ATP sintasa: explora cómo funciona su rotor molecular

¿De dónde viene el ATP de una célula?

¿Cómo funciona la ATP sintasa? Los protones que vuelven a cruzar una membrana hacen girar un anillo situado en ella, como una rueda hidráulica, y el tallo giratorio aprieta uno tras otro los tres sitios catalíticos de la cabeza, que unen ADP y fosfato para formar ATP. Si funciona al revés, la misma enzima rompe ATP y bombea protones, y por eso también se llama ATPasa.

Los músculos, los nervios y las enzimas que copian el ADN funcionan con el mismo combustible, el adenosín trifosfato. Si se le quita el tercer fosfato, la energía liberada impulsa el trabajo; si se le vuelve a unir, la molécula queda lista otra vez. Las cantidades son enormes. Según el Comité Nobel, un adulto en reposo renueva cada día en ATP aproximadamente la mitad de su peso corporal, y durante un esfuerzo intenso la cifra puede acercarse a una tonelada. Una célula guarda solo una pequeña reserva, así que el ATP tiene que reconstruirse tan deprisa como se gasta.

Casi toda esa reconstrucción la realiza una sola enzima, la ATP sintasa. Se encuentra en la membrana interna de las mitocondrias, en las membranas de las bacterias y en los tilacoides de los cloroplastos. Es también una de las pocas proteínas que trabajan girando. Esta exposición construye una versión simplificada de ella a escala molecular y luego la sigue hasta otros cinco lugares: un pliegue de membrana mitocondrial con la cadena respiratoria, una membrana de cloroplasto bajo la luz, una bacteria que nada, un lisosoma donde una bomba emparentada funciona con ATP y el portaobjetos de vidrio del experimento de 1997 que mostró por primera vez el giro del rotor. La barra inferior del escenario cambia entre las seis escenas.

Una presa hecha de membrana

La energía no procede directamente de los alimentos. La respiración hace pasar los electrones de los alimentos por una cadena de proteínas de membrana, y esa cadena aprovecha su energía para bombear protones desde la matriz (el interior de la mitocondria) hasta el espacio estrecho que hay entre sus dos membranas. Los protones se acumulan en un lado. El resultado es una diferencia de concentración y de carga eléctrica a través de la membrana, que juntas se llaman fuerza protón-motriz.

Peter Mitchell propuso esta idea quimiosmótica en 1961 y recibió por ella el Premio Nobel de Química en 1978. Significa que una célula almacena energía como lo hace una presa: en forma de una diferencia de nivel que tiende a igualarse. La ATP sintasa es la turbina de esa presa. Los protones solo pueden volver a la matriz a través de ella y, al pasar, hacen girar su rotor.

En el modelo, los protones son las esferas rojas. Los dos deslizadores «Potencial de membrana» y «Diferencia de pH» determinan con cuánta fuerza empujan. Si mueves cualquiera de los dos, la multitud bajo la membrana crece o se aclara, y el rotor acelera, frena, se detiene o gira en sentido contrario.

Sumar la fuerza protón-motriz

Un protón que está fuera de la matriz recibe un empuje hacia dentro por dos razones. La matriz tiene carga negativa en comparación con el exterior y tiene menos protones, por lo que su pH es más alto. Mitchell escribió el empuje total como un solo número, la fuerza protón-motriz Δp, en milivoltios:

Δp = Δψ − 59 × ΔpH

Aquí Δψ es el potencial eléctrico de la matriz menos el del exterior, y ΔpH es el pH de la matriz menos el del exterior. En una mitocondria que trabaja, Δψ es negativo y ΔpH es positivo, de modo que los dos términos vuelven Δp más negativo, y cuanto más negativo es, con más fuerza empujan los protones hacia dentro. El factor 59 convierte una unidad de pH en milivoltios: es ln 10 × RT/F, que da 59,16 mV a 25 °C y 61,5 mV a la temperatura del cuerpo, 37 °C. El modelo usa 59.

Con los deslizadores en sus valores iniciales, Δψ es −150 mV y ΔpH es 0,80, así que Δp = −150 − 59 × 0,80 = −197 mV. La lectura escribe esta suma cada vez que mueves un deslizador. Brand y Nicholls dan de 150 a 180 mV como magnitudes típicas del potencial de membrana de las mitocondrias en las células; en las mitocondrias, la mayor parte del empuje es eléctrica. En los cloroplastos ocurre al revés, y con luz intensa la mayor parte se almacena como una diferencia de pH a través de la membrana del tilacoide.

Lo que importa para la enzima es la energía que aporta cada protón. Un mol de protones que cruza 197 mV libera F × Δp = 96 485 × 0,197 ≈ 19 kJ. El resto de la exposición vuelve una y otra vez a esta cifra.

