martes, 29 de noviembre de 2016

12 LA MITOCONDRIA

Muchos detalles de la mitocondria no concuerdan con la imagen de un organelo dependiente de la célula eucariota y formada a partir de su membrana celular. Estos detalles conllevaron a sospechas que de algún modo estaban tratando con un organelo especial. De hecho, todo lo que diferencia la mitocondria de ser un organelo de la célula eucariota, la asemejaba a una célula procariota casi que independiente.

Para empezar, la mitocondria posee ADN propio, lo que la hace un organelo que operativamente puede funcionar de manera independiente a la célula eucariota que la contiene. Más aun, este ADN no se encuentra empaquetado en fibras de cromatina como ocurre en el núcleo, todo lo contrario se encuentra empacado en un único cromosoma circular, lo cual nos recuerda al cromosoma circular de los procariotas.

En términos de secuencia genética se ha encontrado que los genes del cromosoma circular mitocondrial están más relacionados a los de las alfa-proteobacterias que a cualquier otro ser vivo. Más aun, los ribosomas sintetizados por la propia mitocondria son muy similares en términos de tamaño a los de las bacterias (70s) en contraste con los más pesados ribosomas del núcleo eucarionte (80s) (Gabaldón, 2012; Gray & Archibald, 2012; Gray, 2012; Pallen, 2011).

Por otro lado esta que la mitocondria es un organelo polimembranario, es decir que se encuentra definido por dos membranas, una interna y otra externa. Mientras que la membrana externa está constituida por fosfolípidos típicos de una célula eucariota la membrana interna posee fosfolípidos muy semejantes a los de un procariote bacteriano (Gabaldón, 2012; Gray & Archibald, 2012; Gray, 2012; Pallen, 2011).

Las mitocondrias son organelos muy independientes, y se reproducen de manera independiente al ciclo celular, además su tamaño es semejante al de un procariota. Todos estos detalles conllevan a inferir que la mitocondria es un organelo que se originó como una bacteria, más específicamente de un tipo de proteobacteria de tipo alfa muy cercanamente relacionada con las rickettsias y los anaplasmas.

En el modelo anterior podemos apreciar como muchas bacterias son endosimbiotes de células eucariotes, aunque en el caso de los anaplasmas, las salmonellas, o Ehrlichias entre muchas otras el tipo de simbiosis es de corte parasítico. Más interesante aun, estas bacterias cercanamente relacionadas con las mitocondrias son parásitos, y mucho más importante son endoparásitos, es decir son bacterias que para completar su ciclo de vida deben ingresar al interior de la célula donde realizan sus ciclos de nutrición, y adicionalmente son bacterias aeróbicas (Gabaldón, 2012; Gray & Archibald, 2012; Gray, 2012; Pallen, 2011).

Estas bacterias ingresan a la célula eucariota a través de un endosoma, una proyección de la membrana de la célula eucariota que rodea a la bacteria, cuando se genera completamente el endosoma se forma una estructura de dos membranas, la externa que hacia parte de la membrana de la célula eucariota y la interna que es la membrana de la bacteria (Gabaldón, 2012; Gray & Archibald, 2012; Gray, 2012; Pallen, 2011).

En base a esto tenemos la teoría endosimbiótica. En este sentido se dice que al igual que otras alfaproteobacterias, los ancestros de las mitocondrias serían endoparásitos que poseían sistemas patológicos que evitaban la muerte de su anfitrión, más aun, con el tiempo esta simbiosis parasítica pasaría a ser una comensalista, hasta que finalmente se fijaron en una relación mutualista en la que el endoparásito proporcionaba energía a través de la respiración aeróbica, mientras que el anfitrión paso a resguardar a su anterior enemigo (Gabaldón, 2012; Gray & Archibald, 2012; Gray, 2012; Pallen, 2011).

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.1 Estructura de la mitocondria

La mitocondria es un organelo endosimbiote que evolución a partir de bacterias, por esta razón, el tamaño de las mitocondrias es similar al de una bacteria, pueden ser vistas con el microscopio óptico, pero carentes de detalles. Dependiendo del tipo de célula, la mitocondria puede tener diferentes tamaños y formas. En una punta del espectro las mitocondrias pueden aparecer como organelos individuales con forma de frijol con un tamaño entre 1 y 4 micrómetros. En la otra punta del espectro, las mitocondrias pueden asemejar un sistema de membranas tubulares e interconectadas entre sí.

Observaciones usando microscopia de fluorescencia han demostrado que lejos de ser un organelo rígido, las mitocondrias comparten muchas de las propiedades del sistema de membranas internas, siendo capaces de cambios dinámicos de forma y tamaño. Las mitocondrias pueden fusionarse entre sí, y dividirse, así mismo poseen un metabolismo independiente del de la célula, lo que permite que esta crezca, se alimente y de reproduce de manera relativamente independiente al ciclo celular.



La forma de la mitocondria es altamente variable aun al interior de una misma célula. El balance en la fusión y fisión mitocondrial está estrictamente regulado por ciertos genes, que si no ejercen bien su labor pueden conllevar a serias enfermedades del metabolismo, así como desórdenes neurológicos.

