Es bien sabido que cuando algo funciona correctamente
se debe a que sus componentes se encuentran en el lugar y el momento
adecuados.
Muestras de ello las hay como estrellas en el cielo. Por
ejemplo, para que ustedes lean este artículo fue necesario, entre muchas
otras cosas, que nosotros recordáramos la historia que se describe a
continuación, que la organizáramos de un modo coherente y que la
escribiéramos. Después del proceso editorial, un vehículo llevó este
ejemplar de Elementos al sitio en donde ustedes lo compraron.
Al
momento que ustedes leen este artículo, se ponen en funcionamiento las
células de su sistema visual y las redes nerviosas que llevan la
información hasta el cerebro, para procesarla y almacenarla en la memoria.
Después de leer este artículo ustedes se podrán dar cuenta de que los
acontecimientos anteriores tienen un protagonista en común, el óxido
nítrico, el cual se debe encontrar en el lugar y momento adecuados para
que se complete el trayecto que inicia con la escritura del artículo, y
que culmina con el almacenamiento de la información en el cerebro del
lector. Veamos a qué nos referimos específicamente. El óxido nítrico, al
que llamaremos por su nombre corto y mundialmente aceptado de NO (las
siglas en Inglés de nitric oxide), es un gas inodoro e incoloro, que se
forma por la unión de dos átomos, uno de nitrógeno (N) y otro de oxígeno
(O). El NO se produce durante la combustión de la gasolina de los
automóviles, y forma parte de esa pesadilla a la que llamamos “smog”. Una
vez en la atmósfera, el NO se desplaza a la estratósfera (a una altitud de
unos 18,000 m), en donde participa en la degradación de la capa de ozono,
la cual protege a la superficie de la Tierra, o litosfera, de la radiación
ultravioleta (UV). Con estos antecedentes seguramente ustedes han dibujado
en su mente una imagen de villano del NO, y les resulta difícil imaginar
que esta molécula pequeña, y hasta este momento dañina, tiene cualidades
que la hacen acreedora de la imagen de héroe que encabeza el título de
este artículo. Durante los últimos años se ha descubierto que el NO
realiza funciones que son importantes para la sobrevivencia de los
organismos, las cuales analizaremos a continuación.
EL PRIMER
ENCUENTRO CON EL NO EN LOS ORGANISMOS
La historia del
descubrimiento del NO como una molécula importante en la fisiología de los
organismos es relativamente nueva, y comenzó durante los primeros
veinticinco años del siglo XX. Sin embargo, el hombre, sin saberlo, ha
utilizado el NO desde el principio de la civilización. Por ejemplo, los
antiguos sumerios curaban las carnes con sales de nitratos, lo que les
permitía preservar su color rojo y, además, eliminar a la bacteria que
causa el botulismo (Clostridium botulinum). Esto se debe a que las sales
de nitratos producen NO, el cual es un bactericida potente. Entre finales
del siglo XIX y principios del siglo XX, se aprovechó el efecto que tiene
el NO en la fisiología del cuerpo humano, sin embargo, el uso del NO como
fármaco fue casual. Durante esa época era común administrar nitroglicerina
a los pacientes que sufrían de angina de pecho. En esos pacientes, la
administración de nitroglicerina provoca una vasodilatación de las
arterias coronarias y, con ello, el alivio del dolor y la disminución de
la posibilidad de sufrir un infarto al miocardio. El mecanismo que está
detrás de este efecto fue desconocido hasta mediados de la década de 1980,
cuando se estableció que la nitroglicerina libera NO y que esta molécula
es la responsable de disminuir la presión sanguínea.A De este modo se
inició la historia de la investigación que ha permitido entender el papel
que juega el NO en la fisiología de los organismos.
