El premio Nobel de Fisiología o Medicina 1972 lo compartieron Gerald H. Edelman y Rodney R. Porter «por sus descubrimientos relativos a la estructura química de los anticuerpos». La inmunoglobulina G (Ig G) de la sangre es una proteína gigante que nos defiende de las infecciones. Edelman y Porter, trabajando independientemente, fueron los primeros en obtener resultados de la estructura de esta molécula, una de las conocidas con el nombre de anticuerpos. El conocimiento de la estructura y del modo de acción de estas sustancias biológicamente importantes era necesario para la investigación inmunológica y para sus aplicaciones a los diagnósticos y terapias clínicas.

Rodney R. Porter (Newton-le-Willows, Eng, 1917 – Winchester, Eng, 1985) estudió química en las universidades de Liverpool y Cambridge, trabajó en el Natural Institute for Medical Research at Mill Hill, sirvió como profesor de Inmunología en St. Mary’s Hospital Medical School, London, hasta 1967, cuando se unió a la University of Oxford. Aisló por cromatografía la molécula de Ig G, que tenía una masa molar de 150000 daltons, y para estudiar su estructura la cortó, mediante la enzima papaína, en tres fragmentos, dos más cortos y muy semejantes capaces de combinarse con el antigeno, y otro más largo que carecía de actividad. Porter y su equipo construyeron un modelo molecular con estructura de Y. Las dos ramas están formadas, cada una, por la parte superior de una cadena larga unida a una cadena corta; en el tronco se encuentran las partes restantes de las dos cadenas largas. En las ramas y en el tronco las cadenas están situadas lado a lado unidas por puentes de enlaces disulfuro. En su disertación del Nobel, titulada «Estudios estructurales de inmunoglobulinas», Porter explicó cómo hizo el aislamiento y posterior fraccionamiento con papaína de la Ig G de ratón, expuso las estructuras de las cuatro cadenas peptídicas y estudió el origen genético de las múltiples formas de los anticuerpos.

Gerald H. Edelman (New York, 1929 – La Jolla, CA, 2014) fue un bioquímico que estudió en la University of Pennsilvania Medical School y se doctoró en la Rockefeller University en 1960. Allí, él y su equipo completaron el diseño de la molécula de un anticuerpo realizado por Porter añadiendo detalles sustanciales. En su lección del Nobel, titulada «Estructura del anticuerpo e inmunología molecular», Edelman recordó que las dos clases de cadenas de la Ig G eran polipéptidos: las dos cortas (que ellos llamaban ligeras) tenían una masa de 25000 daltons y las dos largas (pesadas) de 50000, por lo que la masa total de la molécula era de 150000 daltons. También explicó que la capacidad de combinación específica de los anticuerpos con los antígenos descansa en la cooperación entre los extremos libres de las cadenas largas y cortas. Las largas acaban en la función ácido carboxilo y las cortas en amina. Todas las cadenas están formadas por una región variable V y una región constante C: las regiones V, situadas en los extremos, son las responsables de la unión con el antígeno y las C son intermediarias. Las partes traseras de las cadenas largas en el tronco de la Y tienen la capacidad de activar el sistema complemento, que puede destrozar células o microorganismos con los que ha reaccionado el anticuerpo. Edelman sugirió que todas estas regiones están plegadas en zonas compactas, conteniendo cada una al menos un centro activo. Además, exhibió las características de las cinco inmunoglobulinas: G, A, M, D y E, que tienen actividades biológicas distintas. También supuso que los anticuerpos evolucionaron por un proceso de duplicación genética y subsiguiente diversificación. Y defendió que el conocimiento de los problemas inmunológicos requiere análisis químicos y que la inmunología debe estar unida a la biología molecular.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 1980 lo compartieron George Snell, Jean Dausset y Baruj Benacerraf «por sus descubrimientos relativos a las estructuras genéticamente determinadas en la superficie de la célula que regulan las reacciones inmunológicas». Ellos investigaron cómo los genes del complejo principal de histocompatibilidad (MHC), situado en el brazo corto del cromosoma 6, expresan los antígenos H, que definen la capacidad de un tejido corporal de existir en contacto íntimo con otro tejido y determinan la interacción entre múltiples células responsables de las reacciones inmunológicas del cuerpo. Asimismo, demostraron que el conocimiento de los antígenos de histocompatibilidad H es de gran importancia práctica en el trasplante de tejidos así como en la predisposición del individuo a determinadas enfermedades. Los genes responsables de este decisivo comportamiento fueron estudiados en ratones y humanos, pero se han encontrado en todos los vertebrados.

George Snell (Bradford, MA, USA, 1903 – Bar Harbor, 1995) se doctoró en la Universidad de Harvard el 1930 y trabajó en el Jackson Laboratory de Bar Harbor, Maine. En su disertación conmemorativa de la concesión del premio titulada «Estudios sobre histocompatibilidad» explicó cómo su trabajo con ratones le llevó a la introducción del concepto de antígenos H de la membrana de la célula, constituidos por moléculas complejas de proteína-carbohidrato. Su formación, dijo, estaba controlada por genes situados en un área MHC de un cromosoma específico, y llegó a encontrar ochenta genes en tal área en sus investigaciones sobre la susceptibilidad de los ratones a la producción de tumores. Su trabajo supuso el nacimiento de la inmunología de trasplantes.

Jean Baptiste Dausset (Toulouse, Francia, 1916 – Palma de Mallorca, España, 2009) después de la Segunda Guerra Mundial, donde sirvió, se graduó en la Universidad de París y estudió en Harvard. Fue director del National Blood Transfusion Center, profesor de Inmunología en la Universidad de París y profesor de Medicina Experimental en el Colegio de Francia. Su investigación sobre las reacciones inmunológicas de pacientes que habían recibido muchas transfusiones de sangre le condujo a hacer una hipótesis que resultó ser correcta: una variación genética específica entre las personas coincidía con los diferentes niveles de reacción. En su lección del Nobel, titulada «MHC en humanos: conceptos pasados, presentes y futuros», demostró la existencia de los antígenos de leucocitos humanos y los genes que determinaban su función. Al complejo lo denominó HLA y probó que era análogo al H-2 estudiado por Snell en ratones, y que, en definitiva, ambos eran tipos del MHC característico de todos los vertebrados. En sus estudios sobre el MHC del cromosoma 6, encontró que los antígenos HLA están regulados por cuatro genes que pueden expresarse en muchas formas alternativas: 15, 29, 9 y 12 respectivamente. Dausset también se dedicó a obtener resultados prácticos de sus investigaciones: con su estudio de las compatibilidades e incompatibilidades de los antígenos en trasplantes de riñón estimó que estos tendrían un porcentaje de éxito del 90 al 100 % en individuos con la misma constitución del antígeno HLA, disminuyendo el éxito en consonancia con las diferencias. Finalmente, con respecto al futuro, Dausset estimó que sería necesario profundizar en la función de las moléculas del MHC.

Baruj Benacerraf (Caracas, 1920 – Boston, 2011) de origen judío sefardita, nacido en Venezuela, se graduó en la Columbia University en 1942 y se naturalizó estadounidense en 1943. Doctorado en 1945 tras servir en el ejército, alcanzó el profesorado de Patología en 1960 en la New York University School of Medicine. Benacerraf fue uno de los inmunologistas que se dedicaron al estudio de las moléculas de MHC y a sus reacciones. Demostró con cobayas que la capacidad de una respuesta inmune contra un antígeno viene determinada por genes situados en la misma región del cromosoma que determina la formación de los antígenos H. Su discurso del Nobel, titulado «El papel de los productos de los genes del MHC en la regulación inmune y su relevancia en la alorreactividad», es, en el fondo, un estudio de la respuesta fuerte de las células T contra alelos de moléculas del MHC. Benacerraf comenzó recordando los trabajos de Miller y Good, descubridores de que los linfocitos se diferencian en dos clases de células, T y B, con funciones diferentes. Ellos demostraron que las respuestas inmunes están reguladas por células favorecedoras y supresoras y por macrófagos, lo que evidenciaba la complejidad del sistema inmune y el papel crítico jugado por los linfocitos T en la regulación de la inmunidad. Como consecuencia a estos descubrimientos había que estudiar el modo en el que las células T perciben a los antígenos en la superficie de las células y la naturaleza de la inmunogenicidad.

