Teora endosimbitica La teora endosimbitica postula que algunos orgnulos propios de las clulas eucariotas, especialmente plastos y mitocondrias, habran tenido su origen en organismos procariotas que despus de ser englobados por otro microorganismo habran establecido una relacin endosimbitica con ste. Se especula con que las mitocondrias provendran de protebacterias alfa (por ejemplo, rickettsias) y los plastos de cianobacterias. La teora endosimbitica fue popularizada por Lynn Margulis en 1967,1 con el nombre de endosimbiosis serie, quien describi el origen simbiogentico de las clulas eucariotas.2 Tambin se conoce por el acrnimo ingls SET (Serial Endosymbiosis Theory). En su libro de 1981, Symbiosis in Cell Evolution,3 4 Margulis sostiene que las clulas eucariotas se originaron como comunidades de entidades que obraban recprocamente y que terminaron en la fusin de varios organismos.5 En la actualidad, se acepta que las mitocondrias y los cloroplastos de los eucariontes procedan de la endosimbiosis. Pero la idea de que una espiroqueta endosimbitica se convirtiera en los flagelos y cilios de los eucariontes no ha recibido mucha aceptacin, debido a que estos no muestran semejanzas ultraestructurales con los flagelos de los procariontes y carecen de ADN. Antecedentes del origen simbiogentico de las eucariotas En 1883, el bilogo alemn Andreas Schimper propuso que la capacidad fotosinttica de las clulas vegetales poda proceder de cianobacterias aun presentes en la naturaleza y con iguales capacidades. A principios del siglo XX Ivan Wallin (anatomista estadounidense) lleg a la misma conclusin, y en 1910 Kostantin S. Mereschovky present la hiptesis segn la cual el origen de las clulas eucariotas se encontraba en la fusin de varias bacterias diferentes. En 1918 el bilogo francs Paul Portier llegara a la conclusin de que las mitocondrias de las eucariotas habran sido en su da bacterias de vida libre, ahora confinadas en el interior de estas eucariotas; Wallin llegara en 1925 a la misma conclusin. Estos trabajos, minusvalorados en su tiempo, permanecieron olvidados hasta que Margulis, apoyndose en ellos, poniendo nfasis en las capacidades de las bacterias y la potencialidad de la simbiosis, formulara en 1967 la teora endosimbitica.

La teora

Modelos quimricos del origen de Eukarya.6 7 Arriba: 1-Fusin, 2Simbiosis, 3-Ingestin y endosimbiosis. Abajo: Teora de la endosimbiosis serie: 4-Fusin de una arquea y una espiroqueta, 5Adquisicin de mitocondrias. 6-Adquisicin de cloroplastos. La teora endosimbitica describe el paso de las clulas procariotas (clulas bacterianas, no nucleadas) a las clulas eucariotas (clulas nucleadas constituyentes de los procariontes y componentes de todos los pluricelulares) mediante incorporaciones simbiogenticas Margulis describe este paso en una serie de tres incorporaciones mediante las cuales, por la unin simbiogentica de bacterias, se originaron las clulas que conforman a los individuos de los otros cuatro reinos (protistas, animales, hongos y plantas). Segn la estimacin ms aceptada, hace 2.000 millones de aos (aunque una horquilla posible podra descender a la cifra de 1.500 millones de aos) la vida la componan multitud de bacterias diferentes, adaptadas a los diferentes medios. Margulis destac tambin, la que debi ser una alta capacidad de adaptacin de estas bacterias al cambiante e inestable ambiente de la Tierra en aquella poca. Hoy se conocen ms de veinte metabolismos diferentes usados por las bacterias frente al nico usado por los pluricelulares: el aerbico (que usan el oxgeno como fuente de energa; las plantas utilizan dos: aerbico y fotosntesis). Para Margulis, tal variedad revela las dificultades a las que las bacterias se tuvieron que enfrentar y su capacidad para aportar soluciones a esas dificultades. Primera incorporacin simbiogentica: Una bacteria consumidora de azufre, que utilizaba el azufre y el calor como fuente de energa (arquea fermentadora o termoacidfila), se fusion con una bacteria nadadora (espiroqueta) pasando a formar un nuevo organismo sumando sus caractersticas iniciales de forma sinrgica (en la que el resultado de la incorporacin de dos o ms unidades adquiere mayor valor que la suma de sus componentes). El resultado fue el primer eucarionte (unicelular eucariota) y ancestro nico de

