¿Porqué mi hígado y mi pulmón son diferentes?

¿Porqué mi hígado y mi pulmón son diferentes?

Parece una pregunta simple, básica y tonta, pero ¿cuántos sabrían en realidad la respuesta?. Nuestro organismo contiene una infinidad de órganos diferentes, cada uno especializado para realizar una determinada función, todas ellas indispensables para el correcto funcionamiento del organismo. El que haya un sistema preparado para realizar cada una de éstas funciones es lo que al fin y al cabo, hace posible la vida. Cada uno de estos órganos y sistemas está formado por células diferentes, especializadas para llevar a cabo la función del órgano en cuestión. Así, tenemos desde las células de defensa que ya describimos anteriormente, hasta las células del corazón o las complejas neuronas, una infinidad de células diferentes (se habla de alrededor de 200 tipos distintos de células en el cuerpo humano). Sin embargo todos nosotros nacemos de una única célula, todos empezamos siendo un simple zigoto, una célula nacida de la fusión del espermatozoide paterno y del óvulo materno, y, a partir de ahí, producimos millones de células, que, tras terminar nuestro desarrollo fetal, quedan perfectamente ordenadas, formando órganos perfectamente colocados en su sitio, cada uno donde debe estar, y cada uno formado por células diferentes especializadas*.

Esto se produce en cada uno de nosotros sin excepción, y no falla, todo está como y donde debe. Si todos venimos de una célula inicial, una simple y llana célula, ¿Cómo demonios es posible que ocurra esta perfecta organización del organismo?.

Un muy buen profesor comenzaba una de sus clases planteando la siguiente reflexión:

La formación de la tierra se sitúa hace unos 4500 millones de años, y, aunque el momento en el que se originó la vida en ella sigue en discusión, éste se sitúa alrededor de entre 4000 y 3600 millones de años. Sin embargo, el origen de los organismos pluricelulares, (es decir, aquellos que como nosotros, están formados por muchas células, organizadas entre sí), fue tan solo hace 800 millones de años. Es decir, hizo falta más tiempo (y esto significa que fue más difícil) para la aparición de vida pluricelular a partir de la vida, que para la aparición de vida a partir de la nada. Esto quiere decir que es más complejo organizar un conjunto de células que formen un organismo pluricelular que formar toda la diversidad de moléculas necesarias para la vida y organizarlas en la formación de una primera célula. Esto debe hacernos una idea de lo realmente complejo que es organizar las células de un organismo en un conjunto de órganos especializados colocados en la posición correcta.

Eje cronológico de el origen de la tierra y de la vida. Se trata de billones americanos.

Además de la dificultad de la organización en todo el organismo, se nos plantea otro interrogante, si todas nuestras células surgen de la división sucesiva a partir de un único zigoto, todas ellas tendrán exactamente el mismo ADN, es decir, el mismo conjunto de genes. ¿Cómo entonces pueden ser diferentes las células en distintos órganos?. En otras palabras, si dos células tienen la misma información genética, ¿Porqué una puede ser una neurona y la otra una célula muscular del corazón?, y así con todos los posibles ejemplos (200 tipos distintos de células).

El proceso por el que dos células con el mismo ADN pueden llegar a ser diferentes, se llama DIFERENCIACIÓN CELULAR. Los primeros científicos que se interesaron por este proceso, pensaron que esto ocurría porque las células, perdían genes poco a poco a lo largo de su desarrollo, de forma que era el ADN que le quedaba a cada una lo que determinaba en que se convertía. Para contrastar esta idea, se plantearon unos experimentos tan curiosos como interesantes. Se cogieron óvulos de sapo, y se les extrajo el núcleo (donde se encuentra el ADN). Tras ésto, se extrajeron células del estómago de un sapo y se transplantó el núcleo de éstas al óvulo. El sorprendente resultado fue que el óvulo, inició el desarrollo embrionario y dio lugar a un clon del sapo al que pertenecía la célula de la piel^*2. Este impresionante resultado daba al traste con la teoría propuesta, ya que, si las células perdían ADN en el proceso de diferenciación, la célula de la piel no podría contener todos los genes necesarios para generar un organismo completo. 

