Descubriendo la inesperada fábrica de energía en la célula: las mitocondrias
En el proceso de evolución humana, muchos microorganismos del entorno vivo han sido absorbidos por el sistema de vida humano y se han convertido en parásitos humanos. Las mitocondrias, o telómeros, son células parásitas que se encuentran en las células de la mayoría de los órganos del cuerpo.
Las mitocondrias, mitocondrias o telómeros son orgánulos semiautónomos contenidos en las células eucariotas y que tienen una estructura similar a una membrana de doble capa. Su membrana interna se extiende hacia la cavidad para formar muchas crestas. 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 eso se la llama "cámara de energía". dispositivo".
Las mitocondrias fueron nombradas por primera vez por el erudito alemán C. Benda en 1897. Condria proviene del griego mito (línea) acorde (partícula).
La imagen de arriba es una célula mitocondrial en una célula pancreática. Tiene una membrana externa y una cresta mitocondrial con pliegues basales profundos, que se expande hacia una matriz mitocondrial. En las células mitocondriales se producen las reacciones químicas que generan energía. en las crestas mitocondriales superiores.
Las mitocondrias son las máquinas biológicas más complejas de las células humanas, y también las más sorprendentes. Anteriormente sabíamos que las mitocondrias están asociadas con la esperanza de vida humana. En términos generales, cuanto más largas son las mitocondrias, mayor es la esperanza de vida 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, proporcionan suficiente energía para que las células humanas la consuman; cuando las mitocondrias funcionan de forma anormal, se pueden desarrollar una serie de enfermedades neurodegenerativas, diabetes, cáncer, respuestas inmunes alteradas e incluso envejecimiento acelerado. (Vinculado a enfermedades neurodegenerativas, diabetes, cáncer, respuestas inmunes alteradas e incluso envejecimiento)
Las mitocondrias producen energía metabólica al oxidar carbohidratos, proteínas y ácidos grasos. En la reacción química de cinco pasos de la cadena respiratoria, los orgánulos mitocondriales capturan oxígeno y, junto con la glucosa y los ácidos grasos, generan una sustancia química orgánica compleja: el trifosfato de adenosina (ATP), que se utiliza como combustible para el funcionamiento de la vida humana. .
Ahora comprenda las reacciones químicas de la cadena respiratoria de cinco pasos que liberan energía. Está formado por transportadores de electrones y transportadores de hidrógeno, la mayoría de los cuales son proteínas con grupos auxiliares. Estos grupos auxiliares sufren reacciones redox debido a la adición o eliminación de 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, lo que se denomina fosforilación oxidativa.
Los principales componentes de la cadena respiratoria son: ①deshidrogenasa unida a piridina-nucleótido, ②flavoproteína, ③ferritina, ④coenzima Q, ⑤citocromo (incluido el citocromo A, B, C). Actualmente existen diferentes opiniones y dudas sobre el orden de los componentes de la cadena respiratoria, que pueden no ser del todo correctos.
Sin la ayuda de los orgánulos mitocondriales, las células del cuerpo pueden producir rápida y fácilmente energía basada en glucógeno a través de un proceso anaeróbico llamado glucólisis, pero la eficiencia es demasiado baja. Los orgánulos mitocondriales pueden producir 15 veces más energía para las células humanas al oxidar el mismo glucógeno.
Se cree que esta ventaja de conversión de energía se formó hace 654,38 mil millones de años o hace 654,38 mil millones de años. Viene a existir cuando una sola bacteria de vida libre lleva su núcleo a un solo órgano celular para formar un * * * glorioso * * * ser. Las bacterias que ingresan al núcleo de un órgano unicelular (ahora llamado mitocondria) se convierten en orgánulos en el núcleo.
Esta relación existe no sólo en todas las células animales, sino también en todas las células vegetales y en las células fúngicas. (Plantas y Hongos)
Esta * * * relación 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, la enfermedad de Lyme, el tifus, las infecciones por clamidia, etc., están relacionadas con esto. Estas enfermedades se denominan enfermedades mitocondriales. Por ejemplo, las tetraciclinas, los antibióticos) son inofensivos para las personas sanas, pero las personas con enfermedades mitocondriales deben tener cuidado de evitarlos.
