IV. TRANSPORTE Y ENERG�A
EL COMPORTAMIENTO DE LAS MOL�CULAS EN SOLUCI�N
TODOS conocemos el hecho aparentemente sencillo y trivial de que si colocamos una gota de tinta en un vaso de agua, las part�culas de colorante se mueven o difunden lentamente hasta que en un tiempo, m�s o menos largo, ocupan todo el espacio de que disponen y la soluci�n se vuelve completamente uniforme. Esto, que se puede ver con los colorantes, es el fen�meno llamado difusi�n; sucede con todas las sustancias por igual, y se debe a una raz�n muy sencilla: las mol�culas de todas las sustancias tienen energ�a que las mantiene en constante movimiento, y que hace que tiendan a desplazarse de los lugares de mayor a menor concentraci�n, llegando a dar una concentraci�n uniforme en todas las partes de una soluci�n al final de cierto tiempo.
Esta energ�a que todas las mol�culas tienen, se puede manifestar en diferentes
formas. Tal vez las m�s claras evidencias se observen al comprimir un gas. Este
procedimiento consiste en forzar una sustancia gaseosa a ocupar un espacio menor
del que ten�an antes; y es tal el estado energizado, que podemos realizar diferentes
tipos de trabajo con la energ�a del gas comprimido; hay herramientas muy variadas
que se impulsan con aire comprimido. Lo mismo sucede con el vapor de agua cuando,
en lugar de dejarlo libre al hervir agua, lo encerramos en un espacio; la presi�n
que alcanza puede ser tan alta que tambi�n con �l podemos realizar un trabajo
utilizando una m�quina de vapor. Exactamente de la misma forma, las mol�culas
de una soluci�n ejercen una verdadera presi�n sobre las paredes del recipiente
que la contiene, por sus constantes choques; no hay diferencia en la manera
como las mol�culas de un gas la ejercen sobre el recipiente que lo contiene.
Figura 21. Equivalencia entre la presi�n de un gas y la de una soluci�n. La presi�n osm�tica se pone f�cilmente de manifiesto cuando las soluciones se colocan en un medio que permite el paso del agua, pero no el de la sustancia disuelta.
Es entonces necesario no perder de vista este concepto: todas las mol�culas de una soluci�n, como las de un gas, tienen una cierta energ�a, y la cantidad de ella depende del volumen que ocupa una cantidad de mol�culas o iones; es obvio que mientras tengamos un mayor n�mero de ellas en un cierto volumen, ser� mayor la cantidad de energ�a. En otras palabras, la energ�a de las mol�culas de una soluci�n depende de la concentraci�n (cantidad por volumen) de ella. Esta energ�a hace que las mol�culas tiendan a difundirse de los lugares de mayor a los de menor concentraci�n, igual que el aire comprimido tiende a escapar del recipiente en que se encuentra almacenado, perdiendo as� energ�a en el proceso. Tambi�n, aunque pueda parecer dif�cil imaginarlo, en el proceso mediante el cual una soluci�n se diluye, hay una liberaci�n de energ�a que en lugar de liberarse podr�a ser aprovechada para realizar un trabajo o cambiarla en otra forma. Lo contrario tambi�n es v�lido; para que un grupo de mol�culas pase de un lugar de menor a uno de mayor concentraci�n es necesario aplicar energ�a al sistema, como si se tratara de comprimir un gas.
Hemos utilizado hasta ahora el t�rmino transporte para designar simplemente al hecho de que, si la mayor parte de las membranas impide el paso de la mayor parte de las sustancias, para atravesarlas, �stas deben ser ayudadas o "transportadas" de un lado al otro; sin embargo, adem�s del impedimento f�sico mismo que una membrana representa, el proceso de transporte tambi�n tiene implicaciones energ�ticas.
TRANSPORTE "ACTIVO" Y "PASIVO"
Durante muchos a�os se habl� del transporte en estos t�rminos; se dec�a que era "activo" cuando depend�a del metabolismo celular y, en general, cuando:
—Una sustancia en general, metabolizable por las c�lulas, como la glucosa, necesitaba de una fuente de energ�a.