LA DOBLE
PERSONALIDAD DEL NO
Actualmente se sabe que el NO se produce en el
cuerpo humano en una gran variedad de tipos celulares, y que participa en
procesos que permiten la supervivencia de los organismos, tal como la
regulación de la presión sanguínea, el desarrollo del sistema nervioso
central, facilitar la transmisión nerviosa en los procesos de aprendizaje
y memoria, y la activación de la respuesta inmune. El NO participa en la
reproducción sexual, ya que funciona como señal en las primeras etapas del
desarrollo embrionario.B En otros organismos, como las plantas, el NO
también interviene en procesos importantes, como son el metabolismo, el
desarrollo y la defensa. Sin embargo, no todo es miel sobre hojuelas, el
NO también puede resultar muy dañino, ya que la pérdida de control en sus
niveles tiene consecuencias graves que ponen en peligro la supervivencia
del organismo. El mal funcionamiento en la producción o disponibilidad del
NO se asocia con enfermedades como la hipertensión, la disfunción eréctil
(la función del fármaco llamado Viagra es prolongar el efecto del NO en la
dilatación de los vasos sanguíneos en el cuerpo cavernoso del pene, lo que
permite la entrada de la sangre que es necesaria para lograr la erección),
procesos neurodegenerativos, como la enfermedad de Alzheimer y el mal de
Parkinson, y con disfunciones del sistema inmune, como el choque séptico,
lo que puede resultar en la muerte del paciente.
El NO es un
villano terrible para los organismos patógenos, como las bacterias. La
respuesta de defensa de los animales y las plantas incluye a la producción
de NO que, debido a su poder bactericida, elimina a los patógenos. En
suma, el protagonista de esta historia, el NO, es una especie de doctor
Jekyll y míster Hyde, debido a que es una molécula poderosa que regula
funciones vitales y que, sin embargo, resulta fatal si está fuera de
control.1
PERFIL QUÍMICO DEL ÓXIDO NÍTRICO
Detrás de
todo gran personaje existe una serie de motivos que permiten entender la
razón por la que el héroe o villano se hace de tal reputación. El óxido
nítrico no es la excepción, y para comprender su funcionamiento es
necesario analizar de forma breve las características químicas de esta
molécula.
size=1>FIGURA 1. Formación del óxido nítrico. Una molécula de óxido
nítrico (NO) se forma por la combinación de un átomo de nitrógeno (N) y
uno de oxígeno (O). La molécula de NO posee un electrón desapareado, el
cual interactúa rápidamente con otras moléculas que también tienen
electrones desapareados, tales como las proteínas o las especies reactivas
del oxígeno (ERO).
El NO es una molécula formada por dos
átomos, un átomo de oxígeno (O) y otro de nitrógeno (N). El número de
partículas subatómicas que forman a un átomo es específico de cada
elemento, y esta característica determina las propiedades de los
elementos. El oxígeno tiene 8 electrones y el nitrógeno tiene 7
electrones; por lo tanto, cuando estos dos átomos se encuentran sus
electrones se aparean para formar una molécula de NO, que contiene un
electrón desapareado (Figura 1). La presencia del electrón desapareado
permite al NO interactuar rápidamente con otros átomos que son abundantes
en los sistemas biológicos, tal como el N y el azufre (S) que forman parte
de las proteínas. La unión del NO a las proteínas, u otras moléculas, se
llama nitrosación, y este proceso es la base química que permite al NO
ejercer diversas funciones en los organismos (Figura 1). El NO también
interactúa con átomos metálicos, como el hierro (Fe), el cual forma parte
de proteínas que se conocen como ferroproteínas o hemoproteínas. Estas
proteínas son fundamentales en la regulación de un gran número de
funciones biológicas, como la producción de energía, el transporte y
almacenamiento del oxígeno y la transducción de señales, es decir, el
proceso que coordina la respuesta en el interior de la célula a las
señales externas.
Por otro lado, el NO reacciona rápidamente con el
oxígeno molecular (O2) y con diferentes formas del O2 que son altamente
reactivas, como los radicales superóxido (O2 .) e hidroxilo (OH), los
cuales son sumamente tóxicos. La interacción del NO con el O2 . genera
peroxinitrito y otras formas reactivas del N que también son tóxicas, por
lo tanto, la combinación del NO con las formas reactivas del O2 constituye
el principal mecanismo mediante el cual el NO daña a las células.2 La
mayoría de las moléculas que regulan la fisiología de los organismos, como
las proteínas y algunas hormonas, son moléculas complejas que requieren de
receptores y canales en la superficie celular para poder entrar o salir de
la célula. En cambio, el NO es una molécula pequeña y neutra que difunde
libremente a través de la membrana celular. Así, el NO puede alcanzar
rápidamente a las moléculas con las que interactúa en el interior de la
célula.
