Si no eres una planta, entonces respiras. Las plantas son autótrofas, lo que significa que producen su propio alimento. Todos los seres vivos que no somos autótrofos (es decir, que somos heterótrofos), respiramos. Todos. Las bacterias, las estrellas de mar, los gusanos y cada animal que se te ocurra lo hace. Esto es porque necesitamos oxígeno para vivir, pero ¿para qué lo necesitamos?
El oxígeno es, como su nombre sugiere, un oxidante. Y uno muy fuerte. Químicamente, esto significa que tiende a quitarle electrones a las sustancias. Los electrones son partículas muy pequeñas con una carga eléctrica negativa. Toda sustancia en nuestra vida cotidiana tiene electrones en ella. Entonces, ¿por qué las sustancias no 'dan toques'? Esto es, porque en ellas también hay el mismo número de cargas positivas o protones, y electrones así que las sustancias son 'neutras', es decir, sin carga eléctrica y podemos vivir tranquilos, sin electrocutarnos.
Cuando un oxidante roba electrones de una sustancia, se libera energía. El fuego es un ejemplo de oxidación muy rápida y sin control. Se libera tanta energía que produce mucho calor. En nuestro cuerpo, el mismo proceso ocurre para obtener energía de los alimentos que consumimos, pero de forma lenta y controlada. Así, oxidamos sustancias sencillas como azúcares y grasas a unos 36.5°C durante varias horas y no a cientos de grados en unos instantes como en el caso del fuego. Tanto en la combustión como en la respiración, los productos finales de la oxidación son dióxido de carbono y agua:
El conjunto de los procesos metabólicos que extraen, almacenan, transportan y consumen esta energía son conocidos como 'cadenas de transferencia de electrones'. Para mantener la carga eléctrica neutra, lo más común es que al mismo tiempo que se transfiere un electrón se transfiera un protón. Si consideramos que el hidrógeno (el átomo más pequeño en la naturaleza) está formado por un protón y un electrón, cuando movemos de un sitio a otro un electrón y un protón podemos decir que hemos movido un átomo de hidrógeno. En la siguiente figura se muestran en color rojo los átomos de hidrógeno que pueden extraerse de un azúcar como la glucosa. Además, en color azul se observan los enlaces químicos de los cuales pueden extraerse electrones durante la respiración:
La investigación que realizo junto a mi equipo se centra en describir cómo se llevan a cabo estas transferencias de hidrógeno. Cada año, la empresa Siemens premia a un trabajo de investigación que aporta un avance importante en ciencia en la República Checa. En el año 2020, el galardón Werner von Siemens fue otorgado a nuestra investigación sobre 'transferencias de hidrógeno’. En ella, planteamos un modelo que explica cómo la naturaleza facilita estos procesos para maximizar su eficiencia y minimizar los daños que podrían surgir debido a la oxidación (1). Aplicar el modelo permitiría, por ejemplo, diseñar procesos más eficaces para la obtención de fármacos, hacer más eficiente el tratamiento de petróleo, plásticos y desechos orgánicos, e incluso avanzar en el entendimiento de algunas enfermedades causantes de envejecimiento prematuro y el mal de Parkinson (2). Estas enfermedades degenerativas se investigan activamente pero parecen tener su origen en una disfunción de la maquinaria encargada de transferir átomos de hidrógeno en el organismo. Es impresionante la importancia que tiene el átomo más pequeño de todos en nuestra vida, ¿no lo crees?
Referencias
1. D. Bím, M. Maldonado-Domínguez, L. Rulíšek, M. Srnec, Beyond the classical thermodynamic contributions to hydrogen atom abstraction reactivity, PNAS, 2018 115 (44) E10287-E10294 (https://doi.org/10.1073/pnas.1806399115).
2. W. J. Geldenhuys, S.A. Benkovic, L. Lin, H.M. Yonutas, S. D. Crish, P. G. Sullivan, A. S. Darvesh, C. M. Brown, J.R. Richardson. MitoNEET (CISD1) Knockout Mice Show Signs of Striatal Mitochondrial Dysfunction and a Parkinson’s Disease Phenotype. ACS Chem. Neurosci. 2017, 8, 12, 2759–2765 (https://doi.org/10.1021/acschemneuro.7b00287)