Papel del poro de permeabilidad transitoria mitocondrial en los

D. TORNERO, ET AL
REVISIONES EN NEUROCIENCIA. EDITOR: J.V. SÁNCHEZ-ANDRÉS
Papel del poro de permeabilidad transitoria mitocondrial
en los procesos neurodegenerativos
D. Tornero, V. Ceña, C. González-García, J. Jordán
THE ROLE OF THE MITOCHONDRIAL PERMEABILITY TRANSITION PORE
IN NEURODEGENERATIVE PROCESSES
Summary. Aims. To review the role played by the mitochondrial permeability transition pore (MPTP) in different physiological and pathological processes. Method. Both genetic and functional alterations in mitochondria can lead to errors that
trigger programmed cell death, which in turn give rise to a number of diseases that affect the nervous system. Over the last
few years the mitochondrion has been seen as the link between the different signalling pathways involved in some degenerative
processes. The mitochondrion seems to play an important part in the cellular decision-making that leads, irreversibly, toward
the execution phase in cellular death processes. This being the case, the action would be mediated by the permeability of
its membranes, through the formation of the mitochondrial permeability transition pore, and would involve phenomena such
as the dissipation of the mitochondrial electrochemical potential and the release of substances from within it. These
substances include apoptosis-inducing factor (AIF), apoptosis protease activating factor-1 (apaf-1), cytochrome c and
members of the protease family: the caspases. These alterations have been described in neurodegenerative pathologies such
as Alzheimer’s and Parkinson’s disease, amyotrophic lateral sclerosis and transmissible spongiform encephalopaties.
Conclusions. Designing pharmaceutical products capable of interfering with the functions of MPTP would allow a better
therapeutic approach in neurological pathologies. [REV NEUROL 2002; 35: 354-61]
Key words. Apoptosis. Bcl-2. Calcium. Caspase. Cytochrome c. Oxygen reactive species.
INTRODUCCIÓN
Las mitocondrias, del griego mito (hilo) y chondros (cartílago),
son organelas citoplasmáticas de aspecto filiforme, con un diámetro comprendido entre 0,5 y 1 µm, con funciones que engloban
desde el abastecimiento energético –en forma de ATP– a la célula, hasta la regulación citoplasmática de los niveles de segundos
mensajeros, como el ión Ca2+ y las especies reactivas del oxígeno
(ERO). Su capacidad de asociación a microtúbulos las convierte
en orgánulos móviles y plásticos, capaces de desplazarse por el
citoplasma y adquirir la morfología y localización celular más
adecuadas, para que el aporte energético celular sea lo más eficiente posible [1]. En los últimos años, esta organela se está considerando como el lugar donde convergen diferentes vías de señalización apoptótica [2,3] y que, gracias a la capacidad de
regulación de la permeabilidad de sus membranas, controla la
liberación al citoplasma de señales capaces de activar cascadas
proteicas que conducen a la muerte celular.
El objetivo de este trabajo consiste en revisar el papel de la
mitocondria y de la regulación de la permeabilidad de sus mem-
Recibido: 23.07.02. Aceptado tras revisión externa sin modificaciones:26.08.02.
Centro Regional de Investigaciones Biomédicas. Departamento de Ciencias
Médicas. Facultad de Medicina. Universidad de Castilla-La Mancha. Albacete,
España.
Correspondencia: Dr. Joaquín Jordán..Departamento de Ciencias Médicas.
Facultad de Medicina. Centro Regional de Investigaciones Biomédicas.
Universidad de Castilla-La Mancha. E-02071 Albacete. Fax: +34 967 599 327.
E-mail: [email protected]
Agradecimientos. La realización de este trabajo se ha llevado a cabo gracias
a las ayudas SAF99-0060 y 1FD97-0500, de la CICYT; BFI2001-1565, del
Ministerio de Ciencia y Tecnología; 01050, de la Consejería de Sanidad de la
Junta de Comunidades de Castilla-La Mancha (JCCM); PAI-02-031, de la Consejería de Ciencia y Tecnología de la JCCM, y de la Fundación CampollanoBSCH, otorgadas al Dr. Valentín Ceña, y a las ayudas BFI2001-1058 y GC-0299, de la Consejería de Ciencia y Tecnología de la JCCM, otorgadas a la Dra.
Carmen González-García. Daniel Tornero es becario predoctoral de la JCCM.
 2002, REVISTA DE NEUROLOGÍA
354
branas mediante la formación de un complejo multiproteico,
conocido como poro de permeabilidad transitoria mitocondrial
(PPTM), en los procesos de muerte neuronal. Este trabajo se
divide en tres apartados: en primer lugar, revisaremos algunos
conceptos generales sobre la mitocondria; en segundo lugar, abordaremos los aspectos de estructura y regulación de la formación
del PPTM, y terminaremos con un tercer apartado en el que la
mitocondria y este poro se expondrán como centros reguladores
de la cascada de procesos neurodegenerativos.