todos los pluricelulares. El ncleoplasma de la clulas de animales, plantas y hongos sera el resultado de la unin de estas dos bacterias. A las caractersticas iniciales de ambas clulas se le sum una nueva morfologa ms compleja con una nueva y llamativa resistencia al intercambio gentico horizontal. El ADN qued confinado en un ncleo interno separado del resto de la clula por una membrana. Esta parte de la teora (incorporacin de la espiroqueta) no es aceptada en la actualidad, pues slo la defienden Margulis y sus asociados. Ninguna de las homologas propuestas entre los flagelos de los eucariontes y de las espiroquetas8 9 ha resistido el escrutinio.10 11 La homologa de la tubulina a la protena bacteriana de replicacin/citoesqueleto FtsZ parece rematar definitivamente la causa contra Margulis, puesto que la FtsZ se encuentra nativamente en las arqueas, proporcionando un antepasado endgeno a la tubulina (en oposicin a la hiptesis de Margulis de que la arquea haba adquirido la tubulina de una espiroqueta simbitica). Segunda incorporacin simbiogentica: Este nuevo organismo todava era anaerbico, incapaz de metabolizar el oxgeno, ya que este gas supona un veneno para l, por lo que vivira en medios donde este oxigeno, cada vez ms presente, fuese escaso. En este punto, una nueva incorporacin dotara a este primigenio eucarionte de la capacidad para metabolizar oxigeno. Este nuevo endosombionte, originariamente bacteria respiradora de oxigeno de vida libre, se convertira en las actuales mitocondrias y peroxisomas presentes en las clulas eucariotas de los pluricelulares, posibilitando su xito en un medio rico en oxgeno como ha llegado a convertirse el planeta Tierra. Los animales y hongos somos el resultado de esta segunda incorporacin. Tercera incorporacin simbiogentica: Esta tercera incorporacin origin el Reino vegetal, las recientemente adquiridas clulas respiradoras de oxgeno fagocitaran bacterias fotosintticas y algunas de ellas, hacindose resistentes, pasaran a formar parte del organismo, originando a su vez un nuevo organismo capaz de sintetizar la energa procedente del Sol. Estos nuevos pluricelulares, las plantas, con su xito, contribuyeron y contribuyen al xito de animales y hongos. En la actualidad permanecen las bacterias descendientes de aquellas que debieron, por incorporacin, originar las clulas eucariotas; as como aquellos protistas que no participaron en alguna de las sucesivas incorporaciones.

Pruebas a favor de la teora La evidencia de que las mitocondrias y los plastos surgieron a travs del proceso de endosimbiosis son las siguientes:

