CAPÍTULO IV

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LA MITOCONDRIA

INTRODUCCIÓN

Mitocondria, diminuta estructura celular de doble membrana responsable de la conversión de nutrientes en el compuesto rico en energía trifosfato de adenosina (ATP), que actúa como combustible celular. Por esta función que desempeñan, llamada respiración, se dice que las mitocondrias son el motor de la célula.Se encuentran mitocondrias en las células eucarióticas (células con el núcleo delimitado por membrana). El número de mitocondrias de una célula depende de la función de ésta. Las células con demandas de energía particularmente elevadas, como las musculares, tienen muchas más mitocondrias que otras. Por su acusado parecido con las bacterias aeróbicas (es decir, que necesitan oxígeno), los científicos creen que las mitocondrias han evolucionado a partir de una relación simbiótica o de cooperación entre una bacteria aeróbica y una célula eucarióticas ancestral.

MITOCONDRIA

ORIGEN Y EVOLUCIÓN DE LAS MITOCONDRIA

EL ORIGEN ENDOSIMBIÓNTICO DE LAS MITOCONDRIAS

La explicación más aceptada del origen de las mitocondrias se conoce como la teoría de la endosimbiosis. Sin embargo, no existe aún total acuerdo sobre quienes fueron los protagonistas involucrados en este proceso de endosimbiosis, por lo que se han planteado varias alternativas.

Una de las más aceptadas, propone que estos organelos son descendientes de un endosimbionte bacteriano (una α-proteobacteria) que se estableció en el citosol de un protoeucariote en una etapa temprana de la evolución. Las secuencias de genes mitocondriales han permitido rastrear los orígenes de las mitocondrias hacia un ancestro de los miembros de la subdivisión de los rikettsiales, a la cual pertenecen parásitos intracelulares obligados de los géneros Rickettsia, Anaplasma y Ehrlichia

Una hipótesis alternativa, la hipótesis del hidrógeno, sugiere que los eucariontes se originaron por la asociación metabólica entre una α-proteobacteria anaeróbica facultativa que generaba hidrógeno y bióxido de carbono como productos de desecho, y una archaea metanógena anaeróbica estricta y autotrófica cuyo metabolismo dependía del hidrógeno. Esta propuesta explica las posibles presiones evolutivas que favorecieron el establecimiento de la endosimbiosis

Esta hipótesis también sugiere que el origen de las mitocondrias y de las células eucariontes ocurrió de manera simultánea. Una tercera hipótesis, la hipótesis de la sintrofía, sugiere que la fusión inicial entre una archea y una α-proteobacteria dio lugar al primer protoeucariote. Este proceso fue seguido por la endosimbiosis de una α-proteobacteria, la cual dió origen a las mitocondrias

Sea cuales fueren los protagonistas involucrados, se piensa que la endosimbiosis que dio origen a las mitocondrias ocurrió en una sola ocasión por lo que se dice que estos organelos tienen un origen monofilético (es decir, derivan de un ancestro común).

La endosimbiosis no es un fenómeno raro en la naturaleza, existen varias especies de bacterias que coexisten con un hospedero eucarionte o bacterias que habitan en el interior de otras bacterias Incluso, el fenómeno de simbiosis intracelular ha sido reproducido en el laboratorio, al introducir ciertas cepas bacterianas en algunas amibas y formar endosimbiontes estables.

Actualmente, las mitocondrias conservan varias características similares a células procariontes: se dividen mediante un mecanismo similar a la fisión binaria; los procesos respiratorios que suceden en su interior son muy similares a los que ocurren en las bacterias aeróbicas actuales; y en la matriz mitocondrial es posible encontrar varias copias de un genoma (González-Halphen, Pérez-Martínez, Funes, Reyes-Prieto y Santillán-Torres) mitocondrial así como ARNs y ribosomas de tipo bacteriano que participan en la síntesis de proteínas.

Recientemente, Karlberg y Col realizaron un análisis de las más de 400 proteínas que se predice son funcionales en la mitocondria de la levadura Saccharomyces cerevisiae, y encontraron que la mayoría de los genes provenientes de la α-proteobacteria que dio origen a la mitocondria se han perdido en el transcurso de la evolución del organelo.

Así mismo, resulta interesante que no todas las proteínas mitocondriales tienen su origen en el endosimbionte bacteriano, muchas de ellas provienen del hospedero, tal es el caso del translocador de adenín nucleótidos, por lo tanto el proteoma mitocondrial actual es un mosaico de proteínas de origen eubacteriano y arqueobacteriano. De tal suerte que sólo un grupo pequeño de proteínas se codifica en el genoma mitocondrial y se sintetiza utilizando la maquinaria traduccional del organelo. Sin embargo, la mayor parte de los componentes del proteoma mitocondrial (más del 97%) son sintetizados en el citosol, ya sea en ribosomas que se encuentran libres o en polisomas que se encuentran adyacentes a la membrana externa mitocondrial.

Se ha planteado que el reclutamiento de ribosomas por la membrana externa sucede exclusivamente para la síntesis de las proteínas codificadas por los genes provenientes del ancestro premitocondrial

LA DIVERSIDAD DE LOS GENOMAS MITOCONDRIALES

Los genomas mitocondriales actuales son el resultado de una reducción del genoma bacteriano del endosimbionte original, y a pesar de que en principio todos los genomas mitocondriales son derivados de un mismo ancestro común, cada grupo particular de organismos ha evolucionado de manera distinta.

Actualmente los genomas mitocondriales presentan una gran diversidad en tamaño, organización, y complejidad génica.

Existen genomas mitocondriales circulares o lineales; el tamaño puede variar desde un poco menos de 6 kb en Plasmodium falciparum hasta más de 2000 kb en algunas plantas cucurbitáceas

Las diferencias tan notables en los tamaños de las moléculas obedecen fundamentalmente adiferencias en el contenido de regiones intergénicas no codificantes.

Por ejemplo, en plantas, sólo entre el 10 y el 20 % del ADN mitocondrial (ADNmt) contiene genes estructurales el resto son regiones intergénicas no codificantes. En contraste, algunos genomas mitocondriales en protozoarios, más del 90% de su ADNmt corresponde a genes estructurales.

A pesar de la enorme diversidad de los genomas mitocondriales, en general todos ellospresentan genes que codifican para ARNs ribosomales (ARNr), ARNs de transferencia (ARNt), un conjunto variable de proteínas involucradas en la síntesis de proteínas, y un conjunto limitado de subunidades polipeptídicas de los complejos membranales translocadores de protones de la fosforilación oxidativa (FOS-OX). Algunos genomas mitocondriales presentan incluso variaciones en el código genético universal. Por ejemplo, las mitocondrias de mamíferos reconocen el codón UGA como codificador del triptofano en lugar de codón de término, y a los codones AGA y AGG como señales de terminación en lugar de codificar una arginina.

En las mitocondrias de algunos hongos, de mamíferos, y de Drosophila, el codón AUU es reconocido como codificador de metionina en lugar de isoleucina, como sucede en el código genético universal.

Cuando pensamos en la complejidad génica y no en el tamaño (es decir, cuando pensamos en el genoma mitocondrial que contiene el mayor número de genes funcionales), nos encontramos con el ADNmt de 69 kb del protista Reclinomonas americana. La mitocondria de este flagelado se conoce como “la mitocondria que el tiempo olvidó”, ya que la estructura y organización de su genoma se asemeja mucho al de un genoma bacteriano reducido.

El genoma mitocondrial de R. americana es el que contiene el mayor número de genes, los cuales codifican 24 proteínas que participan en la FOS-OX, y 38 proteínas involucradas en la transcripción, la traducción, la importación, y la maduración de proteínas. La comparación del genoma mitocondrial de R. americana con el genoma completo de Rickettsia prowazekii (el genoma bacteriano más parecido a un genoma mitocondrial) muestran semejanzas tanto en las secuencias como en la organización y disposición de sus genes. Protistas

En el otro extremo del espectro de complejidad génica se encuentran los genomas mitocondriales extremadamente reducidos de los parásitos apicomplejos Plasmodium falciparum y Theileria parva; el primero corresponde al agente responsable de la malaria, y el segundo, es el causante de la enfermedad conocida como “fiebre de la Costa del Este” en el ganado vacuno.

Estos ADNmt contienen únicamente tres genes que codifican para componentes de la cadena respiratoria cob, cox1, y cox3, que codifican al citocromo b y a las subunidades I y III de la citocromo c oxidasa respectivamente.

Entre los genomas mitocondriales de tamaño medio, encontramos los ADNmt de vertebrados y hongos. En mamíferos encontramos un conjunto casi invariable de 13 genes que codifican para componentes clásicos de la FOS-OX (probablemente los componentes ancestrales, es decir, aquellas subunidades que se encontraban presentes en los complejos de la bacteria endosimbionte): nad1, nad2, nad3, nad4, nad4L, nad5, nad6 (subunidades del complejo I o NADH:ubiquinona oxidorreductasa), cob (el citocromo b del complejo III o ubiquinol:citocromo c oxidorreductasa), cox1, cox2, cox3 (subunidades del complejo IV o citocromo c oxidasa), atp6, atp8 y atp9 (subunidades de la F1FO-ATP sintetasa)

INTERNALIZACIÓN EN LA MITOCONDRIA DE LAS PROTEÍNAS SINTETIZADAS EN EL CITOPLASMA

Aunque la contribución del ADNmt es esencial, la mayor parte de la información para la función y biogénesis mitocondrial se encuentra en el genoma nuclear. Estos genes, que en elcaso de la levadura se estima en poco más de 400, son transcritos y eventualmente traducidos en el citosol.

Las proteínas resultantes son posteriormente transportadas al compartimento mitocondrial. Uno de los requerimientos para la importación exitosa de la mayoría de proteínas, es la presencia de un péptido señal o presecuencia mitocondrial, es decir, una extensión polipeptídica en el extremo amino terminal de la proteína que dirige a la proteína recién sintetizada hacia la mitocondria.

Esta presecuencia es generalmente pequeña (de 20 a 60 residuos de aminoácidos), capaz de formar una alfa-hélice anfifílica, que puede ser reconocida por la maquinaria de importación mitocondrial.

El tránsito de las proteínas desde el citoplasma hasta su destino final en alguno de los compartimentos mitocondriales requiere, además de las presecuencias mitocondriales, a chaperonas citosólicas y de la matriz mitocondrial, receptores localizados en la superficie mitocondrial, proteínas que rodean los canales de paso y proteínas de maduración

La inserción de las presecuencias en la membrana interna requiere además, en la mayoría de los casos, que la mitocondria esté energizada, es decir, que exista un potencial electroquímico (.Ø), probablemente para promover el movimiento electroforético de cargas positivas a través del aparato importador. Finalmente, una proteasa de la matriz mitocondrial cataliza (MPP) la remoción proteolítica de la presecuencia mitocondrial, obteniéndose así, una proteína madura.

Las proteínas cuya localización funcional se restringe a la membrana externa mitocondrial, suelen no presentar presecuencia.

Al ser reconocidas por los receptores mitocondriales de la membrana externa, son transportadas a su destino final en la membrana externa o en el espacio intermembranal

LA MIGRACIÓN DE GENES Y LA EVOLUCIÓN DE LOS GENOMAS MITOCONDRIALES

A partir del conjunto de 1000 genes o más que debieron encontrarse en el genoma del ancestro premitocondrial, la tendencia general de la naturaleza ha sido la de reducir el contenido génico de las mitocondrias.

De esta manera, los genomas mitocondriales actuales representan González-Halphen, Pérez-Martínez, Funes, Reyes-Prieto y Santillán-Torres solo una fracción de aquellos genes que estaban presentes en el endosimbionte.

La mayor parte de esta pérdida de material genético debe haber sucedido durante el establecimiento de la endosimbiosis, y en principio puede ser el resultado de dos fenómenos distintos:

i) la eliminación de genes no esenciales o redundantes, cuya función pudo ser substituida por los genes nucleares del hospedero

ii) la exportación de material genético desde la protomitocondria hacia el núcleo celular

En los últimos años el estudio de genes que han cambiado su localización del genoma mitocondrial al nuclear ha permitido identificar pasos intermedios del fenómeno de migración de genes. Entre ellos, destacan los resultados obtenidos con los genes: i) cox2, ii) rps12, y iii) rpl2:

i) En el grupo de las plantas leguminosas es posible observar la coexistencia de dos copias diferentes del gen cox2 (el gen que codifica para la subunidad II de la citocromo c oxidasa).

Se determinó que al menos en cinco géneros de leguminosas el gen cox2 se encuentra presente tanto en el genoma mitocondrial como en el nuclear, y que ambas copias son transcritas y editadas

También en este grupo de plantas es posible observar pasos intermedios en la evolución de la migración del gen cox2 al núcleo: en el chícharo, una copia del gen se encuentra en la mitocondria y otra en el núcleo, sin embargo la copia nuclear no es funcional (ya hubo migración, pero no una activación exitosa). En el caso de la soya, la copia mitocondrial se encuentra intacta, sin embargo no es posible detectar ningún transcrito en la mitocondria, por lo que no se trata de un gen activo.

En cambio, el gen nuclear si se expresa (migración, integración, y activación exitosas, seguidas del silenciamiento del gen mitocondrial original). En el género Dumasia, se observan transcritos tanto del gen cox2 mitocondrial como de su copia nuclear (coexistencia de dos genes activos provenientes de diferentes compartimentos celulares).

Finalmente, en el caso del frijol mungo, la copia mitocondrial ha sido alterada por mutaciones y pérdida de algunos de sus fragmentos, de manera que es inactivo y apenas reconocible, mientras que sólo la copia nuclear es activa (migración exitosa hacia el núcleo conel gen mitocondrial original en vías de extinción).

ii) El gen rps12 de Oenothera (que codifica a la proteína ribosomal mitocondrial S12) migró al genoma nuclear y dos terceras partes del gen mitocondrial original han sido eliminadas

iii) En el grupo de las plantas angiospermas se ha identificado que el gen rpl2 (que codifica a la proteína ribosomal L12) ha sufrido diversas modificaciones, y actualmente se puede encontrar en cuatro diferentes versiones:

a) el gen funcional está en el ADNmt; b) el gen funcional está en el genoma nuclear; c) el gen se encuentra fragmentado en dos, la región 5´ se encuentra en la mitocondria y la región 3’ se encuentra en el núcleo; o bien d) el gen se encuentra fragmentado en dos y ambas regiones se encuentran en el núcleo

Estas observaciones indican que la fragmentación de genes en dos genes funcionales, es un factor que contribuye a la migración génica.

La migración de genes desde la mitocondria al núcleo es un proceso que puede dividirse en varios pasos: en primer lugar, el material genético debe atravesar las membranas mitocondriales e ingresar al núcleo a través de los poros de la membrana nuclear.

Posteriormente, debe integrarse en el genoma y adquirir elementos de regulación y expresión nucleares.

Después de un cierto período durante el cual tanto el gen mitocondrial como la copia nuclear son funcionales, cualquiera de las dos copias puede ser silenciada y eventualmente eliminada.

Se han estudiado diversos modelos en los que se observan etapas intermedias de la relocalización, lo que nos permite conocer algunos de los patrones que rigen este fenómeno.

a) Salida del material genético mitocondrial

En primer lugar, debe existir una amplia disponibilidad del material genético, ya que en principio los segmentos de ADN transferibles pueden incluir cualquier región del genoma mitocondrial. Esto se resuelve de manera muy sencilla gracias a la redundancia de organelos: en general se localizan varias mitocondrias en cada célula y cada mitocondria a su vez, contiene un número variable de genomas. Estas dos características permiten que exista una fuente continua de moléculas de ADN disponibles para migrar. Se ha encontrado que el tamaño de los fragmentos mitocondriales transferidos al núcleo en varias especies van desde 31 pares de bases hasta 270 kb Este último valor representa un caso único, en el cual el 75% del genoma mitocondrial en Arabidopsis thailana migró y se integró en el núcleo. La relocalización del material genético también puede suceder a partir de transcritos mitocondriales (ARNm) los cuales deben encontrarse en abundancia. En la migración

mediada por ARNm solo se transfiere la información madura, ya que se eliminan los intrones La migración de información genética en forma de ARN requerirá un paso ulterior de transcripción reversa, de tal manera que sea finalmente una molécula de ADN la que se integre en el genoma nuclear.

La migración del material genético implica su salida de la mitocondria, que podría suceder a través de rompimientos temporales de las membranas mitocondriales. El escape del ADNmt también puede suceder a través de la formación de una vacuola que contenga un fragmento de ADN. Algunos estudios citológicos han mostrado que existen asociaciones físicas directas entre las membranas: nuclear y mitocondrial, las cuales podrían favorecer la migración de genes. También se ha relacionado la transferencia de material genético con factores del medio ambiente que rodea a las células, como cambios en la fuente de carbono disponible o en la temperatura, los cuales pueden modificar la fluidez de las membranas mitocondriales

En S. cerevisiae se ha observado que la migración de genes mitocondriales al núcleo puede ocurrir durante el transcurso de la vida de un solo organismo, lo que ha permitido realizar observaciones experimentales directas. En esta levadura, la migración génica es un fenómeno intracelular dependiente del estado del ADNmt y del estado metabólico de la célula, pero no de un intermediario de ARNm. La tasa de escape del ADNmt al núcleo en levadura sucede con una frecuencia de aproximadamente 5 x 10-6 fragmentos por célula por generación; mientras que la tasa de migración inversa, del ADN nuclear hacia la mitocondria, es 100,000 veces menor

Otra forma de migración de fragmentos del ADNmt hacia el núcleo ocurre en el hongo Podospora anserina. En este organismo, el envejecimiento celular está relacionado con la migración de genes. Se ha observado que fragmentos discretos de ADNmt son cortados del genoma y permanecen en el interior de las mitocondrias de individuos senescentes formando plásmidos que se replican a una velocidad más acelerada que el resto del genoma mitocondrial. De esta manera, al final de la etapa de envejecimiento estos vectores constituyen la mayor parte del material genético presente. Una fracción de los plásmidos formados migran al núcleo y se integran al genoma nuclear

Otro caso particular de migración de genes al núcleo lo presentan las algas clorofíceas, como Chlamydomonas reinhardtii y Polytomella sp. En la mayoría de los organismos eucariotes, las tres subunidades más grandes de la citocromo c oxidasa (COXI, COXII, COXIII) se encuentran codificadas en el ADNmt en los genes correspondientes cox1, cox2, y cox3, y son sintetizadas en la matriz mitocondrial. En las algas clorofíceas, las subunidades COXII y COXIII se encuentran codificadas en el genoma nuclear. Además, el gen cox2 de las algas clorofíceas se escindió en dos genes independientes, denominados cox2a y cox2b.

El gen cox2a codifica para la subunidad COXIIA, que corresponde al extremo amino terminal y a la región hidrofóbica (transmembranal) de una subunidad COXII ortodoxa. Por su parte, el gen cox2b codifica para la proteína COXIIB, equivalente a la porción soluble, que une al centro diatómico de cobre CuA en una subunidad COXII tradicional. Se piensa que ambas subunidades son importadas al interior de la mitocondria y se ensamblan de manera no covalente para formar un heterodímero estructural y funcionalmente equivalente a la subunidad COXII tradicional Este es el primer ejemplo en la literatura de un gen mitocondrial que codifica para un componente de la FOS-OX que fue escindido en dos fragmentos funcionales, los cuales migraron independientemente y se relocalizaron en diferentes sitios del genoma nuclear.

b) Inserción del material genético mitocondrial en el genoma nuclear

Una vez que un fragmento de ADN ha salido de la mitocondria puede entrar al núcleo fácilmente. Los genes migrantes pueden integrarse en el genoma nuclear a través de varios mecanismos, que incluyen fusión en los extremos recombinación homóloga y recombinación no homóloga En estos tres mecanismos se ha propuesto que la integración de los genes migrantes se lleva a cabo en regiones que no interfieren con la actividad de los genes nucleares, como en intrones, en regiones adyacentes, o en regiones teloméricas Sin embargo, como se describe más adelante, hay excepciones: existen genes mitocondriales que migraron y se insertaron en los marcos de lectura abiertos de los genes nucleares, interrumpiéndolos e inactivándolos.

c) Activación del gen relocalizado en el núcleo

Una vez que el gen mitocondrial se ha insertado en el genoma nuclear, debe sufrir ciertas modificaciones para poder expresarse. Estos cambios consisten en la adquisición de secuencias que codifiquen para presecuencias mitocondriales, cambios en el uso de codones, adquisición de promotores, y de señales de poliadenilación. Algunas de estas modificaciones se discuten a continuación:

i) Adquisición de una presecuencia que codifique para un péptido señal que le permita a la proteína ingresar a la mitocondria. La proteína mitocondrial sintetizada en el citosol debe ser dirigida hacia el interior de la mitocondria. Se ha planteado que las presecuencias mitocondriales pueden adquirirse:

1) como resultado de un reordenamiento de ADN que coloca, al azar, presecuencias mitocondriales potenciales en el extremo 5’ de algunos marcos abiertos de lectura.

2) por la modificación puntual de los extremos amino terminales de algunas proteínas que pueden generar una secuencia importadora funcional; ó 3) por un mecanismo de duplicación y recombinación de presecuencias ya existentes

Se ha sugerido que cualquier genoma nuclear contiene un número de secuencias latentes que podrían funcionar como presecuencias mitocondriales.

En otro tipo de experimentos, se hicieron fusiones génicas entre fragmentos al azar del genoma de Escherichia coli y genes que codifican a proteínas mitocondriales, y se estudió la importación de las proteínas quiméricas correspondientes.

Se encontró que aproximadamente un 2.5% de las clonas de E. coli mostraron la capacidad de codificar una presecuencia capaz de dirigir a las proteínas correspondientes hacia la mitocondria Esto denota la extrema versatilidad de las presecuencias mitocondriales, las cuales para poder funcionar, requieren solamente de una estructura secundaria helicoidal, cargada positivamente anfifílica, aún cuando la estructura primaria esté poco conservada.

La estructura anfifílica es importante para reconocer y unirse a los receptores localizados en la membrana externa mitocondrial.

La carga neta positiva puede ser necesaria para el proceso de importación a través de la membrana interna mitocondrial.

Un caso extraordinario de adquisición de péptido señal es el ilustrado por el gen sdh3 de Arabidopsis (que codifica una subunidad de la succinato deshidrogenasa) y que migró de la mitocondria al núcleo, insertándose en una de las dos copias del gen hsp70 (que codifica para una chaperona mitocondrial). La inserción del gen sdh3 interrumpió a uno de los dos genes hsp70, inactivándolo, pero manteniendo intacta a la región que codifica para la presecuencia de hsp70. De esta manera, el gen migrante sdh3 adquirió una región preexistente que codifica un péptido señal que le permite a la proteína SDH3 ingresar a la mitocondria. Otro ejemplo interesante es el del gen mitocondrial migrante rps14 del arroz, el cual se insertó en un intrón del gen nuclear sdh2, y adquirió una región codificante para presecuencia mitocondrial por procesamiento alternativo de los ARNm. Así, la misma presecuencia mitocondrial de la proteína RPS14 funciona tanto para la propia RPS14 como para la SDH2.

Las presecuencias identificadas en las proteínas mitocondriales COXIII, COXIIA, ATP6 y NAD4L codificadas en el núcleo del alga C. reinhardtii son particularmente largas, de 107, 133, 119 y 143 residuos de aminoácidos respectivamente, y son ricas en alaninas, prolinas, y en residuos cargados positivamente, especialmente argininas. En S. cerevisiae se ha observado que la duplicación de las presecuencias mitocondriales favorece la importación in vivo e in vitro de proteínas hidrofóbicas a la mitocondria ,tal vez porque mejora de alguna manera la interacción entre el precursor y la maquinaria de importación Una presecuencia larga también podría alterar el plegamiento de la proteína como lo hace una chaperona, aumentando su capacidad de importación En general, las presecuencias mitocondriales tienen dos sitios de edición, y el fenómeno de importación al interior de la mitocondria involucra a tres regiones diferentes de la presecuencia: el primer segmento dirige a la proteína hasta la mitocondria; la segunda sección guía a la proteína hasta la matriz mitocondrial, y el tercer segmento lleva a la proteína hasta la membrana interna mitocondrial.

ii) Modificación del uso de codones – Los cambios en el uso de codones que sufrieron los genes migrantes son particularmente evidentes en el caso de C. reinhardtii. Esta alga verde utiliza el código genético universal tanto en la mitocondria como en el núcleo, hecho que facilita la migración de genes. Sin embargo, el uso preferencial de codones utilizado en el núcleo es radicalmente distinto al uso de codones mitocondrial. El genoma nuclear tiene un alto contenido de G + C y por lo tanto los codones más utilizados son aquellos que presentan una G o una C en la tercera posición. Todos los genes que migraron de la mitocondria al núcleo de esta alga verde (los genes cox3, cox2a, cox2b, atp6 y nad4L), presentan un uso de codones claramente nuclear, lo que sugiere que una vez integrados en el núcleo, su secuencia original sufrió numerosas modificaciones

Para que una migración sea exitosa, el gen mitocondrial relocalizado en el genoma nuclear debe activarse y convertirse en un gen funcional. Si por alguna razón no se llevan a cabo las modificaciones necesarias para activarlo, el gen puede desaparecer, o bien permanecer en el genoma nuclear como un pseudogene. En algunos grupos de organismos la migración de genes al núcleo y su activación funcional parece haber cesado en algún momento de la evolución. Tal es el caso de los vertebrados, los cuales muestran un contenido génico prácticamente constante Una de las razones por las cuales la migración de genes mitocondriales al núcleo se ha detenido en los animales y no en las plantas, podría relacionarse con la diferencia que existe entre el código genético de las mitocondrias animales y el código genético universal que se emplea en el núcleo celular, ya que en las plantas no existe tal diferencia.

Es interesante hacer notar que existen copias de genes mitocondriales que se localizan actualmente en los genomas nucleares de los vertebrados en la forma de pseudogenes, y que podrían sugerir que han existido migraciones no exitosas, en las cuales los genes se integraron, pero nunca se activaron (o bien se activaron pero sus productos proteicos nunca pudieron importarse correctamente al interior de la mitocondria, por lo que eventualmente se inactivaron) En el genoma nuclear de los

primates se localizan pseudogenes de cob y en los seres humanos, se han identificado numerosos pseudogenes de cox1 y cox2. Dichas secuencias se consideran “fósiles moleculares” que representan migraciones al núcleo que no fueron exitosas La presencia de estos pseudogenes mitocondriales en el genoma nuclear ilustra una vez más la tendencia de la mitocondria a exportar su material genético hacia el núcleo.

d) Pérdida del gen original

Durante un periodo probablemente corto, el gen mitocondrial y el gen migrante establecido en el núcleo deben expresarse simultáneamente. Dependiendo del azar y de la tasa de mutación de cada genoma, eventualmente algunas de las dos copias del gen se silenciará y se eliminará. La eliminación de un gen es un fenómeno paulatino durante el cual se van perdiendo y editando fragmentos, hasta que llega un momento en que su transcripción desaparece. La inactivación de los genes también puede suceder por la introducción de un codón de término en la secuencia nucleotídica .En cualquier caso, eventualmente el gen se elimina por completo y desaparece de alguno de los dos genomas.

Como se mencionó la tasa de migración de material genético desde la mitocondria hacia el núcleo es mucho mayor que en el sentido inverso. Sin embargo, aunque es un fenómeno raro, existen algunos ejemplos de la adquisición de genes foráneos por la mitocondria, dos de ellos son los que se describen a continuación:

i) En el genoma mitocondrial de Arabidopsis thaliana se encuentran 16 secciones que corresponden a fragmentos de ADN del cloroplasto, fragmentos de genes nucleares, retrotransposones y secuencias de origen viral. Algunos de los genes contenidos en estos fragmentos son funcionales, por ejemplo, seis de los genes que codifican a ARNt de origen cloroplastídico, ahora residen en el genoma mitocondrial.

ii) En el genoma mitocondrial de ciertos corales existe un gen que podría codificar una proteína involucrada en el proceso de reparación del ADN (similar a la proteína MutS). Se ha planteado que este gen es de origen mitocondrial y en algún momento se transfirió al núcleo, donde se diversificó y originó una familia de seis genes. Finalmente uno de ellos se reintegró al genoma mitocondrial, donde se localiza actualmente.

Es evidente que la migración de genes desde la mitocondria hasta el núcleo es un proceso complejo que requiere de cambios importantes en los genes migrantes. El proceso nos lleva a postular dos preguntas:

1) ¿Qué presiones evolutivas favorecen la migración de genes mitocondriales al núcleo?

2) ¿Qué ha ocasionado que en los genomas mitocondriales permanezcan ciertos genes? Actualmente, estas dos preguntas no pueden ser contestadas con precisión, pero algunas ideas nos permiten acercarnos a posibles respuestas.

¿QUÉ FAVORECE LA MIGRACIÓN DE GENES MITOCONDRIALES AL NÚCLEO?

Una de las hipótesis planteadas parte del hecho de que en los organelos suceden reacciones de óxido reducción que pueden incrementar la tasa de mutación génica inducida por la presencia de radicales libres y especies reactivas de oxígeno, por lo que la información genética podría conservarse de

mejor manera estando en un ambiente como el nuclear Sin embargo, esto no es necesariamente cierto para los hongos y las plantas, cuyos genes nucleares tienen tasas de mutación más altas que los mitocondriales.

