El ciclo del ATP

Varias especies · modelo 3D

El ATP es una molécula pequeña que las proteínas de la célula rompen para moverse, bombear o fabricar. Otras proteínas la vuelven a montar sin parar, así que cada molécula se gasta y se recarga muchísimas veces.

En una frase

El ciclo del ATP es el gasto y la recarga continuos de una molécula pequeña: unas proteínas la rompen para hacer trabajo, otras la vuelven a montar, y la energía que da depende de cuánto ATP sobra frente a ADP.

Qué vas a aprender

Describir el ATP y decir qué queda cuando el agua lo rompe.
Explicar de dónde sale la energía del ATP y por qué no está guardada en un enlace.
Explicar cómo la cinesina convierte cada ATP en un paso.
Describir cómo la sintasa recarga el ATP y en qué gasta la energía.

Cómo funciona

Las células gastan ATP, por ejemplo, para fabricar proteínas y contraer el músculo. El ATP está formado por una base, un azúcar y una cadena de tres fosfatos. Un fosfato es un átomo de fósforo rodeado de oxígenos. Cuando el agua corta el último fosfato, la reacción se llama hidrólisis. Quedan el ADP, que conserva dos fosfatos, y un fosfato suelto.^{3, 5, 25}

Sin ayuda, el corte tarda muchísimo. Los fosfatos tienen carga eléctrica negativa, y el oxígeno del agua, una pequeña carga negativa. Las cargas iguales se repelen, así que el agua apenas consigue acercarse. Por eso el ATP aguanta en la célula hasta que una proteína lo encaja con una molécula de agua justo en línea con el último fósforo.^{6, 26, 27}

Lo que da cada ATP: laboratorio y corazón

Referencia de laboratorio32 kJ/mol liberados

En el corazón55 kJ/mol liberados

La referencia es a pH 7 y 25 °C, y cambia con el pH. El valor del corazón de rata se calcula con las cantidades medidas.^{28, 29, 35}

Ejemplo, según un razonamiento teórico: la cinesina es una proteína que camina gastando ATP. Si se deja mucho tiempo en un tubo con ATP, ADP y fosfato, la mezcla llega a un punto en que se forma tanto ATP como se rompe y ya nada cambia. Ese punto es el equilibrio. Allí la cinesina seguiría rompiendo ATP y volviéndolo a formar, pero daría pasos adelante y atrás por igual y no avanzaría. Lo que falta es que sobre ATP.

La energía no está guardada en el enlace que se rompe. Sale de la diferencia entre el antes, ATP y agua, y el después, ADP y fosfato separados, y de lo lejos que esté la mezcla del equilibrio. La célula mantiene mucho más ATP que ADP, y cuanto más lejos está de ese punto, más trabajo puede dar cada ATP. En el corazón de una rata, cada ATP da más de vez y media la energía que en las condiciones de referencia del laboratorio, sobre todo porque las cantidades son otras.^{2, 7, 8, 26, 28, 29}

Del ATP a la cinesina

El ATP, medido sobre la posición de sus átomos unido a proteínas de ameba y de vaca; la cabeza, en cinesina humana; el paso, en la de la mosca del vinagre; el tallo, en la de vaca.^{3, 4, 9, 11, 19, 33, 34}

La energía solo se aprovecha si la reacción va unida a un movimiento; romper ATP suelto la disipa. La cinesina tiene dos cabezas, camina sobre un raíl de la célula y arrastra una carga. Una cabeza apoyada en el raíl suelta su ADP y recibe un ATP. Entonces se cierra y fija su cuello hacia delante, y la otra cabeza pasa delante. El conjunto avanza unos 8 nanómetros, millonésimas de milímetro, por cada ATP. Al salir el fosfato, el cuello se suelta y el ciclo vuelve a empezar.

Hacia qué extremo del raíl camina lo fija la forma de la proteína. Que avance en vez de retroceder depende, según un análisis teórico, de la mezcla: con mucho ATP y poco ADP, lo probable es que la cabeza reciba ATP y no ADP.^{8, 9, 10, 30, 31}

Una pieza que fabrica, en cada vuelta

Atrapa ADP y fosfato Abierta tras el tercio anterior, recibe ADP y fosfato; atrapar el fosfato gasta energía.
Se cierra y forma el ATP Un tercio de vuelta del eje la cierra; unirlos en ATP casi no cuesta.
Se abre y suelta el ATP Otro tercio de vuelta la abre; soltar el ATP también gasta energía.
Y vuelta al primer paso

Las tres piezas que fabrican pasan por estos pasos a la vez, cada una en uno distinto. Formas vistas en cristales de la cabeza de la sintasa de vaca.^{12, 13, 14, 19}

La recarga corre a cargo de la sintasa, una proteína clavada en una membrana del interior de la célula. A un lado de esa membrana se acumulan protones, partículas con carga positiva. Al pasar al otro lado a través de la sintasa, empujan su eje y lo hacen girar. Alrededor del eje hay un anillo de seis piezas de dos clases alternas, y las tres de una clase son las que fabrican. Cada una cambia de forma con cada tercio de vuelta: recibe ADP y fosfato, los une en ATP y se abre para soltarlo. En la sintasa de vaca salen 3 ATP por vuelta.

