Ciclo de Krebs, el oxígeno y las bacterias

Decía el genetista ucraniano Theodosius Dobzhansky, que "nada en biología tiene sentido si no es a la luz de la evolución". La vida sobre la Tierra tiene aproximadamente 4000 millones de años. En un principio sobre la faz de la Tierra no había prácticamente oxígeno. Este periodo sin oxígeno, anaerobio, duró aproximadamente 1500 millones de años hasta que aparecieron las cianobacterias. Unas bacterias fotosintéticas capaces de capturar CO2 y gracias a la energía del Sol convertirlo en azúcar, en glucosa.

La vida sobre la Tierra tiene 4000 millones de años. Durante 1500 millones no había oxígeno sobre la Tierra hasta que aparecieron las cianobacterias como las que aparecen en el dibujo. Comenzaron a llenar la atmósfera de O2 y desde entonces, unos 2500 millones de años, la mayoría de los organismos usamos el O2 para respirar y es por eso que necesitamos el ciclo de Krebs.

Hasta que el oxígeno aparece en la atmósfera terrrestre la forma de obtener energía consistía en captar alimentos y quemarlos, oxidarlos, en ausencia del oxígeno. Se llama oxidación a una reacción de captación de electrones, esa reacción va acompañada de una liberación de energía que es captada por la célula para producir ATP. El ATP es la moneda energética de la célula. Casi todo en la célula funciona con el ATP como combustible.

Mapa resumen de las rutas metabólicas de una célula. En rosa las reacciones de liberación anareobia de energía conocida como glucólisis. Esta reacción da como producto ATP y piruvato. En amarillo las reacciones de liberación de energía aerobia conocida como ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Los productos finales de estas reacciones son el H2O, el CO2 y el ATP.

Cuando se observa el mapa del metabolismo de una célula eucariota siempre se observa que en el centro hay un círculo. Ese círculo representa al ciclo de Krebs (ver vídeo), un ciclo de nueve reacciones enzimáticas que convierten al piruvato en ATP, H2O y CO2. El CO2 es el que eliminamos en la respiración.

En el mapa de las rutas metabólicas se resumen de esta manera la evolución de la obtención de energía, primero en ausencia de oxígeno: ruta de la glucólisis en rosa, una ruta que libera energía, ATP, y un producto final como es el piruvato. Cuando gracias a las cianobacterias y su capacidad fotosintética aparece el O2 sobre la Tierra ocurre una revolución. Para la mayor parte de los organismos, bacterias en aquel momento, el O2 era tóxico. Eso creó una presión selectiva que hizo que aquellas bacterias capaces de vivir en la presencia del O2 tuviesen una ventaja selectiva. Aparecieron bacterias capaces de vivir en presencia del O2 y con capacidad de utilizar el oxígeno como aceptor final de electrones. Se selecciona en estas bacterias una serie de rutas metabólicas conocidas como ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa. Estas rutas van a oxidar, y por tanto a liberar energía, el piruvato que es un producto final de la glucólisis hasta llevarlo a CO2, agua y ATP. Este CO2 se eliminará por la respiración, agua y ATP. Bastante más ATP que la reacción de la glucólisis.

La glucólisis libera 2 ATPs mientras que la reacción del ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa es mucho más eficiente energéticamente: liberan 34 ATPs. Esto ha permitido que los animales y plantas con metabolismo aeróbico sean mucho más activos que los animales de vida anaeróbica. Imaginemos el mundo sin oxígeno, anaeróbico, de las fumarolas volcánicas de los fondos submarinos. Los animales que viven allí son animales sésiles, fijados a las rocas, cuya única actividad consiste en filtrar el agua para alimentarse de bacterias.

Animales filtradores de bacterias que viven en las profundidades de los océanos, en un ambiente carente de oxígeno, alimentándose de bacterias que viven de las emanaciones de las fumarolas volcánicas. Como podéis ver, tienen una vida un poco aburrida.

En la célula eucariota, el tipo de célula de los humanos, también se puede hacer arqueología evolutiva. Por ejemplo, la glucólisis tiene lugar en el citoplasma de la célula, mientras que el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa tienen lugar en la mitocondria. La mitocondria es una antigua bacteria Gram negativa que se fusionó con una arqueobacteria para dar lugar a la primera célula eucariota. Este proceso de simbiosis se le conoce como Teoría Endosimbiótica Seriada.

Las dos primeras reacciones enzimáticas del ciclo de Krebs, mediadas por la piruvato deshidrogenasa y por la citrato sintasa fueron descubiertas por el premio Nobel español Severo Ochoa.

