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Las poderosas mitocondrias, exquisitas conductoras de energía

Las poderosas mitocondrias, exquisitas conductoras de energía

David Coppedge, Graduado en Física (con honores)

7 octubre 2011 — No podríamos vivir sin las mitocondrias. Son las centrales de energía que se encuentran omnipresentes en las células eucariotas. Contienen máquinas moleculares en fábricas que tienen como tarea generar y conducir energía eléctrica. Esta energía hace funcionar turbinas que empaquetan la energía en moléculas de ATP, que se usan luego en la mayoría de los procesos de la célula.

Nuevos descubrimientos siguen fascinando a científicos acerca del funcionamiento de las mitocondrias. Algunos científicos dedican grandes energías a intentar descubrir maneras acerca de cómo la evolución darwinista pudo haber construido la maquinaria de la vida.

Antecedentes

La fuente de energía para los animales es el alimento; para las plantas, el sol. Por cuanto los animales comen plantas, o comen otros animales que han comido plantas, la luz del sol es la fuente última de energía.

En los cloroplastos de las plantas se capta la energía solar para producir moléculas ricas en energía, incluyendo la glucosa. Las mitocondrias tienen membranas interior y exterior. La membrana interior se dobla formando protruberancias llamadas crestas que aumentan su área superficial. Con la ayuda de máquinas transportadoras, la mitocondria capta moléculas (glucosa, piruvato y NADH) del citosol a sus membranas exterior e interior y al interior, donde, con ayuda de oxígeno y una gran cantidad de enzimas y cofactores, los electrones se transfieren al oxígeno mediante cinco complejos de máquinas. Las primeras tres, llamadas NADH deshidrogenasa (Complejo I), Citocromo C reductasa y Citocromo C oxidasa, proporcionan una «cadena de transporte de electrones» que se usa para bombear protones hacia el espacio entre las membranas interior y exterior de la mitocondria.

Los protones vuelven a través de la membrana interior a través de la quinta máquina, el motor tipo turbina ATP sintasa, que usa la fuerza motriz de los protones generados por las otras máquinas para sintetizar ATP. Aunque las células pueden generar ATP sin oxígeno (respiración anaeróbica), su producción mediante la maquinaria mitocodrial es mucho más eficiente. En un día atareado se produce aproximadamente el peso corporal en ATP.

En este artículo examinaremos algunos de los más recientes descubrimientos acerca de la maquinaria de la mitocondria.

El espaciado de las máquinas:

Un resumen en PNAS (29/8/2011, 10.1073/ pnas.1107819108) describía lo que se revelaba en nuevas imágenes de mitocondrias usando tomografía crioelectrónica de partícula única. Dudkina et al. podían ver cómo los Complejos I, III, y IV se organizan en mitocondriass en corazones de vacas. El espaciado afecta cómo interaccionan los complejos. «Cosa sorprendente», decían los científicos holandeses y suizos, «la distancia entre los sitios de unión del citocromo C de los complejos III2 y IV es de alrededor de 10 nm». 10 nanometros es bastante a esta escala. Afortunadamente, hay un adhesivo molecular —grasa— que los mantiene en su sitio. «El modelado indica una interacción floja entre los tres complejos y proporciona prueba de que los lípidos los están fijado en las interfaces».

Máquinas arquitectónicas

PhysOrg comunicaba una investigación en la Universidad de Friburgo, Alemania, que identificaba otra gran máquina que tiene la función de mantener unidas las membranas interior y exterior.

«Los investigadores identificaron una enorme máquina molecular constituida por seis diferentes proteínas de la membrana necesarias para unir las crestas al envoltorio de la mitocondria en el modelo unicelular modelo levadura de panadero»

decía el artículo.

«Los datos demuestran que los defectos en el complejo proteínico desencadenan la separación de las crestas, lo que a su vez resulta en unas significativas perturbaciones de crecimiento en la célula»

La cobertura de Science Daily calificaba a las estructuras producidas por estas máquinas de

«pilares de soporte de la estructura de las plantas de generación de las células»

Emplazamiento de las plantas de generación

La publicación Current Biology resumía un descubrimiento acerca de cómo se ubican las mitocondrias a lo largo del sistema de carreteras de la célula.

«En la levadura de fisión, los microtúbulos controlan la posición de las mitocondrias mediante un mecanismo que depende de la dinámica de los microtúbulos pero no de proteínas motrices»

escribía Liza A. Pon en el número de 13 de septiembre de Current Biology (21:7, 10.1016/j. cub.2011.07.035).

