Papel da Mitocôndria na Manutenção da Vida

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Introdução
 O funcionamento normal das células depende de atividades metabólicas intimamente organizadas das organelas citoplasmáticas. Gerar energia é a atividade principal de todas as células e há uma organela citoplasmática que se dedica especificamente ao metabolismo energético e à produção de ATP nas células eucarióticas: a mitocôndria.
 Estas que, como organelas especializadas, desempenham importante papel na manutenção do perfeito funcionamento e equilíbrio celular.
 Sendo assim, o trabalho realizado tem por objetivo levar ao entendimento de todos o papel da mitocôndria na manutenção da vida, bem como sua formação, estrutura, função, importação de proteínas, mecanismo da fosforilação oxidativa, biogênese e patologias causadas por falhas nas mitocôndrias, o que vem atraindo cada vez mais a atenção para essas importantes organelas.
Mitocôndrias
 As mitocôndrias começaram a ser observadas em 1840 e tinham formas alongadas e arredondadas. O nome deve-se a junção do termo grego mitos, que quer dizer alongado, e chondrion, que significa pequeno grânulo.
 As mitocôndrias têm um papel crucial na geração da energia metabólica nas células eucarióticas. Elas são responsáveis pela maior parte da energia útil derivada da degradação de carboidratos e de ácidos graxos, que são convertidos em ATP pelo processo de fosforilação oxidativa. Podem ainda ser ditas únicas pelo fato de possuírem seu próprio DNA que codifica tRNAs, rRNAs e algumas proteínas mitocondriais.
 O aparecimento das mitocôndrias foi fundamental para a evolução dos eucariontes, uma vez que antes das mesmas a produção de energia era limitada, ocorrendo somente a etapa da glicólise, transformando a glicose em piruvato. A glicólise acontece no citoplasma fora das mitocôndrias e sua produção energética é baixa.
Estruturas da mitocôndria
 As mitocôndrias são delimitadas por um sistema de dupla membrana, consistindo em uma membrana interna e uma externa separadas por um espaço intermembranas. A membrana interna apresenta dobras (cristas) que se estendem para o interior (matriz) da organela. Cada um desses compartimentos desempenha diferentes funções, sendo que a matriz e a membrana interna representam os principais compartimentos funcionais das mitocôndrias. Vale salientar que a membrana interna é altamente especializada e contém uma grande proporção de fosfolipídeo cardiolipina, que torna a membrana impermeável a íons. A membrana interna também possui proteínas transportadoras que a torna seletivamente permeável. A membrana externa, por sua vez, contém várias cópias de porina (proteína trasportadora) que formam grandes canais aquosos através da bicamada lipídica. Esta membrana é permeável a todas as moléculas de 5 mil daltons ou menos, incluindo pequenas proteínas.
 Outras estruturas das mitocôndrias são os ribossomos e o material genético próprio (DNA circular). Esses primeiros acharam parecidíssimos com os ribossomos bacterianos, tanto na estrutura quanto na fragilidade aos antibióticos. O material genético é herdado exclusivamente da mãe, pois quando o espermatozóide entra no ovócito II suas mitocôndrias ficam de fora.
 É importante lembrar que o genoma mitocondrial e as enzimas responsáveis pelas reações centrais do metabolismo oxidativo estão contidos na matriz mitocondrial.
2.0 Importação de Proteínas e Montagem das Mitocôndrias
 A maioria das proteínas são direcionadas para as mitocôndrias através de seqüências amino terminais de 20 a 35 aminoácidos (denominadas pré-sequências) que são removidas por clivagem proteolítica após a sua importação pela organela. A primeira etapa na importação das proteínas consiste na ligação dessas pré-seqüências a receptores na superfície da mitocôndria. As cadeias polipeptídicas são então inseridas em um complexo protéico (translocase da membrana externa ou complexo Tom) que conduz a translocação da membrana externa.
