La autonomía de la célula en una molécula que se creyó aburrida

Uno de los mayores hallazgos de la historia de la ciencia es el descubrimiento de que el ADN es la molécula de la herencia y que contiene toda la información necesaria para que una célula ejecute sus funciones. Y para que, en el caso de los pluricelulares, construya toda la organización del ser vivo. Información, por tanto, funcional y estructural. Combinadas. En un mismo lenguaje, el de la secuencia de nucleótidos.

¿Por qué uno de los mayores descubrimientos? Porque eso hace a la célula autónoma. De cualquier entidad exterior a ella. Sea una divinidad, sea un ser mitológico, sea un principio misterioso. No, no… La vida no es misteriosa. Es complicada y compleja. Difícil de investigar porque nace a escala molecular y se propaga hacia lo supramolecular. Pero no es misteriosa. Es asequible; siempre que contemos con la tecnología adecuada.

Hacia mediados del siglo XX se contó con la mezcla adecuada de ingenio y tecnología. O, al menos, Avery, McLeod y McCarty la alcanzaron. Lograron identificar qué molécula era responsable de algo, descubierto 15 años antes por Griffith, y que aún no se había logrado explicar.

Experimento de Griffith
Tomado de Wikipedia

El experimento de Griffith

Si “A” no mata, y “B” no mata, “A” junto con “B” tampoco deberían matar, ¿no? Pues sí que matan, sí… “A” y “B”, que por sí solas no causan problemas, cuando están juntas matan.

¿Qué es “A”? ¿Qué es “B”?

“A” son bacterias de una cepa no patógena de Streptococcus pneumoniae. La cepa R, concretamente. Y “B” son bacterias muertas por calor de una cepa patógena de Streptococcus pneumoniae. La cepa S, concretamente. Una cepa que produce neumonía. Al inyectar la cepa R en ratones, no pasaba nada, no había enfermedad. Y tampoco al inyectar la cepa S tras matar las bacterias mediante calor. Pero… Pero al inyectar ambas simultáneamente, la cepa R viva y la S muerta, el ratón sufría neumonía. Algo había en la cepa S capaz de transformar a la R. Pero también a su descendencia. Porque del ratón muerto se recuperaban bacterias S vivas. Y sus hijas eran también S.

Durante mucho tiempo, durante 15 años, este resultado no supo ser explicado.

El experimento de Avery, McLeod, McCarty

Consistió, en esencia, en repetir el experimento de Griffith. Pero no con bacterias de la cepa S muertas por el calor, sino con fracciones moleculares de ellas. Es decir, quitando unas moléculas para dejar otras. Cuando quitaban lípidos y proteínas y dejaban solo los ácidos nucleicos, se producía el mismo resultado de Griffith. En cambio, quitando los ácidos nucleicos y dejando los lípidos o las proteínas, no lo lograban. Es más. Añadiendo enzimas que rompían el ARN se seguía obteniendo la transformación en patógena de la cepa R. Pero añadiendo enzimas que degradaban el ADN no se lograba nada de eso.

Por tanto concluyeron que el ADN era la molécula portadora de la herencia.

Pero su idea fue poco aceptada. Porque se consideraba que el ADN era una molécula poco interesante, formada por repetición constante de nucleótidos unos tras otros. De hecho, se consideraba, entonces, que el ADN de todos los seres vivos era igual porque tenía las mismas propiedades químicas y físicas. En cambio, las proteínas resultaban moléculas más interesantes, con más “glamour”. Eran diferentes de unos seres vivos a otros. Hacían multitud de cosas.

No, no… La vida no podía haber elegido para una cosa tan interesante como la herencia a una molécula tan aburrida (se pensaba entonces) como el ADN.

El cambio de mentalidad gracias a Chargaff

Poco después, el ADN comenzó a convertirse en una molécula mucho más interesante gracias a los resultados de Chargaff. Que descubrió que las cantidades de adenina y timina eran iguales entre sí. Y que las de guanina y citosina también entre sí. Pero lo que había de adenina y timina no tenía por qué ser igual que lo que había de citosina y guanina. Es más. En cada especie las cantidades de ambas parejas eran distintas de las de otras especies. Y razonablemente constantes dentro de ella. Al menos en lo tocante a animales.

Eso hizo que se prestara más atención al ADN. Eso facilitó que Hersey y Chase pensaran en una manera distinta de corroborar los resultados de Avery, McLeod y McCarty.

Experimento de Hersey-Chase
Tomado de Wikipedia

El experimento de Hersey-Chase

En microbiología se aceptó pronto que el ADN era el responsable. Al fin y al cabo, Griffith, Avery, McLeod y McCarty eran microbiólogos. Pero en el resto de las ramas de la biología, no. No hasta que otros microbiólogos, Hersey y Chase, lograron confirmar, con otro enfoque, los resultados previos. Intrigados, también por el interés que los descubrimientos de Chargaff habían revelado que tenía el ADN, esa molécula que había pasado de aburrida a interesante.

Infectaron bacterias con virus marcados. De dos tipos los virus. Los había que llevaban en su ADN un isótopo radiactivo del fósforo: 32P. Y es que las proteínas no tienen fósforo. O, mejor dicho, no en cantidades apreciables (pueden llevar algún que otro grupo P, pero muy poca cosa comparado con el ADN). Y los había que llevaban en sus proteínas un isótopo radiactivo del azufre: 35S. Y es que el ADN no tiene nada de azufre. Pero nada nada.

