27 octubre 2010 — Al nivel microscópico de las células entran en liza unas fuerzas que no son familiares al nivel macro: la mecánica cuántica, el movimiento browniano y unas sutiles fuerzas elásticas que podríamos pasar por alto. Dos recientes artículos en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences exploraban mecanismos físicos que las células emplean con buen rendimiento. ¡Es bueno que las células tienen un profundo conocimiento de la física, no podríamos estar aquí para contarlo!
Dos posibles conformaciones de una bicapa lipídica.
Imagen: MDougM
En un artículo aparecido en PNAS de un equipo en la Universidad de Oregon,1 Harland, Bradley y Parthasaranthy exploraban las fuerzas que actúan en las membranas de las células, y que ellos denominan como «el más importante fluido bidimensional de la naturaleza» compuesto de bicapas lipídicas. ¿Qué es lo que hace que la membrana se mantenga intacta? «Se supone en general, en ausencia de evidencia en contra, que las bicapas lipídicas homogéneas son unos fluidos newtonianos simples —es decir, simplemente unos líquidos viscosos bidimensionales incapaces de una respuesta elástica en el plano. Al contrario, «descubrimos que las membranas no son simplemente viscosas, sino que más bien exhiben una viscoelasticidad, con un módulo elástico que domina la respuesta por encima de una frecuencia característica que diverge en la temperatura de transición de fase de fluido–gel (Lα – Lβ)», decían ellos. Esto significa que la membrana puede estirarse y que se necesita fuerza para romperla. «Fundamentalmente, estos descubrimientos alteran nuestra concepción de la naturaleza de las bicapas lipídicas y de la mecánica de los medios membranosos».
La importancia de esto recae en que «la fluidez de las membranas es crucial para funciones como el ensamblaje de proteínas en complejos de señalización y en la presentación controlada de macromoléculas en superficies celulares» —esto es, no podríamos existir sin membranas que saben como aprovechar las propiedades viscoelásticas. Al final de su artículo decían: «Al nivel de las proteínas individuales, los cambios rápidos de conformación de parte de las proteínas transmembránicas como los canales iónicos y las bombas tienen que acoplarse con el medio lipídico local; que este medio sea viscoso o elástico incidirá por ello en cualquier modelo molecular de las funciones proteínicas». Los autores no mencionan ninguna evolución en su artículo.
Otro equipo en la Universidad de California, Davis, exploraba la mecánica cuántica de una importante máquina molecular —el complejo macromolecular conocido como Complejo I.2 Esta máquina emplea un pistón que recuerda el de las máquinas de vapor y un mecanismo de conexión mediante biela (véase Tu locomotora interna, a descubierto, y El motor a pistones se añade al motor giratorio en las células) para crear el gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP. Este proceso es vital para toda la vida biológica: en los humanos, al igual que en las bacterias que respiran, capta la energía de los alimentos y la almacena como energía química en moléculas de ATP que se usan como moneda para pagar por la mayoría de las actividades energéticas de la célula. El Complejo I transfiere dos electrones procedentes de NADH y los pasa como patatas calientes a una serie de cofactores en el brazo largo de su estructura con forma de «L». Uno de los electrones parece ser usado para control y el otro es desplazado en 90 Ångstroms (una buena distancia a la escala de las proteínas) a una molécula de ubiquinona para la siguiente etapa de la transferencia de energía. Esto sucede en las plantas de generación de energía de la célula, las mitocondrias. La ruta electrónica incluye una molécula de flavina, moléculas de agua, y ocho grupos de hierro-sulfuro (Fe/S) en dos conformaciones, actuando cada uno de ellos de forma alternante como donantes y aceptores de los electrones —con lo que se genera una corriente eléctrica.