Fo, la parte en la membrana

La enzima tiene dos mitades con nombres históricos. Fo, de «factor sensible a la oligomicina» (oligomycin-sensitive factor), es la parte que está en la membrana. F1, factor 1, es el bulto que sobresale hacia la matriz. El grupo de Efraim Racker aisló la enzima completa a partir de mitocondrias en 1960.

La parte móvil de Fo es el anillo c, un anillo de pequeñas proteínas idénticas. Cada subunidad c es una horquilla de dos hélices, y a media altura de la hélice exterior hay una cadena lateral ácida (un glutamato en las mitocondrias, representado como una esfera oscura). Junto al anillo está la subunidad a, que no gira. Ofrece al protón dos semicanales: uno se abre al espacio exterior y el otro a la matriz.

El truco es que una cadena lateral cargada no puede mirar al interior aceitoso de la membrana. Una subunidad c solo puede alejarse de la subunidad a después de que un protón se haya posado en su glutamato y lo haya neutralizado. Así, un protón entra por el primer semicanal, da una vuelta completa al anillo sobre su subunidad c y sale por el segundo semicanal hacia la matriz. Como hay más protones fuera que dentro, llegan con más frecuencia por un lado que por el otro, y el anillo gira en un solo sentido. Pogoryelov y sus colegas mostraron, en estructuras cristalinas de un anillo c15, cómo el sitio permanece cerrado mientras mira a los lípidos y se abre solo junto a la subunidad a. En el modelo, las esferas del anillo son protones que dan la vuelta.

F1, la parte que produce ATP

F1 es un anillo de seis subunidades, tres α y tres β, que se alternan como los gajos de una naranja. Noji y sus colegas lo describieron como un barril de unos 5 nm de radio, y por eso la cabeza del modelo se dibuja con 10 nm de ancho. La barra de escala sobre la cabeza marca esos 10 nm.

Solo las subunidades β producen ATP. Por el centro sube el tallo central, formado sobre todo por la subunidad γ, cuya parte giratoria tiene apenas 1 nm de radio. Su pie está unido al anillo c, así que el tallo gira con el anillo. Por el otro lado, un tallo periférico largo va desde la subunidad a hasta una tapa en la parte superior de F1 y mantiene quieta la cabeza α3β3. Sin ese brazo, la cabeza giraría con el eje y nada cambiaría en su interior.

La subunidad γ no es simétrica. Un lado sobresale y, al girar, presiona cada subunidad β por turnos y cambia su forma. Activa «Abrir la cabeza» y desaparece la mitad de la cabeza que te mira, de modo que puedes ver cómo pasa el saliente.

Tres sitios se turnan

Durante varias décadas de experimentos con isótopos, Paul Boyer descubrió algo inusual en esta enzima. Unir ADP y fosfato dentro de la enzima requiere poca energía. La energía se gasta en unir el ADP y el fosfato con la firmeza suficiente y, sobre todo, en soltar el ATP ya formado. Propuso que los tres sitios β se turnan y pasan por tres estados:

1. Abierto (O): el sitio está vacío o está soltando un ATP.
2. Laxo (L): el ADP y el fosfato se unen con poca fuerza.
3. Cerrado (T): el sitio se cierra y el ADP y el fosfato se convierten en ATP.

Cada giro de 120° del tallo hace avanzar un estado a cada sitio. El sitio cerrado se abre y suelta su ATP, el laxo se cierra y el abierto recoge nuevo ADP y fosfato. Boyer llamó a esto mecanismo de cambio de unión (binding change mechanism) y propuso que el tallo gira. Activa «Colorear β por estado» y las tres subunidades β se vuelven pálidas cuando están abiertas, amarillas cuando están laxas y rojas cuando están cerradas; la lectura escribe los mismos estados con letras. En el paso de la guía visto desde arriba puedes seguir el ADP (esferas blanca y naranja) y un fosfato aparte hasta que forman un solo ATP, antes de que salga disparado.

John Walker abordó la misma enzima desde la estructura. Con Jan Pieter Abrahams y Andrew Leslie resolvió en 1994 la estructura cristalina de F1 de corazón de vaca a 2,8 Å. Las tres subunidades β tenían de verdad tres formas distintas, con nucleótidos diferentes unidos, y la γ asimétrica estaba en el centro. La estructura encajaba con el mecanismo de Boyer. Boyer y Walker compartieron la mitad del Premio Nobel de Química de 1997; la otra mitad fue para Jens Skou, por la bomba de sodio y potasio, otra enzima de membrana que funciona con ATP. El Comité Nobel señala que, en reposo, esa bomba por sí sola usa cerca de un tercio de todo el ATP que se fabrica.