El ciclo de Krebs en el centro del motor de la célula

Este ciclo constituye el final común de la serie de reacciones de oxidación, es decir de liberación de energía, de TODAS las moléculas utilizadas como alimento, ya sean proteínas (carne o pescado), grasas o hidrátos de carbono (pan, pasta). Aunque la mayoría de estas moléculas se introducen en el ciclo a través del piruvato que se convierte en acetil-coenzima A por la enzima piruvato deshidrogenasa descubierta por el premio Nobel español Severo Ochoa, también existen otros puntos de entrada de moléculas en el ciclo de Krebs.

Hay algunos aspectos curiosos en esta serie de reacciones. Las reacciones A y 4, es decir, las llevadas a cabo por la piruvato deshidrogenasa y por la alfa-cetoglutarato deshidrogenasa son muy similares. Se lleva a cabo en presencia de seis cofactores y evitan que el ciclo de Krebs avance en la dirección opuesta.

La reacción 5 y la 1 también son similares. La reacción 5 genera energía que se transfiere al trifosfato de guanosina (GTP). El fosfato del GTP puede ser transferido fácilmente al ADP para formar ATP.

La mayor parte de la energía que se forma por la oxidación del acetilo en el ciclo de Krebs no se genera en el mismo ciclo de Krebs. En el ciclo de Krebs se producen coenzimas reducidas: NADH y FADH2. Estas enzimas se van a oxidar en el ciclo de la fosforilación oxidativa. Acoplado a esa oxidación va a ocurrir la fosforilación del ADP en ATP. Esa fosforilación ocurre en la mitocondria también. La fosforilación oxidativa traslada electrones a una serie de enzimas localizadas en la membrana interna de la mitocondria. Asociados a esos electrones se trasladan protones al espacio intermembrana de la mitocondria, un orgánulo celular con dos membranas, lo mismo que las bacterias Gram negativas, de las que proceden. En la membrana interna existe una bomba de protones, la ATP sintasa (ver vídeo).

Los protones pasan a través de la bomba y esa energía sirve para que la bomba una un fósforo inorgánico (PO43-), es decir, una molécula muy cargada negativamente, al fósforo inorgánico del ADP. La molécula resultante es el ATP. Una molécula que tiene tres fósforos inorgánicos, muy cargados negativamente unidos. ¿Habéis intentado alguna vez unir dos imanes del mismo polo? Eso es lo que ocurre en el ATP, que se han unido tres moléculas, el fósforo inorgánico, muy cargados negativamente mediante dos enlaces covalentes que cuando se rompen liberan mucha energía. Es un tipo de energía de repulsión electromagnética. Esa fuerza de repulsión es lo que hace mover a todas las maquinarias basadas en proteínas que tenemos en nuestra célula.

El ATP es la moneda energética de la célula

Es por así decirlo la gasolina que mueve todas las reacciones enzimáticas en la célula. En nuestras gasolineras existe dos tipos de combustibles: la gasolina y el diesel. En las células, tanto bacterianas como en las eucarióticas (las de humanos, plantas, hongos y protozoos), se usa básicamente el ATP. La molécula está compuesta de una base nitrogenada, la adenina, unida a un azúcar, la ribosa, a la ribosa se le unen tres fosfatos inorgánicos. Que la adenina esté unida a una ribosa es otro ejemplo que apoya la teoría que dice que el primer ácido nucleico que soportó la vida fue el ARN y no el ADN como ocurre hoy en día en la mayoría de los organismos, excepto en los virus de tipo ARN.

Los tres fosfatos inorgánicos son moléculas cargadas negativamente, y están unos al lado de los otros. ¿Habéis intentado alguna vez unir dos imanes por polos semejantes? los imanes se repelen y hace falta mucha fuerza para juntarlos. Eso es lo que ocurre con los tres fosfatos inorgánicos. Están unidos covalentemente pero se repelen y cuando el enlace covalente se rompe el fosfato saliente sale repelido y ese movimiento de repulsión hace mover todas las máquinas enzimáticas de la célula.
Una de las acepciones de la Real Academia de la Lengua Española sobre la palabra "parsimonia": Frugalidad y moderación en los gastos. Esta es una caracteristica de los seres vivos. Cuando algo funciona no se cambia. ¿Cómo se va a seleccionar mejoras en algo que ya es inmejorable? esto es lo que le ocurre a moléculas como el ATP. Su estructura es igual en cualquier organismo que miremos.