Naturaleza dinámica de la mitocondria, este es el resultado de una microscopia de fluorescencia que marca específicamente las mitocondrias de un fibroblasto de un ratón. En las primeras tres tomas varias mitocondrias se fusionan asemejándose a un sistema de membrana interna como un retículo endoplasmático. En las otras tres tomas esta gran mitocondria larga se divide en otras más pequeñas con una forma más próxima a la cual se la representa generalmente.

Las mitocondrias ocupan entre el 15  y el 20 por ciento del volumen celular promedio de las células hepáticas de los mamíferos, las cuales pueden llegar a contener más de 1000 proteínas diferentes.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.1.1 Membranas mitocondriales

La mitocondria está constituida por dos series de membranas, una de ellas es relativamente lisa y le da la forma externa al organelo, esta membrana es denominada como la membrana externa. La segunda membrana forma una serie de pliegues internos y se denomina membrana interna de la mitocondria.

La mitocondria es un organelo definido por dos membranas, una externa y otra interna, pero a pesar de su contigüidad  las propiedades de las dos membranas difieren de manera radical. Si realizamos un análisis evolutivo podemos inferir que la membrana interna de la mitocondria se deriva de la original membrana del procariota que inicio la simbiosis permanente con la célula eucariota, mientras que la membrana externa deriva del fagosoma original de la célula eucariota. Esta lectura explica varias propiedades de las membranas externa e interna que ya hemos delineado en artículos anteriores. Por ejemplo, dado que la membrana externa se originó a partir de un fagosoma, posee todas las capacidades asociadas a las membranas internas, es decir la capacidad de fusionarse y dividirse de un cuerpo de membranas más grande, sin embargo también explica porque esta membrana es prácticamente irrelevante en términos de producción de energía.

La energía la produce el endosimbiote con su membrana que es la membrana interna, mientras que el eucariote jamás ha poseído la capacidad de crear energía celular con sus membranas “la membrana externa”. Es por esto que para términos del estudio del metablismo es la membrana interna de la mitocondria la que adquiere todas las atenciones.

En el modelo anterior podemos apreciar  los complejos de proteínas de la membrana externa "outer membrane" y la membrana interna "inner membrane", en verde se señalan las proteinas encargadas de la fase final de la respiración celular aeróbica ubicadas en un pliegue de la membrana interna llamada cresta "cristae membrane". 

La energía la produce el endosimbiote con su membrana que es la membrana interna, mientras que el eucariote jamás ha poseído la capacidad de crear energía celular con sus membranas “la membrana externa”. Es por esto que para términos del estudio del metablismo es la membrana interna de la mitocondria la que adquiere todas las atenciones.

Por otro lado, cuando analizamos a los procariotes vemos que la inmensa mayoría “pero no todos” se caracterizan por carecer de sistemas de membranas internas, por lo que prácticamente la mayoría de sus reacciones químicas de catálisis involucran sus membranas celulares. Dado que la membrana interna de la mitocondria es de origen procariote es de esperar que sea en este lugar donde todas las reacciones de importancia metabólica se den a cabo y no en la externa a pesar de su marcada contigüidad espacial

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.1.1.1 Estructura

Como se mencionó en el artículo anterior, se pueden identificar inicialmente dos zonas membranas, la membrana externa y la membrana interna. Sin embargo, la membrana interna de la mitocondria encierra otro detalle de importancia.


El modelo anterior representa todas las estructuras de la mitocondria menos las crestas. Se tienen una membrana externa, una región intermembranal, la membrana interna con proteínas estructurales y la matriz mitocondrial.

La membrana interna de la mitocondria se encuentra subdividida en dos regiones características, la primera se denomina límite externo de la membrana interna mitocondrial, que es la parte de la membrana que le da forma al organelo en su región interna, esta zona es particularmente rica en proteínas de transporte.

En la microfotografía anterior podemos apreciar las crestas, que son la estructura que más resalta de la mitocondria, y son pliegues muy unidos de la membrana interna, allí se encuentran las proteínas de la respiración celular aeróbica conocidas como citocromos.

La segunda región se puede denominar como región interna de la membrana interna mitocondrial, pero este nombre tan rimbombante posee un sinónimo de uso más frecuente y es el de cresta. Las crestas de la mitocondrias son pliegues de la membrana, las dos zonas de la membrana que forman el doblez lo hacen de una forma muy intima, lo cual hace que los canales que deberían formarse cuando se ve a la membrana interna desde la zona intermembranal casi no se note durante las microfotografías.

El modelo anterior es una reconstrucción computarizada basada en microfotografias de microscopio electrónico, la membrana externa se resalta en azul y la interna de verde diferenciándola de los pliegues o crestas que están en amarillo, resalta el hecho de que los pliegues de la membrana interna están tan juntos que parecen como si fueran una membrana.

