Biologia celular e molecular 9 ed Junqueira Carneiro1

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4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia A glicólise anaeróbia produz apenas 2 mols de ATP por cada A transferência de energia para ADP, transformando-o em mol de glicose, 69 deve-se a um processo quimiosmótico, 76 Graças à fosforilação oxidativa, cada mol de glicose produz As mitocôndrias apresentam um genoma próprio, mais 36 mols de 69 embora incompleto, 77 Frequentemente, as mitocôndrias situam-se em locais Origem das mitocôndrias, 78 próximos aos que necessitam de energia (ATP), 71 Resumo, 79 Ultraestrutura e organização funcional das mitocôndrias, 72 Bibliografia, 80Roteiro Para realizar suas atividades, as células utilizam a energia contida nas ligações químicas dos nutrientes que, geral- mente, é transferida para adenosina-trifosfato (ATP), 0 principal combustível celular; a enzima ATPase rompe a molécula de ATP, liberando energia e originando adenosina-difosfato (ADP) e fosfato inorgânico (Pi) A transferência de energia dos nutrientes para ATP também pode ser feita no citosol sem participação das mitocôn- drias, pela fermentação (anaeróbia), mas esse processo retira apenas pequena parte da energia dos nutrientes As mitocôndrias têm a maquinaria para a fosforilação oxidativa (aeróbia), muito eficiente na transferência de energia dos nutrientes para ATP Teoria quimiosmótica admite que a energia dos nutrientes é utilizada para gerar um fluxo de prótons cuja energia forma ATP a partir de ADP Cada mitocôndria contém um genoma constituído por filamentos circulares de DNA em hélice dupla, que codifi- cam RNA e algumas, mas não todas, proteínas mitocondriais 0 genoma da mitocôndria é muito compacto; com exceção do local de origem da replicação, seu DNA é codificador em toda a sua extensão, sem sequências não codificadoras (não contém íntrons) Principalmente por falta de mecanismos de reparação do DNA, 0 genoma das mitocôndrias apresenta taxa de mutação muito alta, de 5 a 10 vezes maior do que a do DNA nuclear, que conta com processos reparadores muito eficientes 0 código genético do DNA das mitocôndrias é ligeiramente diferente do código que se admitia ser 0 mesmo, desde as bactérias até os humanos As mitocôndrias dos mamíferos são derivadas das mitocôndrias do óvulo e, portanto, de origem exclusivamente materna Os ribossomos das mitocôndrias são diferentes dos ribossomos do citosol e parecidos com das bactérias Admite-se que, durante a evolução das células, as mitocôndrias se originaram de bactérias endossimbiontes (simbiontes intracelulares) que, no processo evolutivo, transferiram parte de seus genes para 0 núcleo da célula hospedeira.4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia 69 A energia utilizada pelas células eucariontes para realizar 690 kcal/mol, enquanto a hidrólise das duas ligações ricas em suas atividades provém da ruptura gradual de ligações cova- energia do ATP rende somente 20 kcal/mol. Glicogênio e gor- lentes de moléculas de compostos orgânicos ricos em energia. duras podem ser comparados a dinheiro no banco, e ATP a Na célula vegetal (Capítulo 13), esses compostos são sinteti- dinheiro no bolso. De fato, o dinheiro depositado no banco é zados com a energia resultante da transformação de energia estável (teoricamente, não sujeito a roubo ou perdas) e pode solar em energia química durante o processo de fotossíntese ser acumulado em grandes somas. Já o dinheiro no bolso luz, e sintesis, síntese). Na fotossíntese, graças princi- (ATP) é instável, só pode ser guardado em quantidades limita- palmente ao pigmento clorofila, processa-se a acumulação da das, mas é facilmente acessível quando necessário. energia solar sob a forma de ligações químicas nos hidratos A queima da glicose libera uma quantidade certa de energia de carbono, principalmente hexoses, que se polimerizam para e consome oxigênio. resultado dessa operação, que pode ser formar amido. As hexoses originadas na fotossíntese são fonte realizada em um aparelho chamado calorímetro, produz calor de energia e, também, de carbono em condições de ser utili- (690 kcal/mol), água e gás carbônico, segundo a equação: zado para a síntese de diversas macromoléculas. C₆H₁₂O₆ + + calor (energia) As células, porém, não usam diretamente a energia liberada dos hidratos de carbono e gorduras, mas se utilizam de um Essa combustão da glicose é, porém, um processo abrupto, composto intermediário, a adenosina-trifosfato (ATP), geral- que leva o calorímetro rapidamente a altas temperaturas. Se mente produzido graças à energia contida nas moléculas de isso ocorresse dentro de uma célula, ela se queimaria instanta- glicose e de ácidos graxos. neamente. Contudo, as células desenvolveram um sistema que Nos animais, os ácidos graxos são, do ponto de vista quan- oxida lentamente os nutrientes, liberando energia gradual- titativo, uma fonte energética muito mais importante do que mente, e produzindo água e Esse processo, que consome carboidratos. Enquanto uma molécula-grama (mol) de gli- O₂ e produz chama-se respiração celular. cose gera 38 mols (moléculas-grama) de ATP, uma de ácido As células utilizam dois mecanismos para retirar energia palmítico gera 126 mols de ATP. Um homem adulto tem ener- dos nutrientes: a glicólise anaeróbia, que tem lugar no citosol, gia depositada em glicogênio suficiente apenas para um dia, e a fosforilação oxidativa, que se realiza nas mitocôndrias. mas gordura (ácidos graxos) suficiente para fornecer ener- gia durante 1 mês. Quando o organismo está em repouso, as usam mais glicose, proveniente do glicogênio, porém, A glicólise anaeróbia produz apenas durante o exercício