VIDA Y OBRA DEL NO EN LOS ORGANISMOS
Los
componentes de las células, como son las proteínas, azúcares, lípidos y
ácidos nucleicos, se sintetizan en el organismo de manera ordenada a
través de un sistema de reacciones en serie. La síntesis del producto
final puede regularse en una o más de las etapas intermedias de dicha
serie de reacciones. El NO se produce mediante la acción de la enzima
llamada óxido nítrico sintasa (NOS, siglas que provienen del inglés nitric
oxide synthase), la cual contiene diferentes moléculas accesorias que
trabajan en conjunto para formar el NO a partir del aminoácido arginina y
O2. Durante esta reacción la arginina se convierte en una molécula de
citrulina al liberar NO y consumir O2 (el cual dará lugar a una molécula
de agua):
La
actividad de la enzima NOS se regula mediante la disponibilidad de
diversas materias primas (o substratos), como son la arginina, el O2 y
otras moléculas que son necesarias para la síntesis del NO. En los
mamíferos, como el hombre y el ratón, existen diferentes tipos de NOS que
se activan en tejidos particulares y que se regulan por señales
específicas, tal como los niveles de calcio. La regulación de la actividad
de las NOS es de suma importancia, debido a que el exceso en la
producción, o la disminución en la síntesis de NO puede conducir al mal
funcionamiento, e incluso a la muerte del organismo.
Las primeras
investigaciones sobre el NO en la fisiología humana se iniciaron con el
estudio del papel que juega en la regulación de la presión sanguínea.
Cuando la presión sanguínea es alta se genera una señal en las neuronas,
la cual tiene como blanco a las células endoteliales de los vasos
sanguíneos. Esta señal induce la síntesis del NO por las NOS del tejido
endotelial, el NO que se produce difunde hacia la capa de músculo liso que
rodea al vaso sanguíneo; una vez dentro de las células musculares, o
miocitos, el NO activa a la enzima guanilato ciclasa (que contiene Fe), la
cual inicia una serie de reacciones que conducen a la relajación del
músculo liso y, por consiguiente, a la disminución de la presión
sanguínea. La identificación del NO como la molécula mensajera que
controla a la presión sanguínea constituye un hito en la comprensión del
modo de acción del NO en diversos escenarios fisiológicos (los
descubridores de este mecanismo, los doctores Ignarro, Furchgott y Murad,
obtuvieron el premio Nobel de Medicina en 1998C ). Por la misma época en
que se realizaban estos descubrimientos, a mediados de la década de 1980,
otro grupo de investigadores que estudiaban a los macrófagos, que son
células del sistema inmune, encontraron que estas células también producen
NO cuando se estimulan por señales que provienen del propio sistema inmune
después de detectar a un agente patógeno.
El NO que producen los
macrófagos resulta tóxico para las células infectadas y los agentes
patógenos, debido a que ingresa en las células e inactiva a las proteínas
que son importantes para la producción de energía, la transducción de
señales y la síntesis de los ácidos nucleicos, lo cual provoca la muerte
celular.
Las investigaciones sobre la función del NO en el sistema
cardiovascular y en la respuesta inmune se desarrollaron casi
simultáneamente, y poco tiempo después se inició el estudio de la
fisiología del NO en diversos sistemas biológicos.
