Corte transversal de una membrana celular

Por extraño que parezca, los jabones, las membranas de las células y la mostaza tienen algo en común: su ambivalencia.

Casi todas las sustancias en la naturaleza se dividen en hidrofóbicas (que tienen fobia al agua) e hidrofílicas (que tienen amor por el agua). El aceite por ejemplo es una sustancia hidrofóbica, no se mezcla con el agua: por más que agitemos una botella con agua y aceite, veremos que después de unos minutos se separan. La sal por el contrario es una sustancia hidrofílica: si ponemos en agua una cucharadita de sal, veremos que se disuelve fácilmente y se queda en solución con el pasar del tiempo.

Hay sustancias que son al mismo tiempo atraídas y repelidas por el agua. Están formadas por una parte hidrofóbica y una parte hidrofílica unidas químicamente. Esta unión es muy fuerte y en condiciones normales no se puede romper. Estas sustancias se llaman anfifílicas (que tienen amor por dos cosas opuestas), y tienen por un lado "amor" por el agua y por otro lado "amor" por sustancias como el aceite (por lo hidrofóbico).

Los jabones y los detergentes son sustancias anfifílicas y esa es la razón por la que limpian. Una camisa con una mancha de grasa no se puede limpiar sólo con agua. Pero si la lavamos con jabón, lo que las moléculas de jabón hacen es que atrapan a las moléculas de grasa en uno de sus extremos y se unen a las moléculas de agua en el otro. Y así, con ayuda de más agua para arrastrarlo, el jabón limpia la ropa.

Fig 1. Corte de una micela

La mostaza es una sustancia que contiene moléculas anfifílicas. Si hacemos un aderezo para ensalada con aceite y vinagre y lo agitamos para que se homogeneice, veremos que después de unos segundos el aceite y el vinagre (que es ácido diluido en agua) se separan. Pero si le ponemos un poquito de mostaza, y lo agitamos, vemos que se queda "revuelto". Esto se debe a que las moléculas anfifílicas de la mostaza se unen a las moléculas de aceite en uno de sus extremos y a las moléculas de agua en el otro. Esta "revoltura" se llama emulsión.

Para muchas de las moléculas anfifílicas, la parte hidrofílica es muy corta comparada con la parte hidrofóbica, y por tanto se habla de que las moléculas tienen una cabeza que atrae al agua y una cola que la repele. Cuando se ponen muchas moléculas anfifílicas en agua, las colas de las diferentes moléculas se unen, ya que de esta manera evitan el contacto con el agua. A su vez, dejan sus cabezas expuestas al agua. De este modo se forma toda una gama de estructuras, que van desde unas tan sencillas como las micelas, hasta estructuras de bicapa como las membranas de las células. Ambas estructuras se muestran en la figuras 1 y 2. Una micela es una bolita formada por muchas moléculas que ponen sus colas hacia adentro y sus cabezas hacia afuera. La bicapa es una estructura formada por moléculas que se acomodan en dos superficies paralelas confinando entre ellas a las colas hidrofóbicas, como formando un sándwich.

La estructura fundamental de la membrana celular es una bicapa de moléculas anfifílicas aproximadamente esférica. Ver figura 3. Esta bicapa separa el interior y el exterior de la célula. Tanto en el interior como en el exterior hay agua, ya que las caras de la bicapa expuestas al interior y al exterior de la célula están formadas por las cabezas hidrofílicas. Desde luego, la membrana celular es muy complicada, y contiene no solamente moléculas anfifílicas, pero podríamos decir que éstas son a la membrana lo que los ladrillos son a una pared: sus piezas básicas. En el interior de la célula hay

una sofisticada maquinaria para el sostén y reproducción de la vida. Para su funcionamiento, la célula requiere tomar y ceder sustancias a su entorno. Esto es posible gracias a los mecanismos para transportar materia que se encuentran embebidos en la membrana celular y que forman parte de la misma.

Las sustancias anfifílicas fueron esenciales al origen de la vida. Las primeras formas de vida consistieron en moléculas capaces de replicarse protegidas por una pared que diferenciara el mundo externo del interno, es decir, por una membrana primitiva. En nuestros días, todas las células de nuestro organismo y de todos los seres vivos tienen membranas formadas por moléculas anfifílicas.

Las sustancias anfifílicas son pues muy importantes para la vida, pero ¡cuidado! Algunas de ellas también pueden destruirla. Las grandes cantidades de detergente no biodegradable que son arrojadas diariamente a los ríos y mares del mundo, contaminan el agua y matan tanto peces como plantas. Muchos de estos detergentes contienen fosfatos que sirven de nutrientes a algunas plantas. Éstas, al reproducirse en modo desmedido, pueden llegar a ser plagas, ya que alteran el ecosistema y producen la extinción de algunas especies.

Le sugerimos proponerle las siguientes prácticas a sus estudiantes. Necesitarán dos frascos muy limpios de vidrio transparente con tapa, agua, aceite, vinagre rojo, media cucharadita de mostaza y media cucharadita de detergente. La razón por la que pedimos vinagre rojo y no blanco es para que sea más fácil verlo cuando se separa del aceite.

Fig 2. Bicapa de micelas

1. Llenar un tercio de frasco con vinagre y un tercio con aceite. Cerrar el frasco y agitar. Pida a los estudiantes que observen cómo se separan el aceite y el vinagre y que registren en cuánto tiempo se separaron. En menos de un minuto estarán prácticamente separados. En otros cinco minutos el vinagre se verá casi transparente, lo que indica que la separación es casi total. Es conveniente que repitan un par de veces el experimento para que vean que es reproducible. Pídales que abran el frasco y añadan la mostaza, que vuelvan a cerrarlo y que agiten vigorosamente. Verán cómo ahora el aceite y el vinagre están mezclados. ¿Cuánto tiempo necesitan para separarse? ¿Se separan totalmente después de media hora? ¿Y después de un día?

2. Llenar medio vaso con agua y un cuarto con aceite. Dejar reposar por unos minutos y marcar de algún modo en el frasco en dónde empieza y en dónde termina la capa de aceite. Deberán agitar, observar y registrar el tiempo de separación cuando la capa de aceite haya alcanzado su altura original (en nuestro experimento la separación tomó aproximadamente seis minutos). En seguida pídales que abran el frasco y añadan media cucharadita de detergente, que agiten vigorosamente. ¿Qué pasa al agitar? Después de que haya pasado el mismo tiempo que tardaron en separarse el agua y el aceite, pídales que vean la altura de la capa de aceite. Será mucho mayor que al inicio, porque ahora está parcialmente mezclada con el agua gracias a las moléculas de detergente. Después de media hora, la capa de aceite seguirá siendo considerablemente mayor que en ausencia de detergente. ¿Cómo es después de un día?

Probablemente el aspecto más fascinante de las moléculas anfifílicas sea que al contacto con el agua se autoorganizan. Que forman espontáneamente estructuras. Que el capricho de la naturaleza de unir químicamente dos cosas opuestas, haya llevado a consecuencias de magnitud tal como proveer las condiciones adecuadas para que surgiera la vida.

Fig 3. Corte transversal de una bicapa de micelas.

Eugenia Corvera Poiré
Depto. de Física y Química Teórica
Facultad de Química, UNAM