¿Y entonces cómo es posible la diferenciación celular? Para entender este proceso podemos imaginar que todo el ADN de una célula es como una enorme biblioteca que concentra todo el saber del mundo. Si un estudiante está interesado en aprender historia, deberá escoger de entre toda la biblioteca, aquellos libros que traten sobre ella, y no otros, del mismo modo que un estudiante que pretenda aprender medicina, deberá escoger aquellos libros que traten de medicina, y descartar los demás. Las células funcionan de igual modo, de toda la variedad de genes posibles, las células escogen unos cuantos, y según cuales de ellos escojan y activen, (mientras el resto de gentes permanecen inactivos), se convertirán en un tipo de célula u otro. Es decir, es la combinación de genes activos de entre todos los posibles, lo que determina que una célula sea de un tipo u otro.

Bien pues, resuelta esta cuestión nos queda la otra no menos importante. ¿Cómo sabe una célula que va a formar parte del pulmón, que debe de escoger los genes necesarios para convertirse en célula de pulmón y no otros, y que debe ir al lugar donde se formará el pulmón? En otras palabras, ya sabemos cómo puede diferenciarse una célula, pero ¿cómo sabe a qué debe diferenciarse y a donde debe ir?

La respuesta a esto es absolutamente increíble: Las células hablan idiomas. Del mismo modo que los humanos debemos comunicarnos unos con otros para trabajar en equipo, las células también deben hacerlo. Durante el desarrollo las células hablan unas con otras para decirse a donde deben ir, y en qué deben convertirse. Siempre hay un grupo de células que se diferencian antes que las demás y son las que dirigen un poco más el proceso, aunque es necesaria la colaboración y la comunicación de todas las células entre sí. La forma de comunicarse de las células es mediante señales químicas que se envían unas a otras, eso les va diciendo sucesivamente lo que tienen que hacer, donde deben ir, en que deben convertirse y con quien deben hablar.

Ejemplos de tipos celulares en que puede diferenciarse una
célula embrionaria

Pero si todas las células salen de un zigoto, inicialmente todas son iguales, porqué unas hacen caso a unas señales para diferenciarse en algo, y otras a otras para diferenciarse en otra cosa. Aquí es donde entran los idiomas. Si un alemán nos pide que hagamos algo, a menos que entendamos alemán, difícilmente lo haremos. Lo mismo les pasa a las células. Desde las primeras células que surgen de la división del zigoto, algunas saben unos idiomas, y otras otros (es decir, algunas están preparadas para reaccionar ante una determinada señal química A, y otras ante otra señal B), de forma que cuando les llega una señal, solo una parte de ellas reacciona, y ahí es donde comienza todo el proceso de diferenciación.Se trata de un proceso en cadena, ya que una determinada señal puede decirle a una determinada célula que aprenda otro “idioma”, de forma que más adelante puede reaccionar ante otra señal que le diga que se mueva hacia un determinado lugar, que empiece a activar ciertos genes para empezar a convertirse en un determinado tipo de célula, que aprenda otro idioma, que envíe una señal a otras células..., y así sucesivamente, hasta que cada célula llega a su destino diferenciada en lo que debe ser.

Esto resulta fácil de decir, pero pueden imaginarse la extrema complejidad de este proceso, las miles de moléculas distintas necesarias para ordenar todo como debe ser, el proceso, y las señales sucesivas necesarias para la formación de cada órgano y para la diferenciación de cada tipo de células es diferente, y para la gran mayoría de tipos de células es desconocido en gran parte para los científicos.

Nos queda sin embargo por comentar un detalle, hemos dicho que desde las primeras células que surgen de la división del zigoto, ya unas están preparadas para hablar unos idiomas y no otros. Si todas surgen de un mismo zigoto ¿cómo es esto posible?. La respuesta a esto es otra de las impresionantes maravillas del desarrollo embrionario. En el preciso instante en el que el espermatozoide contacta con el óvulo, el interior de éste se reorganiza, y dentro de éste hay proteínas*³preparadas para activar unos genes u otros. La reorganización deja estas proteínas perfectamente compartimentadas para que nada más se divida el zigoto, unas células hijas de éste se lleven unas determinadas proteínas, y otras otras. Esto hace que en cada una de las células hijas inmediatas del zigoto, se exprese una combinación de genes que les haga aprender unos idiomas y no otros, de forma que justo después del zigoto, nuestras células ya empiezan a ser diferentes, y están lista para el complejísimo viaje hacia su diferenciación y destino final.

*1 En realidad hay unos pocos tipos de células que son comunes a distintos órganos, pero eso no es importante para el tema que nos atañe.