físico, há mobilização dos ácidos graxos 2 mols de ATP por cada mol de glicose depositados nas gorduras. ATP (Figura 4.1) tem duas ligações ricas em energia A glicólise anaeróbia é o processo pelo qual uma sequência representadas pelo sinal ~); quando uma delas se rompe, libera de aproximadamente 11 enzimas do citosol promove transfor- 10 quilocalorias por mol. Geralmente, ape- mações graduais em uma molécula de glicose, sem consumo mas uma ligação é rompida, segundo a equação ATP ADP + de oxigênio, produzindo duas moléculas de piruvato e libe- Pi + energia (Pi significa fosfato inorgânico e ADP, adenosina- rando energia que é armazenada em duas moléculas de ATP. difosfato). ATP se forma a partir do ADP e do fosfato inorgânico (Pi) citoplasma contém energia acumulada nos depósitos de existentes no citosol, segundo a equação: moléculas de triacilglicerídios (gorduras neutras), de molé- 2 ADP + Pi + energia da glicose 2 ATP culas de glicogênio e, também, sob a forma de compostos intermediários (metabólitos) ricos em energia, dos quais o Nesse processo, a célula armazena 20 kcal para cada mol de mais importante é o ATP, principal combustível das células. Os glicose degradada. Essa degradação da glicose não necessita triacilglicerídios e o glicogênio representam acúmulo de ener- de oxigênio, razão pela qual é chamada de glicólise anaeróbia gia sob forma estável e concentrada, mas dificilmente acessí- ou fermentação. No fungo levedo de cerveja, em condições wel, ao passo que o ATP é um composto instável, que não con- anaeróbias, a glicólise prossegue, transformando-se o piruvato energia tão concentrada, mas facilmente utilizável porque em etanol após uma série de reações enzimáticas. A fermen- a enzima que rompe a molécula de ATP (ATPase) é muito tação fornece ao levedo de cerveja a energia necessária para abundante na célula. A decomposição da glicose em água e sua manutenção e reprodução, sendo chamada fermentação gás carbônico, que ocorre durante a respiração celular, rende alcoólica, porque o produto final é o álcool etílico. A glicólise é um processo pouco eficiente, pois, das 690 kcal/ mol presentes na glicose, apenas 20 kcal são aproveitadas e as células desenvolveram, ao longo da evolução, mecanismos mais eficazes para extração da energia dos nutrientes. N N N N Graças à fosforilação oxidativa, cada mol O de glicose produz mais 36 mols de ATP OH OH Após o surgimento do oxigênio na atmosfera, desenvol- Figura 4.1 Fórmula do trifosfato de adenosina, abreviadamente chamado ATP. veu-se uma nova via metabólica de maior rendimento energé- simbolo indica as ligações químicas que são muito ricas em energia. tico do que a glicólise, a fosforilação oxidativa. De cada mol de70 Biologia Celular e Molecular glicose, além dos 2 mols de ATP obtidos pela via anaeróbia, a Ciclo do ácido cítrico fosforilação oxidativa produz mais 36 mols de ATP. Na fosforilação oxidativa, o piruvato é oxidado até se for- Esse ciclo, também chamado de ciclo de Krebs ou ciclo dos marem água e gás carbônico, com alto rendimento energético. ácidos tricarboxílicos, é uma sequência cíclica de reações enzi- Costuma-se distinguir, na oxidação fosforilativa, três mecanis- máticas na qual ocorre, graças à presença das enzimas chama- mos distintos, mas que se entrelaçam intimamente: a produ- das desidrogenases, a produção gradual de elétrons e prótons. ção de acetilcoenzima A (acetil-CoA), o ciclo do ácido cítrico Os elétrons são captados por moléculas complexas como o e o sistema transportador de elétrons. NAD (nicotinamida-adenina-dinucleotídio), o FAD (flavina Enquanto a glicólise é anaeróbia e tem lugar no citosol, a adenina dinucleotídio) e os citocromos, que funcionam como fosforilação oxidativa é aeróbia e se processa nas mitocôndrias transportadores de elétrons, em um processo de oxidorredu- (Figura 4.2). ção. O hidrogênio, resultante das reações, é liberado na matriz mitocondrial, sob a forma de prótons Produção de acetilcoenzima A ciclo do ácido cítrico se origina com a condensação da acetil-CoA, proveniente de piruvato ou de ácidos graxos, com A acetil-CoA é produzida a partir da coenzima A e de ace- ácido oxalacético, produzindo ácido cítrico. Este sofre uma tato originados do piruvato ou da dos ácidos gra- série de modificações e acaba produzindo ácido oxalacético, XOS. Piruvato, derivado da glicólise, e ácidos graxos atravessam que, por sua vez, recomeça o ciclo. as membranas mitocondriais e, na matriz da organela, geram resultado final do ciclo do ácido cítrico é o seguinte: gra- acetato, que se liga à coenzima A para formar acetil-CoA. ças às desidrogenases, ocorre a produção de hidrogênio, que A transformação de piruvato em acetil-CoA deve-se a um irá gerar prótons e elétrons. Descarboxilases levam à produ- sistema multienzimático da matriz mitocondrial, o complexo ção de CO2, e no processo há uma reação exoenergética que desidrogenase do piruvato, constituído de cópias múltiplas de promove a síntese de 2 mols de ATP por mol de glicose consu- três enzimas, cinco coenzimas e duas proteínas reguladoras. mida (Figura 4.3). A função principal do ciclo do ácido cítrico Esse complexo converte o piruvato em acetil-CoA, liberando é, portanto, produzir elétrons com alta energia e prótons, que é eliminado da mitocôndria. A acetil-CoA entra no gerando seu rendimento energético é baixo. ciclo do ácido cítrico. Além dessas funções, o ciclo do ácido cítrico fornece meta- Enzimas presentes nas duas membranas mitocondriais bólitos que serão usados para a síntese de aminoácidos e transferem ácidos graxos para a matriz da mitocôndria, na hidratos de carbono. qual eles são degradados por um ciclo de reações denominado dos ácidos