As proteínas são então transferidas para um segundo complexo protéico na membrana interna (translocase da membrana interna ou complexa Tim). Para que a translocação continue, é necessário o potencial eletroquímico estabelecido através da membrana interna durante o transporte de elétrons. Como os prótons são partículas carregadas positivamente, sua transferência gera um potencial elétrico através da membrana interna sendo a matriz negativa. Durante a importação esse potencial impulsiona a translocação da pré-seqüência carregada positivamente.
As proteínas devem estar pelo menos parcialmente desdobradas para que possam ser translocadas através da membrana mitocondrial. Em conseqüência a importação das proteínas requer a presença de Chaperonas além das proteínas de membrana envolvidas na translocação. Do lado citosólico, os chaperonas, da família das HSP70, mantém as proteínas em um estado parcialmente desdobrado para que possam ser inseridos na membrana mitocondrial. A medida em que atravessam a membrana interna ,as cadeias polipeptídicas desdobradas ligam-se a outros membros da família das HSP70, associadas ao complexo Tim que atua como uma proteína motora na condução da importação. O polipeptídio é então transferido para um Chaperona da família das HSP60(uma chaperonina), no interior da qual ocorre o dobramento da proteína. Uma vez que as interações das cadeias polipeptídicas com os chaperonas dependem de ATP, a importação de proteínas requer ATP tanto do lado de fora quanto do lado de dentro da mitocôndria, além do potencial elétrico através da membrana interna.
Algumas proteínas mitocondriais são destinadas a membrana externa, a membrana interna ou ao espaço intermembranas (e não a matriz), sendo necessários mecanismo adicionais que orientem essas proteínas para o compartimento mitocondrial correto. Algumas atravessam a membrana externa através do complexo Tom, sendo então liberadas no espaço intermembranas, em vez de ser transferida para o complexo Tim. Outras são transferidas para o complexo Tim, sendo liberadas no espaço intermembranas pela clivagem das seqüências hidrofóbicas de parada de transferências. 
Fisiologia e Função da Mitocôndria
4.1 Respiração
O ato da respiração sem sentido amplo, pode ser definido como sendo o processo de oxidação das moléculas orgânicas acompanhadas da liberação de energia, a qual é aproveitada na síntese de ATP. Dentre os compostos que após a oxidação, resultam em alto rendimento de ATP, estão os carboidratos e lipídeos, também podemos encontrar outros compostos que oxidados liberam energia para produzir ATP, estes são os aminoácidos.
Uma das vias metabólicas mais importantes e mais conhecidas na respiração mitocôndria é a glicólise aeróbica, a de se observar também que a cerca de 3,5 bilhões de anos, a ausência de oxigênio na atmosfera, levou as bactérias a realizarem a glicólise anaeróbica, como parte de um processo chamado fermentação. Em determinada fase da glicólise, que consiste na degradação de glicose até ácido piruvico, ocorre redução de duas moléculas de NAD, resultando em NADH.
No entanto estas moléculas de NADH são re-oxidadas, transferindo seus elétrons a um outro receptor, para que seu estado de equilíbrio seja mantido, também existe um consumo de duas moléculas de ATP, e uma população de quatro moléculas de ATP, possibilitando um rendimento liquido de duas moléculas de ATP e lucro, para cada molécula de glicose degrada até o piruvato.
4.2 Ciclo de Krebs
O ciclo de Krebs consiste em uma seqüência de reações, que inicia-se quando o piruvato que é sintetizado durante a glicose é transformado em acetil coenzima A por ação da enzima desidrogenadas e este composto vai reagir com o ácido oxaloácetico, originando o ácido cítrico, e um ácido tricarboxílico, daí esse ciclo ser conhecido também como ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico.
O acetil-CoA pode ser gerado da degradação de aminoácidos, lipídeos e carboidratos, nocaso deste último o piruvato é formado ao entrar na mitocôndria, sofre uma descarboxilação e desidrogenação em um processo catalisado por um processo enzimático chamado piruvato desidrogenase. Nessa reação uma molécula de NADH é formada e o radical acetil se liga a CoA, originando o acetil-CoA.