Por ejemplo, en
el sistema nervioso central se encontraron neuronas que son capaces de
producir NO en el hipocampo, que es una región relacionada con el
aprendizaje y la memoria. Posteriormente, se detectó la producción de NO
en otras regiones del cerebro, por ejemplo, en las áreas visual y
olfativa, de modo que, al parecer, el NO también es importante en la
percepción sensorial. En la década de 1990 se encontró que las células del
sistema nervioso periférico también producen NO. Por ejemplo, el NO se
produce en las neuronas que inervan al músculo liso del sistema vascular,
el tejido endotelial del estómago y los pulmones. La participación del NO
en procesos distintos que se llevan a cabo simultáneamente mostró que esta
molécula regula redes fisiológicas que son importantes para el buen
funcionamiento de diversos tejidos. En este contexto, es evidente que el
control de la producción de NO es una cuestión de vida o muerte; por
ejemplo, la producción descontrolada de NO se ha asociado con la muerte
neuronal en algunas zonas del cerebro, lo cual ocurre en procesos
neurodegenerativos, como la enfermedad de Alzheimer. Además, el daño
neuronal que causa la isquemia, o falta de flujo de O2 al cerebro, se debe
en parte a la formación del peroxinitrito (OONO–), que es una forma muy
tóxica del NO, el cual se produce cuando se reestablece el flujo de O2 al
cerebro.1 Durante el recorrido por los escenarios en los que el NO actúa
hemos comprobado que, pese a su simplicidad química, es una molécula con
una gran versatilidad, lo que le permite regular de un modo fino y
complejo una gran variedad de funciones que son de importancia para la
vida de los organismos. Por lo tanto, resulta necesario conocer con mayor
detalle el funcionamiento del NO en el organismo. El interés por entender
la química y el efecto fisiológico del NO se ha extendido al estudio de
las funciones de esta molécula en diversos organismos, incluyendo a las
plantas y bacterias.
Esta es la parte más reciente de la historia
del NO y la que ha brindado grandes sorpresas.
TRAS LA PISTA
DEL NO EN LAS PLANTAS
El NO apareció como protagonista en la
fisiología vegetal cuando se descubrió su participación en la respuesta de
las plantas contra el ataque de agentes patógenos. Desde principios de la
década de 1990 a la fecha, las investigaciones en esta área del
conocimiento han aportado información nueva cada día.
Las plantas,
a diferencia de otros organismos, son seres que no se desplazan, de modo
que han desarrollado mecanismos de defensa que se basan en la generación
de compuestos químicos que son tóxicos para el agente infeccioso, lo que
les permite evitar el daño que causan los virus, bacterias, hongos o
diversos depredadores. El arsenal químico que contienen las plantas es
amplio y variado, ya que sintetizan desde sustancias que resultan
simplemente desagradables al gusto, como por ejemplo el girasol, que
sintetiza compuestos terpenoides que producen un sabor agrio que ahuyenta
a los depredadores, hasta venenos potentes, como el cianuro que se acumula
en la raíz de algunas plantas tropicales y en las flores de la alfalfa. De
modo general, la primer línea de defensa se activa cuando la planta sufre
algún daño, desde una herida por un corte, hasta la infección por
microorganismos. Esta primera línea de defensa consiste en la generación
abrupta de especies reactivas del O2, lo que permite aislar al patógeno en
el sitio de la lesión mediante la muerte de las células que fueron
infectadas; como resultado, el patógeno queda inmovilizado en una región
muerta de la planta de donde no tiene escapatoria y, finalmente, es
eliminado (Figura 2).
size=1>FIGURA 2. El papel del NO en la defensa de las plantas contra el
ataque de patógenos. (A) En una hoja de una planta que fue infectada por
una bacteria patógena se forma una mancha (representada por la punteada)
en la región en donde se localiza la infección. (B) El acercamiento a la
zona infectada permite observar que las células sanas (que se muestran en
gris oscuro) producen NO, probablemente mediante la actividad de la enzima
NOS, y por la acción de la enzima nitrato reductasa. El NO difunde hacia
las células infectadas por el agente patógeno (que se representa como
óvalos negros) y hacia las células vecinas, en donde provoca la muerte
celular (células que se muestran en gris claro), lo que permite confinar
al patógeno a la zona de la infección. (C) El NO actúa como un agente
bactericida en las células infectadas al interactuar con las especies
reactivas del oxígeno (ERO), lo que genera formas tóxicas del N, las
cuales dañan a los patógenos mediante la degradación de la membrana
celular y el ADN, así como la inactivación de proteínas que son
importantes para la supervivencia.