graxos que remove dois átomos de car- bono de cada vez, produzindo uma molécula de acetil-CoA Sistema transportador de elétrons em cada volta do ciclo. A acetil-CoA assim gerada também É uma cadeia, formada por enzimas e compostos não enzi- entra no ciclo do ácido cítrico, no qual a oxidação continua. máticos, cuja função é transportar elétrons. Dentre esses trans- portadores de elétrons estão os citocromos, compostos orgâ- nicos ricos em ferro. Ao longo dessa cadeia, são transportados elétrons de alta energia que, gradualmente, cedem essa ener- 1 mol de gia, que é veiculada para três lugares determinados da cadeia, glicose em que ocorre a síntese de ATP. Esse processo é eficiente e produz 36 mols de ATP por mol de glicose consumida. Há, ao longo da cadeia de oxidação fosforilativa, três locais nos quais a energia liberada pela oxidação é gradualmente Enzimas da glicose transferida para o ATP graças à fosforilação do ADP. Nesses locais da cadeia, ocorre o acoplamento da liberação de energia, com o seu armazenamento por fosforilação. Existem molé- culas tóxicas, como o dinitrofenol, que desacoplam essa trans- 2 mols de piruvato + 2 ATP ferência de energia, bloqueando a síntese de ATP e dissipando Água a energia sob a forma de calor. 36 ATP Ao chegarem ao fim do sistema transportador, os elétrons ati- Fosforilação vam moléculas de oxigênio, produzindo graças a um sistema oxidativa enzimático, chamado citocromo-oxidase. Esse oxigênio com um Oxigênio elétron a mais combina-se com prótons, produzindo água ADP (Figura 4.3). A citocromo-oxidase é fortemente inibida pelo cia- neto, razão pela qual esse composto é um tóxico muito forte. Gás carbônico Portanto, a respiração celular aeróbia produz e Figura 4.2 desenho esquemático mostra que a glicólise ocorre no citosol, en- energia (calor) segundo a equação global: quanto a produção de acetilcoenzima A e a oxidação fosforilativa se processam nas mitocôndrias. A maior produção de ATP ocorre na mitocôndria, em razão da oxidação C₆H₁₂O₆ + + energia dos substratos oriundos dos nutrientes, com consumo de oxigênio e formação de água e (respiração aeróbia) contrastando com a glicólise (respiração anaeróbia), Como na mitocôndria o consumo de oxigênio está relacio- que não consome oxigênio e produz pouco ATP. nado com a fosforilação de ADP, o processo recebeu o nome4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia 71 de oxidação fosforilativa. O ADP é transferido do citosol para Essas organelas apresentam um diâmetro aproximado de a mitocôndria, na qual é transformado em ATP, que passa 0,5 a 1,0 µm, variando o comprimento desde 0,5 até 10 São para o citosol, no qual exercerá suas funções como combustí- mais numerosas nas células com metabolismo energético alto, vel celular. Existe, portanto, um fluxo constante de ADP para como as células musculares estriadas. Em muitas células, as dentro e ATP para fora da mitocôndria. mitocôndrias se distribuem por todo o citoplasma, mudando Do ponto de vista de rendimento energético, a mitocôn- constantemente de posição pela atividade das proteínas moto- dria é muito mais eficiente do que os motores construídos pelo ras do citoesqueleto. Contudo, em determinadas células elas homem. Calcula-se que, aproximadamente, a metade da ener- se localizam próximo aos locais citoplasmáticos, onde existe gia liberada dos nutrientes é armazenada pelas mitocôndrias grande consumo de energia. Nos epitélios ciliados, elas se em moléculas de ATP; os outros 50% são dissipados sob forma acumulam perto dos cílios; nos espermatozoides, ao redor de calor, que é utilizado para aquecer o corpo. da porção inicial do flagelo, onde tem início a movimentação flagelar; e, nas células musculares estriadas, entre os feixes de miofibrilas (Figura 4.4). Outros exemplos são os acúmulos Frequentemente, as mitocôndrias de mitocôndrias encontrados nas células sensoriais da retina situam-se em locais próximos aos (Figura 4.5) e nas células que transportam íons, como é o caso das células dos túbulos contorcidos renais (Figura 4.6). que necessitam de energia (ATP) A concentração de mitocôndrias nas células transportado- ras de íons está associada a abundantes dobras da membrana As mitocôndrias (mitos, filamento, e condria, partícula) são plasmática, o que aumenta consideravelmente a área por onde organelas de forma arredondada ou alongada presentes no tem lugar o transporte iônico. Nessas regiões, as membranas citoplasma das células eucariontes, que participam da respira- são ricas em ATPase, enzima que libera a energia que será uti- ção aeróbia e de diversas outras funções. lizada pelas bombas iônicas aí presentes. 1 mol de glicose Glicólise cadeia de enzimas Ácidos graxos Membrana 2 ATP mitocondrial ADP O₂ interna 2 piruvatos ADP Acetilcoenzima A H+ H+ H+ H+ H+ e- e- CO2 Cadeia transportadora de elétrons H+ H+ (cadeia de enzimas e pigmentos citocromos) Descarboxilase e- H+ Ciclo do e et ácido cítrico cadeia de enzimas H+ Citocromo oxidase H+ Desidrogenases H+ 36 ATP e- H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+H H+ H+ H+ H+ 2H+O- H+ H+ H+ e- H+ H+ H+ H+ 2 ATP H2O Figura 4.3 dos principais processos que ocorrem na respiração celular aeróbia. A linha azul indica os limites de uma mitocôndria. Inicialmente, ocorre a pro- dução de acetilcoenzima A, que entra no ciclo do ácido cítrico, do qual resulta a produção de elétrons, prótons, e pequena quantidade de ATP. Os elétrons percorrem a cadeia transportadora de elétrons e produzem muito ATP. Os prótons combinam-se com oxigênio, ativado pelo sistema citocromo-oxidase, produzindo água. Observe que, no citosol, 1 mol de glicose produz 2 mols de ATP, permanecendo muita energia nas moléculas de piruvato. Esse piruvato entra na mitocôndria, em que a energia res- tante do mol inicial de glicose é transferida para cerca de 38 mols de ATP. Portanto, a mitocôndria aumenta muito a capacidade celular de aproveitar a energia contida nos nutrientes. Observe, ainda, a entrada de oxigênio e ADP (adenosina-difosfato) na mitocôndria. 