La función de la mitocondria como transformadores de energía está altamente relacionada con las proteínas insertadas en las membranas de las crestas mitocondriales. Las crestas representan una gran porción de la superficie membranal de la mitocondria, la cual almacena las proteínas relacionadas con la respiración celular aeróbica. Las membranas de la mitocondria separan al organelo en dos regiones acuosas, la región que se encuentra encerrada por la membrana externa y la membrana interna es denominada espacio intermembranal, mientras que el espacio envuelto por la membrana interna y en la cual están dispuestas las crestas es denominado matriz mitocondrial.

Las evidencias expresadas en las figuras anteriores sugieren que la parte intermembranal de las crestas es más un tubo muy delgado que un valle amplio como tradicionalmente se lo representa, inclusive, la zona en que la cresta vuelve a formar parte de la membrana interna formaría un "poro" llamado "unión de la cresta". Estas secciones de la parte intermembranal que quedan en el interior de la cresta quedarían aisladas con su propia bioquímica, lo cual es muy importante para el desarrollo de la cadena de transporte de electrones.

La consistencia de la matriz es semejante a un gel, con altas concentraciones de proteínas solubles en agua, las cuales son mejor conocidas por sus roles en el suicidio celular.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.1.1.2 Propiedades

Las membranas interna y externa poseen propiedades muy diferentes, la causa de ello es que a pesar de que espacialmente están muy cerca, evolutivamente poseen orígenes radicalmente diferentes, como ya ha sido discutido en artículos anteriores. La membrana externa está compuesta por aproximadamente 50% de su peso por lípidos, conteniendo una curiosa mezcla de enzimas involucradas en la oxidación de la epinefrina, la degradación del triptófano y la elongación de los ácidos grasos.
  
En contraste, la membrana interna contiene más de 100 tipos diferentes de polipéptidos y tiene una altísima representación de proteínas con respecto a los lípidos de membrana, anclándose casi que una proteína por cada 15 fosfolípidos. La membrana interna está prácticamente despojada de colesterol, pero es rica en fosfolípidos inusuales como la cardiolipina (difosfatidilglicerol), las cuales son característicos de las membranas de los procariotes, detalle que refuerza aún más la teoría endosimbiotica. La cardiolipina juega un rol importante en facilitar la actividad de las proteínas involucradas en la síntesis de ATP.

La membrana externa de la mitocondria se caracteriza por proteínas de transporte a través de membrana poco selectivas denominadas porinas. Estos poros proteínicos cuando se abren permiten el ingreso al espacio intermembranal de moléculas como el ATP, el NAD y la Coenzima A, los cuales tiene roles importantes en la producción de energía en el interior de la mitocondria. En contraste la membrana interna de la mitocondria se caracteriza por la presencia de proteínas de transporte altamente selectivas y especializadas para ciertos tipos de moléculas de manera muy específica. La composición y organización de la membrana interna mitocondrial es la clave en las actividades bioenergéticas de la mitocondria.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.1.2 Matriz mitocondrial

La matriz mitocondrial se define como la región que se encuentra envuelta por la membrana interna mitocondrial y en la cual se encuentran las crestas mitocondriales. Adicionalmente a cierto conjunto de enzimas, la matriz mitocondrial también contiene ribosomas. Estos ribosomas no son transportados desde el núcleo o el retículo endoplasmatico rugoso, los ribosomas de la mitocondria son ensamblados en la misma mitocondria, los cuales poseen un tamaño considerablemente menor.

En la matriz también se encuentran varias moléculas de ADN que no están almacenadas como cromatina, sino en forma circular tal como ocurre en los procariotas. Por lo anterior podemos decir que la mitocondria posee su propia maquinaria genética, para la duplicación de ADN y para la expresión de productos génicos en forma de ribosomas o proteínas propias. El tamaño del ADN mitocondrial varia de especie en especie, en el caso de los humanos codifica para un pequeño número de polipéptidos mitocondriales clave “13 en los seres humanos” los cuales se encuentran íntimamente integrados en la membrana interna de la mitocondria junto con polipéptidos codificados por el núcleo.

El ADN de la mitocondria humana codifica 2 ARN ribosomales y 22 ARN de transferencia que son usados en la síntesis de proteínas en el interior de la célula. El ADN mitocondrial mtADN es una reliquia evolutiva, siendo este el legado  de una o unas pocas cepas de bacterias aeróbicas que comenzaron a vivir de manera endosimbiótica con la célula eucariótica. La mayoría de los genes de este antiguo simbionte fueron o perdidos o transferidos al núcleo de la célula anfitriona, dejando solo un puñado de genes que codifican las proteínas más hidrófobas, poco solubles y de difícil transporte.

Resulta un dato curioso la naturaleza del ARN polimerasa que sintetiza varios de los componentes mitocondriales, no se parece ni a la del núcleo de la célula eucariota, pero tampoco a la de las bacterias, de hecho se asemeja más a la de ciertos virus. Este detalle marca una pista importante, la evolución por endosimbiosis es un proceso altamente complejo que posiblemente requiere de otros agentes como los virus, los cuales son importantes en el sentido de que sirven como mecanismos de incremento de variabilidad, es decir son mutagénicos.