Benacerraf hizo en su discurso un estudio histórico sobre los siguientes temas: la especificidad de los linfocitos; el descubrimiento de los genes de respuesta inmune Ir; la unión de los Ir al MHC y mapeo de los mismos; estructura de las moléculas Ia en comparación con la de un antígeno de histocompatibilidad; la función de los genes Ir. Tras el estudio de estos temas, el autor dedujo que los genes Ir de las células T que controlan la región I producen moléculas Ia, glucoproteínas, que son alorreactivas en la superficie de la célula para los fragmentos de antígenos. Como conclusión, Benacerraf expuso que las enfermedades inmunológicas están ligadas al MHC y, además, que el compromiso de las células T con los antígenos del MHC tiene un significado evolutivo y supone un sistema de defensa que debe ser un modelo para otros sistemas biológicos de organismos altamente diferenciados.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 1960 fue concedido a Sir Frank Macfarlane Burnet y a Sir Peter Brian Medawar «por el descubrimiento de la tolerancia inmunológica adquirida». El sistema inmune nos protege de los ataques de los microorganismos y rechaza los tejidos extraños. Parte de la inmunidad es hereditaria, pero otra parte es adquirida, no está presente en el feto. F.M. Burnet expuso teóricamente que la capacidad de distinguir entre el tejido propio y el extraño no es hereditaria sino adquirida en el feto. P.B. Medawar tuvo éxito al realizar trasplantes de tejidos entre diferentes fetos de ratones. Los resultados tuvieron repercusión en los trasplantes de órganos.

F.M. Burnet (1899, Australia – 1986, Melbourne) se doctoró en la Universidad de Melbourne en 1923 y en 1944 llegó a ser profesor de Medicina Experimental en dicha universidad. Cuando recibió el premio Nobel profesaba en el Instituto de Investigación Médica de Melbourne. Fue titulado Sir en 1951. La Britannica nos informa de que descubrió un método para identificar bacterias por medio de virus (bacteriófagos) y de que desarrolló una técnica – ahora una práctica estándar de laboratorio – para cultivar virus en embriones vivos de pollo. Además, aumentó el conocimiento sobre los métodos por los que los virus de la gripe causan infección e hizo un trabajo significativo acerca de enfermedades como la mixomatosis, la fiebre Arboencefalitis Australiana y la fiebre Q. (La Britannica no hace mención de la inmunología).

En su discurso de aceptación del premio, titulado «Autorreconocimiento inmunológico», Burnet consideró los aspectos teóricos de la inmunidad. Los experimentos los relatará Medawar, dijo. Mi parte en el descubrimiento de la tolerancia inmunológica es muy pequeña: la formulación de una hipótesis que clamaba por la experimentación, lo que hicieron Medawar y sus colegas; su trabajo ha reafirmado la importancia del autorreconocimiento en inmunología. Las hipótesis (desarrolladas en este discurso) son modificaciones de las anteriores, forzadas por los (nuevos) experimentos y la observación. También he sugerido nuevos experimentos que espero puedan funcionar en ese laberinto biológico que es el proceso de diferenciación.

(A.M. Silverstein en su artículo de 2016 «El curioso caso del premio Nobel de 1960 a Burnet y Medawar» dice que a Burnet deberían haberle otorgado el premio, en todo caso, por sus trabajos con los virus).

P.B. Medawar (1915, Río de Janeiro – 1987, Londres) fue profesor de zoología en las universidades de Birmingham y London y de medicina experimental en la Royal Institution. Recibió el título de Sir en 1965. Según la Britannica, Medawar comenzó su investigación en trasplantes en 1949, cuando ya Burnet había expuesto la hipótesis de que durante la vida embrionaria e inmediatamente después del nacimiento, las células adquieren gradualmente la capacidad de distinguir entre las sustancias de sus tejidos y las células y el material extraño. Medawar confirmó esta teoría: encontró que los gemelos de animales aceptaban mutuamente injertos de piel, lo que indicaba que unas sustancias llamadas antígenos pasaban de la bolsa de cada embrión a la bolsa del otro. Experimentando con ratones, obtuvo la evidencia de que cada célula animal contiene antígenos importantes en el sistema inmunitario: el receptor inyectado con células del donante aceptará tejidos de todas partes del cuerpo del donante y del gemelo del donante.

En su lección del Nobel, titulada «Tolerancia inmunológica», Medawar la definió como un estado de indiferencia o no reactividad hacia una sustancia de la que normalmente se esperaba que excitase la respuesta inmunológica. El término, dijo, se empleó en principio en operaciones de trasplante de tejidos entre individuos de genética diferente, aplicándose a la no reactividad causada por la exposición de los animales al estímulo antigénico antes de que ellos tuvieran una respuesta inmunológica. Medawar ilustró sus conclusiones con un ejemplo: si las células vivas de un ratón del linaje CBA se inyectan en un ratón adulto del linaje A, las células CBA serán destruidas por un proceso inmunológico y el ratón A destruirá cualquier injerto posterior del mismo origen a la velocidad esperada de un animal inmunológicamente preparado; pero si las células CBA se inyectan en un feto o ratón recién nacido, son aceptadas, y cuando el ratón crezca aceptará injertos de CBA como si fuesen propias. En este sentido, dijo, usamos el término tolerancia inmunológica.

(Este experimento fue descrito en el artículo de R.E. Billingham, L. Brent y P.B. Medawar; Phil. Trans. Roy. Soc., London (1956), con el maestro firmando en último lugar, como es preceptivo. A.M. Silverstein, en el artículo antes citado, clama por la inclusión de los ayudantes de Medawar en el premio Nobel, y sugiere que habría sido conveniente que incluyesen también a Ray Owen por su ‘quimerismo’, elevando así a cuatro el número prohibido de galardonados).

Emil Adolf Behring (1854, Hansdorf, Prusia- 1917, Marburg, Alemania) ganó el primer premio Nobel en Fisiología o Medicina 1901 «por su trabajo sobre la terapia del suero, especialmente por su aplicación contra la difteria, mediante la cual ha abierto una nueva ruta en el dominio de la ciencia médica y ha puesto en manos de los médicos un arma victoriosa contra la enfermedad y la muerte».

Estudió, por falta de medios, en el Army Medical College de Berlín, licenciándose hacia 1880. Realizó el doctorado bajo la dirección de Koch y en 1885 alcanzó la plaza de Profesor de Higiene en la Universidad de Marburg. Behring se dedicó a luchar contra la difteria, una epidemia que aparecía y desaparecía en ciclos de distinta duración produciendo muertes de familias enteras. Loffler había establecido em 1883 que la difteria era producida por bacterias (o bacilos) y Behring investigó el modo de neutralizar la toxina que emitían los microbios. Trabajando con Kitasato Shibasaburo demostró que es posible proveer a un animal de inmunidad pasiva contra el tétano inyectándole suero de otro animal infectado. Luego aplicó la técnica de inmunidad antitóxica para prevenir la difteria: la administración de la antitoxina de la difteria se comercializó en 1892, llegando a ser rutinaria en el tratamiento de la enfermedad.

En su discurso de aceptación del premio Nobel, titulado «Terapia del suero en terapéutica y ciencia médica», Behring proclamó que sin el trabajo preliminar de Lóffler y Roux no habría tratamiento antidifteria. Dijo que los bacilos de la difteria llegan probablemente a través de la respiración y se localizan en las pequeñas cavidades de las amígdalas excretando venenos que ingresan en la corriente sanguínea y dan lugar a los síntomas inflamatorios de la laringe y faringe. Pero si se inyecta en la sangre suero de la difteria como antitoxina cuando el bacilo aún no ha iniciado su acción inflamatoria actuará preventiva y profilácticamente y la inflamación no aparecerá. Behring afirmó que la antitoxina no puede neutralizar el veneno que ha penetrado en las células del cuerpo y se ha establecido allí. También dijo que esta terapia es un método parecido a la vacuna de la viruela de Jenner, al tratamiento de Pasteur de la hidrofobia y a la terapia tuberculina de Koch, ya que la sueroterapia actúa a través de anticuerpos. Behring recordó sus trabajos sobre la tuberculosis en el ganado, señalando que, según Koch, el bacilo es diferente del de los humanos; pero él demostró que sometiendo a un largo cultivo en laboratorio el bacilo humano podía ser capaz de infectar al ganado. Hizo un extenso muestreo por distintas zonas geográficas y encontró que la reacción a la tuberculina variaba desde el uno al cuarenta por ciento según las localidades. Además, dedujo que se requería una larga convivencia para que la enfermedad pasase de un individuo a otro. Y esperaba conseguir la inmunización a la tuberculosis del ganado (vacuno) empleando para la investigación los recursos económicos dotados por la Fundación Nobel.

Ilya Ilyich Méchnikov (1845, Jarkov, Ucrania – 1916, París) obtuvo la mitad del premio Nobel de Fisiología o Medicina 1908 «en reconocimiento por su trabajo sobre la inmunidad». Microbiólogo de la Universidad de Jarkov, alcanzó el grado de Profesor Titular de Zoología de la Universidad de Odesa en 1870. Su primera esposa, Ludmilla Feodorovich, murió en 1873 de una tuberculosis que él no pudo curar. En su desesperación intentó suicidarse. Su segunda esposa, Olga, enfermó de fiebres tifoideas en 1880 y él se inoculó su sangre; ninguno de los dos llegó a morir. Méchnikov, estudiando células de la larva de estrellas de mar relacionadas con la digestión, observó que rodeaban y engullían partículas de tinte rojo que él había introducido en el cuerpo de la larva y las destruía. A esas células las llamó fagocitos. Por ellos abandonó el pesimismo. En 1888 se trasladó al Instituto Pasteur de París del que llegó a ser director con el tiempo. Estableció que los fagocitos eran la primera línea de defensa contra la infección aguda en la mayoría de los animales: eran las células blancas o leucocitos. En su última década se dedicó al estudio de la prevención del envejecimiento, que él creía producto de eyecciones bacterianas, mediante la ingesta del ácido láctico de la leche fermentada. Murió de ataques a un corazón perturbado por la Gran Guerra.

