El calcio es el mineral más abundante en el cuerpo humano y tiene distintas funciones biológicas, participando de importantes procesos bioquímicos. Es un regulador clave en varias vías de señalización intracelular y se lo implica en el control metabólico y en la función mitocondrial. Bajo la forma de iones de calcio (Ca2+), activa la respiración mitocondrial al inducir la actividad de enzimas asociados al metabolismo oxidativo, regulando así la generación de adenosina trifosfato (ATP), que es la fuente principal de energía de nuestras células. El problema es que, aún siendo conocida, esta actividad del calcio en la respiración celular no había sido determinada cuantitativamente, es decir, nadie aún la había medido.
Ese fue el desafío que enfrentó la investigadora Eloísa Aparecida Vilas Boas en su proyecto de posdoctorado, desarrollado con una beca de la FAPESP y supervisado por la profesora Alicia Kowaltowski, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (USP). La investigación se realizó en el ámbito del Centro de Investigación en Procesos Redox en Biomedicina (Redoxoma), un Centro de Investigación, Innovación y Difusión (CEPID) de la FAPESP.
“Se habla mucho de que el calcio activa algunas enzimas mitocondriales del ciclo de Krebs [una etapa de la respiración celular que ocurre en las mitocondrias], con un impacto en la producción de ATP. ¿Pero lo será? Nadie lo midió. Entonces lo que hicimos fue estudiar la respiración en mitocondrias aisladas de hígado de ratones y en hepatocitos en cultivo, modulando diferentes niveles de calcio. Y demostramos que existe un rango ideal de concentración de calcio en el que se activa la respiración mitocondrial”, dice Vilas Boas. Los resultados fueron publicados en el Journal of Biological Chemistry (JBC).
Kowaltowski señala que el trabajo innovó al investigar cómo ciertas concentraciones de calcio alteran el flujo metabólico. “Si miras la cantidad de algo, tienes una instantánea del momento, no sabes cuánto se consume y cuánto se produce. En este trabajo, Eloisa está mirando el flujo, cuántas de estas moléculas se están transformando. Realmente muestra cómo va la actividad metabólica”.
Además, la investigación evaluó la respiración celular a niveles fisiológicos de calcio, para comprender cómo se regula el metabolismo de una célula normal. “Muchas veces buscamos enfermedades, pero hay lagunas en el conocimiento de lo que sucede en una célula absolutamente normal”, afirma Kowaltowski.
Rizos dorados
El calcio afecta a casi todos los aspectos de la vida celular y sus concentraciones intracelulares están estrictamente controladas. En las células, la mayor parte del calcio está secuestrado en el retículo endoplásmico y las mitocondrias, que se consideran reguladores centrales de la homeostasis del calcio, ya que pueden capturar, absorber y liberar iones minerales.
Según los investigadores, se sabe que, en la mitocondria, la concentración excesiva de calcio conduce a un proceso llamado transición de permeabilidad mitocondrial, en el que la membrana mitocondrial pierde selectividad, comprometiendo la síntesis de ATP y llevando a la célula a la muerte. Los niveles moderados de calcio, por otro lado, pueden activar directa o indirectamente las enzimas de la matriz mitocondrial, lo que posiblemente afecte la producción de ATP.
Para comprender de manera más global los efectos del calcio en la respiración mitocondrial, monitorearon el efecto de diferentes concentraciones de calcio en la tasa de consumo de oxígeno, comparando mitocondrias aisladas de células de hígado de ratón (hepatocitos) en cultivo. El hígado es uno de los tejidos más importantes para el metabolismo.
Vilas Boas explica que, para estudiar las mitocondrias aisladas, se utilizaron varios sustratos y distintas concentraciones de calcio. El análisis se realizó mediante un equipo llamado Oroboros, un respirómetro de alta resolución que permite medir el consumo de oxígeno en la mitocondria según el tiempo. En células intactas, se usaron moduladores, ya sea un quelante para eliminar el calcio intracelular, lo que provocó una disminución de la respiración, o estrategias para aumentar la concentración de calcio. Las células intactas se estudiaron utilizando el analizador Seahorse, que permite medir la tasa de consumo de oxígeno de las células vivas en condiciones de cultivo.
Los resultados indican que las concentraciones de calcio impactan fuertemente en la respiración mitocondrial, con un efecto tipo “Ricitos de oro”, es decir, si hay falta o exceso de calcio, la fosforilación oxidativa es limitada. La concentración “en la justa medida” promueve una activación significativa.
En todas las situaciones, se cuantificaron los niveles de calcio. “Además de medir el calcio citosólico [presente en el citosol, el contenido celular que llena el citoplasma entre los orgánulos, el núcleo y la membrana plasmática], hice un experimento que mostró el calcio dentro de las mitocondrias. Con eso, demostré que realmente necesita entrar a la mitocondria para causar el efecto”, dijo la investigadora.
Según Kowaltowski, lo interesante fue observar que la célula mantiene los niveles de calcio mitocondrial en un rango ideal para la respiración. “La célula normalmente no mantiene la máxima producción de ATP. Puede aumentar esta producción según la demanda y mantener los niveles de calcio necesarios para ello”.
El artículo “Concentraciones de calcio Goldilocks y la regulación de la fosforilación oxidativa: Demasiado, demasiado poco o justo” se puede acceder en: www.jbc.org/article/S0021-9258(23)00036-4/fulltext.
Fuente: Redoxoma, un Centro de Investigación, Innovación y Difusión de la FAPESP.
Agencia FAPESP ( Brasil ) Traducción: Programa INFOSALUD