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Adenosín trifosfatoDe Wikipedia, la enciclopedia libre
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Trifosfato de adenosina (ATP).
El trifosfato de adenosina o adenosín trifosfato (ATP, del inglés adenosine triphosphate) es un nucleótido fundamental en la obtención de energía celular. Está formado por una base nitrogenada (adenina) unida al carbono 1 de un azúcar de tipo pentosa, la ribosa, que en su carbono 5 tiene enlazados tres grupos fosfato. Se encuentra incorporada en los ácidos nucleicos.
Se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula es C10H16N5O13P3.
Contenido
[ocultar] 1 ATP y metabolismo 2 Hidrólisis del ATP
o 2.1 Razones químicas de la tendencia a la hidrólisis del ATP
3 Enlaces externos
[editar] ATP y metabolismo
El acoplamiento entre las reacciones exergónicas que liberan energía al medio y endergónicas (con consumo de energía), en conjunto constituyen el metabolismo celular.
Las reacciones endergónicas se manifiestan durante los procesos anabólicos; de manera que, requieren que se le añade energía a los reactivos (sustratos o combustibles metabólicos), se le suma energía (contiene más energía libre que los reactivos). Por otro lado, durante las reacciones exergónicas se libera energía como resultado de los procesos químicos (ej, el catabolismo de macromoléculas). La energía libre se encuentra en un estado organizado, disponible para trabajo biológico útil. Las reacciones
endergónicas se llevan a cabo con la energía liberada por las reacciones exergónicas. Las reacciones exergónicas pueden estar acopladas con reacciones endergónicas. Reacciones de oxidación-reducción (redox) son ejemplos de reacciones exergónicas y endergónicas acopladas.
Los organismos pluricelulares del Reino Animal nos alimentamos principalmente de metabolitos complejos (proteínas, lípidos, glúcidos) que degradamos a lo largo del tracto intestinal, de modo que a las células llegan metabolitos menos complejos que los ingeridos.
En la célula son oxidados por una serie de reacciones químicas degradativas (catabolismo). Como productos del catabolismo se obtienen metabolitos simples y energía. Ambos son los precursores para la síntesis de los componentes celulares. Todo el conjunto de reacciones de síntesis se llama anabolismo. En el catabolismo (oxidación) se produce una liberación de electrones que son captados por moléculas transportadoras de electrones como el NAD+ (que al aceptar electrones se reduce a NADH).
Por otra parte, la energía liberada queda retenida en su mayoría en el ATP.
La síntesis (anabolismo) de los compuestos celulares se realiza con los metabolitos simples, utilizando la energía contenida en el ATP y los electrones contenidos en el NADH, ya que éste es un proceso reductivo (toma electrones). El ATP es esa moneda de intercambio energético debido a su estructura química. Cuando se hidroliza libera mucha energía que va a ser captada por las enzimas que catalizan las reacciones de biosíntesis.
[editar] Hidrólisis del ATP
Molécula de ATP y su hidrólisis a ADP + Pi:
Se puede representar así: A-P~P~P
Donde °¬°°~° son los enlaces anhídrido de ácido, que son de alta energía. En la hidrólisis del ATP se está hidrolizando uno de esos enlaces anhídrido de ácido. Esto libera gran energía, concretamente 7'7kcal/mol. Es decir:
ΔG = -7,7 kcal/mol
Es una reacción muy exergónica. Su keq es 11.
Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma natural y liberar energía.
[editar] Razones químicas de la tendencia a la hidrólisis del ATP
Las razones químicas de esa tendencia son tres:
1. Energía de estabilización por resonancia: viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta electronegatividad entre el P y el O, existe un desplazamiento de los electrones de los dobles enlaces hacia el O. En el enlace doble tienen cierto carácter de sencillo y viceversa.Pues bien, la energía de estabilización por resonancia es más alta en los productos de hidrólisis que en el ATP. Esto se debe fundamentalmente a que los electrones π (los puntos rojos en los O) de los oxígenos puente entre los P son fuertemente atraídos por los grupos fosfóricos.La competencia por los electrones π crea una tensión en la molécula; ésta es evidentemente menor (o está ausente) en los productos de hidrólisis. Por lo tanto, hay mayor energía de estabilización por resonancia en los productos de hidrólisis.
2. Tensión eléctrica entre las cargas negativas vecinas existente en el ATP (las flechas entre los O de los Pi). Esa tensión es evidentemente menor en los productos de hidrólisis.
3. Solvatación : la tendencia natural es hacia una mayor solvatación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.
En la célula existen muchos enlaces de alta energía, la mayoría de los cuales son enlaces fosfato. El ATP ocupa una posición intermedia entre los fosfatos de alta energía.
