(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología celular)(La respiración celular)(Introducción)(Generalidades de la respiración celular)(La betaoxidación de la grasa)(Introducción al ciclo de Krebs)(Reacciones del ciclo de Krebs 1, hasta GTP)(Reacciones del ciclo de Krebs 2, regeneración del oxaloacetato)( Coenzimas y membrana celular en la respiración celular)(Portadores de electrones en la cadena de transporte respiratoria)(La cadena de transporte de electrones respiratoria)(Fosforilación oxidativa)(El ejercicio y la respiración aeróbica)(Resumen)(Evolución)(¿Y por qué engordamos?)(Referencias bibliográficas)(Documento versión word)
La evolución
biológica es un proceso conservativo a pesar de estar basado en mutaciones. En
cierto sentido este tiene sentido debido a que las mutaciones son eventos
raros, así que resulta más eficiente reclutar componentes viejos a nuevos
contextos que crear componentes completamente nuevos desde el caos del ADN no
codificante contando con que la célula en cuestión posea este tipo de genoma
“muchas bacterias carecen de él”. A medida que pasa el tiempo, las condiciones
del ambiente cambian o existen ambientes
que aún no son explotados por nadie En este contexto los organismos reclutan
componentes preexistentes para realizar nuevas funciones (Baughn &
Malamy, 2002; Meléndez-Hevia, Waddell, & Cascante, 1996).
A pesar de que uno podría pensar de que un componente vital a que genera un proceso vital A (a → A) no puede evolucionar a una función B sin sacrificar la función original y por lo tanto la existencia misma del organismo, la solución a esto se da por duplicación de genes, de esta manera el gen original genera la función basal vital mientras que el nuevo gen a´ puede realizar la nueva función (a → A; a´→ B)
Figura 30. Ramas de dos rutas metabólicas que pueden generarse a partir del
puruvato, en una se regenera NAD+ a partir de NADH:H+, y
en la otra se da el proceso inverso. Si se tienen ambas rutas la célula puede
ajustar de una mejor forma su equilibrio NAD+/ NADH:H+.
Como resultado de
los análisis genómicos y bioquímicos un gran número de especies de eucariotas y
de cepas de procariotas han comenzado a mostrar las piezas del rompecabezas que
dieron origen a ciclo de Krebs como un todo. Si empleamos los conceptos de las
teorías evolutivas clásicas, se debe encontrar versiones más simples del ciclo
de Krebs, pero ¿qué versión más simple se puede pensar de un ciclo?, es como
pensar en un arco sin la piedra angular, todo se caería, ¿cierto? Esta analogía
funciona para un sistema mecánico, pero estamos hablando de reacciones aquí, y
de hecho de un proceso de reacciones muy conocido, en contraste a otras rutas
metabólicas poco conocidas, de esta manera, debemos abandonar la idea de que
medio ciclo no sirve para nada.
La idea es dejar de
visualizar al ciclo como tal, y analizar series o secciones del ciclo y ver si
están involucradas en otras rutas metabólicas. Esta es una hipótesis muy
concreta extraída de la teoría, una hipótesis empírica de hecho, en lugar de
escondernos en análisis filosóficos y abstractos simplemente se debe analizar
en la literatura por la existencia de seres vivos que empleen secciones del
ciclo en otros contextos. Más aun, en base al análisis hecho previamente de las
reacciones individuales del ciclo de Krebs, especialmente la última reacción
ofrecen un detalle, son reacciones reversibles, por lo que un fragmento del ciclo
de Krebs podría estar operando en el sentido contrario en otro contexto, la
reversión de la reacción obedece en mucho a las concentraciones de productos y
reactivos, por lo que la integración de los fragmentos de un ciclo no
requeriría mayores modificaciones en la ruta que originalmente se originó en el
sentido inverso al cual la conocimos en el ciclo de Krebs.
La hipótesis más
soportada actualmente es la que establece al origen del ciclo como dos rutas
metabólicas independientes y no dependientes de la cadena de transporte de
electrones, por lo que su evolución podría realizarse en ausencia de oxígeno,
es decir en ambientes anaeróbicos. La rama oxidativa constituye las reacciones
desde la síntesis del citrato hasta el alfacetoglutarato, esta serie de reacciones
producen el portador de energía NADH:H+ el cual puede emplearse para
impulsar las fermentaciones u otras respiraciones celulares dependientes del
azufre en lugar del oxígeno. La segunda rama es más interesante ya que opera en
sentido inverso, al ser una ruta reductora consume energía para sintetizar una
molécula de alta energía y regenerando NAD+ para que la glucólisis
pueda seguir operando, y podría vérsela como el eslabón perdido entre la
fermentación y la respiración aeróbica.
