La molécula universal de la energía de la célula

El Premio Nobel de Química ha sido concedido este año a tres investigadores: Paul D. Boyer, John E. Walker y Jens C. Skou, por sus innovadores trabajos con proteínas clave en la producción de energía en la célula, las ATP-asas. Como otros Nobel, éste ha sido otorgado a un trabajo de muchos años en el que los científicos involucrados han realizado estudios complementarios. Así, Boyer y Skou han hecho un importante trabajo desde el punto de vista bioquímico y teórico 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 genético y estructural. Este Premio Nobel viene también a consagrar una rama relativamente nueva de la Bíoquímica, la Bioenergética, que estudia las reacciones de transferencia de energía en sistemas biológicos. En 1978 Peter Mitchell recibió el mismo galardón por la formulación de la teoría que describe el modo en que los seres vivos acoplan el proceso de formación (síntesis) de ATP (trifósfato de adenosina) a la combustión de sustratos (respiración) o a la captación de la energía de la luz (fotosintesis). El ATP es la molécula universal que almacena y distribuye la energía a muchos procesos: fabricación de componentes celulares, transporte, transmisión de señales, etcétera.

Oxidación

El proceso de síntesis de ATP es realmente fascinante. Nos ceñiremos al caso de la respiración, aunque un proceso muy similar actúa en la fotosíntesis. La respiración tiene lugar en un compartimento de la célula llamado mitocondria que viene a ser, por tanto, como una central de energía. En la membrana mitocondrial más interna se encuentran cuatro enzimas que constituyen la llamada cadena respiratoria. En ellas tiene lugar la oxidación de los azúcares y grasas o, lo que es lo mismo, el proceso de transferencia de electrones desde esos sustratos hasta el oxígeno. Esta transferencia está acoplada a un bombeo de protones desde dentro hacia fuera de la mitocondria y va a generar un gradiente de protones que, de modo análogo al existente entre los bornes de una batería, se puede utilizar para realizar trabajo. La aplicación princiapl del gradiente es la síntesis de ATP, que se cataliza por la ATP-asa de protones, enzima que también se encuentra en la membrana interna mitocondrial. Curiosamente, la ATP-asa es reversible, de modo que puede bombear protones utilizando la energía del ATP. El centro de la bioenergética lo constituye, por tanto, un circuito muy peculiar comparable a un circuito eléctrico: los protones son bombeados por la cadena respiratoria utilizando la energía procedente de la quema de sustratos y luego estos protones vuelven al interior a través de la ATP-asa y con la energía liberada se forma el ATP. La energía almacenada en forma de ATP podrá ser entonces utilizada en todos los procesos celulares que lo requieran.

¿Cómo se consigue que la energía proveniente del gradiente de protones se utilice para la síntesis 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 están íntimamente ligados.

La forma de esta ATPasá fue descrita hace más de treinta años por H. Fernández Morán al observar preparaciones de membranas mitocondriales al microscopio electrónico. De la membrana sobresalían unas esferas que parecían estar unidas a ella por un tallo y las llamó "partículas elementales". Pero fue Efraini Racker quien las identificó 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 rosetón con un tallo que se inserta dentro de él 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 rosetón donde tiene lugar la formación de ATP. En 1974 Paul Boyer, en la Universidad de California (EE UU), sugirió que la parte de la ATPasa insertada en la membrana transmitía la energía al rosetón a través del tallo. A partir de aquí es donde la relación entre la función de las proteínas y su estructura entra a formar parte de la historia.

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

Arduo trabajo

Tras varios años 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 observación de esta estructura y apoyándose en los datos bioquímicos aportados por Boyer, Walker sugirió que la energía procedente del gradiente de protones es convertida dentro de la parte membranal de la ATPasa en un movimiento de rotación del tallo.El giro del tallo dentro del rosetón provoca cambios dentro de de éste que conducen a la síntesis, ATP a partir de sus precursores. Este modelo ha sido refrendado este año por el grupo de Masasuke Yoshida (Japón), al unir una molécula fluorescente al tallo y, por microscopía óptica, demostrar el movimiento rotatorio de éste. Esperamos que la cristalización del fragmento membranal de la ATPasa (proyecto en el que trabaja Walker), que es donde se encuentra el canal de protones, nos dé una visión completa del funcionamiento de esta enzima. Con este Premio Nobel se reconoce la elucidación del mecanismo de formación de la molécula central del metabolismo energético de la célula, la ATP. Sin embargo, lo que puede resultar más atractivo es haber descubierto que para sintetizar ATP, la naturaleza utiliza un motor rotatorio alimentado por electricidad (el gradiente de potencial electroquímico de protones). Como siempre, el hombre sólo consigue imitar a la naturaleza.