6.4: ATP: trifosfato de adenosina

Habilidades para desenvolver

• Explicar o papel do ATP como moeda de energia celular
• Descreva como a energia é liberada por meio da hidrólise do ATP

Mesmo as reações exergônicas de liberação de energia requerem uma pequena quantidade de energia de ativação para prosseguir. No entanto, considere as reações endergônicas, que requerem muito mais energia, porque seus produtos têm mais energia livre do que seus reagentes. Dentro da célula, de onde vem a energia para alimentar essas reações? A resposta está em uma molécula fornecedora de energia chamada trifosfato de adenosina, ou ATP. O ATP é uma molécula pequena e relativamente simples (Figura\(\PageIndex{1}\)), mas dentro de algumas de suas ligações, contém o potencial de uma rápida explosão de energia que pode ser aproveitada para realizar o trabalho celular. Essa molécula pode ser considerada a moeda de energia primária das células, da mesma forma que o dinheiro é a moeda que as pessoas trocam pelas coisas de que precisam. O ATP é usado para alimentar a maioria das reações celulares que requerem energia.

Figura\(\PageIndex{1}\): O ATP é a moeda de energia primária da célula. Tem uma espinha dorsal de adenosina com três grupos fosfato conectados.

Como o próprio nome sugere, o trifosfato de adenosina é composto por adenosina ligada a três grupos fosfato (Figura\(\PageIndex{1}\)). A adenosina é um nucleosídeo que consiste na base nitrogenada adenina e um açúcar de cinco carbonos, a ribose. Os três grupos fosfato, na ordem do mais próximo ao mais distante do açúcar ribose, são rotulados alfa, beta e gama. Juntos, esses grupos químicos constituem uma potência energética. No entanto, nem todas as ligações dentro dessa molécula existem em um estado particularmente de alta energia. Ambas as ligações que ligam os fosfatos são igualmente ligações de alta energia (ligações de fosfoanidrido) que, quando quebradas, liberam energia suficiente para alimentar uma variedade de reações e processos celulares. Essas ligações de alta energia são as ligações entre o segundo e o terceiro (ou beta e gama) grupos fosfato e entre o primeiro e o segundo grupos fosfato. A razão pela qual essas ligações são consideradas de “alta energia” é porque os produtos dessa quebra de ligação - adenosina difosfato (ADP) e um grupo fosfato inorgânico (P _i) - têm energia livre consideravelmente menor do que os reagentes: ATP e uma molécula de água. Como essa reação ocorre com o uso de uma molécula de água, ela é considerada uma reação de hidrólise. Em outras palavras, o ATP é hidrolisado em ADP na seguinte reação:

\[\ce{ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_{i} + free\: energy} \nonumber\]

Como a maioria das reações químicas, a hidrólise de ATP em ADP é reversível. A reação inversa regenera o ATP do ADP + P _i. De fato, as células dependem da regeneração do ATP, assim como as pessoas confiam na regeneração do dinheiro gasto por meio de algum tipo de renda. Como a hidrólise do ATP libera energia, a regeneração do ATP deve exigir uma entrada de energia livre. A formação de ATP é expressa nesta equação:

\[\ce{ADP + P_{i} + free\: energy \rightarrow ATP + H_2O} \nonumber\]

Duas questões importantes permanecem em relação ao uso do ATP como fonte de energia. Exatamente quanta energia livre é liberada com a hidrólise do ATP e como essa energia livre é usada para fazer o trabalho celular? O ΔG calculado para a hidrólise de um mol de ATP em ADP e P _i é −7,3 kcal/mol (−30,5 kJ/mol). Como esse cálculo é verdadeiro em condições padrão, seria de se esperar que exista um valor diferente em condições celulares. Na verdade, o □ G para a hidrólise de um mol de ATP em uma célula viva é quase o dobro do valor em condições padrão: 14 kcal/mol (−57 kJ/mol).