«Un nuevo estudio desvela ahora la base molecular para este novedoso mecanismo de movimiento de los orgánulos»

En esencia, las mitocondrias no cabalgan los tranvías (la dineína y la kinesina) como otros orgánulos; se fijan a los carriles que se acortan y extienden para situarlas donde son necesarias.

«Esta fijación resulta en la distribución uniforme de las mitocondrias como estructuras tubulares elongadas mediante dos mecanismos: primero, unos haces de microtúbulos sirven como andamiaje para mantener la posición del orgánulo; y, segundo, la elongación de los microtúbulos resulta en la extensión de las mitocondrias hacia el extremo de la célula»

Otra razón para este insólito método de distribución puede ser asegurar que las mitocondrias (que se dividen mediante su propio mecanismo, con su propio ADN) acaben correctamente en las células hijas después de la división celular.

La división de las mitocondrias

«Una nueva investigación realizada en la Universidad de California, Davis, y en la Universidad de Colorado en Boulder da una perspectiva inesperada acerca de cómo se dividen las mitocondrias, las estructuras generadoras de energía en las células»

comenzaba diciendo un artículo en PhysOrg.

Los investigadores descubrieron que

«la división mitocondrial tenía lugar de manera abrumadora en puntos en los que entraban en contacto las dos estructuras, las mitocondrias y el RE [retículo endoplasmático]»

¿A qué se debe esto?

«Su estudio indicaba que los túbulos del RT aprietan primero la mitocondriia, y luego unas proteínas relacionadas con la dinamina se reúnen sobre la superficie para completar la tarea»

De este descubrimiento dicen que

«transforma nuestra perspectiva de la organización celular», un «giro paradigmático en la biología celular»

Los controles apropiados de la división mitocondrial son cruciales.

«Los defectos en mitocondrias han sido vinculados con una amplia variedad de cuadros y dolencias de carácter degenerativo, incluyendo la diabetes, las enfermedades cardiovasculares y los accidentes cerebrovasculares»

El genoma mitocondrial

Como las mitocondrias tienen un tamaño aproximado al de las bacterias y poseen su propio ADN que replican con su propia maquinaria, los evolucionistas creen que en algún momento de la historia de la vida la primera eucariota englobó una bacteria que vivía independientemente y que desarrolló una relación simbiótica con la misma.

Que esta teoría de la «endosimbiosis» sea verosímil es cuestión aparte, pero PhysOrg tenía unas noticias acerca de la máquina que transcribe el ADN mitocondrial, «la polimerasa del ARN mitocondrial» ( un análogo de la ARN polimerasa en el núcleo).

Científicos en la Universidad Ludwig-Maximilians de Munich pudieron resolver la imagen en 3D de la estructura de esta máquina molecular hasta un detalle a nivel atómico. Descubrieron semejanzas con las ARN polimerasas que se encuentran en fagos (virus que atacan bacteria) y especulaban que estos eran la fuente de la polimerasa del ARN mitocondrial.

Pero también encontraron que esta máquina no es un llanero solitario.

«En particular, la estructura explica por qué son necesarios otros dos factores proteínicos para posibilitar la unión de la ARN polimerasa en el sitio apropiado en el ADN, y transcribir la información genética desde este emplazamiento»

decía uno de los científicos. Cosa interesante, uno de los complejos de la maquinaria (el Complejo II) consigue sus genes desde el núcleo de la célula. El genoma mitocondrial se transmite a través de la hembra.

Por qué te sientes tan fatigado

Science Daily informaba de una investigación realizada en la Universidad McMaster que podría explicar en algunos casos la adicción al sofá. Los adictos al sofá puede que carezcan de algunos genes que generan mitocondrias.

Ratones con defectos en el gen AMPK presentaban menos mitocondrias y tenían menos energía. El Profesor Gregory Steinberg explica:

«Cuando te ejercitas, haces que crezcan más mitocondrias en tus músculos, Si no te ejercitas, la cantidad de mitocondrias desciende. Al eliminar estos genes, identificamos que el regulador maestro de las mitocondrias es la enzima AMPK»

Pero esto no sirve de excusa: uno puede aumentar la cantidad de mitocondrias haciendo ejercicio.

¿Cómo evolucionó todo esto?

