Taxonomía: la ciencia de clasificar

Una de las características más llamativas de la vida sobre la Tierra es su enorme diversidad. Es difícil hacer una estimación global de los tipos diferentes de seres vivos que podemos encontrar en nuestro planeta, aunque en la actualidad se calcula que puede haber unos diez millones de especies diferentes. En todo caso, estos cálculos son provisionales y están en continua revisión, porque en la actualidad se siguen descubriendo nuevas especies.

Diferentes estimaciones del número de especies de seres vivos.

Los estudiosos de los seres vivos siempre han tratado de ordenar esta diversidad, para lo cual han tratado de establecer sistemas de clasificación de los organismos. Clasificar consiste en descomponer adecuadamente los elementos de un conjunto, de modo que clasificar los organismos supone considerar que entre ellos existen características comunes.

Posiblemente uno de los primeros investigadores en establecer un sistema de clasificación de los seres vivos fue Aristóteles, Este autor distinguió tres tipos de seres vivos, plantas, animales y hombres, estableciendo varios subgrupos dentro de las dos primeras categorías. Evidentemente, la clasificación de Aristóteles no responde a criterios científicos actuales, pero aun así tiene gran importancia porque estableció la metodología para realizar cualquier tipo de clasificación.

En un sentido amplio, clasificar significa juntar elementos que son parecidos y separar las que son diferentes, es decir, agrupar objetos en clases según sus propiedades comunes. Para llevar a cabo una clasificación es necesario realizar ordenadamente tres procesos:

1. Distinguir elementos de un conjunto según un criterio único e irrepetible. El criterio que se utiliza es una propiedad que presentan los diferentes elementos del conjunto y que puede variar entre ellos.
2. Agrupar esos objetos en clases de acuerdo con sus semejanzas o por características relevantes que tienen en común y que intentan reconstruir las relaciones reales entre esos elementos en la naturaleza.
3. Construir criterios de comparación entre esos elementos.

Un mismo sistema de elementos puede ser clasificado de múltiples formas, en función del criterio de clasificación que se utilice. Sin embargo, todas las clasificaciones correctas deben cumplir ciertas condiciones para que puedan considerarse válidas:

• Deben ser completas, es decir, deben expresar todas las partes posibles de acuerdo con el criterio que se ha utilizado. Dicho de otra forma, la suma de todas las partes debe ser igual al conjunto que se está clasificando.
• Sus partes deben ser irreductibles entre sí, lo que significa que cada subconjunto debe excluir a los demás, sin intersecciones entre ellos.
• El criterio de clasificación no debe cambiar; las partes tienen que ser diferentes entre sí para una misma propiedad.
• El ámbito de los elementos debe estar bien definido. Esto significa que los elementos deben estar claramente incluidos en el conjunto al que pertenecen, sin ambigüedades.
• Cada categoría debe incluir al menos un elemento.

Además, las clasificaciones que se utilizan en una ciencia concreta deben ser "naturales". Esto significa que la clasificación debe adaptarse a las características de esa ciencia. Los conceptos que constituyen los criterios de clasificación son, en este sentido, científicamente "fecundos", lo que significa que permiten formular leyes más generales, más precisas o con más poder explicativo o predictivo que otros conceptos.

La clasificación en Biología

La parte de la Biología que se encarga de estudiar las relaciones entre los seres vivos y de organizarlos es la Sistemática. Dentro de ella, la Taxonomía se encarga de proporcionar los principios y procedimientos para elaborar una clasificación.

La primera clasificación de los seres vivos elaborada con criterios científicos fue propuesta por Carl von Linné, más conocido como Linneo. En su obra Systema Naturae, Linneo estableció un sistema de clasificación jerárquico, es decir, en el cual cada clase estaba formada por subclases de menor rango, esquema repetido en varios niveles. Cada uno de los grupos que se obtienen al clasificar se denomina taxón, de modo que podríamos decir que un taxón es un conjunto de organismos diferentes entre sí, pero que tienen en común características biológicas significativas que los diferencian del resto de los organismos. Las características que permiten identificar un taxón y diferenciarlo de los demás se denominan caracteres diagnósticos.

El taxón básico, el que se considera unitario desde el punto de vista de la Biología, es la especie, y el que Linneo consideró como más amplio es el reino, aunque actualmente se ha incluido una categoría más amplia, el dominio.

Con el paso del tiempo se han ido modificando bastantes aspectos de la clasificación de Linneo: se ha revisado el encuadre taxonómico de muchas especies, y se han modificado taxones completos, incluso categorías taxonómicas. Sin embargo, los principios básicos del sistema se han mantenido y constituyen la base del estudio de la diversidad de los seres vivos.

Linneo diseño un sistema de clasificación altamente recursivo, en el que cada categoría se clasifica en otras de menor rango, proceso que se repite en varias ocasiones. Hay ocho categorías o niveles taxonómicos fundamentales, que son, de más amplia a más restringida, el dominio, el reino, el filum o tronco, la clase, el orden, la familia, la tribu, el género y la especie,  aunque frecuentemente se pueden subdividir en otros niveles intermedios. 

La especie es la categoría fundamental y básica, y aunque existen denominaciones particulares para designar a grupos más pequeños como la variedad, la raza o la cepa, lo cierto es que estos nombres no tienen categoría taxonómica, lo que equivale a decir que su uso no tiene sentido biológico, ya que esos organismos, aunque sean aparentemente diferentes entre sí, pueden intercambiar su material genético sin restricciones, lo que puede dar lugar a que se diluyan esas diferencias. 

Linneo también estableció un sistema para dar nombres universales a todos los organismos, que se mantiene en la actualidad y que se conoce como nomenclatura binomial (o binominal) porque está siempre formado por dos palabras: el nombre del género y el nombre de la especie. Los nombres científicos se escriben siempre en latín, y se destacan del resto del texto, generalmente escribiéndolos con letra cursiva y/o negrita y subrayándolos. En ocasiones, tras el nombre científico de una especie se indica una abreviatura o un apellido que indica quién fue la primera persona en describirla.

Los cambios que ha ido sufriendo con el tiempo el sistema linneano se deben a diferentes causas, como el descubrimiento de nuevos organismos, ciertos cambios en los criterios de clasificación y, sobre todo, a la necesidad de conjugar la taxonomía y la clasificación con la historia de los organismos

Linneo estableció su clasificación sin tener en cuenta la evolución de los seres vivos, una idea que no era aceptada en su época. Los criterios de clasificación que utilizó reflejaban el parecido aparente entre los organismos, pero no necesariamente sus relaciones evolutivas (filogenéticas).

La aceptación de la teoría de la evolución supuso la necesidad de reflejar esas relaciones de parentesco entre los organismos, a la vez que planteó el problema, aún no totalmente resuelto, de incluir en el sistema taxonómico la dimensión temporal, es decir, de clasificar grupos de organismos que en la actualidad se encuentran extinguidos y que son antepasados comunes de taxones diferentes. Así pues, en la actualidad se considera que para que la clasificación sea "natural" los grupos que la constituyen deben reflejar las relaciones evolutivas entre los organismos.

Esto supone una dificultad a la hora de seleccionar las características que pueden utilizarse como criterios de clasificación, ya que el hecho de que dos organismos se parezcan puede deberse a dos causas distintas: Por una parte, cabe la posibilidad de que los dos organismos hayan evolucionado a partir de un antepasado común, del que hayan heredado las características que les hacen parecerse. Pero por otra parte también es posible que los dos organismos hayan evolucionado de forma paralela, desarrollando independientemente características parecidas como resultado de la adaptación a presiones selectivas parecidas. Este proceso recibe el nombre de evolución convergente, y las características similares no permiten elaborar una clasificación natural.

En Biología, los órganos parecidos pero que no tienen un origen común, sino que han adquirido el parecido mediante evolución convergente se denominan órganos análogos. Por el contrario, se denomina órganos homólogos a los que han evolucionado a partir de una misma estructura, divergiendo entre sí a lo largo del tiempo, hasta el punto de poder realizar funciones diferentes.

