Estrógenos y mitocondrias de corazón y músculo esquelético

Las mitocondrias son pequeños organelos intracelulares de aproximadamente 1 µm de tamaño que están presente en forma granular o filamentosa y en número variable de un tipo de célula a otro. Las mitocondrias derivan de las proteobacterias α aeróbicas, las cuales fueron incorporadas por las arqueobacterias anaeróbicas dando origen a las primitivas células eucariotas hace billones de años. La célula huésped proporciona  los sustratos necesarios para que las mitocondrias metabolicen estos sustratos y proporcionen ATP a la célula a través de  fosforilaciones oxidativas. Las mitocondrias, a su vez, atenúan la concentración intracelular de oxígeno, el cual es una sustancia potencialmente tóxica para los constituyentes celulares. 

   Debido a su origen bacteriano, las mitocondrias están rodeadas por dos membranas, una membrana externa y una membrana interna con una composición particular de lípidos (rica en cardiolipina), numerosas invaginaciones o pliegues, delimitando dos espacios. El espacio intermembranas y el espacio de la matriz. En mamíferos, la matriz de cada mitocondria contiene varias copias de un ADN circular (mtADN) de 16 kb que codifican pequeñas proteínas así como los ARN requeridos para la síntesis de estas proteínas. Durante la evolución, el ADN mitocondrial retuvo solo 13 genes que codifican las subunidades de la cadena respiratoria, dos ARN ribosomales y 22 ARN de transferencia. La mayoría de genes mitocondriales han sido transferidos al núcleo de la célula huésped. En mamíferos, el proteoma mitocondrial está compuesto por más de mil proteínas. Después de la fertilización,  las mitocondrias son de herencia materna. Sin embargo, el hecho que la gran mayoría de las proteínas mitocondriales sean de origen nuclear subyace a la especificidad de tejido y sexo de las mitocondrias.

   El aporte de energía y la supervivencia celular dependen del ciclo de vida mitocondrial, el cual incluye biogénesis, dinámica y eliminación de organelos defectuosos por mitofagia. La proliferación mitocondrial consiste en crecimiento de organelos pre-existentes, a través de un proceso llamado biogénesis mitocondrial seguido por la división mitocondrial (fisión). La biogénesis requiere la coordinación de los genomas nuclear y mitocondrial, bajo el control del núcleo a través de cascadas transcripcionales que involucran co-activadores y factores de transcripción específicos. Entre los más importantes están (1) la familia de los co-activadores transcripcionales receptor activado por proliferador de peroxisomas (PPAR) y co-activadores (PGC-1) α y β, los reguladores master de la biogénesis mitocondrial, (2) factores  respiratorios nucleares (NFR1), involucrados en el control nuclear de la biogénesis mitocondrial, (3) factores de transcripción como PPARα controlando principalmente el metabolismo de lípidos, (4) receptores relacionados con los estrógenos (ER) involucrados en el metabolismo de sustratos, la transferencia de energía, la angiogénesis y la destoxificación de especies reactivas de oxígeno (ROS), (5) factor de transcripción mitocondrial A (mtTFA), el cual una vez sintetizado, migra a la matriz mitocondrial donde activa la transcripción y replicación de mtADN.

   Una etapa importante del ciclo de vida mitocondrial es la fisión de la mitocondria madre en dos mitocondrias hijas, la cual es coordinada por GTPasas especializadas. En la mayoría de células, las mitocondrias están organizadas en una red que exhibe frecuentes eventos de fusión y fisión. Este proceso es llamado dinámica mitocondrial. La fisión depende de la proteína DRP1y sus proteínas derivadas, proteína de fisión 1 (Fis1) y factor de fisión mitocondrial (MFF). La fusión es controladas por las mitofusinas (MFN1 y2) para la membrana externa y atrofia óptica 1 (OPA 1) para la membrana interna. En condiciones normales, estos procesos fusión/fisión son muy lentos en el cardiomiocito adulto.

   Las mitocondrias disfuncionales son eliminadas a través de un mecanismo específico de autofagia llamado mitofagia. La autofagia es el proceso por el cual componentes celulares como macromoléculas y organelos son reciclados, provocando la eliminación de desechos celulares y la reconstitución de depósitos de nutrientes. La mitofagia es el proceso específico para eliminación de mitocondrias y está involucrada en la regulación del control de calidad y la tasa de recambio mitocondrial. Este proceso involucra muchas proteínas como la E3-ligasa ubiquitina proteína de la enfermedad de Parkinson juvenil 2 (PARKIN) y la quinasa putativa inducida por PTEN 1 (PINK1), permitiendo la identificación de mitocondrias dañadas y su incorporación al autofagosoma que posteriormente se fusiona con lisosomas para formar autofagolisosomas.

