La mol¨¦cula universal de la energ¨ªa de la c¨¦lula

El Premio Nobel de Qu¨ªmica ha sido concedido este a?o a tres investigadores: Paul D. Boyer, John E. Walker y Jens C. Skou, por sus innovadores trabajos con prote¨ªnas clave en la producci¨®n de energ¨ªa en la c¨¦lula, las ATP-asas. Como otros Nobel, ¨¦ste ha sido otorgado a un trabajo de muchos a?os en el que los cient¨ªficos involucrados han realizado estudios complementarios. As¨ª, Boyer y Skou han hecho un importante trabajo desde el punto de vista bioqu¨ªmico y te¨®rico sobre la ATPasa de protones (Boyer) y sobre la que intercambia sodio y potasio (Skou), mientras que a Walker se deben cruciales estudios desde el punto de vista gen¨¦tico y estructural. Este Premio Nobel viene tambi¨¦n a consagrar una rama relativamente nueva de la B¨ªoqu¨ªmica, la Bioenerg¨¦tica, que estudia las reacciones de transferencia de energ¨ªa en sistemas biol¨®gicos. En 1978 Peter Mitchell recibi¨® el mismo galard¨®n por la formulaci¨®n de la teor¨ªa que describe el modo en que los seres vivos acoplan el proceso de formaci¨®n (s¨ªntesis) de ATP (trif¨®sfato de adenosina) a la combusti¨®n de sustratos (respiraci¨®n) o a la captaci¨®n de la energ¨ªa de la luz (fotosintesis). El ATP es la mol¨¦cula universal que almacena y distribuye la energ¨ªa a muchos procesos: fabricaci¨®n de componentes celulares, transporte, transmisi¨®n de se?ales, etc¨¦tera.

Oxidaci¨®n

El proceso de s¨ªntesis de ATP es realmente fascinante. Nos ce?iremos al caso de la respiraci¨®n, aunque un proceso muy similar act¨²a en la fotos¨ªntesis. La respiraci¨®n tiene lugar en un compartimento de la c¨¦lula llamado mitocondria que viene a ser, por tanto, como una central de energ¨ªa. En la membrana mitocondrial m¨¢s interna se encuentran cuatro enzimas que constituyen la llamada cadena respiratoria. En ellas tiene lugar la oxidaci¨®n de los az¨²cares y grasas o, lo que es lo mismo, el proceso de transferencia de electrones desde esos sustratos hasta el ox¨ªgeno. Esta transferencia est¨¢ acoplada a un bombeo de protones desde dentro hacia fuera de la mitocondria y va a generar un gradiente de protones que, de modo an¨¢logo al existente entre los bornes de una bater¨ªa, se puede utilizar para realizar trabajo. La aplicaci¨®n princiapl del gradiente es la s¨ªntesis de ATP, que se cataliza por la ATP-asa de protones, enzima que tambi¨¦n se encuentra en la membrana interna mitocondrial. Curiosamente, la ATP-asa es reversible, de modo que puede bombear protones utilizando la energ¨ªa del ATP. El centro de la bioenerg¨¦tica lo constituye, por tanto, un circuito muy peculiar comparable a un circuito el¨¦ctrico: los protones son bombeados por la cadena respiratoria utilizando la energ¨ªa procedente de la quema de sustratos y luego estos protones vuelven al interior a trav¨¦s de la ATP-asa y con la energ¨ªa liberada se forma el ATP. La energ¨ªa almacenada en forma de ATP podr¨¢ ser entonces utilizada en todos los procesos celulares que lo requieran.

?C¨®mo se consigue que la energ¨ªa proveniente del gradiente de protones se utilice para la s¨ªntesis de ATP? La respuesta ha sido dada por Boyer y Walker al dilucidar el mecanismo y la estructura de la ATPasa de protones, aspectos que siempre est¨¢n ¨ªntimamente ligados.

La forma de esta ATPas¨¢ fue descrita hace m¨¢s de treinta a?os por H. Fern¨¢ndez Mor¨¢n al observar preparaciones de membranas mitocondriales al microscopio electr¨®nico. De la membrana sobresal¨ªan unas esferas que parec¨ªan estar unidas a ella por un tallo y las llam¨® "part¨ªculas elementales". Pero fue Efraini Racker quien las identific¨® como parte de la ATPasa a principios de los setenta.

La ATPasa de protones tiene, por tanto, forma de seta que sobresale de la membrana. La parte superior tiene forma de un roset¨®n con un tallo que se inserta dentro de ¨¦l y lo une a la parte integrada en la membrana. El componente que se encuentra en la membrana es el que va a conducir los protones, mientras que es en el roset¨®n donde tiene lugar la formaci¨®n de ATP. En 1974 Paul Boyer, en la Universidad de California (EE UU), sugiri¨® que la parte de la ATPasa insertada en la membrana transmit¨ªa la energ¨ªa al roset¨®n a trav¨¦s del tallo. A partir de aqu¨ª es donde la relaci¨®n entre la funci¨®n de las prote¨ªnas y su estructura entra a formar parte de la historia.

A mediados de los ochenta, el grupo de Walker, en el laboratorio de Biolog¨ªa Molecular de Cambridge (Reino Unido), se embargo en el estudio de la estructura de la ATPasa de protones por v¨ªa para entender su mecanismo de funcionamiento Walker no era un desconocido en el estudio de la ATPasa ya que en su laboratorio se hab¨ªa podido aislar todos los componentes de esa enzima.

Arduo trabajo

Tras varios a?os de arduo trabajo y resultados infructuosos (de los que da fe uno de nosotros por estar entonces trabajando en su laboratorio), Walker obtuvo en 1994 la estructura de la parte de la ATPasa que sobresale de la membrana. De la observaci¨®n de esta estructura y apoy¨¢ndose en los datos bioqu¨ªmicos aportados por Boyer, Walker sugiri¨® que la energ¨ªa procedente del gradiente de protones es convertida dentro de la parte membranal de la ATPasa en un movimiento de rotaci¨®n del tallo.El giro del tallo dentro del roset¨®n provoca cambios dentro de de ¨¦ste que conducen a la s¨ªntesis, ATP a partir de sus precursores. Este modelo ha sido refrendado este a?o por el grupo de Masasuke Yoshida (Jap¨®n), al unir una mol¨¦cula fluorescente al tallo y, por microscop¨ªa ¨®ptica, demostrar el movimiento rotatorio de ¨¦ste. Esperamos que la cristalizaci¨®n del fragmento membranal de la ATPasa (proyecto en el que trabaja Walker), que es donde se encuentra el canal de protones, nos d¨¦ una visi¨®n completa del funcionamiento de esta enzima. Con este Premio Nobel se reconoce la elucidaci¨®n del mecanismo de formaci¨®n de la mol¨¦cula central del metabolismo energ¨¦tico de la c¨¦lula, la ATP. Sin embargo, lo que puede resultar m¨¢s atractivo es haber descubierto que para sintetizar ATP, la naturaleza utiliza un motor rotatorio alimentado por electricidad (el gradiente de potencial electroqu¨ªmico de protones). Como siempre, el hombre s¨®lo consigue imitar a la naturaleza.