Otra explicación toma como base el que las mitocondrias se reproducen exclusivamente de manera asexual. Cuando no existe reproducción sexual en un grupo de organismos (en este caso de organelos), no existe recombinación genética y por lo tanto, la producción de mutaciones letales o de pérdidas en el genoma sucede de manera irreversible. Eventualmente la acumulación de mutaciones llevaría a la extinción de los organelos. Cuando un gen migra al núcleo, se mueve de un ambiente predominantemente asexual hacia un genoma con recombinación sexual. Sin embargo, en organismos como la levadura S. cerevisiae el ADNmt presenta una alta tasa de recombinación que puede ser usada como mecanismo de reparación de lesiones del genoma mitocondrial

¿QUÉ FAVORECE QUE CIERTOS GENES PERMANEZCAN EN EL GENOMA MITOCONDRIAL?

La migración de genes de los organelos al núcleo es el resultado de un proceso indispensable para el establecimiento de simbiosis metabólicas estables. Este fenómeno está ampliamente documentado tanto en mitocondrias como en cloroplastos En principio, los mismos procesos que han hecho que la mayor parte de los genes mitocondriales hayan migrado al núcleo deberían estar actuando sobre los genes que aún permanecen en las mitocondrias. Esto nos puede llevar a concluir que todos los genes mitocondriales deberían eventualmente migrar hacia el núcleo. Un ejemplo de esta posible migración total lo representan los hidrogenosomas. Se piensa que estos organelos, presentes en algunos protistas amitocondriados, se originaron a partir de las mitocondrias. La mayoría de los hidrogenosomas reportados hasta ahora carecen de material genético, representando un caso extremo de migración total; tal vez porque el proceso de fosforilación oxidativa no existe en estos organelos y por lo tanto los genes que participan en esta vía, y que se encontraban en la mitocondria se perdieron sin ninguna dificultad. Sin embargo, todas las mitocondrias estudiadas a la fecha poseen un genoma, y como se mencionó, el contenido mínimo de genes es más o menos conservado entre las diferentes especies.

Existen varias hipótesis acerca de por qué en los genomas mitocondriales se conserva todavía un conjunto limitado de genes. Una posible explicación ha sido que en las mitocondrias de algunos organismos se utiliza un código genético diferente al código genético que se emplea en el genoma nuclear. Esta heterogeneidad de lenguajes, podría evitar la expresión de los genes mitocondriales relocalizados en el núcleo. Sin embargo, esto no explica por qué cierto grupo de genes permaneció en los genomas mitocondriales durante la migración masiva de genes hacia el núcleo, cuando el fenómeno de endosimbiosis apenas comenzaba y no existían diferencias en los códigos genéticos.

Existen varias hipótesis acerca de por qué en los genomas mitocondriales se conserva todavía un conjunto limitado de genes. Una posible explicación ha sido que en las mitocondrias de algunos organismos se utiliza un código genético diferente al código genético que se emplea en el genoma nuclear. Esta heterogeneidad de lenguajes, podría evitar la expresión de los genes mitocondriales relocalizados en el núcleo. Sin embargo, esto no explica por qué cierto grupo de genes permaneció en los genomas mitocondriales durante la migración masiva de genes hacia el núcleo, cuando el fenómeno de endosimbiosis apenas comenzaba y no existían diferencias en los códigos genéticos.También se ha planteado que en la mitocondria permanecen aquellos genes cuya expresión se regula por el estado redox de sus productos o de los acarreadores de electrones con los cuales interactúan. Esto permitiría que la célula disponga de una localización adecuada del gen que codifica proteínas cuya función demanda un control regulatorio rápido, directo e independiente de

otros compartimentos y procesos celulares En esta hipótesis, se asume que los genomas mitocondriales ya exportaron todos los genes potencialmente exportables.

Otra hipótesis que explica la permanencia de ciertos genes en el ADNmt toma en consideración la hidrofobicidad de los productos proteicos correspondientes. Las proteínas codificadas en los ADNmt son generalmente aquellas que se localizan en la membrana interna mitocondrial y que se caracterizan por ser altamente hidrofóbicas. Se ha propuesto que la síntesis en el citosol de este tipo de proteínas podría ocasionar que no se dirigieran al compartimento celular adecuado (por ejemplo, que se insertaran en las membranas del retículo endoplásmico en lugar de hacerlo en las mitocondrias). Además, al tratarse de polipéptidos hidrofóbicos podría ocurrir que el transporte a través del sistema de membranas mitocondrial resultara imposible, o bien que los productos proteicos se agregaran irreversiblemente.

Se ha propuesto que las proteínas altamente hidrofóbicas, no pueden ser importadas correctamente a la mitocondria ; por lo que deben ser sintetizadas en el interior del organelo para ser insertadas a la membrana interna mitocondrial y adquirir la conformación topológica necesaria para su acoplamiento correcto en el complejo respiratorio al que pertenecen. Hay dos ejemplos de proteínas que se han conservado en los genomas mitocondriales de todos los organismos caracterizados hasta la fecha: el gen cob que codifica un citocromo tipo b de ocho cruces transmembranales y el gen cox1 que codifica la subunidad I de la citocromo c oxidasa que tiene doce cruces transmembranales. Aquellos organismos que poseen complejo I (NADH-ubiquinona oxidorreductasa), también contienen varios de los genes nad en su genoma mitocondrial (los genes nad1, nad2, nad3, nad4, na4L y nad5), que codifican para proteínas altamente hidrofóbicas con 3 a 16 cruces transmembranales.

En S. cerevisiae se han realizado estudios in vivo intentando dirigir hacia la mitocondria construcciones citoplásmicas de longitudes variables del citocromo b; mostrando que la importabilidad de los polipéptidos no se encuentra forzosamente relacionada al número de cruces transmembranales que posea. Estos estudios sugirieron que los parámetros críticos son el promedio máximo de hidrofobicidad de una cadena de entre 60 y 80 residuos de aminoácidos (mesoH) y la hidrofobicidad máxima de las regiones transmembranales. Estos valores son indicadores de la facilidad o dificultad con la que una proteína puede ser importada a la mitocondria. De acuerdo a estos parámetros, las proteínas de orígen nuclear ATP6, NAD4L, COXIII, COXIIA y COXIIB del alga C. reinhardtii tienen una hidrofobicidad reducida que permite su importación a la mitocondria. Los análisis de hidropatía realizados para las subunidades COXIII y ATP6 mostraron que la reducción de la hidrofobicidad sucede preferentemente en aquellos segmentos transmembranales que no están involucrados en la función de la subunidad ni en interacciones importantes subunidad-subunidad.

La gran importancia de la disminución de la hidrofobicidad lo ilustra el caso de la subunidad COXII de leguminosas. Todas las leguminosas que exhiben genes cox2 tanto nucleares como mitocondriales, muestran una hidrofobicidad disminuída en el primer segmento transmembranal de la proteína COXII codificada en el núcleo con respecto a la codificada en la mitocondria (es decir, la proteína mitocondrial es siempre más hidrofóbica que la nuclear). Con técnicas de ingeniería genética, Daley y col. (59) expresaron la COXII mitocondrial con la presecuencia de la COXII nuclear, y observaron que la proteína mitocondrial no ingresaba a la mitocondria. Al mutar dos residuos de la primera región transmembranal de la COXII mitocondrial madura, y substituirla por los aminoácidos (menos hidrofóbicos) de la COXII nuclear, la proteína ingresó a la mitocondria sin problemas. Por lo tanto, la disminución de la hidrofobicidad en unos cuantos residuos críticos, son suficientes para permitir la importación de una proteína mitocondrial expresada en el núcleo que cuente con una presecuencia.

EVA MITOCONDRIAL

Eva mitocondrial habría sido una mujer africana, que según la teoría genetista, correspondería en la evolución humana al ancestro femenino que poseeía las mitocondrias del cual descienden todas los mitocondrias de la población humana actual. Por ello, Eva mitocondrial correspondería a un único antepasado femenino de la que diverge toda la población actual de Homo sapiens (seres humanos); la cual vivió hace unos doscientos mil años, y cuyos descendientes se habrían extendido por todo el planeta desde hace unos ciento cincuenta mil años.

Una comparación del ADN mitocondrial de distintas razas y regiones sugiere que todas las secuencias de este ADN tienen envoltura molecular en una secuencia ancestral común. Asumiendo que este se obtiene sólo de la madre estos hallazgos implicarían que todos los humanos vivos descienden en última instancia de una mujer, posiblemente una mujer prehumana.

A esta mujer la llaman Eva mitocondrial y es el antepasado común a todos los seres humanos si seguimos la línea de las madres de cada persona, en el árbol genealógico de toda la humanidad. Basándose en la técnica de Reloj molecular (molecular clock en inglés), los investigadores creen que Eva vivió aproximadamente hace 150.000 años o como máximo 200.000 años.

Esto sirve de sustento a la teoría que afirma que el ser humano (Homo sapiens) evolucionó en África hace unos 450.000 años aproximadamente (ver Evolución humana).

DESCENDENCIA POR LÍNEAS MITOCONDRIALES

La Eva mitocondrial recibe su nombre de la Eva que se relata en el libro del génesis de la Biblia. Esto ha llevado a algunos malentendidos entre el público general. Un error común es creer que Eva fue el único ancestro femenino viviendo en su tiempo. Es muy probable que muchas mujeres anteriores a Eva y también muchas pertenecientes a aquella época, hayan tenido descendencia hasta el día de hoy. Sin embargo, solo la Eva mitocondrial produjo una línea completa de hijas mujeres hasta nuestros tiempos; y es el ancestro del cual converge toda la población actual.

El fundamento del linaje de la Eva mitocondrial, es que al revisar el árbol genealógico de todos los seres humanos que viven en la actualidad (a través de la genética), si se sigue una línea de cada individuo a su madre, y si estas líneas se continúan desde cada una de esas madres a sus respectivas madres, se estará retrocediendo en el tiempo y todas las líneas convergerán en un punto en que todas las hijas comparten la misma madre. En este seguimiento, cuanto más se retroceda en el tiempo, menos linajes quedarán hasta que quede solo uno; el cual correspondería a la Eva mitocondrial.

Por ello, cuanto más pequeña es una población, más rápidamente converge el ADN mitocondrial; las migraciones de pequeños grupos de personas derivan (Deriva genética) luego de unas pocas generaciones hacia un ADN mitocondrial común. Esto sirve de sustento a la teoría del origen común (Single-origin hypothesis en inglés). Esta teoría plantea que todos los primeros pobladores de Asia, Europa y América descendían de un grupo que emigró de África hace entre 100.000 y 200.000 años.

ADN MITOCONDRIAL

Sabemos de Eva a causa de las mitocondrias (un orgánulo celular) que sólo se pasan de la madre a la prole. Cada mitocondria contiene ADN mitocondrial y la comparación de las secuencias de este

ADN revela una filogenia molecular. Así como las mitocondrias se heredan por vía materna, los cromosomas Y se heredan por vía paterna. Por lo tanto es válido aplicar los mismos principios con estos. El ancestro común más cercano por vía paterna ha sido apodado Adán cromosomal-Y. Es muy importante aclarar que no vivió en la misma época que la Eva mitocondrial. Por el contrario, su existencia fue por lo menos 50 mil años más reciente.

ESTRUCTURA DE LA MITOCONDRIA

El tamaño, forma y organización estructural de las mitocondrias, así como el número de estos organelos por célula y su localización intracelular, varían considerablemente dependiendo del organismo, tejido y estado fisiológico de la célula examinada.

Algunas células, por lo común organismos unicelulares, contienen una sola mitocondria. En la figura se muestra una Fotomicrografía de la mitocondria de la espora móvil de Blastocladielia ernersonia, un hongo, y un modelo de la de mitocondria de Chlorella fusca, un alga. En el otro extremo de las células como Chaos chaos, una amiba, que contiene varios cientos de miles de mitocondrias. Las células de los animales superiores también numerosas mitocondrias. Los espermatozoides contienen menos de 100 de estos organelos. Las células del riñón tienen por lo general menos, de 1000 y las células del hígado varios miles. Como se mencionó anteriormente, las células procarióticas, como las bacterias y algas verdiazules, carecen de mitocondrias. Las funciones asociadas a estos organelos se llevan a cabo en el citosol o están asociadas a la membrana plasmática.

Considerando su fina estructura, las mitocondrias son organelos especialmente interesantes y muy, complejos. Debido a que son muy pequeñas, la microscopia óptica revela en forma activa sustancias dentro de ella o muestran movimientos) pueden revelar grandes números de mitocondrias durante los períodos de actividad y aun menor número durante los periodos de reposo. En levaduras que carecen en un medio, anaerobio, las generaciones sucesivas contienen cada vez menos mitocondrias. Sin embargo las células que han sido cultivadas en ausencia de oxígeno, rápidamente producen grandes números de mitocondrias si al cultivo se le añaden los nutrientes y el oxígeno necesarios. Se observa también una mayor velocidad de crecimiento y división celulares debido a que el gran numero de mitocondrias produce más ATP para facilitar la absorción de los nutrientes y la síntesis de los componentes celulares.

El tamaño y la forma de las mitocondrias, al igual que su número en la célula, varía de un tejido a otro y con el estado fisiológico de las células. La mayoría de las mitocondrias son organelos ovoides que tienen un diámetro de 0.5 a 1.0 m y una longitud mayor a los 7 m. Por lo común, cuanto menor es el número de mitocondrias por célula más grandes son los organelos individuales. En muchas fotomicrografías electrónicas, las mitocondrias parecen la tener la forma de clavas o de raqueta. Estas formas irregulares pueden ser un reflejo del proceso de fisión a través del cual se piensa las mitocondrias proliferan. Las formas de observan la arquitectura mitocondrial está por lo tanto basado en décadas de estudio, utilizando el microscopio electrónico de transmisión. En la figura 16.6 se muestra la organización típica observada, en cortes finos de estos organelos. En años recientes, se han obtenido algunas fotomicrografías casi espectaculares y con una gran información acerca de la estructura mitocondrial mediante la microscopia electrónica, de barrido de organelos que se han abierto. En el pasado, el MEB no había ofrecido el grado de resolución necesario para revelar la subestructura de estos organelos. Sin embargo, utilizando una técnica especial de fractura y un nuevo MEB de alta resolución, K. Tanaka, Y. Masunaga y T. Naguro han obtenido fotomicrografías detalladas de mitocondrias y de varios otros organelos. Después de la fijación del tejido en OsO4, las muestras se congelan, se abren y, son tratadas con dimetisulfóxido (DMSO). Después de un segundo tratamiento con osmio, seguido de deshidratación con etanol y desecación hasta un punto crítico, la estructura fina se observa con claridad. El efecto tridimensional es notable y coincide en forma sorprendente con los modelos tridimensionales formulados en base en los primeros estudios con el MET. Debido a que las mitocondrias de diferentes orígenes tienen ciertas características en común, es posible describir un organelo “generalizado”. La mitocondria está limitada por dos membranas distintas llamadas membranas interna y externa. La membrana interna

separa el volumen del organelo en dos fases: la matriz, que es un líquido semejante a un gel rodeado por la membrana interna, y el espacio intermembrana lleno de líquido entre las membranas interna y externa. La matriz y los espacios intermembrana, así como las membranas interna y externa, contienen varias enzimas. La matriz contiene varias de las enzimas del ciclo de Krebs (ciclo de ácido tricarboxílico o ciclo ATC) así como también sales y agua. Suspendidos en la matriz hay filamentos de DNA circular y ribosomas. Se han observado varios otros corpúsculos en la matriz mitocondrial de varios tipos de células. Éstos incluyen filamentos y túbulos, que parecen ser inclusiones cristalinas de proteínas, y un gran número de gránulos pequeños. El espacio intermembrana posee algunas enzimas, pero en general carece de inclusiones en forma de partículas.

MEMBRANAS MITOCONDRIALES

Las membranas interna y externa difieren notablemente en estructura y función.

Cerca del 50% del peso de la membrana externa la constituye los lípidos y contiene una mezcla curiosa de enzimas que participan en actividades tan diversas como la oxidación de la adrenalina y la degradación del triptófano y la organización de los ácidos grasos.

La membrana interna es mucho mas rica en proteínas que la membrana externa y estos últimos están fijas a mayor profundidad de la membrana. La membrana interna es rica en cardiolapina, un fosfolípido con cuatro ácidos grasos lo que no existe en la membrana externa. La cardiolipina contribuye para dificultar el tránsito de los iones a través de la membrana mitocondrial interna ya que es funcionalmente muy importante, porque una concentración elevada de iones, en la matriz de la mitocondria, perturbará el gradiente que genera el flujo de protones y la aceptación de energía en el ATP, por el proceso quimioosmótico .

Las membranas mitocondriales externa e interna definen dos compartimiento submitocondriales: el espacio intermembranoso, entre las dos membranas, y la matriz o compartimiento central. La membrana externa define el perímetro exterior liso de la mitocondria y contiene la purina mitocondrial, un canal proteico transmembrana de estructura similar a los de las purinas bacterianas.

La membrana interna presenta invaginaciones en forma de tabiques, formando las cretas, que aumentan significativamente la superficie de esa membrana. En ciertos Protozoarios y en células que sintetizan esteroides, las invaginaciones de la membrana interna adoptan una forma de tubos o dedos de guantes, lo que conduce al aparecimiento de etructuras circulares en el interior de las mitocondrias, cuando son observadas en corte. Una misma mitocondria puede presentar crestas en repisas e invaginaciones tubulares.

En la membrana interna se encuentran con las siguientes funciones principales:

1. Enzimas y proteínas que constituyen la cadena de transporte de electrones.2. Proteínas de los corpúsculos elementales con actividad de ATP- sintetasa sin la cual la

membrana no tendría la capacidad de acoplar el transporte de la síntesis de ATP;3. Proteínas que forman parte de los múltiples sistemas de transporte activo presentes en la

membrana interna.

En las células Procariontes (bacterias) no existen mitocondrias, y la cadena transportadora de electrones se encuentra en la cara interna de la membrana plasmática de esas células. Por lo tanto,

el flujo de electrones y la oxidación fosforilativa están siempre asociados a membranas y ese es un principio general de organización en todos los seres vivos, sean ellos constituidos Por células eucariontes o procariontes.

Además de sus diferencias estructurales, las membranas interna y externa difieren notablemente en su permeabilidad. La membrana externa es permeable a una amplia variedad de sustancias que tienen un peso molecular mayor de aproximadamente 5,000 daltons. Cuando el líquido del espacio intermembrana es aislado, refleja los componentes hidrosolubles y de bajo peso molecular del citosol. En contraste, la membrana interna tiene una permeabilidad limitada, en especial a sustancias con pesos moleculares por arriba de 100 a 150 daltons.

LA MATRIZ MITOCONDRIAL

En el interior de las mitocondrias se encuentra una sustancia finamente granular-densa (oscura en las microfotografías electrónicas) llamada matriz. Es frecuente observar gránulos electrón-densos (gránulos densos) en el seno de la matriz, con un diámetro de 30 a 50 nm, conteniendo calcio y de función poco conocida. Además de esos componentes, se distinguen con cierta dificultad, en el interior de la matriz, regiones filamentosas constituidas por filamentos de DNA.En la matriz mitocondrial existe, en su mayoría unidos a la membrana interna, ribosomas que miden 15 nm de diámetro (menores que los del citosol).

Existen algunas variaciones en la estructura mitocondrial, según el tipo de célula y su estado funcional. De un modo general, la cantidad de crestas es proporcional a la actividad respiratoria de la célula; la densidad electrónica de la matriz también sigue esa relación. En las células del tejido muscular, por ejemplo, se encuentran mitocondrias, extremadamente ricas en crestas y con matriz muy densa a los electrones.

Además de varias enzimas, la matriz mitocondrial también contiene ribosomas y varias moléculas de DNA, el cual es circular en plantas superiores y animales. Por lo tanto, las mitocondrias tienen su propio material genético y, los mecanismos para producir su propio RNA y proteínas.Este DNA no cromosómico es importante porque codifica un pequeño número de polipéptidos mitocondriales (13 en los seres humanos) que se integran a la membrana mitocondrial interna con los polipéptidos codificados por genes que se encuentran en el núcleo. El DNA mitocondrial humano también codifica dos RNA ribosómicos y 22 RNA de transferencia (tRNA) que se utilizan en la síntesis de proteínas dentro del organelo. El DNA mitocondrial es una reliquia.

LOCALIZACIÓN DE ALGUNAS ENZIMAS MITOCONDRIALES

Membrana externa:Monoamino oxidasaÁcido graso tiocinasasQuinurenina hidroxilasaCitocromo o reductasa insensible a la rotenona

Espacio entre las membranas:Adenilato cinasaNucleósido difosfocinasa

Membrana interna:Enzimas de la cadena respiratoriaEnzimas sintetizadoras de ATP-ceto ácido deshidrogenasasSuccinato deshidrogenasaD--Hidroxibutirato deshidrogenasaCarnitina aeyl grasa transferasa

Matriz:CompIejo de piruvato deshidrogenasaCitrato sintasaIsocitrato deshidrogenasaFumarasaMalato deshidrogenasaAconitasaGlutamato deshidrogenasaEnzimas de la oxidación de los ácidos grasos

La membrana interna y la matriz mitocondrial son los sitios de la mayoría de las reacciones que intervienen en la oxidación del piruvato y los ácidos grasos a CO2 y H2O, como también de la síntesis acoplada de ATP a partir de ADP y Pi. En estos procesos complejos hay muchos pasos, pero las reacciones pueden subdividirse en tres grupos, cada uno de los cuales se da en una membrana o un espacio bien definidos de la mitocondria:

1. Oxidación de piruvato y ácidos grasos a CO2, acoplada a la reducción de las coenzimas NAD+ y FAD a NADH y FADH2, respectivamente. Estas reacciones tienen lugar en la matriz o en proteínas de la membrana interna que miran hacia la matriz.

2. Transferencia de electrones de NADH o FADH2, al O2. Estas reacciones se producen en la membrana interna y están acopladas a la generación de una fuerza protón-motriz a través de ella.

3. Aprovechamiento de la energía almacenada en el gradiente electroquímico de protones, para la síntesis de ATP por el complejo F0F1, en la membrana interna.

La ATP sintasa está formada por una unidad transportadora de protones y una unidad catalítica.

Los estudios bioquímicos, de microscopía electrónica y cristalográficos de la ATP sintasa han puesto de manifiesto muchos detalles estructurales. Es un enzima grande y complejo, anclado en la membrana y que parece una pelota sujetada a un palo. La pelota, de 85 Å de diámetro, recibe el nombre de subunidad F1, se proyecta hacia la matriz mitocondrial y posee la actividad catalítica de

la sintasa. De hecho, las subunidades F1, aisladas exhiben actividad ATPasa. La subunidad F1 está formada por cinco tipos de cadenas polipeptídicas (3, 3, , y ) con la estequiometría indicada en los subíndices. Las subunidades y , que constituyen el meollo de F1, se disponen de forma alternada en un anillo hexamérico, son homólogas entre sí y, son miembros de la familia de NTPasas con bucle P. Las dos se unen a nucleótidos pero sólo las subunidades P participan directamente en la catálisis. El tallo central está formado por dos proteínas: y . La subunidad contiene un superhelicoide de hélices a que llega hasta el centro del hexámero 33. La subunidad rompe la simetría del hexámero 33: cada una de las subunidades se distingue por la forma en que interacciona con una cara distinta de . Poder distinguir entre las tres subunidades resulta crucial durante el mecanismo de la síntesis de ATP.

Aunque la esfera F1, es la porción catalítica de la enzima que produce el ATP en la mitocondria, esto no es una descripción completa. La enzima productora de ATP, la sintasa de ATP, es un complejo proteico en forma de hongo formada por dos componentes principales: una cabeza F1

esférica (de unos 90 Å de diámetro) y una sección basal, llamada F0, incrustada en la membrana interna. Las micrografías electrónicas de alta resolución revelan que las dos porciones se conectan, mediante un tallo central y uno periférico como se muestra. Una mitocondria típica del hígado de un mamífero tiene apenas 15 000 copias de la sintasa de ATP. Existen versiones homólogas de la sintasa de ATP en la membrana plasmática de las bacterias, en la membrana tilacoide de los cloroplastos vegetales y en la membrana interna de las mitocondrias.Las porciones F1 de las sintasas de ATP bacteriana y mitocondrial están muy conservadas; ambas contienen cinco polipéptidos diferentes con una estequiometría de 33 y . Las subunidades alfa y beta se disponen en forma alternada dentro de la cabeza F 1 de modo que se parecen a los gajos de una naranja. Se pueden señalar dos aspectos para una discusión ulterior: a) cada F 1 posee tres sitios catalíticos para la síntesis de ATP, uno en cada subunidad beta, y b) la subunidad gamma se extiende desde la punta exterior de la cabeza de F1, por el tallo central y hace contacto con la porción basal F0. En la enzima mitocondrial, los cinco polipéptidos de F1 están codificados por el DNA nuclear, sintetizado en el citosol, y se importa después de la traducción.

La porción F0 de la sintasa de ATP reside dentro de la membrana y consiste en tres polipéptidos diferentes con una estequiometría de ab2c10-14. El número de subunidades en el anillo c se escribe como 10-14 porque los estudios estructúrales revelan que este número varía según sea la fuente de la enzima. Por ejemplo, ahora se cree que la sintasa de ATP, tanto de las mitocondrias de levaduras como de E. coli, tiene 10 subunidades c, en tanto que ya se demostró que la enzima del cloroplasto posee 14.

La base F0 contiene un canal por el cual se conducen los protones desde el espacio intermembranoso a la matriz. La presencia de un canal transmembranoso se descubrió en experimentos en los que la membrana mitocondrial interna se rompió en fragmentos que forman vesículas de membrana, llamadas partículas submitocondriales. Las partículas submitocondriales intactas, que contienen la sintasa de ATP incrustada en la membrana de la vesícula, son capaces de oxidar sustratos, generar un gradiente de protones y sintetizar ATP. Sin embargo se retiran las esferas F1 de las partículas, la membrana de la vesícula ya no puede mantener un gradiente de protones a pesar de continuar la oxidación de sustrato y el transporte de electrones.

Los protones que se trasladan a través de la membrana durante el transporte de electrones tan sólo cruzan de regreso por la sintasa de ATP "decapitada" y la energía se disipa.

REACCIONES BIOQUÍMICAS EN LA MITOCONDRIA

METABOLISMO AERÓBICO: CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

Al emerger sobre la Tierra las primeras formas primordiales de vida, éstas se mantuvieron utilizando moléculas orgánicas simples ya formadas como los ácidos carboxílicos y los aminoácidos. La fuente de estas sustancias, que se utilizaron como bloques de construcción y moléculas combustibles por los seres vivos primitivos, se cree que fueron las reacciones químicas impulsadas por las descargas eléctricas, la radiación solar y las fuerzas térmicas profundas del interior del planeta. Además, llegaron del espacio exterior incontables toneladas de materia química al ser bombardeada la tierra por meteoritos y otros desechos cósmicos. Los primeros organismos (células procariotas primordiales) finalmente llegaron a ser tan abundantes que consumían las moléculas orgánicas a mayor velocidad de la que se formaban por las fuerzas naturales. Al menguar los suministros de moléculas ya formadas, algunos organismos produjeron mecanismos nuevos para obtener alimentos. Algunos organismos generaron la capacidad de sintetizar pigmentos fotosensibles que capturaban la energía luminosa y la convertían en energía de enlace químico. Este mecanismo, la fotosíntesis, tuvo un efecto impresionante y trascendente sobre el ambiente global. Hace unos 3000 millones de años, las células fotosintetizadoras comenzaron a producir su propio alimento utilizando la energía luminosa para transformar el CO2 y el H20 en moléculas orgánicas. El dioxígeno (O2) es un producto secundario de este proceso. Al producirse la fotosíntesis en una escala cada vez mayor, aumentó el contenido de oxígeno de la atmósfera. Debido a que el O 2 se combina fácilmente con otras moléculas (p. ej., 4 NH3 + 3O2 → 2N2 + 6 H20), la atmósfera de la Tierra se convirtiendo gradualmente (durante un tiempo de 1000 millones de años) en otra que contenía principalmente dinitrógeno, vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno. La mayoría de los seres vivos que surgieron en las condiciones reductoras de la Tierra primitiva no estaban preparados para vivir en una atmósfera oxidante. Las especies que sobrevivieron a la transición lo hicieron debido a que crearon métodos para autoprotegerse de los efectos tóxicos del oxígeno. Sus descendientes, los organismos actuales, utilizan alguna de las estrategias siguientes. Los anaerobios estrictos que sólo crecen en ausencia de oxígeno, evitan el gas viviendo en ambientes muy reducidos corno el suelo. Utilizan procesos fermentadores para satisfacer sus requerimientos energéticos. Los anaerobios tolerantes al aire, que dependen también de la fermentación para sus necesidades energéticas, poseen enzimas destoxificantes y moléculas antioxidantes que les protegen de los productos tóxicos del oxígeno. Los anaerobios facultativos no sólo poseen los mecanismos necesarios para destoxificar a los metabolitos del oxígeno, sino que también pueden generar energía utilizando el oxígeno como aceptor electrónico cuando se encuentra presente el gas. Finalmente, los aerobios estrictos son muy dependientes del oxígeno para producir energía. Se protegen a sí mismos de las consecuencias potencialmente peligrosas de la exposición al oxígeno con mecanismos complejos formados por enzimas y moléculas antioxidantes.