   Las mitocondrias son el principal sitio de transformación de la energía de diferentes sustratos en energía química en la forma de ATP. El consumo de ATP es extremadamente alto en el corazón donde las mitocondrias proporcionan más del 90% de la energía necesaria para la contracción muscular y las bombas celulares. La relación lineal entre consumo de oxígeno y trabajo cardiaco demuestra que las mitocondrias trabajan de una manera “pay as you go” en este tejido. El corazón puede usar una variedad de sustratos para regenerar ATP de acuerdo a su disponibilidad, principalmente ácidos grasos. Los músculos oxidativos lentos también dependen grandemente del metabolismo oxidativo para la producción de ATP y usan ácidos grasos y glucosa. Los músculos esqueléticos rápidos funcionan de una manera “work first pay later” y preferentemente usan glucosa, glucógeno y glicerol-3P. La oxidación de lípidos es responsable de 60 y 80% del oxígeno consumido por las mitocondrias del sóleo y el músculo cardiaco, respectivamente,  pero solo de un pequeño porcentaje del oxígeno consumido por las mitocondrias del glucolítico músculo gastrocnemio. Por el contrario, la utilización de glicerol-3P representa más de 80% del sustrato usado por las mitocondrias del músculo gastrocnemio y <10% de los sustratos usados por las mitocondrias cardiacas.

   El producto de degradación común de lípidos, aminoácidos y carbohidratos en las mitocondrias es la acetil-CoA, la cual entra  al ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial resultando en la producción de equivalentes reductores (NADH y FADH₂). Estos equivalentes reductores son re-oxidados por la cadena transportadora de electrones (ETC), también llamada cadena respiratoria, a través del proceso de fosforilaciones oxidativas (OXPHOS). La cadena respiratoria está compuesta por cuatro complejos que forman una cadena redox, lo cual resulta en la reducción del oxígeno molecular en agua y la creación de un gradiente de protones a través de la membrana interna mitocondrial. Este gradiente electroquímico de protones sirve como una fuerza para la refosforilación de ATP a partir de ADP por la ATP sintetasa, considerada como el complejo V de la ETC. La respiración mitocondrial es controlada por el ADP de acuerdo a  una relación Michaelis/Menten y es modulada por calcio a través de la regulación de la actividad de ciertas enzimas en el ciclo de Krebs y la cadena respiratoria. El ATP es intercambiado por ADP por el translocador de adenina nucleótido anclado en la membrana interna.  En  músculo y células cardiacos, la mayor parte del ATP producido es inmediatamente transformado en el espacio de  la membrana interna en fosfocreatina (PCr) por la creatina quinasa (CK) mitocondrial localizada en la superficie externa de la membrana interna. La PCr es canalizada a los sitios de utilización de energía por las CK citoplasmáticas para la refosforilación del ADP producido localmente por las ATPasas.  Además de proporcionar la mayor  cantidad de energía a la célula huésped, las mitocondrias participan en otras funciones celulares como la homeostasis iónica entre los cuales el calcio juega un rol importante, la producción y regulación de ROS, el control del pH y la muerte celular. Adicionalmente, las mitocondrias son cruciales para la síntesis de hormonas esteroides, la termogénesis y la utilización de lípidos y carbohidratos de una manera tejido-específica.

   Las mitocondrias son el principal sitio de producción de ROS en las células y también el principal blanco del daño oxidativo. Las ROS son producidas principalmente en el nivel de los complejos I y III de la cadena respiratoria. En condiciones fisiológicas, las defensas anti-oxidantes mitocondriales y citoplasmáticas permiten controlar cualquier exceso de la producción de ROS. La desregulación de la producción de ROS está involucrada en muchas situaciones patológicas y en el envejecimiento.  Otro factor crítico de la función mitocondrial es la regulación del calcio intracelular e intramitocondrial. Aunque es bien conocido que el calcio activa las deshidrogenasas mitocondriales, cuando está presente en exceso desacopla las mitocondrias y disminuye la producción de ATP. EL exceso de calcio colapsa el potencial de membrana mitocondrial e induce la apertura del poro de permeabilidad transitorio (PTP), disparando la liberación de factores pro-apoptosis y provocando la muerte celular.