«El mecanismo de fosforilación oxidativa es bien comprendido, pero la evolución de las proteínas involucradas no lo es»

escribía un equipo de tres científicos de Alaska y Canadá en un artículo titulado «Positive Darwinian Selection in the Piston That Powers Proton Pumps in Complex I of the Mitochondria of Pacific Salmon [Selección darwinista positiva en el pistón que propulsa las bombas protónicas en el Complejo I de las mitocondrias del salmón del Pacífico]» (PLoS ONE 6[9]: e24127. doi:10.1371/journal.pone.0024127).

De modo que decidieron abordar esta cuestión. Los lectores podrán recordar el asombroso descubrimiento de que el Complejo I usa un mecanismo de pistón y biela para bombear protones en la cadena de transportes de electrones (Tu locomotora interna, a descubierto, El motor a pistones se añade al motor giratorio en las células).

Ahora, Garvin, Bielawski y Gharrett buscaban datos de una selección darwinista positiva para estos pistones en los salmones, pero, ¿es su respuesta un cuento de pescadores? En un sentido, sí; sólo buscaron evolución dentro de un tipo de pez:

«Estos datos implican al Complejo I, específicamente al brazo ND5 del pistón, donde conecta las bombas protónicas, como importante en la evolución del salmón del Pacífico»

No intentan explicar de dónde procedieron los pistones en primer lugar; sólo analizaron unos cambios ligeros en las secuencias de aminoácidos en las proteínas para una parte del Complejo I entre especies de salmón, que atribuyeron a «selección positiva» (a selección natural actuando para un cambio positivo en función, o innovación).

Incidentalmente, señalaban algunos datos interesantes acerca de las mitocondrias. Los genes de las mitocondrias tienden a acumular mutaciones con mayor rapidez que los genes del núcleo.

«Antes se pensaba que la tasa diferencial se debía a la falta de una actividad de corrección de errores por parte de la ADN polimerasa mitocondrial. … pero trabajos recientes sugieren que la maquinaria de replicación sí que realiza la corrección de errores», dicen. «Una teoría actual postula que especies de radicales libres o de oxígeno reactivo, que son subproductos de la producción de superóxidos por parte de complejos del sistema de fosforilación oxidativa, causan daños al ADN mitocondrial (ADNmt) y producen un ritmo más elevado de mutaciones.»

Las mutaciones malas, admiten ellos, tienen consecuencias desastrosas para la salud humana, pero luego asumen la recíproca:

«Sigue de ello que otras mutaciones pueden tener efectos benéficos sobre el metabolismo y con ello afectar positivamente a la aptitud»

Esto es una falacia lógica; otras mutaciones podrían ser simplemente neutrales. Que algunos accidentes causen perjuicios a los ordenadores no significa que otros accidentes vayan a tener efectos beneficiosos. Los autores ofrecían algunas débiles pruebas empíricas para tratar de apoyar tal declaración, unas pruebas que ellos mismos admiten que queda contrarrestada por otras.

¿Han encontrado entonces pruebas de una selección darwinista positiva? ¿Aparece alguna nueva función o mejora de función en los salmones debido a mutaciones en el ADN mitocondrial? (Recordemos, sólo estaban examinando el brazo del pistón en el Complejo I de un sistema de cinco máquinas.) En realidad, no. Usaron modelos, análisis bayesiano y métodos filogenéticos para ver si las mutaciones diferían de lo que sería de esperar si fuesen puramente al azar o debido a deriva neutra, y si unas sustituciones no sinónimas superaban a las sinónimas (una sustitución sinónima produce el mismo aminoácido). Luego intentaron ver si las mutaciones ocurrían en partes funcionalmente importantes del brazo del pistón del Complejo I que estaban estudiando. De las siete sustituciones candidatas que encontraron, sólo dos eran a largo plazo, decían. También observaban que su estudio era sólo el tercero de su clase (la búsqueda de selección positiva en el genoma de las mitocondrias).

En su sección de Análisis, intentaron poner buena cara ante el mal tiempo.