Formar el ATP dentro del hueco casi no cuesta. La energía se emplea sobre todo en atrapar el fosfato en la proteína y en soltar el ATP ya hecho. El sentido de giro lo decide qué empuja más, los protones o el ATP: si empuja más el ATP, el eje gira al revés y la sintasa lo gasta.^{12, 13, 14, 19, 32}

No todo el ATP sale de la sintasa. Al partir azúcar, otra proteína se cierra como una bisagra y pasa un fosfato directamente al ADP. El ciclo es muy rápido. En la bacteria E. coli, cada molécula de ATP se gasta y se recarga miles de veces mientras la célula se divide una vez. Es un cálculo propio: da entre unas 4.700 y unas 29.000 veces, según cuál de las dos medidas de ATP se use.^{15, 16, 17, 18}

Cómo se sabe

Para saber cuánto ATP hay, se mide la luz que da la proteína de las luciérnagas al gastarlo, o se meten en células vivas sensores que brillan según el ATP que encuentran. Los resultados no siempre coinciden. En la bacteria E. coli, dos laboratorios con métodos distintos obtuvieron cantidades muy diferentes.^{17, 18, 21, 36}

Para ver la forma de la sintasa se hicieron cristales de su cabeza, la parte que fabrica el ATP, sacada de corazón de vaca. A veces llevaban una copia del ATP que no se puede romper. El giro se vio pegando un filamento, visible al microscopio, al eje de la cabeza aislada de una sintasa bacteriana mientras gastaba ATP. Girando ese eje al revés con imanes, la proteína fabricó ATP.^{11, 19, 36, 37}

La cinesina se ha estudiado sobre todo con proteína humana y de la mosca del vinagre. Comparando su velocidad con el ATP que gasta se comprobó que da un paso por ATP. Para medir pasos y fuerza se le pega una bola diminuta, que se sujeta con un haz de láser. Así se vio que, con mucha carga en contra, camina hacia atrás gastando ATP.^{9, 20, 22, 38}

Lo que sigue abierto

Sólido En tejido vivo, cada ATP da bastante más energía que en las condiciones de referencia.^{8, 28, 39}
Indicios No está claro de dónde sale exactamente la diferencia de energía entre el ATP y sus productos; probablemente pesa el rechazo entre fosfatos.²⁶
Abierto Sigue sin decidirse si el agua entra antes o después de que se rompa el enlace; las técnicas clásicas no lo distinguen.^{6, 26}
Abierto En las sintasas de cloroplasto y de E. coli, los protones que cuesta cada ATP, calculados por la energía, no coinciden con los que predice su forma.⁴⁰
Abierto Se discute si la cinesina avanza en dos mitades o de una sola vez.^{22, 23}

Lo que se suele confundir

Se suele pensarLa energía del ATP está guardada en un enlace especial que la suelta al romperse.

En realidadLa energía sale de la diferencia entre el antes y el después y de lo lejos que esté la célula del equilibrio. En equilibrio, romper la misma molécula no produce trabajo.^{7, 8, 26}

Se suele pensarCada ATP aporta siempre la misma cantidad de energía.

En realidadDepende de cuánto ATP, ADP y fosfato haya, y también de la acidez y del magnesio. En músculo y corazón se han calculado valores muy superiores al de laboratorio.^{29, 35, 39}

Se suele pensarLa cinesina avanza porque romper el fosfato le da un empujón.

En realidadHacia qué extremo camina lo decide la forma de la proteína. Según un análisis teórico, que avance o retroceda lo pone la mezcla: con mucho ATP y poco ADP es más probable que reciba ATP que ADP.^{7, 8, 30}

Conceptos clave

Hidrólisis: Rotura de un enlace con ayuda del agua. En el ATP corta el último fosfato.
Equilibrio: Punto en que una reacción va igual de deprisa en los dos sentidos y la mezcla ya no cambia.
Cinesina: Proteína de dos cabezas que camina sobre un raíl de la célula, un paso por cada ATP.
Sintasa: Proteína giratoria que fabrica ATP con ADP y fosfato, movida por una corriente de protones.

Actividad de repaso

¿Qué queda cuando el agua rompe el ATP?

La hidrólisis deja ADP, con dos fosfatos, y un fosfato suelto.

¿Por qué el ATP no se rompe solo dentro de la célula?

Las cargas negativas de sus fosfatos repelen al agua; hace falta una proteína que la coloque en su sitio.

¿Qué le pasaría a la cinesina si la mezcla de ATP y ADP llegara al equilibrio?

