Muchos de los procesos esenciales en la célula viviente implican intercambios de cargas eléctricas en fenómenos en que participan iones y electrones. Los iones K⁺, H⁺, Cl^-, etc) son en general solubles, lo que quiere decir que pueden desplazarse en el medio esencialmente acuoso de las células. Los electrones, que en adelante simbolizaremos como e, no son solubles y deben movilizarse a través de conductores especiales. En esta edición de Cuadernos de la Ciencia queremos referirnos a estos conductores biológicos, con especial atención a su participación en los procesos celulares de obtención de energía, la que se acumula en una molécula llamada ATP.

Un concepto esencial para entender la síntesis de ATP es el de energía libre que cuantifica la cantidad de energía disponible para efectuar trabajo. Cualquier reacción química , tenga ésta lugar en una célula o no ocurre sólo en la dirección de menor energía libre . Los seres vivos obtienen energía por tres por tres tipos de procesos: respiración, fermentación y fotosíntesis (Fig. 1). En la combinación de fermentación y respiración , la reacción de carbohidratos con O₂ para dar CO₂ y agua libera una gran cantidad de energía libre.

Lo que la transforma en una reacción favorecida termodinámicamente. En la fotosíntesis, la misma reacción tiene lugar en sentido inverso: CO₂ se combina con agua para producir carbohidratos y oxígeno molecular (O₂). Esta reacción sólo es termodinámicamente posible si se le proporciona energía desde una fuente externa. En forma natural, esta energía proviene del sol y así en estructuras especiales de plantas y microorganismos deben absorberse varios fotones (o unidades mínimas de luz) por cada molécula de anhídrido carbónico convertido a carbohidrato, Los fotones son absorbidos por moléculas de pigmentos, las cuales como resultado de esta excitación pasan a un estado de mayor energía libre generando la fuerza impulsora para la transformación del C0₂.


ATP y transferencia de energía

La "moneda de intercambio" energética de las células, el ATP, consiste en una molécula orgánica asociada a una cadena de 3 fosfatos. En la mayor parte de las reacciones químicas en que el ATP actúa aportando energía, el único cambio que esta molécula experimenta, es la escisión (o "hidróIisis") del fosfato terminal. La regeneración de ATP, por lo tanto, consiste en la reincorporación de este fosfato a una molécula que previamente lo había perdido (la llamada ADP) con la consiguiente eliminación de una molécula de agua Esta reacción de regeneración no ocurre espontáneamente, sino que a expensas de una considerable cantidad de energía. Gran parte de esta energía puede recuperarse en la reacción inversa, es decir, el paso de ATP a ADP y fosfato. Con algunas restricciones podemos imaginarnos el ATP como un resorte comprimido y al ADP como un resorte relajado en donde la energía ya se ha liberado. Al ceder fosfato terminal a otras moléculas, el ATP crea especies fosforiladas que pueden participar en otras reacciones que de otra manera no serían energéticamente posibles. Surge aquí una noción de gran importancia en bioquímica: aquella de acoplamiento que podría formularse en términos de que sólo es posible que el ATP "ayude" energéticamente un proceso a través de una reacción química en que intervenga alguno de los elementos participantes en el proceso. De ahí el papel fundamental de las enzimas que aceleran estas reacciones en la economía energética de los organismos.

Existe un par de reacciones biológicas mediante las cuales se puede generar ATP en un proceso enzimático relativamente simple con la participación de ADP y un sustrato fosforilado.

Estas reacciones tienen lugar en una gran variedad de organismos y tejidos, pero en general representan sólo una fracción de la síntesis de ATP por la degradación de sustratos orgánicos. Sin embargo este tipo de reacciones ilustra lo que debe haber sido el mecanismo más primitivo para la generación de ATP.

El acoplamiento entre los procesos liberadores de energía de respiración y fotosíntesis y la síntesis de ATP (que requiere energía) ocurre de una forma más compleja y aparecen implicados electrones y protones (iones hidrógeno positivos, H⁺) y procesos de transporte y óxido- reducción.

