Mitocôndria e Cloroplasto

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MITOCÔNDRIA: uma velha e conhecida organela, retorna ao 
cenário científico com toda força (1999) 
Keith Porter (1912-1997) George E. Palade, discurso Prêmio Nobel 1974 
MITOCÔNDRIA: Uma história fascinante 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 2002. http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/
fluorescence/gallery/cells/mdok/
mdokcellsexlarge15.html 
3 
Seus primeiros relatos começaram a partir de 1920: 
•  1924 e 1051: E. W. Cowdry e G. Bourne, microscopia óptica mostrando 
suas diferentes morfologias (filamentosa, em bastão ou arrendondada); 
•  1937: H. A. Krebs descreveu o CICLO DE KREBS ou CICLO DO ÁCIDO 
CÍTRICO e ganhou o Prêmio Nobel de Medicina em 1953; 
•  1944: Albert Claude e Ernest Fullam publicam um trabalho mostrando 
micrografias eletrônicas de mitocôndrias isoladas; 
•  1948: Fritz Lipmann descobriu a existência da Coenzima A e junto com 
Krebs ganhou o Prêmio Nobel de Medicina em 1953; 
•  1948 e 1949: descoberta da oxidação de ácidos graxos por Kennedy e 
Lenhinger e Schneider e Potter, e presença de vários intermediários do 
ciclo dos ácidos tricarboxílico; 
•  1951: Schneider e Hogeboom, por centrifugação diferencial demonstraram 
que a mitocôndria tem uma composição química bastante complexa. 
Christian de Duve também contribui para essa demonstração; 
•  1951: veio o conceito de que a oxidação dos ácidos graxos está 
diretamente relacionada com a fosforilação de nucleotídeos adenina; 
•  Todos estes estudos colocaram a mitocôndria no centro do metabolismo 
energético. 
4 
Hanz Adolf Krebs Fritz Lipmann Keith Porter 
Alguns nomes importantes: 
5 
1974: Prêmo Nobel de Medicina por suas descobertas 
sobre a organização estrutural e funcional das células 
Albert Claude Christian de Duve George E. Palade 
6 
Primeiras imagens e modelos tridimensionais: 
Palade,	J.	Histochem	Cytochem	1,	188,	1953	
1953 
7 
Palade,	Anat.	Rec.	114,	427,	1952.	
8 
ü  Modelo da organização celular mostrando a mitocôndria 
de	Duve,	J.	Nat.	Rev.	GeneDcs,	8,	395,	2007.	
ü  Distribuição e localização das mitocôndrias 
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/techniques/fluorescence/gallery/cells/mdok/mdokcellsexlarge15.html 
http://probes.invitrogen.com/servlets/gallery/ 
q  Por tomografia, a associação aos microtúbulos é bastante evidente: 
Hoog	et	al.,	2007,	Developmental	Cell,	12,	349.	
São organelas altamente 
dinâmicas: 
TRANSPORTE E 
REMODELAMENTO. 
A membrana mitocondrial interna 
também é dinâmica 
Detmer	&	Chan,	2007,	Nat.	Rev.	Mol.	Cell	Biol.,	8,	870.	
movimento 
anterógrado 
movimento 
retrógrado 
morfologia condensada morfologia ortodoxa 
BAIXA 
ALTA 
citocromo c 
Estímulo 
apoptótico 
Junções cristais 
http://probes.invitrogen.com/servlets/gallery/ 
Westermann, 2008, J. Biol. Chem., 283, 13501. 
Molecular	Biology	of	the	Cell,	Third	EdiDon	(©	Garland	Science	2002)	
FUSÃO 
FISSÃO 
mitocôndrias 
miofibrilas 
mitocôndrias lipídeos 
Attias & Cunha-e-Silva. Mitocôndria. Em, Biologia Celular I, 
vol. 3. Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2004. 
AXONEMA 
MITOCÔNDRIAS 
Attias & Cunha-e-Silva. Mitocôndria. Em, Biologia Celular I, vol. 3. Rio 
de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2004. 
ü  Morfologia Clássica membrana 
mitocondrial 
externa 
membrana 
mitocondrial 
interna 
crista 
espaço intermembranar matriz mitocondrial 
ü  Morfologia 
Clássica 
Palade, 1952. Anat. Rec., 114, 427-451. 
Frey & Mannella, 2000. TIBS, 25, 319-324. 
espaço 
intermembranar 
ribossomo 
grânulo 
matriz 
ATP sintase 
membrana 
externa 
membrana 
interna 
cristas 
ü  Microscopia eletrônica de transmissão e crio-tomografia: 
UMA NOVA VISÃO 
q  Associação entre mitocôndria e retículo endoplasmático: 
Czordás et al., 2006, J. Cell Biol., 174, 915. 
