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Una célula dentro de tu célula: la mitocondria

mayo 23, 2018

Felipe Torrentí Salom

Si piensas en tus clases de Ciencias Naturales de la ESO tal vez recuerdes que “la mitocondria es la fuente de energía de la célula”. En efecto, la mitocondria es un órgano de la célula cuya función consiste en fabricar ATP (la moneda de cambio de energía celular) a partir de los azúcares, las proteínas y las grasas que comemos.

Pues bien, si hiciésemos un zoom enorme en una imagen de una mitocondria, llegaríamos a ver, nadando entre las crestas de sus dos membranas, una serie de moléculas en forma de aros retorcidos. Estos aros resulta que son ADN mitocondrial.

En efecto, las mitocondrias tienen su propio genoma, ajeno a los cromosomas del núcleo celular. No solo eso, sino que también tienen su propio ARN y sus propios ribosomas y además se dividen por fisión binaria, independientemente de la célula que las contiene. Las mitocondrias transmiten información genética a sus hijas, y cada una contiene varias copias de su genoma dentro de sus membranas. Son como células que viven dentro de las tuyas.

¿Por qué es esto así? ¿Para qué nos sirve ese genoma mitocondrial? ¿Y cómo funciona? Podemos empezar a resolver esas cuestiones examinando el origen de la mitocondria.

La teoría endosimbiótica

Hace 2.000 millones de años, antes de que la mitocondria fuese un orgánulo de la célula, era una bacteria libre que nadaba por el océano. Era una bacteria aeróbica, es decir, capaz de vivir en presencia del tóxico oxígeno e incluso de usarlo para obtener energía. En un momento dado, esa bacteria fue engullida por otra célula, una célula nucleada y anaerobia. Sin embargo, en lugar de ser una digerida por la otra, la bacteria y la célula establecieron una relación de simbiosis. La bacteria aportaba su capacidad de respirar oxígeno y a cambio la célula eucariota la alimentaba.

Esto es lo que se conoce como teoría endosimbiótica o de endosimbiosis seriada, y fue presentada por Lynn Margulis en 1967. Además de a las mitocondrias, se aplica también a los cloroplastos (los órganos de las células vegetales que realizan la fotosíntesis), que habrían sido absorbidos hace entre 1.200 y 1.000 millones de año, siendo originalmente cianobacterias.

La teoría endosimbiótica explica por qué mitocondrias y cloroplastos tienen ADN: era el genoma original de la bacteria. Un genoma que con el paso de los milenios fue reduciéndose en tamaño, probablemente cediendo parte de sus genes al ADN nuclear.

Hay muchos hechos que apoyan esta teoría. Las mitocondrias son muy similares a bacterias actuales: tienen un tamaño parecido, contienen ADN circular bicatenario cerrado, tienen ribosomas 70S (a diferencia de los 80S de las células eucariotas que las rodean) y se dividen por fisión binaria. Además tiene doble membrana, lo cual es un signo de que la mitocondria ha sido fagocitada (pues la membrana exterior se parece a la de las eucariotas y la interior a la de las bacterias). Por otra parte, se han encontrado similitudes entre el ADN mitocondrial y nuclear, además de que las mitocondrias son incapaces de sobrevivir fuera de la célula eucariota.

La curiosa herencia mitocondrial

El ADN mitocondrial es una molécula bicatenaria y circular. En los humanos tiene un tamaño de aproximadamente 16.569 pares de bases. Tiene un pequeño número de genes: 37 genes que codifican elementos relacionados con la cadena de producción de energía, frente a los 20.000-25.000 genes totales que se encuentran en el genoma celular. Se organiza en nucleoides que contienen entre 5 y 7 cromosomas cada uno.

El ADN mitocondrial, como el resto de material genético, se transmite a las células hijas. Sin embargo, el hecho de que las mitocondrias son orgánulos que se dividen y se reparten por sí solos hace que la “herencia mitocondrial” sea completamente diferente de la que estudiamos en el colegio.

