las mitocondrias constituyen un 20-40% del volumen celular, por ser un tejido de gran demanda energetica.
los ácidos grasos son el pricipal sustrato del musculo cardiaco para formar ATP.
las mitocondrias humanas contienensu propia molecula de ADN de doble cadena que enloba 16.569 que codifica 13 proteinas las cuales forman parte de los 5 complejos enzimaticos involucrados en el transporte de electrones y la fosforilacion oxidativa.
La producción energética mitocondrial depende de factores genéticos codificados por el núcleo y por el ADNmt, que modulan la función mitocondrial normal, incluyendo la actividad enzimática y la disponibilidad de cofactores, y de factores ambientales como la disponibilidad de combustibles (p. ej., azúcares, grasas y proteínas) y oxígeno. la oxidación del piruvato, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos y la vía final común de la fosforilación oxidativa que genera el 80-90% del ATP celular.La vía de transporte de carnitina para el influjo mitocondrial de ácidos grasos, el transportador de piruvato, el canal de K+ y el transportador de Ca2+ se encuentran localizados en las membranas mitocondriales.
Los genes de ADNmt que codifican proteínas son transcritos en forma de ARNm específicos que se traducen en un complejo específico de síntesis ribosoma/proteína. El ADNmt también codifica parte de la maquinaria de síntesis proteica mitocondrial, como 2 ARN ribosómicos (ARNr) y 22 ARN de transferencia (ARNt), como se observa en la figura 2. En general, cada célula cardíaca contiene múltiples mitocondrias (50-100) y cada mitocondria contiene múltiples copias de ADNmt (1-10 moléculas/mitocondria).
las proteínas codificadas por el núcleo son sintetizadas en ribosomas citosólicos, dirigidas a las mitocondrias e importadas por procesos complejos. Por tanto, puede esperarse que determinadas mutaciones en genes nucleares involucrados en la biogénesis mitocondrial contribuyan en parte a los defectos observados en las enzimas cardíacas mitocondriales y en el ADNmt, como el aumento de la incidencia de deleciones de ADNmt a gran escala, y depleción de ADNmt asociados a alteraciones cardíacas. se han identificado unas pocas mutaciones en los genes nucleares que afectan a la biogénesis mitocondrial y que conducen a alteraciones cardíacas. La oxidación de los ácidos grasos proporciona una pequeña parte de la producción global de ATP debido a que los valores de ácidos grasos circulantes son bajos, y también como consecuencia de la inhibición de la oxidación de los ácidos grasos por los elevados valores de lactato presentes en el corazón fetal.
Las proteínas específicas asociadas a la membrana mitocondrial y las proteínas citoplasmáticas involucradas en la captación de los ácidos grasos de cadena larga se encuentran reguladas de forma coordinada durante el desarrollo del tejido cardíaco.La creatincinasa cardíaca mitocondrial (CKmt), que permanece indetectable en las fases iniciales del desarrollo fetal, presenta una activación de su expresión durante el desarrollo neonatal. . Las mitocondrias, por ser el principal lugar de generación de radicales libres del oxígeno, son la diana crítica de su efecto nocivo; la localización de la cadena respiratoria en la membrana interna de la mitocondria hace que a menudo resulte dañada, lo que a su vez produce un aumento de la generación de radicales libres del oxígeno que conduce a un círculo vicioso de deterioro de la función mitocondrial.
La cardiolipina, que es el fosfolípido insaturado celular más abundante, es el principal componente de la membrana mitocondrial interna, y desempeña un papel integral en la función de transporte de la membrana mitocondrial cardíaca, en su fluidez y estabilidad, además de facilitar la función de las enzimas bioenergéticas que se encuentran en la membrana. Con el envejecimiento también se produce un aumento de la tasa de deleciones a gran escala y de mutaciones puntuales del ADNmt cardíaco, y una reducción de las actividades enzimáticas mitocondriales. estas anomalías mitocondriales pueden ser debidas en gran parte al aumento de la producción mitocondrial de radicales libres del oxígeno asociado al envejecimiento. Sin embargo, el efecto del envejecimiento sobre la función de las enzimas implicadas en la fosforilación oxidativa cardíaca ha sido revaluado recientemente y se ha cuestionado el grado y el papel que desempeña el declive de la función bioenergética mitocondrial. Una gran cantidad de cambios/parámetros fisiológicos puede tener influencia sobre las actividades enzimáticas mitocondriales. En las miocardiopatías existen defectos discretos de la fosforilación oxidativa mitocondrial o deficiencias en la cadena respiratoria. Las mutaciones patogénicas del ADNmt se encuentran localizadas generalmente en nucleótidos altamente conservados a lo largo de la evolución, y a menudo tienen una presentación heteroplásmica (una población mixta de genomas de ADNmt mutante y silvestre), aunque evidencias recientes indican que las mutaciones patogénicas de ADNmt pueden ser también homoplásmicas.