Dónde se detiene el rotor

¿Por qué gira el rotor hacia delante? Cuenta la energía. Una vuelta completa mueve n protones a través de la membrana, donde n es el número de subunidades c, y produce tres ATP. Así, cada ATP recibe la energía de n/3 protones:

energía aportada por ATP = (n/3) × F × Δp

Fabricar un ATP dentro de una célula también tiene un costo definido, el potencial de fosforilación, que se escribe ΔGp. Depende de la cantidad de ATP, ADP y fosfato que haya; el modelo empieza en 45 kJ/mol, y el deslizador «Costo de un ATP» lo cambia. Si la energía aportada es mayor que el costo, el rotor gira hacia delante y produce ATP. Si es menor, gana el ATP y empuja el rotor hacia atrás. Donde ambas son iguales, el rotor se queda quieto:

Δp de parada = 3 × ΔGp / (n × F)

Para el anillo de vaca, n = 8, con 50 kJ/mol resulta 3 × 50 000 / (8 × 96 485) = 0,194 V, es decir, 194 mV. Con 45 kJ/mol son 175 mV. El gráfico de la lectura representa la velocidad del rotor del modelo frente a Δp para el anillo y el costo que hayas elegido, con una línea discontinua en el punto de parada y un punto donde están tus deslizadores. La tabla bajo los controles hace la misma cuenta para cada tamaño de anillo, de c8 a c15.

De aquí se deducen dos cosas. Un anillo más grande se detiene con un gradiente más bajo: c15 necesita solo 93 mV para equilibrar los mismos 45 kJ/mol, porque aporta 15 protones por vuelta en lugar de 8. Y la enzima es reversible. Nada en ella decide en qué sentido gira; lo decide el equilibrio entre las dos energías. La regla de velocidad del modelo (una curva suave que pasa por el punto de parada) es inventada para la imagen, pero la posición del punto de parada está calculada.

Funcionar al revés

Si bajas el gradiente por debajo del punto de parada, o subes el costo de un ATP, la lectura cambia a «Consume ATP y bombea protones». Ahora el ATP se une en la cabeza, se rompe, y el tallo gira en el otro sentido en pasos de 120°. El anillo c transporta protones desde la matriz hacia el otro lado de la membrana. El contador de ATP usado va subiendo.

En una mitocondria sana esto rara vez ocurre, porque la cadena respiratoria mantiene alto el gradiente. Cuando el gradiente se derrumba, por ejemplo cuando se acaba el oxígeno, la ATP sintasa podría vaciar el ATP de la célula en pocos minutos funcionando al revés. Las mitocondrias llevan un freno para esto: una proteína pequeña llamada IF1. Cabezón y sus colegas mostraron en 2003 que se encaja en una interfaz α-β de F1 y toca a γ. En el modelo, elige IF1 como «Inhibidor» y baja el gradiente: el rotor se detiene en lugar de girar hacia atrás, y la hélice brilla mientras lo sujeta.

Las bacterias aprovechan el modo inverso. Sin oxígeno, E. coli produce ATP por fermentación y luego deja que la ATP sintasa funcione al revés para mantener un gradiente de protones, que necesita para sus flagelos y para mover nutrientes a través de la membrana. La escena «Bacteria» lo muestra cuando desactivas «Oxígeno». Algunos parientes fueron construidos desde el principio para el trabajo inverso; aparecen en la escena «V-ATPasa».

Fármacos y venenos que la detienen

Como tanto depende de una sola enzima, varias moléculas naturales y artificiales la tienen como blanco. El control «Inhibidor» muestra cinco de ellas.

• Oligomicina: dio su nombre a Fo. Symersky y sus colegas la resolvieron en 2012 unida al anillo c10 de la levadura: se coloca en el exterior del anillo, entre dos subunidades c, y cubre el glutamato que lleva el protón, de modo que ningún protón puede subir y el rotor se detiene. Los residuos que forman su bolsillo son los mismos en la levadura y en los humanos. En los laboratorios se usa para medir qué parte de la respiración se destina a ATP y qué parte se pierde.
• DCCD (diciclohexilcarbodiimida): reacciona con ese mismo carboxilato y lo bloquea de forma permanente. Pogoryelov y sus colegas usaron anillos c15 modificados con DCCD para mostrar cómo se abre y se cierra el sitio del protón. En el modelo, las esferas de glutamato se vuelven verdes.
• Bedaquilina: es un fármaco contra la tuberculosis. Andries y sus colegas lo encontraron en 2005 como un compuesto que mata a Mycobacterium tuberculosis; los mutantes resistentes tenían cambiada la parte de la ATP sintasa que transporta protones. En 2015, Preiss y sus colegas la resolvieron unida a un anillo c9 de micobacteria: cubre los sitios de iones, de modo que el anillo no puede transportar protones. La describen como el primer fármaco aprobado en 40 años para la tuberculosis multirresistente. Un estudio de 2024 mostró que también puede unirse a la enzima humana, en un lugar parecido del anillo c.
• DNP (2,4-dinitrofenol): no toca la enzima. Transporta protones a través del propio lípido, de modo que el gradiente se derrumba y los alimentos se queman como calor sin producir ATP. En 1933 se vendía como adelgazante; provoca un sobrecalentamiento peligroso, y una revisión de 2011 contó 62 muertes publicadas. En el modelo, los protones atraviesan la membrana directamente y el rotor se detiene. La grasa parda hace una versión controlada de lo mismo con su propia proteína, UCP1, para mantener calientes a los animales.
• IF1: el freno de la propia célula, detiene solo el sentido inverso, como se ha descrito arriba.

