que cumple la condición. Que es ineludible.

La obtención de energía es un objetivo ineludible para todo ser vivo, dado que es un sistema que se mantiene lejos del equilibrio. A él dedica toda una serie de reacciones químicas encadenadas (rutas metabólicas). Que, agrupadas, reciben el nombre de catabolismo. Para lograr ese objetivo de conseguir energía, cualquier ser vivo sigue alguna de estas dos grandes estrategias (ocasionalmente, en algunos casos, ambas): la litótrofa (foto o quimio) y la organótrofa (foto o quimio). En la primera, se introduce energía en moléculas inorgánicas que se capten del medio; dicha introducción puede ser mediante energía luminosa o energía química contenida en moléculas del medio. En la segunda la energía procede de moléculas ya orgánicas, ya creadas por otro ser vivo, que se captan.

Y estos como los objetivos de la obtención de energía:

  1. Ejecución de movimientos gracias a la existencia de proteínas contráctiles.
  2. Intercambio de iones a través de las membranas y mantenimiento de gradientes
  3. Síntesis de biomoléculas a partir de sus precursores y de polímeros a partir de sus monómeros.

Al tercero de esos objetivo se le llama anabolismo. Que es otro conjunto de reacciones químicas, pero destinadas a construir biomoléculas a partir de la energía antes extraída. Aunque la separación entre catabolismo y anabolismo no es exhaustiva. Muchas rutas son reversibles en todo o en parte. Y funcionan tanto oxidando, y ordeñando la energía, como reduciendo, e incorporándola. A esas rutas que funcionan en ambas direcciones se las llama anfibólicas.

¿Te parece complejo, abstracto, complicado? Eso es porque no puede ser más sencillo. Mejor dicho. Porque tú no puedes ser más sencillo. Sin dejar de ser tú, sin dejar de vivir. Y es que todas esas reacciones están pasando ahora mismo en tu cuerpo. Y vienen pasando desde que naciste. No, no… Desde antes. Desde que fuiste una célula, un cigoto. Y seguirán pasando. Hasta que mueras. Incluso algunas reacciones químicas de algunas células se mantendrán un tiempo después de que tú mueras. Y, si dejas descendencia, si tienes hijos e hijas, tus óvulos o tus espermatozoides les habrán legado todo ese entramado de reacciones químicas.