generalidad
El ADN mitocondrial, o ADNmt, es el ácido desoxirribonucleico que reside dentro de las mitocondrias, es decir, las orgánulos de las células eucarióticas responsables del proceso celular muy importante de la fosforilación oxidativa.
Sin embargo, también presenta algunas peculiaridades, tanto estructurales como funcionales, que lo hacen único en su tipo. Estas peculiaridades incluyen: la circularidad de la doble cadena de nucleótidos, el contenido de los genes (que es solo de 37 elementos) y la ausencia casi total de secuencias de nucleótidos no codificantes.
El ADN mitocondrial desempeña una función fundamental para la supervivencia celular: produce las enzimas necesarias para la realización de la fosforilación oxidativa.
¿Qué es el ADN mitocondrial?
El ADN mitocondrial, o ADNmt, es el ADN ubicado dentro de la mitocondria .
Las mitocondrias son esos grandes orgánulos celulares, típicos de los organismos eucarióticos, que convierten la energía química contenida en los alimentos en ATP, que es una forma de energía que las células pueden explotar.
RECUERDA SOBRE LA ESTRUCTURA Y FUNCIONAMIENTO DE MITOCONDRI
Tubular, filamentoso o granular, las mitocondrias residen en el citoplasma, ocupando casi el 25% del volumen de este último.
Tienen dos membranas de doble capa de fosfolípidos, una más externa y otra más interna.
La membrana externa, conocida como membrana mitocondrial externa, representa el perímetro de cada mitocondria y posee proteínas de transporte (porinas y no solo), que la hacen permeable a moléculas de 5, 000 daltons o menos.
La membrana más interna, conocida como membrana mitocondrial interna, contiene todos los componentes enzimáticos (o enzimas) y coenzimáticos necesarios para la síntesis de ATP, y delimita un espacio central, llamado matriz .
A diferencia de la membrana más externa, la membrana mitocondrial interna presenta numerosas invaginaciones, las llamadas crestas, que aumentan su área total.
Entre las dos membranas mitocondriales, hay un espacio de casi 60-80 Angstroms (A). Este espacio toma el nombre de un espacio intermembrana . El espacio intermembrana tiene una composición muy similar a la del citoplasma.
La síntesis de ATP, realizada por mitocondrias, es un proceso muy complejo, que los biólogos identifican con el término fosforilación oxidativa .
OFICINA PRECISA DE ADN MITOCONDRIAL Y CANTIDAD
Figura: una mitocondria humana.
El ADN mitocondrial reside en la matriz de las mitocondrias, es decir, en el espacio delimitado por la membrana mitocondrial interna.
Según estudios científicos confiables, cada mitocondria puede contener de 2 a 12 copias de ADN mitocondrial.
Dado el hecho de que, en el cuerpo humano, algunas células pueden contener varios miles de mitocondrias dentro de ellas, el número total de copias de ADN mitocondrial, en una sola célula humana, puede alcanzar incluso 20, 000 unidades.
Nota: el número de mitocondrias en las células humanas varía según el tipo de célula. Por ejemplo, los hepatocitos (es decir, las células hepáticas) pueden contener entre 1.000 y 2.000 mitocondrias cada uno, mientras que los eritrocitos (es decir, los glóbulos rojos) están totalmente libres de ellos.
estructura
La estructura general de una molécula de ADN mitocondrial recuerda la estructura general del ADN nuclear, es decir, el patrimonio genético presente en el núcleo de las células eucarióticas.
De hecho, análogo al ADN nuclear:
- El ADN mitocondrial es un biopolímero que consta de dos cadenas largas de nucleótidos . Los nucleótidos son moléculas orgánicas, resultantes de la unión de tres elementos: un azúcar con 5 átomos de carbono (en el caso del ADN, desoxirribosa ), una base nitrogenada y un grupo fosfato .
- Cada nucleótido del ADN mitocondrial se une al siguiente nucleótido del mismo filamento, por medio de un enlace fosfodiestérico entre el carbono 3 de su desoxirribosa y el grupo fosfato del nucleótido inmediatamente siguiente.
- Las dos cadenas del ADN mitocondrial tienen una orientación opuesta, con la cabeza de una interactuando con el final de la otra y viceversa. Esta disposición particular se conoce como una disposición antiparalela (o orientación antiparalelo ).
