Una superadaptación: el ciclo de Krebs

Publicado: 2 enero 2014 en Evolución
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mitocondrias

En los albores de la vida, los primeros protoogranismos o cuasiespecies,o como se prefiera, tuvieron que “darse cuenta” de que, al menos, en este universo, para hacer cualquier cosa necesitas energía. Energía, y cuánto más y más barata mejor. Las crisis energéticas o la explotación de una nueva fuente de energía paralizan o hacen despegar el avance industrial, de tal modo que clasificamos las diferentes fases de una civilización en función de las fuentes de energía que es capaz de utilizar. Este símil puede utilizarse también en biología, tanto más si el mismo Darwin se inspiró en los modelos económicos de la Inglaterra victoriana para desarrollar su teoría. Así que, ¿cómo utilizaron la energía los primeros organismos? Un invento absolutamente genial fue el de la fotosíntesis. Con abundante energía solar es de cajón que los primeros seres sumergidos en los océanos primitivos evolucionaran hacia mecanismos capaces de obtener energía del astro rey. Esto fue una gran revolución pero hablaremos de ella otro día. El sistema de obtención de energía más sencillo que encontramos en organismos procariotas es la fermentación.

Un prejuicio heredado de nuestra edad escolar es pensar que el oxígeno es algo maravilloso. Los seres humanos lo necesitamos para respirar y, debido a los efectos de la contaminación, tenemos la idea de que respiramos oxígeno (o más bien aire) de poca calidad. Por eso el oxígeno es casi sinónimo de vida y casi nos parece que sin él no podría existir. Nada más lejos de la realidad: el oxígeno es muy oxidante y tremendamente reactivo (¿qué es lo primero que necesitamos para prender un incendio?), de tal modo que es bastante nocivo para muchos organismos (los anaerobios estrictos no pueden vivir en su presencia). Es más, en la atmósfera primitiva no existía y no fue hasta que los vegetales fueron generándolo como fruto de la fotosíntesis, cuando nuestro mundo se empezó a llenar de él. Entonces tenemos organismos que necesitan energía en ausencia de oxígeno, y la principal formar de conseguirla es mediante la fermentación. El combustible orgánico por excelencia es el ATP, y éste puede conseguirse a partir de la glucosa. A este proceso químico se lo denomina glucólisis. La fermentación es una ruta metabólica que permite conseguir ATP sin oxígeno. Por cada molécula de glucosa se consiguen dos moléculas de ATP y dos de ácido pirúvico como deshecho.

Y entonces llegó la auténtica revolución, la nueva fase de la evolución que trasladó la historia natural a la edad industrial: apareció la célula eucariota (cuando hablo de ésto en clase suelo decir que la aparición de este microorganismo fue como si apareciera un portaaviones norteamericano actual en mitad de la Edad Media). Un ser muchísimo más complejo y avanzado que los procariotas necesitaba un mecanismo de obtención de energía a la altura de su sofisticación. Y lo consiguió. Según Lynn Margulis y su teoría de la endosimbiogénesis, el futuro organismo eucariota fagocitó una bacteria aeróbica y no la digirió, de modo que, al final, la acabó por incorporar a su propio organismo. La bacteria y la célula co-evolucionarion de modo que la bacteria acabó por transformarse en las actuales mitocondrias, las factorías de energía de las células que nos componen. ¿Y qué tiene de especial la mitocondria? Su forma de obtener energía. La mitocondria heredó de su pasado procariota la fermentación (todas las células animales la realizan menos, curiosamente, las neuronas, las cuales mueren rápidamente si se quedan sin oxígeno) pero añadió a su proceso químico el ciclo de Krebs (de una complejidad exasperante para los estudiantes de química) generando lo que comúnmente entendemos por respiración. En el ciclo de Krebs se utiliza el ácido pirúvico de deshecho de la fermentación y se lo reutiliza (estamos en los albores del reciclaje), oxidándolo mediante el oxígeno y dando como resultado una obtención óptima de energía. Si pensamos que con la mera fermentación se obtenían dos moléculas de ATP por cada una de glucosa, con todo el ciclo de respiración celular se consiguen 32 moléculas de ATP por cada glucosa… ¡Es 16 veces más eficiente que la fermentación! Del motor de un 600 hemos pasado al de un Fórmula 1.

El cliclo de Krebs constituye una de las mejores adaptaciones de la historia evolutiva y es un clarísimo ejemplo de evolución darwiniana: por un lado utilizamos una adaptación anterior (la fermentación) y reconvertimos un producto de desecho como el ácido pirúvico en algo útil (clásica reutilización: la evolución trabaja con lo que hay), y por otro, nos adaptamos a un medioambiente (el oxígeno) que en otro momento era hostil. Evolución, amigos, simplemente evolución.

