Adenosín trifosfato

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El trifosfato de adenosina (adenosín trifosfato, del inglés adenosine triphosphate o ATP) es un nucleósido trifosfato fundamental en la obtención de energía celular. Se usa en las células como una coenzima, normalmente referida como la "moneda molecular" de la transferencia de energía intracelular.[1] 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. Es la principal fuente de energía para la mayoría de las funciones celulares.

Se produce durante la fotorrespiración y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos. Su fórmula molecular es C10H16N5O13P3.

El ATP transporta energía química dentro de las células para el metabolismo. Es uno de los productos finales de la fosofrilación, respiración aeróbica,y de la fermentación, y es usado por la enzimas y proteínas estructurales en muchos procesos celulares, incluyendo reacciones biosintéticas, motilidad, y división celular.[2] Una molécula de ATP contiene tres grupos fosfatos y es producida por una variedad de enzimas, incluyendo la ATP sintasa, a partir adenosín difosfato (ADP) o adenosín monofosfato (AMP) y varios grupos donadores de fosfatos. La fosforilación a nivel de sustrato, la fosforilación oxidativa en la respiración celular y la fotofosforilación en fotosíntesis son los tres mecanismos principales de biosíntesis de ATP.

Los procesos metabólicos que usan ATP como fuente de energía la convierten en su precursor. Por lo tanto, el ATP, se está reciclando constantemente en los organismos, el cuerpo humano, que en promedio contiene 250 gramos de ATP,[3] gira sobre su propio equivalente de peso corporal en ATP cada día.[4]

El ATP se usa como sustrato en los mecanismos de transducción de señal por cinasas que fosforilan proteínas y lípidos. También se usa por el adenilato ciclasa. que usa el ATP para producir el segundo mensajero de la molécula AMP cÍclico. La relación entre ATP y AMP se usa para que una célula pueda saber cuánta energía hay disponible y controlar las rutas metabólicas que producen y consumen ATP.[5] Además de sus roles de señalización y metabolismo de energía, el ATP también se incorpora en los ácidos nucleicos por polimerasas en el proceso de la transcripción. Se cree que el ATP es el neurotransmisor responsable de señalizar el sentido del gusto.[6]

La estructura de la molécula consiste en una base purina (adenina) enlazada por el átomo de nitrógeno 9' al carbón 1' de la azúcar pentosa (ribosa). Tres grupos fosfatos están enlazados al átomo d carbón 5'.

Descubrimiento[editar]

El trifosfato de adenosina fue aislado por primera vez del músculo humano en 1929 en los Estados Unidos por Cyrus H. Fiske y Yellapragada Subbarao[7] , e independientemente, en Alemania por Karl Lohman.[8] No fue, sin embargo, hasta diez años más tarde cuando empezó a reconocerse el papel central del ATP en la transferencia de energía. En 1941, Fritz Lipmann (Premio Nobel, 1953) ayudado por las contribuciones de Herman Kalckar, apuntó la hipótesis de la naturaleza cíclica del papel del ATP en los procesos bioenergéticos escribiendo: "No se pueden dar respuestas definidas a la pregunta de cómo opera el alto potencial del grupo fosfato como promotor de varios procesos si bien se puede reconocer una interconexión más o menos estrecha con el recambio del fosfato. El ciclo metabólico (es) comparable a una máquina que genera corriente eléctrica. Parece, de hecho, que en la organización celular la «corriente» de fosfato juega un papel similar al de corriente eléctrica en la vida de los seres humanos. Es también una forma de energía utilizada para todos los fines."[9] Fue sintetizada por primera vez en 1948 por Alexander Todd .[10]

Propiedades físicas y químicas[editar]

El ATP consiste de adenosina — compuesta e un anillo de adenina y una azúcar ribosa — y tres grupos fosfatos (tifosfato). Los grupos fosforilos, empezando con el grupo más cercano a la ribosa, son referidos como los fosfatos alfa (α), beta (β), y gamma (γ). Consecuentemente, está muy relacionado con el nucleótido de adenina, un monómero del ARN. El ATP es altamente soluble en agua, y es bastante estable en soluciones entre el pH de 6.8 y 7.4, pero es hidrolizado rápidamente en pH extremo. Por lo tanto, el ATP es mejor almacenado como una sal anhídrida.[11]