Estructura de la mitocondria: al igual que las bacterias Gram negativas de las cuales procede, la mitocondria también tiene doble membrana. Una externa y otra interna. Estas dos membranas definen un espacio intermembrana. Las mitocondrias tienen ribosomas (en azul) más pequeños que los ribosomas eucarióticos. En la membrana interna tienen un complejo de proteínas con forma de chupete que es la ATP sintasa encargada de generar ATP. El ADN de la mitocondria es de doble cadena y circular como las bacterias.

Mitocondrias ¡Qué la fuerza te acompañe! 

Las mitocondrias ocupan el 15-20% del volumen de una célula hepática. En la saga Star Wars cuando se refieren a que alguien tiene un porcentaje más alto de midiclorianos hacen referencia a las mitocondrias. Claro que en este caso estamos hablando de ciencia ficción. En cierta manera en Star Wars están en lo cierto porque en las mitocondrias se genera el ATP que se usa en la mayor parte de las actividades celulares que requieren energía. Además de la energía también intervienen en la síntesis de muchas sustancias, incluídos ciertos aminoácidos y los grupos hemo. Tiene una participación vital, junto con el retículo endoplasmático, en la captación y liberación de iones calcio, que son iniciaodres esenciales de actividades celulares. Por ejemplo, cuando las concentraciones de calcio aumentan y llegan a niveles muy altos en el citosol, parte del exceso es captado por un transportador localizado en la membrana mitocondrial interna. El proceso de muerte celular, llamado apoptosis, se regula por fenómenos que ocurren en las mitocondrias. Este proceso también es pura arqueología evolutiva. Se sabe que las bacterias pueden organizar la muerte de algunas de ellas cuando las poblaciones alcanzan unas concentraciones muy elevadas. Es lo que se conoce como “quorum sensing”. Este mecanismo parece que es utilizado por la célula eucariótica para utilizarlo como mecanismo de suicidio.

Metabolismo de la mitocondria: Las reacciones de la glucólisis anaerobia (en ausencia de oxígeno) generan piruvato y NADH en el citosol. En ausencia de oxígeno, el piruvato se reduce por acción del NADH hasta lactato (u otro producto de fermentación, como el etanol en las levaduras). El NAD+ formado en esta reacción se reutiliza en la continuación de la glucólisis que tiene lugar en el interior de la mitocondria en donde tiene lugar la glucólisis aerobia. En presencia de oxígeno, el piruvato se mueve hacia la matriz a través de un transportador de membrana, en donde se descarboxila y se une a la coenzimaA (CoA), una reacción que genera NADH. El NADH producido durante la glucólisis dona sus electrones de alta energía a un compuesto que cruza la membrana mitocondrial interna. La acetil-CoA cede el acetilo al ciclo de Krebs (en la figura ciclo del TCA). En este ciclo se genera ATP y NADH y FADH2. Los electrones de estas moléculas pasan por la cadena de transporte de electrones, que està formada por portadores transmembrana en la membrana mitocondrial interna, hasta llegar al oxígeno molecular (O2), en donde se forma H2O. Los electrones que se ceden a la cadena de transporte de electrones llevan asociados concomitantemente protones que se acumulan en el espacio intermembrana. Estos protones regresan a la matriz de la mitocondria atravesando la ATP sintasa como el agua de una presa que sale a presión. Esta energía la utiliza la ATP sintasa para coger una molécula de ADP y unirle un fosfato inorgánico para generar ATP.

Fosforilación oxidativa. En el primer paso, sustratos como el isocitrato y el succinato se oxidan y los electrones se transfieren a las coenzimas NAD+ o FAD para formar NADH o FADH2. Después, estos electrones de alta energía (-0.32V) se transfieren mediante una serie de transportadores de electrones de la cadena respiratoria. La energía liberada se usa para trasladar protones de la matriz hacia el espacia intermembranal, con lo que se establece un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna. En el paso 2, los protones se mueven a favor del gradiente electroquímico  a través de la ATP sintasa.

Las membranas de la mitocondria dividen al organelo en dos compartimentos acuosos, uno en el interior, llamado matriz, y otro entre las membranas interna y externa, conocido como espacio intermembrana. La matriz tiene una consistencia gelatinosa por la elevada concentración de proteínas hidrosolubles. Las proteínas del espacio intermembrana están muy estudiadas por su participación en el inicio del suicidio celular o apoptosis.

Las membranas externa e interna tienen propiedades muy diferentes. La membrana externa está formada por lípidos, casi un 50%, y continen una mezcla curiosa de enzimas que participan en actividades tan diversas como la oxidación de la adrenalina, la degradación del triptófano y la elongación de los ácidos grasos. En cambio la membrana interna contiene una proporción elevada de proteínas. La membrana interna es rica en cardiolipina, un fosfolípido típico de las membranas bacterianas, este es otro ejemplo de arqueología (del griego ἀρχαιολογία archaiología 'historia antigua') evolutiva.