*2 Esto es una simplificación de un experimento bastante más complejo que involucró a un mayor número de animales y condiciones, pero que refleja perfectamente el verdadero interés de éste.

*3 En muchos casos estas no so proteínas sino precursores de éstas (mRNAs), pero eso solo haría que complicar la comprensión del proceso así que lo pasamos por alto.

El Sistema Inmunitario II: La élite de las defensas

Como adelantábamos en el post anterior, muchas de las amenazas a nuestra salud son organismos muy perfeccionados y completamente preparados para invadir nuestro organismo e impedir que las defensas generales los reconozcan. Así, superan fácilmente los mecanismos de defensa generales que ya describimos. Por eso, son necesarios mecanismos muy sofisticados, capaces de detectar millones de componentes que no son propios de nuestro organismo, para poder atacar todo aquello que nuestro cuerpo reconoce como extraño, es decir, como no propio.

Estos mecanismos deben ser capaces de detectar moléculas muy específicas, que a menudo son únicas de una sola especie de microorganismo, esto significa que nuestro organismo necesita poder detectar millones y millones de moléculas distintas (proteínas en su mayoría), que no producen sus células y sí los distintos patógenos que amenazan nuestra salud y distinguir entre estas moléculas y las propias del organismo, para no atacarse a sí mismo. Esto puede hacerse gracias a un tipo especial de proteínas, los llamados ANTICUERPOS.¹

Estos son proteínas con forma de Y. En el extremo de los dos brazos de la Y tienen una zona que es única de cada anticuerpo y encaja con una única* molécula extraña, pudiendo por tanto unirse a ella.*². Las células que producen estos anticuerpos con los llamados LINFOCITOS B, cada linfocito diferente sólo produce un anticuerpo distinto, y tienen estos linfocitos en su superficie muchas copias del mismo anticuerpo.

Así, el organismo es capaz de reconocer los millones de moléculas presentes en todos los microorganismos que pueden invadirnos, porque produce un anticuerpo capaz de unirse a cada una de ellas*.

Linfocito B con anticuerpos en su superficie

 

 

 

 

 

 

 

 

Otras células importantísimas de nuestro sistema inmunitario son los LINFOCITOS T, de los que hay dos tipos diferentes, los Th, y los Tc. Ambos tipos son células que tienen en su superficie otras proteínas llamadas receptores que hacen la función de anticuerpos, y también les sirven para reconocer moléculas extrañas de igual forma*², cada linfocito T produce varias copias de sólo una de estas proteínas, de la misma forma que los linfocitos B sólo producen un anticuerpo distinto.

Linfocito T con un receptor, llamado TcR

Todas estas armas se combinan en un engranaje biológico de lo más sofisticado y preciso para conseguir ser letales para las múltiples amenazas a nuestra salud. Para entender este funcionamiento nos sería útil imaginar que le ocurriría a un microorganismo dañino una vez invade nuestro organismo. Una vez en nuestro interior, este microorganismo puede encontrarse con muchos linfocitos Th distintos, y si alguno de ellos tiene el receptor que “encaja” con alguna molécula del microorganismo, se unirá a ella, y entonces, el linfocito se activará. Cuando un linfocito Th se activa, actúa como un centinela que alerta al organismo de que ha encontrado una amenaza. Así, libera una serie de señales químicas que otras células defensivas, como los linfocitos B, macrófagos , leucocitos, etc, pueden recibir, y que atrae a todas estas células al lugar en el que se encentra el linfocito Th. De este modo, estos centinelas son capaces de reconocer a casi cualquier amenaza y dar la alarma para atraer a todas las defensas y así facilitar la destrucción de la amenaza.

 

El linfocito Th se activa y llama al resto de las defensas. Estos linfocitos necesitan que otras células les presenten las moléculas raras para poder reconocerlas, pero para simplificar no entraremos en esto en profundidad .

En cuanto a los linfocitos B, cuando el microorganismo se encuentra con ellos, si los anticuerpos de superficie de algún linfocito B “encajan” con alguna molécula del patógeno, el linfocito B se activa, igual que ocurría con el Th, pero en este caso, en lugar de llamar al resto de células, al activarse, los linfocitos B comienzan a dividirse, de forma que se multiplican mucho y al final hay un montón de linfocitos que producen el anticuerpo que se une a esa molécula del patógeno. Parte de estos nuevos linfocitos se dedican a producir anticuerpos de forma masiva y soltarlos al exterior, de forma que estos pueden unirse sobre los microorganismos de forma masiva.

