las coenzimas
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Las coenzimas
Las coenzimas son pequeñas moléculas orgánicas no proteicas que transportan
grupos químicos entre enzimas. A veces se denominan cosustratos. Estas moléculas
son sustratos de las enzimas y no forman parte permanente de la estructura
enzimática. Esto distingue a las coenzimas de los grupos prostéticos, que son
componentes no protéicos que se enlazan estrechamente a las enzimas, tales como
los centros hierro-azufre, la flavina o los grupos hemo. Tanto coenzimas como grupos
prostéticos pertenecen a un grupo más amplio, los cofactores, que son moléculas no
protéicas (por lo general, moléculas orgánicas o iones metálicos) que requieren las
enzimas para su actividad.
En el metabolismo, las coenzimas están involucradas en reacciones de transferencia
de grupos (como la coenzima A y la adenosina trifosfato (ATP)), y las reacciones
redox (como la coenzima Q10 y la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+)). Las
coenzimas se consumen y se reciclan continuamente en el metabolismo; un conjunto
de enzimas añade un grupo químico a la coenzima y otro conjunto de enzimas lo
extrae. Por ejemplo, las enzimas como la ATP sintasa fosforilan continuamente la
adenosina difosfato (ADP), convirtiéndola en ATP, mientras que enzimas como las
quinasas desfosforilan el ATP y lo convierten de nuevo en ADP.
Las moléculas de coenzima son a menudo vitaminas o se hacen a partir de vitaminas.
Muchas coenzimas contienen el nucleótido adenosina como parte de su estructura,
como el ATP, la coenzima A y el NAD+. Esta estructura común puede reflejar un
origen evolutivo como parte de los ribozimas en un antiguo mundo de ARN.
Tipos de coenzimas
VITAMINAS Y DERIVADOS
Coenzima Vitamina
Componente
adicional
Grupo químico
transferido Distribución
NAD+ y NADP+ Niacina (B3) ADP Electrones Bacterias, arqueas
y eucariotas
Coenzima A
Ácido
pantoténico
(B5)
ADP Grupo acetilo y otros
grupos acilo
Bacterias, arqueas
y eucariotas
Ácido
tetrahidrofólico
Ácido fólico
(B9)
Residuos de
glutamato
Grupos metilo,
formilo, metileno y
formimino
Bacterias, arqueas
y eucariotas
Filoquinona (K1)
Menaquinona
(K2)
Menadiona(K3)*
Vitamina K Ninguno Grupo carbonilo y
electrones
Bacterias, arqueas
y eucariotas
* Sintética
Ácido ascórbico Vitamina C Ninguno Electrones Bacterias, arqueas
y eucariotas
Coenzima F420 Riboflavina
(B2) Aminoácidos Electrones
Metanógenos y
algunas bacterias
NO VITAMINAS
Coenzima Grupo químico transferido Distribución
Adenosina trifosfato (ATP) Grupo fosfato Bacterias, arqueas y eucariotas
S-Adenosil metionina Grupo metilo Bacterias, arqueas y eucariotas
3'-Fosfoadenosina-5'-
fosfosulfato Grupo sulfato Bacterias, arqueas y eucariotas
Coenzima Q Electrones Bacterias, arqueas y eucariotas
Tetrahidrobiopterina
Átomo de oxígeno y
electrones Bacterias, arqueas y eucariotas
Citidina trifosfato Diacilgliceroles y grupos
lipídicos Bacterias, arqueas y eucariotas
Azúcares nucleótidos Monosacáridos Bacterias, arqueas y eucariotas
Glutatión Electrones Algunas bacterias y la mayoría de
eucariotas
Coenzima M Grupo metilo Metanógenos
Coenzima B Electrones Metanógenos
Metanofurano Grupo formilo Metanógenos
Tetrahidrometanopterina Grupo metilo Metanógenos
Funciones de las coenzimas
La principal función de las coenzimas es actuar como intermediarios metabólicos.
Elmetabolismo conlleva una amplia gama de reacciones químicas, pero la mayoría
corresponden a unos tipos básicos de reacciones que implican la transferencia de
grupos funcionales. Esta química común permite a las células utilizar un pequeño
conjunto de intermediarios metabólicos para transportar grupos químicos entre las
diferentes reacciones . Estos intermediarios en la transferencia de grupos son las
coenzimas.
