Las membranas de las células

Antonio Peña

• Publisher: Fondo de Cultura Económica
• Year: 2013
• ISBN:
  9786071603715
• Topic: Ciencias biológicas
• Subtopic: Biología celular

Uno de los componentes más importantes de la célula es su membrana, la cual, no obstante, durante largo tiempo fue considerada inerte, hasta que en décadas pasadas los científicos dedicados a estudiarlas descubrieron que son el asiento de un sinnúmero de operaciones. Al estudio de tales funciones está dedicado este libro.

SEGUNDA PARTE

Funciones de las membranas

III. El paso de las sustancias a través de las membranas

HAY SUSTANCIAS que las células deben tomar del exterior para nutrirse; hay otras que no las necesitan y deben eliminar. A la gran mayoría les está prohibido, ya sea por su naturaleza polar o por su tamaño, cruzar la bicapa lipídica de la membrana. Antes que otras funciones más complicadas de las células, está la de su propia nutrición y excreción. Con este fin primordial se desarrollaron los sistemas de transporte; moléculas o grupos de ellas, generalmente proteínas, que en ocasiones funcionan como poros selectivos, permiten simplemente el paso de las sustancias, o en otras, inclusive, las “obligan” a entrar o salir, según las necesidades de la célula. Primero que nada es necesario destacar que no es la característica polar lo que impide a las moléculas cruzar la estructura básica de la bicapa lipídica de la membrana, sino el hecho de que todas las moléculas polares están recubiertas de varias capas de agua, y eso es lo que las vuelve voluminosas e incapaces de moverse de un lado al otro de una membrana biológica.

CÓMO SON LOS SISTEMAS DE TRANSPORTE

Fuera de que casi todos los sistemas de transporte conocidos están constituidos por moléculas de proteína, con qué velocidad se mueven y cuál es su afinidad por las sustancias que acarrean, etc., poco es lo que se sabe acerca de su mecanismo íntimo de funcionamiento. Sólo de algunas de estas moléculas se tiene idea en detalle sobre su estructura, formada por una cadena de aminoácidos, que, como en el caso de las enzimas, tenga la capacidad de reconocer y luego permitir, de manera selectiva, el paso de ciertas sustancias; sin embargo, cada vez se avanza más para definir esquemas que se aceptan como modelos para seguir estudiándolos. Una parte de los resultados logrados en el área del transporte biológico proviene de investigaciones realizadas utilizando algunos antibióticos que, a pesar de que no son los sistemas de transporte celular en sí, se comportan como tales y permitieron imaginar algunas de las características de los transportadores naturales o verdaderos. Su estudio ha proporcionado información sobre algunos de los mecanismos para explicar la selectividad para ciertas sustancias o la estructura de un poro en la membrana. Su comportamiento es tan interesante que vale la pena hacer un paréntesis sobre estas sustancias.

LOS ANTIBIÓTICOS, ARMAS BIOLÓGICAS Y HERRAMIENTAS EN LA INVESTIGACIÓN

Durante ya muchas décadas se han estudiado muy diversos tipos de antibióticos, que son sustancias producidas por ciertos microorganismos y capaces de alterar el funcionamiento de otros seres vivos o incluso de producir su muerte. Tal vez la mejor conocida de estas sustancias sea la penicilina, que detiene el desarrollo bacteriano al bloquear la síntesis de la cápsula que cubre a la membrana celular de numerosas bacterias. Al impedirse la formación de esta cápsula protectora, la bacteria se vuelve frágil y fácilmente muere por diversos factores, el principal de ellos es la presión que su contenido ejerce sobre la membrana, produciéndose la muerte por lisis. De paso, hay que entender que los antibióticos, como en el caso de la penicilina, realmente son armas de las que se valen, en este caso el hongo Penicillium, para apoderarse del medio en que viven sin la competencia de las bacterias.

Hay antibióticos que son dañinos para algunas bacterias e inocuos para los animales o los humanos, y son los que tienen utilidad para tratar las enfermedades. Pero en la búsqueda de antibióticos eficientes para el tratamiento de enfermedades se ha encontrado también gran número de ellos que sí son tóxicos y, de hecho, no se pueden emplear porque, aunque sean efectivos contra las bacterias, también producen la muerte de las propias células de los animales o de los humanos. Esto es desde luego lógico, pues a fin de cuentas los antibióticos son las armas que permiten a los microorganismos asegurar su predominio en el medio ambiente sobre los otros seres vivos.

