Biogénesis de mitocondrias y ejercicio

Biosíntesis de mitocondrias

Introducción

El entrenamiento aeróbico genera un aumento de rendimiento físico y retrasa la aparición de la fatiga. Esto se logra con algunas adaptaciones del músculo esquelético. Una de las adaptaciones básicas (y sino la más importante) es el aumento de la cantidad y el tamaño de las mitocondrias. Hay muchos trabajos de investigación que comprobaron un aumento de estas organelas luego de un período de entrenamiento. Este blog intenta resumir como se genera esta modificación fisiológica.

El contenido mitocondrial del músculo esquelético aumenta como consecuencia del entrenamiento aeróbico. Hoppeler lo demostró en 1985 luego de un entrenamiento de 6 semanas que consistía en 5 veces por semana de 30 minutos de ejercicio a una intensidad de 4 mMol•L de lactato que estas organelas aumentaban. Las mujeres aumentaron un 43% el contenido de mitocondrias mientras que los hombres un 37%. Las mitocondrias subsarcolemicas representan aproximadamente el 20% mientras que las que están entre las miofibrillas el 80%. Como consecuencia del entrenamiento las mitocondrias subsarcolemicas aumentaron un 86% mientras que las intermiofibrilares un 33%. La tabla 1 nos muestra los resultados del trabajo de Hoppeler.

	Hombres n=5	Mujeres n=5
Volumen mitocondrial total %	Antes 3.9±0.36 Después 5.6±0.22	Antes 4.74 ± 0.3 Después 6.55 ± 0.5
Volumen mitocondrial subsarcolemico %	Antes 0.65± 0.2 Después 0.83±0.11	Antes 0.48±0.07 Después 1.33±0.27
Volumen mitocondrial intermiofibrilar %	Antes 3.27±0.2 Después 4.77±0.2	Antes 4.25±0.26 Después 5.23±0.3
Densidad capilar mm-2	Antes 359±50 Después 512±29	Antes 387±25 Después 450±40

Tabla 1. Aumentos del contenido mitocondrial como consecuencia del entrenamiento.

Es importante resaltar que las mitocondrias no aumentan cuando la fibra muscular no es reclutada (puesta a trabajar) y por lo tanto se sabe que la señal para iniciar la biogénesis de esta organela es la contracción muscular.

Por otro lado sabemos que los valores de volumen mitocondrial de sujetos altamente entrenados son mucho mayores. Así lo muestran los resultados del trabajo de Puntschart 1995. La tabla 2 muestra valores de rendimiento y de la morfometría mitocondrial de sujetos de elite entrenados en resistencia.

	Entrenados	No entrenados
VO2 máximo ml•kg-1•min-1	70.9 ± 1.6	35.5 ± 2.4
Volumen mitocondrial total %	8.04 ± 0.5	4.45 ± 0.2
Volumen mitocondrial subsarcolemico %	2.03 ± 0.3	0.56 ± 0.1
Volumen mitocondrial intermiofibrilar %	6.01 ± 0.3	3.89 ± 0.2

Tabla 2. Contenido mitocondrial en sujetos entrenados y no entrenados.

Como se puede apreciar los sujetos entrenados tienen casi el doble de volumen mitocondrial cuando se los compara con sujetos que no entrenan. Por otro lado este trabajo también evaluó la cantidad de ADN que tenían los sujetos. Comprobó que el nivel de entrenamiento aumenta la reserva de ADN. La tabla 3 muestra los resultados.

	Entrenados	No entrenados
ADN núcleo µg•mm3	4.3 ± 0.4	4.8 ± 0.3
ADN mitocondrial ng•mm3	61.7 ± 5.3	39.9 ± 2.8
Copias ADN mitocondrial	2619 ± 98	1583 ± 192

Tabla 3. Se muestran los datos de la reserva mitocondrial.

Importancia de las mitocondrias

Las mitocondrias tienen la capacidad de oxidar sustratos y producir energía en el ciclo de Krebs y en la cadena de transporte de electrones. Contar con una mayor cantidad de mitocondrias reduce la velocidad de trabajo de cada una de ellas y se optimiza la producción de energía. Como las proteínas mitocondriales tienen una vida promedio de 1 semana, luego de iniciar un nuevo nivel de contracción muscular (entrenamiento) es relativamente simple mejorar el pool de las mismas realizando ejercicio de tipo aeróbico.