En su lección del Nobel, titulada «Estudio actual del problema de la inmunidad en las enfermedades infecciosas» habló de su investigación en el Instituto Pasteur sobre la resistencia a la enfermedad. Para ello, observaba en el microscopio cómo transcurría la digestión en pequeñas larvas vivas transparentes. Clavó espinas en el cuerpo de las larvas y vio células que se movían y las rodeaban; sucedía lo mismo si en vez de un cuerpo extraño actuaba un microbio patógeno: así lo observó en las pulgas de mar, pequeños crustáceos de playa, que ponían en movimiento sus células defensivas para devorar las esporas emitidas por los microbios. Era estudiar en vivo la inflamación en su primer estadio. Después pasó a investigar en los humanos y animales grandes. Llamó fagocitos a las células blancas y fagocitosis al proceso de defensa. Demostró, trabajando con los bacilos del antrax, que tras la vacunación estos procesos no existen o están muy atenuados; hecho que extendió como regla general a todas las infecciones muy peligrosas. (Méchnikov se refirió con una cierta extensión a las ideas de Paul Ehrlich sobre la fagocitosis: los amboceptores -anticuerpos- y su complemento, un conjunto al que llamaron opsonina, impregna al microbio y lo hace presa fácil de los leucocitos). Como conclusión a su discurso, Méchnikov dijo que el aumento de la capacidad defensiva de un organismo se debe al aumento en la producción de fagocitos y que los leucocitos de un organismo inmunizado protegen a otro organismo. El sistema de fagos en la inmunidad es ahora doctrina, dijo, una doctrina de la que han emergido métodos terapéuticos: reforzar la reacción de los fagos, activar la fagocitosis para aumentar la inmunidad.

Paul Ehrlich (1854, Strzelin, Prusia – 1915, Bad Homberg, Alemania) recibió la mitad del premio Nobel en Fisiología o Medicina 1908 «en reconocimiento a su trabajo sobre la inmunidad». En 1878 se doctoró con un estudio sobre la teoría y práctica del teñido de tejidos animales empleando los tintes de anilina de W. H. Perkin. También consiguió teñir el bacilo de la tuberculosis descubierto por Koch, propiciando así su detección con el microscopio. Entre 1879 y 1883 publicó treinta y siete comunicaciones científicas, entre ellas: el empleo del azul de metileno para el tratamiento de los desórdenes nerviosos, una reacción química para detectar en la orina enfermos de tifus, medicamentos contra la fiebre y contra enfermedades oculares. Él consideró que la más importante de todas ellas era la relativa al consumo de oxígeno por los distintos tejidos. Ehrlich, de religión judía, tuvo tiempo de casarse, tener dos hijas y enfermar de tuberculosis por sus manejos con el bacilo de Koch. Hacia 1889 formuló una teoría de la inmunidad basada en la existencia y labor de las cadenas laterales que toda célula posee. Dichas cadenas se comportan como receptores que absorben y asimilan nutrientes. También absorben sustancias tóxicas producidas por bacterias que solamente actúan sobre la célula si se combinan con la cadena lateral. En ese caso, el organismo afectado produce muchas cadenas laterales que previenen la infección e inmunizan el organismo. Ehrlich demostró, empleando conejos como cobayas, que estos animales, sometidos a una lenta y creciente dosis de material tóxico, llegaban a tolerar dosis cinco mil veces mayores que la letal. E.A. Behring aprovechó la técnica para preparar suero con efectividad antitóxica a partir de la sangre de caballos inmunizados. Pero muchas infecciones no respondían al tratamiento del suero, entre ellas las producidas por protozoos y Ehrlich se vio obligado a inventar la quimioterapia, a encontrar sustancias químicas con especial afinidad a los organismos patógenos. Con la colaboración de Kitasato y S. Hata empleó compuestos organoarsénicos para combatir la espiroqueta ‘treponema pallidum’ de la sífilis y los comercializaron con el nombre de Salvarsan y Neosalvarsan.

En su lección del Nobel, titulada «Funciones parciales de la célula», Ehrlich explicó que cada toxina tiene su antitoxina específica que la neutraliza encajando una en otra como llave y cerradura. La sustancia tóxica se adhiere al receptor mediante grupos químicos que deben ser idénticos a los de la antitoxina formando un complejo celular. También dijo que existía una diferencia colosal entre la cantidad de veneno inyectada y la antitoxina producida: de una parte a millones, lo cual lleva a la posibilidad de producir anticuerpos mediante una reacción química específica. Con respecto a los compuestos de arsénico trivalente empleados contra los tripanosomas citó dos: el óxido arsénico p-aminofenol y el diaminoarsenobenceno que matan, en el tubo de ensayo y en el organismo, en disoluciones de uno en un millón.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 2013 lo compartieron James E. Rothman, Randy W. Schekman y Thomas C. Südhof «por sus descubrimientos de la maquinaria que regula el tráfico de vesículas, un sistema de transporte esencial en nuestras células». Las células producen moléculas tales como hormonas, neurotransmisores, citoquinas y enzimas que deben ser transportadas en vesículas y entregadas en otras zonas del interior de la célula o exportadas afuera en el momento adecuado. Las vesículas, miniburbujas rodeadas de membranas, portan la carga entre los orgánulos internos o se funden con la membrana de la célula liberando la carga al exterior. Rothman descubrió la maquinaria que permite a las proteínas de las vesículas, liberadas de la red, fundirse con sus dianas para transferir su carga; Schekman, el conjunto de genes necesarios para el tráfico de vesículas; Südhof, las señales que indican a las vesículas cómo liberar su carga con precisión.

James E. Rothman (1950, Haverhill, MA, USA) se doctoró en la Harvard Medical School en 1976 y en 1978 empezó su investigación sobre las vesículas de la célula en la Stanford University in California. Desde 2008 es profesor en el Departamento de Biología Celular en la Yale University in New Haven. Trabajando con células de mamíferos descubrió que son las proteínas de la vesícula y de la diana las que permiten enlazarse a las membranas; pero estas solo se fusionan si las proteínas forman una combinación específica que asegure que la carga se transfiere a un destino preciso. Este proceso se cumple tanto en el interior como en el exterior de la célula.

En su discurso del Nobel, titulado «El principio de la fusión de las membranas en las células», ilustrado con gran cantidad de diapositivas (una práctica ya común a todos los investigadores), Rothman se preguntó: ¿Cómo se libera la carga correcta en el lugar correcto en el tiempo correcto? Y pasó a explicarlo. En principio, las proteínas elaboradas en el retículo endoplasmático son transportadas en vesículas hasta la superficie de la célula, donde tiene lugar el acoplamiento de las proteínas v-SNARE y t-SNARE. (En la terminología establecida por Rothman, las proteínas SNARE -cepo- son las que se entrelazan, donde ‘v’ indica vesícula y ‘t’ target -diana-). El mecanismo químico físico de fusión de las membranas fue sugerido por la estructura deducida por rayos X del complejo proteínico SNARE, dijo Rothman. Dicha estructura reveló la existencia de cuatro hélices alfa paralelas, pertenecientes a las vesículas pre y postsinápticas, que se entrelazan en un broche que fuerza a las dos bicapas de las dos membranas a formar una especie de cremallera que resulta en fusión. A este mecanismo lo llamamos SNAREpins y medimos directamente la fuerza que fusiona las bicapas. Comprobamos que la fusión es rápida, entre 10 – 100 milisegundos, y espontánea; una SNAREpin es suficiente, pero se requieren múltiples pins para una fusión óptima. El tiempo requerido para el proceso total es de unos 50 – 100 mseg. Luego, la enzima NSF ATPasa recicla las SNAREs que han fallado en la fusión, desliándolas. La liberación de los paquetes de neurotransmisores por fusión de las vesículas sinápticas en las terminales del nervio son disparadas por la entrada de iones calcio (cuyo sensor es la hélice alfa sinatotagquina) tiene lugar en menos de 1 mseg, aclaró Rothman. Y se despidió mostrándose en una foto con todo el personal de su laboratorio.