①El primer caso de enfermedad mitocondrial
En mayo de 1958, una mujer sueca de 30 años acudió a la clínica Rolf Luft en Karolins, cerca de Estocolmo (Clínica Rolf Luft). Le dijo al médico que siempre tenía fiebre persistente. Según los registros, la paciente les dijo a los médicos que comenzó a tener los síntomas cuando tenía 7 años y que había visitado a muchos médicos pero se desconocía la causa.
Ruft midió la temperatura corporal y la temperatura de la piel de la paciente y notó que, aunque había estado comiendo, la paciente seguía delgada y no había ganado peso. Necesita beber grandes cantidades de agua constantemente debido a la pérdida de agua y líquidos a través de la sudoración intensa. Aunque el paciente suele estar en estado de coma, su tasa metabólica basal sigue siendo el doble que la de las personas normales y la frecuencia cardíaca supera los 100 latidos por minuto.
Biopsia de Ruft Una biopsia de músculo esquelético reveló orgánulos mitocondriales anormalmente grandes y excesivamente agregados en las crestas mitocondriales de las células del paciente.
¿Por qué los pacientes siempre sienten calor? Esto puede deberse a que los orgánulos mitocondriales que son más densos y más grandes de lo normal producen más energía celular y la liberan en el cuerpo.
Al final, Luft estaba al límite. No sabía cómo mejorar los síntomas de la enfermedad mitocondrial de los pacientes, que reduce la eficiencia de calentamiento de las mitocondrias. Al final, sólo pudo proporcionarle hielo para enfriarse, y el paciente se prendió fuego y murió.
En la naturaleza existe una planta, la col mofeta, que lleva un tipo especial de mitocondrias que pueden calentarse, elevando la temperatura de la planta en 30 grados centígrados. El calor de la planta puede derretir la nieve circundante y liberar una mezcla en la planta que atrae a los polinizadores. (Polinizador)
② Los investigadores mitocondriales se dan cuenta de que es mejor que la capacidad de calentamiento de las mitocondrias sea moderada, lo que no solo puede satisfacer las necesidades energéticas de las células vivas del cuerpo, sino que también evita quemar demasiado y hacer que la cuerpo vacío.
Quizás los genes mitocondriales interactúan con el medio ambiente durante la evolución, por lo que se seleccionan mutaciones específicas de genes mitocondriales para adaptarse a entornos especiales, como el maloliente tabaco en invierno.
En un estudio de 2005 sobre mitocondrias de animales de experimentación, los investigadores dieron a un grupo de animales de experimentación la capacidad de correr largas distancias, mientras que a otro grupo le dieron a genes mitocondriales la capacidad de desarrollar enfermedades metabólicas como diabetes y obesidad. generaciones, Después de la herencia, se vuelve fijo. Once generaciones equivalen a 275 años humanos, pero sólo un abrir y cerrar de ojos en el proceso evolutivo.
En Estados Unidos, las enfermedades mitocondriales causadas por mutaciones en genes mitocondriales afectan a aproximadamente 50.000 pacientes. Estas enfermedades raras (enfermedades demasiado raras para atraer curas farmacológicas impulsadas por el mercado) son mortales para los pacientes y confusas para los médicos. Porque incluso si dos pacientes con defectos mitocondriales tienen la misma prueba genética, uno puede tener problemas de visión y audición, neurodegeneración, enfermedad miocárdica y disfagia, el otro puede tener solo problemas de visión, pero otros sistemas de órganos aún 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 el proteoma mitocondrial es defectuoso, algunos órganos del cuerpo se verán afectados.
Estas enfermedades mitocondriales se denominaron originalmente enfermedades hereditarias maternas porque el ADN mitocondrial solo se hereda de la madre. Esta inferencia se remonta al antepasado materno de los humanos, la Mitocondria Eva. (Eva mitocondrial)
Con el desarrollo de la ciencia genética, la gente sabe cada vez más sobre los genes de los orgánulos. Los investigadores creen que muchas enfermedades mitocondriales también se pueden heredar a través de la línea paterna, porque la mayoría de las proteínas mitocondriales en realidad están hechas de. El núcleo está formado por ADN, no por ADN mitocondrial.
A través de la investigación, las enfermedades mitocondriales se han relacionado con muchas enfermedades, incluidas la diabetes, las enfermedades cardíacas, las enfermedades de Parkinson y Alzheimer, la pérdida de audición y los trastornos mentales, incluida la depresión.
Con el desarrollo de la investigación mitocondrial, los investigadores han descubierto que las mitocondrias tienen muchas funciones además de producir energía.
