Receptores celulares

Si al lector le apasiona el mundo de la información, fíjese en la comunicación entre células porque no es menos llamativa que entre humanos. Los receptores celulares son proteínas que, cuando se unen a moléculas específicas del exterior de la célula, transmiten información hacia el interior. Me fijaré en cuatro receptores ubicados en la membrana celular que convierten una señal -química o térmica- en una señal eléctrica; tres de ellos son receptores de moléculas -glutamato, GABA y acetilcolina- el cuarto, los receptores TRP, es sensible tanto a moléculas como al calor y frío. Los cuatro actúan como canales que, al abrirse permiten el paso de iones sodio, calcio o cloro a través de la membrana celular. Este flujo altera el potencial eléctrico de la membrana, y proporciona una respuesta celular: excitadora -glutamato, acetilcolina, TRP- o inhibidora -GABA-.
Antes de comentar cómo los científicos tratan de modificar su función, señalemos qué enfermedades humanas causan el exceso o defecto de su actividad. Los receptores de glutamato están activos en exceso en enfermedades neurodegenerativas -Alzheimer, Parkinson, ELA-, epilepsia, esquizofrenia y trastorno bipolar; es mínima su inactividad en la depresión y falta de memoria. Una hiperactividad de los receptores de acetilcolina causa una contracción muscular descontrolada, calambres, parálisis y muerte; si es mínima o nula su actividad, los músculos esqueléticos no se contraen o no se puede respirar. Si los receptores de GABA están activos en exceso causan sedación, somnolencia, anestesia, coma y muerte; si están excesivamente inactivos, insomnio. La hiperactividad de los receptores TRP induce dolor -crónico y neuropático-, afecciones en la piel -dermatitis, psoriasis, prurito-, inflamación o enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC); la actividad insuficiente produce insensibilidad al dolor.
El alcohol, los barbitúricos y las benzodiacepinas (recuérdese al valium) activan los receptores GABA, que deprimen el sistema nervioso. Plaguicidas -como los organofosforados y carbamatos- y gases nerviosos -como el sarín, somán, tabún y VX- activan los receptores de acetilcolina, que provocan una grave crisis colinérgica. La hiperactividad de los receptores de glutamato, sea por liberación excesiva -si hay daño celular o carencia de oxígeno- o sea por falta de reabsorción -si las células gliales carecen de oxígeno o glucosa- causa excitoxicidad que daña el cerebro. Los receptores TRP actúan como sensores de dolor, calor y frío, inducidos por moléculas externas irritantes o por moléculas generadas en los daños celulares.
Sí, para bien o para mal, los humanos conocemos y usamos sustancias que actúan sobre estos receptores.

Fabricación de átomos, células o bombas

La tertulia comenzó con un debate sobre el escritor ruso Vasili Grossman, el Tolstói del siglo XX, quien, en el libro “Vida y destino”, reflexiona sobre el bien y el mal, sobre los totalitarismos tanto en la Alemania nazi como en la Rusia comunista, y enfatiza la importancia de la bondad individual y de la libertad. Uno de los múltiples protagonistas, un físico que investiga la fisión nuclear, germen de las primeras bombas atómicas, nos conduce a valorar la moralidad de los científicos en un régimen perverso. Antes de seguir aclararé a los profanos la importancia de la fisión nuclear en el ámbito bélico. Cuando explota el explosivo químico más potente, que no es la dinamita, ni el TNT, ni la pólvora, sino el hidrógeno gaseoso, se liberan ciento veinte millones de unidades internacionales de energía, por cada kilo de gas. Por contraste, se liberan ochenta y dos billones cuando fisiona un kilo de uranio; seiscientos treinta si se fusiona un kilo de hidrógeno y la mitad de esta cifra si se fusionan los isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio. En resumen, la fisión nuclear es dos tercios de millón más energética que la reacción química.
Seguimos el coloquio porque alguien se interesó por la procedencia de los átomos que forman las bombas y de las células que forman a los humanos que las sufren. Recordemos que la célula es la unidad de la biología, mientras que el átomo es la unidad de la química. Ignoramos cómo se formaron las primeras células (no importa si arqueas o bacterias), aunque sí conocemos algunos pasos que convirtieron la materia inerte en materia viva; sí sabemos, en cambio, el complejo camino que recorrieron para generar a sus sucesoras, las células animales y vegetales. Resulta más sencillo el mundo atómico porque todos los átomos se sintetizaron a partir de uno: el hidrógeno que se formó durante el primer segundo del Big-bang; y de una manera harto curiosa, porque durante la síntesis de los átomos menos másicos que el hierro se liberó energía; mientras que se requirió energía adicional para sintetizar el hierro y todos los átomos más pesados que él. Sepa el curioso lector que, para fabricar átomos, se utilizan energías comparables a las que intervienen en las bombas atómicas; en cambio para fabricar células se usan energías comparables a las que intervienen en los explosivos químicos habituales. ¡Que le vamos a hacer!