El tamao de las mitocondrias es similar al tamao de algunas bacterias. Las mitocondria y los cloroplastos contienen ADN bicatenario circular cerrado covalentemente - al igual que los procariotasmientras que el ncleo eucariota posee varios cromosomas bicatenarios lineales. Estn rodeados por una doble membrana, lo que concuerda con la idea de la fagocitosis: la membrana interna sera la membrana plasmtica originaria de la bacteria, mientras que la membrana externa correspondera a aquella porcin que la habra englobado en una vescula. Las mitocondrias y los cloroplastos se dividen por fisin binaria al igual que los procariotas (los eucariotas lo hacen por mitosis). En algunas algas, tales como Euglena, los plastos pueden ser destruidos por ciertos productos qumicos o la ausencia prolongada de luz sin que el resto de la clula se vea afectada. En estos casos, los plastos no se regeneran. En mitocondrias y cloroplastos los centros de obtencin de energa se sitan en las membranas, al igual que ocurre en las bacterias. Por otro lado, los tilacoides que encontramos en cloroplastos son similares a unos sistemas elaborados de endomembranas presentes en cianobacterias. En general, la sntesis proteica en mitocondrias y cloroplastos es autnoma. Algunas protenas codificadas en el ncleo se transportan al orgnulo, y las mitocondrias y cloroplastos tienen genomas pequeos en comparacin con los de las bacterias.. Esto es consistente con la idea de una dependencia creciente hacia el anfitrin eucaritico despus de la endosimbiosis. La mayora de los genes en los genomas de los orgnulos se han perdido o se han movido al ncleo. Es por ello que transcurridos tantos aos, hospedador y husped no podran vivir por separado. En mitocondrias y cloroplastos encontramos ribosomas 70s, caractersticos de procariotas, mientras que en el resto de la clula eucariota los ribosomas son 80s. El anlisis del RNAr 16s de la subunidad pequea del ribosoma de mitocondrias y plastos revela escasas diferencias evolutivas con algunos procariotas. Una posible endosimbiosis secundaria (es decir, implicando plastos eucariotas) ha sido observado por Okamoto e Inouye (2005). El protista hetertrofo Hatena se comporta como un depredador e ingiere algas verdes, que pierden sus flagelos y citoesqueleto, mientras que el protista, ahora un anfitrin, adquiere nutricin fotosinttica, fototaxia y pierde su aparato de alimentacin.

Pruebas en contra de la teora

Las mitocondrias y los plastos contienen intrones, una caracterstica exclusiva del ADN eucaritico. Por tanto debe de haber ocurrido algn tipo de transferencia entre el ADN nuclear y el ADN mitocondrial/cloroplstico. Ni las mitocondrias ni los plastos pueden sobrevivir fuera de la clula. Sin embargo, este hecho se puede justificar por el gran nmero de aos que han transcurrido: los genes y los sistemas que ya no eran necesarios fueron suprimidos; parte del ADN de los orgnulos fue transferido al genoma del anfitrin, permitiendo adems que la clula hospedadora regule la actividad mitocondrial. La clula tampoco puede sobrevivir sin sus orgnulos: esto se debe a que a lo largo de la evolucin gracias a la mayor energa y carbono orgnico disponible, las clulas han desarrollado metabolismos que no podran sustentarse solamente con las formas anteriores de sntesis y asimilacin.

Consideracin actual Actualmente se considera que la evolucin pudo darse a travs de dos vas:

La aparicin de membrana nuclear, retculo endoplsmico, aparato de Golgi, vacuolas y lisosomas se explicara mediante la Teora autgena. La aparicin de mitocondrias y cloroplastos se explicara mediante la Teora endosimbitica.

Mitocondria Las mitocondrias son orgnulos, presentes en prcticamente todas las clulas eucariotas, encargados de suministrar la mayor parte de la energa necesaria para la actividad celular; actan por tanto, como centrales energticas de la clula y sintetizan ATP por medio de la fosforilacin oxidativa. Realizan, adems, muchas otras reacciones del metabolismo intermediario, como la sntesis de algunos coenzimas. Es notable la enorme diversidad, morfolgica y metablica, que puede presentar en distintos organismos.

