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Quilo de Ciencia

El quilo, con “q” es el líquido formado en el duodeno (intestino delgado) por bilis, jugo pancreático y lípidos emulsionados resultado de la digestión de los alimentos ingeridos. En el podcast Quilo de Ciencia, realizado por el profesor Jorge Laborda, intentamos “digerir” para el oyente los kilos de ciencia que se generan cada semana y que se publican en las revistas especializadas de mayor impacto científico. Los temas son, por consiguiente variados, pero esperamos que siempre resulten interesantes, amenos, y, en todo caso, nunca indigestos.

¿Cómo saben las defensinas de qué deben defendernos?

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Una de las propiedades más estimulantes de la ciencia es su capacidad de proporcionarnos momentos ¡ajá! Son esos momentos en los que algo hace clic en nuestro cerebro y comprendemos por fin algún concepto que se nos resistía, o cómo funciona un determinado proceso. Los momentos ajá que más me han estimulado son aquellos que me han permitido conectar dos aspectos de las ciencias aparentemente lejanos entre sí, pero que están conectados desde el principio de los tiempos, aunque tú no te habías dado cuenta hasta que ese momento ajá se produce. De un momento ajá de este tipo te quiero hablar, un momento que conecta dos disciplinas científicas tan importantes para mí como son la bioquímica y la inmunología, vamos los dos amores científicos de mi vida, aunque espero que la astrofísica no se ponga celosa.

Tengo que comenzar recordándote un poco de bioquímica básica. Necesito hablarte de la composición química de las membranas celulares, las membranas que separan la parte viva del interior de las células del mundo no vivo del exterior. Unos de los componentes más fundamentales de estas membranas son unas sustancias grasas llamadas fosfolípidos. Los fosfolípidos son moléculas relacionadas con los triglicéridos de las grasas. La diferencia principal, es que solo tienen dos ácidos grasos unidos al glicerol, mientras que el tercer punto de unión de esta molécula de glicerol está ocupado por un grupo de ácido fosfórico que a su vez se une a una molécula que tiene afinidad por el agua. Esta parte de la molécula de fosfolípidos, —la del ácido fosfórico unido a una molécula que tiene afinidad por el agua— se denomina su cabeza polar, y se llama polar no porque esté congelada y tenga frío, sino porque tiene una polaridad eléctrica. Esta polaridad se debe a que el grupo de ácido fosfórico posee siempre una carga negativa. Además, este grupo de ácido fosfórico está unido a otra molécula polar, la cual puede bien poseer una carga positiva completa, bien una distribución de electrones asimétrica, como la que se encuentra en los grupos hidroxilo, formados por la unión de un oxígeno y de un hidrógeno, y que se encuentran en moléculas tan populares como el etanol.

De este modo, mientras las moléculas de triglicéridos, como las que forman parte del aceite de oliva, de girasol y otros aceites vegetales y grasas, huyen por completo del agua, las moléculas de fosfolípidos solo poseen una parte que huye del agua, pero otra parte que es afín a ella. Estas dos partes de las moléculas de fosfolípidos permiten que se organicen en el medio acuoso de una manera completamente diferente a la de los triglicéridos. Estos forman gotitas que se separan del agua, como podemos ver si nos fijamos al tomar un caldo o una sopa, mientras que los fosfolípidos forman membranas formadas por dos capas de moléculas. Las partes que huyen del agua se enfrentan entre sí y excluyen al agua, mientras que las partes polares se ponen en contacto con el agua. Podemos así suponer que las moléculas de fosfolípidos en el agua se organizan como dos alfombras enfrentadas. Como estas, forman dos capas. Las partes inferiores de las alfombras, esas más anodinas, que no tienen dibujos ni colores, corresponderían a las partes no polares, a las partes grasas, que se enfrentarían entre sí y quedarían ocultas, mientras que las dos caras que contienen los motivos y formas geométricas de las alfombras, las correspondientes a las partes afines por el agua, quedarían hacia el exterior. Esas dos capas alfombradas formarían las membranas de todas las células vivas de cualquier organismo.

Llegados hasta aquí, podría parecer que la cara de la alfombra de fosfolípidos que se dirige al interior de la célula debería ser igual a la cara de la alfombra que se dirige al exterior, pero esto no es así. Las caras de ambas capas son desiguales y están compuestas por fosfolípidos diferentes. Las cabezas polares de los fosfolípidos de la alfombra exterior están formadas por moléculas que tienen una carga positiva, pero las cabezas polares de los fosfolípidos que se dirigen hacia el interior de la célula carecen de carga eléctrica, aunque siguen siendo afines al agua.