Podemos encontrar un ejemplo curioso de los problemas que suponen las analogías en el establecimiento de sistemas naturales de clasificación en una fábula de Esopo (XLVII), que habla de una guerra entre los cuadrúpedos y las aves, ubicando al murciélago en este último grupo. Sin embargo, el murciélago decide traicionar a sus aliados y pasarse al bando contrario. Al acabar la guerra con un pacto entre los dos ejércitos, ambos deciden castigar a los traidores haciéndoles perder las plumas.

Aparte de la moraleja, si observamos la fábula desde un punto de vista científico podemos apreciar que es un intento de dar una explicación mitológica a un problema de la naturaleza: murciélagos y aves comparten características comunes, como las alas, pero los murciélagos tienen otras características que los alejan de los pájaros y los aproximan a los mamíferos, como el pelo... Ante esa situación se opta por una de las dos características y se trata de explicar la diferencia mediante una causa, aunque, evidentemente, es una causa "ad hoc", es decir, inventada precisamente para eso.

La visión actual explicaría, por el contrario, que el pelo es una característica homóloga entre los murciélagos y el resto de los mamíferos, por lo que debe ser tenida en cuenta para establecer el encuadre taxonómico de esos organismos, mientras que las alas son una analogía entre los murciélagos y las aves, ya que han evolucionado paralela e independientemente en ambos grupos.

Aún es posible hacer una lectura un poco más compleja. En realidad, tanto las alas de los murciélagos como las de las aves han evolucionado a partir de un mismo órgano y presentan una misma estructura, el quiridio, por lo que resultan ser órganos homólogos. Sin embargo, se trata de una "homología ancestral", es decir, el último antepasado común a aves y murciélagos que presentaba la estructura a partir de las cuales se han originado sus respectivas alas vivió hace mucho tiempo, lo que ha permitido que luego evolucionen por separado. Las homologías ancestrales, como esta, solo permiten incluir a los organismos en grupos muy amplios, en este caso en el grupo de los tetrápodos, que no tiene categoría taxonómica pero que reúne a anfibios, reptiles, aves y mamíferos. La adaptación al vuelo de aves y murciélagos es una característica más reciente, y por lo tanto más importante para diferenciar a los dos grupos de seres vivos. Sin embargo, en este caso se trata de una analogía, porque ha evolucionado separadamente en los dos grupos. En resumen, se puede decir que el ala de aves y murciélagos representa una homología ancestral, en tanto que en ambos casos procede del quiridio primitivo, pero también una analogía derivada, porque la adaptación al vuelo es el resultado de evolución convergente.

La identificación de homologías no siempre es una tarea fácil. Para saber si una característica común a dos taxones es una homología o una analogía se suele recurrir a dos herramientas: por una parte, el registro fósil, que en muchos casos permite identificar antepasados comunes a dos grupos de organismos, y por otra parte la comparación de secuencias de ADN.

En última instancia, cada característica heredable de los seres vivos está codificada en su material genético. En el caso más simple, dos características homólogas han evolucionado a partir de un mismo gen. De este modo, una forma de saber si dos características son homólogas es tratar de comprobar si los genes que las determinan están relacionados. Esto no siempre resulta fácil, porque en muchas ocasiones la expresión de una característica está relacionada con varios genes diferentes, o simplemente porque en muchos casos no sabemos qué gen determina cada característica, pero si se logra identificar el gen que determina la característica es muy sencillo comprobar si la secuencia del ADN es parecida o no lo es, e incluso el grado de parecido que hay entre dos o más secuencias.

Una única mutación puede provocar que los dos alelos produzcan caracteres diferentes. Conforme va pasando el tiempo, los dos alelos primitivos pueden seguir mutando, divergiendo entre sí, de modo que las características que determinan son cada vez menos parecidas. Esto ofrece una excelente oportunidad para estimar el grado de parentesco entre dos taxones: podemos suponer que el número de mutaciones que se produce en una secuencia de ADN es proporcional al tiempo que hace que apareció, de modo que cuanto más diferentes sean dos secuencias parecidas entre sí, más tiempo hará que se separaron. Aunque tiene ciertas limitaciones (no todos los genes mutan a la misma velocidad, la relación entre número de mutaciones y tiempo no es estrictamente proporcional al tiempo...) esto permite establecer un "reloj molecular", un modo de medir el tiempo que hace que dos tipos de organismos se separaron de un antepasado común.

El estudio filogenético basado en la Biología molecular tiene, por tanto, los siguientes pasos: en primer lugar, se secuencian las moléculas que son equivalentes pero que aparecen en organismos diferentes. A continuación se identifican las diferencias, dato a partir del cual se puede deducir el árbol filogenético mediante algoritmos estadísticos. Por último, esos mismos algoritmos permiten estimar los periodos de divergencia.

Diversidad molecular e identificación de especies

La determinación e identificación de especies es un trabajo costoso y que requiere conocimientos muy profundos acerca de la biología de los grupos de organismos que se tratan de estudiar. Esto hace muy difíciles los estudios de identificación, así como el análisis in situ de la diversidad de los ecosistemas.

Sin embargo, recientemente se han desarrollado técnicas basadas en el estudio del ADN que facilitan la identificación de distintas especies a partir de una muestra. La metodología es denominada DNA barcoding porque utiliza determinadas secuencias de ADN como si fueran el código de barras de un producto comercial.

El fundamento de la técnica es el siguiente: todos los organismos de una especie presentan variabilidad genética, es decir, varían en su secuencia de ADN. Sin embargo, no todos los genes presentan la misma variabilidad; hay algunos, que suelen ser muy importantes para la supervivencia de los individuos. Esos genes, que suelen ser muy poco variables dentro de una misma especie, pero que pueden variar de una especie a otra, se utilizan como "marcadores", es decir, se usan como "patrones" con los que comparar el ADN de los individuos que se estudia.

Por lo tanto, en primer lugar se establece la secuencia de los genes marcadores que caracterizan una especie. En general se usan varios genes diferentes, de forma que se garantiza que cada especie tiene una combinación única de secuencia para ellos. Estas secuencias "consenso" se introducen en una base de datos que sirve de referencia.

Cuando se recoge un organismo que se desea identificar, se analiza la secuencia de los genes marcadores y se compara automáticamente con las secuencias almacenadas en la base de datos. Si se encuentra coincidencia con alguna de las especies almacenadas, el individuo se asigna a ella; si no hay coincidencia, el ejemplar se registra como una nueva especie y se incorpora a la base de datos, aunque el estudio se deba completar por métodos más tradicionales.

El DNA barcoding tiene también aplicaciones en el estudio de la diversidad de los ecosistemas. En este caso, se toma una muestra de los diferentes organismos que se encuentran en el ecosistema y se secuencia sus genomas. Luego se recuenta el número de genomas diferentes, identificados por comparación con los genes marcadores almacenados en la base de datos. De este modo se puede tener una estimación rápida del número de especies presentes.

Técnicas de estudio en Bioquímica

La Bioquímica es una rama de la ciencia que relaciona la Biología con la Química, y que se ocupa del estudio de las moléculas que componen los seres vivos, en particular de las que son exclusivas de la materia viva, aunque también estudia tangencialmente de las moléculas inorgánicas que están presentes en los organismos y de los elementos que forman parte de ellas.

Uno de los aspectos más complejos del estudio de estas moléculas está en que los seres vivos presentan en su interior una gran diversidad de sustancias químicas, muchas de ellas con propiedades químicas y físicas parecidas pero con función biológica distinta, que resultan muy difíciles de separar para poder estudiarlas individualmente.

Aunque algunos estudios bioquímicos pueden realizarse con el individuo vivo, lo más habitual es que sea necesario obtener una sustancia y aislarla antes de poder caracterizarla e identificar sus propiedades.

El caso más general es partir del estudio de un individuo completo. Si la sustancia que se pretende estudiar se encuentra en uno de sus fluidos corporales su obtención es relativamente sencilla, ya que basta con extraer una muestra de los mismos (sangre, líquido cefalorraquídeo...), normalmente mediante una punción con una jeringa.