CONCEPTOS GENERALES
Estructura mitocondrial
Las mitocondrias presentan una estructura con dos compartimentos bien definidos, matriz y espacio intermembranal, delimitados
por dos membranas, interna y externa, con características morfológicas y funcionales muy diferentes. En la matriz se localizan
varias copias del genoma circular mitocondrial, los ribosomas y
numerosos complejos enzimáticos necesarios tanto para las funciones energéticas, como para la expresión y la replicación de
genes [4]. En el espacio intermembranal se localizan las enzimas
que median el tránsito de sustancias entre la matriz mitocondrial
y el citosol, y alguno de estos complejos presenta actividad cinasa. Del mismo modo, sus membranas ofrecen también diferencias
significativas. La membrana interna se caracteriza morfológicamente por presentar unas invaginaciones denominadas ‘crestas’,
con multitud de complejos enzimáticos (los componentes de la
cadena transportadora de electrones –CTE–, la ATP sintasa) y
proteínas que regulan el paso de metabolitos, como el traslocador
de nucleótidos de adenina (ANT, del inglés adenine nucleotide
translocator). La membrana mitocondrial interna resulta especialmente impermeable a iones gracias a su alto contenido en el
fosfolípido cardiolipina, característica esencial que le permite
soportar un gradiente electroquímico necesario para el desempeño de la función energética. Por el contrario, la membrana
externa carece de crestas mitocondriales y, en condiciones fisio-
REV NEUROL 2002; 35 (4): 354-361
PPTM EN PROCESOS NEURODEGENERATIVOS
mite el paso regulado de proteínas mediante procesos controlados por unos complejos proteicos transmembranales –TIM (del
inglés, translocase of the inner membrane) en la membrana
interna y TOM (del inglés, translocase of the outer membrane)
en la externa– que son capaces de discriminar entre aquellas
proteínas que deben dirigirse a la matriz y las que lo harán hasta
el espacio intermembranal [6]; en este proceso intervienen algunos miembros de la familia de las chaperonas que se inducen por
calor (HSP, del inglés heat shock proteins), como la HSP 70 y
la HSP 60 [7].
Existen zonas de contacto entre las membranas mitocondriales, las denominadas ‘zonas densas’, cuyos componentes proteicos son capaces de interaccionar y dar lugar a la formación de un
canal, el PPTM, del que también forman parte proteínas del citoplasma y de la matriz mitocondrial [8] y el cual constituye una
parte esencial del objetivo de la presente revisión.
Función energética de la mitocondria
La mitocondria es el escenario donde tiene lugar la fosforilación
oxidativa, proceso en el que se genera poder reductor –en forma
de NADH y FADH2–, que se utiliza en la cadena respiratoria.
Acoplado al transporte de los electrones por diferentes niveles
Figura 1. Mecanismos de entrada y salida de Ca2+ en la mitocondria. La
redox, y gracias a la energía liberada, tiene lugar la salida de tres
membrana externa mitocondrial es permeable a los cationes calcio debido
protones desde la matriz mitocondrial hasta el espacio intermema la presencia en ella del VDAC. La membrana interna resulta impermeable
branal, lo que origina un gradiente electroquímico entre los dos
a los iones y, en el caso del calcio, contiene sistemas transportadores que
regulan su entrada, el uniporte de Ca2+ (1), o su salida, como los antiportes
compartimentos [9]; ello se traduce en una diferencia de pH de
de Ca2+/Na+ (2) o de Ca2+/H + (3). La CTE (4) y el sistema antiporte Na+/H +
una unidad y en una diferencia de potencial eléctrico de 140 mV,
(5) colaboran en la formación del gradiente de H +, necesario para el correclo que supone un incremento de energía libre ( ∆G) de aproximato funcionamiento de alguno de los sistemas antes mencionados.
damente -5 Kcal. Esta energía la utiliza la
Tabla I. Componentes de la cadena transportadora de electrones mitocondrial. Fármacos inhibidores ATP sintasa (complejo V), localizada en la
y alteraciones derivadas de su disfunción.
membrana interna, para fosforilar moléculas de ADP, dando lugar a ATP, a la vez
Complejo de la cadena transportadora de electrones
que los protones vuelven a la matriz a favor
I
II
III
IV
V
de gradiente [10].
El funcionamiento correcto de este
Enzima
NADH-Co Q
Succinato-Co Q Co QCitocromo c
ATP sintetasa
reductasa
reductasa
citocromo c
oxidasa
complejo enzimático es esencial para la
reductasa
vida de la célula, de forma que cualquier
alteración en las enzimas que lo compoInhibidor
Rotenona
TTFA malonato Antimicina A
Cianida
Oligomicina
Amital
monóxido
nen se puede traducir en enfermedades dede carbono
generativas (Tabla I). Son muchos los
acida
inhibidores que se conocen de los distinSubunidad
tos componentes de la CTE mitocondrial,
~36
4
10
10
~14
de ADN nuclear
los cuales se utilizan en estudios sobre su
Subunidad
7
0
1
3
2
funcionamiento.
de ADN
mitocondrial
ND1-6, ND4L
Alteraciones
descritas en:
Enfermedad
de Alzheimer
Parkinson
Cardiomiopatía
Enf. de Leber
Miopatías
Enf. de Leigh
Citocromo b
Citocromo
oxidasa
I, II, III
ATPasa 6
ATPasa 8
Regulación de segundos mensajeros
Las mitocondrias, gracias a su capacidad
de precipitar Ca2+ en su interior en forma
de fosfatos, participan –junto con el retículo endoplasmático y las bombas iónicas y canales localizados en la membrana
celular– en la regulación de los niveles
citoplasmáticos del catión calcio libre
([Ca2+]c) [11].
