CAPITULO I.

"In the exact sciences, cause and effect are no more than events linked in sequence. . . if the processes that we call metabolism and transport represent events in a sequence, not only can metabolism be the cause of transport, but also transport can be the cause of metabolism."

Peter Mitchell.

LA NATURALEZA POLIFASICA DE LOS SISTEMAS QUE TRANSFORMAN LA ENERGIA BIOLOGICA. Una introducción.

El presente trabajo trata sobre el papel que juegan los acarreadores móviles -en particular los acarreadores antiparalelos o antiporte- en los sistemas quimiosmóticos que conservan y transforman la energía en los seres vivos. Contribuye a establecer las bases de la relación que guardan las variaciones físicas y químicas de los complejos iónicos de los acarreadores móviles modelo -del tipo nigericina-, para correlacionarla con su actividad quimiosmótica. Estas variaciones tienen características que son de gran interés biológico para la definición estructural y la reconstitución funcional de las propiedades osmocatalíticas de los acarreadores antiparalelos proteicos. De este modo, se ayuda a consolidar las bases de una visión sistémica integral de la participación de los metabolitos iónicos y sus acarreadores vectoriales en la regulación del metabolismo celular.

Los seres vivos como sistemas termodinámicos.

Todo lo que existe en el universo está formado por materia y energía, y una de las formas en las que se manifiesta la materia en este universo es la vida. Aunque toda la materia está formada por moléculas inanimadas, la materia viviente difiere notablemente de la materia no viva (Lehninger, 1982). Pero, ¿qué es lo que marca esta diferencia entre lo vivo y lo no vivo?

Un ser vivo es un sistema que continuamente está intercambiando materia y energía con el medio circundante, manteniéndose en un estado más o menos constante de equilibrio dinámico -llamado metastable o estacionario (Bertalanffy, 1968)- por lo que, desde el punto de vista de un termodinámico, se trata de un sistema abierto. Mas no sólo eso; dentro de sí mismo, en todas y cada una de las reacciones químicas que se llevan a cabo dentro del microuniverso que es un ser vivo, todos los componentes están en continuo recambio (Carrel, 1936).

La esencia de un organismo viviente reside en el hecho de que selecciona elementos particulares de su entorno y los introduce a su entidad por cierto tiempo, organizándolos en patrones característicos. Es, por lo tanto, esta "actividad" de organización selectiva la que distingue a la vida (Young, 1971). La materia viviente presenta, además, la propiedad de mantener constante este patrón de actividades, pues esto representa su perpetuación. Por ello, todas las actividades realizadas por un organismo vivo están dirigidas a mantener la constancia de esta organización. Esto ocurre a pesar de los continuos cambios que se suceden en el medio que lo rodea. Dicha cualidad, conocida como homeostasis, se conserva a todos los niveles de organización del ser vivo (Miller, 1978) -desde el organelo más simple hasta el planeta entero como organismo- y, por supuesto, requiere de un justificado uso de energía.

Sin embargo, se debe establecer que la vida no puede ser definida por una estructura determinada ni por la serie de componentes que la conforman en un momento dado, sino por la intrincada relación dinámica que guardan estos elementos entre sí (Sagan, 1980) y, a su vez, con el entorno. De hecho, los elementos constituyentes de la materia viviente se encuentran en constante movimiento y, por lo tanto, no es posible decir que un sistema viviente esté constituido por las mismas sustancias en dos momentos diferentes.

Por otro lado, es evidente que cualquier organismo vivo difiere notablemente de su medio externo, pues concentra y excluye -dentro de sus límites- ciertos componentes en una organización determinada (Danielli, 1975). Por ejemplo, las funciones celulares dependen de las interacciones que se llevan a cabo entre sus partes. Además, existe una interacción de la célula con el medio externo a través de sus fronteras, incluyendo el transporte de iones, de agua y de masas moleculares de dimensiones mayores.