Con el objeto de entender algunos rasgos comunes a los procesos de fotosíntesis y respiración, examinaremos brevemente algunos elementos de la química de óxido- reducción. Se entiende por reacción de oxido- reducción transferencia de uno o más electrones de una molécula (o ión) a otra. La molécula que en una reacción particular cede electrones, se oxide, y se denomina reductor, mientras que la molécula que recibe estos electrones se reduce y es llamada oxidante. La capacidad oxidante o reductora de una especie química ha sido determinada cuantitativamente por los químicos por su potencial estándar de óxido-reducción que puede tener valores positivos o negativos. Aquellas moléculas que tienen un potencial más positivo tienden a retener su(s) electrón(es) intercambiables y por lo tanto aquellas con un potencial más bajo o más negativo tienen tendencia a cederlos. Una reacción de óxido- reducción en que la especie A cede electrones a la especie B, es decir:

A (reducido) + B (oxidado) ---> A(oxidado) + B(reducido)

Producirá energía y por ende ocurrirá espontáneamente si el potencial estándar de B menos el potencial estándar de A da un valor positivo. En caso contrario la reacción exergónica será:

A(oxidado) + B(reducido) ---> A (reducido) + B (oxidado)

Volviendo al caso de las moléculas orgánicas que nos ocupan, ya hemos establecido que el CO₂ es la molécula de carbono más pobre en energía (aquella en la que terminan los procesos celulares de obtención de energía) y agregaremos que es la molécula "orgánica" más oxidada, de lo que se deduce que la pérdida de enlaces con H significa oxidación. Así la acumulación de energía en moléculas orgánicas (lípidos, azúcares, proteínas) (H⁺ + e ) en la fotosíntesis equivalente a ganancia de enlaces con H y a una reducción. La relación entre reducción e hidrogenación puede quizás ilustrarse mejor en el simple esquema de la Figura 2 que representa un primitivo antecesor de las cadenas transportadoras de electrones. Este esquema nos sirve además para presentar otro elemento indispensable en los procesos biológicos de óxido- reducción: la presencia de una membrana. La figura muestra un flujo de electrones a través de la membrana en lo que se ha propuesto como cadena pre- respiratoria. Básicamente, el objetivo de esta cadena en el organismo primitivo es neutralizar el exceso de ácido (H⁺) producido por la fermentación (ecuaciones I y II). Como se ve, el compuesto reducido H₂A ha fijado H como H⁺ + e. El resultado neto es desaparición de H+ en el interior y la aparición de éstos en el exterior sólo a través de un traspaso de cargas negativas de la membrana. El esquema incluye dos enzimas, una en la cara externa de la membrana que cataliza la oxidación de un dador (D) de e y otra interior que cataliza la reducción del aceptor A. El flujo de e es un proceso exergónico (suministra energía libre), ya que va de un potencial más negativo a un potencial más positivo. El esquema hace abstracción de las varias moléculas diferentes que, como hoy sabemos, son necesarias para la transferencia de electrones, y que actúan cual cosechadores de sandías que se pasan los frutos (los e) de la mata al carretón.


Cadenas de reacciones

El esquema de la Figura 2 nos permite introducir un fenómeno fundamental con el que se explica hoy la síntesis de ATP tanto en fotosíntesis como en respiración: la formación de un gradiente, (esto es una diferencia de concentraciones) de H⁺ asociada al paso de electrones.

Analicemos ahora algunas características de las cadenas transportadoras de electrones asociadas a estas membranas. A diferencia de un alambre conductor de cobre en donde todas la moléculas son iguales y el conductor actúa como tal gracias a un gradiente (diferencia de potencial) exterior a él, estas cadenas son conductoras precísamente gracias aquellas moléculas que las constituyen son diferentes, situándose cada una de ellas en un peldaño energético más bajo que la molécula que le precede. La figura 3 representa un modelo mecánico de este traspaso secuencial de electrones, aquí representados como esferas que caen. El centro redox activo de cada molécula en el traspaso de electrones ha sido representado como una rueda con palas que gira en torno a un eje. Con este modelo se ha querido enfatizar 3 aspectos del fenómeno del transporte de electrones:

1) Gradiente termodinámico: representado por la diferencia en el nivel de los ejes.

2) Orden específico: representado por la muesca en la base de una molécula que se adapta a la base de la otra.

3) Acoplamiento energétlco: representado como un rotor negro de donde salen unos conductores que proveerían la energía para la síntesis de ATP.

Una imagen más real del acoplamiento energético entre trasferencia de e y producción de ATP está dada sin duda por la llamada Teoría Quimiosmótica propuesta por Peter Mitchell. Esta teoría, confirmada hoy con un cúmulo de evidencias es válida tanto para la generación de ATP en transporte de e de fotosíntesis como de respiración y puede resumirse de la manera siguiente: El flujo de e está directamente acoplado a un flujo de H⁺ en sentido opuesto. El gradiente de H⁺ así generado es, en definitiva, la fuerza impulsora para la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato en un proceso catalizado por una enzima (ATP asa) íntimamente asociada al flujo de H⁺ (ahora "cuesta abajo"). Es interesante señalar que en algunas bacterias ATPasas que rompen ATP para expulsar un exceso de ácido pueden actuar "en reversa", es decir generando ATP en ciertas condiciones en que se impone un gradiente de H⁺.