Revelando el centro neurálgico del interior de la célula en el que nunca habías pensado: las mitocondrias
En el proceso mágico de la evolución natural de la vida en la naturaleza, desde células individuales hasta organismos multicelulares, desde vertebrados marinos hasta reptiles terrestres, evolucionó hasta convertirse en humanos que caminaban erguidos y finalmente formó la forma extrema de los seres humanos. Sistemas vivos complejos.
En el proceso de evolución humana, muchos microorganismos del entorno biológico han sido absorbidos por el sistema de vida humano y se han convertido en parásitos del cuerpo humano. Las mitocondrias, o telómeros, son un tipo de célula parásita que se encuentra en la mayoría de las células de los órganos del cuerpo humano.
Las mitocondrias o mitocondrias o telómeros son orgánulos semiautónomos contenidos en las células eucariotas. Tienen una estructura en forma de saco compuesta por una doble membrana que mira hacia la cavidad. Su función principal es liberar gradualmente la energía almacenada en los productos de descomposición de los alimentos a través de la respiración para satisfacer las necesidades de diversas actividades de las células del cuerpo, por lo que se la conoce como la "central eléctrica".
Las mitocondrias fueron nombradas por primera vez por el erudito alemán C. Benda en 1897. Mitocondria se deriva de la palabra griega mito (hilo) condria (partícula).
La imagen de arriba es una célula mitocondrial en una célula pancreática. Tiene una membrana externa y crestas mitocondriales con pliegues basales profundos, que se expanden hacia la matriz mitocondrial. Las reacciones químicas de las células mitocondriales para producir energía ocurren. las crestas mitocondriales.
Las mitocondrias (mitocondrias) son las máquinas biológicas más complejas de las células humanas, y también son las más sorprendentes. Originalmente sabíamos que las mitocondrias están relacionadas con la esperanza de vida humana. En términos generales, las mitocondrias más largas significan una vida más larga, y existe una correlación positiva.
Ahora, más investigaciones del Instituto Howard Hughes de la Facultad de Medicina de Harvard han descubierto que cuando las mitocondrias funcionan normalmente, proporcionarán al cuerpo humano suficiente energía para que las células humanas la consuman; cuando las mitocondrias funcionan de manera anormal, lo harán; puede provocar trastornos neurodegenerativos en cascada, diabetes, cáncer, respuestas inmunitarias alteradas e incluso envejecimiento acelerado. (implicado en trastornos neurodegenerativos, diabetes, cáncer, respuesta inmune alterada e incluso envejecimiento)
Las mitocondrias producen energía metabólica al oxidar carbohidratos, proteínas y ácidos grasos. Durante las reacciones químicas de la cadena respiratoria de cinco pasos, los orgánulos mitocondriales capturan oxígeno y trabajan con glucosa y ácidos grasos para crear el complejo químico orgánico trifosfato de adenosina (ATP), que sirve como combustible para el funcionamiento del cuerpo.
Las reacciones químicas de la ahora reconocida cadena respiratoria de cinco pasos liberan energía. Está formado por cuerpos de transferencia de electrones y cuerpos de transferencia de hidrógeno, la mayoría de los cuales son proteínas con grupos protésicos. Estos grupos protésicos sufren reacciones redox añadiendo o eliminando electrones o átomos de hidrógeno (electrones + protones). El NADH o FAD proporcionado por el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o la oxidación de los ácidos grasos ingresa a la cadena respiratoria y finalmente se combina con el oxígeno mediante la transferencia de electrones y H+. A medida que los electrones pasan por la cadena respiratoria, se libera energía gradualmente. La mayor parte de la energía liberada se convierte rápidamente en ATP, un proceso llamado fosforilación oxidativa.
Los principales componentes de la cadena respiratoria son: ① deshidrogenasa unida a piridina-nucleótido, ② flavoproteína, ③ proteína hierro-azufre, ④ coenzima Q, ⑤ citocromo (incluido el citocromo a, b, c categoría tres) . Existen diferentes opiniones y dudas sobre el orden actual de los componentes de la cadena respiratoria, y es posible que no sean del todo correctas.