Infectaron las bacterias con virus marcados en su azufre. Y dentro de las bacterias no había ninguna radiactividad. De ninguna clase. Pero se producían los virus hijos. Luego las proteínas no eran. Luego infectaron con virus marcados con fósforo. Y dentro de las bacterias sí que había radiactividad. Aún más. En algunos virus detectaban esa radiactividad (no en todos, claro, porque los virus nuevos fabrican ADN nuevo, sin marcar).

1952 fue la fecha del experimento de Hersey y Chase. 1953 fue la fecha en la que Watson, Crick y Wilkins, basándose en los trabajos de Franklin, descubrieron la estructura del ADN, que encajaba perfectamente con los descubrimientos de Chargaff.

El resto de cómo hemos ido descubriendo la autonomía de la célula, su independencia de cualquier dios, mito o principio misterioso, de cómo hemos ido aumentando nuestro desconocimiento y dándonos cuenta de que no hay misterios sino hechos por descubrir, ya es historia escrita y bien conocida. Historia viva de la que somos herederos.

El citoesqueleto me ayuda a criticar la selectividad

La capacidad de moverse debió aparecer muy pronto en la evolución celular. Es verdad que para una célula individual puede ser suficiente dejarse llevar por movimientos del medio. Pero seguro que es preferible decidir acercarse a los recursos y alejarse de los peligros en vez de confiar en el azar. Y no digamos para un organismo pluricelular, en el que, a partir de una masa inicial, no ordenada, resulta vital para el desarrollo que cada célula migre hacia su destino final.

Pero la movilidad también tiene caras oscuras, poco amables. Un tumor produce metástasis gracias a la movilidad de las células que lo integran.

Citoesqueleto
Tomado de Brentwood

¿Qué necesita una célula para moverse? Citoesqueleto. O flagelos, que son una de las modalidades del citoesqueleto.

Pero el citoesqueleto no solo mueve a la célula. También mueve su interior. Porque gracias al él hay paquetes cargados de biomoléculas que llegan a su destino, al sitio donde deben estar, mucho más eficientemente. Gracias al citoesqueleto la célula puede especializar regiones de su interior. Porque fiando únicamente al azar, las proteínas nunca llegarán a un sitio concreto, y solo a ese, sino que se dispersarán hacia todas partes. Por tanto, el citoesqueleto resultó un elemento indispensable para que la célula eucariota, compartimentada, pudiera surgir. Sin él hubiera sido imposible tener orgánulos membranosos albergando una función específica en su interior.

Pero no solo eso. El citoesqueleto es el andamiaje sobre el que se montan y desmontan membranas. Sí, sí. Membranas. Eso tan importante que constituye el límite de la célula, el lugar en el que residen la función de nutrición y la de relación, el sitio del que parten las señales que indicarán al ADN qué genes serán leídos y cuándo. Sin el citoesqueleto, la membrana eucariota no es gran cosa… Sobre todo cuando el citoesqueleto, además de sostenerla, de darle forma, ancla algunas proteínas a algunos sitios y las modula en su acción. Y, si cambia el citoesqueleto, cambia el lugar de esas proteínas y cambia la forma en que se comportan. Quien es capaz de organizar la endocitosis y la fagocitosis, quien pone y quita y mantiene proteínas en un sitio concreto, no es un mero soporte físico, no.

Matriz extraceular y citoesqueleto
Tomado de Universidad Técnica de Darmstadt

No solo eso. El citoesqueleto, en los organimos pluricelulares, conecta con la matriz extracelular (a través de la membrana). Sí, sí, esa que da soporte a los tejidos. Así,matriz extracelular y citoesqueleto son caras de la misma moneda, con la membrana en medio, relacionándose con ambas partes. Pero, además de conectar hacia fuera, también conecta hacia dentro, con el citoesqueleto del interior del núcleo. Sí, sí. Ese que interactúa con los genes para que se expresen. ¿Y qué significado tiene esto? Uno muy llamativo (a mí me parece llamativo). Que mediante una serie de tensiones físicas, de empujes y tirones, el citoesqueleto propaga información. Tirones y empujones que, partiendo de un lugar, llegan a otro. Y, allí, provocan una reacción química, allí esas fuerzas se convierten en señales moleculares. Lo cual se  conoce como mecanotransducción. Es algo muy parecido a tirar de una palanca, mover un cable y, en el extremo de ese cable, provocar una reacción. De ese modo, mediante esfuerzos físicos, una célula puede afectar a lo que sucede en el núcleo de otra célula, aunque esté algo alejada. En realidad deberíamos concebir a las células de un tejido como un todo interconectado, con el citoesqueleto y su prolongación, la matriz, como una red por la que viaja información que se convierte en acciones químicas, en síntesis de proteínas. Que logra coordinar el modo en que se ejecutan funciones por un conjunto amplio de células…

Mitosis y citoesqueleto
Tomado de CellDynamics.org

¿Quieres más? ¿Te has preguntado alguna vez qué ocurre en la mitosis con la membrana nuclear, cómo desaparece y luego reaparece, cómo se organiza la cromatina en cromosomas, cómo estos se desplazan y luego se parten en cromátidas hermanas y luego estas van cada cual a su sitio? El citoesqueleto no solo actúa decisivamente en la relación y en la nutrición, como te decía antes; o en la transmisión de información mediante la mecanotransducción, como te indicaba en el párrafo anterior. También es protagonista en la reproducción.