El conjunto de características enunciadas hasta aquí, aunque incompleto, muestra que, desde un punto de vista físico, los seres vivos son sistemas heterogéneos en composición química y fase con reacciones químicas y físicas complejas, con fronteras dinámicas (membranas), diatérmicos y abiertos, esto es, en constante intercambio de masa y energía con el exterior (Ruiz Azuara y García Colín, 1977). Por lo tanto, el recambio continuo define al ser vivo como un sistema que se encuentra en un estado de equilibrio dinámico, en el que una organización determinada permanece constante gracias a -y a pesar de- la entrada y salida continua de materia y energía. Este estado estacionario se mantiene por un constante flujo de energía y, para tolerar esto, el organismo dirige otras actividades apropiadas para movilizar más materia y energía.

Como se ha hecho patente, los sistemas vivos, para mantenerse en sus estados semiconstantes, deben gastar energía y, por lo tanto, desde el punto de vista de la termodinámica, eso ya no es equilibrio. Cuando los sistemas se alejan del equilibrio, cuando aparecen diferencias o gradientes -de presión, de actividad o de concentración, por ejemplo- aparecen los flujos, como consecuencia de la tendencia termodinámica del sistema de regresar al equilibrio. Y esa tendencia aumenta conforme el sistema se aleja aún más, del equilibrio (Cereijido, 1983).

Hasta el momento podemos observar que la vida es la expresión de la energía contenida en un sistema y de la manera en que se regula su transformación y transferencia entre fases diferentes.

Orden, interacción, energía y cambio en la materia viviente.

De una u otra forma, cuando nos interesamos en adentrarnos en los seres vivientes, nos vemos forzados a enfrentarnos con complejidades, con "totalidades" o "sistemas". A pesar del discernimiento ahondado que alcanza la biología "molecular" -o acaso en virtud de él-, se manifiesta la necesidad de una biología "organísmica". La biología no sólo tiene que ocuparse del nivel fisicoquímico o molecular, sino de los niveles superiores de organización viva también.

Una visión organísmica en biología hace hincapié en la consideración del organismo como un todo o sistema y ve el objetivo principal de las ciencias biológicas en el descubrimiento de los principios de organización a sus diversos niveles. Los primeros enunciados de este tipo, aplicables a la biología fueron los de Bertalanffy y la filosofía del "mecanicismo orgánico" de Whitehead, que datan de 1925. Las labores de Cannon sobre homeostasia aparecieron en 1929 y 1932. La concepción organísmica tuvo un precursor en Claude Bernard, pero la obra de éste aún sigue esperando ser cabalmente apreciada. En la década de 1960 se volvió a insistir en la "biología organísmica" (Bertalanffy, 1968) requerida por los sistemas abiertos, no lineales, lejanos del equilibrio y al borde de la crisis, que son los seres vivos (Prigogine, 1969; Prigogine, 1971).

En conexión con trabajos experimentales acerca del metabolismo, por una parte, y con un esfuerzo por concretar el programa organísmico, por otra, se adelantó la teoría de los sistemas abiertos, fundada en el hecho bastante trivial de que el organismo resulta ser uno de ellos. La primera presentación, luego de uno que otro intento, fue protagonizada por Bertalanffy (1968), de suerte que la biofísica parecía requerir una expansión de la teoría física acostumbrada, por el rumbo de la generalización de los principios cinéticos y de la teoría termodinámica, la cual ahora es conocida como termodinámica irreversible.

En muchos fenómenos biológicos resultan aplicables expresiones y modelos matemáticos. La similitud estructural entre semejantes modelos y su isomorfismo en diferentes campos se torna ostensible, y en el centro quedan precisamente problemas de orden, organización, totalidad, teleología, etc., excluidos programáticamente de la visión mecanicista. Tal idea reposa en la "Teoría General de los Sistemas" (Bertalanffy, 1968) a la que el presente trabajo toma, junto con algunos de sus antecedentes más útiles, como referencia inicial para generar un camino de evolución particular.

Teoría general de los sistemas.

El problema de los sistemas es esencialmente la limitación de los procedimientos analíticos. Esto suele expresarse en enunciados casi metafísicos, como "el todo es más que la suma de sus partes", aunque tiene un sentido operacional claro. "Proceder analítico" quiere decir que una entidad que se investiga se resuelve en partes unidas, a partir de las cuales puede reconstituirse, entendiéndose estos procederes en sus sentidos tanto material como conceptual. Es éste el principio clásico que puede circunscribirse de diferentes modos.

