Trifosfato de adenosina

Trifosfato de adenosina
Nombre IUPAC 5- (6-aminopurin-9-il) -3,4-Dihidroxi-oxolan-2-il metoxi-hidroxi-fosforil oxi-hidroxi-fosforil ácido oxyphosphonic
Identificadores
CAS	56-65-5
Propiedades
Fórmula molecular	C 10 H 16 N 5 O 13 P 3
Masa molar	507.181 g / mol
Acidez (p K a)	6.5
Excepto cuando se indique lo contrario, los datos se den materiales en su condiciones normales (25 ° C, 100 kPa)
Exenciones y referencias

La adenosina 5'-trifosfato (ATP) es un multifuncional nucleótidos que es más importante como " molecular moneda "intracelular de energía de transferencia. En este papel, el ATP transporta energía química dentro de las células para metabolismo. Se produce como una fuente de energía durante los procesos de la fotosíntesis y la respiración celular y consumido por muchos enzimas y una multitud de procesos celulares incluyendo reacciones biosintéticas, motilidad y división celular. En las vías de transducción de señal, el ATP se utiliza como sustrato por quinasas que fosforilar proteínas y lípidos , así como por adenilato ciclasa, que utiliza ATP para producir el segunda molécula mensajera AMP cíclico.

La estructura de esta molécula consiste en una base de purina ( adenina) unido al átomo de carbono 1 'de una azúcar pentosa ( ribosa). Tres grupos fosfato están unidos al átomo de carbono 5 'del azúcar pentosa. ATP también se incorpora en ácidos nucleicos por polimerasas en los procesos de Replicación del ADN y la transcripción. Cuando se utiliza ATP en la síntesis de ADN, el azúcar ribosa se convierte primero desoxirribosa por ribonucleótido reductasa. ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann, y se propuso para ser la principal molécula de transferencia de energía en la célula por Fritz Albert Lipmann en 1941.

Propiedades físicas y químicas

ATP consiste en adenosina - compuesto a su vez de un anillo de adenina y una ribosa azúcar - y tres grupos fosfato (trifosfato). Los grupos fosforilo, comenzando con el grupo más cercano a la ribosa, se conocen como la alfa (α), beta (β) y gamma (γ) fosfatos. ATP es altamente soluble en agua y es bastante estable en soluciones de pH entre 6.8 a 7.4, pero es rápidamente hidrolizada a pH extremo. En consecuencia, el ATP se almacena mejor como una sal anhidra.

ATP es una molécula inestable y tiende a hidrolizarse en agua. Si ATP y ADP están en equilibrio químico , casi todo el ATP se convierte en ADP. Cualquier sistema que está lejos del equilibrio contiene energía potencial, y es capaz de hacer el trabajo . Las células biológicas mantener la relación de ATP a ADP en un punto diez órdenes de magnitud del equilibrio, con concentraciones de ATP mil veces mayor que la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio significa que la hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. ATP se conoce comúnmente como una "molécula de alta energía"; sin embargo, esto no es correcto, como una mezcla de ATP y ADP en equilibrio en el agua puede hacer ningún trabajo útil en absoluto. ATP no contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría igualmente bien como una forma de almacenamiento de energía, si la célula mantiene su concentración lejos del equilibrio.

La cantidad de energía liberada puede calcularse a partir de los cambios en la energía, en condiciones no naturales. La variación neta de energía térmica ( entalpía ) en temperatura y presión de la descomposición de ATP estándar en hidratado ADP y fosfato inorgánico hidratado es -20.5 kJ / mol, con un cambio en energía libre de 3,4 kJ / mol. La energía liberada por escisión o bien un fosfato (Pi) o pirofosfato (PPi) unidad de ATP, con todos los reactivos y productos en su estados estándar de concentración 1 M, se encuentran:

ATP + H ₂ O → ADP (hidratado) + Pi (hidratado) + H ⁺ (hidratado)? G = -30,54 kJ / mol (-7,3 kcal / mol)

ATP + H ₂ O → AMP (hidratado) + PPi (hidratado) + H ⁺ (hidratado)? G = -45,6 kJ / mol (-10,9 kcal / mol)

Estos valores se pueden utilizar para calcular el cambio en la energía en condiciones fisiológicas y la relación celular ATP / ADP. Los valores dados para la energía libre de Gibbs para esta reacción son dependientes de un número de factores, incluyendo la fuerza iónica global y la presencia de metales alcalinotérreos , tales como iones Mg ²⁺ y Ca ^2+. En condiciones típicas celulares,? G es de aproximadamente -57 kJ / mol (-14 kcal / mol).