Y para los simpatizantes de la sci-fi, podríamos pensar cómo podríamos modificar las mitocondrias para hacer que produjesen aún más energía a menor coste. Imaginemos salvajemente lo que significaría poder introducir un nano-reactor nuclear dentro de las mitocondrias de nuestras células…

comentarios
  1. Freidenker dice:

    Santiago, me queda una duda, que supongo que podría resolver consultando el libro de Microbiología: aquella bacteria aeróbica incorporada ¿Ya realizaba el ciclo de Krebs? ¿Utilizaba otra ruta metabólica aeróbica simplificada? ¿ La evolución al ciclo de Krebs tuvo lugar dentro de la mitocondria primitiva? La informaciones en internet sobre si el ciclo de Krebs ya está presente en procariotas parecen contradictorias y algunas parecen sugerir que aunque presentan cadena de transporte electrónico, no así los enzimas del ciclo de Krebs.

  2. Freidenker dice:

    Biochem Soc Symp. 1987;54:3-16.

    Evolutionary roots of the citric acid cycle in prokaryotes.

    Gest H.

    Abstract

    Advances in biochemistry, microbiology, and molecular biology suggest new approaches for exploring the early evolution of bioenergetic systems. These approaches, still in their infancy, are necessarily directed to detection of ‘molecular fossils’ in diverse extant prokaryotes. Since the Earth was devoid of atmospheric oxygen during early cellular evolution, it is likely that ‘precursor fragments’ of the classical citric acid cycle are to be found in contemporary anaerobic bacteria. Accumulating evidence indicates that such fragments originally served biosynthetic roles of one kind or another, before they were recruited for assembly of the energy-yielding aerobic cycle. The extraordinary versatility of citric acid cycle intermediates and reactions for multiple uses raises the possibility that origination of the aerobic cycle, viewed as an evolutionary event, occurred more than once.

    ¿Apoya esto que el ciclo de Krebs ya existía en los procariotas?

  3. Freidenker:

    Ahora mismo estoy de vacaciones y no tengo aquí mis libros para responderte con datos y no quiero fiarme solo de la red, pero te diré que creo que sí, que el ciclo de Krebs ya existía en algunos procariotas (y de hecho existe en procariotas actuales). Lo que ocurrió con el surgimiento de la célula eucariota es que el proceso, digamos que se universalizó.

    Y también probablemente, aunque eso sí que no lo sé, fue una adaptación que se dio varias veces en organismos diferentes. Parece lógico suponer que si la evolución funciona optimizando procesos, sería fácil que el ciclo de Krebs, como sistema óptimo de una ruta metabólica, surgiera muchas veces.

  4. villuela dice:

    Me ha encantado esta entrada.

    Y esto, además de la evolución, es un buen ejemplo de como se puede crecer exponencialmente sin gastar más recursos.

  5. Freidenker dice:

    Santiago, lo he consultado en el Stanier de Microbiología y efectivamente el ciclo de Krebs ya se presenta en procariotas aerobios.

    Un saludo.

  6. Yack dice:

    Más sorprendente que el ciclo de Krebs, me parece a mi que una especie animal haya conseguido extraer energía fusionando átomos. Y volvemos al tema de si la inteligencia es o no el mejor invento de la evolución.

    Saludos.

  7. Yack:

    La mente humana es algo alucinante, uno de los mayores misterios del universo (de hecho por eso yo me dedico a investigarla). Pero eso no implica que la evolución no pueda hacer cosas mejores.

  8. villuela dice:

    Creo firmemente que no puede haber nada más maravilloso que la inteligencia. Ahora bien, puede haber seres más inteligentes que los humanos y por tanto superiores.

  9. Jose dice:

    Villuela, un poco antropocéntrico tu argumento. Estoy convencido que si un ave pudiera responder, diría que no hay nada más maravilloso que poder volar😛

  10. villuela dice:

    “si un ave pudiera responder” Pero no puede y esa es una muestra de cómo la inteligencia es lo más importante. Es como decir, si un manco tuviera 3 manos sería más ágil.

    Lo mío no es un argumento antropocéntrico, vuelvo a decir que defiendo la superioridad de todo aquel que sea más inteligente que los humanos. Lo mío es un argumento “raciocéntrico” y es un raciocentrismo argumentado, no un mero prejuicio.

    Si no eres un ser racional y consciente como para vivir libremente una vida y darte cuenta de que vuelas o de que tienes branquias, no seres sino un apéndice más de la naturaleza. Podrá decirse que las plantas son mejores que los animales porque fabrican su propio alimento y no necesitan pasarse el dia buscandolo. Pero les pasa lo mismo que a todo ser no consciente, ¿de qué les sirve a las plantas estar vivas? ¿en que cambiarían las cosas para ellas mismas si no existieran? Les pasa lo mismo que a una roca.

    Espero que nadie me diga que “si las rocas pudieran contestar se sentirían el culmen de la evolución”, porque si pudieran contestar ya no serían rocas.