O ATP é uma molécula altamente instável. A menos que seja usado rapidamente para realizar o trabalho, o ATP se dissocia espontaneamente em ADP + P _i, e a energia livre liberada durante esse processo é perdida como calor. A segunda questão colocada acima, ou seja, como a energia liberada pela hidrólise do ATP é usada para realizar trabalhos dentro da célula, depende de uma estratégia chamada acoplamento de energia. As células acoplam a reação exergônica da hidrólise do ATP às reações endergônicas, permitindo que elas prossigam. Um exemplo de acoplamento de energia usando ATP envolve uma bomba de íons transmembrana que é extremamente importante para a função celular. Essa bomba de sódio-potássio (bomba Na ^{+/K +}) conduz o sódio para fora da célula e o potássio para dentro da célula (Figura\(\PageIndex{2}\)). Uma grande porcentagem do ATP de uma célula é gasta alimentando essa bomba, porque os processos celulares trazem uma grande quantidade de sódio para a célula e potássio para fora da célula. A bomba funciona constantemente para estabilizar as concentrações celulares de sódio e potássio. Para que a bomba gire um ciclo (exportando três íons Na ⁺ e importando dois íons K ⁺), uma molécula de ATP deve ser hidrolisada. Quando o ATP é hidrolisado, seu fosfato gama não simplesmente flutua, mas na verdade é transferido para a proteína da bomba. Esse processo de ligação de um grupo fosfato a uma molécula é chamado de fosforilação. Como na maioria dos casos de hidrólise de ATP, um fosfato do ATP é transferido para outra molécula. Em um estado fosforilado, a bomba Na ^{+/K +} tem mais energia livre e é acionada para sofrer uma mudança conformacional. Essa alteração permite que ele libere Na ⁺ para fora da célula. Em seguida, ele se liga ao K ⁺ extracelular, que, por meio de outra mudança conformacional, faz com que o fosfato se solte da bomba. Essa liberação de fosfato faz com que o ^K+ seja liberado para o interior da célula. Essencialmente, a energia liberada pela hidrólise do ATP é acoplada à energia necessária para alimentar a bomba e transportar os íons Na ⁺ e K ⁺. O ATP realiza o trabalho celular usando essa forma básica de acoplamento de energia por meio da fosforilação.

Conexão artística

Figura\(\PageIndex{2}\): A bomba de sódio-potássio é um exemplo de acoplamento de energia. A energia derivada da hidrólise exergônica do ATP é usada para bombear íons sódio e potássio através da membrana celular.

A hidrólise de uma molécula de ATP libera 7,3 kcal/mol de energia (□ G = −7,3 kcal/mol de energia). Se forem necessários 2,1 kcal/mol de energia para mover um Na ⁺ através da membrana (□ G = +2,1 kcal/mol de energia), quantos íons de sódio poderiam ser movidos pela hidrólise de uma molécula de ATP?

Freqüentemente, durante as reações metabólicas celulares, como a síntese e a decomposição de nutrientes, certas moléculas devem ser ligeiramente alteradas em sua conformação para se tornarem substratos para a próxima etapa da série de reações. Um exemplo é durante as primeiras etapas da respiração celular, quando uma molécula da glicose do açúcar é decomposta no processo de glicólise. Na primeira etapa desse processo, o ATP é necessário para a fosforilação da glicose, criando um intermediário de alta energia, mas instável. Essa reação de fosforilação gera uma mudança conformacional que permite que a molécula de glicose fosforilada seja convertida na frutose de açúcar fosforilada. A frutose é um intermediário necessário para que a glicólise avance. Aqui, a reação exergônica da hidrólise do ATP é acoplada à reação endergônica de converter a glicose em um intermediário fosforilado na via. Mais uma vez, a energia liberada pela quebra de uma ligação de fosfato dentro do ATP foi usada para a fosforilação de outra molécula, criando um intermediário instável e alimentando uma importante mudança conformacional.

Link para o aprendizado

Veja uma animação interativa do processo de glicólise que produz ATP neste site.

Resumo

O ATP é a principal molécula fornecedora de energia para as células vivas. O ATP é composto por um nucleotídeo, um açúcar de cinco carbonos e três grupos fosfato. As ligações que conectam os fosfatos (ligações de fosfoanidrido) têm alto conteúdo de energia. A energia liberada da hidrólise do ATP em ADP + P _i é usada para realizar o trabalho celular. As células usam o ATP para realizar o trabalho acoplando a reação exergônica da hidrólise do ATP às reações endergônicas. O ATP doa seu grupo fosfato para outra molécula por meio de um processo conhecido como fosforilação. A molécula fosforilada está em um estado de maior energia e é menos estável do que sua forma não fosforilada, e essa energia adicionada da adição do fosfato permite que a molécula sofra sua reação endergônica.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{2}\): The hydrolysis of one ATP molecule releases 7.3 kcal/mol of energy (∆G = −7.3 kcal/mol of energy). If it takes 2.1 kcal/mol of energy to move one Na⁺ across the membrane (∆G = +2.1 kcal/mol of energy), how many sodium ions could be moved by the hydrolysis of one ATP molecule?

Answer

Three sodium ions could be moved by the hydrolysis of one ATP molecule. The ∆G of the coupled reaction must be negative. Movement of three sodium ions across the membrane will take 6.3 kcal of energy (2.1 kcal × 3 Na⁺ ions = 6.3 kcal). Hydrolysis of ATP provides 7.3 kcal of energy, more than enough to power this reaction. Movement of four sodium ions across the membrane, however, would require 8.4 kcal of energy, more than one ATP molecule can provide.

Glossary

ATP

adenosine triphosphate, the cell’s energy currency

phosphoanhydride bond

bond that connects phosphates in an ATP molecule