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¿Por qué el ATP es la opción preferida para los portadores de energía?

¿Por qué el ATP es la opción preferida para los portadores de energía?


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¿Por qué el ATP es la forma más común de almacenamiento y utilización de energía química en la mayoría de las células?


Realmente me gusta esta pregunta ya que es un pilar fundamental de toda la vida en el planeta, sin embargo, existe una escasez de información real sobre sus orígenes y por qué la selección recompensa el uso de ATP sobre cualquier otra cosa. Aquí estoy hablando en general, ya que no existen estudios específicos en ATP frente a otros candidatos.

Gran parte de la información a continuación se toma de un artículo relativamente antiguo mencionado en los comentarios de TomD que analiza: "Por qué la naturaleza eligió los fosfatos". por Westheimer, 1987. El artículo es muy influyente y ha sido citado más de mil veces desde su publicación. Otro artículo que salió el mismo año en que se hizo esta pregunta. "¿Por qué la naturaleza De Verdad eligió el fosfato ". por Kamerlin et al., 2013

Algunos de los argumentos a continuación son más convincentes que otros, pero todos deben tenerse en cuenta al intentar responder a esta pregunta.

Resumen.

  • El ATP tiene un dominio ancestral. La mayoría de las otras razones se derivan de esto.

  • Es posible que los grupos de fosfato alternativos u otras moléculas no proporcionen suficiente energía.

  • Las alternativas pueden ser tóxicas.

  • Otras moléculas, en particular fosfatos, se utilizan para explosiones ineficientes de alta energía.

  • Pi es un grupo saliente "bueno".

  • Los fosfatos se pueden regular fundamentalmente mediante manipulación electrostática.

  • La ATP sintasa puede volver a unir eficientemente el Pi al ADP.

  • Hay una gran cantidad de Pi disponible para los organismos debido a su dominio ancestral ("si no está roto, ¿por qué arreglarlo?" Está en juego).

  • El ATP puede proporcionar más energía si es necesario; es escalable a la situación. (ADP se convierte en AMP + Pi)

  • Fácilmente utilizable por una variedad de proteínas.

¿Por qué ATP?

El ATP es una molécula eficiente y relativamente fácil de biosintetizar que puede cumplir múltiples funciones bioquímicas. Las células tienen portadores de energía alternativos, algunos con funciones más especializadas, sin embargo, el ATP es omnipresente en nuestras células y espacios intercelulares. No hay una gran cantidad de recursos que expliquen por qué el ATP es mejor que otros compuestos, sin embargo, existen muchas razones por las que se requieren los fosfatos.

¿Por qué no las alternativas?

Los ácidos cítricos y sus derivados son un buen candidato, con grupos deducibles y alta biodisponibilidad, pero simplemente no dan suficiente energía para estabilizar el material genético.

Otro candidato tribásico es el ácido arsénico. Sin embargo, este es un compuesto fundamentalmente tóxico, que no es particularmente bueno para los seres vivos.

También existen otros fosfatos y se utilizan en muchos organismos. En biología, tienen funciones específicas y no se utilizan como portador de energía general. Por ejemplo, el trifosfato de creatina proporciona un enlace fosfoanhídrido de alta energía, que a menudo se usa para regenerar ATP rápida y anaeróbicamente, útil durante la actividad muscular de alta velocidad para la contracción.

El GTP es estructuralmente muy similar al ATP. Las GTPasas se utilizan más para iniciar vías de señalización celular. A veces se utiliza como fuente de energía. Este es un buen ejemplo de un portador de energía alternativo.

A lo largo de los años, muchas proteínas se han especializado con una forma específica, y esta posibilidad es la razón principal detrás del ATP sobre el GTP. En otras palabras, la elección de ATP sobre GTP se debe principalmente a la preferencia celular de la forma molecular. Uno de ellos tuvo que surgir como el que se usaba más ampliamente, y fue el ATP el que 'ganó'.

Eficiencia y sencillez.

Alguna vez se pensó que la reacción era un desplazamiento nucleofílico relativamente simple. Del artículo de 2013:

... esta simplicidad es engañosa, ya que, incluso en solución acuosa, los orbitales d bajos en el átomo de fósforo permiten ocho posibilidades mecánicas distintas, incluso antes de introducir las complejidades de las reacciones catalizadas por enzimas.