Es interesante mencionar que a mayor cantidad de mitocondrias se mejorará al ahorro de hidratos de carbono y se oxidará una mayor cantidad de lactato dentro de esta organela (Brooks 99). Esto es porque se ha encontrado lactato deshidrogenasa dentro de la mitocondria y los transportadores de lactato MCT1 aumentarán su flujo hacia dentro de la mitocondria (Brooks 99).

Por otro lado contar con más mitocondrias permite disminuir la producción de radicales libres (ROS) y mantener la integridad de la las proteínas, lípidos y ADN mitocondrial (Sen 1995). Al igual que la síntesis de proteínas contráctiles en el músculo esquelético, la señal para la síntesis de mitocondrias es la contracción muscular. Cuando la contracción comienza se producen los siguientes eventos.

1) Cambios en el voltaje de las proteínas de las membranas.

2) Activación de las integrinas de las membranas donde se encuentran los mecanotransductores.

3) Flujo de iones.

4) Formación de los puentes transversales y generación de fuerza.

5) Degradación de ATP y aumento del metabolismo.

El aumento de Ca²⁺ es bien conocido como segundo mensajero y es una de las señales más importante para la síntesis de mitocondrias. Cuando el Ca²⁺ se eleva puede activar un alto número de kinasas como la Ca²⁺/calmodulin kinase II, la protein kinase C (PKC) y otras fosfatasas como la Calcineurina, que transloca su señal al núcleo para alterar la velocidad del proceso de transcripción.

Por otro lado el desbalance entre el ATP requerido por la contracción muscular y el generado por la mitocondria es otra fuerte señal para iniciar la síntesis de nuevas mitocondrias.

Pasos para la síntesis de mitocondrias

Uno de los aspectos más relevantes de la síntesis de mitocondrias es que se requiere de una cooperación de muchos genes nucleares (del ADN de núcleo de la célula muscular) y de 13 genes mitocondriales (genes que están dentro de la misma mitocondria). Esto implica que no puede haber síntesis de nuevas mitocondrias sino que se debe utilizar las que ya están funcionando para formar otras nuevas. La mitocondria es única ya que alberga múltiples copias de un pequeño ADN mitocondrial (ADNmt – 16,659 nucleótidos). Si bien el ADN mitocondrial (ADNmt) es pequeño comparado con los 3 billones de nucleótidos que se encuentran en el gen nuclear, aporta moléculas como13 ARNm mensajeros, 22 ARNt transportadores y 2 ARNr ribosómicos que son esenciales para la función mitocondrial. La molécula 13 ARNm codifica componentes proteicos de la cadena respiratoria y por lo tanto es de vital importancia. Por ejemplo la molécula 13 ARNm se une a ARNm nucleares y generan multisubunidades holoenzimas como COX y NADH deshidrogenasa. Esto muestra la cooperación entre material genético del núcleo de la célula y del interior de la mitocondria. COX contiene 10 subunidades nucleares y 3 mitocondriales. Por ello es un buen modelo para estudiar la biogénesis de esta organela. Luego de la combinación de los genes la mitocondria se termina subdividiendo para formar una mayor cantidad (ver figura de biblioteca multimedia).

Calcio.

La liberación de calcio del retículo sarcoplasmático, permite la interacción de la actina y la miosina en la célula muscular. Este ión también posee una muy reconocida función como segundo mensajero en una variedad de células, incluyendo las musculares. Incrementos en la concentración de calcio citosólico pueden activar un número de kinasas como por ejemplo la Ca²⁺/calmodulina kinasa II, la proteína kinasa C (PKC) y fosfatasas (por ej, la calcineurina), las cuales envían sus señales al núcleo para alterar la velocidad de la transcripción de ciertos genes. El incremento de calcio citosólico influencia directamente la velocidad de la respiración mitocondrial. Esto ocurre a través de la activación de enzimas deshidrogenasas, las cuales requieren calcio para su actividad completa. El cambio en el calcio mitocondrial causa incrementos en los niveles de ATP tanto en el citosol como en la mitocondria. Sin embargo es importante destacar que el calcio por sí solo no puede aumentar el número de mitocondrias por lo tanto es claro que es el aumento de calcio como consecuencia de la contracción muscular el causante de parte de la biogénesis mitocondrial.

Cambios en el gasto y la producción de ATP.