El NO se genera durante
la primera respuesta al ataque de un patógeno, y se ha encontrado que
desempeña más de una función en el mecanismo de defensa de la planta. En
primer lugar, actúa en combinación con otras moléculas tóxicas, como el
peróxido de hidrógeno (H2O2, comúnmente conocido como agua oxigenada), lo
que permite eliminar a los patógenos. En segundo lugar, el NO funciona
como un mensajero que coordina los procesos que conducen a la muerte de
las células que fueron infectadas por el patógeno. Este mecanismo se lleva
a cabo al promover la activación de genes y proteínas que son importantes
en la defensa de la planta. Por si esto fuera poco, dependiendo de la
etapa de la respuesta de la planta, el NO también funciona como un agente
protector de las células vegetales al inactivar a las especies reactivas
del O2. La participación del NO en la respuesta de defensa de la planta es
uno de los ejemplos más impresionantes de la gran versatilidad de esta
molécula, lo que le permite modular procesos que ocurren simultáneamente
en el interior de la célula.3 La participación del NO en este mecanismo
abrió la puerta para la búsqueda de otras funciones suyas en la fisiología
vegetal. Actualmente sabemos que el NO es una molécula esencial para el
desarrollo de las plantas, ya que estimula la germinación de las semillas,
promueve la expansión de las hojas y el crecimiento de la raíz primaria, y
retarda la madura- ción de los frutos (es decir, el NO contribuye a que
los jitomates duren frescos durante más tiempo). La participación del NO
en estas funciones se lleva a cabo en asociación con otras moléculas,
tales como las hormonas vegetales, y su efecto ocurre mediante la
nitrosación de las proteínas.4 Las plantas, al igual que el resto de los
organismos, están frecuentemente expuestas a condiciones ambientales
adversas, a las que llamamos condiciones de estrés; por ejemplo, la falta
de agua, las temperaturas extremas y la contaminación por agentes
químicos. Para sobrevivir a estas condiciones, en las plantas existen
procesos que les permiten modificar su metabolismo, lo que da lugar a la
adaptación de la planta a las condiciones adversas. La contribución del NO
en la respuesta al estrés es ambigua, es decir, esta molécula puede
participar como héroe o villano, según las condiciones que prevalezcan.
Por ejemplo, cuando las plantas se tratan con herbicidas se produce un
estrés debido al incremento intracelular de especies reactivas del O2, lo
cual conduce a la muerte de las células en la hoja. Se ha comprobado que
el NO contribuye a la destoxificación de los herbicidas en las plantas ya
que inactiva a las especies reactivas del O2, con lo cual aminora el daño
que el herbicida podría causar. Sin embargo, a su vez el NO también puede
causar daño. Por ejemplo, inhibe la fotosínteis, por lo cual genera un
problema de estrés ya que se limita la cantidad de nutrientes y energía
que la planta requiere para su funcionamiento.5 Muchos de los procesos en
los que participa el NO en las plantas están razonablemente bien
estudiados, de modo que aparece como una pieza nueva que encaja en varios
sitios del complejo rompecabezas de la biología
vegetal.
MISTERIOS NO RESUELTOS
Aunque es mucho lo que
se sabe acerca de la química y los efectos fisiológicos del NO, todavía
existen muchas preguntas que quedan por contestar. Actualmente, el NO es
una de las moléculas que más se estudian en todo el mundo. No obstante,
aún se desconoce el mecanismo mediante el cual las células productoras de
NO, tales como las neuronas o los macrófagos, resisten al efecto tóxico de
esta molécula. La respuesta comienza a vislumbrarse a partir del estudio
de las bacterias patógenas que son resistentes al NO. Éstas responden al
ataque por NO mediante dos vías. Una es la síntesis de proteínas que
contienen Fe, lo cual les permite atrapar al NO y convertirlo en una
molécula inocua. Un ejemplo muy interesante de estas proteínas son las
flavohemoglobinas de las bacterias, las cuales son capaces de oxigenar al
NO para formar nitrato (NO3), que es una forma no tóxica del nitrógeno; se
ha observado que las bacterias que son incapaces de sintetizar dicha
flavohemoglobina son altamente sensibles al NO y, por lo tanto, pierden su
patogenicidad.
