QU� SON Y PARA QU� SIRVEN LAS MEMBRANAS
Es un hecho perfectamente conocido que todos los seres vivos se encuentran protegidos por una cubierta que les sirve de aislante del medio ambiente contra los golpes, contra los cambios bruscos de temperatura, para evitar la p�rdida de materiales, etc. Los animales tienen la piel, los �rboles una corteza, las hojas una cut�cula. Esto, que es claramente visible en el caso de los organismos, no lo es en el caso de los microorganismos o las c�lulas; de hecho, no lo fue sino hasta hace relativamente poco cuando se demostr� que todas las c�lulas est�n recubiertas de una membrana que las a�sla y las protege del medio ambiente.
Aunque hay estructuras que pueden considerarse "vivas", como los virus, que no est�n recubiertos de una membrana, �stas no son formas de vida independiente: los virus deben encontrarse dentro de una c�lula para manifestar las caracter�sticas de los seres vivos.
LAS MEMBRANAS COMO FRONTERAS ACTIVAS
Es posible que el primero de los seres vivos generado en este mundo requiriera ya de una membrana, al menos para que sus componentes no se disgregaran en el medio en el cual viv�a, pero tambi�n para aislarlo del exterior. El medio interno de cada c�lula debe ser m�s o menos constante, y tampoco es conveniente que los componentes del exterior penetren. Fue as� que de alguna manera se seleccionaron sustancias adecuadas para estructurar las membranas; se escogieron sustancias del tipo de las grasas (los llamados fosfol�pidos) para envolver a las c�lulas en una capa impermeable al agua y mol�culas semejantes, como se explicar� m�s adelante.
Con el descubrimiento del microscopio ya fue posible definir los componentes de las c�lulas y demostrar que todas se encuentran rodeadas por una membrana. Durante mucho tiempo se pens� que la membrana era simplemente una envoltura, sin otro objetivo que mantener a las c�lulas aisladas del exterior; sin embargo, resultaba claro que una membrana que mantuviera a una c�lula aislada del exterior en forma absoluta ser�a una estructura absurda, del mismo modo que lo ser�a un muro que aislara una casa y no tuviera salidas, o la frontera totalmente cerrada de un pa�s. Una c�lula, una casa y un pa�s requieren importar algunos materiales y deshacerse de otros. No son raros los casos en que las membranas deben realizar algunas funciones para obtener y concentrar, o atesorar materiales para la c�lula, que se encuentran en concentraciones escasas en el exterior. Este puede ser el caso, por ejemplo, de algunos az�cares, sales u otros materiales. Una gran cantidad de estudios realizados principalmente durante este siglo hicieron cambiar la idea de que las membranas eran estructuras que s�lo serv�an para aislar a las c�lulas del exterior, para concebirlas como envolturas activas, que entre una de sus muchas funciones tienen la de proporcionarles los elementos necesarios o eliminar los da�inos para vivir, pero que adem�s est�n dotadas de una enorme cantidad de funciones, algunas de las cuales son altamente especializadas y complicadas, como veremos en el curso de los cap�tulos subsiguientes de este libro.
El transporte es en una de las funciones m�s importantes de las c�lulas, y
debe realizarse a trav�s de las membranas, gracias a que poseen mol�culas complicadas
o grupos bien organizados de ellas que est�n encargadas de permitir —de
manera selectiva y cuidadosa— el paso de sustancias en un sentido o en otro
(hacia el interior o hacia el exterior), utilizando en todos los casos conocidos
a las prote�nas como las mol�culas destinadas a realizar tan delicada funci�n.
Figura 1. Las membranas, siendo esencialmente impermeables, deben contar
con sistemas de comunicaci�n e intercambio con el exterior. Unos son poros,
canales o transportadores que permiten el paso de sustancias; otros son receptores,
que reciben, se�ales del exterior.
Una de las caracter�sticas centrales de las membranas biol�gicas es que en su composici�n intervienen las prote�nas, cuyas funciones son, entre otras, acarrear o transportar, porque son mol�culas que con una gran selectividad regulan el paso de los elementos que entran y salen, de la misma manera que en la frontera de un pa�s se vigilan los productos de importaci�n y exportaci�n. Algunos de los componentes de los sistemas de transporte desempe�an funciones tan complicadas que est�n formados por varias mol�culas de prote�nas. Con frecuencia deben relacionarse con los sistemas de transformaci�n de energ�a de las c�lulas, para que �sta les permita realizar esfuerzos, por ejemplo, lograr en el interior de la c�lula una concentraci�n elevada de iones de potasio, az�cares u otros materiales nutritivos, con una escasa concentraci�n de ellos en el exterior.