Los anaerobios facultativos y los aerobios estrictos que utilizan el oxígeno para generar energía emplean los procesos bioquímicos siguientes: ciclo del ácido cítrico, ruta de transporte electrónico y fosforilación oxidativa. En los eucariotas estos procesos tienen lugar dentro de la mitocondria. El ciclo del ácido cítrico es ruta metabólica en la que los fragmentos de dos carbonos procedentes de las moléculas orgánicas combustibles se oxidan para formar CO2, y las coenzimas NAD+ y FAD se reducen para formar NADH y FADH2, que actúan como transportadores electrónicos. La ruta de transporte electrónico, que también se denomina cadena de transporte electrónico (CTE), es un mecanismo mediante el cual los electrones se transfieren desde las coenzimas reducidas a un aceptor (normalmente e1 O2). En la fosforilación oxidativa, la energía liberada por el transporte electrónico se captura en forma de gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP, la moneda de intercambio energético de los seres vivos.

METABOLISMO AEROBIO EN LA MITOCONDRIA.

En las células eucariotas, el metabolismo aerobio tiene lugar dentro de la mitocondria. La acetil-CoA, el producto de la oxidación del piruvato, los ácidos grasos y determinados aminoácidos, se oxida por las reacciones del ciclo del ácido cítrico dentro de la matriz mitocondrial. Los productos principales del ciclo son las coenzimas reducidas NADH y FADH2 y el CO2. Los electrones de energía elevada del NADH y del FADH2 se ceden a continuación a la cadena de transpone electrónico (CTE), un conjunto de transportadores de electrones de la membrana interna. El aceptor electrónico terminal de la CTE es el O2. La energía que deriva del mecanismo de transporte electrónico impulsa la síntesis de ATP al crear un gradiente de protones a través de la membrana interna. La superficie plegada grande de la membrana interna está tachonada de complejos CTE, numerosos tipos de proteínas transportadoras y la ATP sintasa, el complejo enzimático responsable de la síntesis de ATP.

REACCIONEs DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN EN LA MITOCONDRIA

En los seres vivos, tanto los procesos que capturan energía como los que la liberan constan en gran medida de reacciones redox. Recuerde que las reacciones redox se producen cuando se transfieren electrones entre un donador electrónico (reductor) y un aceptor electrónico (oxidante). En algunas reacciones redox sólo se transfieren electrones. Por ejemplo, en la reacción

Cu+ + Fe3~ Cu2~ + Fe2~

se transfiere un electrón del Cu+ al Fe3~. El Cu+, el reductor, se oxida para formar Cu2+. Al tiempo, el Fe3~ se reduce a Fe2+. Sin embargo, en muchas reacciones se transfieren electrones y protones. Por ejemplo, en la reacción catalizada por la lactato deshidrogenasa, se transfieren dos protones (H+) y 2 electrones al reducirse el piruvato para formar lactato y NAD+.

Las reacciones redox se entienden mejor si se separan en dos semireacciones. Por ejemplo, en la reacción entre el cobre y el hierro, el ión Cu+ pierde un electrón para convertirse en Cu2+:

Cu+ Cu2+ + e-

Esta ecuación indica que el Cu+ es el donador del electrón. Al perder Cu+ un electrón, el Fe3+ gana

un electrón para formar Fe2+:

Fe3+ + e- Fe2+

En esta semireacción, el Fe3+ es un aceptor de electrones. La separación de las reacciones redox resalta que los electrones siempre son intermediarios comunes entre las semireacciones.

Los constituyentes de las semireacciones pueden observarse en una célula electroquímica. Cada semireacción tiene lugar en un contenedor individual o semicélula que experimentan la oxidación (Cu+ → Cu2+ + e-) origina un voltaje entre las dos semicélulas. El signo de voltaje (que se mide con un voltímetro) es positivo o negativo según la dirección del flujo de electrones. La magnitud de la diferencia de potencial es una medida de la energía que impulsa la reacción.

La tendencia de una sustancia especifica para perder o ganar electrones se denomina potencial redox. El potencial redox de un par redox conjugado se mide en una célula electroquímica frente a un estándar de referencia, normalmente un electrodo estándar de hidrógeno. El potencial del electrodo estándar es, por definición, 0.0 V a 1atm. Las sustancias con un potencial de reducción más negativo transfieren los electrones a una sustancia con un potencial de reducción más positivo y la ∆E0 será positiva. En bioquímica, la semirreacción de referencia es:

2 H+ + 2 e- H2

Cuando

pH = 7Temperatura = 25 ºCPresión = 1 atm.

En estas condiciones el potencial de reducción del electrodo de hidrógeno es —0.42V cuando se mide frente al electrodo de hidrógeno estándar en el que concentración de H+ es 1 M. Las sustancias con potenciales de reducción menores de —0.42 V (es decir, aquellas con valores más negativos) tienen una afinidad menor por los electrones que el H+. Las sustancias con potenciales de reducción mayores (es decir, aquellas con valores más positivos) tienen una afinidad mayor por los electrones. (El pH en el electrodo de análisis es 7.0 para cada una de las semirreacciones redox y el pH del electrodo estándar de referencia es 0.)

Los electrones fluyen de forma espontánea desde las especies con un valor de E’0’ más negativo a las especies con un E’0’ más positivo, de forma que AE0’ es positiva. La relación entre A E0’ y AG0’ es

∆G0’ = -nF∆E’0’

Donde:

∆G0’ = energía libre estándar n = número de electrones que se transfieren F = constante de Faraday (96,485 J/V• mol)

∆E’0’ = diferencia del potencial de reducción entre el donador de electrones y el aceptor de electrones en condiciones estándar.

La mayor parte de la energía libre de las células aerobias se captura por el sistema de transporte electrónico mitocondrial. Durante este proceso, los electrones se transfieren desde un par redox con un potencial de reducción más negativo (NADH/NAD+) a aquellos con potenciales de reducción más positivos. El último componente del sistema es el par H2O/ ½ O2:

½ O2 + NADH + H+ → H2O + NAD+

La energía libre que se libera al pasar el par de electrones desde el NADH al O 2 condiciones estándar se calcula de la siguiente forma:

∆G0’ = -nFAE0’ = - 2(96.5 kJ/V.mol)(0.815 — (- 0.32)) = - 220 kJ/mol

Una porción significativa de la energía libre que se genera al moverse los electrones desde el NADH al O2 en el sistema de transporte electrónico se utiliza para sintetizar ATP.

En varios procesos metabólicos, los electrones se mueven desde pares redox con potenciales de reducción más positivos a aquellos con potenciales de reducción más negativos. Evidentemente, se requiere energía. El ejemplo más destacado de este fenómeno es la fotosíntesis. Los organismos fotosintetizadores utilizan la energía luminosa capturada para impulsar los electrones desde los donadores electrónicos, como al agua, a los aceptores electrónicos con potenciales de reducc ión más negativos. Los electrones energetizados regresan finalmente a los aceptores con potenciales de reducción más positivos, proporcionando de esta manera energía para la síntesis de ATP y la reducción del CO2 para formar hidratos ce carbono.

En la ruta del ciclo del ácido cítrico, que es la primera fase del metabolismo aerobio, la energía liberada por la oxidación de fragmentos de dos carbonos procedentes de la glucosa, los ácidos grasos y algunos aminoácidos se convierte en las coenzimas reducidas NADH y FADH2.

CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

El ciclo del ácido cítrico es un conjunto de reacciones bioquímicas qué utilizan los organismos aerobios para liberar la energía química almacenada en el grupo acetilo de dos carbonos de la acetil-CoA. Ésta está formada por un grupo acetilo que procede de la degradación de los hidratos de carbono, los lípidos y algunos aminoácidos, que está unido a la molécula transportadora de acilo coenzima A. La acetil-CoA se sintetiza a partir de piruvato (un producto parcialmente oxidado de la degradación de los azúcares y determinados aminoácidos) en varias reacciones. La acetil-CoA también es el producto del catabolismo de los ácidos grasos y de determinadas reacciones del metabolismo de los aminoácidos. En el ciclo del ácido cítrico, los átomos de carbono se oxidan a CO2 y los electrones de energía elevada se transfieren al NAD+ y al FAD para formar las coenzimas reducidas NADH y FADH2, respectivamente.

En la primera reacción del ciclo del ácido cítrico, un grupo acetilo de dos carbonos se condensa con una molécula de cuatro carbonos (oxalacetato) para formar una molécula de seis carbonos (citrato). Durante las siete reacciones siguientes, en las que se producen dos moléculas de CO2 y se eliminan cuatro pares de electrones de compuestos carbonados, el citrato se convierte de nuevo en oxalaceta-to. Durante un paso del ciclo, se produce la molécula de energía elevada guanosina trifosfato (GTP) durante una fosforilación a nivel de sustrato. La reacción neta del ciclo del ácido cítrico es:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi +2 H2O →2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + CoASH + GTP + 3 H+

El ciclo del ácido cítrico desempeña otro papel importante en el metabolismo, además de su función en la producción de energía. Los intermediarios del ciclo son sustratos de diversas reacciones de síntesis.

Conversión del piruvato en acetil-CoA

Tras su transporte a la matriz mitocondrial, el piruvato se convierte en acetil-CoA en un conjunto de reacciones catalizadas por las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa. La reacción neta una descarboxilación oxidativa, es la siguiente:

Piruvato + NAD+ + CoASH → Acetil-CoA + NADH + CO2 + H2O + H+

A pesar de la simplicidad aparente de esta reacción muy exergónica (∆G0’ = -33.5 kJ/mol), su mecanismo es uno de los mas complejos que se conocen. El complejo piruvato deshidrogenasa es una estructura multienzimática grande que contiene tres actividades enzimáticas: piruvato deshidrogenasa (E1), conocida también como piruvato descarboxilasa, dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). Cada actividad enzimática esta presente en varias copias. En el cuadro de la siguiente hoja se resume el número de copias de cada enzima y las coenzimas que requiere el complejo piruvato deshidrogenasa de E. coli.

Resumen de las enzimas del ciclo del ácido cítrico

Coenzima FuncionesTiamina pirofosfato Descarboxilación y transferencia de grupos

aldehídos Ácido lipoico Transportador de grupos hidrógeno o acetilo NADH Transportador electrónicoFADH2 Transportador electrónicoCoenzima A (CoASH) Transportador de grupos acetilo

En el primer paso, la piruvato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación piruvato. Se forma un nucleófilo cuando un residuo básico de la enzima extrae protón del anillo de tiazol de la tiamina pirofosfato (TPP). Se forma el intermediario, hidroxietil-TPP (HETPP), tras el ataque del anillo nucleófilo de tiazol al grupo carbonilo del piruvato con la pérdida de CO2 (figura de la página siguiente).

En los pasos siguientes, el grupo hidroxietilo del HETPP se convierte en acetil-CoA por la dihidrolipoil transacetilasa. El ácido lipoico desempeña un papel crucial en esta transformación. El ácido lipoico está unido a la enzima a través de un enlace amida con el grupo ε-amino de un residuo de lisina. Reacciona con el HETPP para formar un ácido lipoico acetilado y TPP libre. El grupo acetilo se transfiere a continuación al grupo sulfhidrilo de la coenzima A. Posteriormente, el ácido lipoico reducido se vuelve a oxidar por la dihidrolipoil deshidrogenasa. El FADH2 se vuelve a oxidar por el NAD+ (con su potencial de reducción más negativo) para formar el FAD que se requiere para la oxidación del siguiente residuo de ácido lipoico reducido.

La actividad de la piruvato deshidrogenasa está regulada por dos mecanismos:

Inhibición por el producto y modificación covalente. El complejo enzimático se activa alostéricamente por el NAD+, la CoASH y el AMP. Se inhibe por concentraciones elevadas de ATP y los productos de la reacción acetil-CoA y NADH. En los vertebrados, estas moléculas activan también una quinasa, que convierte el complejo piruvato deshidrogenasa activo en una forma fosforilada inactiva. Las elevadas concentraciones de los sustratos piruvato, CoASH y NAD+

inhiben la actividad de la quinasa. El complejo piruvato deshidrogenasa se reactiva por una reacción de desfosforilación catalizada por una fosfoproteína fosfatasa. La fosfoproteína fosfatasa se activa cuando la concentración mitocondrial de ATP es baja.

Actividad enzimática

Función Nº de copias por complejo*

Coenzimas

Piruvato deshidrogenasa (E1)

Descarboxila al piruvato 24 (20-30) TPP

Dihidrolipoil transacetilasa (E2)

Cataliza la transferencia del grupo acetilo a la CoASH

24 (60) Ácido lipoico, CoASH

Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3)

Oxida de nuevo a la dihidrolipoamida

12 (20-30) NAD+, FAD

*En paréntesis se presenta el número de moléculas de cada actividad enzimática que se encuentra en la piruvato deshidrogenasa de mamíferos.

Reacciones catalizadas por el complejo piruvato deshidrogenasa.

Las piruvato carboxilasa, que contiene TPP, cataliza la formación de HETPP. Utilizando como cofactor ácido lipoico, la dihidrolipoil transacetilasa convierte al grupo hidroxietilo del HETPP en acetil-CoA. La dihidrolipoil deshidrogenasa vuelve a oxidar al ácido lipoico reducido.

Reacciones del ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico está formado por ocho reacciones que tienen lugar en dos fases:

1. El grupo acetilo de dos carbonos de la acetil-CoA entra en el ciclo al reaccionar con el compuesto de cuatro carbonos oxalacetato (reacciones 1-4). A continuación se liberan dos moléculas de CO2.

2. El oxalacetato se regenera de forma que pueda reaccionar con otra acetil-CoA.

Las reacciones del ciclo del ácido cítrico son como sigue:

1. Introducción de dos carbonos como acetil-CoA. El ciclo del ácido cítrico comienza con la condensación de la acetil-CoA con el oxalacetato para formar citrato:

Obsérvese que esta reacción es una condensación aldólica. En esta reacción la enzima separa un protón del grupo metilo de la acetil-CoA, convirtiéndola de esta manera en un carbanión. El carbanión metilo nucleófilo a continuación ataca al carbono carbonílico del oxalacetato. El producto, la citroil-CoA, se hidroliza rápidamente para formar citrato y CoASH. Debido a la hidrólisis del enlace tioéster de energía elevada, la variación de energía libre estándar global es igual a -3.3.5 kJ/mol, y la formación de citrato es muy exergónica.

2. El citrato se isomeriza para formar un alcohol secundario que puede oxidarse fácilmente. En la reacción siguiente del ciclo, el citrato, que contiene un alcohol terciario, se convierte de forma reversible en isocitrato por la aconitasa. Durante esta reacción de isomerización, se forma por deshidratación un intermediario denominado cis-aconitato. El doble enlace carbono-carbono del cis-aconitato se rehidrata a continuación para formar el alcohol secundario más reactivo, isocitrato.

3. El isocitrato se oxida para formar NADH y CO2. La descarboxilación oxidativa del isocitrato, que cataliza la isocitrato deshidrogenasa, se produce en dos pasos. En el primero, el isocitrato se oxida para formar oxalsuccinato, un intermediario transitorio.

La descarboxilación inmediata del oxalsuccinato da lugar a la formación de α-cetoglutarato, un α-cetoácido. Existen en los mamíferos dos formas de isocitrato deshidrogenasa. La isoenzima que requiere NAD+ sólo se encuentra en las niitocondrias. La otra isoenzima, que requiere NADP+, se encuentra tanto en la matriz mitocondrial como en el citoplasma. En algunas circunstancias la última enzima se utiliza dentro de ambos compartimientos para generar NADPH, que se requiere en los procesos de biosíntesis. Obsérvese que el NADH producido en la conversión del isocitrato en α-cetoglutarato es el primer enlace entre el ciclo del ácido cítrico y la CTE, y la fosforilación oxidativa.

4. El α-cetoglutarato se oxida para formar una segunda molécula de NADH y de CO2. La conversión del α-cetoglutarato en succinil-CoA está catalizada por las actividades enzimáticas del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa: α-cetoglutaratodeshidrogenasa, dihidrolipoil transsuccinilasa y dihidrolipoil deshidrogenasa.

Esta reacción muy exergónica (∆Gº’ = -33.5 kJ/mol), una descarboxilación oxidativa, es análoga a la conversión del piruvato en acetil-CoA, que cataliza la piruvato deshidrogenasa. En ambas reacciones, los productos son moléculas de tioéster con energía abundante, esto es, acetil-CoA y succinil-CoA. Otras semejanzas entre los dos complejos multienzimáticos son que se requieren los mismos cofactores (TPP,CoASH, ácido lipoico, NAD+ y FAD) y que son inhibidores los mismos o semejantes efectores alostéricos. La α-cetoglutarato deshidrogenasa se inhibe por la succinil-CoA, el NADH, el ATP y el GTP. Una diferencia importante entre los dos complejos es que el mecanismo de control del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa no, implica una modificación covalente.

5. La ruptura de la succinil-CoA está acoplada a una fosforilación a nivel de sustrato. La ruptura del enlace tioéster de energía elevada de la succinil-CoA para formar succinato, que cataliza la succinato tioquinasa, está acoplada en los mamíferos a la fosforilación a nivel de sustrato del GDP. En otros organismos, se fosforila el ADP.

6. La molécula de cuatro carbonos succinato se oxida para formar fumarato y FADH2. La succinato deshidrogenasa cataliza la oxidación del succinato para formar fumarato:

De forma diferente a otras enzimas del ciclo del ácido cítrico, la succinato deshidrogenasa no se encuentra dentro de la matriz mitocondrial, sino que está firmemente unida a la membrana mitocondrial interna. La oxidación de un alqueno requiere un agente oxidante más fuerte que el NAD+. La succinato deshidrogenasa es una flavoproteína que emplea el FAD para impulsar la oxidación del succinato a fumarato. (En la reacción completa los electrones donados al FAD unido covalentemente a la succinato deshidrogenasa pasan a continuación a la coenzima Q, un componente de la CTE. La ∆Gº’ para este proceso es de -5.6 kJ/mol.) La succinato deshidrogenasa se activa por concentraciones elevadas de succinato, ATP y Pi, y se inhibe por el oxalacetato. Recuerde que la enzima también se inhibe por el malonato, un análogo estructural del succinato. (Este inhibidor fue utilizado por Hans Krebs en sus trabajos pioneros sobre el ciclo del ácido cítrico.)

7. Hidratación del fumarato. El fumarato se convierte en L-malato en una hidratación estereoespecífica reversible catalizada por la fumarasa (que también se denomina fumarato hidratasa):

8. El malato se oxida para formar oxalacetato y un tercer NADH. Finalmente, el oxalacetato se regenera con la oxidación del L-malato:

La malato deshidrogenasa utiliza como agente oxidante el NAD+ en una reacción muy endergónica (∆Gº’= +29 kJ/mol). La reacción es empujada hasta que se completa debido a la eliminación del oxalacetato en la siguiente vuelta del ciclo.

Destino de los átomos de carbono en el ciclo del ácido cítrico

En cada vuelta del ciclo del ácido cítrico entran dos átomos de carbono como grupo acetilo de la acetil-CoA y se liberan dos moléculas de CO2. Una revisión cuidadosa del diagrama del ciclo del ácido cítrico descubre que los dos átomos de carbono que se liberan en forma de moléculas de CO 2

no son los mismos dos carbonos que han entrado en el ciclo, sino que los átomos de carbono liberados proceden del oxalacetato que reaccionó con la acetil-CoA entrante. Los átomos de carbono entrantes consecuentemente forman la mitad del succinato. Debido a la estructura asimétrica del succinato, los átomos de carbono que derivan del grupo acetilo entrante finalmente se distribuyen en todas las moléculas que proceden del succinato. Por consiguiente, los átomos de carbono que entran se liberan como CO2 sólo tras dos o más vueltas del ciclo.

Ciclo del ácido cítrico anfibólico

Las rutas anfibólicas pueden actuar como procesos anabólicos o catabólicos. El ciclo del ácido cítrico es obviamente catabólico, dado que los grupos acetilo se oxidan para formar CO2 y la energía se conserva en las moléculas de coenzima reducidas. El ciclo del ácido cítrico es también anabólico, dado que varios intermediarios del ciclo del ácido cítrico son precursores de rutas de biosíntesis. Por ejemplo, el oxalacetato se utiliza en la gluconeogénesis y en la síntesis de los aminoácidos. El α-cetoglutarato desempeña también un papel importante en la síntesis de aminoácidos. La síntesis de porfirinas como el hemo utiliza la succinil-CoA. Finalmente, la síntesis de los ácidos grasos y del colesterol en el citoplasma requiere acetil-CoA.

Los procesos anabólicos extraen del ciclo del ácido cítrico moléculas que se requieren para mantener su función en la generación de energía. Varias reacciones, denominadas anapleróticas, lo rellenan. Una de las reacciones anapleróticas más importante es la que cataliza la piruvato carboxilasa. Una concentración elevada de acetil-CoA, un indicador de concentración insuficiente de oxalacetato, activa la piruvato carboxilasa. Como consecuencia, aumenta la concentración de oxalacetato. El exceso de oxalacetato que no se utiliza dentro del ciclo del ácido cítrico se emplea en la gluconeogénesis. Otras reacciones anapleróticas son la síntesis de succinil-CoA a partir de determinados ácidos grasos y los α-cetoacidos, α-cetoglutarato y oxalacetato, a partir de los aminoácidos glutamato y aspartato, respectivamente, mediante reacciones de transaminación.El ciclo del ácido cítrico es una ruta anfibólica; es decir, actúa tanto en el catabolismo como en el anabolismo. Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico que se utilizan en los procesos anabólicos se reponen mediante varias reacciones anapleróticas.

Regulación del ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico está regulado con precisión de forma que se satisfagan constantemente los requerimientos energéticos y de biosíntesis de la célula. La regulación se consigue principalmente modulación de enzimas clave y la disponibilidad de determinados sustratos. Dado su papel destacado en la producción de energía, el ciclo depende también de un aporte continuo de NAD +, FAD y ADP.

Las enzimas del ciclo del ácido cítrico citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa están estrechamente reguladas dado que catalizan reacciones que representan importantes puntos de ramificación metabólicos.

La citrato sintasa, la primera enzima del ciclo, cataliza la formación de citrato a partir de acetil-CoA y oxalacetato. Dado que la concentración de acetil-CoA y de oxalacetato son bajas en la mitocondria con relación a la cantidad de la enzima, cualquier aumento de la disponibilidad del sustrato estimula la síntesis de citrato. (En estas condiciones la reacción es de primer orden con respecto al sustrato. Por lo tanto, la velocidad de la síntesis de citrato está influenciada por las variaciones de las concentraciones de acetil-CoA y oxalacetato.) Las concentraciones elevadas de succinil-CoA (un producto intermediario «lejano» del ciclo) y de citrato inhiben la citrato sintasa actuando como inhibidores alostéricos. Otros reguladores alostéricos de esta reacción son el NADH y el ATP, cuyas concentraciones reflejan el estado energético celular del momento. Una célula en reposo posee cocientes elevados de NADH/NAD+ y ATP/ADP. Al activarse metabólicamente una célula, las concentraciones de NADH y ATP descienden, y como consecuencia se hacen más activas las enzimas como la citrato sintasa.

La isocitrato deshidrogenasa cataliza la segunda reacción del ciclo muy regulada. Su actividad se estimula por las concentraciones relativamente elevadas de ADP y NAD+ y se inhibe por el ATP y el NADH. La isocitrato deshidrogenasa está muy regulada debido a su importante papel en el metabolismo del citrato. Como se ha descrito anteriormente, la conversión de citrato en isocitrato es reversible. Una mezcla de equilibrio de las dos moléculas consta en gran medida de citrato. (La reacción se impulsa hacia delante debido a que el isocitrato se transforma rápidamente en α-cetoglutarato.) De las dos moléculas, solo el citrato puede penetrar en la membrana mitocondrial interna. (Cuando se mueven al citoplasma un número sustancial de moléculas de citrato, el requerimiento energético de la célula es bajo.) El transporte del citrato se utiliza para sacar fuera de la mitocondria al acetil-CoA debido a que la acetil-CoA no puede atravesar la membrana mitocondrial interna. Una vez en el citoplasma, el citrato se fracciona por la citrato liasa. La acetil-CoA que se forma se utiliza en varios procesos de biosíntesis, como la síntesis de ácidos grasos. El oxalacetato se utiliza en las reacciones de biosíntesis o puede convertirse en malato. Éste puede volver a entrar en la mitocondria, donde vuele a convertirse en oxalacetato o se convierte en el citoplasma en piruvato por la enzima málica. El piruvato vuelve a entrar en la mitocondria. Además de ser un precursor de la acetil-CoA y del oxalacetato en el citoplasma, el citrato actúa también directamente para regular varios procesos citoplásmicos. El citrato es un activador alostérico de la primera reacción de la síntesis de los ácidos grasos. Además, el metabolismo del citrato proporciona parte del NADPH que se utiliza para la síntesis de ácidos grasos. Finalmente, debido a que el citrato es un inhibidor de la PFK- 1, inhibe la glucólisis.

La actividad de la α-cetoglutarato deshidrogenasa está estrictamente regulada dado la importancia del α-cetoglutarato en varios procesos metabólicos (p. ej., metabolismo de los aminoácidos). Cuando los almacenes celulares de energía son bajos, la α-cetoglutarato deshidrogenasa se activa y se retiene el α-cetoglutarato dentro del ciclo a expensas de los procesos de biosíntesis. Al aumentar el suministro celular de NADH, la enzima se inhibe, y las moléculas de α-cetoglutarato quedan disponibles para las reacciones de biosíntesis.

Dos enzimas ajenas al ciclo del ácido cítrico afectan profundamente su regulación. Las actividades relativas de la piruvato deshidrogenasa y de la piruvato carboxilasa determinan el grado de utilización del piruvato para generar energía y precursores de biosíntesis. Por ejemplo, si una célula está utilizando un intermediario del ciclo como el α-cetoglutarato en la biosíntesis, la concentración de oxalacetato cae y se acumula acetil-CoA. Dado que la acetil-CoA es un activador de la piruvato carboxilasa (y un inhibidor de la piruvato deshidrogenasa), se produce más oxalacetato a partir de piruvato, rellenando el ciclo.

CICLO DEL GLIOXILATO

Los vegetales y algunos hongos, algas, protozoos y bacterias pueden crecer utilizando compuestos con dos carbonos. (Las moléculas como el etanol, el acetato y la acetil-CoA, que derivan de los ácidos grasos, son los sustratos más comunes.) El conjunto de reacciones responsables de esta capacidad, que se denomina ciclo del glioxilato, es una versión modificada del ciclo del ácido cítrico. En los vegetales, el ciclo del glioxilato tiene lugar en orgánulos denominados glioxisomas. Por ejemplo, en ausencia de la fotosíntesis, el crecimiento de las semillas germinadas se mantiene por la conversión de las reservas grasas (triacilgliceroles) en hidratos de carbono. En otros organismos eucariotas y en las bacterias, las enzimas del glioxilato se encuentran en el citoplasma.

El ciclo del glioxilato consta de cinco reacciones. Las dos primeras reacciones (la síntesis de citrato e isocitrato) son familiares, debido a que también tienen lugar en el ciclo del ácido cítrico. Sin embargo, la formación de citrato a partir de oxalacetato y acetil-CoA y la isomerización de citrato para formar isocitrato están catalizadas por isoenzimas específicas de los glioxisomas. Las dos reacciones siguientes son únicas del ciclo del glioxilato. El isocitrato de desdobla en dos moléculas (succinato y glioxilato) por la isocitrato liasa. (Esta reacción es una escisión aldólica.) El succinato, una molécula de cuatro carbonos, finalmente se convierte en malato por enzimas mitocondriales. La molécula de dos carbonos glioxilato reacciona con una segunda molécula de acetil-CoA para formar malato en una reacción catalizada por la malato sintasa. El ciclo se completa al convertirse el malato en oxalacetato por la malato deshidrogenasa.

El ciclo del glioxilato permite la síntesis neta de moléculas más grandes a partir de moléculas de dos carbonos por la siguiente razón. Se evitan las reacciones de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico, en las que se pierden dos moléculas de CO2. Utilizando dos moléculas de acetil-CoA, el ciclo del glioxilato produce una molécula de succinato y otra de oxalacetato. El succinato se utiliza para la síntesis de moléculas de importancia metabólica, de las que la más importante es la glucosa. (En los organismos como los animales, que no tienen isocitrato liasa ni malato sintasa, la

gluconeogénesis siempre implica moléculas con al menos tres átomos de carbono. En estos organismos no hay síntesis neta de glucosa a partir de los ácidos grasos.) El oxalacetato producto del ciclo se utiliza para mantener el ciclo del glioxilato.

Papel del ciclo del glioxilato en la gluconeogénesis.

La acetil-CoA que se utiliza en el ciclo del glioxilato procede de la degradación de los ácidos grasos (β-oxidación). En los organismos con las enzimas adecuadas, puede formarse glucosa a partir de compuestos de dos carbonos como el etanol y el acetato. En los vegetales, las reacciones están localizadas dentro de cuerpos lipídicos, los glioxisomas, las mitocondrias y el citoplasma.

