Eva mitocondrial

Ago

2013

Siete días … 29 de julio a 4 de agosto (Angkor Wat)

Última actualizacón: 27 octubre 2017 a las 13:44

BIOLOGÍA

Uno de los problemas centrales de la biología evolutiva —tanto que ha llegado a denominarse “la paradoja de Darwin”— es la explosión cámbrica, el origen de los animales en los albores de esa era, hace 540 millones de años. Sobre todo si se tiene en cuenta que los 3.000 millones de años anteriores solo conocieron la existencia de bacterias y otros microbios unicelulares. ¿Por qué la evolución tardó tanto en inventar a los animales y luego lo hizo tan deprisa? Evolucionistas de la Universidad de Harvard acaban de encontrar la explicación: el incremento súbito del oxígeno en los océanos terrestres no solo aportó la energía necesaria para la vida multicelular, sino también el disparador de la complejidad en las redes ecológicas de la época.

• Noticia El País

• Artículo: A basin redox transect at the dawn of animal life

ECOLOGÍA

¿Por qué algunos mamíferos machos eligen ser monógamos? La comunidad científica ha debatido sobre este asunto durante años y esta misma semana dos revistas coinciden en publicar sendos estudios para esclarecer, por un lado, las razones que llevan a algunas especies de mamíferos no humanos a optar por esta estrategia reproductiva y, por otro, para explicar cómo ha evolucionado la monogamia en los primates. Estas dos investigaciones sobre la monogamia social (es decir, que una hembra y un macho fértiles se apareen y procreen durante varias temporadas reproductivas) se publican en Science y en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) respectivamente.

• Noticia El Mundo

• Artículo: Male infanticide leads to social monogamy in primates (descarga directa en formato PDF)

• Artículo: The evolution of social monogamy in mammals

GENÉTICA

¿Qué sexo humano apareció primero, el femenino o el masculino? Hasta ahora, diversos estudios indicaban que el ancestro femenino común más reciente de Homo sapiens —la “Eva” mitocondrial— surgió en el planeta mucho antes que el cromosoma Y “Adán”. Dos nuevos trabajos llegan a la conclusión de que el cromosoma Y humano surgió hace entre 120.000 y 156.000 años, en un tiempo cercano al femenino, de hace entre 99.000 y 148.000 años.

Los resultados de ambas investigaciones proveen además un análisis más profundo sobre cómo las poblaciones humanas se dispersaron y evolucionaron alrededor del mundo.

• Noticia Agencia SINC

• Artículo: Sequencing Y chromosomes resolves discrepancy in time to common ancestor of males versus females

• Artículo: Low-pass DNA sequencing of 1200 sardinians reconstructs european Y-chromosome phylogeny

MEDICINA

Científicos del departamento de cirugía pediátrica del Hospital General de Massaschusetts acaban de publicar en las páginas del Journal of Medical Devices, algunas de las «artimañas» técnicas que les han permitido diseñar una oreja de laboratorio flexible, pero al mismo tiempo lo suficientemente robusta para pensar en su aplicación en pacientes en un futuro a corto plazo.

De momento, la oreja de laboratorio creada por Thomas M. Cervantes y su equipo fue implantada con éxito durante 12 semanas en la espalda de un roedor; donde se pudo comprobar que el órgano era suficientemente flexible para doblarse con los dedos y volver después a su posición inicial, sin deformarse (como lo haría una real).

• Noticia El Mundo (la corrección es propia)

• Artículo: Rapid prototyping of flexible structures for tissue engineered ear reconstruction

• Vídeo:

• Más información:

Crean orejas artificiales idénticas a las naturales, con una impresora 3D. Médicos y bioingenieros de la Universidad de Cornell han creado una oreja artificial con el mismo aspecto que una oreja normal y que además actúa como un oído natural, combinando la impresión 3D con células naturales de cartílago. Los implantes podrían estar disponibles para su uso médico en solo tres años.