Como estructura codificante de proteínas, los genes mitocondriales son las principales unidades funcionales de las mitocondrias en las células. En 1981, la secuenciación del genoma mitocondrial encontró 13 proteínas que no podían explicar tantas enfermedades mitocondriales. Los investigadores saben que las mitocondrias pueden producir más de 1.000 proteínas. ¿Cómo explicar esta brecha?
Se cree que la respuesta está en el curso de la historia evolutiva. Hace mil millones de años, cuando las células mitocondriales entraron en los orgánulos para realizar el parasitismo, es posible que algunos genes se hayan transformado de las mitocondrias a la célula huésped, que es el núcleo donde existe la mayor parte del ADN. Esta transferencia del genoma mitocondrial, a partir de los 16.000 pares de bases del bloque de ADN original, deja sólo la esencia del vaso.
En comparación con formas ancestrales lejanas de mitocondrias y sus parientes vivos, como la bacteria rickettsial que causa el tifus, que tiene 6.543.800 pares de bases, el genoma de una mitocondria 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 una invención evolutiva de bacterias y células primitivas que ahora permite a las mitocondrias de las células humanas hacer cosas que sus ancestros lejanos no podían hacer.
Actualmente, Vamsi Mootha y su equipo del Hospital General de Harvard y el MIT publicaron en 2008 un mapa de 1.158 genes mitocondriales de mamíferos que codifican proteínas, que fue actualizado en 2015. Las proteínas, las proteínas mitocondriales de todos los orgánulos, células, tejidos y órganos, se denominan mitocondrias. Las mitocondrias y su célula 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 una energía insuficiente y un suministro de energía insuficiente, es descabellado.
Algunos órganos con enfermedades mitocondriales no son necesariamente los órganos con mayor demanda de energía. Algunos estudios se centran en el papel irreemplazable de las mitocondrias en la regulación de la muerte y el marchitamiento de las células, incluidas sus funciones en el sistema inmunológico y la señalización celular.
Cuando las primeras células mitocondriales entraron en sus huéspedes celulares hace 65.438 millones de años, el contenido de oxígeno en la atmósfera terrestre era bastante bajo y luego aumentó gradualmente. Generalmente se cree que el oxígeno es necesario para la vida; por otro lado, el oxígeno es corrosivo. En biología, el oxígeno y sus subproductos provocan daño oxidativo a las células, lo que provoca el envejecimiento de los órganos nucleares.
Las mitocondrias son consumidoras de oxígeno. Los investigadores especulan que durante el proceso de evolución biológica, la célula huésped seleccionó bacterias mitocondriales, que no sólo pueden producir energía de manera eficiente sino también controlar mejor los efectos secundarios del oxígeno.
La expresión genética normal respalda esta idea. El gen activa las mitocondrias y al mismo tiempo activa el programa antioxidante. (Programa de Antioxidantes) Estos genes mitocondriales regulan y activan los niveles de antioxidantes aumentando el número de mitocondrias. Por ejemplo, si construyes un automóvil desde un motor de seis cilindros hasta un V8, necesitarás un convertidor catalítico más grande.
La imagen de arriba es una célula de ovario. Las amarillas son orgánulos mitocondriales densamente distribuidos. Las células están activadas para secretar hormonas.
② Un estudio de 2009 encontró que los suplementos vitamínicos antioxidantes ampliamente utilizados interfieren con este mecanismo natural de respuesta antioxidante de los orgánulos mitocondriales. En el experimento, los participantes se dividieron en cuatro grupos: los que tomaron vitaminas antioxidantes, como la vitamina E, después del ejercicio; los que hicieron ejercicio sin tomar vitaminas antioxidantes; los que no hicieron ejercicio y tomaron vitaminas antioxidantes; tomar vitaminas antioxidantes.
Después de unos meses, los dos grupos que hacían ejercicio eran más saludables que los dos grupos que no hacían ejercicio. Curiosamente, el grupo que hizo ejercicio y no tomó vitaminas antioxidantes mostró los mayores cambios físicos. A través del ejercicio, las células fuera de las mitocondrias también perciben estos estímulos, por lo que el cuerpo se adapta al estado beneficioso de un determinado órgano del cuerpo. La ingesta de vitaminas antioxidantes interfiere con este mecanismo natural de adaptación de las células del cuerpo.