Hayashi y Stuchebrukhov descubrieron que el Complejo I aprovecha el fenómeno del «tunelado» de los electrones —un fenómeno de mecánica cuántica— para pasar los electrones abajo en la cadena. El tunelado ocurre cuando una partícula se encuentra con una barrera energética que parece impasable, pero la atraviesa de una u otra manera, porque en el mundo probabilístico de la mecánica cuántica, una partícula, al tener naturaleza de onda y poseyendo una función de onda, tiene una probabilidad de distribución acerca de en dónde podría estar ubicada, debido al principio de incertidumbre. Hay una cierta probabilidad de que la partícula se encuentre al otro lado de la barrera. Es como si un soldado en un castillo pudiera aparecer mágicamente al otro lado de la muralla sin ascender sobre ella. Dicen: «En este artículo usamos cálculos de estructura electrónica de última generación para exponer que el mecanismo de la transferencia de electrones es el de tunelado de mecánica cuántica, como en el resto de la cadena de transporte electrónico». Otra sorpresa fue que las moléculas de agua en la ruta amplifican el rendimiento de la transferencia varias veces: «el agua entre las subunidades del complejo I desempeña una función crucial en la mediación del transporte de los electrones». A continuación damos su resumen de su descubrimiento:
Todo el cableado electrónico del complejo I se obtiene combinando rutas de tunelado de procesos individuales, como se expone en la Fig. 3. Está claro que unos específicos residuos peptídicos sirven como cables electrónicos que conectan los grupos vecinos de Fe/S; las rutas de tunelado de los electrones individuales involucran hasta tres residuos de proteínas, incluyendo dos ligandos de cisteína y un residuo clave adicional (Tabla 1). Cosa notable, los grupos en la proteína están orientados de una forma específica —de esquina a esquina— con los ligandos de Cys [cisteína, un aminoácido] apuntando mayormente el uno hacia el otro, lo que es claramente la manera más eficiente de transferir electrones de un grupo a otro.
Además, los autores observan que los «cables» emplean los principios de la termodinámica para buen fin: «Los orbitales de tunelado en las regiones interiores están cambiando constantemente en la escala temporal de la dinámica térmica del medio local de la proteína, lo que es mucho más rápido que el de la transferencia de electrones, más lenta». Esta «mixtura» es otro mecanismo para potenciar el rendimiento: «Si no hubiera mezcla de los estados electrónicos, los electrones que entran y salen saldrían mediante tunelado desde el mismo átomo de compuerta de un grupo, lo que es evidentemente muy ineficiente debido a la adicional distancia de tunelado».
Además de todos estos mecanismos para la eficiencia, las moléculas de agua ayudan todavía más: «Con agua presente entre las subunidades, las velocidades de tunelado aumentan espectacularmente en dos o tres órdenes de magnitud», dicen con evidente sorpresa y gozo: «El agua interna en los límites de las subunidades es por ello mismo un mediador esencial para la transferencia eficiente de los electrones a lo largo de la cadena redox del complejo I».
¿Acaso estos científicos introducen la evolución en todo esto? Sí, pero sólo para exponer que aquí no se encontraba traza de la misma: «Los residuos clave identificados en este estudio como mediadores de la transferencia de electrones (Tabla 1) están extraordinariamente conservados entre diferentes organismos». Para poner a prueba esta conservación, observaron qué sucedía con mutantes. La tasa de transferencia de electrones disminuyó espectacularmente. Todos los elementos de la cadena parecen estar ajustados de una manera muy precisa para una eficiencia óptima. Aunque el agua pueda «reparar» algunas rutas de tunelado si se crean vacíos debidos a mutaciones, no se sentían dispuestos a decir que la evolución había producido estas rutas tan finamente ajustadas para los electrones. «Sin embargo hay conservación de residuos específicos a lo largo de las rutas anteriormente descritas, y que esto fuese determinado evolutivamente o no queda para un posterior análisis». Esto es todo lo que tenían que decir acerca de la tesis evolutiva. Esencialmente, pasan este tema a otros, pero dejan abierta la posibilidad de que no fuese determinado evolutivamente. Entonces, ¿cuál es la alternativa?