Ionización en los sistemas biológicos

ATP tiene múltiples grupos ionizables con diferente constantes de disociación de ácido. En solución neutra, ATP se ioniza y existe principalmente como ATP ^4-, con una pequeña proporción de ATP ^3-. Como ATP tiene varios grupos cargados negativamente en solución neutra, puede metales quelatos con afinidad muy alta. La constante de unión para diversos iones metálicos son (dados como por mol) como Mg ²⁺ (9 554), Na ⁺ (13), Ca ²⁺ (3 722), K ⁺ (8), Sr ²⁺ (1 381) y Li ⁺ (25). Debido a la fuerza de estas interacciones, existe ATP en la célula principalmente en un complejo con Mg ^2+.

Biosíntesis

La ATP concentración dentro de la célula es típicamente 1 - 10 mM. ATP puede ser producido por reacciones redox utilizando simples y complejas azúcares ( carbohidratos ) o lípidos como fuente de energía. Para ATP que se sintetiza a partir de combustibles complejas, primero tienen que ser dividido en sus componentes básicos. Los hidratos de carbono son hidrolizado en azúcares simples, como la glucosa y fructosa. Las grasas ( triglicéridos) se metabolizan para dar ácidos grasos y glicerol.

El proceso global de oxidación de la glucosa para el dióxido de carbono se conoce como la respiración celular y puede producir hasta 36 moléculas de ATP a partir de una sola molécula de glucosa. ATP puede ser producido por una serie de procesos celulares distintas; las tres vías principales usados para generar energía en eucariotas son organismos la glucólisis y la ciclo del ácido cítrico / la fosforilación oxidativa, ambos componentes de respiración celular; y beta-oxidación. La mayor parte de esta producción de ATP por un no fotosintética eucariota aeróbico tiene lugar en la mitocondria , lo que puede hacer casi el 25% del volumen total de una célula típica.

La glucólisis

En la glucólisis, la glucosa y el glicerol se metabolizan a piruvato a través de la vía glucolítica. En la mayoría de los organismos de este proceso se produce en el citosol, pero en algunos protozoos tales como el kinetoplastids, esto se lleva a cabo en un especializado orgánulo llamado glicosoma. La glucólisis genera una cifra neta de dos moléculas de ATP a través de la fosforilación del sustrato catalizada por dos enzimas: PGK y piruvato quinasa. Dos moléculas de NADH también se producen, que puede oxidarse a través de la cadena de transporte de electrones y el resultado en la generación de ATP adicional por ATP sintasa. El piruvato generado como un producto final de la glucólisis es un sustrato para la Ciclo de Krebs.

Ciclo del ácido cítrico

En la mitocondria , el piruvato se oxida por el complejo piruvato deshidrogenasa a acetil CoA, que se oxida completamente a dióxido de carbono por el ciclo del ácido cítrico (también conocido como el ciclo de Krebs). Cada "giro" del ciclo del ácido cítrico produce dos moléculas de dióxido de carbono , una molécula del equivalente ATP trifosfato de guanosina (GTP) a través fosforilación a nivel de sustrato catalizada por succinil CoA sintetasa, tres moléculas de la reducida coenzima NADH, y una molécula de la coenzima reducida FADH _2. Ambos de estos últimos moléculas se reciclan a sus estados oxidada (NAD ⁺ y FAD, respectivamente) a través de la cadena de transporte de electrones, que genera ATP adicional por la fosforilación oxidativa. La oxidación de una molécula de NADH resulta en la síntesis de aproximadamente 3 moléculas de ATP, y la oxidación de uno FADH ₂ produce alrededor de 2 moléculas de ATP. La mayoría de ATP celular es generado por este proceso. Aunque el ciclo del ácido cítrico en sí no implica molecular de oxígeno , que es un obligately proceso aeróbico porque O ₂ es necesaria para reciclar el NADH y FADH ₂ reducido a sus estados oxidados. En ausencia de oxígeno que el ciclo del ácido cítrico dejará de funcionar debido a la falta de disposición NAD ⁺ y FAD.

