DETERMINACIÓN DE DISTINTAS VARIABLES
TERMODINÁMICAS PARA EL ANÁLISIS DE LA
HIDRÓLISIS DEL ATP.
Calvache Rosales Laura Vanessa (220140002), Chaves Toro Yeison Eduardo (220140056), Galindez Arteaga
Emily Juliana (220140071)
Universidad de Nariño
Facultad de ciencias exactas y naturales
Departamento de química
Laboratorio fisicoquimica I
Resumen
Para determinar la entalpía de disociación del ATP se realizaron procedimientos en un calorímetro
ideal, con ayuda del software Virtual Chemistry Laboratory, en el que se llevó a cabo una reacción de
100 mL de ATP a 0,1 M, 0,2M y 0,3M, con distintas cantidades de volumen de Enzima 0,1µ𝑀, con la
finalidad de establecer por medio de la calorimetría el valor de ∆𝑟𝐻 para la primera hidrólisis del ATP,
el cual corresponde a -21,0 kJ/mol. Adicionalmente, se logró determinar la importancia de utilizar una
enzima en la reacción para que finalmente, se pueda obtener una determinada cantidad de energía que
posteriormente sea convertida en trabajo.
Palabras claves: Adenosín trifosfato, entalpía de reacción, hidrólisis, energía libre de Gibbs.
1. Introducción
El adenosín-5’-trifosfato o ATP es un compuesto
orgánico que se encuentra conformado por grupos
fosfato, adenina y azúcar ribosa como se observa
en la figura 1. El ATP es una molécula que se
encuentra en las células de todos los seres vivos y
se la conoce como una molécula portadora de
energía
ya
que
su
transformación
a
adenosín-5’-difosfato o ADP mediante una
reacción de hidrólisis proporciona la energía
necesaria para que diversos procesos bioquímicos
tomen lugar en el organismo de los seres vivos.
(Hernández, 2007).
Figura 1. Estructura de adenosín trifosfato (ATP).
El ATP es es inestable a ácidos, álcalis y al calor
y a un pH de 7 el ATP en medio acuoso dona
4−
protones al medio dando lugar al ion 𝐴𝑇𝑃 a partir
del cual se da lugar a la primera hidrólisis del ATP en
la cual uno de los grupos fosfato se separa de la
molécula obteniendo como producto el ion de
3−
ADP, 𝐴𝐷𝑃 (Hernández, 2007).
La reacción de hidrólisis presenta una energía de
activación lo suficientemente alta para que la
reacción no sea cinéticamente favorable, y por lo
1
tanto,el papel de una enzima catalizadora en el
medio de reacción es importante para que en la
célula se genere la energía requerida en un
intervalo de tiempo determinado, por ello la
primera hidrólisis del ATP se puede representar
por medio de la ecuación 1.
4−
𝐴𝑇𝑃(𝑎𝑐) + 𝐻2𝑂(𝑙)
3−
2−
En la hidrólisis del ATP, el cambio en la energía
libre de Gibbs en la reacción viene dado por la
ecuación 6 según la termodinámica.
+
𝐴𝐷𝑃(𝑎𝑐) + 𝐻𝑃𝑂4 (𝑎𝑐) + 𝐻(𝑎𝑐) Ecuación 1
Comúnmente para realizar estudios del
funcionamiento de la hidrólisis en el ATP se hace
uso de una enzima llamada glutamato (Figura 2a)
y en un medio donde se encuentre presente
amoniaco se libera un protón y un grupo hidroxilo
dando lugar a la glutamina (Figura 2b). El grupo
hidroxilo interactúa el enlace fosfoanhidro del
4−
𝐴𝑇𝑃
3−
dando paso 𝐴𝐷𝑃 y la glutamina produce
la hidrólisis del agua a partir de la cual se genera
nuevamente amoniaco y glutamato. El
su
mecanismo catalítico se encuentra dado en forma
general por la ecuación 2. (Referencia 3).