Por una gran variedad de razones, el ADN mitocondrial humano es bastante útil para estudiar los patrones de migración humana y su evolución. Varias compañías emplean el ADN mitocondrial para rastrear el linaje de sus clientes quienes desean conocer las raíces más antiguas más allá de fuentes históricas escritas, y más allá incluso del lenguaje escrito “y por mucho”

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.2 Funciones de la mitocondria

La función primordial de las mitocondrias es la producción de energía celular en forma del portador químico ATP. Sin embargo para la consecución de dicho objetivo, la mitocondria emplea mecanismos fisicoquímicos completamente diferentes a los empleados por la glucólisis. Especialmente en lo referente a la catálisis de la reacción, mientras que en la glucólisis el ATP se sintetiza mediante transferencia de grupos fosfato en solución acuosa desde las moléculas de tres carbonos; en la mitocondria el proceso es llevado a cabo de manera fija a la membrana, y la síntesis se realiza directamente en forma de ATP.

La producción de ATP por parte de la mitocondria se realiza en base a la molécula de piruvato oxidándola completamente a dióxido de carbono, por lo que una segunda función de la mitocondria es la producción de dióxido de carbono gaseoso. De esta manera la mitocondria ha sido denominada mediante analogías algo reduccionistas como la planta energética de la célula asemejándola a plantas productoras de energía que emplean quema de carbón como su principal fuente de energía.

Algunos seres vivos eucariotas carecen de mitocondrias como las células pertenecientes al género Trichomonas spp. estas células por lo general se encuentran restringidas a las fermentaciones.  En cierto sentido el hecho de que ambas emplean como combustible sustancias basadas en el carbono y que como productos emitan dióxido de carbono y energía lo hace una analogía valida, pero en otros no. La mitocondria al ser un descendiente de un procariote posee diversas capacidades metabólicas, y es más, para poder desarrollar sus actividades energéticas requiere de otras actividades que son llevadas a cabo o en su matriz interna o en su membrana interna. Por ejemplo, las mitocondrias siempre deben estar cerca de burbujas de ácidos grasos, los cuales constituyen uno de los materiales básicos para poder oxidar.

Las mitocondrias son el estandarte de la vida heterótrofa, ya que una mitocondria solo puede liberar la energía de compuestos basados en el carbono como el ácido pirúvico que ya han ingresado a la célula, pero no puede realizar una producción de energía, ni a nivel químico (quimiolitotrofia) ni a nivel de radiación electromagnética “luz” (fotoautotrofia). Sin embargo también están presentes en las plantas. Las plantas a pesar de ser más conocidas por poseer a los cloroplastos, otro de estos organelos endosimbióticos, también poseen mitocondrias. Es interesante indagar en los pensamientos previos de los estudiantes de bachiller y ver como estos de alguna manera conciben a las plantas como entidades cuyo único propósito es la producción de alimento “para otros” como si fueran una suerte de hermanas de la caridad de las cadenas tróficas. 

Las plantas y las cianobacterias producen grandes cantidades de alimento, pero ellas consumen parte de ese alimento para ellas mismas y la demás la dejan de reserva, es solo que la fotosíntesis es tan condenadamente eficiente que la producción de alimento sobrepasa por mucho las necesidades energéticas básicas de las plantas. De esta forma podemos decir que cualquier planta, o cualquier cianobacteria consumen el alimento que ellas mismas producen; y en el caso de las plantas este consumo de alimentos producidos por los cloroplastos se realiza intracelularmente por la mitocondria.

Como habíamos dicho anteriormente, mientras que en foco de interés del estudio de la mitocondria ha sido tradicionalmente el aspecto metabólico y energético, las mitocondrias también se encuentran involucradas en actividades no relacionadas con la energía celular. Por ejemplo, las mitocondrias sintetizan numerosas sustancias incluyendo aminoácidos, grupos heme “que contienen hierro al igual de los citocromos” entre otros. Las mitocondrias también están involucradas en el almacenamiento y liberación de iones de calcio, los cuales son cofactores esenciales para muchas proteínas. Por otra parte la mitocondria también se encuentra involucrada en los procesos de muerte celular, mutación somática y envejecimiento.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.2.1 Apoptosis

La apoptosis o muerte celular programada, es un fenómeno natural de las células, en las cuales se desencadenan una serie de eventos fijos que terminan con la muerte de la célula.  Por La muerte por apoptosis no tiene nada de accidental o de aleatorio que se caracteriza por un colapso del volumen de la célula y su núcleo sobre sí misma, la perdida de adhesión a las células vecinales, la formación de burbujas en la superficie celular, la disección de la cromatina y el rápido reciclado de los restos celulares por los macrófagos fagocitados.

Debido a que es un proceso seguro y ordenado, la apoptosis puede ser comparada con una implosión controlada de un edificio usando explosivos puestos de manera muy precisa para que los restos no afecten a las construcciones vecinales. ¿Por qué nuestro cuerpo posee células no deseadas? ¿Dónde encontramos células que sean blancos de esta eliminación controlada? La respuesta corta es en todas partes. Se ha estimado que E10-E1 células en el cuerpo humano mueren cada día solo por apoptosis.

