«Mitchell y la energía en biología» por Alicia Alonso

CIC Network

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Este texto de Alicia Alonso apareció originalmente en el número 9 de la revista CIC Network (2011) y lo reproducimos en su integridad por su interés.

A mediados del siglo XX quedaban sin resolver en la Biología dos grandes problemas. Uno era el de la herencia, que fue aclarado a partir de 1953 con la propuesta, realizada por James Watson y Francis Crick, del modelo de doble hélice para la estructura del DNA. El otro problema era el de la energía: cómo convertían las plantas la energía solar en ATP, y cómo convertían los animales en ATP la energía de los alimentos. Este problema fue resuelto hace ahora 50 años, de forma brillantísima, por un científico, de talento al menos comparable al de los dos arriba mencionados, pero mucho menos reconocido: hablamos del británico Peter Mitchell.

Efectivamente, en 1961 Mitchell publica por primera vez los artículos que proponen su teoría quimiosmótica que explica cómo la energía derivada de los alimentos (en las mitocondrias) o de la luz (en los cloroplastos) se utiliza para producir ATP a partir de ADP y fosfato. En contra de las teorías más extendidas en su tiempo, que postulaban que la energía de los alimentos o de la luz se almacenaba en forma de intermediario químico de alta energía, Mitchell propone que la energía se almacena en forma de un intermediario físico, a saber, un gradiente de protones a través de membranas. El gradiente de protones estaría generado por las cadenas respiratorias. Estas son conjuntos de proteínas de membrana que transfieren electrones de unas a otras, de modo secuencial. En los años cincuenta se sabía que las cadenas respiratorias estaban relacionadas con la síntesis de ATP, pero no se conocía el mecanismo. En los primeros artículos de 1961 la teoría no está suficientemente apoyada en datos experimentales, más bien se plantea una hipótesis cuya veracidad hay que esclarecer. Para ello, Mitchell fija unos postulados que pueden y deben ser demostrados y que son los pilares de la teoría quimiosmótica.

El apoyo experimental y, por tanto, la aceptación generalizada de su teoría llevó quince años de fuertes enfrentamientos y discusiones que aseguraban entretenimiento a los asistentes a las reuniones de Bioenergética en los congresos de los años sesenta y setenta. Los postulados eran los siguientes:

– El flujo de electrones y átomos de hidrógeno a través de la cadena respiratoria, generado por una fuente de electrones o por la luz, ocurre vectorialmente.

– Esto provoca un movimiento de protones entre los compartimentos acuosos separados por una membrana.

– La membrana es impermeable a los protones de modo que se establece una diferencia de pH.

– La membrana contiene una enzima (ATPasa) que permite el retorno de los protones que a su vez dirigen la reacción de síntesis de ATP.

Podemos decir que esta teoría se anticipó a su tiempo pues, como Leslie Orgel indica: «Desde Darwin y Wallace no se había apuntado en Biología una hipótesis tan contraintuitiva como las de Einstein, Heisenberg o Schrödinger en la Física».

En los años cincuenta, la hipótesis más aceptada para la fosforilación oxidativa era, como se ha comentado, la de la teoría química. En 1946 Fritz Lipmann sugirió que el origen del fosfato terminal en el ATP debía ser un grupo fosfato que se encontrara unido a un componente de la cadena respiratoria durante la oxidación. Sin embargo, cuando se mostró que la cadena respiratoria funcionaba de forma satisfactoria en ausencia de fosfato, se estableció la necesidad de un mecanismo más complejo. En 1953 William (Bill) Slater propuso un mecanismo que implicaba la formación de un intermediario de alta energía generado por la cadena. Por tanto, la fuente para la síntesis de ATPera ahora un compuesto hipotético fosforilado x-p. Esto provocó el inicio de la búsqueda de dicho intermediario que se prolongó 20 años, a lo largo de los cuales se descartaron como candidatos hasta 16 compuestos.