El ATP es una molécula inestable en agua sin búfer, en la cual se hidroliza a ADP y un fosfato. Esto sucede porque la fuerza de los enlaces entre los grupos fosfato en el ATP es menor a la fuerza de los enlaces de hidrógeno, entre sus productos (ADP + fosfato), y agua. Entonces si el ATP y el ADP están en equilibrio químico, casi todo el ATP se convertirá eventulamente en ADP. Un sistema que está alejado del equlibrio contiene energía libre de Gibbs, y es capaz de hacer trabajo. Las células vivdas mantienen la relación de ATP a ADP en un punto que se encuentra a a 10 órdenes de magnitud del equilibrio, con las concentraciones de ATP cinco veces mayor que la concentración de ADP. Este desplazamiento del equilibrio signiifica que la hidrólisis del ATP en las células libera una gran cantidad de energía libre.[12]

Dos enlaces fosfoanhídridos (los que conectan fosfatos adyacentes) en una molécula de ATP son responsables por el alto contenido de energía en esta molécula.[13] En el contexto de reacciones bioquímicas, a estos enlaces anhídridos se les refiere frecuentemente— y a veces controversialmente— como enlaces de alta energía(a pesar del hecho que se requiere energía para romperlos).[14] La energía almacenada en el ATP puede ser liberada por la hidrólisisEde los enlacs anhídridos.[13] El grupo fosfato primario en la molécula de ATP que se hidroliza when se requiere energía para llevar a cabo reacciones anabólicas is the grupo fosfato-γ. Ubicado lo más lejos de la ribosa, tiene mayor energía para la hidrólisis que un fosfato alfa o beta. Los enlaces formados después de la hidrólisis—o la fosforilación de un residuo por ATP— son de menor energía que los enlaces enlaces fosfoanhídridos de ATP. Durante la hidrólisis enzímática del ATP o la fosforilacion por ATP, la energía libre disponible puede ser aprovechada por un sistema vivo para realizar trabajo.[15] [16]

Cuaqluier sistema inestable de moléculas potencialmente reactivas podría funcionar potencialmente como una manera para almacenar la energía libre, si la célula mantuviera su concentración alejada del punto de equlibrio de la reacción.[12] Sin embargo, como es el caso, la mayoría de las biomoléculas poliméricas. el rompimiento del ARN, del ADN y del ATP a monómeros más simples se lleva a cabo por reacciones que liberan energía y aumentan la entropía, en concentraciones estándar y en las concentraciones que se encuentran dentro de la célula.

La cantidad estándar de energía liberada de la hidrólisis de ATP puede ser calculada por los cambios de energía bajo condiciones no naturales (estándar), luego corrigiendo a concentraciones biológicas. El cambio neto en energía de calor (entalpía) a temperatura y presión estándar de la descomposición de ATP a ADP y un fosfato inorgánico hidratado son −30.5 kJ/mol, con un cambio en la energía libre de 3.4 kJ/mol.[17] La energía liberada al separar un fosfato (Pi) o una unidad de pirofosfato (PPi) de ATP en estado estándar de 1 M es:[18]

ATP + H
2
O
→ ADP + Pi   ΔG˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol)
ATP + H
2
O
→ AMP + PPi   ΔG˚ = −45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol)

Estos valores pueden ser usados para calular el cambio de energía bajo condiciones fisiológicas y la relación celular de ATP/ADP. Sin embargo, un valor más representativo (que considera al AMP) llamado la carga de energía está siendo empleado cada vez más. Los valores dados por la energía libre de Gibbs para esta reacción son dependientes de un número de factores, incluyendo la fuerza iónica general y la presencia de iones de metal alcalinos Mg2+
y Ca2+
. Bajo condiciones celulares normales, la ΔG es aproximadamente −57 kJ/mol (−14 kcal/mol).[19]

Esta imagen muestra una rotación completa de 360 grados, de un quelato Magnesio-ATP en su fase gaseosa, con una carga de 2-. La molécula fue optimizada en UB3LYP/6-311++G(d,p) a nivel teórico y la conectividad atómica fue modificada por el optimizador humano para reflejar la probable estructura electrónica.