Por ejemplo, la apoptosis está involucrada en la eliminación de células que han sufrido dañoso genéticos irreparables. Esto es importante porque los daños en la información genética pueden resultar en una replicación celular no regulada, y por lo tanto en el desarrollo de cáncer.

Durante el desarrollo embrionario, las neuronas crecen fuera del sistema nervioso central para inervar órganos que se encuentran en la periferia del cuerpo. Usualmente muchas más neuronas crecen fuera de los lugares donde son necesarias para una inervación normal. Las neuronas que llegan a su sitio blanco reciben la orden hormonal de seguir con vida. Las neuronas que fallan en encontrar el tejido a donde deben ir no reciben la señal de supervivencia, y son eliminadas finalmente por apoptosis.

Los linfocitos Y son células del sistema inmune que reconocen células anormales que han sido infectadas por patógenos intracelulares como los virus. Estas células se reconocen mediante un sistema de proteínas llamado sistema de histocompatibilidad tipo II, el cual señala sobre la superficie de la célula infectada que sucede algo anormal en su interior. Los linfocitos T a su vez poseen una serie de receptores específicos en sus membranas que encajan con estas señales de alarma. Una vez se ha identificado a la célula anormal mediante el reconocimiento, los linfocitos T estimulan la producción de proteínas que estimulan la muerte celular de la célula anormal y todo el tejido adyacente.

Durante el desarrollo embrionario, los linfocitos T son producidos con propiedades diversas, algunos pueden reconocer las células del propio cuerpo, lo cual  podría genera que el sistema inmune ataque los tejidos del mismo cuerpo desencadenando necrosis y la muerte. Estos linfocitos peligrosos son eliminados por medio de la apoptosis. Finalmente, la apoptosis parece estar involucrada en enfermedades neurodegenerativas graves como el Alzheimer, el Parkinson y la enfermedad de Hintington. La eliminación de neuronas esenciales por la progresión de la enfermedad genera perdida de la memoria y disminución de la coordinación muscular. Estos ejemplos muestran como la apoptosis es importante en el mantenimiento de la homeostasis en los organismos multicelulares y que la falla en la regulación de la apoptosis puede degenerar en serios daños para el organismo.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


12.2.1.1 Definición e historia

El termino apoptosis fue acuñado en 1972 por John Kerr, Andrew Wyllie y A. R. Currie de la universidad de Aberdeen en escocia, en un artículo paradigmático donde se describieron por vez primera los eventos coordinados de ocurren dentro de la muerte celular programada de una amplia gama de células.  Los primeros vistazos moleculares de la apoptosis fueron revelados mediante estudios en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans, cuyas células están numeradas y trazadas con absoluta precisión desde el cigoto y a través de todas las fases del desarrollo embrionario.

De las 1090 células producidas durante el desarrollo de este gusano 131 son normalmente eliminadas por medio de la apoptosis. En 1986 Robert Horvitz y sus colegas del Instituto de Tecnología de Massachisetts descubrieron gusanos con una mutación en el gen CED-3 que genera un desarrollo embrionario carente de apoptosis. Este descubrimiento sugiere que el producto del gen CED-3 juega un papel crucial en el proceso de apoptosis en este organismo. Una vez que un gen ha sido identificado en un modelo biológico, los investigadores buscan sus homólogos en otros organismos como los mamíferos y el ser humano.

En el modelo anterior podemos ver a la Caspasa-3 esta es la proteína dispensadora de muerte, pues ejecuta numerosos cortes en proteínas diferentes que desencadenan en el suicidio celular, este es un modelo basado en cristalografia. La identificación de CED-3 en los nemátodos conllevó al descubrimiento no a uno, sino a una familia de proteínas en los mamíferos que son actualmente denominadas caspasas. Las caspasas son un grupo de proteasas de cisteína que son activadas en un estado bastante temprano de la apoptosis y que son responsables por gatillar la mayoría, sino es que todos los cambios observados durante la muerte celular programada. Específicamente la caspasa que ejecuta los "cortes de muerte" es la caspasa-3 y su activación representa el punto de convergencia de las rutas de apoptosis.

Las caspasas logran este evento mediante el corte de un grupo de proteínas esenciales "cortes de muerte". Dentro de los blancos de la caspasa-3 se encuentran:

1.   Más de una docena de quinasas, incluyendo la quinasa de adhesión focal (FAK), PKB, PKC y raf1. La inactivación de por ejemplo FAK afectaría la adhesión  conllevando a la separación de la célula en apoptosis del resto de sus vecinos.

2.   Láminas, estas proteínas mantienen la cohesión de la membrana nuclear, el corte de estas proteínas conlleva al desensamble de la lámina y el colapso del núcleo.

3.   Proteínas del cito-esqueleto, el corte del andamiaje de la célula conlleva a un colapso generalizado de la forma de la célula.

4.   La caspasa activa a una endonucleasa de manera similar a como ocurre con las proteasas de serina, esta endonucleasa (CAD) corta el ADN en fragmentos de modo tal que sea irreparable.

