En los eucariontes, la mitocondria es la principal productora de ATP. La célula y la mitocondria están en estrecha coordinación para producir la cantidad exacta de ATP necesario en el reposo, el crecimiento, la reproducción o el estrés. El metabolismo mitocondrial es aerobio y muy peligroso pues tiene el potencial de producir altas cantidades de especies reactivas de oxígeno (EROs) dañinas para la célula. Este proyecto propone el estudio de los mecanismos de prevención de la sobreproducción de las EROs. En la membrana interna mitocondrial la cadena respiratoria y la F1F0-ATP sintasa catalizan la fosforilación oxidativa. La cadena respiratoria acepta electrones y reduce oxígeno hasta agua, liberando energía que se almacena como un gradiente electroquímico de protones (ΔpH). La ATP sintasa utiliza el ΔpH para producir ATP. Cuando hay mucho ATP se detiene la ATP sintasa, se eleva el ΔpH y se inhibe la respiración. En la cadena respiratoria inhibida se acumulan radicales libres que reaccionan inespecíficamente produciendo exceso de EROs rebasando la capacidad de las oxidasas encargadas de su detoxificación. Los EROs destruyen membranas, proteínas y ácidos nucleicos dañando a la célula y a la mitocondria. Al elevarse el ATP la supervivencia de la célula depende de: a) la prevención de la sobreproducción de EROs mediante desacoplamiento de la fosforilación oxidativa y b) el control del desacoplamiento por factores citoplásmicos y mitocondriales para controlar el rendimiento energético. Nosotros estudiamos diferentes mecanismos de desacoplamiento fisiológico en diferentes especies de levadura. Los sistemas desacoplantes se clasifican en: I protonóforos y II enzimas redox no productivas. Los protonóforos pueden ser específicos para H+ o inespecíficos, que permiten el paso de diferentes iones. Las enzimas redox que no producen un ΔpH son las enzimas alternativas de las cadenas ramificadas y algunas enzimas que son bombas pero que varían su estequiometría H+/e-. Son sujetos actuales de estudio: a) Canal inespecífico mitocondrial (MUC): lo estamos analizando en S. cerevisiae y lo descubrimos en D. hansenii. Recientemente demostramos que la porina y el acarreador de fosfatos son parte del MUC de S. cerevisiae. Estamos próximos a demostrar que el MUC es dinámico y controlado sinérgicamente por varios efectores. b) La proteína desacoplante (UCP) de Y. lipolytica resultó ser un acarreador de oxaloacetato con función dual por lo que lo usaremos para mapear la evolución de las UCPs. c) La cadena ramificada de Y. lipolytica tiene una NADH deshidrogenasa alterna que forma supercomplejos con los complejos canónicos III y IV, pero en la fase estacionaria se libera desacoplando la fosforilación oxidativa. Hemos identificado una cadena ramificada en D hansenii que caracterizaremos. Al explorar todos estos aspectos de la interacción célula-mitocondria, esperamos comprender cómo cada especie regula su metabolismo aerobio y la formación mitocondrial de EROs en diferentes fases de crecimiento y ante situaciones de estrés. Esto puede extrapolarse a otros organismos donde los EROs causan apoptosis y necrosis. Aprender cómo se controla el rendimiento energético en unicelulares podría ayudarnos a comprender su control en pluricelulares donde las neoplasias y la obesidad causan grandes estragos. Por último, la comparación entre especies nos ayudará a entender la interacción célula/mitocondria y la continua que genera así como la coevolución célula/organelo.

En la atmósfera terrestre, el oxígeno apareció como un producto tóxico liberado durante la fotosíntesis. La toxicidad del oxígeno radica en su fácil activación y en su participación en reacciones que destruyen membranas, ácidos nucleicos y proteínas. Las células aprendieron a detoxificarlo y eventualmente aprendieron a utilizarlo como un aceptor de electrones generándose el metabolismo aerobio. La gran eficiencia de la fosforilación oxidativa como productor de ATP hizo posible la aparición de organismos cada vez más grandes, pluricelulares y permitió que apareciera la especialización tisular. Con el advenimiento de los eucariontes, el metabolismo aerobio se localizó al endosimbionte convertido en organelo que es la mitocondria (Margulis y Chapman, 1998). En las mitocondrias se produce una gran cantidad de ATP, pero también se liberan radicales libres que generan especies reactivas de oxígeno (EROs). _x000D_ Nuestro estudio pretende aportar información en cuanto a la coevolución mitocondria/eucarionte enfocado al control del catabolismo y a la prevención de la sobreproducción de EROs. Consideramos que el estudio de la coordinación del metabolismo visto como un todo es importante. Los libros de texto separan diferentes caminos metabólicos, pero en realidad éstos funcionan como un todo. Esta interacción se ha descrito, pero nuestro estudio pretende aumentar el conocimiento sobre las bases moleculares que resultan en la interacción física y la regulación del catabolismo de la glucosa hasta producir CO2 y agua. Esto es importante, porque sabemos que cuando la regulación se pierde, sobrevienen patologías que resultan en neoplasias o en muerte celular. Esto se aplica tanto a las levaduras como a todos los demás organismos. En los mamíferos, además, la falta de regulación del metabolismo puede llevar a un exceso de biomasa, es decir, obesidad. _x000D_ Los diferentes sistemas de desacoplamiento fisiológico parecen haber evolucionado independientemente. Pocos organismos unicelulares tienen proteínas desacoplantes, y sin embargo, están proteínas están conservadas hasta en los mamíferos. Las cadenas ramificadas están presentes en bacterias, algunas levaduras y en plantas, pero no están en animales. Por último, el poro de la transición de permeabilidad es muy importante, pues esta estructura, que parece funcionar para optimizar el metabolismo aerobio, puede abrirse permanentemente llevando a la muerte celular, tanto en levaduras como en organismos pluricelulares. La apertura accidental del poro de transición, como por ejemplo en la isquemia-reperfusión es el origen de la muerte celular en padecimientos tan variados como el infarto al miocardio, la embolia, las gangrenas, la asfixia, etc. Nuestros estudios buscan aportar información sobre los mecanismos que las mitocondrias han adoptado a través de la evolución para prevenir la formación de radicales libres. _x000D_ Porqué no existe un solo mecanismo de desacoplamiento de la fosforilación oxidativa conservado en todas las especies, es un misterio. Lo que lleva a una especie a escoger un sistema protonóforo sobre una cadena ramificada debe definirse. También es extraño que los vertebrados no tengan cadenas ramificadas. Las levaduras, con metabolismos tan diferentes como S cerevisiae que es facultativa anaerobia, D hansenii que crece mejor en el agua de mar, con NaCl 0.5 M, Y. lipolytica que tiene un elevado metabolismo lipolítico, Candida albicans que es un patógeno oportunista, etc, etc, son un modelo ideal para implementar estos estudios._x000D_ Nuestros estudios no pretenden ser aplicables en el corto plazo, sin embargo, la amplia gama de patología mitocondrial descrita en los vertebrados, cuya lista crece continuamente hace obvio que la fisiología mitocondrial debe conocerse a fondo. Un caso es la obesidad, donde la habilidad de activar posibles caminos desacoplantes mitocondriales, tejido-específicos y estrictamente controlados puede llevar a la eliminación de masa corporal y a mayor esperanza de vida. _x000D_ _x000D_