lunes, 9 de marzo de 2015

Las mitocondrias y la teoría endosimbiótica

Células humanas de un tumor en división
Hasta la más pequeña e independiente de todas nustras células es una maquinaria molecular exasperantemente compleja, capaz de tomar los nutrientes del medio y extraer su energía, de eliminar los desechos, de captar señales del ambiente y responder ante ellas, de producir sus propias estructuras y (esto es lo más inquietante de todo) de partirse en dos y dar lugar a dos nuevas células, que podrán hacer todo esto, incluido lo de dividirse y dar lugar a dos células cada una, y así sucesivamente (al cabo de tan sólo quince procesos de división habremos pasado de tener una sola célula a 32.798 células iguales). Esa es la gran cualidad de los seres vivos: que guardan una compleja información que los hace funcionar y al mismo tiempo son capaces de transmitir de una generación a otra. Pura herencia.
 
Estar vivo quizás no te parece una cosa que requiera demasiado esfuerzo. Duermes, te despiertas, te levantas, comes un par de veces, vas de un lado a otro, hablas con alguna que otra gente, vuelves a acostarte y te vuelves a dormir; lo que hagas entre siesta y siesta es cosa tuya, pero el hecho de estar vivo y coleando no te supone una dedicación especial, simplemente lo estás. Aun así, en cualquier momento del día a día tu existencia podría considerarse algo así como "asombrosa", "increíble" o "ciertamente muy cara", como lo es la vida de cada una de tus células. Tal vez no te pares a pensar con frecuencia en ellas, pero se entregan directamente a su trabajo: mantenerte en pie. Un papel clave en este proceso viene a cargo de unos enigmáticos cuerpecillos, normalmente con forma de salchicha, que habitan en el interior de las células: las mitocondrias, de las que precisamente venimos a hablarte hoy.

Las mitocondrias son "cosas" pequeñas y abundantes que existen dentro de la práctica totalidad de nuestras células; no sólo las tuyas sino también todos los demás animales, plantas, hongos y cosas
raras menos conocidas (rodófitos, heterocontos, dinoflagelados, ciliados, radiolarios, foraminíferos, amebas, criptomonados, etc. etc.). Pueden parecer poco atractivas, pero cumplen una misión importantísima: son la principal fábrica de energía química de nuestro organismo. 

Izquierda: Células vistas a microscopio de fluorescencia tratadas con tinción inmunohistoquímica fluorescente. Lo que
se ve de color verde son las mitocondrias (fuente). Derecha: foto de una mitocondria vista por dentro con un microscopio
electrónico de transferencia. En las crestas de su interior se encuentran las proteínas que producen la mayor parte de energía metabólica de una célula (fuente).
Cuando nosotros nos comemos un bollo, nuestro sistema digestivo deshace el alimento en sus componentes más sencillos (en este caso, azúcares, grasas y poco más) y los absorbe y vierte en la sangre para que, previamente monitorizados por el hígado, se repartan por todo el organismo y entren en las células para ser asimilados. Cuando la glucosa y las grasas del bollo entran en las células son degradadas a moléculas todavía más sencillas que, posteriormente, ingresan dentro de la mitocondria. Aquí, por una maquinaria molecular complicada en la que se gasta el oxígeno que respiras y se forma dióxido de carbono, se extrae la energía química que queda en las moléculas (almacenada en forma enlaces covalentes establecidos entre sus átomos) y se almacena en otra molécula: el ATP.

El ATP es conocido como la "moneda de cambio energético universal" porque todas las células, desde las bacterianas hasta las de las ballenas, lo utilizan para "pagar" aquellos procesos que requieren energía dentro de ellas. Es algo así como una pequeña batería de usar y tirar que las mitocondrias están especializadas en producir en grandes cantidades (aunque sería genial poder explicarte cómo, el mecanismo molecular no es exactamente fácil ni breve, por lo que mejor lo dejamos aquí).

El calor que desprende nuestro cuerpo y la energía química que necesitan los músculos y las neuronas para seguir funcionando se ha fabricado casi por completo en el interior de las mitocondrias en la mayoría de células humanas. Algunos de los venenos más temibles, como el arsénico o el cianuro, actúan sobre la cadena metabólica de la mitocondria para producir ATP, anulándola y conduciendo, definitivamente, a la muerte.
Sin embargo, el origen de estas estructuras no es menos interesante que la función que desempeñan, y es que hay muchas pruebas que nos llevan a pensar que estos cuerpecillos que viven en el interior de nuestras preciosas células derivaron, de hecho, de unas bacterias ancestrales que fueron ingeridas por una célula primitiva más grande y, en vez de ser digeridas, se quedaron a vivir dentro de ella. A esta teoría se la conoce como teoría endosimbiótica, propuesta y publicada por primera vez por la prestigiosa Lynn Margulis (1938-2011) en 1966.
En realidad, no es raro en el mundo de los microorganismos que unos se engullan a otros y se queden, aunque sea por un rato, otros dentro de unos. De hecho, sigue pasando a día de hoy en muchos protozoos, como el Paramecium bursaria que se traga células de microalga verde Chlorella (ver foto) y las cuida dentro de él para que hagan la fotosíntesis (de hecho, se asume que los cloroplastos de todas las algas verdes proceden también de una endosimbiosis primitiva entre células con mitocondrias que, a mayores, engulleron cianobacterias fotosintéticas). De esta manera, la asimilación de unas pequeñas bacterias que eran capaces de oxidar eficientemente carbohidratos y grasas capacitó al grupo de células del que derivan todas las plantas, animales, hongos, etc. para obtener gran cantidad de energía y, así, continuar con una evolución hacia escalas de complejidad mayor hasta llegar a organismos con tejidos y órganos bien diferenciados como nosotros.
 