Para empezar tenemos que tener en cuenta que cada célula tiene un número variable de mitocondrias, y cada mitocondria un número variable de copias de su genoma. Este ADN está en replicación constante, y las mitocondrias se dividen independientemente del ciclo y del tipo celular. Además, cuando la célula eucariota va a dividirse las mitocondrias están repartidas aleatoriamente por el citoplasma, haciendo que las dos células hijas hereden cantidades distintas de mitocondrias. Todo esto significa que cualquier pareja de células del cuerpo tenga un número diferente de copias del genoma mitocondrial.

Árbol genealógico de una familia con una enfermedad mitocondrial. Podemos ver aquí una particularidad de la herencia mitocondrial: se hereda el genoma siempre de la madre.

Otro factor importante es que las mitocondrias se heredan de la madre. Cuando el óvulo y el espermatozoide se juntan en la fecundación, las defensas del primero destruyen las pocas mitocondrias del segundo. Es decir, el genoma mitocondrial del padre no se transmite, y todas las copias son de origen materno.

Enfermedades mitocondriales

Hay varios factores que hacen que el genoma mitocondrial mute con mayor frecuencia. Para empezar, está en replicación constante, así que solo por números ya hay una mayor probabilidad de que haya un error en la replicación. Al mismo tiempo, al ser la mitocondria el orgánulo respiratorio, su ADN está en contacto constante con compuestos de oxígeno muy tóxicos que pueden alterar su estructura (las llamadas “especies reactivas de oxígeno” o ROS). Algunas de las mutaciones resultantes pueden provocar enfermedades.

Mapa de un cromosoma mitocondrial, señalando algunas zonas que, si son alteradas, pueden producir enfermedades. Imagen de XXXL1986 (GFDL, CC-BY-SA-3.0 o CC BY-SA 2.5), via Wikimedia Commons.

Hay descritas unas 150 mutaciones del genoma mitocondrial que acaban en enfermedad. Como este genoma solo codifica para 13 proteínas implicadas en la producción de energía (ya que la bacteria endocitada cedió gran parte de su ADN al núcleo celular), estas enfermedades tendrán que ver con esa función. Los tejidos afectados suelen ser los que más energía utilizan: músculos, cerebro, corazón, hígado y riñones. Algunos ejemplos son:

Neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON): pérdida bilateral de la visión central causada por una atrofia del nervio óptico. También pueden aparecer trastornos en el sistema circulatorio, en el sistema nervioso periférico y en el cerebelo.
Síndrome de epilepsia mioclónica con fibras rojo-rasgadas (MERRF): epilepsia, convulsiones generalizadas y miopatía. También puede aparecer demencia, sordera, atrofia óptica, fallo respiratorio o cardiomiopatía.
Diabetes de herencia materna con sordera: diferente de los dos tipos más frecuentes de diabetes. El nombre lo dice todo.

Aplicaciones del ADN mitocondrial

A pesar de los problemas que causa, también hemos encontrado usos para el ADN mitocondrial. Existe una enorme cantidad de copias de ADN en cada célula, que se puede obtener de muestras de cualquier tejido, no se recombina y se hereda exclusivamente por herencia materna. Esto hace al genoma mitocondrial una herramienta ideal para ciertas partes de la medicina legal. Por ejemplo, se puede usar para identificar poblaciones (como en el caso de la momia en Atacama), ya que el genoma mitocondrial no cambia mucho entre parientes. También se puede usar para identificar cadáveres en descomposición, ya que con poca materia orgánica se puede obtener material genético. Y, por supuesto, también se puede utilizar para estudiar la herencia materna.

Recientemente se ha encontrado la utilidad del ADN mitocondrial en estudios antropológicos y arqueológicos. Si tenemos ciertos restos óseos podemos obtener ADN de poblaciones y especies extintas (usando la técnica del PCR). Con este ADN se pueden realizar estudios evolutivos, fisiológicos o de datación.

En conclusión, la mitocondria nos complica la vida a los genetistas: tiene su propio ADN que se transmite por su cuenta, ignorando las leyes de herencia mendeliana, ADN que también causa enfermedades que pueden ser hereditarias, pero cuya herencia es extraña. ADN de una célula que consiguió sobrevivir dentro de las nuestras.