ADN MIOCONDRIAL

1. Mencione las características del ADN mitocondrial que lo diferencian del ADN nuclear y explique cómo se hereda.

Características:

El ADN mitocondrial se reproduce por sí mismo semi-autónomamente cuando la célula eucariota se divide. Este ADN, al igual que los ADN bacterianos, es una molécula bicatenaria, circular, cerrada, sin extremos. En

los seres humanos tiene un tamaño de 16.569 pares de bases, conteniendo un pequeño número de genes, distribuidos entre la cadena H y la cadena L. Cada mitocondria contiene entre 2 y 10 copias de la molécula de ADN. En él están codificados dos ARN ribosómicos, 22 ARN de transferencia y 13 proteínas que participan en la fosforilación oxidativa.

Otra característica importante del ADN mitocondrial es que no se recombina. Ello implica que los únicos cambios que haya podido haber en el ADN mitocondrial se deben exclusivamente a mutaciones a lo largo de multitud de generaciones. Los cálculos estadísticos que se han realizado informan que, en los mamíferos y en concreto en el hombre, cada 10.000 años aproximadamente surge una mutación en una de las bases del ADN mitocondrial (esto no es del todo cierto, aunque sí lo es para el fragmento que más mutaciones sufre, que consta de unos 500 pares de bases

Heredabilidad:

Tradicionalmente se ha considerado que el ADN mitocondrial humano se hereda sólo por vía materna. Según esta concepción, cuando un espermatozoide fecunda un óvulo penetra el núcleo con su ADN pero deja afuera su cola y citoplasma, donde están las mitocondrias. Por lo tanto, en el desarrollo del cigoto sólo intervendrían las mitocondrias contenidas en el óvulo. Sin embargo, se ha demostrado que las mitocondrias del espermatozoide pueden ingresar al óvulo. Según algunos autores el ADN mitocondrial del padre puede perdurar en algunos tejidos, como los músculos. Según otros, no llega a heredarse al ser marcado por ubiquitinación y degradado

2. Mencione las características comunes de las mitocondriopatìas: investigue las bases moleculares de una enfermedad producida por estos defectos.

Las mitocondriopatías son muchas y muy diferentes enfermedades con un origen común. Todas ellas están causadas por la alteración de una parte de las células, las mitocondrias. Estos orgánulos, u organelos, están en su interior -de la misma forma que los órganos en el cuerpo humano- y tienen un papel muy importante en los organismos vivos. Las mitocondrias son la "fábrica" de energía de las células y las encargadas de su respiración.

Debido a la importancia de las funciones que ejercen, están implicadas en múltiples enfermedades y procesos biológicos, como el envejecimiento. Por ello, es básico conocer cómo funcionan y qué implicaciones tienen en diversas patologías. Ni las mitocondrias ni el daño mitocondrial deberían ser ajenos al conocimiento de la población general, ya que la afectación de éstas se ha relacionado con enfermedades tan conocidas como el Alzheimer y el Parkinson, u otras minoritarias como la Corea de Huntinton.

Enfermedades heterogéneas

Los tipos de mitocondriopatías son muchos y muy heterogéneos. La bióloga e investigadora Constanza Morén, del Instituto de Investigaciones Biomédicas August Pi i Sunyer (IDIBAPS), en Barcelona, asegura que la explicación científica es la siguiente: las mitocondrias son capaces de reproducirse en el interior de la célula de forma independiente, con su propio genoma, el ADN mitocondrial (ADNmt). Su gran capacidad para mutar se relaciona con la complejidad de las alteraciones en las enfermedades causadas por mitocondrias.

Cada célula del cuerpo tiene cientos de moléculas de ADNmt. Al dividirse la célula para formar células hijas, este ADN alterado se distribuye al azar. El resultado es la aparición de numerosas y muy distintas enfermedades, que pueden

estar causadas por anomalías en las mitocondrias. Aunque cada tejido destaca por diferentes capacidades para eliminar los orgánulos defectuosos, algunos quedan dañados por distintas razones, como el estrés oxidativo y la acumulación de calcio.

