BIOENERGÉTICA MITOCONDRIAL

Hipótesis quimiosmótica y potencial electroquímico de protón

A principios de la década de 1960, P. Mitchell (Mitchell ,1961) propuso que la síntesis de ATP se llevaba a cabo a través de un mecanismo que se conoce cono hipótesis quimiosmótica. En sus inicios la propuesta se recibió con escepticismo, pero como se fueron acumulando datos experimentales, la hipótesis llegó a convertirse en el dogma central de la bioenergética.

Los principios de la hipótesis se aplican tanto a la transducción de energía en mitocondrias, como a aquella que ocurre en organismos fotosintéticos y en la membrana plasmática de bacterias, estructuras celulares en las que también hay cadenas de transporte de electrones y ATP sintasas.

En la hipótesis quimiosmótica se visualiza que el transporte de electrones da origen a la formación de una fuerza protomotriz (en la terminología de Mitchell), o un gradiente de H+ , que es una forma de energía. Siguiendo a Mitchell, la energia del gradiente de H+ la capta y utiliza la ATP sintasa para formar ATP. En otras palabras, la fuerza protomotriz es el intermediario por el cual la energía de óxido-reducción de la cadena respiratoria se transforma en la energía del ATP . La Fig 10.6 muestra esquemáticamente la hipótesis quimiosmótica:

Los electrones se emplean para reducir el NADP+ a NADPH. El ATP y el NADPH producidos de esta forma pueden utilizarse en la fase oscura para las reacciones de síntesis, en las que se reducen moléculas sencillas, como el CO2, para formar glúcidos.

La síntesis de ATP en el cloroplasto se explica mediante la hipótesis quimiosmótica de Mitchell, de forma muy semejante como ocurre en la mitocondria. El transporte de electrones en la cadena transportadora de la membrana tilacoidal produce el bombeo de protones desde el estroma hacia el espacio tilacoidal a nivel del complejo citocromo b6 - f , lo que genera un gradiente electroquímico. El flujo de protones a favor del gradiente desde el espacio tilacoidal hasta el estroma, a través del canal de protones de la ATP - sintasa, activa la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.

Estructura y función de la cadena respiratoria

Dentro de las reacciones que se producen en los sistemas vivos, un gran número de ellas son proceso de oxidación o de reducción: La respiración, oxidaciones anaerobias, fermentaciones , fotosíntesis, reducción del sulfato o del nitrato, desnitritrificación, fijación del nitrógeno, etc.

La mitocondria está constituida por cuatro regiones: las membranas internas y externas del espacio intermembranal y la matriz. La membrana interior se encuentra muy plegada formando crestas, lo cual aumenta considerablemente su superficie. Debido a que las proteinas respiratorias están soportadas en las membranas internas, la densidad de las crestas se correlaciona con la actividad respiratoria de la célula. Por ejemplo, las células del músculo cardiaco , las cuales tienen indices altos de respiración, contienen crestas densamente empacadas. Por el contrario, las células del higado poseen crestas mucho mas separadas, pues presenran una menor tasa de respiración.

Fosforilación oxidativa y síntesis de ATP

Actualmente, se acepta como modelo para la sintesis de ATP el modelo de acoplamiento quimio-osmótico propuesto en 1961, por el bioquimico británico Peter Mitchell.

De una manera general, el modelo propone que la energia proveniente del transporte de electrones se utiliza en un transporte activo de protones de la matriz de la mitocondria, o sea que este transporte saca protones de la matriz. Esta acción origina un gradiente electroquímico de protones, con un pH inferior en la parte externa de la membrana interna. Los protones en la parte externa, tienen la tendencia termodinámica de regresar e igualar el pH en ambos lados de la membrana. En otras palabras, la energia generada se utiliza para mantener el gradiente de protones. Peter Mitchell recibió el premio Nobel en 1978 por sus logros cientificos.

Los protones en su regreso atraviesan el sistema ATPasa, descrito anteriormente en la fotosíntesis.