Tradicionalmente, se le enseñará a uno que el ATP es una forma químicamente eficiente de almacenar y transportar energía. Esto se debe a la reacción de hidrólisis ATP-> ADP & Pi. Los grupos fosfato del ATP están llenos de cargas negativas y se repelen entre sí. Esto significa que el tercer fosfato es un gran grupo de despedida y romper el enlace fosfoanhídrido es una reacción favorable ...

… Pero la historia es mucho más complicada que eso. La explicación anterior no es realmente satisfactoria porque esas mismas fuerzas de carga negativa son repulsivas del nucleófilo que intenta completar ATP-> ADP & Pi. Una explicación más completa iría en la línea de "aunque existe una repulsión de carga negativa entre el nucleófilo de la proteína y el fosfato, esa barrera de alta energía puede superarse mediante manipulación electrostática". Esto permite un "interruptor de encendido y apagado" para la reacción hidrolítica modificando el entorno electrostático. Esta es otra gran herramienta reguladora que proporcionan los fosfatos. Esta característica reguladora es importante para las cascadas de señales y metabólicas / catabólicas.

Cuando se trata de 'volver a unir' el Pi a ADP, es bastante fácil ya que ADP rara vez se une covalentemente a algo, lo que requeriría mucha energía para recuperar el ADP. Esto también ayuda a la biodisponibilidad de ADP libre a ATP sintasa, una enzima increíblemente eficiente, que utiliza un gradiente de protones de membrana para impulsar la producción de ATP. Hablar de los números reales es difícil aquí, ya que solo hay datos disponibles de hepatocitos de rata. ¿Quién dice que los mamíferos son representativos de todos los organismos? Las estimaciones de energía de hidrólisis oscilan entre ΔG˚ = -48 kJ mol-1 y -30,5 kJ mol-1. Tenga en cuenta que estos son valores considerables, pero no excepcionales, por lo que es fácil que muchas proteínas diferentes, que no necesitan ser muy especializadas, rompan el vínculo en todo el cuerpo. Ni siquiera pude encontrar los números de la reacción de sintasa por ATP, pero una sola ATP sintasa puede producir hasta 600 ATP por minuto.

El punto final de esta eficiencia es que los elementos del ATP son muy abundantes y están establecidos en la biosfera, lo que los hace fácilmente disponibles. Esto hace que los fosfatos sean una biomolécula conveniente.

Multifuncionalidad.

El ATP es omnipresente en el cuerpo, pero en algunos casos se necesita más energía de la que hay disponible. En estos momentos de necesidad, el ATP se puede utilizar para producir más energía, rompiendo otro enlace fosfoanhídrido para convertirse en AMP + 2Pi. Sin embargo, el AMP es típicamente una molécula de señalización.

Con la baja energía de activación requerida para romper el enlace fosfoanhídrido, una multitud de enzimas, demasiadas para enumerarlas aquí, pueden hacer uso de ATP para obtener energía para la energía de activación para muchas otras funciones.


No me gusta este tipo de preguntas porque no creo que realmente se pueda responder y desconfío mucho de los argumentos que parecen afirmar que el ATP es la única o incluso la mejor solución al problema. La naturaleza generalmente demuestra que hay más de una forma de matar a un gato, pero si una forma funciona adecuadamente, no siempre es necesario buscar otra.

Este no es necesariamente el caso, por supuesto, si consideramos un ejemplo del mundo del ARN postulado, que a continuación, la catálisis con ARN fue reemplazada en la mayoría de los casos por la catálisis con proteínas. Entonces, a veces, una mejor solución proporciona una ventaja evolutiva y, a veces, si las cosas funcionan lo suficientemente bien, se mantienen, ya que el factor limitante está en otra parte.

Así que tiendo a pensar que el ATP funcionó, así que se mantuvo. Probablemente fue una casualidad que no fuera GTP, CTP o UTP, ya que funcionan como fuentes de energía en la transducción de señales, la síntesis de fosfolípidos y la síntesis de glucógeno, respectivamente.

Pero esto plantea la cuestión de la función o necesidad del anillo de purina o pirimidina en los nucleósidos trifosfatos. Por lo que puedo ver, la respuesta es que esto no tiene una función indispensable. (Claro, se une a las enzimas, pero todo tipo de otras estructuras pueden hacer esto). Así que me gustaría volar la siguiente cometa (que debió haber volado antes, aunque no tengo conocimiento de ninguna referencia).

Un nucleótido trifosfato (ATP) se convirtió en la fuente de energía preferida en el metabolismo después de que evolucionó un mecanismo de síntesis de ARN que utilizaba NTP como sustratos.

