Membranas y Transporte Químico: _{Absorción, distribución y almacenamiento de sustancias en organismos}

El 27 de mayo del 2000, en Eunice, Luisiana, un tren de carga con tres locomotoras y 113 vagones, 87 de ellos cargados, se descarriló. Treinta y tres vagones se salieron de las vías, 14 de ellos contenían peligrosos productos químicos, incluídos cloruro metílico, disocianato de tolueno, hexanos y un líquido corrosivo. Aproximadamente 3000 residentes fueron evacuados y 11 personas fueron llevadas a hospitales locales debido a lesiones de respiración. ¿Por qué fue necesario evacuar a la comunidad? ¿Cómo penetraron los productos químicos del tren de carga en el cuerpo de las personas y causaron ese daño?

Los productos químicos (comida, medicinas, drogas, productos químicos industriales) pueden penetrar el cuerpo humano de diferentes maneras: ingestión, inhalación, inyección (intravenenosa, subcutánea, intramuscular), aplicación sobre la piel, uso de supositorios, y aplicación en las membranas mucosas (ojos, oral y cavidades nasales). A excepción de la inyección en vena, el producto químico debe pasar a través de un complejo sistema de membranas celulares vivas antes de poder penetrar el flujo sanguíneo.

Por ejemplo, los productos químicos que penetran la vía digestiva deben ser absorbidos por las células que cubren el intestino delgado y después ser transferidos a través de la célula al otro lado, donde el producto químico puede ser absorbido por las células capilares hacia el flujo sanguíneo. De la misma manera, los productos químicos que son inhalados, como los del tren descarrilado, deben pasar a través de la células alveolares para llegar a las células capilares cerca de los alvéolos para poder penetrar el flujo sanguíneo.

A medida que los productos químicos entran y salen de las células, deben atravesar la membrana celular. La membrana es la que mantiene todos los contenidos de la célula asegurados, pero también la que permite que algunos materiales entren y salgan de la célula a través de varios mecanismos. La membrana celular, mayoritariamente, consiste de fosfolípidos y de proteínas de lípido en bicapas. Dentro de la membrana las dos capas de lípidos están una enfrente de la otra y hay agua en las partes solubles de la molécula fosfolípida (grupos fosfátos) que están al frente del medio acuoso dentro de la célula (citoplasma), al igual que afuera de la célula (fluído intercelular). Dos científicos, S.J. Singer y G. Nicolson determinaron la relación estructural de las proteínas y fosfolípidos en la membrana, que se denomina "modelo de mosaico fluído."

La difusión pasiva es uno de los mecanismos existentes para que los productos químicos atraviesen la membrana celular. La difusión pasiva de un producto químico está basada en la diferencia que hay de la concentración del producto químico entre el exterior y el interior de la célula. Mientras mayor sea la diferencia de concentración entre el exterior y el interior, mayor es la difusión del producto químico en el interior de la célula. Puesto que la membrana tiene un alto contenido lípido, la habilidad que tiene el producto químico para difundirse a través de la membrana dependerá de las propiedades lipofílicas (que ama la grasa) del producto químico. Un simple examen para determinar si el producto químico atravesará la membrana fácilmente consiste en determinar su "coeficiente de partición agua-aceite." El producto químico estudiado será añadido a la mezcla consistente en partes iguales de agua y aceite. Se bate la mezcla y después de la separación del aceite y el agua, se determina la concentración del producto químico en cada fase. Una concentración mayor del producto químico en la fase del aceite comparada a la fase del agua, indica que hay una mayor posibilidad que el producto químico atravesará la membrana celular.

El pH del fluido que rodea la célula, juega un papel a medida que impide la difusión de las moléculas cargadas a través de la membrana. La moléculas no ionizadas son más solubles respecto a los lípidos y se difundirán a través de las membranas más fácilmente que las ionizadas o las moléculas polares. El grado de ionización de un producto químico con diferente pH depende del pKa del producto químico, esto es el pH del cual, 50% del producto químico es ionizado y 50% no ionizado. Dentro del estómago el pH es de aproximadamente 1.0-2.0, mientras que el pH dentro del intestino delgado es aproximadamente 7.0-8.0. Por consiguiente, la relación proporcional (ratio) entre el producto químico ionizado y no ionizado, será diferente en estos dos contextos, dependiendo del pKa del producto químico. Esto claramente afectará la cantidad del producto químico absorbida en estos dos lugares.

