MUERTE CELULAR PROGRAMADA Y APOPTOSIS FUNCION DE LAS MITOCONDRIAS, Monografías, Ensayos de Biología

¡Descarga MUERTE CELULAR PROGRAMADA Y APOPTOSIS FUNCION DE LAS MITOCONDRIAS y más Monografías, Ensayos en PDF de Biología solo en Docsity! ISSN 0025-7680375 Universidad de Guayaquil Facultad de Ciencias Médicas Primer semestre Estudiante: Jodie León Dr. Byron López ARTICULO ESPECIAL MEDICINA (Buenos Aires) 2000; 60: 375-386 MUERTE CELULAR PROGRAMADA Y APOPTOSIS FUNCION DE LAS MITOCONDRIAS MARTA DUBIN, ANDRES O.M. STOPPANI Centro de Investigaciones Bioenergéticas, Facultad de Medicina (UBA- CONICET), Universidad de Buenos Aires Resumen La muerte celular fisiológica es un proceso natural programado genéticamente, controlado por mecanismos moleculares complejos, cuyo conocimiento es un objetivo primordial de la biología y la medicina contemporáneas. La apoptosis es un programa metabólico que, activado, induce la muerte celular según secuencias estereotipadas, que culminan con la fragmentación de la célula y la digestión de sus fragmentos por fagocitos. El efecto fisiológico de ese programa es la eliminación de células decadentes, dañadas o superfluas, sin liberar su contenido al entorno. Los procesos apoptogénicos se pueden desarrollar en tres fases, a saber, premitocondrial, mitocondrial y post- mitocondrial. Durante la primera fase, las noxas o señales apoptogénicas (agentes genotóxicos, radicales libres del oxígeno, corticoides, anticuerpos, etc.) actúan sobre las células activando mecanismos específicos, entre ellos proteasas específicas. Como consecuencia de esas señales, se produce la fase mitocondrial en la que las mitocondrias pierden funciones esenciales como el transporte de electrones, la fosforilación oxidativa y el mantenimiento de la homeostasis celular. También se producen radicales libres del oxígeno y se libera el citocromo c, se activan las caspasas y las endonucleasas, que pasan al citosol. Durante la tercera fase, se producen daños celulares letales por la acción de los factores apoptogénicos liberados, en particular la degradación de las estructuras proteicas y de los ácidos nucleicos. La contribución de las mitocondrias a la apoptosis es regulada por el poro mitocondrial de permeabilidad transitoria (PMPT) constituido por caspasas, hexoquinasas, citocromo c, ATP y ADP, en una zona de confluencia de las membranas mitocondriales interna y externa. El PMPT, es controlado por agentes apoptogénicos o antiapoptogénicos que lo abren o lo cierran según su estructura y las condiciones metabólicas. La apertura incontrolada del PMPT provoca la salida masiva de factores letales que provocan la necrosis celular. La permeabilidad del PMPT puede ser modificada por drogas con acción terapéutica potencial lo que plantea interesantes perspectivas para el desarrollo de quimioterápicos. Se examina la función de la apoptosis en patologías como las enfermedades degenerativas del sistema nervioso, las enfermedades autoinmunes, el SIDA y el cáncer. Medicina mitocondrial Las mitocondrias son las proveedoras principales de la energía que utilizan las células para sus funciones específicas. Defectos en la función mitocondrial causan mas de 100 enfermedades. La notable expansión del conocimiento de la patología mitocondrial se ha originado en los progresos de la bioquímica, la bioenergética y la biología molecular de las mitocondrias1. También es importante el descubrimiento de la producción de radicales libres del oxígeno por las membranas mitocondriales. La expresión clínica de los defectos mitocondriales se manifiesta en enfermedades degenerativas de diferentes órganos o tejidos. También se encuentran patologías mitocondriales como causas o signos del envejecimiento. A esta nosología a la que se ha denominado “medicina mitocondrial”1 se debe agregar la participación de las mitocondrias en los procesos de muerte celular fisiológica1-4 tema principal de esta revisión. Por razones de espacio, la bibliografía citada se ha limitado a los artículos mas ilustrativos aparecidos durante los últimos años. Muerte celular y/o apoptosis Los organismos multicelulares están constituidos por un número predeterminado de células, que es característico para cada especie. Ese número resulta de la suma de dos procesos, a saber, (a) la multiplicación celular y (b) la muerte y eliminación de un número igual de células redundantes. El desequilibrio de esos procesos determina efectos que pueden ser letales, sea por exceso en la destrucción celular, causa de atrofia de tejidos y órganos o por destrucción defectuosa, causa de hiperplasias o neoplasias2-4. La muerte celular programada2-4 es de fundamental importancia para explicar procesos biológicos como (a) la formación y maduración de embriones; (b) la senilidad; (c) la formación