0 desenho não mostra, mas a mitocôndria necessita também de Pi (fosfato inorgânico) para que ADP seja transformado em ATP.72 Biologia Celular e Molecular Figura 4.4 Eletromicrogra- fia de músculo cardíaco, um tecido que necessita de muitas mitocôndrias, porque consome muito ATP, que éa fonte de ener- gia para a contração muscular. Observe a disposição das mito- côndrias, formando um trajeto paralelo às miofibrilas. Note, também, que as mitocôndrias são ricas em cristas, e que a ma- triz mitocondrial é densa aos elétrons (aparece escura na mi- crografia). 30.000x. Ultraestrutura e organização externa é lisa e muito permeável a diversos tipos de moléculas funcional das mitocôndrias com peso abaixo de 5 kDa (quilodáltons). Essa permeabilidade se deve à presença de proteínas intercaladas na membrana, as As mitocôndrias apresentam duas membranas que envol- porinas, que formam canais com o diâmetro de 1 nm. Entre as vem um espaço interno onde se localiza a matriz mitocondrial. duas membranas, observa-se o espaço intermembranoso. As membranas mitocondriais, como as demais membranas Além das diferenças entre as proteínas das duas membranas, celulares, são bicamadas de fosfolipídios, contendo pequenas a membrana externa é rica em colesterol, enquanto a membrana quantidades de outros lipídios. A membrana mitocondrial interna é pobre nesse lipídio, sendo rica em cardiolipina, fosfo- Figura 4.5 Eletromicrografia de cé- lula da retina, em região onde ocorre um acúmulo de mitocôndrias. Obser- ve que as mitocôndrias contêm muitas cristas e apresentam matriz densa aos elétrons (aparece escura na microgra- fia). 50.000x.4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia 73 Membrana externa Matriz Membrana interna Figura 4.6 Eletromicrografia de mitocôndria de célula renal. Note a dupla membrana e as cristas, numerosas, mas menos frequentes do que no músculo estriado cardía- (comparar com a Figura 4.4). A matriz, de aspecto granular, preenche espaço entre as cristas. 84.000x. lipídio com quatro ácidos graxos, que não existe na membrana muito a superfície dessa membrana (Figuras 4.6 e 4.7). Em externa. A cardiolipina contribui para dificultar a passagem de determinados protozoários e em células que sintetizam este- partículas com carga elétrica através da membrana mitocon- roides, as cristas podem ter a forma de tubos, o que leva ao drial interna, o que é funcionalmente importante, porque uma aparecimento de estruturas circulares no interior das mito- concentração elevada de íons, na matriz da mitocôndria, per- côndrias, quando observadas em corte (Figura 4.8). Uma turbaria o gradiente que gera o fluxo de prótons e a captação de mesma mitocôndria pode apresentar cristas em prateleiras e energia no ATP, pelo processo quimiosmótico. cristas tubulares. A constituição molecular das duas membranas das mito- Na superfície da membrana interna que está voltada para côndrias está de acordo com a possível origem evolutiva des- o interior da mitocôndria, existem pequenas partículas em sas organelas a partir de bactérias simbiontes que se instalaram forma de raqueta (Figura 4.7), que se inserem pelos seus cabos no citoplasma. A membrana mitocondrial externa é parecida nessa membrana. São os corpúsculos elementares, com cerca com a membrana plasmática das células eucariontes e é muito de 10 nm de diâmetro, onde se geram ATP e calor. sensível aos detergentes e ao ultrassom, propriedade que tem No interior das mitocôndrias, encontra-se uma substân- sido utilizada para romper a membrana externa e isolar, por cia finamente granular e elétron-densa (escura nas micro- centrifugação fracionada, as diversas partes das mitocôndrias, grafias eletrônicas) chamada matriz. É frequente obser- conforme será visto adiante. A membrana interna se asseme- var grânulos elétron-densos (grânulos densos) no seio da muito à membrana das bactérias, e, como estas, contém o matriz, com diâmetro de 30 a 50 nm, contendo cálcio e de sistema de transferência de energia para ATP. função pouco conhecida. A matriz mitocondrial contém Os fosfolipídios das membranas mitocondriais não são sinte- filamentos de DNA, difíceis de visualizar no microscópio tizados na organela, mas, sim, no retículo endoplasmático liso. eletrônico, e ribossomos medindo 15 nm de diâmetro, por- As moléculas de fosfolipídios são transferidas para as mitocôn- tanto menores do que os do citosol e semelhantes aos das drias por proteínas transportadoras especiais, que carregam bactérias. lipídios de uma membrana muito rica nessas moléculas (retículo Existe alguma variação na estrutura mitocondrial, con- endoplasmático liso) para a membrana de organelas que estão forme o tipo de célula e seu estado funcional. De modo geral, a com menor concentração lipídica. As mitocôndrias recebem quantidade de cristas e a elétron-densidade são proporcionais fosfolipídios por processo semelhante ao descrito com relação à atividade respiratória da célula. aos peroxissomos. A diferença é que as mitocôndrias, embora A análise da localização das enzimas, nos componen- incapazes de sintetizar fosfolipídios, exercem um papel funcio- tes das mitocôndrias, foi facilitada pela técnica de ruptura nalmente significativo, modificando as moléculas recebidas pela dessas organelas, com detergentes ou ultrassom, e pelo iso- via das proteínas transportadoras. lamento da membrana