Cuando en 1961 Mitchell propone su teoría quimiosmótica, una de sus razones era el fracaso en el hallazgo de dicho compuesto. Sin embargo la propuesta de Slater tenía una fuerte base bioquímica y muchos bioquímicos se habían embarcado en esa cruzada de manera que no estaban muy dispuestos a aceptar un cambio de estrategia tan brusco. Además se había hecho una inversión económica muy fuerte, de millones de dólares, financiando proyectos a la búsqueda del intermediario, lo que hacía muy difícil admitir su inutilidad. Por otro lado, la teoría en sus términos iniciales era de difícil comprensión, como indicó Efraim Racker, a quien le parecía «the pronouncement of a court jester on a prophecy of doom». A diferencia de la teoría química, que se basaba en la bioquímica clásica, el fundamento de la teoría quimiosmótica era la fisiología de membranas, por lo que las mentes de los bioquímicos no fueron muy receptivas a una idea tan poco ortodoxa como que el movimiento de iones a través de membranas fuera una forma de almacenar energía en forma de gradientes iónicos transmembranales.

¿Cómo había llegado Mitchell a esta propuesta? Hay muchas razones, entre otras, que contaba con una buena formación en Filosofía y en Termodinámica que le permitían abordar los datos con una visión integradora. Pero parece que fue particularmente importante su trabajo previo en el campo del transporte a través de membranas, realizadodurante su período de Cambridge.

Peter Dennis Mitchell había nacido el 29 Septiembre de 1920. Su paso por la escuela primaria y secundaria no fue brillante y su examen de ingreso a Cambridge fue tan flojo que precisó una carta de apoyo de su tutor para ser aceptado. Sin embargo, su estancia en esa universidad se extendería a lo largo de 16 años, primero como estudiante de licenciatura y posteriormente como estudiante de doctorado y profesor ayudante. Su apariencia física era singular, demasiado bohemia o informal para ese tiempo y esa universidad, pelo largo, camisas de colorines… En su tiempo libre, tocaba el violín y estudiaba Filosofía. Una vez graduado, tres científicos de diferentes áreas ejercieron sobre él una gran influencia: el fisiólogo James Danielli, que con Hugh Davson había propuesto un modelo revolucionario sobre la estructura de las membranas, David Keilin, que había caracterizado la cadena respiratoria de las mitocondrias, y el enzimólogo Michael Dixon. Tras la II Guerra Mundial empezó algunos proyectos sobre transporte a través de membranas en bacterias. También comenzó entonces su colaboración con Jennifer Moyle, que había trabajado con Dixon purificando enzimas y que realizaba con frecuencia los experimentos diseñados por Mitchell. Él quería integrar las aproximaciones de Danielli, Keilin y Dixon de forma conjunta. Su primera tesis doctoral fue rechazada. Entonces Mitchell tuvo que dedicar otros tres años al estudio de la penicilina, que él consideraba marginal, para alcanzar el grado de doctor. En 1955 Mitchell acepta un puesto permanente en la Universidad de Edimburgo y convence a su colaboradora Moyle para que le acompañe. Allí ella consigue el grado de doctor e inician el trabajo que permite a Mitchell proponer en 1961, la teoría quimiosmótica.

El problema del transporte a través de las membranas celulares se abordaba en los años 50 con dos estrategias paralelas: unos estudiaban el transporte atendiendo a la estructura de la membrana y a cómo las moléculas la atraviesan. Otros se centraban en las proteínas que intervenían y las reacciones que catalizaban. No existía ninguna comunicación entre ambos grupos. Mitchell enfoca el problema unificando ambos puntos de vista y considera el transporte simultáneamente como un proceso físico y una reacción química que consume energía, así para él la proteína transportadora capta los reactantes a un lado de la membrana y los libera modificados como productos al otro lado. Cuando, posteriormente, acuña el término quimiosmótico lo emplea para referirse a procesos quimio, por intervenir una reacción química, y osmótico porque tienen lugar a través de una barrera osmótica o membrana. En un momento determinado, Mitchell empezó a visualizar el modelo al revés. Si antes consideraba que la energía producida en la reacción se podía emplear en transportar moléculas, ahora considera si el movimiento de moléculas podría emplearse para llevar a cabo reacciones que consumen energía.