Cada clase de reacción de transferencia de grupo se lleva a cabo por una coenzima
particular, que es el sustrato de un conjunto de enzimas que la producen, y un
conjunto de enzimas que la consumen. Un ejemplo de esto son las deshidrogenasas,
que utilizan la nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) como cofactor. Aquí,
cientos de enzimas diferentes eliminan los electrones de sus sustratos y reducen el
NAD+ a NADH. Esta coenzima reducida es entonces un sustrato para cualquiera de las
reductasas presentes en la célula que necesitan reducir sus sustratos.
Las coenzimas se reciclan continuamente, por lo tanto, como parte del
metabolismo. A modo de ejemplo, la cantidad total de ATP en el cuerpo humano es
aproximadamente 0,1 moles. Este ATP se ve constantemente degradado en ADP, y
luego se convierte de nuevo en ATP. Así, en un momento determinado, el importe
total de ATP más ADP se mantiene relativamente constante. La energía utilizada por
las células humanas requiere la hidrólisis de 100 a 150 moles de ATP diario que es
alrededor de 50 a 75 kg. Típicamente, un ser humano usará su peso corporal de ATP
en el transcurso del día. Esto significa que cada molécula de ATP se recicla de 1000
a 1500 veces al día.
El principal papel de las vitaminas es actuar como coenzimas en el organismo,
aunque las vitaminas tienen otras funciones en el cuerpo. Las coenzimas también se
fabrican a partir de nucleótidos, como la adenosina trifosfato (que es el
transportador bioquímico de los grupos fosfato), o la coenzima A (que transporta
grupos acilo). La mayoría de las coenzimas se encuentran en una enorme variedad de
especies, y algunas son universales para todas las formas de vida. Una excepción a
esta amplia distribución es un grupo único de coenzimas que evolucionaron en
metanógenas, y que se limitan al grupo de las arqueas.
Coenzimas NAD+ y NADH
La nicotinamida adenina dinucleótido (abreviado NAD+,
y también llamada difosfopiridina nucleótido y Coenzima
I), es una coenzima que se encuentra en todas las células
vivas. El compuesto es un dinucleótido, ya que consta de
dos nucleótidos unidos a través de sus grupos fosfato con
un nucleótido que contiene un anillo adenosina y el otro
que contiene nicotinamida.
En el metabolismo, el NAD+ participa en las reacciones
redox (oxidorreducción), llevando los electrones de una
reacción a otra. La coenzima, por tanto, se encuentra en
dos formas en las células: NAD+ y NADH. El NAD+, que es
un agente oxidante, acepta electrones de otras
moléculas y pasa a ser reducido, formándose NADH, que
puede ser utilizado entonces como agente reductor para
donar electrones. Estas reacciones de transferencia de electrones son la principal
función del NAD+. Sin embargo, también es utilizado en otros procesos celulares, en
especial como sustrato de las enzimas que añaden o eliminan grupos químicos de
las proteínas, en modificaciones post-traduccionales. Debido a la importancia de
estas funciones, las enzimas que intervienen en el metabolismo del NAD+ son
objetivos para el descubrimiento de medicamentos.
En los organismos, el NAD+ puede ser sintetizado desde cero (de novo) a partir de
losaminoácidos triptófano o ácido aspártico. Alternativamente, los componentes de
las coenzimas se obtienen a partir de los alimentos, como
la vitamina llamada niacina. Compuestos similares son liberados por las reacciones
que descomponen la estructura del NAD+. Estos componentes preformados pasan
luego a través de una ruta que los recicla de vuelta a la forma activa. Algunos
NAD+ también se convierten en nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP
+),
cuya química es similar a la de la coenzima NAD+, aunque tiene diferentes funciones
en el metabolismo.
BIOSÍNTESIS
El NAD+ se sintetiza a través de dos rutas metabólicas: en una ruta de novo a partir
de aminoácidos, o en rutas de rescate mediante el reciclado de componentes
preformados como nicotinamida convertida de nuevo a NAD+.