La utilidad evolutiva
radica precisamente en el problema de toxicidad del ácido pirúvico, recuérdese
que en el contexto de las fermentaciones el procesamiento del ácido pirúvico
simplemente se trata de sacrificar energía en forma de NADH:H+ para
formar NAD+ y expulsarlo de la célula en forma de ácido láctico. En
base a esto, cualquier uso que se le diera al piruvato sería una ventaja para
la célula portadora, pues es darle uso a un desecho.
Dos funciones son
las que hacen que un ser vivo sea clasificado como tal al nivel celular, la
primera es la capacidad de autoreplicación y la segunda es la capacidad de
mantener un ambiente interno mediante el uso controlado de la energía. La
energía por lo tanto se convierte en uno de los ejes primordiales que
determinan las adaptaciones y necesidades de los seres vivos, fundamentalmente
todos los seres vivos están ávidos de energía. Existen dos métodos
fundamentalmente diferentes para la generación de energía a partir de los sustratos
alimenticios como la glucosa, la primera es la fosforilación al nivel de
sustrato que puede realizarse durante la glucólisis para formar ATP o durante
el ciclo de Krebs generando también ATP mediante una ruta indirecta con GTP (Björn, Papageorgiou, Dravins,
& Govindjee, 2009; Gorbushina, 2007; Pace, 2001; J. A. Raven, Andrews,
& Quigg, 2005; J. Raven & Skene, 2003).
El segundo
mecanismo para la síntesis de ATP requiere del acoplamiento de varias proteínas
que funcionan como bombas de protones, la mayoría en el sentido del transporte
activo y la última en el sentido del transportepasivo facilitado. La pregunta
del millón es, ¿cómo algo tan complejo e integrado como la cadena de transporte
de electrones pudo surgir mediante mutaciones fortuitas y selección natural?,
como siempre, cada uno de los pasos propuestos deben ser funcionales en sí
mismos, aun cuando la función que ejecuten sea diferente a la función
definitiva que pretendemos explicar (Bruce
Alberts et al., 2002; De Duve & Pizano, 1995).
Una de las
características de la glucólisis como vimos anteriormente es que siempre está
acoplada a una fermentación. La fermentación convierte al piruvato en especies
químicas menos toxicas para la célula no aeróbica y permite expulsarlo fuera de
la célula. Los productos excretados no solo consumen energía celular “muestra
de la imperiosa necesidad de la célula de deshacerse del piruvato producto de
la glucólisis y todos sus derivados metabólicos” sino también son ácidos,
ácidos de Bronsted. Los ácidos de Bronsted son especies químicas que liberan
protones al medio, en un medio acuoso como en el que viven las bacterias estos
protones reaccionan con el agua para formar iones protio(1+) que son los
responsables del poder corrosivo y denaturante de los ácidos. Entre mayor es la
concentración de iones protio(1+) más corre la célula riesgo de que sus
proteínas integrales de membrana se denaturen y su membrana pierda cohesión.
Mucho antes de que eso pueda suceder, la presión osmótica haría ingresar a los
iones protio(1+) al interior de la célula matándola (Bruce
Alberts et al., 2002; De Duve & Pizano, 1995).
Debido a la
evolución de la fermentación se generaría una presión de selección que
favorecería la evolución de bombas de protones, proteínas que impiden que los
iones protio(1+) ingresen a la célula, pues de lo contrario la matarían mucho
más rápido. En la parte externa la célula desarrollaría otras formas de
protegerse de esta acidez, como el uso de envolturas externas, pero lo
importante es la presión a la evolución de las bombas de protones mediadas por
transporte activo, justo el mismo tipo de función que realizan 3 de los
complejos de la cadena de transporte de electrones (Bruce
Alberts et al., 2002; De Duve & Pizano, 1995).
Tanto la
respiración celular aeróbica como la fotosíntesis dependen en alguna etapa de
sus procesos de la cadena de transporte de electrones, por lo que contar con
una explicación para su origen evolutivo gradual, paso a paso es fundamental
para tener un marco de referencia naturalista de todos estos sistemas
bioquímicos. La temprana evolución de la fermentación hubiera provisto no solo
la formación de ATP, sino también el poder reductor en forma de NADH o NADPH
requeridos para la biosíntesis esencial. Sin embargo, las necesidades de no
morir por su propia alimentación hicieron que las fermentaciones excretaran
grandes cantidades de ácido al ambiente, y con el tiempo, el microambiente de
estas bacterias se tornaría tremendamente ácido. En base a lo anterior pueden
postularse varias fases evolutivas (B Alberts et al., 2015; Bruce Alberts et al., 2002; Blankenship, 2002,
2010; Brack, 1998; Gargaud, Martin, López-García, Montmerle, & Pascal,
2012; Hohmann-Marriott & Blankenship, 2011; Sepúlveda, Ortiz, & Holmes,
2015; Xiong, Fischer, Inoue, Nakahara, & Bauer, 2000).