El párrafo final revelaba una cierta emoción en todo esto: «Es extraordinario que la maquinaria más fundamental de generación de energía en las células está basada en las propiedades ondulatorias de los electrones, lo que permite un eficiente transporte de partículas portadoras de energía a lo largo de la cadena de cofactores redox hacia el oxígeno molecular mediante tunelado cuántico, como se demuestra en este estudio».
1. Harland, Bradley, and Parthasaranthy, «Phospholipid bilayers are viscoelastic», Proceedings of the National Academy of Sciences, publicado en línea antes de su impresión el 25 de octubre de 2010, doi: 10.1073/pnas.1010700107.
2. Hayashi y Stuchebrukhov, «Electron tunneling in respiratory complex I», Proceedings of the National Academy of Sciences, publicado en línea antes de su impresión el 25 de octubre de 2010, doi: 10.1073/pnas.1009181107.
Observemos la precisión de estas máquinas. El elevado rendimiento en la transferencia de electrones en el Complejo I, por ejemplo, depende de la ubicación precisa de unos aminoácidos y moléculas de agua a lo largo de una cadena bastante larga. El hecho de que estos aminoácidos están «conservados» (es decir, no evolucionados) sólo significa que no se pueden alterar sin graves consecuencias (como la muerte). No significa que llegaron a esta configuración mediante evolución —esto sería una falacia lógica. Tanto creacionistas como evolucionistas conocen acerca de la realidad de las mutaciones —un rayo cósmico podría incidir en la molécula o en un gen, o podría darse un error de edición resultando en la inserción de un aminoácido diferente. Muchas de estas mutaciones causan la muerte. Las que no lo hacen pueden permitir que el organismo sobreviva y se reproduzca (deriva genética y selección estabilizadora). Con el paso del tiempo, las mutaciones se pueden acumular (carga genética) a unas velocidades que no se comprenden bien (a pesar del «reloj molecular» evolutivo que depende circularmente de dar por supuesta la evolución), pero la deriva genética y la selección estabilizadora son procesos nivelados o degenerativos. Sólo dan la ilusión de ser creativos si uno ya cree el espejismo evolucionista. ¿Cómo pudo la primera célula simple comenzar siquiera careciendo del Complejo I y de la ATP sintasa? Los evolucionistas se imaginan etapas intermedias a modo de piedras pasaderas a través de un río, pero nunca las proporcionan. Es como imaginarse piedras pasaderas para llegar de la costa de Norteamérica a Hawai o para atravesar el Gran Cañón sin evidencia alguna de las mismas —sólo por la creencia de que tuvieron que existir para que la evolución pudiera salvar el enorme abismo. La verdad es que algunas personas no tienen necesidad de tal hipótesis.
Las elegantes y funcionales estructuras de estas maravillas moleculares deberían llenarnos de maravilla ante su Creador. Estos científicos no se atreven a expresar tales pensamientos. Volvamos a observar su circunlocución en el segundo artículo: «y que esto fuese determinado evolutivamente o no queda para un posterior análisis». La posición de los autores acerca de la disyuntiva evolución / designio no la conocemos, pero esta declaración se acerca tanto como un científico pueda hacerlo sin riesgo en nuestros días a decir: «Darwin no merece crédito» y sin embargo poder salir publicado en PNAS. Los lectores reflexivos pueden examinar los datos y extraer sus propias conclusiones.
Fuente: Creation·Evolution Headlines – Cells Know Their Physics 27/10/2010
Redacción: David Coppedge © 2010 Creation Safaris – www.creationsafaris.com
Traducción y adaptación: Santiago Escuain — © SEDIN 2010 – www.sedin.org
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Publicado por Santiago Escuain para SEDIN – NOTAS y RESEÑAS el 10/31/2010 10:11:00 PM
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