Las células del cuerpo también pueden producir energía a base de glucógeno de forma rápida y cómoda mediante el proceso anaeróbico llamado glucólisis sin la ayuda de orgánulos mitocondriales, pero es demasiado bajo. Los orgánulos mitocondriales pueden producir 15 veces la energía que utilizan las células humanas al oxidar y catalizar el mismo glucógeno.
Se cree que esta ventaja en la conversión de energía se desarrolló hace mil millones o 1,5 mil millones de años.
Existe cuando una sola bacteria de vida libre ingresa a un órgano de una sola célula con un núcleo para formar un organismo vivo y próspero. Las bacterias que entraron en el núcleo del órgano unicelular ahora son mitocondrias, que se han convertido en orgánulos en el núcleo.
Esta relación única existe no sólo en todas las células animales, sino también en todas las células vegetales y fúngicas. (Plantas y hongos)
Este tipo de relación biológica también trae desventajas. Así como al abrir una ventana entra aire fresco, también pueden entrar moscas, mosquitos y malos olores. Algunas enfermedades humanas, como la artritis de Lyme, el tifus y las infecciones por clamidia, están relacionadas con esto y se denominan enfermedades mitocondriales. Por ejemplo, las tetraciclinas (antibióticos) son inofensivas para las personas sanas, pero se debe evitar con precaución a las personas con enfermedades mitocondriales.
①El primer caso documentado de enfermedad mitocondrial
En mayo de 1958, una mujer sueca de 30 años acudió al hospital Karolinskarov, cerca de la clínica Rolf Luft, (Rolf Luft). médicos que siempre sintió una fiebre constante en su cuerpo. Según los registros, la paciente le dijo al médico que comenzó a tener este síntoma cuando tenía 7 años. Había visitado a muchos médicos, pero se desconocía la causa.
Luft midió la temperatura interna y cutánea de la paciente y observó que aunque seguía comiendo, la paciente seguía delgada y sin ganar peso. Necesita beber grandes cantidades de agua constantemente debido a la pérdida de líquidos provocada por la sudoración excesiva. Aunque el paciente suele encontrarse en un estado letárgico (tasa metabólica basal letárgica), la tasa metabólica basal del paciente sigue siendo el doble que la de las personas normales y la frecuencia cardíaca supera los 100 latidos por minuto.
Luft examinó la biopsia del músculo esquelético del paciente y descubrió que había acumulaciones anormalmente grandes y excesivas de orgánulos mitocondriales en las crestas mitocondriales de las células del paciente.
¿Por qué el paciente siempre siente calor? Puede deberse a que los orgánulos mitocondriales que exceden la densidad y el tamaño normales producen más energía celular y la liberan en el cuerpo.
Al final, Luft estaba perdido. No sabía cómo mejorar los síntomas de la enfermedad mitocondrial del paciente y reducir la eficiencia del calentamiento mitocondrial. Al final, solo pudo proporcionarle cubitos de hielo. se enfrió y el paciente se quemó hasta morir.
En la naturaleza existe una planta, la col mofeta, que porta un tipo especial de mitocondrias que pueden autocalentarse y aumentar la temperatura de la planta en 30 grados centígrados. El calor de la planta puede derretirla. nieve circundante y suéltela en la mezcla de la planta para atraer a los polinizadores para la polinización. (polinizadores)
② Los investigadores de las mitocondrias se han dado cuenta de que es mejor que las mitocondrias tengan una capacidad de calentamiento moderada, que pueda satisfacer las necesidades energéticas de las células vivas del cuerpo sin quemar demasiado y agotar el cuerpo.
Quizás exista una interacción entre los genes mitocondriales y el medio ambiente durante el proceso de evolución, por lo que se seleccionan mutaciones específicas de genes mitocondriales para adaptarse a entornos especiales, como las canciones apestosas del invierno.