—Se inhib�a con los llamados venenos metab�licos o por circunstancias que inhib�an el metabolismo, como la disminuci�n de la temperatura.
Esto apunta hacia un hecho: en algunos casos, el transporte depende del funcionamiento
del metabolismo. Pero �ste sirve, entre otras cosas, para producir energ�a,
y el transporte celular requiere de �sta para funcionar. Esto ya indicaba que
la relaci�n entre el metabolismo celular y el transporte pudiera ser la energ�a
producida en uno y necesaria para mover al otro de los procesos.
Hay otro tipo de transporte "pasivo", que se distingue del activo porque no es sensible a los factores que alteran a �ste. Es el caso, por ejemplo, del transporte de az�car en los eritrocitos o en algunos otros sistemas biol�gicos. Para que �ste tenga lugar, lo �nico que se requiere es que la concentraci�n de az�car en el exterior sea mayor que la del interior. L�gicamente, si la concentraci�n en el exterior es inferior a la interior, el az�car sale en lugar de entrar. Hay as� muchos sistemas de transporte en los cuales las sustancias se mueven sin necesidad de utilizar energ�a, simplemente siguiendo la tendencia natural de la difusi�n, que va del sitio de mayor al de menor concentraci�n.
Son numerosos los sistemas de transporte que tienen una relaci�n de dependencia
absoluta con el metabolismo. En la actualidad sabemos que esa dependencia se
debe al requerimiento de energ�a para el transporte. En su mayor�a, estos sistemas
de transporte son aquellos en que se trata de lograr una mayor concentraci�n
de una sustancia en un lado de una membrana que del otro. Realmente, la relaci�n
entre el metabolismo y el transporte no es otra cosa que la energ�a, y el metabolismo
representa la fuente directa de �sta en las c�lulas, que se requiere para impulsar
el transporte cuando tiene lugar en contra de la tendencia natural de difusi�n
de una sustancia (Figura 23).
Figura 23. Energ�a, transporte y metabolismo. Al degradarse las mol�culas
que intervienen en el metabolismo, se produce energ�a. �sta puede ser utilizada
por los sistemas de transporte para introducir ( o sacar) sustancias de la c�lula.
Aunque hay un n�mero enorme de caminos metab�licos, es decir, de series de transformaciones de unas sustancias en otras en las c�lulas, hay algunas de estas v�as que tienen m�s directamente a su cargo la generaci�n de formas de energ�a seguramente aprovechables por las c�lulas. Unos de ellos, que se encuentra en muchos sistemas biol�gicos es la cadena respiratoria, que se realiza, por ejemplo, en las mitocondrias de todas las c�lulas y en las membranas de las bacterias. El otro est� representado, en su forma m�s sencilla, por un camino que degrada la glucosa para convertirla en �cido l�ctico o en alcohol, a trav�s de una serie de pasos que dan como resultado una mol�cula que es f�cilmente aprovechable por algunos sistemas de transporte de las c�lulas, y cuyas caracter�sticas veremos m�s adelante.
La cadena respiratoria recibe ese nombre porque consiste en un complicado sistema de mol�culas que toman �tomos de hidr�geno y electrones de diferentes sustancias que las c�lulas obtienen de la degradaci�n de los materiales con los que se nutren. A trav�s de los componentes de la cadena respiratoria, estos hidr�genos y electrones viajan hacia el ox�geno, con el cual se combinan al final. En cierta forma, este proceso puede verse como la manera en la que las c�lulas llevan a cabo la combinaci�n del ox�geno con el hidr�geno para formar agua, y es realmente lo que constituye la respiraci�n celular. Pero en el proceso se puede obtener una cantidad muy grande de energ�a derivada, en t�rminos muy sencillos, de la gran tendencia que tiene el hidr�geno para unirse con el ox�geno, que todos conocemos.
