Fuerza protón-motriz: el poderoso aliento de la vida

En 1961 el destacado bioquímico británico Peter Mitchell publicó en Nature un artículo en el que dilucidaba uno de los últimos grandes misterios por resolver en el estudio de la respiración celular: el mecanismo gracias al cual la energía extraída a partir de los electrones arrancados a los combustibles orgánicos a lo largo de las cadenas respiratorias se gestiona en el interior de la mitocondria antes de ser almacenada en forma de ATP, cerrando un amplio capítulo de la investigación bioquímica iniciado siglos atrás.

Desde que Lavoisier estableciera la equivalencia de respiración y combustión hacia finales del siglo XVIII, el estudio de este asunto central de la fisiología había recorrido un largo camino plagado de escollos, afanosamente traspuestos gracias al empeño de destacadas figuras de la ciencia. Entre los hitos que lo jalonan, cabe señalar la identificación por Eduard Pflüger en 1870 de cada célula individual como el entorno en el que la respiración tiene lugar, aunque no fue hasta 1912 cuando B.F. Kingsbury precisó la mitocondria como el orgánulo concreto en el que se produce, afirmación que no obstante no fue ampliamente aceptada hasta que Eugene Kennedy y Albert Lehninger, en 1949, demostraron que efectivamente es en la mitocondria donde se encuentran las enzimas respiratorias. Para entonces ya era sabido que la respiración es el proceso, consistente básicamente en la oxidación de glucosa, del que procede la energía necesaria para sostener todas las funciones vitales, y la investigación se orientó a descifrar los mecanismos por los que esta energía es extraída y aprovechada en la realización de trabajo metabólico. Sobre el conocimiento de la hemoglobina y su capacidad para fijar oxígeno, se empezó a buscar un pigmento similar localizado en las células, en las que Charles MacMunn acabó por encontrar rastros de algo que llamó pigmento respiratorio que en realidad, como luego averiguó David Keilin, se trataba de una agregación de tres pigmentos diferentes que denominó citocromos, distinguiéndolos entre sí con las letras a, b y c, ninguno de los cuales fijaba directamente oxígeno como se esperaba. El propio Keilin ideó un primer modelo de cadena respiratoria en el que los átomos de hidrógeno, tras ser arrancados de la glucosa, eran escindidos, y cuyos electrones se hacían circular luego paso a paso por los eslabones de la susodicha cadena (los tres citocromos), extrayendo en cada uno una pequeña y manejable cantidad de energía, hasta que eran cedidos al oxígeno en el último paso para formar agua con la concurrencia del correspondiente protón.

El modelo de Keilin resultó clarividente, pero había que esclarecer un punto fundamental: ¿cómo se almacena esa energía para su posterior empleo en trabajo por todo el organismo?. La respuesta se había estado madurando en estudios paralelos sobre la fermentación, y fue brindada finalmente en 1929 por Karl Lohman con el descubrimiento del ATP, cuyo carácter de moneda energética universal fue paulatinamente estableciéndose en estudios posteriores, como por ejemplo los de Vladimir Engelhardt (quien demostró que la formación de ATP era el objetivo no sólo de los procesos de fermentación sino también de los de respiración), de Severo Ochoa (que cuantificó en hasta 38 las moléculas de ATP que pueden ser generadas a partir de una sola molécula de glucosa mediante la respiración), o los que concluyeron que también la energía cosechada de la luz por los organismos fotosintéticos se invertía en ATP.

El siguiente paso importante fue la caracterización de la ATPasa por parte de Efraim Racker. La ATPasa es un enorme complejo enzimático que canaliza la energía hacia la formación de ATP, y se encuentra embebido en la membrana interna de las mitocondrias junto a las cadenas respiratorias con las que, empero, no mantiene conexión física. Esto sugirió la existencia de algún intermediario desconocido que transfería la energía entre éstas y aquella, y cuya búsqueda se acometió de inmediato aunque resultó rotunda e insistentemente infructuosa. Es necesario advertir que además se habían puesto de manifiesto un par de aspectos curiosos del proceso respiratorio: Por un lado no se apreciaba una relación estequiométrica entre el número de electrones que circulaban por las cadenas y el de moléculas de ATP sintetizadas. Estas varían entre 28 y 38 por molécula de glucosa, empleándose para cada una entre 2 y 3 electrones. La ausencia de números redondos resultaba una característica realmente extraña en una disciplina, la química, en la que todo se expresa en números enteros. Por otro lado se había constatado la necesidad de una membrana, íntegra tanto física como funcionalmente, para que la circulación electrónica y la producción de ATP quedasen acopladas. En una membrana dañada el tránsito electrónico no cesa, pero queda desacoplado de la síntesis de ATP y éste no se produce, disipándose la energía extraída en forma de calor.