No obstante, la diversidad de mitocondriopatías no sólo se debe a la gran capacidad de mutar del ADNmt, sino también a las mutaciones del ADN nuclear (el de la propia célula, que se encuentra en el centro) y a las alteraciones en el funcionamiento de esta cadena respiratoria, según explican Tamara Rubio González y Manuel Verdecia Jarque, del Hospital Infantil Sur, de Santiago de Cuba.

Síndrome de MERRF y MELAS

El síndrome de MERRF, el de MELAS, el de Leigh, el de Barth y la neuropatía autosómica dominante son sólo algunos ejemplos de las numerosas mitocondriopatías. El de MERRF y el de MELAS destacan dentro de este amplio subgrupo de enfermedades.

El primero se manifiesta con epilepsia mioclónica, debilidad, descoordinación de movimientos (ataxia), sordera y demencia. Puede iniciarse a cualquier edad y con manifestaciones y síntomas clínicos entre los que figuran la neuropatía periférica (afectación de los nervios periféricos), atrofia del nervio óptico, alteración de múltiples órganos con miopatía, disfunción renal, cardiomiopatía y un aumento del ácido láctico en las células. Este síndrome está causado por una mutación en el ADNmt que, entre el 80% y 90% de los casos, se debe a una alteración de un nucleótido de los cuatro que tiene el ADN. Consiste en un cambio del nucleótido Adenina por el nucleótido Guanina y, sólo en un pequeño número de casos, de Timina por Citosina en la posición 8356.

El síndrome MELAS, en cambio, se caracteriza por encefalomiopatía mitocondrial (enfermedad neurológica que cursa con alteraciones musculares y del sistema nervioso central), acumulación de ácido láctico en el cuerpo (cuando las células utilizan glucosa para obtener energía, un proceso conocido como acidosis láctica) y episodios parecidos a un accidente vascular cerebral. Esta tríada da nombre al síndrome, MELAS (acrónimo en inglés).

Los pacientes afectados también pueden sufrir migraña, vómitos, demencia, epilepsia, sordera, ataxia, retinosis pigmentaria, cardiomiopatía, disfunción renal y miopatía. De nuevo, esta enfermedad puede debutar a cualquier edad. En el 80% de los casos se ha asociado a una mutación de Adenina y Guanina, pero en el ARN de transferencia o ARNt, que surge durante el proceso de transcripción (conversión) del ADN en ARN.

3. Mencione las diferencias estructurales y funcionales entre la membrana mitocondrial interna y externa

La membrana exterior en contacto con el citosol es permeable a iones, a distintos metabolitos y diferentes clases de polipéptidos. La alta permeabilidad de la misma, es debido a que contiene embebidas proteínas que forman poros llamados Porinas o VDAC (canal aniónico dependiente de voltaje), que al formar canales a través de la membrana permiten el paso de moléculas de un diámetro aproximado de 2 nanómetros (nm).

Por otra parte, la membrana interna, a diferencia de la exterior la membrana interna mitocondrial es una barrea impermeable a los iones (.e.g H+ protones) y pequeñas moléculas (metabolitos) que debe usar transportadores específicos (carriers en inglés) para atravesarlaLa membrana interna presenta además pliegues dirigidos hacia el interior de la mitocondria llamados crestas mitocondriales, que expanden el área superficial de esa membrana, aumentando con ello la capacidad de producir ATP.

En la membrana mitocondrial interna se sitúan cuatro complejos multimericos proteicos (constituidos de múltiplas subunidades polipeptídicas) que constituyen la cadena de transporte electrónico mitocondrial o cadena respiratoria mitocondrial que trasportan los electrones desde los donadores electrónicos FADH2 y NADH (producidos durante la glicólisis y el ciclo de Krebs) al oxigeno molecular (O2): Complejo I [NADH deshidrogenasa o NADH-coenzima Q oxidoreductasa]; II [Succinato-coenzima Q deshidrogenasa o Succinato Q-oxidoreductasa] , III (Q-citocromo c oxidoreductasa o complejo citocromo bc1) ; IV (Citocromo c oxidasa)