Es decir, quizá el movimiento de una molécula de un lado a otro de la membrana podría ser una fuente de energía. Al final de los 50, Mitchell se pregunta: ¿puede esto aplicarse a la síntesis de ATP? La victoria de la teoría quimiosmótica sobre la teoría química propugnada por los principales bioquímicos de la época fue una hazaña que Mitchell abordó casi en solitario. Tanto Bill Slater como Albert Lehninger cuestionaron esta teoría pero cuando Britton Chance fue incapaz de medir una diferencia de pH significativa en mitocondrias parecía que la hipótesis había muerto para siempre. Mitchell replicó recordando que la fuerza protomotriz (PMF), término que él acuñó por analogía con la electromotriz, tenía dos componentes: el gradiente de pH y el potencial de membrana. Esta respuesta no contentó del todo a sus adversarios. Además, la guerra se complicó con la aparición en escena de una tercera teoría: la del cambio conformacional propuesta por Paul Boyer en 1964 y la posterior incorporación de teorías híbridas de estas tres. Pero el viento fue girando a favor de la teoría quimiosmótica con el trabajo del laboratorio de André Jagendorf en cloroplastos, en el que mostró que la generación de un gradiente de protones provocaba la síntesis de ATP, el estudio paralelo del laboratorio de Brian Chappell sobre el transporte de iones y metabolitos en mitocondria, las observaciones sobre el efecto de ionóforos y desacoplantes de Bert Pressman, Chappell y Anthony Croft, el desarrollo experimental de membranas artificiales (liposomas) por parte de Alec Bangham, sin olvidar el propio trabajo de Mitchell y Moyle en la medida de protones expulsados de la mitocondria tras un pulso de oxígeno. Todos estos datos parecían demostrar ya, a finales de 1965, la veracidad de los postulados planteados por la hipótesis quimiosmótica, pero los líderes en el campo tardaron aún diez años en aceptar la teoría de forma generalizada.

En 1963 Mitchell había llegado a ser nombrado director de la Unidad de Biología Química en Edimburgo, pero no se adaptaba bien a la vida universitaria y los problemas médicos le obligaron a abandonar su puesto de trabajo. Entonces, Mitchell tomó una de las decisiones más determinantes de su carrera: decidió retirarse a Glynn House, una granja en el Norte de Cornualles, cerca de la localidad de Bodmin, que había adquirido dos años antes como lugar de vacaciones, y establecer allí un instituto privado de investigación. Mitchell pagó la restauración de su bolsillo (70.000 libras) y, junto con su hermano, aportó 240.000 libras como depósito de una Fundación. Para actualizar esas cantidades de 1963 a costes actuales, habría que multiplicar las cifras por 15. Los hermanos invirtieron ahí la herencia de su tío, dueño de una importante constructora. La compañía que administraba el Instituto fue registrada como organización sin ánimo de lucro, con Mitchell y Moyle, que siguió a Mitchell en la aventura, como socios corresponsables. En verano de 1964 se equiparon los laboratorios por 7.000 libras.

El armazón de la teoría quimiosmótica fue revestido por el propio Mitchell en posteriores publicaciones principalmente, los dos libros editados por él mismo en 1966 y 1968, conocidos como Little Grey Books. La aceptación de la teoría vino con la demostración, principalmente por el grupo del antes escéptico Racker, de que se podía establecer un bombeo de protones al reconstituir enzimas aislados y purificados de la cadena respiratoria en liposomas, y con el brillante experimento del propio Racker y de Walther Stoeckenius, en el que se sintetizaba ATP en liposomas en los que se había reconstituido simultáneamente una bomba de protones bacteriana, la bacteriorrodopsina, y la ATPasa de mitocondrias.

En 1974, el propio Slater, reconociendo los problemas generados por el continuo fracaso de la búsqueda del intermediario químico, descartó públicamente la solución de la teoría química. Esto facilitó la concesión del Nobel a Mitchell en 1978. En octubre de 1990 se celebró el 25 aniversario de Glynn House con asistencia de muchos premios Nobel, entre ellos Severo Ochoa. Peter Mitchell murió en 1992 a causa de un cáncer. En los últimos años nuestro científico se preocupó también por los problemas de la sostenibilidad a nivel económico. Una buena idea de su actualidad en este aspecto la da la entrevista realizada en 1978 por The Sunday Telegraph tras la concesión del Premio Nobel. Bajo el título El desconocido británico ganador del Premio Nobel, se resaltan titulares como: «Incluso el sacrificio de las ratas de laboratorio se realiza de forma muy meditada»; «La inflación significa que pagamos al banco para que nos preste nuestro dinero…». En esta entrevista Mitchell lleva a cabo consideraciones sobre el flujo de la economía (nada conservador) que en nuestros días tienen tanta o más vigencia que su famosa teoría quimiosmótica.

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Alicia Alonso es catedrática de Bioquímica y Biología Molecular de la UPV/EHU y miembro de la Unidad de Biofísica CSIC-UPV/EHU

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por CIC Network

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