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Arlindo Ugulino Netto ● MEDRESUMOS 2016 ● CITOLOGIA 1 www.medresumos.com.br MITOCÔNDRIAS As mitocôndrias são organelas existentes em todas as células eucarióticas e pode apresentar formatos e dimensões diversas, tem grande mobilidade, e estão presentes em sítios intracelulares onde existe uma maior precisão de energia, uma vez que seu papel fundamental é produzir ATP. Esta é ainda formada por duas camadas de membrana: a externa, que é muito permeável e têm proteínas formadoras de poros, as porinas, que consentem a passagem livre de moléculas; e a interna, muito particularizada e mais fina que se inclina para formar pregas denominadas cristas. Além disso, na membrana interna há um conteúdo amórfico onde se encontram os ribossomos, o DNA mitocondrial e as enzimas, responsáveis pelos diversos papeis da mitocôndria. E em meio às membranas há o sítio intermembrana, que apresenta diferentes enzimas e onde aglomera prótons levados da matriz. ORIGEM As mitocôndrias se reproduzem por fissão, parecido ao mecanismo de reprodução bacteriana. A presença de DNA, e os ribossomos são similares ao da bactéria, e indicam que as mitocôndrias vieram de bactérias endocitadas há mais de um bilhão de anos, aonde células eucariontes anaeróbicas constituíram afinidade simbiótica com bactérias aeróbicas, usando seu princípio de fosforilação oxidativa. Essas bactérias teriam adentrado por fagocitose, esquivando- se dos mecanismos intracelulares de aniquilamento para organismos estranhos. Então, a membrana do fagossomo teria se transformado na membrana externa da mitocôndria e a membrana da bactéria transformou-se na membrana interna. Com a maior quantidade do concentrado de oxigênio no ambiente causados pelas células fotossintéticas, a célula hospedeira e sua forma de produzir energia ficou mais hábil, apresentando ainda mecanismos de liberar este oxigênio. Aconteceu ainda a passagem de parte do DNA da organela para o DNA nuclear durante o desenvolvimento eucariótico, passando a ser condicionado às proteínas codificadas pelo núcleo celular. ESTRUTURA As mitocôndrias exibem formas alongadas, como ocorrem em Malpighi, glândulas salivares de insetos e pâncreas mamífero, e forma esféricas encontradas no intestino e no fígado. A distribuição de mitocôndrias no interior da maioria das células ocorre ao acaso, mas existem casos em que se concentram em regiões a demanda energética é maior, como por exemplo, em células musculares na qual as mitocôndrias estão associadas aos filamentos contráteis que requerem ATP. Muitas vezes as mitocôndrias por estarem em contato com os lipídios aproveitam melhor os ácidos graxos resultantes da ação das lipases. A análise de imagens obtidas ao microscópio eletrônico é de grande valor para se conhecer a estrutura mitocondrial. Uma das técnicas da microscopia eletrônica é a contrastação positiva, que consiste em embeber o material já fixado em uma solução de metal pesado que se acumula em algumas partes da organela, tornando-as eletrodensas, e a contrastação negativa consiste em deixar o material embebido em uma solução aquosa de um sal eletrodenso. ULTRAESTRUTURA Estas organelas são constituídas de duas membranas, que definem dois compartimentos da mitocôndria, o espaço intermembranoso, o qual separa a membrana interna e externa, e a matriz mitocondrial. Na matriz, podem ser observados ribossomos e alguns glóbulos elétron-densos de fosfato de cálcio. A membrana interna se invagina para o interior da mitocôndria constituindo as cristas mitocondriais, estas projeções para o interior da organela é o local onde estão os componentes da cadeia respiratória. Nesta membrana interna encontramos 20% de lipídeos e 80% de proteínas. Entre essas proteínas estão os citocromos, que fazem parte da cadeia respiratória, a ATP sintetase que participa da síntese do ATP, NADH desidrogenase que libera um par de elétrons para a cadeia respiratória, a succinato desidrogenase que catalisa uma das reações do ciclo de Krebs entre outras proteínas (complexos I, II, III