Una de las más importantes funciones del ATP es dar el paso para que ingresen las sustancias a la celula. esta gran energia puede ser util para fines de recarga a seres artificiales, ya que su hidrolisis libera una cantidad significante de energia.
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).
Fórmula estructural del ATP
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.
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+.
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. ambién 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
Estructura en 3D del ATP
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. 1. Concepto
Aunque son muy diversas las biomoléculas que contienen energía almacenada en sus enlaces, es el ATP (adenosín trifosfato) la molécula que interviene en todas las transacciones de energía que se llevan a cabo en las células; por ella se la califica como "moneda universal de energía".
El ATP está formado por adenina, ribosa y tres grupos fosfatos, contiene enlaces de alta energía entre los grupos fosfato; al romperse dichos enlaces se libera la energía almacenada.En la mayoría de las reacciones celulares el ATP se hidroliza a ADP, rompiéndose un sólo enlace y quedando un grupo fosfato libre, que suele transferirse a otra molécula en lo que se conoce como fosforilación; sólo en algunos casos se rompen los dos enlaces resultando AMP + 2 grupos fosfato.El sistema ATP <-> ADP es el sistema universal de intercambio de energía en las células.
2. Hipótesis Quimiosmótica
Según la hipótesis quimiosmótica sostenida por el investigador P. Mitchell, que es la que goza de mayor prestigio, y puede además explicar la síntesis de ATP tanto en la mitocondria como en el cloroplasto. La energía liberada por el transporte de electrones se utiliza para bombear protones desde la matriz al espacio intermembrana (en mitocondrias); o desde el estroma al interior del tilacoide (en cloroplastos). El bombeo de protones se realiza a través de transportadores localizados en complejos enzimáticas existentes en la membrana (de las crestas mitocondriales o membrana tilacoidal, según el caso).
De esta manera se genera un gradiente electroquímico de protones que ejerce lo que se conoce como fuerza protonmotriz, ya que cuando los protones atraviesan de nuevo la membrana interna (mitacondrial o tilacoidal) a favor del gradiente, lo hacen a través del sistema ATP-sintetasa, que se encuentra en dichas membranas, donde la energía protonmotriz se transforma en energía de enlace en moléculas de ATP.
El proceso se podría comparar con este símil: El flujo de protones cumple el papel de transductor de energía, del mismo modo que el vapor que suministra una caldera puede utilizarse para generar energía eléctrica: el calor aplicado a la caldera (flujo de electrones) calienta el agua y forma vapor de agua (gradiente electroquímico de H+), cuya presión (fuerza protonmotriz) se puede acoplar a las turbinas de un generador eléctrico (ATP sintetasa) para producir electricidad (ATP).
3. ATP, Sustancia Clave en la Liberación de Energía:
La contracción muscular (esquelética) sólo es posible utilizando la energía que es liberada al descomponerse el ATP (Adenosintrifosfato) bajo la acción de una enzima (ATPasa). En presencia de la ATPasa el ATP se descompone en ADP (Adenosindifosfato) más P (Fósforo) más ENERGIA (de esta última, una parte se utiliza al realizar trabajo y otra parte variable en su magnitud se pierde en forma de calor).
Las reservas de ATP en los músculos, apenas alcanzan para unas cuantas contracciones. Estas reservas deben ser mantenidas por generación continua de ATP, fenómeno que ocurre gracias a la combustión de los alimentos en presencia de oxígeno. En trabajos un poco más prolongados el músculo dispone de otro fosfato rico en energía (Creatinfosfato), que al desdoblarse libera Energía y reconstituye el ADP en ATP.
Esa energía almacenada (como ATP y Creatinfosfato) puede compararse por analogía con la batería de un automóvil, ella alcanza para iniciar el trabajo muscular, pudiendo realizarse con esa energía almacenada trabajo durante 5 a 8 segundos. Esto puede ser suficiente para actividades deportivas como lanzamiento de disco, de martillo, salto alto, salto largo, etc., pero no para actividades musculares que duran más alla del tiempo mencionado, a menos de que este sistema (o reserva energética) sea nuevamente llenado.
La forma más efectiva para lograr este relleno energético es mediante la combustión de sustancias ricas en energía (el papel principal lo tiene la glucosa). Sin embargo, cuando esto no es suficiente; entonces se pone en marcha el mecanismo de disposición de energía por la vía anaeróbica acompañada de la formación de ácido láctico. Lo cual ocurre en tres condiciones:a) Al inicio del trabajo muscular, el proceso de combustión requiere de un intervalo de tiempo para ponerse a plena marcha.b) El lactato siempre se forma en cargas dinámicas altamente intensivas (carrera de 400 mts).c) La forma típica de carga que acompaña a la liberación de energía con predominante formación de ácido láctico es la carga de fuerza (desarrollo y mantenimiento de fuerza). caso del trabajo estatico.