   La cantidad, composición y función de las mitocondrias son adaptadas al tejido en el cual se encuentran. En general, los tejidos con alta y sostenida demanda de ATP como los músculos estriados dependen de las fosforilaciones oxidativas aseguradas por las mitocondrias. Sin embargo existen notables diferencias entre los músculos oxidativos cardiaco y esquelético por una parte y los músculos esqueléticos glucolíticos por otra parte. El músculo cardiaco y los músculos esqueléticos posturales dependen estrictamente de la producción oxidativa de ATP porque tienen una actividad contráctil sostenida y de larga duración. Los músculos oxidativos también deben ajustar la producción de energía al consumo de energía. Esto es diferente en los músculos esqueléticos rápidos cuya actividad contráctil es rápida,  corta en duración, apoyada principalmente por los depósitos de ATP y PCr y la producción de ATP es manejada por glucosa o glucógeno.  En el miocardio, uno de los tejidos más oxidativos del cuerpo, las mitocondrias ocupan 30-40% del volumen celular contra 6-8% en las fibras  musculares lentas y 2-3% en las fibras musculares rápidas.  Las mitocondrias en los tejidos oxidativos como el corazón y los músculos esqueléticos posturales lentos son más numerosas, localizadas cerca de los miofilamentos y capaces de usar esencialmente ácidos grasos. Estos tejidos tienen una sensibilidad al ADP relativamente baja y una significativa cantidad de CK mitocondrial que les permite participar en las transferencias intracelulares de energía. Ellos están adaptados al aporte continuo de energía, necesario para el trabajo muscular y la función cardiaca. En los músculos esqueléticos rápidos, las mitocondrias son menos numerosas, poseen una alta sensibilidad al ADP citoplasmático y son más dependientes de sustratos derivados de la glucólisis como piruvato y glicerol-3P. En efecto, la energía requerida para la actividad fásica de los músculos rápidos depende esencialmente de la glucólisis anaeróbica. El metabolismo energético refleja el uso rápido y de corta duración de grandes cantidades de ATP y PCr en estos músculos.

   Aunque las mitocondrias son de herencia materna en varones y hembras, hay que tener presente que casi todas las  proteínas mitocondriales son codificadas por el núcleo y bajo la influencia de cromosomas sexuales, factores epigenéticos y hormonas sexuales circulantes. No es sorprendente, por tanto, que las mitocondrias además de una  clara especificidad de tejido, exhiban un dimorfismo sexual. La evidencia acumulada indica que este dimorfismo toma parte en la especificidad de sexo de patologías importantes. El perfil de expresión de genes de muestras cardiacas de roedores y humanos revela patrones de expresión dependientes de sexo y edad. Entre las diferencias, las rutas del metabolismo energético están bien representadas. Sin embargo, es ampliamente aceptado que la capacidad oxidativa cardiaca no difieren esencialmente entre hembras y varones, excepto por la capacidad de utilización de ácidos grasos que es mayor en mujeres jóvenes y la capacidad oxidativa que disminuye lentamente con la edad en mujeres viejas. La diferencia más notable entre las mitocondrias de hembras y varones está en las defensas anti-oxidantes. Las mitocondrias cardiacas de las hembras producen menos ROS. La disminución de la generación de ROS en las mitocondrias cardiacas de ratas hembras  ha sido atribuida a modificaciones posttranslacionales de las proteínas mitocondriales involucradas en el manejo de ROS. Por otra parte, las mitocondrias cardiacas de ratas hembras tienen una mayor capacidad de  retención de calcio que las ratas machos. La cinética del calcio también difiere entre las mitocondrias cardiacas de machos y hembras. Las mitocondrias de las hembras son más resistentes a la hinchazón bajo condiciones de concentraciones altas de calcio. La menor tasa de captación de calcio y el mantenimiento del potencial de membrana mitocondrial bajo condiciones de alto Ca²⁺ en las mitocondrias cardiacas de ratas hembras ha sido atribuida a la modulación del uniporter  de calcio. Entonces, el dimorfismo sexual de las mitocondrias cardiacas involucra una menor producción de ROS, mayor defensa antioxidante y una mejor regulación del calcio intramitocondrial, lo cual contribuye a la mejor resistencia de los cardiomiocitos  de las hembras al daño por   isquemia/reperfusión, insuficiencia cardiaca o cardiotoxicidad.