Figura 2. a) Estructura glutamato, b) Estructura
glutamina.
𝐺𝑙𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎𝑡𝑜 + 𝑁𝐻3 + 𝐴𝑇𝑃
𝐺𝑙𝑢𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎 + 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖
𝐺𝑙𝑢𝑡𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎 + 𝐻2𝑂
𝑁𝐻3 + 𝐺𝑙𝑢𝑡𝑎𝑚𝑎𝑡𝑜
El calor de reacción molar o entalpía de reacción
molar para la hidrólisis se encuentra definida
mediante la primera ley de la termodinámica a
partir de la ecuación 3 donde q en un sistema con
𝐶𝑝 constante está dado por la ecuación 4 y el
Tabla 1. Entalpía de reacción de la primera
hidrólisis de 100 mL ATP 0,1M, pH=6,99
mL de 𝑇𝑖 (°C) 𝑇𝑓 (°C) ∆𝑇 (°C) 𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Enzima
kJ
1µ𝑀
𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 se puede obtener mediante la ecuación 5.
∆𝐻𝑟 =
𝑛𝐴𝑇𝑃
Ecuación 3
𝑞 = 𝐶𝑝∆𝑇 = 𝑚𝑠𝑝∆𝑇
Ecuación 4
𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 =− 𝑞𝑎𝑔𝑢𝑎
Ecuación 5
2. Metodología
Para la determinación de la entalpía de reacción de
la primera hidrólisis del ATP se realizaron 3
procedimientos en el software virtual Chemistry
Laboratory. En un calorímetro aislado al entorno
se agregaron 100 mL de ATP 0,1M y se le
añadieron distintos valores de volúmen de
solución de Enzima 1 µ𝑀, ambas disoluciones a
una temperatura inicial de 25°C. Esto se realizó
con el fin de registrar valores de temperaturas
finales y calcular el calor liberado por la reacción
para cada cantidad de enzima añadida al sistema.
A partir de los valores de q obtenidos se llevó a
cabo un análisis gráfico del calor de reacción en
función de las moles de enzima añadida en donde
se realizó el ajuste de los datos a un polinomio de
grado cero, el cual es una constante dada por la
intersección con el eje y, la cual sería el resultante
del ajuste de los datos dados por el procedimiento
mediante el método de los chi-cuadrados. Este
valor obtenido se lo seleccionó como el calor de la
reacción a partir del cual se hizo uso de la
ecuación 3 para determinar la entalpía de reacción
molar.
El procedimiento anterior se repitió variando la
concentración de ATP a 0,2M y 0,3M.
3. Resultados
3.1 Determinación de la entalpía molar para
0,1 M de ATP
Ecuación 2
𝑞𝑝
Ecuación 6
∆𝐺° = ∆𝐻° − 𝑇∆𝑆°
2
1
25,00
25,49
0,49
-0,207
2
25,00
25,49
0,49
-0,209
3
25,00
25,48
0,48
-0,207
4
25,00
25,48
0,48
-0,209
5
25,00
25,47
0,47
-0,206
6
25,00
25,47
0,47
-0,208
7
25,00
25,46
0,46
-0,206
8
25,00
25,46
0,46
-0,208
9
25,00
25,46
0,46
-0,210
10
25,00
25,45
0,45
-0,207
𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (kJ)
-0,208
∆𝑟 𝐻𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙(kJ/mol)
-20,8
∆𝑟 𝐻𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜(kJ/mol)
-20, 1
Error porcentual E (%)
3,48
1
Figura 4. Calor liberado al mezclar enzima (1µ𝑀)
con ATP 0,2 M
3.3 Determinación de la entalpía molar para
0,3 M de ATP
Tabla 3. Entalpía de reacción de la primera
hidrólisis de 100 mL ATP 0,3M, pH=6,99
mL de 𝑇𝑖 (°C) 𝑇𝑓 (°C) ∆𝑇 (°C) 𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Enzima
kJ
1µ𝑀
Figura 3. Calor liberado al mezclar enzima (1µ𝑀)
con ATP 0,1 M
3.2 Determinación de la entalpía molar para 0,2
M de ATP
