Quimiosmosis y el origen de la vida

La quimiosmosis, como dejamos planteado en un texto anterior (Fuerza protón-motriz: el poderoso aliento de la vida) es el mecanismo químico que en última instancia permite a la célula recolectar la energía contenida en los nutrientes para emplearla luego, según sea necesario, en diversos procesos, entre los que destaca la generación de ATP, la proverbial moneda energética que reparte las ganancias por donde son necesarias. En cuanto a la inversión en ATP, y manteniendo la analogía de esta molécula con moneda, la quimiosmosis es un mecanismo intermediario que permite a la célula trabajar con fracciones de su valor, es decir, con calderilla. Su importancia en este sentido es capital porque sin él ningún organismo se podría haber independizado nunca de una fuente de energía externa que le permitiera fabricar directamente ATP. Cuando la energía se obtiene a partir del procesado de sustancias orgánicas, es necesario gastar ATP inicialmente para impulsar las reacciones, cuyo rendimiento serviría para obtener una cantidad muy similar a la empleada con una pérdida de energía sobrante que se disiparía sin posibilidad de aprovechamiento, puesto que no es posible utilizar fracciones de moléculas para utilizar sólo la energía justa reservando el resto para mejor ocasión. La quimiosmosis permite precisamente esta economía, al invertir la energía obtenida en la “elevación” de protones contra el gradiente de concentración a través de una membrana de contención, para luego hacerlos “caer” uno a uno a favor de gradiente aprovechando su empuje en el accionamiento de la ATPasa, de forma que sólo los estrictamente necesarios se utilizan en la síntesis de cada molécula de ATP, y quedando el excedente de la energía obtenida almacenada en protones contenidos para las siguientes. Pero además, las bacterias utilizan la fuerza protón-motriz para impulsar flagelos motrices, para sostener el transporte activo de moléculas a través de su membrana en ambos sentidos (incorporación de nutrientes, eliminación de sustancias de desecho y mantenimiento de la homeostasis interna) o para generar calor directamente, si es preciso, desacoplando el flujo de protones represados de la maquinaria ATPasa. En realidad se puede afirmar rotundamente, como hace notar Nick Lane, que las bacterias dependen básicamente de la fuerza protón-motriz generada por el gradiente de protones antes que de la disponibilidad de ATP. Efectivamente, el establecimiento de un gradiente de protones y su mantenimiento a plena carga parece ser más importante que la propia síntesis de ATP, como ilustra el caso de la fermentación, un proceso alternativo a la respiración al que la célula recurre cuando ve superada su capacidad aeróbica consistente en la síntesis de ATP mediante reacciones en las que no están involucradas las cadenas respiratorias. Cuando esto ocurre, el funcionamiento de la ATPasa se invierte, y comienza a consumir el ATP sintetizado en la fermentación en bombear protones hacia el otro lado de la membrana en la que se inserta para mantener la carga, a costa de detener cualquier otro proceso que requiera ATP, incluso la replicación del ADN y la reproducción

El avezado lector habrá notado que los organismos fotosintéticos no tendrían por qué recurrir a este mecanismo puesto que cuentan con una fuente continua de energía externa siempre disponible para producir ATP o cualquier otra sustancia necesaria, pero sin embargo también se sirven del bombeo de protones como paso previo a la síntesis de ATP. Y en este punto encontramos uno de las características llamativas de la quimiosmosis: su universalidad. Toda vida conocida es quimiosmótica; en los tres grandes dominios taxonómicos se utilizan sistemas análogos para realizar el bombeo y, salvo contadísimos casos, todos los organismos generan un gradiente de protones (algunas bacterias generan un gradiente de sodio, aunque utilizan sistemas similares reconvertidos), lo que nos lleva a una segunda circunstancia curiosa: ¿por qué precisamente protones y sólo protones prácticamente? ¿por qué no se crean gradientes de cualquier otro ion de los muchos que cualquier célula utiliza habitualmente? Nadie ha conseguido encontrar una razón sólida desde el punto de vista químico que justifique esta exclusividad, pero William Martin y Michael Russell han aportado algunas ideas de por qué, de hecho, es así.

Según estos autores, cuyas propuestas resultan tan audaces como bien tramadas, el establecimiento de un gradiente de protones es tan universal que puede considerarse, como el código de ADN, una propiedad esencial de la vida, consustancial además al proceso por el que se originó. Para Martin y Russell, en la Tierra primitiva existía un desequilibrio químico básico entre el dióxido de carbono y el hidrógeno emanados de los materiales de su ardiente interior, determinante de un potencial geoquímico a través de las diversas geosferas diferenciadas en el planeta. Dado que la reacción entre ambas moléculas no es inmediata, se creó una tensión de pH y redox que la vida vino a distender como la vía más eficiente por la que aliviar el desequilibrio. Todo habría comenzado en las chimeneas hidrotermales alcalinas del fondo oceánico, donde esta tensión se manifiesta en toda su intensidad, y en las que de hecho se produce un gradiente natural de protones a través de las paredes de sus diminutas cámaras, de tamaño similar a una bacteria, que además es de la misma magnitud que la del que las células mantienen todavía hoy. Así, como sugiere Lane, el mantenimiento de un gradiente de protones debe entenderse como una primordial imposición del entorno en el que la vida se originó. De otra forma, sería muy difícil imaginar cómo o por qué la vida habría inventado un sistema de generación de energía tan disparatado y contraintuitivo, haciéndolo además universal.