El Genoma mitocondrial, también llamado ADN mitocondrial, es el material genético de las mitocondrias, los orgánulos que generan energía para la célula. El ADN mitocondrial se reproduce por sí mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariotase divide. El ADN mitocondrial fue descubierto por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass utilizando microscopia electronica y un marcador sensitivo al ADN mitocondrial. Evolutivamente el ADN mitocondrial y el ADN nuclear descienden de genomas circulares pertenecientes a bacterias, que fueron englobadas por un antiguo ancestro de las células eucarióticas.

 

Tradicionalmente se ha considerado que el ADN mitocondrial se hereda solo por vía materna. Según esta concepción, cuando un espermatozoide fecunda un óvulo penetra el núcleo con su ADN pero deja afuera su cola y citoplasma, donde están las mitocondrias. Por lo tanto, en el desarrollo del cigoto sólo intervendrían las mitocondrias contenidas en el óvulo. Sin embargo, se ha demostrado que las mitocondrias del espermatozoide pueden ingresar al óvulo. Según algunos autores el ADN mitocondrial del padre puede perdurar en algunos tejidos, como los músculos. Según otros, no llega a heredarse al ser marcadas por ubiquitinación y degradadas.

El ADN mitocondrial puede ser usado para identificar individuos junto con otra evidencia. También es usado por laboratorios forenses para identificar viejas muestras de esqueleto humano. Distinto que el ADN nuclear, el ADN mitocondrial no sirve para identificar individuos, pero si para identificar grupos de individuos, es usado entonces para aceptar o rechazar comparaciones entre personas perdidas y restos no identificados.

Las enfermedades mitocondriales son resultado de la falla de las mitocondrias, los compartimentos especializados presentes en cada célula del cuerpo, con excepción de los glóbulos rojos de la sangre. Las mitocondrias son las responsables de la creación de más del 90% de la energía que el cuerpo necesita para mantener la vida y apoyar el crecimiento. Cuando fallan, se genera cada vez menos energía al interior de la célula. Puede entonces presentarse lesión celular o incluso la muerte de la célula. Si este proceso se repite en todo el cuerpo, los sistemas completos comienzan a fallar y la vida de la persona que lo sufre, está en grave riesgo. Esta enfermedad afecta principalmente a los niños, pero los brotes en adultos se están volviendo más y más comunes.

Enfermedades mitocondriales

Las enfermedades de las mitocondrias parecen ocasionar el mayor daño a las células del cerebro, del corazón, del hígado, músculo esqueléticas, del riñón así como a los sistemas endocrino y respiratorio.

Dependiendo de qué células resulten afectadas, los síntomas pueden incluir pérdida de control motor, debilidad muscular y dolor; desórdenes gastrointestinales y dificultades para deglutir; crecimiento deficiente, enfermedades cardiacas, del hígado, diabetes, complicaciones respiratorias, convulsiones, problemas visuales y auditivos, acidosis láctica, retrasos en el desarrollo y susceptibilidad a contraer infecciones.

No hay una característica única para identificar una enfermedad mitocondrial. Los pacientes presentan varios problemas que pueden surgir desde el nacimiento hasta en la edad adulta madura. Piense en las mitocondrias cuando:

• Una “enfermedad común” presente características atípicas que la distingan del resto.
• Haya tres o más órganos involucrados
• Se presenten recaídas recurrentes, o cuando ocurran brotes de infección en una enfermedad crónica.

Las enfermedades mitocondriales o citopatías, deberán considerarse como posibles en diagnósticos diferenciales, cuando aparezcan estas características inexplicables, especialmente cuando ocurran en combinación con:

Síntomas:

• Encefalopatía
• Convulciones
• Retraso en el Desarrollo o Regresión (incluyendo demencia temprana o episodios tardíos)
• Mioclono
• Desórdenes de Movimiento (distonia, disquinesias, corea, etc.)
• Migraña Complicada
• Infartos
• Neuropatía
• Defectos en los Conductos Cardiacos
• Cardiomiopatías
• Deficiencias en la Audición
• Estatura corta
• Desórdenes de Músculos Extraoculares
• tosis
• estrabismo adquirido
• oftalmoplegia
• Diabetes
• Enfermedad Renal Tubular
• Pérdida de la Visión
• retinitis pigmentosa
• atrofia óptica
• Acidosis láctica (puede ser leve)

Hay gran número de enfermedades mitocondriales listadas en el sitio web de la United Mitochondrial Disease Foundation. Algunas de éstas tienen varios efectos visuales y de pérdida auditiva asociadas. Algunas de las que se nombran incluyen:

Enfermedad de Alpers

Poliodistrofia Infantil Progresiva

Síntomas: convulsiones, demencia, espaticidad, ceguera, disfunción del hígado y degeneración cerebral.

