O que determina se uma reação usando ATP produz ADP ou AMP?
A maioria das reações usando ATP parece envolver:
ATP → ADP + Pi
mas em alguns a reação é
ATP → AMP + PPi
seguido por hidrólise do pirofosfato:
PPi → 2Pi
Existe algum princípio que determina quais reações que requerem ATP geram ADP e quais geram AMP? E há alguma razão para que a geração de fosfato inorgânico não ocorra da seguinte maneira?
ATP → ADP + Pi
ADP → AMP + Pi
Respostas
Resumo
É a natureza da reação bioquímica que determina se uma reação de ATP envolve a hidrólise da ligação β- ou γ- fosfoanidrida. Se uma parte da molécula de ATP for incorporada a um dos produtos, a escolha da ligação a ser clivada surge da química da reação. Se a hidrólise (com uma mudança negativa de energia livre, ΔG) está sendo acoplada a uma reação com um ΔG positivo, a hidrólise da ligação única (γ-) fosfoanidrido geralmente é suficiente, com a produção de ADP e Pi. Se a energia livre de hidrólise da ligação fosfoanidrido está sendo "transferida" para outra molécula a fim de "ativá-la" para um papel de transferência de grupo especializado (muitas vezes na síntese de macromoléculas), duas ligações são frequentemente quebradas: a primeira ( β-) transfere a energia livre com a produção de pirofosfato, enquanto o segundo (agora no pirofosfato) é hidrolisado de forma não produtiva (energia livre perdida na forma de calor) para garantir que a reação geral seja irreversível.
Considerações sobre energia em reações envolvendo ATP
Discuti um pouco disso mais detalhadamente em uma resposta a outra pergunta , porém é importante esclarecer isso no início. Ao considerar as reações biológicas, é comum adotar uma abordagem termodinâmica em que a mudança da energia livre (ΔG) termodinâmica (Gibbs) da reação é considerada. Isso porque, para citar Berg et al. :
- Uma reação pode ocorrer espontaneamente apenas se ΔG for negativo.
- Um sistema está em equilíbrio e nenhuma mudança líquida pode ocorrer se ΔG for zero.
- Uma reação não pode ocorrer espontaneamente se ΔG for positivo. Uma entrada de energia livre é necessária para conduzir tal reação.
A literatura fornece valores das mudanças de energia livre padrão , ΔG o , para reações, ou seja, os valores obtidos em condições nas quais a concentração de todos os reagentes e produtos são fixados na mesma concentração. A mudança real de energia livre, ΔG, depende da concentração de reagentes e produtos (efeitos de ação de massa).
A hidrólise das ligações β- e γ- fosfoanidrido do ATP têm ambos valores negativos elevados de ΔG o de ca. –45 e –30 kJ por mol, respectivamente †.
Uso de ATP para conduzir desfavoráveis de reacção s
Em muitos casos, a hidrólise de ATP é acoplada a uma reação energeticamente desfavorável (uma com a + ve ΔG o ) de modo que a reação acoplada tem uma mudança geral negativa de energia livre e, portanto, a reação energeticamente favorável pode ocorrer:
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)
Neste exemplo hipotético, 20 kJ / mol da energia livre de hidrólise do ATP são usados para converter A em B, os outros 10 kJ / mol são perdidos na forma de calor, mas torna a reação essencialmente irreversível. A energia de hidrólise de apenas uma única ligação fosfoanidrido é suficiente para isso, e é obtida pela hidrólise da ligação γ com a produção de ADP . (A hidrólise da ligação β 'perderia' a segunda ligação no pirofosfato, onde sua hidrólise não pode ser usada produtivamente.) Um exemplo é a conversão de piruvato em oxaloacetato na gliconeogênese, na qual a energia é necessária para formar uma ligação carbono-carbono:
CH 3 COCOO - + HCO 3 - + ATP → COO - CH 2 COCOO - + ADP + Pi
Incorporação de ATP em produtos
Em alguns casos, não ocorre apenas a hidrólise de uma ligação fosfoanidrida, mas um componente químico do ATP é incorporado a um dos produtos. Nesse caso, a reação química real determina qual ligação é hidrolisada.