Hasta el momento se han descrito tres sistemas de transportadores que controlan la entrada y la salida de este catión en la
mitocondria: el uniporte de Ca2+, el antiporte 2Na +/Ca2+ y el antiporte Ca2+/2H+ (Fig. 1). El uniporte de Ca2+ es un transportador
electrogénico y el único que se encarga de internalizar Ca2+, presenta baja afinidad por el Ca2+ y puede ser inhibido por rutenio
rojo y Mg2+. Por otro lado, el antiporte Na +/Ca2+, inhibido por
Enf. de Leigh
Cardiomiopatía Ataxia
Enf. de Leigh
Miopatías
Enf. de Leber
Enf. de Alper Enf. de Leber
Paraganglioma Miopatías
Enf. de Leber
Feocromocitoma
Enf. de Leigh
Miopatías
Rabdomiolisis
lógicas, es permeable al paso de iones y de metabolitos con
pesos moleculares inferiores a 6.000 Da debido a la presencia de
la proteína porina [5], conocida en la actualidad como canal aniónico dependiente de voltaje (VDAC, del inglés voltage dependent anion channel).
A pesar de la existencia de estos compartimentos, que a
primera vista parecen estancos, la estructura mitocondrial per-
REV NEUROL 2002; 35 (4): 354-361
355
D. TORNERO, ET AL
fármacos bloqueadores de los canales de Ca2+ del subtipo L –como
el diltiacén–, y el sistema de antiporte dependiente de energía
Ca2+/2H+, localizado en las mitocondrias de algunas células, realizan la liberación del Ca2+ en respuesta a determinados estímulos
[12]. En algunas situaciones de carácter patológico puede darse
un mecanismo alternativo de salida del Ca2+ desde la mitocondria,
a través del PPTM. Como veremos más adelante, esta vía se
perfila como un proceso crucial en los programas de muerte celular y desencadena, además, la disipación del potencial electroquímico y la liberación de muchas otras sustancias, tanto de la
matriz como del espacio intermembranal.
La conjunción de estos sistemas permite a la mitocondria
responder a fluctuaciones de [Ca2+]c con una variación en sus
niveles de [Ca2+]m de forma lenta. Debido a las propiedades cinéticas y termodinámicas de los sistemas de transporte y a los valores de las [Ca2+]c en condiciones de reposo (0,1-0,2 µM) o estimuladas (0,5-3 µM), la predicción es que, en condiciones fisiológicas, la acumulación de Ca2+ en la mitocondria resulte
despreciable, debido, quizás, a la baja afinidad del sistema de
uniporte por el Ca2+. Sin embargo, experimentos donde la [Ca2+]m
se determinó gracias al uso de acuorinas [13] han demostrado que
los cambios rápidos en la [Ca2+]c producidos, por ejemplo, por la
estimulación de la célula nerviosa, sí tienen su representación en
la mitocondria [14], y con una amplitud muy elevada (>10 µM)
aunque de una duración muy corta (<5 s) [15,16] y es equilibrado
por la salida de Ca2+. La respuesta al incremento de la [Ca2+]m
tendría como resultado la activación de rutas metabólicas, generando más cantidad de energía para la célula, sin llegar a desencadenar los programas de muerte. Sin embargo, en condiciones
patológicas, donde las [Ca2+]c se encuentran elevadas de forma
sostenida, la entrada de Ca2+ en la mitocondria resulta desmesurada y conduce a efectos muy diferentes, como son la activación
de forma rotunda del sistema uniporte de Ca2+ mitocondrial, con
la consiguiente saturación de los sistemas de salida de calcio,
obteniendo como resultado cambios drásticos en el interior de la
mitocondria.
Se ha propuesto a la mitocondria como la fuente de ERO
más importante en células del sistema nervioso [17,18]. En ella,
paralelamente a la reducción ‘enzimática’ del O 2 hasta H 2O por
la citocromo oxidasa en la CTE, tiene lugar la reducción eventual, no enzimática, de un electrón del O 2, generando el anión
superóxido, O2-. Esta reacción ‘parasitaria’ resulta inevitable
debido a que los transportadores de electrones que intervienen
en la cadena son muy reactivos y con un potencial redox negativo, como es el caso de la flavina (complejo I) y la ubiquinona
(complejo III) [19]. En algunos casos, hasta un 2 % del O 2 total
consumido por la CTE puede ser transformado hasta O 2- por la
coenzima Q. Es más, en condiciones donde los niveles de ADP
se encuentran disminuidos –como sucede con el tratamiento
con inhibidores de los diferentes complejos de la CTE como la
antimicina A (Tabla I)–, la producción del ión superóxido se ve
aumentada.
