23.1D: La evolución de las mitocondrias

Las mitocondrias son orgánulos productores de energía que se cree que alguna vez fueron un tipo de alfa-proteobacteria de vida libre.

Objetivos de aprendizaje

• Explicar la relación entre endosimbiosis y mitocondrias con la evolución de los eucariotas

Puntos Clave

• Las células eucariotas contienen cantidades variables de mitocondrias, dependiendo de las necesidades energéticas de las células.
• Las mitocondrias tienen muchas características que sugieren que anteriormente eran organismos independientes, incluyendo su propio ADN, división independiente de células y características físicas similares a las alfa-proteobacterias.
• Algunos genes mitocondriales se transfirieron al genoma nuclear a lo largo del tiempo, sin embargo, las mitocondrias retuvieron algún material genético por razones que no se entendían completamente.
• La hipotética transferencia de genes de las mitocondrias al núcleo de la célula huésped probablemente explica por qué las mitocondrias no son capaces de sobrevivir fuera de la célula huésped.

Términos Clave

• crista: cristae (singular crista) son los compartimentos internos formados por la membrana interna de una mitocondria
• vacuola: un compartimento grande, unido a la membrana y lleno de líquido en el citoplasma de una célula
• endosimbiosis: cuando una especie simbiótica se toma dentro del citoplasma de otra especie simbiótica y ambas se vuelven endosimbióticas

Relación entre Endosimbiosis y Mitocondrias

Una de las principales características que distinguen a los procariotas de los eucariotas es la presencia de mitocondrias. Las células eucariotas contienen entre uno y varios miles de mitocondrias, dependiendo del nivel de consumo de energía de la célula. Cada mitocondria mide entre 1 y 10 µm de longitud y existe en la célula como un orgánulo que puede ser de ovoide a forma de gusano o intrincadamente ramificado. Las mitocondrias surgen de la división de las mitocondrias existentes. Pueden fusionarse entre sí. Se mueven dentro de la célula por interacciones con el citoesqueleto. Sin embargo, las mitocondrias no pueden sobrevivir fuera de la célula. A medida que la cantidad de oxígeno aumentaba en la atmósfera hace miles de millones de años y a medida que evolucionaron procariotas aeróbicos exitosos, la evidencia sugiere que una célula ancestral con cierta compartimentación de membrana envolvió a un procariota aeróbico de vida libre, específicamente una alfa-proteobacteria, dando así a la célula huésped la capacidad de usar oxígeno para liberar energía almacenada en nutrientes. Las alfa-proteobacterias son un gran grupo de bacterias que incluyen especies simbióticas con plantas, organismos de enfermedades que pueden infectar a los humanos a través de garrapatas y muchas especies de vida libre que utilizan la luz como energía. Varias líneas de evidencia apoyan la derivación de mitocondrias a partir de este evento endosimbiótico. La mayoría de las mitocondrias tienen forma de alfa-proteobacterias y están rodeadas por dos membranas, lo que resultaría cuando un organismo unido a la membrana envuelve a otro en una vacuola. La membrana interna mitocondrial implica infoldings sustanciales llamados cristae que se asemejan a la superficie externa texturizada de las alfa-proteobacterias. La matriz y la membrana interna son ricas en enzimas necesarias para la respiración aeróbica.

Figura\(\PageIndex{1}\): Micrografía de mitocondrias mamarias: En esta micrografía electrónica de transmisión de mitocondrias en una célula pulmonar de mamífero, las cristae, las infiltraciones de la membrana interna mitocondrial, se pueden observar en sección transversal.

Las mitocondrias se dividen independientemente por un proceso que se asemeja a la fisión binaria en procariotas. Específicamente, las mitocondrias no están formadas de novo por la célula eucariota; se reproducen dentro de la célula y se distribuyen entre dos células cuando las células se dividen. Por lo tanto, aunque estos orgánulos están altamente integrados en la célula eucariota, aún se reproducen como si fueran organismos independientes dentro de la célula. Sin embargo, su reproducción se sincroniza con la actividad y división de la célula. Las mitocondrias tienen su propio cromosoma circular de ADN que se estabiliza mediante uniones a la membrana interna y porta genes similares a genes expresados por alfa-proteobacterias. Las mitocondrias también tienen ribosomas especiales y ARN de transferencia que se asemejan a estos componentes en procariotas. Todas estas características apoyan que las mitocondrias alguna vez fueron procariotas de vida libre.

Genes mitocondriales

Las mitocondrias que realizan respiración aeróbica tienen genomas propios, con genes similares a los de las alfa-proteobacterias. Sin embargo, muchos de los genes de las proteínas respiratorias se encuentran en el núcleo. Cuando estos genes se comparan con los de otros organismos, parecen ser de origen alfa-proteobacteriano. Adicionalmente, en algunos grupos eucariotas, dichos genes se encuentran en las mitocondrias, mientras que en otros grupos, se encuentran en el núcleo. Esto ha sido interpretado como evidencia de que los genes han sido transferidos del cromosoma endosimbionte al genoma del huésped. Esta pérdida de genes por parte del endosimbionte es probablemente una explicación de por qué las mitocondrias no pueden vivir sin un huésped.

A pesar de la transferencia de genes entre las mitocondrias y el núcleo, las mitocondrias conservan gran parte de su propio material genético independiente. Una posible explicación para que las mitocondrias retengan el control sobre algunos genes es que puede ser difícil transportar proteínas hidrófobas a través de la membrana mitocondrial, así como asegurar que se envíen a la ubicación correcta, lo que sugiere que estas proteínas deben producirse dentro de las mitocondrias. Otra posible explicación es que existen diferencias en el uso de codones entre el núcleo y las mitocondrias, lo que dificulta la transferencia completa de los genes. Una tercera explicación posible es que las mitocondrias necesitan producir su propio material genético para asegurar el control metabólico en las células eucariotas, lo que indica que el ADNmt influye directamente en la cadena respiratoria y en los procesos de reducción/oxidación de las mitocondrias.