ADN mitocondrial: características, funciones, herencia
¿Qué es el ADN mitocondrial?
El ADN mitocondrial es una molécula pequeña de ADN circular que se encuentra en el interior de estos orgánulos en las células eucariotas. Este pequeño genoma codifica para un número muy limitado de proteínas y aminoácidos en el interior de las mitocondrias. Es común encontrar el nombre de “ADN mitocondrial” abreviado en muchos libros de texto y artículos científicos como “ADNmt” o en inglés “mtDNA”.
Las mitocondrias son orgánulos indispensables para las células eucariotas, ya que se encargan de transformar la energía de los alimentos consumida en forma de azúcares en una forma de energía que las células pueden utilizar (ATP, por ejemplo).
Todas las células en los organismos eucariotas tienen al menos una mitocondria en su interior. Sin embargo, hay células como las células musculares del corazón y las del músculo esquelético que pueden tener cientos de mitocondrias en su interior.
Las mitocondrias poseen un aparato de síntesis de proteínas propio e independiente del aparato de la célula, con ribosomas, ARNs de transferencia y una aminoacil ARN transferasa-sintetasa propia del interior del orgánulo; aunque el ARN ribosomal es de menor tamaño que el de la célula que las alberga.
Dicho aparato muestra una gran similitud con el aparato de síntesis de proteínas de las bacterias. Es más, así como en los procariotas, este aparato es extremadamente sensible a los antibióticos, pero muy diferente al de síntesis de proteínas en las células eucariotas.
El término “mitocondria” fue introducido por Benda a finales del siglo XII y la teoría de la “endosimbiosis” es la más aceptada acerca de su origen. Esta fue publicada en 1967 por Lynn Margulis, en la revista Journal of Theoretical Biology.
La teoría de la “endosimbiosis” ubica el origen de la mitocondria millones de años atrás. Se teoriza que un antepasado celular de las células eucariotas “engulló” e incorporó a su metabolismo a un organismo tipo bacteria, lo que posteriormente se convirtió en lo que hoy conocemos como mitocondria.
Características del ADN mitocondrial
En los mamíferos, generalmente todo el genoma que comprende el ADN mitocondrial está organizado en un cromosoma circular de 15.000 a 16.000 pares de nucleótidos o, lo que es lo mismo, de 15 a 16 Kb (kilobases).
En el interior de la mayoría de las mitocondrias se pueden conseguir varias copias del cromosoma mitocondrial. En las células somáticas humanas (células no sexuales) es común encontrar al menos 100 copias del cromosoma mitocondrial.
En las plantas superiores (angiospermas) el ADN mitocondrial suele ser mucho más grande, por ejemplo, en la planta de maíz el cromosoma circular del ADN mitocondrial puede medir hasta 570 Kb.
El ADN mitocondrial ocupa cerca del 1% del ADN total de las células somáticas de la mayoría de los animales vertebrados. Es un ADN muy conservado en el reino animal, caso contrario a lo observado en plantas, en donde existe una amplia diversidad.
En algunas células eucariotas “gigantes” como los óvulos (células sexuales de las hembras) de los mamíferos o en células que contienen muchas mitocondrias, el ADN mitocondrial puede constituir hasta 1/3 del ADN celular total.
El ADN mitocondrial tiene algunas propiedades diferentes al ADN nuclear: tiene una densidad y proporción de pares de bases guanina – citosina (GC) y adenina – timina (AT) diferentes.
La densidad de pares de bases GC en el ADN mitocondrial es de 1,68 g/cm3 y el contenido es de 21%; mientras que en el ADN nuclear esta densidad es de 1,68 g/cm3 y el contenido es de alrededor del 40%.
Funciones
El ADN mitocondrial posee al menos 37 genes que son esenciales para la función normal de la mitocondria. De esos 37, 13 poseen la información para producir las enzimas involucradas en la fosforilación oxidativa.
Estos 13 genes codifican para 13 componentes polipeptídicos de los complejos enzimáticos que pertenecen a la cadena transportadora de electrones y se ubican en la membrana interna de la mitocondria.
