4.1. Otros elementos en el ciclo del carbono

Justo un año después de descubrirse la participación del fósforo en el ciclo del carbono empezó a hacerse patente que había otros elementos que también jugaban un papel destacado. El químico alemán Richard Martin Willstätter (1872-1942) descubrió que la clorofila, la molécula clave de la otra mitad del ciclo, contenía un elemento que jamás había sido encontrado en la materia viva: el magnesio. También comprobó que la estructura de esta molécula incluía anillos pentagonales llamados pirroles.

La investigación se completó en gran medida en 1930, año en el que se observó que los anillos de pirrol se organizan como en el grupo hemo de la hemoglobina (véase ilustración): en un “anillo de anillos”, la porfirina (del griego porphýrā, “tinte púrpura”), que posee la propiedad de absorber luz a ciertas longitudes de onda y reflejar las restantes —que serían, pues, las responsables de su color—. La porfirina posee un sistema conjugado, lo que significa que alternan los enlaces sencillos y dobles (véase la ilustración de la izquierda).

Todos los pigmentos, sintéticos o naturales, incluyen un sistema conjugado, que requiere relativamente poca energía para excitar los electrones y enviarlos a un nivel energético superior. Los distintos pigmentos pueden identificarse porque cada uno de ellos absorbe luz a unas longitudes de onda características (bandas de absorción), que se pueden registrar fácilmente mediante el instrumento llamado espectroscopio.

En 1923, el entomólogo polaco-británico David Keilin (1887-1963) descubrió en los músculos de los insectos, en la levadura y en plantas unas proteínas coloreadas a las que llamó citocromos, que poseían como grupo prostético anillos de porfirina. Pero, en lugar de magnesio, tenían un átomo de hierro capaz de capturar un electrón de una molécula dadora, pasando del estado férrico (Fe³⁺) al ferroso (Fe²⁺), y de cederlo a otra molécula aceptora, experimentando la transición opuesta. En otras palabras, podía reducirse y oxidarse.

Keilin identificó, por sus bandas de absorción en estado reducido, tres tipos de citocromos, a los que llamó a, b, y c (al poco tiempo observó otro tipo algo diferente del a, al que llamó citocromo a3). También comprobó que las bandas de absorción se desvanecían al airear una suspensión de levadura fresca, pero reaparecían a los pocos segundos (véase la ilustración siguiente) lo que se interpretó como que los citocromos cedían sus electrones al oxígeno, oxidándose (momento en el que desaparecían las bandas de absorción), y luego se reducían con los electrones aportados por alguna sustancia.

Los citocromos a, b y c presentan bandas de absorción características (fuente: ASH).

¿De qué sustancia se trataba? Keilin apostó por lo que llamó “hidrógeno activado”, es decir, el NADH u otros transportadores, que pueden formarse en ausencia de oxígeno. La enzima que transfiere electrones desde los citocromos al oxígeno es la denominada citocromo oxidasa; según se pudo averiguar, tiene átomos de cobre capaces de pasar del estado oxidado (Cu²⁺) al reducido (Cu⁺) y contiene los citocromos a y a3 (que, recordémoslo, poseen átomos de hierro).

Keilin comprobó asimismo que, al suministrar determinado veneno, la banda de absorción del citocromo b no desaparecía en presencia de oxígeno, pero sí las de los citocromos a, a3 y c. Esto solo podía significar que el citocromo b es el que cede electrones a los restantes, y que el veneno impedía esa cesión. El citocromo b, por tanto, debía ser uno de los primeros eslabones de una cadena de transporte de electrones desde el NADH hasta el oxígeno, a la que se llamó cadena respiratoria:

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