¿Cómo transfiere el ATP la energía a una reacción?

Question

Esta es una pregunta para la que me ha resultado sorprendentemente difícil encontrar una buena respuesta. Los textos de biología hablan místicamente de que la reacción ATP->ADP proporciona energía para alimentar otras reacciones. Me gustaría saber algunos detalles más. ¿Es lo siguiente más o menos correcto?

1. Cada reacción en una célula tiene una enzima específica.
2. Cada enzima tiene sitios de unión para, por ejemplo, dos especies moleculares Y para una molécula de ATP.
3. Cuando se produce una reacción, las dos especies se unen a la enzima y, un poco más tarde, se une una molécula de ATP.
4. Por alguna razón (¿por qué?), la reacción ATP->ADP es ahora energéticamente favorable, por lo que el enlace de alta energía se rompe.
5. Esto libera energía electromagnética a una frecuencia característica.
6. Algunos enlaces de la enzima tienen una frecuencia de resonancia que les permite absorber esta energía electromagnética (la energía EM perturba los dipolos moleculares ).
7. La estructura tridimensional de la enzima se altera (es decir, se dobla) de tal manera que las dos especies moleculares son forzadas mecánicamente a juntarse, proporcionando suficiente energía de activación para la reacción en cuestión.
8. La nueva especie formada ya no se une bien a la enzima (¿por qué?) por lo que se desprende, al igual que el ADP, que tampoco se une tan bien como el ATP.
9. El final.

¿Es este un resumen preciso? ¿Alguien puede añadir más detalles físicos? (como toda la termodinámica y la química cuántica de la que no tengo ni idea)

Answer 1

Se trata de un modelo bastante extraño; me arriesgaré a explicarlo desde cero. Básicamente todas las reacciones químicas se ven así:

$$S_1 + S_2 + \cdots + S_n \leftrightarrows P_1 + P_2 + \cdots + P_n$$

lo que significa que un grupo de átomos que forman pocas moléculas de sustrato pueden reorganizarse en pocas moléculas de producto. Ambos estados tienen algunas energías y uno postula que la reacción implica algún estado intermedio cuando todo está mezclado (esta es una visión simple; ya que puede haber pocos estados de este tipo, pocas subreacciones ocultas, cosas -- no lo discutiré). Esto se puede graficar como:

donde S son los estados de los sustratos, con energía $E_S$ que se calienta un estado intermedio de una energía más alta $E_I$ y finalmente el estado de energía de los productos $E_P$ . Ahora, el núcleo de la química:

• El equilibrio entre los átomos en el estado de sustrato y en el estado de producto después de un tiempo infinito sólo se rige por la diferencia de energía $E_S-E_P$ (y la temperatura, la presión y otras cosas que suponemos constantes)
• La velocidad de la reacción depende de la energía del estado intermedio $E_I$ porque suponemos que los sustratos deben reunir $E_I-E_S$ de las fluctuaciones térmicas y colisionan hacen formar el estado intermedio.

Una enzima forma un entorno adecuado y suele mejorar la organización espacial de los sustratos para disminuir $E_I$ y mejorar en gran medida la velocidad de reacción.

Ahora bien, en una célula tenemos decenas de moléculas diferentes y, por tanto, una enorme cantidad de reacciones posibles. Además, la célula está sometida a un constante intercambio de materia con el entorno, por lo que la situación es dinámica y está lejos del equilibrio estático definido por $E_S-E_P$ diferencias. Por ello, la capacidad de las enzimas de cambiar la velocidad de reacción es suficiente para formar un equilibrio dinámico que conocemos como metabolismo.

Así que finalmente puedo volver al papel de ATP. Vamos a considerar una situación en la que tenemos una reacción $S \leftrightarrows P$ pero $E_S<E_P$ Esta reacción irá, por supuesto, en la dirección contraria a la deseada y el equilibrio se desplazará hacia los sustratos. Ahora, digamos que tenemos también una reacción $S_X \leftrightarrows P_X$ para lo cual $E_{S_X}>>E_{P_X}$ . Es posible que ambas reacciones se produzcan conjuntamente creando la reacción $S+S_X \leftrightarrows P+P_X$ lo que tendría un efecto positivo $E_{S}-E_{P}$ Sin embargo, en la mayoría de los casos esto sería muy improbable (lo que corresponde a grandes $E_I$ ). Sin embargo, este obstáculo podría ser fácilmente omitido - con la ayuda de una enzima apropiada.