TEMAS DE INTERÉS

Cáncer y metabolismo energético

El cáncer consiste en un conjunto de enfermedades en las que las células dañadas genéticamente proliferan de forma autónoma. Estas células no pueden responder a los mecanismos reguladores normales que aseguran la cooperación intercelular que se requiere en los organismos multicelulares. Como consecuencia, continúan proliferando, robando de esta manera a las células normales cercanas los nutrientes e invadiendo en última instancia el tejido sano de los alrededores.

Se ha reconocido desde hace tiempo que los tumores cancerosos poseen un metabolismo energético anómalo. Por ejemplo, en los años 1930, Otto Warburg (1883-1970), el bioquímico alemán que diseñó los primeros métodos fiables para estudiar el metabolismo energético en los tejidos animales,

observó que las células tumorales convierten la glucosa en ácido láctico a una velocidad anómalamente elevada con independencia de su suministro de oxígeno. Como se ha descrito pre-viamente, en presencia de oxígeno el flujo de glucosa a través de la glucólisis es considerablemente inferior en las células aerobias normales que cuando está ausente el oxígeno. Hasta los años 1980 se suponía que los valores de pH intracelular y extracelular de las células tumorales eran ácidos. En esa época los avances tecnológicos que permitieron la medida no invasora de los valores de pH de los tumores descubrieron que las células malignas regulan su pH interno de forma que es neutro o ligeramente alcalino. Actualmente se sabe que ambas circunstancias (el pH externo bajo y los valores relativamente elevados de los valores internos de pH) benefician a las células tumorales. Un pH externo bajo estimula las metástasis (la migración a otros tejidos de las células malignas que se dividen rápidamente), y un pH interno elevado estimula los procesos implicados en el crecimiento y la división celular.

Durante muchos años los oncólogos moleculares (bioquímicos y biólogos moleculares que investigan las bases moleculares del cáncer) han intentado descubrir cómo contrarrestan las células malignas la regulación del metabolismo energético. Aunque todavía no se conocen los mecanismos precisos, se cree que los cambios del metabolismo energético se producen por alteraciones de la expresión genética, muchas de las cuales están estimuladas por la hipoxia (concentraciones de oxígeno inadecuadas) crónica. Las investigaciones más recientes han descubierto que en el tejido normal la hipoxia desencadena cambios de la expresión de los genes que producen una cascada de respuestas fisiológicas que permiten sobrevivir a las células durante condiciones temporales adversas. Muchos de estos cambios de la expresión de los genes son consecuencia de la activación del factor de trascripción factor 1 inducible por la hipoxia (HIF-l). (Los factores de trascripción son proteínas que regulan o inician la síntesis de RNA al unirse a secuencias específicas de DNA denominadas elementos de respuesta.) Destacando entre los genes cuya expresión está sobrerregulada por el HIF- 1 se encuentran los que codifican las proteínas transportadoras de glucosa, la mayoría de las enzimas glucolíticas, y la LDH. En las primeras fases de la carcinogénesis (el proceso mediante el cual las células se hacen inestables genéticamente y finalmente cancerosas) las células profundas del tumor quedan privadas de oxígeno y nutrientes. Aquellas células que pueden adaptarse a estas condiciones hostiles tienen una ventaja de supervivencia sobre las que no pueden hacerlo. Consecuentemente, son características comunes de los tumores un aumento del flujo glucolítico y la sobreproducción resultante de lactato. Al producirse la carcinogénesis y formar el tumor su propio aporte sanguíneo (un proceso denominado angiogénesis) induciendo la síntesis de proteínas como el VEGF (factor de crecimiento endotelial vascular), sus células finalmente reciben las cantidades adecuadas de oxígeno y nutrientes. Sin embargo, el ritmo glucolítico de estas células permanece elevado. En este fenómeno, que se denomina glucólisis aerobia, las células tumorales obtienen la energía para el mantenimiento de sus rápidas divisiones celulares a partir de un metabolismo mixto con un ritmo elevado de glucólisis y algo de fosforilación oxidativa. En muchas células tumorales, la producción de lactato es tan elevada que se produce poca acetil-CoA. En estas circunstancias, el aminoácido glutamina fre-cuentemente es el sustrato oxidable principal para un ciclo del ácido cítrico anómalo e incompleto. (La glutamina se convierte en glutamato, el precursor del α-cetoglutarato. La oxidación del α-cetoglutarato sólo produce dos moléculas de NADH, en lugar de las tres moléculas normales.) En otras palabras, la sobrerregulación transitoria normal de los genes inducibles por la hipoxia y los consumos elevados de glucosa que lo acompañan son ahora características permanentes del tumor que crece.

Hans Krebs y el ciclo del ácido cítrico

Hans Krebs (1900-1981), un bioquímico alemán, es conocido por su descubrimiento del ciclo del ácido cítrico, probablemente una de las contribuciones más importantes de la bioquímica en el siglo xx. Los esfuerzos de Krebs para elucidar los detalles del metabolismo oxidativo (los medios por los que los nutrientes se convierten en energía) fueron posibles gracias a muchos factores. Como en la mayoría de la investigación bioquímica, Krebs se benefició de descubrimientos de otros muchos científicos que proporcionaron información sobre los sustratos (p. ej., succinato, fumarato y malato) y las reacciones (p. ej., deshidrogenaciones, hidrataciones y deshidrataciones) que se sabía que intervenían en la respiración celular. Los más destacados de estos científicos fueron Otto Warburg (1883-1970) y Albert Szent-Gyórgyi (1893-1986). Krebs tuvo también la fortuna de emplear los primeros años de su carrera trabajando en el laboratorio de Otto Warburg en el Kaiser Willielm Institut de Berlín. Allí aprendió Krebs técnicas puestas a punto por Warburg, que posteriormente demostraron ser cruciales en sus propios proyectos de investigación. Entre éstas estaban la manometría (un método para determinar la concentración de una sustancia específica utilizando un instrumento que mide la captura de O2 o la liberación de CO2), la espectrofotometría (una técnica que mide la concentración de una sustancia determinando la proporción de la luz incidente que absorbe el sustrato a una determinada longitud de onda), y la preparación de cortes experimentales de tejidos. Durante varios años, empezando en 1933, Krebs, ayudado por los esfuerzos prodigiosos de su estudiante de investigación William A. Johnson, lentamente juntó los elementos de la ruta oxidativa que él finalmente dedujo era un ciclo. Sólo unos años después de que Krebs y Johnson comunicaran su trabajo en 1937 se reconoció al ciclo como el medio principal por el que los hidratos de carbono se oxidan en las células. Además de la naturaleza controvertida de su trabajo (p. ej., Szent Gyorgyi creía que las moléculas como el succinato y el fumarato actuaban como lanzaderas de los átomos de hidrógeno hacia el 02), uno de los problemas principales que retrasaron el reconocimiento fue la identidad del «acetato activo», el intermediario en la conversión del piruvato en citrato. Krebs observó que cuando se añadía piruvato a cortes de tejido, se producían grandes cantidades de citrato. Sin embargo, la adición de acetato, el producto, esperado de la reacción, no producía ningún efecto. Mucho después, Fritz Lipmann y Nathan Itaplan descubrieron la acetil-CoA (1945) y Severo Ochoa y Feodor Lynen establecieron que la acetil-CoA reacciona con el oxalacetato para formar citrato (1951). Por estos esfuerzos Krebs recibió el título de caballero y el Premio Nobel de fisiología y medicina en 1953 (compartido con Fritz Lipmann). Otras contribuciones importantes de Hans Krcbs fueron el descubrimiento del ciclo de la urea y el ciclo del glioxilato. El ciclo de la urea, el mecanismo por el que algunos animales convierten el nitrógeno tóxico de desecho en urea (un producto hidrosoluble que puede eliminarse) lo descubrieron en 1932 Krebs y Kurt Heinsleit, un estudiante de medicina. En 1957, en una publicación conjunta de Hans Komberg y Hans Krebs comunicaron el descubrimiento del ciclo del glioxilato.

Muchos años después de su descubrimiento del ciclo del ácido cítrico, al decirle que reflexionara sobre su éxito cuando otros científicos brillantes habían fracasado en la elucidación del mecanismo, Krebs replicó en parte, «Mi enfoque fue el de un biólogo tratando de elucidar los sucesos químicos de las células. Yo estaba acostumbrado a relacionar las reacciones químicas en la materia viva con las actividades de la célula como un todo. Juntando las piezas de información como en un puzzle e intentando encontrar los enlaces perdidos, traté de llegar a una imagen coherente de los procesos metabólicos. De esta forma, mi mente estaba preparada para utilizar cualquier pieza de información que pudiera tener un apoyo en las fases intermediarias de la combustión de los alimentos. Esta diferencia de enfoque fue, creo yo, un factor importante para determinar quién tropezó primero con el concepto del ciclo del ácido tricarboxílico».

CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES

¿De dónde obtenemos las cantidades de energía necesarias para sobrevivir?

Si analizamos brevemente la ecuación de combustión

, ΔGº= 2840 kJ/molSerá evidente que la ecuación nos indica que los electrones pasaron directamente a O2 reduciéndolo a H2O, pero esta reacción no ocurre en forma tan directa en la naturaleza y los 12 pares de electrones que se liberaron en la oxidación de la glucosa no se transfieren directamente al oxígeno, sino que se transfieren a las coenzimas NAD+ y FAD para formar NADH y FADH2

respectivamente. De ésta manera:

Estructura de NAD Estructura de FAD

Reducen Enzimas

NAD+

Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenada

Complejo de la Piruvato deshidrogenasa

Isocitrato deshidrogenasa

α-cetoglutarato deshidrogenasa

Malato deshidrogenasa

FAD Succinato deshidrogenasa

Luego de la Glucólisis y del ciclo de Krebs, los electrones pasan a la cadena transportadora de electrones, un sistema de transportadores de electrones ubicado en la membrana interna mitocondrial, que actúan secuencialmente.

Los transportadores son proteínas integrales de membrana con grupos prostéticos capaces de aceptar y/o donar 1 o 2 electrones.

La cadena de transportadores puede ser descrita como un gran proceso de 3 eventos, que son:

1. Transferencia de los electrones del NADH y FADH2 a otras sustancias, donde finalmente se reoxidan a NAD+ y FAD para seguir participando en mas reacciones redox.

2. Los electrones transferidos participarán en la oxidación-reducción secuencial de +10 centros redox en 4 complejos enzimáticos, antes de reducir el O2 a H2O.

3. Durante la transferencia de los electrones, los H+ liberados por las coenzimas, serán expulsados de la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, y creando una gradiente entre ambas. Finalmente, la ΔG de ésa gradiente electroquímica conducirá la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi a través de la fosforilación oxidativa.

Los transportadores realizan 3 tipos de transferencias en todo éste proceso:

1. Transferencia directa de electrones (asociada a metales) 2. Transferencia de átomo de hidrógeno → H+ + e- 3. Transferencia de ión hidruro → H- (H+ + 2e-) 4.

Existen 5 tipos de moléculas transportadoras de electrones en éste proceso:

1. NAD+ y NADP+ 2. Flavoproteínas 3. Ubiquinona 4. Proteínas Ferro-sulfuradas 5. Citocromos

La mayor cantidad de electrones es provista de las enzimas de tipo deshidrogenasas, presentes en las vías catabólicas, y los envían a nucleótidos de amina o flavina.

1).- NAD+ y NADP+; son carriers electrónicos solubles que pueden acoplarse reversiblemente a las deshidrogenasas, y que son incapaces de atravesar la membrana interna mitocondrial, pero son capaces de aportar sus electrones a la cadena transportadora de manera indirecta.El NADH lleva sus electrones al Complejo I o NADH-deshidrogenasa, y el NADPH otorga electrones a variadas reacciones anabólicas en nuestro organismo.

Reacciones catalizadas por éstas coenzimas:

Si observan atentamente las ecuaciones, verán que tanto NAD+ y NADP+ son aceptores de grupos hidruros (H-)

NAD+ NADP+

2).- Flavoproteínas; Son proteínas que poseen flavin-mononucleotidos (FMN) o Flavin-adenin-dinucleotido (FAD) unidos de forma covalente a su sitio activo. El nucleótido de flavina oxidado puede aceptar 1 o 2 electrones, como semiquinona o FMNH2/FADH2 respectivamente. La transferencia electrónica ocurre, puesto que la proteína tiene un potencial de reducción mayor que el del compuesto oxidado.Las flavoproteínas pueden actuar como intermediarios entre reacciones en las que se donan 2 electrones (como deshidrogenaciones) o 1 electrón (cómo la reducción de quinona a hidroquinona).

FAD FMN

3).-Ubiquinona; También llamada coenzima Q (CoQ o simplemente Q), la ubiquinona es una benzoquinona con una larga cadena lateral isoprenoide.Su nombre viene del inglés UBI (quitous), QUINONE (Quinona ubicua u omnipresente)

La ubiquinona puede actuar como puente entre un dador de 2 electrones y un aceptor de 1 electrón, además, puesto que Q es una molécula pequeña e hidrofóbica, puede difundir a través de la membrana interna mitocondrial y actuar como una lanzadera (shuttle) de equivalentes de reducción entre otros transportadores menos móviles.

Ubiquinona. El isoprenoide se muestra entre corchetes

Transformaciones químicas de la Ubiquinona:

Estructura Nombre

Forma oxidada de la Ubiquinona, también conocida como CoQ. Cómo la imagen mostrada tiene 3 unidades isoprénicas, ésta ubiquinona sería de tipo Q3.

En mitocondrias humanas, la ubiquinona mas común es la de tipo Q10

Cuando la ubiquinona acepta 1 electrón o equivalente de reducción, se transforma en un radical libre llamado semiquinona (Q. o QH).

A pesar de lo que se muestra, cualquiera de los dos oxígenos unidos al anillo bencénico (en forma de grupo carbonilo) puede aceptar ése electrón.

Si la ubiquinona es reducida por 2 electrones o equivalentes de reducción, se transforma en ubiquinol (QH2), transformando sus dos grupos carbonilos en grupos hidroxilos.

4).- Proteínas Ferro-sulfuradas; Son proteínas que contienen Fe3+ asociado con azufre (S), sea éste inorgánico o como el encontrado en las cadenas laterales de Cistidina (Cys).Van de formulas sencillas donde participa 1 átomo de Fe3+, hasta motivos mas complejos donde actúan mas de 4 átomos de Fe3+.Proteínas de Rieske; variantes de las proteínas ferro-sulfuradas, dónde el Fe3+ se agrupa a 2 residuos de Histidina, en vez de Cisteina.En la transferencia electrónica mitocondrial, actúan al menos 8 proteínas ferro-sulfuradas.

5).- Citocromos; Los citocromos son proteínas que presentan un cofactor Hemo (Fe3+).Existen 3 tipos de citocromos de interés en ésta etapa: citocromo a, citocromo b y citocromo c, los que son distinguibles por sus diferencias en el espectro de absorción de luz.

Tipo de Citocromo Imagen Grupo Hemo λmax

Citocromo a 600 nm

Citocromo b 560nm

Citocromo c 550nm

En los citocromos a y b, los cofactores Hemo están unidos fuertemente, pero no covalentemente con la proteína, mientras que en el citocromo c, el grupo hemo se une de forma covalente con la proteína mediante residuos de Cys.

El Potencial de reducción del Fe3+, en el grupo Hemo de los citocromos, depende de la interacción con las cadenas laterales de la proteína, por lo que es diferente para cada citocromo.El citocromo a y b son proteína integrales de la membrana interna de la mitocondria, mientras que el citocromo c de las mitocondrias es soluble, y se asocia de forma electrostática con la parte externa de la membrana interna.

Complejos de la Cadena Transportadora

Esquema de la Cadena Transportadora

Complejo I:

NombreNADH Deshidrogenasa

NADH: ubiquinona oxido-reductasa

Masa Molar 850 kDa

Subunidades Proteicas

43

Grupos Prostéticos FMN, centros Fe-S

Inhibidores

Amital

rotenona

Pieridicina A

Éste complejo cataliza dos procesos simultáneos acoplados:

1.- Transferencia de hidruro y un protón a la ubiquinona.

, ΔG = -

2.- Transferencia de 4 protones desde la matriz al espacio intermembrana (ΔG = +)El complejo I es una bomba de protones, impulsada por la transferencia electrónica que cataliza una reacción vectorial.(mueve protones en una dirección específica desde un lugar a otro)

Reacción Global del Complejo I:

Los inhibidores del complejo actúan bloqueando el paso de electrones en los centros Fe-S.El ubiquinol (QH2) difunde por la membrana del complejo I al complejo III, donde se oxida a Q, en un proceso acompañado de la salida de electrones.

Complejo II:

Nombre Succionato Deshidrogenasa

Masa Molar 140 kDa

Subunidades Proteicas

4

Grupos Prostéticos FAD, centros Fe-S

Inhibidores

Es la única proteína periférica de éste proceso (está adherida hacia el lado interno de la membrana interna, o sea, hacia la matriz) y forma parte del ciclo de Krebs.

Posee 4 subunidades: 2 subunidades hacia la matriz: A y B (en la imagen, de amarillo y azul respectivamente) y 2 subunidades integradas en la membrana: C y D (en la imagen, de violeta y rojo respectivamente.Ésta enzima transpasa electrones desde el succinato a la ubiquinona (Q), a través de 1 molécula FAD, 3 centros Fe-S y un citocromo b.Los complejos I y II no operan en secuencia, pero logran el mismo objetivo, traspasar electrones a la ubiquinona, desde sustratos reducidos.

Complejo III:

NombreUbiquinona-citocromo C oxido-reductasa

Masa Molar 250 kDa

Subunidades Proteicas

11

Grupos Prostéticos Hemos, Fe-S

Inhibidores Antimicina A

Transfiere electrones desde QH2 (ubiquinol) a citocromo C, junto al transporte vectorial de protones (H+) desde la matriz al espacio intermembrana, por un proceso denominado Ciclo Q.

Ciclo Q: modelo de paso de electrones y protones a través del Complejo III, en 2 Ciclos. La esencia del ciclo Q es que QH2 pasa por una reoxidación bicíclica en donde QH (semiquinona) será un intermediario estable.

Reacción del primer ciclo:

En el primer ciclo, QH2 del complejo 1 se une al sitio Qo donde transfiere 1 electrón a la proteína ferro*sulfurada, liberando 2 H+ al espacio intermembrana y formando QHLa proteína ferro-sulfurada reduce el cit.C1 y QH transfiere sus electrones al cit.BL, formando Q. El cit.BL reducirá el cit.BH.El Q formado es liberado del sitio Qo, y se une al sitio Qi, dónde adquiere el electrón del cit.BH, formándose QH.

Reacción del segundo ciclo:

En el segundo ciclo, otra molécula de QH2 proveniente del Complejo I, pasa por el proceso anterior, luego 1 electrón reduce la proteína Fe-S y el cit.C1. El otro electrón reduce secuencialmente el cit.BL y el cit.BH. Éste segundo electrón reduce el QH del primer ciclo, formando QH2. Los protones consumidos en éste último paso fueron originados de la matriz.

Reacción Global del Ciclo Q:

De ésta manera, por cada 2 moléculas de QH2 que entran al ciclo Q, se regenera 1 QH2

Complejo IV:

Nombre Citocromo Oxidasa

Masa Molar 160 kDa

Subunidades Proteicas

13

Grupos Prostéticos Hemos, CuA, CuB

Inhibidores CN- (cianuro)

Transporta electrones desde el citocromo C a O2 (Oxígeno molecular) formando H2O. Los electrones transportados siguen el siguiente camino:

Citocromo C → CuA → Hemo A → Hemo A3-CuB → O2

Por cada 4 electrones que pasan por el complejo, la enzima consume 4H+ de la matriz, reduciendo el O2 en H2O, y usa la energía de ésta reacción pasando un H+ al espacio intermembrana por cada electrón que pasa por ella.

Reacción Global del Complejo IV:

Los intermediarios se mantienen fuertemente unidos la complejo hasta que se convierten completamente en H2O, y evitar la formación de radicales libres de oxígeno.

De ésta forma, la ecuación vectorial dada por todo el proceso de la cadena transportadora es:

La energía almacenada por éste gradiente, llamada fuerza protón-motriz, tiene 2 componentes:1. Energía Química Potencial: dada por la diferencia en las concentraciones de protones a

ambos lados de la membrana interna 2. Energía Eléctrica Potencial: originada con la separación de cargas, cuando un H+ cruza la

membrana interna sin un contraión.

Síntesis de ATP

Teoría Quimiosmótica: La ΔG del transporte de electrones es conservada al bombear protones desde la matriz al espacio intermembrana para crear un gradiente electroquímico de H+ a través de la membrana interna. El potencial electroquímico de ésta gradiente se acopla a la síntesis de ATP.

Observaciones explicadas por la teoría quimiosmótica1. La fosforilación oxidativa requiere una membrana interna intacta. 2. La membrana interna es impermeable a iones como H+, OH-, K+, Cl-, cuya difusión libre

reduciría la gradiente electroquímica. 3. El transporte de electrones resulta en el transporte de H+ fuera de la mitocondria intacta (el

espacio intermembrana es equivalente al citosol), creando una gradiente electroquímica medible a través de la membrana interna.

4. Los compuestos que incrementan la permeabilidad de la membrana interna a los H+ y disipan la gradiente, además, permiten que el transporte de electrones continúe, pero inhiben la síntesis de ATP, es decir, desacoplan el transporte de electrones de la fosforilación oxidativa. Al contrario, incrementando la acidez en el espacio intermembrana, la síntesis de ATP es estimulada.

ATP-Sintetasa

La ATP-sintetasa es una ATP-asa de tipo F que contiene 2 componentes:

1. F0: Canal de H+ transmembrana hidrofóbico que contiene al menos 8 subunidades proteicas (la zona de azules y violetas en la imagen)

2. F1: Proteína periférica hidrosoluble, compuesta de 5 tipos de subunidades (la zona roja en la imagen).

EL Componente F0

Su estructura no se conoce en detalle. Utilizando DCCD, un reactivo hidrofóbico, se bloqueó el transporte de protones de F 0

reaccionando con un residuo Glu (Acido Glutámico, Glutamato a ph 7) en alguna subunidad de F0. Ésta reacción implica que un grupo carboxilo se encuentra en un ambiente lipídico, o sea, está contenido en la membrana.

Los mamíferos contienen 6 copias de proteínas ligadas a DCCD en su F 0, que se cree se asocian como un barril, formando el canal de transporte de H+ polar que contiene residuos Glu.

El Componente F1

Posee una composición proteica de tipo α3 β3 γ δ ε El arreglo cíclico y las estructuras similares de las subunidades α y β, le otorgan a ambas,

simetría rotacional. Sin embargo, la proteína es asimétrica debido a la presencia de la subunidad γ, y además

porque cada par de α y β adoptan conformaciones diferentes, cada una con una distinta afinidad por el sustrato.

La subunidad β ctliza la síntesis de ATP, aunque la subunidad α también se adhiere al ATP. Las diferencias en la conformación de β son diferentes en los sitios de unión ATP/ADP.

Ésta diferencia en la unión de nucleótidos en las 3 subunidades, son esenciales en el mecanismo del complejo.

Las conformaciones que adopta son las siguientes: β-ATP; β-ADP; β-vacía

Catálisis Rotacional

Los 3 sitios activos de F1 se alternan en la síntesis de ATP.El mecanismo de síntesis de ATP, puede ser descrito en 3 pasos:

1. Translocación de H+ por F0. 2. Catálisis de Formación del enlace fosfoanhidrido del ATP por F1. 3. Acoplamiento de la disipación de la gradiente protónica con la síntesis de ATP, que

requiere la interacción de F1 y F0.

De acuerdo al mecanismo propuesto por Boyer, F1 tiene 3 protómeros catalíticos interactuantes (subunidades αβ), cada uno en un estado conformacional diferente: Uno que se une al sustrato y producto débilmente, llamado Estado L (loosely); otro que se une a éstos fuertemente, llamado Estado T (tight); y otro que no se une a ellos, llamado Estado O (open).

LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA MITOCONDRIAL

Concepto básico

Se define FOSFORILACION como la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato. Teniendo en cuenta el papel central que el ATP presenta como fuente de energía para todos los procesos endergónicos celulares, está claro la importancia de la fosforilación en el metabolismo celular. Hay dos mecanismos diferentes de fosforilación:

a) “A nivel de sustrato”, en los que una molécula fosforilada cede su fosfato al ADP, y b) “Quimiosmóticos”, en los que la síntesis de ATP está acoplada al movimiento exergónico de hidrogeniones a favor de su potencial electroquímico:

LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

Se define la fosforilación oxidativa como la síntesis de ATP a partir de ADP y Pi acoplada a la transferencia de electrones desde un donador reducido a un aceptor final. La energía del proceso deriva, precisamente, de este proceso redox. En eucariotas, el donador último de electrones es siempre un compuesto orgánico que se oxida por los nucleotidos de nicotinamida o de flavina.

Tenemos que considerar dos apartados diferentes en la FO:

1) La cadena de transferencia de electrones desde el donador inicial al aceptor final: es la cadena respiratoria, y este proceso lo vamos a llamar respiración.

2) La síntesis de ATP propiamente dicha empleando la energía liberada en la transferencia de electrones.

Como ya hemos detallado todo lo referente a transporte de electrones en el punto anterior (cadena transportadora de electrones), este se acápite de fosforilación oxidativa solamente detallaremos como es q se fosforiliza el ADP a ATP.

La síntesis de ATP por la ATPsintetasa F

Fo: está formada por un anillo unos 5,5 nm de diámetro, formado por 10 (en levadura) o 12 subunidads c, pequeños péptidos hidrofóbicos de 8 kD, por la subunidad a y por 2 subunidades b. Está completamente integrada en la membrana

Modelo de la síntesis de ATP mediante cambios conformacionales sucesivos en cada uno de los dímeros funcionales αβ

CONTROL DE LA FOSFORILACIÓN OXIDATIVA.

Experimentalmente se ve que la respiracion (consumo de oxígeno por las mitocondrias, en presencia de un donador de electrones) requiere ADP y fosfato SI las mitocondrias están intactas. Sin embargo, si las mitocondrias están rotas, NO se requiere ADP.

La explicación de esto es que las reacciones catalizadas por los centros resopiratorios I y III son reversibles, y puedes alcanzar el equilibrio. Además, la reacción redox y el bombeo de protones están acoplados estequiométricamente, esto es, NO puede suceder uno sin el otro.

De tal forma que cuando NO puede disiparse el gradiente de hidrogeniones, el transporte de electrones se bloquea en los centros I y III. Si el gradiente se disipa, o no puede formarse como sucede en las mitocondrias rotas, el transporte electrónico (la respiración) sucede sin limitación alguna.

Inhibidores del transporte electrónico

El flujo de electrones a través de la cadena de transporte electrónico se ha podido determinar experimentalmente mediante varias técnicas; entre las más útiles se encuentra el empleo de inhibidores específicos que bloquen en puntos determinados de la cadena de transporte electrónico:

Estos inhibidores suprimen el transporte electrónico y, como consecuencia, bloquean la fosforilación

Desacoplantes de la fosforilación oxidativa

Permeabilizan la membrana a los hidrogeniones, de tal manera que aunque las mitocondrias estén intactas el gradiente de hidrogeniones no se puede formar, ya que una vez expulsados por la cadena de transporte electrónico vuelven a entrar en la matriz mitocondrial. Estos compuestos activan la respiración e inhiben la fosforilación, ya que al no haber gradiente de hidrogeniones no hay energía para que funcione la ATPsintetasaF.

Desacoplante fisiológico: las Termogeninas, pequeñas proteínas que se intregran en la membrana mitocondrial interna. Actúan en la “grasa parda” de mamíferos invernantes, que es un tejido termogénico: la energía de la respiración se disipa en forma de calor. Desacoplantes de síntesis: el dinitrofenol, compuesto amarillo usado como colorante alimentario a principios del s.XX , y luego como componente de productos “milagro” para adelgazar. Está terminantemente prohibido, por ser altamente peligroso

BIOGÉNESIS MITOCONDRIAL

La biogénesis mitocondrial es un proceso central en la fisiología celular que requiere la expresión coordinada de dos genomas localizados en compartimentos física y genéticamente diferentes, núcleo y mitocondria. Consta de dos procesos diferentes, la proliferación mitocondrial o aumento del número de mitocondrias por célula, y la diferenciación mitocondrial, donde el orgánulo adquiere las características estructurales y funcionales adecuadas a las necesidades específicas de las distintas células del organismo.

Se trata, en efecto, de un proceso complejo para el que deben expresarse de forma coordinada proteínas codificadas tanto por el ADN nuclear como por el ADN del propio orgánulo. El ADN mitocondrial codifica un porcentaje muy pequeño de las proteínas del orgánulo; la gran mayoría de ellas son codificadas por el ADN nuclear e importadas durante el proceso de diferenciación. El estudio de la biogénesis mitocondrial ha sido abordado por el Grupo de Investigación de Metabolismo Energético y Nutrición de la UIB mediante el seguimiento de factores nucleares de trasncripción que controlan el proceso de replicación y de diferenciación mitocrondrial. En este sentido, es especialmente ilustrativo el TFAM (un factor de transcripción mitocondrial) sintetizado por el núcleo celular, que es necesario para la expresión del genoma mitocondrial.