No último ciclo, devido às reações de desidrogenação quatro pares de átomos de hidrogênio serão liberados, sendo que três serão utilizados para reduzir três moléculas de NAD, resultando em NADH, e uma irá reduzir um FAD a FADH 2, outro produto é uma molécula de ATP, produzida a partir de ADP e utilizando energia de hidrólise de GTP.
A razão pela qual se utiliza tanta reação para decompor um radical tão pequeno como acetil, se deve ao fato do grupo acetil ser altamente resistente à oxidação.
4.3 Cadeia respiratória
 A cadeia respiratória é constituída de diversos componentes formados, em sua maioria por complexos protéicos contendo grupos heme, que permitem a transferência de elétrons graças à possibilidade dos átomos de ferro se reduzirem (aceitando elétrons) e se oxidarem (doando elétrons), até ceder elétrons ao oxigênio com conseqüente formação de água. Estes compostos são os citocromos, proteína periférica de membrana, que estão dispostos na bicamada lipídica da membrana interna da mitocôndria. Além dos citocromos, os complexos protéicos também possuem estruturas polipeptídicas contendo Fé ou S e nucleotídeos como FMN ou FAD.
 Os vários componentes da cadeia respiratória diferem em sua tendência de perder elétrons. Essas tendências podem ser expressas pelos seus potenciais padrão de óxido-redução, que são medidos em condições especiais, fora do meio celular. Esta medida é feita pela diferença de potencial gerada quando uma solução contendo 1M de agente oxidante e 1 M de agente redutor, em 25º C e pH 7, estiver em equilíbrio com um eletrodo capaz de aceitar elétrons do agente redutor. O valor encontrado é o potencial de óxido-redução. Quanto maior este valor, maior será a tendência de um determinado composto perder elétrons.
 Esta transferência de elétrons resulta em dois acontecimentos: 
ejeção de prótons para fora da mitocôndria com conseqüente formação de um gradiente H+;
formação de um potencial de membrana entre as faces externa (espaço intermembranas) e interna (matriz) da membrana interna.
 Ambos os eventos são importantes e fundamentais para que ocorra a fosforilação oxidativa do ADP.
4.4 Fosforilação oxidativa
 As mitocôndrias metabolizam grupos acetila por meio ciclo do ácido cítrico, produzindo CO2 e NADH – uma molécula carreadora ativada que carrega elétrons de alta energia. O NADH doa os seus elétrons de alta energia para a cadeia transportadora de elétrons na membrana mitocondrial, e, portanto, é oxidado a NAD+. Os elétrons são rapidamente passados pela cadeia ate o oxigênio molecular pra formar a água. A energia liberada durante a passagem dos elétrons pela cadeia transportadora é utilizada para bombear prótons e o gradiente de prótons, por sua vez, promove a síntese de ATP para completar o mecanismo quimiosmótico. Esse processo envolve o consumo de O2 e a síntese de ATP pela adição de um agrupamento de fosfato ao ADP, portanto chamado de fosforilação oxidativa.
	A etapa de fosforilação oxidativa é a que fornece mais energia a célula, formando por volta de 32 a 34 moléculas de ATP comparada a 4 moléculas de ATP formados durante a glicólise e o ciclo do acido cítrico juntos.
	Citamos nos parágrafos anteriores a cadeia transportadora de elétrons, o bombeameto de prótons e o mecanismo quimiosmótico, agora vamos discorrer de uma forma clara e objetiva sobre o papel de cada um desses três processos na etapa da fosforilação oxidativa.
4.4.1 A Cadeia de transporte de elétrons
 O transporte de elétrons é uma atividade crucial de proteínas localizadas na membrana interna das mitocôndrias. Também conhecida como cadeia respiratória, ela possui cerca de 40 proteínas das quais cerca de 15 estão envolvidas diretamente com o transporte de elétrons. Essas proteínas estão agrupadas em três grandes complexos enzimáticos respiratórios, cada um contento múltiplas proteínas individuais.