En un estudio de 2005 sobre mitocondrias de animales de laboratorio, los investigadores dieron a un grupo de animales de experimentación mitocondrias la capacidad de correr largas distancias, y a otro grupo le dieron genes mitocondriales para la diabetes, la obesidad y otras enfermedades metabólicas después de 11 generaciones. de la herencia, empezó a fijarse. Once generaciones, equivalentes a 275 años humanos, es sólo un abrir y cerrar de ojos en el proceso evolutivo.
En Estados Unidos, las enfermedades mitocondriales causadas por mutaciones de genes mitocondriales afectan a aproximadamente 50.000 pacientes. Las enfermedades huérfanas, patologías demasiado raras para atraer curas farmacéuticas impulsadas por el mercado, son fatales para los pacientes y desconcertantes para los médicos. Porque incluso si se hacen pruebas genéticas a los mismos dos pacientes con defectos mitocondriales, uno puede tener problemas de visión y audición, neurodegeneración, enfermedad del músculo cardíaco y dificultad para tragar, el otro puede tener solo problemas de visión y otros sistemas de órganos están bien;
Debido a que todos los tejidos de nuestro cuerpo tienen células mitocondriales que producen energía para las células del cuerpo, una vez que su proteoma mitocondrial es defectuoso (proteoma mitocondrial), algunos órganos del cuerpo se verán afectados.
Estas enfermedades mitocondriales se denominaron originalmente síndromes de herencia materna (síndromes heredados por la madre), porque el ADN mitocondrial se hereda exclusivamente de la madre. Esta inferencia se remonta al ancestro materno más común de los humanos, la mitocondria Eva. (Eva mitocondrial)
Con el desarrollo de la ciencia genética, la gente comprende más acerca de los genes de los orgánulos. Los investigadores creen que muchas enfermedades mitocondriales también se pueden heredar del padre, porque la gran mayoría de las proteínas mitocondriales en realidad lo son. ADN en el núcleo, en lugar de ADN mitocondrial.
Las investigaciones han relacionado los trastornos mitocondriales con una variedad de enfermedades que incluyen diabetes, enfermedades cardíacas, enfermedades de Parkinson y Alzheimer, pérdida de audición y trastornos mentales, incluida la depresión.
Con el desarrollo de la investigación mitocondrial, los investigadores han descubierto que las mitocondrias tienen una gran cantidad de funciones además de producir energía.
Los genes mitocondriales, como componentes codificantes de las proteínas, son las principales unidades funcionales de las mitocondrias en las células. La secuenciación del genoma mitocondrial en 1981 reveló que había 13 proteínas (el ADNmt codifica sólo 13 proteínas), lo que no podía explicar tantas enfermedades mitocondriales. Los investigadores saben que las mitocondrias pueden producir más de 1.000 proteínas. ¿Cómo se explica esta brecha?
Se cree que la respuesta está en el curso de la historia evolutiva. Dado que las células mitocondriales entraron en los órganos celulares para parasitar hace mil millones de años, quizás algunos genes se transfirieron de las mitocondrias a las células huésped, que es el núcleo donde existe la mayor parte del ADN. Esta transferencia del genoma mitocondrial deja sólo la esencia de los 16.000 pares de bases en el bloque de ADN original.
En comparación con formas ancestrales de mitocondrias y parientes vivos como la bacteria Rickettsia causante del tifus, que tiene 1 millón de pares de bases, las mitocondrias el genoma es muy pequeño.
Combinados con el ADN en el núcleo de cada célula, estos genes antiguos producen dos tercios de las proteínas mitocondriales. El otro tercio es la invención de bacterias y células primitivas en proceso de evolución, que ahora permite a las mitocondrias de las células humanas hacer cosas que las bacterias antiguas no podían hacer.
Ahora Vamsi Mootha y su equipo del Hospital General de Harvard y el MIT han publicado en 2008 un mapa de 1.158 genes mitocondriales animales que codifican proteínas de mamíferos, que se actualizó en 2015. El inventario total de proteínas (inventario de proteomas), proteínas mitocondriales en todos los orgánulos, células, tejidos y órganos, se llama MitoCarta. Las mitocondrias y sus células huésped intercambian información mediante la transferencia de calcio. (señalización del calcio) Algunas enfermedades genéticas mitocondriales se pueden descubrir mediante el seguimiento de la señalización del calcio.
