• oxidación ác grasos

• ciclo urea

• ciclo ác tricarboxílicos

• metab mtDNA

• elongación ác grasos

• desaturación ác grasos

• síntesis fosfolípidos

• MAO

Pero la función más importante es la síntesis de ATP por medio de la cadena respiratoria.

La patología mitocondrial en teoría abarcaría muchos más procesos que las alteraciones específicas de la fosforilación oxidativa, pero en la práctica, éstas constituyen el 99% de la patología mc. Así, la patología mc es sinónimo de enfermedad de la cadena respiratoria e implica una disminución de la síntesis de ATP. Como todo el organismo funciona gracias al ATP, sólo pueden concebirse déficits parciales de la síntesis de ATP, porque un déficit total sería incompatible con la vida.

Estas patologías son de afectación multisistémica. La manifestación clínica puede ser la afectación de un solo órgano (sordera, cardiomiopatía...) o una combinación de síntomas (generalmente encefalomiopatías con otros). Afectan más a músculo y SNC porque estos órganos tienen un metabolismo oxidativo elevado (cuanto mayor consumo de ATP mayor afectación).

CADENA RESPIRATORIA

Hay 5 complejos que recogen la energía en forma de NADH (es el poder reductor de esta molécula lo que se acumula) por medio de un gradiente de protones lleva a la síntesis de ATP. Cualquier mutación o defecto implica un déficit de la síntesis de ATP. Hay 70 proteínas distintas que se ocupan de la síntesis de ATP, es decir, 70 posibilidades de fallo.

GENÉTICA MITOCONDRIAL

Papel central de la mc en la fisiología celular:

-Apoptosis

-Envejecimiento

-Desarrollo

-Diferenciación celular

-Regulación nivel calcio intracelular

-Proliferación celular

Biogénesis mitocondrial:

-Proliferación celular

-Diferenciación celular (ej. Músculo cardíaco posee mc completamente desarrolladas, llenas de crestas).

DNA mitocondrial

La mc se diferencia del resto de las organelas celulares en que contiene DNA propio: es pequeño, de unos 16.500 bp (DNA nuclear tiene 9.3  10^9-10). Cada mc posee de 2 a 10 moléculas de DNA. Teniendo en cuenta que cada célula tiene miles de mc, la cantidad de mtDNA es relativamente importante. Es un DNA pequeño, pero muy repetido.

En el patrón de herencia de la cadena respiratoria intervienen 2 sistemas genéticos: el DNA nuclear y el mitocondrial.

DNAnuclear: “mar” de nucleótidos con pocas secuencias codificantes.

DNAmt, prácticamente igual para todos los animales:

1. Pequeña región no codificante (1Kb): elementos reguladores de la replicación y la expresión. (El resto del genoma es codificante.)

2. Genes de 3 tipos:

- 2 rRNA de 12S y 16S que codifican para ribosomas de la mc. Es una estructura muy compacta (hay genes solapados).

- 22 tRNA de la síntesis de proteínas mitocondriales.

- 13 proteínas, subunidades de la cadena respiratoria: 7 subunidades del complejo I (ND1-ND7), 3 subunidades del complejo IV: la citocromo oxidasa (CO I, II, III), 1 subunidad del complejo III (citocromo b) y 2 subunidades de la ATP sintetasa (ATPasa 6 y 8).

El material genético restante para sintetizar ATP está en el núcleo.

El código genético del mtDNA es distinto del código del DNA nuclear.

La herencia del mtDNA es materna y el único mecanismo de evolución y variación de la secuencia del mtDNA es mediante la acumulación secuencial de mutaciones y su dispersión en la línea materna. La capacidad codificante del mtDNA es pequeña pero fundamental para la fisiología celular.

El mtDNA tiene una elevada velocidad de mutación debido a la falta de histonas (estando el DNA sin protección), a la continua generación de radicales libres en la mc como subproducto de la respiración, y a la falta de mecanismos de reparación.

