Artículos de Revisión: Cáncer y Mitocondria, Un Aspecto Central para el Desarrollo y Crecimiento Tumoral

Sofía Isabel Freyre-Bernal1, Jhan Sebastián Saavedra-Torres2, Luisa Fernanda Zúñiga-Cerón2, Andrés Felipe Olaya-Castañeda3 y Carolina Salguero4

Resumen

Se sabe que las células tumorales consumen más glucosa que las no tumorales. Además, las células tumorales expresan isoformas embrionarias de enzimas para la glucólisis, permitiendo su mayor actividad y obtención de energía en los diversos procesos cancerígenos. Algunos autores han sugerido que la hipoxia del tumor actúa como regulador del metabolismo energético y que puede redirigir a las células tumorales a utilizar la glucólisis como fuente de provisión de ATP cuando hay limitación de oxígeno. Otros autores sugieren que ese es el resultado de mutaciones en oncogenes, genes supresores y enzimas de la vía glucolítica o del metabolismo oxidativo mitocondrial (Myc, Akt, p53, HIF1-α). La aplicación de la tomografía de emisión de positrones (PET) en los servicios de medicina nuclear y radiología ha permitido usar la mitocondria como un organelo para el diagnóstico de cáncer cuantificando una mayor captación de glucosa por las células tumorales respecto del tejido no tumoral adyacente, mediante el uso del análogo radioactivo no metabolizable de la glucosa (18FDG, 18F-2-desoxiglucosa). Así pues, las investigaciones se han centrado en el metabolismo alterado como parte del desarrollo y crecimiento tumoral con el objetivo de inhibir la progresión a la metástasis de esta patología en los pacientes que no se pueden recuperar recibiendo tratamiento con quimioterapia y la radioterapia. El objetivo de esta revisión documental consiste en resaltar las generalidades e importancia de las mitocondrias en los mecanismos que promueven el cáncer.

Palabras claves: mitocondria; adenosín trifosfato; biogénesis de organelos; apoptosis; cáncer; medicina nuclear. (DeCS)

Cancer and Mitochondria: a Central Aspect to Tumor Development and Growth

Abstract

Tumor cells consume more glucose than the non-tumor cells. In addition, tumor cells express isoforms of embryonic glycolytic enzymes with higher activity to obtain energy in the various carcinogenic processes. Some authors have suggested that hypoxia of the tumor acts as a regulator of energy metabolism and can redirect to tumor cells to use the glycolysis as source for the supply of ATP when there is limitation of oxygen. In contrast, other authors suggest that this phenomena is the result of mutations in oncogenes, tumor suppressor genes and enzymes of the glycolytic pathway or oxidative metabolism mitochondrial including Myc, Akt, p53, HIF1-α. The application of Positron Emission Tomography (PET) in nuclear medicine services and radiology has allowed the use of mitochondria as an organelle that serves to diagnose cancer, quantify greater uptake of glucose by tumor cells on adjacent non-tumor tissue using analogue radioactive non-metabolizable glucose (18FDG, 18F-2-desoxiglucosa). Such research has fo- cused on altered metabolism as part of development and tumor growth to inhibit the progression of cancer to metastases in patients that cannot be recovered by chemotherapy and radiation therapy. The aim of this review is to highlight the generalities and importance of mitochondria in the mechanisms that promote cancer.

Key words: mitochondria; adenosine triphosphate; organelle biogenesis; apoptosis; cancer; nuclear medicine. (DeCS)

Introducción

Las mitocondrias desempeñan diversas funciones entre ellas la producción de ATP y la de algunos intermediarios biosintéticos y también contribuye a dar respuesta ante el estrés celular mediante mecanismos como la autofagia y la apoptosis. Conforman una red dinámica que está integrada a otros compartimentos celulares (1). En este sentido, cumplen un papel fundamental en la generación de energía metabólica en las células eucariotas, responsables de la producción de la mayor parte de la energía útil derivada de la descomposición de los carbohidratos y ácidos grasos, que se convierte en ATP mediante el proceso de la fosforilación oxidativa (2) (Tabla 1).

Funciones Generales de la MitocondriaMetodología

Se desarrolló una revisión bibliográfica en un margen de tiempo de 100 años, entre 1916 y 2016, con el objetivo de rastrear la evidencia actual validada y la evidencia histórica que aborda los estudios sobre la mitocondria. De ese modo, se recolectó un total de 106 documentos seleccionados a partir de la búsqueda bibliográfica en las bases de datos: Scielo, Elsevier, Pubmed, Redalyc, Springer, ScienceDirect, Medwave, Nature Reviews, Cochrane, EBSCO, Naxos y algunas bases de datos a las que ofrecen acceso la Universidad del Cauca y la Universidad de Harvard.