La aplicación del procedimiento analítico depende de dos condiciones. La primera es que no existan interacciones de "partes", o que sean tan débiles que puedan dejarse a un lado en ciertas situaciones. Sólo así es posible "deslindar" las partes -real, lógica y matemáticamente- y luego volverlas a "juntar". La segunda condición es que las relaciones que describan el comportamiento de partes sean lineales; sólo entonces queda satisfecha la condición de aditividad, o sea que una ecuación que describa la conducta del total tiene la misma forma que las ecuaciones que describen la conducta de las partes; los procesos parciales pueden superponerse para obtener el proceso total, etc.

Semejantes condiciones no las cumplen las entidades llamadas sistemas, o sea consistentes en partes "en interacción". El prototipo de su descripción es un conjunto de ecuaciones diferenciales simultáneas, que son no lineales en el caso general. Un sistema o "complejidad organizada" puede circunscribirse merced a la existencia de "interacciones fuertes" (Rapoport, 1966) o interacciones "no triviales" (Simon, 1965), es decir, no lineales. El problema metodológico de la teoría de los sistemas es, pues, vérselas con cuestiones que, comparadas con las analítico-aditivas, son de naturaleza más general.

Como se ha dicho, hay varios enfoques para enfrentarse a tales problemas. Esto de los "enfoques" es intencionalmente vago, pues son lógicamente no homogéneos, representan distintos modelos conceptuales, técnicas matemáticas, puntos de vista generales, etc.; concuerdan, sin embargo, en ser "teorías de sistemas".

Por ejemplo, la teoría "clásica" de los sistemas aplica el cálculo infinitesimal. Aspira a enunciar principios aplicables a sistemas en general o a subclases definidas (p.ej. sistemas cerrados y abiertos), a proporcionar técnicas para su investigación y descripción, y aplicar éstas a casos concretos. Entre estos casos se encuentran la aplicación de los principios de la difusión y de los modelos de estado uniforme o equilibrio dinámico al análisis de sistemas biológicos.

La teoría de la información, en el sentido de Shannon y Weaver (1949), se basa en el concepto de información, definido por una expresión isomorfa con la entropía negativa de la termodinámica. De ahí la esperanza de que la información sirva de medida de la organización (Quastler, 1955). Sin embargo, mientras que la teoría de la información ganó importancia en ingeniería de comunicaciones, sus aplicaciones a la ciencia no han sido muy convincentes (Gilbert, 1966). La relación entre información y organización, teoría de la información y termodinámica, sigue siendo un problema.

La teoría de los juegos (von Neumann y Morgenstern, 1947) representa un enfoque diferente pero puede agregarse a las ciencias de los sistemas por ocuparse del comportamiento de jugadores supuestamente "racionales" a fin de obtener ganancias máximas y pérdidas mínimas gracias a estrategias apropiadas contra el otro jugador (o la naturaleza). Tiene así que ver esencialmente con un "sistema" de "fuerzas" antagónicas con especificaciones.

No homogénea e incompleta como es, mezclando modelos (p. ej. sistema abierto, circuito de retroalimentación), semejante enumeración ayuda a mostrar que hay una serie de enfoques para investigar sistemas. El punto que debe reiterarse es que problemas no considerados antes, no abordables, o tenidos por puramente filosóficos, pueden explorarse progresivamente.

Las ventajas de los modelos matemáticos -no ambigüedad, posibilidad de deducción estricta, verificable por datos observados- son bien conocidas. No quiere esto decir que los modelos formulados en lenguaje ordinario hayan de ser desdeñados o rechazados. Un modelo verbal es preferible a ninguno o a un modelo que, por ser formulado matemáticamente, se impone por la fuerza a la realidad y, por lo tanto, la falsifica.

Las matemáticas significan esencialmente la existencia de un algoritmo mucho más preciso que el del lenguaje ordinario. Quizá valga más tener primero algún modelo no matemático, con sus limitaciones, pero que exprese algún aspecto previamente inadvertido, en espera del surgimiento venidero de algún algoritmo apropiado, que partir de modelos matemáticos prematuros que calquen algoritmos conocidos y con ello acaso restrinjan el campo visual. Muchos adelantos en biología molecular exhibieron los efectos cegadores de lo que Kuhn (1962) llama ciencia "normal" -esquemas conceptuales monolíticamente aceptados.

