Las mitocondrias, a menudo descritas como la "potencia" de la célula, son orgánulos esenciales cuyo funcionamiento es de suma importancia para la homeostasis celular. En condiciones normales, generan ATP a partir de azúcares y ácidos grasos, y es en ellas donde convergen vías de degradación de aminoácidos y esqueletos de carbono. Más allá de la producción de energía, las mitocondrias condicionan procesos básicos como la síntesis de ADN. Sin embargo, no son organelos estables y pueden ser blanco del estrés oxidante y la sobrecarga de iones Ca2+, lo que puede llevar a daño y disfunción.
La Levadura Saccharomyces cerevisiae como Modelo de Estudio Mitocondrial
La levadura del pan, Saccharomyces cerevisiae, ha sido utilizada durante miles de años en fermentaciones para obtener productos como pan, vino y cerveza. Se ha encontrado que los mecanismos de funcionamiento de la levadura son muy similares a los de los seres humanos, lo que la convierte en un organismo modelo atractivo en la investigación científica. A diferencia de las bacterias, las levaduras y las células humanas son células eucariotas más evolucionadas. S. cerevisiae tiene 16 cromosomas y, en condiciones óptimas, se divide en 90 minutos, lo que proporciona una gran ventaja para observar rápidamente los efectos de diversos cambios experimentales.
La levadura es particularmente valiosa para el estudio de las mitocondrias debido a su naturaleza facultativa; puede crecer incluso con mitocondrias disfuncionales o en ausencia de oxígeno, algo imposible en organismos eucariotas superiores. Esta característica permite a los investigadores manipular su genoma y estudiar procesos mitocondriales que serían letales en células de mamíferos.
Funciones de las Mitocondrias en la Levadura
En condiciones totalmente aeróbicas y con baja concentración de azúcar, las mitocondrias de la levadura contienen las vías responsables de generar energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP), a través del ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones en el proceso llamado fosforilación oxidativa. El número de mitocondrias se correlaciona con el nivel de actividad metabólica de la célula. Tienen entre 1 y 10 µm de largo y están rodeadas por una doble membrana. La membrana externa es lisa, mientras que la interna es enrevesada, con pliegues llamados crestas. Algunos pasos de la respiración celular ocurren en las crestas, otros en la matriz de la mitocondria.
Aunque su función principal es la liberación de energía durante la respiración aeróbica, las mitocondrias en la levadura también realizan funciones importantes durante el crecimiento anaeróbico, incluyendo:
- Síntesis y desaturación de ácidos grasos y lípidos.
- Biosíntesis de ergosterol.
- Respuestas al estrés y adaptación al estrés.
- Síntesis de aminoácidos, incluida la valina.
- Movilización de glucógeno.
- Producción de algunos componentes del sabor, como dicetonas vecinas (diacetil y 2,3-pentano-diona).
Sin embargo, durante la fermentación, la levadura experimenta una reducción de oxígeno, lo que puede hacer que las mitocondrias sean redundantes. En estas condiciones, pueden perder el número de crestas y su eficiencia se reduce, convirtiéndose en "pro-mitocondrias", lo que puede conducir a "mutantes Petite", deficientes respiratorias que aparecen como pequeñas células de levadura y que a menudo producen sabores desagradables.
El Poro de Transición de la Permeabilidad Mitocondrial (PTP)
El Poro de Transición de la Permeabilidad Mitocondrial (PTP) es una estructura crucial cuya disfunción está ligada a diversas patologías. En mitocondrias de mamíferos, el PTP es un canal inespecífico de identidad desconocida. Los estudios para elucidar su estructura proteica han sido escasos debido a la dificultad de generar organismos mutantes carentes de poro. En este contexto, la levadura Saccharomyces cerevisiae constituye una alternativa invaluable, ya que presenta un poro mitocondrial de características similares al de mamíferos.
El daño por isquemia-reperfusión (DIR), por ejemplo, involucra al PTP. Durante un DIR, la inactividad de la cadena respiratoria produce un incremento en la disponibilidad del radical semiquinona, que reduce parcialmente moléculas de O2 para la generación de especies reactivas de oxígeno (ERO). Las EROs favorecen la peroxidación de lípidos y proteínas, originando un cambio en la permeabilidad de las membranas mitocondriales. La apertura del PTP desencadena el transporte masivo de iones y moléculas a través de la membrana interna mitocondrial, lo que puede llevar al hinchamiento, despolarización y ruptura del organelo, causando muerte celular.
Similitudes del PTP en Levaduras y Mamíferos
Las mitocondrias aisladas de S. cerevisiae presentan un PTP que fue caracterizado hace décadas, sentando las bases de su probable función, regulación y estructura. Se ha demostrado que el PTP de levadura (yPTP) tiene dimensiones similares al PTP de mamíferos. A pesar de algunas diferencias, como la falta de inducción por Ca2+ en levadura a menos que se añada un ionóforo, estas similitudes resaltan el potencial de la levadura como modelo para el estudio de patologías mitocondriales en mamíferos, incluyendo el DIR y las distrofias musculares.