Randy W. Schekman (1948, St. Paul, MN, USA), hijo de familia alemana, se doctoró en la Universidad de Standford en 1974 bajo la supervisión de Arthur Kornberg, premio Nobel de Química 1959. Al mismo Departamento se unió Rothman pocos años después. Schekman es profesor de Biología Molecular y Celular en la Universidad de California, Berkeley, así como investigador en el Howard Hughes Medical Institute. En 1976 empezó a estudiar independientemente el tráfico de moléculas en el interior de las células. Trabajando con células de levadura, identificó tres clases de genes que controlaban diferentes aspectos del sistema de transporte en la célula. Los genes descubiertos expresaban proteínas que coincidían con las que Rothman había identificado en células de mamíferos, lo que puso de manifiesto el origen evolucionado del sistema de transporte.

En su lección del Nobel, titulada «Genes y proteínas que controlan (y organizan) la ruta secretora» explicó que la ruta comienza en el retículo endoplasmático del núcleo celular, desde donde las proteínas son transportadas en vesículas hasta el aparato de Golgi y, desde allí, las vesículas son dirigidas y acompañadas hasta la diana. Schekman resumió en tres conclusiones principales sus cuarenta años de trabajo: 1.- La unión de la sustancia segregada y la membrana plasmática están ligadas física y funcionalmente a través de una serie de necesarios orgánulos intermedios. 2.- La translocación (cambio, eliminación de histidina en la célula) de los polipéptidos y la maquinaria del tráfico de vesículas se ha conservado en mil millones de años de evolución. 3.- El COPII ( coat complex protein II, un complejo proteínico de revestimiento) ordena las moléculas de la carga mediante el reconocimiento de las señales de transporte y deforma la membrana para crear vesículas acompañantes. Más económico y claro no se puede exponer. Schekman se despidió diciendo que las conexiones entre los descubrimientos básicos y la aplicación práctica médica es ahora más tangible que cuando empezó su trabajo independiente.

Thomas C. Südhof (1955, Gotinga, Alemania) se doctoró en la Universidad de Gotinga en neuroquímica en 1982. Desde 2008 es profesor de Fisiología Molecular y Celular en la Universidad de Stanford. Südhof, tras estudiar la maquinaria de la liberación de los neurotransmisores descubierta por Rothman y Schekman, se preguntó cómo se controlaba con tanta precisión esa liberación. Encontró que las proteínas sensibles a los iones calcio eran responsables de la apertura de la cremallera resultante de la fusión entre membranas que facilitaba la emisión del neurotransmisor.

En la parte final de su discurso de aceptación del premio Nobel, titulado «La maquinaria molecular de la liberación de neurotransmisores», Südhof hizo un repaso de los descubrimientos efectuados en este campo y un análisis de los problemas que le parecían pendientes. Esto es lo que dijo. Los tres niveles de la liberación que hemos estudiado: –fusión de la membrana; disparo de Ca2+ en la fusión; organización de la maquinaria de la fusión controlada por el Ca2+ en la zona activa– forman una jerarquía de procesos interdependientes. Como una muñeca rusa, estos tres niveles están anidados unos en otros, con la fusión de la membrana en lo más interno y el andamiaje de una máquina sencilla en la capa exterior. Nuestro trabajo, junto al de otros, cubre un mecanismo plausible que explica cómo la membrana de la vesícula sináptica y la membrana plasmática llegan a fusionarse rápidamente durante la emisión (liberación ) del neurotransmisor, cómo esa fusión es disparada por los Ca2+, cómo estos procesos son organizados espacialmente en la terminal presináptica, y cómo la apertura de los canales de Ca2+ por un potencial de acción permite la transmutación rápida de la señal entrante del Ca2+ en un suceso de fusión. Además, la maquinaria de liberación del neurotransmisor que descubrimos da cuenta de la impresionante velocidad y precisión de la liberación disparada por los Ca2+. Más aún, el diseño total de esta maquinaria y la identificación de los dominios reguladores, sugiere mecanismos para explicar la dramática plasticidad a corto y largo plazo de la liberación, lo que juega un papel central en la determinación de las propiedades del circuito. No obstante, permanecen sin aclarar muchas cuestiones importantes. Por ejemplo, ¿ cuáles son los mecanismos químico físicos que fundamentan la fusión de la membrana, cuán precisos son los trabajos de las proteínas SNARE y SM, cuál es el papel de la maquinaria de fusión aquí descrita en desórdenes como la enfermedad de Parkinson, cómo llevan a cabo las terminales presinápticas los cambios estructurales a largo plazo durante la plasticidad, y cuál es el papel de la plasticidad a largo plazo? Aún más, ¿ qué mecanismos ejecutan varios tipos diferentes de sinapsis, por ejemplo, por qué las sinapsis inhibidoras exhiben a menudo una probabilidad de liberación más alta que las sinapsis excitantes, y qué mecanismos confieren distintas formas de plasticidad a diferentes tipos de sinapsis? ¿ Cómo se alinea con precisión la zona activa presináptica, y cuál es el tamaño de una sinapsis regulada? Mucho queda por hacer, ¡ espero ver al menos algunas de estas intrigantes cuestiones resueltas en lo que me queda de vida!

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 2000 lo compartieron Arvid Carlsson, Paul Greengard y Eric R. Kandel «por sus descubrimientos sobre la transmisión de señales en el sistema nervioso».

Arvid Carlsson (1923, Upsala – 2018, Gotemburgo), hijo de un profesor de historia, estudió medicina y farmacología en la Universidad de Lund. Se doctoró con una investigación sobre el metabolismo del calcio, empleando como trazador el Ca-45 radiactivo; con este tema dirigió otras tesis. Fue profesor de farmacología en la Universidad de Gotemburgo desde 1959 hasta 1988 y emérito después. A finales de los años cincuenta del siglo pasado detectó la dopamina en áreas del cerebro que controlaban la locomoción y otras actividades voluntarias. Demostró que una disminución de dopamina dificultaba la capacidad de movimiento en animales y que cuando los trató con levodopa, que el cerebro usa para sintetizar dopamina, los síntomas desaparecían. Después, la L-dopa se empleó en el tratamiento del párkinson. El trabajo de Carlsson contribuyó a la comprensión de la relación entre neurotransmisores y estados mentales y condujo a la introducción de drogas antidepresivas.

En su discurso de aceptación del Nobel, titulado «Medio siglo de investigación sobre un neurotransmisor: impacto en neurología y psiquiatría», Carlsson contó la historia de la investigación con sus muchos protagonistas, sus simposios y controversias a nivel internacional. En un principio, dijo, se creía que la dopamina solo era un precursor de la noradrenalina, pero demostramos que se concentraba en áreas diferentes a la noradrenalina: estaba en los ganglios basales, importantes para el control del comportamiento motor. La dopamina era un neurotransmisor por sí misma. Observaron que la reserpina disminuía las capacidades motoras, produciendo unos síntomas parecidos al párkinson, y que la L-dopa, precursora de la dopamina, las restituía, por lo que se empleó en el tratamiento de la enfermedad. Carlsson discutió en su discurso las ventajas e inconvenientes del tratamiento. Además, expuso sus investigaciones con estabilizantes dopaminérgicos, esto es, con agentes antipsicóticos que actúan como bloqueantes de los receptores de dopamina: son tranquilizantes sin sedación utilizados en el tratamiento de la esquizofrenia (clorpromazina y haloperidol). También habló de su contribución al esclarecimiento del papel de la serotonina y de la fluoxetina, el Prozac, en su nombre comercial más popular, a los que denominó inhibidores selectivos del realmacenamiento de serotonina (SSRI en sus siglas inglesas).

Carlsson finalizó su lección diciendo que durante el pasado medio siglo la investigación del cerebro ha estado dominada por investigaciones bioquímicas, en contraste con el medio siglo anterior, en el que hubo un fuerte énfasis electrofisiológico. Esto ha sido debido a la importancia del concepto de transmisión neurohumoral y a los espectaculares progresos de la biología molecular. Pero el cerebro es una máquina extremadamente complicada por lo que es necesario ahondar todavía más en los neurocircuitos y en la conectividad tanto en niveles micro como en macroscópicos. Las técnicas de imagen y las estadísticas logradas por ordenador para reconocer patrones en un gran conjunto de datos, pueden ser extraordinariamente útiles para solventar el salto entre los datos obtenidos de los animales y los de los humanos. Estas y otras aproximaciones nos ayudarán a desvelar nuestra enorme ignorancia actual sobre el cerebro.

(Nota Bene. El neurólogo estadounidense Oliver Sacks, en su libro ‘Despertares’, que dio origen a una obra dramática de Harold Pinter y a una película dirigida por Penny Williams y protagonizada por De Niro y Robin Williams, da cuenta en numerosas historias clínicas de sus intentos de cura con levo-dopa de pacientes con síndrome postencefálico, la encefalitis letárgica, una funesta secuela de la enfermedad de Parkinson. Se supone que la pandemia de párkinson tuvo su origen en el virus de la llamada ‘gripe española’ de 1928. El hecho de que el párkinson y los síndromes postencefálicos se desarrollen tantos años después de adquirido el virus se debe a que solo se alcanzan cuando la destrucción de las neuronas de la ‘sustancia nigra’ del cerebro es aproximadamente del 80%, efecto que se potencia con la edad).