Si, por el contrario, la sustancia que interesa conseguir está en el interior de las células su obtención se complica un tanto. En primer lugar, es necesario diseccionar al organismo para conseguir el órgano donde se quiere estudiar la sustancia en cuestión. A continuación es necesario disgregar el órgano para obtener una muestra de tejido y, por último en esta fase previa, homogeneizar el tejido para romper las células y poder acceder a las sustancias intracelulares.

Aunque existen varios métodos para romper las células (métodos mecánicos, uso de detergentes...), lo más habitual es hacerlo mediante la técnica de sonicación, es decir, aplicando ultrasonidos que hacen vibrar las células hasta romper sus membranas celulares, que acaban formando vesículas de pequeño tamaño (microsomas) y liberando los componentes celulares.

Con estos procedimientos se consigue una mezcla homogénea que incluye tanto los orgánulos celulares, que aún pueden estar intactos tras el tratamiento, como las moléculas que forman el interior de la célula. Para individualizar estos componentes se recurre a diferentes técnicas de separación, que permiten separar dichos componentes en función de sus características físico-químicas. El resultado final de aplicar estas técnicas de separación será obtener una cierta cantidad de moléculas de un único tipo cuyo estudio mediante técnicas analíticas es el objetivo fundamental de la Bioquímica.

La primera técnica de separación es la centrifugación, que consiste en provocar una sedimentación acelerada del homogeneizado mediante la aplicación de una fuerza centrífuga. Gracias a la aceleración provocada, los componentes más pesados se depositan en el fondo de un tubo mientras que los más ligeros permanecen flotando en el líquido. Cambiando la fuerza aplicada y o el tiempo que dura la centrifugación es posible separar distintos componentes celulares.

Tanto el líquido (sobrenadante) como el sedimento (pellet) pueden utilizarse para estudios posteriores, el sobrenadante directamente, y el sedimento reconstituyéndolo con un tampón hasta disolverlo.

Esta es una técnica muy utilizada para separar entre sí diferentes elementos estructurales de la célula, mediante lo que se conoce como "centrifugación fraccionada". Aunque los datos concretos de tiempos y fuerzas aplicadas cambian de unos tipos celulares a otros, se puede generalizar el procedimiento para separar los diferentes elementos celulares:

El homogeneizado celular obtenido en la sonicación se centrifuga a baja velocidad, con lo que sedimentan las células enteras que puedan haber quedado, los núcleos celulares y restos del citoesqueleto. Si no nos interesa ninguno de estos componentes el sobrenadante se separa del precipitado recuperándolo mediante una micropipeta y se vuelve a centrifugar, esta vez a velocidad media. El precipitado obtenido en esta ocasión incluye fundamentalmente las mitocondrias. Si el nuevo sobrenadante se centrifuga a alta velocidad se separan las vesículas pequeñas en las que se había roto la membrana y otros orgánulos membranosos, quedando en la parte líquida los ribosomas, las macromoléculas y, de haberlos, los virus, componentes que pueden precipitar en una centrifugación a muy alta velocidad. El último sobrenadante contiene las sustancias solubles que forman parte de la célula.

Un enfoque diferente, pero basado en el mismo principio, es la centrifugación en gradiente de densidad. En este caso el tubo de centrifugación se prepara con varias soluciones de densidad creciente, situando la más densa en la parte baja del mismo. La muestra se sitúa sobre la solución menos densa y entonces se centrifuga.

Los diferentes componentes de la muestra se mueven hacia el fondo del tubo hasta alcanzar la parte del mismo cuya densidad es igual a la del propio componente, deteniéndose en ese punto. Una vez finalizada la centrifugación se perfora el tubo por su parte inferior, recogiéndose individualmente cada una de las fracciones en las que se ha separado la muestra.

Separación molecular

Las moléculas orgánicas suelen tener propiedades químicas bastante parecidas, por lo que su separación debe hacerse basándose en sus propiedades físicas, tales como el tamaño, la carga eléctrica, la polaridad, la volatilidad, la solubilidad o la adsorción.

El tamaño y la carga eléctrica son propiedades sobradamente conocidas, que no necesitan mayor explicación. La polaridad es una característica de ciertas moléculas que presentan una distribución irregular de carga eléctrica en su estructura, de modo que pueden establecer interacciones electrostáticas con otras moléculas, tanto cargadas como polares, mientras que las moléculas apolares interaccionan con otras moléculas apolares.

La volatilidad es la tendencia que tiene una molécula a pasar al estado gaseoso, mientras que la solubilidad es la capacidad de una sustancia para que sus moléculas se mezclen homogéneamente con las de otra. Depende, en buena parte, de la polaridad de las dos sustancias (solvente y soluto). Finalmente la adsorción es un fenómeno mediante el cual determinadas moléculas interaccionan con un soporte sólido. También depende de la polaridad.

Todos las técnicas de separación física comparten un mismo fundamento básico. Las moléculas que se van a separar se mueven a través de un medio dado. El movimiento está causado por una fuerza impulsora, e impedido por una o varias fuerzas retardadoras, de modo que la velocidad a la que se mueve cada tipo de molécula es diferente, y de pende de sus características físicas. Al cabo de un tiempo, cada tipo  de molécula habrá recorrido una cierta distancia, diferente a la que han recorrido los otros tipos de moléculas, lo que permite su separación.

La filtración consiste en separar los componentes de una mezcla haciéndola pasar a través de un material poroso (filtro) que solo deja pasar las partículas más pequeñas que el tamaño del poro.

En este caso la fuerza impulsora suele ser la gravedad, es decir, la muestra simplemente se deja caer a través del filtro, aunque también se puede ejercer presión (por ejemplo con una jeringa) o aplicar vacío y succionar para acelerar y mejorar la eficacia del proceso. La fuerza que se opone al movimiento es la propia resistencia del material. En la actualidad es posible utilizar este método (en realidad la ultrafiltración) para separar macromoléculas (10³ a 10⁶ Daltons).

La  diálisis es también un método de separación  por tamaño. En este caso en lugar de un filtro se utiliza una membrana semipermeable, que permite el paso de moléculas de pequeño tamaño (solutos) pero no el de macromoléculas. La disolución de trabajo se introduce en una bolsa de diálisis, cuyas paredes están formadas por una membrana de este tipo, y la bolsa completa se sumerge en agua destilada o en una disolución muy poco concentrada. La "fuerza impulsora" es la diferencia de concentración entre el interior y el exterior de la bolsa. Las moléculas tienden a moverse hasta igualar esas concentraciones, pero las macromoléculas no pueden atravesar la membrana. Esta técnica permite concentrar macromoléculas o eliminar sales de una disolución, lo que no es posible con la filtración.

Una de las técnicas más utilizadas en la purificación de macromoléculas, especialmente de proteínas, es la cromatografía. La separación cromatográfica se basa en el reparto desigual de un soluto entre dos fases que son inmiscibles entre sí, como resultado de que el soluto tiene una solubilidad distinta en las dos fases. Una de las dos fases o medios está en reposo, mientras que la otra se mueve a lo largo de la fase inmóvil en una dirección determinada.

Existen diferentes tipos de cromatografía, según la naturaleza de las dos fases que intervienen y el principio en el que se basa la serparación de los componentes de la muestra.  La siguiente tabla muestra una clasificación simple de los principales tipos de cromatografía.

En la mayor parte de los casos la cromatografía utiliza como herramienta un instrumento llamado columna cromatográfica (son excepciones la cromatografía en papel y la cromatografía en capa fina, en las que la que la fase estacionaria es o está fijada sobre un soporte sólido). La columna cromatográfica es un tubo que se carga por la parte superior y en cuya parte inferior hay algún dispositivo (lo más sencillo es una llave o un grifo) que regula la salida de la fase móvil. Cuando se "carga" la columna se empieza por rellenarla con la fase estacionaria. Luego se hace pasar por ella la fase móvil, en general una solución con un pH controlado (un tampón). Finalmente, se "pincha" muestra en la parte superior y se sigue dejando pasar tampón el tiempo necesario.