• Noticia Tendencias21 (Febrero 2013)

• Artículo: High-fidelity tissue engineering of patient-specific auricles for reconstruction of pediatric microtia and other auricular deformities (descarga directa en formato PDF)

PALEONTOLOGÍA

Los ojos son uno de los órganos más notables y valiosos para cualquier animal. Sin embargo, sus orígenes han sido un misterio hasta hace muy poco. Incluso hay algunas preguntas sobre el ojo que todavía no son fáciles de responder: ¿Por qué se desarrolló el ojo? ¿Por qué se han desarrollado tipos tan diferentes de ojos como los insectos y crustáceos o los de los vertebrados como nosotros?

El profesor Trevor Lamb, del Centro de Visión en la Universidad Nacional de Australia, ha dedicado más de 30 años a la investigación de estos secretos y acaba de publicar un estudio sobre el origen de los ojos y la visión de los vertebrados que resume las conclusiones a las que han llegado durante los últimos tiempos científicos en todo el mundo.

Los profundos orígenes de la “visión” se remontan a más de 700 millones de años, cuando la Tierra estaba habitada por animales unicelulares como amebas, algas, corales y bacterias. En aquel momento hicieron su aparición los primeros productos químicos sensibles a la luz, las opsinas, que fueron utilizadas de forma rudimentaria por algunos organismos para diferenciar el día de la noche. “Sin embargo, estos animales eran pequeños, -comenta Lamb- y no tenían un sistema nervioso que les permitiera procesar las señales de sus sensores de luz”.

• Noticia EFE

• Artículo: Evolution of phototransduction, vertebrate photoreceptors and retina

• Más información

ARQUEOLOGÍA

El trabajo de cartografía arqueológica realizado hasta ahora en las sucesivas capitales medievales del imperio Khmer en Angkor, Camboya (desarrollado alrededor de los siglos 9 y 15 de la Era Común, C. E.), lo ha identificado como el asentamiento complejo más grande del mundo de la época preindustrial y, sin embargo, varias áreas cruciales han permanecido sin cartografiar, en particular los centros ceremoniales y sus alrededores, donde la tupida selva oscurece las huellas de la civilización que suelen permanecer visibles en la topografía del terreno. En este artículo se describe el uso de la tecnología de escaneo láser aerotransportado (LIDAR) para crear modelos digitales de alta precisión de la elevación de la superficie del suelo por debajo de la cubierta de vegetación. Se ha identificado un paisaje urbano que no se había localizado previamente en el que se integran los principales templos como Angkor Wat. Más allá de estos nuevos paisajes urbanos, los datos LIDAR revelan los cambios antropogénicos a gran escala del paisaje y dan más peso a un nuevo consenso según el cual la complejidad de las infraestructuras, los modos de subsistencia insostenibles, y la variación climática son factores esenciales para entender la decadencia de la civilización clásica Khmer.

• Artículo: Uncovering archaeological landscapes at Angkor using lidar

May

2013

Fuera de África o multirregionalismo. Genética (1ª parte)

Última actualizacón: 29 agosto 2017 a las 16:21

La cuna de la humanidad

En estas páginas vamos a tratar cuestiones acerca de la aparición de la especie humana (Homo sapiens) así como su posterior expansión por el globo. Será necesario por tanto poner en contraste su origen con el resto de miembros, ya extintos, que forman parte del género Homo. Nos referiremos por tanto a nuestros antepasados más directos, que ya protagonizaron una primera salida de África hace cientos de miles de años, aunque con desigual fortuna como tendremos ocasión de comprobar.

La cuestión del momento, el cómo y dónde surge por primera vez Homo sapiens es materia de duros debates y enfrentamientos entre puntos de vista muy dispares. Aún hoy se sigue discutiendo acerca de aspectos que los legos podríamos considerar “evidentes” pero que no lo son en absoluto cuando profundizamos más en ellos y comprendemos su verdadero significado.

En la actualidad, los investigadores plantean dos modelos para explicar el origen de Homo sapiens: el primero de ellos se ha llamado modelo “multirregional”; mientras que el segundo es el modelo del “Arca de Noé”, del origen único, o del reemplazamiento (mejor conocido como «fuera de África»). Ambos modelos responden de forma diferente a las cuestiones acerca del momento de aparición de Homo sapiens y a la contribución de las diferentes poblaciones del Pleistoceno a la morfología y acervo genético de la humanidad actual.