En este caso el músculo se contrae (desarrolla tensión sin acortamiento), lo cual eleva la presión en el tejido muscular, esto comprime los vasos sanguíneos que conducen la sangre arterializada (rica en oxígeno) hacia el músculo. Este tipo de trabajo muscular bloquea el suministro de oxígeno y por lo tanto la combustión de sustancias ricas en energía (glucosa) se torna imposible.
4. Estrés Oxidativo y Nutrición
Las reacciones de óxido reducción tienen una amplia distribución en la naturaleza, y las células de nuestro organismo no están ajenas a estos procesos; muy por el contrario la transformación de los alimentos en sustratos más simples, de los cuales es posible obtener energía, involucra reacciones químicas de óxido reducción. Durante el proceso de respiración celular se consume oxígeno, y se genera ATP (adenosin trifosfato), quedando como productos dióxido de carbono y agua. Sin embargo, durante esta normal transformación se producen también otras moléculas residuales, las especies reactivas del oxígeno o radicales libres.
Los radicales libres son átomos o moléculas inestables, altamente reactivas que atacan los enlaces de proteínas de los tejidos, los fosfolípidos poliinsaturados de las membranas celulares, carbohidratos, y los ácidos nucleicos de las células. Al actuar, se activa una reacción en cadena que podría incluso llevar a la muerte de la célula.
5. Las Metas para Controlar el Colesterol
Este año (2001) se produjo el tercer reporte del panel de expertos sobre detección, evaluación y tratamiento del colesterol sanguíneo elevado en adultos, llamado más comunmente ATP (por sus siglas en inglés).Este reporte actualiza la guía clínica del Programa Nacional de Educación en Colesterol de los Estados Unidos de América, guía que tradicionalmente es una importante fuente de consulta para la mayoría de los médicos latinoamericanos.El ATP hace énfasis en en el tratamiento estricto para controlar el colesterol que debe seguir el paciente con enfermedad cardiaca coronaria establecida (quien ha sufrido de un infarto cardíaco, por ejemplo) y propone un especial enfoque para aquellas personas con alto riesgo de sufrir de enfermedad cardiaca coronaria porque presentan múltiples factores de riesgo.
El reporte propone que a todo adulto mayor de 20 años se le mida las concentraciones de:
Colesterol total Colesterol LDL (colesterol en lipoproteínas de baja densidad) Triglicéridos El colesterol HDL (colesterol en lipoproteínas de alta densidad) puede calcularse
a partir de los anteriores datos
Debe realizarse en completo ayuno y repetirse una vez cada 5 años si el colesterol total es menor de 200 mg/dl. ó el colesterol HDL es mayor de 40 mg/dl. En caso contrario deberá hacerse un seguimiento de acuerdo a la importancia de cada caso en particular.
6. Como los Nutrientes se Relacionan con la Performance Atletica
La energía es el combustible utilizado para alimentar músculos, huesos, nervios, órganos y todas las actividades metabólicas del organismo. La energía se obtiene de tres fuentes primarias: carbohidratos, grasas y proteínas. Estos nutrientes proveen la energía química en forma de ATP (adenosintrifosfato), permitiendo la contracción de los músculos durante la actividad física.
En descanso y durante actividad de baja intensidad y larga duración (aeróbica) como "endurance" o "trekking" (la prueba completa es un ejercicio aeróbico con picos de anaeróbico) el metabolismo del músculo se alimenta de grasa como fuente principal de energía. En el ejercicio aeróbico, que requiere oxígeno el caballo quema grasa y gasta glucógeno mientras lleva a cabo un trabajo lento, de baja intensidad que puede durar largo tiempo.
El adenosintrifosfato(ATP) se produce en el metabolismo de las grasas, glucógeno y proteína, para proveer energía para la contracción muscular. A medida que crece la intensidad del ejercicio, aumenta la utilización de carbohidratos. En ejercicio de alta intensidad y poca duración (anaeróbico) como carreras de velocidad, carreras de tambores y "cutting" la fuente primordial de energía son los carbohidratos provenientes del glucógeno muscular y no se requiere oxígeno. El ejercicio anaeróbico tiene que ver con alta intensidad en períodos breves. Sin embargo, como se gastan las reservas de glucógeno del músculo en el ejercicio anaeróbico, la glucosa de la sangre será utilizada. La oxidación de la proteína se hace también importante. Sin embargo, la proteína no es el combustible más importante, ni el mas eficiente
7. La Evolución de las Proteínas
Proteína (protos) significa lo primero, lo inicial. Proteo, dios marino de la mitología griega, tenía la capacidad de cambiar de forma cuando quería. Las proteínas son macromoléculas orgánicas formadas por aminoácidos. Toda vida tiene su origen en este principio molecular primigenio y versátil. Desde hace 4 mil millones de años vivimos en la era de las proteínas. Prácticamente todas las funciones que los seres vivos realizan son llevadas a cabo por proteínas (enzimas, anticuerpos, algunas hormonas y toxinas, etcétera). Existen unas 3 mil proteínas distintas en una bacteria, y cerca de 40 mil en un ser humano.
