Capítulo 2: La célula y el código de las moléculas

Uno de los objetivos de estos capítulos introductorios es hacer un resumen accesible a los estudiantes con el fin de que, aun sin haber terminado de cursar las ciencias básicas, conozcan los hechos biológicos que hacen factible una cirugía, así como sus consecuencias. Otro de los objetivos es familiarizar al lector con la terminología que se utiliza a lo largo del texto. Para aquellos que ya han cursado las materias, es sólo un listado de los conceptos que deben repasar.

Las ciencias de la salud han dado origen a una extensa variedad de ocupaciones de nivel técnico y profesional. Tarde o temprano, el estudiante entrará en contacto con la cirugía y tendrá necesidad de participar de manera indirecta en maniobras manuales e instrumentales en las que se invade el organismo de seres vivos; para entonces será necesario que conozca las estructuras que tiene que manipular.

Los organismos multicelulares disponen de mecanismos para ofrecer una respuesta que todavía se conoce de manera imperfecta, aunque existen suficientes elementos teóricos que sustentan el ejercicio de la cirugía contemporánea. El estudiante debe estar consciente de que las responsabilidades que se comparten en la actualidad en los equipos de salud no permiten que sus miembros ignoren las bases biológicas necesarias para ejecutar desde actos que son al parecer simples, como puede ser aplicar una inyección hipodérmica o preparar una solución que se administrará por vía intravenosa, hasta el desempeño de labores relacionadas con la cirugía, como el mantenimiento de equipos electromédicos o el diseño de dispositivos para implantar en seres vivos. Por tanto, no basta con conocer la técnica, sino que resulta indispensable que el ejecutor conozca los elementos de la biología.

Hace unos 300 años, Roberto Hooke (1635-1703) observó en un corcho pequeñas cavidades regulares a las que llamó celdillas o células. En 1838, Schleiden y Schwann pudieron demostrar la existencia de estos compartimientos en todos los tejidos vivos, y con ello dieron origen a la teoría celular, en la cual se sostenía que todos los organismos estaban compuestos por células. En 1839, Purkinje utilizó el término “protoplasma” para designar el contenido vivo de las celdillas.

Poco tiempo después se determinó que la célula en realidad es un complejo molecular localizado en todos los tejidos vivos. El célebre patólogo alemán Rudolph Virchow (1821-1902) amplió la teoría al demostrar que las células de los tejidos enfermos provenían de células normales; por esa razón se le considera el padre de la “patología celular”.

Si alguien deseara elaborar una lista de las moléculas que se han identificado en la célula, requeriría un catálogo inmenso en el que estarían en primer término las macromoléculas de peso mayor a 10 000 daltons (10 000 veces el peso de un átomo de hidrógeno), las cuales son polímeros formados por cadenas de unidades más pequeñas llamadas monómeros y sólo se encuentran en los seres vivos. Cada uno de los tipos de polímeros dominantes está formado por una clase específica de monómeros y se les conoce como proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos.¹

Los procesos de todos los organismos llamados superiores son la suma de las funciones coordinadas de los incontables miles de millones de células que los constituyen.² Mediante la investigación biológica se ha logrado conocer de manera paulatina los caminos que permiten esta coordinación, por lo que resulta indispensable enunciar lo rudimento de los códigos y señales que hacen posible la comunicación de unas células con otras.

En la célula, diversos compartimientos están organizados en forma específica como resultado de la interacción de moléculas comunes a todos los seres vivos.³ También es en la célula donde se llevan a cabo las transformaciones químicas y los intercambios de energía que mantienen el medio interno estable, los cuales permiten el crecimiento y la reproducción celulares. Actualmente, la exploración de los procesos vitales y de su patología ha pasado a la escala molecular y está muy lejos de terminar.