Cuando la síntesis de ARN evolucionó para usar la energía libre de la hirólisis de una 'extensión difosforilada' de su bloque de construcción estructural (NMP), un sistema de uso de una hidrólisis relacionada se extendió al metabolismo. Tenga en cuenta que digo 'relacionado', ya que la síntesis de ARN (como otras síntesis macromoleculares) hidroliza el enlace alfa-beta fosfodiéster (liberando pirofosfato), mientras que en el metabolismo es generalmente el enlace beta-gamma el que se hidroliza (liberando ortofosfato).

La hidrólisis de ATP habría desplazado lo que se cree que fue un sistema o sistemas de generación de energía previos a la replicación porque presumiblemente habría sido mejor y habría permitido un metabolismo energético integrado. (Las demandas de energía de la replicación habrían sido grandes). Pero eso no significa que sea el mejor método concebible: trabajar bien y ser conveniente podría haber sido suficiente.

Nota

Aunque no es parte de mi argumento, hay otra molécula clave en el metabolismo que tiene lo que puede considerarse un componente de adenosina "inútil": NAD (y NADP). Las entrañas redox de esto es el anillo de nicotinamida. ¿Evolucionó esto de una forma que inicialmente era parte de una ribozima, quizás involucrada en la formación de desoxirribosa cuando el genoma del ARN estaba siendo desplazado por el genoma del ADN?


Prefacio

Ya he dado una respuesta a esta pregunta, abordando un aspecto de la misma: por qué un nucleótido trifosfato, en lugar de cualquier otra molécula, fue la elección como portador de energía. En esa respuesta sugiero que la elección de ATP, en lugar de cualquier GTP, CTP o UTP, fue mera casualidad.

Esta segunda pregunta, de hecho, se ha planteado, pero se consideró, incorrectamente en mi opinión, como un duplicado. Recientemente me he enterado de una investigación que me sugiere una posible razón para la preferencia de ATP sobre otros NTP y, como es independiente de mi respuesta anterior, me gustaría presentarla como una respuesta separada.

¿Por qué ATP en lugar de otros NTP?

Estoy partiendo de la suposición de un mundo de ARN en el que algún tipo de genoma de ARN ha desarrollado la capacidad de replicarse y exhibir actividad enzimática. El ribosoma, y ​​especialmente el ARN ribosómico, puede considerarse un fósil de un mundo así. Harry Noller, en una revisión de este tema en Science en 2005, considera las bases que están involucradas en el emparejamiento de bases en los muchos bucles de doble hélice de ARN y las que no están emparejadas en dichos bucles. Muchos de estos últimos están involucrados en interacciones ternarias en el ARNr, que tiene una estructura similar a una proteína en general. Un hecho significativo que menciona sobre las bases que no están emparejadas en las estructuras secundarias helicoidales es su distribución sesgada:

“Sin embargo, las bases no emparejadas no se distribuyen uniformemente entre las cuatro bases. En Escherichia coli ARNr 16S, por ejemplo, las proporciones de bases no apareadas para G, C y U son 31%, 29% y 33%, respectivamente, mientras que el 62% de los As no están apareados, una tendencia que se extiende a otros ARN funcionales.

Resulta que muchos de estos 'A no apareados' están involucrados en lo que se denominan interacciones de nucleósidos menores A de tipo II, que se ilustran en la Fig. 3 de ese documento, a continuación:

En la leyenda de esta figura, Noller señala que:

Estas interacciones precisas de cerradura y llave con surcos menores entre (generalmente) una adenosina y un par de bases de Watson-Crick se encuentran ampliamente en el ARNr 16S y 23S. Se observaron por primera vez en el empaquetamiento de cristales de la ribozima cabeza de martillo y en el dominio P4-P6 de la ribozima del grupo I. Las interacciones A-minor desempeñan un papel funcional importante en el seguimiento de la interacción codón-anticodón por parte del ribosoma a través de su ajuste estereoquímico único a los pares de bases de Watson-Crick.

A partir de esto, concluyo que la adenina tiene propiedades estructurales únicas que le permitirían formar una interacción más precisa y más fuerte con los pares de bases en un ARN de ribozima que las otras tres bases. Una de las características de cualquier ribozima involucrada en el uso de un NTP para impulsar reacciones químicas habría sido unirse al NTP. (Vemos esto en proteínas contemporáneas con el Rossman Fold que se une a la adenina).

La mayor idoneidad de la adenina de ATP para este papel mayo Por eso, en lugar de GTP, CTP o UTP, se convirtió en la principal opción (supongo que la inicial) para el portador de energía.