La cadena respiratoria se realiza precisamente en las membranas de las mitocondrias
de las c�lulas, o en la membrana externa de las bacterias. Como puede verse
en la Figura 24, cuando los �tomos de hidr�geno o en algunas partes de la cadena,
los electrones que provienen de ellos viajan hacia el ox�geno, liberan una cantidad
de energ�a, que en lugar de disiparse, se utiliza para mover hidrogeniones (H+)
de un lado al otro de las membranas.
Figura 24. La cadena respiratoria. Las mol�culas provenientes del metabolismo
ceden pares de �tomos de hidr�geno que liberan energ�a al combinarse con el
oxígeno. Esta energ�a no se desperdicia, sino que se utiliza para mover
protones (hidrogeniones) hacia un lado de la membrana.
Como se indica en la figura, este transporte de H+ (hidrogeniones) representa en gran medida la forma de "atrapar" o convertir la energ�a derivada de la tendencia natural de los electrones a llegar al ox�geno, en otra forma de energ�a, la diferencia de concentraci�n de los H+ en ambos lados de la membrana. La tendencia natural de los hidrogeniones que se han concentrado de un lado de la membrana representa una nueva forma de energ�a, que luego puede ser aprovechada para mover a otras sustancias, como se ver� m�s adelante.
Dentro del grupo de acarreadores directamente ligados a las fuentes de energ�a,
hay uno que tiene un inter�s muy especial: la bacteriorrodopsina. �sta es una
mol�cula que existe en algunas bacterias y es capaz de generar el movimiento
de H+ de un lado a otro de la membrana, creando tambi�n una diferencia de concentraci�n
de esta especie qu�mica, pero para ello basta que se le ilumine; es decir, puede
aprovechar directamente la energ�a luminosa para mover y producir diferencias
de las concentraciones de los H+ (Figura 25).
El ATP (adenos�n trifosfato) es una sustancia que existe en todos
los seres vivos y tiene una gran importancia porque funciona como fuente directa
de energ�a para muchos procesos.
Hay motores que funcionan con gasolina y otros que lo hacen con diesel, o hay m�quinas de vapor que utilizan carb�n o le�a como combustible. A todos nos queda claro que no es posible hacer funcionar un motor de gasolina con diesel ni al rev�s. La raz�n es muy simple: el dise�o de las m�quinas es tal que los combustibles no son intercambiables. De la misma forma, las c�lulas no pueden utilizar directamente hidr�geno ni glucosa para mover, por ejemplo, sus sistemas de transporte. Para muchos de ellos, y para otros, las c�lulas requieren de un combustible especial y s�lo �ste les puede proporcionar directamente la energ�a que requieren para moverse. Este combustible se llama ATP, abreviatura qu�mica que significa adenos�n trifosfato.
El ATP es una mol�cula que tiene en su composici�n tres mol�culas
de fosfato unidas entre s�, pero que en su enlace tienen una gran cantidad de
energ�a, utilizable por diversos sistemas. Cuando el ATP empleado
por enzimas u otros sistemas adecuados se rompe, se produce ADP (adenos�n
difosfato) y una mol�cula de fosfato, como se muestra en la Figura 26, liber�ndose
en ese proceso la energ�a contenida en el enlace. Hay muchos sistemas biol�gicos
que pueden descomponer el ATP, que se llaman ATPasas,
pero todos tienen en com�n la capacidad de utilizar la energ�a del enlace del
�ltimo fosfato de la mol�cula para diferentes fines.
Figura 26. La estructura del ATP (adenos�n trifosfato). La energ�a se produce
al romperse para dar ADP (adenos�n difosfato) y fosfato inorg�nico (Pi).
En la Figura 27 se muestra un tipo diferente de transporte primario utilizando
como fuente de energ�a el ATP. Las c�lulas cuentan con mol�culas
o sistemas de ellas capaces de mover iones a trav�s de las membranas, empleando
esta energ�a de la ruptura de los fosfatos del ATP (figura 27).