Proteínas

Las proteínas son macromoléculas formadas por la reacción de moléculas elementales más sencillas que se llaman aminoácidos alfa (α). Un aminoácido es un ácido carboxílico que tiene un grupo amino (NH₂) enlazado al átomo de carbono adyacente al grupo ácido carboxílico (COOH). La designación α denota la posición del grupo amino. Una de las múltiples funciones de los aminoácidos es la de servir como monómeros a partir de los cuales se sintetizan las cadenas de polipéptidos que forman el esqueleto de la estructura molecular de las proteínas; participan en proporciones diferentes 20 aminoácidos básicos. Es interesante señalar que la alimentación humana debe contener 10 aminoácidos α-1 esenciales que los animales superiores no pueden sintetizar en cantidades necesarias, y que los defectos genéticos en la producción, degradación y transporte de los aminoácidos pueden provocar trastornos graves de la salud.

La palabra “proteína” proviene del griego προτα, en referencia al dios Proteo, al parecer por la cantidad de formas que pueden tomar estas moléculas y por la función fundamental que desempeñan en los seres vivos. Es incalculable el número de proteínas que conforman el cuerpo humano. Las propiedades de las células, así como su forma, estructura y movimientos, se deben a las moléculas proteicas formando la esencia de su estructura. Algunas de estas proteínas, llamadas enzimas, son sustancias que pueden acelerar o retardar las reacciones químicas de las células con su simple presencia, y que al parecer no se consumen o permanecen intactas; este proceso se conoce como catálisis. Para cada tipo de reacción hay una o varias enzimas catalizadoras propias y son necesarias pocas de ellas para modificar las reacciones. Se afirma que hay células que contienen varios miles de enzimas.

Ácidos nucleicos

Reciben este nombre por haber sido separados precisamente del núcleo de las células en 1860. Los ácidos nucleicos son polímeros formados por unidades conocidas como nucleótidos, compuestos a su vez por moléculas específicas de ribosa o desoxirribosa unidas a una molécula de ácido fosfórico y a una de cuatro bases orgánicas (adenina, guanina, citosina o timina).

Por otro lado, los ácidos nucleicos (ácido desoxirribonucleico [DNA, del inglés deoxyribonucleic acid] y el ácido ribonucleico [RNA, del inglés ribonucleic acid]) forman de manera literal la sustancia de la herencia y transmiten las características de un organismo y de cada uno de los tejidos de una generación a otra. El carácter de cada organismo está codificado por la secuencia particular de los nucleótidos, y la reproducción estriba en la copia exacta de la secuencia codificada. Desde luego, se supone que la modificación ocasional de los códigos está relacionada con la evolución de las especies. La expresión más simple o inmediata del código genético es la producción o “síntesis” de las mismas proteínas.

En la actualidad, mediante la biotecnología ha sido posible manipular los organismos o sus partes componentes y, en especial, los ácidos nucleicos, lo cual ha sido muy importante dado que la transmisión genética radica en el DNA, cuyos segmentos contienen los genes en los que está contenida la información constitutiva de cada organismo vivo. Las técnicas de aislamiento, caracterización, modificación selectiva y transferencia han abierto posibilidades muy amplias para el diagnóstico, prevención, pronóstico y tratamiento de algunas enfermedades. Hasta ahora, el mayor logro ha sido el perfeccionamiento y producción de nuevos medicamentos. El conocimiento del mapa completo del genoma humano y de un sinnúmero de genomas de otros organismos ha venido a modificar muchos de los conceptos de la medicina contemporánea, y pronto sus aplicaciones habrán de repercutir en la práctica de la cirugía.

Polisacáridos

Se trata de polímeros de carbohidratos, es decir, moléculas compuestas de átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Son protagonistas de las funciones que se efectúan fuera de la célula.

Existe otro grupo importante de moléculas de menores dimensiones que forman parte de la estructura celular: lípidos, nucleótidos, porfirinas y agua.

Lípidos

El término “lípidos” comprende un grupo de moléculas grasas que son insolubles en agua, pero solubles en disolventes orgánicos como el éter. Debido a la propiedad de no disolverse en el agua, son efectivas para separar los compartimientos que la contienen porque evitan que sus componentes se mezclen libremente.

