Resumen de Estructura celular, correlatos anatómicos de la función metabólica

Autor y conservador: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Este capítulo se ha ocupado de la ultraestructura subcelular de los orgánulos y, sobre todo, de su función. La estructura celular no tiene desperdicio. El núcleo tiene las instrucciones necesarias para llevar a cabo las funciones de la célula. En la célula eucariota hay una diferenciación importante para que las células se regulen para las necesidades que realizan de forma única. Cuando hay desregulación, conduce a la remodelación o a la muerte celular.

Aquí anotaré algunos puntos destacados de este capítulo.

1. En todos los aspectos de la función celular, intervienen proteínas incrustadas en la estructura, para un funcionamiento más eficiente.
2. La regulación metabólica depende de vías que también son enlaces de proteínas.
3. La utilización de la energía depende de reacciones enzimáticas, en las que a menudo intervienen iones metálicos esenciales de alto número de valencia, lo que facilita la unión covalente y aniónica, y tiene un papel esencial en la alostericidad.

Mitocondrias

Las mitocondrias oscilan entre 0,5 y 1,0 micrómetros (μm) de diámetro. Estas estructuras se describen a veces como «centrales eléctricas celulares» porque generan la mayor parte del suministro de trifosfato de adenosina (ATP) de la célula, utilizado como fuente de energía química. Además de suministrar energía celular, las mitocondrias participan en otras tareas como la señalización, la diferenciación celular, la muerte celular, así como el control del ciclo celular y el crecimiento celular. Las mitocondrias se han visto implicadas en varias enfermedades humanas, como los trastornos mitocondriales y la disfunción cardíaca.

El número de mitocondrias en una célula puede variar mucho según el organismo, el tejido y el tipo de célula. Por ejemplo, los glóbulos rojos no tienen mitocondrias, mientras que las células del hígado pueden tener más de 2000. El orgánulo está compuesto por compartimentos que desempeñan funciones especializadas. Estos compartimentos o regiones incluyen la membrana externa, el espacio intermembrana, la membrana interna y las cristas y la matriz. Las proteínas mitocondriales varían según el tejido y la especie. Se cree que el proteoma mitocondrial está regulado de forma dinámica. Aunque la mayor parte del ADN de una célula se encuentra en el núcleo celular, la mitocondria tiene su propio genoma independiente. Además, su ADN muestra una similitud sustancial con los genomas bacterianos.

En 1913 Otto Heinrich Warburg relacionó las partículas de extractos de hígado de cobaya con la respiración, a las que llamó «grana». Warburg y Heinrich Otto Wieland, que también había postulado un mecanismo de partículas similar, discreparon sobre la naturaleza química de la respiración. Hasta 1925, cuando David Keilin descubrió los citocromos, no se describió la cadena respiratoria. En 1939, los experimentos con células musculares picadas demostraron que un átomo de oxígeno puede formar dos moléculas de trifosfato de adenosina y, en 1941, Fritz Albert Lipmann desarrolló el concepto de que los enlaces de fosfato son una forma de energía en el metabolismo celular. En los años siguientes se profundizó en el mecanismo de la respiración celular, aunque no se conocía su relación con las mitocondrias. La introducción del fraccionamiento tisular por parte de Albert Claude permitió aislar las mitocondrias de otras fracciones celulares y realizar análisis bioquímicos sólo con ellas. En 1946, llegó a la conclusión de que la citocromo oxidasa y otras enzimas responsables de la cadena respiratoria estaban aisladas en las mitocondrias.

En 1952 aparecieron las primeras micrografías de alta resolución, que sustituyeron a las tinciones con verde de Janus como forma preferida de visualizar las mitocondrias. Esto condujo a un análisis más detallado de la estructura de las mitocondrias, incluyendo la confirmación de que estaban rodeadas por una membrana. También demostró que había una segunda membrana en el interior de las mitocondrias que se plegaba en crestas que dividían la cámara interior y que el tamaño y la forma de las mitocondrias variaban de una célula a otra. En 1967 se descubrió que las mitocondrias contenían ribosomas. En 1968 se desarrollaron métodos para cartografiar los genes mitocondriales, completándose el mapa genético y físico de las mitocondrias de levadura en 1976.