Es realmente raro encontrar antibióticos que no sean tóxicos para los animales en general, y los humanos en particular. En la búsqueda de sustancias de este tipo que puedan ser benéficas para el tratamiento de las enfermedades producidas por microorganismos se han encontrado muchísimos antibióticos que sí son tóxicos para los animales, y que no se pudieron emplear nunca como agentes terapéuticos, pero al estudiarlos desde otros puntos de vista, se encontraron propiedades sorprendentes que explican su mecanismo de acción tóxica. Tal es el caso de una serie de ellos que han sido de gran utilidad para el estudio de los fenómenos de transporte en sistemas biológicos.

LOS ANTIBIÓTICOS LLAMADOS IONÓFOROS

En el año de 1964, dos investigadores, de apellidos Moore y Pressman, iniciaron los estudios sobre la valinomicina, un antibiótico que producía la salida de potasio en mitocondrias obtenidas de las células de hígado de rata, y esto era causa de muchas otras alteraciones consecuentes en el funcionamiento de ese organelo celular. En forma resumida, los estudios de estos autores se extendieron a otros sistemas biológicos, y se llegó finalmente a la conclusión de que su efecto tóxico reconocía como mecanismo el que se presenta en la figura III.1. Esta sustancia tiene una estructura semejante a una “dona” o rosca muy peculiar; es hidrofóbica en el exterior e hidrofílica o polar en el interior; además, su diámetro interior corresponde con gran precisión al del ion potasio (K⁺). Como otros iones, el K⁺ normalmente no puede atravesar la membrana porque se encuentra rodeado de una capa de moléculas de agua, y esta característica lo vuelve insoluble en la membrana y le impide el paso (véase el capítulo II). Lo que hace la valinomicina es rodear al K⁺ y, dado que por fuera es hidrofóbica, puede cruzar la bicapa de un lado al otro. Cuando una mitocondria, por ejemplo, se coloca en un medio en el que no hay potasio, y tomando en cuenta que tiene gran cantidad de este ion en el interior, es fácil imaginar que la valinomicina pueda tomarlo del interior y llevarlo al exterior con facilidad. De hecho, éste es el mecanismo por el que las bacterias que producen el antibiótico causan la muerte de las otras: provocan la salida del K⁺ que es indispensable para su vida. Fue así que con una molécula relativamente pequeña se pudieron hacer miles de experimentos que permitieron, además, sentar bases más sólidas en cuanto al mecanismo de funcionamiento de los que, como éste, se llamaron acarreadores móviles.

FIGURA III.1. Esquema que muestra lo que hace una molécula de valinomicina. Éste es el mecanismo por el cual el antibiótico puede vaciar el contenido de iones de potasio de una célula.

Con este sistema de transporte tan sencillo, se demostró que la molécula del antibiótico es capaz de reconocer al K⁺ con una afinidad 5 mil veces mayor que al sodio, y ello casi sólo se debe a las dimensiones del orificio interno de la molécula. Aunque pueden caber otros iones, esto sólo tiene lugar con dificultad cuando son demasiado grandes, o si son más pequeños, la fijación a los sitios del antibiótico se vuelve débil y no se pueden transportar o lo hacen con una eficiencia muchísimo menor. El antibiótico, por su característica hidrofóbica en el exterior, se fija a la membrana y ocupa la región hidrofóbica (figura III.1). Ahí puede “asomarse” al exterior de la doble capa y capturar a los iones de potasio. Luego se mueve con ellos en el interior de la bicapa y los suelta hacia el lado de menor concentración (donde haya menos).

Pero puede suceder algo que es aún más interesante; si existe una diferencia de potencial eléctrico a ambos lados de la membrana, la valinomicina puede soltar el catión en el lado de la membrana en que el potencial es negativo, aun en contra de lo que se esperaría por la diferencia de concentración; es decir, la valinomicina puede producir la acumulación del ion si hay una diferencia del potencial eléctrico, como se muestra en la figura III.2.

Otro de los antibióticos que se estudió posteriormente fue la gramicidina. El caso de esta sustancia es diferente, porque, para empezar, es una cadena lineal de aminoácidos; sin embargo, y sin entrar en los detalles de cómo se realizaron los experimentos, se pudo demostrar que este antibiótico también puede funcionar como ionóforo, pero su mecanismo de acción es distinto. Varias moléculas de gramicidina se acomodan una tras otra, enroscándose, de modo que entre varias pueden formar un túnel que cruza la membrana, constituyendo un poro que puede permitir el paso de los iones de determinado tamaño y características (figura III.3).

