III. EL PASO DE LAS SUSTANCIAS A TRAV�S DE LAS MEMBRANAS
HAY SUSTANCIAS que las c�lulas no necesitan y deben ser eliminadas; hay otras en el exterior que deben tomar para nutrirse. A la gran mayor�a de ellas les est� prohibido, ya sea por su naturaleza polar o por su tama�o, cruzar la bicapa lip�dica de la membrana. Antes que otras funciones m�s complicadas de las c�lulas, est� la de su propia nutrici�n y excreci�n. Con este fin primordial se desarrollaron los sistemas de transporte; mol�culas o grupos de ellas, generalmente prote�nas, que en ocasiones funcionan como poros selectivos, permiten simplemente el paso de las sustancias, o en otras, inclusive, las "obligan" a entrar o salir, seg�n las necesidades de la c�lula.
C�MO SON LOS SISTEMAS DE TRANSPORTE
Fuera de que los sistemas de transporte conocidos est�n constituidos por mol�culas de prote�na, con qu� velocidad se mueven y cu�l es su afinidad por las sustancias que acarrean, etc., poco es lo que se sabe acerca de su mecanismo �ntimo de funcionamiento. Nadie tiene idea en detalle de cu�l es la estructura de una prote�na que formada por una cadena de amino�cidos, como todas ellas, tenga la capacidad de reconocer y luego permitir, de manera selectiva, el paso de ciertas sustancias; s�lo se han llegado a imaginar esquemas que aceptamos como modelos para seguir estudi�ndolos. Una parte de los resultados logrados en el �rea del transporte biol�gico proviene de investigaciones realizadas utilizando algunos antibi�ticos que, a pesar de que no son los sistemas de transporte celular en s�, se comportan como tales y han permitido imaginar algunas de las caracter�sticas de los transportadores naturales o verdaderos. Su estudio ha proporcionado informaci�n 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 par�ntesis sobre estas sustancias.
LOS ANTIBI�TICOS, ARMAS BIOL�GICAS Y HERRAMIENTAS EN LA INVESTIGACION
Durante varias d�cadas se han estudiado muy diversos tipos de antibi�ticos, 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 s�ntesis de la c�psula que cubre a la membrana celular de numerosas bacterias. Al impedirse la formaci�n de esta c�psula protectora, la bacteria se vuelve fr�gil y f�cilmente muere por diversos factores, el principal de ellos es la presi�n que su contenido ejerce sobre la membrana, produci�ndose la muerte por lisis.
Hay antibi�ticos que son da�inos para algunas bacterias e inocuos para los animales o los humanos, y son los que tienen utilidad para tratar las enfermedades. Pero en la b�squeda de antibi�ticos eficientes para el tratamiento de enfermedades se ha encontrado tambi�n un gran n�mero de ellos que s� son t�xicos y, de hecho, no se pueden emplear porque, aunque sean efectivos contra las bacterias, tambi�n producen la muerte de las propias c�lulas de los animales o de los humanos. Esto es desde luego l�gico, pues a fin de cuentas los antibi�ticos son las armas que permiten a los microorganismos asegurar su predominio en el medio ambiente sobre los otros seres vivos.
Es realmente raro encontrar antibi�ticos que no sean t�xicos para los animales en general, y los humanos en particular. En la b�squeda de sustancias de este tipo que puedan ser ben�ficas para el tratamiento de las enfermedades producidas por microorganismos, se han encontrado much�simos antibi�ticos que s� son t�xicos para los animales, y que no se pudieron emplear nunca como agentes terap�uticos, pero al estudiarlos desde otros puntos de vista, se encontraron propiedades sorprendentes que explican su mecanismo de acci�n t�xica. Tal es el caso de una serie de ellos que han sido de gran utilidad para el estudio de los fen�menos de transporte en sistemas biol�gicos.