El proceso evolutivo ha estado presente en todos los aspectos del universo: los simples átomos de hidrógeno se fusionaron para transmutarse en helio, carbón, hierro y los demás elementos químicos; las estrellas y las galaxias también evolucionan; los elementos se combinaron para formar desde moléculas simples hasta complejas macromoléculas; los seres vivos más sencillos dieron lugar a organismos complejos y las aldeas primitivas se convirtieron en megalópolis. Las proteínas también evolucionan.
La función de una proteína está determinada por su estructura estereo-química, es decir, por el arreglo de sus átomos en el espacio. En teoría podría haber infinidad de arreglos posibles, pero uno de los hallazgos recientes más importantes en bioquímica es que solo existen unas pocas estructuras estereo-químicas básicas. Se cree que estas estructuras básicas corresponden a proteínas ancestrales que dieron origen a todas las proteínas actuales. Sería difícil exagerar la importancia de este concepto que da las bases para entender la relación estructura-función de las proteínas, para el diseño de proteínas nuevas, y para estudiar la evolución molecular y biológica en tiempos tan remotos que ningún otro enfoque permitiría.
Como producto del proyecto de investigación doctoral de Katy Juárez López, realizado en el laboratorio del doctor Enrique Morett, del Instituto de Biotecnología de la UNAM, apareció en la revista Proceedings of The National Academy of Science (vol. 97, marzo 28) el artículo "Evolución recíproca de los dominios de un transactivador en un espacio de secuencia restringido".
En su compleja estructura, una proteína contemporánea cuenta con secciones específicas, llamadas dominios, que conjuntamente proveen la función global de la proteína. Algunos de estos dominios pueden acoplarse, cual engranes de una rueda dentada, a las secuencias de ADN activando sus genes; otros realizan funciones catalíticas o permiten la transferencia de energía, mediante el rompimiento de un enlace
fuerte del ATP (adenosin trifosfato). Hasta ahora se daba como un hecho que el acoplamiento de un "switch" molecular como NifA con su ADN debía ser muy preciso para desencadenar reacciones de síntesis (activación), pero las investigaciones realizadas por Katy Juárez con el ADN demuestran la posibilidad de responder a una mutación que afecta la precisión de ensamble, aumentando su función activadora. Alternativamente, un enlace débil con el ADN pudo haber sido seleccionado en respuesta a una desfavorablemente elevada función de activación. Esto nos indica que ha habido procesos de diferenciación estructural y evolutiva de los dominios iniciales. Una proteína puede mantener su capacidad óptima balanceando dinámicamente las actividades de sus diferentes dominios. A este proceso se le denominó "evolución recíproca de dominios".
8. Sustancias de Interés Biológico
Las sustancias que constituyen los seres vivos presentan una enorme variedad, aunque en su gran mayoría son compuestos del carbono, con estructuras moleculares complejas. Sin embargo, esta variedad de moléculas orgánicas es consecuencia de las combinaciones de un número reducido de moléculas sencillas que se unen entre sí para dar origen a largas cadenas.Los cuatro grupos principales de macromoléculas que constituyen los seres vivos son: proteínas, polisacáridos, lípidos y ácidos nucleicos. Cada uno de estos grupos cumple una función específica en todas las células.
1. Las proteínas son las macromoléculas más abundantes en el interior de las células, constituyendo el 50 % o más de su peso seco. Unas tienen funciones estructurales en las células y otras, actividades catalíticas específicas.
2. Los polisacáridos son almacén energético y cumplen funciones estructurales extracelulares.
3. Los lípidos también cumplen dos funciones principalmente: son constituyentes de membranas celulares y almacenes ricos en energía.
4. Los ácidos nucleicos actúan almacenando y transmitiendo la información genética.
Dentro de las funciones de los acidos nucleiros tenemos la secuencia de bases del ADN se guarda la información que permite la biosíntesis de las proteínas, determinando la secuencia de aminoácidos. Esta información se denomina código genético.