¿Y sabes lo que me da más rabia? Que nada de esto te lo cuenta un libro de texto de enseñanzas medias… ¿Es que tienen miedo de la biología de verdad? Me refiero a la biología dinámica, de procesos… Es raro que se centren en descripciones que parecen fotos fijas cuando la célula, la real, es mucho más un vídeo que una foto. Y, en gran parte, es un vídeo gracias al citoesqueleto. ¿De verdad crees que en un par de párrafos se puede dar por conocido el citoesqueleto, teniendo en cuenta que sus proteínas son las más abundantes de la célula? ¿Teniendo en cuenta que interviene en todas las funciones vitales y que lo hace, no como un actor secundario, sino como el principal?

Fíate menos de tu libro de texto… Y más del profesor o profesora que tengas, de hablar con ella o con él. De preguntarle.

Y, desde luego, si en selectividad te preguntan definiciones, y no el sentido de las cosas, fíate NADA de que selectividad sea algo más que un mero filtro que clasifica a la gente según unos parámetros que nada tienen que ver con el aprendizaje y mucho con la apariencia de aprendizaje.

Te dejo un vídeo con algunos conceptos de citoesqueleto, que espero ampliar, y un gráfico con lugares celulares donde actúa, donde es importante.

Funciones del citoesqueleto
Tomado de Nature

Endosimbiosis bacteriana y políticos a los que les toca la lotería varias veces

Las mitocondrias son orgánulos que proceden de un proceso de endosimbiosis. Sí, sí, ese proceso por el que un organismo introduce dentro de sí a otro y, en vez de digerirlo se lo queda y se aprovecha de él y lo mantiene. O quizás fue al revés, que el que se introducía buscaba matar al hospedador, pero de alguna manera este aguantó con él dentro y terminaron colaborando.

El caso es que fue hubo una simbiosis. La cual fue única, sucedió una única vez. ¿Cómo sabemos eso? Porque las mitocondrias de diversos organismos tienen diferentes genomas. Es decir, hay mitocondrias que han perdido genes por el camino de la historia. Probablemente porque a la célula no le hacía falta que los tuvieran, quizá por habérselos pasado al genoma de la célula. El resultado es que todas las mitocondrias tienen ADN propio, pero ese ADN no es exactamente igual en todas las mitocondrias de todos los eucariotas.

Reclinomonas
Reclinomonas tomado de EOL

Hay algunos genes mitocondriales que están presentes en todas ellas, estén en el eucariota que estén. Sin embargo, eso no garantiza que la endosimbiosis fuera un proceso único, no. Eso garantiza que en todas ellas hubo un evento de endosimbiosis común. Pero los demás genes, pudieron llegar por otros eventos. Y la mitocondria ser el resultado de varias endosimbiosis.

Pero no.

Pero hay un protozoo, llamado Reclinomonas americana, que tiene todos los genes. Todos. Todos los genes que tienen todas las demás mitocondrias. Cualquier gen que haya en una mitocondria cualquiera en un eucariota cualquiera, ese gen lo tienen las de Reclinomonas americana. Y sí que sería muy, muy, muy, muy improbable que haya habido varios episodios de endosimbiosis y que todos le hayan pasado a Reclinomonas. Eso es como cuando hay políticos que dicen que le tocan premios importantes de la lotería varias veces (y encima ponen cara de ofensa porque no nos lo creamos…).

La estadística sirve para mentir. Pero la estadística no miente…

Rickettsia
Rickettsia tomada de MicrobeLibrary

Además, comparando los genes de las mitocondrias con los de las bacterias, hemos encontrado una candidata a ser pariente de ellas: Rickettsia prowazekii. Las mitocondrias y Rickettsia debieron tener antepasados comunes.

Ya sabes a quién le debes tu energía…

La próxima vez que oigas un nombre raro, no huyas de él. Al revés. Trata de averiguar si es algo importante en tu vida. Que una palabra extraña, o que no conoces, no te aparte ni del saber, ni de lo que podrías hacer con ese saber.

¿Que qué es quimiósmosis? Quimiósmosis eres tú…

Fotosíntesis y respiración hacen lo contrario desde el punto de vista metabólico. La una introduce energía en moléculas inorgánicas (oxidadas) para convertirlas en orgánicas reducidas. La otra hace exactamente lo opuesto.

Pero…

Pero ambas usan la misma herramienta. La quimiósmosis. Es decir, bombear moléculas (protones) a un compartimento desde otro compartimento. Ambos separados entre sí. Y luego aprovechar que las diferencias de carga y concentración hacen que esos protones quieran volver al compartimento del que salieron. Para ponerles una puerta de entrada (ATPasa) que convierte ese paso en energía mecánica (la ATPasa gira sobre sí misma al pasar los H+ a su través). Y la energía mecánica en energía química (la rotación de la ATPasa provoca que el ADP se una a un Pi para formar ATP).

En otras palabras. Un potencial de membrana se convierte en energía química.

Ya está. Ese es el secreto de la vida. Ni más ni menos.