Los estudios recientes se han enfocado en los eventos que conllevan a la activación del programa de suicidio celular. La apoptosis puede ser activada por estímulos internos como anormalidades en el ADN; o por estímulos externos, como ciertas citoquinas (proteínas segregadas por células del sistema inmune).

Por ejemplo, las células del epitelio de la próstata se vuelven apoptóticas cuando son privadas de la testosterona. Esta es la razón por la cual el cáncer de próstata que ha invadido a otros tejidos es generalmente atacado con drogas que intervienen con la producción de testosterona. Algunos estudios indican que los estímulos externos que activan a la apoptosis mediante una ruta de señalación llamada ruta extrínseca, la cual se distingue de los estímulos internos de la ruta intrínseca.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


12.2.1.2 Ruta extrínseca de la apoptosis

En este caso el estímulo apoptótico es transportado por un mensajero extracelular llamado factor de necrosis tumoral (TNF) el cual es célebre por su habilidad para inducir a las células de tumores cancerígenos a suicidarse en masa. El factor de necrosis tumoral es producido por ciertas células del sistema inmune en respuesta a diversas condiciones como la exposición a radiación ionizante, la elevación de la temperatura, infecciones virales, agentes químicos tóxicos tales como los que se emplean en la quimioterapia contra el cáncer.

Todo mensajero en los seres vivos requiere de una proteína integral de la membrana que funge como su receptor especifico, en este caso existe no una, sino toda una familia de proteínas llamada “receptores de muerte” llamada formalmente TNFR. La evidencia indica que los receptores de muerte TNFR están presentes en la membrana como un trímero pre-ensamblado. El dominio citoplasmático de cada subunidad de TNFR contiene un segmento de unos 70 aminoácidos llamados “dominio de muerte” que median en las interacciones entre proteínas.

Cuando el mensajero TNF se une al receptor TNFR se produce un cambio conformacional en los dominios de muerte en el citoplasma celular, el cual conlleva al reclutamiento de cierto tipo de proteínas llamadas FADD. Estas proteínas llamadas FADD reclutan una segunda serie de proteínas pro-caspasas debido a que son precursores inactivos de la caspasa. La caspasa funciona de manera muy similar a los factores de coagulación al ser una proteasa que se encuentra inactiva normalmente, y que para activarse debe ser cortada debido a la presencia de un segmento inhibidor en su región activa, pero se diferencia de las proteasas de serina en que a demás de un corte debe fucionarse con otra procaspasa. En resumen, el receptor con las FADD que son como dedos separa una parte de cada pro-caspasa y luego une lo que ceda para formar la caspasa-8.

Sin embargo, a diferencia de la gran mayoría de las pro-enzimas líticas, las pro-caspasas exhiben ciertos niveles proteolíticos remanentes. De hecho en ocasiones esta actividad remanente puede causar que dos caspasas puedan activarse una a otra generando reacciones en cadena no controladas. En cualquier caso, la enzima final madura llamada caspasa-8 contiene cuatro cadenas de polipéptidos, derivadas de dos precursores pro-caspasa. La activación de la caspasa-8 es similar a la activación de los efectores mediante la hormona de factor de crecimiento.

La caspasa-8 como se ha mencionado antes es una proteína lítica pero que activa a la procaspasa-3, el resultado es la caspasa-3 que corta en una diversa cantidad de proteínas celulares, pero que también causa la activación de otras pro-caspasas lo que la convierte en el “ejecutor de muerte” de la apoptosis.


El presente video representa ambas rutas, la extrinseca va desde 00:00 hasta  02:41. La ruta se activa por una célula del sistema inmune que tiene insertada en su membrana la proteína mensajera TNF, la cual se une a TNFR en 01:14, posterior a esto se reclutan FADD en 01:28 y luego se activa la pro-caspasa en 01:42; caspasa-8 activa la procaspasa-3 en 1:58 generando la cascada de activación.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


12.2.1.3 Ruta intrínseca de la apoptosis

Mediante estímulos internos como el daño genético irreparable, la falta de oxígeno, concentraciones extremadamente altas de ion calcio (II), infecciones virales, estrés oxidativo elevado (producción de grandes cantidades de especies químicas oxidantes) activan la apoptosis por medio de la ruta intrínseca. La activación de la ruta intrínseca es regulada por miembros de la familia de proteínas Bcl-2, la cual se caracteriza por la presencia de uno o más dominios BH, en general también se las conoce como reguladores de la apoptosis. Los miembros de la familia Bcl-2 pueden ser divididos en dos grupos:

1- Miembros pro-apoptóticos que estimulan la apoptosis como Bax y Bak.
2- Miembros anti-apoptóticos que protegen a la célula de la apoptosis como Bcl-xl; Bcl-w y Bcl-2.

En cualquier caso, la diversidad de proteínas es amplia, y en términos generales estas pueden ejercer su efecto de inducción de la apoptosis por medio de dos mecanismos, dependiendo de las proteínas particulares involucradas. En algunos casos aparentemente la apoptosis se promueve mediante la inhibición de los miembros anti-apoptóticos de la case Bcl-2, mientras que en otros casos aparentemente la apoptosis es promovida mediante la activación de los miembros apoptóticos de la clase Bcl-2.