e IV). A membrana externa apresenta uma maior fluidez e também apresenta uma proteína conhecida como porina, que permite a passagem livre de íons e moléculas. Apresenta 50% em lipídeos e 50% em proteínas. Arlindo Ugulino Netto. CITOLOGIA 2016 Arlindo Ugulino Netto ● MEDRESUMOS 2016 ● CITOLOGIA 2 www.medresumos.com.br IMPORTAÇÃO DE PROTEÍNAS PARA AS MITOCÔNDRIAS Embora as mitocôndrias possuam DNA, RNAm, RNAt e ribossomos próprios, a síntese de proteínas é muito limitada nessa organela. Assim, a maioria das proteínas que promovem seu crescimento é de origem citosólica produzidas a partir dos ribossomos livres tais como: (1) Complexo enzimático piruvato desidrogenase, (2) enzima responsável pelo ciclo de Krebs, (3) proteína da fosforilação oxidativa, (4) DNA polimerase e RNA polimerase, (5) proteínas transmembrana. Devido a estrutura da membrana dupla, a importação ocorre de uma maneira mais complexa. A proteína que será importada para a mitocôndria possui uma pré-sequência formada por 25 a 30 aminoácidos de caráter anfipático carregados positivamente ligados ao grupo amino- terminal, que será reconhecida pela membrana mitocondrial externa. Além disso, ela liga-se a uma chaperona Hsp 70 citosólica, que desdobra parcialmente a proteína para seu transporte. As cadeias polipeptídicas desdobradas são translocadas através do complexo Tom na membrana externa, sendo então transferidas em direção para o complexo Tim na membrana interna. Nesse estágio, para que o transporte continue, é necessário um potencial eletroquímico. Esse potencial é proporcionado pelo fluxo de íons H+ para o espaço intermembranoso, fluxo este gerado pelo transporte de elétrons pelas bombas de prótons da cadeia respiratória (Complexo I, III e IV). Como os prótons H+ são positivos, a membrana interna torna-se positiva, e a matriz, negativa, surgindo assim, um potencial elétrico. O que determina a direção que a proteína importada deve tomar. Na medida em que atravessam a membrana interna, a proteína desdobrada associa-se com outra chaperona da família Hsp 70 (mitocondrial), atuando como uma proteína motora. Depois disso, a proteína é importada para uma chaperonina Hsp 60 mitocondrial, que vai dobrar essa proteína liberando-a na matriz mitocondrial. OBS: Após a ligação com a Hsp 70 motora, a sequencia sinal de aminoácidos é clivada por uma protease da matriz. Além disso, as proteínas provenientes do citosol podem ser enviadas para compor a membrana externa, interna ou o próprio espaço intermembranoso. Nessas proteínas, há sequências hidrofóbicas de parada de transferência, que param a transferência através dos complexo Tom ou Tim, levando a sua inserção respectivamente na membrana externa e interna. As proteínas também podem ser orientadas para o espaço intermembranoso e pode ser feito de tais formas: (1) Transpõe o complexo Tom sendo transferido para o espaço intermembranoso. (2) Transpõe o complexo Tom, fazem uso do complexo Tim, contudo possuem sequencias hidróbicas que interrompem a ação do Complexo Tim. Com isso, essas proteínas são encaminhadas para o espaço intermembranoso. (3) Ocorre todo o transporte até a matriz. A remoção da pré-sequencia expõe uma outra sequencia sinal hidrofóbica, fazendo com que haja o retorno da proteína para o espaço intermembranoso. Arlindo Ugulino Netto ● MEDRESUMOS 2016 ● CITOLOGIA 3 www.medresumos.com.br CICLO DE KREBS Devido o seu caráter metabólico, catabólico e anabólico, é considerado como rota anfibólica, de degradação e construção de substâncias com finalidade de produzir energia suficiente para as atividades desenvolvidas pela célula. Esse ciclo composto por oito reações controladas enzimaticamente, tem seu início a partir da degradação por oxidação, uma reação do ácido oxalacético com a acetil-coenzima-A, substância originada na glicólise em consequência daação catabólica da enzima desidrogenase sobre o piruvato (molécula altamente energética), produzindo 2 moléculas de CO2. O produto dessa oxidação origina uma molécula de citrato, mediador de um composto com cinco carbonos (cetoglutarato), que durante o percurso desse ciclo é quebrado liberando prótons receptados pelo NAD (aceptor intermediário de hidrogênios). A degradação contínua e o cetoglutarato formam o alfa-cetoglutarato, molécula menos energética contendo quatro carbonos. No entanto, ainda quebrada, libera mais H+, recolhidos nesse momento pela molécula de FAD, finalizando o processo com a restituição do ácido oxalacético, enzima iniciadora do ciclo. Além do dióxido de carbono são produzidos íons H+, conforme mencionado são absorvidos pelo NAD e FAD (NADH e FADH2), destinados às cristas mitocôndriais, onde ocorre a cadeia respiratória e produção de ATP. OBS: A Acetil-coA se liga ao acetato para atravessar a membrana da mitocôndria. É ela que vai para dentro da mitocôndria, ou seja, em sua matriz é o combustível do ciclo de Krebs. ETAPAS DO CICLO DE KREBS É o conjunto de reações que ocorre na matriz mitocondrial com a finalidade de fornecer substratos que serão desidrogenados e descaboxilados. Quando ocorre desidrogenação, tem-se a ativação da cadeia respiratória (onde temos a síntese de H2O e ATP que armazena a energia liberada pela reação ate um momento adequado para sua utilização). Quando ocorre descarboxilação, tem-se a liberação de CO2, principal metabólito do Ciclo de Krebs. O início do Ciclo de Krebs começa com a entrada de acetil-coA para dentro da mitocôndria, o acetil-coA se combina com um acido chamado de oxaloacetato através de uma enzima chamada de citrato sintetase, após este evento tem-se a saída da coenzima (Hs-coA) e a entrada de H2O, dando origem ao citrato que através da enzima aconitase transformará o mesmo em isocitrato. Por sua vez o isocitrato sofrera ação da enzima isocitrato desidrogenase que fará a retirada de CO2 e H2 do isocitrato formando o α-cetoglutarato, o H2 que saiu aciona a cadeia respiratória a nível de NADH2 que por sua vez produz 3 ATPs. O α-cetoglutarato será desidrogenado pela enzima α-cetoglutarato desidrogenase, formando mais 3 ATPs a nível de NADH2, e através da enzima succinato sintetase (tiolase) o Hs-coA volta a se ligar ao α-cetoglutarato formando o succinil-coA após este evento tem-se novamente a saída do Hs-coA e a entrada de H2O formando o succinato o que propicia a formação e um GTP (muito semelhante ao ATP).Após estes eventos ocorre então a desidrogenação do succinato através da enzima succinato desidrogenase tendo-se então a formação do fumarato, com isto tem-se a formação de mais dois ATPs ao nível de FADH2, então ocorrera à entrada de H2O pela enzima hidratase e a transformação do fumarato em malato, e este através da enzima malato desidrogenase libera H2 o que ira ativar a cadeia respiratória ao nível de NADH2 propiciando a formação de mais três ATPs e a transformação de malato em oxaloacetato o que fecha o Ciclo de Krebs. o A velocidade do Ciclo de Krebs e controlado pela quantidade de ATPs formados, ou seja, quanto mais ATPs formados menor a velocidade do ciclo e quanto menor a quantidade de ATPs formados maior a velocidade do ciclo. o Para cada volta no Ciclo de Krebs utiliza-se uma molécula de acetil-coA. o Em uma volta são acionadas quatro cadeias respiratórias, tendo-se a formação de 12 ATPs sendo que destes um é ao nível de GTP. o Dois CO2 produzidos o Dois O2 consumidos. OBS: Enzimas “marca-passo” do ciclo de Krebs: α-cetoglutarato desidrogenase isocitrato desidrogenase (principal). citrato sintetase. Arlindo Ugulino Netto ● MEDRESUMOS 2016 ● CITOLOGIA 4 www.medresumos.com.br FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA A fosforilação oxidativa é a maior fonte de ATP em organismos aeróbicos, e nada mais é do que a formação de ATP através da transferência de elétrons do NADH ou do FADH2 para o oxigênio por uma série de transportadores de elétrons. A síntese de ATP ocorre nas mitocôndrias com a entrada de prótons em sua membrana mitocondrial interna. As mitocôndrias são estruturas responsáveis pela: Oxidação dos metabólicos energéticos: produção de nucleotídeos reduzidos Transporte de elétrons: Os elétrons de nucleotídeos reduzidos