Las enzimas llamadas quinasas catalizan la transferencia de grupos fosforilo a moléculas orgánicas. La fuente del grupo fosforilo en la mayoría de las reacciones de fosforilación es una molécula llamada trifosfato de adenosina, abreviado ATP.
Nota que la molécula consta esencialmente de tres partes: una base de nucleósido de adenina, un azúcar de cinco carbonos (ribosa) y un grupo trifosfato. Los tres fosfatos se designan con las letras griegas a, b y g. El difosfato de adenosina (ADP) y el monofosfato de adenosina (AMP) también son actores importantes en las reacciones de este capítulo.
Verás el ATP, el ADP y el AMP abreviados de muchas maneras diferentes en este texto y en toda la literatura bioquímica. Por ejemplo, las tres estructuras siguientes son representaciones abreviadas del ATP:
El siguiente ejercicio le permitirá practicar el reconocimiento de las diferentes abreviaturas de las moléculas biológicas que contienen grupos fosfato.
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Ejercicio 10.2: A continuación hay una serie de representaciones, etiquetadas A-S, de moléculas que contienen grupos fosforilo. Se utilizan diferentes abreviaturas. Ordene A-S en grupos de dibujos que representen la misma molécula, utilizando diferentes abreviaturas (o ninguna abreviatura).
Cuando hablamos de que la energía de una molécula de ATP se «gasta», lo que queremos decir es que se está transfiriendo un grupo fosforilo del ATP a alguna otra molécula aceptora, haciendo que ésta sea más reactiva. Por ejemplo, en muchas reacciones de transferencia de fosforilo (como la fosforilación de la glucosa, que utilizamos como ejemplo en la sección 10.1D) el fosfato gamma (γ) del ATP se transfiere a un aceptor orgánico, liberando ADP.
En otras reacciones, la base, la ribosa, y el fosfato alfa se transfieren a la molécula orgánica para formar un aducto orgánico-AMP, mientras que se libera pirofosfato inorgánico (PPi).
En ocasiones, los grupos fosfato beta y gamma se transfieren juntos, con la liberación de AMP.
En todas estas reacciones, una molécula orgánica relativamente estable se transforma en un producto fosforilado de mayor energía. Este producto activado puede reaccionar de una forma que su homólogo no fosforilado, más estable, no podría: los grupos fosforilo, como sabemos, son mucho mejores grupos de salida en las reacciones de sustitución nucleofílica que el grupo hidroxilo de los alcoholes. Aunque la conversión de un compuesto inicial de baja energía en un producto de mayor energía es, por sí misma, un proceso termodinámicamente ascendente, la reacción global de transferencia de fosforilo es termodinámicamente descendente, porque la conversión de ATP en ADP o AMP -la ruptura de un enlace anhídrido fosfato- libera una gran cantidad de energía. En otras palabras, la energía almacenada en el enlace anhídrido fosfato del ATP se ha «gastado» para crear una molécula activada (de mayor energía). Cuando el AMP o el ADP se convierten de nuevo en ATP, se requiere energía de las moléculas de combustible (o de la luz solar) para volver a formar el enlace anhídrido de alta energía (este proceso es objeto de discusión más adelante en esta sección)
La explicación de por qué los enlaces anhídrido fosfato en el ATP son tan energéticos radica principalmente en el concepto de separación de cargas. Recuerde de la sección 10.1 que el ATP, en el pH fisiológico de ~7, es casi completamente ionizado con una carga total de cerca de -4. Cuando se rompe uno de los dos enlaces anhídricos, las cargas negativas de los grupos fosfato pueden separarse, eliminando parte de la repulsión de la misma carga que existía en el ATP. Una forma de imaginar esto es como una bobina que se abre.
Otra razón tiene que ver con la energía de solvatación del agua. Cuando el fosfato gamma del ATP se transfiere a un alcohol, por ejemplo, las moléculas de agua circundantes son capaces de formar más interacciones de enlace de hidrógeno con los productos (ADP y el fosfato orgánico) de lo que era posible con el ATP y el alcohol. Estas interacciones de solvatación adicionales estabilizan los productos de la reacción de fosforilación en relación con los compuestos de partida.
Aprenderá más sobre el papel termodinámico del ATP en las vías metabólicas si toma una clase de bioquímica – lo que es más importante entender en este punto es que, debido a la energía almacenada en sus enlaces de anhídrido de fosfato, el ATP es un poderoso donante de grupos fosforilo, y se utiliza como tal en muchas reacciones bioquímicas importantes. Algunos ejemplos se discuten en el resto de esta sección.