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Mitocôndrias Introdução As mitocôndrias, presentes em todas as células eucariontes, são organelas envoltas por membranas e que convertem energia em formas que possam ser utilizadas para dirigir as reações celulares. Quando a glicose é convertida em piruvato (glicólise), duas moléculas de ATP são produzidas: o piruva- to é importado para a mitocôndria e oxidado pelo oxigênio molecular (O2) a CO2 e H2O, com produção de cer- ca de 36 moléculas de ATP / molécula de glicose oxidada. Essa organela geralmente ocupa grande fração do volume celular total (vide tabela). A característica morfológica marcante das mitocôndrias, é a grande quantidade de membranas inter- nas; essas membranas têm papel crucial na função das organelas conversoras de energia, por proporcionarem um suporte aos processos de transporte de elétrons. Embora a morfologia básica da mitocôndria seja característica, inúmeras variações podem ocorrer, em função da espécie em estudo, do tecido ou órgão, atividade funcional e fisiológica, etc. Ultra-estrutura das Mitocôndrias As mitocôndrias são normalmente descritas como cilindros alongados, com diâmetro de 0,5 a 1 µm e comprimento de 6 a 10 µm, assemelhando-se a bactérias. O termo “mitocôndria” foi introduzido por Benda (1902) para descrever certos componentes filamen- tosos ou granulares, observados em células vivas. Em certas células, as mitocôndrias são notavelmente móveis e plásticas, mudando constantemente su- as formas e mesmo fundindo-se uma as outras e separando-se novamente. Em outras células, permanecem fixas em determinados locais, fornecendo ATP diretamente aos sítios onde há grande consumo do mesmo (Ex: flagelo dos espermatozoides, célula muscular cardíaca). As mitocôndrias parecem estar associadas aos microtúbulos, os quais determinam possivelmente, suas orientações e distribuições, pelas células. Cada mitocôndria é limitada por duas membranas altamente especializadas com funções vitais para a atividade mitocondrial. Juntas, elas definem dois compartimentos separados: o espaço interno da matriz e o espaço intermembranas, bem mais estreito. Fracionamento Celular Através do Fracionamento Celular, a composição bioquímica de cada uma das membranas e dos espa- ços por elas delimitados foram determinados. Ultra-Estrutura Membrana Externa Com espessura de 7nm, contém uma grande proteína formadora de canais, denominada porina, o que torna a membrana externa permeável a todas as moléculas de 5.000 D. ou menos; Outras enzimas pré-existentes estão envolvidas: 1. Na síntese de lipídios mitocondriais; 2. Convertem substratos lipídicos em formas que possam ser subsequentemente, metabolizados na matriz. Espaço Intermembrana Este espaço contém varias enzimas que utilizam o ATP proveniente da matriz para fosforilar outros nu- cleotídeos. O espaço intermembrana é quimicamente equivalente ao citosol. Membrana Interna A membrana interna, com 5nm de espessura, contém proteínas com três tipos de funções: 1. Aquelas que conduzem as reações de oxidação da cadeia respiratória; 2. Um complexo enzimático, chamado ATP sintetase, que produz ATP na matriz; 3. Proteínas transportadoras específicas, que regulam a passagem de metabólitos para dentro e para fora da matriz. Ela contém uma alta proporção do “duplo” fosfolipídio cardiolipina, constituído de 4 ácidos graxos, que ajuda a tornar a membrana especialmente impermeável a íons. A membrana interna é geralmente retorcida, formando uma série de reentrâncias na matriz, denomi- nadas cristas. As cristas aumentam grandemente a área da membrana interna. O número de cristas é três vezes maior nas mitocôndrias das células cardíacas (onde é grande a de- manda de ATP) do que nas células hepáticas (onde o consumo de ATP é