são transferidos através de uma sequência de reações para o oxigênio formando a água. A energia disponível da oxidação das coenzimas reduzidas é utilizada para bombear os átomos para o exterior da mitocôndria. O gradiente de prótons é descarregado através de uma enzima que utiliza a energia livre do gradiente de prótons para sintetizar ATP a partir de ADP+Pi. Primeiramente, há um bombeamento de prótons para fora da matriz mitocondrial gerando uma força próton- motriz constituída de um potencial elétrico transmembrana. O ATP, como já foi citado anteriormente, é produzido com a volta desses prótons à membrana, através de um complexo enzimático chamado Complexo ATP Sintase. Todo o processo de fosforilação oxidativa depende de dois fatores; a energia obtida do transporte de elétrons e armazenada na forma de íons de hidrogênio e uma enzima transportadora denominada ATP sintase. Durante o fluxo de eletros há liberação de energia livre suficiente para síntese de ATP em 3 locais da cadeia respiratória: Complexos I, III e IV. Estes locais são denominados “Sítios de Fosforilação Oxidativa”. Nesses locais a liberação de energia é em quantidade equivalente à necessária para síntese de ATP. A enzima ATPsintase ou ATPase, ou ainda, F1FoATPase, é uma enzima de estrutura muito complexa, formada por 16 sub-unidades polipeptídicas distribuídas em 2 frações funcionais: as frações Fo e F1. A fração F1 é semelhante a uma maçaneta cujo cabo seria a fração Fo. Está ligada na membrana mitocondrial interna (nas cristas), sempre voltada para o lado da matriz mitocondrial. Possui 9 unidades polipeptídicas de 5 tipos diferentes- 3α, 3β, 1γ, 1d e 1e – e vários sítios de ligação com ATP, ADP e fosfato. Tem atividade de síntese do ATP, mas para isso precisa estar associada a fração Fo; quando dissociada de Fo, só é capaz de hidrolisar o ATP. A Fração Fo atua como um canal de prótons através da membrana mitocondrial interna. É formada por um conjunto de 9 a 12 polipeptídios localizados através dessa membrana, e está ligada a F1 sempre do lado da matriz mitocondrial. O “o” subscrito significa oligomicina, um potente inibidor dessa enzima e, por consequência, da fosforilação oxidativa. OBS: Hipótese Quimiosmótica para transferência de elétrons. Segundo Mitchell, a condição para que ocorra a fosforilação oxidativa é um bombeamento de prótons pela cadeia respiratória, criando um fluxo da matriz para o espaço intermembrana e uma membrana mitocondrial interna impermeável a prótons e íntegra. A partir desta situação, Mitchell prevê os seguintes eventos na membrana mitocondrial interna: a Cadeia Respiratória, ao transportar os elétrons, bombeia prótons da matriz para o espaço intermembrana; a membrana mitocondrial interna, por ser impermeável a prótons, impede o retorno destes à matriz; cria-se um gradiente duplo - de pH e eletrostático - através da membrana mitocondrial interna, que gera uma situação de alta instabilidade e, por consequência, uma força que atrai os prótons de volta. Esta força, chamada força próton-motriz, dirige o refluxo de prótons à matriz mitocondrial através dos canais de prótons da enzima ATP sintetase; a passagem dos prótons pela ATP sintetase determina a síntese do ATP. CADEIA RESPIRATÓRIA Cadeia Respiratória é uma etapa da respiração celular que ocorre nas cristas mitocondriais, onde se encontram transportadores proteicos com diferentes graus de afinidade para os elétrons. A cadeia respiratória é composta de quatro complexos enzimáticos multipolipeptídicos: Complexo I (NADH- ubiquinona oxidorredutase),Complexo II (succinato-ubiquinona oxidorredutase), Complexo III (ubiquinol-citocromo c redutase) e Complexo IV (citocromo c oxidase), e dois carreadores de elétrons (ubiquinona e citocromo c). Ela oxida elétrons do NADH ou FADH2 e utiliza a energia para bombear prótons para fora da matriz mitocondrial. A cadeia respiratória mitocondrial normalmente libera pequenas quantidades de superóxidos e peróxido de hidrogênio (H2O2) através da auto-oxidação de uma ou mais espécies de flavina reduzidas, complexo