Se han identificado mutaciones patogénicas de ADNmt en varios genes de ARNt mitocondriales que están asociadas a miocardiopatías. En general, las mutaciones patogénicas de ARNt mitocondrial afectan negativamente a la síntesis proteica de las mitocondrias y la actividad de múltiples enzimas respiratorias. Se ha descrito también una mutación de ADNmt asociada a miocardiopatía en el ARNr. Asimismo, otras mutaciones puntuales de ADNmt que se encuentran en otras localizaciones del ADNmt (algunas en genes de ARNt, otras en genes del ADNmt codificadores de proteínas), que no están presentes en individuos normales se han asociado a pacientes con miocardiopatía dilatada. Las enfermedades multisistémicas mitocondriales con afección cardíaca se describen asociadas a un espectro creciente de manifestaciones clínicas. De la misma forma, determinados síndromes o fenotipos pueden estar causados por mutaciones completamente diferentes del ADN nuclear o mitocondrial. Por ejemplo, el síndrome de Leigh puede estar causado por mutaciones en la subunidad de la ATPasa-6, por mutaciones puntuales en el gen LYS del ARNt mitocondrial, por mutaciones del ADN nuclear de la piruvato deshidrogenasa por mutaciones nucleares que afectan a las subunidades del complejo II o por depleción del ADNmt. También se han asociado a alteraciones cardíacas los reagrupamientos esporádicos a gran escala del ADNmt. Este tipo de deleciones son el reflejo de un daño específico del ADNmt (presumiblemente como consecuencia de los radicales libres del oxígeno), son dependientes de la edad y sigue sin esclarecerse su papel en las enfermedades cardíacas.
Se ha descrito la depleción en los valores de ADNmt cardíaco en pacientes con una miocardiopatía aislada, tanto dilatada como hipertrófica. Además, la depleción del ADNmt cardíaco puede ser inducida específicamente por zidovudina (AZT), que inhibe tanto la polimerasa de ADN del VIH como la polimerasa gamma del ADNmt, lo que interfiere con la replicación de ADNmt. En humanos y en animales tratados con AZT se han encontrado valores reducidos de ADNmt cardíaco asociados a una marcada disminución de la actividad de las enzimas respiratorias y un fenotipo clínico de disfunción cardíaca.
Las mutaciones en un amplio grupo de genes nucleares que codifican proteínas mitocondriales pueden causar miocardiopatías. Por ejemplo, una miocardiopatía es a menudo una consecuencia de mutaciones en proteínas transportadoras mitocondriales (p. ej., la translocasa de la carnitina-acilcarnitina) que facilitan el paso de metabolitos críticos a través de la membrana mitocondrial interna, y también de mutaciones en la frataxina, una proteína de transporte mitocondrial implicada en la acumulación mitocondrial de hierro que causa la ataxia de Friedreich (a menudo se presenta con miocardiopatía hipertrófica). También se han implicado en algunas enfermedades de base mitocondrial, como el síndrome de Leigh, algunas mutaciones de genes nucleares que codifican factores necesarios para el ensamblaje y el funcionamiento de las múltiples subunidades que conforman los complejos enzimáticos respiratorios. La miocardiopatía es la manifestación clínica primaria de diversas alteraciones hereditarias de la betaoxidación mitocondrial de los ácidos grasos. También se han encontrado asociados a miocardiopatía los defectos en el transporte de carnitina al interior de las células, así como defectos en el mecanismo de transporte carnitina-acilcarnitina, responsable del transporte de ácidos grasos al interior de la mitocondria. Los defectos en la proteína mitocondrial trifuncional que afectan a la proteína de cadena larga L-3 hidroxilacil-CoA están asociados frecuentemente a la miocardiopatía dilatada. La patogenia cardíaca de estas alteraciones hereditarias que afectan a la betaoxidación de los ácidos grasos y el metabolismo de la carnitina incluyen probablemente dos factores: un deficiente aporte bioenergético al corazón y la acumulación de concentraciones tóxicas de ácidos grasos con la subsiguiente disfunción cardíaca. Los defectos en la conducción cardíaca y las arritmias están presentes frecuentemente en pacientes con defectos específicos en la oxidación de los ácidos grasos. Además, la acumulación de metabolitos de ácidos grasos de cadena larga (p. ej., la acilcarnitina de cadena larga) desempeña un papel fundamental en el desarrollo de arritmias ventriculares que tienen lugar durante la isquemia miocárdica. En pacientes con mutación en el G4.5 se produce un aumento de l os valores de ácidos grasos saturados, mientras que los ácidos grasos insaturados y la cardiolipina están marcadamente reducidos. Una función defectuosa de la aciltransferasa puede resultar en un aumento de la saturación de los ácidos grasos, lo que perjudica la fluidez y la función de las membranas cardíacas.