Coenzima NAD
Producción de novo
La mayoría de los organismos
sintetizan NAD+ a partir de
componentes simples. El conjunto
específico de reacciones varía
entre los organismos, pero una
característica común es la
generación de ácido quinolínico
(QA) a partir de un aminoácido, ya
sea triptófano (Trp) en los
animales y algunas bacterias, o
bien ácido aspártico en algunas
bacterias y plantas. El ácido quinolínico se convierte en ácido nicotínico
mononucleótido (NaMN) mediante transferencia de un grupo fosforibosa. Un grupo
adenilato se transfiere entonces para formar ácido nicotínico adenina dinucleótido
(NaAD). Por último, el grupo ácido nicotínico del NaAD es amidado a un grupo
nicotinamida (Nam), formando nicotinamida adenina dinucleótido.
En un nuevo paso, algunos NAD+ se convierten en NADP+ mediante la NAD+ kinasa,
que fosforila el NAD+. En la mayoría de los organismos, esta enzima utiliza ATP como
fuente del grupo fosfato, aunque en las bacterias tales como Mycobacterium
tuberculosis y en las arqueas comoPyrococcus horikoshii, el polifosfato inorgánico es
una alternativa como donante de fosfato.
FUNCIONES
La nicotinamida adenina dinucleótido tiene varias funciones esenciales en el
metabolismo. Actúa como coenzima en las reacciones redox, como donante de
grupos ADP-ribosa en las reacciones de ADP-ribosilación, como precursor del segundo
mensajero de la molécula cíclica de ADP-ribosa, así como sustrato para las ADN
ligasas bacterianas y un grupo de enzimas llamadas sirtuinas, que usan NAD+ para
eliminar los grupos proteícos acetilo.
Oxidoreductasas
La principal función del NAD+ en el metabolismo es la transferencia de electrones de
una reacción redox a otra. Este tipo de reacción es catalizada por un gran grupo de
enzimas llamadas oxidoreductasas. Los nombres correctos para estas enzimas
contienen los nombres de sus sustratos: por ejemplo, la NADH-ubiquinona
Algunas rutas metabólicas que sintetizan y consumen NAD+
en los vertebrados. Las abreviaturas se definen en el texto.
oxidoreductasa cataliza la oxidación del NADH por la coenzima Q. Sin embargo, estas
enzimas son también conocidas como deshidrogenasas o reductasas, por lo que la
NADH-ubiquinona oxidoreductasa también suele ser llamada NADH deshidrogenasa o,
a veces, coenzima Q reductasa.
Cuando están enlazados a una proteína, el
NAD+ y el NADH suelen mantenerse en un
motivo estructural conocido como pliegue
Rossmann. El nombre proviene de Michael
Rossmann, que fue el primer científico en
darse cuenta de lo común que es esta
estructura dentro de las proteínas enlazadas a
nucleótidos. Este pliegue contiene tres o más
hebras beta paralelas enlazadas mediante dos
hélices alfa en el orden beta-alfa-beta-alfa-
beta. Esto forma una hoja beta flanqueada por
una capa de hélices alfa a cada lado. Debido a
que cada pliegue Rossmann enlaza un
nucleótido, los dominios de enlace para el
dinucleótido NAD+ consisten de dos pares de
pliegues Rossmann, con cada pliegue
enlazando un nucleótido dentro del cofactor.
Sin embargo, este pliegue no es universal
entre las enzimas dependientes de NAD, ya
que se ha descubierto recientemente que una clase de enzimas bacterianas
involucradas en el metabolismo de los aminoácidos se enlazan a la coenzima pero
carecen de esta forma de pliegue.
Cuando se enlaza al sitio activo de una oxidoreductasa, el anillo nicotinamida de la
coenzima se coloca de modo que pueda aceptar un hidruro del otro sustrato. Ya que
el carbono C4 que acepta el hidrógeno es proquiral, esto puede ser explotado en la
cinética de enzimas para dar información sobre el mecanismo enzimático. Esto se
hace mediante la mezcla de una enzima con un sustrato que tiene átomos de
deuterio sustituidos por los hidrógenos, de tal forma que la enzima reducirá el
NAD+ mediante la transferencia de un deuterio en lugar de un átomo de hidrógeno.
