Última actualizacón: 13 marzo 2018 a las 22:33
Cuando hablamos de nuestros genes ―del genoma humano― nos referimos a los genes que se hallan en el núcleo de cada una de nuestras células, que forman los cromosomas y que nos hacen ser lo que somos. Sin embargo, existe un ADN distinto ―un ADN extranuclear― que se haya en el interior de unos orgánulos fundamentales para nuestro organismo: las mitocondrias.
Habitualmente se emplea un símil bastante sencillo para describir la función de las mitocondrias: se trata de las centrales energéticas de la célula, las encargadas de generar la energía necesaria, gracias principalmente al oxígeno que respiramos, para que la célula pueda llevar a cabo sus funciones fisiológicas. Sin embargo, su importancia va más allá. Por ejemplo, los paleoantropólogos y genetistas emplean el ADN mitocondrial para determinar el parentesco evolutivo de diferentes especies.
Una breve descripción
Encontramos las mitocondrias tanto en células animales como vegetales. La mayor parte de los textos sobre bioquímica y biología molecular destacan sus tres características principales: se trata de pequeños orgánulos esféricos o alargados, que están presentes en el citoplasma de las células rodeados por una doble membrana con un espacio interno entre ellas.
Por término medio, una mitocondria tiene una longitud que varía de 1 a 10 micras, y un grosor de 0,5 micras (lo que supone un tamaño parecido al de la bacteria Escherichia coli). La membrana externa es permeable al paso de iones, metabolitos y polipéptidos contenidos en el citosol, mientras que, por el contrario, la membrana interna es muy impermeable al paso de estas moléculas salvo que existan unos transportadores específicos. Esta membrana se encuentra plegada formando una serie de crestas: cuanta mayor sea la necesidad de energía de un tejido, más crestas presentará al suponer un aumento de su área superficial y, con ello, la capacidad de producir energía.
Principales funciones
La digestión de los alimentos que consumimos diariamente no es más que su degradación en unidades más pequeñas, permitiendo de esta forma su utilización en los distintos procesos biológicos. Esta descomposición es necesaria porque las macromoléculas no pueden acceder al interior de las células a menos que sean reducidas a sus elementos constituyentes, labor en la que intervienen determinadas enzimas. Una vez degradados, estos productos son absorbidos por las células mediante proteínas específicas de transporte. Con esta breve explicación ―muy esquemática― podemos comprender por tanto el significado del término metabolismo: constituye la red integrada de reacciones bioquímicas que mantienen la vida de un organismo. Un concepto algo genérico ¿verdad? Ahondemos un poco más.
En el metabolismo convergen dos mecanismos diferentes, el catabolismo y el anabolismo. El primero consiste en la destrucción de moléculas complejas en sus constituyentes más simples y la obtención y almacenamiento de la energía liberada. La otra cara de la moneda es el anabolismo: el proceso de construir moléculas complejas a partir de otras más sencillas. El anabolismo es el encargado de generar los componentes celulares y los tejidos y, por tanto, el responsable del crecimiento de nuestro organismo.
Bien. ¿Y dónde intervienen las mitocondrias? Las mitocondrias constituyen el principal lugar de generación de energía de la célula a través del catabolismo mediante la oxidación de los alimentos. La energía se obtiene en forma de ATP ―trifosfato de adenosina (o adenosín trifosfato, del inglés Adenosine TriPhosphate). Para obtener energía en forma de ATP, nuestras células emplean varios caminos distintos llamados rutas metabólicas. Vamos a exponer de forma breve y esquemática (que no se enfaden los bioquímicos) el metabolismo de la glucosa ―su degradación para el aprovechamiento de su energía― que puede dividirse en tres fases:
- Glucólisis. Conlleva la lisis o escisión de la molécula de glucosa en dos fragmentos de tres carbonos (C3) en forma de ácido pirúvico, acompañada de la reducción de un transportador de electrones. Esta fase tiene lugar en el citoplasma de las células en ausencia de oxígeno. El rendimiento energético final serán dos moléculas de ATP consumidas por cuatro sintetizadas, por lo que se obtiene como resultado neto dos moléculas de ATP.