La física ordinariamente sólo se ha ocupado de sistemas cerrados, sistemas que se consideran aislados del medio circundante. La fisicoquímica habla de las reacciones, de sus velocidades y de los equilibrios químicos que acaban por establecerse en un recipiente cerrado donde se mezclan cierto número de sustancias reaccionantes. La termodinámica clásica declara expresamente que sus leyes fundamentales sólo se aplican a sistemas cerrados. La segunda ley, en particular, afirma que en un sistema cerrado, la entropía debe aumentar hasta el máximo y el proceso acabará por detenerse en un estado de equilibrio. Puede formularse la segunda ley de diferentes modos, según uno de los cuales la entropía es medida de probabilidad, y así un sistema cerrado tiende al estado de distribución más probable. Según esto, la distribución más probable de una mezcla es la tendencia al máximo desorden o hacia la máxima entropía.

Sin embargo, encontramos sistemas que, por su misma naturaleza y definición, no son sistemas cerrados. Todo organismo viviente es ante todo un sistema abierto. Es obvio que las formulaciones habituales de la física no son en principio aplicables al organismo vivo qua sistema abierto y en estado uniforme, y bien podemos sospechar que muchas características de los sistemas vivos que han resultado paradójicas vistas según las leyes de la física, son consecuencia de este hecho.

Se menciona a menudo que la energía es la moneda de la física; el ATP es la moneda energética en biología. No obstante, existen algunos campos donde esta moneda no es muy aceptable. Tal ocurre en el campo de la comunicación. La noción general en teoría de la comunicación es la de información. En muchos casos la corriente de información corresponde a una corriente de energía, pero existen muchos fenómenos en los que la información, en general, no es expresable en términos de energía.

Sin embargo, hay otra manera de medir la información en términos de decisiones, como el juego de las veinte preguntas, en el que hay que averiguar de qué objeto se trata respondiendo sólo "sí" o "no". La cantidad de información transmitida en una respuesta representa una decisión entre dos posiblidades. Con dos preguntas es posible decidir entre cuatro posibilidades. Con tres respuestas se trata de una decisión entre ocho. Por lo tanto, el logaritmo de base 2 de las decisiones posibles puede usarse como medida de información, llamada unidad de informacion binaria o bit (Sagan, 1977). Esta medida de la información resulta similar a la de la entropía, o más a la de la entropía negativa, puesto que la entropía se define como logaritmo de la probabilidad. Pero la entropía es una medida de desorden; entonces la entropía negativa o información es una medida del orden o de la organización, ya que la última, en comparación con la distribución al azar, es un estado improbable.

Otro concepto en la teoría de la comunicación y el control es el de retroalimentación. En ésta, el sistema comprende un receptor, un centro que recombina los mensajes que llegan y los transmite a un efector; finalmente, el funcionamiento del efector está empalmado al receptor, lo que hace que el sistema se autorregule, garantice la estabilización y la dirección de la acción.

Existe un gran número de fenómenos biológicos que corresponden al modelo de retroalimentación. Sin embargo, este esquema es de naturaleza muy especial. Presupone disposiciones estructurales como las mencionadas arriba. En los seres vivos funcionan muchas regulaciones que tienen naturaleza distinta, como en las que se alcanza el orden por interacción dinámica de procesos (Bertalanffy, 1968). Puede demostrarse que las regulaciones primarias (más fundamentales o primitivas) en los sistemas biológicos residen en la interacción dinámica. Se basan en el hecho de que el organismo vivo es un sistema abierto que se mantiene en estado uniforme o, más bien, se acerca a él. Por encima se encuentran las regulaciones secundarias que son controladas por disposiciones fijas, del tipo de la retroalimentación. Esta situación es consecuencia del principio general de organización de mecanización progresiva. En un principio los sistemas están gobernados por interacción dinámica entre sus componentes; luego se establecen disposiciones fijas y condiciones de restricción que hacen más eficiente al sistema y a sus partes, pero consecuentemente disminuyen su equipotencialidad de forma gradual hasta acabar por eliminarla. Así, la dinámica es el aspecto más amplio, ya que siempre es posible llegar, mediante leyes generales de sistemas, hasta la función como máquina, imponiendo condiciones adecuadas de restricción, pero no es posible lo contrario.

