TRANSPORTE BIOLÓGICO por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico numerario

Es corriente que la ingesta de los fármacos se efectúe sin atender a la especificidad de su acción, ni su adecuación a la necesidad del organismo. Con o sin prescripción profesional, se ingiere. No se toman precauciones. Se piensa de forma generalizada que una sustancia ingerida sabe donde tiene que ir, como tiene que alcanzar su objetivo y, en todo caso, que su exceso o inadecuación son inocuos y que el organismo no se ve afectado por su presencia indeseable en las inmediaciones celulares, porque en todo caso, las células no implicadas no se van a ver afectadas. Nada más lejos de la realidad. Cualquier ingesta de cualquier molécula, no es ni gratuita ni inocua. Las células se ven afectadas de alguna forma y los mecanismos que se disparan dependen de muchos factores, también de los mecanismos de transporte que conviene conocer, aunque fuere someramente, para intuir cuales son las consecuencias conjeturables de la incorporación al sistema de transporte celular de cualquier molécula por recomendable que pudiera parecer. Esos conjunto de pastillas que conforman un arco iris por las coloraciones con las que se disimula su “fealdad”, una vez ingeridas, pasan a estar fuera de control y se convierten en pasto de mecanismos de reacción en los que las fuerzas operantes con potenciales  eléctricos, concentraciones en membranas celulares, entornos en los que se desenvuelven las células y una especie de pandemia generalizada en la que todas juegan con sus propias armas, unas favorables y otras de riesgo evidente. La ignorancia no es nunca buena consejera. En esta faceta, menos que en otras.

Las células son sistemas bien definidos, estables, que intercambian con el exterior materia y energía. Esa comunicación es imprescindible para los procesos básicos de nutrición y excreción, además de otros que pueden desarrollar. Las proteínas son las que constituyen los sistemas de transporte, configurando poros selectivos por los que tiene lugar el paso de sustancias e incluso intervienen facilitando la entrada y/o la salida cuando la célula lo requiere. La velocidad con la que se mueven las sustancias a nivel celular tiene que ver con funciones que ejercen las proteínas que gobiernan con su afinidad los propios procesos de acarreo que constituyen los mecanismos de funcionamiento del transporte celular.

No se conocen con demasiado detalle los procesos implicados. Una proteína, que estructuralmente es una concatenación de aminoácidos, reconoce y selecciona el paso de sustancias. Solamente se dispone de modelos conjeturados a partir de datos que conforman aspectos parciales que incitan a más y más extensos estudios, tanto teóricos como experimentales. Una fuente de información importante son las investigaciones utilizando antibióticos.  No son sistemas de transporte, pero se comportan de forma parecida. Los producen ciertos microorganismos y actúan sobre seres vivos alterando su funcionamiento e incluso provocando su muerte. La penicilina es un excelente ejemplo ya que bloquea la síntesis de la cápsula que cubre la membrana celular de muchas bacterias, con lo que carente de ella se vuelven frágiles y no son capaces de responder a la presión del contenido celular sobre la membrana, induciendo la lisis y, por ende, desencadenando la muerte celular. Aquellos antibióticos que actúan sobre bacterias y son inocuos para los humanos o, en general, los animales, resultan útiles  para tratar enfermedades provocadas por aquéllas. Otros antibióticos, en cambio, son tóxicos  y resultan inducir la muerte, no solo de las bacterias, sino de las células animales o humanas. Incluso, hay que concluir que es lógico, siendo como son los antibióticos las auténticas armas con las que unas bacterias logran predominar sobre otros seres vivos, similares o no. Son sustancias que forman parte de los mecanismos de defensa. Habría que suponer, de forma bastante aproximada, que no hay antibióticos que no sean tóxicos, en alguna medida, para los animales en general y los humanos en particular. En todo caso, unos y otros, en especial los que resultan ser tóxicos, permiten estudiar y explicar los mecanismos implicados en su toxicidad y han revelado datos interesantes sobre los mecanismos de transporte biológico.

Moore y Presman estudiaron en 1964 la valinomicina implicada en la salida de potasio de las mitocondrias de las células del hígado de rata, que suponía alteraciones severas en el funcionamiento de aquéllas. A partir de aquí se extendió el estudio a otros sistemas biológicos. El efecto tóxico se explicó a partir de que la valinomicina tenía una estructura en forma de rosca, hidrofóbica en la parte externa e hidrofílica en la interna y que justamente la luz, el diámetro del cilindro interior era, con bastante exactitud, el del íón potasio. Ahora bien, como el ión potasio está envuelto en una esfera de coordinación de moléculas de agua, no cabe y no puede atravesar la membrana. Pero la valinomicina rodea al ión potasio y como la parte de fuera es hidrofóbica desprende las moléculas de agua y el ion potasio puede atravesar la bicapa de un lado al otro.  Si las mitocondrias se encuentran en un medio en el que no hay iones potasio, como las células si lo contienen en su interior, la valinomicina lo toma del interior y lo lleva al exterior. Hace de transportador de potasio. SI el potencial eléctrico es negativo en el interior de la célula, el antibiótico introduce iones potasio y hace que la concentración de potasio en el interior supere a la del exterior. El orificio interior de la valinomicina es la que actúa selectivamente con los iones potasio y genera una afinidad muy superior a la que tiene con el sodio, por ejemplo, porque en este caso, al ser un ión de tamaño inferior, la fijación es más débil y no lo transporta con la misma eficiencia. Si fueran iones de mayor tamaño, simplemente no caben. Al disponer la capa hidrofóbica en el exterior, la valinomicina se fija a la membrana ocupando la región hidrofóbica. Esto facilita la captura de los iones potasio del exterior, los mueve en el interior de la bicapa y los suelta hacia el lado de menor concentración. Si existe una diferencia de potencial eléctrico entre las dos caras de la membrana, soltará el ion potasio en la cara de la membrana en la que el potencial es negativo, pese a que la concentración pudiera ser mayor, con lo que contribuye a acumular el ión.