menor). Há diferenças marcantes entre as enzimas mitocondriais de diferentes tipos celulares. Matriz A matriz contém centenas de enzimas, incluindo aquelas necessárias à oxidação do piruvato e ácidos graxos e para o ciclo do ácido cítrico. Contêm grânulos elétrons-densos, sendo proeminentes e encontrados mais frequentemente, nos teci- dos que transportam maiores quantidades de água e íons; Os grânulos densos medem 20 a 50 nm de diâmetro sendo que eles provavelmente contêm cálcio, magnésio, fósforo e material inorgânico. A matriz contém ainda, várias cópias idênticas do DNA mitocondrial, ribossomos especiais, tRNAs, e várias enzimas requeridas para a expressão dos genes mitocondriais. GENOMA de Mitocôndrias As células devem gerar novas organelas citoplasmáticas se quiserem crescer e dividir. Devem também, substituir aquelas organelas que estão degradadas como parte do processo contínuo de rotatividade de orga- nelas. A Biossíntese de mitocôndrias envolve a contribuição de dois sistemas genéticos separados. A maioria das proteínas mitocondriais é codificada pelo DNA nuclear e importadas para a organela, de- pois de serem sintetizadas pelos ribossomos citosólicos. O tráfego é unidirecional: Citosol Organela. Algumas proteínas são codificadas pelo DNA mitocondrial e sintetizadas pelos ribossomos dentro da organela. Resumo da ação de inibidores sobre a biossíntese de proteínas em mitocôndrias. Crescimento e Divisão das Mitocôndrias As mitocôndrias nunca são formadas de novo; sempre se originam pelo crescimento e pela divisão das pré-existentes. Cada organela deve dobrar a sua massa e então se dividir ao meio, uma vez a cada geração celular. Na maioria das células, a mitocôndria divide-se durante a interfase; contrariamente, a replicação do DNA não está limitada a fase S, mas ocorre ao longo do ciclo celular. As moléculas individuais de DNA aleatoriamente se replicam, ou seja, num dado ciclo celular, algumas podem se replicar mais de uma vez e outras simplesmente não se dividem. Moléculas de DNA circular As moléculas de DNA das mitocôndrias são relativamente pequenas e simples e, exceto para os geno- mas mitocondriais de algumas algas e protozoários, são circulares. As mitocôndrias contêm múltiplas cópias da molécula de DNA, normalmente distribuídas na matriz desta organela e supostamente presa à membrana interna. A estrutura do DNA assemelha-se mais àquela das bactérias do que à cromatina dos eucariontes. NÃO HÁ HISTONAS. Tamanho dos Genomas das Mitocôndrias Tipo de DNA Tamanho (milhares de pares de nucleotídeos) Animais (incluindo planárias, insetos e mamíferos) 16 a 19 Vegetais Superiores 150 a 2500 (Fungos): Schizosaccharomyces pombe 17 (Fungos): Aspergillus nidulans 32 (Fungos): Neurospora crassa 60 (Fungos): Saccharomyces cerevisae 78 (Algas Verdes): Chlamydomonas 16 (linear) (Protozoários): Tryanosoma brucei 22 (Protozoários): Paramesium 40 (linear) Quantidades Relativas do DNA de Mitocôndrias em Algumas Células e Tecidos Organismo Tecido ou Tipo de Célula Moléculas de DNA por Mitocôndria Mitocôndrias por Célula Percentual do DNA de Mitocôndria/DNA Nuclear Rato Fígado 5 a 10 1000 1 Levedura Vegatativa 2 a 50 1 a 50 15 Rã Ovo 5 a 10 10000000 99 Sistemas Genéticos das Mitocôndrias Apesar do pequeno número de proteínas codificado pelos seus genomas, as mitocôndrias conduzem suas próprias replicações de DNA, transcrição do DNA e síntese de proteínas. Esses processos ocorrem em sua matriz. Embora os sistemas genéticos mitocondriais sejam MENOS semelhantes àqueles das bactérias atuais, seus ribossomos são sensíveis a antibióticos antibacterianos e a síntese de proteínas nestas organelas também inicia com N-formilmetionina. Características Peculiares dos Genomas Mitocondriais Comparado com os genomas nuclear, cloroplástico