A pesar de los 13 polipéptidos que aporta el ADN mitocondrial a la cadena transportadora de electrones, esta se compone de más de 100 polipéptidos diferentes. Sin embargo, estos 13 componentes son esenciales para la fosforilación oxidativa y la cadena transportadora de electrones.
Entre los 13 polipéptidos que son sintetizados a partir del ADN mitocondrial destacan las subunidades I, II y III del complejo citocromo C oxidasa y la subunidad VI de las bombas ATPasas embebidas en la membrana interna del orgánulo.
La información necesaria para la síntesis del resto de los componentes que constituyen a las mitocondrias se encuentra codificado por genes nucleares. Estos son sintetizados en el citoplasma como el resto de las proteínas celulares y luego importados al interior de la mitocondria gracias a señales específicas.
En la fosforilación oxidativa se utilizan átomos de oxígeno y azúcares como la glucosa para la síntesis o formación del adenosín trifosfato (ATP), que es la especie química que utilizan todas las células como fuente de energía.
Los genes mitocondriales restantes poseen las instrucciones para sintetizar ARNs de transferencia (ARNt), ARNs ribosomales y la enzima aminoacil-ARN transferasa-sintetasa (ARNt), necesarios para la síntesis de proteínas en el interior de la mitocondria.
Herencia
Hasta hace relativamente poco tiempo se pensaba que el ADN mitocondrial se transmitía exclusivamente a través de herencia materna, es decir, por descendencia directa desde la madre.
Sin embargo, un artículo publicado por Shiyu Luo y colaboradores en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) en enero de 2019, comprobó que en raras ocasiones se puede heredar ADN mitocondrial de ambos parentales, tanto del padre como de la madre.
Antes de la publicación de este artículo, para los científicos era un hecho que el cromosoma Y y el ADN mitocondrial se heredaban intactos desde el padre y la madre, respectivamente, hacia la descendencia.
La herencia “intacta” de los genes del cromosoma Y de los genes mitocondriales implica que dicho material genético no sufre cambios por recombinación y, con el pasar de los años, solo varían a causa de mutaciones espontáneas, por lo que la variación es bastante baja.
Debido a esto, la mayoría de los estudios de movilización de poblaciones se realizan con base en estos genes, ya que, por ejemplo, resulta sencillo para los genetistas construir árboles genealógicos utilizando el ADN mitocondrial.
Gran parte de la historia de la humanidad se ha reconstruido a través de la historia genética del ADN mitocondrial. Incluso, muchas casas comerciales ofrecen esclarecer el vínculo familiar de cada persona viva con sus antepasados mediante técnicas que estudian dichas características.
Replicación
El primer modelo de replicación del ADN mitocondrial fue propuesto en 1972 por Vinograd y colaboradores y este modelo sigue vigente, con algunos cambios. En líneas generales, el modelo se basa en una replicación unidireccional que comienza en dos orígenes de replicación diferentes.
Los científicos clasifican el cromosoma mitocondrial en dos cadenas diferentes, la cadena pesada, H u OH, del inglés “heavy” y cadena ligera, L, u OL del inglés “light”. Estas son identificadas y localizadas en los dos marcos abiertos de lectura no asignados (URF) en el cromosoma mitocondrial.
La replicación del genoma mitocondrial comienza en la cadena pesada (OH) y continua en una sola dirección hasta producir la longitud completa de la cadena ligera (OL). Posteriormente se unen unas proteínas llamadas “proteínas de unión a ADN monocatenario mitocondrial” para proteger la cadena que funciona como “parental” o “molde”.
Las enzimas encargadas de la separación para que ocurra la replicación (replicosoma) pasan a la banda ligera (OL) y se forma una estructura de bucle que bloquea la unión de las proteínas de unión a ADN monocatenario mitocondrial.
En este bucle se une la ARN polimerasa mitocondrial y comienza la síntesis del nuevo cebador. La transición hacia la síntesis de la cadena pesada (OH) ocurre 25 nucleótidos después.
Justo en el momento de la transición a la cadena pesada (OH), la ARN polimerasa mitocondrial es reemplazada por la ADN polimerasa replicativa de la mitocondrias en el extremo 3’, en donde comenzó la replicación inicialmente.