de queratocitos; (d) la renovación del epitelio de las membranas mucosas y (e) la atrofia de órganos después de la eliminación de las hormonas tróficas, como consecuencia de la castración; (f) la muerte de los neutrófilos. La muerte celular programada2 es un término funcional, que se usa para definir la muerte celular como parte normal de la vida de los organismos multicelulares. La apoptosis (Kerr, 1972) es un término descriptivo que define un tipo de muerte celular con diversas características morfológicas2-16. Es el término más usado actualmente como referente de muerte celular programada. Apoptosis proviene del griego y significa la caída otoñal de hojas y pétalos (Homero). Se ha utilizado el término con diferentes connotaciones: (a) contracción atípica del volumen celular; (b) cambios morfológicos nucleares, acompañados por la contracción exagerada del volumen celular; (c) la condensación de la cromatina nuclear y la fragmentación del ADN; (d) las alteraciones de las membranas celulares con aumento de la permeabilidad y ampollado (“blebbing”); (e) el aumento de la capacidad para ligar anexina; (f) la activación de proteasas catabólicas (caspasas); (g) la escisión de la queratina5-16. Lo más llamativo de las alteraciones apoptóticas son las alteraciones morfológicas. Brevemente, se puede decir que apoptosis es un proceso destinado a eliminar células infectadas o dañadas genéticamente, con efectos opuestos a la mitosis en la regulación del tamaño de los órganos y de los tejidos. Los términos apoptosis y muerte celular programada han originado controversias3 y en general, se acepta su sinonimia cuando la muerte celular depende de la intervención de proteasas (las caspasas). Pero la ausencia de esa intervención no previene necesariamente la muerte celular en cuyo caso el término apoptosis no sería pertinente3. Es interesante señalar que mientras muchas formas de apoptosis representan muerte celular programada, no se puede decir que todas las muertes celulares programadas están comprendidas dentro de la apoptosis. TABLA 1.– Diferencias entre apoptosis y necrosis Muerte celular Parámetro Apoptosis Necrosis Morfología celular Contraída Expandida, con formación de microvesículas y liberación de citoplasma al espacio intercelular 68. La ceramida liga al receptor FAS y libera un mensajero, posiblemente un gangliósido que actúa sobre las mitocondrias. Durante esta fase de la apoptosis, las caspasas activadas actúan sobre las membranas mitocondriales, en particular sobre el poro mitocondrial de permeabilidad transitoria (PMPT)27, 28, 69 también llamado canal megamitocondrial (Figura 1, el poro). Durante la segunda fase de la apoptosis (fase efectora), se producen cambios significativos en la función de las membranas mitocondriales, que se traducen en un incremento de la permeabilidad de las mismas. Se produce la apertura del poro de permeabilidad transitoria (PMPT)69. Estos efectos facilitan la salida de iones calcio de la matriz mitocondrial al citosol69,72, el colapso del potencial ∆Ψ de la membrana mitocondrial29-35, el aumento en la producción de radicales libres del oxígeno en la misma45-50, lo mismo que la depleción del GSH (glutatión reducido), del ATP y del ADP en la matriz mitocondrial73. Como resultado de esos efectos, se produce el aumento del volumen mitocondrial (swelling) que culmina en el estallido de la mitocondria (Figura 2). Durante la segunda fase, las células son programadas irreversiblemente para morir. La decisión entre muerte y vida, depende de la información suministrada por protooncogenes y genes onco-supresores (Figura 1). La acción específica de esos factores se verá oportunamente. En esta fase se produce la activación de las caspasas y los citados cambios en el voltaje y el potencial redox. En la tercera fase de la apoptosis, la salida de los factores apoptogénicos mitocondriales, liberados al citosol, sumados a los generados en el mismo citosol promueven la destrucción de las proteínas, del ADN, del ARN y de las membranas celulares consumando así la muerte celular. Algunas proteínas liberadas tienen capacidad para activar caspasas y nucleasas citosólicas. En primer término, el citocromo c que junto con el factor Apaf-1, ATP y caspasa-9 forma el proteosoma (Figura 1). El citocromo c activa a la caspasa-3, que a su vez activa la endonucleasa nuclear. En segundo término, las mitocondrias apoptóticas liberan una proteína activa denominada AIP, que también activa las endonucleasas independientemente del citocromo c. Por último, las proteínas mitocondriales intermembrana incluyen una ADNasa específica que degrada la doble hélice del ADN28. Durante esta última fase, aparecen las características morfológicas y bioquímicas de la apoptosis, a saber, condensación de la cromatina, la