La generación de ATP por la mitocondria de NADH citosólico se basa en la lanzadera del malato-aspartato (y en menor medida, la lanzadera de glicerol-fosfato), porque la membrana mitocondrial interna es impermeable al NADH y NAD ^+. En lugar de transferir el NADH generado, una malato deshidrogenasa conversos enzimáticos oxaloacetato a malato, que se transloca a la matriz mitocondrial. Otra reacción catalizada malato deshidrogenasa se produce en la dirección opuesta, la producción de oxaloacetato y NADH a partir de la malato recién transportado y almacenar el interior de la mitocondria de NAD ^+. La transaminasa convierte el oxaloacetato a aspartato para el transporte de regreso a través de la membrana hacia el espacio intermembrana.

En la fosforilación oxidativa, el paso de electrones de NADH y FADH ₂ a través de los poderes de la cadena de transporte de electrones el bombeo de protones fuera de la matriz mitocondrial y en el espacio intermembrana. Esto crea una la fuerza motriz de protones que es el efecto neto de una gradiente de pH y una gradiente de potencial eléctrico a través de la membrana mitocondrial interna. El flujo de protones hacia abajo este gradiente de potencial - es decir, desde el espacio intermembrana de la matriz - proporciona la fuerza motriz para la síntesis de ATP por ATP sintasa. Este enzima contiene una subunidad rotor que gira físicamente con respecto a las partes estáticas de la proteína durante la síntesis de ATP.

La mayor parte del ATP sintetizado en las mitocondrias se utilizará para los procesos celulares en el citosol; por lo que debe ser exportada desde su lugar de síntesis en la matriz mitocondrial. La membrana interna contiene una antiporter, la translocasa ADP / ATP, que es una proteína integral de membrana utilizado para intercambiar recién sintetizado ATP en la matriz de ADP en el espacio intermembrana. Este translocasa es impulsada por el potencial de membrana, tal como resulta en el movimiento de alrededor de 4 cargas negativas de la membrana mitocondrial a cambio de 3 cargas negativas se movieron dentro. Sin embargo, también es necesario para el transporte de fosfato en la mitocondria; el portador de fosfato mueve un protón en cada fosfato, disipando parcialmente el gradiente de protones.

Beta-oxidación

Los ácidos grasos también se pueden desglosar para acetil-CoA por beta-oxidación. Cada ronda de este ciclo reduce la longitud de la cadena de acilo por dos átomos de carbono y produce una NADH y FADH ₂ una molécula, que se utilizan para generar ATP por la fosforilación oxidativa. Debido a NADH y FADH ₂ son moléculas ricas en energía, decenas de moléculas de ATP pueden ser generados por la beta-oxidación de una sola cadena de acilo largo. El rendimiento energético de alta de este proceso y el almacenamiento compacto de grasa explican por qué es la más densa fuente de la dieta calorías.

La respiración anaeróbica

La respiración anaeróbica o fermentación implica la generación de energía a través del proceso de la oxidación en ausencia de O ₂ como una aceptor de electrones. En la mayoría de los eucariotas, la glucosa se utiliza como un acumulador de energía y un donador de electrones. La ecuación para la oxidación de la glucosa para ácido láctico es:

C ₆ H ₁₂ O ₆ 2CH ₃ CH (OH) COOH + 2 ATP

En procariotas, múltiples aceptores de electrones pueden ser utilizados en la respiración anaerobia. Estos incluyen nitrato , sulfato o dióxido de carbono. Estos procesos dan lugar a los procesos ecológicamente importantes de desnitrificación, la reducción de sulfato y acetogénesis, respectivamente.