Finalmente, la síntesis de ambas cadenas, tanto de la pesada (OH) como de la ligera (OL) procede de forma continua hasta que se forman dos moléculas circulares completas de ADN bicatenario (doble cadena).
Enfermedades relacionadas
Son muy numerosas las enfermedades relacionadas con un mal funcionamiento del ADN mitocondrial. La mayoría se producen a causa de mutaciones que dañan la secuencia o la información contenida en el genoma.
Pérdida de la audición relativa con el incremento de la edad
Una de las enfermedades mejor estudiadas que se ha relacionado directamente con cambios en el genoma del ADN mitocondrial, es la pérdida de la audición por el incremento de la edad.
Esta condición es producto de factores genéticos, ambientales y del estilo de vida. A medida que las personas comienzan a envejecer, el ADN mitocondrial acumula mutaciones dañinas, como eliminaciones, translocaciones, inversiones, entre otras.
Los daños en el ADN mitocondrial son causados principalmente por la acumulación de especies reactivas de oxígeno, estos son subproductos de la producción de energía en las mitocondrias.
El ADN mitocondrial es especialmente vulnerable a los daños, ya que no posee un sistema de reparación. Por lo tanto, los cambios causados por las especies reactivas de oxígeno dañan al ADN mitocondrial y hace que funcione mal el orgánulo, causando la muerte celular.
Las células del oído interno tienen una alta demanda de energía. Esta demanda hace que sean especialmente sensibles a los daños en el ADN mitocondrial. Estos daños pueden alterar de forma irreversible la función del oído interno, conduciendo a una pérdida total de la audición.
Cánceres
El ADN mitocondrial es especialmente sensible a las mutaciones somáticas, mutaciones que no son heredadas de los padres. Este tipo de mutaciones ocurren en el ADN de algunas células a lo largo de la vida de las personas.
Existe evidencia que vincula las alteraciones del ADN mitocondrial producto de mutaciones somáticas con ciertos tipos de cáncer, tumores en las glándulas mamarias, en el colon, en el estómago, en el hígado y en el riñón.
Las mutaciones en el ADN mitocondrial también se han asociado con cáncer en la sangre como la leucemia, y los linfomas (cáncer de las células del sistema inmune).
Los especialistas relacionan a las mutaciones somáticas en el ADN mitocondrial con un aumento en la producción de las especies reactivas de oxígeno, factores que incrementan el daño en el ADN mitocondrial y crean un descontrol en el crecimiento celular.
Existe poco conocimiento acerca de cómo estas mutaciones incrementan la división celular no controlada de las células y cómo terminan de desarrollarse como tumores cancerosos.
Síndrome de vómitos cíclicos
Algunos casos en que se producen vómitos cíclicos, típicos de la infancia, se cree que pueden estar relacionados con mutaciones en el ADN mitocondrial. Estas mutaciones causan episodios recurrentes de náuseas, vómitos y cansancio o letargo.
Los científicos asocian estos episodios de vómito con que las mitocondrias con el ADN mitocondrial dañado pueden afectar a ciertas células del sistema nervioso autónomo, afectando funciones como la frecuencia cardiaca, la presión arterial y la digestión.
A pesar de estas asociaciones aún no se sabe de forma certera cómo los cambios del ADN mitocondrial causan los episodios recurrentes del síndrome de vómitos cíclicos.
Referencias
- Clayton, D. (2003). Mitochondrial DNA replication: what we know. IUBMB life, 55(4‐5), 213-217.
- McWilliams, T. G., & Suomalainen, A. (2019). Fate of a father’s mitochondria. Nature, 565(7739), 296-297.
- National Library of Medicine. Genetics home reference: your guide to understanding genetic conditions.
- Shadel, G. S., & Clayton, D. A. (1997). Mitochondrial DNA maintenance in vertebrates. Annual review of biochemistry, 66(1), 409-435.
- Simmons, M. J., & Snustad, D. P. (2006). Principles of genetics. John Wiley & Sons.