Resumen mtDNA:

• molécula circular covalentemente cerrada

• nº copias elevado (poliploide)

• herencia materna

• organización muy compacta

• código genético propio

• semiautónomo

• codifica únicamente subunidades OXPHOS (de la cadena respiratoria)

Origen del mtDNA

Las mc son resultado de una endosimbiosis: una bacteria aerobia colonizó una bacteria anaerobia y convivieron las dos. Cada una tenía su DNA, un DNA quedó como nuclear y el otro como mitocondrial. Con el tiempo mtDNA fue transfiriendo su DNA al núcleo, pero quedaron 13 genes (los correspondientes a las proteínas de la cadena respiratoria) sin transferir. Se mantienen estas 13 proteínas mitocondriales porque le son imprescindibles a la célula: la síntesis de ATP y, por tanto, la supervivencia celular, dependen de la cadena de transferencia de electrones, que requieren para su funcionamiento estas 13 proteínas.

A la célula le cuesta mucho gasto de síntesis de proteínas y energía la síntesis de estas 13 proteínas: tiene que replicar, transcribir y regular este mtDNA por medio de proteínas que se sintetizan en el núcleo y penetran en la mc (la replicación, transcripción,... de las proteínas mitocondriales se produce en la mc). MtDNA es, por tanto, semiautónomo.

MtDNA interviene en la síntesis de todos los complejos de la cadena respiratoria, excepto en la del complejo II. Hay muchas más subunidades codificadas por el DNA nuclear. Hay unas 60 mutaciones responsables del fallo de la cadena respiratoria: más de 50 son por mutaciones en mtDNA, menos de 10 por mutaciones en el DNA nuclear.

Al ser el código genético del mtDNA diferente al del núcleo, no le sirven las mismas proteínas de transcripción,... que se usan para las funciones del núcleo.

Cada célula tiene un número y morfología variable de mc, de acuerdo a sus necesidades de ATP.

Herencia del mtDNA

Todos tenemos las mismas moléculas de mtDNA pero entre nosotros hay diferencias: polimorfismos. La herencia es materna pura (ver anexo al final), el padre no transmite su mtDNA a sus hijos:

• el espermatozoide contiene bastantes mc (las requiere para moverse), sin embargo en el momento de la fecundación, al producirse la transferencia de pronúcleos, pasan muy pocas,y las que se transfieren son marcadas con ubiquitina para ser destruídas. De esta manera las mc paternas se diluyen.

• El ovocito tiene gran cantidad de mc (si normalmente una célula tiene del orden de 1000 a 2000 mc, el ovocito tiene de 100.000 a 200.000). El mtDNA es el prioritario del ovocito.

Sin embargo, tanto hombres como mujeres pueden padecer estas enfermedades.

Hipótesis de la Madre Eva

La secuencia del mtDNA es polimórfica: se puede estudiar cómo se propagan las razas analizando las variaciones del mtDNA. Así se reconstruye el árbol genealógico.

Cuando aparece una mutación en un gen nuclear en la célula germinal, pasa al resto de las células, pero cuando muta una molécula de mtDNA, al haber 100.000 copias, se diluye porque, ¿qué es una mutación en 100.000 copias?

Durante el proceso de oogénesis hay sólo unas pocas mc que se multiplican. Es muy difícil que cuando se muta una mc todos los mtDNA estén igualmente mutados. Posteriormente, al dividirse y multiplicarse habrá:

• células con mtDNA mutado: homoplasmia con mutación

• células con mtDNA sano: homoplasmia salvaje

• células con mtDNA con y sin mutación: heteroplasmia

División celular → líneas diferentes → mutadas

↘ no mutadas

Célula con 1 mutación en mtDNA

↓

división, reparto de mc y nueva expansión

↙ ↓ ↘

cél mtDNA sano cél mc mutadas y sanas cél mc mutadas

(homoplasmia (heteroplasmia) (homoplasmia con

salvaje) mutación)

El mtDNA normalmenta se transmite en heteroplasmia y da lugar a un sujeto mosaico (unas células con homoplasmia y otras con heteroplasmia). Además, existe variabilidad en la trasmisión: dos hijos afectos de la misma madre pueden presentar distinta gravedad al tener también distinto grado de heteroplasmia.

Umbral de expresión fenotípica: La herencia de mc mutadas es al azar, no se sabe qué células reciben las mc mutadas: según a qué tejidos y el requerimiento de ATP de dicho tejido, expresarán más o menos clínica. Cerebro y músculo son los más afectados porque las necesidades de ATP son elevadas, con que fallen un poco sus mc y se sintetice menos ATP de lo normal, ya aparece patología: bajo umbral de patología (cada tejido tiene un umbral de patología diferente).

Así, dentro de una misma familia un individuo puede estar más afectado que otro porque:

• cada uno tiene un porcentaje de mc mutadas, según cuántas mutaciones le haya transmitido la madre.

