Figura 1: Lección de anatomía del Doctor Tulp (Rembrandt)
GEN LOCALIZACIÓN POBLACIÓN
1.6 LA MITOCONDRIA 1 Generalidades
Las mitocondrias son orgánulos celulares que se encuentran presentes en todas las células eucariotas y cuyo origen se sitúa hace aproximadamente 1,5 millones de años cuando se produjo la fusión entre una célula eucariótica y una protobacteria capaz de realizar la fosforilación oxidativa (OXPHOS, del inglés Oxidative phosphorylation) 172. Su principal función celular es la
producción de energía a través del proceso de OXPHOS, aunque también desempeña otras funciones clave para la homeostasis celular como son por ejemplo la regulación de los procesos de apoptosis, de termogénesis y de concentración de calcio, la síntesis de esteroides y de hemoglobina entre otros procesos 173. El número de mitocondrias varía en función del tejido y
proporcionalmente a la demanda energética del mismo 174. Así, las células de
los mamíferos contienen en general varios cientos de mitocondrias pero este número se incrementa a más de 1000 en el caso de las células hepáticas (o si prefieres pon hepatocitos) mientras que las células musculares contienen un número mucho mayor 175. Teniendo en cuenta la diferente distribución de
mitocondrias en función del tejido sus porcentajes en volumen pueden variar de un 20% del volumen total de la célula hasta un 40% cómo ocurre en el caso particular de las células cardíacas. Tienen forma de cilindro alargado y su diámetro varía entre 0,5μm y 1μm con una longitud de 10μm aproximadamente. Pueden observarse al microscopio aunque no sería hasta el siglo XIX cuando Kolliker las identificó por primera vez 176.
Las mitocondrias están rodeadas por dos membranas de entre 5 y 7nm de grosor, la membrana mitocondrial externa (MME) y la membrana mitocondrial interna (MMI). Entre ambas membranas se encuentra el espacio inter-‐membrana y el interior de la mitocondria se denomina matriz mitocondrial (Figura 11). La composición de las dos membranas es diferente así como las funciones y actividades enzimáticas de cada una de ellas.
La MME es lisa y menos densa que la MMI, y altamente permeable para moléculas de hasta 10kDa gracias a los poros de 2nm de diámetro que forman las porinas mitocondriales de las que se compone 177. Por su parte, la MMI está
compuesta por un 75% de proteínas y es prácticamente impermeable para la mayoría de sustancias. Permite el paso de moléculas neutras de un tamaño inferior a 150Da, así como el O2, CO2 y H2O, mientras que el paso de iones
pequeños como H+, K+, Na+ y Cl-‐ es controlado. La MMI forma una serie de
pliegues que conforman las llamadas “crestas mitocondriales”, que es en donde se encuentran los complejos que forman la cadena de transporte electrónico (CTE) 176.
En el espacio intermembrana se acumula una elevada concentración de protones, siendo una parte fundamental en el proceso de producción de adenosín trifosfato (ATP, del inglés adenosine triphosphate). En la matriz mitocondrialel agua representa en torno al 50% del espacio; además, dentro de la matriz existe una elevada concentración de enzimas relacionados con el metabolismo mitocondrial, así como enzimas que llevan a cabo las reacciones de la OXPHOS; por otra parte, en este espacio es donde se encuentran las copias de ADN mitocondrial (ADNmt), los ribosomas y demás componentes de la maquinaria de replicación y traducción del material genético mitocondrial174,176.
Producción de ATP
La principal función de la mitocondria es la de proporcionar energía a la célula a través de la fosforilación oxidativa. El proceso global de producción de energía por parte de la célula se resume en tres etapas. La primera se corresponde con el metabolismo oxidativo de los sustratos primarios -‐glucosa, ácidos grasos y aminoácidos-‐, a través de la glucolisis, la β-‐oxidación de los ácidos grasos y la desaminación oxidativa respectivamente, dando lugar a moléculas de acetil-‐CoA. En la segunda etapa tiene lugar la incorporación de los dos carbonos de cada acetil-‐CoA al ciclo del ácido cítrico (o ciclo de Krebs) donde son oxidados a CO2, y la energía que estaba acumulada se libera en
forma de guanosín trifosfato y poder reductor (NADH y FADH2) (Figura 12).