- Las dos cadenas de ADN mitocondrial interactúan entre sí, utilizando las bases nitrogenadas .
Específicamente, cada base nitrogenada de cada filamento establece enlaces de hidrógeno con una y solo una base nitrogenada, presente en el otro filamento.
Este tipo de interacción se denomina "emparejamiento de bases nitrogenadas" o "par de bases nitrogenadas".
- Las bases nitrogenadas del ADN mitocondrial son adenina, timina, citosina y guanina .
El emparejamiento en el que estas bases nitrogenadas dan lugar no es aleatorio, sino altamente específico: la adenina interactúa solo con la timina, mientras que la citosina solo interactúa con la guanina.
- El ADN mitocondrial alberga genes (o secuencias de genes). Los genes son secuencias de nucleótidos más o menos largos, con un significado biológico bien definido. En la mayoría de los casos, dan lugar a proteínas.
DETALLES ESTRUCTURALES DEL ADN MITOCONDRIAL
Más allá de las analogías mencionadas, el ADN mitocondrial humano presenta algunas peculiaridades estructurales, que lo distinguen considerablemente del ADN nuclear humano.
En primer lugar, es una molécula circular, mientras que el ADN nuclear es una molécula lineal.
Por lo tanto, tiene 16, 569 pares de bases nitrogenadas, mientras que el ADN nuclear posee la belleza de 3.3 billones.
Contiene 37 genes, mientras que el ADN nuclear parece contener entre 20, 000 y 25, 000.
No está organizado en cromosomas, mientras que el ADN nuclear se subdivide en 23 cromosomas y formas, con algunas proteínas específicas, una sustancia llamada cromatina.
Finalmente, incluye una serie de nucleótidos que participan en dos genes simultáneamente, mientras que el ADN nuclear tiene genes cuyas secuencias de nucleótidos están bien definidas y son distintas entre sí.
origen
El ADN mitocondrial es muy probable que tenga un origen bacteriano .
De hecho, basándose en numerosos estudios independientes, los biólogos moleculares creen que la presencia celular del ADN mitocondrial es el resultado de la incorporación, por células eucariotas ancestrales, de organismos bacterianos independientes, muy similares a las mitocondrias.
Este curioso descubrimiento solo asombró a la comunidad científica en parte, ya que el ADN presente en las bacterias es generalmente un filamento de nucleótidos circulares, como el ADN mitocondrial.
La teoría de que la mitocondria y el ADN mitocondrial tienen un origen bacteriano se denomina " teoría endosimbiótica ", de la palabra " endosimbiosis ". Brevemente, en biología, el término "endosimbiosis" indica una colaboración entre dos organismos, que implica la incorporación de uno dentro del otro, con el fin de obtener una cierta ventaja.
curiosidad
De acuerdo con estudios científicos confiables, en el curso de la evolución, muchos genes bacterianos, presentes en el futuro ADN mitocondrial, habrían cambiado de ubicación, pasando al ADN nuclear.
En otras palabras, al comienzo de la endosimbiosis, algunos genes ahora presentes en el ADN nuclear residían en el ADN de esos organismos bacterianos, que luego se convertirían en mitocondrias.
Para respaldar la teoría de un cambio genético entre el ADN mitocondrial y el ADN nuclear, está la observación de que ciertos genes se derivan del ADN mitocondrial, en algunas especies, y del ADN nuclear, en otras.
función
El ADN mitocondrial produce las enzimas (es decir, las proteínas), necesarias para la correcta realización del delicado proceso de fosforilación oxidativa.
Las instrucciones para la síntesis de estas enzimas residen en los 37 genes que forman el genoma del ADN mitocondrial.
QUÉ CÓDIGO LOS GENES DEL ADN MITOCONDRIAL: LOS DETALLES
Los 37 genes del ADN mitocondrial codifican: proteínas, ARNt y ARNr.
Específicamente:
- 13 codifican para 13 proteínas responsables de la realización de la fosforilación oxidativa.
- 22 código para 22 moléculas de ARNt
- Código 2 para 2 moléculas de ARNr
Las moléculas de ARNt y ARNr son fundamentales para la síntesis de las 13 proteínas antes mencionadas, ya que componen la maquinaria que regula su producción.