La estructura de doble hélice permite la duplicación del ADN al abrirse las cadenas y poderse copiar, a partir de cada una, otra con idéntica estructura. Esta propiedad del ADN es la base de la reproducción de los seres vivos.El ARN participa en la síntesis de proteínas, siendo un intermediario que se crea a partir del ADN.EL ADENOSINTRIFOSFATO (ATP) se conoce como la «moneda energética» de la célula, ya que los enlaces entre los fosfatos son muy ricos en energía. Cuando se rompen estos enlaces se desprende gran cantidad de energía. De la misma manera, si en un proceso metabólico (por ejemplo, en la glucólisis) se desprende energía, ésta es captada en forma de ATP para su posterior utilización.
Esquema de la Organización Mitocondrial:
El alimento que comemos se oxida para producir electrones de alta energía que se convierten en energía almacenada. Esta energía es almacenada en enlaces fosfato de alta energía, en una molécula llamada adenosin trifosfato o ATP. El ATP proviene de convertir el adenosin difosfato o ADP , mediante la adición de un grupo fosfato con un enlace alta energía. Varias reacciones en la célula pueden o utilizar la energía (en este caso el ATP se convierte en ADP liberando el enlace de alta energía), o producirla (en donde el ATP se produce a partir del ADP.
9. Pasos desde la Glicólisis a la cadena de transporte de electrones. ¿Por qué la Mitocondria es Importante?
Repasemos los pasos de tal manera que se pueda ver como el alimento se transforma en paquetes de energía de ATP y agua. El alimento que ingerimos debe convertirse en los metabolitos básicos que la célula puede utilizar. Por ejemplo el pan (que contiene carbohidratos), debe sufrir la acción de las enzimas digestivas (en el borde del intestino o en la luz intestina) para convertirse en unidades de carbohidratos simples que hemos llamado glucosa. La glucosa debe absorberse y luego debe entrar en la célula mediante moléculas especiales en la membrana celular, que hemos denominado "transportadores de glucosa".
Una vez dentro de la célula la glucosa es procesada (se hacen moléculas mas pequeñas) para hacer ATP por dos vías. La primera vía no requiere oxígeno y es llamado el metabolismo anaerobio. Esta vía es llamada glicólisis y se lleva a cabo el citoplasma, fuera de la mitocondria. Durante la glicólisis de la molécula original de glucosa (6 carbonos) se obtienen dos moléculas de piruvato ( 3 carbonos cada una) (gluco – dulce, lisis-cortar). Otros alimentos como las grasas pueden también ser degradados
("cortados") para ser utilizados como combustible. Cada reacción ha sido diseñada algunos iones de hidrógeno (electrones), que pueden utilizarse para hacer paquetes de energía (ATP). Sin embargo sólo 4 moléculas de ATPs pueden ser hechas a partir de glucosa mediante esta vía (glicólisis). Por esto la mitocondria y el oxígeno son tan importantes. Necesitamos continuar con el proceso de degradación con el ciclo de Krebs o de los ácidos tricarboxílicos, dentro de la mitocondria, para sí conseguir suficiente ATP para que la célula pueda efectuar todas sus funciones.
Los eventos que ocurren dentro y fuera de la mitocondria son dibujados en el diagrama anterior. Piruvato es llevado dentro de la mitocondria, y allí convertido a Acetil Co-A, el cual entra al ciclo de Krebs. La primera reacción produce dióxido de carbono, CO2, puesto esta reacción involucra la remoción de un carbono del piruvato.
10. Cadena de Transporte de Electrones
La tercera bomba en la serie cataliza la transferencia de electrones al oxígeno para hacer agua. Este bombeo quemiosmótico crea un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana, el cual es utilizado para potenciar "la maquina productora de energía", o sea a la Sintasa de ATP . .Esta moléculas se encuentra en la pequeñas "partículas elementales"que se proyectan desde la cresta. La ilustración de abajo muestra una partícula elemental
Como se mencionó arriba, este proceso requiere oxígeno, por lo cual se llama "metabolismo aeróbico". La ATP Sintasa utiliza la energía del gradiente de iones hidrógeno (también llamado protón), para hacer ATP a partir de ADP y fosfato. También se produce agua a partir del oxígeno e hidrógeno. Así cada compartimiento en las mitocondrias se especializa en una fase de estas reacciones.