- El ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA), en el que los átomos de carbono dos y tres del piruvato son transformados en CO2. El ciclo se lleva a cabo en el interior de las mitocondrias y su balance energético es la producción de dos moléculas de GTP, con enlaces ricos en energía. Además se obtienen moléculas con poder reductor como el NADH y el FADH2.
- La cadena de transporte de electrones en la que los electrones son transferidos desde transportadores de electrones hasta el oxígeno y que, junto con protones de la disolución, forman agua. En este tercer estadio es donde se genera la mayor cantidad de ATP. Esta fase tiene lugar en la membrana interna mitocondrial. Por cada NADH que entra en la cadena se obtienen tres ATP, mientras que cada FADH2 aporta dos ATP.
El proceso completo se denomina fosforilación oxidativa. Mediante la oxidación de cada molécula de glucosa se obtienen alrededor de treinta moléculas de ATP.
Esquema actual del sistema mitocondrial de la fosforilación oxidativa. Los equivalentes reducidos que se generan en el metabolismo (NADH, FADH2) son oxidados por la cadena de transporte de electrones. La energía libre generada en esta reacción se emplea para bombear protones (puntos rojos) desde la matriz mitocondrial hasta el interior de las crestas mitocondriales, para dar lugar a la fuerza protón-motriz. Cuando éste se disipa a través del retorno a la matriz de los protones a través de la ATP sintasa, la energía almacenada se emplea para fosforilar el ADP con un grupo fosfato para formar ATP.
Disculpad esta simple descripción ya que mi objetivo es que nos centremos en el ADN mitocondrial.
El ADN mitocondrial
Bajo mi punto de vista, el rasgo más llamativo de las mitocondrias es que poseen un genoma propio diferente al contenido en el núcleo celular. Este AND mitocondrial (abreviadamente ADNmt o mtDNA en inglés) es una molécula de ADN circular que, en el caso de las mitocondrias humanas, tiene 16.569 pares de bases y ha sido secuenciado completamente (podéis verlo aquí). Gracias a este ADN, las mitocondrias pueden replicarse casi de forma independiente de la maquinaria celular, pueden transcribir y traducir su información genética y, de esta forma, codificar la síntesis de algunas de sus proteínas. Cada célula contiene cientos o miles de mitocondrias (siempre al menos una) y cada mitocondria contiene múltiples copias de su propio ADNmt.
Hasta la llegada del microscopio electrónico había cerca de veinte términos para estos pequeños corpúsculos, reconocidos finalmente como mitocondrias gracias a la labor del microbiólogo Carl Benda, quien los bautizó así en 1898 uniendo las palabras griegas mitos (hebra o hilo) y khondrion (pequeño gránulo). Con el paso de los años, los diferentes términos se fusionaron y su significado se aclaró a medida que mejoraba la microscopía. En esta labor resultó trascendental el descubrimiento de la existencia de un ADN mitocondrial realizado en 1963 por Margit M. K. Nass y Sylvan Nass, mientras formaban parte del Instituto Wenner-Gren de Biología Experimental de la Universidad de Estocolmo.
ADNmt en su configuración circular. Micrografía de electrones tomada de Nass, M. M. (1966), «The circularity of mitochondrial DNA». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 56, núm. 4, p. 1215-1222.
Sin embargo y a pesar de lo que pueda parecer, la mitocondria no funciona de forma completamente autónoma. Hoy sabemos que alberga muchos cientos de proteínas, de las cuales sólo unas pocas (13 en los humanos) se sintetizan en su interior y son codificadas por genes mitocondriales. Estas trece proteínas son subunidades de complejos macromoleculares implicados en el mecanismo de la fosforilación oxidativa que hemos explicado brevemente más arriba. El resto de proteínas están codificadas por genes nucleares, cuyos ARNm se traducen en los ribosomas citoplasmáticos y finalmente liberadas en el citoplasma. Desde allí son enviadas hacia receptores de la membrana mitocondrial, donde son transportadas hasta su interior.