En cualquiera de los casos, son las proteínas con dominios BH3 las que son determinantes en el destino de la célula. En una célula sana las proteínas de do minios BH3 están ausentes o fuertemente inhibidas, y los miembros anti-apoptóticos son capaces de regular a los miembros apoptóticos. El mecanismo exacto aún se encuentra bajo mucho debate, en cualquier caso lo que sucede es un rompimiento de este equilibrio, que induce a que las proteínas Bax y/o Bak cambien conformacionalmente haciéndose hidrófobas e insertándose en la membrana, una vez allí se polimerizan formando canales iónicos que permeabilizan la membrana externa de la mitocondria.

Una vez allí, la permeabilidad de la membrana mitocondrial a proteínas de esta se incrementa, liberándose grades cantidades como la citocromo c la cual reside en el espacio inter-membranal. La permeabilización de la membrana externa de la mitocondria es reforzada por el incremento en la concentración de iones calcio (II) en el citoplasma debido a su liberación masiva por el retículo endoplasmático. Casi todas las moléculas de citocromo c presente en todas las mitocondrias de la célula pueden ser liberadas de una célula en apoptosis en un periodo tan corto como cinco minutos. De hecho es casi como si fuera una toxina o factor de patogenicidad de un invasor, una vez que el citocromo c es liberado al citoplasma ya no existe vuelta atrás.

Una vez en el citoplasma la citocromo c forma un complejo multi-proteico bastante grande llamado apoptosoma, la cual también agrupa a otras proteínas como la procaspasa-9. La procaspasa-9 es activada por el proteosoma. La caspasa-9 es una caspasa de ejecución de muerte, lo cual indica que puede activar a otras caspasas y realizar también los cortes que causan la apoptosis.


El video de la sección anterior tambien representa la segunda ruta de la apoptosis, la ruta intrinseca está ilustrada desde el minuto 02:41 hasta el final. La formación del apoptosoma se da en 03:15 y la activación de la caspasa-9 en 03:24 y la activación de la caspasa-3 en 03:31. Ambas rutas convergen en 03:50.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)


12.2.2 La mitocondria y el envejecimiento

El envejecimiento se puede definir como a acumulación de cambios en el cuerpo o el funcionamiento de este durante el transcurso de su vida culminando con la incapacidad para seguir realizando sus funciones vitales básicas. La vejez siempre ha sido una característica asociada a la muerte, y aquellos que le temen a la muerte por mucho tiempo han buscado elixires que los mantengan con vida. De hecho mucha de la tradición de la alquimia en oriente y también en oxidante se ha basado en la búsqueda de elixires de vida eterna o de prolongación de la fuerza de la juventud. Se dice que el primer emperador de la dinastía Shin murió por envenenamiento de mercurio debido a que en esta época los alquimistas pensaban que era un prolongador de la vida.

Desde la perspectiva judeocristiana la vejez y la muerte son resultado de la caída en pecado de Adan y Eva al comer el fruto prohibido, sin embargo con la llegada de la ilustración y la ciencia moderna, las causas del envejecimiento han empezado a mirarse desde una perspectiva diferente. Actualmente se concibe a la vejez más como una enfermedad que como una consecuencia inamovible de la naturaleza biológica, pues por ejemplo algunos seres vivos nunca envejecen “ciertos tipos de medusa” o lo hacen a velocidades increíblemente lentas “árboles o tortugas”.

El envejecimiento por otra parte no avanza a una velocidad constante en todos los seres vivos, e incluso dentro de una misma especie o población existen individuos que envejecen a tasas más pronunciados que otros. Lo anterior ha conllevado a querer conocer las causas del envejecimiento desde una perspectiva científica. En la presente sección se examinará a fondo una de las principales hipótesis del envejecimiento, la del envejecimiento inducido por oxidación mitocondrial a parte de una serie de documentales que nos introducirán de manera más amena a todo este problema del envejecimiento.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

12.2.2.1 Análisis evolutivo del envejecimiento

Desde la perspectiva evolutiva el envejecimiento se explica debido a que la selección natural es diferencial dependiendo de la edad. La presión de selección es más alta en la edad reproductiva mínima, pero una vez que un individuo se ha reproducido la primera vez puede ser desechable. Más aún, si existen variaciones de fenotipo que incrementan el éxito reproductivo durante la juventud estas serán seleccionados de manera positiva, aun cuando en edades posteriores puedan causar enfermedades o la muerte. Más aun, muchas son las especies que solo se reproducen una vez y después se muere por agotamiento. A este fenómeno se lo conoce como pleitropia antagonista. En el ser humano se han identificado varios genes relacionados con pleitropia antagonista como p53 y BRCA1 (Kang et al., 2009; Smith, Hanson, Mineau, & Buys, 2012)


12.2.2.2 Papel de la mitocondria en el envejecimiento

El envejecimiento es un fenómeno multifuncional  que se caracteriza por un declinar de las funciones fisiológicas dependiente del tiempo (Mandavilli, Santos, & Van Houten, 2002). Este declinar se encuentra asociado con la acumulación de defectos en las rutas metabólicas. Hace cerca de 50 años fue propuesta la hipótesis de los radicales libres (Harman, 2002), la cual con los años ha crecido para agrupar también a otras especies químicas reactivas  como el peróxido de hidrogeno, o los iones superóxido.