Otra cosa es cómo convencemos a los protones para que pasen del compartimento inicial al quimiosmótico. Cómo lograr acumular esa fuerza protonmotriz que es la suma de las energías producidas por las diferencias de concentración y de carga entre ambos compartimentos. Eso se obtiene mediante intermediarios energéticos. Moléculas que portan electrones que han recibido de otras moléculas anteriormente, y que pueden pasar a otras moléculas posteriormente. Una cadena de transporte electrónico, vaya. Hecha de moléculas que pueden existir en dos formas, la oxidada y la reducida. Y por eso pueden tanto aceptar electrones como cederlos. Más adelante te hablaré de ella con detalle…

Falta ponerle nombre a los espacios quimiosmóticos. En la mitocondria es el espacio intermembranal. En el cloroplasto es el tilacoide. Ambos son compartimentos sellados. Tienen que serlo. De ellos no pueden escapar los protones bombeados salvo por la ATPasa. En esos lugares reside la capacidad de la vida de mantenerse en desequilibrio. O sea, de ser vida.

Espacio intermembranal
Tomado de Wikipedia
Tilacoide
Tomado de Milagros Medina

¿Que si es importante el espacio intermembranal de la mitocondria? Pues un humano típico tiene como unos 14.000 m2… Busca tú a qué equivale eso…

Y en esos lugares reside, también, la muerte y el envejecimiento. Porque cuando los compartimentos dejan de estar sellados, y los protones escapan de ellos sin hacer su función, pasar por la ATPasa, no solo creo menos energía. También produzco H2O2, un potente oxidante. Que me mata. Poco a poco. Vivir y envejecer residen en el mismo lugar. En los mismos 14.000 m2.

Envejecimiento mitocondrial
Tomado de Ciencia y Salud

Lípidos en las membranas, ¿dónde si no?

La membrana celular es lo que separa lo vivo de lo no vivo. Tan solo unos 3-4 nm… ¿Por qué no es más gruesa? ¿Por qué no más fina? ¿Por qué está hecha de varios tipos de lípidos? ¿Qué tiene eso que ver con mi alimentación? ¿Y con mi temperatura corporal? ¿O cómo el cerebro crea ideas complejas? Para poder dar respuesta, alguna vez, a esas preguntas, hay que conocer uno de los componentes principales de toda membrana: sus lípidos.

Ósmosis
Tomado de Punto Sigma

Y es que constituyen la parte hidrofóbica de la membrana. Juegan un papel de frenar (que no impedir) la difusión libre de agua al interior, reduciendo su velocidad unas 1.000 veces. E impide el paso de moléculas hidrofílicas de mayor tamaño. Eso le da tiempo a la célula para controlar su presión osmótica. Si el agua entrara rápidamente, el simple hecho de comer, de nutrirse, de introducir biomoléculas en la célula sustancias, supondría un riesgo mortal para células como las animales, que no tienen pared. Porque aumentaría la concentración interna (hipertonicidad) y promovería turgencia. Ese retraso en la entrada de agua le da a la célula el tiempo suficiente para adaptarse. Si no tiene pared de algún tipo. Si la tiene, todo esto le da un poco igual

Una de las principales características de la membrana es que ha de ser muy estable. Y lo logra gracias a que su estructura está mantenida por fuerzas que no tienen que ver con lo que ocurra en los medios externo e interno. Por fuerzas de van der Waals e interacciones hidrofóbicas-hidrofílicas. Esa estabilidad le permite cambiar de forma a la célula. Incluso de modos muy extremos y sea cual sea su composición en lípidos.

Hay tres clases de lípidos en membranas eucariotas: fosfoglicéricosesfingolípidoscolesterol (especialmente abundante en las células animales) y otros esteroides (en las plantas llegan a ser el 50% de sus membranas). Los tres son anfipáticos. Pero en las células procariotas no hay colesterol. Y en arqueobacterias no hay esos tipos de lípidos.

En los fosfolípidos importa la proporción de ácidos grasos saturados e insaturados. Afectan a la fluidez de la membrana pues los insaturados disminuyen las fuerzas de van der Waals por razones estéricas (su forma es acodada, no recta).

Entre los esfingolípidos destacan la esfingomielina (con fosforilcolina o fosforiletanolamina como grupos polares) y glicolípidos (con glúcidos como grupo polar).

Los esteroides, por sí solos, no forman bicapas, no forman membranas biológicas. Solo aparecen si están mezclados con fosfoglicéricos o esfingolípidos. Su efecto sobre la bicapa depende de su concentración. Si es alta, ordenan las colas apolares, reduciendo la fluidez. Si es baja actúa como cuña, separando las colas apolares entre sí, aumentando la fluidez. A nivel de las cabezas polares, su efecto es restringir el movimiento.

Prenilación
Tomado de Science Direct

¿Puede haber terpenos en las membranas? Sí, si puede. Pero, por lo que sabemos, su presencia procede de lipropoteínas;  que los portan (o portan algún otro tipo de lípido) para anclarse a la membrana. Y es que para un lípido, soltarse de ella y pasar al agua es complicado…

Los lípidos de la membrana pueden rotar sobre sí mismos y desplazarse lateralmente. Es lo que se llama mosaico fluido. Pero no pueden darse la vuelta espontáneamente y cambiar de cara porque tendrían que pasar sus grupos polares por la zona hidrofóbica (hay enzimas, las flipasas, que sí permiten ese volteo de una cara a otra; y así se logra la asimetría lipídica). Y ese movimiento de difusión lateral es muy rápido. Un lípido cambia su posición con otro vecino 10.000.000 veces por segundo. Lo que le da a la membrana una viscosidad similar a la del aceite. De ese modo, un lípido puede viajar de un extremo a otro de la membrana bacteriana en 1 seg y en 20 seg en el caso de la célula eucariota.

