sábado, 20 de mayo de 2017

12 EVOLUCIÓN DE LA RESPIRACIÓN AERÓBICA

 // Introducción a la respiración celular // La betaoxidación de la grasa // Introducción al ciclo de Krebs // Reacciones del ciclo de Krebs 1, inicio hasta la síntesis de GTP // Reacciones del ciclo de Krebs 2, hasta la regeneración del oxaloacetato // Introducción a la cadena de transporte de electrones respiratoria // Portadores de electrones en la cadena de transporte de electrones // La cadena de transporte de electrones respiratoria // Fosforilación oxidativa // El ejercicio y la respiración aeróbica // Resumen de la respiración celular aeróbica // Evolución de la respiración aeróbica // ¿Y por qué engordamos? // Referencias bibliográficas // 


12.1 Ciclo de Krebs

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)

Ramas de dos rutas metabólicas que pueden generarse a partir del piruvato, en una se regenera NAD a partir de NADH, 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.

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 que 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 emplen 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 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 glucolisis 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 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.

12.2 De la fermentación a la cadena de transporte de electrones

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 glucolisis 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 glucolisis 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 hidronio que son los responsables del poder corrosivo y denaturante de los ácidos. Entre mayor es la concentración de iones hidronio 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 hidronio 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 hidronio 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).

12.3 Cadena de transporte

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).


12.3.1 Fase 1. 

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).

12.3.2 Fase 2. 

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).

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).

12.3.3 Fase 3.  

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).

tros 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).


12.2.4 Resumen

Estadios en la 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).

12.4 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.

12.5 Evolución de la ATP sintetasa

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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