No primeiro tipo de reação, um grupo fosfato é incorporado ao produto, caso em que este será obviamente o γ-fosfato e o ADP será gerado. Um exemplo simples disso é a reação de hexoquinase:
Glicose + ATP → Glicose 6-P + ADP
A reação é essencialmente irreversível, pois a energia da ligação fosfato hexose é muito menor do que a da ligação fosfoanidrido.
No segundo tipo de reação, o componente AMP do ATP (ou moléculas semelhantes) é incorporado a um dos produtos, de modo que o outro produto deve ser o pirofosfato . O exemplo óbvio é a reação de RNA polimerase, que para nossos propósitos pode ser representada como:
------ ribose-3′OH + ATP → ------ ribose - 3′O-PO 2 -O-5′-Adenosina + PPi
ATP e reações de 'ativação': justificativa para o pirofosfato
Em certas reações de ATP, a energia de uma ligação fosfoanidrido está sendo usada para criar uma ligação de energia livre de hidrólise semelhante, que pode ser usada subsequentemente para ativar outras reações. Nesse caso, a reação pode envolver pouca ou nenhuma mudança de energia livre, de modo que parece ser facilmente reversível. Em muitos desses casos, a ligação β fosfoanidrido é clivada, gerando pirofosfato. A justificativa para isso é que o pirofosfato é então convertido em fosfato em uma reação catalisada por pirofosfatases, que tem uma DG negativa alta e é, portanto, essencialmente irreversível, porque a energia livre de hidrólise da ligação fosfoanidrido no pirofosfato é perdida na forma de calor.
A + ATP → B + AMP + PPi ΔG = 0 kJ/mol (reversible)
PPi → 2 Pi ΔG = –33 kJ/mol (irreversible)
Os exemplos frequentemente dados para explicar isso são as reações de polimerase de ácido nucléico, mas, embora isso também se aplique a elas, a natureza de sua reação requer a geração de pirofosfato. Até certo ponto, este é o caso da maioria das outras reações de ativação, mas pode ser mais claro considerar uma em que o componente de ATP seja incorporado como um intermediário temporário, em vez de como um componente do produto final. Essa reação é a ativação de aminoácidos para a síntese de proteínas:
aminoácido + ATP → aminoacil-AMP + PPi
aminoacil-AMP + tRNA → aminoacil-tRNA + AMP
A 'ativação' é a formação de ligação com alta energia livre de hidrólise no aminoacil-AMP da ligação β fosfoanidrido. Isso é então usado para conduzir a reação formando uma ligação entre o aminoácido e o tRNA. A geração de pirofosfato garante a irreversibilidade efetiva desta etapa chave na biossíntese de proteínas.
† Possível papel das diferenças de energia livre de hidrólise
O fato de que a energia livre padrão de hidrólise da ligação β fosfoanidrido é maior do que a da ligação γ fosfoanidrido também pode ser relevante em alguns casos, como @ user1136 argumentou em sua resposta a esta pergunta .
A DNA polimerase usa esta forma de reação NTP -> NMP + PPi que é seguida por uma rápida degradação do pirofosfato por uma razão muito importante. Isso torna a reação irreversível (ou quase irreversível). A reação reversa é (praticamente) impossível porque, para que ocorra, vários compostos devem se reunir simultaneamente no sítio catalítico da enzima e vários processos não espontâneos devem ocorrer simultaneamente. Portanto, no caso da DNA polimerase, uma consideração importante é a irreversibilidade da reação. Por outro lado, se seu objetivo principal é coletar energia (por exemplo, metabolismo), você pode catalisar a reação por meio de um conjunto de etapas potencialmente reversíveis.