Lectura 3

LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA

LEOPOLDO DE MEIS Y GUTEMBERG G. ALVES

INTRODUCCIÓN

Los organismos han encontrado maneras para aprovechar la energía del ambiente. El ATP (trifosfato de adenosina) es el portador de energía más importante de la célula. Las enzimas ATPasas pueden convertir la energía derivada de la hidrólisis del ATP en trabajo (contracción muscular, movimiento) o en producción de luz como las luciérnagas, y una parte de la energía se disipa en forma de calor.
Se discutirán los procesos de transducción de energía, el concepto de compuestos de fosfato de alta y baja energía, y cómo intervienen las enzimas para producir energía. Esto es importante para comprender la termogénesis y algunas enfermedades relacionadas.

EL CONCEPTO INICIAL

La historia del ATP se remonta a los años 20 cuando Fiske y Subbarow buscaban un método de cuantificación del fosfato inorgánico en tejidos animales.
En 1941 Lipmann propuso lo siguiente:
I. La energía derivada de la hidrólisis de un compuesto de fosfato depende de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula.
II. Los enlaces de fosfato ricos en energía, presentan Keq elevada para la hidrólisis del agua y viceversa.
III. El fosfato gama del ATP se puede transferir. Entonces la única manera de regenerar cualquier molécula de ATP hidrolizado sería invertir compuestos de fosfato de energía igual mayor que el ATP.

En base a las formulaciones anteriores, se pensaba que la secuencia de la transducción de energía en enzimas seguía los siguiente pasos:
I. La enzima une al ATP
II. El ATP es hidrolizado y la energía se liber en el momento de la ruptura del enlace fosfato.
III. La energía es absorbida por la enzima y utilizada para trabajo. Para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi, los eventos tendrían orden inverso.
IV. La enzima uniría al ADP y al Pi.
V. Una salida de energía en el sitio catalítico dirigir la síntesis de ATP.
VI. Formado el ATP se disocia la enzima y se difunde en el citosol.
Estos conceptos permanecieron desde 1941 a 1970 y se pensaba que la "alta energía" del enlace fosfato dependía de efectos intramoleculares como resonancia de oposición, repulsiones electrostáticas y distribución del electrón en el esqueleto de la molécula.

Por esto se pensaba que la elevada constante de equilibrio Keq estaba determinada por las cargas negativas y la resonancia. La carga negatica de cualquier lado del enlace se rechazaría creando tensión dentro de la molécula y la resonancia de oposición generaría puntos de debilidad, por lo tanto sería fácil de romper la molécula. Esto sería responsable de la elevada Keq para la hidrólisis.

NUEVOS CONCEPTOS

En 1970 se concluyó que en los sistemas biológicos los compuetos de fosfato están en solucióne interaccionan con el agua protegiendo las cargas y formando puentes que refuerzan los puntos débiles de la molécula. También propusieron que la Keq para la hidrólisis se debe determinar por las diferencias en energías de solvatación de los reactivos y productos. 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.
Cuando los productos están más solvatados que los reactivos la Keq es alta.
Un cambio pequeño en la organización del solvente alrededor de las moléculas de los reactivos y los productos sería suficiente para explicar la energía de hidrólisis del PPi.

En 1978 la teoría de la solvatación fue revisada y verificada.
La energía libre positiva de hidrólisis indica que cuando los reactivos y los productos no están solvatados, el acetilfosfato y la fosfocreatina son más estables que los productos de su hidrólisis.

CUANTIFICACIONES EXPERIMENTALES

El descubrimiento de que una misma especie química pudiera tener diferentes energías de hidrólisis dependiendo si está en solución o en la superficie de la enzima, fue la motivación de la teoría de solvatación; aunque se quiso comprobar experimentalmente.
La estrategia fue medir Keq en medios acuosos a diferentes concentraciones de solventes orgánicos. Se encontró un cambio en la actividad del agua suficiente para promover un cambio drástico en la energía de hidrólisis. En medios acuosos el cambio de la energía libre de hidrólisis fue -5 kcal/mol, pero se elevó a +1 kcal/mol cuando la actividad del agua disminuyó a 0.5. Un año después se descubrió la posibilidad de la síntesis espontánea de ATP en cloroformo hidratado lo cual tuvo una enorme importancia fisiológica.