Nucleótidos

Los monómeros que forman estas sustancias tienen una base nitrogenada, un azúcar (por lo general ribosa o desoxirribosa), y uno o más grupos de fosfato. Estas moléculas ejecutan una gran cantidad de actividades, destaca el trifosfato de adenosina (ATP, del inglés adenosine triphosphate), el cual participa en las reacciones celulares donde hay transferencia de energía. El monofosfato de adenosina cíclico (cAMP, del inglés cyclic adenosine monophosphate) es otro nucleótido que funciona como uno de los principales comunicadores moleculares de las células.

Porfirinas

Las porfirinas están ampliamente distribuidas en las células y algunos de sus derivados, los citocromos, son esenciales en los procesos oxidativos de la respiración de los tejidos vivos. La hemoglobina es un derivado de las porfirinas.

Agua

Por último, el agua es la molécula más simple y abundante. Las células contienen alrededor de 70 a 80% de agua. Si el contenido de agua celular desciende a menos de 50%, la vida se detiene en forma irreversible. Gran parte de esta agua no se encuentra como agua ordinaria, sino que forma parte de la estructura molecular en las capas que rodean a las macromoléculas, sobre todo a las proteínas. La célula no podría asimilar muchas sustancias necesarias para la vida si no estuvieran disueltas en agua.

Todos estos componentes interactúan en el complejo mecanismo de la célula, objeto inagotable de investigación y en ellos radica la esencia misma de la vida.

En los organismos complejos, las funciones celulares y sus relaciones de interdependencia se llevan a cabo en la frontera entre el medio interno de la célula y el entorno que la rodea; esa frontera es la membrana celular. La membrana se puede definir, desde el punto de vista funcional, como una estructura altamente diferenciada que garantiza la estabilidad del medio intracelular y regula el flujo de las moléculas.

El estudio de las funciones de la membrana celular o membrana plasmática es una de las áreas de investigación biológica muy importante, ya que los hechos funcionales que en ella se efectúan son de importancia fundamental, no sólo en cirugía, debido a su participación directa en los procesos inflamatorios, sino también en la reparación y regeneración de los tejidos dañados, así como en los procesos tumorales y la inmunidad.

Los principales componentes de las membranas son lípidos, proteínas y algunos carbohidratos. Sus proporciones varían con las funciones de cada célula, por ejemplo, las células nerviosas que necesitan “aisladores” tienen una proporción elevada de lípidos (9:1 en relación con las proteínas).

Desde el punto de vista de su estructura se sabe que la membrana forma una capa de 70 a 90 unidades ångström (Å) de espesor (1 ångström = 0.0001 μm) y, con esas dimensiones, sólo es visible cuando se explora con el microscopio electrónico.

Desde el punto de vista físico, la propiedad más destacada de la membrana celular es su resistencia eléctrica, la cual tiene un valor de 1 000 a 10 000 ohmios/cm². Tiene carga negativa en su superficie y el hecho se atribuye a las glucoproteínas que se encuentran en la capa externa. Esta propiedad física es una de las características determinantes del intercambio con el medio extracelular.

Danielli y Davison sugirieron hace más de 45 años que la membrana tiene una estructura formada por una doble capa de moléculas de lípidos. Singer y Nicholson, a finales de la década de 1960-1969, explicaron que las moléculas están organizadas con un polo hidrofóbico ubicado en medio, a modo del contenido de un sándwich, en tanto que el polo hidrofílico está orientado hacia las caras interna y externa de la membrana. Este modelo, aunque no se acepta de manera universal, se adapta muy bien al concepto que se atribuye a la membrana celular de ser una barrera impermeable a los compuestos solubles en agua.

La membrana tiene un grado de “permeabilidad”, que es la velocidad a la que las moléculas pueden pasar a través de ella. Todas las membranas tienen permeabilidad selectiva, pero son libremente permeables al agua, al dióxido de carbono y al oxígeno. En general, las moléculas liposolubles pueden atravesar con facilidad las membranas, por ejemplo, el etanol.