De esta manera, tal como afirma la doctora Pilar Roca, "no es que los tejidos analizados en animales hembra presenten un mayor número de mitocondrias, sino que presentan un proceso distinto de diferenciación". Por lo tanto, el proceso de biogénesis mitocondrial evolucionaría de distinta manera en los dos géneros, conduciendo a mitocondrias estructural y funcionalmente distintas.

La biogénesis mitocondrial requiere de la cooperación del genoma nuclear y mitocondrial.

Uno de los aspectos más interesantes de la síntesis mitocondrial es que requiere la acción coordinada de los genes nucleares y de los mitocondriales.

La mitocondria posee numerosas copias de una molécula pequeña de ADN circular (ADNmt) que comprende aproximadamente 16.659 nucleótidos. A partir de ese ADN, puede sintetizar 13 proteínas que forman parte esencial de la cadena de transporte de electrones, sin embargo la gran mayoría de las proteínas mitocondriales provienen de la información codificada en el ADN del núcleo celular.

Los mecanismos de señalización, como los que son activados por el ejercicio, inician la activación de factores de trascripción, que aumentan la producción de ARNm a partir del DNA nuclear y mitocondrial. Los productos de los genes nucleares son traducidos en el citosol como "proteínas precursoras" con una secuencia señal (targeting) localizada en el extremo amino terminal o en una secuencia interna proteínas precursoras. Estas proteínas precursoras interaccionan con otras proteínas llamadas chaperonas (ej: proteína de shock térmico de 70-kDa o HSP70 y el factor mitocondrial de estimulación de la importación o MSF), que mantienen la proteína recién sintetizada en forma desplegada y la dirigen a la maquinaria de importación de la membrana mitocondrial externa, donde hay un grupo de proteínas conocidas como complejo Tom. El precursor se transfiere luego a través de la membrana externa, por el espacio intermembranoso, hacia otras proteínas llamadas traslocasas, o complejo Tim, de la membrana mitocondrial interna.

Ciertos componentes intramitocondriales, empujan al precursor hacia la matriz mitocondrial, clivan la secuencia de reconocimiento de destino, y la proteína termina replegándose en la conformación madura. Situaciones de estrés fisiológico como la actividad contráctil y la hormona tiroidea aceleran

la importación de proteína hacia la mitocondria, coincidentemente con el aumento en la expresión de algunos componentes de la maquinaria de importación. En forma contraria, deterioros en el proceso de importación puede causar disfunción mitocondrial y enfermedad.

¿Qué señales disparan la biogénesis mitocondrial?

Está bien establecido que el ejercicio de resistencia, empleando una duración apropiada por día, cierta frecuencia semanal y una intensidad submáxima por sesión de entrenamiento, puede producir un aumento del contenido mitocondrial, usualmente en un rango de 50 al 100% en 6 semanas. Esto produce una mejora en la performance de resistencia, mayormente en forma independiente de los cambios mucho más pequeños inducidos por el ejercicio en el consumo máximo de oxígeno. La biogénesis mitocondrial puede ser replicada utilizando modelos artificiales de ejercicio, como la actividad contráctil crónica producida por estimulación eléctrica del nervio motor. También puede ser el resultado de otras condiciones fisiológicas, incluyendo el tratamiento con hormona tiroidea, actuando a través de receptores nucleares y mitocondriales. La respuesta del músculo a la hormona tiroidea es específica según el tipo de fibra, dependiendo en parte de las diferencias en la distribución de los receptores nucleares para esta hormona.

Las vías que utilizan el tratamiento con hormona tiroidea y las que utiliza la actividad contráctil para producir biogénesis mitocondrial son independientes entre sí, y esto ha sido evidente porque aumentos en el contenido mitocondrial son aún notables en los músculos de animales que han sido tiroidectomizados y sometidos a actividad contráctil crónica. De cualquier manera, ambas condiciones parecen producir un incremento en la masa mitocondrial en las células musculares, resultando en una capacidad mayor para el consumo de oxígeno por gramo de tejido.

Mediciones de proteínas marcadoras como la actividad del citocromo c o de la citocromo c oxidasa (COX), han permitido a los fisiólogos del ejercicio reconocer que, en respuesta a un estímulo de ejercicio constante, se requieren 6 semanas de entrenamiento de la resistencia (endurance) para alcanzar un contenido mitocondrial estacionario mayor. Este tiempo depende del tipo de fibra que está siendo reclutado, como también de la duración, frecuencia e intensidad de la sesión de ejercicio.

Las adaptaciones mitocondriales no ocurrirán en las células musculares esqueléticas que no hayan sido reclutadas durante la sesión de ejercicio, consistentemente con la idea de que el estímulo para la biogénesis se origina en el músculo en contracción, independientemente de otras influencias. Un corolario de esto es que los programas de entrenamiento de la resistencia deben ser apuntados, en parte, hacia el reclutamiento de unidades motoras conteniendo fibras tipo IIb (blancas rápidas). Interesantemente, el entrenamiento en contra de resistencia, el cual sí recluta unidades motoras fatigables rápidamente, no conduce a una adaptación mitocondrial. Como la muy alta intensidad y la corta duración de la mayoría de los programas de entrenamiento contra resistencia representan un estímulo fuerte para la síntesis de proteínas miofibrilares, conduciendo a la hipertrofia, el contenido mitocondrial en las fibras musculares agrandadas, podría estar "diluido". Esto incrementa la distancia de difusión del oxígeno y de los sustratos, y no representa una adaptación favorable con respecto a la performance en el entrenamiento de endurance.

El período de tiempo aproximado de 6 semanas requerido para lograr una nuevo estado estacionario (steady-state) en el contenido mitocondrial en respuesta al entrenamiento de resistencia, claramente no refleja los eventos moleculares tempranos que en última instancia conduce a cambios morfológicamente mensurables.

Las proteínas mitocondriales se recambian con una vida media de 1 semana luego del inicio de un nuevo nivel de actividad contráctil muscular. Esto significa que se requiere un estímulo de ejercicio continuo para mantener el contenido de mitocondrias en un nivel elevado luego de un período de entrenamiento; de otra manera, se producirá la pérdida de la capacidad oxidativa y de resistencia.

Es interesante hacer notar que los cambios en el contenido mitocondrial de fosfolípidos, ocurren con una vida media aún más corta (4 días), sugiriendo que el ensamblado y/o la degradación de la organela podría ser iniciada por cambios en la composición de fosfolípidos.

Por ejemplo, en el músculo con deficiencia de hierro, se alteran las velocidades normales de síntesis de citocromo (ya que se necesitan grupo hemo) y su incorporación a la membrana interna, sin embargo cuando se le impone una actividad contráctil a ese músculo, la misma parece conducir a la síntesis continua de lípidos de membrana, produciendo un volumen mitocondrial aumentado, con un contenido proteico notablemente reducido y anormal. Estos datos sugieren que la síntesis de proteínas y de fosfolípidos no necesariamente están acopladas durante la biogénesis mitocondrial inducida por actividad contráctil. Los datos también sugieren que la proporción de lípidos a proteínas en la mitocondria debe cambiar un poco durante la transición tanto hacia contenidos mitocondriales más altos o más bajos. Este cambio parece ser sutil como resultado del entrenamiento o de la estimulación crónica, y en la mayoría de los casos parece no afectar la velocidad de consumo de oxígeno por unidad de volumen mitocondrial. Sin embargo, podría ser mucho más evidente bajo condiciones de steady-state en tejidos que posean contenidos mitocondriales ampliamente divergentes, como el corazón y el músculo esquelético blanco.

Cambios en el metabolismo celular producidos por la biogénesis mitocondrial durante el ejercicio de resistencia.

La notable mejora en la performance de la resistencia que resulta de la biogénesis mitocondrial es una consecuencia de cambios en el metabolismo muscular durante el ejercicio. Durante la contracción muscular intensa, la concentración de ADP libre (ADPl) aumenta. Este incremento conduce el equilibrio de la reacción en la que interviene la creatina fosfokinasa (CPK) hacia la formación de ATP y creatina. El ADPl es también un sustrato y efector alostérico en la vía glucolítica, y controla la respiración mitocondrial activa. Como el entrenamiento de la resistencia incrementa el contenido mitocondrial del músculo esquelético sin grandes efectos sobre la CPK o las enzimas glucolíticas, parece razonable asumir que una fracción mayor del requerimiento de energía para un determinado trabajo de esfuerzo, derivará ahora del metabolismo aeróbico.

Esto ha sido referido como una sensibilidad mayor de la respiración mitocondrial al ADPl, ya que se requiere un incremento menor en la concentración de este metabolito, para lograr el mismo nivel de consumo de oxígeno. Este incremento reducido en el ADPl atenuará la glucólisis y la formación de ácido láctico, y se producirá una economía de fosfocreatina. Además, la formación de ADP ocurrirá a una velocidad menor. En el músculo rápido, con una alta actividad de la AMP-deaminasa, la síntesis de amoníaco y de IMP se reducirá. En el músculo lento, que posee menos AMP-deaminasa y actividades mayores de 5´-nucleotidasas, la menor formación de AMP será traducida en una conversión reducida a adenosina. Con la declinación más pequeña de creatina fosfato, una síntesis reducida de AMP, conducirá a una activación menor de la AMP kinasa (AMPK), un factor que podría ser importante para la reducción inducida por el entrenamiento de la traslocación de GLUT4 (transportador de glucosa) hacia la membrana plasmática. Esto, en coincidencia con actividades aumentadas de enzimas mitocondriales de la b-oxidación, predispone al individuo hacia una oxidación lipídica mayor durante el ejercicio.

Se ha sugerido que la performance aeróbica aumentada requiere una mejora tanto de la capacidad muscular oxidativa como de los mecanismos de control respiratorio, dando muestra de la importancia de la coordinación temporal de los flujos de energía por la CK, para más eficacia.

Otros estudios también muestran que después del entrenamiento, la sensibilidad de la mitocondria al ADP, disminuye, mientras que el efecto de la creatina en la respiración se encuentra aumentado, lo cual resulta en una mejora en el control de la producción de energía aeróbica.

El incremento del contenido mitocondrial producido por el ejercicio de resistencia no solamente conduce a una producción menor de lactato, sino también a una mejora en lavado del mismo.

El transporte de lactato hacia la mitocondria puede ocurrir vía el transportador mitocondrial monocarboxilado (MCT1), por lo tanto el aumento del contenido de mitocondrias aumentará la oxidación del lactato, produciendo velocidades menores de liberación desde el músculo. Además, cuanto mayor es el contenido de mitocondrias por gramo de músculo, menor es la velocidad de respiración requerida por mitocondria para cualquier carga de trabajo dada. Esto predice una reducción en los niveles de las especies reactivas de oxígeno (ROS), potencialmente peligrosas, aún a una velocidad constante de consumo de oxígeno por gramo de músculo. La combinación de la producción reducida de ROS, con un aumento de las enzimas protectoras, sustenta la idea de un beneficio adicional de la actividad contráctil crónica: además de la capacidad oxidativa aumentada, también atenúa el daño potencial que podrían producir las ROS en las proteínas, los lípidos y el ADN.

Contrariamente, un contenido reducido de mitocondrias, como es evidente en algunos tejidos, como consecuencia del envejecimiento, se correlaciona con una mayor tendencia al daño inducido por ROS, particularmente sobre el ADNmt. Este hecho pone de manifiesto una razón potencialmente importante para mantener el contenido mitocondrial del músculo con un programa de actividad física regular durante el proceso de envejecimiento.

Mecanismos celulares de biogénesis mitocondrial los músculos

La iniciación de la biogénesis mitocondrial en las células musculares comienza con ciertas señales provocadas por la contracción del músculo. La magnitud de la señal/es, indudablemente hasta cierto punto, está relacionada con la intensidad y duración del esfuerzo contráctil. Esta señalización puede potencialmente conducir a 1) la activación o inhibición de factores de trascripción, los cuales afectarán la velocidad de trascripción, 2) la activación o inhibición de factores de estabilización del RNAm, los cuales median cambios en la velocidad de degradación del RNAm, 3) alteraciones en la eficiencia de la traducción a proteínas, 4) la modificación post-traduccional de las proteínas, 5) cambios en la cinética de importación de proteínas mitocondriales y/o 6) alteraciones en la velocidad de ensamblado de las subunidades que conforman los complejos enzimáticos mitocondriales.

Además, la señal/es podría ser transmitida directamente a la mitocondria para iniciar la replicación o trascripción del ADN mitocondrial (ADNmt), o tener un efecto sobre la traducción del RNAm a proteínas o en el ensamblado de los complejos enzimáticos.

Eventos iniciales de señalización

Si hablamos de la actividad contráctil, al inicio de la misma, se sucede un número de eventos rápidos, que forman parte del proceso de señalización inicial, que conduce a la síntesis de proteínas y lípidos. Estos incluyen: 1) cambios en la conformación de proteínas sensibles al voltaje, respondiendo a potenciales de acción del sarcolema (membrana plasmática del músculo); 2) activación de unas proteínas de la superficie celular llamadas integrinas, que son mecano-transductores (traducen señales mecánicas desde el exterior al interior celular); 3) flujo de iones (por Ej. de Ca2+) en la célula muscular en contracción; 4) cambios en la duración de los puentes cruzados y el desarrollo de la tensión y 5) el recambio de ATP y la subsiguiente estimulación del metabolismo.

Se discutirán principalmente los eventos relacionados con la señalización por calcio y el recambio de ATP.

Calcio. Su liberación del retículo sarcoplásmico, permite la interacción de la actina y la miosina en la célula muscular. También es muy reconocido como un importante segundo mensajero en una variedad de células, incluyendo las musculares. Incrementos en la concentración de calcio citosólico pueden activar un número de proteínas kinasas (por ej la Ca2+/calmodulina kinasa II, la proteína kinasa C (PKC)) y fosfatasas (por ej, la calcineurina), las cuales en última instancia envían sus señales al núcleo para alterar la velocidad de la trascripción de ciertos genes (proceso de síntesis de ARNm a partir del ADN).

Existen otros eventos en los que participa el calcio que podrían estar relacionados con la biogénesis mitocondrial. Primero, el incremento de calcio citosólico influencia directamente la velocidad de la respiración u oxidación mitocondrial. Esto ocurre a través de la activación de enzimas deshidrogenasas, las cuales requieren calcio para su actividad completa. El cambio en el calcio mitocondrial causa incrementos en los niveles de ATP tanto en el citosol como en la mitocondria, los cuales permanecen más tiempo, luego de que las elevaciones de calcio mitocondrial han declinado.

En segundo término, se han reportado cambios mediados por calcio en eventos de fosforilación en la membrana mitocondrial interna, particularmente con la fosforilación de la subunidad c de la ATPasa F0 F1 (la que participa en la síntesis de ATP). Aunque el significado de estos hechos respecto a la biogénesis mitocondrial aún no ha sido establecido, podrían estar formando parte de una cascada de señalización intramitocondrial.

Tercero, disminuciones en la concentración de calcio en el medio que baña miotubos en cultivo, produce cambios paralelos en las actividades de las enzimas mitocondriales. En cuarto lugar, han sido documentados incrementos mediados por calcio en la expresión de citocromo c, un importante componente de la cadena de transporte de electrones.

 Finalmente, estudios realizados en células con una depleción inducida del ADN mitocondrial (ADNmt), han sostenido la conclusión de que algunos eventos señalizados por calcio en el músculo, son propagados como resultado directo de desbalances en la relación suministro-demanda de energía.

En la depleción del ADNmt, la síntesis de ATP está reducida por una cadena respiratoria defectuosa, resultado de niveles inadecuados de ciertas proteínas codificadas por el genoma mitocondrial. Esto conduce a un incremento de la concentración de calcio citosólico, presumiblemente porque los procesos dependientes de energía como la extrusión (salida) y la entrada de calcio están deteriorados.

Más recientemente Wu y col. generaron un ratón transgénico que expresa selectivamente en el músculo esquelético, una forma constitutivamente activa de la proteína kinasa IV dependiente de calcio/calmodulina (CaMKIV). Los músculos esqueléticos de estos ratones mostraron una replicación aumentada de ADN mitocondrial y biogénesis de mitocondrias, una regulación aumentada de las enzimas mitocondriales involucradas con el metabolismo de los ácidos grasos y el transporte de electrones, y una susceptibilidad reducida a la fatiga durante contracciones repetitivas. La CaMK indujo la expresión de PGC-1 (peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator 1 (PGC-1), un regulador maestro de la biogénesis mitocondrial in vivo, y activó el promotor del gen PGC-1 en miocitos en cultivo. Por lo tanto una vía de señalización regulada por calcio, controla la biogénesis mitocondrial en células de mamífero (Wu, 2002).

Sin embargo, algunos estudios han mostrado que un incremento de calcio no puede, por sí mismo, conducir a un aumento de la biogénesis mitocondrial, sino que estaría formando sólo parte de una serie más amplia de señales positivas y negativas que median los cambios en la síntesis de componentes mitocondriales.

Recambio de ATP

Por muchos años, ha sido hipotetizado que disturbios en el metabolismo energético que conduce a una depleción de ATP, una alteración en la carga energética, o un cambio en el potencial de fosforilación, podrían iniciar una respuesta compensatoria, conduciendo en última instancia a un incremento del contenido mitocondrial. Sin embargo, el entrenamiento físico de moderada intensidad puede conducir a la biogénesis mitocondrial en ausencia de cambios notables en los niveles celulares de ATP. Por lo tanto, a pesar de que las condiciones de depleción de ATP son conocidas por conducir a un contenido mayor de mitocondrias, pareciera ser que un incremento en la velocidad de recambio del ATP (es decir, velocidades aumentadas de síntesis y degradación de ATP), es suficiente para provocar la biogénesis mitocondrial. Estas ideas se apoyan en un considerable soporte experimental: experimentos realizados con una droga (el ácido b-

guanidinopropriónico) para depletar los compuestos con grupos fosfatos de alta energía como la fosfocreatina y el ATP, muestran una regulación elevada de las enzimas mitocondriales y el ARNm del citocromo c, en músculo. En segundo término, como resultado del recambio acelerado de ATP, el ejercicio incrementa los niveles de AMP y disminuye los de fosfocreatina en el músculo, provocando la activación de una proteína kinasa, la a2-AMPK.

El desacople o desacoplamiento mitocondrial se refiere a la disipación del gradiente electroquímico a través de la membrana interna, lo cual disminuye la producción de ATP, inhibiendo la actividad de la ATPasa F1 F0. Subsecuentemente, el transporte de electrones y el consumo de oxígeno se aceleran porque se pierde el control ejercido por el ADP, y la utilización de ATP excede la síntesis. En este sentido, esta condición es análoga al ejercicio intenso.

El desacople puede lograrse por el uso de drogas específicas in vitro, o por la sobreexpresión de proteínas de desacople (UCPs). En 6 horas de desacople, se observó una inducción del factor de trascripción llamado factor-1 respiratorio nuclear (NRF-1). NRF-1 ha sido ampliamente involucrado en la activación de múltiples genes implicados en la biogénesis mitocondrial. Seguidamente a la inducción del NRF-1, se observó un aumento en la expresión de los genes que son target o blanco de este factor, incluyendo la d-ácido amino levulínico sintasa (ALAs), la enzima limitante de la velocidad en la síntesis del grupo hemo. Este grupo es un componente vital de la cadena respiratoria, ya que actúa como grupo prostético de los citocromos mitocondriales. Por lo tanto parece que el incremento de la respiración mitocondrial, o el déficit entre la demanda celular de ATP y la provisión de ATP mitocondrial, proporciona un estímulo para la subsecuente inducción de una variedad de genes involucrados en la biogénesis de la organela.

En relación a las proteínas de desacople, la función fisiológica de la proteína de desacople-3 (UCP3) aún no ha sido dilucidada. Estudios previos muestran que el ejercicio induce aumentos muy considerables de la proteína UCP3 en el músculo esquelético. Como la expresión de UCP3 parece estar regulada por los mismos mecanismos que rigen otros componentes mitocondriales, resultaba poco probable que el ejercicio produjera esos cambios tan impresionantes y divergentes en la composición mitocondrial.

Jones y col, testearon la hipótesis de que los principales cambios en la concentración de proteína UCP3 no ocurren independientemente de la biogénesis mitocondrial, y que UCP3 aumenta como parte del incremento de mitocondrias inducido por el ejercicio.

Ellos encontraron un gran aumento del ARNm de UCP3 inmediatamente y 3 hs. después de una sesión de natación. La concentración de proteína UCP3 se incrementó aproximadamente 35% 18hs después de una única sesión de ejercicio, aproximadamente 63% luego de 3 días, y aproximadamente 84% luego de 10 días. Estos resultados son consistentes con la interpretación acerca de que el ejercicio de resistencia induce un incremento adaptativo en la mitocondria que posee un contenido normal de UCP3. Esta proteína también aumenta durante el ayuno y las comidas altas en grasa. En estas situaciones la disponibilidad de ácidos grasos excede la capacidad de metabolizarlos, sugiriendo que la UCP3 cumpliría un rol de regulación y manejo de estos ácidos grasos no metabolizables. Para testear la hipótesis que indica que esta proteína actuaría como exportadora de ácidos grasos no metabolizables desde la matriz mitocondrial, Schrauwen y col., le suministraron a pacientes Etomoxir (bloqueador de la entrada de ácidos grasos a la mitocondria), o un placebo, durante 36hs en una cámara respiratoria. El etomoxir inhibió la oxidación de grasa durante 24hs y la oxidación de grasas durante el ejercicio aproximadamente entre 14-19%. Sorpresivamente, el contenido de UCP3 en el músculo vastus lateralis, sufrió una marcada up-regulación en las 36hs de la administración de Etomoxir. Este aumento de la UCP3 fue acompañado

por una glucosa sanguínea en ayuno más baja, y un incremento de la traslocación del transportador de glucosa 4 (GLUT-4).

Estos datos apoyan la hipótesis que supone que la función fisiológica de la UCP3 es facilitar la salida de los ácidos grasos no metabolizables desde la matriz mitocondrial hacia el citosol, lo cuál preserva a la mitocondria de los potenciales efectos deletéreos de niveles altos de ácidos grasos. Además los datos muestran que la regulación aumentada de la UCP3, puede ser beneficiosa en el tratamiento de la diabetes tipo2 (Schrauwen, 2002).

En conclusión, existe fuerte evidencia para sostener roles interactivos y complementarios de la señalización por calcio y por disturbios en el recambio de ATP, como importantes contribuyentes a la iniciación de los eventos que conducen a la biogénesis mitocondrial.

ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

Así como algunas enfermedades reciben el nombre de la parte del cuerpo que afectan (como las enfermedades del corazón), las enfermedades mitocondriales se llaman así porque afectan una parte específica de las células de las que nuestros cuerpos están formados. El término fue introducido por Luft en 1962 al describir un paciente con hipermetabolismo no causado por una disfunción tiroidea que presentaba un desacoplamiento de la fosforilación oxidativa en mitocondrias de músculo.

Como las proteínas componentes de los complejos multienzimáticos de la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa están codificadas tanto en el DNA nuclear como en el mitocondrial, estas enfermedades pueden estar causadas por mutaciones en los genes de ambos sistemas genéticos. Sin embargo, habitualmente se conoce con el nombre de enfermedades mitocondriales a los daños producidos en el mtDNA, que presentan un tipo de herencia materna,

En general, son trastornos multisistémicos que afectan fundamentalmente a los tejidos y órganos que mas dependen de la energía mitocondrial (sistema nervioso central, músculo cardiaco y esquelético, riñones y sistema endocrino). Sin embargo, al estar las mitocondrias presentes en todos los tejidos, otros muchos órganos pueden estar implicados en estos síndromes tan heterogéneos. De hecho, una de las pistas que conduce a la sospecha de enfermedad mitocondrial es la implicación de muchos órganos diferentes. Otros caracteres morfológicos y bioquímicos que suelen estar asociados a enfermedades mitocondriales son la presencia de fibras rojo-rasgadas (acumulación de mitocondrias anormales en tamaño y número) en biopsias musculares teñidas con tricromo de Gomori, la presencia de fibras no reactivas a la tinción histoquímica de la citocromo c oxidasa, y defectos en uno o varios complejos de la cadena respiratoria. Sin embargo, algunas enfermedades claramente mitocondriales no presentan estos caracteres tan típicos de los trastornos mitocondriales, especialmente en pacientes en edad pediátrica.

Dada la heterogeneidad de las manifestaciones clínicas, morfológicas y bioquímicas presentes en las enfermedades mitocondriales, su clasificación se basa en las características moleculares y genéticas de las mutaciones. Así, las enfermedades mitocondriales se pueden dividir en dos grandes grupos: Enfermedades asociadas a mutaciones puntuales y enfermedades debidas a reorganizaciones del mtDNA por inserciones y/o deleciones. A continuación se hace una relación de las entidades patológicas más comunes asociadas a estos tipos de mutaciones.

Específicamente, las enfermedades mitocondriales afectan las mitocondrias - pequeñísimas fábricas de energía que se encuentran dentro de casi todas nuestras células.

¿QUE SON LAS ENFERMEDADES MITOCONDRICAS?

1. Sistema nervioso Convulsiones, espasmos, retrasos en el desarrollo, sordera, demencia, apoplejía antes de los 40 años, defectos del sistema visual, mal balance, problemas con los nervios periféricos

2. Ojos Párpados caídos (ptosis), incapacidad de mover los ojos de un lado a otro (oftalmoplegia externa), ceguera (retinitis pigmentosa, atrofia óptica), cataratas

3. Corazón Cardiomiopatía (debilidad del músculo cardíaco), bloqueo de la conducción

4. Hígado Fallo hepático (poco común, excepto en bebés con síndrome de agotamiento de mtADN)

5. Riñones Síndrome de Falconi esenciales en la orina), mioglobinuria

6. Músculos esqueléticos Debilidad muscular, intolerancia al ejercicio, calambres

7. Tracto digestivo Reflujo ácido, vómito, diarrea crónica, obstrucción intestinal

8. Pancreas Diabetes

Los principales problemas asociados con las enfermedades mitocondriales — poca energía, producción de radicales libres y acidosis láctea — pueden dar lugar a una variedad de síntomas en muchos órganos diferentes del cuerpo. Este diagrama describe síntomas comunes de enfermedades mitocondriales, de los cuales la mayoría de las personas tienen un subconjunto específico. Muchos de estos síntomas son muy tratables.

Las mitocondrias son responsables de producir la mayor parte de la energía que se necesita para que funcionen nuestras células. De hecho, proporcionan una fuente tan importante de energía que una célula humana típica contiene cientos de ellas. Una enfermedad mitocondrial puede desconectar algunas o todas las mitocondrias, desconectando así ésta fuente esencial de energía. Cuando la mitocondrias fallan, se genera cada vez menos energía al interior de la célula. Puede entonces presentarse lesión celular o incluso la muerte de la célula. Si este proceso se repite en todo el cuerpo, los sistemas completos comienzan a fallar y la vida de la persona que lo sufre, está en grave riesgo. Esta enfermedad afecta principalmente a los niños, pero los brotes en adultos se están volviendo más y más comunes.

Casi todas nuestras células dependen de las mitocondrias para tener una fuente estable de energía, de manera que una enfermedad mitocondrial puede ser un trastorno de múltiples sistemas que afecta más de un tipo de célula, tejido u órgano. Los síntomas exactos no son los mismos para todos,

porque una persona con una enfermedad mitocondrial puede tener una mezcla única de mitocondrias sanas y defectuosas, con una distribución única en el cuerpo.

Debido a que las células musculares y nerviosas tienen necesidades especialmente altas de energía, los problemas musculares y neurológicos — tales como debilidad muscular, intolerancia al ejercicio, pérdida de control motor, desórdenes gastrointestinales y dificultades para deglutir; complicaciones respiratorias, convulsiones, problemas visuales y auditivos, acidosis láctica, retrasos en el desarrollo y susceptibilidad a contraer infecciones — son características comunes de las enfermedades mitocondriales. Otras complicaciones frecuentes incluyen cataratas, defectos del corazón, diabetes y crecimiento atrofiado. Usualmente, una persona con una enfermedad mitocondrial tiene una o más de estas condiciones, algunas de las cuales ocurren juntas en forma tan regular que son agrupadas en síndromes.

Una enfermedad mitocondrial que ocasiona problemas musculares prominentes se llama una miopatía mitocondrial (mio significa músculo y patía significa enfermedad), mientras que una enfermedad mitocondrial que ocasiona problemas prominentes tanto musculares como neurológicos se llama una encefalomiopatía mitocondrial (encéfalo se refiere al cerebro).

A pesar de sus muchos efectos potenciales, las enfermedades mitocondriales a veces ocasionan muy poca discapacidad. A veces, una persona tiene suficientes mitocondrias sanas para compensar las defectuosas. Además, debido a que algunos síntomas de las enfermedades mitocondriales (tales como diabetes o arritmia del corazón) son comunes en la población general, existen tratamientos efectivos para esos síntomas (tales como la insulina o las drogas contra la arritmia).

Las enfermedades de las mitocondrias parecen ocasionar el mayor daño a las células del cerebro, del corazón, del hígado, músculo esqueléticas, del riñón así como a los sistemas endocrino y respiratorio.