La búsqueda se limitó a la revisión de artículos publicados en el idioma inglés y español. Se desarrolló utilizando los términos DeCS: proteínas mitocondriales, ADN mitocondrial, cáncer, fosforilación oxidativa y angiogénesis. Para la gestión y la organización de la información, se utilizó el programa de libre acceso Mendeley; y se seleccionaron únicamente los estudios de los tipos: estudios experimentales, artículos originales y artículos de revisión documental que demostraran rigor sistemático en los análisis y que se enfocaran en los aspectos bioquímicos, biológicos, patológicos y experimentales acerca de los descubrimientos innovadores sobre la función de la mitocondria en los procesos cancerígenos. Adicionalmente, se realizaron revisiones de libros, manuales, mapas conceptuales y archivos que contuvieran información relevante y constatada sobre la biología y fisiopatología del cáncer en la actualidad. Finalmente, se construyó un marco teórico representado en la estructura del presente artículo.

La Mitocondria y la Síntesis de Energía: la Fosforilación Oxidativa

La fosforilación oxidativa, que tiene lugar en la membrana interna mitocondrial, constituye un proceso de obtención de energía a partir de dos mecanismos íntimamente relacionados: el transporte de electrones, cuya ocurrencia se da en la cadena respiratoria, y la gestión del gradiente de protones a través de la ATP sintasa (3). Los substratos para estos procesos, en especial el poder reductor en forma de NADH y FADH, se obtienen a través de los procesos degradativos que tienen lugar en la matriz mitocondrial, tales como el ciclo de Krebs y la beta oxidación de ácidos grasos (4).

La cadena respiratoria se encuentra formada por cuatro complejos proteicos (numerados del I al IV), por los cuales transitan los electrones desde el NADH y FADH2 hasta su incorporación en el oxígeno para formar agua, y dos complejos transportadores que se encargan de canalizar los electrones entre los complejos proteicos (4). Todos los complejos proteicos tienen en común un centro metálico que en el caso de los complejos I, II y III es sulfoférrico, mientras que en el complejo IV es de cobre (3). La diferencia en la disposición y número de moléculas metálicas que intervienen en el proceso condicionan las diferencias del poder reductor de los complejos (4).

Adicionalmente, el tránsito de los electrones a través de los diferentes complejos proteicos de la cadena respiratoria genera un potencial REDOX que se utiliza para crear un gradiente de protones entre el espacio intermembrana y la matriz mitocondrial, ahí los protones ingresan a dicho espacio. El retorno a la matriz de los protones a favor de gradiente a través de la ATP sintasa produce cambios en la configuración espacial de esta, lo cual posibilita la fosforilación del ADP y la producción de ATP (4).

Por otra parte, los complejos I, III y IV atraviesan la membrana mitocondrial interna y participan en el paso de protones desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana, mientras que el complejo II solo contacta con la matriz mitocondrial e interviene en el ciclo de Krebs aportando la enzima succinato deshidrogenasa. Esta enzima facilita el paso de succinato a fumarato y la consiguiente reducción del FAD + a FADH (4). Sin embargo, cada complejo cumple con otras funciones (4) así, el complejo IV recibe y almacena los electrones cedidos por el complejo III para entregarlos adecuadamente al oxígeno y formar agua, mientras que el complejo III posibilita la interrelación con los otros complejos transportadores dependientes de la ubiquinol-citocromo-c reductasa (CoQ y CytC-cardiolipina) (4).

En consecuencia, como se decía anteriormente, la cadena respiratoria se completa con dos complejos trasportadores: uno dentro de la membrana interna y de naturaleza lipídica (CoQ) que se encarga del transporte de electrones desde los complejos I y II al III; y otro de naturaleza proteica con centro férrico ubicado en el espacio intermembrana (CytC-cardiolipina) que se encarga del transporte de electrones desde el complejo III al IV. Cuando la cesión de electrones entre los complejos no es adecuada, se producen especies reactivas del oxígeno (ROS) (4).

El Efecto Warburg

En el proceso conocido como glucólisis, la glucosa se introduce en la célula a través de los transportadores de glucosa y se metaboliza en piruvato en el citosol. Este proceso produce una pequeña cantidad de ATP, dos moléculas. En las células normales quiescentes, el piruvato derivado de la glucólisis se importa a la matriz mitocondrial donde posteriormente se convierte en acetil-CoA por la acción del complejo enzimático piruvato deshidrogenasa (PDH). La molécula de acetil-CoA participa en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) (ciclo de Krebs) en el que se genera poder reductor (NADH y FADH2) el cual se oxida mediante la fosforilación oxidativa. Este proceso es altamente eficiente para la generación de ATP. La oxidación completa de una molécula de glucosa produce 36 moléculas de ATP (38 si se incluyen los 2 ATPs producidos por la glucólisis) (5, 6).