Hay toda una familia de prote�nas que se encuentran en muy diferentes sistemas
biol�gicos que reciben el nombre gen�rico de ATPasas, es decir,
enzimas que rompen el ATP; muchas de ellas tienen esta propiedad,
usando la energ�a de su ruptura (hidr�lisis), para transportar iones de un lado
a otro de las membranas.
Figura 27. Las ATPasas o "bombas" del transporte. Estas son enzimas que pueden mover iones a trav�s de las membranas biol�gicas utilizando la energ�a de la hidr�lisis (ruptura) del ATP. Por este mecanismo pueden crear diferencias enormes de concentraci�n y de carga el�ctrica a los lados de la membrana.
Como ejemplo tenemos los siguientes:
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ATPasa de H+
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Para mover protones (H+)
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ATPasa de Na — K
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Para mover sodio y potasio.
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ATPasa de Ca2+
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De esta forma, mediante varios mecanismos las c�lulas se valen de componentes enclavados en sus membranas, y pueden realizar el movimiento de diferentes sustancias, generalmente iones, y ello les permite establecer una liga efectiva entre sus procesos metab�licos y el transporte. En esencia, los mecanismos de transporte que se han se�alado hasta ahora no significan otra cosa que la conversi�n de la energ�a metab�lica o hasta la luminosa en otro tipo: diferencias de concentraci�n a trav�s de las membranas, que luego pueden ser aprovechadas para mover a otras sustancias o con otros fines. Nuevamente es necesario no olvidar que las diferencias de concentraci�n de las sustancias a ambos lados de una membrana representan una forma eficaz de energ�a, que puede ser utilizada para muchas otras funciones.
Hemos considerado la posibilidad de que se movilicen sustancias, y hemos hablado de la energ�a que esos movimientos implican, porque �stas tienen una concentraci�n en un lado de la membrana y otra en el opuesto. Sin embargo, como en los casos que acabamos de revisar, adem�s de existir una diferencia de concentraci�n de una sustancia cualquiera, resulta que �sta tiene una carga el�ctrica; de inmediato es claro que no es lo mismo tener una diferente concentraci�n de glucosa a ambos lados de una membrana, que tener la misma diferencia de concentraci�n de Na+. Aunque en ambos casos esta diferencia de concentraci�n significa tambi�n una diferencia de energ�a en ambos lados, en el caso del ion sodio hay adem�s una diferencia en la cantidad de cargas y esto significa un componente adicional en la energ�a del sistema: la energ�a el�ctrica. De esta forma, al hablar del movimiento de sustancias con carga el�ctrica, hay que considerar dos elementos desde el punto de vista de lo que eso significa: la diferencia de concentraci�n y la diferencia de la cantidad de cargas a ambos lados de la membrana. Para que se desplace una part�cula cargada, �sta debe estar influida por la diferencia de cargas que casi siempre existe en ambos lados de las membranas y viceversa, al moverse modifica el estado de equilibrio que exist�a.
Es as� como se entiende la relaci�n entre la energ�a y el transporte. Las diferencias de concentraci�n de las sustancias representan estados energizados, de la misma forma que hay energ�a en el aire de una llanta que se encuentra a mucha mayor presi�n que la del medio ambiente, o en el agua de un tanque que se encuentra en el techo de un edificio. Para llegar a obtener las diferencias de concentraci�n se requiere de energ�a, y estas diferencias alcanzadas representan otra forma de energ�a en la que la primera se ha convertido, compuesta una parte por las diferencias de concentraci�n, y la otra por las diferencias en la cantidad de cargas el�ctricas. Para todas las sustancias que existen a un lado y al otro de una membrana, esta suma es lo que se llama el potencial electroqu�mico.