LOS ANTIBI�TICOS LLAMADOS ION�FOROS
En el a�o de 1964, Moore y Pressman iniciaron los estudios de la valinomicina
que produc�a la salida de potasio en mitocondrias obtenidas de las c�lulas de
h�gado 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 biol�gicos, y se lleg� finalmente
a la conclusi�n de que su efecto t�xico reconoc�a como mecanismo el que se presenta
en la Figura 15. Esta sustancia tiene una estructura semejante a una "dona"
o rosca, pero muy peculiar; es hidrof�bica en el exterior e hidrof�lica o polar
en el interior: adem�s, su di�metro interior corresponde con gran precisi�n
al del ion potasio (K+). Como otros iones, el K+ normalmente
no puede atravesar la membrana porque se encuentra rodeado de una capa de mol�culas
de agua; esta caracter�stica es la que lo vuelve insoluble en la membrana y
le impide el paso (v�ase el cap�tulo II). Lo que hace la valinomicina es rodear
al K+ y, dado que por fuera es hidrof�bica, puede cruzar la bicapa de un lado
al otro. Cuando las mitocondrias se colocan en un medio en el que no hay potasio,
y tomando en cuenta que ellas tienen una gran cantidad de este ion en el interior,
es f�cil imaginar que la valinomicina pueda tomarlo del interior y llevarlo
al exterior con facilidad. De esta manera, con una mol�cula relativamente peque�a
se pudieron hacer miles de experimentos que permitieron, adem�s, sentar bases
m�s s�lidas en cuanto al mecanismo de funcionamiento de los llamados acarreados
m�viles.
Figura 15. Esquemas que muestran lo que hace una mol�cula de valinomicina. En la parte superior se presenta el mecanismo por el cual el antibi�tico puede vaciar el contenido de iones de potasio. En la parte inferior se ve que, si hay un potencial el�ctrico negativo dentro, el antibi�tico puede introducir K+ y acumularlo en concentraci�n superior a la externa.
Con este sistema de transporte tan sencillo, se demostr� que la mol�cula del antibi�tico es capaz de reconocer al K+ con una afinidad 5 000 veces mayor que al sodio, y ello casi s�lo se debe a las dimensiones del orificio interno de la mol�cula. Aunque pueden caber otros iones, esto s�lo tiene lugar con dificultad cuando son demasiado grandes, o si son m�s peque�os, la fijaci�n a los sitios del antibi�tico se vuelve d�bil y no se pueden transportar o lo hacen con una eficiencia much�simo menor.
Tambi�n se demostr� con este sistema que el antibi�tico, por su caracter�stica hidrof�bica en el exterior, se fija a la membrana y ocupa la regi�n hidrof�bica. Ah� puede "asomarse" al exterior 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 concentraci�n. Pero puede suceder algo que es a�n m�s interesante; si existe una diferencia de potencial el�ctrico a ambos lados de la membrana, la valinomicina puede soltar el cati�n en el lado de la membrana en que el potencial es negativo, aun en contra de lo que se esperar�a por la diferencia de concentraci�n; es decir, la valinomicina puede producir la acumulaci�n del ion si hay un potencial el�ctrico.
Otro de los antibi�ticos que se estudi� posteriormente fue la gramicidina.
El caso de esta sustancia es diferente, porque, para empezar, es una cadena
lineal de amino�cidos; sin embargo, y sin entrar en los detalles de c�mo se
realizaron los experimentos, se pudo demostrar que este antibi�tico tambi�n
puede funcionar como ion�foro, pero su mecanismo de acci�n es distinto. Varias
mol�culas de gramicidina se acomodan una sobre otra, enrosc�ndose, de modo que
entre varias pueden formar un t�nel que cruza la membrana, constituyendo un
poro que puede permitir el paso de los iones de determinado tama�o y caracter�sticas
(Figura 16).
Figura 16. La gramicidina y su acomodo en la membrana. Este antibi�tico, no obstante de ser una cadena de varios amino�cidos, puede enrollarse y asociarse con otras mol�culas para formar un canal a trav�s de la membrana.
