Incluso las reacciones exergónicas de liberación de energía requieren una pequeña cantidad de energía de activación para proceder. Sin embargo, considere las reacciones endergónicas, que requieren mucha más energía, porque sus productos tienen más energía libre que sus reactivos. Dentro de la célula, ¿de dónde proviene la energía para alimentar tales reacciones? La respuesta está en una molécula proveedora de energía llamada trifosfato de adenosina, o ATP. El ATP es una molécula pequeña y relativamente simple (Figura \(\pageIndex{1}\)), pero dentro de algunos de sus enlaces, contiene el potencial de una ráfaga rápida de energía que se puede aprovechar para realizar trabajo celular. Esta molécula se puede considerar como la moneda de energía primaria de las células de la misma manera que el dinero es la moneda que la gente intercambia por las cosas que necesita. El ATP se utiliza para alimentar la mayoría de las reacciones celulares que requieren energía.

Como su nombre indica, el trifosfato de adenosina se compone de adenosina unida a tres grupos de fosfato (Figura \(\pageIndex{1}\)). La adenosina es un nucleósido que consiste en la adenina de base nitrogenada y un azúcar de cinco carbonos, la ribosa. Los tres grupos de fosfato, en orden de más cercanos a más alejados del azúcar de ribosa, están etiquetados como alfa, beta y gamma. Juntos, estos grupos químicos constituyen una potencia energética. Sin embargo, no todos los enlaces dentro de esta molécula existen en un estado particularmente de alta energía. Ambos enlaces que unen los fosfatos son igualmente enlaces de alta energía (enlaces de fosfoanhidruro) que, cuando se rompen, liberan suficiente energía para alimentar una variedad de reacciones y procesos celulares. Estos enlaces de alta energía son los enlaces entre el segundo y el tercer grupo fosfato (o beta y gamma) y entre el primer y el segundo grupo fosfato. La razón por la que estos enlaces se consideran de «alta energía» es porque los productos de dicha ruptura de enlaces, el difosfato de adenosina (ADP) y un grupo fosfato inorgánico (Pi), tienen una energía libre considerablemente menor que los reactivos: ATP y una molécula de agua. Debido a que esta reacción tiene lugar con el uso de una molécula de agua, se considera una reacción de hidrólisis. En otras palabras, el ATP se hidroliza en ADP en la siguiente reacción:

Como la mayoría de las reacciones químicas, la hidrólisis de ATP a ADP es reversible. La reacción inversa regenera ATP a partir de ADP + Pi. De hecho, las células dependen de la regeneración de ATP al igual que las personas dependen de la regeneración del dinero gastado a través de algún tipo de ingreso. Dado que la hidrólisis de ATP libera energía, la regeneración de ATP debe requerir una entrada de energía libre. La formación de ATP se expresa en esta ecuación:

Quedan dos preguntas destacadas con respecto al uso de ATP como fuente de energía. ¿Exactamente cuánta energía libre se libera con la hidrólisis de ATP, y cómo se usa esa energía libre para hacer el trabajo celular? El G G calculado para la hidrólisis de un mol de ATP en ADP y Pi es de -7,3 kcal/mol (-30,5 kJ/mol). Dado que este cálculo es cierto en condiciones estándar, se esperaría que existiera un valor diferente en condiciones celulares. De hecho, el G G para la hidrólisis de un mol de ATP en una célula viva es casi el doble del valor en condiciones estándar: 14 kcal/mol (-57 kJ/mol).

El ATP es una molécula altamente inestable. A menos que se utilice rápidamente para realizar trabajos, el ATP se disocia espontáneamente en ADP + Pi, y la energía libre liberada durante este proceso se pierde en forma de calor. La segunda pregunta planteada anteriormente, es decir, cómo se utiliza la energía liberada por hidrólisis de ATP para realizar el trabajo dentro de la célula, depende de una estrategia llamada acoplamiento de energía. Las células acoplan la reacción exergónica de hidrólisis de ATP con reacciones endergónicas, permitiéndoles proceder. Un ejemplo de acoplamiento de energía usando ATP involucra una bomba de iones transmembrana que es extremadamente importante para la función celular. Esta bomba de sodio y potasio (bomba Na+/K+) expulsa el sodio de la célula y el potasio a la célula (Figura 6.4.2). Un gran porcentaje del ATP de una célula se gasta en alimentar esta bomba, porque los procesos celulares traen una gran cantidad de sodio a la célula y potasio fuera de la célula. La bomba trabaja constantemente para estabilizar las concentraciones celulares de sodio y potasio. Para que la bomba gire un ciclo (exportando tres iones Na+ e importando dos iones K+), se debe hidrolizar una molécula de ATP. Cuando el ATP se hidroliza, su fosfato gamma no simplemente flota, sino que en realidad se transfiere a la proteína de la bomba. Este proceso de unión de un grupo fosfato a una molécula se denomina fosforilación. Como en la mayoría de los casos de hidrólisis de ATP, un fosfato de ATP se transfiere a otra molécula. En un estado fosforilado, la bomba Na+/K+ tiene más energía libre y se activa para sufrir un cambio conformacional. Este cambio le permite liberar Na+ al exterior de la célula. Luego se une al K + extracelular, lo que, a través de otro cambio conformacional, hace que el fosfato se desprenda de la bomba. Esta liberación de fosfato desencadena la liberación de K+ al interior de la célula. Esencialmente, la energía liberada por la hidrólisis de ATP se combina con la energía necesaria para alimentar la bomba y transportar iones Na+ y K+. El ATP realiza el trabajo celular usando esta forma básica de acoplamiento de energía a través de la fosforilación.

La hidrólisis de una molécula de ATP libera 7,3 kcal / mol de energía (∆G = -7,3 kcal/mol de energía). Si se necesitan 2,1 kcal / mol de energía para mover un Na+ a través de la membrana (∆G = +2,1 kcal/mol de energía), ¿cuántos iones de sodio podrían ser movidos por la hidrólisis de una molécula de ATP?

A menudo, durante las reacciones metabólicas celulares, como la síntesis y la descomposición de nutrientes, ciertas moléculas deben alterarse ligeramente en su conformación para convertirse en sustratos para el siguiente paso de la serie de reacciones. Un ejemplo es durante los primeros pasos de la respiración celular, cuando una molécula del azúcar glucosa se descompone en el proceso de glucólisis. En el primer paso de este proceso, se requiere ATP para la fosforilación de la glucosa, creando un intermedio de alta energía pero inestable. Esta reacción de fosforilación impulsa un cambio conformacional que permite que la molécula de glucosa fosforilada se convierta en fructosa de azúcar fosforilada. La fructosa es un intermediario necesario para que la glucólisis avance. Aquí, la reacción exergónica de hidrólisis de ATP se combina con la reacción endergónica de conversión de glucosa en un intermedio fosforilado en la vía. Una vez más, la energía liberada al romper un enlace de fosfato dentro del ATP se utilizó para la fosforilación de otra molécula, creando un intermedio inestable y alimentando un cambio conformacional importante.