¿De dónde surgieron las mitocondrias?

La mitocondria es el orgánulo celular encargado de la respiración, pero ¿cuál es su origen evolutivo?

 

Toda célula necesita energía para vivir, y mientras que los organismos fotosintéticos, autótrofos, la obtienen de la luz, nosotros, consumidores, la obtenemos consumiendo a otros seres vivos. Somos organismos heterótrofos.

¿Mejor fermentar o respirar?

En el interior de una célula, la energía se almacena en moléculas estables, como los azúcares o los lípidos. Pero para que una célula pueda funcionar requiere de otras moléculas que liberen su energía de forma rápida y eficiente, y la moneda de cambio energético más habitual es el ATP (adenosín trifosfato). Esta molécula es altamente inestable y no se puede almacenar, de ahí que las células tengan distintas formas de transformar la energía de las moléculas de almacenamiento en ATP, que pueden utilizar inmediatamente en su metabolismo.

Cada tipo de molécula trabaja de una manera distinta; la glucólisis para descomponer la glucosa, la reacción denominada β-oxidación para los ácidos grasos, etc. Cuando una célula no puede realizar la respiración —no hay oxígeno—, la forma de obtener energía es mediante la fermentación. Existen distintos tipos de fermentación, que dan lugar a distintos productos de deshecho: la fermentación láctica, que produce ácido láctico, o la fermentación alcohólica, que produce etanol y dióxido de carbono. Por cada molécula de glucosa que se fermenta, se obtienen 2 moléculas de ATP, que pueden ser empleadas por la célula para su metabolismo.

Múltiples productos, leche y yogur
La fermentación es el proceso que está tras la elaboración de múltiples productos, como el pan, los lácteos o las bebidas alcohólicas

Sin embargo, cuando la respiración es posible gracias a la presencia de oxígeno, el escenario cambia drásticamente. Para ello entra en juego la mitocondria, el orgánulo celular que se encarga de la respiración celular. Este orgánulo, y siempre en presencia de oxígeno, puede oxidar una molécula de glucosa para formar, al final, nada menos que 38 moléculas de ATP, y sus desechos son, tan solo, agua y dióxido de carbono.

Una historia de bacterias

Hace miles de millones de años, ningún ser vivo era capaz de respirar. El mundo estaba dominado por dos tipos de organismos: los fotosintéticos, productores primarios que obtenían la energía de la luz del sol y expulsaban oxígeno en su metabolismo, y los consumidores, que se alimentaban de los primeros y obtenían la energía por fermentación de los compuestos orgánicos que aquellos producían.

Sin otros seres vivos que consumieran el oxígeno liberado por los fotosintéticos, la atmósfera fue acumulando este gas, que resultaba ser tóxico para las formas de vida, hasta que algunos grupos de bacterias adquirieron una adaptación que les permitió emplear ese oxígeno en su metabolismo. Convirtieron una poderosa toxina en un reactivo útil. La selección natural favoreció esta característica, y aquellos organismos capaces de realizar esta función, que hoy conocemos como respiración, encontraron una gran ventaja evolutiva. El mundo se llenó de bacterias capaces de respirar.

Pero nosotros, seres compuestos por células eucariotas, no somos bacterias. Nuestra respiración celular se da gracias a las mitocondrias. ¿Qué relación tienen las mitocondrias, entonces, con aquellas bacterias capaces de respirar? La respuesta, por supuesto, es una relación evolutiva.

Reconstrucción en 3D de mitocondrias
Reconstrucción en 3D de mitocondrias

La mayor simbiosis de la historia de la vida

En algún momento relativamente temprano de nuestra historia evolutiva, tuvo lugar un evento de simbiosis muy particular. Un linaje de células eucariotas —aquellas que encierran su ADN en el interior de un núcleo con membrana— tomó contacto con un tipo de bacteria capaz de respirar.

El proceso de simbiosis entre estos dos organismos no fue repentino, sino el fruto de una asociación paulatina y gradual, en la cual, cada uno de los protagonistas adquiría nuevas adaptaciones para que esa simbiosis fuera cada vez más y más íntima.

La bacteria se hizo intracelular, habitó en el interior de la célula eucariota y se estableció una relación de mutualismo, según la cual la eucariota protegía a la bacteria y su mayor tamaño y movilidad le proporcionaba una mayor cantidad de alimento. Por su parte, la bacteria era capaz de realizar la respiración celular —la eucariota hasta entonces, recordemos, solo podía realizar la fermentación— y desarrolló proteínas portadoras que permitían intercambiar el ATP con la célula hospedadora. Las mitocondrias son, al fin y al cabo, bacterias que viven en el interior de las células.