Lebiedzinska et al., 2009, Int. J. Biochem. & Cell Biol., doi:10.1016/j.biocel.2009.02.017 
ü  Metodologia de 
isolamento 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 2002. 
mitocôndrias purificadas intactas 
meio hiposmótico 
centrifugação 
Espaço intermembranar 
Vesículas de membrana externa Matriz + membrana 
interna 
rompimento 
21 
1 µm 
0.6 µm 1.1 µm 
0.7 µm 1.2 µm 
Claude & Fullam, J. Experimental Medicine, 81, 51, 1944. 
ü  Membrana 
mitocondrial externa 
PORINAS 
Complexos transportadores 
TOM 
VDAC 
ü  Espaço 
intermembranar 
Complexos enzimáticos de 
interconversão de nucleotídeos 
Composição bastante 
semelhante a do citoplasma 
Membrana mitocondrial 
externa 
Membrana mitocondrial 
interna 
(volta à matriz, para 
ser fosforilado) 
ATP 
ADP 
Complexos 
enzimáticos 
GDP 
GTP 
UDP 
UTP 
ATP 
ADP CITOPLASMA 
MATRIZ 
ü  Interconversão de nucleotídeos 
ü  Membrana mitocondrial 
interna 
Mais fluída e menos permeável 
Presença de CARDIOLIPINA 
Ausência de COLESTEROL 
Maior relação proteína/lipídeo da 
célula (70/30) 
Cadeia transportadora de elétrons 
ATP sintase 
Transportadores - TIM 
fosfatidilcolina cardiolipina 
membrana mitocondrial interna 
ü  Matriz mitocondrial 
Altamente concentrada - COLÓIDE 
Composição iônica particular 
pH em torno de 8.0 
Proteínas 
solúveis 
ü  Ciclo de Krebs 
ü  β-oxidação de ácidos graxos 
ü  Piruvato desidrogenase 
Ácidos 
nucléicos 
ü  DNA 
ü  mRNA 
ü  rRNA 
ü  tRNA 
ü  O genoma mitocondrial 
Figure 14-54 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
ü  Coordenação entre o genoma mitocondrial 
e o genoma nuclear 
Figure 14-66 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
MMI MME 
DNA mitocondrial transcritos RNA 
RNA 
policistrônico 
S L 
RNA polimerase 
mitocondrial 
AAs 
tRNAs + AAs subunidades 
ribossomais 
proteínas 
mitocondriais 
solúveis 
proteínas sintetizadas 
nas mitocôndrias 
replicação do 
mtDNA 
enzimas para 
replicação 
proteínas ribossomais 
AAs-tRNA sintetases 
mitocondriais 
proteínas sintetizadas no 
citosol 
ð  Proteínas translocadoras: os complexos TOM e TIM 
Figure 12-23 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
MMI 
MME citosol 
espaço intermembranar 
matriz 
mitocondrial 
receptores 
canal 
translocador 
Hsp70 
mitocondrial 
COMPLEXO TOM COMPLEXO 
SAM 
COMPLEXO 
OXA 
COMPLEXO 
TIM 22 
COMPLEXO TIM 23 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 2002. 
hsp70 citosólica 
hsp70 mitocondrial 
gradiente de H* 
TOM 
TIM23 
TOM 
complexo 
TOM 
CITOSOL 
matriz 
mitocondrial 
proteína da 
MMI 
sequência 
sinal 
sítio de 
clivagem 
complexo 
TIM23 
complexo 
OXA 
Figure 12-28b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
SÍNTESE DE 
PROTEÍNA 
MITOCONDRIAL 
ð  Estas regiões de contato podem ser visualizadas 
na mitocôndria do fungo Neurospora crassa por 
microscopia eletrônica de transmissão de alta 
voltagem. 
Nicastro et al. 2000. J. Struct. Biol., 129:48-56. 
ü  De onde vem a energia??? Os combustíveis 
celulares 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 2002. 
grânulos de glicogênio no 
citoplasma da célula do fígado 
enzimas específicas cobrem os 
grânulas de glicogênio 
cadeias 
ramificadas de 
glicose 
ð  O acúmulo de gordura pelos adipócitos 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 2002. 
ü  A GLICOSE como substrato 
ð  Cada molécula de glicose é metabolizada no 
citoplasma, numa via denominada de VIA GLICOLÍTICA. 
ð  Rendimento: 2 
piruvatos, 2 ATPs e 
2 NADH.H+ 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 2002. 
ð Na matriz mitocondrial, o piruvato é quebrado pela 
PIRUVATO DESIDROGENASEproduzindo duas 
moléculas de acetil CoA 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 2002. 
PIRUVATO 
acetil CoA 
Produção de 1 GTP/piruvato 
ð  Na β-oxidação dos ácidos graxos teremos então: 
ð  Rendimento: 
pelo menos 5 
acetil-CoA e 
vários NADH.H+ 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 2002. 
ü  O CICLO DE KREBS 
Molecular Biology of the 
Cell, 3th edition, 2002. 
