¿Qué determina si una reacción que usa ATP produce ADP o AMP?
La mayoría de las reacciones que usan ATP parecen involucrar:
ATP → ADP + Pi
pero en algunos la reacción es
ATP → AMP + PPi
seguido de la hidrólisis del pirofosfato:
PPi → 2Pi
¿Existe algún principio que determine qué reacciones que requieren ATP generan ADP y cuáles generan AMP? ¿Y hay alguna razón por la que la generación de fosfato inorgánico no proceda de la siguiente manera?
ATP → ADP + Pi
ADP → AMP + Pi
Respuestas
Resumen
Es la naturaleza de la reacción bioquímica la que determina si una reacción de ATP implica la hidrólisis del enlace fosfoanhídrido β o γ. Si una parte de la molécula de ATP se incorpora a uno de los productos, la elección del enlace a escindir surge de la química de la reacción. Si la hidrólisis (con un cambio de energía libre negativo, ΔG) se acopla a una reacción con un ΔG positivo, la hidrólisis del enlace (γ-) fosfoanhídrido simple suele ser suficiente, con la producción de ADP y Pi. Si la energía libre de hidrólisis del enlace fosfoanhídrido se 'transfiere' a otra molécula para 'activarla' para un papel de transferencia de grupo especializado (a menudo en la síntesis de macromoléculas), a menudo se rompen dos enlaces: el primero ( β-) transfiere la energía libre con la producción de pirofosfato, mientras que la segunda (ahora en el pirofosfato) se hidroliza de manera no productiva (energía libre perdida como calor) para asegurar que la reacción general sea irreversible.
Consideraciones energéticas en reacciones que involucran ATP
He discutido algo de esto con más detalle en una respuesta a otra pregunta , sin embargo, es importante aclarar esto desde el principio. Al considerar las reacciones biológicas, es habitual adoptar un enfoque termodinámico en el que se considera el cambio de energía libre termodinámico (Gibbs) (ΔG) de la reacción. Esto se debe a que, para citar a Berg et al. :
- Una reacción puede ocurrir espontáneamente solo si ΔG es negativo.
- Un sistema está en equilibrio y no se puede producir ningún cambio neto si ΔG es cero.
- Una reacción no puede ocurrir espontáneamente si ΔG es positivo. Se requiere una entrada de energía libre para impulsar tal reacción.
La literatura proporciona valores de los cambios de energía libre estándar , ΔG o , para reacciones, es decir, los valores obtenidos en condiciones en las que la concentración de todos los reactivos y productos se establecen en la misma concentración. El cambio de energía libre real , ΔG, depende de la concentración de reactivos y productos (efectos de acción de masas).
La hidrólisis de los enlaces fosfoanhídrido β y γ del ATP tienen valores altos negativos de ΔG o de aprox. –45 y –30 kJ por mol, respectivamente †.
El uso de ATP para impulsar la reacción desfavorables s
En muchos casos, la hidrólisis de ATP se acopla a una reacción energéticamente desfavorable (una con un + ve ΔG o ) de modo que la reacción acoplada tiene un cambio de energía libre negativo general y, por lo tanto, la reacción energéticamente favorable puede tener lugar:
A → B ΔG = 20 kJ/mol (unfavourable)
ATP → ADP + Pi ΔG = –30 kJ/mol (favourable)
A + ATP → B + ADP + Pi ΔG = –10 kJ/mol (favourable)
En este ejemplo hipotético, se utilizan 20 kJ / mol de la energía libre de hidrólisis de ATP para convertir A en B, los otros 10 kJ / mol se pierden como calor, pero hace que la reacción sea esencialmente irreversible. La energía de hidrólisis de un solo enlace fosfoanhídrido es suficiente para esto y se logra mediante la hidrólisis del enlace γ con la producción de ADP . (La hidrólisis del enlace β 'soltaría' el segundo enlace en el pirofosfato, donde su hidrólisis no se puede utilizar de forma productiva). Un ejemplo es la conversión de piruvato en oxalacetato en la gluconeogénesis, en la que se requiere energía para formar un enlace carbono-carbono:
CH 3 COCOO - + HCO 3 - + ATP → COO - CH 2 COCOO - + ADP + Pi
Incorporación de ATP en productos
En algunos casos, no solo hay hidrólisis de un enlace fosfoanhídrido, sino que se incorpora un componente químico de ATP en uno de los productos. En este caso, la reacción química real determina qué enlace se hidroliza.