Deficiencia del Complejo I

Deficiencia NADH dehidrogenasa (NADH-Co! Reductasa)

Síntomas: Tres formas principales:

1. Desorden fatal infantil multisistémico, caracterizado por un retraso en el desarrollo, debilidad muscular, enfermedad cardiaca, acidosis láctica congénita y paro respiratorio.
2. Miopatía que inicia en la infancia o en la vida adulta, manifestándose como intolerancia al ejercicio o debilidad. Es común la elevación del ácido láctico.
3. Encefalomiopatía mitocondrial (incluyendo MELAS), que puede comenzar en la infancia o en la edad adulta y que consiste en combinaciones variables de síntomas y signos, incluyendo oftalmoplegia, convulsiones, demencia, ataxia, pérdida auditiva, retinopatía pigmentosa, neuropatía sensorial y movimientos incontrolables. Puede provocar el Síndrome de Leigh.

Deficiencia del Complejo III

Deficiencia ubiquinona-citocroma c óxidoreductasa

Síntomas: Cuatro formas principales:

1. Encefalomiopatía mortal infantil, acidosis láctica congénita, hipotonia, postura distrófica, convulsiones y coma. Es común la fibrosis roja.
2. Encefalomiopatía de brotes posteriores (desde la infancia hasta la edad adulta): varias combinaciones de debilidad, estatura corta, ataxia, demencia, pérdida auditiva, neuropatía sensorial, retinopatía pigmentosa y síntomas piramidales. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.
3. Miopatía, con intolerancia al ejercicio que deviene en debilidad continua. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.
4. Cardiomiopatía histiocitoide infantil.

Deficiencia del Complejo IV / Deficiencia COX

La deficiencia citocroma c óxidoreductasa es ocasionada por un defecto en el Complejo IV de la cadena respiratoria.

Síntomas: Dos formas principales:

1. Encefalomiopatía: normal durante los primeros 6 a 12 meses de vida; después presenta regresión en el desarrollo, ataxia, acidosis láctica, atrofia óptica, oftalmoplegia, nistagmus, distonia, signos piramidales y problemas respiratorios. Frecuentes convulsiones Puede provocar el Síndrome de Leigh.
2. Miopatía: dos variantes principales:
1. Miopatía infantil mortal: puede empezar pronto después del nacimiento acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, paro respiratorio y problemas de riñón.
2. Miopatía infantil benigna: puede empezar pronto después del nacimiento acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, falla respiratoria, pero (si el niño sobrevive) le sigue un mejoramiento espontáneo.

En un sentido muy amplio, los compuestos químicos que interfieren con la síntesis de ATP mitocondrial se pueden asociar en cuatro grupos:

I.- Inhibidores del metabolismo oxidativo.

II.- Inhibidores del transporte electrónico.

III.- Inhibidores de la liberación de O2 a la C.T.E.M.

IV.- Inhibidores de la fosforilación oxidativa.

I.- Inhibición en la liberación de [H] a la cadena de transporte electrónico mitocondrial (CTEM)

* Glucolisis: hipoglucemia, yodoacetato crítico en neuronas

* B-oxidación: ácido 4-pentenoico crítico en músculo cardiaco

* Piruvato Deshidrogenasa: arsenito, DCl-VinilCYS, p-benzoquinona

** aconitasa fluoroacetato, NO

II.- Inhibición el transporte electrónico.

* Inhibidores de los complejos del TE :

*** I.- NADH-CoEQ reductasa: rotenona, amital, MetPhPiridinium(DPP+)

*** II.- succinato DesH: malonato, DCVC, PentaCl-ButDien-cys, 2Br-hidroquinona

*** II.- Coenzima Q-Cit c reductasa: antimicina A, mixotiazol, PCBs

*** III.- Citocromo c oxidasa: CN-, SH, azida, fórmico

*** IV.- Inhibidores múltiples: dinitro-anilina, herbicidas difenil-eter, NO, PCBs

* Aceptores de electrones: CCl4, doxorrubicina, menadiona, DPP+

III.- Inhibición de la liberación de O2 a la CTEM.

