4.4. La hipótesis quimiosmótica

En 1961, el bioquímico británico Peter Dennis Mitchell (1920-1992) sugirió que el transporte de electrones en la mitocondria y la síntesis de ATP podrían estar acoplados gracias un gradiente de protones, es decir, a una diferencia en la concentración de protones (H⁺) a un lado y otro de la membrana mitocondrial interna. Puesto que los H⁺ llevan carga eléctrica, al acumularse a un lado de la membrana generan no solo una diferencia de pH respecto del otro lado, sino también una diferencia de potencial eléctrico. Esta propuesta, conocida como hipótesis quimiosmótica, suscita dos preguntas: ¿cómo se genera el gradiente de protones, y cómo se utiliza para formar ATP?

Respecto a la primera pregunta, la respuesta es que en la membrana interna mitocondrial hay bombas de protones, es decir, complejos moleculares capaces de sacar H⁺ de la matriz mitocondrial al espacio intermembranal consumiendo energía, de la misma forma que una bomba hidráulica extrae agua de un sótano inundado consumiendo combustible. De hecho, en la mitocondria hay dos de tales bombas, que difieren en su fuente de energía:

1. Una bomba eléctrica, es decir, una bomba que impulsa H⁺ gracias a la circulación de electrones. Esta bomba no es otra que la cadena respiratoria. Ese es, exactamente, el papel del flujo de electrones a lo largo de la cadena: el bombeo de H⁺ desde la matriz hacia el espacio intermembranal.
2. Una bomba química, esto es, que requiere del aporte de energía química. Incluida entre las bombas de clase F citadas en la Unidad 3, se conoce como ATPasa F_OF₁, debido a que posee un componente inmerso en la membrana mitocondrial interna (F_O) y otro que se proyecta hacia la matriz (F₁). El nombre de ATPasa es una contracción de ATP-hidrolasa, ya que este complejo es capaz de hidrolizar ATP y, con la energía obtenida, bombear H⁺ hacia el espacio intermembranal.

Hay, pues, dos bombas que extraen H⁺ de la mitocondria. Ambas comparten también otra propiedad: son reversibles, esto es, pueden funcionar en sentido contrario, dejando que fluyan los H⁺ hacia el interior de la mitocondria y aprovechando la energía libre desprendida por este proceso espontáneo para impulsar electrones desde el H₂O hasta el NAD⁺ o para sintetizar ATP, respectivamente.

El que tales bombas funcionen en uno u otro sentido depende de su potencia. Nos puede servir para entenderlo una sencilla analogía. Una bomba hidráulica puede impulsar agua hasta un depósito situado a cierta altura, pero solo hasta que el peso del agua acumulada supere a la fuerza que es capaz de ejercer la bomba (y que será proporcional a su potencia). En ese momento el agua del depósito empezará a caer a través de la bomba y, si esta es reversible, dejará de consumir energía y comenzará a producirla; es decir, la bomba se habrá transformado en un generador.

¿Qué ocurrirá si dos de tales bombas, A y B, impulsan agua hacia un mismo depósito, pero la potencia de A es superior a la de B? Al principio las dos bombas trabajarán al unísono, pero llegará un momento en que se sobrepase el nivel crítico admitido por B, de modo que esta dejará de funcionar como bomba y el agua fluirá cuesta abajo a su través; sin embargo, al ser más potente, A todavía podrá seguir bombeando. De esta forma, el nivel del depósito permanecerá estable, ya que toda el agua que sube a través de A bajará a través de B. Y lo que es más importante, la electricidad consumida por A será igual a la producida por B —descontando las inevitables pérdidas—. Es decir, a través del depósito estamos transfiriendo energía desde A hasta B.

En las mitocondrias nos encontramos con una situación similar, solo que en vez de agua se bombean protones. ¿Cuál de las dos bombas —la eléctrica o la química— hará el papel de la bomba A de nuestro ejemplo y cuál el de la B? Sabemos que la hidrólisis del ATP libera una energía de unos 0,6 eV, equivalente a la caída de dos electrones a través de una diferencia de potencial de 300 mV; esa será, pues, la medida de la potencia de la ATPasa. Por su parte, uno de los tramos de la bomba eléctrica, el representado por el complejo IV, dispone de una caída de potencial de unos 500 mV, lo que hace que sea muy difícil invertir el flujo de electrones y lanzarlos cuesta arriba desde el H₂O hasta el citocromo c. La bomba eléctrica es, así, la más potente, lo que implica que la impulsada por ATP trabajará, en la práctica, a la inversa: permitiendo que los H⁺ fluyan a su través hacia la matriz mitocondrial y aprovechando la energía desprendida para sintetizar ATP. Por tal razón, a menudo se la conoce como sintasa del ATP³, más que como ATPasa.