Paul Greengard (1925 – 2019, Nueva York) tras su doctorado en 1953 en la Universidad John Hopkins viajó a varias universidades de Europa. Fue director del Departamento de Bioquímica de los laboratorios de investigación Geigy y profesor en el Departamento de Farmacología de la Universidad de Yale antes de pasar al Laboratorio de Ciencias Moleculares y Celulares de la Universidad Rockfeller. Greengard demostró que los neurotransmisores tales como la dopamina se manifiestan con dos clases de señales sinápticas: lentas y rápidas. Cuando el neurotransmisor llega a las proteínas receptoras que residen en los canales iónicos de la membrana celular, provoca la irrupción de un segundo mensajero que añade moléculas de fosfato a las proteínas de la célula nerviosa, cambiando su forma y función, dotándolas de excitabilidad para transmitir mensajes. Greengard encontró una proteína reguladora, la DARPP-32, que participaba en las reacciones de fosforilación y desfosforilación en las que se ponen y quitan fosfatos.

En su lección del Nobel, titulada «La señalización neurobiológica de la dopamina», Greengard señaló la enorme dificultad que representa el estudio del cerebro, constituido, digamos, por cien mil millones de células nerviosas y cada una de ellas conectándose con otras mil ¿eléctrica o químicamente? Este debate lo ganaron, dijo, los de la escuela química, ya que el 99% de las células del cerebro emplean transmisión química. Explicó que hay dos categorías de transmisión sináptica: rápidas, que ocurren en menos de 1mseg, y lentas, que transcurren desde decenas de milisegundos a segundos. La mitad de las rápidas son excitantes y utilizan glutamato como neurotransmisor y la otra mitad son inhibidoras y la mayoría usan GABA (ácido-gamma-aminobutanoico). El glutamato se une a su receptor de la célula vecina y causa en él un cambio de conformación, lo que permite la entrada de los iones sodio en la célula causando una despolarización y excitación. En la transición inhibidora rápida es el GABA el que causa el cambio de conformación en el receptor que permite a los iones cloruro entrar en la célula causando una hiperpolarización inhibidora. La transmisión sináptica lenta es mucho más compleja que la rápida. Hay unos 150 compuestos que parecen servir de neurotransmisores en el cerebro, todos bioaminas y péptidos; incluso glutamato y GABA pueden actuar como lentos. Tras unirse a sus receptores cambian el nivel de un segundo mensajero, que puede ser AMPc (adenosinmonofosfato cíclico), GMPc, Ca2+ o diacilglicerol. Estos activan diversas clases de proteínas quinasas, que cambian por fosforilación las propiedades de las proteínas sustrato, las más numerosas de las cuales son receptoras de los neurotransmisores tanto rápidos como lentos y fosforilan los canales iónicos. Este esquema, en el que hay que incluir las proteínas ‘pompas de iones’ que restauran el equilibrio iónico tras la actividad neuronal y las proteínas ‘factores de transcripción’ presentes en el núcleo de la célula que controlan la síntesis de nuevas proteínas, fue muy controvertido en principio y ahora es aceptado como dogma, dijo Greengard.

En nuestros estudios sobre la señalización de la dopamina, dijo Greengard, fuimos muy afortunados al descubrir una molécula a la que llamamos DARPP-32, una proteína de 32000 g/mol formada por 205 aminoácidos que media entre la dopamina y otros neurotransmisores, por ejemplo el glutamato, y establecimos cómo funciona mediante reacciones muy complejas de fosforilación y desfosforilación en la conexión entre el neostriatum, el cortex y la sustancia nigra. Greengard esquematizó unas pocas rutas de las muchas que sigue la transducción en las neuronas que funcionan con los principales receptores de dopamina y glutamato, indicando que las rutas son muy complejas y tienen múltiples lugares de interacción. También apuntó que la transición sináptica lenta es el ‘software’ que controla la transición. Estos y otros descubrimientos, señaló, han provisto nuevas dianas terapéuticas para el tratamiento de enfermedades neurológicas y psiquiátricas. Por ejemplo, los pacientes de párkinson, al poco tiempo de ser tratados con L-dopa se vuelven refractarios al tratamiento, quizá debido a un descenso en la regulación de los receptores de dopamina. Hay que saber más, acabó diciendo Greengard. Hay que encontrar sustancias terapéuticas que activen e inhiban los componentes intracelulares en las rutas de transmisión. Hay que encontrar otras rutas de la dopamina.

Eric R. Kandel (1929,Viena) llegó a Nueva York en 1939 con su familia huida del régimen nazi establecido en Austria. Estudió historia y literatura en Harvard y, después, psicoanálisis y psicología del aprendizaje y la memoria. Más tarde se dedicó al estudio de las bases biológicas de la mente. Desde 1974 era profesor en el Centro de Neurobiología y Comportamiento de la Universidad de Columbia, N. Y. Para el estudio de los mecanismos básicos de la memoria (por los que fue premiado) escogió la Aplysia, una babosa marina con unas 20000 células nerviosas largas. En ellas aplicó estímulos que provocaban reflejos protectores duraderos quizá relacionados con el aprendizaje. Los estímulos débiles parecían relacionados con la memoria inmediata y los estímulos mayores influían en la memoria al largo plazo de semanas. Los resultados indicaban que los cambios en el funcionamiento de las sinapsis eran decisivos para el aprendizaje y la memoria. Así, las reacciones de fosforilación eran importantes en la generación de la memoria a corto plazo y los cambios en las síntesis de proteínas lo eran para el desarrollo de la memoria a largo plazo. Kantel extendió sus experimentos a ratones, mamíferos más cercanos a los humanos que las babosas.

La lección dictada como aceptación del premio, titulada «La biología molecular del almacenamiento de la memoria: un diálogo entre genes y sinapsis» ocupaba una extensión de 48 páginas, casi un libro. En sus páginas finales, Kantel ofrece una vista general en la que comienza distinguiendo dos componentes de la memoria: 1.- El mecanismo molecular mediante el cual se guarda la información. 2.- Los mecanismos por los que los lugares de almacenamiento interaccionan para codificar, guardar y recordar la memoria. Atendiendo a los componentes del almacenamiento llega a dos conclusiones generales. 1ª.- Las estrategias celulares y moleculares empleadas por la Aplysia para guardar la memoria a corto y largo plazo se conservan de los moluscos a los mamíferos. También se emplean las mismas estrategias para el almacenamiento de las memorias implícita (en la que las experiencias previas ayudan en la ejecución de tareas) y explícita (en la que hay recolección consciente de la información de experiencias previas). Ambos tipos de memoria se correlacionan con las memorias a largo y corto plazo. Los cambios sinápticos de corto plazo implican la modificación covalente de proteínas preexistentes, mientras que los cambios sinápticos de plazo largo implican la activación de la expresión de genes, la síntesis de nuevas proteínas y la formación de conexiones nuevas. Las de corto usan proteínas quinasas y las de largo una ruta de proteínas que acaba en el factor de conexión: PKA, MAPK, CREB-! (para el ratón se necesitan componentes adicionales). En las memorias implícita y explícita el interruptor de corto y largo está regulado con muchos inhibidores. Uno de ellos es el balance entre fosforilación y desfosforilación de proteínas y determina el límite de almacenamiento de la memoria explícita; si se elimina el inhibidor se rebaja el límite LTP (proteínas transportadoras de lípidos en sus siglas inglesas) y aumenta el almacenamiento. 2ª.- Los transmisores moduladores del cerebro refuerzan estímulos importantes para la plasticidad sináptica relacionada con el aprendizaje y el almacenamiento de la memoria. Pueden actuar de tres maneras: 1.- Activan las quinasas segundo mensajero que son enviadas al núcleo donde inician los procesos requeridos para el crecimiento neuronal y la memoria a largo plazo. 2.- marcan las sinapsis específicas de los procesos de plazo largo y regulan la síntesis proteica local. 3.- Parece ser que median en los procesos requeridos para la formación de la memoria explícita y el recuerdo.

El estudio de la memoria a largo plazo nos ha alertado del extenso diálogo existente entre la sinapsis y el núcleo y viceversa. Sus interacciones son diferentes en la plasticidad sináptica de los procesos largos y cortos. En los largos la respuesta está determinada por la historia de la actividad tanto en las sinapsis como en el núcleo. La complejidad de la memoria explícita es formidable. Solo hemos empezado a explorarla. Hemos estudiado el almacenamiento de la memoria, pero esto no es más que una parte del problema ¿Cómo interaccionan las diferentes zonas del hipocampo y el lóbulo temporal medial en el almacenamiento de la memoria explícita? ¿Cómo se transfiere la información desde estas zonas al neocórtex? ¿Qué información crítica va al neocórtex? Para clarificar el proceso del recuerdo sería necesario el concurso de otras ramas de la ciencia, como la psicología, la neurología y la psiquiatría.