Otro antibiótico estudiado fue la gramicidina. Esta molécula es una cadena lineal de aminoácidos y actúa como ionóforo. Varias moléculas de gramicidina se acomodan enroscándose y forman una especie de túnel que cruza la membrana formando un poro con un tamaño que permite el paso de iones. La nistadina o la filipina forman poros mayores y permiten el paso de sustancias mayores que los iones. Básicamente, se puede concluir que los antibióticos permiten pasar a través de la membrana celular las sustancias de pequeño tamaño, pero no las proteínas ni otras moléculas mayores.

El modelado de estos poros o canales se ha concebido como un sistema de transporte rápido que implica un flujo a través de un túnel. Habría una entrada o filtro que discrimina las sustancias a escoger. Se distingue, como hemos visto, entre ión sodio y potasio, pese a que la única diferencia es el tamaño. Se concibe también una especie de compuerta que abre o cierra el paso de los iones. La simplicidad de los modelos que inducen los experimentos con antibióticos no alcanzan la complejidad de otros mecanismos. Por ejemplo, se han diseñado modelos en los que la proteína situada en la membrana tiene un lugar capaz de reconocer las sustancias que han de transportar, algo similar al mecanismo de actuación de las enzimas que ofrecen el sitio activo en el   que el sustrato se coloca. El mecanismo es similar al de los poros, aunque el paso a través de la membrana ahora se revuelve para desplazar el ión o induce movimientos peristálticos para transportar la sustancia de un lado a otro. Son procesos más lentos que los de los poros. No se conoce tanto detalle en este tipo de transportadores.

 

Los mecanismos de transporte suponen el intercambio de materiales de la célula con el medio que le rodea. Algunas moléculas como los antibióticos, hemos visto que actúan como mecanismos de transporte y, al tiempo, pueden matar a las células. La nistatina y la filipina hacen salir todas las moléculas o iones pequeños, por ejemplo. La selectividad es decisiva e implica el reconocimiento de forma individual de las moléculas o iones necesarios. Los sistemas transportadores de fosfatos, son específicos y no lo hacen con cloruros, ni sulfatos ni otros aniones. Pero también ocurre que iones similares como los arseniatos, altamente tóxicos, puede confundir al sistema y pasar por fosfatos. Con los azúcares ocurre algo parecido en el intestino delgado, aunque la velocidad del transporte es diferente según se trate.

 

La concentración también es un factor determinante. En medios muy pobres hay microorganismos que pueden sobrevivir, cuando los sistemas de transporte son muy eficientes transportando las sustancias nutritivas que están en concentraciones escasas en el medio. A veces se dan microorganismos que disponen de varios mecanismos de transporte para la misma sustancia. Un caso es las levaduras, ya que en un medio rico en potasio el mecanismo pone en juego una afinidad relativamente baja, mientras que si el medio es pobre la afinidad que desarrolla es muy elevada, hasta tres órdenes de magnitud la del caso anterior. Incluso es posible advertir la existencia de un sistema de control en la célula capaz de decidir que el transporte que requiere mayor afinidad, solo se desarrolla si previamente ha tenido lugar una situación de escasez, por ejemplo en potasio. Los sistemas que desarrollan mayor afinidad presentan velocidades menores y viceversa. Cuando hay interacción entre la sustancia a transportar y el transportador, la velocidad aumenta con la concentración. La velocidad no es ilimitada, nunca, dado que cuando se satura el sistema, la velocidad alcanza su límite.

 

Probablemente los sistemas de transporte fueron los primeros componentes de la membrana, ya que son determinantes para la propia existencia de las células. Los primeros seres, microorganismos que poblaron el planeta debieron actuar en medios ricos en materiales. Se tuvieron que especializar cuando el transporte debiera ser de materiales escasos. Estaba la supervivencia en juego. Hay sistemas de transporte que, solamente, aparecen cuando hay materiales a trasportar. El mecanismo de control regula la síntesis del transportador de alta afinidad, para no dilapidar energía la célula.

 

La especialización de los sistemas de transporte es de tal naturaleza que al avanzar la evolución surgieron las adaptaciones que permitían afrontar funciones muy especializadas, como las transmisiones nerviosas. Los receptores no son más que sistemas de transporte con capacidades de reconocimiento de ciertas moléculas, poniendo en juego afinidad y especificidad. La secuencia pudo ser que las células modificaron los sistemas originales de transporte para crear los receptores, lograr capacidad de comunicación y a partir de ahí construir sistemas de control. Las neuronas estarían comprendidas en esta categoría. Los sentidos, gusto y olfato, son el último peldaño evolutivo, capaces de detectar moléculas, disueltas o volátiles que les hace singulares en la escala evolutiva. Pero todo comenzó en los sistemas de transporte biológico. ¡Química!, ¡Pura química! Fascinante.