Tabla 2. Entalpía de reacción de la primera
hidrólisis de 100 mL ATP 0,2 M, pH=6,99
mL de 𝑇𝑖 (°C) 𝑇𝑓 (°C) ∆𝑇 (°C) 𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛
Enzima
kJ
1µ𝑀
1
25,00
26,49
1,49
-0,630
2
25,00
26,47
1,48
-0,632
3
25,00
26,46
1,46
-0,629
4
25,00
26,44
1,44
-0,627
5
25,00
26,43
1,43
-0,628
6
25,00
26,42
1,42
-0,630
7
25,00
26,4
1,4
-0,627
8
25,00
26,39
1,39
-0,628
9
25,00
26,38
1,38
-0,629
10
25,00
26,36
1,36
-0,626
1
25,00
25,99
0,99
-0,418
2
25,00
25,98
0,98
-0,418
𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (kJ)
-0,629
3
25,00
25,97
0,97
-0,418
25,00
25,96
0,96
-0,418
∆𝑟 𝐻𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙(kJ/mol)
-21,0
4
5
25,00
25,95
0,95
-0,417
∆𝑟 𝐻𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜(kJ/mol)
-20,1
6
25,00
25,94
0,94
-0,417
Error porcentual E (%)
4,48
7
25,00
25,93
0,93
-0,416
8
25,00
25,92
0,92
-0,416
9
25,00
25,92
0,92
-0,420
10
25,00
25,91
0,91
-0,419
𝑞𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 (kJ)
-0,418
∆𝑟 𝐻𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙(kJ/mol)
-20,9
∆𝑟 𝐻𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜(kJ/mol)
-20,1
Error porcentual E (%)
3,98
3
Figura 5. Calor liberado al mezclar enzima (1µ𝑀)
con ATP 0,2 M
de iones al sistema, existirá un flujo de materia
mayor desde reactivos a productos, generando así
un gradiente de potencial químico, que va a fluir
desde donde es mayor hacia donde es menor, en
este caso, desde reactivos hacia productos, hasta
alcanzar el equilibrio material y por ende el
equilibrio termodinámico, es decir, que si se
modifica la cantidad de iones reactivo, la cantidad
de flujo de materia será mayor y por ende la
cantidad de productos formados, por lo cual se
produce un aumento discreto en el calor liberado
en la reacción llevada a cabo para variación de
concentración discretas de reactivo, y por se puede
deducir que la constante de equilibrio en una
relación de la actividad termodinámica del
sistema.
4. Discusión
A partir de los resultados obtenidos se puede
afirmar que la reacción de hidrólisis de ATP es,
como se esperaba, una reacción de tipo
exotérmico, en la cual energía en forma de calor
ha sido liberada al entorno, tal como ocurre en los
sistemas biológicos. Se debe tener en cuenta que
la reacción estudiada de hidrólisis no es completa,
esta presenta equilibrios de reacción en los cuales
se libera una cantidad de energía en forma de calor
en el momento en que se forma ADP, pero al
mismo tiempo, una vez formado, este reacciona en
el sistema para producir nuevamente el reactivo
ATP mediante una reacción de fosforilación donde
debido a que la reacción se lleva a cabo en
dirección opuesta, convirtiéndose en una reacción
endotérmica, es necesaria una cierta cantidad de
energía para que pueda ocurrir nuevamente la
síntesis de la molécula de ATP, teniendo así un
tipo de ciclo que se va a estar repitiendo
dependiendo de cuando se consuma y a la vez se
necesite energía hasta alcanzar el equilibrio
termodinámico en donde se obtiene finalmente
que un calor de reacción final oscila entre -20,8
kJ/mol y -21,0 kJ/mol los cuales difieren del valor
teórico desde el 3,5 % hasta el 4,5 %.