 

Las células plasmaticas son linfocitos B activados.

 

Ésto es útil porque ayuda a otras células defensivas como macrófagos, leucocitos, etc, a reconocer a los patógenos y destruirlos. El resto de los linfocitos se mantienen en reserva, y gracias a ésto, la próxima vez que ese microorganismo nos invada, tendremos más copias del linfocito que lo reconoce, y por lo tanto la respuesta de nuestro organismo será más rápida y contundente,

ésta es la base de que nuestro organismo “aprenda” a responder, y es la razón de ser de las famosas vacunas.

Que haya anticuerpos unidos a las bacterias ayuda
al macrófago a reconocerlas y digerirlas

 Por último nos queda hablar de unas amenazas muy peculiares que hemos pasado por alto, los virus. Estos organismos, se meten dentro de nuestras células y se aprovechan de los recursos de éstas para reproducirse. Cuando se han reproducido lo suficiente y hay un gran número de copias del virus en el interior de nuestra célula, esos se liberan al exterior, y en la gran mayoría de los casos, esto conlleva la muerte de la célula. Además también existen bacterias que se introducen en nuestras células igual que los virus, y así evitan que los linfocitos B y Th puedan reconocerlas y matarlas. ¿Cómo pueden identificarse y atacarse estas amenazas? La respuesta nos lleva al tercer tipo de linfocito que habíamos nombrado, los linfocitos Tc. Estos linfocitos son unas células que actúan de una forma parecida a los inspectores de sanidad, aunque de un modo más sangriento. Los inspectores de sanidad recogen muestras de las distintas comidas preparadas en distintos locales y las analizan para asegurase de que no contienen nada dañino para la salud. Los linfocitos Tc actúan igual, todas las células de nuestro organismo sacan a su superficie pequeñas muestras de lo que hay en su interior, para mostrárselas a los linfocitos Tc, si éstos reconocen algo extraño en estas muestras, (como por ejemplo componentes de un virus que hay dentro de la célula), obliga a esta célula a suicidarse, eliminado con ella las amenazas que existieran en su interior. Este mecanismo también funciona con células, que aunque no tengan microorganismos patógenos en su interior, se comporten como no deben, como las células tumorales. Además, si estas células se niegan a enseñar la muestra (cosa que suelen hacer las tumorales), hay otras células, los linfocitos NK, que se encargan de matarlas.

Linfocito Tc matando una célula infectada por virus

 

 

 

Linfocito NK matando una célula tumoral

Así es como actúan las defensas más precisas del Sistema Inmunitario, reconociendo específicamente los millones de moléculas distintas que forman parte de los millones de microorganismos distintos, para que no haya ninguna amenaza que pueda escapar a sus casi perfectos mecanismos.

Nota: Si el lector conoce algo de inmunología, se dará cuenta enseguida de que este post es una extrema simplificación de el funcionamiento real del sistema inmunitario. No nos hemos referido a la organización de este en el espacio, puesto que no hemos hablado de vasos ni ganglios linfáticos, ni siquiera hemos nombrado el importantísimo proceso de presentación de antígenos y hemos simplificado mucho el papel de cada célula en el complejo engranaje defensivo. Tampoco hemos entrado en los maravillosos detalles moleculares del funcionamiento de esta maquinaria, es una pena pero la intención es que el lector tenga una visión general muy básica de esta, puesto que más información probablemente podría saturarle y confundirle.

 

*1 Esto es una simplificación, cada anticuerpo (o cada receptor de linfocito Th o Tc), realmente no solo encaja con una sola molécula extraña como la llave en la cerradura, realmente es algo un poquito más flexible, de forma que no solo encaja con una molécula, sino con unas pocas (muy pocas).

*2 No hemos comentado cómo es posible que podamos generar un anticuerpo y receptor de linfocito T para cada una de las millones de posibles moléculas del universo, a excepción de las nuestras propias. La respuesta está en que los genes que sirven para fabricar los extremos de los brazos de los anticuerpos están divididos en “piezas” y esas piezas pueden combinarse de casi infinitas formas posibles para dar los millones de anticuerpos/receptores de linfocitos T diferentes y únicos, que puedan unirse a estos millones de moléculas distintas.