* Agentes que provocan parálisis respiratoria: convulsivos, depresores del CNS

* Agentes que causan isquemia: alcaloides, cocaina

* Agentes que inhiben la oxigenación de la Hb: CO, agentes oxidantes que forman meta Hb(Fe3+)

IV.- Inhibición de la fosforilación del ADP , se puede producir al nivel de:

1 ATP sintasa: oligomicina, DDT, clordecone

2 Transportador ADP/ATP (antiporte): atractilosido, DDT, Ac Grasos, lisopospolípidos

3 Transportador de fosfato: N-etil maleimida, p-benzoquinona

4 Agentes desacoplantes del potencial de membrana:

* * Ionóforos: penta-Cl-fenol, dinitro-fenol, benzo-nitrilo, salicilato,

valinomicina, gramicidina

* * Agentes permebealizantes de la membrana interna mitocondrial:

pentaCl-butadienil-CYS, clordecone.

El daño sobre la fosforilación oxidativa que impide la refosforilación del ADP, produce la acumulación del ADP y

de los productos de su hidrólisis, a la vez que una disminución en los niveles de ATP. Hepatocitos en cultivo expuestos a

KCN y yodoacetato exhiben un rápido aumento de H+ y Mg+2 citosólicos, como resultado de la hidrólisis de las sales de

ADP y AMP con Mg+2, al igual que la salida al medio de Pi y Mg+2. La caída en los niveles de ATP comprometen todas las operaciones que dependen de él.

 

El principio de funcionamiento de los respirómetros a presión constante se basa en la fijación en medio acuoso alcalino del CO₂ liberado por los organismos, y la consecuente disminución del volumen gaseoso de la cámara donde aquel se encuentra, debido al consumo del O₂. Estos respirómetros funcionan a presión constante, pues continuamente se nivela la presión interna con la presión externa, a través de un líquido cuyo desplazamiento sobre una pipeta graduada, de disposición horizontal, equivale al volumen de oxígeno consumido.

REACCIONES OXIDO-REDOX

Oxidación y reducción

La oxidación es una reacción química muy poderosa donde un compuesto cede electrones y por lo tanto aumenta su estado de oxidación. Aunque clásicamente, la oxidación también se entiende como la combinación de una sustancia con el oxígeno; sin embargo definiremos a la oxidación como la pérdida de electrones.

Se denominan oxidantes a las sustancias que son capaces de provocar reacciones de oxidación. El primero y más importante de todos los oxidantes es el oxígeno ,del que dependen tanto las combustiones como la degradación de la materia orgánica y la propia respiración (a nivel celular , no es mas que el proceso de oxidación lenta a través del cual las células obtienen su energía).

Son también oxidantes importantes: el ozono, el peróxido de hidrógeno y muchos óxidos metálicos, varios halógenos (fluor, cloro, bromo, yodo), los ácidos sulfúrico y nítrico, los cromatos alcalinos (dicromato de sodio), algunos dióxidos (dióxido de plomo), el permanganato de potasio, los nitratos, los cloratos (clorato de potasio) y otras sales (hipoclorito de sodio).

Cuando un ion o un átomo se reduce:

• Gana electrones.
• Actúa como agente oxidante.
• Es reducido por un agente reductor.
• Disminuye su estado o número de oxidación.

Las reacciones de reducción-oxidacíón (también conocidas como reacciones redox) son las reacciones de transferencia deelectrones. Esta transferencia se produce entre un conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma reducida y una forma oxidada respectivamente).
Los radicales libres son átomos o grupos de átomos que tienen un electrón(e-) desapareado en capacidad de aparearse, por lo que son muy reactivos.

Puesto que la reducción es la ganancia de electrones, una sustancia que cede electrones a otra será una sustancia reductora. Dicho de otro modo: se denomina reductor a cualquier sustancia que reacciona con otra cediendo un electrón y reduciendo su grado de oxidación, ya que las sustancias reductoras muestran una fuerte tendencia a perder electrones.