Una mitocondria contiene membranas externas e internas compuestas por bicapas de fosfolípidos y proteínas. Las dos membranas tienen propiedades diferentes. Debido a esta organización de doble membrana, hay cinco partes distintas en una mitocondria. Son:

1. la membrana mitocondrial externa,
2. el espacio intermembranal (el espacio entre las membranas externa e interna),
3. la membrana mitocondrial interna,
4. el espacio de las cristas (formado por los pliegues de la membrana interna), y
5. la matriz (espacio dentro de la membrana interna).

Las mitocondrias desprovistas de su membrana externa se denominan mitoplastos.

Ustructura de la mitocondria (diagrama interactivo) Una mitocondria tiene una doble membrana; la interna contiene su aparato quimiosmótico y tiene surcos profundos que aumentan su superficie. Aunque comúnmente se representa como una «salchicha naranja con una mancha en su interior» (como aquí), las mitocondrias pueden adoptar muchas formas y su espacio intermembrana es bastante fino.

El espacio intermembrana es el que se encuentra entre la membrana externa y la interna. También se conoce como espacio perimitocondrial. Dado que la membrana externa es libremente permeable a las moléculas pequeñas, las concentraciones de moléculas pequeñas, como los iones y los azúcares, en el espacio intermembrana son las mismas que en el citosol. Sin embargo, las proteínas grandes deben tener una secuencia de señalización específica para ser transportadas a través de la membrana externa, por lo que la composición proteica de este espacio es diferente a la del citosol. Una proteína que se localiza en el espacio intermembrana de esta manera es el citocromo c.

La membrana mitocondrial interna contiene proteínas con cinco tipos de funciones:

1. Las que realizan las reacciones redox de la fosforilación oxidativa
2. Atp sintasa, que genera ATP en la matriz
3. Proteínas de transporte específicas que regulan el paso de metabolitos hacia y desde la matriz
4. Maquinaria de importación de proteínas.
5. Proteínas de fusión y fisión de las mitocondrias.

Contiene más de 151 polipéptidos diferentes, y tiene una relación proteína-fosfolípido muy elevada (más de 3:1 en peso, lo que supone aproximadamente 1 proteína por 15 fosfolípidos). La membrana interna alberga alrededor de 1/5 del total de proteínas de una mitocondria. Además, la membrana interna es rica en un fosfolípido inusual, la cardiolipina. Este fosfolípido se descubrió originalmente en corazones de vaca en 1942, y suele ser característico de las membranas plasmáticas mitocondriales y bacterianas. La cardiolipina contiene cuatro ácidos grasos en lugar de dos, y puede contribuir a que la membrana interna sea impermeable. A diferencia de la membrana externa, la membrana interna no contiene porinas y es altamente impermeable a todas las moléculas. Casi todos los iones y moléculas requieren transportadores de membrana especiales para entrar o salir de la matriz. Las proteínas son transportadas a la matriz a través del complejo translocasa de la membrana interna (TIM) o a través de Oxa1. Además, existe un potencial de membrana a través de la membrana interna, formado por la acción de las enzimas de la cadena de transporte de electrones.

La membrana mitocondrial interna está compartimentada en numerosas cristas, que amplían la superficie de la membrana mitocondrial interna, aumentando su capacidad de producir ATP. En el caso de las mitocondrias típicas del hígado, el área de la membrana interna es aproximadamente cinco veces mayor que la de la membrana externa. Esta proporción es variable y las mitocondrias de las células que tienen una mayor demanda de ATP, como las células musculares, contienen aún más cristas. Estos pliegues están salpicados de pequeños cuerpos redondos conocidos como partículas F1 u oxisomas. No se trata de simples pliegues aleatorios, sino de invaginaciones de la membrana interna, que pueden afectar a la función quimiosmótica general. Un reciente estudio de modelización matemática ha sugerido que las propiedades ópticas de las cristas en las mitocondrias filamentosas pueden afectar a la generación y propagación de la luz dentro del tejido.