«Hemos observado que cambios en el pistón y, en consecuencia, el bombeo de protones, pueden haber influido en la aptitud durante la evolución de las especies del salmón del Pacífico»

Pero no dicen que el pez haya mejorado gracias a Darwin. Las mutaciones podrían hacer algo:

«es probable que las mutaciones positivamente seleccionadas influyan en el gradiente electroquímico, que está constituido tanto por un potencial de voltaje y una diferencia en pH»

decían a modo de sugerencia, pero no están dispuestos a decir que realmente ayudaron al salmón a conseguir más energía, y a evitar especies de oxígeno reactivo, y a vivir más tiempo, o a nada en absoluto. De hecho, cualquier relación entre estas siete mutaciones y un beneficio funcional para los peces se tiene que remitir al futuro:

«Cuando esté disponible una estructura a mayor resolución, debería ser posible determinar cuáles de los aminoácidos específicos en el brazo ND5 del pistón interaccionan con cuáles bombas de protones y la naturaleza de los cambios en las interacciones que resultan en los sitios bajo selección positiva», concluyen. «Esto podría proporcionar información para determinar si el brazo del pistón está acoplado de manera más fuerte o floja a las bombas y por ello si el bombeo se hace más o menos eficiente por las sustituciones de aminoácidos»

Tan poco es lo que realmente se ha conseguido aprender de este ejercicio evolutivo. De hecho, lo dicen explícitamente:

«No es posible en este momento correlacionar los sitios seleccionados de los aminoácidos con la historia del salmón del Pacífico»

Para conseguir tal cosa, alguien tendría que realizar estudios de campo:

«Estudios empíricos que estableciesen diferencias funcionales entre especies haría posible esta relación»

Quizá alguien debería usar el salmón bajo condiciones controladas y comparar su actividad oxidativa. Incluso en tal caso, siguen siendo salmones, y parecen estar bien cómodos en sus hábitats. [Nota: los creacionistas no presentan dificultades acerca de la diversificación del salmón a partir de un tipo creado original, de modo que estas conclusiones, incluso si diesen apoyo a la selección positiva, no darían un criterio respecto a la controversia creación/evolución.]

Pero el golpe de gracia aparece en los dos últimos párrafos. A pesar de su jactancia de que

«Nuestro descubrimiento de la selección positiva en una proteína crucial para el metabolismo energético establece una relación explícita entre la evolución molecular, la función proteínica y la respiración»

acababan de dejar saltar la liebre en el párrafo anterior:

«Nuestro SCA identificó regiones potencialmente importantes dentro de la proteína ND5 con respecto a los sitios bajo selección. Sin embargo, esta puede haber sido simplemente una señal filogenética, y no pudimos identificar sitios específicos que estuviesen acoplados a los sitios positivamente seleccionados con ninguna certidumbre»

Comentario Editorial: 

¡Será posible! ¿Acabamos de reseñar todo el artículo para quedarnos con las manos vacías? Parece que nos encontramos con los funcionarios del tópico: muchas palabras, mucho papel, y poca sustancia. Han generado páginas repletas de modelos, análisis bayesianos, comparaciones de secuencias, y al final el resultado son siete mutaciones que no pueden relacionar con ninguna mejora en los salmones, excepto que no fueron objeto del proceso de corrección. ¡Y al final nos dicen que no pueden decir nada con seguridad!

Y a lo largo de todos estos ensayos y análisis, las maravillas de las mitocondrias y de los salmones les estaban hablando a gritos. El salmón del Pacífico transforma sus alimentos en energía a través de una compleja serie de máquinas moleculares dentro de un orgánulo que contiene información genética que es objeto de transcripción, traducción, copia y de un proceso de corrección por otras máquinas moleculares. La ATP sintasa, la última máquina en la cadena respiratoria, es un maravilloso motor giratorio irreduciblemente complejo, que bombea ATP a todo trapo y sin parar (véase El motor giratorio más pequeño en los seres vivos, etc.). Luego los peces toman esta enegía derivada de la ATP y «husmean» su ruta kilómetros y kilómetros de río arriba, saltando cataratas con toda esta energía química, hasta encontrar el punto exacto donde sus padres los desovaron años atrás. Estas maravillas gritan «¡DESIGNIO!» —pero empecinados en negarlo, los darwinistas, concentrados en unos pocos pares de bases en una enzima de la maquinaria, se dedican a buscar pequeños indicios de diminutos cambios que pudieran vindicar a Charles Darwin frente a las montañas de evidencia contra su tesis. Esperamos que otros científicos usen la ATP en sus cerebros para objetivos más nobles.

Publicación Original:

Creation Evolution Headlines – Mighty Mitochondria Conduct Energy Exquisitely

Agradecimientos:

Fuente de la noticia: http://www.creacionismo.net/genesis/Art%C3%ADculo/las-poderosas-mitocondrias-%E2%80%94-exquisitas-conductoras-de-energ%C3%ADa