La cromatografía de exclusión (también llamada filtración en gel) separa moléculas en función de su tamaño. La fase estacionaria es un gel, una suspensión de partículas que tienen la particularidad de que su interior está perforado, formando una red de canalillos de distintos diámetros. Cuando la muestra circula a lo largo de la columna, las moléculas de mayor tamaño solo pueden moverse por los espacios que quedan entre las partículas del gel, mientras que las más pequeñas pueden circular también por los espacios que quedan en su interior. En consecuencia, las moléculas más pequeñas recorren caminos más largos (estictamente, la longitud del camino recorrido es inversamente proporcional al tamaño de la molécula), de modo que tardan más tiempo en atravesar la columna, lo que permite la separación.

La eficacia de la separación cromatográfica puede mejorarse si se consigue que algunas moléculas interaccionen de forma aún más intensa con la fase estacionaria, y más aún si esa interacción es específica, es decir, si las únicas moléculas de la muestra que se unen a la fase estacionaria son las que se desean separar. El primer caso describe la cromatogrfía de intercambio iónico, en la que la fase estacionaria es un gel cargado eléctricamente. de modo que las macromoléculas con carga eléctrica opuesta se unen firmemente a él. El resto de las moléculas recorre la columna y son eliminadas. Al final, la unión entre las moléculas aisladas y el gel puede deshacerse cambiando el pH del medio, lo que modifica las cargas eléctricas.

En el caso de la cromatografía de afininidad, se establece una relación específica entre la molécula que se desea separar y la fase estacionaria. Este tipo de interacciones son muy habituales entre moléculas biológicas presentándose, por ejemplo, entre las enzimas y sus respectivos sustratos, o entre los antígenos y los anticuerpos que los reconocen. Por lo tanto, para preparar una columna cromatográfica de este tipo es necesario contar con una de esas moléculas. El caso más general, aunque no es el único posible, es partir de una pequeña cantidad de la sustancia que queremos purificar y obtener un anticuerpo contra ella, inyectándola en un animal de laboratorio y extrayendo después esos anticuerpos. Luego los anticuerpos obtenidos se unen covalentemente a las partículas del gel, creando así una fase estacionaria que tiene una afinidad específica por la molécula a separar.

Cuando se carga la columna con la muestra que se desea separar, solo las moléculas que presentan afinidad por el gen quedan retenidas en el gel, mientras que el resto dejan la columna junto con el tampón. Para recuperar las moléculas unidas es necesario separarlas del gel, lo que se consigue, en general, cambiando el pH de la fase móvil.

La electroforesis consiste en el movimiento de partículas y moléculas cargadas eléctricamente a través de un medio, impulsadas por un campo eléctrico. La dirección en la que se mueven las moléculas depende del signo de su carga, y la velocidad con la que lo hacen es función, por una parte, del valor de dicha carga, y por otra de las características del medio y de cómo interaccionen con él las moléculas. 

 

El soporte de la eletroforesis es un gel formado por algún tipo de polímero, en general agarosa si se quieren separar moléculas de ADN y poliacrilamida para separar proteínas. Independientemente de su naturaleza química, los geles tienen una estructura porosa irregular que se opone al avance de las moléculas, ofreciendo mayor resistencia a las de mayor tamaño. De este modo, cuando se separan entre sí moléculas de naturaleza homogénea (diferentes proteínas o fragmentos de ácidos nucleicos), la velocidad de migración acaba siendo inversamente proporcional al tamaño de la molécula, aunque en el caso de las proteínas su forma tridimensional tiene una gran influencia en su "tamaño efectivo", de modo que para separar eficazmente este tipo de moléculas es necesario alterar previamente su estructura, lo que se consigue tratándolas con un detergente iónico.

Una vez separadas mediante electroforesis, las moléculas pueden ser recuperadas y utilizadas para análisis posteriores. Para ello basta con cortar el fragmento de gel donde se encuentran las moléculas y disolver el gel.

Adquisición de la organización tisular

La división entre organismos unicelulares y pluricelulares es uno de los criterios de clasificación usados tradicionalmente en Biología. En la práctica, sin embargo, es un criterio poco fiable, ya que organismos muy sencillos, como algunas bacterias o cianobacterias, pueden formar cadenas celulares o incluso "filmes" o películas bacterianas cuyo funcionamiento conjunto influye en la dinámica de las infecciones bacterianas. De hecho, algunas de las nuevas estrategias para combatir las enfermedades provocadas por este tipo de organismos pasan por tratar de debilitar esas películas bacterianas.

En algunos casos, estas estructuras pluricelulares pueden presentar, incluso, cierta diferenciación funcional. Ese es el caso, por ejemplo, de algunas cianobacterias como Anabaena (en la imagen), donde algunas células, llamadas heterocistos, presentan una morfología y una estructura diferente, que les permite llevar a cabo la fijación de nitrógeno. También es frecuente la diferenciación entre células somáticas y reproductoras.

Estos organismos presentan moléculas que hacen posible la adhesión entre sus células, y sus estructuras pluricelulares son funcionales y persistentes, proporcionándoles ventajas adaptativas. Sin embargo, la comunicación entre células es bastante limitada, y la organización espacial es tal que todas las células están en contacto con el entorno externo, de modo que puedan absorber directamente nutrientes del ambiente. Este tipo de organización se denomina "pluricelularidad simple", para distinguirla de la "pluricelularidad compleja" que caracteriza a los organismos que presentan auténticos tejidos.

La pluricelularidad compleja se caracteriza porque las células que forman los tejidos no solo están unidas, sino también comunicadas entre sí. Es común, además, la diferenciación en tejidos, posible gracias a la presencia de genes reguladores que permiten que distintas células expresen distintos subconjuntos de genes. La diferenciación es, en este caso, mucho más profunda e intensa que en los organismos que presentan pluricelularidad simple, lo que hace posible una división del trabajo mucho más eficaz, permitiendo que existan células especializadas en la reproducción, alimentación, protección, movimiento...

Modelo de difusión en un tejido y relación con el volumen celular

Otra característica ventajosa de este tipo de organismos es que pueden alcanzar un tamaño mucho mayor que el de los organismos unicelulares o con pluricelularidad simple, lo que abre la puerta a una mayor cantidad de recursos y a la explotación de nuevos nichos ecológicos. Sin embargo, esta ventaja va acompañada de un inconveniente, ya que no todas las células se encuentran en contacto con su entorno, lo que obliga al organismo a resolver problemas derivados de la necesidad de transportar oxígeno y otros nutrientes hasta el interior del tejido.

Origen de la pluricelularidad compleja

La pluricelularidad compleja no apareció hasta una época relativamente tardía en la historia de la vida, el Neoproterozoico, una etapa que se inicia hace unos 1.000 millones de años y cuya manifestación más conocida es la fauna de Ediacara, en Australia. Para entonces habían pasado más de 3.000 millones de años desde la aparición de los primeros organismos, y ya existían múltiples ejemplos de pluricelularidad simple. Y cuando la organización pluricelular apareció lo hizo independientemente en seis grupos de organismos: dos tipos de algas (Rodofíceas y Feofíceas), dos tipos de hongos (Ascomicetes y Basidiomicetes), plantas embriofitas y animales.

Probablemente la razón de una aparición tan tardía de una característica de tanto éxito evolutivo hay que buscarla en que la pluricelularidad compleja necesita como prerrequisito la organización eucariota. Los organismos procariotas no pueden llegar a formar estructuras pluricelulares complejas porque carecen de dos características fundamentales: estructuras que permitan no solo la adhsión, sino la comunicación entre célula y célula, y un citoesqueleto que haga posible la entrada a la célula de moléculas señalizadoras y su transporte hasta sus blancos en el interior celular.