ferro-enxofre e ubiquinona gerados por succinato, NADH e outras ubiquinonas que reduzem desidrogenases. Estes compostos são os citocromos que estão dispostos na bicamada lipídica da membrana interna da mitocôndria. Os componentes dessa cadeia se diferem pela tendência de perder elétrons que é estabelecido pelo potencial padrão de óxido-redução, que é medido no meio extracelular. Quanto maior o potencial padrão de óxido- redução maior será a tendência de um determinado composo de perder elétrons. As moléculas de NADH e de FADH2, anteriormente formadas no Ciclo de Krebs, transferem os elétrons que transportam para as proteinas da cadeia tranportadora de elétrons. Essa transferência promove a ejeção de prótons H+ para o exterior da mitocôndria formando um gradiente protoiônico, e este promove a formação de um potencial de membrana entre as faces externa e interna da Arlindo Ugulino Netto ● MEDRESUMOS 2016 ● CITOLOGIA 5 www.medresumos.com.br membrana mitocondrial. Com isso, ocorre a fosforilação oxidativa do ADP em ATP, na qual o transporte de prótons através da membrana interna da mitocôndria é feita pelos complexos I, III, IV. A variação de energia livre associada a transferência de elétrons através dos complexos, corresponde a uma força próton-matriz capaz de fazer a síntese de ATP. Cada molécula de NADH permite a sintese de três moléculas de ATP, enquanto que cada molécula de FADH2 permite a síntese de duas moléculas de ATP. Para cada piruvato forma-se 30 moléculas de ATP. Fora da mitocôndria também ocorre síntese de ATP e a célula tem um rendimento final de 36 moléculas de ATP com a degradação completa de uma molécula de glicose. DOENÇAS MITOCONDRIAIS Doença de Lhon A neuropatia óptica hereditária de Leber (LHON) é uma disfunção do nervo óptico por mutações no DNA mitocondrial (mtDNA), com um modo de transmissão não mendeliano ou materno. As formas esporádicas e casos isolados de LHON são numerosos. A prevalência está estimada em 1:50.000. A LHON afeta geralmente adultos jovens, com uma idade de início média situada entre os 18 e 35 anos. A perda de visão ocorre geralmente num dos olhos, de forma súbita levando a uma acuidade inferior a 20/400 em menos de uma semana ou de forma progressiva ao longo de 2-3 meses. O outro olho pode ser afetado quase em simultâneo em cerca de 50% dos doentes, ou posteriormente, por vezes com um intervalo que pode atingir os 9 meses. O exame do fundo ocular revela pseudo-edema do disco óptico e hiperemia, dilatação arteriolar, tortuosidade vascular e telangiectasias peripapilares. Embora a perda de visão seja em geral a única manifestação, está descrita a associação de LHON com anomalias cardíacas, neurológicas e esqueléticas. A atrofia óptica está aparentemente ligada à disfunção da cadeia respiratória mitocondrial provocada por mutações no mtDNA. Estão descritas mais de 18 mutações do mtDNA em doentes com LHON, sendo que quatro delas correspondem a “mutações primárias”, suficientes para causar a doença. As principais mutações primárias envolvem genes que codificam para as diferentes subunidades dos complexos I e III da cadeia respiratória mitocondrial. Outras mutações, designadas como “secundárias”, surgem geralmente associadas às primárias. Podem também existir outros fatores epigenéticos ou tóxicos envolvidos na patogênese. Não existe atualmente um tratamento eficaz para a LHON. Síndrome de Leigh A síndrome de Leigh ou doença de Leigh é uma enfermidade que ataca o sistema nervoso central. É uma desordem hereditária que afeta crianças e em casos raros pode afetar adolescentes e adultos. Mutações no DNA das mitocôndrias ou no DNA nuclear (gene SURF1) causam degradação das habilidades motoras e eventualmente morte. A síndrome de Leigh também é conhecida como encefalomielopatia necrosante subaguda, encefalopatia necrosante de Leigh e encefalomielopatia necrosante de Leigh. É uma doença rara, que foi descrita por Denis Leigh em 1951 (departamento de neuropatologia do Instituto de Psiquiatria, Maudsley Hospital em Londres). É uma enfermidade neurometabólica