La cinesina daría tantos pasos atrás como adelante y no avanzaría, aunque siguiera rompiendo ATP.

¿En qué gasta la sintasa la mayor parte de la energía?

La sintasa la gasta sobre todo en atrapar el fosfato en la proteína y en soltar el ATP ya formado, no en formarlo.

Para recordar

El agua corta el último fosfato del ATP y deja ADP y un fosfato suelto, pero solo cuando una proteína lo facilita.
La energía no está en el enlace: sale de que la célula mantiene mucho más ATP que ADP, lejos del equilibrio.
La cinesina gasta ATP para moverse y la sintasa lo recarga girando, en un ciclo continuo.

Cómo está hecho este modelo

Cada pieza del modelo se ha contrastado con las fuentes. Aquí constan su valor y lo que se ha simplificado.

Pieza	Valor	Simplificación	Fuente
Procedencia de las estructuras	3J8Y y 3J8X: cinesina-1 humana sobre tubulina de cerdo (Sus scrofa). 1FMW: miosina II de Dictyostelium discoideum con MgATP. 3HQD: cinesina-5 (Eg5) humana, de donde salen las dos aguas. 2JDI: F1 de corazón de vaca (Bos taurus). 13PK: fosfoglicerato quinasa de Trypanosoma brucei. MgATP ideal: diccionario químico del PDB	La escena junta piezas de organismos distintos en una sola célula; el ATP de miosina se encaja en el sitio de la cinesina, y las aguas de Eg5, sobre ese ATP	^{3, 4, 6, 10, 11, 15}
Microtúbulo	Repetición de 8,1 nm a lo largo, el sitio de unión de la cinesina; 13 o 14 protofilamentos. El diámetro no consta en las fuentes	Se dibujan 13 protofilamentos, sin costura, con 25 nm de diámetro (valor esquemático). Solo el protofilamento del camino lleva carbonos alfa reales (10 dímeros de 3J8Y); el resto es un elipsoide por tubulina hasta unos 200 nm, y más allá un cilindro liso	^{3, 9, 10}
Dímero de tubulina	Coordenadas de 3J8Y (crio-EM a 5 Å); cada subunidad mide unos 6 nm	Una esfera por aminoácido (carbono alfa), no la superficie atómica	^{3, 10}
Cabeza de cinesina	Punta de flecha de unos 7 × 4,5 × 4,5 nm; al unirse al microtúbulo suelta el ADP y al entrar el ATP se cierra y fija el cuello	Una esfera por aminoácido. El cierre interpola en línea recta entre 3J8X (sin nucleótido) y 3J8Y (con análogo de ATP, aunque el archivo lo llame ATP). Los residuos 321-334 del cuello solo están en 3J8Y y aparecen al cerrarse	^{3, 10, 30, 33}
Paso de la cinesina	Camina mano sobre mano: cada cabeza avanza unos 17 nm (17,3 ± 3,3), dos sitios del raíl; el conjunto, 8,1-8,3 nm por paso, un ATP por paso; la hidrólisis va a 100-300 por segundo	La cabeza salta dos sitios exactos (16,2 nm, dentro del error medido). Un paso cada 7 segundos, muchísimo más lento que el real. El arco es inventado (sube 4,6 nm y pasa 3,6 nm por delante), sin el giro real. Tras tres pasos vuelve al principio. Las dos cabezas son copias de la misma estructura	^{9, 31, 41}
Varilla y vesícula	Varilla de unos 80 nm (cinesina bovina); el extremo contrario sujeta la carga	Cuello y varilla: una hilera de esferas, sin la doble hélice enrollada. La vesícula mide 60 nm de diámetro; ese tamaño no consta en las fuentes	³⁴
MgATP	Adenina, ribosa y tres fosfatos α, β y γ; unido a proteína mide 1,4-1,5 nm; Pα–Pγ 4,9-5,4 Å; el magnesio a 2,1-2,2 Å de un oxígeno del β y otro del γ	Átomos de 1FMW (miosina con MgATP real) encajados en el sitio de la cinesina de 3J8Y (desviación media 0,11 nm). En el dibujo mide 1,47 nm, Pα–Pγ 5,2 Å y Mg–O 2,07 y 2,24 Å. Sin hidrógenos; bolas y varillas, no esferas de van der Waals. La ribosa conserva su quiralidad (comprobado)	^{3, 4, 5, 11}
Agua atacante y segunda agua	En cinesina-5 con análogo de ATP, un agua queda a 3,3 Å del fósforo γ, en línea para atacarlo; hay una segunda agua cerca	Vienen de 3HQD (Eg5, no cinesina-1) superponiendo su análogo sobre el ATP del dibujo: el agua queda a 3,4 Å y a 152° del enlace β–γ. Solo se dibuja el oxígeno. En la animación el agua se une en el mismo momento en que se rompe el enlace: no se decide entre el mecanismo asociativo y el disociativo, que siguen sin distinguirse	^{5, 6, 26}
Hidrólisis	Se rompe el enlace entre los fosfatos β y γ; salen ADP y fosfato	El fosfato se aleja solo 0,5 nm y luego se desvanece para volver a empezar; sin destello ni sacudida	^{5, 6}