Otra característica eucariota que también es importante para el desarrollo de una organización pluricelular es la naturaleza de su genoma. Las células eucariotas poseen un genoma proporcionalmente mucho mayor que el de las procariotas. En él, además, la mayor parte del ADN no codifica para proteínas. Esto les permite tanto acumular genes alternativos para las mismas características como contar con genes reguladores, que se encargan de determinar qué subconjunto de instrucciones debe expresarse en cada célula. Esto hace posible, por lo tanto, la diferenciación celular, ya que permite que dos células con un genoma idéntico desarrollen "programas genéticos" diferentes, gracias a que sus transcriptomas (es decir, el conjunto de genes que se transcriben y se manifiestan en forma de ARN) pueden ser distintos.

Estabilidad estructural de los tejidos

El mantenimiento de la cohesión y de la estructura tridimensional de los tejidos es fundamental no solo para mantener la integridad del organismo, sino también para conservar la funcionalidad del propio tejido ya que, en muchos casos, la diferenciación de las células depende, al menos en parte, de su posición dentro del mismo.

En el mantenimiento de la estructura de los tejidos juegan un papel importante tres elementos característicos de la organización eucariota: el citoesqueleto, las uniones intercelulares y la matriz extracelular.

El citoesqueleto mantiene la forma y la estructura interna de las células, asegurando que conserven su posición en el tejido, o que, si resulta necesario, se desplacen de un lugar a otro.

Las uniones intercelulares no solo conservan a las células unidas entre sí (adhesión), requisito imprescindible para la formación del tejido, sino que también permiten la comunicación entre las células, función a la que también contribuye el citoesqueleto.

Finalmente, la matriz extracelular de los tejidos animales es una mezcla de proteínas y polisacáridos producidos por el retículo endoplásmico rugoso y el aparato de Golgi de las células cercanas. Una vez sintetizados, estos componentes se desplazan por el interior de la célula hasta situarse en el lugar concreto donde van a ser secretados, lo que hace que las propiedades de la matriz varíen de un lugar a otro (por ejemplo, en la parte basal de los tejidos epiteliales se deposita una capa de proteínas que constituye la lámina basal, que separa ese tejido de otros. Esta lámina está ausente del resto del tejido). La organización final de los componentes de la matriz tiene lugar en el exterior de las células.

La matriz extracelular también incluye puntos de anclaje para las células que forman el tejido.

En los hongos, algas y vegetales el papel de la matriz extracelular es desempeñado por la propia pared celular.

Origen de las nuevas células en un tejido

En los organismos pluricelulares actuales, el tamaño y la forma de los tejidos y los órganos, así como los tipos celulares que los forman, están intensamente regulados, y la pérdida del equilibrio puede provocar consecuencias fatales para el individuo, como ocurre en el caso del cáncer. Este equilibrio se consigue mediante la limitación de la proliferación celular, por una parte, y a través de programas de muerte celular programada, por otra.

En la mayor parte de los tejidos adultos de un organismo la capacidad de reproducirse está limitada a un grupo reducido de células no diferenciadas, que reciben el nombre de células madre, y que son capaces de dar lugar a todas o a la mayor parte de las células de ese tejido. (la denominación inglesa de estas células, stem cells, es decir, células tallo, es más descriptiva, ya que facilita visualizar cómo a partir de ellas surgen distintas ramas, las células diferenciadas, además de seguir creciendo el mismo tallo). El mecanismo que permite la diferenciación de las células es la división asimétrica: cuando una célula madre se divide mediante mitosis, una de las células conserva todas las características de la progenitora, y sigue siendo pluripotente y manteniendo la capacidad de dividirse, mientras que la otra célula solo expresa un conjunto de los genes, por lo que se encuentra ya diferenciada. A nivel genético, la diferencia entre las distintas células se debe a la presencia en cada tipo de distintos factores de transcripción, proteínas que actúan regulando los genes que se expresan en cada caso.

La muerte celular programada (apoptosis) permite eliminar del tejido células dañadas o alteradas, o simplemente las que ya no son necesarias. De este modo se puede compensar la formación de nuevas células a partir de las células madre, y mantener solo las células que funcionan adecuadamente.

En algunos tejidos sometidos a gran desgaste, por ejemplo en el epitelio que forma la epidermis, la propia diferenciación lleva a la muerte celular: las células acumulan depósitos de una proteína, queratina, al tiempo que van perdiendo los orgánulos, de modo que las células diferenciadas (queratinocitos) terminan por ser células muertas.

El endotelio intestinal, un ejemplo de estructura y función tisular

El endotelio intestinal es un tejido epitelial que puede servir de ejemplo para analizar la estructura y el mantenimiento de un tejido cualquiera. La estructura del tejido está soportada, fundamentalmente, por las uniones intercelulares. En el caso de los epitelios, las uniones estrechas crean una banda continua alrededor de las células que impide incluso el paso de las moléculas de pequeño tamaño por los espacios intercelulares. De este modo, los epitelios tapizan las superficies y las impermeabilizan, forzando a que la entrada y salida de sustancias se produzca a través de las células y, por tanto, de modo regulado.

 

Además de las uniones estrechas las células mantienen su contacto mediante otras uniones adhesivas, pero en este caso son de naturaleza puntual, comparables a los botones de tipo "automático" que pueden usarse para cerrar, por ejemplo, una camisa.

El epitelio intestinal es monoestratificado, lo que significa que está formado por una única capa de células. La mayor parte de la matriz extracelular se segrega solo por la parte basal de las células, donde forma la lámina basal, una estructura proteica que típicamente separa los epitelios de los tejidos subyacentes.

La matriz extracelular también proporciona puntos de anclaje a las células del tejido, mediante estructuras denominadas hemidesmosomas.

El citoesqueleto juega un papel fundamental en el mantenimiento de la estructura del tejido. Las uniones estrechas están reforzadas, en el citoplasma, por un haz de filamentos de actina justo por debajo de la membrana celular, con lo que contribuye a la integridad de esta banda de unión. Por otra parte, la distribución de los filamentos guarda relación con la arquitectura funcional del tejido: las células endoteliales están polarizadas, es decir, su lado basal es diferente a su cara apical, estructura que hace posible su función. La parte apical de estas células presenta prolongaciones en forma de dedos llamadas microvellosidades, que aumentan enormemente la superficie de la membrana, lo que incrementa su capacidad de absorción de nutrientes. Las microvellosidades presentan en su interior haces de filamentos de actina que las mantienen en su posición.

En cuanto al origen de las células, el epitelio intestinal, este tejido se forma a partir del endodermo. Tras el desarrollo embrionario, el epitelio crece formando evaginaciones (vellosidades) e invaginaciones (criptas) que aumentan en gran medida la superficie total de absorción. El tejido contiene cuatro tipos de células diferenciadas: las especializadas en la absorción, las células secretoras (caliciformes y enteroendocrinas) y las células de Paneth, con función defensiva.

Las células del epitelio son eliminadas constantemente, y sustituidas por otras que se forman a partir de células madre que se localizan en las criptas intestinales. En principio, estas células se encuentran en estado quiescente, es decir, en reposo, y se reproducen de manera asimétrica dando lugar, por una parte, a una célula madre que permanece en la cripta y por otra a una célula proliferativa, a partir de la cual se producen el resto de las células del tejido. La división de estas células da lugar a dos linajes celulares diferentes, según qué factores de transcripción se expresen en ellos: por una parte las células absorbentes y por otra las células secretoras y las células de Paneth.

El proceso de división y diferenciación está intesamente regulado, y los errores en estos sistemas de control pueden dar lugar a graves consecuencias. Así, una de las hipótesis más aceptadas para explicar el origen del cáncer de colon es la que supone que los tumores son generados y mantenidos por un pequeño grupo de células proliferativas derivadas de las células madre (células CBC) que son capaces de autorrenovarse y transformarse en las células tumorales.


Bibliografía

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Sistema Nervioso II: señales eléctricas y químicas en las neuronas

Las membranas celulares son semipermeables, lo que significa que permiten el paso libre de algunas sustancias, pero no de otras. En general las sustancias que pueden atravesar las membranas son de naturaleza apolar, porque se disuelven bien en los lípidos que forman esta estructura.