Otro mecanismo de resistencia al NO se descubrió en
Helicobacter pylori, que es una bacteria que se aloja en la película
mucilaginosa del estómago y que se asocia con la existencia de gastritis
crónica y cáncer del estómago. Esta bacteria produce la enzima arginasa
que consume a la arginina del huésped. La arginina es el aminoácido
precusor en la producción del NO, por lo que la actividad de la arginasa
resulta en la carencia de arginina para la síntesis de NO por parte de la
NOS de los macrófagos. De esta manera H. pylori evade a uno de los
mecanismos de defensa del sistema inmune del huésped.
Otro misterio
no resuelto es el origen del NO en las plantas. La búsqueda de la enzima
NOS, u otras enzimas similares, se inició cuando se detectó la presencia
de NO en las células vegetales. Los resultados que se han obtenido hasta
este momento son particularmente intrigantes, ya que existen evidencias de
que las plantas sintetizan NO a partir de la arginina y, por lo tanto, que
existe una NOS vegetal.
Sin embargo, los esfuerzos para detectar a
la NOS, o al gen que la sintetiza, han sido infructuosos. Por otro lado,
recientemente se demostró que una proporción alta del NO que se genera en
las células vegetales se forma como un producto intermediario en el
proceso de la asimilación del nitrógeno, mediante la acción de la enzima
nitrato reductasa. Así las cosas, los esfuerzos de los investigadores de
esta área se enfocan a estudiar con detalle el funcionamiento de la
nitrato reductasa en los diferentes órganos de las plantas, así como a
extender la búsqueda de fuentes no enzimáticas de NO.4 Aún queda un camino
largo que recorrer para poder contestar estas y otras preguntas, así como
para comprender la relación que existe entre el NO y moléculas tales como
las hormonas, los neurotransmisores y las proteínas reguladoras de la
expresión de los genes. La solución a estas interrogantes contribuirá no
sólo a la mejor comprensión de la fisiología animal y vegetal, sino
también al diseño de nuevos agentes terapéuticos que permitan solucionar
problemas de salud humana y medio ambiental.
N O T A S
A
Existe una revisión muy interesante sobre la relación entre el NO, la
nitroglicerina y la salud, en la siguiente página de internet: http://
www.beyonddiscovery.org (en la sección “article index” ir a la liga “From
explosives to the gas that heals”).
B Para saber más acerca de este
tema en particular, se recomienda al lector visitar la siguiente página de
internet: www.stanford.edu/dept/news/
report/news/august9/sperm-89.html.
C El lector interesado en
conocer más sobre los premios Nobel puede visitar la siguiente página de
internet: http://www.nobel.se
R E F E R E N C I A S
1
Lancaster, J. R., “Nitric oxide in cells“, American Scientist, vol. 80,
1992, pp. 248-259.
2 Stamler, J. S., Singel, D. J. y Loscalzo, J.,
“Biochemistry of nitric oxide and its redox-activated forms”, Science,
vol. 258, 1992, pp. 1898-1902.
3 Durner, J. y Klessig, D. F.,
“Nitric oxide as a signal in plants”, Current Opinion in Plant Biology,
vol.2, 1999, 369-374.
4 Lamattina, L., García-Mata, C., Graziano,
M. y Pagnussat, G., “Nitric oxide: the versatility of an extensive signal
molecule”, Annual Review of Plant Biology, vol. 54, 2003, pp.
109-136.
5 Beligni, M. V. y Lamattina, L., “Nitric oxide in plants;
the history is just beginning“, Plant Cell and Environment, vol. 3, 2001,
pp. 267-278.
Verónica Lira Ruan,
estancia posdoctoral en la
Universidad de Manitoba, Canadá;
Raúl Arredondo Peter,
Laboratorio de Biofísica y Biología Molecular,
Facultad de
Ciencias,
Universidad Autónoma del Estado de
Morelos.
liraruan@ms.umanitoba.ca
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