Papel de los acarreadores en el orden de los sistemas vivos.

Los estudios iniciales sobre la regulación de la energía y el cambio de la materia en los seres vivientes parecían tener sólo una meta analítica. Sin embargo, el esquema tradicional de unidades aislables actuantes según causalidad unidireccional resulta definitivamente insuficiente. Es evidente que se debe pensar en términos de sistemas de elementos en interacción mutua dentro de una totalidad o un holismo. Así, no puede concebirse un organismo vivo sin tener en cuenta lo que llamamos adaptabilidad, intencionalidad, persecución de metas, etc. De este modo estamos en condiciones de elaborar modelos que simulen dicho comportamiento en sistemas biológicos.

Se puede afirmar que el comportamiento teleológico dirigido hacia un estado final o meta característicos no es una errada concepción antropomorfa de procesos que, dentro de sí mismos, no tienen dirección y son accidentales. Es, por lo tanto, una forma de comportamiento que se puede definir y cuyas condiciones necesarias y mecanismos posibles pueden indicarse.

Lo mismo puede decirse del concepto de organización, ajeno a la concepción mecanicista. Los organismos son, por definición, entes organizados. Pero aunque se disponga de gran cantidad de datos sobre organización biológica, bioquímica, biofísica, etc., es necesaria una teoría de la organización biológica para explicar algunos hechos empíricos.

Existen muchos aspectos de organizaciones que no se prestan fácilmente a la interpretación cuantitativa y, por lo tanto, debemos comenzar con una "explicación en principio" o argumentación cualitativa que siempre conduce a consecuencias interesantes.

Si bien se ha intentado unificar el conocimiento generado por la ciencia en la física, aún en este momento tal unificación no es realista. No se pueden reducir lo niveles biológicos exclusivamente a las construcciones y leyes de la física. Por el contrario, se pueden encontrar construcciones y leyes en los distintos niveles de escala biológica. El principio unificador se encuentra en la organización misma de todos los niveles.

Dentro de este marco conceptual, los acarreadores existentes en los seres vivos son piezas fundamentales en el patrón de orden, interacción, energía y cambio en la materia viviente. Desde diversas perspectivas teóricas, funcionan como servomecanismos de transducción de energía o de información; constituyen los selectores de entrada y salida. En resumen, son los medios de interacción del organismo con su entorno, regulan el flujo de materia y energía y conducen, por lo tanto, al orden y organización del ser vivo.

Es de esperarse que para cumplir con estas funciones, los acarreadores posean propiedades intrínsecas similares o idénticas a las mencionadas en el párrafo anterior.

La translocación en sistemas biológicos.

Ya que los seres vivos difieren de su entorno, es evidente el hecho de que poseen fronteras físicas o estructuras que mantienen la independencia e integridad del organismo. Simplemente no existen organismos vivientes, sin importar su simpleza o complejidad, que no posean una frontera física -o membrana- que los individualice del entorno (Oparin, 1936).

La importancia que reviste la existencia de sistemas con fases separadas radica en su facultad para impedir la formación de una solución homogénea en la que se diluyan los componentes de cada una de ellas. Estos sistemas tienen la capacidad de llevar a cabo reacciones químicas con direccionalidad y a velocidades que no se logran en sistemas de soluciones homogéneas (Fox, 1976). Aun en los modelos experimentales más simples -de sistemas de fases separadas por fronteras coloidales- se ha observado este flujo vectorial de compuestos, activado por corrientes osmóticas, desde una fase a otra (Herrera, 1942; Oparin, 1974). Cuando se acoplan a reacciones químicas localizadas en las fronteras entre fases, estos flujos vectoriales son los responsables de las transformaciones de energía dentro de los seres vivos (Mitchell, 1982a; Jencks, 1983).

Así, un sistema celular puede sufrir variaciones en su energía interna debidas al intercambio de calor con el exterior o a cambios energéticos producto del flujo neto de materia. Dichas variaciones en la energía interna celular se realizan a expensas de los cambios en el medio externo, de acuerdo con el Principio de Conservación de Energía (Ruiz Azuara y García Colín, 1977).

