Mitocôndrias e Respiração Celular

Prévia do material em texto

BIOLOGIA CELULAR: MITOCÔNDRIAS E RESPIRAÇÃO CELULAR 
1 
 
Mitocôndrias 
 As mitocôndrias produzem a energia utilizada pela 
célula, provinda através da quebra das ligações químicas 
dos alimentos e formação de ATP (molécula que guarda 
energia), processo chamado de respiração celular. 
 São organelas arredondadas ou alongadas, 
podendo formar redes; a sua quantidade na é variável 
(dependem do tipo celular). 
 
Localização 
 Presentes no citoplasma com localização 
intracelular variável (movimentação pela rede de 
microtúbulos), presente em quase todas as células 
eucariontes. 
 
Morfologia 
 A mitocôndria apresenta duas membranas, uma 
interna e outra externa; são bicamadas lipídicas com 
proteínas agregadas. 
• Membrana externa: é lisa, rica em colesterol, tem 
a mesma proporção de lipídios e proteínas na sua 
composição, apresenta as proteínas porinas, que formam 
poros de passagem de moléculas de até 5 KDaltons 
• Membrana interna: tem muito mais proteína (80%) 
que lipídios (20%), forma cristas (reentrâncias que 
aumentam a área superficial), rica em cardiolipina, que 
faz a membrana interna ser impermeável à íons. Nessa 
membrana é onde ocorre o sítio de transporte de elétrons 
e apresenta o complexo proteico da ATP-sintase. Além 
disso, ela delimita a matriz mitocondrial, a qual, 
contém um conteúdo especializado em enzimas para 
a respiração celular. 
 Entre as duas membranas, há o espaço 
intermembrana, que é parecido com o citosol, devido à 
passagem de moléculas do citoplasma pelas porinas. 
 
OBS! A quantidade de cristas mitocôndrias são 
proporcionais à quantidade de respiração aeróbica feita 
pela mitocôndria. 
 
Genoma mitocondrial 
 O genoma mitocondrial apresenta DNA circular e 
todos os tipos de RNA, que fazem a síntese de algumas 
proteínas mitocondriais, as quais atuam na fosforilação 
oxidativa da respiração. 
 O DNA mitocondrial só sintetiza algumas proteínas, 
pois, quando foi conjugado à célula eucarionte, ela 
transferiu parte do seu DNA para o núcleo dessa célula, o 
qual passou a produzir determinadas proteínas para a 
mitocôndria no citosol celular. As proteínas formadas no 
citosol que são utilizadas nas mitocôndrias são importadas 
para dentro dessas organelas por meio de complexos 
proteicos de translocação de proteínas encontrados nas 
membranas da mitocôndria, o TIM e o TOM (translocases). 
 As proteínas que precisam ser internalizadas na 
mitocôndria, após serem sintetizadas, apresentam uma 
sequência de nucleotídeo, denominado de sinal de 
endereçamento, bem como têm chaperonas HSP70 
associadas, que impedem a enovelação da proteína para 
facilitar a passagem pelo poro. Assim, a translocase da 
membrana externa (TOM) identifica o sinal de 
endereçamento e se alinha com a translocase da 
membrana interna (TIM), que proporciona o espaço para 
proteína entrar na matriz mitocondrial. Nesse processo, as 
chaperonas HSP70 se dissociam da proteína. Ao entrar na 
matriz, a sequência nucleotídica se associa a chaperonas 
HSP60, os quais auxiliam na enrolação da proteína. Por fim, 
proteases retiram o sinal de endereçamento e a proteína 
está pronta. 
 
Biogênese 
 A biogênese (criação de novas mitocôndrias) é feita 
por meio do crescimento e divisão das organelas 
preexistentes, por meio do processo de fissão das 
organelas. Outrossim, as mitocôndrias podem se fundir 
umas com as outras formando redes para aprimorar a 
quantidade de produção de energia. 
 
