Mitocôndria

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Imagem de mitocôndrias de tecido pulmonar com Microscópio Eletrônico de Transmissão.

A mitocôndria é uma organela encontrada em células eucariotas que realiza a respiração celular, entre outras coisas. A respiração celular é uma série de reacções químicas, através das quais a glicose é convertida para o transportador de energia - ATP.

Eles são organelas auto-replicantes que ocorrem em vários números, formas e tamanhos no citoplasma de todas as células eucarióticas. As mitocôndrias contêm seu próprio genoma, que é separado e distinto do genoma nuclear de uma célula. As mitocôndrias também possuem dois sistemas de membrana funcionalmente distintas separadas por um espaço: a membrana externa, que envolve todo a organela; e a membrana interna, que é lançada em dobras ou estantes que se projetam para dentro. Estas dobras interiores são chamadas de cristas. O número e forma das cristas na mitocôndria diferem, dependendo do tecido e organismo em que se encontram, e servem para aumentar a área de superfície da membrana.[1]

Estrutura

Há duas membranas que são compostas de camadas duplas de fosfolipídios e proteínas. As duas membranas têm propriedades diferentes. As mitocôndrias variam entre 1 e 10 micrômetros (μm) em tamanho. Há 5 compartimentos distintos dentro da mitocôndria. Existe a membrana externa, o espaço intermembranar (o espaço entre as membranas exterior e interior), a membrana interna, o espaço de cristas (formado por invaginações da membrana interna), e a matriz (espaço dentro da membrana interna).[2]

Diagrama de mitocôndria mostrando os componentes internos

A membrana mitocondrial externa, que inclui a totalidade do organelo, tem cerca de uma proteína para cada fosfolípido. Ela contém muitas proteínas chamadas porinas, que contêm canais internos relativamente grandes que são permeáveis ​​a todas as moléculas de 5,000 daltons ou menos em tamanho. Moléculas maiores podem atravessar a membrana externa somente utilizando um transporte ativo. Além disso, contém enzimas para o alongamento de ácidos graxos, a oxidação de epinefrina (adrenalina), e a degradação de triptofano.[3]

A membrana mitocondrial interna contém mais de 100 polipeptídeos diferentes, e tem uma proporção muito elevada de proteína em relação aos fosfolipideos - mais do que três para cada um. Há uma grande quantidade de cardiolipinas na membrana interna, o que é incomum porque elas estão quase sempre em membranas plasmáticas bacterianas. A membrana interna não contém porinas, e não permite que as moléculas passem através da membrana, sem transportadores especiais, para e a partir da matriz.[3]

A membrana mitocondrial interna contém proteínas com quatro tipos de funções:[1]

  1. Aquelas que realizam as reações de oxidação da cadeia respiratória.
  2. ATP sintase, que faz ATP na matriz.
  3. Proteínas de transporte específicas que regulam a passagem de metabolitos para dentro e para fora da matriz.
  4. Maquinaria de importação de proteínas.

A membrana interna mitocondrial é compartimentada em numerosas cristas, que expandem a área da superfície da membrana mitocondrial interna, melhorando a sua capacidade de gerar ATP. Em mitocôndrias hepáticas típicas, por exemplo, a área de superfície, incluindo as cristas, é cerca de cinco vezes maior do que a da membrana externa. As mitocôndrias de células que têm uma maior procura de ATP, tais como as células musculares, contêm mais cristas do que as mitocôndrias de fígado típicas.[3]

A matriz é o espaço fechado pela membrana interna.[3] O ADN mitocondrial é localizado no interior da matriz, que também contém muitas enzimas, bem como os ribossomas para a síntese de proteínas. Muitos dos passos metabólicos críticos da respiração celular são catalisados por enzimas que são capazes de se difundir através da matriz mitocondrial. As outras proteínas envolvidas na respiração são incorporadas dentro da membrana interna mitocondrial. O dobramento das cristas aumenta a área de superfície para as enzimas responsáveis ​​pela respiração celular.[2]

A ATP sintase, menor motor do mundo, gera ATP em células.