La hipótesis de la evolución multirregional contempla el proceso de aparición de nuestra especie como el resultado de una profunda transformación a partir de las poblaciones ancestrales de Homo erectus que evolucionaron de forma gradual e independiente hacia Homo sapiens arcaicos y, posteriormente, hasta los humanos modernos. Siguiendo este criterio, las diferencias que apreciamos entre las razas actuales tendrían un origen muy antiguo y serían el resultado de ese proceso evolutivo paralelo. Por lo tanto, la transición desde Homo erectus a los Homo sapiens modernos ocurrió de forma paralela en diversas partes, a través de varias poblaciones intermedias, con una mezcla genética continua que mantuvo la unidad de la especie.

Por otro lado, la teoría “fuera de África” (Out of Africa) sostiene que los humanos modernos aparecieron en África hace entre 300.000 y 100.000 años y que, en una o varias oleadas, salieron del continente africano y colonizaron el resto del planeta. Este éxodo conllevó la extinción de los neandertales europeos y los Homo erectus asiáticos que habían aparecido previamente como resultado de evoluciones locales.

Una vez expuestas las dos principales teorías acerca de nuestro origen, el siguiente paso es analizar cuál de ellas es la que más se ajusta a la realidad. Para ello, en primer término tendremos en cuenta qué nos pueden aportar los estudios genéticos. Acto seguido estudiaremos los restos fósiles gracias a la paleoantropología, y también los artefactos humanos de la mano de la arqueología y otras ciencias afines. Al concluir esta tarea tendremos un cuadro bastante completo de la situación y, quizás, una respuesta acerca de nuestro origen.

Genética

Sobre esta cuestión resulta imprescindible acudir en primer lugar a los trabajos pioneros de Allan Wilson y su equipo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley. Wilson, que falleció prematuramente a la edad de 56 años debido a una leucemia, fue un científico visionario que supo aprovechar las nuevas técnicas de secuenciación genómica y los estudios moleculares que se desarrollaron a mediados del siglo pasado para intentar resolver las cuestiones fundamentales de la evolución humana.

En 1987, Allan Wilson, Rebecca Cann y Mark Stoneking publicaron un artículo en la revista Nature ―Cann, et al. (1987)― que se ha convertido en un clásico de la biología molecular: Mitochondrial DNA and human evolution. Citado por otros miles de investigadores, da cuenta de los resultados de un estudio que analizaba la variabilidad del ADNmt en una muestra de 147 individuos (con 133 tipos diferentes de ADNmt) pertenecientes a diferentes grupos étnicos (el África subsahariana, Asia, Europa, la región norteafricana y Oriente Medio, y los aborígenes australianos y de Nueva Guinea). Sus principales conclusiones, sometidas a la debida cautela por los proponentes, fueron que todos los ADNmt actuales provenían de una mujer que vivió hace unos 200.000 años en África; y que todas las poblaciones examinadas salvo la africana tenían múltiples orígenes, lo que implicaba que cada región de nuestro planeta fue colonizada en múltiples ocasiones.

La publicación de estos resultados desató un vivo interés, tanto del público en general (espoleado por una intensa campaña por parte de periodistas y medios de comunicación no especializados) como del resto de la comunidad científica. Rápidamente se alzaron voces enfrentadas: por un lado, los partidarios de la teoría acogían con entusiasmo todas sus proposiciones; mientras que por otro, aquellos que la rechazaban no cejaban en tildarlas de exageradas y faltas de rigor científico. Lo cierto es que no ayudó a calmar los ánimos el hecho de que la teoría saltase a la fama con el apelativo de “Eva africana” o “Eva mitocondrial”. Las connotaciones religiosas del término acuñado por el periodista del diario San Francisco Chronicle, Charles Petit, no pasaron desapercibidas.