La matriz es el espacio encerrado por la membrana interna. Contiene aproximadamente 2/3 del total de las proteínas de una mitocondria. La matriz es importante en la La MAM está enriquecida en enzimas implicadas en la biosíntesis de lípidos, como la fosfatidilserina sintasa en la cara del RE y la fosfatidilserina descarboxilasa en la cara mitocondrial. Dado que las mitocondrias son orgánulos dinámicos que se someten constantemente a eventos de fisión y fusión, requieren un suministro constante y bien regulado de fosfolípidos para la integridad de la membrana. Pero las mitocondrias no son sólo un destino para los fosfolípidos que terminan de sintetizar, sino que este orgánulo también desempeña un papel en el tráfico interorgánico de los intermedios y productos de las vías biosintéticas de los fosfolípidos, el metabolismo de la ceramida y el colesterol, y la producción de ATP con la ayuda de la ATP sintasa contenida en la membrana interna. La matriz contiene una mezcla altamente concentrada de cientos de enzimas, ribosomas mitocondriales especiales, ARNt y varias copias del genoma del ADN mitocondrial. Entre las enzimas, las principales funciones incluyen la oxidación del piruvato y los ácidos grasos, y el ciclo del ácido cítrico.

La MAM purificada a partir del fraccionamiento subcelular ha demostrado estar enriquecida en enzimas implicadas en el intercambio de fosfolípidos, además de canales asociados a la señalización del Ca2+. La membrana ER asociada a la mitocondria (MAM) es otro elemento estructural cada vez más reconocido por su papel crítico en la fisiología y homeostasis celular. Las supuestas vesículas contaminantes del RE que aparecían invariablemente en la fracción mitocondrial, que antes se consideraban un inconveniente técnico en las técnicas de fraccionamiento celular, se han reidentificado como estructuras membranosas derivadas de la MAM, la interfaz entre las mitocondrias y el RE. El acoplamiento físico entre estos dos orgánulos se había observado anteriormente en micrografías electrónicas y, más recientemente, se ha sondeado con microscopía de fluorescencia. Dichos estudios estiman que en la MAM, que puede comprender hasta el 20% de la membrana externa mitocondrial, el RE y las mitocondrias están separados por apenas 10-25 nm y se mantienen unidos por complejos de anclaje proteico.

Esta capacidad de tráfico depende de la MAM, que ha demostrado facilitar la transferencia de intermediarios lipídicos entre orgánulos. En contraste con el mecanismo vesicular estándar de transferencia de lípidos, la evidencia indica que la proximidad física de las membranas del RE y de la mitocondria en la MAM permite el volteo de lípidos entre bicapas opuestas. A pesar de este mecanismo inusual y aparentemente desfavorable desde el punto de vista energético, dicho transporte no requiere ATP. En cambio, en la levadura, se ha demostrado que depende de una estructura de sujeción multiproteica denominada estructura de encuentro entre el RE y las mitocondrias, o ERMES, aunque sigue sin estar claro si esta estructura media directamente en la transferencia de lípidos o es necesaria para mantener las membranas lo suficientemente cerca como para reducir la barrera energética para el volteo de lípidos.

Se reconoció un papel crítico del RE en la señalización del calcio antes de que se aceptara ampliamente dicho papel para las mitocondrias, en parte porque la baja afinidad de los canales de Ca2+ localizados en la membrana mitocondrial externa parecía ir en contra de la supuesta capacidad de respuesta de este orgánulo a los cambios en el flujo de Ca2+ intracelular. Pero la presencia de la MAM resuelve esta aparente contradicción: la estrecha asociación física entre los dos orgánulos da lugar a microdominios de Ca2+ en los puntos de contacto que facilitan la transmisión eficiente de Ca2+ desde el RE a la mitocondria. La transmisión se produce en respuesta a las llamadas «bocanadas de Ca2+» generadas por la agrupación y activación espontánea del IP3R, un canal canónico de Ca2+ de la membrana del RE.