La diferencia entre los valores obtenidos
experimentalmente de entalpía de reacción molar
a diferentes concentraciones de ATP se debe a la
variación de la fuerza iónica (I) del sistema de
solución inicial. Ya que la fuerza iónica es
proporcional a la concentración de iones en el
sistema, al tener una concentración 0,1M de ATP
el sistema presenta menor fuerza iónica en
comparación al sistema en donde se tiene una
concentración 0,3M de ATP. A partir de lo cual se
puede afirmar, en base a los resultados de entalpía
de reacción en donde la entalpía de reacción es de
menor magnitud para baja fuerza iónica del
sistema y de mayor magnitud para valores
mayores de fuerza iónica, que la entalpía es
proporcional a la fuerza iónica del sistema para la
hidrólisis de ATP. Si entre mayor es la
concentración de ATP en el sistema, mayor será la
fuerza iónica en donde la cantidad de iones
reactivos presentes en el medio para que se de
lugar la reacción aumenta modificando de esta
forma su constante de equilibrio. Básicamente, se
puede trabajar este fenómeno, similar al principio
de Le’ Chatelier, es decir, si se añaden más moles
Si el cambio de energía total de un sistema de
reacción se determina mediante los enlaces
formados y disociados en el proceso de reacción el
∆𝐸 resultante será de gran magnitud en
comparación al calor de reacción molar a
determinado.
∆𝐸 = 𝐵𝐸𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑎[𝑃 − 𝑂] − 𝐵𝐸𝑑𝑖𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜𝑠[𝑃 − 𝑂 + 𝑂 − 𝐻]
∆𝐸 = (− 381 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) − [(351 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙) + (467 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙)]
∆𝐸 =− 1169 𝑘𝐽/𝑚𝑜𝑙
Esta diferencia de magnitudes se debe a que la
energía vibracional, rotacional y traslacional de
las moléculas después de su disociación
disminuye al producirse moléculas mucho más
pequeñas o con menor cantidad de átomos en su
composición, debido a la lo cual, la energía
cinética total de los reactivos difiere de la de los
productos y por lo tanto, si la entalpía de reacción
depende directamente del cambio de energía
interna del sistema y la energía interna del sistema
depende directamente de la energía cinética de las
moléculas entonces, la entalpía de reacción o calor
liberado en el proceso de transformación
determinado experimentalmente no es comparable
con el cambio de energía determinado a partir de
los enlaces involucrados en el proceso de
reacción.
La energía liberada por el rompimiento que hay
entre el fósforo y oxígeno (enlace fosfoanhidrido),
es de gran magnitud ya que son considerados
“enlaces de alta energía” lo cual es directamente
involucrado con diferentes factores, y uno de los
más importantes es la repulsión que existe en los
4−
oxígenos del 𝐴𝑇𝑃 , ya que en ellos reposan
cargas negativas que están sintiendo una fuerte
4
repulsión entre sí según la Ley de Coulomb por lo
cuál la molécula es inestable. Al presentarse la
disociación; se libera una cantidad alta de energía
debido a la fuerte repulsión que existía al inicio,
por lo que entonces una vez se tengan los
productos, estos van a tener la tendencia a alejarse
en una determinada distancia, y es este el motivo
por el que se debe suministrar una gran cantidad
de energía para poder obtener nuevamente
adenosintrifosfato.
Por otro lado, para que la reacción de hidrólisis
tome lugar en el sistema es imprescindible la
presencia de una enzima, que en este caso, se
realizó la suposición de que la enzima trabajada
era la enzima glutamato, la cual actúa como
catalizador, debido a que según Voet G. (2004,
p.586): “la mayoría de los enlaces de tipo
anhídrido, se logran hidrolizar de manera rápida
en solución acuosa, pero un caso especial es que
los enlaces fosfoanhidrido poseen energías libres
de activación grandes”, por lo tanto, es necesario
una sustancia que ayude a disminuir la energía de
activación y pueda darse la hidrólisis del enlace,
en este caso mediante el mecanismo expuesto en
la ecuación 2.