Vías de señalización de apoptosis
La primera indicación de que la mitocondria desempeña un papel
importante en la inducción de los procesos de apoptosis proviene
de observarse, en sistemas in vitro, la necesidad de la presencia
de esta organela para inducir apoptosis [20]. Este proceso tiene
gran importancia en las enfermedades neurodegenerativas donde
se ha descrito una pérdida neuronal. Los estímulos de muerte por
apoptosis pueden ser de diferente origen, aunque todos ellos
356
Figura 2. La mitocondria como centro integrador de las rutas proapoptóticas.
Esquema de las diferentes vías de inducción de apoptosis: a través de los
receptores relacionados con Fas y el factor de necrosis tumoral (TNF), que
originan la activación de la caspasa-8, la cual hidroliza la proteína Bid; mediante el daño en el ADN y la estabilización de p53 y traslocación de Bax a la
mitocondria; y a través de la entrada de Ca2+. También se observa la modulación a través de los miembros antiapoptóticos de la familia de Bcl-2 (Bcl2 y Bcl-xL). Finalmente, el resultado de la apertura del PPTM, la liberación de citocromo c (Cit c) y la formación del apoptosoma promueven la
apoptosis.
convergen de algún modo en la mitocondria, utilizando para ello
diferentes vías (Fig. 2).
Cuando el sistema nervioso es sometido a sobreexcitación
por glutamato, como ocurre en los procesos isquémicos, se ha
observado una entrada masiva y prolongada del ión Ca2+ al citoplasma [21] que es ‘detectada’ por la mitocondria, como ya se ha
comentado. Además, existen receptores específicos de muerte
celular, como TNF-R1 o Fas, que cuando se estimulan, inducen
la activación de la caspasa 8 que proteoliza a Bid, produciendo su
activación y traslocación a la mitocondria [22,23].
Por otro lado, los factores tróficos y las citocinas son capaces,
a través de sus receptores, de activar la fosfoinosilol-3-cinasa
intracelular. Esto da lugar a la generación de dos productos lipídicos (PI-3,4-P2 y PI-3,4,5-P3) que actúan como segundos mensajeros y activan las serina/treonina cinasas Akt y PDK1 a través
de sus dominios PH [24]. Cuando se priva a una célula de factores
tróficos y citocinas, estas vías no se activan y Bcl-xL se encuentra
secuestrado por Bad. Por último, el daño en el genoma celular
puede ser detectado por el factor de transcripción p53, que es
capaz de inducir un incremento en los niveles citoplasmáticos de
la proteína Bax, la cual se transloca a la mitocondria.
REV NEUROL 2002; 35 (4): 354-361
PPTM EN PROCESOS NEURODEGENERATIVOS
Se han caracterizado un total de 79 componentes de naturaleza
peptídica que se liberan durante la apertura del PPTM [29]. Entre
estos componentes se incluyen enzimas catabólicos, endocepina
y multitud de iones y moléculas con conocida actividad proapoptótica, como el citocromo c (Cit c), Smac/DIABLO [30], apaf-1,
factor inductor de apoptosis (AIF, del inglés apoptosis-inducing
factor) [31] y algunos miembros de la familia de las caspasas,
como caspasa-2 y caspasa-9 [32,33].
Una vez liberados al citoplasma, estos agentes pueden activar
diferentes rutas de ejecución apoptóticas. Así, mientras que el Cit
c entra a formar parte como cofactor de un complejo multiproteico, apoptosoma, requerido para la activación de la caspasa-9, el
AIF desencadena procesos de condensación de la cromatina y
fragmentación del ADN, de una forma independiente a la activación de miembros de la familia de caspasas [31].
Regulación del PPTM
Figura 3. Estructura del poro de permeabilidad transitoria mitocondrial.
ANT localizado en la membrana interna mitocondrial, y VDAC, en la
membrana externa. Con ellos interaccionan, para su modulación, hexoquinasa (citoplasma), receptor de benzodiacepinas (membrana externa),
creatina cinasa (espacio intermembranal) y ciclofilina D (matriz mitocondrial).
PORO DE PERMEABILIDAD
TRANSITORIA MITOCONDRIAL (PPTM)
El PPTM es un complejo multiproteico que se forma en las
zonas de unión entre las membranas interna y externa de la
mitocondria. En él participan proteínas de localización citoplasmática (hexocinasa), de la membrana externa (VDAC), de
la membrana interna (ANT) y de la matriz mitocondrial (ciclofilina D) [8].
