LOS COMPUESTOS DE FOSFATO DE ALTA Y BAJA ENERGÍA

Flores Herrera O, Riveros Rosas H, Sosa Peinado A, Vázquez Contreras E.

 Depto Bioquímica, Fac Medicina, UNAM. Cd Universitaria, México.
     (  2004)

El concepto inicial: La historia del ATP se remonta a los años 20´s cuando Fiske y Subbarow buscaban un método para la cuantificación de fosfato inorgánico (Pi) en los tejidos animales. Pero fue hasta 1941 que los conceptos de compuestos de fosfato. “ricos" y “pobres.” en energía fue formalmente presentado por Lipmann en una revisión en la cual analizaba sus datos y los obtenidos en otros laboratorios. En base al conocimiento disponible en aquella época, Lipmann propuso lo siguiente:

·         La energía que se deriva de hidrólisis de un compuesto de fosfato depende exclusivamente de la naturaleza química del enlace que liga el residuo de fosfato al resto de la molécula.

·         Los enlaces de fosfato ricos en energía, son los que presentan una Keq elevada para la hidrólisis en agua e inversamente, los enlaces de fosfato pobres en energía tendrían una constante de equilibrio baja para la hidrólisis.

·         Se pensaba que la transferencia de un grupo fosfato desde una molécula hacia otra, dependía solamente de la energía de hidrólisis de los enlaces químicos.

Por lo tanto, en la revisión de Lipmman quedó implícito que la energía de hidrólisis de los compuestos de fosfato sería la misma sin importar si estuvieran unidos a la enzima o libres en solución. Por ello se pensaba que la secuencia de eventos durante el proceso de la transducción de energía en enzimas, estaba compuesto por los siguientes pasos:

·         La enzima une al ATP;

·         El ATP es hidrolizado y la energía se libera en el sitio catalítico en el momento exacto de la ruptura del enlace de fosfato.

·         La energía es inmediatamente absorbida por la enzima y utilizada para realizar trabajo.

·         Una vez formada, la molécula del ATP será disociada de la enzima y difundirá en el citosol sin la necesidad de energía extra.

Nuevos conceptos- aproximación teórica: En 1970 y George colaboradores, concluyeron que en los sistemas biológicos los compuestos de fosfato están en solución y por tanto, interaccionan fuertemente con el agua. Por lo tanto se esperaría que las moléculas de agua se organicen alrededor del compuesto de fosfato y que ambos protejan las cargas de la molécula, neutralizando así la repulsión electrostática, y además, formando puentes entre diversos átomos de la molécula, reforzando de esta forma los puntos débiles generados a lo largo de la esqueleto de la molécula por medio de resonancias opuestas.

George y colaboradores propusieron que la Keq para la hidrólisis de un compuesto de fosfato se debe determinar por las diferencias en energías de solvatación de los reactivos y productos y no por efectos intermoleculares como se había propuesto previamente. Mientras más solventada sea la molécula es más estable o menos reactiva que aquella que está menos solventada y la Keq para la hidrólisis estaría determinada por la diferencia de energía de solvatación entre los reactivos y los productos. En este sentido, la Keq de una reacción es alta cuando los productos están más solventados que los reactivos.

Sin embargo, en la fase gaseosa, esto no es verdad. Por el contrario, 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, y según la definición de Lipmann, se comportan como compuestos de fosfato de baja energía.

Cuantificaciones experimentales: Para probar experimentalmente la teoría de solvatación, medimos en nuestro laboratorio la energía de hidrólisis del PPi en medios con diversas actividades de agua. La estrategia adoptada fue medir la Keq en medios acuosos que contenían diversas concentraciones de solventes orgánicos. De acuerdo con la propuesta de la teoría de solvatación, encontramos que un cambio discreto de la actividad de agua es suficiente para promover un cambio drástico en la energía de hidrólisis del PPi.

Un año más tarde Wolfenden y Williams encontraron que el ATP se podría sintetizar espontáneamente en cloroformo hidratado y recientemente Kirby al observaron que el acetilfosfato se puede sintetizar espontáneamente en medios con actividad de agua disminuida. Contrastando con el PPi, el ATP y los residuos de acilfosfato, la actividad de agua no tiene prácticamente ningún efecto en la energía de hidrólisis de fosfoésteres tales como glucosa-6-fosfato. Más que contribuir a la comprensión de la naturaleza química de los compuestos de fosfato de alta y baja energía, estos resultados tienen implicaciones fisiológicas importantes en procesos biológicos de la transducción de energía.

PPi de alta y baja energía: Los cromatóforos de las bacterias fotosintéticas R. rubrum contienen una enzima pirofosfatasa inorgánica membranal, que sintetiza PPi cuando un gradiente electroquímico de protones se forma a través de la membrana de los cromatóforos iluminados. Cuando la luz se apaga (en oscuridad), el PPi sintetizado previamente es metabolizado por la enzima antes mencionada.

El ciclo de transducción de energía medido con los cromatóforos se puede reproducir por un pirofosfatasa soluble, sin la necesidad de la membrana, de la clorofila o de la luz. La enzima soluble puede sintetizar PPi en la oscuridad cuando la actividad de agua del medio es reducida por la adición de solventes orgánicos.

Conversión de enlaces fosfato de alta energía en baja energía en el sitio catalítico de las enzimas: Durante las últimas cuatro décadas se ha aclarado el ciclo catalítico de varias enzimas implicadas en procesos de transducción de energía. Estos estudios revelaron que la energía de hidrólisis de diversos compuestos de fosfato varía considerablemente dependiendo de si están en solución o unidos a la enzima. Para las ATPasas del transporte iónico, la energía necesaria para desplazar los iones a través de la membrana está disponible antes de la ruptura del compuesto de fosfato, y para la ATPasa de la actomiosina, la energía está disponible cuando el ADP y (o) el Pi se disocian de la enzima y no cuando se hidroliza el ATP.

Transducción energética y producción de calor en las ATPasas de transporte: En las reacciones que implican la transducción de energía, solamente una parte de la energía química liberada durante la hidrólisis del ATP se convierte en trabajo u otras formas de energía tales como energía osmótica. La otra parte se convierte en calor, y en animales endotérmicos, el calor liberado se utiliza para mantener la temperatura del cuerpo constante y alta.

Las alteraciones de la termogénesis se observan en varios desórdenes, tales como el control del peso corporal y la disfunción endocrina, en el hipertiroidismo hay una disminución del peso corporal, y un aumento del metabolismo basal y de la tasa de producción de calor, al hormona tiroidea T3 (3,5,3'-tri-iodo-L-tironina) está implicada en la regulación térmica de vertebrados.