Anillos de distintos tamaños

El tamaño del anillo c fija el precio de un ATP. Con n subunidades se necesitan n/3 protones por ATP. Watt y sus colegas encontraron 8 subunidades c en mitocondrias de corazón de vaca en 2010, y señalaron que la secuencia de la subunidad c es idéntica en casi todos los vertebrados, por lo que muy probablemente todos los vertebrados pagan 2,7 protones por ATP. Los hongos, las bacterias y los cloroplastos usan anillos de 9 a 15. La tabla bajo los controles enumera 13 anillos y las estructuras que los muestran:

¿Por qué no usar el anillo más pequeño en todas partes? Un anillo pequeño produce ATP a bajo costo, pero necesita un gradiente alto para llegar a su punto de parada; un anillo grande funciona con un empuje más débil, pero gasta más protones. Bacillus pseudofirmus OF4 vive en aguas alcalinas, donde los protones fuera de la célula escasean, y su anillo c13 comparte cada protón con una molécula de agua unida. Ilyobacter tartaricus va más lejos y transporta iones de sodio en lugar de protones. Vollmar y sus colegas encontraron que los sitios de iones del anillo c14 de la espinaca están separados 10,6 a 10,8 Å, el mismo espaciado que en el anillo c11 de Ilyobacter, de modo que un anillo con más subunidades es sencillamente más ancho.

Ajusta «Tamaño del anillo c» en la escena «Enzima» y observa cómo se mueven juntos el punto de parada y el costo por ATP. El deslizador del anillo nombra el organismo medido para los tamaños en que existe uno; c12 no tiene entrada en la tabla.

Dentro de una mitocondria

Abre la escena «Mitocondria». La membrana interna de una mitocondria forma pliegues llamados crestas; la escena muestra un pliegue en sección transversal, abierto por delante. Fuera del pliegue está la matriz. Dentro del pliegue hay un espacio estrecho que comunica con el espacio entre las dos membranas, y ahí es donde se acumulan los protones bombeados.

Cuatro complejos en el costado del pliegue pasan los electrones de los alimentos al oxígeno:

1. Complejo I: toma dos electrones del NADH y los pasa a la ubiquinona, un pequeño transportador que se mueve dentro de la membrana. Es una de las mayores enzimas de la célula: Zhu, Vinothkumar y Hirst situaron en 2016 sus 45 subunidades en la enzima de vaca. Bombea 4 protones por cada dos electrones.
2. Complejo II: introduce electrones del succinato en la misma reserva de ubiquinona sin bombear ningún protón. También forma parte del ciclo del ácido cítrico.
3. Complejo III: el citocromo bc1 pasa los electrones del ubiquinol al citocromo c y libera 4 protones en el lado exterior por cada dos electrones.
4. Complejo IV: la citocromo c oxidasa los entrega al oxígeno, que se convierte en agua, y bombea 2 protones más.

Así, dos electrones del NADH mueven 10 protones, mientras que dos del succinato mueven solo 6. Watt y sus colegas usaron estas cifras para calcular el rendimiento. Producir un ATP con un anillo c8 cuesta 8/3 = 2,67 protones, y sacarlo de la mitocondria cuesta uno más: el transportador que cambia ATP por ADP y el que introduce fosfato usan juntos el equivalente a un protón. Eso da 3,67 protones por ATP entregado. Entonces:

• NADH: 10 / 3,67 = 2,7 ATP por átomo de oxígeno
• succinato: 6 / 3,67 = 1,6 ATP por átomo de oxígeno

Estas son las relaciones P/O. La revisión de mediciones de Hinkle da cerca de 2,5 y 1,5, algo por debajo porque algunos protones vuelven a través de la membrana sin pasar por la enzima. La lectura muestra la relación calculada y la que se cuenta en el modelo mientras funciona. Cambia «Combustible» a succinato y ambas bajan.