Ionización en sistemas biológicos[editar]

El ATP (adenosín trifosfato) tiene diversos grupos con diferentes constantes de disosiación ácida. En una solución neutral, el ATP ionizado existe mayormente como ATP4−, con una pequeña proporción de ATP3−.[20] Como el ATP tiene varios grupos cargados negativamente en solución neutral, puede quelar metales con afinidad muy alta. La constante de unión para varios iones metálicos es (dada por mol) Mg2+
(9 554), Na+
(13), Ca2+
(3 722), K+
(8), Sr2+
(1 381) y Li+
(25).[21] Debido a la fuerza de la interacciones, el ATP existe en la célula principalmente en un complejo con Mg2+
.[20] [22]

Biosíntesis[editar]

La concentración de ATP dentro de la célula normalmente es 1–10 mM.[23] El ATP puede ser producido con reacciones redox, usando azúcares simples y complejas (carbohidratos) o lípidos como fuente de energía. Para sintetizar combutibles complejos en ATP, primero tienen que ser degradados a moléculas más pequeñas y más sencillas. Los carbohidtratos se hidrolizan en azúcares más simples como glucosa y fructosa. Las grasas (triglicéridos) son metabolizadas para formar ácidos grasos y glicerol.

El proceso completo de oxidar glucosa a dióxido de carbono es conocido como respiración celular y puede producir alrededor de 30 moléculas de ATP de una simple molécula de glucosa.[24] El ATP puede ser producido por un número de distintos procesos celulares: las tres rutas principales usadas para generar energía en organismos eucarióticos son glucólisis y el ciclo del ácido cítrico/ fosforilación oxidativa, ambas son componentes de la respiración celular y beta oxidación.. La mayoría de esta producción de ATP por un eucarionte aerobio, no fotosintético ocurre en la mitochondria, que forma alrededor del 25% del volumen total de una célula típica.[25]

Función en la fotosíntesis[editar]

Entre las reacciones químicas de la fotosíntesis de las plantas, la clorofila utiliza la luz del Sol para impulsar una cadena de reacciones que almacena la energía en forma de energía química en la molécula cargada de energía del ATP. La energía química guardada en el ATP es utilizada por la planta en muchas reacciones químicas, cuando la planta necesita energía para impulsar una reacción química, muchas veces la toma del ATP, que al cederla se "gasta" (se transforma en una molécula de más baja energía llamada ADP). La planta puede utilizar muchas moléculas como fuente de energía química (por ejemplo puede utilizar las moléculas de almacenamiento, como el almidón de las plantas terrestres, o las de transporte, la sacarosa), pero muchas veces, como primer paso la molécula seleccionada para esto debe transferirle su energía al ATP: mediante unas reacciones químicas la molécula pierde su energía química y a cambio el ADP se carga de energía química en forma de ATP.

Reacción química de formación de ATP. La energía con la que se forma el ATP puede ser tomada por ejemplo de la luz del Sol, por fotosíntesis, aunque también puede tomar energía por otros medios, como de la degradación de la glucosa.

De los productos de la fotosíntesis, el oxígeno no se utiliza, y es liberado al medio. A partir de los productos de la fotosíntesis se pueden continuar las reacciones químicas de biosíntesis para construir todas las demás moléculas que necesita la planta (anabolismo). La glucosa y sus derivados, son utilizados por la planta de dos maneras: por un lado los utiliza como componentes estructurales, con los que se forma el cuerpo físico de cada célula de la planta (en forma de celulosa), y por otro lado los utiliza como fuente de energía química, por ejemplo para formar más ATP cuando éste escasea. Si bien durante el proceso de fotosíntesis la planta toma algo de la energía de la luz del Sol para formar ATP, no le alcanza para cubrir sus necesidades (en especial en los momentos en que la planta no está expuesta a la luz, y en los órganos que no son fotosintéticos), por lo que debe recurrir a la glucosa y otros derivados almacenados o transportados para utilizarlos como fuente de energía química, principalmente en el proceso llamado respiración celular (las plantas también respiran oxígeno).