congênita, que faz parte do grupo das encefalopatias mitocondriais. Sabe-se que a alteração ocorre no metabolismo energético, sendo a principal causa de defeito na fosforilação oxidativa e geração de ATP celular. Existem três tipos de transmissão genética associada a esta síndrome: herança recessiva ligada ao X, mitocondrial e autossômica recessiva. A idade de início desta doença é variada e ocorre em geral nos primeiros dois anos de vida, podendo ocorrer manifestações no adulto jovem. A evolução em geral é insidiosa e progressiva. O início dos sinais e sintomas ocorre de forma subaguda ou abrupta, podendo em alguns casos ser precipitado por episódios febris e por procedimentos cirúrgicos. O quadro clínico caracteriza-se em crianças menores de um ano de idade com perda do controle da cabeça, hipotonia, deficiência de sugar, anorexia, vômitos, irritabilidade e convulsões. Após o primeiro ano de vida, ocorre dificuldade na marcha, ataxia, disartria, regressão intelectual, distúrbios da respiração (risco de hiperventilação ou apneia), alterações oftalmológicas como: oftalmoplegia, nistagmo, atrofia óptica e estrabismo. A duração da doença nos casos infantis é, em média, de um ano e nos casos tardios ou juvenis pode prolongar- se por anos. As alterações histopatológicas consistem em focos bilaterais simétricos de necrose espongiforme com degeneração de mielina, proliferação vascular e gliose. A localização se dá nos núcleos da base, tálamo, tronco cerebral e medula espinhal. A tomografia computadorizada (TC) de crânio permite confirmar o diagnóstico quando se evidenciam imagens hipodensas nos núcleo da base e a ressonância nuclear magnética (RNM) quando mostra lesões menores, inclusive no tronco cerebral. Exames laboratoriais que contenham os seguintes parâmetros: hiperproteinorraquia, níveis elevados de lactato e piruvato no sangue, razão lactato/piruvato no sangue e líquor elevada e a hiperlactacidemia provocada por sobrecarga glicídica, são sugestivos desta síndrome. Ainda não há tratamento específico para esta patologia. Arlindo Ugulino Netto ● MEDRESUMOS 2016 ● CITOLOGIA 6 www.medresumos.com.br Doença de Alzheimer A Doença de Alzheimer, também conhecida como demência senil tipo Alzheimer, é a mais comum patologia que cursa com demência. E o que vem a ser demência? Popularmente, conhecida como esclerose ou caduquice, a demência apresenta como características principais: problemas de memória, perdas de habilidades motoras (vestir-se, cozinhar, dirigir carro, lidar com dinheiro, etc.), problemas de comportamento e confusão mental. Quando falamos que as demências estão constituindo um sério problema de saúde pública em todo o mundo, temos que mostrar em números o que isto representa. Hoje temos, no mundo, 18 milhões de idosos com demência, sendo 61% deles em países do terceiro mundo. Daqui a 25 anos terão 34 milhões de idosos nesta situação e a grande maioria (71%), nos países mais pobres! No Brasil, temos atualmente 1,2 milhões de idosos, aproximadamente, com algum grau de demência. Existem várias teorias que procuram explicar a causa da doença de Alzheimer, mas nenhuma delas está provada. Destacamos: Idade: quanto mais avançada a idade, maior a porcentagem de idosos com demência. Aos 65 anos, a cifra é de2-3% dos idosos, chegando à 40%, quando se chega acima de 85-90 anos. Idade materna: filhos que nasceram de mães com mais de 40 anos, podem ter mais tendência à problemas demenciais na terceira idade. Herança genética: já se aceita, mais concretamente, que seja uma doença geneticamente determinada, não necessariamente hereditária (transmissão entre familiares). Traumatismo craniano: nota-se que idosos que sofreram traumatismos cranianos mais sérios, podem futuramente desenvolver demência. Não está provado. Escolaridade: talvez, uma das razões do grande crescimento das demências, nos países mais pobres. O nível de escolaridade pode influir na tendência a ter Alzheimer. Teoria tóxica: principalmente pela contaminação pelo alumínio. Nada provado.
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