Sin embargo, el hecho de que algunas sustancias no puedan atravesar espontáneamente la membrana no significa que no puedan hacerlo. La célula posee diferentes tipos de proteínas que pueden actuar como transportadores, con la ventaja añadida para el funcionamiento celular de que tienen carácter específico, es decir, permiten el paso de una sustancia concreta, pero no el de otros compuestos parecidos. Gracias a esto, la célula se mantiene impermeable a compuestos que debe mantener fuera o dentro de ella, pero permite la entrada y la salida de otras sustancias que necesita.

Además, los transportadores de membrana no suelen ser simples conductos "pasivos", sino que en la mayor parte de los casos tienen un estado abierto y otro cerrado, y su apertura o cierre se produce como respuesta a estímulos específicos. De este modo, la célula puede regular la entrada y salida de sustancias entre su interior y el entorno que la rodea, ajustando su funcionamiento a las condiciones externas.

Los iones, debido a su carga eléctrica, son uno de esos tipos de sustancias que atraviesan la membrana con gran dificultad. Aunque la impermeabilidad no es completa, el flujo de iones por difusión a través de la bicapa lipídica es prácticamente nulo. Las proteínas que permiten el paso de ciertos iones de un lado a otro de la membrana reciben el nombre de canales iónicos.

Existen canales para diferentes iones y que responden a distintos tipos de estímulos. Así, los hay que se abren de modo aleatorio, mientras que otros se abren o se cierran como respuesta a un cambio en la diferencia de potencial entre los lados de la membrana (canales operados por voltaje), como resultado de la unión a la proteína de una sustancia química (canales operados por ligando) o incluso como respuesta a un estímulo mecánico, como la presión (canales operados mecánicamente). Muchos de ellos cuando están abiertos simplemente permiten el paso de los iones en ambas direcciones, en cuyo caso el flujo neto se produce según el gradiente de concentración (desde el compartimento más concentrado al más diluido), pero algunos operan en contra de gradiente de concentración, lo que requiere un gasto de energía que, en general, es proporcionado por la hidrólisis del ATP. En este caso estos canales suelen denominarse bombas.

Potencial de reposo

Debido a las propiedades electroquímicas de la membrana y a la actividad de los canales iónicos presentes en ella, se produce una diferencia en el potencial eléctrico entre el citoplasma y el medio extracelular. Esa diferencia de potencial recibe el nombre de potencial de reposo. 

El potencial de reposo existe debido a que se produce una cierta acumulación de iones positivos en la cara externa de la membrana y una cierta concentración de iones negativos en la región del citoplasma próxima a la superficie celular. Hay varios factores que contribuyen a explicar esta diferencia en la distribución de cargas eléctricas:

• La distribución desigual de iones entre el interior y el exterior de la célula. El medio extracelular es rico en sodio (Na⁺) y cloruro (Cl^-), mientras que el interior de la célula presenta concentraciones mayores de potasio (K⁺), fosfato (PO₄^-3) y aminoácidos. Esta diferencia se debe, al menos en parte, a que la membrana contiene más canales de apertura aleatoria para el potasio que para el sodio, lo que hace que salga de la célula más potasio que el sodio que entra.
• Los aniones intracelulares no pueden atravesar la membrana. Los grupos fosfato y los aminoácidos, que son los aniones más abundantes en el interior de la célula, no pueden atravesar la membrana porque en general se encuentran asociados a moléculas de gran tamaño.
• Existe un sistema activo que mantiene la diferencia de carga. Se trata de la bomba sodio-potasio, una proteína transmembrana que expulsa tres iones de Na+ por cada dos iones de K+ que introduce en la célula. Este sistema funciona en contra del gradiente de concentración, por lo que requiere energía que es proporcionada por la hidrólisis de ATP.

Potenciales graduados

La excitabilidad eléctrica de las neuronas consiste, desde el punto de vista físico-químico,  en su capacidad para modificar la diferencia de potencial que existe entre el exterior y el interior de la célula como respuesta a cambios externos.

La llegada de un estímulo hasta la neurona provoca un cambio en su potencial de reposo, al modificar la actividad de algunos canales iónicos. Un potencial graduado es una pequeña desviación del potencial de reposo que puede aumentar (hiperpolarización) o reducir (despolarización) la diferencia de potencial original.

Los potenciales graduados se producen, en general, en las zonas "receptoras" de la neurona, es decir, en las dendritas o en el soma neuronal. Se deben a la activación de canales iónicos operados mecánicamente o por ligando. Se denominan graduados porque la amplitud del potencial depende de la intensidad del estímulo, de modo que estímulos pequeños producen poca variación en el potencial de membrana mientras que estímulos intensos generan mayores variaciones en la diferencia de potencial.

Hay otras dos características importantes de los potenciales graduados. En primer lugar, su intensidad va disminuyendo a medida que nos alejamos del punto donde se ha recibido el estímulo, y en segundo lugar son acumulativos, es decir, pueden sumarse algebraicamente entre sí, lo que significa que potenciales del mismo signo se potencian mientras que potenciales de signo distinto (uno hiperpolarizador y otro despolarizador) tienden a anularse entre sí.

Potencial de acción

El potencial de acción es una sucesión rápida de procesos que primero reducen y luego invierten el potnecial de reposo de la membrana para finalmente restituirlo a la situación de partida.

En su desarrollo se distinguen dos fases fundamentales. La primera es la despolarización: el potencial de reposo, de signo negativo (el citoplasma está cargado negativamente respecto al exterior) se invierte hasta alcanzar valores positivos, es decir, hasta que el interior de la célula tiene más cargas positivas que el exterior. A continuación se produce una fase de repolarización, en la que el potencial de membrana vuelve a tomar su valor de reposo. Durante esta fase hay un periodo en el que el potencial de membrana es más negativo que el potencial de reposo (fase de hiperpolarización). Durante la hiperpolarización la membrana no puede generar un nuevo potencial de acción, por lo que este lapso de tiempo se denomina periodo refractario.

El potencial de acción solo se desencadena cuando la diferencia de potencial entre el citoplasma y el exterior alcanza un valor crítico conocido como potencial umbral. Aunque este valor puede variar de unas neuronas a otras, es constante para cada célula y suele ser de unos -55mV frente a los -70mV característicos del potencial de reposo.

El cambio de potencial de la membrana se produce como respuesta a la llegada de uno o varios potenciales graduados. Si el potencial graduado que alcanza la neurona es hiperpolarizador, o si es despolarizador pero no alcanza el valor umbral, no se desencadena el potencial umbral. En cambio si el potencial graduado alcanza o supera el valor umbral la neurona responde con la generación del potencial de acción. La intensidad de este, una vez que se ha iniciado, es independiente del valor de los potenciales graduados que lo han desencadenado, por lo que se dice que el potencial de acción sigue la "ley del todo o nada".

Los potenciales graduados que llegan a la región aferente de la neurona pueden tomar valores diferentes, proporcionales a la intensidad del impulso que los ha provocado, de modo que se puede considerar que la neurona recibe señales "analógicas". La neurona recibe todos esos impulsos y los "integra", sumándolos. Como resultado, solo puede dar dos tipos de respuesta: la generación de un potencial de acción o permanecer inactiva, de modo que se puede decir que la neurona ha transformado múltiples señales de entrada de naturaleza analógica en una única señal de salida de carácter digital.

La generación de un potencial de acción en la membrana de la neurona se debe a cambios en el estado de los canales iónicos operados por voltaje que hay en ella.

Cuando la célula está en reposo los canales operados por voltaje de sodio y potasio están cerrados. Si la suma de los potenciales graduados que alcanzan la célula iguala o supera el potencial umbral se abren los canales de sodio operados por voltaje, lo que provoca la entrada de este ión hacia el interior de la célula y la despolarización de la membrana.

Cuando se alcanza el potencial máximo, se cierran los canales de sodio y se abren los canales de potasio, lo que provoca la salida de este ión. Los canales de potasio permanecen abiertos incluso después de que se haya recuperado el potencial de reposo, por lo que se produce la hiperpolarización de la membrana.