Hidrólisis[editar]

Molécula de ATP y su hidrólisis a ADP + Pi:

Atp2.jpg

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 7,7 kcal/mol. Es decir:

ΔG = -7,7 kcal/mol o lo que es lo mismo, aproximadamente - 31 KJ/mol

Es una reacción muy exergónica. Su es 11.

Así se comprende que el ATP tiene tendencia a hidrolizarse de forma natural y liberar energía.

Razones químicas de la tendencia a la hidrólisis[editar]

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 que almacena en los enlaces de alta energía que unen los grupos fosfato gran cantidad de energía para las funciones biológicas y se liberan cuando uno o dos de los fosfatos se separan de las moléculas de ATP.

Glucólisis[editar]

En la glucólisis, la glucosa y el glicerol se metabolizan en piruvato a través de la ruta glucolítica. En la mayoría de los organismos, este proceso ocurre en el citosol, pero en algunos protozoarios como kinetoplastids, este se lleva a cabo en un organelo especializado llamado el glicosoma.[26] La glucólisis genera dos moléculas de ATP netas a través de la fosforilación de sustratos catalizada por dos enzimas. fosfoglicerato quinasa y piruvato quinasa. Dos moléculas de NADHatambién son producidas, que pueden ser oxidadas a través de la cadena de transporte de electrones y resultar en la generación de dos ATP adicionales por la ATP sintasa. El piruvato generado como un producto final de la glucólisis es un sustrato para el ciclo de Krebs re also produced,.[27]

Glucosa[editar]

En la mitocondria, el piruvato es oxidado por el complejo piruvato deshidrogenasa a un grupo acetilo, el cual es oxidado completamente a dióxido de carbono por el ciclo de ácido cítrico (también conocido como el ciclo de Krebs). Cada "vuelta" del ciclo del ácido cítrico produce dos moléculas de dióxido de carbono, una molécula de ATP equivalente a guanosín trifosfato (GTP) a través de la fosforilación de nivel de sustrato catalizada por succinyl-CoA sintetasa, tres moléculas de la coenzima reducida NADH, y una mlécula de la coenzima reducida FADH2. Ambas moléculas son recicladas a sus estados oxidados (NAD+ y FAD, respectivamente) a través de la , que genera ATP adicional por la fosforilación oxidativa. La oxidación de una molécula de NADH resulta en la síntesis de 2 a 3 moléculas de ATP y la oxidación de un FADH2 produce entre 1–2 moléculas de ATP.[24] La mayoría del ATP celular es producido por ese proceso. Aunque el ciclo de Krebs no involucra oxígeno molecular por sí mismo, es un proceso aeróbico porque se requiere O
2
para reciclar el NADH y el FADH2 reducidos para sus estados oxidados. En la ausencia de oxígenos el ciclo de Krebs se detendrá debido a la falta de NAD+ y FAD disponibles.[25]

En la fosforilación oxidativa, el paso de electrones de NADH y FADH2 a travpes de la cadena de transporte de electrones activa la bombeo de potrones fuera de la matriz mitrocondrial y hacia el espacio intermembranal. Esto genera una quimiosmosis que es el efecto neto de un gradiente de pH y un gradiente de potencial eléctrico a través de la membrana interna mitocondrial. El flujo de potrones hacia este potencial gradiente — que es, del espacio intermembranal a la matriz — proporciona la fuerza necesaria para la síntesis de ATP por la ATP sintasa. Esta enzima contiene una subunidad de rotor que físicamente rote relativamente a las porciones estáticas de la proteína durante la síntesis de ATP.[28]