	Tais complexos enzimáticos são: o complexo da NADH desidrogenase, o complexo do citocromo b-c1 e o complexo citocromo-oxidase, vale salientar-se de que citocromo constitui uma família de proteínas coloridas de membranas ligadas à face externa da membrana interna da mitocôndria e contendo um ou mais grupos heme cujos átomos de ferro mudam do estado férrico (FeIII) para ferroso (FeII) sempre que aceita um elétron.
 
	O transporte de elétrons inicia quando o íon hidreto (H:ˉ) é removido do NADH e convertido em um próton de dois elétrons de alta energia: H:ˉ → H+ + 2eˉ. esta reação é catalisada pelo primeiro complexo respiratório, a NADH desidrogenase, o qual é aceptor de elétrons. Os elétrons são então transferidos ao longo da cadeia para um dos complexos enzimáticos – o complexo citocromo b-c1, utilizando a Co-enzima Q (ubiquimona) que é uma molécula lipossolúvel que carrega os elétrons vindos do complexo da NADH desidrogenase para o complexo citocromo b-c1.
	Do complexo citocromo b-c1 os eletros são carregados por carregadores Ferro e Enxofre que são os centros de ferro-enxofre para o complexo citocromo-oxidase de onde o elétron é definitivamente entregue ao seu aceptor final que é o oxigênio molecular para que ocorra a formação da água.
	A transferência de elétrons pela cadeia é energicamente favorável; os elétrons iniciam com uma energia muito alta e perdem energia a cada etapa à medida que passam ao longo da cadeia, eventualmente entrando no citocromo-oxidase que é uma etapa dependente do oxigênio da respiração celular, utilizando o oxigênio que respiramos.
4.4.2- O Bombeamento de prótons e Os mecanismos quimiosmóticos
	A explicação físico-química para a síntese de ATP, acoplada à transferência de elétrons na cadeia respiratória, teve início na Inglaterra com os estudo de P. Mitchell em 1961, quando propôs a hipótese quimiosmótica, testada experimentalmente por vários pesquisadores durante as décadas de 1960 e 1970. Mitchell ganhou o Nobel de Química, pelo seu trabalho nesta área em 1978.
	A teoria quimiosmótica afirma que, com a passagem de elétrons na cadeia respiratória, ocorre uma ejeção de prótons da matriz para o espaço intermembrana e mesmo para fora da mitocôndria, gerando um gradiente de H+ (ou gradiente de pH) entre o meio externo e interno da mitocôndria. Este gradiente de H+ e o potencial de membrana (ΔΨ) somados resulta em uma força chamada força próton-motiva (fpm): fpm = ΔpH + ΔΨ.
	Essa fpm pressiona o H+ a retornar para a matriz mitocondrial. A membrana interna é impermeável a H+, contudo estes prótons podem passar para o interior da mitocôndria via complexo ATP sintase. Este complexo também chamado de complexo FoF1,constituído de um pedúnculo embutido na bicamada lipídica que é o Fo e de uma outra estrutura contendo o sitio catalítico que é o F1.
	Contudo, podemos afirma que o bombeamento de prótons favorece a síntese de ATP, já que a entrada de H+ na matriz mitocondrial dirigi a reação energicamente desfavorável entre o ADP e Pi para produzir ATP.