A lo largo de 654.380 millones de años de evolución, las mitocondrias se han adaptado a la presión innumerables veces. Como resultado, las mutaciones en los genes mitocondriales no mataron las células, sino que adoptaron una respuesta de rescate ante la pérdida de presión. reacciones químicas mitocondriales que producen energía.
En determinadas circunstancias, la sobrecarga y el daño de las vías de algunos orgánulos y células huésped pueden proporcionar beneficios netos a la célula y a todo el órgano.
Otro ejemplo interesante son los mecanismos compensatorios del cuerpo. (Sobrecompensación)
La metformina tomada por pacientes diabéticos puede interferir 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 reciben una vacuna antiviral, la metformina provoca un efecto hormesis tóxico en el organismo, que es un mecanismo protector de compensación del organismo. Algunos investigadores han ido un paso más allá y han probado si la euforia tóxica causada por la metformina puede retardar el envejecimiento.
④ Las pruebas de genes mitocondriales realizadas en 2014 descubrieron que una baja concentración de oxígeno atmosférico puede desencadenar una reacción en los órganos del cuerpo y tiene un efecto protector contra la enfermedad del sistema nervioso central, la encefalomielitis necrotizante subaguda. La enfermedad puede ser causada por mutaciones en cualquiera de los 75 genes y los bebés pueden morir por insuficiencia respiratoria entre los 3 y los 16 meses.
Cuando los investigadores utilizaron ratones de laboratorio para examinar enfermedades mitocondriales, los resultados fueron sorprendentes. Los ratones normales viven dos años, mientras que los ratones con enfermedades mitocondriales sólo viven 55 días. Cuando el equipo de Mootha redujo la concentración de oxígeno en el aire en 11, equivalente a la altitud de 14.000 pies, los investigadores descubrieron que la enfermedad podía prevenirse en primer lugar. Los ratones con enfermedades mitocondriales vivieron en aire con poco oxígeno durante un año.
Incluso las ratas de laboratorio moribundas pueden revivir limitando su ingesta de oxígeno. Mootha se conoce como el efecto Lázaro. Por otro lado, tomar demasiado oxígeno puede actuar como veneno y matar a una rata en unos pocos días.
Un ambiente hipóxico también es muy beneficioso para el ser humano. Mootha está estudiando informes sobre el impacto en la salud del personal militar indio estacionado en mesetas fronterizas a 12.000 y 18.000 pies. En comparación con los que sirvieron en las llanuras, los que sirvieron en las mesetas durante mucho tiempo tuvieron una mayor proporción de infecciones agudas. Sin embargo, en comparaciones a largo plazo, las zonas montañosas tienen tasas significativamente más bajas de diabetes, accidentes cerebrovasculares, enfermedades cardíacas y deterioro cognitivo.
Los datos de estudios en humanos y ratones experimentales sugieren que demasiado oxígeno es perjudicial para los animales. 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. Algunos pacientes empeoraron o murieron después de que los administradores los trataran con cámaras hiperbáricas de oxígeno. Demasiado oxígeno también puede provocar un deterioro mitocondrial, que se asocia con una esperanza de vida más corta.
La disminución del número de mitocondrias se asocia con el envejecimiento, y las personas tienen más probabilidades de desarrollar la enfermedad de Parkinson y diabetes debido a la disfunción mitocondrial. Las personas mayores tienen menos mitocondrias y son menos eficientes que los jóvenes.
Sin embargo, el ejercicio puede aumentar el número y la longitud de las mitocondrias a cualquier edad. Cuando las células del músculo esquelético aumentan sus mitocondrias, se eliminan los efectos no deseados y mejora la eficiencia general.
En general, los efectos beneficiosos del ejercicio y de una dieta saludable se ejercen a través de las mitocondrias.
El futuro de la investigación mitocondrial es atractivo y puede conducir al desarrollo de una medicina mitocondrial de precisión. (Medicina mitocondrial de precisión)
Hay tres aspectos: el primero es el diagnóstico molecular de la extracción de sangre; el segundo puede analizar los metabolitos de la sangre para determinar la gravedad de la disfunción mitocondrial; el tercero, puede desarrollar objetivos específicos; Los tratamientos no solo se dirigen a enfermedades mitocondriales raras y mortales causadas por mutaciones de genes mitocondriales, sino que también se dirigen a algunas enfermedades mitocondriales comunes.
Para las personas que no tienen las condiciones para vivir en zonas de meseta, quizás el siguiente paso sea desarrollar un tratamiento para la hipoxia.