¿Por qué es tan baja la eficiencia de las vías anaeróbicas
Todos los seres vivos deben disponer de fuentes constantes de energía para seguir realizando incluso las funciones vitales más básicas. Ya sea que esa energía provenga directamente del sol a través de la fotosíntesis o de la ingestión de plantas o animales, la energía debe ser consumida y luego transformada en una forma utilizable como el trifosfato de adenosina (ATP).
Muchos mecanismos pueden convertir la fuente de energía original en ATP. La forma más eficaz es la respiración aeróbica, que requiere oxígeno. Este método proporciona la mayor cantidad de ATP por cada aporte de energía. Sin embargo, si el oxígeno no está disponible, el organismo debe convertir la energía utilizando otros medios. Estos procesos que ocurren sin oxígeno se denominan anaeróbicos. La fermentación es una forma habitual de que los seres vivos produzcan ATP sin oxígeno. ¿Esto hace que la fermentación sea lo mismo que la respiración anaeróbica?
La respuesta corta es no. Aunque tienen partes similares y ninguna de las dos utiliza oxígeno, hay diferencias entre la fermentación y la respiración anaeróbica. De hecho, la respiración anaeróbica se parece mucho más a la respiración aeróbica que a la fermentación.
¿Cuál es la eficiencia de la fermentación en comparación con la respiración aeróbica?
El vino, la cerveza y el yogur se producen cuando los microorganismos convierten el azúcar en alcohol, gases o ácidos. Pero este proceso de fermentación -que utilizan las bacterias, los hongos y otras células de crecimiento rápido para generar energía en ausencia de oxígeno- es una forma mucho menos eficiente de generar energía para las células que la respiración aeróbica.
Los biólogos llevan casi un siglo dándole vueltas a este enigma y lo han bautizado como “efecto Warburg”, en honor al biólogo celular Otto Warburg, ganador del Premio Nobel. Este descubrió en la década de 1920 que las células cancerosas generan energía mediante la fermentación de la glucosa, lo que genera una gran cantidad de residuos metabólicos como el ácido láctico.
El uso intensivo de glucosa por fermentación es, de hecho, la forma en que se identifican los tumores en los escáneres PET. Pero si este proceso es tan ineficiente, se preguntaban Warburg y otros, ¿por qué tantos organismos dependen de él en lugar de utilizar el proceso más eficiente de la respiración aeróbica?
Un equipo de físicos y biólogos de la Universidad de California en San Diego puede haber encontrado por fin la respuesta a este misterio de casi 100 años. En el número de esta semana de la revista Nature, los investigadores examinaron los costes metabólicos de la síntesis de las enzimas y otros aparatos biológicos necesarios para la fermentación y la respiración aeróbica dentro de la bacteria E. coli, así como el ahorro metabólico de generar energía mediante la respiración aeróbica. Descubrieron que el coste de la síntesis de proteínas anula el ahorro metabólico en las células de crecimiento rápido.
Fórmula de eficiencia de la fermentación
Los músculos de estos velocistas necesitarán mucha energía para completar esta corta carrera, porque correrán a toda velocidad. La acción no durará mucho, pero será muy intensa. La energía que necesita cada velocista no puede ser proporcionada con la suficiente rapidez por la respiración celular aeróbica. En su lugar, sus células musculares deben utilizar un proceso diferente para alimentar su actividad.
Las células de los seres vivos alimentan su actividad con la molécula portadora de energía ATP (trifosfato de adenosina). Las células de la mayoría de los seres vivos producen ATP a partir de la glucosa en el proceso de respiración celular. Este proceso se desarrolla en tres etapas: la glucólisis, el ciclo de Krebs y el transporte de electrones. Las dos últimas etapas requieren oxígeno, por lo que la respiración celular es un proceso aeróbico. Cuando el oxígeno no está disponible en las células, la HTA se apaga rápidamente. Por suerte, también hay formas de producir ATP a partir de la glucosa que son anaeróbicas, es decir, que no requieren oxígeno. Estos procesos se denominan colectivamente respiración anaeróbica.
Una forma importante de producir ATP sin oxígeno es la fermentación. La fermentación comienza con la glucólisis, que no requiere oxígeno, pero no implica las dos últimas etapas de la respiración celular aeróbica (el ciclo de Krebs y el transporte de electrones). Existen dos tipos de fermentación: la fermentación alcohólica y la fermentación láctica. Nosotros utilizamos ambos tipos de fermentación con otros organismos, pero sólo la fermentación láctica tiene lugar realmente en el interior del cuerpo humano.
Fermentación láctica
Hasta hace poco, se han estudiado de forma sistemática muy pocas especies de levaduras en cuanto a su metabolismo del carbono [15]. Los estudios sobre diferentes levaduras con una clara relación filogenética pueden, entre otros aspectos, ayudar a dilucidar la historia evolutiva del metabolismo del carbono en las levaduras, así como arrojar luz sobre los mecanismos básicos que subyacen a los rasgos observados. En nuestro trabajo reciente hemos estudiado más de cuarenta levaduras Saccharomycetales diferentes para detectar la presencia del efecto Crabtree a largo plazo y se ha encontrado que este efecto se originó después de la divergencia de los linajes Saccharomyces-Lachancea y Kluyveromyces-Eremothecium, antes del evento de duplicación del genoma completo (WGD) y después de la pérdida del complejo respiratorio I [16]. También hemos cultivado diez de estas especies de levadura en condiciones estables y con glucosa como factor limitante [17]. Tras el pulso de glucosa, hemos estudiado el consumo de glucosa y la formación de etanol, y otros productos de fermentación y respiración. Hemos demostrado que ambos efectos, el de Crabtree a corto y largo plazo, se originaron aproximadamente al mismo tiempo durante la historia evolutiva de los Saccharomycetales [16, 17], y el origen se produjo con la transferencia horizontal del gen URA1 [18] y la capacidad de proliferar anaeróbicamente [15, 19], tras la pérdida del complejo respiratorio I [20, 21].