Las ATP sintasas de esta escena están en pares sobre el borde del pliegue. Davies y sus colegas descubrieron, con criotomografía electrónica de mitocondrias de levadura, que los pares forman uves con un ángulo de 86° entre ellas y se alinean en filas a lo largo de los bordes. Las cepas de levadura que no pueden formar los pares no tienen crestas normales, solo crestas en forma de globo o ninguna. El modelo atómico de la región Fo en pares, de Guo, Bueler y Rubinstein, muestra cómo el par curva la membrana. En el modelo, los pares son cuatro uves a lo largo del borde, y cada copia hace girar su propio rotor.

La escena funciona con un pequeño circuito de protones. La cadena bombea más deprisa cuando el gradiente es bajo y se frena a medida que sube (control respiratorio); la ATP sintasa y una pequeña fuga dejan volver los protones. Prueba también aquí los inhibidores. La oligomicina detiene la ATP sintasa, el gradiente sube y la respiración casi se para. El DNP abre una fuga, el gradiente cae, la respiración se acelera y el combustible se convierte en calor; la lectura muestra entonces la enzima girando hacia atrás con ATP, que es lo que hacen las mitocondrias desacopladas a menos que IF1 las frene. Desactiva «Oxígeno» y toda la cadena se detiene.

Dentro de un cloroplasto

La escena «Cloroplasto» muestra un fragmento de membrana tilacoidal. El estroma está arriba y el lumen (el interior del tilacoide) abajo. Aquí la energía procede de la luz, no de los alimentos, pero la enzima es del mismo tipo y su cabeza mira hacia el estroma.

1. Fotosistema II: absorbe luz y arranca electrones del agua. La estructura de 1,9 Å de Umena y sus colegas muestra el cúmulo Mn₄CaO₅ donde ocurre esto: dos moléculas de agua dan un O₂, cuatro electrones y cuatro protones, que se liberan en el lumen.
2. Plastoquinona: lleva los electrones a través de la membrana hasta el citocromo b6f, que mueve más protones al lumen.
3. Plastocianina: una pequeña proteína de cobre del lumen que los lleva hasta el fotosistema I, que usa un segundo fotón para elevarlos hasta la ferredoxina y el NADP⁺. En el estroma se forma NADPH.

Kramer y Evans cuentan 12 protones hacia el lumen y 2 NADPH por cada O₂ en este flujo lineal. La enzima del cloroplasto tiene un anillo c14, por lo que necesita 14/3 = 4,67 protones por ATP, y 12 protones producen 12 × 3 / 14 = 2,57 ATP. Son 1,29 ATP por NADPH, pero el ciclo de Calvin usa 3 ATP por cada 2 NADPH, es decir, 1,5 por NADPH. La diferencia se compensa por otras vías, como el flujo cíclico de electrones alrededor del fotosistema I, que bombea protones sin producir NADPH. La lectura muestra las dos relaciones y las recalcula si cambias el anillo.

El lumen se vuelve ácido. En hojas vivas de Arabidopsis, Takizawa y sus colegas lo estimaron en alrededor de pH 7,5 con luz débil y alrededor de pH 5,7 con luz intensa y poco CO₂. El gráfico de la lectura sigue el pH del lumen a medida que cambia la luz. En el modelo el estroma se fija en pH 8 y el 70 % del gradiente se almacena como ΔpH; ambas cosas son decisiones del modelo.

Baja la luz hasta cero. Pasado un breve tiempo, la lectura dice que el interruptor de γ ha bloqueado la enzima. La estructura de la enzima completa del cloroplasto, con 26 subunidades, de Hahn y sus colegas en 2018, muestra una horquilla β en γ que actúa como interruptor redox y bloquea la rotación en la oscuridad.

La enzima del cloroplasto fue también protagonista de un experimento clásico. En 1966, André Jagendorf y Ernest Uribe empaparon tilacoides de espinaca en ácido, los pasaron a un tampón alcalino con ADP y fosfato, y obtuvieron ATP en la oscuridad. Una diferencia de pH bastaba por sí sola, como exigía la idea de Mitchell.

Una bacteria y sus flagelos

Las bacterias no tienen mitocondrias. Su cadena respiratoria está en la propia membrana celular y bombea protones hacia el periplasma, el espacio delgado entre las membranas interna y externa. La escena «Bacteria» muestra una célula de E. coli de unos 2 µm de largo al fondo a la derecha y, delante, un fragmento de su membrana interna dibujado unas 50 veces más grande que la célula.

