Todas las ciencias se basan en un conjunto, en general bastante reducido, de grandes ideas que constituyen su "cuerpo" básico. El problema está en que, en ocasiones, no es tan fácil identificar esos pilares conceptuales. Claro que, una vez que se logra conocer y comprender esos fundamentos, resulta mucho más sencillo ir añadiendo conceptos más detallados, pero que, en esencia, se limitan a precisar y desarrollar esas ideas.
En el caso concreto de la Biología, la iniciativa "Molecular Life Science Concept Inventory", un grupo de trabajo en el que participan varias universidades de diferentes lugares del mundo, está tratando de elaborar un amplio conjunto de conceptos clave, importantes para el aprendizaje de esta ciencia. Sin embargo, antes de embarcarse en la búsqueda de ese repertorio de conceptos, ha elaborado una especie de "decálogo" de la Biología Molecular, un conjunto de lo que ellos llaman las "Grandes Ideas". ¿Serán estos los conceptos clave de esta ciencia? Los recojo a continuación, por si le sireven de algo a alguien.
Evolución molecular: la evolución de los organismos vivos requiere cambios en el ADN que producen variabilidad genética heredable y fenotipos diferenes. Las estructuras moleculares esenciales y muchos procesos celulares han sido conservados a lo largo de la evolución.
Autoensamblaje: en los sistemas biológicos el autoensamblaje es el proceso mediante el cual ciertas moléculas se pliegan y se agregan entre sí de modo espontáneo para formar estructuras organizadas. La agregación suele suponer interacciones no covalentes entre moléculas con superficies complementarias.
Compartimentalización: membranas fluidas definen los sistemas (células y orgánulos) que hacen posible la vida. Su existencia permite que las moléculas y las funciones estén compartimentalizadas y reguladas.
Información y comunicación: una propiedad característica de los sistemas vivos es la capacidad para captar y transmitir, interpretar y responder, almacenar y replicar información.
Regulación: los sistemas biológicos son dinámicos. Comprenden redes complejas de procesos que están regulados con vistas a desarrollarse coherentemente y conseguir de modo eficiente objetivos fisiológicos.
Catálisis: la mayoría de las reacciones biológicas requieren catálisis enzimática para incrementar sus velocidades reduciendo la energía de activación de la reacción. Las enzimas proporcionan blancos para el control cinético.
Energía y organización: los sistemas biológicos mantienen un estado de estabilidad (homeostasis) en una posición alejada del equilibrio mediante la importación de energía (es decir, cumplen con la segunda ley de la termodinámica).
Complejidad de las estructuras moleculares: los sistemas biológicos son funcionalmente complejos y diversos. Esto requiere complejidad en las estructuras de las macromoléculas biológicas. Es necesario un aporte de energía para su síntesis a partir de los materiales iniciales sencillos.
Complementariedad de las estructuras moleculares: los procesos celulares requieren un alto grado de especificidad en las interacciones moleculares. Esto se consigue mediante la unión selectiva de superficies complementarias.
El entorno acuoso de la célula: el comportamiento único del agua como líquido y como solvente es uno de los factores determinantes fundamentales de la estructura y función en los sistemas vivos.
Las mutaciones son el mecanismo que genera la variabilidad genética en los organismos. Aunque existen otros mecanismos para combinar las características genéticas de un organismo de forma diferente a como se disponían inicialmente, como la reordenación de cromosomas o la recombinación genética que se producen durante la meiosis, el único proceso biológico capaz de crear una característica genética diferente a la que, en principio, poseía un individuo es la mutación.
La variabilidad genética es un aspecto fundamental para la evolución biológica. Un ambiente cambiante genera un desequilibrio entre los organismos adaptados a él antes y después de los cambios; en general, estos cambios ambientales producirán la desaparición de las especies que, inicialmente, estaban adaptadas. El mantenimiento de esas especies, o de otras derivadas de ellas, se produce gracias a la evolución biológica: los organismos cambian, presentando nuevas características, y algunos de esos individuos resultan mejor adaptados al ambiente que sus antepasados. Este proceso, mantenido en el tiempo, hace posible que la vida se mantenga, a pesar de los continuos cambios ambientales.