La membrana celular también permite el paso de los iones cargados de manera negativa (aniones) más rápido que el paso de los cationes; por tanto, el Cl^– y el HCO₃^– pasan más rápido que el Na⁺ y el K⁺; dichos movimientos determinan la diferencia de potenciales a través de la membrana. El movimiento de electrólitos a través de ésta es la combinación del potencial eléctrico y la concentración de sus gradientes. Si hay una carga positiva en el líquido en un lado de la membrana y una carga negativa en el otro, habrá una diferencia de potencial. La suma de la fuerza generada por la diferencia de concentración de los iones transmembrana y el efecto de la carga de potencial definen la “diferencia electroquímica”.

Las proteínas de la membrana le confieren muchas de sus características funcionales, como la actividad enzimática, el transporte de iones y el reconocimiento celular, el cual es un factor crucial de la función inmunológica. Están presentes en dos posiciones: flotando como icebergs en la doble capa lipídica o en forma de proteínas periféricas sobre la superficie de la membrana (figura 2-1).

Las proteínas que sobresalen en las dos superficies de la membrana tienen marcadores específicos en cada uno de sus polos, y gracias a ello actúan como compuertas que permiten o limitan el paso de moléculas en uno y otro sentidos. Se les ha llamado proteínas transmembrana y transportan moléculas por medio de tres mecanismos:

• El primero es un mecanismo pasivo; la estructura de la proteína forma un poro o canal por el cual los solutos pasan gracias a diferencias electroquímicas (channel proteins); estos canales son regulados por proteínas receptoras que hacen permeable el canal en respuesta a señales específicas o responden a cambios en los potenciales de la membrana (figura 2-2).

• El segundo mecanismo es activo; ahí la célula proporciona energía cuando el gradiente no es suficiente, lo que ejecuta una proteína portadora (carrier protein). Algunas proteínas de este tipo transportan solutos en una sola dirección y otras lo hacen en los dos sentidos (concepto de simpuerto y antipuerto). Así, por ejemplo, la glucosa se absorbe del intestino mediante un intercambio en simpuerto de iones sodio. Por otra parte, el intercambio de la mayoría de los iones se hace con un funcionamiento de antipuerto, y se utiliza una cantidad considerable de energía. Un ejemplo es la bomba específica de trifosfato de adenosina en el intercambio de los iones Na⁺ y K⁺. Otros ejemplos de antipuertos se observan en el intercambio de Na⁺/H⁺ y Cl^–/HCO₃^–, que regulan el pH intracelular. Las proteínas más pequeñas tienen un polo hidrofílico y otro hidrofóbico, y flotan sólo en una de las capas de la membrana sin atravesarla.

• El tercer mecanismo es el transporte de las macromoléculas; que se efectúa por medio de ingestión o secreción. Los dos procesos pueden ocurrir en forma espontánea o ser activados por señales específicas.

Existe un complejo sistema de información que coordina las funciones de los organismos multicelulares y se lleva a cabo en diferentes niveles, pero se han descrito tres vías básicas de comunicación: a) mediante la secreción de sustancias químicas, hormonas o citocinas, las cuales llevan información a grandes distancias al ser liberadas en la sangre; b) por medio del contacto directo de la superficie celular, lo que quiere decir que existen moléculas enlazadas a la membrana, y c) por intersticios que permiten el intercambio de información por comunicación directa de los citoplasmas contiguos (gap junctions).

Mediante los estudios de la biología celular se ha elaborado una compleja nomenclatura con estas tres vías para definir la interacción celular y ha dado como resultado una mezcla de historia, función y estructura. Es claro que pronto debe aparecer una nomenclatura precisa y la investigación proporcionará en breve plazo el conocimiento que permita una síntesis accesible, incluso al lego.

Señales endocrinas, paracrinas y autocrinas

Las células transmiten información a distancia mediante el torrente sanguíneo,⁷ por el que se transportan moléculas mensajeras específicas que son secretadas por células especializadas, las cuales están organizadas a menudo como glándulas. Estas señales se llaman endocrinas y llegan a todas las células del organismo, pero sólo responden a ellas las que cuentan con la estructura necesaria para recibir la señal o para transformarla y retransmitirla (figura 2-3).