Diagrama de la Sintasa del ATP: Revisemos el NAD y FAD remueven electrones que se donan durante algunos de los pasos del cilco del ácido cítrico o de Krebs. Luego ellos llevan los electrones a las bombas de transporte de electrones y donan los electrones a las bombas, así el NAD y el FAD se "oxidan" puesto que ellos pierden iónes hidrógeno que donan a las bombas. Luego las bombas transportan los iones hidrógeno al espacio entre las dos membranas
donde alcanzan una concentración suficientemente alta como para servir de combustible a las bombas de ATP. Con suficiente combustible, las bombas "fosforilan"el ADP . Entonces así es como la oxidación"está acoplada con la "fosforilación".
Los hidrógenos que son bombeados nuevamente a la matrix mitocondrial por la bomba de ATP se combinan con el oxígeno para hacer agua. Y esto es muy importante, por que sin oxígeno, los iones de hidrógeno se acumularían, y el gradiente de concentración requerido para correr las bombas de ATP no seria posible. Y por lo tanto no podría trabajar la bomba de ATP.
Por qué Necesitamos a la Mitocondria:La idea detrás del proceso es obtener el máximo posible de ATP de la glucosa (y de otros productos alimenticios). Si no tenemos oxígeno, por cada molécula de glucosa sólo obtendremos 4 moléculas de ATP – los paquetes de energía (en la glicólisis). Sin embargo, cuando tenemos oxígeno, podemos correr el ciclo de Krebs y producir muchos mas iones hidrógeno que pueden potenciar las bombas de ATP. Del ciclo de Krebs podemos obtener 24-28 moléculas de ATP. De la glicólisis obtenemos 4 moléculas) Entonces Ud. puede ver cuanta más energía podemos obtener de una molécula de glucosa cuando se encuentran trabajando las mitocondrias y tenemos oxígeno.
11. Estructura y Función de la Membrana Interna y de las Partículas Elementales
Ahora podemos apreciar la importancia de las crestas. Ellas no solamente contienen y organizan la cadena de transporte de electrones y las bombas de ATP, si no que también sirven para separar la matrix del espacio intermembrana, en donde se acumulan los iones hidrógenos que permitirán el gradiente necesario para potenciar las bombas de
ATP. Cuando se discuta la manera en que las mitocondrias mueven las proteínas hacia la matrix, se verá otra razón por la que este gradiente de iones de hidrógeno (protones) es tan importante.
Ilustración de las Partículas Elementales: (carmelitas)Con coloraciones apropiadas es posible ver unas proyecciones de la superficie de la membrana interna de la cresta que se han llamado partículas elementales. Estas son moléculas de Sintasa de ATPLos diagramas anteriores mostraron al Citocromo C, situado justamente hacia fuera de la membrana interna. Es un proteína periférica, pegada sin mucha fuerza, localizada en el espacio contenido por la cresta.De hecho si la membrana externa es removida, frecuentemente se pierde el Citocromo C, y debe ser remplazado para promover la función del mitoplasto.
Ganadores del Premio Nobel sobre Adenosin Trifosfato:Boyer, Paul D. (Estados Unidos)Por su comprensión del mecánismo enzimático subyacente a la síntesis del Adenosin Trifosfato (ATP).
Universidad de California. Los Angeles, CA, Estados UnidosSkou, Jens C. (Dinamarca)Por el primer descubrimiento de una enzima transportadora de iones Na+ y K+ en el ATP.Universidad de Aarhus. DinamarcaWalker, John E. (Gran Bretaña)Por su comprensión del mecánismo enzimático subyacente a la síntesis del Adenosin Trifosfato (ATP).Consejo de Investigación Médica del Laboratorio de Biología Molecular. Cambridge, Gran Bretaña
COMPOSICIÓN DE LOS SERES VIVOS
La materia viva está formada por una serie de elementos químicos (átomos) que están en distintas proporciones. Los elementos que ocupan cerca del 98% de todo el organismo son el carbono (C), el hidrógeno (H), el oxígeno (O), el nitrógeno (N), el fósforo (P) y el azufre (S). Alrededor del 2% está representado por el calcio (Ca), sodio (Na), Cloro (Cl), potasio (K) y magnesio (Mg). En una proporción menor al 0,1% están el hierro (Fe), yodo (I), zinc (Zn) y cobre (Cu), entre otros. La unión de dos o más de los elementos químicos señalados da lugar a la formación de moléculas llamadas “compuestos químicos”. Estos compuestos químicos que forman la materia viva se clasifican en inorgánicos y en orgánicos. Los componentes inorgánicos son sustancias simples de estructura sencilla, formadas por moléculas pequeñas (bajo peso molecular), presentes en la materia viva y no viva. Por lo general no llevan carbono en sus moléculas, con algunas excepciones como en el caso del dióxido de carbono. Son ejemplos el agua, el dióxido de carbono y las sales minerales, entre otros.Los componentes orgánicos tienen una estructura más compleja, llevan carbono en su composición y son macromoléculas de alto peso molecular. Están presentes en la materia viva y forman cadenas constituidas por enlaces de carbono muy estables. Son ejemplos de
compuestos orgánicos los hidratos de carbono (azúcares), los lípidos (grasas), las proteínas y los ácidos nucleicos (ADN y ARN).Todos los organismos están constituidos por una combinación ordenada de compuestos inorgánicos y orgánicos. De esa forma, las micromoléculas y las macromoléculas ejercen todos los procesos esenciales para la vida. El número de compuestos orgánicos es mucho mayor que el de los inorgánicos.