LOS TRANSLOCADORES SECUNDARIOS
A diferencia de los translocadores primarios, que est�n directamente conectados con las fuentes de energ�a de las c�lulas y son capaces de mover iones utiliz�ndola directamente, hay otra especie, la de los translocadores secundarios, que no tienen, por as� decirlo, acceso directo a las fuentes de energ�a, y desplazan sustancias a trav�s de las membranas por otros medios; el caso m�s sencillo de �stos es tal vez el de un acarreador que simplemente puede reconocer a una mol�cula y permitirle el paso de un lado al otro de la membrana, de acuerdo con la diferencia de su concentraci�n en ambos lados. En realidad, �ste es casi un caso de difusi�n, pero como no ocurre de manera libre a trav�s de la membrana, se le llama de difusi�n facilitada. As� ocurre el transporte de glucosa en algunas levaduras.
En estas c�lulas, la glucosa se transporta sencillamente de un lado al otro de la membrana, facilitada por la presencia del acarreador; seg�n su diferencia de concentraci�n la glucosa penetra si est� m�s concentrada en el exterior que en su interior, pero puede darse el caso de que la concentraci�n en el interior sea superior a la de afuera; en estas condiciones, el az�car sale de la c�lula. Existe un sistema de transporte semejante para la glucosa en las levaduras, que habitualmente se utilizan para fermentar medios, como el mosto en la producci�n del vino, que contienen altas concentraciones de az�car. Este es un caso de transporte de acuerdo con el gradiente o diferencia de concentraci�n, y, por su semejanza con la difusi�n, se le llama difusi�n facilitada; es decir, la sustancia ve favorecida su entrada (o salida) por la presencia del acarreador en la membrana, pero se desplaza en realidad por las condiciones energ�ticas propias, que derivan de sus diferencias de concentraci�n en ambos lados de la membrana.
Hay otro caso que no es tan sencillo, pero semejante al anterior, y que se
refiere al movimiento de una sustancia, aparentemente en contra de su tendencia
natural, con menor concentraci�n de un lado de la membrana, y con una mayor
concentraci�n del otro. Este tipo de sistemas se encuentra en muchos seres vivos,
y como ejemplo se observa en las mitocondrias de algunas c�lulas: el Ca2+
puede penetrar a las mitocondrias, aun cuando en el interior se
encuentre m�s concentrado, de acuerdo con el mecanismo que se representa en
la Figura 28. La mitocondria tiene un sistema para bombear protones o hidrogeniones
(H+) al exterior, y ello resulta de la generaci�n
de un potencial el�ctrico, negativo en el interior. El Ca2+,
un cati�n o ion con carga positiva, se ve atra�do al interior de la mitocondria,
de tal manera que con la sola presencia de un sistema de transporte que facilite
su entrada, puede traspasar la membrana y acumularse con una mayor concentraci�n
que afuera. Este es un sistema de transporte que se parece much�simo a la valinomicina,
s�lo que utiliza otro ion. Tambi�n se representa en la Figura 28 el caso semejante
del sistema para acumular potasio en la levadura. Estos dos sistemas descritos
son lo que se conoce como uniportadores, es decir, sustancias que trasladan
una sola sustancia o ion de un lado al otro de la membrana a la vez.
Figura 28. Uniportadores que tienen la capacidad de acumular iones en un lado de una membrana, aprovechando una diferencia de potencial el�ctrico. Los iones se acumulan impulsados por la diferencia de carga que una ATPasa o "bomba", ha generado previamente. El fen�meno es semejante a la difusi�n facilitada, pero en �l influye adem�s una carga del ion y la diferencia de potencial a los lados de la memebrana.
Hay otras sustancias que se pueden acumular en las c�lulas gracias a la existencia
de otros sistemas de transportadores secundarios: los simportadores, o cotransportadores,
como el que se representa en la Figura 29. Se muestra como ejemplo el caso de
la acumulaci�n de glucosa por las c�lulas intestinales, aun en contra de su
diferencia de concentraci�n, pero aprovechando que en el intestino hay una concentraci�n
mayor de Na+ que dentro de las c�lulas. Esta
diferencia de concentraci�n proviene del funcionamiento de un translocador primario
que expulsa al sodio al exterior. Habiendo as� una mayor concentraci�n de sodio
en el exterior, �ste muestra una tendencia natural a entrar; hay entonces un
sistema de transporte que la aprovecha, pero oblig�ndolo a entrar s�lo si se
acompa�a de una mol�cula de glucosa; de esta forma, se logra que la mol�cula
no s�lo penetre, sino que se pueda aprovechar y acumular, aun cuando las concentraciones
exteriores sean muy bajas, o al menos menores que las del interior de las c�lulas.