Dos máquinas de ese fragmento usan el mismo gradiente. Una es la ATP sintasa. El grupo de Fillingame demostró en 2001 que E. coli prefiere un anillo c10, y la estructura de crio-EM de Sobti y sus colegas muestra las diez subunidades y una subunidad ε que puede estirarse para bloquear la enzima. La otra es el motor flagelar. Howard Berg lo describe con unos 45 nm de ancho y formado por unos 20 tipos de piezas; aquí se dibuja a la misma escala que la ATP sintasa, más de cuatro veces más ancho. Los protones que fluyen por un anillo de unidades estatoras en su borde hacen girar el rotor, y Meister, Lowe y Berg mostraron que el flujo de protones es proporcional a la velocidad del motor.

A diferencia de la ATP sintasa, este motor invierte su sentido cuando se lo ordenan. Cuando una proteína llamada CheY lleva un fosfato, se une al anillo C en la base del motor y lo cambia de sentido antihorario a horario. En E. coli, el giro antihorario permite que los filamentos se enrollen en un haz y la célula nade; el giro horario deshace el haz y la célula da tumbos y sale en una dirección nueva. Activa «Flagelos en sentido horario»: las esferas rosa de CheY se unen, los filamentos se separan y la célula da tumbos.

Desactiva «Oxígeno». La respiración se detiene, el gradiente cae por debajo del punto de parada del anillo c10 y la ATP sintasa empieza a funcionar al revés con el ATP de la fermentación, bombeando protones hacia fuera para que el motor siga girando. El gradiente se estabiliza algo más bajo y la célula sigue nadando, más despacio.

Bombas construidas para ir al revés

Algunos parientes de la ATP sintasa gastan ATP como trabajo normal. Las ATPasas vacuolares, o de tipo V, bombean protones hacia compartimentos de la célula para acidificarlos. Los lisosomas, los sacos digestivos de la célula, se mantienen entre pH 4,5 y 5, donde funcionan sus enzimas. La revisión de Mindell explica que la bomba no puede lograrlo sola: a medida que entran protones se acumula carga, así que tiene que moverse también otro ion. Un intercambiador de cloruro y protones, ClC-7, es parte de la respuesta, y la escena lo muestra junto a las bombas.

La escena «V-ATPasa» muestra dos bombas en un fragmento de membrana de lisosoma, con el lisosoma completo pequeño al fondo; su color sigue el pH del interior. Las piezas resultan familiares: una cabeza de tres subunidades A y tres B (las equivalentes de β y α), un rotor central y un anillo en la membrana. También se ven las diferencias. La crio-EM de la enzima de levadura de Zhao, Benlekbir y Rubinstein muestra tres tallos periféricos en lugar de uno y un anillo formado por más de un tipo de proteolípido; Mazhab-Jafari y sus colegas los identificaron después como c8, c′ y c″. Murata y sus colegas resolvieron el rotor de diez subunidades de una bomba de sodio emparentada de Enterococcus hirae.

La V-ATPasa tiene además un interruptor que le falta a la enzima de tipo F: sus dos mitades pueden separarse. Cuando se priva de glucosa a la levadura, la cabeza V1 suelta el anillo Vo y el bombeo se detiene. Mazhab-Jafari y sus colegas aprovecharon justo esto para obtener el anillo Vo libre y construir su modelo atómico. Activa «Ayuno: V1 se separa»: V1 se suelta, las cabezas se levantan y el lumen vuelve poco a poco hacia la neutralidad.

Ver el giro

La rotación fue una deducción hasta 1997. Hiroyuki Noji, Ryohei Yasuda, Masasuke Yoshida y Kazuhiko Kinosita fijaron F1 a una superficie de vidrio por sus subunidades β, boca abajo, unieron un filamento fluorescente de actina a la subunidad γ y añadieron ATP. Bajo el microscopio, el filamento giró durante más de 100 revoluciones, siempre en sentido antihorario visto desde el lado de la membrana. F1 sola no produce ATP; si se le da ATP, lo descompone y hace girar el tallo en sentido contrario al de la síntesis.

La escena «Prueba de giro» reconstruye este experimento. La vista principal es lo que vio el microscopio: el vidrio y un filamento verde que gira alrededor de un extremo. La imagen pequeña de al lado muestra la propia F1, dibujada unas 50 veces más grande, con γ girando dentro de la cabeza fija.

El filamento no se mueve a una velocidad impuesta. El motor empuja con un par de unos 40 pN·nm, y el agua frena el filamento. Para una varilla que gira alrededor de un extremo, la resistencia crece con el cubo de su longitud:

resistencia = (4π/3) η L³ / (ln(L / 2r) − 0,447)

donde η es la viscosidad del agua y r el radio del filamento. Un filamento de 1 µm da unas 6,3 vueltas por segundo, y uno de 2 µm, menos de una vuelta por segundo. Cambia «Longitud de actina» y la lectura lo recalcula; la etiqueta «Resistencia de la sonda» significa que es el filamento, y no la enzima, quien fija la velocidad.