   Está bien establecido que los roedores hembras tienen mayor capacidad de resistencia que su contraparte masculina. Por otra parte, los músculos esqueléticos de mujeres exhiben mayor resistencia a la fatiga en comparación con los músculos de hombres. La capacidad de resistencia depende grandemente del contenido y la calidad mitocondrial del músculo esquelético, así como también de la capacidad para oxidar sustratos lípidos. En comparación con los varones, las hembras tienen mayor capacidad para la  oxidación de grasas durante el ejercicio y los músculos esqueléticos de mujeres tienen mayor contenido intracelular de lípidos que los músculos de varones. Los estudios recientes aportan nuevos conocimientos sobre las diferencias sexuales en las mitocondrias de músculo esquelético humano. Si estas diferencias se deben a la distinta composición del músculo esquelético en términos de fibras oxidativas o glucolíticas aún no se ha determinado. Otros aspectos de las diferencias sexuales en las mitocondrias incluyen la resistencia a la sobre carga de calcio, la generación de ROS y la susceptibilidad a la apertura del PTP y la apoptosis. Entonces, las mitocondrias de músculo esquelético  exhiben un dimorfismo sexual, lo cual podría explicar la mayor facilidad de las hembras para adaptarse a situaciones de metabolismo energético alterado.  

   Los efectos de los estrógenos son mediados principalmente a través de los receptores de estrógenos (ER), los cuales pertenecen a la familia de receptores de hormonas esteroides que a su vez son miembros de la familia de factores de transcripción activados por ligando. Tres ER han sido descritos: ERα, ERβ y ER acoplado a proteína G (GPER) con localizaciones intracelulares y tisulares específicas. Estos receptores están presentes prácticamente en todos los tipos de células en cantidades variables. Los estrógenos pueden tener efectos genómicos y no genómicos. Los ER pueden funcionar como receptores nucleares y factores de transcripción en el núcleo y como moléculas de señalización en la membrana plasmática. Los estrógenos regulan la transcripción de genes en el núcleo a través de la unión a –y la activación de- ERα y ERβ y la activación de ER asociados a la membrana plasmática y GPER. El principal estrógeno circulante en humanos es el 17β-estradiol (E2), el cual se une con igual afinidad a ERα y ERβ. Los efectos genómicos involucran la dimerización de dos ER, luego de la unión del E2, la translocación al núcleo del complejo E2/ER y su posterior unión a los elementos de respuesta a estrógenos (ERE) para la regulación de la expresión de genes específicos. La unión del complejo E2/ER a los ERE es regulada por fosforilación independiente de la unión de ligando. Los efectos no genómicos involucran acciones de señalización rápidas a través de la activación de ER y GPER asociados a la membrana plasmática y la posterior activación de rutas de señalización como quinasa activada por señal extracelular 1 y 2 (ERK1/2), proteína quinasa B (PKB), fosfoinositido 3-quinasa  (PI3K), proteína quinasa c-jun-NH2- terminal (JNK), glucógeno sintetasa quinasa 3β (GSK3β), β-catenina, calcineurina, blanco mecanístico de rapamicina (mTOR), p38 y proteína quinasa activada por mitogeno (MAPK), entre otras.  Esto resulta en la transcripción de genes que codifican enzimas antioxidantes, reforzando en particular las defensas antioxidantes de las mitocondrias. La acción de los estrógenos, además de su localización subcelular, depende de la expresión y contenido de los moduladores selectivos de receptor de estrógenos (SERM). Estos SERM inducen cambios conformacionales en los ER y reclutamiento diferencial de coactivadores, correpresores y factores de transcripción, que pueden actuar como agonistas o antagonistas completos o parciales.

   ERα y ERβ son expresados en los cardiomiocitos de varones y hembras. Sin embargo, un estudio demuestra transcriptos solamente para ERα en cardiomiocitos aislados de ratas neonatales o adultas, lo que sugiere que el ERβ puede estar presente en otros tipos de células como fibroblastos o células  vasculares. El músculo esquelético expresa ambos ER. Además de su presencia en el núcleo y membrana plasmática, ERα y ERβ han sido detectados en las mitocondrias de muchos tipos de células y especies. Sin embargo, el ERβ es el principal receptor de estrógenos presente en las mitocondrias. La localización mitocondrial de los ER es tejido específica. La presencia de ERβ ha sido detectada en  mitocondrias de corazón humano y músculo esquelético. En músculo esquelético, el ERβ interactúa con la chaperona HSP27 en la mitocondria y la estabiliza.