En condiciones fisiológicas, los diferentes componentes del
PPTM se encuentran disgregados [25]. De esta forma, el VDAC
contribuye a la permeabilización de la membrana externa, el
ANT controla el paso de manera específica de las distintas formas –fosforiladas y no fosforiladas– de nucleótidos de adenina
a través de la membrana interna, y la ciclofilina D presenta una
actividad peptidil-propil isomerasa, la cual resulta crucial para
el plegamiento de proteínas [26]. Algunos de estos componentes pueden encontrarse unidos a otras proteínas. Es el caso del
VDAC, que se une al receptor de benzodiacepinas mitocondrial
y, de esta manera, regula la transferencia de colesterol extramitocondrial al espacio intermembranal [27]. Además, al complejo de unión se le une la fosfocinasa de creatina, asociación que
facilita el transporte de energía mediado por creatina-fosfato de
creatina [28] (Fig. 3).
Cuando un estímulo apoptótico alcanza la mitocondria, los
diferentes componentes proteicos pueden ensamblarse formando
un poro –de un radio de 1,0 a 1,3 nm– que permite el paso de
moléculas de un tamaño inferior a 1.500 Da de forma no selectiva.
Su apertura produce la permabilización de las membranas mitocondriales, contribuyendo, por lo tanto, a:
– La disipación del gradiente proteico entre citoplasma y matriz, que se encuentra decantado en condiciones fisiológicas
hacia esta última.
– La disminución del potencial electroquímico, con la consecuente bajada en los niveles de ATP.
– El hinchamiento de la mitocondria, debido a la entrada de
agua, que producirá la rotura de la membrana externa, liberando moléculas del espacio intermembranal al citoplasma.
REV NEUROL 2002; 35 (4): 354-361
Los factores que regulan la formación y apertura del PPTM son
muchos y variados (Tabla II); entre ellos destacan el calcio, las
ERO y miembros de la familia de proteínas de Bcl-2 que se han
relacionado con procesos de muerte neuronal.
En condiciones donde las [Ca2+]c se encuentran elevadas de
una forma sostenida, como ocurre en los procesos neurodegenerativos producidos por isquemia o excitotoxicidad, el sistema de
captación uniporte se mantiene activo debido a su baja afinidad,
permitiendo la entrada de Ca2+ a la mitocondria, mientras que los
sistemas responsables de la extrusión del Ca2+ mitocondrial se
saturan. En dichas situaciones, la mitocondria no es capaz de
incrementar la [Ca2+]m indefinidamente y ésta se libera. El mecanismo responsable de esta liberación implica el aumento de la
permeabilidad de la membrana interna mitocondrial mediante la
formación del PPTM. Condiciones de estrés oxidativo y sustratos
como fosfato, acetoacetato y oxalacetato son factores que estimulan la liberación de Ca2+ de la mitocondria a través de la formación
del PPTM.
Las ERO son capaces de inducir la apertura del PPTM [34,35].
La exposición de mitocondrias a ERO provoca una disminución
de su contenido en residuos tiol de la membrana y el colapso del
potencial de membrana mitocondrial (∆ϕm) [36], hecho que se
previene mediante la presencia de agentes antioxidantes como la
vitamina E o de glutatión.
Aumentos en la [Ca2+]m o en los niveles de ERO son capaces
de eliminar la especificidad del ANT y modular positivamente
su unión a la ciclofilina D (CyP-D) para que entre a formar parte
del PPTM. Esta unión se encuentra, a su vez, modulada por
diversos factores, como las ERO, que aumentan la sensibilidad
de ANT a Ca2+. Por otro lado, los nucleótidos de adenina de la
matriz y las disminuciones en el pH intracelular contribuyen a
su insensibilización.
Algunos miembros de la familia de proteínas de Bcl-2, quizás
la más relevante en los procesos reguladores de muerte celular, se
han relacionado con el PPTM. Así, el producto del gen Bcl-2
inhibe la formación del PPTM, produciendo la estabilización de
la membrana mitocondrial, un aumento de la capacidad amortiguadora de Ca2+ [37,38] y la protección del ∆ϕm frente a diversos
estímulos [39]. Son dos las hipótesis que se barajan para explicar
su acción sobre el PPTM:
– Su interacción directa con un residuo tiol de la secuencia de
ANT [40].
– La capacidad de ocluir el VDAC a través de su dominio
BH4 [41].
357
D. TORNERO, ET AL
Por todo ello, el producto del gen Bcl-2 se ha mostrado eficaz en
el bloqueo de numerosos y variados mecanismos apoptóticos,
entre los que destacan los procesos neurodegenerativos isquémicos, exposición a NMDA y esclerosis lateral amiotrófica, entre
otros [42-44].
Bcl-xL, dependiendo de su estado de fosforilación, regula la
apertura del VDAC. Así, Bcl-xL previene la salida de Cit c desde
la mitocondria, inducida por agentes químicos [45]. Su región
BH1 es requerida para establecer la unión al VDAC, mientras que
la BH4 es necesaria y suficiente para ocluirlo [41].