interna, da membrana externa, do A membrana interna apresenta invaginações geralmente conteúdo do espaço intermembranoso e do conteúdo da em forma de prateleiras, formando as cristas, que aumentam matriz (Figura 4.9).74 Biologia Celular e Molecular Membrana externa DNA mitocondrial Espaço intermembranoso Crista mitocondrial Contém enzimas de degradação Uma ou mais cadeias Contém enzimas Dobras que aumentam a dos lipídios a ácidos graxos. duplas contendo escasso várias. Acumula prótons superfície da membrana Permeável a moléculas de número de genes transportados da matriz interna e a eficiência na até 10.000 dáltons produção de ATP Corpúsculos elementares Membrana interna Matriz mitocondrial Ribossomos mitocondriais Fazem parte da membrana Impermeável, contém Contém enzimas que Contém RNA ribossômico. interna e contém complexo componentes da metabolizam piruvato e Participam da síntese proteica proteico com atividade de cadeia de transporte ácido graxo produzindo ATP-sintetase de elétrons. Transporte acetilcoenzima A, contém transmembrana enzimas do ciclo do ácido de prótons cítrico, tRNA, mRNA e rRNA Figura 4.7 desenho esquemático apresenta um resumo dos principais componentes mitocondriais e suas funções. Figura 4.8 A eletromicrografia mostra parte do citoplasma de uma célula da camada cortical da glândula adrenal. Observe mitocôndrias contendo invaginações tubu- losas de sua membrana interna, em vez de prateleiras. Essa disposição é frequente em células que sintetizam esteroides. 60.000x.4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia 75 Membrana externa Mitocôndria isolada Matriz por homogeneização da célula e centrifugação Membrana interna em gradiente Ruptura da membrana Espaço intermembranoso externa por ação detergente da digitonina Membrana externa fragmentada Separação da membrana externa e substância Membrana interna do espaço intermembranoso da membrana interna e Matriz matriz por centrifugação (10 m a 12.000 g) Conteúdo do espaço intermembranoso No precipitado No sobrenadante Membrana externa, Membrana interna que se fragmentou e formou vesículas Conteúdo do espaço intermembranoso Matriz Tratamento por detergente Centrifugação e centrifugação Membrana externa no Membrana interna no Matriz no pecipitado Conteúdo do espaço pecipitado sobrenadante intermembranoso Figura 4.9 esquema ilustra um dos métodos utilizados para fracionar as mitocôndrias. Esse fracionamento é possível porque a membrana mitocondrial externa é muito mais sensível a detergentes e ao ultrassom do que a interna. Essas membranas têm diferenças na constituição molecular. Além de outras diferenças, a membrana interna é rica em cardiolipina (como a membrana das bactérias) e não contém colesterol, enquanto a membrana externa não contém cardiolipina, mas sim colesterol, e pode ser rompida com mais facilidade. Cardiolipina é um fosfolipídio com quatro cadeias de ácidos graxos. A ilustração mostra que, na primeira etapa, apenas a membrana mitocondrial externa é rompida, conservando-se íntegra a membrana interna, que retém a matriz mitocondrial. Posteriormente, a ruptura da membrana interna, graças a movo tratamento com detergente, possibilita a obtenção dessa membrana e da matriz mitocondrial em frações separadas. 0 processo completo, como mostram quatro desenhos de baixo, separa quatro frações: a membrana interna, a matriz, a membrana externa e 0 conteúdo do espaço intermembranoso.76 Biologia Celular e Molecular estudo dessas frações demonstrou que a matriz é um A transferência de energia para ADP, complexo concentrado de centenas de enzimas, entre as quais estão as relacionadas com o ciclo do ácido cítrico, com a transformando-o em ATP, deve-se de ácidos graxos e com a replicação, transcrição e a um processo quimiosmótico tradução do DNA mitocondrial. A membrana mitocondrial interna é a membrana celular Atualmente se admite que o acoplamento do processo oxi- mais rica em proteínas, compreendendo: dativo mitocondrial com a síntese de ATP a partir de ADP enzimas e proteínas que constituem a cadeia transporta- ocorre por um processo quimiosmótico. Os íons H+ (prótons), dora de elétrons produzidos no ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial, proteínas dos corpúsculos elementares, com atividade de são transportados ativamente através da membrana interna ATP-sintetase, sem a qual a membrana não teria a capaci- e acumulados no espaço intermembranoso, graças à energia dade de acoplar o transporte de elétrons à síntese de ATP liberada pelos elétrons, durante a sua passagem pela cadeia proteínas que fazem parte de múltiplos sistemas de trans- transportadora de elétrons. A energia do fluxo retrógrado de porte ativo. prótons, através dos corpúsculos elementares, é usada para transformar ADP em ATP. A Figura 4.10 ilustra a teoria qui- Nas células procariontes (bactérias) não existem mitocôn- miosmótica. drias, e a cadeia transportadora de elétrons encontra-se na Em um tipo especializado de tecido adiposo, o tecido adi- face interna da membrana plasmática dessas células. poso multilocular, as células são ricas em mitocôndrias. Essas Além de seu papel na respiração celular, as mitocôndrias células são especializadas na produção de calor para defesa tomam parte em outros processos metabólicos importantes, contra o frio e para acordar os animais hibernantes. A pro- como, por exemplo, a síntese de hormônios esteroides e o dução de calor é muito aumentada nas células desse tecido desencadeamento da apoptose. Esse processo de morte celu- porque a membrana interna de suas mitocôndrias apresenta lar programada pode ser iniciado pela abertura de canais não muitas moléculas de termogenina (termo, calor, e