4. Si existe un daño en las mitocondrias de una persona, ¿ cuál de los siguientes procesos se verían directamente afectados? Explíquelos brevemente: Glucólisis, ciclo de krebs, transporte de electrones, fosforilaciòn oxidativa, fermentaciónLa disfunción de un órgano es finalmente una disfunción celular. La principal función de una célula es mantener activos todos los procesos metabólicos que le son propios. Para lograr esto, cada célula debe ser capaz de producir energía (adenosín trifosfato [ATP]) que permita llevar a cabo todas aquellas reacciones bioquímicas anabólicas necesarias para el crecimiento, la reproducción y la síntesis. El ATP puede generarse tanto en forma anaeróbica como aeróbica. La generación anaeróbica de ATP ocurre principalmente en el citoplasma y se lo conoce como glucólisis. La producción aeróbica de ATP tiene lugar exclusivamente en el interior de la mitocondria y es, por lejos, el principal mecanismo de producción de ATP. Las mitocondrias usan aproximadamente el 95% del consumo de oxígeno celular para generar ATP.La fosforilación oxidativa (FO) que ocurre en la membrana interna de las mitocondrias acopla efectivamente 2 procesos: 1) la progresiva oxidorreducción de la cadena respiratoria que finalmente reduce el oxígeno molecular a agua y que al mismo tiempo crea un gradiente electroquímico de protones entre la matriz mitocondrial y el espacio intermembrana.2) la fosforilación de adenosín difosfato (ADP) para formar adenosín trifosfato (ATP) Durante la última década, numerosos estudios han demostrado que durante la sepsis existe disfunción mitocondrial y que ésta podría asociarse al desarrollo de disfunción de órganos y a peor pronóstico. De hecho, diversos trabajos han demostrado la presencia de disfunción mitocondrial tanto en órganos vitales (p. ej. el hígado) como en el músculo, y han señalado que la patogénesis de la disfunción mitocondrial es multifactorial, con mecanismos propuestos, como el déficit de sustratos, el bloqueo enzimático y el daño de membranas, entre otros. La aparición de disfunción mitocondrial ocurre aun en presencia de niveles adecuados de oxigenación tisular, es decir, en ausencia de hipoxia tisular, lo que indica un mecanismo independiente al hemodinámico o microcirculatorio en la génesis de la disfunción celular.

Breve repaso de la función mitocondrial

La producción de ATP por parte de la célula depende de procesos metabólicos interconectados. Entre éstos figuran la glucólisis en el citoplasma, el ciclo de Krebs, la betaoxidación de ácidos grasos y la FO en la mitocondria

Las mitocondrias son estructuras dinámicos en constante movimiento y fusión-división. Están constituidas por un sistema de doble membrana; ambas membranas son diferentes: la externa es altamente permeable (presencia de poros) y sólo contiene un 50% de proteínas, mientras que la membrana interna es impermeable (sólo oxígeno y agua pueden difundir libremente) y contiene hasta un 80% de proteínas. La membrana interna se pliega hacia la matriz y forma las "crestas mitocondriales".

La matriz mitocondrial contiene ribosomas para síntesis proteica y ADN, que codifican algunas de las subunidades de los complejos de la cadena de FO. Contiene, además, las enzimas para la betaoxidación de ácidos grasos y casi todas las enzimas para el ciclo de Krebs (excepto la succinato deshidrogenasa, que está unida a la membrana como parte de la cadena respiratoria [complejo II]).

El producto final de la glucólisis es piruvato; éste, en condiciones aeróbicas normales difunde hacia la matriz mitocondrial, donde por medio de un complejo enzimático (piruvato deshidrogenasa [PDH]) reacciona con la coenzima A (CoA) y se desdobla en CO2 y un grupo acetilo de 2 carbonos, éste se une a la CoA y forma acetil-CoA. En esta reacción se forma nicotinamida adenina dinucleotido reducido (NADH). El acetil-CoA puede provenir también de la betaoxidación de ácidos grasos o del metabolismo

de ciertos aminoácidos. El acetil-CoA es el compuesto inicial del ciclo de Krebs. El producto final del ciclo de Krebs es la generación de potentes agentes reductores (NADH2 y flavín adenín dinucleótido reducido [FADH], CO2 y guanosín trifosfato (GTP).