CAUSA DE LAS ENFERMEDADES MITOCONDRIALES

Primeramente, las enfermedades mitocondriales no son contagiosas y no son causadas por nada que una persona hace. Son causadas por mutaciones, o cambios, en los genes — los planes de acción de las células para producir proteínas.

Los genes son responsables de construir nuestros cuerpos y son pasados de padres y madres a hijos, junto con cualquier mutación o defecto que tengan. Esto significa que las enfermedades mitocondriales son heredables, aunque a menudo afectan a miembros de la misma familia en formas diferentes.

Los genes involucrados en las enfermedades mitocondriales normalmente producen proteínas que trabajan dentro de las mitocondrias. Dentro de cada mitocondria, estas proteínas constituyen parte de una línea de ensamblaje que utiliza moléculas de combustible derivadas

de la comida para producir la molécula de energía ATP. Este proceso de manufactura, de alta eficiencia, necesita oxígeno; aparte de las mitocondrias, hay formas menos eficientes de producir ATP sin oxígeno.

Las proteínas al inicio de la línea de ensamblaje mitocondrial actúan como manejadores de carga, introduciendo las moléculas de combustible — azúcares y grasas — dentro de la mitocondria. A continuación, otras proteínas descomponen los azúcares y grasas, extrayendo energía en forma de partículas cargadas, llamadas electrones.

Las proteínas al final de la línea - organizadas en cinco grupos llamados complejos I, II, III, IV y V -utilizan la energía de esos electrones para producir ATP. Los complejos I al IV transportan los electrones por la línea y de allí se les llama la cadena de transporte de electrones. El complejo V de hecho produce ATP, de donde también se le llama sintasa de ATP.

Una deficiencia en uno o más de estos complejos es la causa típica de las enfermedades mitocondriales. (De hecho, las enfermedades mitocondriales algunas veces reciben su nombre de una deficiencia específica, tal como deficiencia de complejo I.)

Cuando una célula se llena de mitocondrias defectuosas, no solamente se encuentra sin ATP — puede además acumular una cantidad de oxígeno y moléculas de combustible sin usar, con resultados potencialmente desastrosos.

El exceso de moléculas de combustible es utilizado para producir ATP por medios ineficientes, lo que puede generar productos secundarios potencialmente dañinos como el ácido láctico. (Esto también ocurre cuando una célula tiene un suministro inadecuado de oxígeno, lo que puede suceder a las células musculares durante el ejercicio vigoroso.) La acumulación de ácido láctico en la sangre -llamada acidosis láctea - está asociada con la fatiga muscular y puede efectivamente dañar los músculos y tejidos musculares.

Para mientras, el oxígeno sin usar en la célula puede ser convertido en compuestos destructivos llamados especies reactivas de oxígeno (los cuales constituyen el blanco de las así llamadas drogas y vitaminas antioxidantes.)

La ATP derivada de las mitocondrias proporciona la fuente principal de energía para la contracción de las células musculares y el disparo de las células nerviosas. Por ello, las células musculares y las células nerviosas son especialmente sensitivas a defectos mitocóndricos. Los efectos combinados de la privación de energía y la acumulación de toxinas en estas células probablemente dan lugar a los síntomas principales de las miopatías mitocondrial y las encefalomiopatías.

CUÁNDO SOSPECHAR QUE HAY UNA DISFUNCIÓN MITOCONDRIAL

No hay una característica única para identificar una enfermedad mitocondrial. Los pacientes presentan varios problemas que pueden surgir desde el nacimiento hasta en la edad adulta madura. Piense en las mitocondrias cuando:

Una “enfermedad común” presente características atípicas que la distingan del resto. Haya tres o más órganos involucrados Se presenten recaídas recurrentes, o cuando ocurran brotes de infección en una enfermedad

crónica.

Las enfermedades mitocondriales o citopatías, deberán considerarse como posibles en diagnósticos diferenciales, cuando aparezcan estas características inexplicables, especialmente cuando ocurran en combinación con:

Síntomas

Encefalopatía  o Convulciones  o Retraso en el Desarrollo o Regresión (incluyendo demencia temprana o episodios

tardíos) o Mioclono o Desórdenes de Movimiento (distonia, disquinesias, corea, etc.) o Migraña Complicada o Infartos

Neuropatía Defectos en los Conductos Cardiacos

o  Cardiomiopatías Deficiencias en la Audición Estatura corta   Desórdenes de Músculos Extraoculares

o tosis o estrabismo adquirido o oftalmoplegia

Diabetes   Enfermedad Renal Tubular Pérdida de la Visión

o  retinitis pigmentosa o  atrofia óptica

Acidosis láctica (puede ser leve)

Problemas Asociados a las Citopatías Mitocondriales

SISTEMA DE ÓRGANOS

PROBLEMAS POSIBLES

CerebroRetraso en el desarrollo, retardo mental, demencia, convulsiones, desórdenes neuro-psiquiátricos, paralsis cerebral atípica, migrañas, infartos

Nervios

Debilidad (que puede ser intermitente), dolor neuropático, ausencia de reflejos, problemas gastrointestinales (reflujo gastroesofágeo, vaciado gástrico retrasado, constipación, pseudo obstrucción), desmayos, ausencia o exceso de sudor relacionados con problemas de regulación de la temperatura

Músculos Debilidad, hipotonia, calambres, dolor muscular

RiñonesDesgaste proximal renal tubular que provoca pérdida de proteínas, magnesio, fósforo, calcio y otros electrolitos

Corazón Defectos en los conductos cardiacos (bloqueos del corazón), cardiomiopatía

Hígado Hipoglicemia (niveles de azúcar bajos en la sangre), falla del hígado

Ojos Pérdida de visión y ceguera

Oídos Pérdida auditiva y sordera

PáncreasDiabetes y falla pancreatítica exocrina (incapacidad para generar encimas digestivas)

SistémicoIncapacidad para subir de peso, corta estatura, fatiga, problemas respiratorios incluyendo sofocamientos intermitentes

¿QUE LE SUCEDE A UNA PERSONA CON UNA MM?

Miopatía

La miopatía mitocondrial infantil, enfermedad fatal y acompañada de lesión muscular y disfunción renal (las células renales y musculares son ricas en mitocondrias), es resultante de la disminución acentuada, o aún de la ausencia completa de las enzimas de la cadena trasportadora de electrones. Esas enfermedades mitocondriales son hereditarias, pero solamente por vía materna. Hombres y mujeres pueden presentar las enfermedades hereditarias mitocondriales, pero solamente las mujeres las trasmiten a sus descendientes, porque en la fertilización la contribución del espermatozoide, con relación a las mitocondrias, es insignificante. Las mitocondrias del óvulo fecundado (zigoto) y de las células de él originadas son prácticamente todas derivadas de la multiplicación de las mitocondrias del óvulo, y por lo tanto, maternas. Las enfermedades hereditarias mitocondriales presentan una gran variación en los síntomas de un enfermo a otro, debido a la heteroplasmía, es decir, la células de los enfermos presentan cantidades variables de DNA mitocondrial normal y DNA mitocondrial mutante. El óvulo que lleva mitocondrias maternas mutantes también lleva mitocondrias maternas con el DNA normal.

Los principales síntomas de la miopatía mitocondrial son debilidad y desgaste muscular e intolerancia al ejercicio. Es importante recordar que la severidad de cualquiera de estos síntomas varía grandemente de una persona a otra, aun dentro de la misma familia.

La debilidad y el desgaste son usualmente más prominentes en los músculos que controlan los movimientos de los ojos y los párpados. Dos consecuencias comunes son la parálisis gradual de los movimientos de los ojos, llamada oftalmoplegia externa progresiva (PEO) y la caída de los párpados superiores, llamada optosis. Con frecuencia, las personas compensan la PEO automáticamente, moviendo su cabeza para ver en diferentes direcciones y quizá ni siquiera noten algún problema visual. La optosis es potencialmente más frustrante porque puede perjudicar la visión y además causar una expresión indiferente, pero puede ser corregida mediante cirugía, o mediante el uso de anteojos que tienen una "muleta de optosis" para levantar los párpados superiores.

Las miopatías mitocondriales también pueden ocasionar debilidad y desgaste en otros músculos de la cara y el cuello, lo que puede llevar a problemas de pronunciación y dificultad al comer. En estos casos, pueden ser útiles la terapia del habla o los cambios en la dieta hacia comidas

Esta mujer tiene debilidad muscular generalizada debido a una miopatía mitocondrial.

más fáciles de comer. Algunas veces las personas con miopatías mitocondriales experimentan pérdida de la fuerza muscular en los brazos o las piernas y pueden necesitar aparatos ortopédicos o sillas de ruedas para movilizarse.

La intolerancia al ejercicio, también llamada fatiga de ejercicio, se refiere a sensaciones extraordinarias de agotamiento como resultado de un esfuerzo físico. El grado de intolerancia al ejercicio varía grandemente entre individuos. Algunas personas pueden tener problemas solamente con actividades atléticas como correr, mientras que otras pueden experimentar problemas con actividades cotidianas como caminar al buzón del correo o levantar un litro de leche.

A veces, la intolerancia al ejercicio está relacionada con calambres dolorosos de los músculos y/o con el dolor producido por una lesión. Los calambres generalmente son contracciones punzantes que pueden aparentar la paralización temporal del músculo, mientras que el dolor resultante de una lesión es causado por un proceso de daño muscular agudo llamado rabdomiólisis. Los calambres o la rabdomiólisis generalmente ocurren cuando alguien con intolerancia al ejercicio "se excede" y pueden suceder durante el exceso de ejercicio, o varias horas más tarde.

Encefalomiopatía

Una encefalomiopatía mitocondriales típicamente incluye algunos de los síntomas de miopatía mencionados arriba, más uno o más síntomas neurológicos. De nuevo, estos síntomas demuestran una gran variedad individual, tanto con relación a su tipo como a su severidad.

El menoscabo auditivo, las jaquecas tipo migraña y las convulsiones son algunos de los síntomas más comunes de una encefalomiopatía mitocondrial. En por lo menos un síndrome, las jaquecas y convulsiones se presentan acompañadas de apoplejía (interrupción del suministro de sangre al cerebro).

Afortunadamente, existen buenos tratamientos para algunas de estas condiciones. El menoscabo auditivo puede manejarse utilizando aparatos para sordos y formas alternas de comunicación. A menudo, las jaquecas pueden aliviarse con medicamentos y las convulsiones pueden prevenirse con drogas utilizadas para la epilepsia (anti-epilépticos). Actualmente existen varias drogas que se están investigando para el tratamiento de apoplejías.

Además de afectar la musculatura del ojo, una encefalomiopatía mitocondrial puede afectar el ojo en sí y partes del cerebro involucradas en la visión. (Por ejemplo, las cataratas — el engrosamiento de los lentes que enfocan la luz en el ojo — son un síntoma común de encefalomiopatía mitocondriales.) Comparados con los problemas musculares, estos efectos tienen mayor tendencia a ocasionar menoscabos serios de la visión.

Con frecuencia, la encefalomiopatía mitocondriales causa ataxia, o problemas con el balance y la coordinación. Las personas con ataxia generalmente están predispuestas a momentos de mareo y caídas, pero pueden evitar parcialmente esos problemas a través de terapia física y ocupacional, así como el uso de ayudas para sostenerse como pasamanos, un caminador o — en casos severos — una silla de ruedas.

CUESTIONES ESPECIALES

Cuidado Respiratorio

Algunas veces, estas enfermedades pueden ocasionar debilidad significativa en los músculos que mantienen la respiración. Además, las encefalomiopatías mitocondriales a veces causan anormalidades cerebrales que alteran el control del cerebro sobre la respiración.

Una persona con problemas respiratorios leves puede necesitar ocasionalmente oxígeno suplementario, mientras que alguien con problemas más severos puede necesitar mantenimiento permanente por medio de un ventilador. Si usted tiene un trastorno mitocóndrico, debe estar atento a las señales de insuficiencia respiratoria (falta de aliento o jaquecas matutinas) y ver que su respiración sea examinada regularmente por un especialista.

Cuidado del Corazón

Algunas veces, las enfermedades mitocondriales afectan directamente al corazón. En estos casos, la causa usual es una interrupción en el latido rítmico del corazón, llamada bloqueo de conducción. Aunque peligrosa, esta condición es tratable con un marcapasos, el cual estimula el latido normal del corazón. Si usted tiene un trastorno mitocóndrico, puede necesitar exámenes regulares por un cardiólogo.

Otras Cuestiones Potenciales de Salud

Algunas personas con enfermedades mitocondricales sufren de serios problemas de los riñones, problemas gastrointestinales y/o diabetes. Algunos de estos problemas son efectos directos de defectos mitocóndricos en los riñones, el sistema digestivo o el páncreas (en la diabetes), mientras que otros son efectos indirectos de defectos mitocóndricos en otros tejidos.

Por ejemplo, la rabdomiólisis puede llevar a problemas renales al dejar escapar a través rupturas en células musculares una proteína llamada mioglobina, que se acumula en la corriente sanguínea. Esta condición, llamada mioglobinuria, sobrecarga la habilidad de los riñones de filtrar los desechos de la sangre hacia la orina y puede causar daño a los riñones.

Cuestiones Especiales en los Niños

Visión: Aunque la PEO y la optosis típicamente causan una pérdida leve de la visión en los adultos, pueden ser potencialmente mucho más dañinas en niños con miopatías mitocondriales.

Debido a que el desarrollo del cerebro es sensitivo a las experiencias de la niñez, el sufrir PEO u optosis durante la niñez puede a veces causar daño permanente en el sistema visual del cerebro. Por esta razón, es importante que un especialista examine la visión de niños con señales de PEO u optosis.

Retrasos en el desarrollo: Debido a debilidad muscular, anormalidades cerebrales o una combinación de ambas, los niños con enfermedades mitocondriales pueden tener dificultad para desarrollar

La miopatía mitocondrial puede llevar a problemas respiratorios que requieren la ayuda de un ventilador.

El sistema visual del cerebro puede ser afectado en niños con miopatía mitocondrial.

ciertas habilidades. Por ejemplo, pueden tomarse un tiempo excepcionalmente largo para alcanzar las marcas motoras (tales como sentarse, gatear y caminar).

A medida que crecen, pueden no ser capaces de movilizarse como otros niños de su edad y pueden tener problemas de pronunciación y/o discapacidades de aprendizaje. Si su hijo está siendo severamente afectado por estos problemas, puede beneficiarse de terapia física, terapia del habla y posiblemente un programa de educación individualizada (IEP, siglas en inglés) en la escuela.

¿COMO SE TRATAN LAS ENFERMEDADES MITOCONDRICAS?

Al mismo tiempo que las miopatías mitocondriales y las encefalomiopatías son relativamente raras, algunas de sus manifestaciones potenciales son comunes entre la población general. En consecuencia, esas complicaciones (incluyendo problemas del corazón, apoplejías, convulsiones, migrañas, sordera y diabetes) tienen tratamientos altamente efectivos (incluyendo medicamentos, modificaciones en la dieta y cambios en el estilo de vida.)

Es afortunado que, a menudo, estos síntomas tratables constituyen las complicaciones que más ponen en peligro la vida en las enfermedades mitocondriales. Teniendo eso en mente, las personas con enfermedades mitocondriales pueden lograr mucho en cuanto a su propio cuidado, controlando su salud y programando exámenes médicos regulares.

En vez de enfocarse en complicaciones específicas de las enfermedades mitocondriales, algunos tratamientos nuevos y menos comprobados tratan de reparar o pasar por alto las mitocondrias defectuosas. Estos tratamientos consisten en suplementos dietéticos basados en tres sustancias naturales que se presentan en la producción de ATP en nuestras células.

Una de estas sustancias, la creatina, actúa normalmente como una reserva de ATP al formar un compuesto llamado fosfato de creatina. Cuando la demanda de ATP de una célula excede la cantidad que sus mitocondrias pueden producir, la creatina puede liberar fosfato (la "P" en ATP) para mejorar rápidamente el suministro de ATP. De hecho, típicamente el fosfato de creatina (también llamado fosfocreatina) proporciona la inyección inicial de ATP requerida para una actividad muscular vigorosa.

Otra sustancia, la carnitina, generalmente mejora la eficiencia de la producción de ATP al ayudar a importar ciertas moléculas de combustible dentro de las mitocondrias y al remover algunos de los productos secundarios tóxicos de la producción de ATP. La carnitina puede obtenerse sin receta como un suplemento llamado L-carnitina.

Finalmente, la coenzima Q10, o coQ10, es un componente de la cadena de transporte de electrones que utiliza oxígeno para producir ATP. Algunas enfermedades mitocondriales son causadas por una deficiencia de coQ10 y existe buena evidencia que el suplemento de coQ10 es beneficioso en estos casos. Algunos médicos piensan que el suplementar coQ10 también puede aliviar otras enfermedades mitocondriales.

Algunos niños con miopatías mitocondriales experimentan retrasos en el desarrollo.

La creatina, la L-carnitina y los suplementos coQ10 son a menudo combinados en un "cóctel" para el tratamiento de enfermedades mitocondriales. Aunque hay poca evidencia científica que demuestre que este tratamiento funciona, muchas personas con enfermedades mitocondriales han reportado beneficios modestos. A lo menos, no parece haber ningún efecto secundario dañino de los tres suplementos cuando se toman con moderación, pero usted debiera consultar con su doctor o el director de la clínica MDA antes de tomar cualquiera de ellos.

Enfermedades mitocondriales

Hay gran número de enfermedades mitocondriales, las cuales mayormente se acompañan se síndromes los cuales son heredados, ya sea en un patrón materno ( ) o en un así llamado patrón Mendeliano ( ), y/o son esporádicos ( ), es decir que ocurren sin ningún antecedente hereditario.

Enfermedad de Alpers

Nombre completo: Poliodistrofia Infantil Progresiva

Síntomas: convulsiones, demencia, espaticidad, ceguera, disfunción del hígado y degeneración cerebral.

Deficiencia del Complejo I

Nombre completo: Deficiencia NADH dehidrogenasa (NADH-Co! Reductasa)

Síntomas: Tres formas principales:

1. Desorden fatal infantil multisistémico, caracterizado por un retraso en el desarrollo, debilidad muscular, enfermedad cardiaca, acidosis láctica congénita y paro respiratorio.

2. Miopatía que inicia en la infancia o en la vida adulta, manifestándose como intolerancia al ejercicio o debilidad. Es común la elevación del ácido láctico.

3. Encefalomiopatía mitocondrial (incluyendo MELAS), que puede comenzar en la infancia o en la edad adulta y que consiste en combinaciones variables de síntomas y signos, incluyendo oftalmoplegia, convulsiones, demencia, ataxia, pérdida auditiva, retinopatía pigmentosa, neuropatía sensorial y movimientos incontrolables. Puede provocar el Síndrome de Leigh.

Deficiencia del Complejo III

Nombre completo: Deficiencia ubiquinona-citocroma c óxidoreductasa

Síntomas: Cuatro formas principales:

1. Encefalomiopatía mortal infantil, acidosis láctica congénita, hipotonia, postura distrófica, convulsiones y coma. Es común la fibrosis roja.

2. Encefalomiopatía de brotes posteriores (desde la infancia hasta la edad adulta): varias combinaciones de debilidad, estatura corta, ataxia, demencia, pérdida auditiva, neuropatía sensorial, retinopatía pigmentosa y síntomas piramidales. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.

3. Miopatía, con intolerancia al ejercicio que deviene en debilidad continua. Es común la fibrosis roja. Posibilidad de acidosis láctica.

4. Cardiomiopatía histiocitoide infantil.

Deficiencia del Complejo IV / Deficiencia COX

Nombre completo: La deficiencia citocroma c óxidoreductasa es ocasionada por un defecto en el Complejo IV de la cadena respiratoria.

Síntomas: Dos formas principales:

1. Encefalomiopatía: normal durante los primeros 6 a 12 meses de vida; después presenta regresión en el desarrollo, ataxia, acidosis láctica, atrofia óptica, oftalmoplegia, nistagmus, distonia, signos piramidales y problemas respiratorios. Frecuentes convulsiones Puede provocar el Síndrome de Leigh.

2. Miopatía: dos variantes principales: a. Miopatía infantil mortal: puede empezar pronto después del nacimiento

acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, paro respiratorio y problemas de riñón.

b. Miopatía infantil benigna: puede empezar pronto después del nacimiento acompañada de hipotonia, debilidad, acidosis láctica, fibrosis, falla respiratoria, pero (si el niño sobrevive) le sigue un mejoramiento espontáneo.

CPEO

Nombre completo: Síndrome de Oftalmoplegia Externa Crónica Progresiva.

Síntomas: Similares a los del KSS más: miopatía visual, retinitis pigmentosa, disfunción del sistema nervioso central.

LCHAD

Nombre completo: Dehidrogenasa de Cadena Larga Hidoxiacil-CoA.

Síntomas: Encefalopatía, disfunción del hígado, cardiomiopatía y miopatía. También retinopatía pigmentaria y neuropatía periférica.

LHON

Nombre completo: Neuropatía Óptica Hereditaria de Leber

La neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON) fue la primera enfermedad humana heredada por vía materna que se asoció con una mutación en el mtDNA . Está caracterizada por una ceguera bilateral aguda o subaguda , originada por atrofia del nervio óptico, que aparece en la segunda o tercera década de la vida. Normalmente, los pacientes solo tienen afectada la visión, pero en algunos casos puede ir acompañada de anormalidades en la conducción cardiaca, neuropatía periférica y ataxia cerebelar.

Son muchas las mutaciones puntuales que se han asociado con esta enfermedad, pero solamente 3 de ellas, las localizadas en los nucleótidos 11.778, 3.460 y 14.484, están consideradas como primarias o patogénicas, siendo la primera de ellas la más frecuente. El resto de las mutaciones se consideran como secundarias/intermedias y se desconoce su relación directa con la enfermedad. Suelen acompañar a las mutaciones primarias y están siempre presentes en forma homoplásmica. Todas estas mutaciones están localizadas en genes estructurales.

La mayor predominancia de la enfermedad en hombres sugiere que puede existir alguna influencia de un gen nuclear situado en el cromosoma X y, de hecho, en familias finlandesas se ha descrito un ligamiento con el locus DXS7 aunque no se ha confirmado en familias de otro origen.

Síndrome de Leigh: encefalomiopatía necrosante subaguda (MILS = síndrome de Leigh heredado maternalmente)

Inicio: infancia

El síndrome de Leigh es una enfermedad muy heterogénea con trastornos degenerativos multisistémicos que aparece en el primer año de vida. Es una enfermedad muy devastadora que se caracteriza por disfunciones del tallo cerebral y de los ganglios basales, desmielinización, regresión psicomotora, retraso en el desarrollo, convulsiones, ataxia, neuropatía periférica. La presencia de lesiones necróticas cerebrales focales en el tálamo, tallo cerebral y núcleo dentado confirman el diagnóstico. Está producida por la mutación T8993G, la misma que la descrita anteriormente en el síndrome de NARP, pero con un porcentaje de la mutación por encima del 90%. Formas menos severas de esta enfermedad se han asociado con un cambio en la misma posición del mtDNA.

Asimismo, se ha descrito por primera vez una mutación en el gen nuclear de la subunidad flavoproteinica de la succinato deshidrogenasa del complejo II que causa un defecto en la cadena respiratoria mitocondrial. Esta mutación produce un cambio CT en el nucleótido 1684 (ArgTrp en el codon 554). Este síndrome puede estar causado también por mutaciones en otros genes nucleares que codifican subunidades de la piruvato deshidrogenasa.

MDS: síndrome de agotamiento del ADN mitocóndrico

Inicio: infancia

Características: Este trastorno típicamente causa debilidad muscular y/o fallo hepático y, más raramente, anormalidades cerebrales. La "flojedad", las dificultades de alimentación y los retrasos en el desarrollo son síntomas comunes; la PEO y las convulsiones son menos comunes.

MELAS: encefalomiopatía mitocondrial, acidosis láctea y episodios semejantes a la apoplejía

Inicio: niñez a edad adulta temprana

Este síndrome se ha asociado en el 90% de los casos con una mutación (AG) en la posición 3.243 del genoma mitocondrial, localizada dentro de la secuencia del tRNALeu(UUR). MELAS está caracterizado fundamentalmente por accidentes cerebro-vasculares que provocan una disfunción cerebral subaguda y cambios en la estructura cerebral, acidosis láctica y/o presencia de fibras rojo-rasgadas. Estos caracteres pueden ir acompañados también de encefalomiopatía con convulsiones generalizadas, dolor de cabeza, sordera y demencia. Esta enfermedad se han relacionado también con otras mutaciones localizadas en el tRNALeu(UUR) que parece ser muy propenso a sufrir

mutaciones patogénicas (Tabla1). La mutación principal, en la posición 3.243, se ha relacionado también con otras enfermedades muy distintas como oftalmoplegia progresiva externa, cardiomiopatías e incluso con diabetes mellitus y sordera, por lo que la relación genotipo-fenotipo no es muy fija.

MERRF: epilepsia mioclónica con fibras rojas desiguales

Inicio: tarde en la niñez a adolescencia

MERRF es un síndrome de herencia materna caracterizado por epilepsia mioclónica, debilidad muscular, ataxia, convulsiones generalizadas y miopatía mitocondrial con presencia de fibras rojo-rasgadas. Otros síntomas menos comunes son demencia, sordera, baja estatura, neuropatía, atrofia óptica, fallo respiratorio y cardiomiopatía. Puede aparecer tanto en la infancia como en edad adulta y es de curso progresivo. El 80-90% de los casos de MERRF están asociados con la presencia de una mutación AG en la posición 8.344 del gen del tRNALys, pero en algunos casos se han encontrado también otras mutaciones en el mismo tRNA. Recientemente, se ha demostrado utilizando híbridos transmitocondriales (células r0 repobladas con mitocondrias con la mutación 8.344) que la mutación produce una disminución de la síntesis de proteínas mitocondriales originada por una deficiencia en la aminoacilación del tRNALys.

MNGIE: encefalomiopatía neurogastrointestinal mitocondrial

Inicio: usualmente antes de los 20 años de edad

Características: Este trastorno causa PEO, optosis, debilidad en las extremidades y problemas gastrointestinales (digestivos) incluyendo diarrea crónica y dolores abdominales. Otro síntoma común es la neuropatía periférica (una disfunción de los nervios que puede llevar a reducción sensorial y debilidad muscular).

NARP: neuropatía, ataxia y retinitis pigmentosa

Inicio: infancia a edad adulta

Este síndrome, caracterizado por una debilidad muscular neurogénica, retraso en el desarrollo, neuropatía sensorial, convulsiones, ataxia, demencia y retinopatía pigmentaria y se ha asociado a un cambio T aG en el nucleótido 8.993 de la subunidad 6 de la ATPasa. La mutación se encuentra en forma heteroplásmica y el porcentaje de la mutación se correlaciona con la severidad de la enfermedad.

¿COMO SE DIAGNOSTICAN LAS MMs?

Ninguno de los síntomas distintivos de las enfermedades mitocondriales — debilidad muscular, intolerancia al ejercicio, deterioro del oído, ataxia, convulsiones, discapacidades de aprendizaje, cataratas, defectos del corazón, diabetes y crecimiento atrofiado — son exclusivos de las enfermedades mitocóndriales. Sin embargo, una combinación de tres o más de estos síntomas en una persona constituye una fuerte indicación de enfermedad mitocóndrial, especialmente cuando los síntomas afectan más de un sistema de órganos.

Para evaluar la dimensión de estos síntomas, el médico a menudo comienza por recabar la historia personal del paciente y después procede a efectuar exámenes físicos y neurológicos.

PRUEBAS DE DIAGNOSTICO EN ENFERMEDADES MITOCONDRICAS

Tipo Prueba Qué demuestra

Historia familiar

Examen clínico o historia oral de los miembros de la familia

Algunas veces indica un patrón hereditario al mostrar "señales suaves" en familiares no afectados. Estas incluyen sordera, baja estatura, jaquecas tipo migraña y PEO.

Biopsia muscular

1. Histoquímica   

2. Inmunohistoquímica

  

3. Bioquímica   

4. Microscopía de electrones

1. Detecta la proliferación anormal de mitocondrias y deficiencias en citocromo C oxidasa (COX, que es el complejo IV en la cadena de transporte de electrones)

2. Detecta la presencia o ausencia de proteínas específicas. Puede descartar otras enfermedades o confirmar la pérdida de proteínas de la cadena de transporte de electrones.

3. Mide la actividad de enzimas específicas. Una prueba especial llamada polarografía mide el consumo de oxígeno en las mitocondrias.

4. Puede confirmar apariencia anormal de las mitocondrias. No se utiliza mucho hoy en día.

Prueba de enzimas en la sangre

1. Niveles de lactato y piruvato  

1. Si son altos, pueden indicar deficiencias en la cadena de transporte de electrones; niveles anormales de ambos

2. Creatina quinasa de suero

pueden ayudar a identificar la parte de la cadena que está bloqueada.

2. Puede estar ligeramente alta en enfermedades mitocóndricas, pero usualmente es alta únicamente en casos de agotamiento de ADN mitocóndrico.

Prueba genética

1. Mutaciones conocidas  

2. Mutaciones raras o desconocidas

1. Utiliza muestras de sangre o músculo para buscar mutaciones conocidas, tratando de encontrar las mutaciones comunes primero.

2. Puede buscar también mutaciones raras o desconocidas, pero puede necesitar muestras de familiares; esto es más costoso y requiere más tiempo.