gene, gerar). específicos localizados na membrana interna da mitocôndria, Essa proteína permite que os prótons, acumulados no espaço com a passagem para o citosol de moléculas que iniciam a intermembranoso, fluam livremente de volta para a matriz, apoptose, como o citocromo C, o fator indutor da apoptose e sem passar pelos corpúsculos elementares. Consequentemente, caspases que são ativadas no citosol. Caspases são proteases não ocorre síntese de ATP e a energia derivada do fluxo de promovedoras da apoptose (Capítulo 9). prótons é dissipada sob a forma de calor (Figura 4.10). Membrana mitocondrial externa H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Espaço H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ intermembranoso H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Membrana mitocondrial H interna H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ ADP H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Cadeia H+ H+ H+ transportadora de elétrons H+ Onde a energia proveniente Termogenina H+ dos elétrons promove um fluxo Através da qual um H+ de prótons da matriz para fluxo retrógrado de espaço intermembranoso, prótons dissipa 100% gerando um gradiente da sua energia como calor, sem síntese de Corpúsculo elementar ATP ATP Onde ocorre um fluxo retrógrado de prótons cuja energia é parcialmente acumulada (50%) como energia química (ATP) e 50% dissipados como calor Figura 4.10 esquema ilustra os mecanismos pelos quais a mitocôndria retira energia dos nutrientes, acumulando-a sob a forma de energia química facilmente disponível no ATP. Parte da energia dos nutrientes é, normalmente, dissipada sob a forma de calor. A proteína termogenina pode funcionar como uma espécie de válvula, regulando a quantidade de energia dos nutrientes que irá gerar calor. A termogenina tem papel significativo no despertar dos animais que hibernam, aquecendo sangue desses animais. dinitrofenol, substância que inibe a oxidação fosforilativa, é um composto anfipático (prende-se por uma extremidade a uma região hidrofóbica e, pela outra, a uma região hidrofílica) que desorganiza a estrutura da membrana mitocondrial interna, promovendo um fluxo retrógrado de prótons, sem síntese de ATP.4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia 77 As mitocôndrias apresentam um Membrana interna e externa da genoma próprio, embora incompleto DNA mitocondrial mitocôndria Novas organelas são produzidas continuamente na célula para atender ao crescimento e à multiplicação das células e, também, para substituir as organelas desgastadas pelo uso. Algumas organelas se formam de novo, como os lisossomos, que brotam das cisternas do aparelho de Golgi. Mas as mito- Transcrição côndrias (e os cloroplastos) se originam pelo crescimento e divisão das mitocôndrias preexistentes. Essas organelas con- Enzimas para replicação tRNA mRNA rRNA têm DNA, três tipos de RNA (rRNA, mRNA e tRNA) e todo o do DNA sistema molecular necessário para a síntese de algumas proteí- nas. DNA das mitocôndrias, como o DNA das bactérias, Aminoacil tRNA codifica mRNA formados apenas por éxons, sem íntrons. genoma das mitocôndrias humanas, que é relativamente pequeno, tem 16.569 nucleotídios, formando 2 genes para Proteínas dos rRNA, 22 para tRNA e 13 genes que codificam mRNA para a ribossomos síntese de proteínas, em um total de 37 genes. No genoma mito- mitocondriaiis condrial, 4 dos 64 códons apresentam significados diferentes do código genético universal. Uma peculiaridade do DNA mitocondrial é sua origem Proteínas Enzimas para exclusivamente materna. As mitocôndrias do organismo se solúveis da replicação matriz. Ciclo do DNA originam das mitocôndrias do óvulo, sem participação das do ácido cítrico mitocôndrias do espermatozoide. DNA das mitocôndrias se apresenta em várias cópias, sob a forma de anéis de cadeia dupla, com uma circunferência de 5 a 6 (Figura 4.11). Esse DNA, que se replica independente- mente do DNA nuclear, especifica a sequência de aminoácidos de algumas mas não de todas as proteínas mitocondriais, além de codificar os três tipos de RNA (Figura 4.12). A maior parte das proteínas mitocondriais é sintetizada Síntese proteica nos polirribossomos citoplasmáticos no citosol, em polirribossomos livres, e daí transferida para e migração das proteínas as mitocôndrias. As proteínas destinadas às mitocôndrias para interior das mitocôndrias têm um pequeno segmento da molécula que é um sinal de Figura 4.12 esquema mostra que as mitocôndrias têm um sistema genético endereçamento para essa organela. processo de importação próprio, porém modesto, que gera proteínas relacionadas com a replicação do seu DNA e algumas proteínas da sua membrana interna. A maioria das outras proteínas mitocondriais (das membranas, da matriz e dos ribossomos) têm origem nos po- lirribossomos citoplasmáticos. Essas proteínas são sintetizadas com uma pequena sequência de aminoácidos, ou sinal de endereçamento, ligam-se a moléculas cha- peronas, sendo complexo reconhecido por receptores da superfície mitocondrial. Em seguida, as proteínas são introduzidas na mitocôndria, consumindo energia dos prótons do espaço intermembranoso. mitocondrial de proteínas é regulado por proteínas citosóli- cas, do grupo das moléculas chaperonas. As proteínas desti- nadas à matriz mitocondrial são mantidas distendidas pela ação da molécula chaperona hsp 70, utilizando energia de ATP. Esse primeiro passo é necessário porque moléculas pro- teicas dobradas não penetram nas mitocôndrias. complexo constituído pela proteína mais a chaperona é reconhecido e se prende a receptores da membrana mitocondrial externa, sendo movido para locais em que a membrana mitocondrial externa e a