e bacteriano, o genoma mitocondrial humano apresen- ta as seguintes características : 1. Todos os nucleotídeos parecem fazer parte de sequências codificantes,para proteínas, rRNAs ou tR- NAs, havendo pouquissimo espaço para sequências regulatórias de DNA; 2. Enquanto 30 ou mais tRNAs especificam aminoácidos no citosol e cloroplastos, somente 22 são reque- ridos para a síntese mitocondrial de proteínas; OBS: o pareamento códon-anticódon, parece relaxado nas mitocôndrias e assim, muitos tRNAS reco- nhecem qualquer um dos 4 nucleotídeos na terceira posição (wobble). 3. Algumas diferenças entre o código genético “Universal” e o código genético “Mitocondrial”. Diferenças: Código Genético Universal e Código Genético Mitocondrial Códigos Mitocondriais Códon C. Universal Mamíferos Drosophila Leveduras Plantas UGA Terminação Trp Trp Trp Terminação AUA Ile Met Met Met Ile CUA Leu Leu Leu Thr Leu AGA AGG Arg Terminação Ser Arg Arg Sombreamento Colorido indica que o C. Mitocondrial difere do C. Universal Em resumo: provavelmente, o pequeno número de proteínas codificadas pelo genoma mitocondrial per- mite que uma ligeira mudança ocasional no significado de um códon raro seja tolerável, ao passo que, mudan- ças em um grande genoma (como o nuclear) alteraria a função de muitas proteínas e consequentemente, des- truiria a célula. Alguns Genes de Organelas contêm Intron Os genomas mitocondriais são muito maiores em células vegetais do que em células animais; mesmo assim, os genomas das vegetais codificam algumas poucas proteínas a mais do que aqueles das células ani- mais. Nas células humanas, ambas as fitas do DNA mitocondrial são transcritas na mesma proporção, produ- zindo duas moléculas gigantes de RNA: 1. a fita pesada (P) – fornece os 2 rRNA, a maior parte dos tRNA e cerca de 10 mRNA contendo caudas de poli-A, na extremidade - 3’; 2. a fita leve (L) – produz 8 tRNA e um pequeno mRNA, com cauda poli-A, também na extremidade - 3’; os 90% restantes da transcrição, aparentemente não contém qualquer informação útil e é degradado. Diferentemente dos genes mitocondriais humanos, alguns genes mitocondriais vegetais e de fungos contêm íntrons (surpreendente por não ser comuns em bactérias). Suposta Rota Evolutiva para a Origem das Mitocôndrias. Mitocondrias e Cloroplastos evoluiram de bactérias endocitadas há mais de um bilhão de anos. Hipótese Endossimbiótica – células eucarióticas iniciaram suas existências como organismos anaeróbi- cos, sem mitocôndrias (ou cloroplastos), e então estabeleceram uma relação endossimbiótica com uma bacté- ria . Parece claro que uma extensa transferência de genes ocorreu do DNA mitocondrial para o DNA nucle- ar, durante a evolução eucariótica. Que tipo de bactéria originou as mitocôndrias ? É provável que as mitocôndrias sejam descendentes de um tipo particular de bactéria púrpura fotossin- tetizante que perdeu a habilidade de conduzir a fotossíntese , tendo remanescido com somente uma cadeia respiratória. (Fig. 14.60) Herança Mitocondrial Leveduras – quando duas células haplóides cruzam, elas são equivalentes em tamanho e contribuem com quantidades equivalentes de DNA mitocondrial para o zigoto – é a herança mitocondrial biparental. Animais Superiores – o óvulo sempre contribui com muito mais citoplasma para o zigoto do que o espermato- zóide – é a herança mitocondrial uniparental (ou, mais precisamente, maternal). Importação de Lipídios pelas Mitocôndrias As mitocôndrias importam a maior parte dos seus lipídios. Em células animais, os fosfolipídios fosfatidilserina e fosfatidilcolina são sintetizados no retículo endo- plasmático e transferidos para a membrana externa das mitocôndrias. As mitocôndrias: 1. Descarboxila a fosfatidilserina importada em fosfatidiletanolamina; 2. Faz a conversão