PPi DE ALTA Y BAJA ENERGÍA

Los cromatóforos de las bacterias fotosintéticas tienen una enzima (pirofosfatasa inorgánica membranal) que sintetiza PPi cuando un gradiente electroquímico de protones se forma a través de la membrana, en la oscuridad el PPi sintetizado es metabolizado previamente por esta enzima.
El ciclo de transducción de energía medido con cromatóforos: la enzima puede sintetizar PPi en la oscuridad cuando la actividad del agua es reducida por la adición de solventes orgánicos. El PPi no es un compuesto de alta energía y se sintetiza espontáneamente. Entonces si diluyen el medio con agua, para disminuir la concentración del solvente orgánico, el PPi sintetizado es previamente metabolizado por la enzima porque ahora el PPi es un compuesto de alta energía con una Keq alta. Los experimentos muestran que:

a) La disminución dw Wa activa un mecanismo del cual se deriva energía del gradiente electroquímico generado por la luz es utilizado para la síntesis de PPi en cromatóforos.

b) Para la síntesis de PPi, la energía es necesaria para modificar el ambiente de un punto bajo de actividad de agua a uno elevado, se convierte en un compuesto de fosfato de alta energía.

CONVERSIÓN DE ENLACES FOSFATO DE ALTA ENERGÍA EN BAJA ENERGÍA EN EL SITIO CATALÍTICO DE LAS ENZIMAS.

Los estudios del ciclo catalítico de las enzimas implicada en procesos de transducciín de energía, muestran que la energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo si están en solución o unidos a la enzima. Para las ATPasas, la energía es necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato. Durante el ciclo catalítico la Keq disminuye para la hidrólisis del transporte a través de la membrana se acopla con esta transición de la Keq. La hidrólisis parece ser necesaria para permitir la disociación de los productos de la hidrólisis.

Según los nuevos resultados, la secuencia para la transducción de energía en ATPasas de transporte:

a) La enzima une al ATP.
b) La enzima realiza trabajo sin que el compuesto de fosfato sea hidrolizado. Hay una disminución de energía.
c) El compuesto de fosfato se rompe y los productos de hidrólisis se disocian en un proceso que implica un cambio pequeño de energía.

En el proceso inverso, el ATP, PPi, se sintetizan en ambiente hidrofóbico.

La propuesta de que la conversión del compuesto de fosfato de alta energía en el de baja por un cambio de Wa en el sitio catalítico. Se ha demostrado que las enzimas utilizan energía de un gradiente químico, pueden promover esta síntesis incluso en ausencia del gradiente.

TRANSDUCCIÓN ENERGÉTICA Y PRODUCCIÓN DE CALOR EN LAS ATPasas DE TRANSPORTE

En reacciones que implican la transducción de energía, sólo una parte de la energía se convierte en trabajo. La otra parte se convierte en calor, y en eanimales endotérmicos, al calor liberado se utiliza para mantener su temperatura.

El interés en la termogénesis ha aumentado debido a sus implicaciones para la salud y enfermedad. Las alteraciones de la termogénesis como el peso corporal, disfunción endócrina, hipertiroidismo hay una disminución de peso corporal y un aumento del metabolismo en la producción de calor, la hormona tiroidea está implicada en la regulación térmica.

La cantidad total de energía liberada durante la hidrólisis del ATP es siempre igual, pero la fracción que se convierte en trabajo o calor, se modula por la enzima.

La regulación de la producción del calor depende por lo tanto del cociente entre los residuos del acilfosfato de alta y baja energía rotos durante la catálisis.

En el hipertiroidismo el índice de la producción de calor aumenta, las isoformas de SERCA (ATPasas sarco/endoplásmicas) que producen más calor. La actividad desacoplada puede ser una de las fuentes de calor que contribuyen a la termogénesis en el hipertiroidismo.