Algunas proteínas y el colesterol parecen frenar la libre difusión de los lípidos, creando zonas más fluidas y otras menos. Agrupando los lípidos en pequeñas “balsas” (también llamadas por su nombre inglés “rafts” o, incluso, microdominios de membrana). De este modo, proteínas con funciones complementarias pueden permanecer agregadas. Más bien, la membrana parece ser un mosaico de mosaicos fluidos.

La visión antigua de un único mosaico fluido ya no está vigente.

Membrana raft
Tomado de Membranas Celulares
Sección de raft
Tomado de NIGMS

El tipo de lípido influye en el grosor de la membrana (las regiones ricas en fosfoglicéridos son más estrechas que las ricas en esfingolípidos, más anchas). Lo cual afecta a la movilidad de las proteínas hacia unas u otras partes. El colesterol hace que las regiones de fosfoglicéridos se ensanchen. Pero las de esfingolípidos no las altera.

grosor de la membrana
Tomado de FASEB

Por otro lado, aunque la membrana es una estructura única, tiene dos caras. Que, habitualmente, son muy distintas en composición de lípidos y proteínas. La interna, hacia el citoplasma (o el orgánulo, si es una membrana interna), y la externa hacia el medio (o hacia el citoplasma, si es una membrana interna). Esto tiene que ser tenido en cuenta, también, para entender la formación de vesículas. Los lípidos con cabezas polares voluminosas tienen un efecto de aplanar la membrana. Las de menor tamaño, en cambio, facilitan su curvatura. Combinando distinto grosor y distinta curvatura en distintas caras, la célula se adapta a todos los cambios de forma. Eso se logra en el Aparato de Golgi al fabricar las vesículas que irán a parar a las membranas.

Recuérdalo cada vez que estornudes. Porque el mucus está formado, fundamentalmente, por proteínas que salieron de la célula en vesículas. Las cuales se formaron gracias a esas propiedades de las membranas.

3-4 nm, la distancia entre lo vivo y lo inerte

Y es que las membranas son la interfaz entre lo vivo y lo no vivo. Me gustaría que pensases en cosas que haces, cosas que te pasan. Y que encuentres relación con ellas. ¿Qué relación existirá entre la sed y las membranas? ¿Y con el hambre? ¿Y con el pensamiento, las emociones, la memoria? ¿Hay enfermedades que suceden porque algo va mal en las membranas? Y más, más, muchas más preguntas…

Pero esa interfaz es muy, muy, muy estrechita. Apenas 3-4 nm. Apenas 3 ó 4 millonésimas partes de un milímetro… Eso es lo que separa al citoplasma, el escenario de la vida, del medio exterior, inerte. Ese límite mantiene dentro unas condiciones de concentración y de carga distintas; un desequilibrio entre dentro y fuera. Y, recuerda, el desequilibrio puede generar energía, el equilibrio es la muerte.

Yo te dejo algunas ideas. Tú verás que haces con ellas… Tú verás cómo relacionas estas ideas, en qué contextos serían relevantes, qué decisiones te podrían ayudar a tomar, qué problemas podrías resolver, a qué personas podría interesar conocerlas para darles qué uso; incluso qué empresa que vendiera qué producto querría saber de esto; o, por último, pero no menos importante, que tipo de gestor público tendría que saber de esto para dar mejor servicio a la población.

Todo organismo vivo tiene membranas. Y con ellas controla el intercambio de materia, energía e información con el exterior. Lo consigue regulando el tráfico de moléculas entre fuera y dentro. Incluso puede tener membranas en su interior, dividiéndole en compartimentos, y crear diferencias de materia, energía e información dentro de sí. Al controlar el tráfico de moléculas entre las partes interiores.

- Las membranas están formadas por una doble capa de lípidosenfrentadas por sus colas apolares y orientadas sus cabezas polares hacia interior y exterior. Y, embebidas en esa trama de lípidos, aparecen proteínas. Que pueden portar, o no, glúcidos. Y las proteínas pueden estar solo en una de las dos caras, la externa o la interna, o atravesar la membrana completa.

MonolayerBilayer
Tomado de Science Direct

- Las arqueobacterias tienen una estructura algo diferente. sus lípidos son distintos. Incluso, con frecuencia, pero no siempre, no es una bicapa, sino una monocapa. Con lípidos largos que tienen en ambos extremos cabezas apolares. De ese modo logra una estabilidad de la membrana mucho mayor. Que es lo que necesita en situaciones ecológicas como las que caracterizan a las arqueobacterias. Situaciones extremas de temperatura, salinidad, presión.

Lo cual viene también bien para reflexionar, un segundito solo, sobre el superficial parecido entre bacterias y arqueobacterias. Y es que si dos organismos se diferencian en algo tan vital como la membrana, todos los demás parecidos son menores al lado de esa gran diferencia. Todos. Por muchos que sean.

- Si hay varias membranas en la célula (es decir, si es eucariota), pueden variar mucho en su composición de lípidos y proteínas, pero su estructura es similar. Por tanto, las membranas cumplen su función o se adaptan a las condiciones del medio gracias a la dotación de lípidos y proteínas (o incluso glucoproteínas) con las que cuenta. Y si el medio cambia, la dotación de lípidos y proteínas cambia. De lo cual se encarga mediante el tráfico de vesículas que se sintetizan en el Aparato de Golgi.