    Y vuelvo a aclarar que no considero al humano el fin de la evolución, todavía queda mucho para ser perfectos. Y perfectamente otra especie nos puede aventajar.

  11. Jose dice:

    Villuela, la mejor adaptación debe ser aquella que te permita ser un éxito desde una perspectiva biológica. Acepto que la inteligencia a niveles humanos nos permite un dominio espacial inmensamente grande, pero eso es sólo la mitad de la historia. Una especie exitosa, además de dominio territorial, debe vivir lo suficiente en tiempo geológico. Y en eso los humanos no sólo llevamos poco tiempo: con el armamento nuclear corremos el riesgo de desaparecer rapidito.

    En ese sentido, si se trata de adaptaciones exitosas, todo lo que implique ser un insecto como las hormigas (casi igual de cosmopolitas y varios miles de millones de años más de experiencia) me indican que son una especie con adaptaciones cercanas en equivalencia a los humanos, al menos en eso de ser un “éxito evolutivo”. Que no sepan filosofar poco debe importar, eso es un lujo-capricho que podemos darnos, pero no me animaría a plasmar superioridad por un capricho

    Saludos!

  12. villuela dice:

    Es que yo no hablo de seres mejor adaptados. Yo hablo de seres superiores, en el sentido de que son libres, pueden buscar la felicidad…

    Si hablásemos de adaptación, entonces los seres mejor adaptados son las piedras, que superan en antigüedad a todos los seres vivos. ¿Pero a la piedra de que le sirve existir? ¿y a la hormiga de que le vale estar viva?

    Si la inteligencia es un lujo chorra porque lo importa es la continuidad de la especie y no la libertad para buscar la felicidad, entonces la vida también lo es.

  13. Jose dice:

    http://evolucionyneurociencias.blogspot.com/2013/02/por-que-existe-la-conciencia.html

    “La idea de al conciencia es ridícula, si no monstruosa. Significa saber que uno es comida para los gusanos. Este es el terror: haber emergido de la nada, tener un nombre, conciencia del yo, sentimientos profundos, y un terrible anhelo interior por la vida y la autoexpresión, y a pesar de todo ello, morir”.

    No se, sigue sin gustarme la idea de “superior”, menos cuando lo analizo desde una perspectiva estrictamente biológica. Flaco favor nos hace la naturaleza

  14. villuela dice:

    Es que la superioridad biológica es una tontería, biológicamente lo superior son las piedras. Ya lo decía Ruben Darío:

    “Dichoso el árbol, que es apenas sensitivo,
    y más la piedra dura porque esa ya no siente,
    pues no hay dolor más grande que el dolor de ser vivo,
    ni mayor pesadumbre que la vida consciente.”

    Ahora bien, la consciencia te permite estar realmente vivo, existir realmente, no formar parte del paisaje, tener libertad para decidir tu vida y tratar de buscar la felicidad. Es pasajero, pero es algo, los demás seres no tienen nada. Ni un segundo de vida.

    Es decir, que con la consciencia no estamos mejor adaptados al medio (aunque tendrá sus ventajas) pero gracias a ello podemos lamentar que nuestra vida no dure más, lo que significa que somos capaces de apreciarla y degustarla. A los demás la vida no les sirve de nada. ¿Y que ventaja evolutiva tiene la vida?

  15. Freidenker dice:

    Tragedia y grandeza de la condición humana: desde el punto de vista biológico es menos apto que una bacteria. Pero el punto de vista biológico no es el único: el punto de vista religioso (admitimos que tiene mucho de personal y no conseguirá inspirar entusiasmos entre librepensadores) o el filosófico, son otros por ejemplo. Y refiriéndome a la ‘Teoría de Sistemas’ (que incluiría conocimientos de filosofía analítica, matemática etc.): la Antroposfera es un sistema de una complejidad superior a la Biosfera, con propiedades emergentes más sofisticadas: el lenguaje, el simbolismo, el arte, todo aquellos que nos hace humanos y sentirnos orgullosos.

    Sin embargo, nobleza obliga: esta superioridad en cuanto a sistema, en cuanto a realidad particular del universo, supone una responsabilidad mucho mayor. Esta es la solución que encuentro a esta devaluación biologicista de la naturaleza humana, bastante pesimista por cierto.

    Un saludo.

  16. Jose dice:

    Villuela, discrepo en hartas cosas. Para empezar, ¿realmente eres libre de elegir? Alguna vez leí esta frase: “o nuestros actos están determinados y en ese caso no somos responsables de ellos o nuestros actos son producto del azar, en cuyo caso no somos responsables de ellos”.

    No es que concuerde con esa frase, pero el que exista una relación causal limita mucho eso de “libre albedrío”, sobre todo cuando el cerebro toma las decisiones a nivel subconsciente unos 10 segundos ANTES de que tu consciente decida actuar.