La mayoría del ATP sintetizados en la mitocondria será usado para procesos celulares en el citosol; entonces debe ser exportado de su sitio de síntesis a la matriz mitocondrial. La membrana interna contiene un detoxificador, la ADP/ATP translocasa, que es una proteína integral de membrana usada para intercambiar nuevos ATP sintetizados por ADP en el espacio intermembranal.[29] Esta translocasa es dirigida por el potencial de membrana, que resulta del movimiento de cerca de 4 cargas negativas fuera de la membrana mitocondrial a cambio de 3 cargas negativas movidas hacia adentro. Sin embargo, también es necesario transportar el fosfato dentro de la mitocondria; el que lleva el fosfato mete un protón con cada fosfatos, disipando parcialmente el gradiente de protones

Beta oxidación[editar]

Los ácidos grasos también pueden descomponerse en acetil-CoA por beta-oxidación. Cada vuelta de este ciclo reduce la longitud de la cadena acil por dos átomos de carbono y produce un NADH y una molécula de FADH2 molecule, que son usadas para generar ATP por fosforilación oxidativa. Ya que NADH y FADH2 son moléculas ricas en energía, docenas de moléculas de ATP pueden ser generadas por la beta oxidación de una simple cada larga de acil. La alta producción de energía de este proceso y el almacenamiento compacto de grasas explica porque es la fuente de calorías más densa.[30]

Fermentación[editar]

La fermentación conlleva a la generación de energía a través del proceso de fosforilación a nivel de sustrato en la ausencia de una cadena de transporte de electrones . En la mayoría de los eucariotes, la glucosa se usa tanto como un acumulador de energía como un donador de electrones. La ecuación de la oxidación de la glucosa a ácido láctico es:

C
6
H
12
O
6
2CH
3
CH(OH)COOH
+ 2 ATP

Respiración anaerobia[editar]

La respiración anaerobia es el proceso de respiración usando un aceptor de electrones diferente de O
2
. En procariotes, se pueden usar múltiples aceptores de electrones para realizar respiración anaerobia. Esto incluye al nitrato, sulfrato o dióxido de carbono. Estos procesos conducen a procesos sumamente importante para el medio ambiente, la desnitrificación, la reducción de sulfatos y la acetogenesis,. respectivamente[31] [32]

Reposición de ATP por las quinasas nucleósido difosfato[editar]

El ATP tambiém úede ser sintetizado a través de, reaccione de "reposiciones" catalizadas por las familias de las enzimas quinasas nucleósido difosfato, que usan otros nucleósidos trifosfatos como donadores de alta energía de fosfato, y la familia de ATP:guanido-fosfotransferasa,

Producción de ATP durante la fotosíntesis[editar]

En plantas, el ATP se sintetiza el la membrana tilacoide del cloroplasto durante las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis en un proceso llamado fotofosforilación. Es aquí, donde la energía de la luz se usa para mandar protones a través de la membrana del cloroplasto. Esto produce un gradiente de protones y esto conduce al ATP sintasa, exacatamente como en la fosforilación oxidativa.[33] Algunos de los ATP producidos en el cloroplasto se consume en el ciclo de Calvin que produce azúcares triosa

Reciclaje de ATP[editar]

La cantidad total de ATP en el cuerpo humano es de alrededor de 0.2 mol. La mayoría del ATP no es sintetizada de novo, pero se genera del ADP por el proceso ya mencionado. Entonces, en cualquier momento, la cantidad total de ATP + ADP permanece relativamente constante.

La energía usada por las células humanas requiere la hidrólisis de 100 a 150 moles de ATP diariamente, que son alrededor de 50 a 75 kg. Una persona normalmente usará su peso en ATP en el transcurso del día.[34] Esto significa que cada molécula de ATP se recicla entre 500 a 750 veces durante un sólo día. (100 / 0.2 = 500).El ATP no puede ser almacenado, por lo tanto su consumo es directamente después de su síntesis. Sin embargo un total de alrededor de 5g de ATP se usa por procesos celulares en cualquier momento en el cuerpo.