Origem das mitocôndrias (Teoria da endossimbiose) 
 A teoria mais aceita para explicar a origem das 
mitocôndrias é a teoria da endossimbiose. Nela, explicita-
 BIOLOGIA CELULAR: MITOCÔNDRIAS E RESPIRAÇÃO CELULAR 
2 
 
se que existia uma célula eucariótica ancestral que 
realizava respiração anaeróbica. Essa célula fagocitou uma 
célula procarionte, que, por algum motivo, escapou dos 
mecanismos de destruição da célula e, assim, passou a 
viver harmonicamente dentro da célula ancestral, fazendo 
a respiração aeróbica. 
 Essa teoria explica a origem das 2 membranas 
mitocondriais, na qual, a membrana externa da deve ser 
proveniente do fagossomo criado na hora da fagocitose e a 
membrana interna é proveniente da própria membrana do 
procarionte ancestral. 
 Então, a bactéria ganhou proteção e nutrientes, 
enquanto a célula ganhou o mecanismo um de respiração 
aeróbica. Fatos que reforçam tal teoria: 
• Autorreprodução por fissão; 
• DNA dupla hélice circular, sem íntrons (igual 
bactérias); 
• Ribossomos 55S (similar das bactérias); 
• Inibição de síntese proteica por cloranfenicol, 
fármaco que faz essa mesma ação nas bactérias 
que invadem o organismo; 
• Membrana interna similar a das bactérias 
(complexos proteicos iguais); 
• Membrana externa mais sensível a detergentes e 
ultrassom (similar ao fagossomo de eucariontes). 
 
Respiração Celular 
 Processo de ruptura gradual de ligações 
covalentes de moléculas de compostos orgânicos ricos 
em energia (glicose e ácidos graxos), em moléculas 
atuantes como reserva de energia (ATP). Há como 
produto, também, produção de água e CO2. Se o 
processo de ruptura dos compostos orgânicos fosse de 
uma vez, haveria a perda de muita energia em forma de 
calor, que não seria aproveitado pela célula. 
 A respiração é feita em duas etapas: 
1. Glicólise anaeróbica -> citosol 
2. Fosforilação oxidativa -> mitocôndrias 
 
Glicose anaeróbica 
C6H12O6 → 2 piruvatos + 2 ATP + 2 NADH 
 Essa etapa é feita com o objetivo de criar o piruvato 
para fazer a fosforilação oxidativa, pois esse processo não 
é muito energeticamente favorável. 
 
Fosforilação oxidativa 
 Envolve o consumo de O2 e síntese de ATP pela 
adição de um grupo fosfato ao ADP. 
 Feita em 3 etapas: 
1. Produção de acetilcoenzima A 
2. Ciclo do ácido cítrico/Ciclo de Krebs/Ciclo dos 
ácidos tricarboxílicos 
3. Sistema Transportador de Elétrons 
 
 Produção de Acetilcoenzima-A 
 O piruvato, ao entrar na mitocôndria, associa-se a 
coenzima-a, formando a acetilcoenzima-A. 
 Outra forma de produção de Acetil-CoA é por meio 
da beta-oxidação de ácidos graxos de cadeia curta ou 
média. 
 Após isso, a Acetil-CoA entra no ciclo do ácido 
cítrico. 
 Ciclo do Ácido Cítrico (ou Ciclo de Krebs) 
 Nesse processo há diversas enzimas atuantes 
presentes na matriz mitocondrial, como as descarboxilases 
(retiram o C para a formação de CO2), as desidrogenases 
(fazem a produção de H2 e elétrons). Como produto, temos 
NADH, FADH2, que são carreadores de elétrons, CO2 e H+. 
 O ciclo de Krebs tem baixo rendimento energético, 
o seu principal objetivo é a formação dos carreadores de 
elétrons (e-) que são levados à próxima etapa da 
respiração. 
 Sistema Transportador de Elétrons 
 Os elétrons são carregados pelos carreadores até a 
membrana interna mitocondrial, onde tem complexos 
proteicos, que fazem o transporte de elétrons e o 
bombeamento de prótons. São 3 complexos proteicos: 
1. Complexo NADH-desidrogenase: recebe o elétron 
trazido do ciclo de Krebs até a Ubiquinona 
2. Complexo citocromo c-redutase: recebe o e- da 
ubiquinona e o leva até o Citocromo c 
3. Complexo citocromo c-oxidase: retira o e- do 
citocromo c e o leva até o O2, que, se juntado com 
prótons, forma H2O 
 BIOLOGIA CELULAR: MITOCÔNDRIAS E RESPIRAÇÃO CELULAR 
3 
 