Entonces, en otras palabras, el ADN mitocondrial tiene la información para producir un cierto conjunto de proteínas y las herramientas necesarias para la síntesis de esta última.
¿Qué son ARN, ARNt y ARNr?
El ARN, o ácido ribonucleico, es el ácido nucleico que desempeña un papel fundamental en la generación de proteínas, a partir del ADN.
Generalmente de una sola cadena, el ARN puede existir en varias formas (o tipos), dependiendo de la función específica a la que está delegado.
El ARNt y el ARNr son dos de estas formas posibles.
El ARNt se usa para agregar aminoácidos durante el proceso de creación de proteínas. Los aminoácidos son las unidades moleculares que componen las proteínas.
El ARNr forma los ribosomas, es decir, las estructuras celulares en las que se encuentra la síntesis de proteínas.
Para obtener más información sobre el ARN y sus funciones, los lectores pueden hacer clic aquí.
DETALLES FUNCIONALES DEL ADN MITOCONDRIAL
Desde un punto de vista funcional, el ADN mitocondrial tiene algunas características peculiares que lo distinguen claramente del ADN nuclear.
Aquí es en qué consisten estas características peculiares:
- El ADN mitocondrial es semiindependiente, en el sentido de que requiere la intervención de algunas proteínas sintetizadas a partir del ADN nuclear.
Por otro lado, el ADN nuclear es completamente autónomo y produce para sí mismo todo lo que necesita para realizar sus tareas correctamente.
- El ADN mitocondrial tiene un código genético que es ligeramente diferente del ADN nuclear . Esto conduce a una serie de diferencias en la producción de proteínas: si una determinada secuencia de nucleótidos en el ADN nuclear conduce a la creación de una determinada proteína, la misma secuencia en el ADN mitocondrial conduce a la formación de una proteína ligeramente diferente.
- El ADN mitocondrial tiene muy pocas secuencias de nucleótidos no codificantes, es decir, no producen ninguna proteína, ARNt o ARNr. En términos porcentuales, solo el 3% del ADN mitocondrial no está codificado.
Por el contrario, el ADN nuclear tiene solo un 7% de codificación, por lo tanto, contiene un gran número de secuencias de nucleótidos no codificantes (hasta un 93%).
Tabla: resumen de las diferencias entre el ADN mitocondrial humano y el ADN nuclear humano. | |
ADN mitocondrial | ADN nuclear |
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herencia
La herencia del ADN mitocondrial es estrictamente materna .
Esto significa que, en un par de padres, es la mujer la que transmite el ADN mitocondrial a la descendencia (es decir, los hijos).
De una manera completamente opuesta a la mencionada, la herencia del ADN nuclear es mitad materna y mitad paterna. En otras palabras, ambos padres contribuyen igualmente a la transmisión de ADN nuclear en la descendencia.
Tenga en cuenta: la herencia materna del ADN mitocondrial también implica la estructura mitocondrial. Así, las mitocondrias presentes en un individuo son sobre una base materna.
Enfermedades asociadas
Premisa: una mutación genética es un cambio permanente en la secuencia de nucleótidos, que constituye un gen de ADN nuclear o mitocondrial.
En general, la presencia de una mutación genética conduce a una alteración o pérdida de la función normal del gen involucrado.
La presencia de mutaciones en los genes del ADN mitocondrial puede determinar una amplia gama de patologías, que incluyen:
- Neuropatía óptica hereditaria de Leber
- Síndrome de Kearns-Sayre
- Sindrome de leigh
- Deficiencia de citocromo C oxidasa
- Oftalmoplejía externa progresiva
- Síndrome de Pearson
- Encefalomiopatía mitocondrial con acidosis láctica y episodios similares a apoplejías (síndrome de MELAS)
- Diabetes con sordera de transmisión materna.
- Epilepsia mioclónica con fibras rojas irregulares.
Con respecto a las condiciones patológicas relacionadas con una o más mutaciones del ADN mitocondrial, se deben señalar dos aspectos.
Primero, la gravedad del estado mórbido depende de la relación cuantitativa entre el ADN mitocondrial mutado y el ADN mitocondrial normal y sano. Si el número de ADN mitocondriales mutados es mucho mayor que el del ADN sano, la condición resultante será más grave.