El examen físico típicamente incluye pruebas de fuerza y resistencia, tales como una prueba de ejercicio, la cual puede involucrar actividades como hacer un puño repetidamente, o subir y bajar un tramo corto de escalera. El examen neurológico puede incluir pruebas de reflejos, visión, habla y habilidades básicas de cognición (pensar).

Dependiendo de la información obtenida durante la historia personal y los exámenes, el médico puede proceder a efectuar pruebas más especializadas que pueden detectar anormalidades en los músculos, el cerebro y otros órganos.

Además de la biopsia muscular, pueden utilizarse técnicas no invasivas para examinar el músculo sin tomar una muestra del tejido. Por ejemplo, una técnica llamada espectroscopía de resonancia magnética de fósforo muscular (MRS) puede medir los niveles de fosfocreatina y ATP (que a menudo se agotan en músculos afectados por enfermedades mitocóndricas). Además, la exploración TC o las imágenes de resonancia magnética (MRI) son herramientas para visualizar la estructura general de los músculos.

Las exploraciones TC y las MRI pueden también usarse para inspeccionar visualmente el cerebro en busca de señales de daño y electrodos superficiales colocados en el cuero cabelludo pueden ser utilizados para producir un récord de la actividad cerebral llamado electroencefalograma (EEG).

Una prueba de sangre puede ser ordenada para que el laboratorio pueda buscar un aumento de lactato o moléculas de combustible sin usar, en la sangre o en el líquido cefalorraquídeo (liquido que baña el cerebro y la médula espinal).

Pueden usarse técnicas similares para examinar las funciones de otros órganos y tejidos del cuerpo. Por ejemplo, un electrocardiograma (EKG) puede monitorear la actividad del corazón y una prueba de sangre puede detectar señales de disfunción renal.

Finalmente, una prueba genética puede determinar si una persona tiene una mutación genética que causa enfermedades mitocondriales. Idealmente, la prueba se hace utilizando material genético extraído de la sangre y de una biopsia muscular. Es importante saber que, aunque un resultado positivo de la prueba puede confirmar el diagnóstico, un resultado negativo no es necesariamente significativo.

¿ES HEREDITARIO?

Con frecuencia, puede resultar difícil seguir la pista de las enfermedades mitocondriales a través de un árbol genealógico. Pero como son causadas por genes defectuosos, las enfermedades mitocondriales sí son hereditarias.

Para entender cómo se transmiten las enfermedades mitocondriales por herencia, es importante saber que hay dos tipos de genes esenciales para las mitocondrias. El primer tipo se alberga dentro del núcleo — la parte de nuestras células que contiene la mayor parte de nuestro material genético o ADN. El segundo tipo reside exclusivamente dentro del ADN contenido en el interior de las mitocondrias mismas.

Las mutaciones, ya sea en el ADN nuclear (nADN) o en el ADN mitocóndrico (mtADN), pueden causar enfermedades mitocondriales.

La mayor parte del nADN (juntamente con las mutaciones que tenga) es heredado en un patrón Mendeliano, significando a grandes rasgos que una copia de cada gene viene de cada progenitor. Además, la mayoría de las enfermedades mitocondriales causadas por mutaciones del nADN (incluyendo el síndrome de Leigh, la MNGIE y aun la MDS) son recesivos autosomales, queriendo decir que se necesitan mutaciones en ambas copias de un gene para causar la enfermedad.

A diferencia del nADN, el mtADN pasa únicamente de la madre al hijo. Esto es así porque durante la concepción, cuando la esperma se fusiona con el óvulo, las mitocondrias de la esperma - y su mtADN - son destruidas. Por lo tanto, las enfermedades mitocondriales causadas por mtADN son únicas porque son heredadas en un patrón maternal (ver la ilustración).

Otra característica única de las enfermedades de mtADN surge del hecho que una célula humana típica — incluyendo la célula del óvulo — contiene solamente un núcleo, pero cientos de mitocondrias. El resultado es que una sola

célula puede contener tanto mitocondrias normales como mitocondrias mutantes y el equilibrio entre las dos determinará la salud de la célula.

Esto ayuda a explicar por qué los síntomas de las enfermedades mitocondriales pueden variar tanto de persona a persona, aun dentro de la misma familia.

LA BUSQUEDA DE TRATAMIENTOS Y CURAS DE LA MDA

Con el apoyo de la MDA, los científicos continúan logrando progresos significativos en su búsqueda del entendimiento completo y el tratamiento de las enfermedades mitocondriales.

En un esfuerzo continuado, los científicos financiados por la MDA han identificado muchos de los defectos genéticos que causan las enfermedades mitocondriales. Han utilizado el conocimiento de esos defectos genéticos para crear modelos animales de enfermedades mitocondriales, los que pueden ser utilizados para investigar tratamientos potenciales. También han diseñado pruebas genéticas que permiten el diagnóstico preciso de defectos mitocóndricos y proporcionan información valiosa para la planificación familiar.

Tal vez más importante aun, el conocimiento de los defectos que causan las enfermedades mitocondriales abre la posibilidad de algún día reparar esos defectos por medio de terapia genética.

Mientras algunos de los científicos de la MDA persiguen la terapia genética para enfermedades mitocondriales, otros están conduciendo pruebas clínicas para evaluar los beneficios de los suplementos dietéticos (tales como la creatina, carnitina y coQ10) y de ciertas drogas (tales como el dicloroacetato, que puede reducir la acidosis láctea).

Para personas que tienen enfermedades causadas por mutaciones del mtADN, los científicos financiados por la MDA están trabajando en varias estrategias novedosas de tratamiento. Por ejemplo, el mtADN no es fácilmente accesible a la terapia genética convencional (porque está atrapado dentro de las mitocondrias), así que los científicos están desarrollando nuevas técnicas de terapia genética para superar este obstáculo. Además, algunos científicos están investigando tratamientos con drogas y ciertos tipos de ejercicios para incrementar los niveles celulares del mtADN normal con relación al mtADN mutante.

LA MDA ESTA AQUI PARA AYUDARLE

La Asociación de la Distrofia Muscular ofrece una amplia gama de servicios para ayudarle a usted y a su familia a tratar con una miopatía mitocondrial. Ya sea que usted sea un adulto que acaba de recibir el diagnóstico de una miopatía mitocondrial, o el padre o madre de un niño o niña con dicha enfermedad, el personal de su oficina local de la MDA está allí para ayudarle en muchas formas. Los servicios de la Asociación incluyen lo siguiente:

Una red nacional de 230 clínicas afiliadas a hospitales, con especialistas preeminentes en enfermedades neuromusculares

Campamentos de verano de una semana de duración, para niños con enfermedades neuromusculares

Grupos de apoyo. Ayuda con la compra y reparación de sillas de ruedas y ortosis. Evaluaciones de terapia física, ocupacional y respiratoria. Vacunas contra la gripa para proteger el sistema respiratorio.

Préstamo de equipo.

El programa público de enseñanza en salud de la MDA le ayuda a mantenerse al tanto respecto a novedades en la investigación, hallazgos médicos e información de discapacidad a través de oradores educativos, seminarios, videos, boletines informativos y mucho más. Asegúrese de pedirle a su oficina local algunos de los folletos más recientes de la MDA, incluyendo "Servicios para la Persona, la Familia y la Comunidad". Muchos folletos de la MDA están disponibles en español. Todos los que están inscritos con la MDA reciben también Quest, la revista nacional de la MDA.

La página electrónica a nivel mundial de la MDA en www.mdaenespanol.org contiene más de 1.500 páginas de información valiosa, incluyendo los textos de artículos de números pasados de Quest y otras publicaciones de la MDA. Un aspecto, "Pregúntele a los Expertos", le permite plantear preguntas específicas acerca de una enfermedad neuromuscular y recibir respuestas de los médicos o científicos expertos.

Enfermedades causadas por mutaciones en el DNA mitocondrial

Las primeras mutaciones en el mtDNA asociadas a enfermedades humanas se describieron en 1988 consistentes en deleciones, mutaciones puntuales en los genes codificantes de proteínas y en tRNAs. Un poco más tarde, en 1991, se describieron los primeros casos de depleción. En 1990, y anticipando la importancia futura de este campo en la medicina, creamos en nuestro laboratorio la primera unidad en España de diagnóstico genético-molecular de enfermedades mitocondriales en la Universidad de Zaragoza. Desde entonces, este servicio ha crecido mucho y, actualmente, se reciben muestras de diversos hospitales que abarcan una amplia zona geográfica de España, de Italia y de diversos países de América latina. En él se realiza el diagnóstico de rutina en patología mitocondrial analizando las mutaciones más comunes asociadas a cada una de las enfermedades. Cuando los resultados son negativos y se tienen todos los indicios de que se trata de una mitocondriopatía, se lleva acabo un estudio de investigación con el fin de poder encontrar mutaciones nuevas que originen la enfermedad. El hallazgo de una mutación nueva implica que hay que determinar si realmente es patológica. Como el índice de mutación del mtDNA es muy alto, es bastante posible encontrar un gran número de mutaciones puntuales. Sin embargo, la mayoría son mutaciones silenciosas, polimorfismos, que no van a causar ningún tipo de defecto. Para que una mutación pueda ser considerada como patogénica requiere que cumpla los siguientes criterios: 1) estar presente solamente en pacientes y nunca en individuos controles;2) afectar a poblaciones étnicas diferentes; 3) encontrarse en líneas mitocondriales diferentes;4) existencia de una correlación entre el porcentaje de la mutación y el fenotipo;5) segregar junto con el fenotipo; 6) afectar a una base muy conservada evolutivamente;7) afectar a dominios funcionales importantes; 8) presencia de un porcentaje mayor de la mutación en fibras cox negativas; y9) trasmisión del defecto molecular a líneas celulares transmitocondriales.

Sin embargo, no siempre se cumplen todos estos criterios y puede tratarse de mutaciones patológicas. En muchos casos, para poder demostrar que la mutación tiene un efecto fenotípico, se procede a la utilización de modelos celulares con híbridos transmitocondriales. Estas líneas celulares se construyen mediante fusión de células rho cero, que carecen de mtDNA, con plaquetas del paciente que portan mitocondrias con el mtDNA mutado. Después de una selección de las líneas de interés, se realizan estudios de medida de respiración, de actividades de los complejos del sistema de fosforilación oxidativa, de crecimiento, etc., para ver si la mutación ha originado una

deficiencia de actividad. Una mutación en un gen codificante de proteínas suele crear líneas celulares con defectos en el complejo del cual forma parte el polipéptido mutado. En el caso de mutaciones en tRNAs, es la síntesis de proteínas mitocondriales lo que se ve afectada, con una disminución de la síntesis total de las mismas y la consiguiente disminución de la actividad de varios complejos respiratorios. Esta disminución de la síntesis de proteínas por mutaciones en tRNAs puede estar originada por muchas causas, entre ellas se ha descrito una disminución de la aminoacilación de los tRNAs, es decir, de unión del aminoácido al extremo 3’ del tRNA Las mutaciones en los rRNAs también afectarían a la síntesis de proteínas, pero esto está menos estudiado.

A pesar del gran avance conseguido en estos 17 años en el diagnóstico de las mitocondriopatías, muy poco se conoce todavía sobre los mecanismos patogenéticos y menos aun sobre las terapias a emplear. En estos años, nuestro servicio ha analizado más de 1.700 muestras, entre pacientes y familiares relacionados por vía materna, y se ha encontrado que solamente alrededor de un 16% de los mismos presentan alguna de las mutaciones conocidas. Se trabaja intensamente en la búsqueda de nuevas mutaciones asociadas a enfermedades o nuevas enfermedades que puedan estar causadas por mutaciones en el mtDNA. Así, en nuestro laboratorio se ha encontrado numerosas deleciones nuevas asociadas a los clásicos síndromes de CPEO, Kearns-Sayre y Pearson, y mutaciones puntuales nuevas como la T14487C asociada a necrosis bilateral del estriado y distonía, o mutaciones en el tRNALys asociadas a lipomatosis múltiple simétrica (37-39) o a otras enfermedades que cursan con esta sintomatología como una más de las características de las mismas. Con todos estos resultados se han presentado cuatro Tesis Doctorales sobre patología mitocondrial y se han publicado más de 50 artículos en revistas científicas.

El apogeo de las enfermedades mitocondriales ha llevado a otros grupos en España a establecer otros centros de diagnóstico, fundamentalmente en Madrid y Barcelona, si bien nuestro servicio es el que más muestras recibe. Desde hace tres años, estos y otros centros se han reunido en una red temática de investigación cooperativa sobre enfermedades del sistema OXPHOS (Red Mitoespaña) con el fin de aunar esfuerzos, unificar protocolos de diagnóstico clínico, histoquímica, bioquímico y genético, y de, si es posible, enfrentar una terapia de las mismas. Además, desde finales de los años 90, se viene observando que la variación genética poblacional en el mtDNA es un factor importante en el desarrollo de las enfermedades multifactoriales asociadas a la edad y en la longevidad y recientemente se están acumulando evidencias acerca del papel de las mutaciones en el mtDNA y el desarrollo del cáncer. Nuestro grupo también ha sido pionero en el desarrollo de este campo. Así a mediados de los 90, se comenzó a estudiar la influencia de estos polimorfismos mitocondriales en distintos fenotipos y se pudo detectar que el haplogrupo T está sobre representado en la astenozoospermia moderada. Nuestro trabajo de más de 15 años en mitocondriopatías y fenotipos multifactoriales nos esta permitiendo plantearnos retos más ambiciosos como la farmacogenómica mitocondrial y el sistema OXPHOS como diana farmacológica en las enfermedades multifactoriales y el cáncer.

Los síntomas de estas enfermedades son muy variados y en muchos casos están solapados entre diversos síndromes. Además, muy frecuentemente afectan a niños en los que la determinación de la patología que padecen es, muy a menudo, muy complicada porque no han desarrollado todavía la mayoría de los síntomas que hacen que se puedan encuadrar en un tipo de síndrome determinado. Por ello, es bastante habitual que estas enfermedades se clasifiquen en base a las características genético-moleculares de las mutaciones más que con respecto a los síntomas cínicos, a pesar de que, en algunos casos, como ya se ha mencionado, una misma mutación pueda dar lugar a fenotipos clínicos diferentes. De este modo, las enfermedades producidas por daños en el mtDNA se pueden dividir en tres grandes grupos según estén asociadas a: 1) mutaciones puntuales tanto en genes

codificantes de proteínas como en tRNAs y rRNAs; 2) reorganizaciones (deleciones y duplicaciones); y 3) depleción de mtDNA (disminución de número de copias).

Clasificación esquemática de las enfermedades mitocondriales

La disminución del número de copias del mtDNA se ha encontrado en los síndromes de depleción de los que se han descrito fundamentalmente dos tipos, la forma hepatocerebral y la miopática. En ambos casos, como se ha citado en un apartado anterior, parece que esta disminución del número de copias del mtDNA se debe a mutaciones recesivas en genes nucleares que afectan al metabolismo de nucleótidos. Sin embargo, también se han encontrado en el síndrome de Alpers causadas por mutaciones en la DNA polimerasa gamma que replica el mtDNA.

Las enfermedades mitocondriales, tomadas en su conjunto, son uno de los tipos de enfermedades genéticas mas frecuentes. En algún estudio realizado, se ha encontrado que uno de cada 8.000 habitantes padece o es portador de una mutación en el mtDNA.Este número es, posiblemente, muy bajo debido a que estas enfermedades solo se pueden diagnosticar bien en centros especializados y, por tanto, pasan desapercibidas en muchos centros sanitarios. Además, como se ha mencionado en apartados anteriores, las enfermedades mitocondriales, pueden estar causadas también por mutaciones en genes nucleares, ya que una gran parte de las proteínas de este sistema están codificadas en el genoma nuclear. Así, mutaciones en genes nucleares codificantes de proteínas mitocondriales, de proteínas que participan en el ensamblaje de los complejos respiratorios, de las proteínas implicadas en el importe de las mismas a la mitocondria, etc., pueden dar lugar también a enfermedades mitocondriales y todas estas no están contabilizadas en las cifras de prevalencia antes mencionadas. Por todo ello, se deduce que estas enfermedades genéticas pueden contarse entre las más frecuentes de las enfermedades genéticas metabólicas. De todas las maneras, hay que mencionar que, cada una de ellas, tomadas por separado, presenta una prevalencia baja.

Enfermedades con mutaciones puntuales

Debido al alto índice de mutación del mtDNA es posible encontrar un gran número de mutaciones puntuales. Sin embargo, la mayor parte de éstas van a ser mutaciones silenciosas que no van a causar ningún tipo de defecto. Para que una mutación pueda ser considerada como patogénica se requiere que cumpla los criterios: que se encuentre en familias afectadas de poblaciones étnicas diferentes, que exista una correlación entre el porcentaje de la mutación y el fenotipo, que segregue junto con el fenotipo y que afecte a una base muy conservada evolutivamente.

Se han encontrado más de 50 mutaciones puntuales que se localizan en los tres tipos de genes codificados en el mtDNA. Algunas de ellas descritas anteriormente.

Mapa de Morbilidad del DNA Mitocondrial humano. Aparecen señalados los genes en los que existen mutaciones puntuales responsables de enfermedades mitocondriales.

Otras enfermedades asociadas a mutaciones puntuales en el mtDNA.

Además de las mutaciones puntuales descritas anteriormente, se han encontrado un buen número de mutaciones puntuales asociadas a otros muchos síndromes. Entre ellos podemos citar la diabetes de herencia materna con sordera que afecta a 1«5% de la población diabética, las cardiomiopatías de herencia materna; LHON y distonía; miopatías de herencia materna unidas a mutaciones en tRNALeu, tRNAPro, tRNAAsn, tRNATyr; la sordera inducida por aminoglicósidos y otros tipos de sordera sindrómica o no-sindrómica de herencia materna; anemia sideroblástica; deficiencia fatal de la cadena respiratoria infantil, etc. Recientemente, se ha descrito una familia española con el síndrome de lipomatosis simétrica múltiple asociada a la mutación 8.344 del gen del tRNALys que no presenta ninguna de las características típicas de MERRF

Enfermedades asociadas a reorganizaciones del mtDNA

Algunos pacientes con enfermedades que afectan al sistema OXPHOS presentan mutaciones originadas por reorganizaciones del mtDNA. Estas pueden deberse tanto a deleciones como, menos frecuentemente, a inserciones (duplicaciones). Este tipo de mutaciones, al contrario que las

mutaciones puntuales, suelen ser espontáneas aunque hay descrito algún caso de herencia materna. Hasta el momento se han descrito varios cientos de reorganizaciones del mtDNA. Son heteroplásmicas y pueden aumentar la gravedad con la edad. Se han descrito una amplia variedad de síndromes clínicos, algunos de los cuales se describen a continuación.

Síndromes de oftalmoplegia externa progresiva (PEO).

La oftalmoplegia externa progresiva crónica está caracterizada por oftalmoplegia, ptosis bilateral de los párpados y miopatía. Además, suele ir acompañada de intolerancia al ejercicio y debilidad muscular. En el músculo se encuentran fibras rojo-rasgadas y COX negativas. En general, es una enfermedad benigna que suele aparecer en la adolescencia o en adultos jóvenes. Aparece de forma esporádica sin historia familiar. Se ha asociado fundamentalmente a deleciones grandes y únicas en mtDNA (ver mas adelante). Asimismo, se han encontrado otras formas de PEO con mutaciones puntuales de herencia materna (Tabla 1) o con deleciones múltiples de herencia autosómica dominante.

Síndrome de Kearns-Sayre.

El síndrome de Kearns-Sayre es una enfermedad multisistémica progresiva que aparece antes de los 20 años de edad y que está caracterizada clínicamente por PEO y retinopatía pigmentaria. Además suele ir acompañada de otros síntomas como ataxia, miopatía mitocondrial, bloqueo de la conducción cardiaca, elevados niveles de proteína CSF (fluido cerebro espinal) por encima de 100 mg/dl, sordera y demencia, fallos endocrinos y renales. La biopsia muscular muestra fibras rojo-rasgadas. Los pacientes suelen morir antes de los 40 años. Esta enfermedad está asociada a la presencia de deleciones grandes únicas en el mtDNA (ver mas adelante). No se han encontrado deleciones en la madre de los pacientes por lo que parece que la aparición de las deleciones es esporádica.

 Síndrome de Pearson.

El síndrome de médula ósea-páncreas de Pearson es una enfermedad de los primeros años de vida que afecta a la hematopoiesis y a la función pancreática exocrina. Las características clínicas mas comunes son anemia sideroblástica con vacuolización de precursores de la médula ósea que se manifiesta con una anemia macrocítica, trombocitopenia y neutropenia. Los niños afectados suelen morir antes de los 3 años y los que sobreviven suelen desarrollar mas tarde un fenotipo de Kearns-Sayre. Estos pacientes presentan deleciones grandes únicas del mtDNA, en general son esporádicas aunque se ha descrito algún caso de herencia materna [45].

Estos tres síndromes, PEO, Kearns-Sayre y Pearson, tienen en común el presentar grandes deleciones (de 2 a 9 Kb) en el mtDNA que suelen aparecer de forma espontánea. En general, estas deleciones son únicas pero también se han descrito deleciones múltiples [45,46]. Hay dos tipos de deleciones, de 4.997 y 7.436 pb, que se presentan con mayor frecuencia (deleciones comunes). La mayor parte de las deleciones están flanqueadas por secuencias de repetición directa (alrededor de un 70%), pero otras no lo están. En general, están localizadas en el arco grande comprendido entre los orígenes de replicación, nunca se pierde el OH e incluyen varios genes del mtDNA. Esta pérdida de genes, especialmente la de los tRNAs, hace que estos genomas no se puedan traducir y, por tanto, son dependientes de complementación con moléculas de mtDNA normales en la misma mitocondria. El umbral se alcanza cuando el porcentaje de moléculas delecionadas supera el 60%.

La presencia de estas deleciones se detecta con relativa facilidad por la técnica de hibridación Southern en la que se encuentran poblaciones de mtDNA de menor tamaño que el normal (16.569 pb). Las deleciones son siempre heteroplásmicas, pueden llegar a constituir un porcentaje muy alto de la población de mtDNA y se encuentran en varios tejidos. Su determinación se hace fundamentalmente en biopsias de músculo pero, si la afectación es muy grave, se pueden llagar a detectar también en sangre.

Existen otras muchas enfermedades que están asociadas a la presencia de grandes deleciones en el mtDNA. Entre otras se puede mencionar los fenotipos de diabetes, sordera y atrofia óptica; miopatías en general; el síndrome de encefalomiopatía mitocondrial neurogastrointestinal (MNGIE); el de diabetes mellitus, diabetes insípida, atrofia óptica y sordera (DIDMOAD), etc. Asimismo, existen síndromes que presentan grandes deleciones en el mtDNA que se trasmiten de forma autosómica dominante o recesiva. Esta forma de herencia sugiere la existencia de genes nucleares que pueden afectar a la estructura del mtDNA. Entre ellos cabe mencionar una oftalmoplegia externa progresiva crónica autosómico dominante [47].

Deleciones múltiples en el mtDNA.

Como se ha mencionado anteriormente, se han encontrado familias con PEO que presentan deleciones múltiples de herencia autosómico dominante [46,47,56] o recesiva [57], así como otros casos de diversa sintomatología (mioglobinuria recurrente, encefalopatía gastrointestinal mitocondrial, miositis con cuerpos de inclusión) aunque alguno de ellos puede presentar una herencia materna.

El modelo de herencia autosómico dominante sugiere la existencia de mutaciones en genes nucleares implicados en la biogénesis mitocondrial y mantenimiento del mtDNA que pueden causar mutaciones en este genoma, es pues un defecto en la comunicación núcleo-mitocondria. Se ha encontrado que adPEO puede estar causado por un gen localizado en el cromosoma 10q en una familia finlandesa y en el 3p en familias italianas [58,59], pero todavía no se han encontrado los genes o factores específicos que las producen.

Depleción del mtDNA.

La depleción es una disminución en los niveles de mtDNA. Como el caso anterior, es un trastorno de herencia mendeliana que afecta a la coordinación núcleo-mitocondria, y que parece ser autos—mico recesivo. El defecto puede ser debido a mutaciones en genes nucleares que controlan el número de copias del mtDNA. Se desconoce por el momento cual puede ser el gen responsable pero se ha encontrado que pacientes con depleción tenían también bajos niveles del factor de transcripción mtTFA [60,61]. El origen nuclear del defecto se ha confirmado al introducir mitocondrias de un paciente en células r0 carentes de mtDNA. El nuevo entorno nuclear restauraba los niveles de mtDNA [62].

El espectro clínico que produce la depleción de mtDNA puede ser muy variado. Los casos descritos hasta ahora son fundamentalmente de niños con combinaciones variables de miopatía, nefropatía o hepatopatía, miopatía infantil fatal por fallo respiratorio y algún otro con implicación multisistémica. Asimismo, parece ser la causa de una miopatía mitocondrial que aparece en

pacientes de SIDA después de tratamiento prolongado con AZT. El diagnóstico se realiza por el método de hibridación Southern comparando los niveles de mtDNA con los de DNA nuclear.

EL GENOMA MITOCONDRIAL

Las mitocondrias son orgánulos que se encuentran en todos los seres eucariotas aeróbicos; contienen las enzimas para la mayoría de las reacciones oxidativas que generan energía para las funciones celulares. Estas enzimas incluyen a la piruvato-deshidrogenasa, a las involucradas en el transporte de electrones, en la fosforilación oxidativa, en el ciclo del ácido cítrico, y en la oxidación de ácidos grasos. Actualmente se conocen las secuencias completas del ADN de varios genomas mitocondriales. Al ADN mitocondrial se lo conoce como ADNmt (mtDNA). 

Nuestros 23 pares de cromosomas nucleares suman unas secuencias con un total de 6.000 millones de pares de bases (G) uanina-(C) citosina y (A) denina-(T) imina, de modo que el tamaño medio del ADN lineal que constituye un cromosoma humano es de unos 130

millones de pares de bases y, también por término medio, a cada par de cromosomas homólogos le corresponderían entre 1500 y 2000 genes.

Imagen tridimensional de una mitocondria

Corte transversal de mitocondria (MET)

 El genoma mitocondrial es el material genético de la mitocondria. El material genético que forma el genoma mitocondrial es similar en estructura al de las células procariotas. Está formado por una única molécula circular de ADN, helicoidal, con doble hebra, y supercondensada, su tamaño es pequeño. Sin embargo, mientras que una célula solo posee una copia del ADN de un determinado cromosoma individual, una mitocondria puede tener varias del ADN mitocondrial y en una célula suelen haber varios cientos de mitocondrias. Ello significa que el número de copias del ADN circular mitocondrial en cada célula es de varios miles, además este genoma es de un tamaño de 16569 pares de bases, conteniendo un pequeño número de genes, distribuidos entre la cadena H y la cadena L. Estos genes mitocondriales son:

Genes de ARNts Genes de ARNrs Genes de ARNms, codificando para diversas proteínas El número de genes en el ADN mitocondrial es de 37, frente a los 20.000 - 25.000 genes del ADN cromosómico nuclear humano.

En las células eucariotas la mayor parte de la información genética está contenida en el núcleo. Sin embargo, en estas células hay dos tipos de organelas que tienen su propio genoma. Estas organelas son las mitocondrias (centrales energéticas de la célula) y los cloroplastos (presentes solo en eucariotas fotosintéticos).El genoma codifica 13 proteínas, 2 ARN ribosomal (ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt). El código genético que utiliza es degenerado, es decir, ciertos codones en la mitocondria corresponden a aminoácidos diferentes de los utilizados por el genoma nuclear. Sin embargo, depende de muchas proteínas nucleares para poder replicarse y, a su vez, muchas proteínas presentes en las mitocondrias son codificadas por el genoma nuclear. En mamíferos, cada mitocondria contiene entre 5 y 10 moléculas idénticas de ADN, cada una de aproximadamente 16.000 nucleótidos. Dado que una célula puede tener cientos de mitocondrias, el genoma mitocondrial representa casi el 1% del genoma total. Este genoma es de suma utilidad en el estudio de ciertas enfermedades hereditarias, debido a que las mitocondrias se heredan solamente por la línea materna (ya que las mitocondrias del espermatozoide no ingresan al óvulo). Todos los hermanos nacidos de una misma madre (sean varones o mujeres) pueden ser identificados como tales analizando ciertos marcadores mitocondriales. De hecho, estos marcadores deberían ser

iguales entre los hermanos de la madre –los tíos–, los primos hijos de hermanas mujeres de la madre, y así sucesivamente, siguiendo siempre la línea materna.

Genoma nuclear o DNA de los 46 cromosomas nucleares. Los cromosomas son moléculas lineales de DNA, y entre todos suman un tamaño total de 6.000 millones de pares de bases (GC y AT) constituyendo la fracción del genoma mayoritaria. De tal forma que el tamaño medio de los cromosomas humanos es de unos 130 millones de pares de bases. El genoma humano tiene un número aproximado de 30.000 a 40.000 genes.