    Discrepo rotundamente en eso de que la consciencia es lo que te hace estar vivo, por metafórica que sea la expresión. Ese es precisamente la lógica antropocéntrica, donde lo que vale realmente es la aparición del Homo sapiens y todo hacia atrás, maní, al nivel de las piedras (literalmente según lo que expones). Me recuerda mucho a la cadena del ser aristotélica, siendo la consciencia el último refugio de superioridad que le queda al humano. Pero así como cayó el mito de “la especie elegida por Dios”, cayó el mito de “somos la única especie con cultura” y tantos otros snobismos para sentirnos superiores, también éste caerá. La diferencia con los animales es una cuestión cuantitativa, no cualitativa

  17. Jose dice:

    Villuela, mira esta entrada cortita. Interesante el comentario final del autor del blog

    http://biotay.blogspot.com/2013/04/sistemas-de-recompensa-de-5-mm.html

  18. Yack dice:

    En mi opinión nuestra superioridad como especie no se debe a la conciencia sino a la inteligencia que nos permite comprender y, sobre todo, manipular la realidad en nuestro propio beneficio.

    Nuestra especie, además de extraer energía en cantidades casi ilimitadas, puede utilizar a las demás especies para alimentarse, para fabricar cinturones o proteínas de su interés, puede inducir mutaciones especificas por transferencia controlada de genes, etc.

    Y en el futuro acabaremos con las enfermedades, podremos controlar el clima del planeta, habitar el espacio y crear inteligencia artificial para ampliar nuestras posibilidades más allá de lo que ahora podemos imaginar.

    No creo que exista una demostración de superioridad más evidente que la que la especie humana ha desplegado en este planeta. Y sólo estamos en el comienzo.

    Ahora bien, podemos imaginar desastres y calamidades que acaben con esa superioridad, pero eso vale para cualquier especie.

    Saludos.

  19. villuela dice:

    Jose, te vuelvo a recordar que en ningún caso he afirmado que el humano sea el único ser consciente. He observado chimpancés que perfectamente podrían estar hoy al nivel del homo hábilis (aprenden del humano el lenguaje de signos y lo transmiten a sus hijos, son capaces perfectamente de expresar el concepto de “yo”, cazan con lanzas de su fabricación, pescan ostras por placer aunque no sea fundamental para su dieta…). Así mismo, hay humanos que no son seres conscientes (como los que se hallan en muerte cerebral).

    Así que hablemos de raciocentrismo si quieres. La barrera entre lo vivo y lo no vivo es más difusa aún que entre lo consciente y lo inconsciente. La diferencia entre una roca, un programa informático, un virus, un alga, un hongo, una bacteria, un animal… es más cuantitativa que cualitativa.

    La libertad la interpreto de otra forma. No como un libre albedrío radical (evidentemente uno no elige sus gustos y desea sin querer desear) sino como la posibilidad de tomar decisiones. Cuando tu subconsciente toma una decisión, se te olvida que la toma en base a parámetros que conscientemente has modificado previamente. Pero acepto que el meter aquí la libertad es una cosa que nos desvía del tema.

    Podemos centrarnos exclusivamente en la consciencia, que algunos animales tienen y otros no. Cualquier tipo de consciencia universal comun a todos los animales (como las estrellas de mar, los mejillones y las medusas) que espuendas encontrar, la hallaras también en hongos, plantas y bacterias.

  20. Jose dice:

    Sin dudas somos un éxito evolutivo. Nuestra capacidad de colonización es la más amplia de todos los seres vivos, sin rivales. Y somos muchos en número, 2 de 3 criterios necesarios para hablar de una especie “exitosa” a mi entender. Faltaría quizás la dominancia, mira que este estado de cosas lleva unos cuantos miles de años (quizás incluso menos, considerando el despegue que significó la revolución industrial).

    En ese sentido, diría que rivalizamos con las hormigas (ok, nos expandimos más geográficamente, pero nos ganan en longevidad y en N° de una forma humillante). La clave es ver si los humanos resistimos la prueba del tiempo y no nos autodestruimos. A diferencia de otros animales, que las causas de calamidades y desastres es exógeno, nuestra destrucción puede ser causada por nosotros mismos.

    Por ahora vamos bien😀

  21. Pedro Antonio dice:

    La energía nuclear dentro de las mitocondrias necesitaría un control muy fino.
    Y las consecuencias en la evolución serían inimaginables.
    Me ha gustado tu propuesta, da para una larga saga de ciencia ficción.
    Pero la realidad supera a la ficción: Una nueva cosmoquímica por descubrir gracias al efecto túnel cuántico.

    http://culturacientifica.com/2014/03/05/una-nueva-cosmoquimica-por-descubrir-gracias-al-efecto-tunel-cuantico/

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