Proteínas a su sitio: la traslocación

Normalmente se le presta bastante atención a los procesos relacionados con el ADN. Y alguna a los relacionados con el ARN. Pero… ¿De qué sirve elaborar una proteína si no llega al lugar en el que tiene que ejecutar su trabajo? Es como si no se hubiera sintetizado. No llevar a una proteína a su destino es equivalente a perder el gen que la codifica.

Más o menos, la mitad de las proteínas sintetizadas permanecen en el citoplasma. La otra mitad se integra en las membranas o va a orgánulos concretos. No hay un proceso sino varios, que se entrecruzan entre sí en ocasiones. Y se agrupan en lo que se conoce como “tráfico celular“. Que se inicia en el Retículo Endoplasmático con dos pasos: traslocación hacia el interior para las proteínas que vayan a ser empaquetadas dentro de un orgánulo membranoso, inclusión en la membrana para las proteínas que deban ejercer su función ligadas a una superficie, sea interna o externa. Tras esto vendrán otras etapas del tráfico celular. La vía exocítica que pasa por el Aparato de Golgi y libera inmediatamente los productos almacenados al exterior o los lleva a la membrana citoplasmática. La vía secretoria, muy parecida a la anterior, pero que almacena los productos hasta que le llega a la célula una señal para que los libere. La vía lisosómica, que almacena proteínas para que se unan a vesículas digestivas, sean estas endocíticas o exocíticas. Y otras rutas que llevan las proteínas a núcleo, mitocondrias, cloroplastos, etc.

El mecanismo molecular por el que se consigue esto se basa en zonas que tienen las proteínas que han de ir a alguna parte. Zonas que pueden ser reconocidas por otras. Zonas que son cortas secuencias de unos 20-50 aminoácidos que constituyen señales. Zonas que no les sirven para ejecutar nada sino para decir hacia dónde tienen que ser dirigidas. Dependiendo del destino, la proteína puede incluir un par de señales o portar bastantes más. Y es que hay lugares a los que se llega fácil y otros a los que se llega más difícil.

Las señales de reconocimiento del tráfico celular son un mecanismo general, propio de todos los eucariotas. Obviamente en procariotas es distinto, pues carecen de orgánulos. Por tanto, la evolución de procariotas a eucariotas no solo exigió cambios estructurales sino profundas variaciones de funcionamiento celular. Y el tráfico celular es uno de esos cambios.

Traslocación en el RE
Fuente: Mario Halic

Cuando se necesita que una proteína entre en el interior del Retículo Endoplasmático, esta tendrá, al inicio de su secuencia, en el extremo amino, una señal de internalización. Con una longitud de unos 16 a 30 aminoácidos, pero muy parecida de una proteína a otra. Y es una secuencia que se suele perder apenas que ha cumplido su función y que no formará parte de la proteína madura, funcional. Esa secuencia convoca a una riboproteína del citoplasma, llamada SRP (“partícula de reconocimiento de señal”). La cual no solo se une a la señal de internalización sino también al ribosoma. Y a un receptor del SRP de la membrana del Retículo Endoplasmático. Es decir, la SRP hace función de adaptador, reuniendo a los diversos actores del proceso. Y aún más. Frena el proceso de traducción, atasca al ribosoma, hasta que ha cumplido su función. Para evitar que la proteína sea demasiado grande y tenga problemas para entrar. Solo cuando todo está encajado continuará el ribosoma con su traducción, con su síntesis de proteínas.

El origen de la SRP se puede rastrear hasta las procariotas. Se ha descubierto una proteína homóloga en bacterias que realiza una función similar, traslocando proteínas hacia el exterior. Aunque carece de varios de los dominios de la SRP, sí que otros han resultado muy conservados a lo largo de la evolución.

Al receptor del SRP va unido el traslocón, un complejo de tres proteínas (Sec61 ?, ? y ?). Que no es otra cosa que el canal por el que la proteína en formación accederá al interior del Retículo Endoplasmático. Cuando se ha formado el conjunto se libera la SRP y el receptor para unirse a nuevos ribosomas y traslocones respectivamente. Esa liberación sucede con gasto de energía (dos moléculas de GTP). Y cuando se han soltado, el ribosoma reanuda la traducción. Que impulsa la traslocación puesto que conforme la proteína se crea, empuja a la parte ya elaborada. Por tanto, con la energía gastada en un proceso tienen lugar dos.

Para que veas lo importante que es acoplar traducción y traslocación te cuento que existe una traslocación post-traduccional que no implica al SRP ni a su receptor. Sucede cuando la proteína ya está completamente sintetizada. Y, por tanto, el ribosoma no puede empujarla. Así, es el traslocón, en ausencia de la fuerza de impulso del ribosoma, el que tienen, por sí mismo, que empujar y tirar del péptido. Pero por sí solo el traslocón no puede hacerlo avanzar. Solo empujar hacia dentro y tirar hacia fuera. Una y otra vez. De ahí que se recurra a una chaperona llamada BiP, que está en el interior del Retículo Endoplasmático. Esta BiP tiene un dominio de unión a péptido que hace que se una a la cadena entrante, impidiendo su retroceso. Así, solo avanza. Y cuando avanza lo suficiente para que se una otra BiP, la anterior se suelta. Eso sí, cada unión cuesta una molécula de ATP, por lo que se trata de un proceso sustancialmente más caro que el anterior. Solo tiene lugar en levaduras y, ocasionalmente, en algunas otras células eucariotas.

Pinche aquí para ver el vídeo

Y para acabar, en la cara interna del traslocón hay una proteasa que cortará la secuencia de internalización cuando esta ya no sea necesaria, cuando haya cumplido su función.