En segundo lugar, las mutaciones del ADN mitocondrial tienen efectos solo en algunos tejidos del organismo, en particular en aquellos que requieren grandes cantidades de ATP derivadas del proceso de fosforilación oxidativa. Esto es bastante comprensible: sufrir más que un mal funcionamiento del ADN mitocondrial son las células que más necesitan la función para la cual el ADN mitocondrial se desempeña normalmente.
NEUROPATÍA ÓPTICA HEREDITARIA DE LEBER
La neuropatía óptica heredada de Leber surge debido a la mutación de hasta cuatro genes de ADN mitocondrial. Estos genes contienen la información que conduce a la síntesis del llamado complejo I (o NADH óxido-reductasa), una de las diversas enzimas involucradas en el proceso de fosforilación oxidativa.
Las manifestaciones de la enfermedad consisten en una degeneración progresiva del nervio óptico y una pérdida gradual de la visión.
SÍNDROME DE KEARNS-SAYRE
El síndrome de Kearns-Sayre aparece debido a la falta de una parte discreta del ADN mitocondrial (NB: la falta de una determinada secuencia de nucleótidos se denomina deleción ).
Aquellos que sufren del síndrome de Kearns-Sayre desarrollan oftalmoplejía (es decir, una parálisis total o parcial de los músculos oculomotores), una forma de retinopatía y anomalías del ritmo cardíaco (bloqueo atrioventricular).
SÍNDROME DE LEIGH
El síndrome de Leigh ocurre después de mutaciones en el ADN mitocondrial, que pueden afectar la proteína ATP-sintasa (también llamada complejo V) y / o algunos ARNt.
El síndrome de Leigh es una enfermedad neurológica progresiva que ocurre durante la infancia o la infancia y es responsable de: retraso del desarrollo, debilidad muscular, neuropatía periférica, trastornos motores, dificultades respiratorias y oftalmoplejía.
DEFICITO DE CITOCROMO C OSSIDASI
La deficiencia de citocromo C oxidasa se debe a la mutación de al menos 3 genes de ADN mitocondrial. Estos genes son esenciales para la correcta síntesis de la enzima citocromo C oxidasa (o complejo IV), involucrada en el proceso de fosforilación oxidativa.
Las manifestaciones típicas de la deficiencia de citocromo C oxidasa consisten en: disfunción del músculo esquelético, disfunción cardíaca, disfunción renal y disfunción hepática.
PROGRESIVO EXTAL DE LA SALMOPLEGIA
La oftalmoplejía externa progresiva surge de la falta de un número sustancial de nucleótidos de ADN mitocondrial (deleción)
A partir del carácter progresivo (como se puede adivinar por el nombre), esta patología causa parálisis de los músculos oculomotores, lo que resulta en ptosis y problemas visuales significativos.
SÍNDROME DE PEARSON
El síndrome de Pearson aparece después de una eliminación conspicua del ADN mitocondrial, similar a la oftalmoplejía externa progresiva y al síndrome de Kearns-Sayre.
Las manifestaciones típicas del síndrome de Pearson consisten en: anemia sideroblástica, disfunción pancreática (por ejemplo, diabetes dependiente de la insulina), déficits neurológicos y trastornos musculares.
Típicamente, el síndrome de Pearson causa la muerte del sujeto afectado a una edad temprana. Con poca frecuencia, los afectados por esta patología alcanzan la edad adulta.
SÍNDROME DE MELAS
El síndrome MELAS, también conocido como encefalomiopatía mitocondrial con acidosis láctica y episodios similares a apoplejías, se produce debido a la mutación de al menos 5 genes de ADN mitocondrial.
Estos genes contribuyen a la síntesis de la NADH óxido-reductasa, o complejo I, y algunos ARNt.
El síndrome de MELAS involucra la presencia de trastornos neurológicos, trastornos musculares, acumulación inusual de ácido láctico en los tejidos (con todos los síntomas que siguen), problemas respiratorios, pérdida de control de las funciones intestinales, fatiga recurrente, problemas renales, problemas cardíacos, diabetes, epilepsia y falta de coordinación.
Otras patologías
Según varios estudios científicos, incluso enfermedades como el vómito cíclico, la retinitis pigmentosa, la ataxia, la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer, verían la participación del ADN mitocondrial y algunas de sus mutaciones.