Las propiedades de la bomba de Ca2+ SERCA y del canal IP3R presentes en la membrana del RE facilitan la regulación por retroalimentación coordinada por la función del MAM. En particular, el aclaramiento de Ca2+ por la MAM permite un patrón espacio-temporal de la señalización de Ca2+ porque el Ca2+ altera la actividad del IP3R de forma bifásica. La SERCA también se ve afectada por la retroalimentación mitocondrial: la captación de Ca2+ por la MAM estimula la producción de ATP, proporcionando así energía que permite a la SERCA recargar el RE con Ca2+ para continuar con el flujo de Ca2+ en la MAM. Por lo tanto, la MAM no es un amortiguador pasivo para las descargas de Ca2+, sino que ayuda a modular la señalización de Ca2+ a través de bucles de retroalimentación que afectan a la dinámica del RE.

La regulación de la liberación de Ca2+ por el RE en la MAM es especialmente crítica porque sólo una cierta ventana de captación de Ca2+ mantiene a las mitocondrias, y en consecuencia a la célula, en homeostasis. Se requiere una señalización de Ca2+ intraorgánica suficiente para estimular el metabolismo mediante la activación de las enzimas deshidrogenasas críticas para el flujo a través del ciclo del ácido cítrico. Sin embargo, una vez que la señalización de Ca2+ en las mitocondrias supera un determinado umbral, estimula la vía intrínseca de la apoptosis, en parte por el colapso del potencial de membrana mitocondrial necesario para el metabolismo. Los estudios que examinan el papel de los factores pro y antiapoptóticos apoyan este modelo; por ejemplo, se ha demostrado que el factor antiapoptótico Bcl-2 interactúa con los IP3R para reducir el llenado de Ca2+ del RE, lo que conduce a una reducción del eflujo en la MAM y evita el colapso del potencial de la membrana mitocondrial tras los estímulos apoptóticos. Dada la necesidad de una regulación tan fina de la señalización del Ca2+, quizás no sea sorprendente que la desregulación del Ca2+ mitocondrial haya sido implicada en varias enfermedades neurodegenerativas, mientras que el catálogo de supresores tumorales incluye unos cuantos que están enriquecidos en la MAM.

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Lisosoma y apoptosis

Función de la autofagia en el cáncer

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dic 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

La autofagia es una vía de degradación celular para la eliminación de proteínas y orgánulos dañados o superfluos. El reciclaje de estos componentes intracelulares también sirve como fuente de energía alternativa durante los periodos de estrés metabólico para mantener la homeostasis y la viabilidad. En las células tumorales con defectos de apoptosis, la autofagia permite una supervivencia prolongada. Paradójicamente, los defectos de la autofagia se asocian a un aumento de la tumorigénesis, pero no se ha determinado el mecanismo que lo explica. Pruebas recientes sugieren que la autofagia proporciona una función protectora para limitar la necrosis y la inflamación del tumor, y para mitigar el daño del genoma en las células tumorales en respuesta al estrés metabólico.

La activación sostenida de mTORC1 en el músculo esquelético inhibe la autofagia constitutiva e inducida por la inanición y causa una miopatía grave de aparición tardía

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
metabolismo celular 7 mayo, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• La inhibición de mTORC1 es necesaria para la autofagia constitutiva e inducida por la inanición.inducida por la inanición
• La activación sostenida de mTORC1 provoca una miopatía grave debido a la alteración de la autofagia
• El agotamiento de TSC1 es suficiente para activar mTORC1 independientemente de otros estímulos
• La inactivación de mTORC1 es suficiente para desencadenar la lipidación de LC3

La autofagia es un proceso catabólico que asegura la eliminación homeostática de las células y que está desregulado en un número creciente de condiciones miopatológicas. Aunque se ha demostrado que FoxO3 promueve la expresión de genes relacionados con la autofagia en el músculo esquelético, los mecanismos que desencadenan la autofagia no están claros. Nosotros demostramos que los ratones deficientes en TSC1 (TSCmKO), caracterizados por una activación sostenida de mTORC1, desarrollan una miopatía de aparición tardía relacionada con el deterioro de la autofagia. En los ratones TSCmKO jóvenes,

• la autofagia constitutiva e inducida por inanición se bloquea en los pasos de inducción a través de
• la inhibición de Ulk1 mediada por mTORC1, a pesar de la activación de FoxO3.