   Los efectos de los estrógenos sobre las mitocondrias no se restringen a su presencia y rol dentro de la mitocondria. Dado que la expresión de las proteínas mitocondriales es controlada principalmente por el genoma nuclear, la biogénesis mitocondrial es controlada por el núcleo. Por tanto, los principales efectos de los estrógenos sobre las mitocondrias derivan de sus efectos nucleares. Los estrógenos ejercen un rol protector sobre las mitocondrias a través de efectos directos e indirectos. La regulación de la masa y la función mitocondrial por los estrógenos está involucrada en la protección vascular, cardiaca y neuronal. Los estrógenos modulan varios aspectos de la función mitocondrial, incluyendo producción de ATP, generación de ROS, defensas antioxidantes, potencial de membrana mitocondrial y manejo del calcio. Más aún, los estrógenos a través de los ER están involucrados en el ciclo de vida de la mitocondria controlando la biogénesis mitocondrial, el control de calidad mitocondrial y la mitofagia. Estos efectos pueden ser mediados por mecanismos genómicos y no genómicos. Los estrógenos favorecen la biogénesis mitocondrial estimulando o inhibiendo la expresión de proteínas mitocondriales a partir de los  genomas nuclear y mitocondrial. En este contexto, los estrógenos modulan directamente la expresión de genes de las proteínas mitocondriales a través de la unión de E2/ER a los ERE de genes metabólicos en el núcleo. Los estrógenos incrementan la expresión de PGC-1α, el regulador master del metabolismo energético y la biogénesis mitocondrial, y también estimulan la biogénesis mitocondrial a través de la activación de los factores de transcripción NFR, los cuales incrementan la transcripción de genes codificados en el núcleo y las mitocondrias mediante un incremento de la producción del factor de transcripción mtTFA. Los ER también pueden unirse al ADN mitocondrial y están involucrados en la expresión inducida por E2 de mtADN y proteínas de la cadena respiratoria.

   Varios estudios han descrito los efectos de la ovariectomía sobre las mitocondrias cardiacas. La ovariectomía disminuye la actividad de los complejos de la ETC, incrementa la peroxidación de lípidos en la membrana mitocondrial, disminuye la capacidad para el manejo de calcio, regula a la baja la biogénesis y la función mitocondrial e incrementa el estrés oxidativo. Estos efectos pueden ser contrarrestados por el tratamiento con E2. Por otra parte, las concentraciones fisiológicas de estrógenos no afectan las funciones respiratorias mitocondriales, pero protegen a las mitocondrias cardiacas de la liberación de citocromoC inducida por altos niveles de calcio. La activación de GPER proporciona un efecto positivo después del daño por isquemia/reperfusión al inhibir la apertura del PTP, un efecto mediado por la ruta ERK. El ERβ parece mediar los efectos anti-apoptosis de los estrógenos. En los cardiomiocitos expuestos a isquemia/reperfusión, los estrógenos previenen la apoptosis inhibiendo la formación de ROS. El ERβ también parece mediar el incremento en la expresión de reguladores claves de la función mitocondrial y de proteínas de la cadena respiratoria.

   El músculo esquelético posee mayor plasticidad que el músculo cardiaco y exhibe considerable flexibilidad metabólica en respuesta a la estimulación hormonal, los factores ambientales y el ejercicio. La ovarectomía induce profundas alteraciones de la biología y la función del músculo esquelético. Por ejemplo, disminuye la resistencia a la fatiga, un factor que depende de la masa mitocondrial. La pérdida de E2 también induce una rápida disminución de la capacidad respiratoria mitocondrial. Los estrógenos son requeridos para mantener la función muscular porque tienen un efecto positivo sobre la masa muscular, la regeneración después de una lesión y el crecimiento de células satélites. Los estrógenos regulan los niveles de enzimas asociadas con el metabolismo de ácidos grasos y juegan un rol importante en la inhibición dependiente de mitocondrias de la apoptosis. Los efectos beneficiosos de los estrógenos derivan de mecanismos genómicos y no genómicos. Estudios recientes demuestran que, en el músculo esquelético, el E2 asociado a la membrana interna mitocondrial disminuye la microviscosidad de la membrana, un mecanismo que a su vez promueve la función bioenergética, el balance redox celular y la sensibilidad a la insulina. Un mecanismo biofísico por el cual el E2 influye en la homeostasis energética.

   En conclusión, los estrógenos son importantes participantes en la regulación metabólica y la función mitocondrial. Los estrógenos afectan las mitocondrias a través de múltiples procesos que involucran receptores nucleares y de membrana así como también efectos más directos pues los ER han sido identificados en las mitocondrias. Los efectos de los estrógenos sobre las mitocondrias de músculo cardiaco y músculo esquelético incluyen la biogénesis mitocondrial, la producción de ROS, la homeostasis del calcio y la ruta mitocondrial de apoptosis. 

Fuente: Ventura-Clapier R et al (2019). Estrogens, estrogen receptors effects on cardiac and skeletal muscle mitocondria. Frontiers in Endocrinology 10: 557.