En este caso, una enzima puede producir uno de los dos estereoisómeros de NADH.
En algunas enzimas, el hidrógeno se transfiere desde el plano superior del anillo de
nicotinamida (las oxidoreductasas clase A), mientras que en otras enzimas (las
oxidoreductasas de clase B) la transferencia se produce desde abajo.
El pliegue de Rossmann en la zona de la lactato
deshidrogenasa de Cryptosporidium parvum,
con el NAD+ en rojo, las láminas beta en amarillo
y las hélices alfa en púrpura.
A pesar de esta similitud en la forma en que las
proteínas se unen a las coenzimas, las enzimas casi
siempre muestran un alto nivel de especificidad, ya sea
por el NAD+ o el NADP+. Esta especificidad refleja las
distintas funciones metabólicas de las dos coenzimas, y
es el resultado de diferentes clases de residuos de
aminoácidos en los dos tipos de sitios de unión al
coenzima. Por ejemplo, en el sitio activo de las enzimas
dependientes de ADP, se forma un enlace iónico entre
una cadena lateral de aminoácidos básico y el grupo
fosfato ácido del NADP+. Por el contrario, en las enzimas
dependientes de NAD, la carga en este bolsillo se invierte, impidiendo el enlace del
NADP+. Sin embargo, hay algunas excepciones a esta regla general, y enzimas como
la aldosa reductasa, glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, y la metilentetrahidrofolato
reductasa pueden utilizar ambas coenzimas en algunas especies.
Papel en el metabolismo redox
Las reacciones redox catalizadas por
oxidoreductasas son vitales en todo el
metabolismo, pero una esfera
particularmente importante es la liberación
de energía de los nutrientes. Los compuestos
reducidos, como laglucosa, se oxidan,
liberando así la energía. Esta energía se
transfiere al NAD+ mediante reducción a
NADH, como parte de la glucolisis y el ciclo
del ácido cítrico (ciclo de Krebs). En
eucariotas, los electrones transportados por
el NADH que se produce en el citoplasma
mediante glucolisis son transferidos al
interior de la mitocondria por lanzaderas
mitocondriales, como la lanzadera malato-
aspartato. El NADH es oxidado a su vez por la cadena de transporte de electrones,
que bombea protones a través de la membrana y genera ATP a través de la
fosforilación oxidativa. Estos sistemas de lanzadera también tienen la misma función
de transporte en los cloroplastos.
Dado que tanto las formas oxidadas como reducidas de nicotinamida adenina
dinucleótido se utilizan en estos conjuntos de reacciones enlazadas, la célula
mantiene aproximadamente concentraciones iguales de NAD+ y NADH. Una
Aspecto del NAD en 3D.
Esquema del metabolismo redox
proporción alta de NAD+/NADH permite a este coenzima actuar como agente
oxidante y como reductor. En contraste, la función principal del NADP+ es como
agente reductor en el anabolismo, estando la coenzima implicada en rutas como la
síntesis de ácidos grasos y la fotosíntesis. Dado que el NADPH es necesario para
conducir las reacciones redox como un fuerte agente reductor, la proporción
NADP+/NADPH se mantiene muy baja.
Aunque es importante en el catabolismo, el NADH se utiliza también en las
reacciones anabólicas, como la gluconeogénesis. Esta necesidad de NADH en el
anabolismo plantea un problema creciente para los procariotas que crecen en
nutrientes que liberan sólo una pequeña cantidad de energía. Por ejemplo, las
bacterias nitrificantes como Nitrobacter oxidan el nitrito a nitrato, lo que libera
energía suficiente para bombear los protones y generar ATP, pero no la suficiente
como para producir NADH directamente. Como el NADH sigue siendo necesario para
las reacciones anabólicas, estas bacterias utilizan una nitrito oxidoreductasa para
producir la suficiente fuerza motriz de protones como para ejecutar parte de la
cadena de transporte de electrones en sentido inverso, generando NADH.
