Central eléctrica humana: cómo funcionan las máquinas moleculares en las células

Cada célula nuestra es un taller lleno de máquinas. Las máquinas están insertadas en membranas mitocondriales, que no son más que minúsculos centros energéticos que sirven para producir el adenosín trifosfato (ATP), o sea, la 'gasolina humana' necesaria para el funcionamiento de nuestro organismo. Cada segundo, centenas de billones de mitocondrias zumban del 'rugido' que producen dispositivos robóticos que giran propulsados por protones. Un fosfato entra en un pequeño agujero, cae en un contenedor, adquiere allí nuevas propiedades químicas a cuenta del flujo de protones y posteriormente entra en una manga a través de la que llega dentro de la mitocondria para combinarse con otros fosfatos y generar la molécula de ATP.

¿Puede ser este proceso industrial parte de nuestro organismo? ¿Por qué en nuestras células existen estas máquinas? Y ¿por qué hay protones allí? ¿Es posible que varios millones de dispositivos parecidos a las puertas giratorias de supermercados puedan estar dentro de nosotros?

Todas estas preguntas y las respectivas respuestas les surgieron a los microbiólogos y biofísicos que querían entender cómo el alimento ingerido se convierte en una sustancia que abastece cada músculo nuestro con energía. Resulta que el ciclo de transformaciones es tan complicado que la explicación de sus detalles necesitaría un libro grande. Mientras, se puede presentar brevemente del modo siguiente: después de masticar y tragar la comida, ésta llega al estómago donde se somete a varias modificaciones que hacen posible su absorción. El proceso de digestión continúa en el intestino delgado por acción de los fermentos alimenticios. Allí los hidratos de carbono se transforman en glucosa y se produce una fisión de lípidos y proteínas.

Posteriormente, la glucosa entra en la célula donde se divide en dos componentes y en esta forma llega a la mitocondria.

Las mitocondrias son una parte necesaria de la mayoría de los organismos vivos: animales, plantas, hongos. Según una versión, hace mucho las mitocondrias fueron organismos independientes o vivían fuera de nosotros, por eso conservan hasta el momento su genoma (mitocondrial). Es decir, en cada célula de todos los seres humanos está uno con su genoma. Mientras, en la época antigua, se unieron con nuestras células garantizándoles la transformación de alimentos en energía. Esta cooperación beneficiosa para ambos organismos se llama simbiosis y continúa hasta hoy.
Entonces, al entrar en la mitocondria, los ácidos pirúvicos — parte de la glucosis (ciclo de Krebs) se oxidan paulatinamente.

Además de esto, en la mitocondria está el dinucleótido de nicotinamida y adenina, (NAD) cuya energía de oxidación, cuando se pasa a esta molécula, produce la separación del protón.

Al fin y al cabo, tras una larga cadena de transformaciones, surgió el protón tan necesario para la síntesis de la molécula de ATP. En nuestra ilustración principal estos protones corren rápidamente por encima de las membranas mitocondriales, antes de caer en la 'máquina'. En realidad, hasta hace poco no estaba claro porque caían allí. Es que estos protones pueden ir en todas las direcciones, pero por uno u otro motivo, se agrupan cerca de la membrana, a la entrada en la puerta giratoria de la 'máquina'. Los científicos rusos de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Moscú MISIS (NUST MISIS) en cooperación con sus colegas austríacos del Instituto de Biofísica de la Johannes Kepler (Linz) ahora lo saben, tras llevar a cabo respectivos experimentos.

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"Al moverse dentro de la mitocondria, los protones están en agua. Se sabe que la molécula de agua (H2O) consiste de dos átomos de hidrógeno (H1) y un átomo de oxígeno (O16). Además del enlace químico dentro de una molécula de agua, estos átomos pueden formar enlaces débiles con moléculas de agua vecinas que se llaman enlaces de hidrógeno. Cerca de la superficie de la membrana, estos enlaces en la molécula de agua se forman de modo especial, porque por un lado está el agua y por el otro — una 'pared'. Los enlaces de hidrógeno cerca de la membrana tienen características distintas: otro número de tales enlaces, otra estructura. El protón usa estos enlaces como carriles para avanzar a lo largo de la membrana. Nuestra investigación puso de relieve que le 'gusta' esta estructura, no se va dentro de la mitocondria, sino corre con una velocidad anómala a lo largo de la membrana", explica el colaborador del departamento de Física Teórica y Tecnologías Cuánticas de la NUST MISIS, Serguéi Akímo.

De ese modo se produce la 'captura' de los protones para formar la principal molécula energética de nuestro cuerpo — ATP. Se usan en todos los movimientos, para mantener la temperatura del cuerpo, etc. La ATP es una 'batería' universal que suministra la energía para la mayoría de las reacciones que se llevan a cabo dentro de una célula. De ese modo tiene lugar la síntesis de proteínas, hidratos de carbono, grasas, el movimiento de flagelos y cilios, la transportación de sustancias, la liberación de la célula de residuos. Durante la fisión de la ATP —la descarga de la 'batería'— se desprende la energía necesaria.

Los resultados de la investigación fundamental aproximan a los científicos al entendimiento de los mecanismos globales de la generación de la energía en células y abren perspectivas ante la farmacología. Los resultados del trabajo pueden usarse para desarrollar medicamentos capaces de neutralizar la acción de venenos y para prevenir enfermedades vinculadas con la hiperfunción de la glándula tiroides. Con estas patologías, en las mitocondrias se acumulan tales sustancias como ácidos liposolubles que establecen enlaces eficaces entre los protones y conllevan la reducción general de la síntesis de la ATP.

Los nuevos conocimientos adquiridos por los científicos rusos permiten entender qué hay que hacer para restablecer la energía humana a nivel de cada célula.