Genoma mitocondrial humano. Constituido por un solo cromosoma, que es una molécula circular de DNA de un tamaño de 16569 pares de bases (8000 veces menor que el cromosoma medio). Este tamaño de 16569 bp corresponde al primer DNA que se secuenció y es el DNA "secuencia Cambridge". Otras variantes tienen distinto tamaño; así el DNA mitocondrial "secuencia africana" tiene 16559, mientras la "secuencia sueca" tiene 16570 bp. En cuanto a su número, hay que precisar que la mayoría de las células tienen varios cientos de mitocondrias. Además cada mitocondria tiene varias moléculas de DNA, con lo que el número de copias del cromosoma circular en cada célula es de varios miles.

En el siguiente dibujo podemos ver el Mitomapa; es decir, el mapa genético del DNA mitocondrial humano. Observamos que tiene 37 genes, que podemos agrupar por sus productos:

- 13 genes que codifican para (RNAs mensajeros), y por lo tanto para 13 proteínas.

- 22 genes que codifican para los 22 tRNAs (RNAs de transferencia, que se representan simbólicamente como hojas de trébol, por denominarse la estructura secundaria de " hoja de trébol “).

- 2 genes que codifican para los dos rRNAs mitocondriales (RNAs ribosómicos)

En la molécula de DNA circular de mitocondria las dos cadenas complementarias tienen una proporción de C y G muy dispar, y por ello tienen un peso molecular muy distinto. Para distinguirlas hablamos de cadena H o pesada (heavy) y cadena L o ligera (light).

Cadena L Composición en bases (total bases: 16569): 5122 A; 5180 C;  2171 G;  4096 TPeso molecular: 5.060.609 daltons.

Cadena HComposición en bases (total bases: 16569): 4096 A; 2171 C; 5180 G; 5122 T

Peso molecular: 5.168.726 daltons

 

La cadena que por convenio se representa y sobre la que se realiza la numeración del genoma mitocondrial es la cadena L. La numeración se realiza de 1 a 16569 no existiendo, al contrario de lo

que ocurre en los genes nucleares, valores negativos. Estos genes no se encuentran todos sobre la misma cadena codificadora, sino que existen genes localizados sobre ambas cadenas (H y L).

  La mayor parte de los genes mitocondriales son transcritos utilizando como molde la cadena H. Por lo tanto el RNA será el transcrito de la cadena H (cadena molde ), mientras que la cadena codificadora de éstos genes será la cadena L. Esto lo vemos en el esquema superior.

Cada cadena tiene su propio origen de replicación y de transcripción. Cada cadena se transcribe " en una sola pieza " ; es decir, se produce una sola molécula de RNA al que se denomina transcrito primario de esa cadena.

El promotor de la trascripción de la cadena H se encuentra entre las posiciones 531 y 568. Este promotor dirige la formación del complejo de trascripción  que formará la burbuja donde se sintetiza el RNA denominado transcripto primario de la cadena H.

El transcripto primario de cada cadena sufre un proceso de corte por acción de nucleasas (RNAsas) muy específicas, que producen una colección de RNAs. Estos RNAs reciben el nombre de " precursores ", y no son funcionalmente activos. Para ser funcionales deban sufrir un proceso de maduración.

Estos RNAs "precursores" sufrirán procesos de maduración consistentes en transformaciones catalizadas enzimáticamente, y originarán las formas maduras de los tRNAs, mRNAs, rRNAs y RNA-7s.

El genoma mitocondrial, conocido desde 1981, posee 16569 nucleótidos, correspondientes a 37 genes codificantes (no existen regiones no codificantes, otra semejanza con procariotas). Una característica muy interesante es que, en las mitocondrias, el código genético está ligeramente alterado: UGA, que sería el codón de terminación, lo leen como triptófano las mitocondrias de mamíferos, hongos y protozoos., pero es una señal de "stop" en plantas; el codón AGG, que normalmente codifica arginina, codifica "parada" en mitocondrias de mamíferos y serina en las de Drosophila.

¿Por qué esta excepción al código genético universal? Probablemente sea porque las mitocondrias codifican tan pocas proteínas que un cambio ocasional en un codón raro sea tolerable, mientras que un cambio de este tipo en un gran genoma puede alterara la función de muchas proteínas y destruir la célula.

Se conocen también algunos pocos casos de genomas mitocondriales de forma lineal. En muchos casos, el contenido de GC (guanina-citosina) del ADNmt difiere en gran medida del ADN nuclear, y esto permite separar el ADNmt del nuclear por centrifugación en un l gradiente de cloruro de cesio. No existen histonas u otras proteínas semejantes asociadas al ADNmt. Existen muchas copias del genoma mitocondrial en cada mitocondria, las que se ubican en ciertas regiones llamadas nucleoides. En muchos animales, las dos hebras que componen el ADNmt difieren en densidad porque las bases nitrogenadas no están distribuidas de forma equilibrada en ambas hebras. Esto hace que una hebra sea más "pesada" y otra más "liviana". En el ADNmt. 

El contenido de genes de genomas mitocondriales de distintas especies es bastante similar tanto en número como en cantidad de funciones distintas. Sin embargo, el tamaño varía enormemente entre distintos organismos. 

Los genes del ADN mitocondrial se distribuyen entre sus dos cadenas. Cuenta con un total de 37 genes de los que la mayor parte han de usarse para la maquinaria de síntesis de proteínas: 22 para ARN de transferencia, activadores de los aminoácidos que se han de ensamblar como proteínas y 2 para los ARN ribosomales. Por tanto, solo restan 13 genes que sirven para codificar ARN mensajeros y, por tanto, a 13 proteínas. Estas proteínas suelen ser subunidades de enzimas o de componentes proteicos mitocondriales de gran importancia, como son varias subunidades de la enzima NADH deshidrogenasa (esencial para que transcurra el proceso redox en el inicio de la cadena respiratoria); moléculas de citocromo b, componente primordial de la parte media de esa cadena; diversas subunidades de citocromo oxidasa (porción final de la cadena respiratoria) y dos subunidades de la enzima ATPasa, responsable de la obtención de la energía metabólica ATP.

ADN Mitocondrial (múltiples puntos amarillos) y ADN Nuclear (rojo) teñidos con colorantes fluorescentes. Célula de Euglena gracilis. Imagen tomada de Alberts et al.

En los animales, el genoma mitocondrial generalmente es menor a 20 kb (kilobases); por ejemplo en el hombre el ADNmt tiene 16.569 bp (pares de bases). Por su parte, el ADNmt de una levadura contiene cerca de 80.000 bp (80 kb), mientras que en las plantas varía entre 100 y 2.000 kb. La mayor diferencia entre animales, hongos y plantas es que en los animales el ADNmt codifica algún producto en casi toda su extensión, mientras que en el genoma mitocondrial de hongos y plantas existen largas secuencias de DNA que no codifican productos. 

Los genes del ADNmt y su transcripción

En general, el ADNmt contiene información para la síntesis de una cantidad de componentes de las mitocondrias, como ser: distintos ARNt y ARNr, algunos de los polipéptidos que constituyen las enzimas citocromo-oxidasas, NADH-deshidrogenasa, y ATPasas. Otros componentes de las mitocondrias están codificados por genes nucleares y luego son introducidos a las mitocondrias. Estos componentes incluyen a la ADN-polimerasa y otras proteínas necesarias para la replicación del ADNmt; también la ARN-polimerasa y otras proteínas de la transcripción, o proteínas ribosomales para la formación de los ribosomas mitocondriales, factores de transcripción proteicos, y algunas otras subunidades peptídicas para la integración de las enzimas citocromo-oxidasas, NADH-deshidrogenasa, y ATPasas. 

Genoma mitocondrial humano (Imagen tomada de Brown. Genomes 2)Este genoma es pequeño y compacto, con escasos espacios huecos, tanto que los genes ATP6 y ATP8 se solapan. Abreviaciones: ATP6, ATP8, genes para la subunidad 6 y 8 de ATPasa; COI, COII, COIII: genes para las subunidades I, II y III de la citochromo c  oxidasa; Cytb: gen para la  apocytochromo b; ND1-ND6: genes para la subunidad 1-6 de la NADH hidrogenasa. Ribosomal RNA y transferir RNA son dos tipos de RNA no-codificante.

Mapa del ADNmt humano. El ciclo externo muestra los genes que se transcriben de la hebra

pesada (H strand), y el círculo interno muestra los genes de la hebra liviana (L strand). Se indican los orígenes y las direcciones de la replicación de la hebra H y de la hebra L (ori). También se indican con flechas las direcciones de transcripción de cada una de las hebras. Los genes para los ARNr (16S y 12S) están indicados en azul. Los genes para los ARNt están indicados en púrpura y se los identifica por los aminoácidos que transportan (Val, Pro, Trp, Arg, Leu, Ser etc.). Los genes que codifican proteínas están indicados en amarillo. ATPasas 6 y 8: componentes del complejo enzimático mitocondrial ATPasa. COI, COII y COIII: genes para las subunidades de la oxidasa del citocromo c. cyt b: gene para el citocromo b. NAD1

6: genes para los componentes 1 a 6 de la deshidrogenasa del NADH.

Los genes mitocondriales que codifican proteínas se pueden encontrar en cualquiera de las dos hebras del ADNmt. Los ARN mensajeros (ARNm) que se sintetizan a partir de genes en el ADNmt permanecen dentro de la mitocondria y son traducidos por ribosomas propios de la mitocondria. Los ribosomas mitocondriales consisten de dos subunidades como sucede con los ribosomas del citoplasma. En células humanas, el ribosoma mitocondrial completo es una unidad de 60S que consiste en una subunidad de 45S y otra de 35S. Existen solamente dos moléculas de ARNr en el ribosoma mitocondrial de muchos organismos: una molécula de ARNr de 16S en la subunidad mayor y otra 12S en la subunidad menor del ribosoma animal. Generalmente existe solo un gen en el genoma mitocondrial para cada una de estas dos moléculas de ARNLas proteínas que constituyen los ribosomas mitocondriales están codificadas en genes nucleares, se traducen en ribosomas citoplásmicos y luego se introducen en las mitocondrias para integrar los ribosomas mitocondriales. En algunos organismos, sin embargo, una o algunas proteínas del ribosoma mitocondrial están codificadas por genes del genoma mitocondrial. La transcripción en el ADNmt de los mamíferos es bastante particular: tiene un solo lugar de inicio y se transcribe en forma continua formando un solo transcripto, inusualmente largo. Este transcripto es procesado luego para producir distintas moléculas de ARNt y de ARNr, además de moléculas maduras de ARNm para la producción de cadenas polipeptídicas. Para eso es interesante observar que los genes que codifican ARNr o ARNm están separados por genes que codifican ARNt. En el largo transcripto original, las moléculas de ARNt son identificadas por enzimas que cortan el transcripto y separan los ARNt, dejando libres a los ARNm y ARNr. Estos transcriptos así procesados luego son modificados para producir ARNr maduros. El proceso de modificación incluye también el agregado de la cola de poliadenina al extremo 3' de los ARNm y la secuencia CCA en el extremo 3' de los ARNt. Los ARNm de las mitocondrias no tienen la cápsula característica del extremo 5' que se agrega en los ARNm del genoma nuclear de los eucariotas. En los genomas mitocondriales de los hongos y las plantas, que son mucho más grandes, los genes de ARNt no son separadores de los otros genes, ya que existen secuencias no codificantes bastante grandes entre genes. En estos sistemas, el final de la transcripción está indicado por otro tipo de secuencias en el ADNmt. No existen intrones en el genoma mitocondrial de animales, pero existen en el genoma mitocondrial de las plantas. 

Uso del ARNmt para determinación de parentesco

Gracias a que en el genoma mitocondrial humano existe una región de aproximadamente 400 pares de bases que es altamente polimórfica, y al hecho que las mitocondrias se heredan a través del citoplasma materno (el del óvulo), se puede decir que ese ADN se mantiene inalterable a través de la línea materna. Esto permite analizar parentescos por medio de estudios de PCR del ADN mitocondrial, porque el ADNmt de cada individuo es idéntico al ADNmt de su madre. 

El ADNmt puede ser obtenido de muestras de sangre u otros tejidos, pero también de los huesos, por lo que es posible usar esta técnica incluyendo a individuos que hayan muerto hace muchos años. El análisis del ADNmt está siendo usado para estudios de relaciones filogenéticas no solo en humanos sino también en muchos otros organismos. Por ejemplo, este sistema puede ser usado para estimar la variabilidad genética existente en poblaciones naturales. Estos estudios pueden ser de mucha utilidad en políticas de conservación de especies, particularmente de aquellas bajo amenaza de extinción.

ANEXOS

ENFERMADADES CONSECUTIVAS A LA FUNCIÓN ANORMAL

En 1962, Rolf Luft de la universidad Estocolmo en suecia publicó un estudio sobre mitocondrias aisladas de una mujer que había sufrido fatiga y debilidad muscular por un periodo prolongado y que además tenía una tasa metabólica y temperatura corporal elevadas. Las mitocondrias de esta paciente mostraban cierta libertad del control respiratorio normal. En condiciones normales, cuando los niveles de ADP son bajos, las mitocondrias aisladas suspenden la oxidación de sustrato. En contraste, las mitocondrias de esta paciente continuaban la oxidación del sustrato a gran velocidad, incluso en ausencia de ADP para fosforilar, lo que producía calor en lugar de un trabajo mecánico. Desde ese informe inicial se han descrito diversos trastornos cuyo origen se rastrea hasta anormalidades en la estructura y función mitocondriales. Los tejidos muscular y nervioso tienden a sufrir un impacto mayor en estos trastornos porque son los tejidos con mayor demanda de ATP. Según sean las circunstancias descritas mas adelante, la gravedad de estos padecimientos varía desde enfermedades que causan la muerte durante la lactancia, trastornos que producen convulsiones, ceguera, sordera o episodios parecidos a apoplejía, hasta alteraciones leves caracterizadas por intolerancia al ejercicio o espermatozoides inmóviles. Los pacientes con alteraciones graves casi siempre tienen fibras musculares esqueléticas anormales que contiene grandes agregados periféricos de mitocondrias. El examen masa detenido de las mitocondrias revela grandes cantidades de inclusiones anormales que podrían hacer que las mitocondrias parecieran un “estacionamiento”. Más del 95% de los polipéptidos de la cadena respiratoria se codifica en genes que residen en el núcleo, por lo que se esperaría que muchos trastornos mitocondriales pudieran rastrearse hasta mutaciones nucleares. Aun así, no fue sino hasta 1995 que se publicó un informe sobre la primera de estas mutaciones causantes de enfermedad. La mutación se produjo en el gen que codifica la subunidad flavoproteína de la enzima deshidrogenasa de succinato del ciclo del ácido carboxílico. Desde entonces, otras mutaciones nucleares se ha vinculado con las enfermedades mitocondriales, pero muchas más se han seguido hasta mutaciones en el DNA

mitocondrial (mtDNA). Los trastornos más graves casi siempre se originan de mutaciones (o deleciones) que afectan genes que codifican RNA de transferencia mitoconrial, el cual es necesario para síntesis de los 113 polipéptidos producidos en las mitocondrias humanas. Como todos lo genes que están en el mtDNA codifican proteínas necesarias para la fosforilación oxidativa, se esperaría que todos los tipos de mutaciones en el mtDNA ocasionaron un fenotipo clínico similar. Está claro que no es así.

La herencia de los trastornos mitocondriales contrasta en varias formas con la herencia mendeliana de los genes nucleares. Las mitocondrias presentes en las células de un embrión humano provienen exclusivamente de las mitocondrias que estaban en el óvulo al momento de la concepción, sin contribución alguna del espermatozoide que lo fecundó. Por consiguiente los trastornos mitocondriales se heredan por línea materna. Además es posible que las de una célula contengan una mezcla de mtDNA normal (tipo nativo) y mutante, un trastorno conocido como heteroplasmía. El nivel de mtDNA mutante varía de un órgano a otro en una misma persona y los síntomas suelen aparecer sólo cuando en un tejido particular predominan las mitocondrias con la información genética defectuosa. A causa de esta variabilidad, los miembros de la misma familia portadora de la misma mutación en el DNA mitocondrial puede tener síntomas muy diferentes. Se presume que los individuos que tienen un mayor porcentaje de mitocondrias mutantes sufren una enfermedad más grave.

Otra diferencia entre el DNA nuclear y mitocondrial es que le primero está protegido contra daños por varios sistemas de reparación de DNA, casi siempre ausentes en las mitocondrias. El DNA mitocondrial también puede estar sujeto a niveles altos de radicales de oxígeno mutágeno. Por estas razones, el DNA mitocondrial tiene un índice de mutaciones de 10 veces mayor que el DNA nuclear. De hecho, las células tomadas de personas mayores tienen una mayor cantidad de mutaciones en el mtDNA que en las mismas células de personas más jóvenes. Algunos han sugerido que estas mutaciones podrían causar anormalidades en la función mitocondrial que a su vez podrían causar ciertos trastornos de inicio tardío o incluso el proceso de envejecimiento mismo.

Existe una probabilidad particular de que haya mutaciones mitocondriales en las células que permanecen en el cuerpo por más tiempo, como la de los tejidos nervioso y muscular. Varias afecciones neurológicas comunes de inicio en el adulto, en particular la enfermedad de Parkinson, podrían ser consecuencia de cambios degenerativos de la función mitocondrial. Al principio esta probabilidad surgió a la luz por primera vez a principios del decenio de 1980, cuando varios drogadictos llegaron a los hospitales con inicio súbito de temblores musculares intensos característicos de la enfermedad de Parkinson avanzada en ancianos. Se descubrió que estos sujetos se habían inyectado una heroína sintética por vía intravenosa que estaba contaminad con un compuesto llamado MPTP. Los estudios ulteriores revelaron que el MPTP causa daño en el complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial, lo que condujo a la muerte de células nerviosas en la misma región del cerebro (la sustancia negra) que se afecta en pacientes con enfermedad de Parkinson. Cuando se estudiaron luego las células de la sustancia negra de las personas con esta enfermedad también se encontró que mostraban una disminución marcada y selectiva de la actividad del complejo I. En fechas más recientes, las investigaciones han referido la exposición a ciertos pesticidas, en especial rotenona, un inhibidor del complejo I, como factores de riesgo ambientales para el desarrollo de enfermedad de parkinson. La administración de rotenona a ratas causa destrucción de las neuronas productoras de dopamina, algo característico de la enfermedad de seres humanos. El posible vínculo entre la rotenona y la enfermedad de parkinson está en estudio

EXISTEN ENFERMEDADES POR DEFICIENCIA MITOCONDRIAL

Existen varias enfermedades debido a las disfunciones mitocondriales, descritas en la literatura griega médica. Serán mencionados dos ejemplos. El primero es las enfermedades de Luft, caracterizada por un aumento cuantitativo de las mitocondrias musculares en pacientes con metabolismo basal elevado, simulando un hipertiroidismo. El análisis bioquímico de las mitocondrias de esos enfermos mostró que la oxidación fosforilativa está parcialmente desacoplada, explicando la sintomalogía observada.

Las alteraciones o deficiencias que se producen en el ADN mitocondrial constituyen la fuente de ciertas enfermedades degenerativas, a menudo graves, que afectan en especial al cerebro y a los músculos. En este fragmento se recogen los primeros estudios sobre el ADN de las mitocondrias y la posible vinculación con enfermedades humanas.

Fragmento de Función normal y patológica del ADN mitocondrial.

De Douglas C. Wallace.

El chico, a sus cinco años recién cumplidos, rebosaba salud. Pero empezó a perder oído y quedó sordo del todo antes de los 18. En su historia se leía ya que era hiperactivo y había sufrido ataques esporádicos. A los 23 años tenía la visión bastante deteriorada, con cataratas, glaucoma y degradación progresiva de la retina. Los ataques adquirieron después mayor gravedad y comenzaron a fallarle los riñones. La afección renal complicada con una infección sistémica se lo llevó a la tumba a los 28 años de edad.

En la raíz de todos esos trastornos se encontraba una imperfección diminuta de sus genes, aunque no de los genes habituales, los que residen en las hebras cromosómicas de ADN del núcleo celular. Su muerte se debió a una alteración de los lazos sutiles del ADN que se aloja en las mitocondrias. Son éstas los orgánulos donde se genera la energía que la célula consume. Y cada lazo de ADN contiene la información para la síntesis de 37 de las moléculas que la mitocondria necesita para producir energía.

Aunque se sabía desde 1963 que las mitocondrias de los tejidos animales albergan sus propios genes, hasta 1988 no quedó patente la vinculación de los yerros de éstos con enfermedades humanas. En el laboratorio de la Universidad de Emory, se descubrió, en el marco de un estudio realizado con varias familias la relación existente entre una forma de ceguera que afecta a jóvenes y adultos (neuropatía óptica hereditaria de Leber) y una pequeña mutación heredada en un gen mitocondrial. Por las mismas fechas, Ian J. Holt, Anita E. Harding y John A. Morgan-Hughes, del Instituto de Neurología de Londres, asociaron la deleción de segmentos extensos de la molécula de ADN mitocondrial con patologías musculares de carácter progresivo.

Hoy se sabe que las alteraciones experimentadas por el ADN mitocondrial causan, o al menos contribuyen a la aparición de un amplio repertorio de enfermedades, algunas con perfiles borrosos aunque potencialmente catastróficas. De interés quizá más general: la mutación de este ADN podría estar detrás de muchos casos de diabetes e infartos. Por no hablar de la documentación creciente que avala la tesis según la cual los daños sufridos por genes de las mitocondrias desempeñarían un papel destacado en el proceso de envejecimiento y en los procesos degenerativos y crónicos habituales en edades provectas (enfermedad de Alzheimer y alteraciones motoras).

El ADN mitocondrial ha recabado también la atención por su incidencia en otros campos. Por ejemplo, en las migraciones humanas. Al comparar las secuencias de los pares de bases del ADN mitocondrial de diferentes poblaciones se observan pautas muy interesantes acerca de la evolución

y las migraciones del hombre moderno. (Los pares de bases cotejadas son los “peldaños” o unidades de codificación de la “escalera” de ADN.) Por su parte, los médicos forenses han empezado a sacar partido de las comparaciones a pequeña escala entre secuencias de ADN en la identificación de restos de soldados desaparecidos en combate (o de otros desaparecidos antaño) y en la determinación de si un imputado es o no responsable de los hechos que se le atribuyen.

Resulta llamativo que se haya tardado tanto en abordar las posibilidades que ofrece el ADN mitocondrial. Sin duda, se podrían haber sospechado antes las consecuencias patológicas de las mutaciones genéticas mitocondriales. Las mitocondrias aportan el 90 por ciento de la energía que las células —y, por ende, tejidos, órganos y el organismo en su conjunto— necesitan para desenvolverse.Las mitocondrias generan energía a través de un proceso que requiere el flujo de electrones a través de una serie de complejos proteicos (la así llamada cadena respiratoria). Este flujo capacita indirectamente a otro complejo (la ATP sintasa) para sintetizar ATP (trifosfato de adenosina), la molécula portadora de energía de las células.

Desde muy pronto se adivinó que cualquier cosa capaz de comprometer la producción de ATP en la mitocondria podría dañar, si no matar, las células con el consiguiente desarrollo de alteraciones funcionales en los tejidos y aparición de los síntomas. De hecho, el grupo encabezado por Rolf Luft, del Instituto Karolinska y la Universidad de Estocolmo, publicaba en 1962 que cierto fallo en la generación de energía mitocondrial provocaba un trastorno debilitante. Con los años, acabó averiguándose que los tejidos y órganos que antes se resienten de la caída de producción energética son, en orden decreciente, el sistema nervioso central, músculo cardíaco y esquelético, riñones y tejidos productores de hormonas.

Desde el principio se buscó explicación a las alteraciones mitocondriales en mutaciones de genes nucleares, algunos de los cuales dan lugar a componentes de las mitocondrias. Llegados los años ochenta, sin embargo, se vio que el ADN mitocondrial portaba la información de un número notable de moléculas: no sólo especificaba la estructura de 13 proteínas (cadenas de aminoácidos) que eran subunidades de la ATP sintasa y de los complejos de la cadena respiratoria, sino que determinaba también otras 24 moléculas de ARN que intervenían en la síntesis de esas subunidades en las mitocondrias. Se infería de esas observaciones que las mutaciones del ADN mitocondrial podrían redundar en las proteínas mitocondriales o en el ARN y, de ese modo, minar la capacidad productora de energía de las mitocondrias, lo que, a su vez, sería causa de enfermedades. A esa posibilidad se aludía ya en las publicaciones de 1988.

Fuente: Wallace, Douglas C. Función normal y patológica del ADN mitocondrial. Investigación y Ciencia. Barcelona: Prensa Científica, octubre, 1997.

TRANSFERENCIA OOPLASMICA

Varias fuentes informan estos días sobre el nacimiento en los últimos años de 30 niños modificados genéticamente, 15 de ellos como consecuencia de tratamientos de fertilidad revolucionarios en un  instituto medico en USA ( New Jersey's Institute for Reproductive Medicine and Science of St. Barnabas ).

El Dr. Jacques Cohen, director científico de la mencionada institución ha afirmado que en la misma han nacido 15 niños bajo este tratamiento ( el mayor va a cumplir los cuatro años dentro de un mes, pero que en otros lugares han nacido otros 15 niños en similares condiciones.

¿Que significa esto ?

La técnica conlleva la inyección del contenido de un óvulo de una donadora fértil en el óvulo de una mujer infértil.

Ello significa que la transferencia del ooplasma (citoplasma) de un óvulo a otro es acompañado de la transferencia de mitocondrias desde la donadora. Esto se ha comprobado en dos de los 15 casos de New Jersey.

Ello significa que el niño nacerá con genes de tres progenitores, puesto que tendrá mitocondrias de la madre infértil y de la mujer donadora, y por lo tanto el DNA  mitocondrial de las dos mujeres.

Esto hace posible evitar enfermedades genéticas mitocondriales que se transmiten por mutaciones en el DNA mitocondrial (obviamente de la madre ).

Cohen ha escrito en el  British Journal of  Human Reproduction que este es el primer caso de modificación genética en la línea germinal del que resulta un nacimiento normal.

Obviamente las niñas que han recibido DNA mitocondrial de las mujeres donadoras son capaces ahora de transmitir dicho DNA adquirido artificialmente a sus descendientes de una forma normal.

Investigación reciente sobre la mitocondria.

Las mitocondrias se utilizan para buscar los ancestros de organismos que contienen células eucarióticas. Entre los mamíferos, las mitocondrias tienden a seguir una pauta de herencia materna.  

Cuando una célula se divide, las mitocondrias se reproducen con independencia del núcleo. Las dos células hijas formadas después de la división reciben cada una la mitad de las mitocondrias. Cuando el espermatozoide fecunda al óvulo, sus mitocondrias quedan fuera del huevo. El cigoto fecundado hereda sólo las mitocondrias de la madre. Esta herencia materna crea un árbol familiar que no se ve afectado por la recombinación de genes que tiene lugar entre el padre y la madre.

        Una comparación reciente de muestras de mDNA humano sugiere que la humanidad desciende de una mujer que vivió en África hace entre 140.000 y 290.000 años. Muestras genéticas tomadas de grupos étnicos africanos, asiáticos, australianos, europeos y de Nueva Guinea han revelado un número específico de tipos de mDNA. La comparación de estos tipos ha permitido a los científicos construir un árbol genealógico que sugiere que los

distintos grupos empezaron probablemente a evolucionar por separado. En este árbol, el mDNA africano ocupa la rama más larga y antigua y de ella brotan los demás grupos étnicos. Probablemente había muchas otras mujeres vivas en la época de la llamada Eva mitocondrial, pero sus líneas de herencia materna se han extinguido. Esto ocurre habitualmente cuando una generación de una familia no produce ninguna hija.

El análisis de mDNA se aplica también en investigación forense. Recientemente se ha establecido la identidad de unos esqueletos atribuidos a Nicolás II, último zar de Rusia, y a su familia utilizando mDNA. El obtenido de un pariente vivo de la familia del zar resultó ser idéntico al encontrado en los restos de Alejandra de Rusia, esposa de Nicolás, y en tres de sus hijos. Como el mDNA se

hereda por línea materna, el del esqueleto del zar no coincidía con el hallado en los restos de la zarina y de sus hijos.

Según investigaciones recientes, unas pocas enfermedades heredadas por línea materna son imputables a defectos del mDNA, entre ellas algunas patologías neuromusculares y ciertas formas de diabetes mellitus.

Referencias Bibliográficas

Trudy McKee y James R. McKee, Bioquímica, 2003. 3era ed.

Edit. Mc Graw Hill. pag 274-324

Gerald Karp, Biologia Celular, 2005. 4ta ed.

Edit. Mc Graw Hill. pag 195-224

www.es.wikibooks.org/wiki/Bioqu%C3%ADmica/Cadena_de_Transporte_de_Electrones

www.webpages.ull.es/users/bioquibi/bioquimica%20estructural/fosforilacionoxidativa.

Carlos Gispert, Josè Gay, José A. Vidal, Mentor. ENCICLOPEDIA TEMATICA ESTUDIANTIL OCEANO. Barcelona- España, Océano Grupo Editorial, 1999. Pág. 578, 579, 580.

J.H. Otto A. Towle. BIOLOGÌA MODERNA. Mèxico. Mc Graw-Hill, 1995. Pàg 621.

Microsoft Coporation 1993-2001. ENCICLOPEDIA MICROSOFT ENCARTA 2002.

www.sciencemagazine.com

www.mitocondrial.com