Termodinamika Biologian: Zelulen Energia Kudeaketa eta ATParen Papera

Kontzeptu Termodinamikoak Biologian

Organismo bizidunak, ingurune-materialak baino askoz ere antolatuago dauden molekula multzoak dira, ordena bat sortu eta mantentzeko gai direnak. Hau da, bizidunok energia maila mantentzeko gai gara, normalean energia maila jaisten baitoa. Baina energia askea lortzen dugu elikagaien bidez; horrela izan ezean, hil egingo ginateke eta gainontzeko materia guztiarekin bat egingo genuke. Gainera, organismoak energia eta materia kudeatzen dituzten sistemak dira, inguruko sistemarekin energia eta materia trukatzen baitute. Trukaketa horren bidez, sistemak orekan egongo ez direla ziurtatzen da. Antolaketa hau hiru magnitude termodinamiko nagusien arabera gauzatzen da:

1. Gibbsen Energia Askea (ΔG)

(Tenperatura eta presio konstantean gertatzen den erreakzio batean zenbat energiak lan egin dezakeen adierazten du).

• Sistema batek energia askea askatzen duenean, ΔG-k zeinu negatiboa du, erreakzioa berezkoa izango da eta erreakzio exergonikoa deritzo. Zenbat eta negatiboagoa izan, orduan eta handiagoa da oreka konstantea produktuaren alde.
• Sistemak energia irabazten badu, ΔG-k zeinu positiboa du eta erreakzio endergonikoa deritzo. Zenbat eta positiboagoa izan, orduan eta oreka substratuarengana hurbiltzen da.
• ΔG-k zero balioa hartzen badu, oreka dagoela adierazten du.

2. Entalpia (ΔH)

Sistema erreakzionatzailearen bero-edukia da, erreakzionatzaile eta produktuetako loturen kopurua eta mota adierazten duena.

• Erreakzio kimikoak beroa askatzen duenean, exotermikoa dela esaten da, eta ΔH-k balio negatiboa du.
• Alderantziz, beroa hartzen duenean endotermikoa deritzo eta ΔH-k balio positiboa du.

3. Entropia (ΔS)

Sistemaren desordenaren adierazpen kuantitatiboa ematen du. Erreakzioak entropia irabazi duela esaten da erreakzioko produktuak erreakzionatzaileak bezain konplexuak ez direnean.

Sistema Biologikoetan: Gibbsen Ekuazioa

Sistema biologikoetan, magnitude horiek honela erlazionatzen dira: ΔG = ΔH – TΔS. Energia askearen eta entalpiaren unitateak joule/mol edo kaloria/mol dira, eta entropiarena joule/mol Kelvin.

Hitzarmenez, ΔS-k zeinu positiboa du entropia handiagotzean, eta ΔH-k zeinu negatiboa du sistemak beroa ingurunera askatzen duenean. Bi baldintza horiek berezko prozesuen ezaugarri dira eta ΔG negatiboa izatea eragiten dute. Izan ere, espontaneoki erreakzionatzen duten sistemen ΔG-a negatiboa baita beti.

Biokimikarientzat, ΔG orokorrean 25ºC-tan, 1 atm-ko presiopean eta 1 M-ko kontzentrazioan neurtzen da, pH neutroarekin (pH=7). Izan ere, egoera horietan lortutako ΔG konstanteak estandarrak (ΔGº’) baitira.

Zelulak sistema isotermoak dira eta tenperatura eta presio konstantean funtzionatzen dute. Horregatik, Gibbsen energia askea oso erabilgarria da zelulen lanean. Honen bidez, erreakzioen berezkotasuna aurreikusi, erreaktanteen kontzentrazioak nolako orekan geldituko diren eta nolako lana sortu daitekeen ikusi ahal delako. Bero fluxua, aldiz, ez da energia iturri egokia zelulak lanean mantentzeko.

Oreka eta Energia Askea

Orekan dagoen erreakzio baten ΔG^o balioak, erreakzioa noraino joan daitekeen adierazten digu ekuazio honen bidez: ΔG^o = - RT ln K_eq. (Oharra: ΔG^o positiboa bada, orekan substratuak nagusituko dira; negatiboa bada, produktuak). Orekan ez dagoen sistemaren energia askea kalkulatzeko, berriz: ΔG = ΔG^o + RT ln Q.