Funciones no redox
La coenzima NAD+ se consume también en las reacciones de transferencia de ADP-
ribosa. Por ejemplo, las enzimas llamadas ADP-ribosiltransferasas añaden la fracción
ADP-ribosa de esta molécula a las proteínas, en una modificación postraduccional
llamada ADP-ribosilación. Esta reacción implica la adición de un solo grupo ADP-
ribosa (mono-ADP-ribosilación), o la transferencia de ADP-ribosa a las proteínas en
cadenas largas ramificadas (poli-ADP-ribosilación). La mono-ADP-ribosilación se
identificó por primera vez como el mecanismo de un grupo de toxinas bacterianas,
en particular la toxina del cólera, pero también participan en la señalización celular
normal. La poli-ADP-ribosilación es llevada a cabo por las polimerasas poli-(ADP-
ribosa). La estructura de poli-(ADP-ribosa) está implicada en la regulación de varios
eventos celulares, y es más importante en el núcleo celular, en procesos como la
reparación del ADN o el mantenimiento del telómero mantenimiento. Además de
estas funciones dentro de la célula, se ha descubierto recientemente un grupo de
ADP-ribosiltransferasas extracelulares, pero sus funciones aún no están claras.
Otra función de esta coenzima en la
señalización celular es como precursor de
la ADP-ribosa cíclica, que se produce a
partir de NAD+ por ADP-ribosil ciclasas,
como parte de un sistema de segundo
mensajero. Esta molécula actúa en la
señalización de calcio mediante la
liberación de calcio de las reservas
intracelulares. Esto lo hace mediante el
enlace y apertura de una clase de canales
de calcio llamados receptores de
rianodina, que se encuentran en las membranas de los orgánulos como el retículo
endoplasmático.
El NAD+ también es consumido por las sirtuinas, que son deacetilasas dependientes
de NAD, como la Sir2. Estas enzimas actúan mediante la transferencia de un grupo
acetilo de sus proteínas sustrato a la fracción ADP-ribosa del NAD+; esto rompe la
coenzima y libera nicotinamida y O-acetil-ADP-ribosa. Las sirtuinas parecen estar
implicadas en la regulación de la transcripción a través de histonas deacetilantes y
alteración de la estructura del nucleosoma. Aunque las proteínas no histonas pueden
ser desacetilizadas también por las sirtuinas. Esta actividad de las sirtuinas es
especialmente interesante debido a su importancia en la regulación del
envejecimiento.
Otras enzimas dependientes de NAD son las ADN ligasas bacterianas, que unen dos
extremos de ADN mediante el uso de NAD+ como sustrato para donar un grupo
adenosina monofosfato (AMP) al fosfato 5' de un extremo de ADN. Este intermediario
es atacado luego por el grupo hidroxilo 3' del otro extremo de ADN, formando un
nuevo enlace fosfodiéster. Esto contrasta con las ADN ligasas eucarióticas, que
utilizan el ATP para formar intermediarios ADN-AMP.
Estructura de la ADP-ribosa cíclica
Coenzima A (CoA) La coenzima A (CoA) es una coenzima de
transferencia de grupos acilo que participa en
diversas rutas metabólicas (ciclo de Krebs,
síntesis y oxidación deácidos grasos). Se deriva
de una vitamina: el ácido pantoténico
(vitamina B5), y es una coenzima libre. Su
aislamiento se produjo en 1951 por el
bioquímico alemán (y premio Nobel) Feodor
Lynen, en forma de acetil-coenzima A a partir
de células de levadura.
Su parte reactiva es la función tiol (-SH) de la
tioetanolamina, que se simboliza a menudo
como HS-CoA (o CoA-SH). Por lo tanto, la
reacción con un ácido carboxílico forma un enlace aciltioéster rico en energía.
Fuentes alimenticias de esta coenzima son: despojos, setas, carne y yema de huevo.
Reacción: CoA-SH + R-COOH => S-CoA-CO-R (+ H2O)
BIOSÍNTESIS
La molécula de coenzima A consta de varios componentes: un nucleótido (adenosina
difosfato, ADP), una vitamina (ácido pantoténico, vitamina B5) y
un aminoácido (cisteína). Se sintetiza en un proceso de cinco etapas a partir del
pantotenato:
1. El pantotenato se fosforila a 4'-fosfopantotenato mediante la enzima pantotenato
kinasa.
2. Una cisteína es añadida al 4'-fosfopantotenato mediante la enzima
fosfopantotenoilcisteína sintetasa, para formar 4'-fosfo-N-pantotenoilcisteína (PPC).