En el primer tipo de reacción se incorpora un grupo fosfato al producto, en cuyo caso este será obviamente el γ-fosfato y se generará ADP . Un ejemplo simple de esto es la reacción de la hexoquinasa:
Glucosa + ATP → Glucosa 6-P + ADP
La reacción es esencialmente irreversible ya que la energía del enlace hexosa fosfato es mucho menor que la del enlace fosfoanhídrido.
En el segundo tipo de reacción, el componente AMP del ATP (o moléculas similares) se incorpora a uno de los productos, por lo que el otro producto debe ser pirofosfato . El ejemplo obvio es la reacción de la ARN polimerasa, que para nuestros propósitos se puede representar como:
------ ribosa-3′OH + ATP → ------ ribosa - 3′O-PO 2 -O-5′-Adenosina + PPi
ATP y reacciones de 'activación': justificación del pirofosfato
En ciertas reacciones de ATP, la energía de un enlace fosfoanhídrido se utiliza para crear un enlace de energía libre de hidrólisis similar, que a su vez se puede utilizar posteriormente para activar otras reacciones. En este caso, la reacción puede implicar poco o ningún cambio de energía libre, por lo que parecería ser fácilmente reversible. En muchos de estos casos, el enlace β-fosfoanhídrido se escinde, generando pirofosfato. La razón de esto es que el pirofosfato se convierte luego en fosfato en una reacción catalizada por pirofosfatasas, que tiene un DG negativo alto y, por lo tanto, es esencialmente irreversible porque la energía libre de hidrólisis del enlace fosfoanhídrido en el pirofosfato se pierde en forma de calor.
A + ATP → B + AMP + PPi ΔG = 0 kJ/mol (reversible)
PPi → 2 Pi ΔG = –33 kJ/mol (irreversible)
Los ejemplos que se dan a menudo para explicar esto son las reacciones de la polimerasa de ácido nucleico, pero, aunque esto se aplica también a ellas, la naturaleza de su reacción requiere la generación de pirofosfato. Hasta cierto punto, este es el caso con la mayoría de las otras reacciones de activación, pero puede ser más claro considerar una en la que el componente de ATP se incorpora como un intermedio temporal, en lugar de como un componente del producto final. Tal reacción es la activación de aminoácidos para la síntesis de proteínas:
aminoácido + ATP → aminoacil-AMP + PPi
aminoacil-AMP + tRNA → aminoacil-tRNA + AMP
La 'activación' es la formación de un enlace con una alta energía libre de hidrólisis en el aminoacil-AMP del enlace β-fosfoanhídrido. Esto luego se usa para impulsar la reacción formando un enlace entre el aminoácido y el tRNA. La generación de pirofosfato asegura la irreversibilidad efectiva de este paso clave en la biosíntesis de proteínas.
† Posible papel de las diferencias de energía libre de hidrólisis
El hecho de que la energía libre estándar de hidrólisis del enlace β fosfoanhídrido sea mayor que la del enlace γ fosfoanhídrido también puede ser relevante en algunos casos, como ha argumentado @ user1136 en su respuesta a esta pregunta .
La ADN polimerasa utiliza esta forma de reacción NTP -> NMP + PPi que va seguida de una rápida degradación del pirofosfato por una razón muy importante. Hace que la reacción sea irreversible (o casi irreversible). La reacción hacia atrás es (prácticamente) imposible porque para que tenga lugar, múltiples compuestos deben reunirse simultáneamente en el sitio catalítico de la enzima y deben ocurrir simultáneamente múltiples procesos no espontáneos. Entonces, en el caso de la ADN polimerasa, una consideración importante es la irreversibilidad de la reacción. Por otro lado, si su objetivo principal es recolectar energía (por ejemplo, metabolismo), puede catalizar la reacción a través de una serie de pasos potencialmente reversibles.