Imprescindibles mitocondrias

Los siete reinos de la biosfera están formados por seres que contienen una o varias células: dos reinos -bacterias y arqueas- están formados por células simples; los otros cinco -protozoos, algas, hongos, animales y plantas- por células complejas. Las segundas contienen un núcleo y orgánulos celulares, las primeras carecen de ambos. Un orgánulo celular imprescindible, al menos desde que existe oxígeno en la atmósfera, es la mitocondria, antigua bacteria que, devorada por una arquea, no fue digerida, sino que ambas establecieron una colaboración para, juntas, formar el precursor de una célula compleja; célula de la que descendemos todos los seres pluricelulares. Aún ahora podemos observar vestigios de la lejana -sucedió hace más de mil quinientos millones de años- unión entre ambas células: la membrana externa mitocondrial es similar a la membrana celular, mientras que la membrana interna mitocondrial es similar a una membrana bacteriana -incluso tiene lípidos, como la cardiolipina, característicos de las bacterias-. La antigua bacteria, que ahora llamamos mitocondria, se encuentra en las células complejas, y su labor es esencial pues se encarga de sintetizar ATP, la molécula que proporciona la energía necesaria para que se realicen todas las reacciones químicas que ocurren en un organismo. ¿Cómo lo hace? La unión del oxígeno con los átomos de hidrógeno procedentes de los azúcares, ácidos grasos y aminoácidos contenidos en los alimentos proporciona la energía necesaria para que funcione la máquina molecular sintetizadora de ATP.
Pero las mitocondrias también tienen otras funciones: desprenden calor, si no se sintetiza ATP con la energía procedente de la unión de los hidrógenos y el oxígeno; sintetizan las hormonas sexuales, la hormona procedente de la vitamina D y las hormonas de la corteza suprarrenal; e intervienen en un mecanismo de protección, el suicidio celular, operativo cuando han dañado a la célula.
Las células del cuerpo humano no podrían vivir sin ATP, o sea, sin mitocondrias. ¿Todas las células humanas tienen estos orgánulos? No. De las treinta billones de células que contiene una persona de setenta kilos, veinticinco billones son glóbulos rojos transportadores del oxígeno y casi billón y medio (1,47) son plaquetas encargadas de coagular la sangre. Sorpréndase el sabio lector, aquéllos carecen de núcleo y mitocondrias, éstas sí tienen mitocondrias, aunque no núcleo. El sorprendido escritor, que sabe que el núcleo es esencial para la duplicación celular, se pregunta, ¿qué es más imprescindible para la célula el núcleo o las mitocondrias?