3. La PPC se descarboxila a 4'-fosfo-panteteína mediante la fosfopantotenoilcisteína
descarboxilasa.
4. La 4'-fosfo-panteteína es adenililada para formar defosfo-CoA mediante la enzima
fosfopanteteína adenilil transferasa.
5. Por último, la defosfo-CoA es fosforilada a CoA (coenzima A) utilizando ATP,
mediante la enzima defosfo-CoA kinasa.
Coenzima A
FUNCIÓN
Puesto que la coenzima A es químicamente un tiol, puede reaccionar con los ácidos
carboxílicos para formar tioésteres, funcionando así como un transportador de
grupos acilo. Asiste en la transferencia de ácidos grasos desde el citoplasma a las
mitocondrias. Una molécula de coenzima A que transporta un grupo acetilo se
conoce como acetil-CoA. Cuando no lleva grupo acilo generalmente se denomina
CoASH o HSCoA.
Grupos acilo transportados por el Coenzima A
* Acetil-CoA
* Propionil-CoA
* Acetoacetil-CoA
* Cumaril-CoA (utilizado en la biosíntesis de flavonoides)
* Derivados acilo de ácidos dicarboxílicos:
o Malonil-CoA
o Succinil-CoA
o Hidroximetilglutaril-CoA (utilizado en la biosíntesis de isoprenoides)
o Pimelil-CoA (utilizado en la biosíntesis de biotina)
* Butiril-CoA
Adenosina trifosfato (ATP)
La adenosina trifosfato (abreviado ATP, y también
llamada adenosín-5'-trifosfato o trifosfato de
adenosina) es una molécula utilizada por todos los
organismos vivos para proporcionar energía en las
reacciones químicas. También es el precursor de una
serie de coenzimas esenciales como el NAD+ o
la coenzima A. El ATP es uno de los cuatro
monómeros utilizados en la síntesis de ARN celular.
Además, es una coenzima de transferencia de grupos
fosfato que se enlaza de manera no-covalente a las enzimas quinasas (co-sustrato).
El ATP fue descubierto en 1929 por Karl Lohmann. En 1941, Fritz Albert Lipmann
propuso el ATP como principal molécula de transferencia de energía en la célula.
Fórmula estructural del ATP
PROPIEDADES Y ESTRUCTURA
El ATP es un nucleótido trifosfato que se compone de
adenosina (adenina y ribosa, como β-D-ribofuranosa) y
tres grupos fosfato. Su fórmula molecular es
C10H16N5O13P3. La estructura de la molécula consiste en
una base purina (adenina) enlazada al átomo de
carbono 1' de un azúcar pentosa. Los tres grupos
fosfato se enlazan al átomo de carbono 5' de la
pentosa. Los grupos fosforilo, comenzando con el
grupo más cercano a la ribosa, se conocen como
fosfatos alfa (α), beta (β) y gamma (γ).
El ATP es altamente soluble en agua y muy estable en
soluciones de pH entre 6.8 y 7.4, pero se hidroliza
rápidamente a pH extremo. Por consiguiente, se almacena mejor como una sal
anhidra.
La masa molecular del ATP es de 507,181 g/mol y su acidez es de 6.5. Es una
molécula inestable y tiende a ser hidrolizada en el agua. Si el ATP y el ADP se
encuentran en equilibrio químico, casi todos los ATP se convertirán a ADP. Las
células mantienen la proporción de ATP a ADP en el punto de diez órdenes de
magnitud del equilibrio, siendo las concentraciones de ATP miles de veces superior a
la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio significa que la
hidrólisis de ATP en la célula libera una gran cantidad de energía. Al ATP se le llama
a veces "molécula de alta energía", aunque esto no es correcto, ya que una mezcla
de ATP y ADP en equilibrio en el agua no puede hacer un trabajo útil. El ATP no
contiene "enlaces de alta energía", y cualquier otra molécula inestable serviría como
una forma de almacenar energía si la célula mantuviera su concentración lejos del
equilibrio.