Este poder reductor se emplea en la síntesis de ATP mediante un proceso denominado OXPHOS, el cual tiene lugar en las mitocondrias, y representa la tercera etapa del proceso global de producción de energía celular. El ATP producido a través de este proceso llega a representar hasta al 90% de la
energía celular obtenida. Sin embargo, en el cartílago articular, debido a la baja concentración de O2 que esta presente en el mismo, y que disminuye
progresivamente desde la capa superficial a la profunda hasta representar un valor aproximado de un 1%, el condrocito obtiene la mayoría de la energía necesaria a partir de la glucolisis, mientras que la fracción correspondiente a la OXPHOS representa un porcentaje de entre un 10 y un 25% 178,179. Sin embargo
cuando la energía obtenida de la glucolisis anaerobia no es suficiente, se incrementa el uso de la OXPHOS 179 .
Figura 12: Producción de ATP mitocondrial. El piruvato obtenido en el proceso de glucolisis pasa a la matriz mitocondrial como Acetil CoA por acción de la piruvato deshidrogenasa (1). El Acetil Coa actúa como sustrato en el ciclo de Krebs (2) del que se obtienen las especies reductoras NADH y FADH2 que
ceden electrones a la CTE (3). La diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana interna es utilizada por la ATPasa (4) para generar ATP que es transportado al citoplasma celular (5). NADH: nicotinamida adenina dinucleótido; FADH2: flavín adenín dinucleótido; CTE: cadena de transporte
electrónico; EIM: espacio intermembrana; MMI: membrana mitocondrial interna; MME: membrana mitocondrial externa; ADP: adenosín difosfato; ATP: adenosín trifosfato.
El proceso OXPHOS produce la reducción O2 para formar H2O utilizando
para ello los electrones cedidos por el NADH y el FADH2. La circulación de los
electrones a través de los complejos que forman la cadena de transporte electrónico, situados en la membrana mitocondrial interna, provoca un bombeo de protones al espacio inter-‐membrana, provocando una diferencia en la concentración de protones a ambos lados de la MMI que conlleva un gradiente electroquímico que crea una fuerza protón-‐motriz que impulsa la síntesis de ATP a medida que los protones fluyen de manera pasiva a la matriz mitocondrial a través de la ATP-‐sintasa. Este proceso de obtención de energía a partir de una fuerza protón-‐motriz se denomina modelo quimiosmótico y fue propuesto por Mitchell 180. La producción de ATP a través de la fosforilación
oxidativa es un proceso mucho más eficiente que la glucolisis anaerobia, ya que se obtienen hasta 36 moléculas de ATP por las 2 que se obtienen a través de la glucolisis anaerobia 181.
El sistema OXPHOS está compuesto por el acoplamiento de cinco complejos de proteínas. En los complejos I y II se produce la oxidación del NADH y del FADH2 respectivamente liberándose dos electrones que son
transportados al complejo III por el coenzima Q10 para pasar después al
complejo IV por el citocromo C. El aceptor final de los electrones es el oxígeno el cual, una vez reducido, da lugar a la formación de agua. Durante el mismo proceso de movimiento de electrones los complejos I, III y IV liberan protones (H+) al espacio intermembrana creándose un gradiente de protones a través de
la membrana interna, creando una diferencia de potencial entre ambos lados de la membrana interna que es utilizado por el complejo V para generar ATP, que es transportado a la matriz mitocondrial (Figura 13).
Además de la producción de ATP, los gradientes de potencial y de protones regulan otras funciones como el transporte iónico, el intercambio de metabolitos, la entrada de proteínas o la fusión mitocondrial. Por eso cualquier defecto en el proceso de OXPHOS puede causar numerosos fallos a nivel celular. La regulación del proceso de OXPHOS se lleva a cabo tanto por el ADN nuclear como por el mitocondrial, en este sentido el genoma nuclear tiene una gran importancia puesto que codifica un gran número de las subunidades que forman los diferentes complejos 182-‐185. El proceso de OXPHOS es además una de
las principales fuentes de generación de especies reactivas de oxígeno. Se estima que alrededor de un 3% del oxígeno molecular (O2) consumido durante
el proceso de OXPHOS sufre una reducción incompleta dando lugar a la especie reactiva anión superóxido (O2-‐) en lugar de agua 186. Este anión se crea a partir
del exceso de electrones presentes en los complejos I y III de la cadena de transporte electrónico de modo que son transferidos directamente al O2
generando dicho anión 187. El O2-‐ es convertido en peróxido de hidrógeno
(H2O2) por la acción del enzima manganeso superóxido dismutasa (SOD2) en la
matriz o por el enzima cobre/zinc superóxido dismutasa (SOD1) en el espacio intermembrana o el citosol. El H2O2 es detoxificado en agua bien a través de la
acción del enzima glutatión peroxidasa en la mitocondria o el citosol o bien mediante el enzima catalasa en los peroxisomas. Sin embargo, en presencia de
Figura 13: Representación de la cadena de transporte electrónico. Durante el proceso de fosforilación oxidativa el movimiento de los electrones a través de los complejos que forman la cadena de transporte electrónico genera un flujo de protones hacia la matriz mitocondrial que crea una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana mitocondrial interna que es aprovechado por el complejo V para generar ATP. Imagen adaptada de Dimauro et al. 2003.