Precisamente por esto, resulta imprescindible leer este artículo para comprender lo revolucionario de sus planteamientos. Ya hemos explicado en otra entrada que podemos encontrar nuestro ADN en dos lugares: en el núcleo de cada una de nuestras células, y en unos pequeños orgánulos llamados mitocondrias. El equipo de Wilson se decantó por el ADNmt al ser más útil que el ADN nuclear para analizar determinados procesos evolutivos: experimenta un proceso de mutación más rápido al ser menos efectivo su mecanismo de reparación (y por lo tanto aporta más información en cortos lapsos de tiempo), se hereda exclusivamente a través de la madre (el que no exista recombinación facilita su rastreo) y, por último, presenta una gran cantidad de moléculas que normalmente son idénticas entre sí (cada individuo posee múltiples copias de ADNmt idénticas).

El esquema de trabajo partía de la siguiente premisa: las mutaciones del ADNmt provocan diferencias en la secuencia de bases que se pueden comparar al examinar la dotación de dos personas. Cuanta mayor sea la diferencia en esta secuencia , mayor será el número de mutaciones acumuladas y, por consiguiente, mayor será el tiempo desde que esas dos personas (y presumiblemente, las poblaciones que representan) compartieron un antepasado común. Partiendo de aquí comenzó el trabajo de análisis.

Al introducir los resultados en un programa informático, éste devolvió un árbol que mostraba la vinculación de los 133 tipos de ADNmt (más una secuencia de referencia) en función de las similitudes en la secuencia de bases (se acompaña dicha representación que presenta forma de herradura). Para entender el proceso que llevó a la formación de este árbol, debe comprenderse el empleo del método de máxima parsimonia que aparece explicado aquí.

Árbol genealógico de 134 tipos de ADNmt. Tomado de Cann, R. L., et al. (1987), «Mitochondrial DNA and human evolution». Nature, vol. 325, núm. 6099, p. 31-36.

Vemos dos ramas principales que se dividen a partir del antepasado común (ancestor) marcado con la letra “a”. Una de las ramas contiene únicamente ADNmt africano, mientras que la otra contiene ADNmt de origen africano y del resto del mundo. De este modo, los autores concluyeron que África era el punto de origen del acervo genético mitocondrial humano y que cada población no africana tuvo múltiples orígenes.

Los de Berkeley asumieron que las divergencias en la secuencia del ADNmt se producían a una tasa constante, que establecieron entre un 2% y un 4% de cambio cada millón de años ―el llamado reloj molecular del que hablaremos en profundidad más adelante―. Esta tasa de mutación se basaba en estudios previos del equipo (ver por ejemplo Wilson, et al. (1985) y Stoneking, et al. (1986). Con esas cifras en la mano, llegaron a la conclusión de que el antepasado común de todos los tipos supervivientes de ADNmt vivió hace entre 140.000 y 290.000 años. Ya tenemos por tanto un lugar geográfico y un periodo temporal para el surgimiento del ser humano moderno.

Esta suposición guardaba relación con otro descubrimiento: los africanos son el grupo de población con una mayor variabilidad genética ―en el ADNmt ― lo que a juicio de los autores tenía sentido teniendo en cuenta la propia escala temporal: los africanos han tenido más tiempo para divergir que el resto de poblaciones del planeta. Sin embargo, lo que estos datos no nos pueden decir es el momento exacto en que tuvo lugar la migración fuera de África.

Así, una interpretación provisional del árbol y la escala temporal asociada encajaba con los hallazgos del registro fósil: éstos apuntaban a que la transformación de la forma arcaica a moderna de Homo sapiens tuvo lugar primero en África, hace aproximadamente entre 140.000 y 100.000 años. Sin embargo, esta afirmación tan contundente debió ser tomada con cautela ya que el ADNmt no nos dice nada de las contribuciones a esta transformación de los rasgos genéticos y culturales de los varones y hembras cuyo ADNmt llegó a extinguirse y, por lo tanto, no conocemos.

Diversas interpretaciones

Como hemos apuntado, estos resultados causaron mucho revuelo tanto en el público en general como, especialmente, en determinados círculos de paleontólogos. La pretensión de que el estudio de la genética de los seres humanos actuales podía decirnos algo de nuestra evolución como especie suponía echar por tierra una visión largamente enraizada en la comunidad científica: la mejor forma de aprender nuestro pasado es estudiar la prehistoria y los restos fósiles. Tal y como el periódico británico The Times señaló, algunos “se sintieron apartados a empujones por unos advenedizos provistos de muestras de sangre y ordenadores”.