Lo mismo que las bacterias, la membrana externa de las mitocondrias tienen porinas. Estas porinas, cuando están abiertas, dejan pasar moléculas como el ATP, el NAD y la coenzima A. En cambio, la membrana interna de este organelo es impermeable, todas las moléculas y los iones requieren transportadores de membrana especiales para ingresar en la matriz. Esto es muy importante para mantener el gradiente de protones que hace mover la ATP sintasa. Un gradiente de protones sería como el agua almacenada en una presa y la turbina que genera la electricidad sería la ATP sintasa.

Si veis el vídeo de la ATP sintasa de las mitocondrias es igualita a una turbina Kaplan. La turbina se mueve porque el agua de la presa tiene energía potencial acumulada. En el caso de la ATP sintasa, la concentración de protones hace que tenga una energía libre mayor y por ese motivo fluyan hacia el compartimento de menor concentración de protones, o de menor energía libre, lo mismo que el agua sale a presión de la presa hacia una posición de menor altura. En ese proceso tanto la turbina como la ATP sintasa mueven el rotor y generan energía.

La matriz mitocondrial contiene ribosomas, de tamaño mucho menor a los que se encuentran en el citosol de la célula eucariota. También tiene un cromosoma circular y la maquinaria  para producir su propio ARN. El cromosoma mitocondrial codifica un pequeño número (13 en el caso de los humanos) de polipéptidos que se integran en la membrana interna con los polipéptidos codificados por genes que se encuentran en el núcleo. Esto tiene sentido porque si la membrana interna es tan impermeable, las proteínas hidrofóbicas que se van a integrar en la membrana es mejor que estén codificadas desde dentro para evitar tener maquinaria en las membranas de la mitocondria encargadas de importarlas en el hipotético caso de que estuviesen codificadas por el ADN del núcleo de la célula. El ADN mitocondrial  humano también codifica dos ARN ribosómicos y 22 ARN de transferencia que se utilizan en la síntesis de proteínas en el interior de la mitocondria.

La mayor parte de los genes de la bacteria aerobia de la que procede la mitocondria se perdió o se transfirieron al núcleo. El investigador gallego Antón Vila-Sanjurjo intentó, de forma muy valiente y arriesgada, dotar a la mitocondria de los genes necesarios para que llevase una vida independiente. La mitocondria está ya tan adaptada a la vida en el interior de la célula eucariota que fue incapaz de lograr su objetivo (podéis escuchar su entrevista en este podcast). Una nota curiosa para los frikis: Es interesante la ARN polimerasa de la mitocondria que no tiene que ver con las ARN polimerasa de bacterias ni de las células eucariotas, ambas compuestas de múltiples subunidades. La ARN polimerasa de la mitocondria es similar a la de los bacteriófagos.

Conocer el metabolismo anaerobio te puede salvar la vida

Hay determinados ejercicios que requieren de un gasto de glucosa anaerobio. Se trata de ejercicios muy intensos que necesitan ATP de manera urgente (levantamiento de pesos, 100 metros lisos...). Para este tipo de ejercicios, en el consumo de glucosa no intervienen las mitocondrias para nada. La glucosa no se oxida hasta CO2 y H2O, como en el caso del metabolismo aerobio. En el ejercicio anaerobio (sin oxígeno) se gasta glucosa que se convierte en ácido láctico. Ese ácido láctico se expulsa al torrente sanguíneo y en el hígado el ácido láctico se convierte de nuevo a glucosa.

Un atleta especializado en disciplinas anaeróbias tiene en sus células musculares muchas bombas para expulsar rápidamente el ácido láctico al torrente sanguíneo. Si no estás entrenado no tienes tantas bombas de expulsión. Si es así, el ácido se acumula en la célula y cambia su pH. Cuando el interior de la célula se acidifica el metabolismo, la maquinaria, deja de funcionar. En el video se observa a una persona de 50 años que comienza un ejercicio anaerobio. A los 10 segundos todas sus células musculares están tan llenas de ácido láctico que el ácido para la maquinaria y la mano se le abre. Si este señor hubiese parado su ejercicio a los 5 segundos, parando por ejemplo en el balcón del último piso, y esperado 20 minutos, hubiese podido bajar otros 5 segundos hasta su casa con seguridad. Un escalador no hubiese tenido ningún problema en realizar ese descenso con seguridad, precisamente porque es capaz de bombear el ácido láctico fuera de la célula.