Una vez ocurrido esto, se libera una cantidad de
energía en forma de calor la cual como ya se
conoce toma un valor negativo, debido a que la
energía liberada cuando se forman los enlaces
entre el oxígeno y el hidrógeno en el ión fosfato y
entre el grupo OH y el ADP es mayor que la
energía requerida para romper el enlace entre un
atomo de hidrogeno y oxigeno en 𝐻2𝑂 y el enlace
reacción de hidrólisis del ATP es exergónica,
espontánea, y exotérmica lo que va de acuerdo
con lo ya establecido en en la literatura.
5. Conclusiones
● La enzima glutamato reduce la energía
de activación necesaria para iniciar la
reacción
de
hidrólisis
uniéndose
temporalmente a la molécula de ATP y
así ayudar a superar la repulsión de
cargas que se produce entre el grupo
fosfato y el oxígeno perteneciente al 𝐻2𝑂
●
●
●
●
●
entre los grupos fosfatos en el ATP. Según
Gajewski, E., Steckler, D., Goldberg, R (1986) se
puede establecer que “se rompen y se forman dos
enlaces, pero los enlaces que se rompen son más
inestables que los enlaces formados, es por esto
que la energía liberada es mayor”, además se
puede lograr deducir que el sistema presenta un
valor de entalpía meyor a cero, ya que como se
observa en la ecuación 1 inicialmente se encuentra
presente únicamente dos compuestos donde
pasado un determinado tiempo de reacción se
obtienen los tres productos, logrando deducir por
lo tanto, que la entropía en este sistema aumenta
cuando se da la reacción directa, ya que los
microestados de energía permitidos aumentan en
el proceso de reacción, y por ello aumenta la
entropía. Entonces, si se observa la ecuación 6, al
presentar una entalpía de tipo exotérmica y una
entropía positiva, la energía libre, por lo tanto, es
negativa y por ende se logra demostrar que la
El adenosín trifosfato se la conoce como
la moneda energética y proporciona la
energía para la mayoría de los procesos
biológicos, convirtiéndose en ADP.
La síntesis de ATP, se da de manera
contínua ya que debido a diversos
métodos como la respiración, reacciones
y demás, se está sintetizando y
consumiendo ATP, es decir, su
producción es ilimitada hasta que el ser
vivo muera.
La termodinámica con ayuda de la
primera y segunda ley, permite entender
los motivos por los cuales los seres vivos
pueden desarrollar diferentes procesos
metabólicos y vitales.
La constante de equilibrio de una
reacción se la puede considerar como una
relación que determina la actividad
termodinámica de un sistema.
La energía libre dada por la hidrólisis del
ATP es la magnitud que permite afirmar
que a partir de la energía liberada los
organismos vivos realizan trabajo dando
lugar a todos los procesos metabólicos
necesarios para la conservación de la
vida.
6. Referencias
Donal Voet, J. V. (2004). Bioquímica (m.
Panamericana, Ed.). University of Pennsylvania.
Gajewski, E., Steckler, D. K., & Goldberg, R. N.
(1986). Thermodynamics of the hydrolysis of
adenosine
5'-triphosphate
to
adenosine
5'-diphosphate. The Journal of biological
chemistry, 261(27), 12733–12737.
Hernández, R. (2007). EL ATP COMO FUENTE
DE ENERGÍA CELULAR. Ciencias forestales y
ambientales Universidad de los Andes. Retrieved
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http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/atp/
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Subramanian, S. (2019). Mecanismo de ATPasa.
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https://www.news-medical.net/life-sciences/Mech
anism-of-ATPase.aspx
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