Los productos químicos solubles en agua son transportados a través de la membrana con proteínas añadidas. A este proceso se lo llama difusión facilitada, y como con la difusión sin ayuda, los productos químicos van de mayor concentración a menor concentración.

Los iones inorgánicos, como el sodio y el potasio, y muchas otras drogas se mueven a través de la membrana celular, usando un mecanismo que se llama transporte activo. En este caso, el producto químico se mueve en contra de una gradiente de concetración. Una de estas membranas es la bomba sodio-potasio ATPasa, que fue descubierta por el biofísico danés Jens Christian Skou. La bomba transporta los iones de sodio (Na⁺) fuera de la célula y al potasio (K⁺) dentro de la célula. Al contrario de la difusión, se requiere un gasto de energía para el transporte activo.

Otro mecanismo usado para que los productos químicos atraviesen la membana celular es a través de los poros de la membrana. Esta difusión depende del tamaño del poro y del peso molecular del producto químico. Finalmente, la membrana puede, en realidad, tragarse el producto químico, formar una vesícula, y transportarlo a través de la membrana hacia el interior de la célula. Este proceso se llama endocitosis.

El producto químico está disponible para ser distribuido a los diferentes organismos una vez que ha penetrado el flujo sanguíneo. Al principio de la circulación del producto químico alrededor del cuerpo, la concentración en la sangre del producto químico será mayor que en los tejidos. Así, simplemente sobre la base de la gradiente de concetración, el producto químico abandonará la sangre y penetrará la células de alrededor. El pH de la sangre, pH 7.4, determinará la ionización de los productos químicos y esto influenciará el paso a través de la membrana celular.

A veces, otros factores afectan el movimiento del producto químico. Por ejemplo, no todo los productos químicos pueden penetrar fácilmente el cerebro. Los cruces de las células capilares en el cerebro son muy apretados lo que impide el flujo de materiales entre las células. Hay un tipo de célula glial en el sistema nervioso central, el astrocito, que forma un apretado cobertor en los capilares del cerebro que previene o retrasa la penetración de grandes moléculas en el cerebro. Este fenómeno produce una "barrera sangre-cerebro."

La placenta es otro órgano que no permite fácilmente el paso de todos los productos químicos, protegiendo así al feto. La sangre materna y la sangre fetal no tienen contacto directo. Los nutrientes y otros productos químicos de la sangre materna penetran lagos de sangre maternos. De ahí, los productos químicos penetran villi fetales que contienen los capilares del sistema sanguíneo fetal. Los factores enumerados con anterioridad que afectan el movimiento de productos químicos a través de las membranas celulares juegan un papel similar en la placenta. Los nutrientes de los lagos de sangre maternos son activamente transportados contra gradiente a la reserva de sangre fetal, mientras que productos químicos extraños (posiblemente tóxicos) cruzan a través de una simple difusión pasiva. Generalmente, las moléculas con un peso molecular mayor de 1000 tienen más dificultad de penetrar la reserva sanguínea fetal. La placenta tiene la capacidad de metabolizar productos químicos y este factor juega un papel para determinar los efectos de los productos químicos en el feto.

La disponibilidad de productos químicos hacia las células se ve afectada por otros dos importantes factores. Los productos químicos lipofílicos tienden a ser absorbidos por, y retenidos, en las células grasas, de donde son lentamente transmitidos al flujo sanguíneo. Además, algunos productos químicos están fuertemente vinculados a las proteínas plásmicas (por ejemplo, albúminas) y la lenta descarga de este vínculo determinará cuánto tiempo el producto químico está disponible para ejercer sus efectos bioquímicos y fisiológicos. Por ejemplo, el acetaminofeno (Tylenol) no se vincula fuertemente a las proteínas plásmicas, mientras que el diazepam (Valium) si lo hace. Por consiguiente, el diazepam no persistirá en el cuerpo durante periodos de tiempo más largos que el acetaminofeno. Finalmente, algunos elementos como el fluor, el plomo, y el estroncio se mantienen vinculados al hueso durante largos periodos de tiempo. A medida que el hueso se renueva o se rompe bajo algunas circunstancias, como durante el embarazo, los productos químicos son transmitidos y pueden afectar a la madre y al feto.

En resumen, los productos químicos pueden penetrar el cuerpo a través de varias rutas. Para tener efecto en el cuerpo deben penetrar las células de los diferentes órganos, pasando a través de complejas membranas celulares. Existen varios mecanismos por los cuales los productos químicos penetran la célula y varios factores cumplen un papel para determinar cuánto tiempo el producto químico tendrá su efecto terapéutico o tóxico.