Se cree que los procariotas aparecieron en el planeta hace unos 3,500 millones de años, mientras que los eucariotas lo hicieron hace unos 2,000 millones de años. Pero, si los procariotas llevan una ventaja de 1,500 millones de años a los eucariotas, ¿por qué ellos no son los organismos más complejos? La respuesta son las mitocondrias [Les recomiendo leer este artículo publicado en el blog].
Axel Kowald de la Universidad Humboldt de Berlín y Tom B. L. Kirkwood de la Universidad de Newcastle han desarrollado una teoría que trata de explicar la evolución y función que cumple la fusión y fisión de mitocondrias en las células según un artículo publicado el 6 de Junio en PNAS.
Las mitocondrias tienen su propio material genético, el cual codifica para las principales proteínas que conforman la cadena transportadora de electrones, que es donde se genera toda la energía —en forma de ATP— usada por las células para su desarrollo y funcionamiento. Sin embargo, durante la evolución del genoma mitocondrial, muchos de sus genes migraron hacia el núcleo de la célula, tal vez para reducir el conflicto entre las mitocondrias primitivas (simbiontes) y sus hospederos.
Debido a esto, muchas de las proteínas mitocondriales, que son expresadas en el núcleo y traducidas en el citoplasma, deben viajar grandes distancias hasta alcanzar a las mitocondrias que las requieran. Como cada célula tiene un gran número de mitocondrias, y cada una de ellas tiene sus propios requerimientos, la cual dependerá de su ubicación y actividad metabólica, se generará un grave problema de distribución de proteínas mitocondriales nucleares.
Por otro lado, durante la producción de energía en la matriz mitocondrial se generan las famosas especies reactivas del oxígeno (ROS: reactive oxygen species) o también conocidas como radicales libres, las cuales han sido involucradas con el envejecimiento celular. Los radicales libres pueden reaccionar tanto con el ADN (generando mutaciones) como con las proteínas y componentes de la membrana mitocondrial.
En las mitocondrias —al igual que en las bacterias— el material genético se encuentra asociado a las membranas, en una disposición similar a los nucleoides, para que la transcripción y la traducción se den de manera acoplada. Esto quiere decir que ni bien los genes de los complejos de la cadena transportadora de electrones se transcriben, ya se están traduciendo a proteínas y ubicando su lugar en la membrana matriz mitocondrial. Debido a esto, el ADN mitocondrial se encuentra constantemente atacado por los ROS, generando una gran cantidad de mutaciones.
Sin embargo, cuando se hicieron estudios del material genético de las mitocondrias de una misma célula, se dieron con la sorpresa que todas compartían la misma mutación. En otras palabras, era como si una de las mitocondrias mutantes se hubiera clonado desplazando a las mitocondrias sanas. Esto va en contra de lo que mencionamos en el párrafo anterior, donde cada mitocondria tendrá mutaciones diferentes ya que estas se dan al azar. Esto quiere decir que hay mutaciones que son más ventajosas que otras y se fijan en la población gracias a la selección natural.
Una posible explicación a esta extraña observación es la aparición de mutaciones que reducen la tasa de daño de la membrana mitocondrial generado por los radicales libres. Cuando la membrana mitocondrial se encuentra dañada se activa la degradación mitocondrial. Entonces, estas mutaciones reducirán la tasa de degradación mitocondrial y la selección natural se encargará de fijar esta mutación en la población de mitocondrias de una misma célula. Pero, para que esta hipótesis funcione, el genotipo debe estar asociado al fenotipo, algo que no se da cuando las mitocondrias se fusionan y todo sus materiales genéticos se mezclan al azar.
Las hipótesis planteadas por Kowald & Kirkwood ayudan a responder muchas de estas interrogantes y contradicciones.
Para el primer caso, la fusión de mitocondrias ayudan a mejorar la distribución de las proteínas mitocondriales nucleares. Para un único juego de genes, es más fácil controlar los requerimientos de cientos de mitocondrias, si todas ellas se encuentran unidas actuando como si fueran un solo organelo, ya que de esta manera no habrá que diferenciar entre aquellas con bajas demandas de aquellas con altas demandas.
Pero, la fusión de mitocondrias trae como consecuencia que las mutaciones generadas por los ROS se acumulen, ya que el material genético de todas las mitocondrias que llegaron a fusionarse se mezclarán entre sí. Aquellos ADN mitocondriales que han sufrido de deleciones (pérdida de porciones del material genético) tendrán un genoma más chiquito, por lo tanto se replicarán más rápido, invadiendo y colonizando todo el interior de las mitocondrias fusionadas. Así que cuando las mitocondrias se dividan, la gran mayoría tendrá la misma mutación, dando respuesta a la extraña observación que comentamos párrafos atrás.
Para hacer frente a esta acumulación de mutantes, la mitocondria no tendrá más remedio que dividirse (fisionarse). Como las mutaciones afectan su capacidad de generar ATP y provocan daños en la membrana mitocondrial, al dividirse la súper mitocondria un organelos más pequeños, habrá muchos que saldrán defectuosos y terminarán por ser eliminados, junto al material genético que portan en su interior.
Sin embargo, otros organismos como los hongos y las plantas, aprovechan de la fusión de mitocondrias para reparar su ADN mitocondrial. Como las deleciones son bastante frecuentes, el sistema de reparación de errores puede usar como molde otra molécula de ADN mitocondrial que se encuentra dentro de las mitocondrias fusionadas, y así completar los nucleótidos que faltan en el genoma mutado. Por otro lado, también se pueden dar procesos de recombinación genética entre el material genético de cada una de las mitocondrias que forman parte de una misma célula.
Los autores mencionan que estas hipótesis también podrían ser aplicados a los cloroplastos, los cuales son los encargados de desarrollar la fotosíntesis en las plantas y algas, y al igual que las mitocondrias, poseen su propio material genético. Todas estas hipótesis teóricas fueron obtenidas mediante puro razonamiento, sin la necesidad de hacer pruebas experimentales y tomando algunas asunción es en base a estudios previos.
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