Lo más interesante desde el punto de vista del estudio de la evolución humana es que el citoplasma es heredado casi exclusivamente por vía materna. Es decir, en la formación de un cigoto, el gameto femenino (el óvulo) aporta un núcleo haploide y además el citoplasma, mientras que el gameto masculino (el espermatozoide) aporta casi exclusivamente un núcleo haploide, sin citoplasma (las mitocondrias de los espermatozoides, que se encuentran en la cola, quedan fuera del óvulo al ser fecundado). Por lo tanto, dado que en los seres humanos las mitocondrias se encuentran en el citoplasma, todas ellas se heredan por vía materna (existe una excepción ya que hay estudios que afirman haber localizado mitocondrias del progenitor masculino en tejido muscular, aunque sus conclusiones son dudosas ).
Con este descubrimiento y los múltiples análisis del ADN mitocondrial que se han venido realizando desde entonces, aplicados como decimos al estudio de la evolución humana, se ha logrado reconstruir el árbol del ADNmt y, por tanto, llegar hasta la que se ha denominado «madre» de la especie humana, la “Eva mitocondrial”. Esta cuestión la trataremos en breve con más detalle en nuestra sección “El viaje más largo”.
Origen evolutivo
Como colofón, y aunque no nos detengamos mucho en ello, no puedo dejar de recomendar la lectura de los trabajos de Lynn Margulis. Fue una investigadora excepcional y quien defendió contra viento y marea la teoría de que las mitocondrias se incorporaron a la maquinaria celular en calidad de simbiontes, así como su origen bacteriano. Hoy en día muy pocos discuten la realidad de esta teoría, que se conoce como endosimbiosis seriada (Serial Endosymbiosis Theory ―SET― en inglés):
Yo afirmo, como antes lo hicieron otros académicos frecuentemente ignorados, que los ancestros lineales de las mitocondrias vegetales y animales también empezaron como bacterias de vida libre. Las mitocondrias, las fábricas intracelulares de energía, producen energía química dentro de las células de todos los animales, plantas y hongos. Las mitocondrias también residen de manera regular en la mayoría de las miríadas de oscuros seres microbianos, los protoctistas, a partir de los cuales evolucionaron las plantas, los animales y los hongos. Basándose puramente en las cifras, son los cloroplastos y las mitocondrias, y no los humanos, las formas de vida que dominan la Tierra.
[…]
Las mitocondrias viven en el interior de nuestras células pero no se reproducen al mismo tiempo que la célula que las aloja ni lo hacen de la misma manera. Son descendientes de bacterias ancestrales que usaban oxigeno. Atrapadas como presas o invadiendo la célula como parásitos, esas bacterias se establecieron en el interior de células distintas a ellas, en una extraña alianza en la que la célula invasora eliminaba los residuos y proporcionaba energía procedente del oxigeno a la célula parasitada a cambio de alimento y cobijo. Sin mitocondrias, la célula nucleada vegetal o animal no puede respirar y muere.
Referencias
- Elliott, W. H., et al. (2002), Bioquímica y biología molecular. Barcelona: Ariel, XXVII, 788 p.
- Klug, W. S. y Cummings, M. R. (1999), Conceptos de genética. Madrid: Prentice Hall, 840 p.
- Lawrence, E. (2003), Diccionario Akal de términos biológicos. Madrid: Akal, 687 p.
- Margulis, L. (2003), Una revolución en la evolución: escritos seleccionados. Valencia: Universidad de Valencia, 374 p.
- Margulis, L. y Sagan, D. (2003), Captando genomas: una teoría sobre el origen de las especies. Barcelona: Kairós, 308 p.
- Nass, M. M. y Nass, S. (1963), «Intramitochondrial fibers with DNA characteristics. I. Fixation and electron staining reactions». The Journal of cell biology, vol. 19, p. 593-611.
- Nass, S. y Nass, M. M. (1963), «Intramitochondrial fibers with DNA characteristics. II. Enzymatic and other hydrolytic treatments». The Journal of cell biology, vol. 19, p. 613-629.
- Nass, M. M. (1966), «The circularity of mitochondrial DNA». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 56, núm. 4, p. 1215-1222.