Dos carriles: equilibrio y lejos de él	En equilibrio la cinesina daría pasos adelante y atrás con igual probabilidad (razonamiento teórico); para el trabajo cuenta lo lejos del equilibrio. Energía estándar −31,55 ± 1,27 kJ/mol (rótulo: unos −32); en músculo y corazón, −50 a −72 kJ/mol según el tipo (rótulo: −55 en corazón de rata)	Esquema: cantidades a ojo (izquierda 2 ATP y 64 ADP; derecha 64 ATP y 6 ADP; 70 fosfatos a cada lado). En equilibrio real el ATP sería prácticamente cero. Tramos de microtúbulo de 57 nm; la cinesina de la derecha vuelve abajo tras unos pasos; ninguna lleva carga	^{7, 8, 28, 29, 39}
F1 de la ATP sintasa	Anillo α3β3 con el eje γ dentro; extensión de 10,5 × 11,3 × 9,1 nm; tres β distintas: βTP, βDP y βE (vacía)	Coordenadas de 2JDI (α3β3γδε), una esfera por carbono alfa. Las β toman por turnos las tres formas de 2JDI (cadenas D, E y F), superpuestas por su dominio N y con interpolación lineal entre ellas. El nucleótido de βDP se dibuja como ADP más fosfato, aunque en 2JDI es un análogo de ATP. Se encoge la parte del lado de la matriz para ver el interior. Las hélices conservan su sentido (comprobado: dextrógiras)	^{3, 11, 19, 37, 42}
Giro del eje γ	120° por ATP, en subpasos de 90° y 30°; unas 100 vueltas por segundo en mitocondria bovina; en síntesis gira al revés	Un giro de 120° cada 4,5 segundos, sin subpasos. Gira en el sentido de la síntesis. El sentido de la hidrólisis (antihorario visto desde la membrana) es de F44 (H72); con él, el orden calculado en un sitio es E → TP → DP en hidrólisis y E → DP → TP en síntesis, coherente con el cristal. Los rótulos de las β siguen a la β que muestra cada estado en el dibujo	^{14, 32, 37, 43}
Recarga en la β	Une ADP y fosfato, se cierra, el ATP se forma casi sin gasto y la energía se emplea sobre todo en atrapar el fosfato en la proteína y en soltar el ATP	Las trayectorias de entrada del ADP y el fosfato y de salida del ATP son de esquema	^{12, 13, 44}
Parte de membrana de la sintasa	Anillo de 8 subunidades c en la sintasa bovina; 2,7 protones por ATP según la estructura	Anillo de 8 cilindros de radio 2,6 nm, de esquema. La bicapa, el brazo periférico y la subunidad a no se dibujan, para dejar a la vista la F1	¹⁴
Mitocondria y célula	—	Cápsula de 480 nm de diámetro y 1,2 µm de largo, sin crestas (están en el modelo de la mitocondria); medidas de esquema
Nube de ATP	ATP 3,2 ± 1,7 mM de media en mamífero; separación media de unos 8 nm (deducido); ATP:ADP de 1 a más de 100, basal ≥40	1 punto por cada 1.000 moléculas (11.250 puntos en una caja con unos 11 millones). 1 de cada 10 puntos es ADP: proporción de esquema para que se vea; en células de mamífero el ATP:ADP basal pasa de 40. En la vuelta, el flujo entre la mitocondria y el microtúbulo es de esquema	^{1, 2, 17}
Fosfoglicerato quinasa	Pasa el fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP (no usa fosfato libre) y se cierra como una bisagra; la de la escena es de Trypanosoma brucei, un protozoo	Coordenadas de 13PK (cadena A, cerrada, con ADP y 3-fosfoglicerato). La forma abierta es inventada: el dominio N gira 30° sobre una bisagra calculada. El 1,3-bisfosfoglicerato se dibuja como 3-fosfoglicerato más un fósforo	^{3, 15}
Cifras del ritmo	ATP/ADP de unas 17 veces en E. coli (ADP total, deducido) y de cientos a unas mil en músculo de roedor (ADP libre); cada ATP de E. coli se recarga entre unas 4.700 y 29.000 veces por generación según la medida de ATP que se use (9,6 o 1,54 mM; cálculo propio)	En los rótulos solo van «unas 17 veces (deducido)» y «miles de recargas por ATP en cada división» de E. coli, como cálculo propio	^{16, 17, 18, 45, 46}
Galería: cómo se sabe	Cristal de F1 a 2,8 Å; bola sujeta en pinza óptica para medir pasos y fuerza; sensores fluorescentes de ATP en células vivas	Todo de esquema: el cristal es una red de 13 × 13 × 13 copias a 14 nm (la celda real no consta y un cristal tiene muchísimas más); la bola mide 500 nm y el haz es un cono inventado; el sensor son puntos que brillan	^{2, 19, 20, 21, 38}
Preguntas abiertas	Se discute si la cinesina avanza en dos subpasos de 4 nm. En cloroplasto y E. coli, los protones por ATP salen 4,0 de la termodinámica frente a 4,7 y 3,3 de la estructura; en la sintasa bovina, 2,7 según la estructura	El rótulo solo dice que se discute cuántos protones cuesta un ATP, sin cifras	^{14, 22, 23, 40}
Escalas	Molécula ~1,5 nm, motores ~10 nm, célula ~2 µm	Todo en nanómetros reales salvo lo declarado; el rótulo de campo de visión mide cada parada