Lo que usted opine, etiquete y clasifique, doctor Kandel.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 1991 lo compartieron Erwin Neher y Bert Sakmann «por sus descubrimientos sobre la función de los canales iónicos en las células». Hacia 1980 ambos investigadores desarrollaron un método para medir las debilísimas corrientes eléctricas debidas al tránsito de los iones a través de la membrana celular. Confirmaron que dicho tránsito, de importancia crucial para la transferencia de señales en las funciones del cuerpo, tiene lugar a través de canales moleculares que se abren en determinadas condiciones.

Erwin NEHER (1944, Landsberg, Alemania) trabajaba en el Instituto Max Planck de Biofísica Química en Gotinga cuando le concedieron el Nobel. En ese Instituto coincidió con Sakmann cuando, años atrás, preparaban sus tesis doctorales. Actualmente es doctor ‘honoris causa’ por varias universidades, la de Alicante, España, entre ellas.

En su discurso del Nobel, titulado «Canales iónicos para la comunicación entre y dentro de las células», Neher recordó que hacia 1970 ya se conocían los mecanismos fundamentales de la comunicación entre células gracias a los trabajos de Hodgkin, Huxley, Katz y otros citados en la revisión publicada por B. Hille. Aunque no había evidencia directa de la existencia de canales iónicos en las membranas biológicas, dijo, sí se conocían en preparaciones experimentales que imitaban las membranas de las células vivas, formadas por moléculas de lípidos con extremos polares. Neher hizo una relación de las dificultades que tuvieron que vencer para obtener información a partir de las muchas señales eléctricas procedentes de una multitud de células excitables eléctrica y químicamente. Utilizaron micropipetas de vidrio con forma de pinza (‘patch clamp’) entre cuyos extremos mantuvieron una minúscula porción de membrana celular estableciendo así una fuerte conexión mecánica entre la pipeta y la membrana. Procuraron disminuir el excesivo ruido de fondo empleando amplificadores electrónicos mejorados. La célula podía cargarse con diversas sustancias a través de la pipeta, iones u otras, posibilitando las medidas sin disturbar los procesos, para obtener datos con el mayor control experimental posible de los canales de cada tipo de ion. Así fueron capaces de caracterizar con buena amplitud y resolución los canales para Na+, K+, Ca2+ y Cl-. Los canales de sodio eran relativamente robustos, pero los de calcio desaparecían rápidamente por la perturbación de la medida, dijo Neher. Añadió que una propiedad espectacular de las medidas con pipeta de gran resistencia óhmica es su alta sensibilidad: con ellas se registran no solo corrientes sino también la capacitancia eléctrica de la membrana, que es una medida del área superficial de la célula. Esta área aumenta cuando se produce una secreción masiva de vesículas, posiblemente debido a la incorporación de la membrana de la vesícula a la membrana plasmática. Las medidas de capacitancia son de alta resolución y, al tiempo, de reducido ruido de fondo. También dijo que, desafortunadamente, las terminales nerviosas no son accesibles a la clase de investigaciones biofísicas aquí descritas para la evaluación de la secreción de iones calcio.

Bert SAKMANN (1942, Stuttgart, Alemania) estudió medicina e hizo el doctorado en electrofisiología. Se casó y le conocían por el marido de la oftalmóloga. Quizá por la influencia de su esposa se interesó por el modelo de reconocimiento del sistema visual y de ahí pasó, con Neher, a la medida de las conexiones sinápticas. Cuando tuvo la oportunidad de tener su propio laboratorio (por ser catedrático) en Gotinga se le unió Neher. Este había elucidado que el proceso de secreción de diferentes sustancias (histamina, adrenalina, insulina y otras): ocurre cuando se funden las membranas de célula y vesícula. Junto con Sakmann aclararon varios mecanismos de secreción, por ejemplo, cómo se mantiene el nivel de insulina en sangre merced a las interacciones de los iones calcio con la hormona y el ATP; un proceso que se descompensa en la diabetes. Cuando le concedieron el Nobel, Sakmann trabajaba en el Instituto Max Planck para la Investigación Médica en Heidelberg.

En su discurso de aceptación del premio Nobel, titulado «Pasos elementales en la transmisión sináptica revelados por las corrientes a través de los canales iónicos simples», Sakmann comenzó haciendo una exposición clara y completa del conocimiento de la transmisión de señales en el sistema nervioso. La membrana de la célula, dijo, es una barrera para la difusión y un aislante eléctrico, lo que permite la existencia de células con funciones especializadas. Para comunicarse, las células deben tener un mecanismo que permita que la membrana pueda ser atravesada: se conectan con rapidez mediante la sinapsis. La señal sináptica se usa preferentemente entre células del sistema nervioso y células de los órganos periféricos responsables de la traducción de sensaciones y de la actividad secretora y motora. La transmisión sináptica incluye un paso químico en el que se libera el transmisor desde la célula presináptica y actúa sobre los receptores de la célula postsináptica. El receptor es parte de un canal iónico y, debido a la ocupación del transmisor, genera un breve flujo de iones a través de la membrana postsináptica, lo que provoca un cambio en el potencial de dicha membrana. El flujo de iones es, realmente, la señal que inicia la respuesta celular. El tamaño, la duración, la dirección y la naturaleza del flujo de iones inicia o reduce la actividad eléctrica de la célula. La respuesta celular puede también estar determinada por el cambio en las concentraciones intracelulares de los iones, en particular de los iones calcio, que actúan como un segundo mensajero en muchas respuestas, sean de contracción o de secreción.

La sinapsis prototípica es la unión neuromuscular. En ella, la terminal del nervio de una neurona motora libera acetilcolina y genera potenciales de placa (EPP) que a su vez activan conductancias sensoriales para que se transmita excitación a otras partes de la fibra muscular. La corriente fluye a través de las placas, inducida por la liberación de paquetes de acetilcolina, mediante un conjunto de pequeños ‘sucesos elementales’. Hay evidencia de que la superposición de dichos sucesos se da también en otras sinapsis, no solo en las neuromusculares. Bert Sakmann describió en su discurso las propiedades de las corrientes (sucesos) elementales en los potenciales postsinápticos y las enlazó con sus condicionantes moleculares. Dijo que las medidas del ‘patch clamp’ se aplican de manera rutinaria combinándolas con la intervención del ADN mensajero y la fluorimetría para caracterizar los detalles de los sucesos sinápticos entre células, Así, las medidas de las corrientes elementales permiten la interpretación biofísica simplificada de las señales eléctricas que subyacen en la rápida comunicación celular a través de las sinapsis y pueden ser parcialmente comprendidas en términos moleculares. Las medidas de la conductancia en canales simples han permitido poner de manifiesto numerosos canales del receptor y segundos canales del mensajero en las neuronas del sistema nervioso central (SNC).

Sakmann terminó su alocución hablando de perspectivas. Dijo que la caracterización de los tipos de canales iónicos de las dendritas de las neuronas del SNC es necesaria para entender su función: la generación de patrones de actividad eléctrica que resultan de los potenciales de placa internos y externos. Igual de importante es la caracterización de los canales iónicos responsables de la actividad eléctrica de las terminales de los nervios. Añadió que confiaba en que las pipetas ‘patch clamp’ dieran las soluciones relativas a estas necesidades, que son un prerrequisito para entender cómo los cambios en la transmisión sináptica pueden contribuir a los cambios en la conexión entre neuronas durante los estados normales y patológicos.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 1970 lo compartieron Sir Bernard Katz, Ulf von Euler y Julius Axelrod «por sus descubrimientos sobre los transmisores humorales en las terminaciones nerviosas y el mecanismo para su almacenamiento, liberación y desactivación».

Bernard KATZ (1911, Leipzig – 2003, Londres), alemán de familia judía rusa, se exilió a Gran Bretaña por temor al régimen nazi y se nacionalizó en 1941. Estudió medicina en la Universidad de Leipzig, cursó el doctorado en el University College de Londres en 1935 y se doctoró en la London University en 1938. Durante la guerra trabajó con Eccles en Australia y en 1950 llegó a ser profesor de Biofísica en el University College. El tema principal de sus investigaciones se refiere a la transmisión colinérgica entre células nerviosas, esto es, a la química de la transmisión nerviosa estudiando en concreto el papel de los iones calcio en promover la liberación de las sustancias neurotransmisoras, así como al hecho de que se estén liberando a intervalos irregulares paquetes (cuantos) de estas sustancias.