Estos son s�lo dos de los casos de antibi�ticos que se han estudiado; hay una larga lista de ellos que adem�s son capaces de permitir el paso de distintos iones a traves de las membranas. Est� el caso inclusive de la nistatina o la filipina, que al formar poros tan grandes en las membranas, por ellos llegan a salir componentes mucho mayores que los iones. El efecto de estos antibi�ticos es, por tanto, permitir el paso de todos los componentes peque�os de las c�lulas, y s�lo les quedan las prote�nas y otras mol�culas grandes.
Con estos antecedentes y una gran cantidad de 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 m�viles.
Como se pretende mostrar en la Figura 17, 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 trav�s de su funci�n se ha llegado a un
modelo imaginario. El poro o canal es m�s que nada la conceptualizaci�n de un
sistema r�pido de transporte; es m�s f�cil imaginar el movimiento r�pido como
flujo a trav�s de un t�nel, que por un mecanismo de acarreo m�s complicado.
La idea del poro est� representada en el diagrama de la figura; y se piensa
que debe tener antes que nada una especie de entrada o filtro capaz de discriminar
o escoger entre distintas sustancias o iones. Por ejemplo, hay poros que pueden
distinguir f�cilmente el Na+ y K+ a pesar de su semejanza, pero que difieren
por el tama�o. Otra de las caracter�sticas 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.
Figura 17. Esquema de un canal. Adem�s de un túnel de dimensiones
precisas, los canales tienen compuertas que pueden abrirse o cerrarse por diferentes
mecanismos.
Es claro que el caso de la gramicidina es relativamente simple, pues esta sola sustancia debe satisfacer las caracter�sticas de selectividad (s�lo acepta cationes monovalentes) y de comportamiento como compuerta (s�lo forma el poro cuando hay una diferencia de voltaje en ambos lados de la membrana). Aunque el modelo que ofrece la gramicidina para su estudio ha sido muy interesante y ha permitido establecer ciertas bases, todo indica que los sistemas de transporte que existen, por ejemplo, en el m�sculo o el nervio, o cualquiera otra c�lula animal, son mucho m�s complicados que este antibi�tico.
En el caso de sistemas de transporte m�s lento, se ha imaginado que se trata
de mol�culas de prote�na 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 habr�a diferencia con los poros. Sin embargo,
como se muestra en la Figura 18, el sistema del paso de los iones de un lado
al otro ser�a diferente; sin que se conozca el mecanismo �ntimo, se piensa que,
o bien la mol�cula de la vuelta y el sitio activo que estaba hacia un lado de
la membrana se desplaza al otro, o bien el ion u otra sustancia es movido al
otro lado por movim�entos perist�lticos, semejantes a los del intestino, "exprimiendo"
a la sustancia transportada hacia el otro lado. El �nico hecho real que hay
es que estos sistemas de transporte son mucho m�s lentos que los canales o poros.
Figura 18. Esquemas de un acarreador m�vil. �stas son las representaciones de dos mecanismos que se han propuesto para el funcionamiento de los acarreadores m�viles. La valinomicina es tambi�n un acarreador m�vil (fig. 16).
Se ha tomado a la valinomicina como modelo de este tipo de acarreadores; el t�rmino m�vil implica la necesidad de que la mol�cula se mueva dentro de la membrana, como en el caso del antibi�tico. Sin embargo, no se conoce gran cosa respecto del mecanismo de los acarreadores m�viles que hay, por ejemplo, en las c�lulas animales.
LA ESPECIFICIDAD DE LOS SISTEMAS DE TRANSPORTE
Si bien es cierto que los sistemas de transporte son esenciales para que las c�lulas intercambien materiales con el exterior, tambi�n lo es que uno o varios mecanismos indiscriminados de este tipo podr�an matarlas en poco tiempo. Un ejemplo real puede ser el de los antibi�ticos ya mencionados, la nistatina y la filipina, que precisamente matan a las c�lulas porque forman poros por los cuales pueden salir todas las mol�culas peque�as, iones, etc�tera.