Regulación de la biosíntesis[editar]

La producción de ATP en una célula eucariota aerobia está regulado estrictamente por mecanismo alostéricos, por efectos de feedback, y por la dependencia de la concentración de sustrato de enzimas individuales dentro de las rutas de glucólisis y fosforilación oxidativa. En las reacciones enzimáticas existen puntos de control clave que son tan favorables energéticamente que son son efectivamente irreversibles bajo las condiciones fisiológicas.

En la glucólisis, la hexoquinasa es inhibida directamente por su producto, glucosa-6-fosfato, y piruvato quinasa es inhibida por el mismo ATP. El punto de control principal para las rutas glucolíticas es la fosfofrcutoquinasa, que es alostéricamente inhibida por altas concentraciones de ATP, y activada por altas concentraciones de AMP. La inhibición de la fosfofructoquinasa por ATP no es común, ya que el ATP también es el sustrato en le reacción catalizada por la fosofructoquinasa; la forma biológicamente activa de la enzima es un tetrámero que existe en dos posibles conformaciones, de las cuales sólo una se une al segundo sutrato fructosa-6-fosfato (F6F). La proteína tiene dos sitios de unión para el ATP — el sitio activo es accesible para cualquiera de las conformaciones de la proteína, pero que el ATP se una al sitio inhibitor estabiliza la conformación que se une pobremente al F6F.[27] Un número de otras moléculas puede compensar por al cambio de ATP inducido en la conformación del equilibrio y reactivar la fosfofructoquinasa, incluyendo AMPc, iones de amonio, fosfatos inorgánicos y fructosa 1,6 y 2,6 bifosfato..[27]

El ciclo del ácido cítrico se regula principalmente por la disponibilidad de sustratos clave, particularmente la relación de NAD+ a NADH y las concetrnaciones de calcium, de fosfatos inorgánicos, de ATP, ADP y AMP Citrato — la molécula que le da al ciclo su nombre — es un inhibidor por feedback de citrato sintasa y también fosfofructoquinasa, proporcionando un enlace directo entre la regulación del ciclo de ácido cítrico y la glucólisis,.[27]

En la fosforilación oxidativa, el punto de control clave es la reacción catalizada por citocromo c oxidasa que es regulada por la disponibilidad de sutrato—la forma reducida de citocromo c. La cantidad de citocromo c reducida disponible se relaciona directamente a la cantidad de otros sutratos:

que implica directamente esta ecuación:

Entonces, una gran relación de [NADH] a [NAD+] o una gran relación de [ADP] [Pi] a [ATP] implican una gran cantidad de citocromo c reducido y un alto nivel de actividad de citocromo c oxidasa.[27] Un nivel adicional de regulación es introducido por la velocidad del transporte de ATP y NADH entre la matriz mitocondrial y el citoplasma..[29]

Función en células[editar]

Metabolismo, síntesis y transporte activo[editar]

El ATP se consume en la célula en los procesos que requieren energía (endergónicos) y pueden ser generados por procesos que liberan energía (exergónicos). De esta manera el ATP, transfiere energía entre reacciones metabólicas separadas espacialmente. El ATP es la fuente principal de energía para la mayoría de las funciones celulares. Esto incluye la síntesis de macromoléculas, incluyendo el ADN,ARN y proteínas. El ATP también juega un papel crítico en el transporte de las macromoléculas a través de las membranas celulares e.g. exocitosis and endocitosis.

Roles en la estructura celular y locomoción[editar]

El ATP es involucrado críticamente en mantener la estructura de la célula al facilitar el ensamblajes y desensamblaje de elementos del citoesqueleto. En un proceso relacionado, el ATP se requiere para acortar los filamentos cruzados de actina y miosina requeridos por la contracción muscular. Este último proceso es uno de los requerimientos de energía de los animales y es esencial para la locomoción y respiración

Señalización celular[editar]

Señalizacion extracelular[editar]

El ATP también es una molécula de señalización. ATP, ADP, o adenosina son reconocidos receptores purinérgicos. Los purinoreceptoers deben ser los receptores más abundantes en téjido mamífero.[35]