dos lipídios importados em cardiolipina (bifosfatidilglicerol) – fosfolipídio “duplo” que contêm 4 caudas de ácidos graxos, encontrados na membrana mitocondrial interna, constituindo cerca de 20% dos lipídios. (12.23) As origens dos RNAs e Proteínas Mitocondriais Variações Morfológicas das Mitocôndrias Cristas Mitocôndrias As cristas são vistas como um sistema de lâminas membranosas ou estruturas em forma de placas, ori- ginando-se da membrana interna e atravessando, por uma extensão variável, a largura da organela. Existe uma extreita correlação entre atividade metabólica de um tecido e o número e tamanho da mi- tocôndria, bem como, do número, área de superfície e concentração de cristas. Geralmente, pode-se resumir que grandes mitocôndrias com abundantes cristas ocorrem em: 1. tecido adiposo marrom – onde a energia é necessária para a síntese de lipídio para estoque e, poste- riormente, quebrado para auxiliar no aquecimento e elevação da temperatura do corpo, durante o despertar da hibernação; 2. vários epitélios – onde a energia é necessária para o transporte ativo de íons, através da membrana plasmática (ex; Túbulos renais); 3. tecido muscular – continuamente ativo e com alta demanda de energia, como aquele do coração e diafragma. Tipos de Cristas As mitocôndrias exibem muitas variações de forma e estrutura interna, a maioria das quais são depen- dentes do tipo e orientação das cristas. Concêntricas, Crescentes e Anulares – Mitocôndrias contendo cristas, as quais, em cortes ultra-finos apresen- tam-se crescentes, anular, espiral ou concêntrica têm sido vistas em tecidos normais. As concêntricas, foram observadas em axônio de lagosta, espermátides de cobras, miocárdio de diversos mamíferos e palato mole de rato. As mitocôndrias com cristas crescentes foram vistas nas células luteínicas da teca ovariana de camun- dongas e, aquelas com cristas anulares, descritas no córtex da adrenal de vacas. Fenestradas – mitocôndrias com cristas fenestradas são de ocorrência rara, sendo descritas no miocárdio de musaranhos, pardais e canários e no palatino do rato. Ziguezague – mitocôndrias com cristas anguladas ou ziguezague foram vistas em várias células, como; ameba gigantes P. carolinensis, wilson; ventrículo e átrio de gatos e músculo palatino de ratos. Longitudinais – nestas mitocôndrias, as cristas alinham-se paralelamente ao maior eixo da organela, podendo ser completa – quando vai de uma extremidade a outra – e incompleta – em um ou ambos os polos, contêm cristas orientadas transversalmente associadas àquelas arranjadas longitudinalmente. Presentes em casos patológicos Prismáticas – este termo é aplicado para as cristas que, em cortes transversais, apresentam contornos triangu- lares ou romboidal e, naqueles longitudinais, em modelo de fitas paralelas. Foram descritos em células secre- toras de muco da glândula salivar da cobra L. stagnalis L., astrócitos do cérebro de hamsters e gatos, entre outros. Associações Existem muitos exemplos onde podemos observar a ocorrência de uma íntima associação entre as Mi- tocôndrias e outras organelas e inclusões celulares. A mais frequente é com as gotas lipídicas, em uma variedade de tecidos, especialmente, no miocárdio, fígado, pâncreas e tecido adiposo marrom. Outro exemplo: Mitocôndria e Retículo Endoplasmático Rugoso - esta última circunda parcial ou quase completamente a mitocôndria, persistindo apenas uma pequena zona de citoplasma entre elas. Ocorre mais frequentemente, em células com ativa síntese protéica (pâncreas). Uma das associações marcantes é com os Miofilamentos. Em cortes longitudinais do tecido muscular esquelético e cardíaco as Mitocôndrias apresentam-se em fileiras justapostas aos filamentos, enquanto que, nas secções transversais através da região da