Al final de estos procesos, la proteína está en el interior del Retículo Endoplasmático, disponible para ser empaquetada en una vesícula y seguir su camino. Lo que le vaya a pasar de aquí en adelante te lo cuento otro día…

Puertas en las membranas

En “Qué es la vida (más o menos)” te indicaba que para poder existir, los seres vivos necesitamos estar en desequilibrio. Y que eso lo logramos con algún tipo de límite entre dentro y fuera. En “Vivir es cuestión de fuera y dentro” te contaba cómo los seres vivos aprovechamos la energía del Sol (o la energía de los que aprovechan la energía del Sol; expresión muy compleja que quiere decir solamente que me como una lechuga o una naranja). En “Los grandes inventos eucariotas: el tabique y el retraso” te decía cómo las células eucariotas (las nuestras) habían aprendido a dividir su interior en partes y así evitar el equilibrio (que es la muerte) al menos el rato suficiente hasta que llegue la comida y podamos volver a generar desequilibrio.

Pero las barreras no son buenas. Evitan que las cosas salgan, sí. Y eso está bien si es comida. Pero está mal si es un desecho. Y también evitan que las cosas entren. Y eso está bien si son venenos, pero es una pena si es comida.

¿Con qué logran los seres vivos todo ese tejemaneje de pasar lo que quieren a un lado, y mantenerlo allí, concentrado, mientras impiden que otras cosas lo hagan? ¿Cómo logran los seres vivos tener mucho de algo y poco de otro algo dentro, y viceversa fuera?

Con transportadores de membrana. Pero no cualquier transportador: específicos.

Un transportador de membrana no es sino una molécula biológica que tiene dos requisitos: tiene dos modos de funcionamiento, abierto y cerrado; y tiene forma (para que solo pueda pasar a su través una molécula que encaje, y no todas las demás). Las proteínas cumplen ambos requisitos.

Te dejo una simulación de la Universidad de Colorado en Boulder para que pruebes lo que ocurre cuando añades moléculas a un lado y a otro, cuando añades transportadores de membrana de un tipo y de otro, cuando esos transportadores están siempre abiertos o cuando pueden estar abiertos y cerrados. Te dejo decidir si vas a añadir una cantidad de una sustancia al principio y ya está, o vas a ir poniéndola cada cierto tiempo. Te dejo decidir qué sustancia es comida y cuál es desecho, y qué parte es dentro y cuál es fuera. Juega y obtén tus conclusiones. Y si quieres, deja tu comentario para quien quiera pasar por aquí.

Si te digo que este simulador le falta algo que sí hacemos los seres vivos. Transformar sustancias. Una vez que algo ha entrado, y nos interesa, lo cambiamos y así no puede salir y se acumula dentro. Es nuestro truco y es más sencillo de lo que parece (imagina que lo verde, una vez que entra, se convierte en amarillo; y ya no puede salir, porque no es verde y no cabe por las puertas verdes). Pero eso te lo cuento otro día.

Simbiosis vital y mortal

Mitocondria
Fuente: Profesor en Línea

Hay un orgánulo interesantísimo en nuestras células: la mitocondria. Y es muy interesante porque no es nuestro, realmente. ¡Es un orgánulo conquistado!

Los antepasados de nuestras células no tenían mitocondrias. De hecho, los antepasados de las mitocondrias vivían por su cuenta, fuera de las células, yendo de un sitio a otro libremente. Nuestros antepasados y sus antepasados eran, probablemente, enemigos. Quizá los células antiguas comían mitocondrias antiguas. Y, quizá, un día, uno de ellos, después de ser comido, aguantó dentro sin morirse. Ese día surgió la célula eucariota moderna, que sí tiene mitocondrias.

A eso se le llama simbiosis. Que quiere decir vivir juntos. Endosimbiosis, en realidad, porque es vivir juntos pero uno dentro de otro.

¿Por qué se unieron? Porque la célula le daba algo bueno a la mitocondria: refugio y nutrientes. La célula se ocupaba de buscar comida y guardaba dentro de sí a la mitocondria, protegida del exterior. Y la mitocondria, ¿para qué le servía a la célula? Porque sabe usar el oxígeno.

¿Cómo? ¿Que la célula sin mitocondria no sabía usar el oxígeno? Pues no, probablemente no.

El oxígeno es un problema muy gordo para la vida. Es una molécula muy reactiva. Eso quiere decir que se une a casi todo. Y, para unirse, primero tiene que romper. Por tanto, el oxígeno rompe casi todo. ¿Te imaginas una célula bañada en oxígeno puro? Sus moléculas se romperían en muuuuy poco tiempo.

Decididamente el oxígeno es un veneno peligrosísimo.

Pero las mitocondrias aprendieron, no solo a vivir con él, sino a utilizarlo. ¿Para qué? Para romper moléculas, claro. Y extraerles toda la energía posible. ¿Es que sin oxígeno no se pueden romper moléculas? Sí, pero poco. Eso significa que es difícil sacarles toda la energía que guardan en sus enlaces químicos. Con oxígeno tenemos más energía. Mucha más. De alguna manera, las mitocondrias aprendieron a domesticar el oxígeno y así convirtieron un veneno en un nutriente.

Romper sin oxígeno se llama fermentación. Romper con oxígeno se llama respiración celular. Y la fermentación da 18 veces menos energía que la respiración. Es 18 veces menos rentable.

