Context
Possiblement cap al mateix temps geològic de la formació de membranes lipídiques creadores de compartiments (que van afavorir la segregació, concentració i interacció de molècules), entre les molècules formades en els nous entorns s’hi van acabar formant de noves amb cert èxit quan foren capaces de poder actuar salvant la barrera de les membranes i permetre així directament la comunicació entre els dos costats de les interfases membranàries. Més enllà del tràfic de vesícules d’exo-endocitòsi.
Bombes, transportadors i canals
Possiblement, al mateix temps, en l’escala geològica, de la diferenciació dels mecanismes d’exo-endocitosi de vesícules i secreció i recepció de mediadors, entre les molècules formades en els nous entorns cel·lulars s’hi van acabar formant algunes altres molècules amb cert èxit quan són capaces de poder actuar salvant la barrera de les membranes noves i permetre així directament la comunicació entre els dos costats de les interfases membranàries. La producció evolutiva de molècules transportadores i també d’obertures regulables com els canals, totes elles inseribles en les membranes lipídiques va ser una gran troballa en el procés evolutiu que ens ocupa.
Què devia ser primer en l’evolució cel·lular, les molècules transportadores, els cotransportadors, els canals o les bombes? En aquest punt ens acostem molt ja als primers mecanismes que directament permetran, en avançar l’evolució, la producció i el funcionament de la maquinària de la comunicació neuronal, juntament amb els receptors comentats abans. Totes aquestes molècules inseribles en la membrana fan confluir més o menys directament la seva funció en la generació de gradients transmembrana químics (de concentració d’ions i altres molècules) i elèctrics (tot plegat gradients electroquímics).
Comencem per les bombes que amb despesa d’energia varen permetre la translocació d’ions. Podem considerar operativament que ben aviat les primeres cèl·lules varen adquirir mecanismes per obtenir l’energia necessària de forma regular (no solament trencant molècules variades que poguessin captar o retenir). Un mecanisme proper a l’actual com la formació i utilització del trifosfat d’adenosina (ATP) per fosforilar molècules amb la finalitat de modificar la seva estructura o bé activar-les o inhibir la seva expressió funcional.
És molt possible que el precoç funcionament de bombes que en ser fosforilades desplacen ions al través de la membrana va permetre l’obtenció d’ambients moleculars més controlats en els compartiments intracel·lulars. Per exemple una bomba dirigida a extreure calci devia tenir la grandíssima utilitat d’impedir la seva actuació continuada (que és molt potent) com a segon missatger implicat en la majoria de mecanismes funcionals intracel·lulars: la secreció de mediadors i altres molècules, la contracció del citoesquelet contràctil, la rigidesa del citoesquelet estructural, l’activació de molècules enzimàtiques, etc. Així, gràcies a l’actuació d’una bomba que manté baixa la concentració intracel·lular de calci, solament l’entrada, l’aparició instantània d’aquest ió en el citoplasma cel·lular, provinent generalment de l’espai extracel·lular en activar-se canals específics, va permetre la seva actuació motivada per un senyal puntual i pertinent de comunicació intercel·lular.
També una bomba extractora de tres ions sodi positius (ben aviat acoblada a l’entrada asimètrica de dos ions potassi) devia facilitar la primera formació d’un petit gradient de càrregues elèctriques a costat i costat de la membrana de les cèl·lules (donant com a resultat una diferència de potencial elèctric d’uns 6 mil·livolts negatius en el costat intern de la membrana plasmàtica).
La figura recull alguns aspectes del funcionament de la bomba de sodi, en particular la de situar una càrrega negativa intracel·lular en cada moviment de translocació de la bomba.
Què devia ser abans, la bomba de sodi-potassi o la bomba de calci a la que ens hem referit? Donat que com acabem de veure la bomba de sodi és necessària per crear el gradient de sodi i aquest s’utilitza (com veiem representat en la següent figura), en diversos mecanismes paral·lels de cotransport entre l’interior i l’exterior de les cèl·lules com, per exemple, per cotransportar sodi i calci en direccions oposades de la membrana, es pot pensar que primer va ser necessària l’existència de la bomba de sodi.
La figura mostra Ions de sodi fluint pels espais intracel·lular i extra, sortint per la bomba de sodi i entrant per diferents cotransportadors (A, antiportadors i S, simportadors). La figura mostra altres exemples com el cotransportador de protons que regula l’acidesa de l’interior cel·lular i transporta una càrrega positiva en cada direcció essent elèctricament neutre el resultat. Un altre exemple significatiu és el cotransportador de sodi i ions negatius, anions. En aquest cas el transport tampoc és electrogènic donat que acobla l’entrada d’un catió sodi juntament amb dos bicarbonats i la sortida d’un clor.
Aquesta molècula cotransportadora sodi-calci mou aquests ions aprofitant l’entrada de sodi al seu través (bé, deixant-lo passar cap a l’interior cel·lular podríem dir) a favor del seu gradient (que la bomba de sodi ha creat prèviament). A la vegada, extreu calci, arrossegant-lo (ara sí) contra gradient cap a l’exterior (on està més concentrat, 10.000 vegades més) perquè la bomba de calci ha extret prèviament molts ions calci. La coexistència d’una bomba de calci i un cotransportador, totes dues molècules extraient calci fora de les cèl·lules, argumenta la necessitat de almenys duplicar i garantir l’extracció d’aquest important ió per les múltiples funcions que realitza en quant de manera motivada o regulada pot entrar, habitualment per canals específics.
A la vista de com han anat les coses finalment, aquests gradients iònics, presumiblement apareguts precoçment en la producció de cèl·lules modernes, han aconseguit fer avançar enormement les funcions cel·lulars més sofisticades com les que permeten actuar a les neurones (i no oblidem a les cèl·lules musculars que permeten tota mena de moviments i desplaçaments voluntaris o no). La formació de gradients iònics per l’actuació de bombes i molècules transportadores que hem vist i també canals que ara considerarem amb una mica més de detall en el següent capítol, va representar un important avantatge evolutiu per la creació d’un ambient intern més controlat així com l’estabilització de les mateixes membranes i sacs compartimentals, i sobretot, per la generació de senyals elèctrics.