La evolución biológica incluye dos procesos diferentes; la selección natural es la supervivencia diferencial de unos individuos u otros, en función de su grado de adaptación al ambiente. Pero, para que existan esos individuos con características distintas, es necesario, previamente, un proceso en que se generen nuevas características genéticas: la mutación.
Por lo tanto, puede decirse que la mutación es uno de los procesos imprescindibles para la evolución de los seres vivos, ya que es el único mecanismo capaz de generar diversidad de características genéticas.
La mayoría de los organismos cuentan con mecanismos que tratan de evitar contraer enfermedades infecciosas, es decir, que tratan de evitar que agentes infecciosos (virus, bacterias, hongos...) se infiltren en su cuerpo y se aprovechen de su metabolismo.
En un organismo pluricelular complejo este conjunto de mecanismos, que recibe el nombre de sistema inmunitario, está constituido por un conjunto de órganos, células especializadas y sustancias distribuidas por todo el cuerpo. En el caso concreto de los vertebrados "superiores" (aves y mamíferos) el sistema inmunitario incluye un conjunto complejo de elementos que establecen barreras tanto pasivas como activas, inespecíficas y específicas, que tratan de impedir la infección del organismo y permiten diferenciar los elementos propios del organismo de los que son ajenos a él, además de distinguir entre agentes inocuos o patógenos, eliminando o inactivando éstos.
Todos estos procesos se desarrollan mediante procesos físicos (barreras mecánicas que se oponen a la penetración de los patógenos) o químicos (sistemas de reconocimiento de determinadas moléculas, que permiten identificar los elementos propios del organismo).
Los elementos defensivos del organismo pueden clasificarse en dos grandes categorías: los que son responsables de la inmunidad innata y los que hacen posible la inmunidad adaptativa.
La inmunidad innata es característica de casi todas las formas de vida. Permite que el organismo proporcione una respuesta inmediata a cualquier infección, que alcanza su máxima intensidad al cabo de muy poco tiempo. Por contra, esta respuesta es específica, y el organismo no es capaz de establecer un mecanismo para recordar al patógeno ante una posible reinfección.
Por su parte, los mecanismos de inmunidad adaptativa se presentan solo en los vertebrados mandibulados (peces, anfibios, reptiles, aves y mamíferos). Aunque suponen que la respuesta máxima ante la infección tarda algún tiempo en producirse, cuando ocurre tiene carácter específico (solo actúa ante el patógeno concreto) y crea un sistema de memoria en el organismo que le permite responder de modo más rápido y eficaz a una posible reinfección.
Respuesta inmunitaria
La respuesta inmunitaria de un organismo se produce cuando sus mecanismos de defensa interceptan algún elemento, que reconocen como ajeno al organismo, y cuya presencia es interpretada como peligrosa. Los elementos que desencadenan la respuesta inmune se denominan antígenos. Se trata, en general, de moléculas de gran tamaño, especialmente proteínas, que pueden encontrarse libres o formando parte de un organismo.
Para que una molécula actúe como antígeno debe ser reconocida específicamente por una proteína del organismo invadido, llamada anticuerpo. La unión antígeno-anticuerpo se produce siempre gracias a la complementariedad espacial entre ambas moléculas.
En condiciones normales, los antígenos son moléculas que pertenecen a organismos extraños, en general patógenos. Sin embargo hay ocasiones en las que el sistema inmunitario reacciona frente a moléculas que no suponen ningún riesgo para el individuo; si se trata de moléculas externas, se produce una alergia, mientras que si el sistema inmunitario responde frente a una molécula del propio organismo se habla de respuesta autoinmune.