La mayoría de las células cancerosas presentan alteraciones en el metabolismo de la glucosa (7). Comparadas con las células normales, las células cancerosas describen un incremento en la captación de glucosa y anomalías en la glucólisis. Este incremento en el consumo de glucosa genera una mayor cantidad de metabolitos glucolíticos y aumenta la cantidad de ATP generado por la glucólisis. Una gran parte del carbono proveniente de la glucosa, en la forma de varios intermediarios glucolíticos, se introducen en múltiples vías biosintéticas. La mayoría del piruvato generado durante la glucólisis se convierte ulteriormente en lactato en el citoplasma por la acción de la enzima lactato deshidrogenasa (LDH), se secreta y no se oxida en la mitocondria (5, 6).

Este cambio en el metabolismo fue observado por primera vez por Otto Warburg en 1924 quien lo nombró glucólisis aerobia o efecto Warburg. La hipótesis de Warburg sostenía que este metabolismo alterado era específico de las células del cáncer y que se originaba por defectos mitocondriales que inhiben la capacidad de oxidar de manera efectiva la glucosa a CO2. Una extensión de esta hipótesis propuso que las mitocondrias disfuncionales provocan cáncer (8, 9).

En la Figura 1, se aprecia cómo en la mitocondria normal sin activación de oncogenes se puede desarrollar la fosforilación oxidativa y la glucolisis anaeróbica en un equilibrio. Los tejidos tumorales metabolizan aproximadamente diez veces más glucosa a lactato que los tejidos normales en un tiempo dado. El efecto Warburg sostiene que lo que conduce a la carcinogénesis es una respiración celular defectuosa causada por un daño en las mitocondrias, además describe que las células cancerosas hacen uso de la glicólisis seguida de fermentación láctica como fuente de energía, incluso si hay oxígeno en cantidad apropiada para la respiración.

Células Normales y en Células con CáncerEl Superóxido Dismutasa (SOD) Antioxidante Vital para la Célula

Por otra parte, la mitocondria posee un antioxidante vital para la célula, el superóxido dismutasa (SOD), el cual permite que la célula no entre en oxidación temprana como ocurre en las enfermedades de envejecimiento precoz y en otras patologías como el cáncer. En estas enfermedades los oxidantes degradan las células en menor tiempo y se genera la destrucción de los tejidos por causas metabólicas, ambientales, genéticas y hormonales (10- 12).

Todos esos cambios causan daño oxidativo en la célula por acumulación de oxígeno reactivo en las especies (ORE). Esos compuestos inestables le pueden producir daño a los lípidos, a las proteínas y al ADN. Eso explicaría por qué se envejece y se puede tener predisposición al cáncer. Algunos genes mutados pueden hacer que la célula entre en lo que podría considerarse ‘vida eterna’, término inapropiado, pero que por motivos didácticos se contrapone con el de envejecimiento y muerte celular (apoptosis). Sin embargo, hay otros factores que contribuyen a conducir a las células a la apoptosis y hacer crecer nuevas células normales, el ADNmt se considera uno de los protagonistas de este proceso (10- 12).

Cuando falta el SOD, el antioxidante, la célula entra en oxidación y degeneración. En ese momento, cambia la información de los telómeros que cada vez se hacen más cortos y presentan pérdida de genes. Este proceso es producido por la enzima telomerasa que causa que estos se mantengan casi iguales a los normales y conduce a que la célula que presentaba inmortalidad, se reproduzca indiscriminadamente y se multiplique por todo el cuerpo; a ese proceso se le denomina cáncer (10-12). En condiciones normales, cuando el ADN del núcleo celular nota una alteración en la producción y formación de las células hijas, frena dicha producción e induce a la célula a la apoptosis. No obstante, si no puede hacerlo porque el daño ya es demasiado grave y no puede repararlo, la célula se sigue multiplicando en forma anómala y como consecuencia el paciente puede manifestar un cáncer o cualquier otra enfermedad degenerativa de origen neurológico o metabólico (10-12).


1 Bioquim. MSc. Docente. Departamento de Ciencias Fisiológicas, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca, Popayán, Colombia.
2 Estudiantes del programa de Medicina, Facultad de Ciencias de la Salud, Universidad del Cauca, Grupo de Investigación en Salud (GIS), Popayán, Colombia.
3 Estudiante del programa de Biología, Facultad de Ciencias Naturales, Exactas y de la Educación, Universidad del Cauca, Popayán, Colombia.
4 Bioquim, PhD. Departamento de Biología Celular y Molecular, Universidad de Harvard, Cambridge, Massachusetts 02138, USA.

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