interna se tocam (locais de contato). Nesses locais, a proteína é transferida para o interior das mitocôndrias, com utilização da energia do potencial elétrico entre as membranas e a matriz da mitocôndria. Na mitocôndria, outras chaperonas, usando energia de ATP, fazem com que a proteína se dobre, Figura 4.11 Eletromicrografias de moléculas circulares de DNA, isoladas de mi- tocôndrias de fibroblastos de camundongo. Em cima, 50.000x e, embaixo, 40.000x. assumindo sua conformação ativa, e o sinal de endereçamento (Cortesia de Nass.) é removido pela ação de proteases (Figura 4.13).78 Biologia Celular e Molecular Proteína Citosol recém-sintetizada Chaperona hsp 70 Chaperona hsp 70 Membrana externa da mitocôndria Receptor Difusão Complexo para transferência Espaço intermembranoso Membrana interna da mitocôndria Proteína da matriz Chaperona hsp 60 (chaperonina) Protease Sequência sinal Matriz da mitocôndria Figura 4.13 da molécula proteica produzida no citosol, porém destinada à matriz mitocondrial. A proteína recém-sintetizada, que tem uma pequena se- quência de aminoácidos como sinal de sua destinação, mantém-se distendida pela combinação temporária com a chaperona hsp 70. sinal é reconhecido por um receptor localizado na membrana mitocondrial externa e é transferido, com gasto de energia, para interior da mitocôndria por um canal que atravessa as duas membranas mito- condriais. Dentro da organela, a proteína se dobra para assumir sua forma definitiva, com auxílio de outra chaperona (hsp 60). Em seguida, a sequência sinal é removida por protease da matriz mitocondrial. Origem das mitocôndrias nhas e estabelecido a endossimbiose (simbiose endocelular). Pela fagocitose, a membrana plasmática da célula eucarionte A existência de DNA, dos vários tipos de RNA e de um hospedeira provavelmente originou a membrana externa da mecanismo de autorreprodução por fissão semelhante ao das mitocôndria e a membrana da bactéria se tornou a membrana bactérias, além de outros dados, sugere que as mitocôndrias se interna dessa organela. De fato, a membrana externa das mito- originaram de bactérias aeróbias, que estabeleceram relação côndrias é muito semelhante à membrana plasmática das célu- simbiótica com células eucariontes anaeróbias (Capítulo 1). Os las eucariontes, enquanto a membrana interna tem constitui- ribossomos das mitocôndrias são semelhantes aos das bacté- ção molecular parecida com a das membranas das bactérias. rias, o mesmo acontecendo com o DNA, que, tanto nas mito- Essa endossimbiose ofereceu vantagens tanto para a bac- côndrias como nas bactérias, codifica mRNA sem íntrons. Os téria aeróbia, que recebeu proteção e nutrientes, como para ribossomos mitocondriais são diferentes dos citosólicos, no a célula hospedeira anaeróbia, que ganhou um sistema mais tamanho, na composição em RNA e proteínas e, também, na eficiente de aproveitamento de energia pela fosforilação oxi- sensibilidade aos antibióticos. A ciclo-heximida, por exemplo, dativa, evoluindo para uma célula eucarionte aeróbia. Como inibe a síntese proteica nos ribossomos citosólicos, mas não a a concentração de oxigênio estava aumentando na atmosfera síntese de proteínas nos ribossomos das mitocôndrias. pela atividade das células fotossintéticas, a mencionada endos- simbiose teve ainda a vantagem de oferecer um mecanismo 0 cloranfenicol, ao contrário, inibe a síntese de proteínas tanto nas mitocôn- pelo qual a célula hospedeira não somente se tornou energe- drias (Figura 4.14) como nas bactérias, mas não nos ribossomos do citosol, ticamente mais eficiente, como, ao mesmo tempo, adquiriu sendo um antibiótico usado na prática médica. um mecanismo para se livrar do excesso de oxigênio, cujo acúmulo no meio intracelular pode danificar as macromolé- Durante a evolução, bactérias teriam penetrado por fago- culas por oxidação. citose em células eucariontes primordiais, tendo escapado Admite-se que, ao longo do processo evolutivo, as mitocôn- aos mecanismos intracelulares de destruição de células estra- drias gradualmente perderam a maior parte do seu genoma,4 Papel das Mitocôndrias na Transformação e no Armazenamento de Energia 79 Núcleo Núcleo Mitocôndrias Mitocôndrias A Figura 4.14 Eletromicrografias de células HeLa cultivadas in vitro. Em A, célula-controle e, em B, após adição, ao meio de cultura, de 50 mg/ml de cloranfenicol. Esse antibiótico inibe a síntese proteica nos ribossomos das bactérias (células procariontes) e das mitocôndrias. Observe, na eletromicrografia B, que o antibiótico provocou uma diminuição na quantidade de cristas das mitocôndrias. A, aumento 15.000x. B, aumento 22.000x. (Cortesia de R. Lank e S. Penman. J. Cell. Biol., 49:541, 1971. Repro- dução autorizada.) que foi transferido para o núcleo da célula hospedeira, e tor- livro. Cada mitocôndria tem diversas cópias do seu DNA (como acontece com naram-se dependentes de proteínas codificadas pelo genoma as bactérias), e cada óvulo contém milhares de mitocôndrias que são as pre- do núcleo celular. cursoras de todas as mitocôndrias do organismo adulto. Essas cópias de DNA podem ter sofrido diferentes mutações, não sendo todas iguais. Nas divisões celulares durante 0 desenvolvimento embrionário, a distribuição das mito- Existem doenças decorrentes de côndrias originadas por divisão das preexistentes se faz de modo irregular defeitos no DNA mitocondrial entre as novas células. Por isso, doenças mitocondriais só aparecem quando determinado tecido ou órgão apresenta preponderância de mitocôndrias com DNA defeituoso. Isso acontece ao acaso e explica a grande variabilidade na Existem doenças raras que são devidas a mutações no DNA das mitocôndrias. gravidade dos sintomas