Finalmente se cierran los canales de potasio, con lo que se recupera el potencial de reposo y la célula vuelve a su estado normal.

La fase de hiperpolarización tiene una importancia fundamental en la transmisión del impulso nervioso. Mientras una zona de la membrana está hiperpolarizada los canales de sodio operados por voltaje presentes en ella no pueden volver a abrirse, de modo que la despolarización solo se transmite en una dirección.

Existen dos modalidades de propagación del impulso nervioso a lo largo de una neurona. La conducción continua se produce en las fibras amielínicas y en las fibras musculares, que también presentan excitabilidad eléctrica. En este caso todos los segmentos de la membrana deben sufrir los procesos de despolarización y repolarización, lo que hace que la transmisión del impulso sea relativamente "lenta".

En el caso de las fibras mielínicas, las zonas de la membrana cubiertas por la vaina de mielina no pueden intercambiar iones con el exterior, de modo que estos procesos solo tienen lugar en las zonas en las que la membrana del axón se encuentra "al descubierto", es decir, en los nodos de Ranvier. En los nodos, el potencial de acción se transmite mediante corrientes iónicas locales, que al no necesitar la apertura de canales iónicos, se propagan con mayor rapidez que en el caso de la conducción continua.

Este mecanismo recibe el nombre de conducción saltatoria.

Codificación de la intensidad de la señal

Volviendo a la comparación con sistemas analógicos y digitales, tenemos que las neuronas generan siempre respuestas de la misma intensidad, ya que todos los potenciales de acción son iguales, mientras que la señal que la neurona recibe es analógica, es decir, puede tener diferente intensidad porque puede deberse a estímulos más o menos potentes.

Las neuronas tienen capacidad de ajustar su respuesta a la intensidad del estímulo recibido, fenómeno que se denomina modulación de la respuesta, y lo hacen cambiando la frecuencia con la que emiten los potenciales de acción: a mayor intensidad, mayor frecuencia de respuesta.

Transmisión sináptica

Una sinapsis es la zona donde una neurona se comunica con otra o con una célula efectora. Según el modo en que se establezca esa conexión se distinguen dos tipos de sinapsis.

Las sinapsis eléctricas se caracterizan porque la comunicación entre las células se establece mediante un tipo especial de unión intercelular, la gap junction, que consiste en un contacto estrecho entre las dos células de modo que existen canales iónicos operados por voltaje que comunican los dos citoplasmas. De este modo, los iones pueden pasar directamente de la primera célula a la segunda, transmitiendo el potencial de acción de una a la otra. Este tipo de uniones permiten una comunicación rápida, y la sincronización de diferentes neuronas, y son frecuentes en la musculatura visceral y cardíaca, así como durante el desarrollo embrionario, aunque posteriormente van siendo sustituidas por sinapsis químicas.

En las sinapsis químicas no hay continuidad entre las células que se comunican, sino que entre ellas queda un espacio denominado hendidura sináptica. El potencial de acción no puede transmitirse a través de ese espacio, por lo que la comunicación se produce gracias a la participación de una sustancia química liberada por la neurona presináptica, que atraviesa la hendidura sináptica para unirse a receptores específicos de la célula postsináptica y que recibe el nombre de neurotransmisor.

El terminál axónico de la neurona presináptica presenta, en general, un aspecto bulboso y acumula en su interior un considerable número de vesículas de membrana rellenas por el neurotransmisor. La membrana postsináptica, por su parte, presenta un gran número de receptores, proteínas de membrana que se unen específicamente al neurotransmisor,

Cuando el potencial de membrana alcanza el terminal axónico se producen los siguientes procesos:

1. La despolarización de la membrana activa canales de calcio operados por voltaje, que permiten la entrada de este ión a la célula.
2. Como resultado del aumento del calcio intracelular las vesículas membranosas se fusionan con la membrana presináptica, liberando el neurotransmisor a la hendidura sináptica.
3. El neurotransmisor difunde a través de la hendidura, y se une a los receptores de la membrana postsináptica. Estos pueden ser canales iónicos operados por ligando, en cuyo caso se dice que el neurotransmisor es de tipo ionotrópico) que se abren como respuesta a la unión del neurotransmisor.
4. La entrada de iones en la célula postsináptica desencadena en ella un potencial graduado. Si el receptor actúa como canal de sodio el potencial es despolarizador, y se denomina Potencial Excitatorio Postsináptico (PEPS), mientras que si se trata de un canal de potasio el potencial postsináptico es hiperpolarizador, y por tanto inhibitorio (PIPS).

Además de los receptores ionotrópicos, que son canales iónicos operados por ligando, existe otro tipo de receptores que reciben el nombre de metabotrópicos. En este caso el receptor no actúa directamente como canal iónico, sino que está asociado a una proteína intracelular (proteína G) que libera en el citoplasma una sustancia que recibe el nombre de segundo mensajero, porque su actividad consiste en "repetir" el mensaje del neurotransmisor, pero en el interior de la célula. Los segundos mensajeros pueden ser de distintos tipos, y pueden tener diferentes efectos, en ocasiones varios a la vez. Entre sus efectos están la activación o inhibición de enzimas o la apertura de canales iónicos, lo que da lugar a potenciales graduados en la célula postsináptica.

Una vez que el neurotransmisor ha transmitido la señal, ésta debe detenerse para que las células vuelvan a su estado normal. Esto supone que el neurotransmisor debe ser retirado de la hendidura sináptica, lo que puede ocurrir de diferentes formas:

• Difusión: el movimiento aleatorio de las moléculas del neurotransmisor hace que se reduzca su concentración en la hendidura sináptica, hasta que ya no llega a provocar un cambio significativo en el potencial de membrana de la célula postsináptica.
• Degradación enzimática: una enzima situada en la membrana postsináptica rompe el neurotransmisor transformándola en otra molécula inactiva. Un ejemplo de este mecanismo es la destrucción enzimática de la acetilcolina por acción de la acetilcolinesterasa, enzima que la divide en ácido acético y colina. Ambos compuestos son reabsorbidos por la célula presináptica, que los recicla para volver a sintetizar el neurotransmisor.
• Captura por las células: algunos neurotransmisores son recaptados por la célula presináptica o por células de la glía. Una vez en el interior de estas células se inactivan o se reciclan. Un ejemplo de este mecanismo es la recaptación de la norepinefrina.

Existen unas 100 sustancias distintas que ejercen funciones como neurotransmisores en el organismo. Muchas de ellas, además, pueden ser liberadas al torrente circulatorio y actuar como hormonas.

Desde el punto de vista de su estructura química suelen distinguirse dos grandes grupos de neurotransmisores: los neuropéptidos, proteínas formadas por un reducido número de aminoácidos, y otro conjunto de moléculas, químicamente diversas, pero que se incluyen en la categoría de "moléculas pequeñas".

El más conocido de los neurotransmisores es la acetilcolina, que posee receptores metabotrópicos inhibidores e ionotrópicos excitatorios. Se localiza en las neuronas motoras de la médula, en numerosas zonas de la corteza cerebral o en el sistema nervioso autónomo. También hay algunos aminoácidos que desempeñan esta función, como el glutamato, que es el principal neurotransmisor excitatorio de la corteza, el aspartato, la glicina o el GABA (ácido gamma aminobutírico), un aminoácido que no forma parte de las proteínas.

Una tercera categoría de neurotransmisores no proteicos son las aminas biogénicas, que incluyen la adrenalina y la noradrenalina, que son también segregadas como hormonas en las glándulas suprarrenales, la dopamina y la serotonina. Las tres primeras tienen características químicas comunes, y reciben el nombre conjunto de catecolaminas.

Algunos nucleótidos, relacionados químicamente con el ATP (AMP, ADP y ATP) también actúan como neurotransmisores.