Procedencia de las estructuras

Valor: 3J8Y y 3J8X: cinesina-1 humana sobre tubulina de cerdo (Sus scrofa). 1FMW: miosina II de Dictyostelium discoideum con MgATP. 3HQD: cinesina-5 (Eg5) humana, de donde salen las dos aguas. 2JDI: F1 de corazón de vaca (Bos taurus). 13PK: fosfoglicerato quinasa de Trypanosoma brucei. MgATP ideal: diccionario químico del PDB^{3, 4, 6, 10, 11, 15}
Simplificación: La escena junta piezas de organismos distintos en una sola célula; el ATP de miosina se encaja en el sitio de la cinesina, y las aguas de Eg5, sobre ese ATP

Microtúbulo

Valor: Repetición de 8,1 nm a lo largo, el sitio de unión de la cinesina; 13 o 14 protofilamentos. El diámetro no consta en las fuentes^{3, 9, 10}
Simplificación: Se dibujan 13 protofilamentos, sin costura, con 25 nm de diámetro (valor esquemático). Solo el protofilamento del camino lleva carbonos alfa reales (10 dímeros de 3J8Y); el resto es un elipsoide por tubulina hasta unos 200 nm, y más allá un cilindro liso

Dímero de tubulina

Valor: Coordenadas de 3J8Y (crio-EM a 5 Å); cada subunidad mide unos 6 nm^{3, 10}
Simplificación: Una esfera por aminoácido (carbono alfa), no la superficie atómica

Cabeza de cinesina

Valor: Punta de flecha de unos 7 × 4,5 × 4,5 nm; al unirse al microtúbulo suelta el ADP y al entrar el ATP se cierra y fija el cuello^{3, 10, 30, 33}
Simplificación: Una esfera por aminoácido. El cierre interpola en línea recta entre 3J8X (sin nucleótido) y 3J8Y (con análogo de ATP, aunque el archivo lo llame ATP). Los residuos 321-334 del cuello solo están en 3J8Y y aparecen al cerrarse

Paso de la cinesina

Valor: Camina mano sobre mano: cada cabeza avanza unos 17 nm (17,3 ± 3,3), dos sitios del raíl; el conjunto, 8,1-8,3 nm por paso, un ATP por paso; la hidrólisis va a 100-300 por segundo^{9, 31, 41}
Simplificación: La cabeza salta dos sitios exactos (16,2 nm, dentro del error medido). Un paso cada 7 segundos, muchísimo más lento que el real. El arco es inventado (sube 4,6 nm y pasa 3,6 nm por delante), sin el giro real. Tras tres pasos vuelve al principio. Las dos cabezas son copias de la misma estructura

Varilla y vesícula

Valor: Varilla de unos 80 nm (cinesina bovina); el extremo contrario sujeta la carga³⁴
Simplificación: Cuello y varilla: una hilera de esferas, sin la doble hélice enrollada. La vesícula mide 60 nm de diámetro; ese tamaño no consta en las fuentes

MgATP

Valor: Adenina, ribosa y tres fosfatos α, β y γ; unido a proteína mide 1,4-1,5 nm; Pα–Pγ 4,9-5,4 Å; el magnesio a 2,1-2,2 Å de un oxígeno del β y otro del γ^{3, 4, 5, 11}
Simplificación: Átomos de 1FMW (miosina con MgATP real) encajados en el sitio de la cinesina de 3J8Y (desviación media 0,11 nm). En el dibujo mide 1,47 nm, Pα–Pγ 5,2 Å y Mg–O 2,07 y 2,24 Å. Sin hidrógenos; bolas y varillas, no esferas de van der Waals. La ribosa conserva su quiralidad (comprobado)

Agua atacante y segunda agua

Valor: En cinesina-5 con análogo de ATP, un agua queda a 3,3 Å del fósforo γ, en línea para atacarlo; hay una segunda agua cerca^{5, 6, 26}
Simplificación: Vienen de 3HQD (Eg5, no cinesina-1) superponiendo su análogo sobre el ATP del dibujo: el agua queda a 3,4 Å y a 152° del enlace β–γ. Solo se dibuja el oxígeno. En la animación el agua se une en el mismo momento en que se rompe el enlace: no se decide entre el mecanismo asociativo y el disociativo, que siguen sin distinguirse