Trabajos posteriores usaron marcadores más pequeños. Yasuda y sus colegas descubrieron en 1998 que, con poco ATP, el filamento se mueve en pasos discretos de 120°, uno por ATP, y que el trabajo realizado en cada paso se mantiene casi igual con un amplio intervalo de cargas, cercano a la energía libre de la hidrólisis de un ATP. Con una esfera de oro de 40 nm, lo bastante ligera para no frenar el motor, dividieron en 2001 cada paso en subpasos de unos 90° y 30°, y midieron unas 130 revoluciones por segundo cuando había abundante ATP. Sakaki y sus colegas encontraron el mismo par de unos 40 pN·nm con ATP a 2 mM, 60 nM y 2 nM, y una velocidad de unión de 2 × 10⁷ por molar y por segundo.

El modelo usa esas cifras. Cada ATP se une tras una espera aleatoria cuya media es 1 / (kon × [ATP]); luego la sonda gira 120° tan deprisa como el par puede arrastrarla. Baja la «Concentración de ATP» hasta unos 0,2 µM y las esperas se vuelven más largas que los giros: el filamento ahora salta, y el gráfico dibuja una escalera. Elige la esfera de oro y los pasos se vuelven nítidos, porque la esfera apenas frena el motor; entonces la lectura dice que la unión de ATP fija la velocidad, y la reproducción se ralentiza para que puedas seguirla.

El último paso invirtió el experimento. Itoh y sus colegas fijaron una esfera magnética a γ y la hicieron girar al revés con electroimanes en 2004. Apareció ATP en la solución. Rondelez y sus colegas encerraron moléculas individuales de F1 en cámaras de unos pocos femtolitros y comprobaron que hasta el 77 % de los giros forzados producían ATP una vez presente la pequeña subunidad ε. Elige la esfera magnética y activa «Imanes para girar al revés»: las bobinas se encienden por turnos, la esfera gira en sentido horario y cada 120° suma un ATP al contador.

Comprobar los números

Cada subunidad c transporta un protón por vuelta, y cada vuelta produce tres ATP. Así, el número de protones por ATP es el número de subunidades c dividido entre 3: 8 ÷ 3 = 2,67 para el anillo de vaca, 10 ÷ 3 = 3,33 para la levadura y E. coli, 14 ÷ 3 = 4,67 para la espinaca y 15 ÷ 3 = 5,00 para Spirulina platensis.

Watt y sus colegas dan para la velocidad del rotor en las mitocondrias unas 100 vueltas por segundo. Con 3 ATP por vuelta son unos 300 ATP por segundo de una sola enzima, y con 8 subunidades c, unos 800 protones por segundo a través de ella. El modelo gira unas 100 veces más despacio, a un máximo de 1,2 vueltas por segundo, para que puedas seguir las esferas.

El equipo de Noji midió un par de unos 40 pN·nm. Un paso de 120° son 2π/3 radianes, así que el trabajo realizado en un paso es de unos 40 × 2,09 ≈ 84 pN·nm, o 8,4 × 10⁻²⁰ J. Un ATP con 50 kJ/mol aporta 50 000 / (6,022 × 10²³) ≈ 8,3 × 10⁻²⁰ J, o 83 pN·nm. Las dos cifras son casi iguales: el motor convierte en trabajo casi toda la energía química, como informaron Yasuda y sus colegas. La lectura de la «Prueba de giro» muestra ambas, y la energía del ATP sigue al deslizador «Costo de un ATP».

El punto de parada es la misma cuenta dada la vuelta. Con 50 kJ/mol, un anillo c8 necesita (8/3) × 96 485 × Δp = 50 000 J, lo que da Δp = 0,194 V. Un anillo c14 se equilibra a 0,111 V, y uno c10 a 0,155 V.

Un día de ATP

¿Cuánto ATP produce una persona en un día? El apartado «Un día de ATP», bajo los controles, tiene una pequeña calculadora. Parte del oxígeno. Un MET, la tasa de reposo que se usa en las pruebas de esfuerzo, equivale a 3,5 mL de oxígeno por kilogramo de masa corporal y por minuto, así que un adulto de 70 kg en reposo toma unos 245 mL por minuto. En un día son 245 × 1440 = 352 800 mL, o 352,8 L, que a 22,414 L por mol (volumen del gas a 0 °C y 1 atmósfera, tal como se expresa el consumo de oxígeno) son unos 15,7 mol de O₂, o 31,5 mol de átomos de oxígeno.