Izaki bizidunetan, erreakzioak multzoka gertatzen dira, batzuk exergonikoak direlarik eta beste batzuk endergonikoak. Multzoaren ΔGº’ balio orokorra erreakzio partzialen ΔGº’ balioen batura da. Honek erreakzioen orekan eragiten du, izan ere, bi erreakzioen oreka konstantearen balioa jakiteko, bi oreka konstanteen balioak biderkatu behar baitira.

ATP: Energiaren Moneta Zelularra

ATParen Energia Transferentzia Mekanismoa

ATPak parte hartzen dituen erreakzioetan (ATPtik ADPra eta AMPra), fosfato taldeak galtzen joaten dira. Beraz, ATPak ez du energia askea ematen hidrolisi prozesuen bidez, fosfato taldearen transferentzien bidez baizik.

Ondoko erreakzioan, gezi bakarrek bi urratseko prozesuak irudikatzen dituzte:

1. ATParen zati bat (fosfatoa edo adenilatoa) substratu edo entzimaren aminoazido-hondar batera transferitzen da eta lotura kobalente baten bidez hari itsatsita geratzen da. Ondorioz, fosfatoa hartu berri duen substratuaren edo entzimaren energia askea handiagotu egiten da.
2. Bigarren urratsean, aldiz, askatu egiten da eta Pi (fosfato inorganikoa) edo AMP sortzen da.

Horrela, ATPak energiaz hornitzen du erreakzio entzimatikoa.

Adibidez, glutaminaren sintesian, fosfato talde bat entzimaren barruan dagoen glutamato substratuari transferitzen zaio, eta horrela, substratua aktibatu egiten da. Gero, fosfatoaren lotura amino talde batekin ordezkatu daiteke, erreakzioa exergoniko bihurtuz. Gainontzeko erreakzioetan gauza bera gerta daiteke adeniloarekin (ADP edo AMP).

Tioesterrak: Beste Energia Kudeatzaile Batzuk

Tioesterrak energia kudeatzen duten beste eragile batzuk dira. Hauek hidrolizatzean ez da fosfatorik sortzen, baina energia aske asko askatzen da. Azetil-A koentzima deritzo tioesterrak sortzen duen kofaktoreari, hots, lotzen zaion molekula organikoari. Konposatu hauek erresonantzia bidezko egonkortze prozesuen bidez bideratzen dituzte energia askatze prozesuak. Azetil-A koentzima metabolismoan zehar maiz ikusiko dugun koentzima bat da.

ATParen Funtzioak (ikus irudia)

Erreakzio Akoplatuak Metabolismoan

Erreakzio metabolikoek ezaugarri nagusi bat dute: molekula organikoak sintetizatzen dituzten erreakzioak (erreakzio anabolikoak) energia sortzen duten erreakzio katabolikoekin akoplatuta daude. Beraz, erreakzio akoplatua bi erreakzio sinple lotuta daudenean gertatzen dela esan daiteke, non lehenengo erreakzioaren produktua bigarren erreakzioaren substratuetako bat den. Akoplamendu honi esker, erreakzio anabolikoek (endergonikoek) erreakzio katabolikoek ATP itxurapean sortutako energia erabiltzen dute aurrera egiteko. Biokimikan, bi edo gehiagoko erreakzio asko akoplatuta aurkitzen dira askotan, bata endergonikoa eta bestea exergonikoa izanik. Bien energia askearen baturak, askotan, berez jarraitzeko oreka termodinamikoa ematen du. Halaber, bi erreakzio exergoniko akoplatuko balira, bi erreakzioak aurrera aterako lirateke. Baina bi erreakzioak endergonikoak izango balira, zaila izango litzateke biak aurrera ateratzea.

Entzimen Papera Akoplamenduan

Erreakzio akoplamendu horretan entzimek garrantzi handia dute, entzima kinasek parte hartzen baitute. Hauek molekula batetik bestera fosfato taldeak eramaten espezializatuta dauden entzimak dira. Entzima horiek, ATPaz gain, substratua hartzen dute gune aktiboan eta horrela, erreakzioen arteko akoplamendua ahalbidetzen dute.

Adibidea: Glukosa Fosforilazioa

1) Glukosa-6-P ⇌ Fruktosa-6-P (ΔGº’ = +0.4 kcal/mol)
2) Fruktosa-6-P + ATP → Fruktosa-1,6-bisP + ADP (ΔGº’ = -3.4 kcal/mol)
--------------------------------------------------------------------
Erreakzio orokorra: Glukosa-6-P + ATP → Fruktosa-1,6-bisP + ADP (ΔGº’ = -3.0 kcal/mol)

Erreakzio orokorra exergonikoa da.