① La investigación mitocondrial tradicional se centra en la producción de energía, pero no puede explicar la patogénesis de las enfermedades mitocondriales. Aunque puede explicarse por la falta de energía y el suministro insuficiente de energía, es un poco descabellado.
Algunos de los órganos en los que se encuentra la enfermedad mitocondrial no son necesariamente aquellos con mayores demandas energéticas. Algunos estudios se han centrado en el papel insustituible de las mitocondrias en la regulación de la muerte celular y la apoptosis, incluido su papel en el sistema inmunológico y la señalización celular.
Hace mil millones de años, cuando las primeras células mitocondriales entraron en la célula huésped, el contenido de oxígeno en la atmósfera terrestre era bastante bajo, y luego aumentó gradualmente. La mayoría de la gente piensa que el oxígeno es necesario para la vida. Por otro lado, el oxígeno también es corrosivo. En el mundo biológico, el oxígeno y sus subproductos pueden causar daño oxidativo a las células y provocar el envejecimiento de los núcleos y órganos celulares.
Las mitocondrias son consumidoras de oxígeno. Los investigadores especulan que durante el proceso de evolución biológica, las células huésped pueden haber seleccionado bacterias mitocondriales no sólo para producir energía de manera eficiente, sino también para controlar mejor los efectos secundarios del oxígeno.
La expresión genética normal respalda esta idea.
Cuando el gen activa las mitocondrias, también activa el programa antioxidante. (programas antioxidantes) Estos genes mitocondriales regulan la activación de los niveles de antioxidantes al aumentar el número de mitocondrias. Por ejemplo, si construyes un automóvil desde un motor de seis cilindros en línea hasta un motor V8, necesitarás un convertidor catalítico más grande.
La imagen de arriba muestra las células ováricas. Las amarillas son orgánulos mitocondriales densamente distribuidos. Las células se activan para secretar hormonas.
②Un estudio de 2009 encontró que los suplementos vitamínicos antioxidantes ampliamente utilizados interfieren con el mecanismo de respuesta antioxidante natural de los orgánulos mitocondriales. En el experimento, los participantes se dividieron en cuatro grupos: los que hacían ejercicio y luego tomaban vitaminas antioxidantes, como la vitamina E; los que hacían ejercicio pero no tomaban vitaminas antioxidantes; los que no hacían ejercicio y los que no tomaban vitaminas antioxidantes; hizo ejercicio pero no tomó vitaminas antioxidantes.
Después de unos meses, los dos grupos que hicieron ejercicio eran más saludables que los dos grupos que no lo hicieron. Curiosamente, el grupo que hizo ejercicio y no tomó vitaminas antioxidantes mostró los mayores cambios en la condición física. A través del ejercicio, las células fuera de las mitocondrias también perciben estos estímulos, por lo que el cuerpo se adapta a un estado que es beneficioso para los órganos del cuerpo. La ingesta de vitaminas antioxidantes interfiere con este mecanismo natural de adaptación de las células del cuerpo.
Durante los mil millones de años de evolución mitocondrial, numerosas respuestas adaptativas al estrés han dado lugar a mutaciones en genes mitocondriales que no mataban las células, sino que adoptaban una respuesta de rescate, una serie de química mitocondrial bajo pérdida de presión. . reaccionar para crear energía. En algunos casos, la sobrecarga y el daño de las vías a un subconjunto de orgánulos y células huésped pueden proporcionar beneficios netos a la célula y a todo el órgano.
③Otro ejemplo interesante es el mecanismo compensatorio del cuerpo. (sobrecompensación)
Cuando los diabéticos toman metformina, interferirá con la función mitocondrial normal del cuerpo. Después de tomar metformina, se destruye el primer paso del proceso de cinco pasos de la cadena respiratoria mitocondrial generadora de energía, pero la débil inhibición causada por la metformina puede desencadenar el mecanismo de adaptación del cuerpo en pacientes diabéticos.