Con una relación P/O de 2,5, eso produce 31,5 × 2,5 ≈ 79 mol de ATP. El ATP pesa 507,18 g por mol, así que 79 mol son unos 40 kg: algo más de la mitad de la masa corporal, en línea con la cifra del Comité Nobel de cerca de la mitad. Durante un esfuerzo intenso, el consumo de oxígeno puede multiplicarse varias veces, y con él el ATP del día. La calculadora también funciona a la inversa: con P/O 2,5, una persona de 70 kg necesitaría unos 430 mL de oxígeno por minuto para que el ATP de un día pesara tanto como su cuerpo.

¿Cuántas enzimas hacen falta? 79 mol son 4,7 × 10²⁵ moléculas. Una enzima que produce 300 por segundo produce 2,6 × 10⁷ al día, así que el cuerpo necesita unas 1,8 × 10¹⁸ girando todo el tiempo. Todo esto es recambio: el cuerpo guarda solo una pequeña cantidad de ATP en cada momento y lo vuelve a fabricar una y otra vez.

Cuando falla la enzima

La subunidad a, la parte estatora por la que pasan los protones, se fabrica a partir de un gen del propio ADN de las mitocondrias, MT-ATP6. MedlinePlus Genetics, de la Biblioteca Nacional de Medicina de los Estados Unidos, enumera las enfermedades causadas por cambios en este gen. Cerca del 10 % de las personas con síndrome de Leigh, un trastorno cerebral progresivo que suele empezar en la lactancia o en la primera infancia, tienen un cambio en MT-ATP6; el más frecuente es un cambio de una sola letra que se escribe T8993G. Los mismos cambios pueden causar una enfermedad más leve llamada NARP (neuropatía, ataxia y retinosis pigmentaria). Cada célula tiene muchas mitocondrias, y la gravedad tiende a seguir la proporción de las que llevan el cambio: normalmente del 70 al 90 % en la NARP y más del 90 % en el síndrome de Leigh.

La estructura de la enzima humana de 2023, de Lai y sus colegas, situó las mutaciones que causan enfermedad sobre el complejo y encontró que la mayoría están en los contactos entre subunidades, donde pueden debilitar toda la maquinaria. Esta exposición no es una referencia médica; para cuestiones de salud, consulta a un médico.

Lo que omite el modelo

• Las formas son bultos lisos colocados donde están las subunidades. No son las superficies proteicas medidas de las entradas del PDB que aparecen en la tabla.
• La regla de velocidad está inventada para el modelo: una curva suave que pasa por el punto de parada calculado. Las enzimas reales tienen una relación más complicada entre fuerza y velocidad, y el rotor real gira unas 100 veces más deprisa.
• En la síntesis, el modelo gira en pequeños pasos, uno por protón. En sentido inverso muestra los pasos de 120° medidos en F1, pero no los subpasos de 90° y 30°; estos aparecen solo en la «Prueba de giro» con la esfera de oro.
• Murphy y sus colegas encontraron que la cabeza de F1 gira con el rotor durante los primeros 30° más o menos de cada paso de 120°, sobre una bisagra flexible. El modelo mantiene quieta la cabeza.
• Las pequeñas subunidades del pie del tallo se dibujan como una sola pieza, y las copias de ATP sintasa de las otras escenas comparten una forma simplificada.
• Los circuitos de protones de las escenas «Mitocondria», «Cloroplasto» y «Bacteria», y la curva de pH de la escena «V-ATPasa», tienen velocidades inventadas. Su estequiometría (10 y 6 protones, 12 protones por O₂, n/3 por ATP) procede de las fuentes.

Una breve historia

• 1929: Karl Lohmann descubre el ATP. Alexander Todd lo sintetiza en 1948.
• De 1939 a 1941: Fritz Lipmann demuestra que el ATP transporta energía por la célula.
• 1957: Jens Skou describe la bomba de sodio y potasio.
• 1960: el grupo de Efraim Racker aísla la enzima de las mitocondrias.
• 1961: Peter Mitchell propone la idea quimiosmótica; Premio Nobel en 1978.
• 1966: Jagendorf y Uribe producen ATP en la oscuridad con un baño ácido.
• 1974: Racker y Stoeckenius producen ATP con luz en vesículas artificiales.
• 1994: Abrahams, Leslie, Lutter y Walker resuelven la estructura de F1.
• 1997: Noji y sus colegas ven girar el tallo; Boyer, Walker y Skou comparten el Premio Nobel de Química.
• 2001: Yasuda y sus colegas resuelven los subpasos de 90° y 30°.
• 2004: Itoh y sus colegas producen ATP haciendo girar F1 con imanes.
• 2010: Watt y sus colegas encuentran el anillo c8 en los mamíferos.
• De 2015 a 2023: la crio-EM muestra enzimas completas de vaca, levadura, bacterias, cloroplastos y humanos en sus estados rotacionales.