Reposición de ATP por difosfato quinasas de nucleósidos

ATP también se puede sintetizar a través de varios de los llamados reacciones "reposición" catalizadas por las familias de enzimas de difosfato quinasas de nucleósidos (NDKs), que utilizan otros nucleósidos trifosfato como donante fosfato de alta energía, y el ATP: familia guanido-fosfotransferasa, que utiliza creatina.

ADP + GTP ATP + PIB

La producción de ATP durante la fotosíntesis

En las plantas, el ATP se sintetiza en membrana tilacoide de la durante el cloroplasto reacciones dependientes de la fotosíntesis en un proceso llamado fotofosforilacion. Aquí, la energía de luz se utiliza para bombear protones a través de la membrana del cloroplasto. Esto produce una fuerza protón-motriz y esto impulsa la ATP sintasa, exactamente como en la fosforilación oxidativa. Algunos de la ATP producida en los cloroplastos se consume en el Ciclo de Calvin, que produce azúcares triosa.

Reciclaje ATP

La cantidad total de ATP en el cuerpo humano es de aproximadamente 0,1 mol. La mayoría de ATP no se sintetiza generalmente de novo, sino que se genera a partir de ADP por los procesos antes mencionados. Por lo tanto, en un momento dado, la cantidad total de ATP + ADP mantiene bastante constante.

La energía utilizada por las células humanas requiere la hidrólisis de 100 a 150 moles de ATP al día, que es alrededor de 50 a 75 kg. Típicamente, un humano utilizará encima de su peso corporal de ATP en el transcurso del día. Esto significa que cada molécula de ATP se recicla 1000-1500 veces durante un solo día (100 / 0,1 = 1.000). ATP no puede almacenarse, por lo tanto, su consumo sigue de cerca su síntesis.

Regulación de la biosíntesis

La producción de ATP en una célula eucariota aeróbico está estrechamente regulada por mecanismos alostéricos, por efectos de retroalimentación, y por la dependencia de la concentración de sustrato de las enzimas individuales dentro de las vías oxidativas glicolisis y fosforilación. Puntos clave de control se producen en reacciones enzimáticas que son tan energéticamente favorable que son efectivamente irreversible en condiciones fisiológicas.

En la glucólisis, hexoquinasa se inhibe directamente por su producto, la glucosa-6-fosfato, y piruvato quinasa se inhibe por sí mismo ATP. El punto de control principal de la vía glucolítica es fosfofructoquinasa (PFK), que se alostéricamente inhibida por altas concentraciones de ATP y activado por altas concentraciones de AMP. La inhibición de la PFK por ATP es inusual, ya que el ATP es también un sustrato en la reacción catalizada por la PFK; la forma biológicamente activa de la enzima es una tetrámero que existe en dos conformaciones posibles, sólo uno de los cuales se une al segundo sustrato fructosa-6-fosfato (F6P). La proteína tiene dos sitios de unión a ATP - la sitio activo es accesible, ya sea en la conformación de proteínas, pero la unión al sitio de inhibidor de la ATP estabiliza la conformación que se une F6P mal. Un número de otras moléculas pequeñas puede compensar el desplazamiento inducido por ATP-en la conformación de equilibrio y reactivar PFK, incluyendo AMP cíclico, iones de amonio, fosfato inorgánico, y la fructosa 1,6 bifosfato y 2,6.

El ciclo del ácido cítrico se rige principalmente por la disponibilidad de sustratos clave, en particular la relación de NAD ⁺ a NADH y las concentraciones de calcio , fosfato inorgánico, ATP, ADP, AMP y. Citrato - la molécula que da nombre al ciclo - es un inhibidor de la retroalimentación de citrato sintasa y también inhibe la PFK, proporcionando un enlace directo entre la regulación del ciclo del ácido cítrico y la glucólisis.