- Según la distribución de las mc mutadas en los tejidos.

Hay que recordar que la enfermedad es multisistémica, aunque la clínica esté dominada por la encefalomiopatía. Puede presentarse aisladamente una cardiomiopatía e ir avanzando a patología renal, ocular...

Las manifestaciones pediátricas son más graves. En el adulto en cambio puede debutar más tardíamente a partir de una intolerancia al ejercicio con deterioro progresivo conforme envejece -con la edad las mc van perdiendo eficacia, porque con la respiración se acumulan radicales libres que dañan las mc- dando epilepsia, debilidad muscular, ataxia, etc. Hasta que no se llega al umbral de patología no suelen aparecer los síntomas.

Puede ser que se transmitan únicamente en homoplasmia de generación en generación, porque al ser enfermedades poco agresivas sobreviven los enfermos como para tener descendencia.

El fenotipo que origina una mutación en el genoma mitocondrial depende finalmente de tres factores fundamentales:

1. El tipo de mutación

2. La cantidad de moléculas que llevan la mutación

3. La diferente demanda respiratoria de los tejidos, siendo mayor en músculo, sistema nervioso, riñón, páncreas, hígado.

Un cuarto factor lo constituye la edad del individuo afectado

C aracterísticas de la patología mitocondrial:

• Esporádica, de herencia materna o mendeliana

• Afectación específica o multisistémica

• Variabilidad fenotípica en miembros de una misma familia

• Aparición de los síntomas a cualquier edad

• E volución progresiva de la sintomatología

• Relación desconocida entre genotipo y fenotipo

DIAGNÓSTICO

1. B iopsia muscular, porque suele acabar afectando al músculo. Aparecen fibras rojo rasgadas. Con tinción tricrómico de Gomoy se ven las membranas de las mc que han intentado proliferar para suplir el déficit de ATP de color rojo fuerte alrededor de la célula (en la periferia).

2. T inción de citocromo oxidasa (que es el complejo IV de la cadena respiratoria). Normalmente las mitocondrias son de color marrón, pero al fallar la citocromo oxidasa (COX) en las mc mutadas habrá una gama de colores, según la intensidad de la afectación.

3. M edida de la actividad enzimática de la cadena respiratoria.

4. D esestructuración de la mc al microscopio electrónico.

5. Síntomas difusos. Hay un deterioro progresivo rápido. Se afecta un tejido (apareciendo DM, fallo hepático, tubulopatía renal) o afecta progresivamente al cerebro o al músculo. Los síntomas más frecuentes son: convulsiones, ataxia, debilidad muscular, distonía, demencia, miopatía.

6. En realidad, el ojo clínico, la afectación de distintos órganos y las pruebas funcionales del SNC y músculo dan el diagnóstico de sospecha. Puede hacerse un diagnóstico molecular si se ve la mutación en el mtDNA (mediante extracción del DNA de músculo o de células sanguíneas) o si existe una alteración en la cadena respiratoria.

7. Realizar estudio familiar.

La biopsia muscular y la tinción de COX permiten el diagnóstico histopatológico.

PATOLOGÍA MITOCONDRIAL

Puede ser por alteración del genoma nuclear (patrón de herencia mendeliano) o mitocondrial.

La patología molecular más frecuente es la mitocondrial (aunque individualmente cada patología no es muy frecuente, en conjunto, al ser muchas, sí resulta un número alto).

Diferentes alteraciones en tRNA pueden dar la misma patología (al fin y al cabo falla la cadena respiratoria) y mutaciones parecidas en tRNA pueden dar clínica diferente. Pero existen mutaciones que dan preferentemente la misma patología. Ej. MELAS (Encefalopatía Mitocondrial con Acidosis Láctica y Strokes) en 80% tiene una mutación en 3243 y MERFF (Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo Rasgadas) en la mayoría tiene la mutación 8344. Lo que no se conoce es por qué un genotipo produce un fenotipo característico.

Alteración del sistema OXPHOS da patología multisitémica:

Mutaciones en el DNA nuclear

Aunque de las más de 100 subunidades diferentes que forman parte de los complejos respiratorios sólo 13 están codificadas en el genoma mitocondrial, la mayoría de los síndromes provocados por una disminución en la síntesis de ATP que se han caracterizado molecularmente están causados por alteraciones del genoma mitocondrial, aunque en el último año se han identificado varias mutaciones en genes nucleares que provocan una disfunción de la cadena respiratoria mitocondrial.

