En esta serie hemos visto qué constituye la célula humana y qué necesita hacer para sobrevivir, dadas las leyes de la naturaleza. Una de las principales cosas que debe hacer la célula es controlar su contenido químico y su volumen. Si no se combaten con algún tipo de innovación, las fuerzas naturales de difusión y ósmosis tienen el potencial de provocar rápidamente la muerte celular. Esto se debe al hecho de que la composición química del líquido dentro de la célula es exactamente opuesta a la del líquido fuera de la célula, y la célula debe permitir que las sustancias químicas que necesita para vivir (como la glucosa) entren y las tóxicas que produce (como el dióxido de carbono) salga a través de la membrana plasmática. Al tener una membrana plasmática permeable a ciertas sustancias químicas, pero no a otras (como la mayoría de las proteínas), la célula debe seguir las reglas, lo que implica que se ve afectada por las fuerzas naturales de difusión y ósmosis.

La difusión tiene el potencial de alterar drásticamente el contenido químico de la célula al hacer que el potasio salga naturalmente de la célula a través de su membrana plasmática y al mismo tiempo haga que entre sodio. Y mientras que la difusión intenta igualar el potasio y el sodio dentro del líquido dentro y fuera de la célula, la ósmosis tiene el potencial de alterar drásticamente el volumen de la célula al hacer que el agua ingrese naturalmente a la célula al mismo tiempo porque su gran cantidad de proteína no puede atravesar la membrana plasmática. Juntos, los efectos de la difusión y la ósmosis pueden darle a la célula un doble golpe, lo que rápidamente resulta en la muerte. ¿Qué tipo de mecanismo podría hacer el trabajo de controlar no sólo el contenido químico de la célula sino también su volumen?

Considere lo que tendría que hacer si estuviera sentado en un bote al que constantemente le entrara agua. Eso sí, habría que sacar esa agua constantemente, de lo contrario el barco se hundirá. Pero, ¿qué pasa si tu única opción es mantener el barco en el agua y no puedes estar ahí para hacer el trabajo de achicar todo el tiempo? ¿Podrías colocar una máquina en el barco para que haga el trabajo por ti? Es decir, una bomba. Este es precisamente el tipo de micromáquina que utiliza la célula para controlar su contenido químico y su volumen. De hecho, la célula tiene unos pocos millones de estas bombas de sodio y potasio dentro de su membrana plasmática.

La bomba de sodio-potasio actúa empujando el sodio fuera de la célula y atrayendo el potasio nuevamente hacia adentro. Aunque las leyes de la naturaleza hacen que el sodio entre y el potasio salga de la célula a medida que se difunden según sus respectivos gradientes de concentración, los millones de bombas de sodio-potasio en la membrana plasmática invierten inmediatamente la mayor parte de este movimiento. De hecho, por cada tres iones de sodio que se bombean fuera de la célula, dos iones de potasio se bombean de regreso.

Así es como la célula invierte la tendencia natural del líquido interior y exterior a tener concentraciones iguales de sodio y potasio. Al hacerlo, mantiene su contenido químico. Sin embargo, la acción de la bomba de sodio-potasio no sólo preserva el contenido químico de la célula, sino que también controla su volumen evitando que entre agua. Aquí es cómo.

Recuerde, a medida que sustancias químicas como el sodio y el potasio se mueven a través de la membrana plasmática permeable y se difunden según su gradiente de concentración, el agua ingresa rápidamente a la célula debido a la gran cantidad de proteína impermeable que la atrae por ósmosis. En otras palabras, en biología, un soluto ejerce una atracción osmótica sobre el agua a través de una membrana debido a su incapacidad para salir de esa solución. Nuevamente, dado que la proteína no puede salir del líquido de la célula porque no puede atravesar la membrana plasmática, puede aplicar una atracción osmótica sobre el agua fuera de la célula y llevarla al interior. Dado que el sodio y el potasio pasan libremente a través de la membrana plasmática, no deberían poder aplicar una atracción osmótica sobre el agua en ninguna dirección. ¿O pueden?

Dado que las bombas de sodio-potasio en la membrana plasmática de la célula empujan la mayor parte del sodio fuera de la célula y devuelven la mayor parte del potasio, aunque todavía son permeables, ahora actúan efectivamente como si fueran impermeables. Al obligar al sodio y al potasio a permanecer donde están, las bombas de sodio y potasio les dan el poder de mover agua hacia ellos por ósmosis. Como se señaló anteriormente, en biología, un soluto ejerce una atracción osmótica sobre el agua a través de una membrana debido a su incapacidad para salir de esa solución. Dado que las bombas de sodio-potasio obligan al sodio a permanecer fuera de la célula y mantienen el potasio dentro, efectivamente las han impedido salir de su solución. Al hacerlo, las bombas de sodio-potasio también han producido sustancias químicas osmóticamente activas de sodio y potasio, al igual que la proteína dentro de la célula.

Esto significa que no sólo las proteínas tienden a atraer agua desde el líquido exterior hacia la célula, sino que también lo hace el potasio. Además, dado que las bombas de sodio-potasio empujan el sodio fuera de la célula, sin dejar que permanezca al otro lado de la membrana plasmática, también permiten que el sodio extraiga el agua del interior de la célula y la devuelva al exterior. La atracción osmótica del sodio desde el exterior de la célula es en dirección opuesta a la atracción osmótica ejercida por las proteínas y el potasio en su interior. De hecho, la célula es muy sensible al movimiento del agua en cualquier dirección a través de su membrana plasmática, lo que afecta directamente a su volumen. Para tomar el control de su volumen, la célula siempre intenta asegurarse de que la atracción osmótica del agua del líquido fuera de la célula coincida uniformemente con la atracción para traer agua de regreso. Lo hace asegurándose de que la concentración de partículas químicas totales en el citosol sea el mismo que el del líquido fuera de la célula. Cuando se logra esto, se dice que los fluidos son isotónicos.

Esto es lo que logra la bomba de sodio-potasio. Pero el cuerpo debe pagar un precio por luchar así contra las fuerzas de la naturaleza. El trabajo de la bomba de sodio-potasio es como tener que caminar contra un fuerte viento. El esfuerzo, necesario para sobrevivir, requiere una energía tremenda. En reposo, entre un cuarto y la mitad de las necesidades energéticas totales del cuerpo son absorbidas por los millones de bombas de sodio y potasio en cada uno de sus billones de células. Esto demuestra que los números reales tienen consecuencias reales. Si la célula no tiene suficiente energía para alimentar sus millones de bombas de sodio y potasio, está prácticamente muerta. Pero, ¿de dónde obtiene la célula la energía que necesita? Antes de que pueda comenzar a comprender la respuesta a esta pregunta, primero debe aprender sobre las enzimas y cómo funcionan en el cuerpo. Los veremos la próxima vez.

Artículo publicado originalmente en inglés por Howard Glicksman en Evolution News & Science Today

Crédito de la imgen a Blausen.com staff. “Blausen gallery 2014”. Wikiversity Journal of Medicine. DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 20018762. (Own work) [CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], via Wikimedia Commons