En este contexto irrumpió Mitchell, dedicado a la sazón al estudio del transporte activo de sustancias a través de membranas bacterianas. Había llegado a comprender que este transporte generaba un gradiente de concentración entre ambos lados de esas membranas, y la existencia de un gradiente supone el establecimiento de un potencial que eventualmente puede ser usado como fuerza motriz. A partir de estas ideas básicas Mitchell aventuró su teoría del acoplamiento quimiosmótico, una idea revolucionaria que conmocionó la bioquímica. Según su modelo, los átomos de hidrógeno extraídos de la glucosa en la matriz mitocondrial se descomponen en sus elementos, protones y electrones, entrando estos últimos en la cadena de transporte respiratorio. La energía que rinden en su “caída” hacia el aceptor final, el oxígeno, está acoplada a bombas que transportan los protones hacia el espacio intermembrana y que se localizan, como se averiguó posteriormente, en tres de los cuatro complejos que componen la cadena. Al ser la membrana impermeable a ellos, se crea un gradiente a su través que es de doble naturaleza: eléctrica (dada la carga positiva del protón) y química (gradiente de pH), constituyente de la llamada fuerza protón-motriz cuyo encauzamiento a través de la maquinaria ATPasa impulsa la síntesis de ATP.

Con este modelo quedaron explicadas la necesidad de una membrana íntegra, la relación no estequiométrica ni fija entre moléculas de glucosa procesada y de ATP obtenido y el fracaso en la identificación del fantasmal intermediario de enlace entre las cadenas respiratorias y el complejo ATPasa; el hecho es que sencillamente no existe tal; el espacio intermembrana es una represa en la que se almacenan protones contra gradiente de concentración aprovechando la energía que mueve los electrones hacia el oxígeno, y las ATPasas son las compuertas por las que se libera controladamente su fuerza contenida acoplándola a la producción de ATP, utilizado luego en cualquier lugar donde se precisa realizar trabajo. La aceptación general de esta brillante teoría no fue ni mucho menos inmediata. Muy al contrario, se recibió con sobrada incredulidad cuando no con abierta hostilidad en la comunidad científica, que tardó aún muchos años en asumirla como un descubrimiento; uno de los más importantes de la ciencia del pasado siglo para no pocos científicos hoy en día, y que acabó por granjearle a su genial autor el premio Nobel de 1978, además del reconocimiento final de sus colegas. Numerosos detalles del sistema quedaban por desvelar, así diversos aspectos del mecanismo de transporte electrónico de las bombas de protones o de la maquinaria ATPasa, muchos de los cuales se conocen ya al detalle. Esta última, por ejemplo, ha sido desentrañada pieza por pieza (se trata en definitiva de un portentoso nano-dispositivo mecánico-químico), y se ha medido con precisión la diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana, que arroja un valor de 150 milivoltios a lo largo de un espacio de unos 5 nanómetros, que es el grosor de la membrana. Haciendo una simple conversión de escala, este potencial sería equivalente a 30 millones de voltios por metro; literalmente, disponemos de la energía del rayo en cada una de nuestras células.

Pero incluso ahora, la quimiosmosis plantea cuestiones de gran calado y trascendencia más allá de los límites de la bioquímica. A lo largo de los últimos años se ha puesto de manifiesto su carácter universal; toda vida conocida utiliza la quimiosmosis de una forma o de otra, hecho que ha llevado a algunos científicos a preguntarse por qué un mecanismo que, desde un punto de vista digamos convencional puede considerarse rocambolesco y contraintuitivo, parece ser inherente a la vida misma. Las posibles respuestas, serán materia de nuestra próxima entrega.