Aurreko adibidean ikusi daiteke erreakzio exergoniko batek, substratu edo produktuaren bidez, lotuta duen erreakzioen oreka kimikoa baldintzatu dezakeela. Erabilitako adibidea ATPan (adenosina trifosfato) parte hartzen duen erreakzio bat da. Gainera, erreakzio biologikoetan fosfato taldearen erabilerak garrantzi handia du.

ATParen Zikloa eta Funtzioak

Erreakzio katabolikoetan (erreakzio exergonikoak askatutako energia askea ATParen sintesiari akoplatuta dagoenean) energia sortzen da, eta zelulek energia hori beren beharretarako erabiltzen dute. Energia ATP molekuletan biltzen da, behar denean erabilia izateko. Molekula honek lan ezberdinak egiten ditu, besteak beste, biomolekula gehienen sintesian lagundu eta garraiatze prozesuak bultzatu.

Izan ere, ATP zelulak duen fosfato iturri erabilgarriena da. Fosfato taldea ATPtik askatzen bada, prozesu exergonikoa izango da; eta alderantziz, beste molekuletan gehitzen bada, endergonikoa. Fosforilatuta dauden molekulak, berriz, fosfato taldearen apurketaz baliatzen dira hirugarren lotura mota bat osatzeko. Ondorioz, fosfato taldea energia kudeatzeko baliagarria da.

ATP molekula, beraz, ADPak eta fosfato inorganikoak (Pi) erreakzionatzean eratzen da, molekula organikoen oxidazioan sortutako energiari esker. (ATP ↔ ADP ↔ AMP; ← energia sortu, → energia gastatu).

Erreakzio anabolikoetan, berriz, erreakzioek aurrera egiteko energia behar dute, eta energia hori ATPa hidrolizatuz lortzen da. Hau da, prozesu katabolikoetan zelulak sortutako energia biltzeko erabili duen ATP molekula deskonposatuz. Gainera, ATParen hidrolisia zelularen barruko erreakzio endergoniko gehienak bultzatzeko baliagarria da. ATP molekula bitartekari energetiko egokia da, bere fosfato-fosfato (Pi-Pi) loturari esker, lotura horren hidrolisiak 31 kJ/mol-eko energia askatzen baitu. Lotura horri “energia handiko lotura” esaten zaion arren, ez da horrela. Izan ere, loturaren hausturak sortzen duen energiaren zati bat 3 Pi molekulen 4 karga negatiboak egonkortzeko behar den energiatik baitator. Hidrolisian fosfato talde bat (Pi) askatzen da, eta berarekin 2 karga negatibo. Askatutako lotura horri eusteko bezainbestekoa da.

Azken batean, ATPak katabolismoaren eta anabolismoaren arteko lotura osatzen du, eta horregatik energia-txanpon deritzo. ATP zelulako bitartekari energetiko bat baita, energia garraiatzen duen molekula unibertsala, hain zuzen ere. Izan ere, erreakzio katabolikoetan sortzen den energia bildu eta erreakzio anabolikoetara eramaten arduratzen da. Halaber, ATP zelulan sortu ahala desagertzen joaten da, oso kantitate mugatuan aurkitzen baita. ATPak ez baitu energia metatzen, garraiatzen baizik.

CO2 Askatzea eta Energia Akoplamendua

CO₂ askatzean, erreakzio oso exergonikoa gertatzen da, eta askatzen den energiaren zati bat ATPan erabiltzen da. Beste zatia, berriz, erreakzio endergonikoetan erabiltzen da. ATPa bi erreakzio horien erdian dago, biak gerta daitezen ahalbidetuz, hots, bi erreakzioak akoplatzen ditu. Erreakzio exergoniko gehienak katabolikoak dira, eta endergonikoak, anabolikoak.

Beste Fosfato Eragile Batzuk

ATPaz gain, badira beste molekula batzuk fosfatoa erabiltzen dutenak erreakzioak kudeatzeko. Kasu bakoitzean, hidrolisiko energia askea ezberdina da, beharraren arabera. Kontuan hartu behar da ATP energia altuenaren eta baxuenaren tartearen erdian aurkitzen dela, eta hau ez da kasualitatea. Energia baxukoak ATParen hidrolisiaren ondotik sortzen baitira, eta energia altuenak ATP sortzeko erabiltzen dira.