Un aspecto a destacar en la biogénesis de mitocondrias es que parece ser que un incremento en la velocidad de gasto/síntesis del ATP es suficiente para provocar el aumento de mitocondrias. Cuando se regenera ATP esto da como resultado un aumento de los niveles de AMP, donde también disminuye la fosfocreatina (PC) en el músculo, provocando la activación de una proteína kinasa, la α2-AMPK (Wojtaszewski 2000). Este AMPK puede inducir parte de la biogénesis aunque no es el único factor ya que utilizando una droga (5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-b-D-ribofuranoside) en animales que aumenta este efecto, se encontró un aumento solo de algunas enzimas pero no de todas.

Eventos de fosforilación

La evidencia de literatura es abundante en relación con el efecto positivo de ejercicio de la activación de una variedad de kinasas que potencialmente, podrían estar involucrados en la fosforilación de factores de transcripción (dicho de otro modo activando los factores que iniciarán la copia de genes). Un factor de transcripción es una proteína que participa en la regulación de la transcripción del ADN, pero que no forma parte de la ARN polimerasa (esta enzima le indica donde se debe unir al ADN). Los factores de transcripción pueden actuar reconociendo y uniéndose a secuencias concretas de ADN, uniéndose a otros factores o uniéndose directamente a la ARN polimerasa.

Los factores de transcripción son estimulados por señales citoplasmáticas. En este caso posiblemente las integrinas (que modifican el citoesqueleto) más los factores hormonales, más los desfasajes energéticos y más el calcio, generan el estimulo. Cuando se activan pueden regular la expresión génica en el núcleo celular (activando o reprimiendo la transcripción de genes).

Los resultados indican que contráctil actividad per se (en vez de los factores humorales o neurotróficos), activan la fosforilación de las kinasas. Entre esas kinasas activadas por el ejercicio aeróbico podemos encontrar a la PKC), el ERK1 y ERK2, las MAP kinasas, la kinasa p38, el p90 ribosomal S6 kinasa, el c-Jun NH2 – terminal kinasa, el AMPK y muchas otras más. Muchos de estos resultados han sido replicados tanto en roedores como en modelos humanos.

Conclusiones

Todavía no se conoce en forma completa como se realiza la biogénesis mitocondrial. Sin embargo no hay duda que es el ejercicio (contracción muscular) el que genera estos fisiológicos.

Hasta hoy no se reconoce una metodología óptima que desarrolle este proceso a su máxima expresión, pero sí está claro que si una fibra muscular no es puesta a trabajar, entonces no realizará biogénesis mitocondrial. Esto nos brinda una información interesante sobre todo para modelos de ejercicio que tienen como objetivo perder peso. En los últimos 15 años se ha estado investigando el efecto del ejercicio intermitente de alta intensidad sobre la pérdida de peso . Uno de los factores importantes es que este tipo de ejercicio recluta todo el espectro de fibras musculares, generando cambios en todas las fibras.

Bibliografía

1)Brooks GA, Brown MA, Butz CE, Sicurello JP, and Dubouchaud H. Cardiac and skeletal muscle mitochondria have a monocarboxylate transporter MCT1. J Appl Physiol 87: 1713–1718, 1999.

2)Brooks GA, Dubouchaud H, Brown M, Sicurello JP, and Butz CE. Role of mitochondrial lactate dehydrogenase and Lactate oxidation in the intracellular lactate shuttle. Proc Natl Acad Sci USA 96: 1129–1134, 1999.

3)Hoppeler H, Howald H, Conley K, Lindstedt S, Claassen H, Vock P, and Weibel E. Endurance training in humans: aerobic capacity and structure of skeletal muscle. J. Appl. Physiol. 59(2): 320-327, 1985.

4)Irrcher I, Peter J. Adhihetty, Anna-Maria Joseph, Vladimir Ljubicic and David A. Hood. Regulation of Mitochondrial Biogenesis in Muscle by Endurance Exercise. Sports Med 2003; 33 (11): 783-793

5)Puntschart, A., H. Claassen, K. Jostarndt, H. Hoppeler, and R. Billeter. mRNAs of enzymes involved in energy metabolism and mtDNA are increased in endurance trained athletes. Am. J. Physiol. 269 (Cell Physiol. 38): C619-C625, 1995.

6)Sen CK. Oxidants and antioxidants in exercise. J Appl Physiol 79: 675–686, 1995.

7)Wojtaszewski JF, Nielson P, Hansen BF, Richter EA, and Kiens B. Isoform-specific and exercise intensity-dependent activation of 59-AMP-activated protein kinase in human skeletal muscle. J Physiol (Lond) 528: 221–226, 2000.