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Se descubre ajuste fino en el motor giratorio de la vida

Se descubre ajuste fino en el motor giratorio de la vida

David Coppedge, Graduado en Física (con honores)

La moneda energética universal en los seres vivos es la ATP.

Para producir las inmensas cantidades de esta molécula que la vida necesita sin interrupción, las células emplean baterías de motores giratorios llamados ATP sintasa.

La ATP sintasa ha llegado a ser una especie de mascota de la tesis del diseño inteligente, porque no hay precursores conocidos de este polifacético motor de alto rendimiento que es tan diminuto que cabrían 120.000 de ellos sobre la cabeza de un alfiler. Los científicos siguen dilucidando detalles más finos de estos motores usando la cristalografía de rayos X y otros métodos.

Un nuevo descubrimiento, publicado en PLoS Biology1, es que las moléculas de agua desempeñan una función crucial en el rotor. Estos descubrimientos aparecen resumidos en PhysOrg,

«Las células usan agua en nano-rotores para alimentar la conversión de energía»

El equipo investigador internacional (con base principal en el Instituto Max Planck para Biofísica en Frankfurt, Alemania), procedió a investigar los motores de ATP sintasa en una bacteria especial que vive en agua fuertemente alcalina.

«Esta bacteria prefiere medios alcalinos en los que la concentración de protones (H+) es inferior en el exterior que en el interior de la célula —la situación contraria a la que encuentran generalmente los organismos que prefieren medios neutros o acídicos»

dicen los autores. Estas células se encuentran con un desafío especial. Muchas células viven en aguas neutras o acídicas que no proporcionan obstáculos para el libre flujo de protones (iones de hidrógeno, H+) a través de las membranas y hacia los rotores que ayudan a hacer girar. En condiciones alcalinas, los protones tenderían a escapar para neutralizar el medio. Así, estos especiales motores ATP sintasa tienen que mantener un gradiente que no es tan alcalino en el exterior.

«La bacteria Bacillus pseudofirmus OF4, que es extremadamente alcalófila [favorable a los álcalis], crece por fosforilación oxidativa con valores citoplasmáticos del pH que se mantienen de 1,5 a 2,3 unidades por debajo del alto pH externo (de hasta 11) del medio»

explicaban (un pH de 11 es muy enérgicamente alcalino).

«La existencia de este [delta]-pH invertido plantea un problema termodinámico de gran calado, que estas células deben resolver».

Esta especie tiene algunas modificaciones en su motor, diseñadas para ayudarle a hacer frente a sus condiciones especiales. Tiene una subunidad modificada, una actividad latente, y, cosa más significativa, un anillo c con más subunidades y una forma diferente.

El anillo c es el rotor primario. En la mayoría de los organismos tiene 10 subunidades; en Bacillus pseudofirmus hay 13 subunidades (algunos otros organismos tienen 11 ó 15, y algunos funcionan con iones de sodio, Na+, en lugar de protones). Aunque idénticos en muchos respectos a los anillos c en otras especies, este tiene una forma alterada, algo así como una «copa de cerveza tipo tulip», dicen con toda seriedad.

Aunque las maneras en que estas modificaciones sirven para funcionar en el medio alcalino de esta bacteria siguen sin estar claras, los autores están convencidos de que la cooperación del ión de agua en el centro de cada subunidad es una clave:

Esta investigación expone un nuevo tipo de coordinación protónica en un anillo rotor F1F0 de la sintasa. … Está claro que la red de coordinación del agua misma … es una parte estabilizadora, y por ello una parte estructural de este anillo c. Se ha demostrado que la presencia del agua potencia la afinidad de enlace del Na+ en el anillo c11 de enlace con Na+ [en organismos con 11 subunidades c]. Dada esta observación, proponemos que el agua en la bolsa de enlace del anillo c13 también potencia la afinidad a los protones. Los sitios de unión de alta afinidad en el rotor son de importancia fundamental para todas las ATP sintasas, pero son especialmente importantes para las ATP sintasas de bacterias que crecen en medios alcalinos. … Quizá la forma novedosa en que el agua participa en la unión del protón es también consecuencia de la adaptación de la ATP sintasa a la alcalifilia [adaptación a los medios alcalinos].

Especulan los investigadores que esta observación es aplicable también a una clase más amplia de anillos c especializados. Se precisa de adicionales estudios comparativos de anillos c para determinar la función específica de estas bolsas de unión con iones en las subunidades del anillo c. Y especulan que es posible que tengan que ver con «la afinidad y selectividad iónicas durante la generación de par» de los rotores.

Los autores mencionaban la evolución cuatro veces, pero en dos casos se trata de meras suposiciones de que los motores evolucionaron; otra mención es una aseveración acerca de la ausencia de evolución («Este patrón común de unión subyace a la relación evolutiva y funcionalmente conservada entre los sistemas impulsados por pmf- y smf»); la cuarta mención es sólo una sugerencia de pasada:

«Se ha sugerido que las ATP sintasas impulsadas por smf [fuerza sodio-motriz] son pioneras evolutivas con vistas al establecimiento de las modernas ATP sintasas»

dicen, con referencia a un artículo de 2008 que sugería esta idea. «Si esta hipótesis es cierta», prosiguen, indicando así la naturaleza provisional de la idea, entonces quizá las desacostumbradas formas de los anillos c «podrían, desde un punto de vista evolutivo, derivar de la estructura básica de c11».