Un ejemplo de las ventajas que ofrece S. cerevisiae es su capacidad para crecer con mitocondrias carentes de proteínas esenciales para la fosforilación oxidativa. Esto permite evaluar la pérdida de sensibilidad a inhibidores reportados para ambos poros, como el Mg2+, mersalil y mastoparan, en levaduras mutantes nulas de probables componentes del yPTP.
La investigación en levaduras ha sido crucial para determinar el sitio de interacción de efectores del PTP. Por ejemplo, experimentos con una cepa mutante nula de PiC (acarreador de fosfato) en S. cerevisiae permitieron elucidar que tanto el fosfato como el mersalil perdían sus efectos antagonistas y agonistas del yPTP respectivamente, sugiriendo que el sitio de unión de ambas moléculas es a nivel del PiC.
Un Avance Clave: El Gen ScURA y la Síntesis de Nucleótidos
La síntesis de nucleótidos, los componentes básicos del ADN y el ARN, es esencial para la división y el crecimiento celular. En la mayoría de las células animales, este proceso depende estrechamente del correcto funcionamiento de las mitocondrias. Cuando la respiración mitocondrial falla, una situación frecuente en enfermedades mitocondriales y en determinados tipos de cáncer, las células pierden la capacidad de proliferar con normalidad.
Un reciente estudio internacional, liderado por José Antonio Enríquez del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares (CNIC) y del CIBER de Fragilidad y Envejecimiento Saludable (CIBERFES), ha revelado que esta dependencia no es irreversible. El equipo descubrió que una enzima presente en levaduras contribuye a la producción de ADN y ARN en mitocondrias que tienen la cadena respiratoria alterada. Este avance, publicado en Nature Metabolism, rompe con la percepción de que la dependencia de la síntesis de nucleótidos del funcionamiento mitocondrial es inquebrantable.
Desacoplamiento de la Síntesis de Nucleótidos
Basándose en la observación de que la levadura Saccharomyces cerevisiae puede sobrevivir sin oxígeno mediante rutas metabólicas alternativas, el equipo identificó una enzima en la levadura capaz de sostener la síntesis de nucleótidos sin depender de la respiración mitocondrial. Esta enzima, a diferencia de la versión humana que está acoplada a la mitocondria, opera en el citosol y utiliza fumarato, un metabolito derivado de los nutrientes, en lugar de oxígeno.
CAPÍTULO 2 Robbins: Mecanismos de lesión celular (⬇️ATP, daño mitocondrial, ⏩Ca++)
El gen ScURA, proveniente de la levadura del pan, fue extraído e insertado en células humanas con fallo mitocondrial. Los resultados fueron concluyentes: las células humanas que expresaban ScURA fueron capaces de seguir produciendo ADN y ARN incluso cuando la cadena respiratoria mitocondrial estaba bloqueada. Estas células tratadas recuperaron la capacidad de proliferar en condiciones de cultivo estándar, como si fueran células sanas, y lo hicieron sin necesidad de uridina añadida en el medio de cultivo, una práctica habitual para compensar defectos mitocondriales.
El estudio indicó que la aplicación de ScURA permite a las células utilizar sus nutrientes de forma más eficaz sin modificar otras funciones celulares esenciales. Andrea Curtabbi, investigador del CNIC y primer autor del trabajo, explicó que "esta herramienta permite separar por primera vez de forma clara los efectos directos de la disfunción mitocondrial sobre la síntesis de nucleótidos de otros efectos secundarios del metabolismo celular".
Implicaciones Terapéuticas
Este hallazgo representa un primer paso significativo para mejorar la vida de las personas que sufren enfermedades relacionadas con las mitocondrias y algunos tipos de cáncer, para los que no existen terapias definitivas. La estrategia de introducir una herramienta genética de la levadura que enseña a las células humanas mecanismos alternativos para fabricar los componentes básicos del material genético, incluso frente a fallos en la cadena respiratoria mitocondrial, abre una nueva vía de investigación. Los autores destacan el potencial de este trabajo para comprender mejor el papel de la mitocondria en enfermedades raras y en cáncer.
La investigación subraya la relevancia de conocer con exactitud qué procesos metabólicos resultan limitantes cuando falla la respiración mitocondrial, lo cual puede permitir el diseño de estrategias terapéuticas más precisas. Los resultados posicionan a ScURA como una herramienta experimental de gran utilidad para separar los efectos de la disfunción mitocondrial sobre la síntesis de componentes esenciales para la vida celular del resto del metabolismo. El grupo encabezado por Enríquez tiene previsto ampliar la investigación a nuevos modelos de enfermedad y optimizar la aproximación para futuros ensayos preclínicos.