La excreción
continua de ácidos disminuye el pH del ambiente externo de la célula
favoreciendo la evolución de bombas de protones que mantiene el ambiente
interno de la célula libre de iones protio(1+) reingresando debido al
transporte pasivo. Una de estas proteínas, es una proteína giratoria que puede
hidrolizar ATP para girar y forzar la salida de iones protio(1+) de la célula.
Esta proteína se convertiría en el ancestro del flagelo y de la proteína que
sintetiza energía en el final de la cadena de transporte de electrones (Alberts
et al., 2002).
Con el incremento
de la presión a exportar protones, se favorecerían sistemas redundantes para la
expulsión de iones protio(1+), por lo que a parte de las bombas de protones
mediadas por ATP evolucionarían paulatinamente otras bombas de protones que
emplearían electrones de alta energía para exportar iones protio(1+) de manera
individual. De hecho algunas bacterias acidófilas sobreviven actualmente en
estos ambientes ácidos gracias a la conjunción de bombas de protones mediadas
por electrones de alta energía asi como por bombas de protones mediadas por ATP
(Alberts et al., 2002).
La fuente de energía en estos casos no es el ciclo de Krebs, sino algunos ácidos no fermentables de los que puede extraerse poder reductor en forma de NADH. Otras lo logran a partir de la extracción de electrones de alta energía de fuentes inorgánicas minerales. De manera concomitante, aquellas bombas de protones que pudieran funcionar de manera integrada mediante el flujo de un mismo par de electrones ahorrarían energía celular y por lo tanto serian seleccionadas para formar una cadena (Alberts et al., 2002).
Figura 31. Existe una amplia diversidad de cadenas de transporte de electrones que pueden emplear a otros portadores de protones como NADPH que a su vez obtienen sus electrones de fuentes minerales. Del mismo modo el aceptor final de la cadena de transporte de electrones puede ser otras especies químicas diferentes del oxígeno (Alberts et al., 2002).
Figura 32. Faces de evolución de la cadena de transporte de electrones. (1) evolución de una bomba de protones mediada por ATP. (2) evolución de bombas de protones mediadas por flujo de electrones. (3) integración de las bombas mediadas por electrones y liberación de las bombas mediadas por ATP para sintetizar energía al dejar ingresar iones protio(1+) por transporte pasivo facilitado (Bruce Alberts et al., 2002).
Eventualmente
algunas bacterias perfeccionarían estas cadenas de forma tal que podrían
exportar más iones protio(1+) de lo que necesitan para mantener su ambiente
interno. Esto liberaría a las bombas de protones giratorias mediadas por ATP
para hacer la reacción opuesta, es decir en lugar de romper ATP para expulsar
iones protio(1+), girarían en el sentido opuesto sintetizando ATP a medida que
dejan ingresar iones protio(1+) para mantener sus condiciones de pH interno
normales. Ahora esta nueva célula tendría una nueva fuente de energía, lo cual
la haría proliferar de manera más eficiente que sus competidores, siempre y
cuando encuentre aceptores finales para los electrones, de modo tal que se
libere toda su energía en las cadenas de transporte. Varios minerales son
empleados para esta tarea, entre ellos el oxígeno (Bruce Alberts et al., 2002).
Otros aceptores
finales de electrones son el hierro ferroso, el manganeso IV, el cobalto III,
el uranio VI, los nitratos, el sulfato, el azufre, el fumarato entre otros.
Muchas de estas sustancias son difíciles de encontrar o son empleadas en otros
procesos de importancia de la célula, es por esto que solo hasta la producción
de cantidades masivas de oxigeno que la cadena de transporte de electrones con
base en oxígeno adquirió preponderancia “eso sin contar que al convertir al
oxígeno en agua, esta cadena de transporte de electrones funcionaria también
como mecanismo de defensa contra los efectos venenosos del oxígeno” (Alberts et
al., 2002).
Máquinas
rotativas, analogías y distribución filogenética
Las maquinas rotacionales son muy comunes en
nuestra sociedad industrializadas, más aun, podría decirse que la rueda es una
de las primeras máquinas inventadas por el hombre, ubicua, o mejor dicho,
siendo la base de muchas otras máquinas más complejas junto con la palanca. La
rueda y las maquinas rotativas son empleadas en turbinas, taladros, propelas,
ruedas, engranajes etc. A pesar de que esta estructura mecánica es casi
universalmente distribuida en el diseño de máquinas humanas, su empleo por
parte de la naturaleza es muy limitado.
