QUÉ SON Y PARA QUÉ 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 pérdida de materiales, etc. Los animales tienen la piel, los árboles una corteza, las hojas una cutícula. Esto, que es claramente visible en el caso de los organismos, no lo es en el caso de los microorganismos o las células; de hecho, no lo fue sino hasta hace relativamente poco cuando se demostró que todas las células están recubiertas de una membrana que las aísla y las protege del medio ambiente.
Aunque hay estructuras que pueden considerarse "vivas", como los virus, que no están recubiertos de una membrana, éstas no son formas de vida independiente: los virus deben encontrarse dentro de una célula para manifestar las características 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 vivía, pero también para aislarlo del exterior. El medio interno de cada célula debe ser más o menos constante, y tampoco es conveniente que los componentes del exterior penetren. Fue así que de alguna manera se seleccionaron sustancias adecuadas para estructurar las membranas; se escogieron sustancias del tipo de las grasas (los llamados fosfolípidos) para envolver a las células en una capa impermeable al agua y moléculas semejantes, como se explicará más adelante.
Con el descubrimiento del microscopio ya fue posible definir los componentes de las células y demostrar que todas se encuentran rodeadas por una membrana. Durante mucho tiempo se pensó que la membrana era simplemente una envoltura, sin otro objetivo que mantener a las células aisladas del exterior; sin embargo, resultaba claro que una membrana que mantuviera a una célula aislada del exterior en forma absoluta sería una estructura absurda, del mismo modo que lo sería un muro que aislara una casa y no tuviera salidas, o la frontera totalmente cerrada de un país. Una célula, una casa y un país 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 célula, que se encuentran en concentraciones escasas en el exterior. Este puede ser el caso, por ejemplo, de algunos azúcares, 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 sólo servían para aislar a las células del exterior, para concebirlas como envolturas activas, que entre una de sus muchas funciones tienen la de proporcionarles los elementos necesarios o eliminar los dañinos para vivir, pero que además están dotadas de una enorme cantidad de funciones, algunas de las cuales son altamente especializadas y complicadas, como veremos en el curso de los capítulos subsiguientes de este libro.
El transporte es en una de las funciones más importantes de las células, y
debe realizarse a través de las membranas, gracias a que poseen moléculas complicadas
o grupos bien organizados de ellas que están 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 proteínas como las moléculas destinadas a realizar tan delicada función.
Figura 1. Las membranas, siendo esencialmente impermeables, deben contar
con sistemas de comunicación e intercambio con el exterior. Unos son poros,
canales o transportadores que permiten el paso de sustancias; otros son receptores,
que reciben, señales del exterior.
Una de las características centrales de las membranas biológicas es que en su composición intervienen las proteínas, cuyas funciones son, entre otras, acarrear o transportar, porque son moléculas 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 país se vigilan los productos de importación y exportación. Algunos de los componentes de los sistemas de transporte desempeñan funciones tan complicadas que están formados por varias moléculas de proteínas. Con frecuencia deben relacionarse con los sistemas de transformación de energía de las células, para que ésta les permita realizar esfuerzos, por ejemplo, lograr en el interior de la célula una concentración elevada de iones de potasio, azúcares u otros materiales nutritivos, con una escasa concentración de ellos en el exterior.
LA DIVERSIDAD DE LAS MEMBRANAS
Pero no sólo existen membranas para recubrir la superficie de las células;
también hay otras para aislar ciertas estructuras de su interior, como el núcleo,
u otras que contienen enzimas o componentes que deben mantenerse reunidos, pero
separados del resto de la célula, en los lisosomas. Hay también membranas especializadas,
necesarias para que la célula realice determinada función, como en el caso de
las mitocondrias o los cloroplastos, tema que abordamos más adelante. Otras
estructuras son las vacuolas que almacenan materiales y regulan su concentración
en el resto de la célula; las células poseen también sistemas completos como
el retículo endoplásmico, el aparato de Golgi, etc., organizados todos ellos
con sistemas membranales.
Figura 2. Estructuras membranosas de las células. Muchos de los organélos
y otras formaciones de las células 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 células, 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 energía. A través de los siglos, las células de los seres vivos tuvieron que desarrollar sistemas para capturar energía del medio y transformarla para ser utilizada por ellos. Por alguna circunstancia, se desarrollaron estructuras membranosas para este fin. Actualmente todos conocemos la función de los cloroplastos, que tienen estructuras formadas por membranas cerradas, capaces de realizar la síntesis de glucosa a partir de sus componentes, utilizando la energía solar, de acuerdo con la siguiente reacción:
6CO2 + 6H2O + energía ® C6H12O6 + 6O2
Bióxido de carbono + agua + energía ® azúcar + oxígeno
Pero el azúcar producido por esta reacción —y puede decirse que es una forma de almacenar la energía del sol en una forma utilizable por los seres vivos— podía ser utilizado por las células de las mismas plantas y de otros organismos. Fue entonces que surgió otro sistema para invertir la reacción y producir energía utilizable a partir de los azúcares, para que las células realizaran todas las funciones que, según su tipo, requirieran. Este sistema fue la mitocondria, cuya estructura membranosa también es cerrada, o un sistema semejante para las bacterias, basado en la existencia de la membrana, capaz de efectuar la reacción siguiente:
Azúcar + oxígeno ® bióxido de carbono + agua + energía
LA COMUNICACIÓN ENTRE LAS CÉLULAS
Las células aisladas de los organismos primitivos evolucionaron para constituir los organismos pluricelulares; ésto se acompañó de cambios muy importantes que, dentro de las modificaciones generales, ocurrieron también en las membranas. Fue necesario desarrollar sistemas de reconocimiento, de adhesión y de comunicación entre las células de los organismos. Se requirió incorporar nuevas moléculas, como los carbohidratos, para lograr, en primer lugar, la adhesión, pero también el reconocimiento de las células que se unían a otras, y ésta fue una nueva función de las membranas. Sin embargo, también debió resolverse el problema de la intercomunicación; para ello aparecieron pequeñas moléculas, 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, también son proteínas complicadas, capaces de captar mensajes del exterior, transmitirlos y, en ocasiones, procesarlos antes de introducirlos a la célula.