Nada más desde «un punto de vista evolutivo» ha contribuido a la motivación, a la investigación ni a los resultados que se describen en el artículo mismo. Al contrario, los autores elogian la elegancia de este omnipresente nanomotor, incluyendo las modificaciones en esta especie específica amante de los medios alcalinos:

«Las sutiles pero importantes diferencias en la geometría del sistema de unión con el H permiten un ajuste fino … y sirven para optimizar la energía necesaria de solvatación», dicen. «El ajuste fino de estos parámetros es de crucial importancia dentro de la interfaz de los anillos a/c, donde los sitios de unión del rotor pasan un medio más hidrófilo».

El tema del «ajuste fino» era lo suficientemente significativo para aparecer en el Resumen:

«Aparece en el sitio de unión de iones de un alcalófilo en el que representa una adaptación finamente ajustada de la afinidad del protón durante el ciclo de reacción».

Y desde luego no vacilan en describir la ATP sintasa como una maravillosa máquina funcional:

«Como las turbinas eólicas generadoras de electricidad,las F1F0-ATP synthases son “turbinas iónicas” naturales constituida cada una de ellas por un estátor y un rotor que gira, cuando es impulsado por un flujo de iones, para generar el suministro de ATP, la energía de la célula».

PhysOrg, en su reportaje acerca del artículo, amontonaba superlativos adicionales:

Las ATP sintasas están entre las proteínas más abundantes e importantes en las células vivientes. Estas nanomáquinas giratorias producen la forma química central de la moneda de intercambio energético de las células, la ATP (la adenosina trifosfato) que se emplea para suplir las necesidades energéticas de las células. Por ejemplo, los adultos humanos sintetizan hasta 75 kg de ATP cada día en condiciones de reposo y necesitan mucho más para satisfacer las necesidades de energía durante un ejercicio o trabajo enérgicos. La turbina de la ATP sintasa es el elemento rotor, llamado el anillo c. Este anillo tiene un diámetro de 63 Å [Angstroms] (6,3 nm, o 6,3 millonésimas de milímetro) y realiza más de 500 revoluciones por segundo durante la producción de ATP.

500 revoluciones por segundo asciende, en la terminología de los motores más bien conocidos, a unas 30.000 rpm. Por cuanto se sintetizan tres moléculas de ATP durante cada revolución, uno de estos motores puede generar casi 100.000 ATPs por minuto —y tu cuerpo tiene miles de billones de ellas operando durante toda tu vida en cualquier momento determinado, incluso durante tu sueño.

La mejor manera de visualizar lo que está sucediendo es mediante una animación detallada (rotor en la parte superior) que exhibe la operación reversible del motor.

 

Comentario Editorial: 

Como de costumbre, las referencias a la evolución eran meras ofrendas de incienso a Charles Darwin al inicio de la fiesta mayor, aunque no tenga esto nada que ver con la sustancia de la fiesta. Se podría haber prescindido de estas formalidades sin ninguna pérdida de de información, aunque lo cierto es que se habría ganado en claridad. ¿Acaso los autores propusieron ningunos antecesores primitivos de estas máquinas? ¿Han presentado ninguna ATP sintasa a mitad de camino? Naturalmente que no; no podrían funcionar si ya no eran plenamente funcionales desde el principio..

Los autores admiten: «La secuencia de aminoácidos de las subunidades proteínicas en este rotor … tiene características comunes a un grupo importante de ATP sintasas en organismos desde las bacterias a los hombres». Las modificaciones que descubrieron en el caso de la bacteria objeto de estudio no eran accidentes ni errores, sino modificaciones intencionadas para permitir que esta especie sobreviva en su riguroso medio ambiente. Decir que surgió por evolución a partir de una forma más común es una petición de principio evolucionista. Para creer tal cosa, uno tiene ya que dar la evolución por supuesta.

Esta máquina es demasiado maravillosa para que el hombre de la calle no esté informada acerca de la misma. ¡Nos mantiene vivos! ¡Se trata de un motor verdadero, mecánico, giratorio, que gira a una velocidad de hasta 30.000 rpm, y de la que hay miles y miles en cada célula en el planeta! La realidad de unos motores giratorios que nos mantienen vivos, incluso mientras dormimos, se debería proclamar desde las terrazas de las casas.

Esto fue sólo descubierto en la década de 1990. Aristóteles, Descartes, Voltaire, Darwin y Freud nunca hubieran podido ni soñar que la vida era tan exquisitamente compleja en su esencia. ¿Hay acaso algún descubrimiento en la historia de la ciencia que inspire tanto sentimiento de maravilla? Deberíamos hacer de esto motivo de conversación; la discusión acerca de esta y otras pasmosas realidades de las nanomáquinas y de los nanomotores en los procesos de la vida debería dar pausa para la reflexión acerca de la realidad de un designio para nuestras vidas, e incitar al conocimiento del Dios que está en su origen y destino.

Referencias :
  1. Preiss, Yildiz, Hicks, Krulwich and Meier, «A New Type of Proton Coordination in an F1F0-ATP Synthase Rotor Ring», Public Library of Science Biology, 8(8): e1000443. DOI:10.1371/journal.pbio.1000443.
Publicación Original:

Creation Evolution Headlines - Fine-Tuning Found in Life’s Rotary Engine - 08/04/2010

Agradecimientos:

Fuente de la noticia: http://www.creacionismo.net/genesis/Art%C3%ADculo/se-descubre-ajuste-fino-en-el-motor-giratorio-de-la-vida