Esta asociación, denominada endosimbiosis, se vio fuertemente favorecida por la selección natural. De hecho, hoy, prácticamente todos los organismos eucariotas tenemos mitocondrias; las únicas excepciones se encuentran en las especies del género Monocercomonoides y la ameba gigante Pelomyxa palustris; pero, aunque carecen de mitocondrias, sí presentan poblaciones de arqueas y bacterias endosimbióticas de otros tipos. 

Margulis Lynn Margulis
Margulis Lynn Margulis

¿Qué pruebas tenemos de la endosimbiosis?

Los primeros trabajos que apuntaron a la teoría endosimbiótica como origen de las mitocondrias fueron los de la bióloga estadounidense Lynn Margulis.

Entre las pruebas que confirmaban esta posible explicación estaba el tipo de ribosomas de las mitocondrias, su material genético —propio y distinto del de la célula eucariota en que se encuentra— y su tipo de membranas.

Los ribosomas son pequeños orgánulos que se encargan de la síntesis de proteínas; bacterias y eucariotas tienen ribosomas diferentes. En este sentido, las mitocondrias tienen su propia maquinaria celular y sus ribosomas son de tipo bacteriano, distintos a los de la célula eucariota hospedadora.

Del mismo modo, el ADN mitocondrial está dispuesto en un cromosoma circular, propio de las bacterias, y distinto de los cromosomas lineales de la célula eucariota.

Además, las mitocondrias disponen de una doble membrana, y cada una es distinta. La capa más externa —la que está en contacto con el citoplasma de la célula hospedadora— es del mismo tipo que la membrana celular exterior, pero la interior —la que está en contacto con el citoplasma de la mitocondria— es de tipo bacteriano.

Todas esas pruebas parecían confirmar aquella hipótesis, y gracias a los análisis genéticos, hoy está ampliamente aceptada. De hecho, sabemos que las bacterias que dieron lugar a las mitocondrias fueron α-proteobacterias del grupo Rickettsiales. Se denomina teoría de la endosimbiosis seriada.

El proceso es “seriado”, porque ha sucedido repetidas veces a lo largo de la historia de la vida, y no solo con las mitocondrias, sino con otros orgánulos. Los cloroplastos de las plantas y de muchas algas —las verdes y rojas— tienen el mismo origen bacteriano —con cianobacterias, en este caso—. Y este proceso de endosimbiosis seriada no se detuvo ahí. Algunas algas, como las haptófitas, las euglénidas y los dinoflagelados del género Lepidodinium tienen como endosimbiontes a otras algas, en lo que se denomina endosimbiosis secundaria —una endosimbiosis de organismos ya endosimbióticos—. Y aún de forma más compleja, muchos dinoflagelados y, probablemente, las diatomeas, tienen una endosimbiosis terciaria.

Referencias:

Archibald, J. M. 2012. Chapter Three - The Evolution of Algae by Secondary and Tertiary Endosymbiosis. En G. Piganeau (Ed.), Advances in Botanical Research (Vol. 64, pp. 87-118). Academic Press. DOI: 10.1016/B978-0-12-391499-6.00003-7

Emelyanov, V. V. 2001. Evolutionary relationship of Rickettsiae and mitochondria. FEBS Letters, 501(1), 11-18. DOI: 10.1016/S0014-5793(01)02618-7

Karnkowska, A. et al. 2016. A Eukaryote without a Mitochondrial Organelle. Current Biology: CB, 26(10), 1274-1284. DOI: 10.1016/j.cub.2016.03.053

Margulis, L. et al. 1998. Endosymbioses: cyclical and permanent in evolution. Trends in Microbiology, 6(9), 342-345. DOI: 10.1016/S0966-842X(98)01325-0

Mentel, M. et al. 2008. Energy metabolism among eukaryotic anaerobes in light of Proterozoic ocean chemistry. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 363(1504), 2717-2729. DOI: 10.1098/rstb.2008.0031

Whatley, J. M. 1976. Bacteria and Nuclei in Pelomyxa Palustris: Comments on the Theory of Serial Endosymbiosis. The New Phytologist, 76(1), 111-120.

Vary (Álvaro Bayón)

Vary (Álvaro Bayón)

Soy doctor en biología, especializado en especies invasoras. Intento divulgar sobre ciencia y naturaleza mientras lucho férreamente contra las pseudociencias y el pensamiento mágico. Cuando me queda tiempo, cazo pokémon y hago artesanía. Además, soy (un poco) adicto al twitter.

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