Fallos en el mtDNA con herencia nuclear: existen delecciones múltiples o depleciones. Puede deberse a que fallen proteínas que se codifican en el núcleo, pero como influyen en el control del mtDNA da la misma clínica que si fallase este mtDNA.

Puede haber fallos en la cantidad o en la calidad del mtDNA.

ANEXO

La intolerancia al ejercicio es una de las patologías mitocondriales, por mutaciones en el complejo III (citocromo b). Ya hemos dicho que todas estas patologías son de muy reciente descubrimiento, tanto es así que hace un mes, estudiando la intolerancia al ejercicio, se ha visto una mutación nueva esporádica. Se haplotipó el DNA del sujeto afecto y el mtDNA de la madre (puesto que la herencia es materna) y se vio que el haplotipo era el del padre (el mtDNA del padre segregó al hijo). Es más, el 100% de las moléculas del padre estaban en el músculo (por eso intolerancia al ejercicio). ¿Qué es lo que ocurrió? ¿Fallo en el mecanismo de eliminación de mc paternas? ¿Quedan susceptibles a mutaciones? Muchas preguntas de momento sin respuesta.

Polimorfismo del mtDNA

La variación genética del mtDNA es el producto de mutaciones que se han ido acumulando a lo largo de la evolución y de las que han surgido en tiempos más recientes. La mayoría de las variaciones son sustituciones neutras (en la tercera posición de los codones y en la región no codificante). Sin embargo, algunos afectan a aminoácidos medianamente conservados, que pueden provocar una pequeña disminución en la capacidad oxidativa celular. Si bien estas mutaciones no originan una patología por sí misma, pueden potenciar el efecto de otras mutaciones.

Los casos más claros de este efecto se han descrito en pacientes con LHON. También entrarían dentro de este grupo mutaciones que podrían ser importantes en la aparición de ciertas enfermedades degenerativas durante la vejez.

A medida que la mutación afecta a posiciones funcionalmente más importantes, la gravedad de los síntomas aumenta. Las más graves, que conllevan una importante disfunción, se eliminan rápidamente mediante selección natural. Por ello las mutaciones graves son recientes y a menudo son heteroplásmicas.

Mutaciones moderadamente deletéreas son, por ej., MTND1 LHON 3460A; MTND4 LHON 11778A; MTTK MERRF 8344A; MTTL1 MELAS 3243C. Los individuos que llevan estas mutaciones, incluso en elevadas proporciones, en general presentan pocos síntomas durante la juventud, y la patología se manifiesta durante la etapa adulta.

Las mutaciones gravemente deletéreas por el contrario, provocan síntomas rápidamente, afectando, por tanto, a la capacidad reproductiva del individuo, y las líneas maternas por tanto desaparecen rápidamente. Por tanto los casos de familias independientes descritos son nuevos, manifestando una variabilidad clínica muy grande dentro de la misma debido a la segregación replicativa. Entre ellas se encuentran: MTND6 LDYT14459A (LHON y distonía); MTATP6 NARP 8993G/C; MTTL1 MMC 3303T; MTTP MM 15990A.

PATOLOGÍA MITOCONDRIAL

(Cadena respiratoria)

1. MUTACIONES EN EL mtDNA

0. Reorganizaciones. Generalmente esporádicas.

• Oftalmoplejía Externa Progresiva Crónica (CPEO)

• Síndrome de Kearns-Sayre

• Diabetes y sordera de herencia materna

0. Mutaciones puntuales (>50). Herencia materna.

• En genes de proteínas

• Neuropatía Óptica Hereditarie de Leber (LHON)

• Neuropatía, Ataxia y Retinitis Pigmentosa (NARP)

• Síndrome de Leigh de herencia materna (MILS)

• En genes de tRNAs

• Encefalomiopatía Mitocondrial con Acidosis Láctica y Strokes (MELAS)

• Epilepsia Mioclónica con Fibras Rojo- Rasgadas (MERRF)

• Sordera neurosensitiva

• En genes de rRNAs

• Sordera inducida por aminoglucósidos

Delecciones / Duplicaciones: son multisistémicos: retinopatía siempre, y además cardiopatía, sistema hematopoyético, páncreas.