LA DIVERSIDAD DE LAS MEMBRANAS
Pero no s�lo existen membranas para recubrir la superficie de las c�lulas;
tambi�n hay otras para aislar ciertas estructuras de su interior, como el n�cleo,
u otras que contienen enzimas o componentes que deben mantenerse reunidos, pero
separados del resto de la c�lula, en los lisosomas. Hay tambi�n membranas especializadas,
necesarias para que la c�lula realice determinada funci�n, como en el caso de
las mitocondrias o los cloroplastos, tema que abordamos m�s adelante. Otras
estructuras son las vacuolas que almacenan materiales y regulan su concentraci�n
en el resto de la c�lula; las c�lulas poseen tambi�n sistemas completos como
el ret�culo endopl�smico, el aparato de Golgi, etc., organizados todos ellos
con sistemas membranales.
Figura 2. Estructuras membranosas de las c�lulas. Muchos de los organ�los
y otras formaciones de las c�lulas requieren para su funcionamiento de una estructura
membranosa, que no es diferente esencialmente de la membrana externa que la
recubre.
Las membranas, formadas originalmente como envolturas con capacidad para aislar a las c�lulas, y para intercambiar materiales con el exterior, pudieron evolucionar para realizar funciones muy diversas.
Uno de los problemas centrales de los organismos, como de cualquier sistema activo de la naturaleza, es el empleo de la energ�a. A trav�s de los siglos, las c�lulas de los seres vivos tuvieron que desarrollar sistemas para capturar energ�a del medio y transformarla para ser utilizada por ellos. Por alguna circunstancia, se desarrollaron estructuras membranosas para este fin. Actualmente todos conocemos la funci�n de los cloroplastos, que tienen estructuras formadas por membranas cerradas, capaces de realizar la s�ntesis de glucosa a partir de sus componentes, utilizando la energ�a solar, de acuerdo con la siguiente reacci�n:
6CO2 + 6H2O + energ�a ® C6H12O6 + 6O2
Bi�xido de carbono + agua + energ�a ® az�car + ox�geno
Pero el az�car producido por esta reacci�n —y puede decirse que es una forma de almacenar la energ�a del sol en una forma utilizable por los seres vivos— pod�a ser utilizado por las c�lulas de las mismas plantas y de otros organismos. Fue entonces que surgi� otro sistema para invertir la reacci�n y producir energ�a utilizable a partir de los az�cares, para que las c�lulas realizaran todas las funciones que, seg�n su tipo, requirieran. Este sistema fue la mitocondria, cuya estructura membranosa tambi�n es cerrada, o un sistema semejante para las bacterias, basado en la existencia de la membrana, capaz de efectuar la reacci�n siguiente:
Az�car + ox�geno ® bi�xido de carbono + agua + energ�a
LA COMUNICACI�N ENTRE LAS C�LULAS
Las c�lulas aisladas de los organismos primitivos evolucionaron para constituir los organismos pluricelulares; �sto se acompa�� de cambios muy importantes que, dentro de las modificaciones generales, ocurrieron tambi�n en las membranas. Fue necesario desarrollar sistemas de reconocimiento, de adhesi�n y de comunicaci�n entre las c�lulas de los organismos. Se requiri� incorporar nuevas mol�culas, como los carbohidratos, para lograr, en primer lugar, la adhesi�n, pero tambi�n el reconocimiento de las c�lulas que se un�an a otras, y �sta fue una nueva funci�n de las membranas. Sin embargo, tambi�n debi� resolverse el problema de la intercomunicaci�n; para ello aparecieron peque�as mol�culas, que eran los mensajes. Modificando luego algunos sistemas de transporte, se produjeron los receptores de esos mensajes. Los receptores, que es como se les conoce, tambi�n son prote�nas complicadas, capaces de captar mensajes del exterior, transmitirlos y, en ocasiones, procesarlos antes de introducirlos a la c�lula.
Las primitivas asociaciones de c�lulas, que todas eran iguales, evolucionaron y se formaron luego diferentes tejidos dentro de cada organismo. Los tejidos se reunieron para formar �rganos y, a partir de ellos, se formaron aparatos y sistemas. Al existir �stos, se establecieron jerarqu�as, muy diversas interacciones y, finalmente, sistemas de control y regulaci�n. Se formaron las gl�ndulas y un sistema maestro de control. Estos sistemas de control requirieron tambi�n, entre otras cosas, de la modificaci�n y adecuaci�n de las membranas de las c�lulas en las cuales resid�an. Hubo necesidad de sistemas receptores m�s capaces para reconocer, procesar y retransmitir se�ales, algunas de ellas a distancias enormes, si se toma en cuenta la dimensi�n de las c�lulas emisoras y receptoras.