Reasumiendo, el papel de la enzima es cambiar temporalmente el equilibrio de la reacción endoenergética aumentando la probabilidad de su co-ocurrencia con la transición exoenergética de ATP a ADP+P.

Esto es, por supuesto, una imagen trivial y muy errónea =) Puedes empezar a aprender más aquí .

Answer 2

Siempre me lo imaginé de la siguiente manera, aunque no es lo que se lee en Wikipedia, o en los libros de texto de química:

El ATP tiene tres grupos fosfato con carga negativa, que se repelen mucho, pero que están unidos por un enlace químico demasiado fuerte para que la repulsión se supere por sí sola. Cuando el ATP se une a la proteína, ésta rompe uno de los fosfatos, y este fosfato empuja con fuerza a los otros dos mientras se aleja, realizando un trabajo mecánico. Esto obliga mecánicamente a partes de la proteína a cerrarse o abrirse, proporcionando energía para la reacción. No hay nada más mágico que las fuerzas electrostáticas entre los grupos de fosfato, y las fuerzas son principalmente electrostáticas, no entrópicas.

Los valores teóricos del contenido energético del ATP se dan siempre en términos de la energía máxima que podría extraerse teóricamente, dada la temperatura y las concentraciones, si se hace funcionar un motor térmico adiabático perfecto. Pero creo que esto es engañoso, porque las proteínas no son tan sofisticadas. Desperdician gran parte de la energía libre, porque sólo utilizan fuerzas mecánicas, dejan que el fosfato saliente caliente el agua, no están haciendo las cosas de forma particularmente adiabática, y creo que la cantidad real de trabajo útil realizado para una proteína por el ATP es una fracción del contenido de energía libre, esencialmente sólo la energía potencial de repulsión electrostática entre el $\gamma$ fosfato y los otros dos, por lo que no depende de la temperatura ni de la concentración.

Answer 3

Suele ser más indirecto que eso. Tendrás que conocer bastante mejor la termodinámica estadística bioquímica de los procesos irreversibles. Buscaré algunas referencias.

Volviendo a tu ejemplo de una enzima E que cataliza la reacción exotérmica resumida en X + Y + E + ATP -> X-Y + E + ADP + P(i), estoy de acuerdo con la respuesta anterior en que (4) la reacción ATP -> ADP + P(i) en el agua en condiciones estándar de laboratorio es siempre energéticamente favorable, es decir, siempre se libera energía libre y aumenta la entropía como resultado de esta reacción. Es este aumento de entropía el que impulsará la reacción en la dirección de avance.

Finalmente, la energía libre liberada será en forma de muchos fotones o fonones infrarrojos lejanos, lo que es mucho más probable (muchos más estados de este tipo) que tenerla toda localizada en el único enlace del ATP, por lo que la reacción irá estadísticamente en una dirección.

Sus puntos 5 y 6 son demasiado específicos. El mecanismo específico al que te refieres, la transferencia de energía resonante, puede ocurrir en algunos casos bastante especiales, pero es inusual. En cambio, lo más frecuente es que las enzimas formen un intermediario fosforilado lábil temporal E-P que cambia la carga en el sitio activo y, por tanto, la forma del sitio activo mediante a)E + ATP -> E-P + ADP b)H2O + E-P ->E + P(i) como parte de la reacción global resumida anteriormente. No es necesaria la resonancia, ya que los efectos de carga hacen todo el trabajo.

Otras enzimas diferentes funcionan formando intermediarios lábiles con uno de los sustratos como parte del resumen de la reacción global. E + X -> E-X . También son posibles muchos otros mecanismos.

El punto principal es que no es necesario que todo ocurra a la vez, ya que la estadística determinará una dirección neta para las reacciones acopladas que componen la reacción global, basándose en el cambio de energía libre global.

Otro punto es que la enzima siempre está cambiando de forma algo de las fluctuaciones ordinarias de temperatura ambiente que sufre, según la fórmula de Boltzmann.