Los miembros proapoptóticos como Bax, Bak, Bid y Bad [46]
suelen presentar una localización citoplasmática y, sólo después
de su traslocación a la mitocondria, son capaces de inducir la
apertura del poro, liberando el Cit c [47], hecho que es prevenido
por Bcl-2 [48] y Bcl-xL [49,50]. Parece ser que esta liberación
inducida por este tipo de factores concierne únicamente a la
membrana externa, por lo que no implica cambios en el potencial
mitocondrial ni en el volumen de la mitocondria, aunque se ha
demostrado que en algunos casos participan proteínas de la membrana interna.
El mecanismo de acción de Bax parece relacionarse con su
capacidad de formar canales en membranas lipídicas, debido a que
su estructura presenta similitud con los dominios formadores de
poros de algunas toxinas como la difteria y las colicinas [51]. Bax
puede presentarse en forma monomérica u oligomérica, siendo esta
última la única capaz de formar canales en membranas lipídicas y
de inducir la liberación de Cit c [51]. Aunque este hecho pone en
tela de juicio el papel del PPTM en los procesos de muerte celular
donde Bax está implicado, se ha observado que la presencia de
ANT resulta necesaria para inducir esta liberación de Cit c.
Bid, al igual que Bax, presenta una localización citoplasmática; requiere ser hidrolizado parcialmente por proteasas, como la
caspasa-8 o la granzima B [52], y sufrir una posterior N-miristoilación, para migrar hacia la mitocondria, donde induce la liberación de Cit c y de apaf-1. Su acción puede estar mediada por
diferentes mecanismos, como la interacción con ANT [53], aumentando su actividad [54] o la inducción de la inserción mitocondrial de Bax [55]. Estos efectos son sensibles a la presencia de
inhibidores del PPTM [56].
Aunque Bax, Bak y Bid inducen liberación de Cit c , lo realizan por mecanismos diferentes. Bax requiere la presencia de
ANT [57], induciendo una caída en el ∆ϕm, y sus efectos sobre
la permeabilización de la membrana son prevenidos por fármacos
inhibidores de la CTE, como antimicina, protonóforos, KCN y
oligomicina. Sin embargo, Bak necesita de VDAC para ejercer su
función proapoptótica, y Bid no produce modificaciones del ∆ϕm
y es insensible a estos fármacos [56].
Además de los factores anteriormente comentados, la mitocondria es diana de otras proteínas cinasas (la proteína cinasa C
[58]), de factores de trascripción (p53 y Nur 77) y de proteínas
víricas (proteína R, Vpr [59]). La proteína p53, en condiciones
donde ésta induce apoptosis, sufre una translocación rápida y
selectiva hacia la mitocondria, precediendo en el tiempo a cambios en el ∆ϕm, a la liberación de Cit c y a la activación de la
procaspasa-3 [60]. Así mismo, el producto del gen Nur 77, también conocido como TR3, sufre una translocación desde el núcleo
hasta la mitocondria, donde induce la liberación de Cit c [61]; y
la proteína Vpr es capaz de interaccionar directamente con el
ANT, originando una rápida disipación del ∆ϕm [62].
En la actualidad disponemos de fármacos con capacidad de
modular la formación del PPTM [63]. Entre ellos destaca la ciclos-
358
Tabla II. Regulación de la función del PPTM en la muerte neuronal, alteraciones y consecuencias de la apertura del poro.
Estímulos inductores
Bax, Bid, Bad, Bak
Nur77, GD3, P i
Ceramida
Ácidos grasos
↑ [Ca2+]c
↑ EROS
↓ pHi
↓ ∆ϕm
Proteínas víricas
Estímulos inhibidores
Bcl-2, Bcl-xL
SOD, catalasa
GSH, ATP, ADP
↑ ∆ϕm
Mg2+
Fármacos
Ciclosporina A
Ácido bongkrékico
Trifluoroperacina
Dibucaína
Tamoxifeno
Alteraciones intramitocondriales
↓ ∆ϕm
↓ Respiración
↓ ATP/ADP
↑ NADH (oxidada)
↑ NOS
↑ Ceramida sintasa
Consecuencias
Liberación de citocromo c
Liberación de apaf-1
Liberación de caspasas
Liberación de enzimas catabólicas
Hinchazón mitocondrial
↑ ERO
↓ ATP
Activación de caspasas
[Ca2+]c : concentración de ion calcio citoplasmático;∆ϕm, potencial de membrana mitocondrial; ERO, especies reactivas del oxígeno; GD3, gliceraldehído 3 fosfato; GSH, glutatión;NADH, dinucleótido de nicotina y adenina en
forma reducida; NOS, óxido nítrico sintasa; SOD, superóxido dismutasa.
REV NEUROL 2002; 35 (4): 354-361
PPTM EN PROCESOS NEURODEGENERATIVOS
porina A (CsA) y el ácido bongkrékico, con dianas farmacológicas
diferentes. Mientras que la CsA se une a CyP-D en el lugar de unión
con ANT, impidiendo su unión a éste [64], el ácido bongkrékico
inhibe directamente al translocador de nucleótidos de adenina [65].