Banda-I, anéis ou cintas destas organelas rodeiam grupos de miofilamentos. Outros exemplos de proximidade das mitocôndrias com sítios de utilização de energia : 1. Junções sinápticas de axônios, durante a transmissão do impulso; 2. Nas espermátides de ratos, para a síntese de acrossomo; 3. Nas células ciliadas, para o movimento ciliar. InclusõesIntramitocondriais Glicogênio – inclusões de glicogênio nas mitocôndrias parecem morfologicamente, similares aos depósitos comuns que ocorrem no citoplasma. Normalmente, tais inclusões consistem de monopartículas de glicogênio (β-glicogênio, 15 a 35 µm de diâmetro) ou, as vezes, rosetas (α-glicogênio, 60 a 90 µm de diâmetro) são vistos. As inclusões de glicogênio estão presentes, na forma de pequenos ou grandes depósitos, quase exclu- sivamente, no compartimento externo da mitocôndria. Lipídios – inclusões de lipídio nas mitocôndrias têm sido caracterizados pela ausência de membrana limitante, de aparência amorfa, com uma elétron densidade variando de média para alta e formato redondo ou irregu- lar. As inclusões lipídicas, simples ou múltiplas, morfologicamente, são similares àquelas presentes no cito- plasma de várias células. Cristalinas – inclusões cristalinas, geralmente assumidas serem de proteínas, tem sido observadas em vários compartimentos da célula, tais como o núcleo, citoplasma e mitocôndria. Embora sua estrutura seja muito variável, a característica marcante destes cristais, é seu modelo de organização interna, altamente ordenado. Cristais intramitocondriais têm sido notados em várias células e tecidos normais e patológicos. Grânulos densos Como dito anteriormente, grânulos elétrons-densos mitocondriais, variam em tamanho (25 nm a 120 nm) e número nos diversos tecidos e, mesmo, em diferentes estados fisiológicos de um mesmo tecido. Os grânulos são aproximadamente esféricos, osmofílicos, estando livres na matriz ou, frequentemente, associados com a membrana das cristas. Os cátions divalentes (principalmente o íon cálcio) podem ser retidos nas mitocôndrias, em duas for- mas possíveis: 1. Ligados ao fosfato orgânico na forma de grânulos pré-existentes na matriz (quando apresentado em pequena quantidade); 2. Como um precipitado inorgânico de novo (grandes quantidades). A função dos grânulos ainda é um assunto controvertido; foi sugerido que eles atuam na regulação do meio iônico interno da mitocôndria. Fusão de Mitocôndrias Em certos tipos celulares, duas ou mais mitocôndrias podem se contatar e fundirem-se em uma gigan- te; porém, este evento parece ter pouco significado fisiológico. O exemplo marcante de fusão mitocondrial ocorre na espermiogenese de insetos, com a formação de uma grande massa esférica, denominada de neben- kern. Introdução Ultra-estrutura das Mitocôndrias Fracionamento Celular Ultra-Estrutura Membrana Externa Espaço Intermembrana Membrana Interna Matriz GENOMA de Mitocôndrias Crescimento e Divisão das Mitocôndrias Moléculas de DNA circular Tipo de DNA Percentual do DNA de Mitocôndrias por Célula Moléculas de DNA por Mitocôndria Tecido ou Tipo de Célula Organismo Mitocôndria/DNA Nuclear Sistemas Genéticos das Mitocôndrias Características Peculiares dos Genomas Mitocondriais Códigos Mitocondriais Plantas Arg Leveduras Drosophila Mamíferos C. Universal Códon Sombreamento Colorido indica que o C. Mitocondrial difere do C. Universal Alguns Genes de Organelas contêm Intron Suposta Rota Evolutiva para a Origem das Mitocôndrias. Que tipo de bactéria originou as mitocôndrias ? Herança Mitocondrial Importação de Lipídios pelas Mitocôndrias As origens dos RNAs e Proteínas Mitocondriais Cristas Mitocôndrias Tipos de Cristas Associações Inclusões Intramitocondriais Grânulos densos Fusão de Mitocôndrias
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