ATP sintase

A ATP sintase é a enzima que forma a adenosina trifosfato (ATP) dentro das mitocôndrias. Ela faz isso por recarregar uma molécula de ADP (difosfato de adenosina) por adição de uma terceira unidade fosfato. A ATP sintase é uma molécula grande, que usa o fluxo de moléculas de hidrogênio de forma eficiente para recolocar as unidades de fosfato ao ADP.

Os complexos da sintase ATP na membrana interna de mitocôndrias, trabalham como uma linha de montagem montada sobre uma roda. Conforme os íons de hidrogênio são forçados a sair do complexo a roda gira, permitindo que cada um dos três sítios ativos sobre a sintase converta uma molécula de ADP para uma molécula de ATP. Em determinadas situações, esta roda pode girar a taxas de até 200 vezes por segundo, produzindo 600 moléculas de ATP recarregadas por segundo. Uma vez que há, possivelmente, um bilhão de moléculas de ADP/ATP por célula, é necessário que haja muitas moléculas de ATP sintase funcionando para dar a cada célula energia suficiente para funcionar.[4]

Conforme Jerry Bergman, a ATP sintase "é semelhante à utilização de um gabarito mecânico para posicionar adequadamente duas peças de metal que são depois soldadas em conjunto. Uma vez soldadas, elas são lançadas como uma unidade e, em seguida, o processo pode começar de novo." [4]

Funções

As mitocôndrias convertem materiais orgânicos em energia celular na forma de ATP, mas também as mitocôndrias desempenham um papel importante em muitas funções metabólicas, tais como:[3]

  • Apoptose-morte celular programada
  • Lesão neuronal excitotóxica mediada por glutamato
  • Proliferação celular
  • Regulamento do estado redox celular
  • Síntese do heme
  • Síntese de esteróides

Algumas funções mitocondriais são realizadas somente em tipos específicos de células. Por exemplo, as mitocôndrias em células do fígado contêm enzimas que lhes permitem desintoxicar amoníaco, um produto residual do metabolismo das proteínas. Uma mutação nos genes que regulam a qualquer uma destas funções pode resultar em doenças mitocondriais.[3]

Respiração celular

A respiração celular envolve 3 estágios: Glicólise, o ciclo de ácido cítrico, e a Cadeia de Transporte de Elétrons.

Um papel dominante para a mitocôndria é a produção de ATP. Isto é feito por oxidação dos principais produtos da glicólise. Este processo de respiração celular, também conhecida como a respiração aeróbia, é dependente da presença de oxigénio. Quando o oxigénio é limitado aos produtos glicolíticos será metabolizado pela respiração anaeróbica um processo que é independente das mitocôndrias.[3]

Cada molécula de piruvato produzida pela glicólise é transportada ativamente através da membrana mitocondrial interna, e para dentro da matriz, onde é oxidada e combinada com coenzima A para formar CO2, acetil-CoA e NADH.[4]

A acetil-CoA é o substrato primário a entrar no ciclo do ácido cítrico, também conhecido como o ciclo de ácido tricarboxílico (TCA) ou ciclo de Krebs. As enzimas do ciclo do ácido cítrico estão localizadas na matriz mitocondrial, com a exceção da succinato desidrogenase, que está ligada à membrana mitocondrial interna. O ciclo do ácido cítrico oxida o acetil-CoA para o dióxido de carbono, e no processo produz cofactores reduzidos que são uma fonte de elétrons na cadeia de transporte de elétrons.[5]

A energia redox do NADH e do FADH2 é transferida para o oxigênio em várias etapas pela cadeia de transporte de elétrons. Estas moléculas são produzidas dentro da matriz pelo ciclo do ácido cítrico, mas são também produzidas no citoplasma pela glicólise; redutores equivalentes do citoplasma podem ser importados através do sistema de transporte malato-aspartato de proteínas antiportador ou alimentar na cadeia de transporte de elétrons usando um serviço de transporte de fosfato de glicerol. Complexos de proteína na membrana interna fazem a transferência e a liberação de energia é usada para bombear prótons no espaço intermembranar. Este processo é eficiente, mas uma pequena porcentagem de elétrons pode reduzir prematuramente o oxigênio, formando o radical livre tóxico superóxido. Isto pode provocar dano oxidativo nas mitocôndrias e pode contribuir para o declínio da função mitocondrial associada com o processo de envelhecimento.[6]