En química, reducción es el proceso electroquímico por el cual un átomo o ion gana electrones. Implica la disminución de su estado de oxidación. Este proceso es contrario al de oxidación.

Para que exista una reacción redox, en el sistema debe haber un elemento que ceda electrones y otro que los acepte:

• El agente reductor es aquel elemento químico que suministra electrones de su estructura química al medio, aumentando su estado de oxidación, es decir; oxidándose.
• El agente oxidantees el elemento químico que tiende a captar esos electrones, quedando con un estado de oxidación inferior al que tenía, es decir; reducido.

Cuando un elemento químico reductor cede electrones al medio se convierte en un elemento oxidado, y la relación que guarda con su precursor queda establecida mediante lo que se llama un par redox. Análogamente, se dice que cuando un elemento químico capta electrones del medio se convierte en un elemento reducido, e igualmente forma un par redox con su precursor reducido.

Radicales libres

Estos radicales recorren nuestro organismo intentando robar un electrón de las moléculas estables, con el fin de alcanzar su estabilidad electroquímica.

Una vez que el radical libre ha conseguido robar el electrón que necesita para aparear su electrón libre, la molécula estable que se lo cede se convierte a su vez en un radical libre, por quedar con un electrón desapareado, iniciándose así una verdadera reacción en cadena que destruye nuestras células. La vida biológica media del radical libre es de microsegundos; pero tiene la capacidad de reaccionar con todo lo que esté a su alrededor provocando un gran daño a las moléculas y a las membranas celulares. Los radicales libres no son intrínsecamente malos. De hecho, nuestro propio cuerpo los fabrica en cantidades moderadas para luchar contra bacterias y virus. Los radicales libres producidos por el cuerpo para llevar a cabo determinadas funciones son neutralizados fácilmente por nuestro propio sistema. Con este fin, nuestro cuerpo produce unas enzimas (como la catalasa o la dismutasa) que son las encargadas de neutralizarlos. Estas enzimas tienen la capacidad de desarmar los radicales libres sin desestabilizar su propio estado.

Nuestro organismo está luchando contra los radicales libres cada momento del día. El problema para nuestra salud se produce cuando nuestro organismo tiene que soportar un exceso de radiales libres durante años, producidos mayormente por contaminantes externos que penetran en nuestro organismo productos de la contaminación atmosférica, el humo del cigarrillo que contiene hidrocarburos aromáticos polinucleares, así como aldehídos que producen distintos tipos de radicales libres en nuestro organismo. El consumo de aceites vegetales hidrogenados tales como la margarina y el consumo de ácidos grasos trans como los de las grasas de la carne y de la leche también contribuyen al aumento de los radicales libres.

La protección que debemos tener para evitar el aumento de los radicales libres en nuestro organismo que aceleran la rapidez de envejecimiento y degeneración de las células de nuestro cuerpo es el consumo de antioxidantes naturales tales como el beta caroteno(pro-vitamina A) presentes en la zanahoria, mango, tomates, melón, melocotón, espinacas.

Vitamina E (tocoferol) es un antioxidante que mantiene la integridad de la membrana celular, protege la destrucción de la vitamina A, previene y disuelve los coágulos sanguíneos y retarda el envejecimiento celular. Se encuentra en muchas frutas y vegetales tales como: El aguacate, boniato, espárragos, espinacas, tomates, bróculi, moras y zanahorias.

La vitamina C(ácido ascórbico) es otro de los antioxidantes naturales que destruyen el exceso de radicales libres. Necesaria para producir colágeno, importante en el crecimiento y reparación de las células de los tejidos, encías, vasos, huesos y dientes, y para la metabolización de las grasas, por lo que se le atribuye el poder de reducir el colesterol. Investigaciones han demostrado que una alimentación rica en vitamina C ofrece una protección añadida contra todo tipo de cánceres. Además de la prevención del resfriado común y el fortalecimiento de las defensas del organismo. Las fuentes alimentarias de la vitamina C son: Grosellas, pimiento verde, kiwi, limón (todos los que están antes del limón tienen mayor contenido de vitamina C que éste y los que están después menor), fresas y coliflor, coles de bruselas, naranjas, tomates, nabo y melón.