Lo anterior es sorprendente y va en contra del principio científico de que el desorden en el universo aumenta. El desorden, en este caso, supondría que los fosfolípidos de ambas capas de la membrana estuvieran distribuidos al azar, es decir, que hubiera igual cantidad de cargas positivas a ambos lados de la membrana. Aunque es cierto que el incremento del desorden tiende a igualar la composición de los fosfolípidos en ambas caras de la membrana, y es cierto que, dejados a su suerte, la membrana y cualquier otro sistema molecular acaban todos desordenados, es también cierto que en determinados sistemas de moléculas, o incluso humanos, es posible dedicar energía para mantener o restablecer un orden en un lugar concreto, pagando el precio del gasto de tiempo, energía y un aumento de desorden en alguna otra parte del universo mayor que el orden que se consigue en dicho lugar concreto. Así, uno siempre puede dedicar energía a ordenar el salón de su casa. A mí a veces hasta me da la irracional tentación de dedicar tiempo y energía a ordenar mínimamente mi despacho. Esto sucede normalmente cuando oigo voces, sí las voces de mi esposa. Afortunadamente, cuando eso sucede, aprovecho también para ordenar mis ideas un poco al mismo tiempo. En cualquier caso, la energía dedicada a ordenar mi despacho supone un aumento de desorden del entorno, causado por la disipación de la energía que mi metabolismo necesita generar para mover las cosas de aquí para allá, pasar el aspirador, quitar el polvo, etc.

Espero que habrás deducido que, para mantener los fosfolípidos de las dos capas de la membrana en un orden determinado, las células necesitan dedicar energía a esta labor. Esta energía es en forma de consumo de la molécula universal de la vida empleada para transferir energía, que es la famosa ATP. Esta energía necesita ser dedicada continuamente a esta tarea, porque de lo contrario el orden se pierde con cierta rapidez. Además, las células necesitan también mecanismos moleculares para mover los fosfolípidos de una cara a otra de la membrana. Aquellos fosfolípidos “rebeldes” que abandonan su sitio en una capa para moverse a la otra necesitan ser relocalizados en el lugar que les corresponde por alguna molécula que los mueva. Las moléculas encargadas de mover a los fosfolípidos entre las dos caras de la membrana son enzimas y las células eucariotas cuentan con nada menos que tres clases diferentes, especializadas en efectuar movimientos de diferentes clases de fosfolípidos. Una de las enzimas se denomina flipasa, y es cierto que uno puede flipar al comprender su funcionamiento, pero esto lo dejamos para otro día.

La pregunta que uno puede hacerse es: ¿y por qué razón emplean las células tanta energía y dedicación a mantener las dos capas de su membrana con una composición diferente? ¿Acaso es esto necesario para la vida? Y bien, ya te doy la respuesta. La respuesta es no. Mantener a las membranas ordenadas no es necesario para la vida, porque las bacterias, que también son células, no dedican energía alguna a mantener diferenciadas las dos partes de sus membranas, por lo que las tienen desordenadas, es decir, con idéntica composición de fosfolípidos a un lado y a otro de la membrana. Esto quiere decir que esta propiedad es característica de las células eucariotas, aunque en realidad no la necesiten para vivir. Entonces, ¿para qué la necesitan?

Una posible respuesta puede residir en el hecho de que las células sanas pueden conseguir y dedicar suficiente energía para mantener la asimetría en la composición de los fosfolípidos de la membrana, pero cuando la célula no está tan sana, ya no puede. En esas circunstancias, las células comienzan a aumentar la composición de ciertos fosfolípidos en la capa externa de su membrana, fosfolípidos que no deberían estar ahí, pero que la célula ya no puede hacer regresar a la capa interna por carecer de suficiente energía. La presencia de esos fosfolípidos constituye una señal para ciertas células del sistema inmunitario, encargadas de eliminar a las células enfermas o viejas, cuya presencia dificulta la función normal de los órganos. Las células viejas del organismo no gozan de jubilación tras una vida dedicada al trabajo y bienestar de las demás. Son eliminadas de manera expeditiva siempre que es posible, y en todo caso antes de que puedan mutar y convertirse en tumorales, lo que no siempre se consigue. La eliminación de estas células enfermas corre a cargo de células del sistema inmunitario innato, llamadas macrófagos, que literalmente se las comen. Antes de comérselas, los macrófagos necesitan detectar algún indicio de que la célula está enferma, ya que de otro modo no deben comerla, no es bueno comerse a células sanas. Este indicio es, precisamente, la presencia de un fosfolípido particular en la cara externa de la membrana, un fosfolípido que no debería estar ahí si la célula estuviera sana. Este fosfolípido se llama la fosfatidil serina, si te apetece saberlo.