Hidrólisis

Valor: Se rompe el enlace entre los fosfatos β y γ; salen ADP y fosfato^{5, 6}
Simplificación: El fosfato se aleja solo 0,5 nm y luego se desvanece para volver a empezar; sin destello ni sacudida

Dos carriles: equilibrio y lejos de él

Valor: En equilibrio la cinesina daría pasos adelante y atrás con igual probabilidad (razonamiento teórico); para el trabajo cuenta lo lejos del equilibrio. Energía estándar −31,55 ± 1,27 kJ/mol (rótulo: unos −32); en músculo y corazón, −50 a −72 kJ/mol según el tipo (rótulo: −55 en corazón de rata)^{7, 8, 28, 29, 39}
Simplificación: Esquema: cantidades a ojo (izquierda 2 ATP y 64 ADP; derecha 64 ATP y 6 ADP; 70 fosfatos a cada lado). En equilibrio real el ATP sería prácticamente cero. Tramos de microtúbulo de 57 nm; la cinesina de la derecha vuelve abajo tras unos pasos; ninguna lleva carga

F1 de la ATP sintasa

Valor: Anillo α3β3 con el eje γ dentro; extensión de 10,5 × 11,3 × 9,1 nm; tres β distintas: βTP, βDP y βE (vacía)^{3, 11, 19, 37, 42}
Simplificación: Coordenadas de 2JDI (α3β3γδε), una esfera por carbono alfa. Las β toman por turnos las tres formas de 2JDI (cadenas D, E y F), superpuestas por su dominio N y con interpolación lineal entre ellas. El nucleótido de βDP se dibuja como ADP más fosfato, aunque en 2JDI es un análogo de ATP. Se encoge la parte del lado de la matriz para ver el interior. Las hélices conservan su sentido (comprobado: dextrógiras)

Giro del eje γ

Valor: 120° por ATP, en subpasos de 90° y 30°; unas 100 vueltas por segundo en mitocondria bovina; en síntesis gira al revés^{14, 32, 37, 43}
Simplificación: Un giro de 120° cada 4,5 segundos, sin subpasos. Gira en el sentido de la síntesis. El sentido de la hidrólisis (antihorario visto desde la membrana) es de F44 (H72); con él, el orden calculado en un sitio es E → TP → DP en hidrólisis y E → DP → TP en síntesis, coherente con el cristal. Los rótulos de las β siguen a la β que muestra cada estado en el dibujo

Recarga en la β

Valor: Une ADP y fosfato, se cierra, el ATP se forma casi sin gasto y la energía se emplea sobre todo en atrapar el fosfato en la proteína y en soltar el ATP^{12, 13, 44}
Simplificación: Las trayectorias de entrada del ADP y el fosfato y de salida del ATP son de esquema

Parte de membrana de la sintasa

Valor: Anillo de 8 subunidades c en la sintasa bovina; 2,7 protones por ATP según la estructura¹⁴
Simplificación: Anillo de 8 cilindros de radio 2,6 nm, de esquema. La bicapa, el brazo periférico y la subunidad a no se dibujan, para dejar a la vista la F1

Mitocondria y célula

Valor: —
Simplificación: Cápsula de 480 nm de diámetro y 1,2 µm de largo, sin crestas (están en el modelo de la mitocondria); medidas de esquema

Nube de ATP

Valor: ATP 3,2 ± 1,7 mM de media en mamífero; separación media de unos 8 nm (deducido); ATP:ADP de 1 a más de 100, basal ≥40^{1, 2, 17}
Simplificación: 1 punto por cada 1.000 moléculas (11.250 puntos en una caja con unos 11 millones). 1 de cada 10 puntos es ADP: proporción de esquema para que se vea; en células de mamífero el ATP:ADP basal pasa de 40. En la vuelta, el flujo entre la mitocondria y el microtúbulo es de esquema

Fosfoglicerato quinasa

Valor: Pasa el fosfato del 1,3-bisfosfoglicerato al ADP (no usa fosfato libre) y se cierra como una bisagra; la de la escena es de Trypanosoma brucei, un protozoo^{3, 15}
Simplificación: Coordenadas de 13PK (cadena A, cerrada, con ADP y 3-fosfoglicerato). La forma abierta es inventada: el dominio N gira 30° sobre una bisagra calculada. El 1,3-bisfosfoglicerato se dibuja como 3-fosfoglicerato más un fósforo