NADH.H+ 
NADH.H+ 
NADH.H+ 
FADH2 
ácido cítrico 
ü  A cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons 
ü  O gradiente eletroquímico de prótons: 2 componentes 
1. Potencial de membrana – ΔΨ ou ΔV 
ESPAÇO INTERMEMBRANAR 
 MATRIZ 
potencial de 
membrana 
força próton-
motora 
2. Gradiente de concentração de H+ - ΔpH 
ESPAÇO INTERMEMBRANAR 
 MATRIZ 
força próton-
motora 
gradiente de 
H+ 
Figure 14-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
ü  A ATP sintase 
ð  Também conhecida como F0F1 ATPase 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 
2002. 
Molecular Cell Biology, 4th edition, 
2000. 
F1 
F0 
rotação 
41 
ð  Organização da ATP sintase na membrama mitocondrial interna 
Figure 14-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
SÍNTESE DE ATP HIDRÓLISE DE ATP 
 MATRIZ 
ð  Ela pode atuar nos dois sentidos.... 
ü  O processo quimiosmótico converge energia oxidada em ATP 
Transporte 
através da 
membrana 
Reações para 
síntese de ATP 
v  Conversão de energia pelo 
processo de fosforilação 
oxidativa 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 2002. 
ü  Como o gradiente de prótons dirige outros transportes através da 
membrana mitocondrial interna 
ð  O trocador ATP/
ADP é conhecido 
como ANT – Adenine 
nucleotide 
transporter 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 2002. 
ü  Sumário do metabolismo mitocondrial que produz a maior parte da 
energia necessária para a fisiologia celular. 
O2 
inner mitochondrial membrane 
46 
Os cloroplastos também apresentam uma história antiga: 
•  Os primeiros estudos começaram em 1881, quando Englemann detectou 
oxigênio em cloroplastos isolados; 
•  Em 1896, Ewart observou que cloroplastos isolados eram capazes de 
manter sua atividade por muitas horas; 
•  1927, 1929 e 1937 foram anos importantes para o isolamento e 
caracterização da composição química dos cloroplastos; 
•  1948: Descoberta do Ciclo de Calvin e a produção de gliceraldeído-3-
fosfato nas reações de fixação do carbono. Em 1961, Melvin Calvin ganhou 
o Prêmio Nobel de Química; 
•  A partir de 1950 surgiram os primeiros trabalhos de microscopia eletrônica 
de transmissão mostrando o cloroplasto. 
47 
Sager & Palade. J. Biophysic. and Biochem. Cytol, 3, 463, 1956 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 1995. 
Figure 14-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 
Comparando com a mitocôndria: 
ü  Membrana externa Altamente permeável 
Proteínas translocadoras (TOC) 
Semelhante à membrana do 
vacúolo endocítico 
ü  Membrana interna Muito diferente da membrana mitocondrial interna 
Proteínas translocadoras (TIC) 
ü  Estroma Corresponde à matriz mitocondrial 
Presença de DNA, RNA e ribossomos 
Síntese de fosfolipídeos 
(plastoglóbulos) e aminoácidos 
Armazena carboidratos sob a 
forma de amido 
Ciclo de fixação do carbono 
ü  Membranas 
tilacóides 
Delimitam o ESPAÇO TILACÓIDE 
Formam os GRANA 
Presença de clorofila e carotenóides 
Cadeia transportadora de elétrons 
ATP sintase 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 1995. 
53 
Proteínas translocadoras: os complexos TOC e TIC 
54 
A fotossíntese compreende 2 fenômenos distintos. 
A.  Reações de transferência de elétrons: nas membranas tilacóides; 
B.  Reações de fixação do carbono: no estroma. 
Colocando algumas informações a mais para começarmos a 
entender melhor a fotossíntese. 
q  A CLOROFILA. 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 1995. 
q  OS FOTOSSISTEMAS. 
ü  O complexo antena e o centro de reação fotoquímica. 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 2002. 
q  O transporte de elétrons e a síntese de ATP. 
Molecular Biology of the Cell, 3th edition, 1995. 
q  Os H+ retornam ao estroma resultando na síntese 
de ATP. 
Attias & Cunha-e-Silva. Cloroplasto. Em, Biologia Celular I, vol. 
3. Rio de Janeiro: Fundação CECIERJ, 2007. 
q  As reações de fixação do carbono ocorrem no 
estroma: 
ü 	Fixar	um	carbono	significa	inserir	uma	molécula	de	carbono	
inorgânica	proveniente	do	CO2,	em	uma	molécula	orgânica.	
ü  Esta importante reação é catalisada pela RUBISCO, a 
ribulose 1,5-bifosfato oxi-carboxilase 
+	
CO2	
ribulose	1,5-
bifosfato	 gliceraldeído	3-
fosfato	
q  O ciclo da fixação do carbono: 
Molecular Biology of the Cell, 4th edition, 2002. 
3 CO2 + 9 ATP + 6 
NADPH + H2O 
Gliceraldeído-3-fosfato + 
8Pi + 9ADP + 6NADP+ 
q  Resultado final do metabolismo na 
mitocôndria e no cloroplasto: 
Os produtos do metabolismo fotossintético são usados pela 
mitocôndria durante o processo de fosforilação oxidativa.