La rapamicina es suficiente para restaurar la autofagia en los ratones TSCmKO y

• mejora el fenotipo muscular de los ratones mutantes viejos.

A la inversa, la anulación de la señalización de mTORC1 mediante

• el agotamiento de raptor induce la autofagia independientemente de la inhibición de FoxO.

Así, mTORC1 es el regulador dominante de la inducción de la autofagia en el músculo esquelético y

• asegura una estrecha coordinación de las vías metabólicas.

Estos hallazgos pueden abrir interesantes vías para estrategias terapéuticas dirigidas a las enfermedades musculares relacionadas con la autofagia.

Las histonas deacetilasas 1 y 2 regulan el flujo de la autofagia y la homeostasis del músculo esquelético en ratones

HDAC1 activa a FoxO y es suficiente y necesario para la atrofia del músculo esquelético

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

Los factores de transcripción Forkhead box O (FoxO) se activan, y son necesarios para la atrofia muscular, en varias condiciones fisiopatológicas, incluyendo el desuso muscular y la caquexia por cáncer. Sin embargo, los mecanismos que conducen a la activación de FoxO no están bien definidos. Datos recientes de nuestro laboratorio y de otros indican que

• la actividad de FoxO se reprime en condiciones basales a través de la acetilación reversible de la lisina,
• que se ve comprometida durante las condiciones catabólicas.

Por lo tanto, nos propusimos determinar cómo las proteínas histona deacetilasa (HDAC) contribuyen a la

• activación de FoxO y a la inducción del programa de atrofia muscular.

A través del uso de varios inhibidores farmacológicos para bloquear la actividad de las HDACs, demostramos que

• las HDACs de clase I son reguladores clave de FoxO y del programa de atrofia muscular
• durante la privación de nutrientes y el desuso del músculo esquelético.

Además, demostramos, mediante el uso de plásmidos de expresión de HDAC1 de tipo salvaje y dominante-negativo,

• que HDAC1 es suficiente para activar FoxO e inducir la atrofia de las fibras musculares in vivo y
• es necesario para la atrofia de las fibras musculares que se asocia con el desuso muscular.

La capacidad de HDAC1 para causar atrofia muscular requirió su actividad desacetilasa y

• se relacionó con la inducción de varios genes de atrofia por HDAC1,
• incluyendo atrogin-1, que requirió la desacetilación de FoxO3a.

Además, la inhibición farmacológica de las HDAC de clase I durante el desuso muscular, utilizando MS-275,

• atenuó significativamente tanto la atrofia de las fibras musculares por desuso como la disfunción contráctil.

En conjunto, estos datos solidifican la importancia de las HDAC de clase I en el programa de atrofia muscular y

• indican que los inhibidores de las HDAC de clase I son contramedidas factibles para impedir la atrofia y la debilidad muscular.

La autofagia es un proceso vesicular para la degradación lisosomal de agregados proteicos y

• de orgánulos dañados o redundantes.

La autofagia desempeña un papel importante en la homeostasis celular, y hay pruebas de que

• este proceso está desregulado en las células cancerosas.

Estudios preclínicos in vitro recientes han indicado que la autofagia está

• implicada en la respuesta citotóxica a los quimioterapéuticos en las células del cáncer de tiroides.

De hecho, varios oncogenes y genes oncosupresores implicados en la carcinogénesis tiroidea

• también desempeñan un papel en la regulación de la autofagia.

Además, algunos moduladores epigenéticos implicados en la carcinogénesis tiroidea también influyen en la autofagia. En esta revisión, destacamos los factores genéticos y epigenéticos que

• vinculan mecánicamente la carcinogénesis tiroidea y la autofagia, fundamentando así la justificación de
• una terapia dirigida a la autofagia de los cánceres de tiroides agresivos y radio-resistentes.

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