En su lección del Nobel, titulada «Sobre el mecanismo de la liberación en cuantos del transmisor nervioso», Katz dijo que los tres premiados se habían inspirado en los trabajos de Dale y Loewi. Asimismo, anunció que expondría la investigación desarrollada durante los últimos veinte años con sus colaboradores Fatt, Castillo y Miledi sobre la transmisión: Nervio —-> Acetilcolina —-> Músculo. Sabíamos, dijo, que la placa del extremo de la fibra muscular, que es la superficie en contacto con el nervio, funciona como detector químico para varias sustancias y especialmente para la acetilcolina. Cuando esta se aplica en pequeñas cantidades a la superficie exterior abre canales en la membrana, a cuyo través pueden pasar los cationes. El flujo de esta corriente origina una despolarización local de la membrana, bajando su potencial normal. Por esto, por la actuación de la placa superficial del músculo como transductor electroquímico, pudimos registrar los impactos de pequeñas cantidades de acetilcolina en forma de cambios locales de potencial. Normalmente, un impulso nervioso libera una cantidad de acetilcolina suficiente ( unos 1000 cuantos de acetilcolina en menos de 1mseg ) para producir una despolarización local ( unos 50 mV ) con lo que la fibra muscular inicia una nueva ola de propagación de la excitación. Pero comprobamos que, en ausencia de estimulación, la zona plana de la fibra muscular no está en reposo, sino que muestra una actividad de solo 0,5 mV de amplitud en 0,1mseg, generados por el impacto asíncrono de paquetes (cuantos) constituidos por unas 10000 moléculas de acetilcolina descargadas espontáneamente por la terminal nerviosa vecina.

Katz estableció tres conclusiones: 1.- Los minipotenciales no son privativos de las uniones neuromusculares ni de los sistemas colinérgicos, sino que se han encontrado en diversas clases de sinapsis, en los sistemas nerviosos central y periférico y en todo el reino animal. Ocurre siempre que hay una mediación química. 2.- La mayor parte de la acetilcolina se encuentra agrupada en vesículas situadas en los lugares presinápticos de liberación. 3.- La frecuencia de los minipotenciales, esto es, la velocidad de secreción de acetilcolina, está controlada por el potencial de membrana de los terminales del axon: la despolarización de la membrana presináptica causa la velocidad de la descarga.

Además, Katz expuso que se requiere la presencia de iones calcio en el medio exterior para que sea efectiva la despolarización. Si disminuye su concentración o se agregan iones competitivos la despolarización es menos capaz de acelerar la velocidad de descarga de los minipotenciales. El proceso ocurre así: la despolarización abre poros específicos a los iones calcio en la membrana terminal del axon y el flujo de estos iones inicia la liberación de paquetes de moléculas del transmisor encerradas en vesículas sinápticas. El Ca2+ aporta la fusión entre las membranas de las vesículas y el axon, lo que conduce a la descarga del contenido vesicular en la hendidura sináptica.

Ulf von EULER – CHELPIN (1905 – 1983, Estocolmo), hijo de Hans von Euler – Chelpin y ahijado de Svante Arrhenius, premios Nobel de Química en 1929 y 1903 respectivamente, se doctoró en medicina en 1930, trabajó becado con H.H. Dale en Londres y descubrió nuevas biomoléculas entre los años 1935 y 1946: prostaglandina, vesiglandina, piperidinas y noradrenalina. Fue profesor de Fisiología en el Karolinska Institute desde 1930 hasta 1971. En su investigación sobre la noradrenalina, también llamada norepinefrina, encontró que era un neurotransmisor clave del sistema nervioso simpático y que se almacenaba en gránulos situados dentro de las fibras nerviosas.

En su lección de recepción del premio Nobel, titulada «Funciones del neurotransmisor adrenérgico», recordó que la neurotransmisión química es un concepto atribuido a Ellitt (1904) quien señaló la similitud entre la acción de la adrenalina y la estimulación del nervio simpático. Este efecto fue probado por Loewi y colaboradores, pero no comprobaron que era una excepción y no una regla, porque, como demostró analíticamente el propio Euler (1946-48), la acción no era debida a la adrenalina sino a su homólogo no metilado: la noradrenalina. Tras numerosos estudios sistemáticos, se supo que esta molécula estaba presente en casi todos los órganos y tejidos, con la notable excepción de la placenta, que está libre de nervios. Concluyeron que donde hay nervios hay noradrenalina. Después pasaron a evaluar la cantidad de noradrenalina en varios órganos de oveja, encontrando la mayor cantidad en el bazo (3 – 4 microgramos por gramo) más que , por ejemplo, en los pulmones (0,08 – 0,1). También demostraron que los órganos contenían adrenalina en pequeñas cantidades, y que la proporción en que ambas aminas eran liberadas de las glándulas suprarrenales dependía del lugar donde se iniciara el estímulo. Por entonces, Goodall, trabajando en el laboratorio de von Euler, descubrió la tercera catecolamina: la dopamina. Estudiando en la orina la secreción de aminas encontraron que el trabajo muscular suponía una mayor actividad del sistema adrenérgico y que la cantidad de catecolamina aumentaba en situación de estrés, como en el dolor o en la ansiedad. Asimismo, establecieron que las catecolaminas estaban en unas partículas subcelulares que vistas en el microscopio electrónico eran gránulos de 300 a 1500 Aº de diámetro cubiertas por una membrana de 70 Aº. Así, las porciones terminales de los nervios adrenérgicos tienen una apariencia granulada: son como una serie de hinchamientos que contienen el neurotransmisor en concentración alta. La capacidad de almacenamiento vale para noradrenalina y adrenalina; la dopamina no se guarda en las partículas de noradrenalina. También investigaron sobre la muchas drogas que interfieren en el almacenamiento y liberación: bloqueantes adrenérgicos, aminas contrarias, drogas psicotrópicas e inhibidores metabólicos. Finalmente, von Euler exhibió un esquema de la terminal de un nervio adrenérgico en el que se muestra que en la síntesis de noradrenalina, un proceso rápido y regulado con precisión, una parte se guarda en gránulos y otra se transfiere a la membrana desde la que es liberada.

Julius AXELROD (1912, New York – 2004, Bethesda), bioquímico y farmacéutico, se doctoró en la George Washington University en 1955. Perdió un ojo en un accidente con amoniaco en el laboratorio. Investigó durante largos años en los National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA. Fue jefe del departamento de farmacología química del Laboratory of Clinical Sciences. Siguió con el trabajo de Euler sobre el neurotransmisor noradrenalina y determinó el papel de las enzimas en la actividad nerviosa, un descubrimiento crítico para entender el funcionamiento completo del sistema nervioso.

En su discurso del Nobel, titulado «Noradrenalina: destino y control de su biosíntesis», empezó diciendo que se enteró de lo poco que se había hecho sobre el metabolismo de la noradrenalina y adrenalina y decidió abordarlo. Así, comenzó trabajando con una fracción de hígado de rata a la que añadió ATP, metionina, iones magnesio y adrenalina, midiendo la desaparición de esta catecolamina. Después fue reemplazando reactivos y encontró que las tres catecolaminas producían O-metilaminas y metabolitos con grupos COOH y OH. Descubrió que la responsable de la metilación era la enzima catecol-O-metiltransferasa, COMT, que requería para su funcionamiento iones magnesio y S-adenosilmetionina como donante de metilo. Comprobó que la enzima, de unos 24000 g/mol, neutralizaba la noradrenalina, ya que la administración ‘in vivo’ de inhibidores de la COMT (polifenoles y otros) resultaba en una prolongación de los efectos fisiológicos de la noradrenalina. El descubrimiento de la COMT condujo al descubrimiento de otras metiltransferasas implicadas en el metabolismo de las aminas bioquímicas.

Axelrod dividió su discurso en varios apartados. Con respecto al almacenamiento de noradrenalina en los nervios del sistema simpático dijo que marcaron con tritio la adrenalina y la noradrenalina y midieron su distribución: encontraron que las dos estaban retenidas en los tejidos en forma inactiva. Para localizar la zona intraneuronal de la retención emplearon microscopía electrónica y autorradiografía y vieron en los axones vesículas de unos 500 Aº. Concluyeron que la noradrenalina liberada de los terminales nerviosos tenía varios destinos; parte se descargaba en el flujo sanguíneo, parte era O-metilada por el COMT y parte era almacenada por las neuronas del sistema simpático. Con respecto al efecto de las drogas, probaron imipramina, clorpromacina, cocaína, reserpina, anfetamina y tiramina, que incrementaban la velocidad del metabolismo al exponer a las catecolaminas al ataque de las enzimas COMT y MAO (monoamino oxidasa). Normalmente, la mayor porción de las catecolaminas se almacena en el nervio y otra porción más pequeña va al receptor, pero en presencia de drogas, la mayor parte va al receptor. Con respecto a la biosíntesis de las catecolaminas, Axelrod presentó una secuencia de reacciones: Tirosina —-> Dopa —-> —->Dopamina —-> Noradrenalina —-> Adrenalina. En cada paso actuaba una enzima en el orden siguiente: Tirosina hidroxilasa —-> Dopa descarboxilasa —-> Dopamina-beta-oxidasa —-> PNMT (feniletanolamina-N-metil transferasa). El incremento de las enzimas productoras de catecolaminas en estrés sostenido puede ser inducido neuronalmente, pero no es inmediata, como sí lo es en el caso de una descarga de adrenalina y noradrenalina en estado de ira, miedo o agresión. Por otra parte, la noradrenalina estimula la síntesis de la hormona melatonina en la glándula pineal, rica en fibras del nervio simpático, aumentando específicamente la síntesis de moléculas de N-acetil transferasa.