En la fosforilación oxidativa, el punto de control clave es la reacción catalizada por citocromo c oxidasa, que está regulado por la disponibilidad de su sustrato, la forma reducida de citocromo c. La cantidad de citocromo c reducido disponible está directamente relacionada con las cantidades de otros sustratos:

lo que implica directamente esta ecuación:

Por lo tanto, una alta proporción de [NADH] a [NAD ^+] o una baja relación de [ADP] [P _i] a [ATP] implican una alta cantidad de citocromo c reducido y un alto nivel de actividad de la citocromo c oxidasa. Un nivel adicional de regulación se introduce por las tarifas de transporte de ATP y NADH entre la matriz mitocondrial y el citoplasma.

Las funciones en las células

ATP es generado en la célula mediante procesos que consumen energía y se divide por los procesos de liberación de energía. De esta manera ATP transfiere energía entre espacialmente separada reacciones metabólicas. ATP es la fuente principal de energía para la mayoría de las funciones celulares. Esto incluye la síntesis de macromoléculas, incluyendo ADN, ARN, y proteínas. ATP también juega un papel fundamental en el transporte de macromoléculas a través de las membranas celulares, por ejemplo, exocitosis y endocitosis.

En la síntesis de la ácido nucleico ARN, ATP es uno de los cuatro nucleótidos incorporados directamente en las moléculas de ARN por ARN polimerasas. La energía que impulsa esta polimerización procede de la escisión de un pirofosfato (dos grupos fosfato). El proceso es similar en la biosíntesis de ADN, excepto que el ATP se reduce a la desoxirribonucleótidos dATP, antes de la incorporación en el ADN.

ATP es críticamente involucradas en el mantenimiento de la estructura celular, facilitando el montaje y desmontaje de elementos de la citoesqueleto. En un proceso relacionado, se requiere ATP para la acortamiento de la actina y la miosina de filamentos de enlaces cruzados necesarios para contracción muscular. Este último proceso es uno de los principales requisitos de energía de los animales y es esencial para locomoción y la respiración.

Señalización celular

De señalización extracelular

ATP es también una molécula de señalización. ATP, ADP, o la adenosina son reconocidos por receptores purinérgicos.

En los seres humanos, este papel de señalización es importante tanto en el sistema nervioso central y periférico. Dependiente de la actividad de liberación de ATP a partir de sinapsis, axones y células gliales activa los receptores de membrana purinergic conocido como P2. Los receptores P2Y metabotrópicos son, es decir, Acoplado a proteínas G y modular los niveles de AMP cíclico a veces, principalmente de calcio intracelular y. Quince miembros de la familia P2Y se han reportado (P2Y1-P2Y15), aunque algunos sólo están relacionados a través de homología débil y varios (P2Y5, P2Y7, P2Y9, P2Y10) no funcionan como receptores que aumentan el calcio citosólico. El subgrupo de receptores ionotrópicos P2X comprende siete miembros (P2X1-P2X7), que son canales de Ca2 ⁺ iones permeables por ligando que se abren cuando se une a un nucleótido de purina extracelular. A diferencia de los receptores P2 (orden agonista ATP> ADP> AMP> ADO), purinérgico nucleótidos como ATP no son fuertes agonistas de los receptores P1 que están fuertemente activados por adenosina y otra nucleósidos (ADO> AMP> ADP> ATP). Receptores P1 tienen A1, A2a, A2b y A3 subtipos ("A" como un remanente de la vieja nomenclatura del receptor de adenosina), todos los cuales son receptores acoplados a proteínas G, A1 y A3 están acoplados a Gi, y A2a y A2b ser acoplado a Gs.

Señalización intracelular

ATP es crítico en procesos de transducción de señales. Es utilizado por quinasas como la fuente de grupos fosfato en sus reacciones de transferencia de fosfato. La actividad quinasa en sustratos tales como proteínas o lípidos de membrana son una forma común de transducción de señales. La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar esta cascada como la activada por mitógeno cascada de proteína quinasa.