La respuesta inmunitaria de un organismo como el nuestro es un proceso complejo, que incluye la participación sucesiva de una serie de barreras pasivas y la actividad de un conjunto de elementos activos de forma sucesiva. El esquema podría ser el siguiente:
Actuación de barreras mecánicas y químicas: son elementos pasivos, cuya presencia en el organismo trata de impedir la penetración de agentes potencialmente peligrosos. Las barreras mecánicas son de carácter estructural: células o sistemas, tales como la piel, que se oponen físicamente a la entrada de microorganismos. Las barreras químicas son sustancias que dificultan el crecimiento de microorganismos, estableciendo un ambiente poco propicio, o que rompen sus membranas y orgánulos. Un ejemplo del primer caso es el sudor, que produce un pH ácido, poco apropiado para el crecimiento bacteriano, mientras que las lágrimas son un ejemplo de sustancia que ataca a las células (lisozima).
Respuestas no específicas del sistema inmunitario: si las barreras externas son superadas, el organismo cuenta con sistemas que responden ante una alteración del medio interno. Las células dañadas por un agente físico o por un microorganismo liberan sustancias que desencadenan estas respuestas. Entre ellas se cuentan la inflamación, la actividad del sistema del complemento o la fagocitosis de elementos extraños llevada a cabo por algunos tipos de glóbulos blancos.
Respuestas específicas del sistema inmunitario: los antígenos son identificados como agentes extraños, y se seleccionan anticuerpos que se unen específicamente a ellos. Estos anticuerpos, bien como moléculas libres (inmunidad humoral), bien unidos a la superficie de células especiales (inmunidad celular) atacan a los antígenos y los eliminan. Además, las células productoras de los anticuerpos que han sido útiles actúan como sistema de memoria, de modo que si se produce una nueva infección por el mismo patógeno la respuesta específica del organismo es más rápida y eficaz.
El sistema inmunitario de un organismo está constituido por una serie de elementos que actúan como "barreras". Algunos de estos elementos son barreras físicas, como la piel y los tejidos epiteliales. En este caso, la presencia de las células y las uniones estrechas que se establecen entre ellas impiden que las atraviesen los agentes patógenos. Las células ciliadas de las vías respiratorias también son un caso de barrera física; su movimiento coordinado actúa empujando hacia el exterior a las partículas o a los microorganismos que hayan podido llegar hasta ese punto del organismo.
Las barreras físicas son, por naturaleza, inespecíficas: impiden que cualquier elemento las atraviese, independientemente de que sea del propio organismo o se trate de algún agente extraño.
El sistema inmunitario tiene también barreras químicas, algunas de las cuales son también inespecíficas, como las lágrimas, la orina, la mucosidad del tracto respiratorio y gastrointestinal o el pH de la piel, o del sistema urinario. Estos sistemas impiden el crecimiento de los microorganismos mediante diferentes procesos; por ejemplo la piel, o el medio líquido que mantiene húmedo el sistema urinario, tienen un pH ácido (en torno a 5) que resulta poco apropiado para la proliferación bacteriana. Las lágrimas, además de su contenido en sal, posee enzimas capaces de hidrolizar componentes celulares de los microorganismos.
Inmunidad innata
Uno de los primeros mecanismos de inmunidad innata es la inflamación. Se trata de una respuesta del organismo ante la entrada, a uno de sus tejidos, de un elemento extraño. Se produce una hinchazón y un enrojecimiento del tejido como consecuencia de que la sangre que circula por las proximidades del punto de infección sale de los vasos sanguíneos y se dirige al punto de entrada. Las células dañadas por la infección liberan al medio sustancias que provocan dos efectos: producen fiebre, que sirve para eliminar los patógenos mediante el aumento de temperatura, y atraen a las células del sistema inmunitario.
Otro de los elementos innatos del sistema inmunitario es el sistema del complemento. Se trata de un conjunto de proteínas que se activan unas a otras en una cascada de acontecimientos sucesivos, y que tienen como efecto dañar a aquellas células que se encuentran unidas a anticuerpos, elementos del sistema inmune adaptativo.