Al igual que cuando las personas se vacunan contra los virus, la metformina provoca un efecto hormesis en el organismo, un mecanismo protector compensatorio del organismo. Algunos investigadores han ido más allá y han probado si los efectos hormesis de la metformina pueden retrasar el envejecimiento.
④ Un estudio de prueba de genes mitocondriales de 2014 encontró que las bajas concentraciones de oxígeno atmosférico pueden desencadenar una respuesta en los órganos del cuerpo que puede proteger contra la encefalomielopatía necrotizante subaguda (síndrome de Leigh), una enfermedad del sistema nervioso central. Esta enfermedad puede ser causada por mutaciones en cualquiera de los 75 genes. Los bebés y los niños pequeños de 3 a 16 meses sufrirán insuficiencia respiratoria y morirán.
Cuando los investigadores utilizaron ratones de laboratorio para examinar las enfermedades mitocondriales, los resultados fueron sorprendentes. Un ratón normal vivía dos años, mientras que un ratón con enfermedad mitocondrial vivía sólo 55 días. Cuando el equipo de Mootha redujo la concentración de oxígeno en el aire en un 11 por ciento, equivalente a la de una altitud de 14.000 pies, los investigadores descubrieron que las enfermedades podían prevenirse en primer lugar. Los ratones con enfermedades mitocondriales vivieron hasta un año en aire con bajos niveles de oxígeno.
Incluso ratas de laboratorio que ya estaban al borde de la muerte podrían revivirse limitando su ingesta de oxígeno. Mootha lo llama efecto Lázaro. Por otro lado, tomar demasiado oxígeno puede actuar como veneno y matar a una rata en cuestión de días.
Un ambiente bajo en oxígeno también es muy beneficioso para los humanos. Mootha, al estudiar los efectos sobre la salud del personal del ejército indio estacionado en las mesetas fronterizas a 12.000 y 18.000 pies, informó que el personal que prestaba servicios en áreas de meseta a largo plazo tenía una tasa más alta de infecciones agudas en comparación con aquellos que prestaban servicio en las llanuras. Pero a largo plazo, las personas que viven en grandes altitudes tienen casos significativamente menores de diabetes, accidentes cerebrovasculares, enfermedades cardíacas y deterioro cognitivo.
Los datos de investigaciones en humanos y datos de ratones de laboratorio muestran que demasiado oxígeno es malo para el cuerpo animal. Por lo tanto, a veces el uso de cámaras de oxígeno hiperbárico para complementar el oxígeno especial en los hospitales para tratar enfermedades mitocondriales no sólo es inútil sino también perjudicial. La condición de algunos pacientes empeoró o incluso murieron después de ser tratados en una cámara de oxígeno hiperbárico. Demasiado oxígeno también puede provocar un deterioro mitocondrial y se asocia con una esperanza de vida más corta.
La disminución del número de mitocondrias está relacionada con el envejecimiento, lo que aumenta la probabilidad de que las personas padezcan la enfermedad de Parkinson y diabetes, todo ello debido a una disfunción mitocondrial. Las personas mayores tienen menos mitocondrias y son menos eficientes que los más jóvenes.
Sin embargo, el ejercicio puede aumentar el número y la longitud de las mitocondrias a cualquier edad. Cuando agregas mitocondrias a las células del músculo esquelético, se eliminan los efectos negativos y aumenta la eficiencia general.
En conjunto, los efectos beneficiosos del ejercicio y de una alimentación saludable se ejercen a través de la función mitocondrial.
Las perspectivas futuras de la investigación mitocondrial son atractivas y se puede desarrollar una medicina mitocondrial de precisión. (medicina mitocondrial precisa)
Hay tres aspectos: el primero es realizar un diagnóstico molecular en la sangre extraída; el segundo es analizar los productos del ciclo metabólico de la sangre para determinar la gravedad de la disfunción mitocondrial; En tercer lugar, se pueden desarrollar terapias dirigidas no solo para trastornos mitocondriales raros y fatales causados por mutaciones en genes mitocondriales, sino también para trastornos mitocondriales comunes.
Para las personas que no tienen las condiciones para vivir en zonas de meseta, se podrá desarrollar un tratamiento de hipoxia en el siguiente paso.