De este modo, se puede considerar que las reacciones más importantes que realizan los organismos son las transferencias de especies químicas de una fase a otra (Tinoco y cols., 1978). La transferencia o translocación de especies iónicas a través de las membranas biológicas genera gradientes microscópicos de potencial eléctrico (Estrada O., 1983) que son componentes vitales para la formación de la fuerza quimicomotriz responsable de la producción de energía biológica en forma de trifosfato de adenosina -ATP- (Mitchell, 1961).

La mayoría de las membranas biológicas está formada por una gran variedad de moléculas, que son comunes en casi todos los seres vivientes sobre la Tierra. Los principales constituyentes son diferentes tipos de lípidos, esteroides y proteínas (Starzak, 1984) que se encuentran arreglados en una estructura de bicapa (Figura 1.1) -de matriz lipídica- con la consistencia de un mosaico líquido asimétrico (Singer, 1975). La superficie de la membrana que está en contacto con las fases acuosas es polar e hidrofílica, mientras que la matriz lipídica hidrofóbica es eléctricamente aislante o dieléctrica (Michel, 1983).

Figura 1.1. Modelo de mosaico líquido de Singer y Nicolson (1972) de las membranas biológicas. La membrana consiste de una bicapa de fosfolípidos con proteínas incorporadas a diferentes niveles. Las pequeñas esferas representan a los grupos fosfato asociados al agua; las hebras delgadas son las cadenas hidrofóbicas que constituyen la matriz o seno de la membrana.

Tal naturaleza de las membranas biológicas representa una barrera para el libre paso de especies polares o iónicas, por lo que las células de los organismos deben contener -en sus membranas- mecanismos de translocación de iones o acarreadores que facilitan la transferencia iónica a través de los lípidos membranales (Racker, 1979; Schultz, 1980).

La translocación vectorial de iones la realizan las proteínas inmersas en las membranas biológicas (Kotyk, 1983). La direccionalidad del transporte respecto a la membrana es sumamente importante (Mitchell, 1961) ya que, al separar componentes permeables e impermeables entre compartimentos, permite la formación de los gradientes químicos o eléctricos y es capaz de regular algunos procesos metabólicos (Sauer, 1983).

Por lo tanto, uno de los temas de estudio de mayor interés en la bioquímica es la caracterización de los factores fisicoquímicos que regulan estas transferencias iónicas que son, en última instancia, causa y efecto del metabolismo vectorial (Mitchell, 1961).

Principios temáticos del metabolismo vectorial.

Habiendo aceptado que los seres vivos característicamente son cosas que fluyen, y que su integridad continua depende de las fuerzas estáticas y dinámicas entre sus partes componentes de las dimensiones moleculares hacia arriba, es natural querer reemplazar el concepto de energía en biología por el concepto más informativo y realista de las fuerzas vectoriales y los flujos, con los que las energías (no radiantes) están relacionadas de manera implícita por medio de sus productos escalares, con la pérdida (literal) de información vital. La existencia de fuerzas vectoriales estáticas o dinámicas y desplazamientos o flujos colineales resulta un planteamiento más informativo para la biología en general, y para la bioquímica y fisiología en particular, que pensar en términos de energías y transformaciones escalares (Mitchell, comunicación personal).

Se puede considerar a los procesos bioquímicos y fisiológicos como máquinas en miniatura, en las que la continuidad de la actividad vital depende de la articulación apropiada de las partes componentes, restringidas a moverse en sus formas designadas por fuerzas estáticas y dinámicas apropiadas. Mitchell realizó la descripción cuantitativa de esta idea, y del concepto relacionado de irreversibilidad microscópica, hace poco más de diez años (Mitchell, 1982b). Sin embargo, el concepto de irreversibilidad microscópica, definido de forma simple, aún se considera generalmente inaceptable. Por ejemplo, Prigogine ha partido del caos en sus propias consideraciones de reversibilidad a nivel microscópico. Sin embargo, tal parece que se necesita comenzar con un sistema que esté particularmente ordenado para facilitar la observación de cómo se puede atenuar el vector componente hacia adelante de un proceso de flujo a lo largo de una trayectoria diseñada. En un sistema quimiosmótico de tipo microscópico, las osmoenzimas que catalizan transformaciones consecutivas en un sustrato dado estarían apareadas de tal modo que la forma intermediaria del sustrato estaría ocluida en un compartimiento osmótico microscópico entre las dos osmoenzimas (Mitchell, comunicación personal).