El ATP tiene múltiples grupos ionizables con diferentes constantes de disociación del
ácido. En solución neutra, el ATP está ionizado y existe principalmente como ATP4-,
con una pequeña proporción de ATP3-. Como tiene varios grupos cargados
negativamente en solución neutra, puede quelar metales con una afinidad muy
elevada. El ATP existe en la mayoría de las células en un complejo con Mg2+.
Estructura en 3D del ATP
FUNCIONES
Fuente de energía
El ATP es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones celulares.
Esto incluye la síntesis de macromoléculas como el ADN, el ARN y las proteínas.
También desempeña un papel fundamental en el transporte de macromoléculas a
través de las membranas celulares, es decir, en la exocitosis y endocitosis.
Debido a la presencia de enlaces ricos en energía (entre los grupos fosfato son los
enlaces anhídrido del ácido), esta molécula se utiliza en los seres vivos para
proporcionar la energía que se consume en las reacciones químicas. De hecho, la
reacción de hidrólisis de la adenosina trifosfato en adenosina difosfato y fosfato es
una reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -
30,5 kJ/mol:
Por el contrario, la reacción de síntesis de la adenosina trifosfato a partir de
adenosina difosfato y fosfato es una reacción endergónica donde la variación de
entalpía libre estándar es igual a +30,5 kJ/mol:
La reacción de hidrólisis del ATP en adenosín monofosfato (y pirofosfato) es una
reacción exergónica donde la variación de entalpía libre estándar es igual a -42
kJ/mol:
La energía se almacena en los enlaces entre los grupos fosfato.
Sin embargo, hay un nivel de entalpía a sobrepasar antes de liberar esta energía
(estado de transición). Esto explica por qué la hidrólisis de los enlaces pirofosfato no
sucede todo el tiempo. Las enzimas son capaces de reducir ese umbral de entalpía
para utilizar la energía liberada.
Si la energía se almacena en los enlaces anhídridos, podríamos preguntarnos cuál es
el interés de los seres vivos para sintetizar la molécula en su conjunto y no sólo el
pirofosfato libre. La razón es, probablemente, la capacidad de las enzimas para
reconocer el ATP, más fácil de hidrolizar específicamente que los pirofosfatos libres,
que son muy similares a todos los grupos fosfatos presentes en las biomoléculas.
El ADP puede ser fosforilado por la cadena respiratoria de las mitocondrias y los
procariotas, o por los cloroplastos de las plantas, para restaurar el ATP. La coenzima
ATP/ADP es un proveedor de energía universal, y es la principal fuente de energía
directamente utilizable por la célula. En los seres humanos, el ATP constituye la
única energía utilizable por el músculo.
En la síntesis del ácido nucleico ARN, el ATP es uno de los cuatro nucleótidos
incorporados directamente en las moléculas por las enzimas ARN polimerasas. La
energía que conduce esta polimerización procede de la ruptura del pirofosfato (dos
grupos de fosfato). El proceso es similar en la biosíntesis de ADN, salvo que el ATP se
reduce al desoxirribonucleótido dATP, antes de su incorporación en el ADN.
El ATP está críticamente involucrado en el mantenimiento de la estructura celular,
facilitando el montaje y desmontaje de elementos del citoesqueleto. En un proceso
similar, el ATP es necesario para el acortamiento de los filamentos de actina y
miosina necesarios para la contracción muscular. Este último proceso es una de las
principales necesidades energéticas de los animales y es esencial para la locomoción
y la respiración.
Señalización extracelular
El ATP, el ADP o la adenosina son reconocidos por los receptores purinérgicos. En los
seres humanos, esta señalización tiene un importante papel tanto en el sistema
nervioso central como en el periférico. La liberación de ATP de las sinapsis, los
axones y la neuroglía activa los receptores de membrana purinéricos conocidos como
P2. Los receptores P2Y son metabotrópicos, es decir, modulan el calcio intracelular
y, a veces, los niveles de AMP cíclico.
Señalización intracelular
Es utilizado por las quinasas como la fuente de grupos fosfato en sus reacciones de
transferencia de fosfato. La actividad de las quinasas sobre los sustratos como las
proteínas o los lípidos de la membrana son una forma común de transducción de
señales. La fosforilación de una proteína por una quinasa puede activar esta
cascada.