COMPUESTOS INORGÁNICOSAGUA Es la sustancia más abundante de los seres vivos. Representa alrededor del 70-80% del peso corporal. Está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. La fórmula química es H2O. El agua posee un gran poder disolvente, por lo que la gran mayoría de las reacciones químicas que suceden en el organismo se producen en medios acuosos. El agua posee muchas funciones.- Permite que se realicen todas las reacciones químicas esenciales para la vida.- Regula la temperatura del organismo (sudoración).- Al tener una importante proporción en el plasma sanguíneo, el agua actúa como transporte de oxígeno y nutrientes hacia las células y en la eliminación de dióxido de carbono y de desechos celulares hacia el exterior del organismo.- El agua cumple una importante función estructural, dando forma y volumen a las células.
Balance hídrico diario en humanos
SALES MINERALESSon compuestos químicos formados por la unión de un hidróxido con un ácido. El sodio, el calcio y el hierro son
algunos de los elementos que el organismo incorpora en forma de sales minerales, por ejemplo el cloruro de sodio (NaCl) y el cloruro de calcio (CaCl2). El calcio es un componente fundamental de los huesos y dientes. El hierro es parte de la molécula de hemoglobina de los glóbulos rojos, encargada de transportar el oxígeno en la sangre.En los seres vivos, las sales minerales están en forma sólida (huesos), disueltas (disociadas en aniones y cationes) y asociadas a componentes orgánicos. Sus funciones son:- Formar estructuras duras y resistentes.- Regular el equilibrio osmótico de las células.
COMPUESTOS ORGÁNICOSLos compuestos orgánicos presentes en los organismos se clasifican en cuatro grupos: hidratos de carbono, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
HIDRATOS DE CARBONO También llamados carbohidratos, azúcares o glúcidos, estas sustancias contienen tres clases de átomos: carbono, hidrógeno y oxígeno (CHO). La función más importante de los hidratos de carbono es el aporte de energía. Según la cantidad de moléculas que posean, los hidratos de carbono se clasifican en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.MonosacáridosFormados por una sola molécula que tiene 5 ó 6 carbonos. Los monosacáridos son los hidratos de carbono más sencillos, cuya fórmula simplificada es C6H12O6. Son hidrosolubles (se disuelven en agua) y de sabor dulce. Ejemplos: glucosa, galactosa, fructosa, ribosa y desoxirribosa.DisacáridosLa combinación de dos moléculas de monosacáridos con separación de una molécula de agua da origen a los disacáridos, cuya fórmula química abreviada es
C12H22O11.
Los disacáridos también son hidrosolubles y de sabor dulce. Son ejemplos la sacarosa o azúcar común, formada por la unión de una molécula de glucosa con una de fructosa, la lactosa o azúcar de la leche, producto de la unión de una molécula de glucosa con otra de galactosa, y la maltosa o azúcar de malta, que se forma con dos moléculas de glucosa.PolisacáridosSe forman a partir de la unión de varias moléculas de monosacáridos. Son insolubles en agua y no tienen sabor. Como ejemplos de polisacáridos están el almidón, la celulosa y el glucógeno, entre otros. El almidón se forma por la unión de una gran cantidad de moléculas de glucosa. Se acumula en los organismos vegetales y son una importante reserva de energía en esos organismos. Las semillas contienen abundancia en almidón. La celulosa está presente en la pared de las células vegetales, siendo su función darle sostén a las plantas. El algodón y el papel están formados de celulosa más o menos pura. El glucógeno es un polisacárido de los animales y, como el almidón y la celulosa, se forma a partir de la unión de un gran número de moléculas de glucosa. Los polisacáridos y disacáridos tienen la propiedad de transformarse en monosacáridos cuando se les hierve en agua acidulada, porque los ácidos diluidos los hidratan, es decir, les hacen recuperar el agua que perdieron al formarse.
