Cellular respiration: organization models

Article published on May 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.18567/sebbmdiv_ANC.2017.05.1

Acisclo Pérez Martos

Facultad de Veterinaria de la Universidad de Zaragoza

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Download article (pdf)

 

We propose an alternative organization model of the electron transport chain, much more dynamic, where the respiratory complexes can form various combinations that allow to adapt its operation to nutrient availability.

 

La célula es el nivel de organización más pequeño con capacidad de autoperpetuarse, es la unidad anatómica, funcional y genética de los seres vivos. Sus funciones están compartimentadas en diferentes orgánulos, siendo las mitocondrias las encargadas de extraer la energía de los nutrientes y transformarla en energía útil en forma de ATP. En estos centros metabólicos convergen y se integran las rutas anabólicas y catabólicas, gracias a su continuo diálogo con el núcleo, enviando señales que activan los programas de expresión de genes, adaptando la función mitocondrial a las necesidades celulares de cada momento.
En la membrana interna de la mitocondria se distinguen dos regiones de composición proteica y funciones diferentes. En las crestas se encuentran embebidos los complejos multiproteicos (CI-CV) responsables de oxidar los equivalentes de reducción NADH y FADH2 originados en distintas vías catabólicas, formando la cadena de transporte de electrones (CTE), que junto con la ATP sintasa constituyen la Fosforilación oxidativa, Respiración celular o Sistema OXPHOS. En el resto de la membrana se encuentra fundamentalmente la maquinaria de transporte.
Los cinco complejos respiratorios (CI-CV) están formados por aproximadamente 100 proteínas, 13 de ellas codificadas en el mtDNA y el resto en el DNA nuclear. Así, la biogénesis de la mitocondria constituye un caso único en la célula animal por encontrarse bajo el control de los dos sistemas genéticos celulares que deben actuar de forma coordinada.
Actualmente hay dos modelos para explicar el funcionamiento de la CTE: el "Modelo sólido" propuesto en 1955 por Chance, según el cual los complejos multiproteicos forman una estructura supramolecular llamada respirasoma y los electrones fluyen como una canalización de sustrato haciendo más eficiente su transporte; y el generalmente aceptado "Modelo fluido", descrito en 1986 por Hackenbroock, donde los complejos multiproteicos están moviéndose libres en la membrana interna, y la transferencia de electrones se produce por colisiones al azar entre ellos y los transportadores móviles (CoQ y Citc).
En el año 2000 el grupo de Schägger aisló asociaciones estables de complejos respiratorios, proponiendo que éstos están organizados en grandes estructuras que llamó "supercomplejos respiratorios" (SC) que permitirían un transporte de electrones más eficiente. La única evidencia que apoyaba la existencia de los SC era la comigración
en BNGE. Posteriormente el grupo de Dudkina los separó por centrifugación en gradiente de sacarosa y analizó su estructura por microscopía electrónica. El principal obstáculo para aceptar la teoría de los SC era la falta de evidencias de su función in vivo.
En 2008, nuestro grupo aportó evidencias de que los SC son verdaderas estructuras funcionales in vivo al demostrar que: (a) su formación es posterior a la formación de los complejos individuales, y muestran una cinética específica; (b) contienen CoQ y Citc; y, sobre todo, (c) son capaces de transferir electrones entre ellos y entre el NADH y O2. Con estos datos propusimos un nuevo modelo de organización de la CTE llamado "Plasticity Model" (Modelo Plástico) en el que los complejos se asocian en varias combinaciones dependiendo de las necesidades energéticas celulares, respondiendo a las objeciones funcionales que se planteaban a los dos modelos anteriores, a los que el nuestro integra como casos extremos del funcionamiento de la cadena.

 

IMG 1643

Figura 1. Acín-Pérez et al. (2008). Mol. Cell 32, 529-539.

 

Por otra parte, analizando las interacciones entre los complejos respiratorios y su composición mediante métodos, entre otros de proteómica, pudimos identificar una proteína, Cox7a2l, que está presente sólo en los SC que contienen CIII+CIV pero no en los complejos individuales. Paralelamente y de forma fortuita descubrimos que la proteína Cox7a2l existe en dos formas en ratones, una corta de 111 aminoácidos que no es funcional y no permite la asociación entre CIII y CIV y otra larga de 113 que sí la permite. Por ello a esta proteína, que tiene como función ensamblar los CIII y CIV para formar SC, le dimos el nombre de SCAFI (Super Complex Assembly Factor I) al no existir ninguna previamente identificada con dicha función. La presencia de SCAFI
definiría tres poblaciones de CIV: CIV ensamblado con CI y CIII, y que recibe electrones desde NADH formando un respirasoma; CIV ensamblado con CIII que sólo recibe electrones desde FADH2 y CIV libre, que puede recibir electrones originados desde cualquier sustrato.