Axelrod finalizó su discurso considerando que los avances sobre la influencia de las drogas psicotrópicas en la absorción, almacenamiento, liberación, formación y metabolismo de las catecolaminas, han sido efectivos en el tratamiento de desórdenes afectivos y dolencias neurológicas y cardiovasculares. Los hallazgos relativos al sistema nervioso central y periférico han servido para estudiar las causas y el tratamiento de la depresión mental, el párkinson y la hipertensión.

El premio Nobel de Fisiología o Medicina 1963 lo compartieron Sir John Carew Eccles, Sir Alan Lloyd Hodgkin y Sir Andrew Fielding Huxley «por sus descubrimientos sobre los mecanismos iónicos relacionados con la excitación e inhibición en las partes periféricas y centrales de la membrana de la célula nerviosa».

John C. ECCLES (1903, Melbourne – 1997, Contra, Suiza) estudió con Sherrington en Oxford, fue su asistente de investigación y publicó trabajos con él. Se doctoró en 1929 con una tesis sobre excitación e inhibición nerviosa y estuvo en la batalla entre los partidarios de la transmisión eléctrica o química del impulso nervioso, finalmente decantada a favor de los últimos. En 1951 fue profesor de Fisiología en la Australian National University, Canberra, donde él y otros fueron los primeros en insertar microelectrodos en las células del sistema nervioso central, midiendo en varias partes del organismo: cerebro, médula, tálamo, hipocampo y cerebelo. En 1966 fue profesor del Institute of Medical Research, Chicago, y en 1968 de la State University of New York, Bufalo.

El artículo dedicado a Eccles en la Biblioteca Británica explica que el impulso nervioso que excita la célula de la sinapsis suelta en la célula vecina una sustancia, probablemente acetilcolina, que ensancha los poros de las membranas del nervio. Estos poros permiten el paso de Na+ en la célula vecina y cambian la polaridad de la carga eléctrica. Esta onda de carga, que constituye el impulso nervioso, se conduce de una célula a otra. Eccles encontró que una célula excitada induce otro tipo de sinapsis que segrega en la célula vecina una sustancia que promueve el paso de K+ a través de la membrana, reforzando la polaridad e inhibiendo la transmisión del impulso. El trabajo de Eccles estuvo apoyado en los trabajos de Hodgkin y Huxley y tuvo una gran influencia en el tratamiento médico de los trastornos nerviosos de las funciones del riñón, corazón y cerebro.

En la lección dictada en la recepción del Nobel, titulada «El mecanismo iónico de la inhibición postsináptica», Eccles dijo que había empleado la microscopía electrónica para obtener datos sobre la fase química de la transmisión de impulsos a través de las sinapsis. Mostró imágenes en las que se ve la membrana, de 70 Aº de espesor, y la protuberancia sináptica con numerosas vesículas en su interior. Estas vesículas contienen las sustancias químicas responsables de la transmisión, explicó. La hendidura entre células medía unos 200 Aº. Insertando microelectrodos de 0,5 micras de diámetro en la neurona comprobó que la membrana de la célula nerviosa separaba dos disoluciones acuosas de composición iónica diferente: en el interior era mayor la concentración de K+ y en el exterior la de Na+; una diferencia de potencial produce la difusión de los iones. Eccles denominó sinapsis excitantes (SE) a las que descargan impulsos y potenciales postsinápticos excitantes (PPE) a los que las SE producen en la membrana postsináptica. Los potenciales postsinápticos inhibidores (PPI) son la imagen en el espejo de los PPE. Eccles probó que la permeabilidad iónica de la membrana postsináptica controla la composición iónica intracelular y que zonas especializadas de la membrana desarrollan en milisegundos una permeabilidad iónica específica bajo la influencia del transmisor inhibitorio. Las corrientes se producen al aumentar la permeabilidad iónica de la membrana. Eccles estudió la correlación entre el tamaño de los iones hidratados (Na+, K+ y muchos aniones) y los efectos en el PPI. Dedujo que la permeabilidad está únicamente determinada por el tamaño de los iones hidratados, tanto aniones como cationes, y postuló que el tamaño de los poros de la membrana es uniforme. Como conclusión, Eccles dijo que la membrana hace de tamiz, que los iones cloruro y potasio se mueven a su través en un flujo intenso que produce el PPI y que contra actúa la acción despolarizante de las SE, efectuando la inhibición.

Alan Lloyd HODGKIN (1914, Banbury, UK, – 1998, Cambridge) inició su colaboración con Huxley en 1938. Durante la guerra ambos trabajaron en el radar y después continuaron su relación investigadora. Con R. D. Keynes trabajó en los mecanismos iónicos de las células vivas asesorados por Lord Adrian. En 1951 fue nombrado profesor de investigación de la Royal Society y en 1966 profesor de Biofísica.

En su lectura de aceptación del premio Nobel, titulada «Las bases iónicas de la conducción nerviosa», Hodgkin explicó que, con Huxley, se enfrentaron con el problema de probar experimentalmente que el potencial de acción es el agente que causa la propagación del impulso nervioso. Trabajaron con el nervio simple de un calamar gigante en el que insertaron, siguiendo el método de Eccles, microlectrodos de 0,5 micras de diámetro externo. Midieron la diferencia de potencial entre el electrodo del interior de la fibra nerviosa y la disolución externa y demostraron que el potencial eléctrico de la fibra durante la conducción de un impulso era mayor que el potencial en reposo, lo que era incompatible con la teoría aceptada que postulaba una rotura de la membrana del nervio durante la conducción del impulso. Hicieron la hipótesis de que el potencial de acción estaría muy influenciado por la concentración de iones sodio en el fluido externo, consiguieron medir por separado los flujos de corriente iónicos de Na+ y K+ a través de la membrana demostrando que cuando el voltaje cambia de – 65 mV a 0 mV, se produce un flujo de Na+ hacia el interior en el primer microsegundo, seguida de un flujo de K+ hacia el exterior. Estos resultados experimentales, logrados en 1952, indicaron que la membrana del nervio permite que el K+ entre en la fibra durante la fase de descanso y que el Na+ penetre cuando la fibra es excitada. Los movimientos iónicos en sentidos opuestos daban lugar a corrientes eléctricas. Aunque no conocíamos, dijo Hodgkin, ni la química ni la estructura fina de la membrana, fuimos capaces de dar la forma, la duración y la amplitud del potencial de acción, la velocidad de conducción, los cambios de impedancia y el comportamiento oscilatorio de los movimientos iónicos. Pero persistía una deficiencia fundamental que subsanó el bioquímico danés Jens Skou en 1957 describiendo la primera bomba molecular: una enzima localizada en la membrana, la ATPasa, que transportaba Na+ y K+ y mantenía los gradientes de sodio y potasio dentro y fuera de la célula, una máquina eficiente que convertía la energía química de la hidrólisis del ATP en el trabajo de transportar cationes en contra del gradiente electroquímico distinguiendo los iones sodio de los de potasio. (A Jens le concedieron el premio Nobel en 1997, ‘sólo’ cuarenta años después de su sensacional trabajo).

Andrew Fielding HUXLEY (1917, London – 2012, Grantchester) era nieto de T.H. Huxley, el famoso defensor de Darwin, hijo de Leonard Huxley, y medio hermano de Aldous y Julian. Fue, como su maestro Hodgkin, profesor de investigación de la Royal Society (1969). Además de su cooperación en los trabajos que merecieron el premio Nobel expuestos antes, hizo investigaciones publicadas sobre el proceso de contracción de la fibra muscular en colaboración con Rolf Niedergerbe. Utilizaron un microscopio de interferencia para estudiar las fibras y desarrollaron la teoría del filamento deslizante según la cual los filamentos gruesos de miosina de las fibras resbalan sobre los delgados de actina durante la contracción muscular.

En su discurso de recepción del Nobel, titulado «El análisis cuantitativo de la excitación y la conducción en el nervio», exhibió el aparato, dotado de electrodos y terminales, con el que hicieron las medidas, señalando que las registraban en un osciloscopio de rayos catódicos y las fotografiaban. De las mediciones dedujeron que la conductancia de la corriente total es la suma de las dos corrientes iónicas de sodio y potasio a través de la membrana. Además, desarrollaron uno de los primeros modelos computacionales en bioquímica, con ecuaciones en derivadas parciales (que no fueron expuestas en la conferencia). Aunque emplearon las computadoras de aquellos lejanos tiempos, «la concordancia de los resultados computados y los cambios de potencial registrados en las fibras nerviosas reales es prometedor, dijo Huxley, pero no creemos que nuestras ecuaciones sean definitivas porque sólo cubren sucesos inmediatamente después del potencial de acción. Nuestras ecuaciones pueden considerarse una primera aproximación que necesita ser refinada».