FIGURA III.2. En esta figura se muestra que, si hay un potencial eléctrico negativo dentro de una membrana cerrada, el antibiótico puede introducir K⁺ y acumularlo en concentración superior a la externa.

FIGURA III.3. La gramicidina y su acomodo en la membrana. Este antibiótico, no obstante ser una cadena lineal de varios aminoácidos, puede enrollarse y asociarse con otras moléculas para formar un canal a través de la membrana.

Éstos son sólo dos de los casos de antibióticos que se han estudiado; hay una larga lista de ellos que son capaces de permitir el paso de distintos iones a través de las membranas. Está el caso, inclusive, de otros dos antibióticos, la nistatina y la filipina, que forman poros tan grandes en las membranas que por ellos llegan a salir componentes mucho mayores que los iones. Su efecto es, por tanto, permitir el paso de todos los componentes pequeños de las células, y sólo les quedan las proteínas y otras moléculas grandes.

Con estos antecedentes y experimentos realizados por numerosos investigadores de todo el mundo, se ha llegado a concebir la existencia de dos tipos principales de acarreadores o sistemas de transporte: los canales o poros y los acarreadores móviles.

Es claro que el caso de la gramicidina es relativamente simple, pues esta sola sustancia debe satisfacer las características de selectividad (sólo acepta cationes monovalentes) y de comportamiento como compuerta (sólo forma el poro cuando hay una diferencia de voltaje en ambos lados de la membrana). Aunque el modelo que ofrecen —los antibióticos como la valinomicina o la gramicidina— para su estudio ha sido muy interesante y ha permitido establecer ciertas bases, todo indica que los sistemas de transporte que existen en las células, por ejemplo, en el músculo o en el nervio, o en cualquiera otra célula animal, son mucho más complicados que los antibióticos.

LOS CANALES

Como se pretende mostrar en la figura III.4, hay sistemas de transporte que se imaginan como canales o poros. No se conoce el mecanismo preciso del funcionamiento de ninguno de ellos; sin embargo, a través de su función se ha llegado a un modelo imaginario. El poro o canal es más que nada la conceptualización de un sistema rápido de transporte; es más fácil imaginar el movimiento rápido como flujo a través de un túnel, que por un mecanismo de acarreo más complicado. La idea del poro está representada en el diagrama de la figura; y se piensa que debe tener una especie de entrada o filtro capaz de discriminar o escoger entre distintas sustancias o iones. Por ejemplo, hay poros que pueden distinguir fácilmente entre el Na⁺ y el K⁺ que, a pesar de su semejanza química, difieren en el tamaño. Otra de las características importantes de los poros es la existencia de una especie de “compuertas” o dispositivos que les permiten abrir y cerrarse al paso de los iones, y este mecanismo es el que permite regular su funcionamiento.

FIGURA III.4. Esquema de un canal. Además de un túnel que cuenta con un poro de dimensiones precisas, los canales tienen compuertas que pueden abrirse o cerrarse por diferentes mecanismos.

LOS ACARREADORES MÓVILES

En el caso de los sistemas de transporte más lento, se sabe que los transportadores son moléculas de proteína que, situadas en la membrana, cuentan con un sitio capaz de reconocer a las sustancias que han de transportar, de manera semejante como las enzimas tienen un sitio activo en el que se coloca el sustrato que van a modificar. En este sentido no hay diferencia con los canales; sin embargo, en los casos en que se ha definido su estructura, se encuentra que es semejante a la de los canales, sólo que el conducto molecular con que cuentan no ofrece el paso libre a las moléculas, sino una serie de pasos sucesivos, lo cual los hace más lentos que los canales.

LA ESPECIFICIDAD DE LOS SISTEMAS DE TRANSPORTE

Si bien es cierto que los sistemas de transporte son esenciales para que las células intercambien materiales con el exterior, también lo es que uno o varios mecanismos indiscriminados de este tipo podrían matarlas en poco tiempo. Un ejemplo real puede ser el de los antibióticos, ya mencionados, la nistatina y la filipina, que precisamente matan a las células porque forman poros por los cuales pueden salir y entrar todas las moléculas pequeñas, iones, etcétera.

Es pues necesario que los sistemas de transporte del tipo que sean, canales o acarreadores móviles, tengan alta selectividad, es decir, que de entre las moléculas presentes en las soluciones que bañan a las células sean capaces de reconocer a las que necesitan, sea en forma individual y altamente selectiva, o por grupos de sustancias semejantes.

Los sistemas que se han estudiado, con variaciones dentro de ciertos límit...