 

IMG 1642

Figura 2. Lapuente-Brun, E. et al. (2013). Science. 340, 1567-1570.

Para comprobar esta propuesta se hicieron análisis con diferentes sustratos energéticos e inhibidores y forzando el cambio de uso de glucosa por ácidos grasos mediante el ayuno. Los resultados obtenidos refuerzan nuestro modelo de plasticidad y la existencia de diferentes poblaciones de CIV y de SC y su naturaleza dinámica. Del mismo modo sugieren un papel, de las diferentes asociaciones, en la adaptación de las células a diferentes fuentes de carbono. Un mayor conocimiento de la regulación de esta adaptación nos ayudaría, entre otras cosas, a comprender mejor las patologías mitocondriales.

 

REFERENCES

1.-Acín-Pérez, R., et al. (2008). Respiratory Active Mitochondrial Supercomplexes. Mol. Cell 32, 529-539.
2.-Dudkina, N.V., et al. (2005). Structure of a Mitchondrial Supercomplexes formed by respiratory-Chain Complexes I and III. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 3225-3229.
3.-Enriquez J.A. (2016). Supramolecular organization of respiratory complexes. Annu. Rew. Physiol. 78, 533-61.
4.-Lapuente-Brun, E. et al. (2013). Assembly of Respiratory Supercomplexes determines electron flux in the Mitochondrial Electron Transport Chain. Science. 340, 1567-1570.
5.-Latorre-Pellicer, A., et al. (2016). Mitochondrial and nuclear DNA matching shapes metabolism and healthy ageing. Nature. 535, 561-565.
6.-Moreno-Loshuerto, R. et al. (2006). Differences in reactive Oxygen Species production explain the phenotypes associated with common mouse mitochondrial DNA variants. Nat. Genet. 38, 1261-1268.
7.-Schägger, H., and Pfeiffer, K. (2000). Supercomplexes in the Respiratory Chains of yeast and mammalian mitochondria. EMBO J. 19,1777-17834.

 

 

Read previous articles

 

Interview

Acisclo Pérez Martos
Facultad de Veterinaria de la Universidad de Zaragoza

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

P.- ¿Cuál es el avance científico que más le ha impresionado?

R.- Es difícil seleccionar uno solo, baste pensar, por ejemplo, el impacto social que han tenido el desarrollo de Internet, la electrónica, etc. Todos ellos han cambiado el estilo de
vida y la sociedad. A pesar de ello yo me quedaría con dos: el descubrimiento de los antibióticos por su incidencia en la medicina, salud y calidad de vida, y el descubrimiento de la estructura del DNA que es la base de donde ha partido el desarrollo de ciencias que nos están llevando a comprender cómo, en su interior, está la información necesaria para crear una nueva vida. y también ha sido posible la creación de una nueva bacteria a partir de un DNA artificial, así como el descubrimiento de metodologías para la modificación del DNA como CRISPR, con muy buenas perspectivas para el tratamiento de enfermedades genéticas. 

P.- ¿Cuándo surgió su vocación científica?

R.- En el último año de carrera entré como alumno interno en el departamento de Bioquímica con objeto de ampliar mis conocimientos de análisis clínicos ya que mi intención era consolidar los conocimientos adquiridos en la farmacia de mi padre. Pero al realizar mi tesis de licenciatura y posteriormente la tesis doctoral, ya como Profesor Ayudante, el Profesor D. Manuel Ruiz Amil que dirigía mi tesis, me hizo comprender que era más sugerente plantearse objetivos nuevos que repetir técnicas y así participé en los primeros proyectos de investigación sobre el metabolismo de moluscos de las Rías Gallegas.

P.- ¿Podría describirnos brevemente en qué consiste su línea de investigación actual y cuál es su trascendencia?

R.- En la actualidad sigo colaborando con el grupo GENOXPHOS, del que soy cofundador, dirigido por el Dr. Enríquez (CNIC), sobre genética funcional del Sistema OXPHOS. Entre los logros recientes conseguidos por el grupo podemos destacar los estudios con "Ratones conplásticos" (que poseen el mismo fondo genético nuclear pero distinto haplotipo del DNA mitocondrial) que nos han permitido comprobar que las variaciones en el mtDNA afectan de forma importante a determinados fenotipos. Así, el haplotipo mitocondrial condiciona la longevidad de las especies "conplásticas", a través de cambios en la producción de las especies reactivas de oxígeno, la disfunción mitocondrial e incluso el acortamiento de los telómeros. Otra de las aportaciones más relevantes creo que ha sido la propuesta del modelo de plasticidad de la cadena de transporte de electrones mitocondrial, así como asignar la función de proteína de ensamblaje del CIII y CIV, a la proteína Cox72al (SCAFI) que he comentado anteriormente.

