Cuando una ciudad comienza con un importante déficit de energía, hay dos cambios que deben hacerse: ser realmente, y me refiero a ser realmente eficiente en el reciclaje del recurso crítico, o comprar más energía.
¿Qué pasa en biología? Las células son como las ciudades, ¿verdad?
Fuera de balance
Ya sabemos por una publicación anterior («El misterio del metabolismo energético«) que la célula tiene un presupuesto de energía que está fuera de balance basado únicamente en la biosíntesis y el uso del ATP. Está en una situación difícil. Tiene un déficit extremo en ATP en su balance general, necesitando seis ATP solo para hacer uno. El ATP es una molécula de alta energía. Toda esa energía tiene que cargarse en la molécula durante su síntesis mediante el uso de otras moléculas de ATP.
Si el químico A es necesario para la síntesis de más químicos A , entonces A tiene el poder de replicación (tales sistemas se conocen como sistemas autocatalíticos)… Encontramos que el metabolismo intermediario es invariablemente autocatalítico para ATP.
Kun et al., Genome Biology 2008, 9: R51
La célula necesita tener ATP antes de que pueda producir ATP, y debe tener más ATP del que puede producir. ¿Puede la célula rescatar su estado metabólico trayendo ATP desde afuera? Claro, indirectamente: si come material biológico que otras células han producido, puede obtener ATP al descomponer la glucosa en piruvato, y luego el piruvato en citrato, y luego, finalmente, la energía se cosecha y se produce una ganancia neta de ATP. La digestión de glucosa a piruvato ocurre en el citoplasma, pero la cosecha de citrato a energía final ocurre en maravillosos y misteriosos viajeros en nuestras células llamadas mitocondrias.
Las mitocondrias son las plantas de energía microscópicas de la célula cuyo propósito es tomar citrato y convertirlo en ATP, la moneda de energía de la célula. Se asemejan a los dirigibles en miniatura con membranas dobles corrugadas, llevan a cabo una serie de reacciones químicas entrelazadas que exprimen hasta el último ATP posible de la descomposición de la glucosa. Es un proceso altamente eficiente y ecológico. Todo se recicla – una parte del proceso se llama el ciclo del ácido cítrico porque se regenera con cada nueva ronda. De hecho, todo gira.
La mayoría de las células tienen muchas mitocondrias, cuyo estroma arrugado característico sirve para aumentar el área superficial de la membrana interior. Piense en una bolsa con una bolsa mucho más grande cuidadosamente doblada en pliegues dentro. Incrustado en esa membrana interna plegada está toda la maquinaria de producción de energía que hace posible la vida. Y esa maquinaria es considerable. Un conjunto de múltiples proteínas se une para formar 5 complejos de proteínas, como se muestra en la imagen a continuación. En los complejos 1-4, la energía en forma de electrones es recibida por ellos y reciclada, utilizando parte de esa energía para bombear protones a través de la membrana. A medida que el citrato se descompone gradualmente, se producen compuestos como dinucleótido de nicotinamida y adenina o ácido succínico, que se desvían a la cadena de transporte de electrones y también contribuyen al proceso.
No desperdicies, no quieras
Incluso los últimos electrones de alta energía del proceso de descomposición no se desperdician: una cadena de proteínas en la membrana interna pasa estos electrones como pequeñas papas calientes de una a otra, utilizando la energía de cada transferencia para bombear iones de hidrógeno a través de la membrana, por lo que que una máquina molecular llamada ATP sintasa puede aprovechar el gradiente de hidrógeno para crear aún más ATP.
En el dibujo, puede ver la dirección del flujo de H + hacia afuera y luego hacia adentro, y cuántas proteínas diferentes forman cada complejo de proteínas. Hay 5 complejos, ya sea en un animal o en una planta.
Donde sucede el milagro
El quinto complejo es la ATP sintasa. Aquí es donde sucede el milagro que hace posible la vida. La ATP sintasa cosecha la energía del gradiente de protones para reciclar ADP a ATP. Al igual que una turbina en una planta hidroeléctrica, la ATP sintasa permite que los iones de hidrógeno fluyan a través de la membrana a través de sí mismos, girando a medida que pasan los iones. A medida que gira, agrega un fosfato al ADP en cada manivela, restaurando el ATP para su uso.
¡El motor ATP sintasa es 98 por ciento eficiente en lo que hace! Las máquinas humanas no pueden acercarse a eso. Pero esto es lo que permite la vida. Quemamos nuestro peso corporal en ATP todos los días. Solo respirar quema ATP.
En este momento, dentro de sus cuerpos, este pequeño motor está arrancando. Sin esta máquina, la vida dependiente del oxígeno no podría existir. Es una declaración fuerte, pero la mantengo.
Para ponerlo todo junto, en la gloriosa improbabilidad de la vida y el diseño elegante, se requerirá otra publicación. Y ni siquiera hemos ido más allá de los inicios de la bioquímica.
Artículo publicado originalmente en inglés por Ann Gauger Ph.D.
Crédito de la foto: Holger Schué a través de Pixabay.