 
Hay muchas pruebas de que las mitocondrias (y los cloroplastos de las plantas y las algas) eran originalmente bacterias. Para empezar, tienen un genoma propio que replican e interpretan ellas solitas y pueden dividirse por bipartición, muy sospechosamente similar a las bacterias modernas. Aún así, ya no son como ellas: son incapaces de vivir en el exterior. Entre otros motivos, está el hecho de que en el transcurso de la evolución, entre el genoma de las células y sus huéspedes mitocondriales hubo lo que técnicamente se denomina "transferencia horizontal de genes": esto es, algunos genes necesarios para el funcionamiento de las mitocondrias se pasaron al genoma del hospedador; otros, directamente, se perdieron al no ser necesarios para la vida intracelular. Las bacterias no tienen mitocondrias; de hecho, son de un tamaño parecido.

Mapa del ADN mitocondrial humano, donde se
señalan los diferentes genes y las proteínas mitocondriales
que codifican, entre otras cosas.
Recientemente ha salido en las noticias el caso de Alana Saarinen, una niña anglosajona que la prensa ha presentado como una niña con tres padres biológicos, aunque es algo quizás exagerado. Este "título" viene de que Alana nació por fecundación in vitro con una técnica pionera de transferencia citoplasmática. Dicho de forma sencilla, lo que se hizo fue transferir el núcleo fecundado de un cigoto (resultado de la fusión del óvulo de la madre de Alana, con mitocondrias defectuosas y que por tanto no podría proliferar, con el espermatozoide del padre de Alana) al óvulo  de una tercera mujer, donante anónima, al que se le extirpó el núcleo y sustituyó por el del cigoto. De tal manera, se obtuvo una célula con un núcleo programado para empezar el desarrollo embrionario y unas mitocondrias sanas. Así, Alana,  a día de hoy una adolescente completamente sana, tiene la mitad del genoma de su madre, la mitad del genoma de su padre y el genoma mitocondrial de una tercera mujer (bastante menos del 1% del genoma total de una célula humana, pero aun así muy importante).

Es interesante hacer notar que en un proceso de fecundación es el óvulo de la mujer el que aporta la mayor parte de las mitocondrias y demás material citoplasmático; la cabeza del espermatozoide masculino parece aportar poco más que el ADN paterno. Es decir, el genoma mitocondrial se hereda sólo por vía materna. De hecho, existe la hipótesis de que las mitocondrias de toda la población humana actual descienden de una primera mujer africana que se ha apodado como la Eva mitocondrial, tal que si se sigue el árbol genealógico materno de cada persona viva hoy en día se llegaría a un único antepasado femenino, remontándonos 150.000-200.000 de años, de la que derivan las mitocondrias de toda la población actual, aunque esta hipótesis aun necesita pulirse. Lo que sí es verdad es que estudiando el genoma mitocondrial (o más bien, sus haplogrupos o "variedades") en las diferentes poblaciones humanas se puede trazar el recorrido (en el mapa de abajo) que habrían seguido los hombres que salieron de África y, de ahí, al resto del mundo.

No se sabe con certeza ni cuándo ni en qué circunstancias se produjo la asimilación de las primitivas bacterias que dieron lugar a las mitocondrias. Probablemente esta transformación fue precedida de muchas transiciones o intentonas fallidas, pero la simbiosis resultó tan beneficiosa para las hospedadoras (que recibían grandes aportes de energía) como para las huéspedes (que vivían protegidas y alimentadas en el citoplasma de las células más grandes) que así se quedó y ha progresado hasta formar una enorme diversidad de criaturas formadas por células con esta asociación, hasta llegar a ti.

Toda la vida multicelular y una parte interesante de la vida microscópica ha sido favorecida por esta asociación que aumenta la eficiencia del uso de los nutrientes. Dentro de nuestras células viven descendientes de antiguas bacterias y estudiándolos podemos dilucidar desde la cura para algunas enfermedades raras debidas al mal funcionamiento de los genes mitocondriales hasta parte de la propia evolución de los seres humanos.



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