En humanos, el papel de la señalización es importante para los sistemas nveriosos central y perfiérico.[36] La liberación de ATP depende Activity-dependent release of ATP from synapses, axons and glia activates purinergic membrane receptors known as P2.[37] The P2Y receptors are metabotropic, i.e. G protein-coupled and modulate mainly intracellular calcium and sometimes cyclic AMP levels. Though named between P2Y1 and P2Y15, only nine members of the P2Y family have been cloned, and some are only related through weak homology and several (P2Y5, P2Y7, P2Y9, P2Y10) do not function as receptors that raise cytosolic calcium. The P2X ionotropic receptor subgroup comprises seven members (P2X1–P2X7), which are ligand-gated Ca2+
-permeable ion channels that open when bound to an extracellular purine nucleotide. In contrast to P2 receptors (agonist order ATP > ADP > AMP > ADO), purinergic nucleoside triphosphates like ATP are not strong agonists of P1 receptors, which are strongly activated by adenosine and other nucleosides (ADO > AMP > ADP > ATP). P1 receptors have A1, A2a, A2b, and A3 subtypes ("A" as a remnant of old nomenclature of adenosine receptor), all of which are G protein-coupled receptors, A1 and A3 being coupled to Gi, and A2a and A2b being coupled to Gs.[38] All adenosine receptors were shown to activate at least one subfamily of mitogen-activated protein kinases. The actions of adenosine are often antagonistic or synergistic to the actions of ATP. In the CNS, adenosine has multiple functions, such as modulation of neural development, neuron and glial signalling and the control of innate and adaptive immune systems.[35]

Señalización intracelular[editar]

ATP is critical in signal transduction processes. It is used by kinases as the source of phosphate groups in their phosphate transfer reactions. Kinase activity on substrates such as proteins or membrane lipids are a common form of signal transduction. Phosphorylation of a protein by a kinase can activate this cascade such as the mitogen-activated protein kinase cascade.[39]

ATP is also used by adenylate cyclase and is transformed to the second messenger molecule cyclic AMP, which is involved in triggering calcium signals by the release of calcium from intracellular stores.[40] This form of signal transduction is particularly important in brain function, although it is involved in the regulation of a multitude of other cellular processes.[41]

DNA and RNA synthesis[editar]

In all known organisms, the Deoxyribonucleotides that make up DNA are synthesized by the action of ribonucleotide reductase (RNR) enzymes on their corresponding ribonucleotides.[42] These enzymes reduce the sugar residue from ribose to deoxyribose by removing oxygen from the 2' hydroxyl group; the substrates are ribonucleoside diphosphates and the products deoxyribonucleoside diphosphates (the latter are denoted dADP, dCDP, dGDP, and dUDP respectively.) All ribonucleotide reductase enzymes use a common sulfhydryl radical mechanism reliant on reactive cysteine residues that oxidize to form disulfide bonds in the course of the reaction.[42] RNR enzymes are recycled by reaction with thioredoxin or glutaredoxin.[27]

The regulation of RNR and related enzymes maintains a balance of dNTPs relative to each other and relative to NTPs in the cell. Very low dNTP concentration inhibits DNA synthesis and DNA repair and is lethal to the cell, while an abnormal ratio of dNTPs is mutagenic due to the increased likelihood of the DNA polymerase incorporating the wrong dNTP during DNA synthesis.[27] Regulation of or differential specificity of RNR has been proposed as a mechanism for alterations in the relative sizes of intracellular dNTP pools under cellular stress such as hypoxia.[43]

In the synthesis of the nucleic acid RNA, adenosine derived from ATP is one of the four nucleotides incorporated directly into RNA molecules by RNA polymerases. The energy driving this polymerization comes from cleaving off a pyrophosphate (two phosphate groups).[44] The process is similar in DNA biosynthesis, except that ATP is reduced to the deoxyribonucleotide dATP, before incorporation into DNA.