Cifras del ritmo

Valor: ATP/ADP de unas 17 veces en E. coli (ADP total, deducido) y de cientos a unas mil en músculo de roedor (ADP libre); cada ATP de E. coli se recarga entre unas 4.700 y 29.000 veces por generación según la medida de ATP que se use (9,6 o 1,54 mM; cálculo propio)^{16, 17, 18, 45, 46}
Simplificación: En los rótulos solo van «unas 17 veces (deducido)» y «miles de recargas por ATP en cada división» de E. coli, como cálculo propio

Galería: cómo se sabe

Valor: Cristal de F1 a 2,8 Å; bola sujeta en pinza óptica para medir pasos y fuerza; sensores fluorescentes de ATP en células vivas^{2, 19, 20, 21, 38}
Simplificación: Todo de esquema: el cristal es una red de 13 × 13 × 13 copias a 14 nm (la celda real no consta y un cristal tiene muchísimas más); la bola mide 500 nm y el haz es un cono inventado; el sensor son puntos que brillan

Preguntas abiertas

Valor: Se discute si la cinesina avanza en dos subpasos de 4 nm. En cloroplasto y E. coli, los protones por ATP salen 4,0 de la termodinámica frente a 4,7 y 3,3 de la estructura; en la sintasa bovina, 2,7 según la estructura^{14, 22, 23, 40}
Simplificación: El rótulo solo dice que se discute cuántos protones cuesta un ATP, sin cifras

Escalas

Valor: Molécula ~1,5 nm, motores ~10 nm, célula ~2 µm
Simplificación: Todo en nanómetros reales salvo lo declarado; el rótulo de campo de visión mide cada parada