¿Te imaginas la primera célula que tuvo mitocondrias, qué subidón de energía? De pronto, de la misma molécula que antes sacaba 1 unidad de energía, ¡ahora sacaba 18! Es como si te tomases un bocadillo y te diera la energía de 18 bocadillos de golpe. Es como comer una barrita energética, pero a lo bestia. Para que te hagas una idea. Si un coche hace 20 kilómetros con 1 litro de combustible, es como si ahora hiciera ¡360! ¿Te imaginas?

Pues sí, la célula con mitocondria prosperó. Prosperó tanto que dio lugar a todos los protoctistas, todos los vegetales, todos los hongos y todos los animales que ves hoy en el planeta. Le ha ido muy bien a la célula con mitocondrias.

¿O no tan bien?

Daño mitocondrial
Fuente: Purdue University

Hay un lado oscuro en todo esto, sí… ¡El agua oxigenada!

Las mitocondrias rompen moléculas con el oxígeno, pero eso no es gratis. Deja un residuo, deja basura, deja un desecho, que es agua oxigenada. Que, seguro que lo has visto alguna vez, se come la materia orgánica. Y es un veneno, también. No tanto como el oxígeno puro, pero hace daño, sí…

¡Y es que la vida es tóxica!

Además, las mitocondrias, con el paso del tiempo, cada vez funcionan peor. El agua oxigenada que producen, como desecho, las va gastando. No van igual de bien las mitocondrias de un niño recién nacido que las mitocondrias de una persona de 60 años. Con el tiempo, las mitocondrias se van rompiendo y van funcionando peor. Y eso significa que producen más agua oxigenada de la cuenta y que se les escapa el oxígeno. Es decir, que envenenan a la célula desde dentro. Sí, con el tiempo las mitocondrias son las responsables de que las células mueran. ¿Qué es el envejecimiento? Cuando en nuestro cuerpo empiezan a morir más células de las que nacen. Y eso pasa por culpa de las mitocondrias. Al menos en parte…

Las mitocondrias les han dado mucha energía a las células y les han permitido vivir muy bien, pero también les han puesto fecha de caducidad.

¿Hay alguna esperanza?

Pues sí… Nuestro cuerpo sabe fabricar mitocondrias nuevecitas, a estrenar. Pero no para nosotros, no, no para nuestro cuerpo. Esas mitocondrias nuevecitas están en los óvulos. Son para nuestros decendientes. ¡Ay! Si aprendiéramos a obtener mitocondrias nuevas podríamos, quizá, un día, aprender a sustituir nuestras mitocondrias viejas. Incluso ya adultos…

¿Dónde están las personas que lograrán eso? Yo lo sé… ¡Estudiando! Al final, la muerte debería ser una meta a batir… ¿O no? Quizá sea tarde para mí, quizá también para ti. ¿Pero y para tus hijos cuando los tengas? ¿Por qué no?


Envejecimiento. Aubrey de Grey (2)
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Las funciones vitales en la membrana

Te contaba hace poco que la vida son cuatro cosas. Bueno, son algunas más, la verdad. Pero, simplificando, sí, sí, son tres y otra. Nutrirse, relacionarse, reproducirse, por un lado; y hacerlo mejor que otros con los que tenemos que compartir recursos escasos (competir, vamos).

Esas funciones vitales se dan ya en el elemento más pequeño que tiene vida. La célula. Y se dan en una parte a la que pocos hacen mucho caso. Todo el mundo conoce el núcleo de la célula, sí. Es la parte famosa. Allí está el ADN, el código donde está escrito mucho acerca de cómo somos. Y eso nos ciega, no nos deja ver otras partes de la célula muy importantes.

La membrana, por ejemplo. Que es de lo que te quiero hablar hoy.

En la membrana hay nutrición, hay relación y hay competencia. La membrana es un órgano de la célula implicado en más funciones que el ADN, cuyo único papel más o menos activo es la reproducción.

En la membrana hay nutrición porque hay transportadores. Un transportador es una proteína que se abre y se cierra. Y como es una proteína, tiene forma. Que es, quizá, la característica más importante de las proteínas: tener forma. Así, el transportador es una puerta que se abre y se cierra, pero no para que pase cualquier sustancia, no. Sólo la que encaje con él. Por tanto, la membrana es un filtro. Abriendo y cerrando sus transportadores deja entrar sólo lo que quiere dejar entrar. O salir, que los transportadores también sirven para expulsar.

La membrana, gracias a sus transportadores, lleva a cabo la nutrición.

En la membrana hay relación porque hay receptores. Que son proteínas que tienen forma. En ellas encaja otra sustancia que haya en el medio externo a la célula. Y solo ella. Se trataría de una sustancia que indique algo, que sea señal de algo. Y si está y encaja, la célula se activa, se pone en marcha algo para dar respuesta a aquello asociado a la molécula que ha captado.

La membrana, gracias a sus receptores, lleva a cabo la relación.

¿Y la competencia? Con transportadores y receptores que se abren más eficientemente, más exactamente. A veces también con nuevos transportadores y receptores. Competir, para las células, es ser más rápidas, más exactas, más completas gracias a sus transportadores y receptores.

Así de sencillo… ¿O no?

Pues no del todo. He exagerado mucho en este post. He sido muy categórico. En líneas generales es cierto lo que te pongo, pero hay muchos matices que en menos de 450 palabras no me caben. Esos aparecerán otro día, en otro post, seguro… :)