Estructura y composicin

Mitocondria: 1. Membrana interna; 2. Membrana externa; 3. Cresta; 4. Matriz. La morfologa de la mitocondria es difcil de describir puesto que son estructuras muy plsticas que se deforman, se dividen y fusionan. Normalmente se las representa en forma alargada. Su tamao oscila entre 0,5 y 1 m de dimetro y hasta 7 de longitud.1 Su nmero depende de las necesidades energticas de la clula. Al conjunto de las mitocondrias de la clula se le denomina condrioma celular. Las mitocondrias estn rodeadas de dos membranas claramente diferentes en sus funciones y actividades enzimticas, que separan tres espacios: el citosol, el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial. Membrana externa Es una bicapa lipdica exterior permeable a iones, metabolitos y muchos polipptidos. Eso es debido a que contiene protenas que forman poros, llamadas porinas o VDAC (de canal aninico dependiente de voltaje), que permiten el paso de grandes molculas de hasta 10.000 dalton y un dimetro aproximado de 20 . La membrana externa realiza relativamente pocas funciones enzimticas o de transporte. Contiene entre un 60 y un 70% de protenas. Membrana interna La membrana interna contiene ms protenas, carece de poros y es altamente selectiva; contiene muchos complejos enzimticos y sistemas de transporte transmembrana, que estn implicados en la translocacin de molculas. Esta membrana forma invaginaciones o pliegues llamadas crestas mitocondriales, que aumentan mucho la superficie para el asentamiento de dichas enzimas. En la mayora de los eucariontes, las crestas forman tabiques aplanados perpendiculares al eje de la mitocondria, pero en algunos protistas tienen forma tubular o discoidal. En la composicin de la membrana interna hay una gran abundancia de protenas (un 80%), que son adems exclusivas de este orgnulo:

1. La cadena de transporte de electrones, compuesta por cuatro complejos enzimticos fijos y dos transportadores de electrones mviles: el complejo I o NADH deshidrogenasa que contiene flavina mononucletido (FMN), el complejo II o succinato deshidrogenasa; ambos ceden electrones al coenzima Q o ubiquinona; el complejo III o citocromo bc1 que cede electrones al citocromo c y el complejo IV o citocromo c oxidasa que cede electrones al O2 para producir dos molculas de agua. 2. Un complejo enzimtico, el canal de H+ ATP-sintasa que cataliza la sntesis de ATP (fosforilacin oxidativa). 3. Protenas transportadoras que permiten el paso de iones y molculas a su travs, como cidos grasos, cido pirvico, ADP, ATP, O2 y agua; pueden destacarse: 1. Nucletido de adenina translocasa. Se encarga de transportar a la matriz mitocondrial el ADP citoslico formado durante las reacciones que consumen energa y, paralelamente transloca hacia el citosol el ATP recin sintetizado durante la fosforilacin oxidativa. 2. Fosfato translocasa. Transloca fosfato citoslico junto con un protn a la matriz; el fosfato es esencial para fosforilar el ADP durante la fosforilacin oxidativa. Espacio intermembrana Entre ambas membranas queda delimitado un espacio intermembrana est compuesto de un lquido similar al hialoplasma; tienen una alta concentracin de protones como resultado del bombeo de los mismos por los complejos enzimticos de la cadena respiratoria. En l se localizan diversos enzimas que intervienen en la transferencia del enlace de alta energa del ATP, como la adenilato quinasa o la creatina quinasa. Matriz mitocondrial [ La matriz mitocondrial o mitosol contiene menos molculas que el citosol, aunque contiene iones, metabolitos a oxidar, ADN circular bicatenario muy parecido al de las bacterias, ribosomas tipo 70S similares a los de bacterias, llamados mitorribosomas, que realizan la sntesis de algunas protenas mitocondriales, y contiene ARN mitocondrial; es decir, tienen los orgnulos que tendra una clula procariota de vida libre. En la matriz mitocondrial tienen lugar diversas rutas metablicas clave para la vida, como el ciclo de Krebs y la betaoxidacin de los cidos grasos; tambin se oxidan los aminocidos y se localizan algunas reacciones de la sntesis de urea y grupos hemo. Funcin Del apartado anterior se deduce que la principal funcin de las mitocondrias es la oxidacin de metabolitos (ciclo de Krebs, beta-