LA MITOCONDRIA EN LOS PROCESOS
NEURODEGENERATIVOS
En los últimos años, algunas enfermedades neurodegenerativas se
han relacionado con disfunciones mitocondriales de diferente tipo
[66]. Por ejemplo, en la ataxia de Friedreich, la frataxina –proteína
localizada en la mitocondria y requerida para el mantenimiento de
la homeostasis del hierro y el contenido en ADN– se encuentra
mutada [67]. Otro ejemplo es la paraplejía espástica hereditaria,
donde se han observado mutaciones en la paraplegina, una metaloproteasa mitocondrial, que dan lugar a defectos en la fosforilación oxidativa [68]. Además, enfermedades hereditarias que afectan al sistema nervioso se asocian con mutaciones ocurridas en el
ADN mitocondrial. En sistemas posmitóticos, como es el sistema
nervioso, se acumulan mutaciones somáticas mitocondriales que,
sumadas al descenso de la función mitocondrial, pueden ser la
causa del envejecimiento y la senescencia [69].
La actividad de la CTE puede verse reducida o comprometida
debido a un inadecuado aporte de oxígeno en las células, como
ocurre en procesos de arteriosclerosis, anemia y situaciones de
alcoholismo [70]. Pacientes con neuropatía óptica hereditaria de
Leber presentan mutaciones en el complejo I mitocondrial [71]
(Tabla I), y se ha observado una reducción de su actividad en sujetos que padecen la enfermedad de Parkinson [72]. En este sentido, algunas neurotoxinas o sus metabolitos pueden ser causa o
contribuir a la enfermedad de Parkinson, como la 1-metil-4-fenil1,2,3,6-tetrahidropiridina (MPTP) y su metabolito MMP+, inhibidores de la CTE, fármacos utilizados como inductores de dicha
enfermedad en modelos farmacológicos para el estudio de los
mecanismos celulares que tienen lugar en dichas enfermedades
degenerativas. MPP+ en cultivos neuronales es capaz de inducir la
liberación de Cit c y la disminución de la viabilidad celular [73].
La pérdida del ∆ϕm, consecuencia de la formación y apertura
del PPTM, se ha descrito tanto en células provenientes de individuos que padecen corea de Huntington o enfermedad de Alzheimer [74,75], como en modelos experimentales de estas dos enfermedades (tratamiento de cultivos neuronales con 3-nitropropiónico [76] o fragmentos de péptidos β-amiloideos [44]).
El PPTM desempeña también un papel importante en los procesos de muerte celular inducidos por la activación de receptores
localizados en la membrana celular, entre los que se encuentra la
familia de Fas (FasR). La activación de dichos receptores implica
la activación de la cascada de las caspasas, donde la mitocondria
funciona como un amplificador de la señal [77]. La activación de
FasR se produce por la trimerización del receptor, que recluta tanto
la molécula adaptadora FADD (del inglés, Fas associated death
domain), como la procaspasa- 8, que se activa y forma un complejo
multimérico conocido como DISC (en inglés, death-inducing signal complex). La caspasa-8, así formada, puede a su vez hidrolizar
Bid, que induce la liberación de Cit c desde la mitocondria.
El bloqueo de la formación del PPTM protege los cultivos
celulares frente a estímulos apoptóticos. Como hemos comentado anteriormente, en los procesos isquémicos ocurre una excesiva activación de los receptores de glutamato, que conduce a un
aumento en [Ca2+]c, provocando su acumulación en la mitocondria y, con ello, la apertura del PPTM. En cultivos celulares donde
se previene dicha acumulación mediante el uso de fármacos capaces de disipar el potencial eléctrico, como es el caso del protonóforo FCCP, se previenen los procesos de muerte celular, lo que
indica que la formación del PPTM resulta crucial para la activación de la cascada de señalización que conduce a la muerte celular; ello deja en un segundo lugar los niveles de calcio citoplasmático [78].
El bloqueo de la producción de ERO mediante el uso de
fármacos con actividad catalasa o superóxido dismutasa se ha
mostrado eficaz para prevenir la formación del PPTM no sólo
en mitocondrias aisladas, sino también en cultivos celulares.
Así, EU-134, un fármaco con actividad superóxido dismutasa,
bloquea procesos de muerte neuronal en diferentes modelos,
entre los que destacan los inducidos por la exposición a NMDA
o por el tratamiento con el fármaco inhibidor de la proteína
cinasa c, estaurosporina, que se ha utilizado ampliamente como
fármaco inductor de procesos apoptóticos en numerosos modelos celulares [79,80].