Entre los tejidos cercanos se establece otra comunicación similar por medio de señales “paracrinas” activadas por mediadores; la señal se difunde a cortas distancias y se controla de manera regional. Algunos ejemplos de estas sustancias son las proteínas, fibronectinas y proteoglucanos.

No obstante, puede suceder que la liberación exagerada de moléculas paracrinas tenga efectos generales profundos y que actúe a grandes distancias; esto se ha observado con el factor de necrosis tumoral (caquectina), el cual regula el proceso de cicatrización coordinando la acción de los glóbulos blancos como señal paracrina, pero cuando se libera en la corriente sanguínea en altas concentraciones es una de las causas del ataque al estado general de los pacientes.⁸

En contraste con el sistema endocrino, el sistema paracrino no está organizado en glándulas, y los ejemplos típicos de mediadores paracrinos son las citocinas, los eicosanoides, la serotonina y la histamina. Las células son capaces de responder a sus propias secreciones endocrinas con la autorregulación de sus propias funciones; a esto se ha llamado señal “autocrina”: las prostaglandinas parecen actuar de este modo, ya que las producen las células de todos los tejidos y su producción continua es modificada por la acción de otras señales.

Comunicación mediante el sistema nervioso

El más elaborado sistema de comunicación en los organismos multicelulares es el sistema nervioso, por medio del cual células altamente especializadas transmiten información a grandes distancias excitando en forma eléctrica a moléculas enlazadas; la información llega a objetivos celulares bien definidos. Las células que son el objetivo específico de algún estímulo se llaman células diana, células destino o células objetivo (target cells).

En el caso del estímulo nervioso, las células diana son alcanzadas por señales que se transmiten a gran velocidad por sinapsis (transmisión de impulsos) en la región de comunicación de las prolongaciones celulares. Son verdaderos relevos en los cuales intervienen señaladores que se liberan en el sitio de contacto de las células nerviosas. Dichos señaladores se llaman neurotransmisores (figura 2-4).

El mecanismo resultante es muy preciso y coordina las diferentes partes del cuerpo con gran velocidad y precisión.

En cualesquiera de los casos y al margen del camino del estímulo, ya sea endocrino, autocrino o sináptico, el receptor es una proteína que traduce la señal en información y ésta produce una respuesta específica en la célula diana. La respuesta a las señales químicas puede ser transitoria, de larga duración o, incluso, irreversible. En algunos casos la duración de la respuesta depende de la degradación del mediador. Así, para los neurotransmisores será de milisegundos. En cambio, la respuesta a las hormonas tiroideas y a los esteroides puede persistir por varios días.

Comunicación de superficie o de contacto

Hay distintas clases de comunicación celular por contacto directo; una de ellas es el contacto transitorio en el que intervienen moléculas de adhesión. Estas moléculas son proteínas que se unen a receptores específicos en la superficie celular y son parte fundamental en la respuesta inmunitaria. Este contacto no es sólo un proceso para anclar de manera transitoria unas células a otras.

Como ya se mencionó, los citoplasmas de las células contiguas se comunican por intersticios de una estructura proteica (channel proteins), los cuales forman verdaderos poros que permiten el paso de moléculas de iones inorgánicos, moléculas segundas mensajeras y metabolitos, como aminoácidos, péptidos, azúcares, nucleótidos y otros que facilitan la colaboración metabólica y la sincronización endocrina. Este medio quizá permite que la eficacia de las células que tienen una función biológica similar sea óptima, como se podría intuir para las células hepáticas.

Mecanismos de transformación de las señales celulares

El término transducción siempre genera cierta inquietud en los estudiantes por ser un vocablo de la física muy empleado en electrónica, pero también tiene uso en medicina. Se debe utilizar al referirse a los dispositivos que transforman un efecto físico en otro; por ejemplo, una presión cuantificable en milímetros de mercurio (mmHg) se transforma en una señal eléctrica al pasar por un dispositivo llamado transductor.