Algunos pacientes con mutaciones específicas de la cadena pesada de la betamiosina pueden desarrollar un número anormal de mitocondrias y una marcada reducción de la función respiratoria mitocondrial Se ha sugerido una interacción potencial entre estas mutaciones nucleares patogénicas y las mutaciones de ADNmt a partir de estudios que demuestran la coexistencia de mutaciones de la cadena pesada de la betamiosina y del ADNmt en pacientes con miocardiopatía hipertrófica77. Las localizaciones celulares defectuosas de las mitocondrias pueden desempeñar un papel crítico en la fisiopatología cardíaca, al modificar la función bioenergética cardíaca.
Existen evidencias que demuestran que la apoptosis (muerte celular programada), que conduce a la pérdida de células cardíacas y al remodelamiento del ventrículo izquierdo, constituye un hecho significativo de la insuficiencia cardíaca en pacientes con miocardiopatía dilatada y en modelos animales. La apertura del PTP produce una disipación del potencial transmembrana mitocondrial (ΔΨ m) y una despolarización de la membrana mitocondrial. La disminución del contenido de ATP promueve la transferencia de la proteína Bax al PTP. Cada vez hay mayor número de fármacos/toxinas con efectos deletéreos conocidos sobre la función mitocondrial cardíaca. Los cambios mitocondriales incluyen un gran aumento de la producción de radicales libres debido a una actividad anormal de la deshidrogenasa de NADH; un incremento del daño del ADNmt, del tipo de acumulación de 8 OHdG y deleciones a gran escala de ADNmt; alteraciones en la homeostasis del Ca2+ mitocondrial; cambios en la actividad de las enzimas implicadas en la oxidación de los ácidos grasos (p. ej., el CPTI) y aumento de la actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina. La mayor parte de los efectos bioquímicos deletéreos de la doxorrubicina puede ser contrarrestada con la suplementación de alguno de los siguientes factores: MnSOD, carnitina, adenosina o metalotioneína, capaces de aportar grados variables de cardioprotección. También existe evidencia de que la doxorrubicina actúa sobre el PTP mitocondrial, modulando el flujo de Ca2+, la generación de radicales libres del oxígeno, la actividad de la translocasa de nucleótidos de adenina, el transporte y metabolismo de carnitina y la integridad del ADNmt. Además de permitir el examen de los efectos específicos sobre la función cardíaca que se derivan de la eliminación de genes implicados en la función mitocondrial, los ratones knock-out específicos de tejido con una miocardiopatía mitocondrial se han utilizado para identificar los genes modificados con potencial valor terapéutico.
El diagnóstico de la disfunción mitocondrial en la enfermedad cardíaca procede en gran parte de estudios de biopsias endomiocárdicas que han utilizado análisis histoquímicos, ultraestructurales y de la actividad de las enzimas de la fosforilación oxidativa y de la respiración celular. También puede ser informativo el análisis de ADN utilizado para identificar mutaciones patogénicas específicas del ADNmt, el análisis de las deleciones a gran escala del ADNmt y la evaluación de los niveles de ADNmt; sin embargo, según nuestra experiencia, la incidencia global de mutaciones patogénicas de ADNmt es baja en pacientes con enfermedad cardíaca, incluyendo aquellos que presentan defectos de las enzimas de la fosforilación oxidativa. Una vez que las mutaciones específicas de ADNmt han sido identificadas, su significado funcional puede ser confirmado utilizando tecnología «cíbrida». Según esta metodología, los citoplastos de los pacientes (células enucleadas que contienen las mitocondrias y el ADNmt de los pacientes) son fusionadas con células rhoº receptoras deficientes en ADNmt (células nucleadas en cultivo cuyo ADNmt ha sido eliminado mediante crecimiento prolongado en bromuro de etidio). Los pacientes con miocardiopatía secundaria a deficiencia a pueden ser tratados con L-carnitina oral. Por el momento, disponemos de una información limitada en relación con la estructura y función mitocondriales en células ES, y no existen datos sobre su utilidad en las enfermedades cardíacas que presentan anomalías mitocondriales extensas, ni sobre pruebas realizadas para probar la cardiotoxicidad mitocondrial.
El desarrollo de la ingeniería celular basada en la terapia con células ES puede tener un importante impacto en el tratamiento de las enfermedades cardíacas basadas en defectos mitocondriales.
El uso eficaz de la terapia génica para el tratamiento de los defectos derivados del ADNmt en la fosforilación oxidativa está pendiente de una metodología basada en el reemplazo génico mitocondrial en células humanas.
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