P.- ¿Cuáles son desde su punto de vista las características que definen a un buen investigador?

R.- A mi entender, un buen investigador debe ser humilde para asumir los fracasos que sufrirá en sus investigaciones, las decepciones a la hora de publicar sus resultados y de
conseguir financiación, así como los errores y también para aceptar las críticas y correcciones en sus experimentos. Debe ser honesto y riguroso a la hora de interpretar los resultados sin caer en la especulación, al mismo tiempo que aceptar los éxitos de otros científicos sin caer en críticas despectivas. Ha de tener curiosidad por conocer y solucionar problemas. El trabajo en la investigación es un trabajo en equipo, por lo tanto debe saber compartir responsabilidades, planificar metas y fomentar la solidaridad de los miembros.

P.- ¿Podría resumirnos brevemente su trayectoria profesional?

R.- Al terminar la carrera obtuve una plaza de Profesor Ayudante de Bioquímica en la Facultad de Farmacia de Santiago de Compostela, donde realicé la tesis Doctoral, en 1974, bajo la dirección del Prof. Ruiz Amil. Desde los inicios he simultaneado la investigación con la docencia, ya que al terminar la tesis asumí la docencia de Bioquímica como Catedrático interino. En el año 1975 me trasladé a la Facultad de Veterinaria de la Universidad de Zaragoza como Agregado interino, y, como único profesor de la asignatura, tuve que equipar y organizar tanto la docencia como la investigación, ya que era el primer año que existía la asignatura de forma independiente; en ese tiempo dirigí las dos primeras tesis Doctorales. En el año 1985 conseguí la plaza de Profesor Titular. Hasta el año 1992 he participado como IP de diferentes proyectos sobre la Proteína Fibrilar Ácida de Glía en cerebros de ovejas sanas y afectadas de Scrapie. En este año comencé la colaboración con el grupo de los profesores López Pérez y Montoya Villarroya, sobre regulación de la expresión del mtDNA y sus implicaciones en las enfermedades mitocondriales, el envejecimiento y la infertilidad humana. En el año 2003, en colaboración con los profesores José A. Enríquez y Patricio Fernández, se creó el grupo de investigación GENOXPHOS que centra sus estudios en el análisis de la biogénesis y patología del sistema de fosforilación oxidativa mediante técnicas de genética funcional. En la actualidad sigo colaborando con el grupo que dirige el Dr. Enríquez en el Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares.

P.- ¿La repetiría en su totalidad?

R.- Si pudiera rebobinar, indudablemente me dedicaría a la investigación en el campo de la Biología Molecular. Mi formación sería desde la licenciatura de Farmacia pero con el
plan de estudios de 6 años que ya cursé, puesto que era una licenciatura que mantiene un más que aceptable equilibrio entre disciplinas de carácter químico y biológico, óptimo
para el estudio de Bioquímica. Entre las cosas que cambiaría es la de realizar varias estancias postdoctorales, que por motivos familiares no pude realizar en su día.

 

Biography

Acisclo Pérez Martos
Facultad de Veterinaria de la Universidad de Zaragoza
This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

 

Acisclo Pérez Martos es Licenciado (1971) y Doctor en Farmacia (1974) por la Universidad de Santiago de Compostela. Profesor Titular de la Universidad de Zaragoza (jubilado). Director del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular y Celular de la Universidad de Zaragoza. Colegial de Honor del Colegio de Farmacéuticos de Zaragoza. Académico de número de la Academia de Farmacia Reino de Aragón. Académico correspondiente de la Real Academia de Medicina de Zaragoza. Profesor invitado en el Physiologisches Institute de Heidelberg. Ha participado en más de 30 proyectos de investigación, los últimos relacionados con: Mecanismos moleculares de patologías asociadas a mutaciones del mtDNA. Expresión y regulación del genoma mitocondrial en modelos animales y celulares. Genética funcional del sistema OXPHOS. Colabora con el grupo de investigación GENOXPHOX del que es cofundador. Ha dirigido 11 tesis de Licenciatura y 5 tesis doctorales. Ha publicado más de 50 artículos y 5 capítulos de libro.

Protector Members