Com o aumento da concentração de prótons no espaço intermembranar, um gradiente forte é estabelecido através da membrana interna. Os prótons podem retornar à matriz através do complexo de ATP sintase e a sua energia potencial é utilizada para sintetizar ATP a partir de ADP e fosfato. Este processo é chamado quimiosmose e foi descrito primeiramente por Peter Mitchell, que foi agraciado com o Prêmio Nobel de 1978 em Química por seu trabalho.[7]

Produção de calor

Sob certas condições, os prótons podem voltar a entrar na matriz, sem contribuir para a síntese de ATP. Este processo é conhecido como vazamento de próton ou desacopolante mitocôndrial e acontece por causa da difusão facilitada dos prótons dentro da matriz, mediada por um canal de prótons chamado termogenina. O resultado disso é a energia potencial do gradiente eletroquímico de prótons sendo liberada como calor. A termogenina é encontrada no tecido adiposo marrom, onde é utilizada para gerar calor por termogênese sem tremores. A termogênese sem tremores é o principal meio de geração de calor em mamíferos recém-nascidos ou hibernando.[3]

Armazenamento de íons de cálcio

As concentrações de cálcio livre na célula podem regular uma variedade de reações e é importante para a transdução do sinal. As mitocôndrias armazenam o cálcio livre, um processo que é um evento importante para a homeostase do cálcio na célula. A liberação desse cálcio de volta para o interior da célula pode iniciar pontos do cálcio ou ondas. Estes eventos coordenam processos, tais como a liberação de hormônios em células endócrinas.[3]

Genoma mitocondrial

Nem todas as informações genéticas são encontradas no DNA nuclear. Cada mitocôndria tem seu próprio conjunto de genes. As plantas também têm uma segunda organela, os cloroplastos, que também tem o seu próprio DNA. As células têm frequentemente várias mitocôndrias, em particular células que requerem muita energia, tais como células do músculo ativas. Isso ocorre porque as mitocôndrias são responsáveis pela conversão da energia armazenada em macromoléculas em uma forma utilizável pela célula, a saber, a molécula de adenosina trifosfato (ATP). Assim, elas são muitas vezes referidas como as geradoras de energia da célula.[5]

Ao contrário do DNA nuclear (o DNA encontrado dentro do núcleo de uma célula), metade do qual vem de nossa mãe e metade do nosso pai, o DNA mitocondrial é apenas herdado de nossa mãe. Isso ocorre porque as mitocôndrias são encontrados apenas nos gâmetas femininos ou "ovos" de animais que se reproduzem sexualmente, não no gameta masculino, ou esperma. O DNA mitocondrial também não se recombina; Não há embaralhamento de genes de uma geração para outra, como há com os genes nucleares.[5] (Ver: Eva mitocondrial)

Doenças

Existem muitas doenças causadas por mutações no DNA mitocondrial (mtDNA). Como as mitocôndrias produzem energia nas células, os sintomas das doenças mitocondriais geralmente envolvem degeneração ou falha funcional do tecido. Por exemplo, mutações no mtDNA foram identificadas em algumas formas de diabetes, surdez e certas doenças cardíacas hereditárias. Além disso, as mutações no mtDNA são capazes de se acumular ao longo da vida de um indivíduo. Isso é diferente de mutações no DNA nuclear, que tem sofisticados mecanismos de reparação para limitar a acumulação de mutações. As mutações do DNA mitocondrial também podem se concentrar nas mitocôndrias de tecidos específicos. Uma variedade de doenças mortais são atribuíveis a um grande número de mutações acumuladas nas mitocôndrias. Existe até uma teoria, a Teoria mitocondrial do envelhecimento, que sugere que a acumulação de mutações nas mitocôndrias contribui, ou impulsiona, o processo de envelhecimento. Esses defeitos estão associados à doença de Parkinson e à doença de Alzheimer, embora não se saiba se os defeitos realmente causam ou são resultado direto das doenças. No entanto, a evidência sugere que as mutações contribuem para a progressão de ambas as doenças.[5]

Origem

Os evolucionistas acreditam que as organelas, como as mitocôndrias e os cloroplastos, se originaram através de uma relação simbiótica com bactérias internalizadas (endosimbiose). Sugere-se que as bactérias foram incorporadas na célula, e seus sistemas genéticos e funções celulares tornaram-se integrados para formar uma única unidade celular funcional.