ATP también es utilizado por adenilato ciclasa y se transforma a la segundo mensajero AMP cíclico molécula, que está implicado en la activación de las señales de calcio por la liberación de calcio desde los depósitos intracelulares. Esta forma de transducción de la señal es particularmente importante en la función cerebral, aunque está implicado en la regulación de una multitud de otros procesos celulares.

Síntesis de desoxirribonucleótidos

En todos los organismos conocidos, los desoxirribonucleótidos que componen el ADN se sintetizan por la acción de ribonucleótido reductasa (RNR) enzimas en sus correspondientes ribonucleótidos. Esta enzima reduce la 2 ' grupo hidroxilo en el azúcar ribosa a desoxirribosa, formando un desoxirribonucleótido (denotado dATP). Todas las enzimas de la ribonucleótido reductasa utilizan un común sulfhidrilo mecanismo de radicales dependiente de reactivo residuos de cisteína que se oxidan para formar enlaces disulfuro en el curso de la reacción. Enzimas RNR se reciclan por reacción con tiorredoxina o glutaredoxina.

La regulación de RNR y enzimas relacionadas mantiene un equilibrio de dNTPs respecto a la otra y con respecto a los PNT en la célula. Muy inhibe de concentración baja de dNTP Síntesis de ADN y la reparación del ADN y es letal para la célula, mientras que una relación anormal de dNTPs es mutagénico debido a la mayor probabilidad de que el ADN polimerasa que incorpora el dNTP mal durante la síntesis de ADN. Reglamento de o diferencial especificidad de RNR se ha propuesto como un mecanismo para alteraciones en los tamaños relativos de los focos de dNTP intracelulares menores de estrés celular, tales como hipoxia.

La unión a proteínas

Un ejemplo de la Rossmann veces, una dominio estructural de una enzima descarboxilasa de la bacteria Staphylococcus epidermidis (AP ID 1G5Q) de un salto flavinmononucleótido cofactor.

Algunas proteínas que se unen ATP hacen de una característica proteína veces conocido como el Rossmann veces, que es un general nucleótidos vinculante dominio estructural que también se puede unir el cofactor NAD. Las proteínas de unión a ATP más comunes, conocidos como quinasas, comparten un pequeño número de pliegues comunes; la proteínas quinasas, la mayor superfamilia quinasa, todos comparten características estructurales comunes especializados para la unión de ATP y la transferencia de fosfato.

ATP en complejos con proteínas generalmente requiere la presencia de una divalente catiónico , casi siempre de magnesio , que se une a los grupos fosfato de ATP. La presencia de magnesio disminuye en gran medida la constante de disociación de ATP a partir de su pareja de unión de proteína sin afectar a la capacidad de la enzima para catalizar la reacción una vez que el ATP se ha unido. La presencia de iones de magnesio puede servir como un mecanismo para la regulación de la quinasa.

Análogos de ATP

Laboratorios de bioquímica utilizan a menudo Los estudios in vitro para explorar procesos moleculares dependientes de ATP. Inhibidores de la enzima de las enzimas dependientes de ATP como Se necesitan quinasas para examinar la sitios de unión y estados de transición que participan en las reacciones dependientes de ATP. Análogos de ATP también se utilizan en Cristalografía de rayos X para determinar una estructura de la proteína en el complejo con ATP, a menudo junto con otros sustratos. Más útiles análogos de ATP no pueden ser hidrolizados como ATP sería; En su lugar, la trampa de la enzima en una estructura estrechamente relacionada con el estado unido a ATP. La adenosina 5 '- (gamma-tiotrifosfato) es un análogo de ATP extremadamente común en el que uno de los oxígenos gamma-fosfato es reemplazado por un azufre átomo; esta molécula se hidroliza a una velocidad dramáticamente más lento que en sí y las funciones de ATP como un inhibidor de los procesos dependientes de ATP. En los estudios de cristalografía, estados de transición de hidrólisis son modelados por la cota ion vanadato. Sin embargo, se recomienda precaución en la interpretación de los resultados de los experimentos con análogos de ATP, ya que algunas enzimas pueden hidrolizar ellos a tasas apreciables en alta concentración.