Hay un sistema semejante de transporte que aprovecha en la levadura y en la
mitocondria, por ejemplo, la diferencia de concentraci�n de H+,
para introducir un fosfato. Tambi�n aqu� se aprovecha la tendencia natural del
hidrogeni�n (H+) a entrar, para obligarlo a
que, en cierta forma, empuje con �l a un fosfato.
Figura 29. Simportadores. Son sistemas de transporte que permiten a las
c�lulas concentrar algunos materiales, aprovechando las diferencias de concentraci�n
que hay de otros.
Hay todav�a otro tipo de transportadores secundarios llamados antiportadores o intercambiadores; en el caso de �stos, una sustancia tambi�n se puede acumular dentro de una c�lula o una part�cula subcelular. El fosfato puede acumularse en una mitocondria por el mecanismo que ya se�alamos en el p�rrafo anterior; pero ahora, la mitocondria tiene la necesidad de acumular otra sustancia para su metabolismo llamada malato; para ello hay un sistema de transporte capaz de intercambiar un fosfato de adentro por un malato de afuera, y de esta forma satisfacer la necesidad del segundo. En las mitocondrias de algunas c�lulas en especial ha sido posible describir lo que se llama una "cascada" de intercambios, en la cual se acumula primero fosfato, que luego se puede intercambiar por malato, y despu�s �ste se puede intercambiar por citrato.
Los sistemas de transporte as� organizados se vuelven extraordinariamente vers�tiles. No es necesario que las c�lulas tengan un translocador primario conectado a las fuentes de energ�a en forma directa para acumular a cada uno de ellos. Basta con uno de estos translocadores primarios para mover a muchas sustancias e inclusive acumularlas.
Por otra parte, la acumulaci�n de algunos iones, de los cuales el m�s importante
es el potasio, sirve a las c�lulas como una forma de energ�a aprovechable especialmente
para el transporte. Las c�lulas animales, por ejemplo, tienen la llamada bomba
de sodio-potasio, que funciona como se se�ala en la Figura 30. Utilizando la
energ�a del ATP, puede expulsar tres �tomos de sodio y acumular
dos de potasio. De esta forma, por un lado cuentan con un gradiente de concentraci�n
de sodio y otro de potasio, y adem�s un potencial negativo en el interior. Todos
estos componentes que resultan de la operaci�n de un solo translocador primario
tienen luego importancia extraordinaria, no s�lo en los fen�menos de transporte
como tales, sino en un buen n�mero de funciones celulares, algunas de ellas
muy especializadas en algunos casos (v�ase m�s adelante).
Figura 30. La bomba de Na+ y K+.
Esta enzima, aparentemente tan sencilla, es de gran importancia para las c�lulas.
Se le ha encontrado en todos los tejidos animales y es responsable de numerosas
capacidades adicionales de transporte, adem�s de que mantiene la elevada concentraci�n
de K+ que las c�lulas requieren en su interior
para funcionar adecuadamente.
Este sistema de transporte es esencial para el buen funcionamiento de �rganos tan importantes como el sistema nervioso central y el coraz�n. En este �ltimo �rgano se encontr� hace much�simo tiempo que los extractos de algunas plantas del g�nero Digitalis mejoraban el estado de los pacientes con insuficiencia cardiaca. Al estudiar esta enzima hace algunos decenios, se encontr� que las sustancias contenidas en estos extractos ejercen su efecto curativo inhibiendo a la enzima. Parece que esta inhibici�n altera las condiciones de las c�lulas da�adas en tal forma que les permite recuperar la capacidad de contracci�n.