O apoio a esta teoria é em grande parte derivado do fato de que as mitocôndrias têm seu próprio DNA, RNA e ribossomos. O apoio adicional é encontrado pela existência de um organismo eucariótico, chamado de ameba, que carece de mitocôndrias e deve sempre ter uma relação simbiótica com uma bactéria aeróbia. Além disso, o processo de conversão de energia que ocorre nas mitocôndrias é aeróbio (com oxigênio), enquanto outros processos de conversão de energia na célula ocorrem anaerobicamente, ou sem oxigênio. Pensa-se que a função aeróbica independente destas organelas provém de bactérias que viviam dentro de outros organismos simples numa relação mutuamente benéfica, ou simbiótica, proporcionando-lhes capacidade aeróbia.[5] There are many examples of bacteria that live inside animal cells and provide substances that the cell needs to survive.[8]

Os evolucionistas comparam duas teorias, a teoria do endossibionte e a teoria da filiação direta. A primeira diz que as organelas, como as mitocôndrias, os núcleos, os plastidios ou os cloroplastos, se originam de bactérias que se deslocam para dentro de uma célula e se adaptam a viver lá enquanto a segunda diz que as organelas se desenvolvem dentro das células. No entanto, ambas consideram uma árvore evolutiva filogenética que presume que todas as células vêm de um único ancestral, e por isso nem sequer consideram a possibilidade de aparecimento súbito ou criação especial. Dos dois, a endosimbiose é preferida, mas não é considerada provada ser melhor no caso das mitocôndrias [9].

As dificuldades para uma origem endossimbiótica incluem a necessidade de presumir que as mitocôndrias surgiram há pelo menos 2 bilhões de anos, porque de outra forma a lógica da árvore evolucionária quebra. Além disso, presume-se que as células eucariotas surgiram de arquebactérias e as mitocôndrias provêm de eubactérias, mas não há eubactérias vivendo presentemente que correspondam às mitocôndrias.

Existem genes de eubactérias no genoma eucariótico, e a solução fácil seria acreditar que eles vieram de mitocôndrias, mas o número de genes é muito alto para que isso seja verdade (mais da metade dos genes no genoma da levedura são como genes eubactérias e não como genes arqueobactérias, mas não como qualquer linhagem de eubactérias).[10] Alguns cientistas postularam um 'misterioso endosimbionte' que se tornou parte das células antes da mitocôndria e forneceu os genes extra, mas não há eubactérias presentes que tenha a necessária combinação de genes.

Finalmente, a endosimbiose foi lenta em ser aceita como parte da evolução porque não se encaixa com o conceito darwiniano de que a seleção natural de descendentes pode explicar todos os tipos de vida existentes.[11]

Desenho animado da ATP sintase em ação: Os 3 tons de vermelho representam os três estados conformacionais diferentes das subunidades catalíticas. O objeto negro assimétrico central representa a subunidade gama que é rotacionada pelo efluxo de protões mitocondrial. Esta rotação impulsiona as transições conformacionais das subunidades catalíticas que, por sua vez, alteram as afinidades do sítio de ligação do nucleótido. Como consequência, a energia conformacional flui da subunidade catalítica para o ADP e Pi ligados para promover a sua desidratação em ATP.[6]

Ver também

Referências

  1. What is a Cell? National Center for Biotechnology Information. Acessado em 20 de setembro de 2011.
  2. Mitochondrial Substructure Gwen V. Childs, Ph.D., Accessed 20 September 2011.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7 Mitochondrion Wikipedia. Accessed 20 September 2011.
  4. 4,0 4,1 ATP: The Perfect Energy Currency for the Cell by Jerry Bergman, CRSQ Vol 36(1) June, 1999.
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 What is a Genome by the National Center for Biotechnology Information
  6. A forum about Biomolecular machines National Institutes of Health

Ligações externas