Es pues necesario que los sistemas de transporte del tipo que sean, canales o acarreadores m�viles, tengan una alta selectividad, es decir que de entre las mol�culas presentes en las soluciones que ba�an a las c�lulas sean capaces de reconocer a las que necesitan, sea en forma individual y altamente selectiva o por grupos.
Los sistemas que se han estudiado, con variaciones dentro de ciertos l�mites, son espec�ficos; es decir, guardan un alto grado de exigencia con respecto a las sustancias que transportan. Por ejemplo, los sistemas de transporte para el fosfato, la forma m�s com�n de aprovechamiento del f�sforo por c�lulas y organismos, son capaces de discriminar y no transportan ni cloruros, ni sulfatos, ni otros aniones de estructuras m�s o menos lejanas. Sin embargo, y esto es desafortunado, el sistema puede ser enga�ado, por as� decirlo, ofreci�ndole arsenato, sustancia mucho m�s parecida al fosfato, pero por otro lado, altamente t�xica, pues es la forma m�s com�n del ars�nico que se puede ofrecer a los seres vivos. El caso del sistema de absorci�n o transporte de los az�cares en el intestino delgado es de menor exigencia; aunque no todos los az�cares simples, llamados monosac�ridos, son transportados con la misma velocidad, son muchos los que se pueden mover, aparentemente por el mismo sistema; s�lo se requiere que ofrezcan una estructura b�sica m�s o menos com�n.
Hay tambi�n diferencias entre los sistemas de transporte en cuanto a la abundancia
o concentraci�n que requieren de las sustancias que transportan en el medio
del cual las toman. El asunto tiene importancia en el caso, por ejemplo, de
bacterias u otros microorganismos que pueden sobrevivir en medios extremadamente
pobres. Para ello necesitan de sistemas de transporte capaces de tomar con gran
eficiencia las mol�culas de materiales nutritivos que requieren para vivir y
que se encuentran en escasa cantidad en el medio. Pero hay tambi�n sistemas
de transporte que no necesitan de tal capacidad para capturar unas cuantas mol�culas
que existen en el medio ambiente. Esto es lo que sucede con muchos sistemas
de transporte de las c�lulas animales; en cierto modo se puede pensar que no
se requieren sistemas de alta afinidad para muchas de las sustancias, puesto
que viven en un medio interno que est� regulado en cuanto a las concentraciones
de sustancias que contiene, y, en muchos de los casos, �stas son relativamente
elevadas.
Figura 19. La selectividad y la afinidad de un sistema de transporte, que debe distinguir, entre much�simas otras, a unas cuantas mol�culas dispersas, que son las que debe mover a trav�s de la membrana.
Entre los microorganismos hay casos muy interesantes, pues algunas bacterias pueden tomar sustancias del medio ambiente que se encuentran en concentraciones extremadamente peque�as. Hay incluso casos, por ejemplo, de microbios que son capaces de contar con varios sistemas de transporte para la misma sustancia. As� sucede con la levadura, que, cuando crece en un medio rico en potasio, desarrolla un sistema de transporte de una afinidad relativamente baja. Sin embargo, cuando crece en un medio pobre en este ion, el sistema de transporte que utiliza para tomarlo del medio tiene una afinidad 1 000 veces mayor, aproximadamente.
Otra de las caracter�sticas importantes de los sistemas de transporte es la velocidad con la que funcionan, como en el caso de las enzimas del metabolismo celular, donde hay sistemas m�s veloces que otros. Con frecuencia se encuentra que los sistemas con mayor afinidad muestran velocidades menores y viceversa.
Pero adem�s, existe siempre una relaci�n entre la abundancia o concentraci�n de una sustancia y la velocidad con la que es transportada por una c�lula. Es obvio que si el fen�meno de transporte depende de la interacci�n de la sustancia a transportar con su acarreador, a medida que aumenta la concentraci�n, la velocidad del transporte es mayor. Pero esto tiene l�mites; cada interacci�n individual del sistema de transporte tiene una duraci�n que no se puede acortar indefinidamente, y debe llegar el momento en que el sistema de transporte sature su capacidad, es decir, a su velocidad m�xima de funcionamiento.