Para reiterar, las reacciones pueden ser impulsadas en general por la estadística incluso si los primeros pasos son energéticamente desfavorables. Así que la situación es mucho más diversa de lo que has descrito (por eso es química). Un buen ejemplo de este último mecanismo es la síntesis de ácidos nucleicos a partir de trifosfatos de nucleótidos, la reacción global es impulsada por la liberación posterior de energía libre asociada a la división hidrolítica de la molécula de pirofosfato previamente liberada
H2O + P-P -> 2 P(i).

Answer 4

Hay algunas buenas respuestas aquí y estoy de acuerdo en que es importante entender los aspectos termodinámicos de la función de las enzimas, pero simpatizo con el OP en este punto: en el nivel más bajo todavía se quiere describir lo que ocurre con los enlaces y la energía incluso si los macroscopios del sistema (temperatura, presión, configuración) controlan las velocidades de reacción. Después de todo, la química es física de baja energía, y la termodinámica es física de grandes números.

A continuación se enlaza un artículo (de 2005) que resume los conocimientos actuales sobre la hidrólisis de ATP en la F1-ATPasa, uno de los complejos enzimáticos más sorprendentemente mecánicos de la naturaleza (¡véase el vídeo de YouTube enlazado!). Se trata básicamente de un estator y un rotor, que puede convertir entre ATP<->ADP+P y la rotación mecánica del rotor. Es una de las proteínas cruciales que impulsan la respiración en las mitocondrias de las células humanas de forma muy mecánica: los protones caen por un gradiente a través de la membrana mitocondrial, tirando del rotor, que convierte ADP+P en ATP. En los flagelos bacterianos (colas) se utiliza de la otra manera, el ATP lo impulsa como un motor que permite a las bacterias nadar.

La estructura 3D de la F1-ATPasa se conoce desde hace tiempo y hay algunas imágenes bonitas de ella en la web, pero el proceso no se entiende completamente. El artículo analiza los resultados de los experimentos y las simulaciones atómicas (uno de mis intereses de investigación) que dan pistas sobre cómo se transfiere exactamente la energía del enlace ATP.

Como en la mayoría de las funciones de las proteínas, se tiene una función muy mecánica (como sugiere el OP en el punto 7) en combinación con la redistribución de la carga coulombiana, así como los enlaces hidrogénicos y covalentes. Algunos especulan que el almacenamiento elástico de la energía mecánica puede participar (y de ahí la posibilidad de los fonones, supongo) - pero nunca he oído ninguna sugerencia de intercambio de fotones intra-proteína como el OP sugiere en pt. 5-6.

Intenté publicar el enlace a la página web del investigador del artículo enlazado a continuación, pero este sitio no me permitió publicar más de 2 enlaces en un post :) Lo siento

Acercamiento a la hidrólisis de ATP en la F1

ATP F1 ATPase youtube video

Answer 5

El diagrama de potencial de doble pozo mbq publicado es un diagrama operativo para el estado energético de una molécula, llámese M, que se fosforila ATP + M --> ADP + M-P. El átomo de fósforo se une a un grupo de residuos de aminoácidos en una cadena polipeptídica, a menudo treonina o tirosina en el caso de las quinasas. Las quinasas son enzimas que inician vías bioquímicas. El residuo de aminoácido fosforilado tiene ángulos de enlace diedros con los residuos de aminoácidos adyacentes en la cadena. Los ángulos de enlace sin fosforilar y fosforilados son sustancialmente diferentes, lo que refleja los dos mínimos en el potencial de doble pozo. El resultado es que la enzima presenta dos formas conformacionales. Estas formas pueden actuar como condiciones binarias, literalmente de encendido y apagado, para activar y desactivar una vía bioquímica.

Esto puede compararse con el principio de Landauer, que relaciona una condición de información binaria con la termodinámica. El ATP contiene 76j/mol de energía, que podemos identificar como la E. El trabajo o la energía útil extraída es el cambio de energía de la parte inferior del pozo a la superior. También hay energía en la entropía debido a un cambio químico, que para los dos estados es $k~ln(2)$ . Por lo tanto, la energía libre por mol $F~=~ 76j/mole$ debe ser mayor que la entropía para un cambio en la configuración o forma de la quinasa u otra molécula.