Las críticas no se hicieron esperar, algunas de ellas justificadas. En primer lugar, de los 147 individuos empleados (en realidad se trataba de placentas) para la obtención de datos, 98 fueron obtenidos en los hospitales norteamericanos. Pero quizás lo más sorprendente en cuanto a la metodología empleada fuera que de los 20 africanos, sólo dos habían nacido realmente en el continente africano: el resto eran afroamericanos que fueron clasificados como africanos para el estudio.

Después estaba la cuestión de la tasa de mutación. Como hemos visto, Wilson y sus colegas emplearon para sus cálculos una tasa constante de mutación del ADNmt de un 2% o 4% cada millón de años. Pero, ¿esta tasa es constante en realidad?, ¿puede variar y ser más rápida en algunos periodos? Los trabajos previos de Wilson con Vicent Sarich ―Sarich y Wilson (1967)― les habían permitido establecer el momento de divergencia entre los seres humanos y los chimpancés comparando la estructura de determinadas proteínas. Del mismo modo, pudieron determinar la tasa de mutación del ADNmt en primates y de ahí obtener los porcentajes empleados.

Así las cosas, el equipo de Wilson decidió volver a repetir su investigación empleando una metodología diferente con unas muestras más extensas y variadas. Los resultados aparecieron en dos artículos publicados poco tiempo antes del fallecimiento del propio Wilson: Mitochondrial DNA sequences in single hairs from a southern African population ―Vigilant, et al. (1989)― y African populations and the evolution of human mitochondrial DNA ―Vigilant, et al. (1991)―. En el primero de los estudios examinaron muestras de 83 personas, 47 de las cuales eran nativas de distintos países africanos. De nuevo los nodos más antiguos del árbol filogenético (que se muestra abajo) llevaban a linajes exclusivamente africanos (indicados con flechas), y ofrecieron como fecha para el ADNmt del antepasado común la de 238.000 años. En el segundo se analizaron segmentos de ADNmt de 189 individuos, 121 de los cuales eran nativos subsaharianos. De nuevo, el árbol filogenético mostró dos ramas principales, la primera de ellas con 6 tipos de ADNmt exclusivos de africanos. Del mismo modo, se comprobó que el ADNmt africano presentaba la mayor variabilidad genética. La fecha de divergencia se estableció en la horquilla que va desde hace 166.000 a 249.000 años.

Árbol genealógico del ADNmt de 84 individuos. Tomado de Vigilant, L., et al. (1989), «Mitochondrial DNA sequences in single hairs from a southern African population». Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 86, núm. 23, p. 9350-9354.

A pesar de todo, la interpretación de este tipo de datos resultó ser más compleja de lo esperado, ya que un error estadístico puso en evidencia que la misma información podía dar pie a árboles filogenéticos diferentes y contradictorios entre sí como, irónicamente, puso de manifiesto el propio Mark Stoneking, miembro del equipo que había publicado los estudios ―Hedges, et al. (1992)―.

Alan Thorne y Milford Wolpoff, dos de los principales defensores del multirregionalismo, pusieron en duda la validez de estos estudios atacando desde el origen todas sus premisas. Su artículo, publicado en Scientific American ―Thorne y Wolpoff (1992)― se ha convertido en uno de los más citados por los partidarios del multirregionalismo.

Sin embargo, debemos señalar que fue Alan Templeton, genetista de la Universidad de Washington en St. Louis, quien planteó en un extenso artículo ―Templeton (1993)― la crítica más intensa contra las numerosas hipótesis que habían surgido al abrigo de la teoría de la “Eva mitocondrial”. No rechazaba la premisa de que el análisis del ADNmt permitía retrotraerse hasta un antepasado común que, por definición, debía ser hembra. Lo que negaba eran las cuatro hipótesis que los defensores de la “Eva mitocondrial” habían extraído de ésta:

La “Eva mitocondrial” vivió en África.
Lo hizo hace alrededor de 200.000 años.
La filogenia de la variación del ADNmt es más que la filogenia del haplotipo, es al mismo tiempo la filogenia de la población (es decir, no sólo todos los ADNmt de los seres humanos modernos tienen su origen en la “Eva mitocondrial”, sino que todos los seres humanos modernos descienden de la misma población geográfica de esa “Eva mitocondrial”).
La filogenia de la población implica que los seres humanos modernos surgieron en África, se dispersaron por el Viejo Mundo hace alrededor de 100.000 años, y llevaron a la extinción del resto de poblaciones Homo más antiguas sin ningún tipo de hibridación.