En 1972 se identificó que la mitocondria era de manera simultánea el mayor productor de Especies de Oxigeno Reactivo (EOR) y el mayor blanco de sus efectos dañinos (Harman, 1972). Este desarrollo ha identificado a la mitocondria como un reloj biológico, pero debido a que la mitocondria tiene una composición bioquímica compleja ha surgido la pregunta sobre la naturaleza molecular de este reloj biológico. Las proteínas, el ARN y otras macromoléculas con vidas medias relativamente pobres son candidatos poco probables para la acumulación progresiva a través del lapso vital, por esta razón los estudios iniciales sobre los mecanismos del envejecimiento se enfocaron en el ADN (Price, Modak, & Makinodan, 1971; Wheeler & Lett, 1974).

En las células de los mamíferos, las mitocondrias son los únicos organelos además del núcleo en poseer su propio genoma “ADN proteínas asociadas, ARN y ribosomas” lo cual llevó a Miquel (Miquel, Economos, Fleming, & Johnson, 1980) a postular que el envejecimiento es causado por la acumulación de daño al ADN mitocondrial “mtADN”. Varias líneas de evidencia implican al mtADN en la longevidad. Por ejemplo la enfermedad coronaria estudiada por Framingham y relacionada a la vejez encontró que la longevidad estaba más relacionada a la longevidad maternal que a la paternal, sugiriendo que la carga de longevidad se hereda por vía matrilineal al igual que las mitocondrias en el citoplasma (Brand, Kiely, Kannel, & Myers, 1992).

Adicionalmente, ciertos polimorfismos de mtADN han sido asociados a la longevidad, por ejemplo, cierto grupo de personas italianas que sobrepasan los 100 años tienen un determinado grupo de marcadores genéticos en su mtADN llamado halogrupo J (De Benedictis et al., 1999), mientras que otros centenarios franceses poseen  un incremento de la incidencia del halogrupo G (Ivanova, Lepage, Charron, & Schächter, 1998). En el caso japonés, la alta longevidad ha sido asociada a los halogrupos D4a, D4b2b y D5 (Alexe et al., 2007; Neubert, Hopfenmüller, & Fuchs, 1981).

Sin embargo un estudio en irán sobre poblaciones centenarias falló en identificar un único o únicos marcadores específicos en el mtADN lo que sugiere que existen otros factores adicionales al polimorfismo del mtADN que son importantes en el proceso de envejecimiento. Finalmente, Castri y colaboradores encontraron que ciertas variantes del mtADN pueden ser vinculadas tanto a una longevidad recortada como a una amplificada, y que de hecho, el periodo de tiempo en el cual la persona nace tiene un impacto mucho mayor en la longevidad que sus marcadores genéticos (Castri et al., 2008; Ross et al., 2001).

Ciertas toxinas medioambientales pueden facilitar la acumulación de mutaciones en el mtADN. La mitocondria acumula grandes cantidades de carcinógenos lipófilos tales como hidrocarburos aromáticos policicliocos (Allen & Coombs, 1980; Wunderlich, Schütt, Böttger, & Graffi, 1970). Cuando las células son expuestas a algunos de estos compuestos el mtADN es dañado de manera preferencial. Otros químicos mutagenicos han mostrado poseer un efecto preferencial sobre el mtADN (Allen & Coombs, 1980; Miyaki, Yatagai, & Ono, 1977; Rossi, Gorman, & Wetterhahn, 1988; Wunderlich et al., 1970). Por lo anterior es concebible que exposiciones prolongadas durante el tiempo a dichas sustancias puede causar en un incremento en la tasa de acumulación de mutaciones mitocondriales, conllevando a un envejecimiento prematuro.

Sin embargo, el envejecimiento puede ocurrir en ausencia de una exposición detectable a toxinas del medioambiente, lo cual sugiere que el rol de las toxinas en el envejecimiento natural es limitado. Actualmente, después de décadas de estudio no existe una definición universal del proceso de envejecimiento inducido por la mitocondria. A pesar de que aún no se ha encontrado la definición molecular, muchos de los estudios sobre el envejecimiento relacionado a la mitocondria concuerdan en los siguientes factores (Chistiakov, Sobenin, Revin, Orekhov, & Bobryshev, 2014; Sebastián, Acín-Pérez, & Morino, 2016).

La mitocondria es la mayor fuente de especies químicas oxidantes en la célula.  Las especies químicas oxidantes son la mayor fuente de daño en el material genético de la célula, en especial al ADN mitocondrial debido a su contigüidad espacial. El daño oxidativo en el mtADN conlleva a mutaciones que conllevan a defectos en los componentes de la cadena de transporte de electrones. Los componentes de la cadena de transporte de electrones mutados incrementan la producción de especies químicas oxidantes conllevando a un ciclo vicioso y exponencial.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

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