oxidacin de cidos grasos) y la obtencin de ATP mediante la fosforilacin oxidativa, que es dependiente de la cadena transportadora de electrones; el ATP producido en la mitocondria supone un porcentaje muy alto del ATP sintetizado por la clula. Tambin sirve de almacn de sustancias como iones, agua y algunas partculas como restos de virus y protenas. Origen La cientfica estadounidense Lynn Margulis, junto con otros cientficos, recuper en torno a 1980 una antigua hiptesis, reformulndola como teora endosimbitica. Segn esta versin actualizada, hace unos 1.500 millones de aos, una clula procariota capaz de obtener energa de los nutrientes orgnicos empleando el oxgeno molecular como oxidante, se fusion en un momento de la evolucin con otra clula procariota o eucariota primitiva al ser fagocitada sin ser inmediatamente digerida, un fenmeno frecuentemente observado. De esta manera se produjo una simbiosis permanente entre ambos tipos de seres: la procariota fagocitada proporcionaba energa, especialmente en forma de ATP y la clula hospedadora ofreca un medio estable y rico en nutrientes a la otra. Este mutuo beneficio hizo que la clula invasora llegara a formar parte del organismo mayor, acabando por convertirse en parte de ella: la mitocondria. Otro factor que apoya esta teora es que las bacterias y las mitocondrias tienen mucho en comn, tales como el tamao, la estructura, componentes de su membrana y la forma en que producen energa, etc. Esta hiptesis tiene entre sus fundamentos la evidencia de que las mitocondrias poseen su propio ADN y est recubierta por su propia membrana. Otra evidencia que sostiene esta hiptesis es que el cdigo gentico del ADN mitocondrial no suele ser el mismo que el cdigo gentico del ADN nuclear.2 A lo largo de la historia comn la mayor parte de los genes mitocondriales han sido transferidos al ncleo, de tal manera que la mitocondria no es viable fuera de la clula husped y sta no suele serlo sin mitocondrias. Enfermedades mitocondriales Artculo principal: Enfermedad mitocondrial El ADN mitocondrial contiene informacin gentica para 13 protenas mitocondriales y algunos ARN;1 no obstante, la mayora de las protenas de las mitocondrias proceden de genes localizados en el ADN del ncleo celular y que son sintetizadas por ribosomas libres del citosol y luego importadas por el orgnulo. Se han descrito ms de 150 enfermedades mitocondriales, como la enfermedad de Luft o la neuropata ptica hereditaria de Leber. Tanto las mutaciones del ADN mitocondrial, como del ADN nuclear dan lugar a enfermedades genticas mitocondriales, que originan un mal funcionamiento de procesos que se desarrollan en las mitocondrias, como alteraciones de

enzimas, ARN, componentes de la cadena de transporte de electrones y sistemas de transporte de la membrana interna; muchas de ellas afectan al msculo esqueltico y al sistema nervioso central. El ADN mitocondrial puede daarse con los radicales libres formados en la mitocondria; as, enfermedades degenerativas relacionadas con el envejecimiento, como la enfermedad de Parkinson, la enfermedad de Alzheimer y las cardiopatas pueden tener relaciones con lesiones mitocondriales.1 Mitocondrias en la cultura popular La ciencia ficcin ha utilizado por lo menos en una ocasin esta hiptesis como parte fundamental de la trama de una de sus historias. En Star Wars ('La guerra de las galaxias') los midiclorianos vendran a adaptarse muy bien como la figura de las mitocondrias, ya que son descritos como seres vivos que forman parte de todas las clulas vivas y que les dan su energa. De manera muy precisa, estos personajes de ciencia ficcin podran describir el papel de la mitocondria en la clula. La pelcula da una teora interesante sobre el papel de las mitocondrias que va ms all del que le ha concebido la ciencia: supone que las mitocondrias an conservan una identidad propia y que miles de millones de aos de evolucin no habran logrado quitrsela. La novela japonesa Parasite Eve, de Hideaki Senna, tambin juega, en la trama central de su argumento, con la idea de la independencia mitocondrial.