Descritas en estos t�rminos tan sencillos, las mol�culas de los acarreadores son, sin embargo, sistemas de una extraordinaria eficiencia, que tal vez fueron los primeros componentes de las membranas en aparecer. Es necesario pensar que los primeros seres vivos sobre la faz de la tierra fueron los microorganismos de vida libre, y la abundancia de muchos de los materiales en el medio ambiente no era grande. Aparentemente de este hecho es de donde result� una gran especializaci�n de los sistemas que ten�an que encargarse de transportar esos materiales tan escasos, para poder asegurar la supervivencia de los organismos.
En muchos de los microorganismos conocidos, adem�s, no es raro encontrar que
cuentan con varios sistemas de transporte para una sola sustancia. Ya se mencion�
el caso del transporte de K+ en la levadura que aparece en dos formas: una que
le permite aprovechar este cati�n cuando se encuentra en concentraciones m�s
o menos grandes, y otro para poder utilizarlo cuando las concentraciones son
extremadamente peque�as en el medio. Pero lo interesante no es s�lo eso; el
hecho es que la c�lula cuenta con un sistema de control que se muestra en forma
esquem�tica en la Figura 20, seg�n el cual s�lo produce el sistema de transporte
de mayor afinidad (que requiere para captar el ion cuando las concentraciones
son bajas), si previamente se ha cultivado en un medio pobre en potasio. �ste
es s�lo uno de los casos que hay en la naturaleza; son numerosos los sistemas
de transporte que, por as� decirlo, s�lo aparecen en las c�lulas cuando existen
los materiales a transportar.
Figura 20. Esquema que muestra el mecanismo para regular la aparici�n de un sistema de transporte de alta afinidad en algunos microorganismos.
Ya en la realidad, la forma como funciona este mecanismo de control es regulando la s�ntesis misma del acarreador de alta afinidad; para no desperdiciar energ�a, la c�lula s�lo lo produce cuando se encuentra en un medio pobre de este cati�n.
El grado de especializaci�n de los sistemas de transporte de las c�lulas ha llegado a ser tan grande en algunos casos, que durante su evoluci�n se le pudo adaptar para funciones de gran importancia como la transmisi�n nerviosa. En otros casos, como se describe en el cap�tulo siguiente, la clara relaci�n entre la energ�a y el transporte llev�, por un lado, a la existencia de sistemas de transporte capaces de aprovechar la energ�a metab�lica para tomar del medio sustancias que se encuentran en concentraciones bajas, pero tambi�n fue a trav�s de los sistemas de transporte modificados que se pudieron dise�ar sistemas para la conversi�n de la energ�a en formas directamente aprovechables por las c�lulas.
Tambi�n sucede que muchos receptores en las c�lulas pueden verse como sistemas de transporte capaces de reconocer a ciertas mol�culas, algunas con gran afinidad y especificidad. De esta forma, puede pensarse que las c�lulas y los organismos modificaron sus sistemas originales de transporte para dar lugar a los receptores y contar con la posibilidad de comunicarse entre s� y de ah� dise�ar sistemas de control.
El sistema nervioso mismo reconoce como base un complicad�simo sistema de intercomunicaci�n de las neuronas, pero que en �ltimo an�lisis tiene fundamentalmente la participaci�n de un enorme n�mero y tipo de sistemas de transporte y receptores.
Hay inclusive un tipo especial de receptores que son capaces de detectar la presencia de mol�culas disueltas o vol�tiles y que se encuentran en c�lulas especializadas. �stas son las c�lulas receptoras de los �rganos de los sentidos; el olfato y el gusto tambi�n pueden considerarse resultado de la evoluci�n de los sistemas de transporte, en los que la modificaci�n de los antiguos acarreadores permiti� desarrollar estas capacidades que en los animales han llegado a ser tan importantes.