Las primitivas asociaciones de células, que todas eran iguales, evolucionaron y se formaron luego diferentes tejidos dentro de cada organismo. Los tejidos se reunieron para formar órganos y, a partir de ellos, se formaron aparatos y sistemas. Al existir éstos, se establecieron jerarquías, muy diversas interacciones y, finalmente, sistemas de control y regulación. Se formaron las glándulas y un sistema maestro de control. Estos sistemas de control requirieron también, entre otras cosas, de la modificación y adecuación de las membranas de las células en las cuales residían. Hubo necesidad de sistemas receptores más capaces para reconocer, procesar y retransmitir señales, algunas de ellas a distancias enormes, si se toma en cuenta la dimensión de las células emisoras y receptoras.
El sistema nervioso se desarrolló y después se perfeccionó para procesar también un número cada vez mayor de señales e interacciones de sus neuronas. Se convirtió en un complicadísimo sistema de intercomunicación, no sólo entre las neuronas, sino con el resto de los órganos, capaz de transmitir señales y procesarlas, hasta llegar a integrar complicados circuitos que se encargaran de generar respuestas a los cambios del medio ambiente. Esto se realizó sin unir físicamente a las neuronas. Los mecanismos de transmisión evolucionaron, modificando y perfeccionando los componentes de las membranas de las neuronas. Nuevamente se echó mano del viejo modelo de los sistemas de transporte y se les perfeccionó.
Con el desarrollo de nuevos sistemas, la membrana tuvo a su cargo la base principal de la función nerviosa: la intercomunicación. Al mismo tiempo, fue necesario contar con sistemas eficaces para la recepción de diferentes estímulos del exterior, como la luz, el sonido, la presencia de moléculas volátiles, etc. El mismo sistema nervioso hubo de modificarse dando lugar al desarrollo de los órganos de los sentidos. Algunas neuronas se modificaron e incorporaron nuevos componentes; el caso más notable tal vez sea el de las moléculas sensibles a la luz. Por la simple adición de éstas y las mismas propiedades básicas 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 oído, etcétera.
Finalmente, con el desarrollo del sistema nervioso, partiendo del mismo mecanismo básico de intercomunicación, se tuvo la capacidad de procesar señales cada vez más complejas, y se afinaron la sensación y la percepción. Pero lo más importante es tal vez que se desarrolló la aptitud de generar señales y circuitos propios; los animales adquirieron la capacidad de pensar y la de la decisión propia, la voluntad. De la percepción inicial de las sensaciones físicas y mecanismos simples de respuesta a los cambios del medio ambiente, se realizaron modificaciones que se antojan casi mágicas y surgieron finalmente los sentimientos, el gusto por el arte, la literatura, la música, etc. Todo formado por un complicado sistema de cómputo, basado en la transmisión de impulsos nerviosos de unas neuronas a otras.
LO QUE SABEMOS Y LO QUE NO SABEMOS
Es explicable, por lo tanto, el interés que las membranas han despertado desde hace mucho tiempo y el grado enorme de complicación de los elementos que intervienen en su composición, lo que ha dado lugar al estudio de cada fenómeno durante largos años por numerosos grupos de investigadores de todo el mundo. Así, 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 área de conocimiento relativamente pequeña; las contribuciones de cada investigador, aun las de los más brillantes, se hacen lentamente, tras años de constante dedicación. El conocimiento actual, por avanzado y amplio que nos parezca, no es sino un principio, sólido, pero inicial.
No sabemos todavía, por ejemplo, por qué algunas membranas deben estar constituidas
por unos fosfolípidos y no por otros; son numerosas aquellas de las que ni siquiera
conocemos su estructura lipídica. Otro tanto sucede en lo que se refiere a la
composición de carbohidratos. Respecto a las proteínas, sólo de algunas se conocen
detalles de su estructura, pero aun de éstas no se ha podido definir la relación
entre su estructura y la función de la membrana. Además, 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 hígado, el corazón, el riñón y en cada uno de nuestros órganos;
pero además existen en otros animales, las plantas, los microorganismos, etc.
Incluso existen enfermedades en las que las alteraciones se localizan en las
membranas de las células. No es exagerado ni con mucho, pensar que existen todavía,
no miles, sino millones de aspectos qué investigar sobre la estructura y la
función de las membranas biológicas.
Figura 3. Diagramas de receptores: A, de una papila gustativa; B, de una célula receptora de la luz en la retina y C, del epitelio olfatorio. Todas son las células con grandes modificaciones de su estructura.
