A trav¨¦s de las paredes de las c¨¦lulas

L os cien mil millones de c¨¦lulas del cuerpo humano no podr¨ªan existir si cada una de ellas no estuviera rodeada de una membrana que la separa de sus vecinas y del l¨ªquido exterior. Tanto dentro como fuera de la c¨¦lula el agua constituye el disolvente y el veh¨ªculo por el que mol¨¦culas como amino¨¢cidos, prote¨ªnas, o el mismo ADN permanecen disueltos en ella y realizan sus funciones, actuando las membranas a modo de barreras de tipo graso que impiden que las mol¨¦culas circulen an¨¢rquicamente por todo el organismo. Sin embargo, las c¨¦lulas necesitan comunicarse constantemente entre s¨ª, a trav¨¦s de se?ales que atraviesan sus membranas, y que no son m¨¢s que peque?as mol¨¦culas o iones que mediante una cascada de reacciones qu¨ªmicas permiten que las funciones biol¨®gicas tengan lugar.

Las c¨¦lulas necesitan comunicarse constantemente entre s¨ª a trav¨¦s de se?ales

Este cruce profesional ilustra el car¨¢cter interdisciplinar de la ciencia moderna

El agua, aunque es el componente m¨¢s abundante de los organismos vivos, no es absorbida o liberada por igual en todas las c¨¦lulas y tejidos. Desde mediados del siglo XIX se ha sospechado que el flujo de agua en determinados tejidos se realiza a trav¨¦s de prote¨ªnas con poros que act¨²an como canales selectivos de agua. La estructura de estas prote¨ªnas de membrana permaneci¨® sin identificar hasta que en 1988 miembros del grupo de Peter Agre, de la Facultad de Medicina de la Universidad de Johns Hopkins, en Baltimore, tras aislar una de esas prote¨ªnas, se dieron cuenta casualmente, uno o dos a?os m¨¢s tarde, cuando determinaron la secuencia de amino¨¢cidos, de que podr¨ªa tratarse del tan buscado canal de agua.

El experimento que emplearon para demostrarlo no pudo ser m¨¢s sencillo ni elegante. Al sumergir en agua las c¨¦lulas que conten¨ªan la prote¨ªna, denominada acuaporina, ¨¦stas se hinchaban como consecuencia del flujo osm¨®tico de agua hacia el interior celular, mientras que otras c¨¦lulas que no pose¨ªan acuaporina permanec¨ªan inalteradas.

M¨¢s recientemente, en el a?o 2000, Agre public¨® la primera estructura tridimensional detallada de una acuaporina, lo que permiti¨® comprender algunos detalles de su funcionamiento. Por ejemplo, su selectividad. Por la acuaporina s¨®lo pasa agua neutra H2O, pero no agua protonada H3O+. Si no fuera as¨ª, el pH de la c¨¦lula cambiar¨ªa sin control. Para impedir el paso de agua protonada o de otros cationes, el canal de acuaporina posee cargas positivas en su parte central.

Las mol¨¦culas de H2O, polares pero no cargadas, pasan normalmente a trav¨¦s del poro de la membrana, pero las de H3O+ son repelidas por las cargas del mismo signo que tapizan el interior, y no consiguen cruzar. La eficacia del canal de agua es, por otra parte, simplemente incre¨ªble. Por cada canal pasan decenas de millones de mol¨¦culas de agua por segundo. Hoy se conocen unas 200 distintas acuaporinas de tejidos de mam¨ªferos, invertebrados, microorganismos y plantas.

El grupo de Agre est¨¢ estudiando la estructura y funci¨®n de las acuaporinas humanas, as¨ª como la relaci¨®n entre las anomal¨ªas en su producci¨®n y la aparici¨®n de determinadas enfermedades, como edema cerebral o disfunciones renales. Hay que recordar que por el ri?¨®n se filtran diariamente unos 170 litros de agua, de los que s¨®lo uno se excreta en forma de orina, con las sustancias de desecho, y los dem¨¢s se recuperan. Aproximadamente el 80% del agua devuelta al cuerpo humano por el ri?¨®n lo hace por medio de acuaporinas.

No le van a la zaga a Peter Agre los hallazgos de otro m¨¦dico, Roderick MacKinnon, de la Universidad Rockefeller de Nueva York, sobre el canal de potasio y de otros iones, como los cloruros. Los canales i¨®nicos regulan, entre otras, las funciones del sistema nervioso y de los m¨²sculos. En el impulso nervioso, un canal i¨®nico se abre en la superficie de una neurona como respuesta a una se?al qu¨ªmica emitida por otra neurona vecina, y el pulso el¨¦ctrico as¨ª generado se propaga mediante la apertura y cierre de otros canales, hasta la neurona siguiente, y todo ello en unos pocos milisegundos.