Clasificación de los hidratos de carbono
LÍPIDOSIgual que los hidratos de carbono, los lípidos son moléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno y oxígeno (CHO), aunque distribuidas de diferente forma. Son insolubles en agua, solubles en alcohol y cloroformo y untuosos al tacto. Se dividen en grasas (sólidas a temperatura ambiente) y en aceites (líquidos a temperatura ambiente). Tanto las grasas como los aceites son triglicéridos, formados por tres moléculas de ácidos grasos y una molécula de glicerol. Algunos ácidos grasos poseen una o más uniones dobles entre los átomos de carbono de la cadena (C=C) denominándose insaturados. Esto hace que las moléculas no puedan compactarse, con lo cual tienden a ser líquidas a temperatura ambiente. Son ejemplos el ácido oleico (un enlace doble) y el ácido linoleico (dos enlaces dobles). Por el contrario, los ácidos grasos saturados (ácido palmítico y ácido esteárico) no tienen doble enlace, por lo que sus cadenas están saturadas con átomos de hidrógeno. Las grasas de los animales se caracterizan por tener ácidos grasos saturados que permanecen empaquetados apretadamente y sólidas a temperatura ambiente.
Los lípidos cumplen varias funciones dentro del organismo, a saber:
Estructural: forman parte de las membranas celulares.Reserva de energía: las semillas de los vegetales poseen lípidos. Cuando germinan, las nuevas plantas pueden crecer lo suficiente hasta autoabastecerse.Protectora: los lípidos son excelentes aislantes térmicos, ya que la capa subcutánea de los animales ayuda a mantener la temperatura del cuerpo. Además, las grasas protegen contra los golpes.Repelentes del agua: los animales secretan aceites sobre la superficie de la piel, las plumas y los pelos. Por otra parte, una capa de cera cubre las hojas de los vegetales evitando que el agua se evapore. Las ceras son similares a las grasas y aceites, salvo que los ácidos grasos se unen a largas cadenas de alcoholes en lugar de unirse al glicerol. Las abejas elaboran ceras especiales para la construcción de las colmenas.Transporte: las sales biliares ayudan a transportar las grasas desde el intestino a la sangre.
PROTEÍNASSon grandes moléculas orgánicas compuestas por cuatro átomos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON), aunque algunas poseen también azufre y fósforo (CHONSP). Las proteínas son insolubles en agua y de estructura compleja, ya que cada una de ellas tiene una forma directamente relacionada con su función biológica. Las proteínas están conformadas por aminoácidos. Tan solo veinte aminoácidos diferentes se combinan para formar todas las variedades de proteínas existentes. Los aminoácidos pueden ser esenciales y no esenciales. Los esenciales, presentes en la carne y en algunos vegetales, tienen que ingresar con la dieta porque el organismo no los produce. Los aminoácidos no esenciales, en cambio, son elaborados por el organismo y también están en los alimentos.
Ejemplos de proteínas
Las funciones que tienen las proteínas en el organismo son:Estructural: la queratina está presente en los pelos, lana, plumas, piel, uñas y cuernos.Hormonal: la insulina es una proteína que controla la glucosa presente en la sangre.Inmunológica: las globulinas dan lugar a la formación de anticuerpos llamados inmunoglobulinas.Transporte: la hemoglobina es una proteína que transporta oxígeno y dióxido de carbono en la sangre.Enzimática: las enzimas son proteínas cuya función es acelerar una reacción química.
ÁCIDOS NUCLEICOSEl ácido ribonucleico (ARN) y el ácido desoxirribonucleico (ADN) son ácidos nucleicos. El ADN es una enorme molécula (macromolécula) que se transmite de una generación a otra. Los genes, fragmentos de ADN, tienen instrucciones que determinan las características de un organismo, ya que posee toda la información genética y la transmite a la descendencia.El ARN es una macromolécula parecida al ADN que actúa como intermediaria al traducir las instrucciones presentes en los genes para la síntesis de proteínas. Los ácidos nucleicos son polímeros, cuyos monómeros son los llamados nucleótidos, compuestos por:
En las células eucariotas de animales y plantas superiores, el ARN se encuentra mayormente en el citoplasma y algo en el núcleo. La macromolécula de ARN forma una cadena simple. En cambio, el ADN está únicamente dentro del
núcleo de la célula y posee dos cadenas, paralelas y enrolladas en espiral. En síntesis, el ADN es una larga macromolécula que se forma a partir de unidades llamadas nucleótidos. Cada nucleótido, a su vez, se forma a partir de fosfato, de un azúcar y de una base nitrogenada. Es decir, todo el ADN está formado por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y fósforo (CHONP). Al unirse, los nucleótidos forman moléculas de ADN. El ARN también está formado por los cinco átomos mencionados.Para ver una descripción más detallada de los ácidos nucleicos ingresar en el siguiente link.