No existen
proteínas que ejerzan una función mecánica rotacional en todo el linaje de los
eucariotes al descontar sus organelos endosimbióticos. De hecho, solo dos tipos
de estructuras biológicas conocidas contienen partes rotativas, las cuales las
clasificaremos por su nivel de complejidad comparativo. Los más simples canales
iónicos/bombas iónicas en las que encontramos a las ATP sintetasa y ATPasa;
mientras que el segundo grupo más complejo corresponde a los mecanismos de
secreción tipo III y el flagelo.
Ambos pueden ser
descritos como nano-máquinas rotativas de acuerdo a nuestro pensamiento
analógico. Es más, uno podría pensar en el mecanismo de secreción tipo III y en
el flagelo como versiones más complejas de la ATP sintetasa, ya que el motor
que proporciona movimiento en ambos casos es precisamente un homólogo genético,
estructural y funcional de la ATP sintetasa de tipo f. Por fuera de estos dos
ejemplos, aparentemente no existen otras proteínas análogas u homologas que
empleen sistemas de transducción de energía mecánica/química conocidos por la
microbiología moderna, aunque claro está, más del 90% de las especies de
bacterias no se pueden aislar en el laboratorio, por lo que aún queda mucho por
investigar y descubrir.
El mejor modelo
para explicar el origen de la ATP sintasa es la evolución modular. En este modelo dos
subunidades funcionalmente independientes se asociaron y adquirieron nueva
funcionalidad (Doering,
Ermentrout, & Oster, 1995). Esta asociación parece haber ocurrido
temprano en la historia evolutiva, ya que esencialmente la misma estructura y
actividad de las enzimas ATP sintasa están presentes en todos los reinos de la
vida (Axelsen
& Palmgren, 1998; Koonin, 1993; Walker, 2003). La F-ATP sintasa muestra alta similitud
funcional y mecánica a la V-ATPasa (Kim et al.,
2015). Sin embargo, mientras que la F-ATP sintasa
genera ATP utilizando un gradiente de protones, la V-ATPasa genera un gradiente
de protones a expensas de ATP, generando valores de pH tan bajos como 1 (Kim et al.,
2015).
La región F1
también muestra una similitud significativa con las helicasas hexánicas de ADN,
y la región FO muestra cierta similitud con los motores flagelares y redivados (Mulkidjanian,
Makarova, Galperin, & Koonin, 2007; Oster & Wang, 2003; Yinghao, Jun,
Yuanbo, Jiachang, & Xiaohong, 2005). El hexámero α3β3 de la región F1 muestra
una similitud estructural significativa con las helicasas hexánicas de ADN;
Ambos forman un anillo con una simetría rotacional de 3 veces con un poro
central. Ambos tienen papeles dependientes de la rotación relativa de una
macromolécula dentro del poro; Las helicasas de ADN utilizan la forma
helicoidal del ADN para impulsar su movimiento a lo largo de la molécula de ADN
y para detectar el superenrollamiento, mientras que el hexámero α3β3 utiliza
los cambios conformacionales a través de la rotación de la subunidad γ para
impulsar una reacción enzimática (Martinez et
al., 2003).
El motor de
protones de la partícula FO muestra gran similitud funcional con los motores
protones que impulsan flagelos (Mulkidjanian
et al., 2007; Oster & Wang, 2003; Yinghao et al., 2005). Ambos cuentan con un anillo de muchas
pequeñas proteínas alfa-helicoidal que giran en relación con las proteínas
estacionarias cercanas, utilizando un protón potencial como una fuente de
energía. Sin embargo, esta relación es tenue, ya que la estructura general de
los motores flagelares es mucho más compleja que la de la partícula FO y el
anillo con aproximadamente 30 proteínas rotantes es mucho más grande que las
10, 11 o 14 proteínas helicoidales en el complejo FO, por lo cual es fácil
concluir que el motor flagelar es derivado a la ancestral F0 (Junge, 1999;
Liu & Ochman, 2007; Pallen & Matzke, 2006).
El modelo de evolución
modular para el origen de la ATP sintasa sugiere que dos subunidades con
función independiente, una helicasa de ADN con actividad ATPasa y un motor
protones, fueron capaces de unirse, y la rotación del motor impulsó la
actividad ATPasa de la helicasa a la inversa (Doering et al., 1995;
Martinez et al., 2003). Este complejo luego evolucionó una mayor eficiencia
y finalmente se convirtió en intrincadas ATP sintasas de hoy. Alternativamente,
el complejo de helicasa de ADN / motor de protones puede haber tenido actividad
de la bomba de protones en sentido inverso, ambos modelos son plausibles por el
hecho de que los completos tipo F pueden funcionar como sintetizadores o como
destructores de ATP.
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