La Luna y la prosperidad de la vida

La Tierra, con su clima templado y estaciones repetibles, es un oasis en el sistema solar. ¿La estabilidad climática de nuestro planeta es fruto de la casualidad? No, en absoluto, se debe a la existencia de la Luna. Nuestro satélite no sólo es responsable de las mareas, es el ancla que ha estabilizado el eje de rotación de la Tierra durante miles de millones de años, lo que posibilitó la existencia de un ambiente apto para desarrollar una biosfera compleja.
El eje de rotación terrestre está inclinado veintitrés grados y medio respecto al plano de su órbita alrededor del Sol, una inclinación que causa las estaciones; si bien tal inclinación varía, lo hace en un rango muy estrecho (de apenas dos grados y medio) y en períodos de decenas de milenios. La Luna, debido a su enorme tamaño, ejerce una fuerza gravitatoria que contrarresta las perturbaciones gravitacionales de otros planetas, especialmente de los gigantes Júpiter y Saturno; tal efecto asegura que la mínima oscilación del eje de giro terrestre. Nuestro vecino Marte muestra el contraste más acusado: a pesar de su inclinación actual, veinticinco grados, similar a la Tierra, carece de un satélite de gran tamaño capaz de ejercer un efecto estabilizador; como resultado, el eje de rotación marciano ha oscilado, a lo largo de su historia, entre los diez y sesenta grados. La inestabilidad del eje, junto con otros factores, facilitó la pérdida de su atmósfera y del agua, indispensables para la vida. A pesar de todo, los astrónomos planetarios han hallado evidencias de que Marte tuvo un clima suave y fue habitable para la vida bacteriana en su pasado lejano.
Las repercusiones de la diferencia son inmensas. En la Tierra, la pequeña variación del eje permite que los climas regionales se mantengan relativamente estables durante escalas de tiempo geológicas, dando a la vida tiempo para adaptarse y evolucionar, para formar ecosistemas complejos y para diversificarse las especies. Sin embargo, en Marte, la inestabilidad de su eje provocó cambios climáticos bruscos que habrían hecho imposible la prosperidad a largo plazo de cualquier forma de vida, incluso la bacteriana. Por tanto, si bien cabe argumentar que la Luna no fue la causa del origen de la vida terrestre, sí puede afirmarse que permitió su supervivencia y prosperidad durante eones; posibilidad que Marte, carente de satélites de gran tamaño, nunca pudo replicar.

Hongo radiotrófico

Nos ubicamos en Ucrania, en las ruinas de la central nuclear de Chernóbil tras el desastre nuclear del año 1986. Nos hemos protegido con trajes antirradiación NBQ porque sabemos que la zona se ha vuelto inhabitable para casi todas las formas de vida debido a la contaminación radiactiva. Sorprendidos, observamos a un hongo negro que, a pesar de todo, no solo resiste tales condiciones extremas, sino que prospera y crece en presencia de radiación, incluso -sospechamos- se alimenta de ella. Cladosporium sphaerospermum, el nombre científico de este resistente ser, no escapa de la radiación, la busca, pues -para pasmo de los biólogos- crece más rápido donde detecta mayor cantidad de radiación gamma. Un pigmento que nos protege de los rayos ultravioleta del Sol, polímero sintetizado a partir del aminoácido tirosina y presente en la piel humana, es el inesperado protagonista de esta inconcebible historia. La melanina, que así se llama nuestro protector solar natural, también está presente en el hongo, donde ejerce una función bien distinta: capta la radiación gamma y la transforma en energía que el hongo utiliza para vivir. Este proceso de radiosíntesis fúngica nos recuerda a la fotosíntesis vegetal; pero mientras las plantas absorben la luz solar, el hongo utiliza la invisible radiación gamma cien mil veces más energética. Aunque ignoramos el mecanismo bioquímico que emplea el hongo para convertir la energía de la radiación en energía química; sí sospechamos que la melanina fúngica absorbe los rayos gamma y, a través de reacciones químicas en las células, convierte la energía radiactiva en compuestos que sirven como combustible celular al hongo.
A esta capacidad del hongo podemos hallarle un uso inesperado. Hemos comprobado que el exceso de radiación dificulta la exploración humana del espacio; porque fuera del campo magnético de la Tierra, los astronautas están expuestos a altos niveles de radiación ionizante que les causa daño celular e incluso cáncer. Si queremos colonizar Marte o viajar por el sistema solar necesitamos protegernos. En el año 2020, los moradores de la Estación Espacial Internacional efectuaron un experimento: demostraron que este hongo negro es capaz de reducir el nivel de radiación: en concreto, comprobaron que una delgada capa fúngica, de apenas dos milímetros, bloqueaba parte de la radiación. Dejemos volar ahora el pensamiento e imaginemos un hábitat marciano cubierto con el hongo, hongo que actúa como un escudo antirradiación y autorreparable, que se alimenta de lo que es letal para nosotros.