Referencias

Traut (1994). Physiological concentrations of purines and pyrimidines. Mol Cell Biochem. doi:10.1007/BF00928361 (leído por el resumen)
Tantama et al. (2013). Imaging energy status in live cells with a fluorescent biosensor of the intracellular ATP-to-ADP ratio. Nat Commun. doi:10.1038/ncomms3550
Berman HM et al. (RCSB PDB) (2026). Chemical Component Dictionary: ATP, ADP, MG, PO4, HOH (coordenadas ideales) y entradas 1FMW, 1BMF, 2JDI, 1H8E, 3HQD, 1BG2, 3KIN, 3J8X, 3J8Y, 4HNA, 13PK, 6ZQN. Nucleic Acids Research (base de datos RCSB PDB, consultada el 02-11-2026). doi:10.1093/nar/28.1.235
Bauer et al. (2000). X-ray structures of the apo and MgATP-bound states of Dictyostelium discoideum myosin motor domain. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.M005585200 (leído por el resumen)
Mildvan (1987). Role of magnesium and other divalent cations in ATP-utilizing enzymes. Magnesium. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3029516/ (leído por el resumen)
Parke et al. (2010). ATP hydrolysis in Eg5 kinesin involves a catalytic two-water mechanism. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.M109.071233
Astumian (2010). Thermodynamics and kinetics of molecular motors. Biophys J. doi:10.1016/j.bpj.2010.02.040
Astumian (2015). Irrelevance of the power stroke for the directionality, stopping force, and optimal efficiency of chemically driven molecular machines. Biophys J. doi:10.1016/j.bpj.2014.11.3459
Coy et al. (1999). Kinesin takes one 8-nm step for each ATP that it hydrolyzes. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.274.6.3667 (leído por el resumen)
Shang et al. (2014). High-resolution structures of kinesin on microtubules provide a basis for nucleotide-gated force-generation. eLife. doi:10.7554/eLife.04686
Bowler et al. (2007). Ground state structure of F1-ATPase from bovine heart mitochondria at 1.9 A resolution. J Biol Chem. doi:10.1074/jbc.M700203200 (leído por el resumen)
Boyer et al. (1973). A new concept for energy coupling in oxidative phosphorylation based on a molecular explanation of the oxygen exchange reactions. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.70.10.2837 (leído por el resumen)
Al-Shawi et al. (1990). Thermodynamic analyses of the catalytic pathway of F1-ATPase from Escherichia coli. J Biol Chem. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2137823/ (leído por el resumen)
Watt et al. (2010). Bioenergetic cost of making an adenosine triphosphate molecule in animal mitochondria. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.1011099107 (leído por el resumen)
Bernstein et al. (1997). Synergistic effects of substrate-induced conformational changes in phosphoglycerate kinase activation. Nature. doi:10.1038/385275a0 (leído por el resumen)
Lynch y Marinov (2015). The bioenergetic costs of a gene. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.1514974112
Bennett et al. (2009). Absolute metabolite concentrations and implied enzyme active site occupancy in Escherichia coli. Nat Chem Biol. doi:10.1038/nchembio.186
Yaginuma et al. (2014). Diversity in ATP concentrations in a single bacterial cell population revealed by quantitative single-cell imaging. Sci Rep. doi:10.1038/srep06522
Abrahams et al. (1994). Structure at 2.8 A resolution of F1-ATPase from bovine heart mitochondria. Nature. doi:10.1038/370621a0 (leído por el resumen)
Svoboda y Block (1994). Force and velocity measured for single kinesin molecules. Cell. doi:10.1016/0092-8674(94)90060-4 (leído por el resumen)
Imamura et al. (2009). Visualization of ATP levels inside single living cells with fluorescence resonance energy transfer-based genetically encoded indicators. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.0904764106
Carter y Cross (2005). Mechanics of the kinesin step. Nature. doi:10.1038/nature03528 (leído por el resumen)
Schnitzer et al. (2000). Force production by single kinesin motors. Nat Cell Biol. doi:10.1038/35036345 (leído por el resumen)
Park et al. (2016). Metabolite concentrations, fluxes and free energies imply efficient enzyme usage. Nat Chem Biol. doi:10.1038/nchembio.2077
Rolfe y Brown (1997). Cellular energy utilization and molecular origin of standard metabolic rate in mammals. Physiol Rev. doi:10.1152/physrev.1997.77.3.731 (leído por el resumen)
Kamerlin et al. (2013). Why nature really chose phosphate. Q Rev Biophys. doi:10.1017/S0033583512000157
Westheimer (1987). Why nature chose phosphates. Science. doi:10.1126/science.2434996 (leído por el resumen)
Masuda et al. (1990). The Gibbs-Donnan near-equilibrium system of heart. J Biol Chem. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/2147022/ (leído por el resumen)
Meurer et al. (2017). Standard Gibbs energy of metabolic reactions: II. Glucose-6-phosphatase reaction and ATP hydrolysis. Biophys Chem. doi:10.1016/j.bpc.2017.02.005 (leído por el resumen)
Rice et al. (1999). A structural change in the kinesin motor protein that drives motility. Nature. doi:10.1038/45483 (leído por el resumen)
Cross (2004). The kinetic mechanism of kinesin. Trends Biochem Sci. doi:10.1016/j.tibs.2004.04.010 (leído por el resumen)
Iino y Noji (2013). Operation mechanism of FoF1-adenosine triphosphate synthase revealed by its structure and dynamics. IUBMB Life. doi:10.1002/iub.1120 (leído por el resumen)
Kull et al. (1996). Crystal structure of the kinesin motor domain reveals a structural similarity to myosin. Nature. doi:10.1038/380550a0
Hirokawa et al. (1989). Submolecular domains of bovine brain kinesin identified by electron microscopy and monoclonal antibody decoration. Cell. doi:10.1016/0092-8674(89)90691-0 (leído por el resumen)
Flamholz et al. (2012). eQuilibrator--the biochemical thermodynamics calculator. Nucleic Acids Res. doi:10.1093/nar/gkr874
Itoh et al. (2004). Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase. Nature. doi:10.1038/nature02212 (leído por el resumen)
Noji et al. (1997). Direct observation of the rotation of F1-ATPase. Nature. doi:10.1038/386299a0 (leído por el resumen)
Visscher et al. (1999). Single kinesin molecules studied with a molecular force clamp. Nature. doi:10.1038/22146 (leído por el resumen)
Kushmerick (1987). Energetics studies of muscles of different types. Basic Res Cardiol. doi:10.1007/978-3-662-11289-2_2 (leído por el resumen)
Steigmiller et al. (2008). The thermodynamic H+/ATP ratios of the H+-ATPsynthases from chloroplasts and Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.0708356105 (leído por el resumen)
Yildiz et al. (2003). Kinesin walks hand-over-hand. Science. doi:10.1126/science.1093753 (leído por el resumen)
Menz et al. (2001). Structure of bovine mitochondrial F1-ATPase with nucleotide bound to all three catalytic sites. Cell. doi:10.1016/s0092-8674(01)00452-4 (leído por el resumen)
Yasuda et al. (2001). Resolution of distinct rotational substeps by submillisecond kinetic analysis of F1-ATPase. Nature. doi:10.1038/35073513 (leído por el resumen)
Adachi et al. (2007). Coupling of rotation and catalysis in F1-ATPase revealed by single-molecule imaging and manipulation. Cell. doi:10.1016/j.cell.2007.05.020 (leído por el resumen)
Kushmerick et al. (1992). Mammalian skeletal muscle fibers distinguished by contents of phosphocreatine, ATP, and Pi. Proc Natl Acad Sci U S A. doi:10.1073/pnas.89.16.7521 (leído por el resumen)
Veech et al. (1979). Cytosolic phosphorylation potential. J Biol Chem. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36399/ (leído por el resumen)

La célula

La molécula

El corte

Dónde está la energía

Un paso por cada ATP

La recarga

Otra vía y el ritmo

Cómo se sabe

De vuelta a la célula

En una frase

Qué vas a aprender

Cómo funciona

Cómo se sabe

Lo que sigue abierto

Lo que se suele confundir

Conceptos clave

Actividad de repaso

Para recordar

Cómo está hecho este modelo

Referencias