06 MITOCOND-RESP LEC PEA-96 - SILADIN Oriente

LA MITOCONDRIA.
CONDRIOSOMA n. m. Orgánulo en forma de grano pequeño, bastoncillo o filamento, presente en
el citoplasma de toda célula animal o vegetal. SIN Mitocondria.
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.
Mitocondria (del gr. mitos, hilo, y jondros, cartílago) s. f. Pequeño órgano presente en el
citoplasma de las células eucarióticas. De forma esférica o alargada, está constituido por una
doble membrana, la externa lisa y la interna plegada (crestas mitocondriales), y un medio interno
acuoso conocido como matriz mitocondrial. En la mitocondria se desarrolla el proceso denominado
respiración celular, que consiste en la transformación, mediante oxidación, de moléculas orgánicas
en inorgánicas con el fin de producir energía.
La conversión de ácido pirúvico en acetil CoA, que ocurre dentro de la mitocondria, produce dos
moléculas de NADH por cada molécula de glucosa y rinde, de esta forma, seis moléculas de ATP.
El ciclo de Krebs, que también se desarrolla dentro de la mitocondria, produce dos moléculas de
ATP, seis de NADH y dos de FADH2, o un total de 24 moléculas de ATP por cada molécula de
glucosa. La producción total a partir de una molécula de glucosa es un máximo de 38 moléculas
de ATP.
El cambio de energía libre (G) que ocurre durante la glucólisis y la respiración es -686
kilocalorías por mol. Aproximadamente 266 kilocalorías por mol (7 kilocalorías por cada uno de los
38 moles de ATP) han sido capturadas en los enlaces fosfatos de las moléculas de ATP, que
equivale a una eficiencia de casi un 40 por ciento. Las moléculas de ATP, una vez formadas, son
exportadas a través de la membrana de la mitocondria por un sistema de cotransporte que al
mismo tiempo ingresa una molécula de ADP por cada ATP exportado.
La mayoría de los animales y de las plantas son aerobios; oxidan completamente los combustibles
del organismo para desprender dióxido de carbono y agua en un proceso que se denomina
respiración. Los organismos que no utilizan oxígeno para la respiración son denominados
anaerobios, existiendo otros, como las levaduras, que se comportan como aerobios facultativos,
pues pueden utilizar uno u otro sistema de respiración.
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La aerobiosis es independiente del carácter autótrofo o heterótrofo de los organismos.
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 mi laboratorio de la Universidad de Emory, descubrimos, 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
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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 sí 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 sintetasa) 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
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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, viese 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. Octubre, 1997. Barcelona. Prensa Científica.
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 eucariótica
ancestral.
ESTRUCTURA DE LAS MITOCONDRIAS.
La mitocondria, que tiene una longitud comprendida entre 0,5 y 1 micrómetro, está envuelta en
una membrana doble. La membrana exterior lisa está separada de la interior por una película
líquida. La membrana interior, replegada en unas estructuras llamadas crestas, rodea una matriz
líquida que contiene gran cantidad de enzimas o catalizadores biológicos. Dentro de esta matriz
líquida hay ácido desoxirribonucleico mitocondrial (ADNm), que contiene información sobre
síntesis directa de proteínas.
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FUNCIÓN MITOCONDRIAL.
La principal función de las mitocondrias es generar energía para mantener la actividad celular
mediante procesos de respiración aerobia. Los nutrientes se escinden en el citoplasma celular
para formar ácido pirúvico que penetra en la mitocondria. En una serie de reacciones, parte de las
cuales siguen el llamado ciclo de Krebs o del ácido cítrico, el ácido pirúvico reacciona con agua
para producir dióxido de carbono y diez átomos de hidrógeno. Estos átomos de hidrógeno se
transportan hasta las crestas de la membrana interior a lo largo de una cadena de moléculas
especiales llamadas coenzimas. Una vez allí, las coenzimas donan los hidrógenos a una serie de
proteínas enlazadas a la membrana que forman lo que se llama una cadena de transporte de
electrones.
La cadena de transporte de electrones separa los electrones y los protones de cada uno de los
diez átomos de hidrógeno. Los diez electrones se envían a lo largo de la cadena y acaban por
combinarse con oxígeno y los protones para formar agua.
La energía se libera a medida que los electrones pasan desde las coenzimas a los átomos de
oxígeno y se almacena en compuestos de la cadena de transporte de electrones. A medida que
éstos pasan de uno a otro, los componentes de la cadena bombean aleatoriamente protones
desde la matriz hacia el espacio comprendido entre las membranas interna y externa. Los
protones sólo pueden volver a la matriz por una vía compleja de proteínas integradas en la
membrana interior. Este complejo de proteínas de membrana permite a los protones volver a la
matriz sólo si se añade un grupo fosfato al compuesto difosfato de adenosina (ADP) para formar
ATP en un proceso llamado fosforilación.
El ATP se libera en el citoplasma de la célula, que lo utiliza prácticamente en todas las reacciones
que necesitan energía. Se convierte en ADP, que la célula devuelve a la mitocondria para volver a
fosforilarlo.
INVESTIGACIÓN RECIENTE SOBRE LAS MITOCONDRIAS.
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
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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 ADNm 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 ADNm. 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 ADNm 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 ADNm 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 ADNm. 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 ADNm 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 ADNm, entre ellas algunas patologías neuromusculares y ciertas formas
de diabetes mellitus.
Respiración, proceso fisiológico por el cual los organismos vivos toman oxígeno del medio
circundante y desprenden dióxido de carbono. El término respiración se utiliza también para el
proceso de liberación de energía por parte de las células, procedente de la combustión de
moléculas como los hidratos de carbono y las grasas. El dióxido de carbono y el agua son los
productos que rinde este proceso, llamado respiración celular, para distinguirlo del proceso
fisiológico global de la respiración. La respiración celular es similar en la mayoría de los
organismos, desde los unicelulares, como la ameba y el paramecio, hasta los organismos
superiores. Para más información sobre la respiración en plantas.
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