anión hidroxilo (OH·) que es la especie reactiva de oxígeno más altamente reactiva 188. Las especies reactivas de oxígeno junto con las especies reactivas
de nitrógeno (óxido nítrico, anión peroxinitrito etc) están implicadas en procesos de apoptosis celular, daños sobre el ADN y las membranas celulares etc siendo relacionados con los procesos de envejecimiento 189-‐191.
Por todo lo expuesto anteriormente y a pesar de no ser el principal proceso de generación de energía en el condrocito, el proceso de OXPHOS y la implicación de la mitocondria en la patología presentan un gran interés y una gran importancia el la patogenia y el desarrollo de la misma.
1.6.2 Genoma mitocondrial
La mitocondria posee su propio material genético, el ADN mitocondrial (ADNmt), que se hereda exclusivamente por la vía materna. El ADNmt es una molécula circular de doble cadena de 16569 pares de bases (pb) 192, que
codifica para 13 polipéptidos pertenecientes a las subunidades de los complejos que conforman la cadena de transporte electrónico (CTE), 22 ácidos ribonucleicos de transferencia (ARNt) y 2 ARN ribosómicos (ARNr), el 12S y el 16S 193. Las dos cadenas de las que está compuesta cada molécula del ADNmt
poseen una composición muy diferente en cuanto a la proporción de citosinas y guaninas, de modo que la hebra que presenta una mayor proporción de bases púricas (guanina y adenina) se denomina cadena pesada o H (del inglés heavy) mientras que la otra cadena, rica en bases pirimidínicas (citosina y timina), se denomina cadena ligera o L (del inglés light). De los 37 genes que codifica el ADNmt, la cadena pesada codifica 28 mientras que la cadena ligera codifica 9 de los cuales 8 corresponden a ARNt. Por convenio la cadena que se toma como referencia para la numeración de las 16569 bases es la cadena ligera.
Los componentes de la cadena de transporte electrónico son codificados en su mayoría por el genoma nuclear a excepción de los ya citados 13 polipéptidos codificados por el genoma mitocondrial y que se describen a continuación:
-‐ Complejo I (NADH deshidrogenasa): ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 y ND6.
-‐ Complejo III (citocromo b óxido-‐reductasa): Cyt b. -‐ Complejo IV (citocromo c-‐oxidasa): COI, COII, COIII. -‐ Complejo V (ATP sintetasa): ATPasa 6 y ATPasa 8.
A diferencia del genoma nuclear, el ADNmt presenta una única región no codificante, la región D-‐loop (del inglés displacement-‐loop) o región control. Este segmento del ADNmt consta de 1124 pb y abarca desde la posición 16024 hasta la 576. La región D-‐loop es la responsable de regular la replicación y la transcripción del ADNmt ya que en ella se encuentran el origen de replicación de la cadena pesada (cadena H), además de las regiones promotoras de la
Figura 14: ADN mitocondrial. El ADNmt codifica para 37 genes, 22 ARNt (representados por una sola letra correspondiente a cada aminoácido), 2 ARNr (16S y 12S) y 13 ARNm que se corresponden con subunidades de los componentes de la cadena de transporte electrónico: ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5 y ND6 codifican para componentes del complejo I (NADH deshidrogenasa); cyt b codifica para una subunidad del complejo III (citocromo b óxido-‐reductasa); COX I, COX II y COX III codifican para subunidades del complejo IV (citocromo c-‐oxidasa); A6 y A8 codifican para el complejo V (ATP sintetasa). OH y OL origenes de replicación de las cadenas pesada y ligera,
respectivamente. HSP y LSP promotores de transcripción de la cadena pesada y ligera, respectivamente. Adaptada de Schon et al. 2012.