Finalmente, dos sustancias bastante peculiares en cuanto a su acción como neurotransmisores son el óxido nítrico (NO) y el monóxido de carbono (CO). Ambas sustancias son gases a temperatura fisiológica, y no se acumulan en vesículas de membrana en las terminaciones axónicas, sino que se producen y liberan al exterior en el momento en el que llega el impulso. Tampoco poseen receptores, ya que pueden atravesar libremente la membrana postsináptica, ejerciendo su función directamente en el interior de la célula.

En cuanto a los neuropéptidos, todos ellos tienen en común ser péptidos de unos 30 a 40 aminoácidos de longitud, que se unen a receptores metabotrópicos. Entre ellos se encuentran los opiáceos endógenos (encefalinas, endorfinas y dinorfinas), que juegan papeles importantes en la detención del dolor, el aprendizaje y la memoria, o el péptido P que, por el contrario, refuerza la sensación de dolor.

El importante papel que juegan los neurotransmisores en la transmisión de la información en las sinapsis ha propiciado que sean uno de los elementos más utilizados para desarrollar tratamientos de las enfermedades que afectan al sistema nervioso. Así, se actúa sobre su proceso de síntesis, ya sea inhibiéndola o estimulándola, como ocurre en el tratamiento de los enfermos de Parkinson con L-Dopa, una sustancia precursora de la síntesis de dopamina. También puede actuarse médicamente sobre su liberación; las anfetaminas, por ejemplo, deben su actividad a que liberan adrenalina y dopamina, mientras que la toxina botulínica actúa bloqueando la liberación de acetilcolina en las neuronas motoras. 

Una tercera posibilidad de alterar el funcionamiento de los neurotransmisores es activar o bloquear sus receptores. En el primer caso se utilizan sustancias que se denominan agonistas, porque producen el mismo efecto que el neurotransmisor. Es el caso de los agonistas de la adrenalina y noradrenalina, que se utilizan como broncodilatadores. Por el contrario, las sustancias que provocan los efectos contrarios al neurotransmisor se denominan antagonistas. Los antagonistas de la serotonina y la dopamina se utilizan como tratamientos de la esquizofrenia.

Finalmente, también se puede estimular o inhibir la eliminación del neurotransmisor, reduciendo o aumentando su actividad. La cocaína bloquea la recaptura de la dopamina, por lo que prolonga su efecto, mientras que los inhibidores de la MAO (monoaminoxidasa, enzima que degrada catecolaminas) se usan en el tratamiento de la depresión.

Sumación de estímulos

En general, la llegada de un único potencial presináptico a una neurona puede no ser suficiente para

desencadenar un potencial de acción. La respuesta en esta célula puede producirse, en este caso, si se da el fenómeno de sumación de potenciales, que se produce bien cuando varios potenciales graduados procedentes de la misma célula presináptica llegan en un breve periodo de tiempo (sumación temporal) o bien cuando la neurona postsináptica recibe estímulos de diferentes neuronas presinápticas (sumación espacial). Los potenciales graduados que llegan a esta célula pueden ser tanto excitatorios como inhibitorios, de modo que el resultado es la suma neta de todos ellos.

Circuitos neuronales

La comunicación entre neuronas no suele ser una a una, es decir, cada neurona recibe información de varias células aferentes y puede enviar información a distintas células eferentes, lo que permite multiplicar las vías y los modos en los que se transmite esa información, de modo que el sistema nervioso funciona como una gran red de enorme complejidad.

Las estructuras básicas de esta red son los circuitos neuronales, conjuntos de neuronas comunicadas entre sí de una forma particular. La arquitectura de cada circuito neuronal. es decir, el modo en el que están conectadas entre sí las neuronas que lo forman, le proporcionan características específicas que le permiten desempeñar funciones concretas dentro del sistema nervioso.

Los circuitos lineales son simplemente cadenas de neuronas dispuestas una tras otra y conectadas secuencialmente entre sí. Si todas las sinapsis son excitatorias la información se propaga sin cambios a lo largo de todo el circuito, mientras que si alguna de las sinapsis es inhibitoria se bloquea o reduce la excitación de neuronas posteriores a lo largo de la cadena.

En un circuito divergente una única neurona establece contactos con varias células, lo que permite amplificar su señal y hacer que llegue a varios destinos diferentes. Ejemplos de este tipo de circuitos incluyen los sistemas mediante los cuales un pequeño número de neuronas cerebrales controlan un movimiento corporal estimulando simultáneamente un gran número de neuronas de la médula espinal.

Los circuitos convergentes se establecen cuando una única neurona recibe información de varias células aferentes (presinápticas). Esta estructura permite, por ejemplo, que una única neurona motora reciba información desde neuronas situadas en diferentes partes del cerebro, con lo que el mismo movimiento puede ser realizado como respuesta a distintos estímulos, controlados por cada una de esas partes.

Circuitos reverberantes: en una cadena de neuronas, algunas ramificaciones laterales de las últimas neuronas del circuito activan o inhiben a neuronas anteriores a ellas. Esto permite mantener la respuesta durante periodos considerablemente prolongados, incluso de varias horas, hasta que es detenida por neuronas inhibitorias. Este tipo de circuitos parece jugar papeles importantes en actividades tales como la respiración, el despertar,  actividades musculares coordinadas o la memoria a corto plazo.

En los circuitos paralelos posdescarga una única neurona presináptica establece conexiones con varias interneuronas, cada una de las cuales conecta con la misma neurona postsináptica después de seguir caminos de diferente longitud. De esta manera la neurona postsináptica puede emitir una sucesión rápida de respuestas como resultado de un único estímulo inicial. Estos circuitos parecen estar relacionados con actividades de precisión, como los cálculos matemáticos.

Regeneración y reparación del tejido nervioso

El sistema nervioso posee una gran plasticidad, es decir, capacidad de cambiar como resultado de la experiencia a lo largo de la vida del individuo. Las manifestaciones de esta plasticidad son la formación de nuevas dendritas, la síntesis de nuevas proteínas y los cambios que tienen lugar en las sinapsis. Sin embargo, su capacidad de regeneración, es decir, de que las neuronas se reproduzcan o se reparen a sí mismas, es muy reducida: en el sistema nervioso periférico puede producirse la regeneración de axones mielinizados dañados si el soma de la célula está intacto y las células de Schwann están activas, pero en el sistema nervioso central se produce muy poca o ninguna regeneración.

Las neuronas mielínicas del Sistema Nervioso Periférico tienen buenas posibilidades de regenerarse si conservan su soma y el neurolemma, siempre que la cicatrización se produzca a un ritmo lento. Cuando el axón de una de estas células se daña lo primero que ocurre es la degradación de la fibra desde el punto en el que se ha producido la lesión hasta su extremo (degeneración walleriana), debida a la acción de los macrófagos. A continuación las células de Schwann se reproducen y crecen hasta formar un tubo de regeneración, en cuyo interior se produce el crecimiento del axón. Si la distancia entre las células de Schwann que han permanecido intactas es demasiado grande no se produce su proliferación ni la regeneración axonal.

En cuanto al Sistema Nervioso Central, hay muchas especies animales, como los pájaros cantores, en los que se producen neuronas nuevas de una manera más o menos constante a lo largo de la vida. En mamíferos este proceso parece estar mucho más limitado, aunque se ha encontrado la formación de nuevas neuronas en algunas zonas del encéfalo como el hipocampo, zona relacionada con el aprendizaje.

El estudio de la regeneración neuronal en diferentes especies muestra patrones de crecimiento diferente en el ser humano y los primates relacionados al compararlos con otros mamíferos como el ratón. En los homínidos la regeneración de las neuronas del giro dentado (hipocampo) es mucho más importante que en otros mamíferos, afectando a la práctica totalidad de la zona a lo largo de la vida del individuo.

En humanos también se da neurogénesis en el núcleo estriado, región que no presenta esta característica en otras especies. Se desconoce la función biológica de estos procesos de regeneración, aunque parece que esta zona está relacionada con la "flexibilidad cognitiva", la capacidad de reajustar nuestros objetivos ante los cambios en el contexto, así como con el comportamiento social, la planificación y la modulación del movimiento, la recompensa, la motivación y el placer o la valoración del arte, especialmente de la música.