El selenio actúa junto con la vitamina E como antioxidante, ayudando a nuestro metabolismo a luchar contra la acción de los radicales libres. Ayuda a protegernos contra el cáncer, además de mantener en buen estado las funciones hepáticas, cardíacas y reproductoras. Es el más tóxico de los minerales incluidos en nuestra dieta. La ingestión en dosis altas se manifiesta con pérdida de cabello, alteración de uñas y dientes, nauseas, vómito y aliento a leche agria.

Fuentes alimentarias del selenio: Carne, pescado, cereales integrales y productos lácteos. Las verduras dependerán de la tierra en la que se ha cultivado.

Los flavonoides son compuestos polifenólicos encontrados en las plantas como frutas y vegetales, que son excelentes antioxidantes. Comúnmente se encuentran también en el té (principalmente té verde) y en el vino.

En las frutas que fueron cosechadas hasta su maduración se encuentran gran cantidad de flavonoides, carotenoides, licopenes, zantinas, índoles y luteínas, todos con una potente acción antioxidante.

En resumen si queremos evitar el envejecimiento y las enfermedades causadas por el exceso no controlado de radicales libres en nuestro cuerpo, tenemos que llevar una vida sana, sin consumir cigarrillo(tabaco) y tener una dieta libre de grasas saturadas y ácidos grasos trans que puedan aumentar el colesterol malo y éste formar colesterol oxidado que contribuye a la arteriosclerosis.

Potencial REDOX

ATP

Tal como la utilización de una moneda única que facilita los intercambios comerciales, de un modo similar en la célula , el metabolismo se facilita con la utilización de una divisa común de energía, la adenosina trifosfato (ATP). Parte de la energía libre obtenida en la oxidación de los alimentos y de la luz se transforma en esta molécula, que actúa como dador de energía libre en la mayoría de los procesos que requieren energía, tales como el movimiento, el transporte activo o la biosíntesis.

Funciones del ATP

• Aporta la energía (química) que necesitan las múltiples reacciones químicas que ocurren en el organismo: Procesos oxidativos de sustancias combustibles como el glucógeno, la glucosa y los lípidos.
• Aporta la energía necesaria para la ocurrencia de casi todos los procesos celulares: Respiración, secreción hormonal, biosíntesis de sustancias (reparación de tejidos), transmisión de impulsos nerviosos, división celular, etc.
• Aporta la energía necesaria para el transporte de sustancias a través de membranas (30 % del ATP).
• Facilita la energía necesaria para la contracción muscular. El ATP es fuente inmediata de energía para el trabajo muscular.
• Su forma aniónica, juega es decisiva en el mecanismo de contracción muscular.
• Tiene actividad enzimática (ATPásica), facilitando la ocurrencia de muchas reacciones bioquímicas del organismo a la velocidad necesaria.

ESTRUCTURA DEL ATP: INESTABILIDAD Y FORMACIÓN DE HÍBRIDOS DE RESONANCIA

"Es la principal molécula energética que conecta las reacciones productoras de energía con las que se necesitan"

Donde se necesita energía, el ATP es el principal encargado de donarla rompiéndose el enlace fosfato. Pero será preciso resintetizar otra vez el ATP en otros procesos, generándose un ciclo sin fin en los seres vivos.

En los procesos OXIDATIVOS se libera energía, parte de la cual es utilizada para la síntesis de ATP:

ADP + Pi --------------------------> ATP (G^0' = +7.3 kcal/mol)

Otros procesos,precisan un aporte de energía , suministrada por el ATP, con lo que existe un ciclo del ATP en muchos procesos biológicos. Su estructura es responsable de su capacidad como intermediario energético en las reacciones biológicas, ya que le confiere un G°' muy negativo para su hidrólisis; por ello el ATP posee una alta capacidad de transferencia de restos fosfato.

Debido a que el depende de la diferencia entre la energía libre de los productos y la de los reactantes, se debe analizar la estructura del ATP y la de sus productos de hidrólisis, ADP y Pi. A este respecto son importantes tres factores: la estabilización por resonancia, la repulsión electrostática y la estabilización por hidratación.