Por último, fármacos bloqueadores de la apertura del PPTM,
como la CsA y el ácido bongkrékico, presentan también efectos
neuroprotectores. Aunque la CsA tiene otras muchas acciones,
parece que su capacidad de unirse a CyP-D es la responsable de
los efectos citoprotectores, ya que otras inmunofilinas, como la
FK506, que no resultan capaces de unirse a CyP-D, no los presentan. Así, la CsA previene las disminuciones en viabilidad celular
descritas en modelos neurotóxicos, como aquellos que remedan
la corea de Huntington [21,74,75,81-83], o en las zonas del hipocampo afectadas tras procesos isquémicos [84]. El ácido bongkrékico, con capacidad de unirse al ANT, impide la interacción
del translocador con Bax, inhibiendo la liberación de la caspasa9 desde mitocondrias del cerebro. Dicho fármaco ofrece neuroprotección frente a los procesos de isquemia en el cerebro y resulta también eficaz para prevenir la muerte celular inducida por la
exposición a NMDA de cultivos cerebrocorticales, a la vez que
previene la caída en el ∆ϕm y promueve la recuperación de los
niveles de ATP [65].
CONCLUSIONES
A lo largo de esta revisión hemos considerado la mitocondria
como organela clave en los procesos de muerte celular y, dentro
de ella, el PPTM como regulador de dichos procesos. El hecho de
que la formación y apertura del PPTM sea un proceso controlado
por una gran variedad de estímulos lo convierten en una diana
farmacológica ideal que podría implicarse en ciertos procesos neurodegenerativos, entre los que destacan las enfermedades de Alzheimer y de Parkinson, la esclerosis lateral amiotrófica y algunas
encefalopatías espongiformes transmisibles, donde también se han
descrito alteraciones mitocondriales.
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PAPEL DEL PORO DE PERMEABILIDAD TRANSITORIA
MITOCONDRIAL EN LOS PROCESOS NEURODEGENERATIVOS
Resumen. Objetivo. Revisar el papel que desempeña el poro de
permeabilidad transitoria mitocondrial (PPTM) en diversos procesos fisiológicos y patológicos. Desarrollo. Alteraciones mitocondriales, tanto genéticas como funcionales, pueden conducir a errores que desencadenan programas de muerte celular, responsables
a su vez de numerosas enfermedades del sistema nervioso. Durante
los últimos años, la mitocondria se ha considerado el nexo de unión
entre diferentes vías de señalización implicadas en algunos procesos degenerativos. La mitocondria parece ocupar un lugar destacado en la toma de decisión celular que conlleva, irreversiblemente,
hacia la fase de ejecución en los procesos de muerte celular. Esta
acción estaría mediada por la regulación de la permeabilidad de
sus membranas, a través de la formación del poro de permeabilidad
transitoria mitocondrial, e implicaría fenómenos como la disipación del potencial electroquímico mitocondrial y la liberación de
sustancias desde su interior, entre las que se incluyen el factor
inductor de apoptosis (AIF), apaf-1, el citocromo c y miembros de
la familia de proteasas, las caspasas. Dichas alteraciones se han
descrito en patologías neurodegenerativas como la enfermedad de
Alzheimer, la de Parkinson, la esclerosis lateral amiotrófica y encefalopatías espongiformes transmisibles. Conclusiones. El diseño
de fármacos que pudieran interferir con las funciones del PPTM
permitiría un mejor abordaje terapéutico en patologías neurológicas.
[REV NEUROL 2002; 35: 354-61]
Palabras clave. Apoptosis. Bcl-2. Calcio. Caspasa. Citocromo c. Especies reactivas del oxígeno.
PAPEL DO PORO DE PERMEABILIDADE TRANSITÓRIA
MITOCONDRIAL NOS PROCESSOS NEURODEGENERATITIVOS
Resumo. Objectivo. Rever o papel que desempenha o poro de
permeabilidade transitória mitocondrial (PPTM) em diversos processos fisiológicos e patológicos. Desenvolvimento. Alterações
mitocondriais, quer genética, quer funcionais, podem levar a erros que desencadeiam programas de morte celular, responsáveis
por sua vez, por numerosas doenças do sistema nervoso. Durante
os últimos anos, o mitocôndrio foi considerado o elo de união
entre diferentes vias de sinalização envolvidas em alguns processos degenerativos. A mitocôndria parece ocupar um lugar de
destaque na decisão celular que leva, irreversivelmente, à fase de
execução dos processos de morte celular. Esta acção estaria
mediada pela regulação da permeabilidade das suas membranas,
através da formação do poro de permeabilidade transitória mitocondrial, e envolveria fenómenos como a dissipação do potencial
electroquímico mitocondrial e a libertação de substâncias do seu
interior, entre as quais estão o factor indutor de apoptose (AIF),
apaf-1, o citocromo c e membros da família das proteases, as
caspases. Estas alterações foram descritas em patologias neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, a de Parkinson, a
esclerose lateral amiotrófica e encefalopatias espongiformes transmissíveis. Conclusões. O desenho de fármacos que puderam interferir com as funções do PPTM permitiram uma melhor abordagem terapêutica em patologias neurológicas. [REV NEUROL 2002;
35: 354-61]
Palavras chave. Apoptose. Bcl-2. Cálcio. Caspase. Citocromo c. Espécies reactivas ao oxigeno.
REV NEUROL 2002; 35 (4): 354-361
361