El sistema nervioso se desarroll� y despu�s se perfeccion� para procesar tambi�n un n�mero cada vez mayor de se�ales e interacciones de sus neuronas. Se convirti� en un complicad�simo sistema de intercomunicaci�n, no s�lo entre las neuronas, sino con el resto de los �rganos, capaz de transmitir se�ales y procesarlas, hasta llegar a integrar complicados circuitos que se encargaran de generar respuestas a los cambios del medio ambiente. Esto se realiz� sin unir f�sicamente a las neuronas. Los mecanismos de transmisi�n evolucionaron, modificando y perfeccionando los componentes de las membranas de las neuronas. Nuevamente se ech� mano del viejo modelo de los sistemas de transporte y se les perfeccion�.
Con el desarrollo de nuevos sistemas, la membrana tuvo a su cargo la base principal de la funci�n nerviosa: la intercomunicaci�n. Al mismo tiempo, fue necesario contar con sistemas eficaces para la recepci�n de diferentes est�mulos del exterior, como la luz, el sonido, la presencia de mol�culas vol�tiles, etc. El mismo sistema nervioso hubo de modificarse dando lugar al desarrollo de los �rganos de los sentidos. Algunas neuronas se modificaron e incorporaron nuevos componentes; el caso m�s notable tal vez sea el de las mol�culas sensibles a la luz. Por la simple adici�n de �stas y las mismas propiedades b�sicas de las neuronas originales, se desarrollaron diferentes formas del sentido de la vista; en algunos casos, es posible hasta percibir colores. Cambios semejantes dieron lugar al desarrollo del olfato, el gusto, el o�do, etc�tera.
Finalmente, con el desarrollo del sistema nervioso, partiendo del mismo mecanismo b�sico de intercomunicaci�n, se tuvo la capacidad de procesar se�ales cada vez m�s complejas, y se afinaron la sensaci�n y la percepci�n. Pero lo m�s importante es tal vez que se desarroll� la aptitud de generar se�ales y circuitos propios; los animales adquirieron la capacidad de pensar y la de la decisi�n propia, la voluntad. De la percepci�n inicial de las sensaciones f�sicas y mecanismos simples de respuesta a los cambios del medio ambiente, se realizaron modificaciones que se antojan casi m�gicas y surgieron finalmente los sentimientos, el gusto por el arte, la literatura, la m�sica, etc. Todo formado por un complicado sistema de c�mputo, basado en la transmisi�n de impulsos nerviosos de unas neuronas a otras.
LO QUE SABEMOS Y LO QUE NO SABEMOS
Es explicable, por lo tanto, el inter�s que las membranas han despertado desde hace mucho tiempo y el grado enorme de complicaci�n de los elementos que intervienen en su composici�n, lo que ha dado lugar al estudio de cada fen�meno durante largos a�os por numerosos grupos de investigadores de todo el mundo. As�, se ha acumulado un acervo enorme de conocimientos, al grado de que ya nadie tiene la capacidad de manejarlos en forma integral. Cada especialista se limita a un �rea de conocimiento relativamente peque�a; las contribuciones de cada investigador, aun las de los m�s brillantes, se hacen lentamente, tras a�os de constante dedicaci�n. El conocimiento actual, por avanzado y amplio que nos parezca, no es sino un principio, s�lido, pero inicial.
No sabemos todav�a, por ejemplo, por qu� algunas membranas deben estar constituidas
por unos fosfol�pidos y no por otros; son numerosas aquellas de las que ni siquiera
conocemos su estructura lip�dica. Otro tanto sucede en lo que se refiere a la
composici�n de carbohidratos. Respecto a las prote�nas, s�lo de algunas se conocen
detalles de su estructura, pero aun de �stas no se ha podido definir la relaci�n
entre su estructura y la funci�n de la membrana. Adem�s, no conocemos el total
ni de los componentes estructurales, y mucho menos de las funciones de una sola
de las membranas que existen en la naturaleza, y hay membranas en el sistema
nervioso, el h�gado, el coraz�n, el ri��n y en cada uno de nuestros �rganos;
pero adem�s existen en otros animales, las plantas, los microorganismos, etc.
Incluso existen enfermedades en las que las alteraciones se localizan en las
membranas de las c�lulas. No es exagerado ni con mucho, pensar que existen todav�a,
no miles, sino millones de aspectos qu� investigar sobre la estructura y la
funci�n de las membranas biol�gicas.
Figura 3. Diagramas de receptores: A, de una papila gustativa; B, de una c�lula receptora de la luz en la retina y C, del epitelio olfatorio. Todas son las c�lulas con grandes modificaciones de su estructura.