	A síntese de ATP não é o único processo dirigido pelo gradiente eletroquímico de prótons. Nas mitocôndrias, muitas moléculas com cargas, tais como piruvato, ADP e Pi, são bombeados para a matriz a partir do citosol, enquanto outras, tais como ATP, devem ser carregados na direção oposta. Muitas proteínas carregadas acoplam o transporte ao fluxo energeticamente favorável de H+ para a matriz mitocondrial. Portanto, piruvato e fosfato inorgânico (Pi) são co-transportados para dentro junto com H+, à medida que este último se move para a matriz. Em contrapartida, ADP é o co-transportado com ATP em direção oposta por uma única proteína carreadora. Uma vez que a molécula de ATP possuiuma carga negativa a mais que a ADP, cada troca de nucleotídeos resulta em uma carga negativa total sendo movida para fora da mitocôndria. O co-transporte de ADP-ATP é, portanto, direcionado pela diferença de cargas através da membrana.
	Em células eucarióticas, o gradiente de prótons é conseqüentemente utilizado para dirigir a formação de ATP e o transporte de certos metabólicos através da membrana mitocondrial interna. Em bactérias, o gradiente de prótons através da membrana plasmática serve para todas essas funções, mas, além disso, ela própria é uma fonte importante de energia diretamente utilizável: em bactérias capazes de se locomover, o gradiente promove a rápida rotação do flagelo bacteriano, o qual propulsiona a bactéria no ambiente.
4.4.3- O Transporte de Metabólitos
	O gradiente eletroquímico além de favorecer a síntese de ATP, ele também auxilia no transporte de moléculas para o interior da matriz mitocondrial. Como por exemplo, a molécula de ATP que é produzido dentro da matriz mitocondrial tem que ser exportada para o citosol, como as moléculas de ADP e Pi devem ser importadas pra o interior da matriz mitocondrial para que a síntese de ATP possa continuar.
	O mecanismo de transporte de ATP para fora da célula e ADP e Pi para dentro é mediado por uma proteína integral chamada de translocador de nucleotídeo de adenina. Como o ATP possui mais carga negativa do que o ADP, a troca é impulsionada pelo gradiente eletroquímico.
	É necessária além de ADP para a formação de ATP a presença de Pi, o mesmo é transportado para dentro da matriz mitocondrial. Essa troca é realizada via proteínas de transporte que transportam os radicais fosfatos (H2PO¯4) para dentro e OH¯ para fora da matriz mitocondrial, tal troca é eletricamente nula já que tanto o radial fosfato e a hidroxila possuem cargas -1.
	Temos também como exemplo o transporte de piruvato do citosol – que é produzido na glicólise – que é mediado por um transportador que troca o piruvato por hidroxila.
Biogênese
 As mitocôndrias como organelas presentes no meio intracelular, são formadas partindo da divisão e crescimento de mitocôndrias pré-existentes, embora contenham DNA, este por si não contem todas as informações necessárias para que a organela possa viver independente do resto da célula, mesmo que a organela tenha condições de realizar todos os processos de replicação, transcrição e tradução, apenas 13 proteínas são codificadas pelo DNA mitocôndrial.
Para que as proteínas possam entrar na mitocôndria é primeiro necessário que elas sejam reconhecidos pela organelas, o que é possível devido à presença de seqüências, que são geralmente removidas pela presença de proteases, impedindo desta forma que as proteínas portadoras daquelas seqüências possam retorna para o citosol.
Outro aspecto que também não pode ser ignorado na importação de proteção pela mitocôndria é a presença de chaperininas , ou moléculas companheiras, que as custas de ATP impedem que as proteínas assumam conformações inadequadas, duas chaperoninas são particularmente importante, são: hsp 70 e hsp 60 um outro fato fundamental para translocação de proteínas é a existência de um potencial de membrana.
6.0 Doenças Mitocondriais
A partir dos defeitos mitocôndriais, muitas doenças têm sido detectadas, especialmente as que envolvem tecidos que necessitam um alta demanda energética a partir da respiração de tecidos como: muscular e nervoso.