En el caso de la función celular, las señales recibidas por los transmisores mencionados en los párrafos anteriores son transformadas por lo que, utilizando la terminología actual, se puede decir que son “transducidas” en la célula, y que se genera un cambio en la actividad celular. Todo se efectúa por medio de moléculas proteicas que se ligan una a otra, de ahí su nombre de “ligandos”: por lo general son hormonas o citocinas que se unen a receptores muy específicos de la superficie celular o de su interior.

A fin de cambiar la actividad celular o su función, los ligandos, como las hormonas o citocinas, se deben unir a receptores muy específicos que se encuentran en la superficie de la membrana o en el interior de la célula. Por lo general, los ligandos hidrosolubles se unen a receptores superficiales, en tanto que los receptores intracelulares reciben señaladores de naturaleza lipofílica, es decir, que tienen tendencia a unirse con los lípidos, y por esta propiedad atraviesan la membrana con mayor facilidad para unirse con las proteínas receptoras en el interior de la célula. El complejo resultante se transporta al núcleo celular; tal es el mecanismo de comunicación que siguen las hormonas tiroideas, estrógenos, testosterona, vitaminas A y D.

Se han identificado varios tipos de proteínas receptoras en la superficie de la membrana celular las cuales, una vez unidas a su ligando, deben transmitir su información para que sea interpretada dentro de la célula. Esto se logra estimulando sistemas que actúan como segundos mensajeros, los cuales regulan la función celular de manera directa o inducen un cambio en la expresión genética. Los más conocidos de estos sistemas segundos mensajeros son el cAMP, el calcio y las cinasas de proteína.

Exocitosis y endocitosis

Las proteínas destinadas a ser secretadas lo hacen por medio de vesículas que las transportan y se fusionan con la membrana celular en el proceso llamado exocitosis, cuyo resultado es liberar el contenido de las vesículas e incorporar el interior de la membrana vesicular, que así queda orientado al exterior de la célula y a la membrana celular (figura 2-5).

El proceso opuesto a la secreción de las macromoléculas es la endocitosis, en la que una parte de la pared celular se invagina para formar una vesícula que contiene los lípidos y las proteínas de la membrana, además del material ingerido.

La membrana celular tiene uno de sus más importantes papeles en la función inmunológica. Los linfocitos están programados para responder a moléculas llamadas antígenos, para las que existen en la superficie celular proteínas o lípidos específicos. Cuando un antígeno se acopla al linfocito, se inicia la respuesta celular, y el estudio de las reacciones que se desencadenan ha llegado a ser uno de los mejores medios para comprender la estructura y función de la membrana, así como su repercusión en la cirugía.

Resumen

La célula es la unidad biológica más pequeña que reúne los requisitos de vida independiente; su estructura está formada por moléculas y es extraordinariamente compleja. Las fronteras físicas de la célula están delimitadas por la membrana celular, también llamada membrana plasmática, la cual es una estructura muy diferenciada en la que se efectúan muchas de las funciones fundamentales, ya que actúa como la barrera o superficie de contacto que tiene relación con el medio que la rodea. Es obvio que el conocimiento de sus características elementales y de la terminología en uso corriente es de particular importancia para la práctica quirúrgica.

En las moléculas de la superficie de la membrana se han encontrado mecanismos muy diferenciados que identifican moléculas propias y extrañas; al parecer están dispuestos para recibir los estímulos en forma de códigos los que, a su vez, inducen la respuesta celular. Las señales recibidas se traducen en la propia membrana y generan una respuesta también codificada que se transmite hacia el exterior y hacia el seno de la célula misma.

En los seres pluricelulares existen diversos sistemas de interacción por señales que sirven para comunicar en forma eficiente a todo el organismo; el órgano emisor y receptor es por necesidad la membrana celular de cada uno de los individuos que generan una respuesta coordinada del sistema a los cambios del medio.

Mediante estos mecanismos, todavía en estudio, los seres multicelulares complejos responden a los diversos modelos de agresión física, química y biológica que se observan en cirugía.