Amino acid activation in protein synthesis[editar]

Aminoacyl-tRNA synthetase enzymes utilize ATP as an energy source to attach a tRNA molecule to its specific amino acid, forming an aminoacyl-tRNA complex, ready for translation at ribosomes. The energy is made available by ATP hydrolysis to adenosine monophosphate (AMP) as two phosphate groups are removed. Amino acid activation refers to the attachment of an amino acid to its Transfer RNA (tRNA). Aminoacyl transferase binds Adenosine triphosphate (ATP) to amino acid, PP is released. Aminoacyl transferase binds AMP-amino acid to tRNA. The AMP is used in this step.

Amino Acid Activation[editar]

During amino acid activation the amino acids (aa) are attached to their corresponding tRNA. The coupling reactions are catalysed by a group of enzymes called aminoacyl-tRNA synthetases (named after the reaction product aminoacyl-tRNA or aa-tRNA). The coupling reaction proceeds in two steps:

1. aa + ATP aa-AMP + PP, (pyrophosphate) 2. aa-AMP + tRNA aa-tRNA + AMP

The amino acid is coupled to the penultimate nucleotide at the 3’-end of the tRNA (the A in the sequence CCA) via an ester bond (roll over in illustration). The formation of the ester bond conserves a considerable part of the energy from the activation reaction. This stored energy provides the majority of the energy needed for peptide bond formation during translation.

Each of the 20 amino acids are recognized by its specific aminoacyl-tRNA synthetase. The synthetases are usually composed of one to four protein subunits. The enzymes vary considerably in structure although they all perform the same type of reaction by binding ATP, one specific amino acid and its corresponding tRNA.

The specificity of the amino acid activation is as critical for the translational accuracy as the correct matching of the codon with the anticodon. The reason is that the ribosome only sees the anticodon of the tRNA during translation. Thus, the ribosome will not be able to discriminate between tRNAs with the same anticodon but linked to different amino acids.

The error frequency of the amino acid activation reaction is approximately 1 in 10 000 despite the small structural differences between some of the amino acids.[45]

Binding to proteins[editar]

Some proteins that bind ATP do so in a characteristic protein fold known as the Rossmann fold, which is a general nucleotide-binding structural domain that can also bind the coenzyme NAD.[46] The most common ATP-binding proteins, known as kinases, share a small number of common folds; the protein kinases, the largest kinase superfamily, all share common structural features specialized for ATP binding and phosphate transfer.[47]

ATP in complexes with proteins, in general, requires the presence of a divalent cation, almost always magnesium, which binds to the ATP phosphate groups. The presence of magnesium greatly decreases the dissociation constant of ATP from its protein binding partner without affecting the ability of the enzyme to catalyze its reaction once the ATP has bound.[48] The presence of magnesium ions can serve as a mechanism for kinase regulation.[49]

Un ejemplo del doblez de Rossmann, un dominio estructural de una enzima decarboxilasa de la bacteria Staphylococcus epidermidis (PDB ID 1G5Q) con un cofactor de mononucleótido de flavina unido.

Análogo de ATP[editar]

Los laboratorios de bioquímica normalmente usan estudio in vitro para explorar los procesos moleculares dependientes de ATP. Inhibidores de enzimas dependientes de ATP como las quinasas se necesitan para examinar los sitios de unión los estados de transición involucrados en las reacciones dependientes de ATP. Los análogos de ATP también se usan en estudios de cristalografía de rayos X para determinar la estructura de las proteínas en complejos con ATP, normalmente junto con otras sustancias. Los análogos de ATP más útiles no pueden ser hidrolizados como lo sería el ATP; en lugar atrapan la enzima en una estructura bastante relacionada al estado de ATP-unido. Adenosina 5'-(gamma-thiotrifosfato) es un análogo de ATP extremadamente común en el que uno de los oxígenos de gamma-fosfato es reemplazado por un átomo de azufre; esta molécula se hidroliza a una velocidad mucho menor que el ATP y funciona como in inhibidor de procesos dependientes de ATP. En estudios de cristalografía, los estados de transición de la hidrólisis son modelados por el ion vanadato unido. Sin embargo, se requiere sumo cuidado al interpretar los resultados de los experimentos usando análogos de ATP, ya que algunas enzimas pueden hidrolizarlos a velocidades aprecibales cuando hay alta concentración.[50]

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