apresentados pelos membros de uma família que Na doença de Luft, há aumento na quantidade de mitocôndrias no tecido apresenta a mesma mutação no DNA mitocondrial. muscular esquelético, e também aumento do metabolismo basal do doente. Deve ser observado, ainda, que 0 genoma mitocondrial não conta com Essa condição pode simular hipertireoidismo. Nesses doentes, a oxidação mecanismos de correção do DNA acidentalmente alterado e, por isso, 0 número fosforilativa está parcialmente desacoplada, formando-se pouco ATP e mais de mutações no DNA mitocondrial é pelo menos 10 vezes maior do que no DNA calor. Já a miopatia mitocondrial infantil, doença fatal, acompanhada de do núcleo celular. Por esse motivo, a presença de múltiplas cópias de DNA no lesão nos músculos esqueléticos e disfunção renal (as células musculares e genoma mitocondrial representa uma vantagem porque a mutação numa renais consomem muita energia e são ricas em mitocôndrias), é resultante da cópia pode não gerar sintomas, em razão da atividade das cópias normais. diminuição acentuada, ou mesmo ausência completa, das enzimas da cadeia 0 estudo das doenças causadas por defeitos nas mitocôndrias é dificul- transportadora de elétrons. tado, ainda mais, pelo fato de que a maioria das proteínas das mitocôndrias é Tanto homens como mulheres podem apresentar doenças por defeito no codificada por genes nucleares, de modo que uma doença hereditária mito- DNA mitocondrial, mas somente as mulheres transmitem para descendentes, condrial pode ser devida a mutação no DNA das mitocôndrias, no DNA da porque as mitocôndrias são herdadas dos óvulos, e não dos espermatozoides. cromatina nuclear, ou a mutação em ambos, 0 que torna muito complexa a As mitocôndrias do óvulo fecundado (zigoto) e das células dele originadas são elucidação da hereditariedade dessas doenças, que comprometem principal- derivadas da multiplicação das mitocôndrias do óvulo e, portanto, maternas. mente tecidos que utilizam grande quantidade de energia, necessitando A herança mitocondrial apresenta outras particularidades que serão men- de muito ATP, como é 0 caso dos músculos estriados, das células dos túbulos cionadas brevemente, uma vez que seu estudo está além dos limites deste renais e das glândulas. Resumo Para a realização de suas atividades, as células usam a ener- res complexas, a partir de moléculas inorgânicas e da ener- gia obtida por meio da ruptura das ligações covalentes das gia solar. As demais células são heterotróficas. Estas não são moléculas dos nutrientes. As células das plantas e de raras capazes de converter em ligações químicas a energia do sol, bactérias são autotróficas, sintetizando moléculas alimenta- não sintetizam moléculas alimentares e, portanto, dependem80 Biologia Celular e Molecular inteiramente do alimento sintetizado pelas células autotróficas que necessitam de muita energia. São constituídas por duas para sua sobrevivência. membranas. A externa é lisa e muito permeável. A membrana Nas células, a energia dos nutrientes é liberada gradativa- interna contém cardiolipina, é seletiva, controla melhor trân- mente e parcialmente transferida para as moléculas de ATP sito molecular nos dois sentidos e se dobra formando pregas (adenosina-trifosfato), que contêm ligações ricas em energia. para o interior da mitocôndria. Essas dobras aumentam muito Outra parte é dissipada sob a forma de calor, indo aquecer o a superfície da membrana interna, criando mais área para o organismo. sistema transportador de elétrons que aí se localiza. interior As moléculas energéticas mais usadas pelas células são os da organela, limitado pela membrana interna, contém a matriz ácidos graxos e a glicose. Esta é degradada na matriz citoplas- mitocondrial, onde estão as enzimas do ciclo do ácido cítrico, mática, sem participação de oxigênio, pelo processo de glicó- além de outras enzimas, DNA e os vários tipos de RNA. lise anaeróbia, e cada mol de glicose produz 2 mols de ATP A energia liberada na cadeia transportadora de elétrons é e deixa como resíduo 2 mols de piruvato, que ainda contêm utilizada para o transporte de prótons da matriz para o espaço muita energia. Moléculas de piruvato e de ADP passam para a intermembranoso, onde os prótons se acumulam. Esses pró- matriz mitocondrial, onde também chega oxigênio da respira- tons do espaço intermembranoso fluem de volta para a matriz, ção e se forma acetilcoenzima A, que entra no ciclo do ácido através dos corpúsculos elementares, fluxo esse cuja energia cítrico. Este e o sistema transportador de elétrons produzem é convertida, no corpúsculo elementar, em energia química mais 36 mols de ATP. Do ponto de vista do aproveitamento facilmente acessível, graças à síntese do ATP a partir do ADP. de energia, a vantagem da mitocôndria é enorme. Sem ela, a As mitocôndrias sintetizam algumas proteínas próprias, célula obteria apenas 2 mols de ATP por mol de glicose. Com mas a maior parte das proteínas mitocondriais é sintetizada a mitocôndria, o rendimento é muito maior. no citoplasma, sob o controle do código genético do núcleo As mitocôndrias são organelas arredondadas ou alonga- celular, sendo, depois, transferida para a mitocôndria por um das localizadas, geralmente, próximo às regiões do citoplasma processo seletivo. Bibliografia Hinckle, P.C. and McCarty, R.E.: How cells make ATP. Sci. Amer., 283:104, 1978. Tzagoloff, A.: Mitochondria. Plenum Press, New York, 1982. Alberts, B. et al.: Molecular Biology of the Cell, 3rd ed. Garland Press, New Wallace, D.C.: Mitochondrial DNA in aging and disease. Sci. Amer., 277(2):22, York, 1994. 1997. Garlid, K.D.: Physiology of mitochondria. 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