Desarrollo de las ideas quimiosmóticas.

Es interesante que a principios del siglo XIX los químicos hablaran de fuerzas químicas (tal vez de forma imprecisa, y no necesariamente con un conocimiento de mecánica Newtoniana). Se puede entender a Humphry Davy y a William Grove, en los primeros días de la electroquímica, pensando sobre fuerzas químicas como los impulsores de la acción química. Pero la introducción de los principios de energías químicas que siguieron al trabajo de Helmoltz en la década del 1840, y el hecho de que había poco conocimiento para hacer uso de una teoría de fuerzas químicas y desplazamientos colineales en lugar de una teoría de las energías que resultan de sus productos escalares, llevó a la concepción escalar común de la termodinámica química, donde aun las constantes de velocidad son números de ciclos escalares y no velocidades (Mitchell, 1981).

Por el contrario, las ideas del metabolismo vectorial y los sistemas quimiosmóticos parecen haber evolucionado de la substitución del principio del balance de fuerzas vectoriales orientadas a lo largo de las vías colineales de flujo de partículas metabólicas interactuantes, por el principio de la conservación de energías (Mitchell, comunicación personal).

De la Hipótesis a la Teoría Quimiosmótica.

Las primeras evidencias experimentales independientes que contribuyeron a confirmar la veracidad de los postulados del metabolismo vectorial enunciado por Mitchell en su "Hipótesis Quimiosmótica" fueron descritos inicialmente a mediados de la década del 1960. En 1967, Estrada O. y cols. y Pressman y cols., por separado descubrieron que el modo de acción antiporte del antibiótico nigericina y unidireccional (uniporte) de la valinomicina, respectivamente, está asociado a su capacidad para catalizar el recambio de cationes y/o protones a través de las membranas lipídicas de los sistemas biológicos (Figura 1.2).

Por esta capacidad para transportar iones a través de membranas lipídicas, tanto biológicas como artificiales, estos antibióticos fueron bautizados, por Pressman y cols. (1967), como "ionóforos". Tales hallazgos fueron expuestos y discutidos en una histórica reunión a la que el mismo Mitchell luego se refirió textualmente: ". . . es de interés señalar que durante la presentación que hizo S. Estrada O. en Chicago, el autor [P. Mitchell] fue el primero en plantear la existencia del antiporte . . ." (Mitchell, 1968).

A partir del descubrimiento de las moléculas neutras y aniónicas que fueron identificadas como ionóforos (Pressman, 1967; Estrada O. y cols., 1967) ha sido importante la expansión del conocimiento sobre el mecanismo molecular del transporte de iones a través de membranas.

Figura 1.2. Mecanismos de translocación antiporte (a) y uniporte (b).

Al respecto, el campo del transporte en membranas ha sido notablemente estimulado por la introducción de más de un centenar de poliéteres carboxílicos que, a partir del descubrimiento de Estrada O. y cols. (cf. Westley, 1982), muestran que el transporte promovido por estas moléculas induce cambios importantes en diversos fenómenos biológicos fundamentales, como lo son: la conservación de energía en membranas mitocondriales, de cloroplastos y bacterias fotosintéticas; el mecanismo inotrópico de la contracción muscular; la modificación de la respuesta inmune; la motilidad celular; la síntesis de proteoglucanos de pared bacteriana; las etapas tempranas de la diferenciación celular, etc. En otras palabras, los postulados quimiosmóticos del metabolismo vectorial propuesto por Mitchell han sido, definitivamente, confirmados.

"Come, it's pleased so far," thought Alice, and she went on. "Would you tell me, please, which way I ought to go from here?"
"That depends a good deal on where you want to get to," said the Cat.
"I don't much care where-" said Alice.
"Then it doesn't matter which way you go, said the Cat.
"-so long as I get somewhere," Alice added as an explanation.
"Oh, you're sure to do that," said the Cat, "if you only walk long enough."

Lewis Carroll, Alice's adventures in Wonderland.

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© Raúl Alva*, México, Agosto de 1995.
*Profesor-Investigador de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, México.