fragmentación del ADN, la degradación masiva de proteínas esenciales, nucleolisis y finalmente citolisis. Apoptosis, especies reactivas del oxígeno Especies reactivas del oxígeno (EROS): superóxido, peróxido de hidrógeno y radical hidroxilo, son potentes promotores de la apoptosis56-60. La acumulación de EROS en las mitocondrias es el resultado del balance entre dos procesos: (a) la producción de esos radicales por reacciones redox en la membrana mitocondrial interna y (b) eliminación de los mismos por mecanismos desintoxicantes conocidos. Entre esos últimos mecanismos, el dependiente del glutatión (GSH/GSSG)47, 73 tiene un importante papel pero se debe tener en cuenta que, la depleción del GSH produce la apertura del PMPT28, un efecto apoptogénico. El PMPT tiene dos mecanismos sensibles a EROS, uno que se equilibra con el GSH de la matriz, y otro que es directamente inactivado por EROS28. La sobreproducción de EROS puede ser también la consecuencia de una expresión exagerada de la proteína p53 o de la acción de la ceramida. Otro factor importante en la producción de apoptosis es el óxido nítrico (ON) y su derivado el peroxinitrito74-79. Concentraciones nanomolares de ON inhiben rápida y reversiblemente a la citocromo oxidasa mitocondrial51, 76 y en esa forma estimulan la producción de EROS. La producción fisiológica del ON es catalizada por la ONsintasa, enzima inducida por citoquinas en células como los macrófagos y los astrocitos donde se producen concentraciones de ON del orden de 1.0 µM. Esas concentraciones de ON son capaces de inhibir la respiración de las mismas células generadoras de ON o de células próximas. En células del cerebro, la inhibición de la citocromo oxidasa por ON determina la liberación de ácido glutámico responsable de la toxicidad del ON en esas células79. El ON inhibe además la cadena de transporte de electrones a nivel del complejo I, efecto que se explica por la nitrosilación de grupos tioles. En presencia del anión superóxido el ON produce peroxinitrito que tiene varios efectos inhibidores74, 75. El peroxinitrito inhibe a la aconitasa y la creatina quinasa, aumenta la salida de protones al citosol. Todos esos efectos llevan a la apertura del PMPT, cuyas consecuencias apoptogénicas se han comentado. Apoptosis y caspasas Las caspasas son proteasas dependientes de tioles (residuos de cisteína), caracterizadas por su especificidad para hidrolizar péptidos y proteínas en la vecindad de residuos aspárticos. Su especificidad catalítica ha originado el término “caspasa” en el que la “c” representa al residuo cisteína de la enzima y “aspasa” representa residuos aspárticos de la proteína sustrato82,84. Por su estructura y actividad proteolítica específica, se conocen por lo menos 10 caspasas que se ordenan por los números correspondientes, caspasa-1, caspasa-2, caspasa-3, etc. Las caspasas actúan en las mitocondrias, en el citosol y en el núcleo celular e incluyen los grupos siguientes82, 84: (a) mediadores de la inflamación (caspasa-1, -4 y -5); (b) efectores de la apoptosis (caspasa-3, -7 y -2); (c) activadoras de caspasas apoptogénicas (caspasas-6, -8, -9 y -10). Todas las caspasas tienen en su sitio activo una secuencia pentapeptídica QACXG (o sea Glu-Ala-Cys-X-Gly; X puede ser Arg, Glu o Gly). En la célula se sintetizan como pro-enzimas inactivas (procaspasas) que se pueden activar por autocatálisis. La actividad proteolítica depende del estado redox69 y del balance pro- oxidante/antioxidante86, 87 en la célula. Algunas caspasas son reguladas por el receptor FAS89, 92, por el citocromo c y por el factor inductor de la apoptosis AIF que pasan de las mitocondrias al citosol27 como consecuencia del daño mitocondrial inducido por la apoptosis. La actividad proteolítica de las caspasas está limitada por la naturaleza de las proteínas sustrato82- 85. Así el sustrato, PARP (poli-(ADP-ribosa)polimerasa), es hidrolizado por la caspasa-3 en dos fragmentos, uno de los cuales contiene el extremo N-terminal y liga el ADN, mientras que el otro fragmento contiene el extremo Cterminal que ejerce la actividad catalítica. Otra proteína sustrato atacada por las caspasas es la proteína quinasa ADN-dependiente, una enzima que interviene en la reparación de la doble-hélice del ADN. Durante la apoptosis esa proteína-quinasa es degradada por la caspasa-5 pero no por las caspasas-1, -4 y -6. Su degradación produce una disminución significativa de la aptitud celular para reparar ADN lo que suprime una función homeostática esencial y facilita la degradación de la cromatina del núcleo. Conclusión El progreso reciente en el conocimiento de la muerte celular programada y de la apoptosis constituyen anticipos de otros descubrimientos, seguramente trascendentes, que deberán ocurrir en un futuro próximo.