La FO es el proceso por el que NADH2 y FADH2 provenientes de la glucólisis y del ciclo de Krebs donan sus electrones a complejos proteicos localizados en la membrana interna mitocondrial. Los complejos I (NADH: CoQ oxidorreductasa) y II así reducidos donan, a su vez, electrones a una proteína (ubiquinona, Q) que se reduce a ubiquinol (QH2) y media el paso de electrones hacia el complejo III, cuyos principales componentes son proteínas heme conocidas como citocromos b y c1 y una proteína conocida como rieske iron sulfur protein. Asimismo, el complejo III entrega los electrones al citocromo c, que se une débilmente a la cara externa de la membrana interna mitocondrial, que a su vez entrega los electrones al complejo IV (citocromo c oxidasa [COX]). Este complejo está formado por proteínas heme conocidas como citocromos a y a3, así como por proteínas que requieren cobre, y participa en el proceso de oxidorreducción (Cu+-Cu2+). Finalmente, los electrones pasan del complejo IV al aceptor final, oxígeno molecular, para formar agua. Los complejos I, III y IV utilizan la energía libre que deja el paso de los electrones para translocar protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, se genera así un gradiente electroquímico. Es fundamental que la membrana interna mitocondrial se encuentre intacta para que el regreso de protones a la matriz ocurra sólo a través del complejo V, o ATP sintasa, que aprovecha este gradiente para acoplarlo con la síntesis de ATP a partir de ADP y fósforo inorgánico

5. La medicina forense y el ADN mitocondrial. Aplicaciones

IDENTIFICACIÓN POR ADN MITOCONDRIAL

En el interior de las células existen pequeñas formaciones ubicadas fuera del núcleo, denominadas mitocondrias que contienen ADN con posibilidades de atribuir identidad. La utilización del ADN mitocondrial con fines identificatorios ha sido explorada con resultados alentadores.

El valor forense del ADN mitocondrial surge de su capacidad para expresar resultados aún en presencia de ADN nuclear muy escaso o seriamente deteriorado, al que se suma la presencia de igual estructura genética mitocondrial en todas las generaciones que comparten un mismo linaje materno, circunstancia que responde a su transmisión hereditaria sólo por vía materna y sin sufrir modificaciones en su pasaje de madres a hijos. También resulta significativo, desde el punto de vista identificatorio, su presencia en células sin núcleo (a nucleadas), como son las que componen el tallo del pelo.Estas características favorecen su empleo en circunstancias que impiden o limitan severamente la obtención de ADN nuclear, siendo indicaciones específicas para su utilización las siguientes:

a) Análisis de restos humanos de larga data o sometidos a situaciones externas altamente desfavorables,b) muestras con escasa cantidad de ADN nuclear disponible y/o en estado de degradación importante,c) identificación con familiares lejanos, siempre que el parentesco reclamado lo sea por vía materna,d) análisis de pelos hallados en el lugar de un hecho criminal.Si bien las aplicaciones mencionadas resultan de interés forense y constituyen, en ocasiones, la única posibilidad de identificación genética, debe señalarse que, en la práctica, los resultados obtenidos no siempre satisfacen las expectativas generadas por el empleo de la técnica.La identificación por ADN mitocondrial brinda niveles de certeza menores que los obtenidos con el análisis del ADN nuclear.Si bien mencionamos como propiedad del ADN mitocondrial su pasaje de generación en generación sin sufrir modificaciones estructurales, existe la posibilidad de observar variaciones menores entre familiares, generadas por fenómenos de mutación. Ello puede complicar la comparación de los resultados favoreciendo falsas exclusiones, por lo cual dicha mutación deberá ser contemplada como situación especial.Es probable que investigaciones futuras, sobre todo las dirigidas a establecer frecuencias poblacionales de los perfiles mitocondriales, permitan superar estas limitaciones. Hasta entonces la información brindada por la técnica deberá ser evaluada cuidadosamente a la hora de asignar identidad.