Siempre ha resultado intrigante la selectividad de los canales de iones. Tanto el sodio como el potasio son cationes esf¨¦ricos con carga +1 y di¨¢metros de 1,90 y 2,60 ¨¢ngstroms, respectivamente. El sodio es, por tanto, algo menor. ?C¨®mo explicar la selectividad del canal de potasio, que no deja pasar al sodio, un i¨®n m¨¢s peque?o? En la portada de Science del 1 de abril de 1998 aparec¨ªa una enorme roseta circular de cientos de ¨¢tomos con un peque?o agujero en el centro. Era la estructura tridimensional de un canal de potasio, vista desde su extremo. En el art¨ªculo, que caus¨® gran impacto en la comunidad cient¨ªfica, MacKinnon explicaba minuciosamente el por qu¨¦ de esta selectividad.

En soluci¨®n, los iones est¨¢n estabilizados por mol¨¦culas de agua que orientan sus ¨¢tomos de ox¨ªgeno alrededor de la esfera cargada del cati¨®n. En el interior del canal, una serie de ¨¢tomos de ox¨ªgeno de la prote¨ªna se encuentran colocados exactamente igual que los del agua alrededor del potasio antes de entrar en el tubo, por lo que despojarse de su capa de hidrataci¨®n no le supone al potasio gasto alguno en energ¨ªa. Por el contrario, el sodio, al perder las mol¨¦culas de agua que lo estabilizan, quedar¨ªa dentro del canal en una situaci¨®n desfavorable, con los ox¨ªgenos demasiado alejados. Podr¨ªamos decir que bailar¨ªa dentro del tubo sin ajustarse perfectamente al mismo, por lo que prefiere quedarse fuera.

Otros aspectos estructurales, como el posicionamiento de las h¨¦lices de la prote¨ªna, que explica que los iones atraviesen la membrana en una direcci¨®n pero no en la contraria, o la presencia de una bolsa o piscina de agua en medio de la membrana, que ayuda a que el viaje del i¨®n sea m¨¢s corto, resultan tambi¨¦n fascinantes. Personalmente el art¨ªculo me impresion¨® tanto que invit¨¦ a MacKinnon a ser el conferenciante inaugural de la prestigiosa conferencia de B¨¹rgenstock (Suiza) de 1999, un evento qu¨ªmico que aquel a?o tuve el honor de presidir y al que s¨®lo se acude por rigurosa invitaci¨®n, sin que casi nadie sea invitado como ponente m¨¢s de una vez en su vida.

Muchos colegas qu¨ªmicos me preguntaron entonces por qu¨¦ propon¨ªa a un m¨¦dico como conferenciante inaugural en una reuni¨®n de qu¨ªmica. Tras la charla, que dur¨® casi dos horas y que fue seguida de un debate de m¨¢s de una hora, todos lo comprendieron. MacKinnon pregunt¨® a los dem¨¢s asistentes casi tanto como respondi¨®, y nos dej¨® a todos impresionados, tanto por su juventud como por su conocimiento y entusiasmo.

Como ha dicho la Real Academia Sueca de Ciencias, el premio Nobel de Qu¨ªmica de 2003 a Agre y MacKinnon ilustra c¨®mo la bioqu¨ªmica contempor¨¢nea ha llegado hasta el nivel molecular en su esfuerzo por comprender los procesos fundamentales de la vida.

Yo a?adir¨ªa que, curiosamente, el premio de qu¨ªmica ha sido concedido a dos m¨¦dicos, mientras que el de fisiolog¨ªa o medicina ha reca¨ªdo en un qu¨ªmico, Paul Lauterbur y un f¨ªsico, Peter Mansfield, que han aplicado las t¨¦cnicas de resonancia magn¨¦tica a la medicina.

Este cruce profesional, por el que deber¨ªan congratularse tanto m¨¦dicos como qu¨ªmicos o f¨ªsicos, ilustra el car¨¢cter interdisciplinar de la ciencia moderna. Las barreras entre campos cient¨ªficos, en un mundo cada vez m¨¢s t¨¦cnico y especializado son, como las de las membranas, a menudo dif¨ªciles de cruzar, pero todos los grandes descubrimientos recientes se han basado en selectivos canales de ideas que han traspasado las barreras del corporativismo, el aislamiento y la comunicaci¨®n entre disciplinas dispares. Los acad¨¦micos suecos, tal vez de forma inconsciente, as¨ª lo han reconocido con los premios Nobel de 2003.

Javier de Mendoza es catedr¨¢tico de Qu¨ªmica Org¨¢nica de la Universidad Aut¨®noma de Madrid