Así que ahí tenemos una razón para mantener una asimetría en la membrana de las células eucariotas. ¿Es esta la única razón? Y bien, no. Y aquí es donde he experimentado el momento ajá al que me refería antes. Veamos si soy capaz de contártelo.

Resulta que, al revisar conceptos de inmunología para mis clases, me he vuelto a topar con unas moléculas muy interesantes, llamadas defensinas. Son estas pequeñas proteínas, formadas por la unión de unos pocos aminoácidos, que se encuentran muy ampliamente distribuidas por nuestro organismo. Aunque son unas moléculas pequeñas, son muy matonas, porque tienen la capacidad de unirse a las membranas de las bacterias y de formar poros en ellas. La formación de estos poros resulta mortal, porque por ellos escapan electrolitos fundamentales para la vida de la bacteria, así como también puede penetrar el agua, que la hinchará y la matará. Una pregunta obvia en este estado de cosas es: ¿cómo pueden las defensinas distinguir entre nuestras membranas y las de las bacterias?

Ajá. Eso es. Resulta que, como hemos visto, las células eucariotas mantienen en su membrana externa mayoritariamente fosfolípidos que poseen cargas eléctricas positivas. Sin embargo, las bacterias no tienen tanta densidad de carga positiva en la capa externa de su membrana, porque las dos capas no son asimétricas. Las defensinas aprovechan esta diferencia para unirse solo a las membranas de las células procariotas. ¿Cómo lo logran? Lo consiguen gracias a que están compuestas en un grado importante por aminoácidos que también tienen carga positiva. Puesto que las cargas positivas se repelen, las defensinas son repelidas por las membranas de las células eucariotas sanas, pero no son repelidas por las membranas de las células procariotas, en particular por las membranas de las bacterias.

Como seguramente sabes, la misión defensiva de nuestro sistema inmunitario sería imposible si este no contara con mecanismos para distinguir lo propio del organismo que debe defender de lo extraño que acecha en el exterior. Un problema serio para conseguir esta distinción es que las moléculas de la vida son las mismas para todos los seres vivos. Todos tienen proteínas, grasas, fosfolípidos o carbohidratos. Así que el sistema inmunitario necesita poder distinguir diferencias más sutiles entre nuestras células y las células que nos amenazan. Una de esas sutiles diferencias radica en la asimetría de distribución de fosfolípidos en las membranas de las células eucariotas, asimetría que no se encuentra en las membranas de las células procariotas.

Podemos ahora comprender que, a lo largo de la evolución de los organismos multicelulares, estos hayan desarrollado estrategias para distinguirse de las bacterias y de otros organismos vivos, no solo en base a una diferente composición química, lo que no es siempre posible, sino en base a una diferente organización de las moléculas de la vida en estructuras vitales, como son las membranas celulares.

De todas estas observaciones y conocimiento suele destilarse una y otra vez la misma lección: las cosas no son porque sí, no son caprichosas. Existen razones que las sustentan. En este caso, la razón del porqué las células de nuestro organismo deben dedicar tanta energía y esfuerzo a organizar sus membranas es, de nuevo, una razón de supervivencia. Los organismos cuyas células no pudieron adquirir a lo largo de su evolución una asimetría de fosfolípidos en sus membranas celulares no pudieron defenderse tan eficazmente del ataque de las bacterias y sucumbieron. Nosotros somos descendientes de aquellos que sí “aprendieron” a defenderse. Por eso seguimos vivos hoy, aunque la vida requiera un formidable nivel de complejidad, de gasto energético y de extraordinarios mecanismos defensivos que abarcan desde las moléculas más pequeñas a la práctica totalidad de las células de nuestro organismo.

Jorge Laborda. 22 de enero de 2024.

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