1.- Energía de Estabilización por resonancia: El ADP y Pi tienen mayor estabilización por resonancia que el ATP. El ortofosfato presenta varias formas resonantes con energía similar, en tanto que el grupo gamma-fosforilo del ATP presenta un número menor.

También viene dada por la deslocalización electrónica, es decir, que debido a la distinta la electronegativiadd 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.- Repulsión electrostática: A pH 7 , la unidad trifosfato del ATP presenta cuatro cargas negativas. Estas cargas se repelen mutuamente al estar muy próximas. Al hidrolizarse el ATP, la repulsión entre ellas se reduce.

3.- Estabilización debido a la hidratación: Por último, el agua se puede unir más eficazmente al ADP y Pi, que a la porción fosfoanhídrido del ATP, con lo cual el ADP y Pi se estabilizan por hidratación. La energía de solvatación es mayor en los productos de hidrólisis que en el ATP.

HIDRÓLISIS DE ATP Y ENERGÍA LIBRE

Producto de las interacciones y los choques efectivos ocurridos entre el ATP y las moléculas de agua (H₂O) bajo la acción enzimática, los tres enlaces P~O de "alta energía" del primero y uno de los enlaces O-H del agua se rompen, con el consecuente reordenamiento atómico que origina la formación de nuevos enlaces y nuevas estructuras moleculares (ADP, AMP y P (H₃PO₄) ) y la liberación de una energía libre aprovechable (proceso exergónico) para la realización de distintos tipos de trabajo biológico: de transporte activo de sustancia a través de membranas, para la contracción y la relajación muscular, en el impulso nervioso, en la secretación hormonal, para la realización de múltiples reacciones del metabolismo (endergónicas) en la que se formas cientos de sustancias necesarias al organismo, etc.

El ATP es un nucleotido que consta de una adenina, una ribosa y un grupo trifosfato. La forma activa del ATP es normalmente un complejo de ATP con Mg2+ o Mn2+ . Al considerar el papel del ATP como el de un transportador de energía, debemos fijarnos en su grupo trifosfato. El ATP es una molécula rica en energía porque su componente trifosfato contiene dos enlaces anhídrido fosfórico. Cuando el ATP se hidroliza hasta adenosina difosfato (ADP) y ortofosfato (Pi) o cuando se hidroliza hasta adenosina monofosfato (AMP) y pirofosfato (PPi) se desprende una gran cantidad de energía libre.

La energía libre desprendida en la hidrólisis del ATP se utiliza para impulsar reacciones que requieren un aporte de energía libre, como son la de contracción muscular. A su vez se forma ATP ,a partir de ADP y Pi en los seres quimiótrofos cuando se oxidan las moléculas combustibles o en fotótrofos cuando la atrapan de la luz. Este ciclo de ATP-ADP es la forma fundamental de intercambio de energía en los seres vivos.

Algunas reacciones biosintéticas se hallan dirigidas por la hidrólisis de nucleosidos trifosfato que son análogos al ATP, es decir, la guanosina trifosfato (GTP), la uridina trifosfato (UTP) y la citidina trifosfato(CTP) . Las formas difosfatadas de estos nucleotidos se designan GDP, UDP y CDP, respectivamente y las formas monofosfato por GMP, UMP y CMP. Hay enzimas que catalizan la transferencia del grupo fosforilo terminal de un nucleotido a otro. Las nucleosidos monofosfatos quinasas realizan la fosforilación de los nucleosidos monofosfato. Una enzima muy especifica, la nucleosido difosfato quinasa realiza la fosforilación de los nucleótidos difosfato.

Se debe resaltar que, aunque todos los nucleosidos trifosfato son equivalentes desde el punto de vista energético. El ATP, es sin lugar a dudas, el principal transportador energético de la célula y desempeña un papel primordial en el metabolismo energético.

HIDRÓLISIS DE ATP ACOPLADA A LAS REACCIONES BIOQUÍMICAS NO ESPONTÁNEAS

Una reacción termodinámicamente desfavorable puede resultar posible al acoplarse a la hidrólisis del ATP. Supongamos una reacción de éstas características sin aporte de energía libre, una situación muy frecuente en las reacciones biosintéticas.