La adenilato ciclasa también usa el ATP y lo transforma en AMP cíclico (AMPc), una
molécula segundo mensajero que está involucrada en el desencadenamiento de las
señales de calcio mediante la liberación de calcio intracelular. Esta forma de
transducción de señales es particularmente importante en la función cerebral,
aunque está involucrada en la regulación de 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 enzimas ribonucleótido reductasas (RNR). Estas
enzimas reducen el grupo hidroxilo 2' en el azúcar ribosa, que pasa a ser
desoxirribosa, formando un desoxirribonucleótido (dATP). Todas las enzimas
ribonucleótido reductasas usan un radical sulfidrilo común en un mecanismo de
reacción que depende de los residuos cisteína, que se oxidan para formar enlaces
disulfuro en el curso de la reacción. Las enzimas RNR son recicladas mediante
reacción con tiorredoxina o glutaredoxina.
ALMACENAMIENTO DE ATP
Las reservas de ATP en el organismo no exceden de unos pocos segundos de
consumo. En principio, el ATP se produce de forma continua, pero cualquier proceso
que bloquee su producción provoca la muerte rápida (como es el caso de
determinados gases de combate diseñados para tal fin; o venenos como el cianuro,
que bloquean la cadena respiratoria; o el arsénico, que sustituye el fósforo y hace
que sean inutilizables las moléculas fosfóricas).
Las moléculas de creatina enlazan un fosfato mediante un enlace rico en energía
como el ATP. El ADP puede convertirse en ATP por acoplamiento con la hidrólisis de
fosfato de creatina. La creatina, por tanto, recicla el fosfato liberado por la
hidrólisis de la molécula de ATP original. Esto ayuda a mantener la energía
fácilmente movilizada sin agotar las reservas de ATP.
El ATP no se puede almacenar en su estado natural, sino sólo como intermediarios de
la cadena de producción de ATP. Por ejemplo, el glucógeno puede ser convertido
en glucosa y aportar combustible a la glucolisis si el organismo necesita más ATP. El
equivalente vegetal del glucógeno es el almidón. La energía puede también ser
almacenada como grasa, mediante neo-síntesis de ácidos grasos.
Ácido ascórbico
El ácido ascórbico es un ácido de azúcar con propiedades antioxidantes. Su aspecto es de polvo o cristales de color blanco-amarillento. Es soluble en agua. El enantiómero L- del ácido ascórbico se conoce popularmente como vitamina C. El nombre "ascórbico" procede del prefijo a- (que significa "no") y de la
palabra latina scorbuticus (escorbuto), una enfermedad causada por la deficiencia de vitamina C. En 1937, Walter Haworth recibió el Premio Nobel de Química por su trabajo en la determinación de la estructura del ácido ascórbico (compartido con Paul Karrer, que recibió su premio por el trabajo con las vitaminas). Ese mismo año el premio de Fisiología y Medicina fue para Albert Szent-Györgyi por sus estudios de las funciones biológicas del ácido L-ascórbico. En el momento de su descubrimiento, en los años 20, fue llamado ácido hexurónico por algunos investigadores. La síntesis química del ácido L-ascórbico es un procedimiento caro y complicado que conlleva muchos pasos químicos que parten de la D-glucosa, y un único paso enzimático que implica a la sorbitol-deshidrogenasa. La última etapa del proceso es la transformación catalizada del ácido 2-ceto-L-gulónico (2-KGL) en ácido L-ascórbico. Se ha observado que, en la naturaleza, algunas bacterias como Acetobacter, Gluconbacter yErwinia, son capaces de transformar la glucosa en ácido 2,5-diceto-D-gulónico (2,5-DKG), mientras que otras, Corynebacterium, Brevibacterium y Arthrobacter, son capaces de transformar el ácido 2,5-DKG en ácido 2-KLG gracias a la enzima 2,5-DKG-reductasa. Gracias a la tecnología de ADN recombinante, ha sido posible aislar el gen de la 2,5-DKG-reductasa en la especie Corynebacterium y expresarlo en Erwinia berbicola, capaz de transformar la glucosa en 2,5-DKG gracias a tres enzimas. Las células de Erwiniatransformadas son capaces de convertir directamente la glucosa en ácido 2-KLG.