Templeton no se planteó hacer una revisión de todos los artículos publicados con anterioridad sobre esta cuestión, sino que llevó a cabo un reanálisis de los mismos para rebatir sus conclusiones.

De esta forma resume su postura:

Sólo uno de las cuatro sub-hipótesis del modelo «Eva» para la evolución humana reciente es apoyada por los datos genéticos: que el árbol del haplotipo mitocondrial refleja algunos eventos de expansión poblacional. Sin embargo, ninguno de los eventos de expansión detectados coincide con las predicciones de la hipótesis “fuera de África”. Al contrario, los datos genéticos indican que (1) las pruebas de la ubicación geográfica del ancestro común mitocondrial son ambiguas, (2) el momento en el que existió el ancestro común mitocondrial es muy ambiguo, pero es probable que sea mucho mayor que 200.000 años atrás, (3) el árbol del haplotipo mitocondrial refleja un flujo genético a través de todo el período de tiempo posterior que lleva al ancestro común mitocondrial con la superposición de unas pocas expansiones recientes de población de un alcance geográfico limitado, y (4) los datos del ADN mitocondrial y nuclear apoyan la hipótesis de un flujo genético limitado entre las poblaciones humanas del Viejo Mundo sin que exista una población que sea el origen de toda la variación genética.

Por lo tanto, no hay necesidad de postular múltiples orígenes independientes para los seres humanos anatómicamente modernos. Todos los seres humanos constituyen un linaje evolutivo único con una subdivisión regional.

Referencias

Cann, R., Stoneking, M., & Wilson, A. (1987). Mitochondrial DNA and human evolution Nature, 325 (6099), 31-36 DOI: 10.1038/325031a0

Hedges, S., Kumar, S., Tamura, K., & Stoneking, M. (1992). Human origins and analysis of mitochondrial DNA sequences Science, 255 (5045), 737-739 DOI: 10.1126/science.1738849

Sarich, V., & Wilson, A. (1967). Immunological Time Scale for Hominid Evolution Science, 158 (3805), 1200-1203 DOI: 10.1126/science.158.3805.1200

Stoneking M, Bhatia K, & Wilson AC (1986). Rate of sequence divergence estimated from restriction maps of mitochondrial DNAs from Papua New Guinea. Cold Spring Harbor symposia on quantitative biology, 51 Pt 1, 433-9 PMID: 3472733

Templeton, A. (1993). The «Eve» Hypotheses: A Genetic Critique and Reanalysis American Anthropologist, 95 (1), 51-72 DOI: 10.1525/aa.1993.95.1.02a00030

Vigilant L, Pennington R, Harpending H, Kocher TD, & Wilson AC (1989). Mitochondrial DNA sequences in single hairs from a southern African population. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 86 (23), 9350-4 PMID: 2594772

Vigilant, L., Stoneking, M., Harpending, H., Hawkes, K., & Wilson, A. (1991). African populations and the evolution of human mitochondrial DNA Science, 253 (5027), 1503-1507 DOI: 10.1126/science.1840702

WILSON, A., CANN, R., CARR, S., GEORGE, M., GYLLENSTEN, U., HELM-BYCHOWSKI, K., HIGUCHI, R., PALUMBI, S., PRAGER, E., SAGE, R., & STONEKING, M. (1985). Mitochondrial DNA and two perspectives on evolutionary genetics Biological Journal of the Linnean Society, 26 (4), 375-400 DOI: 10.1111/j.1095-8312.1985.tb02048.x

Mar

2013

Las mitocondrias, seres extraños en nuestro cuerpo

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.