Mutaciones puntuales: sintomatología muy variada: cada tipo de mutación  enf. con cuadro clínico diferente. Delecciones similares  cuadros diferentes (no existe relación clara entre genotipo y fenotipo). Distintas mutaciones  mismo cuadro.

• LHON: nervio óptico afectado  pérdida de visión periférica (ceguera). Muchos son homoplásmicos.

• MELAS: episodios de infarto cerebral, parálisis.

• Si afectación rRNA  sordera.

2. MUTACIONES EN GENES NUCLEARES

0. Proteínas estructurales de la cadena respiratoria (= sistema OXPHOS)

• Complejo I: NDUFS 4, 7, 8:Síndrome de Leigh

NDUFS 2: Encefalomiopatía y cardiomiopatía hipertrófica.

• Complejo II: Flavoproteína Síndrome de Leigh

0. Genes no estructurales

• Ensamblaje complejo III:

BCS1L Tubulopatía y encefalopatía

Complejo IV:

Surf-1 Síndrome de Leigh

SCO-2 Cardioencefalomiopatía

SCO-1 Encefalopatía / Fallo hapático

COX-10 Síndrome de Leigh and De Toni-Fanconi-Debre

• Homeostasis e Importe

Frataxina Ataxia de Friedreich

Paraplegina Paraplejía Espástica Hereditaria

DDP Síndrome de sordera-distonía

OPA-1 Atrofia Óptica Dominante

• Comunicación Intergenómica

Delecciones múltiples: ANT1, PolG, helicasa

Depleción: dGK, TK

MNGIE: TP

Complejo IV: genes de regulación de transporte de proteínas al interior de la mc.

Comunicación intergenómica:

• ANT-1 saca ATP de la mc.

• Timidina fosforilasa interviene en el metabolismo de los nucleótidos.

Encefalomiopatías u oftalmoplejías externas con transmisión mendeliana. Delecciones múltiples en el núcleo en genes que regulan la homeostasis del mtDNA.

Ideas importantes:

Patología difícil de dgcar por su variablidad fenotípica y por su peculiar herencia propia.

Es la metabolopatía más frecuente.

A continuación algunas cosillas que venían en la presentación pero que no dio tiempo en clase y a las que

SD de Leigh: NO CLASE

1. ENFERMEDAD NEUROLÓGICA PROGRESIVA CON REGRESIÓN PSICO-MOTORA

1. SIGNOS Y SÍNTOMAS DE DISFUNCIÓN DE TRONCO O GLANGIOS BASALES: PEO, ataxia, alteraciones respiratorias, nistagmo, distonía, hipotonía y atrofia óptica

1. AUMENTO DE LACTATO EN SANGRE O LCR

1. UNO O MÁS DE LOS SIGUIENTES CRITERIOS:

   • Neuroimagen típica de LS: hipodensidades simétricas en los ganglios basales en TC o lesiones hiperintensas en T2 en RMN

   • Hallazgos neuropatológicos característicos postmortem

   • Neuropatología característica en un hermano afectado de forma similar

FACTORES MITOC. RELACIONADOS CON LA CAD. RESP. (NO CLASE)

SPG7: PARAPLEJINA: metaloproteasa mitocondrial: paraplejía espástica

FRATAXINA: proteína de almacenamiento de hierro intramitocondrial; ataxia de Friedreich.

ABC7: exportador de Fe mitocondrial, controlando la generación de proteínas Fe-S citosólicas: Ataxia y anemia sideroblástica ligada al X

DDP1: Componente del sistema de importación de porteínas transportadoras mitocondriales: Síndrome sordera-distonía ligado al X

OPA1: Relacionada con las dinaminas; proteínas que generan vesiculas intracelulares rodeadas de membranas; ad-atrofia óptica y SNPs asociados a glaucoma normotensivo.

T AZ: homologo de fosfolípido aciltransferasas que controla metabolismo de cardiolipina, un componente de MIM: Síndrome de Barth ligado al X

II-1 III-1 III-2 III-3 II-2

Epilepsia - +++ + - -

Mioclonía - +++ + - -

Ataxia - +++ - - -

Debilidad - - - - -

Neuropatía periférica + ++ ++ ++ -

Temblores - ++ - - -

Sordera - + - - -

Histoquímica

muscular rrf RRF RRF RRF ND

COX^- dispersas dispersas

Bioquímica muscular N Complejo I N N ND

1