Nestes últimos 10 anos, mais de 150 registros de mutações em DNA mitocondrial têm sido relacionados com uma variedade de doenças degenerativas. Outras doenças também foram relacionadas com mutações em genes nucleares afetando especialmente a fosforilação oxidativa ou a biogênese mitocondrial. A neuropatia opitica hereditária de Leber (LHON), é uma doença rara que causa cegueira devido à degeneração do nervo óptico, a perda da visão normalmente ocorre 15 e 35 anos, sendo geralmente esta a única manifestação da doença, nem todos os indivíduos que herdam os defeitos genéticos pela LHON desenvolvem a doença, as mulheres são menos frequentemente afetadas pelo homem, a herança do LHON se dá exclusivamente por transmissão materna.
São observadas também outras patologias derivadas das mitocôndrias, como: Miopatia mitocondrial, que leva a uma fraqueza dos músculos, ou uma neuropatia, que alem de causar a LHON pode resultar em epilepsia, também podemos observar dois tipos de síndrome em crianças, a síndrome de Prader-Willi e a síndrome de Angelman.
As diversas patologias derivadas das mitocôndrias são decorrentes de mutações em genes para a síntese de proteína mitocondrial, os defeitos relacionados com a bioenergética são acompanhados de um aumento na taxa de lactato na circulação, sendo por isto um importante dado para diagnose, estes defeitos também podem ser rapidamente detectados através de ensaios enzimáticos para alguma enzima especifica, como piruvato desidrogenase, citocromo oxidase e ATP sintetase. O sequenciamento de DNA mitocondrial também permite que se detecta precisamente o ciclo do defeito genético.
Considerações finais
 As mitocôndrias são responsáveis pela geração da maior parte da energia útil derivada da quebra de lipídeos e carboidratos, que são convertidos em ATP pelo processo de fosforilação oxidativa. Sendo assim, elas tem função impar na nutrição da célula bem como na geração de energia para as atividades metabólicas.
 As mitocôndrias diferem das outras organelas não somente do ponto de vista funcional como também no seu mecanismo de formação.
 É importante salientar que os seres aeróbicos, isto é, que utilizam oxigênio em seu processo respiratório, realizam a degradação das moléculas orgânicas em duas etapas. A primeira dá-se no hialoplasma, sem a participação do oxigênio. Já a segunda ocorre com a presença de oxigênio no interior de organelas citoplasmáticas bastante especializadas, as mitocôndrias, que são verdadeiras usinas de energia, onde a matéria orgânica é processada para fornecer a energia química acumulada ao metabolismo celular. Portanto, quanto maior a atividade metabólica da célula maior o número de mitocôndrias. O conjunto de mitocôndrias numa célula chama-se condrioma.
 Estudos recentes vem demonstrando a importância funcional da membrana mitocondrial interna. Falhas na permeabilidade seletiva dessa membrana podem levar as células à morte, originando diversas doenças. É por esta razão que tais organelas tem atraído de forma significativa a atenção de pesquisadores e cientistas, verificando assim sua grande importância.
	As mitocôndrias são responsáveis pela geração da maior parte da energia útil derivada da quebra de lipídeos e carboidratos, que são convertidos em ATP pelo processo de fosforilação oxidativa, portanto elas tem função impar na nutrição da célula e como também na geração de energia para as atividades metabólicas.
	A maioria das proteínas mitocôndrias é traduzida em ribossomos livres e importados para o inteior da organela por meio de sinais específicos. Podemos também resaltar que a mitocôndria é a única organela que possui o seu próprio DNA que codifica RNAt, RNSr e e algumas proteínas.
	Células que realizam bastante atividades metabólicas possuem um grande numero de mitocôndrias, esse tal conjunto de mitocôndrias é chamado de condrioma. Podemos também ressaltar a permeabilidade seletiva da membrana externa da mitocôndria a íons e moléculas, como foi visto anteiormente que os elétrons passam por uma cadeia trnsportadora de elétrons através dos complexos enzimáticos até chegarem ao oxigênio molecular e assim havendo a síntese de ATP. Contudo, estudos verificaram q se houver possíveis falhas nessa semipermeabilidade pode acarretar a origem de diversas doenças e essas tais doenças em ultimo caso pode levar o individuo a morte.
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