 A medida que o elétron vai sendo transportado 
entre a cadeia respiratória, há o bombeamento dos 
prótons da matriz para o espaço intermembrana, onde vão 
se acumulando. 
 Durante o processo da cadeia respiratória, são 
formadas Espécies Reativas de Oxigênio (EROS), como o 
O- e o H2O2, que podem danificar diversos componentes 
celulares, como o DNA. Quanto mais velha a mitocôndria, 
mais ocorre a produção de EROS. 
 Os prótons não são dissipados para o citosol pelas 
porinas da membrana externa devido à 2 fatores, o 
potencial de membrana (𝛥V) e o gradiente de pH (𝛥pH), 
que criam uma Força próton-motriz, fazendo com que os 
prótons fiquem perto da membrana querendo voltar à 
matriz. O 𝛥pH é a diminuição do pH intermembrana com 
esses H+ acumulados, o que os faz quererematravessar a 
membrana para a matriz e regular o pH mais alcalino. Já o 
𝛥V é a diferença de potencial de membrana criado (na 
parte intermembrana fica + e na matriz fica -). 
 
OBS! Lembrar que a membrana interna da mitocôndria é 
impermeável à íons, causado pela cardiolipina, ou seja, os 
H+ não conseguem atravessar a membrana interna. 
 
 Portanto, um complexo proteico na membrana 
interna, chamado de ATP-sintase (ou Corpúsculo 
Elementar), leva os prótons do espaço intermembrana para 
a matriz, só que ele utiliza essa energia da Força Próton-
Motriz, de maneira geral, para criar ATP. A cada 3 H+ há a 
síntese de um ATP. O fluxo de prótons pelo carreador 
(parte da ATP-sintase), faz uma rotação da haste central 
(energia mecânica), o que leva a uma modificação 
conformacional de subunidades na cabeça e, assim, faz a 
formação de ATP. 
 
 
 
 
 
 Todo o processo do transporte de e-, 
bombeamento de prótons e síntese de ATP é denominado 
Acoplamento Quimiosmótico. 
 Existem determinadas células que suas 
mitocôndrias também produzem calor; elas fazem isso por 
meio de grandes quantidades de Termogenina encontradas 
na membrana interna da mitocôndria. Essa proteína é um 
canal que permite a passagem dos prótons do espaço 
intermembrana para a matriz sem a formação de ATP, mas, 
sim, com a liberação de calor como forma de energia. 
 
OBS! Existem compostos que fazem o desacoplamento 
quimiosmótico, o qual não faz o transporte de e- ocorrer 
corretamente, levando o organismo à morte. Ex desses 
compostos: Cianeto e Dinitrofenol 
 
Outras funções da mitocôndria 
• Síntese de hormônio esteróide, produção de 
pregnenolona na mitocôndria 
• Desencadeamento de apoptose 
• Produção de calor em recém-nascidos 
(termogenina em tecido adiposo multilocular ou 
marrom) 
• Ciclo da uréia 
 
Defeitos mitocondriais 
 Existem + de 150 doenças humanas associadas à 
defeitos mitocondriais. Essas doenças são relacionadas à 
defeitos na cadeia transportadora de elétrons, 
acometendo, geralmente, tecidos e órgãos que necessitam 
de muita energia, ex: músculo do coração, sistema nervoso, 
fígado e rins. 
 Além disso, o consumo de cigarros durante a 
gestação faz com que ocorra uma diminuição das 
 BIOLOGIA CELULAR: MITOCÔNDRIAS E RESPIRAÇÃO CELULAR 
4 
 
atividades das mitocôndrias placentárias, no qual, causa 
diminuição metabólica da placenta e, logo, pouca nutrição 
do feto. 
 
Mitocôndrias e resposta ao estresse 
 Em situações de estresse do organismo, causado 
por hormônios, citocinas, HSPs, toxinas e entre outros, 
essas organelas reagem tentando proteger a célula. Em 
estresses agudos a mitocôndria faz: 
• ↑ da biogênese mitocondrial (aumento da fissão) 
• ↑ da replicação e transcrição do seu DNA 
• ↑ da produção de ATP 
• produção controlada de EROS 
 
 Já em situações de estresse crônico, a mitocôndria 
faz: 
• ↓ biogênese/proliferação anormal 
• ↓ replicação e transcrição do DNA mtc. 
• ↓ produção de ATP 
• ↑produção de EROS 
• Ocorrem mutações, peroxidação lipídica, apoptose 
ou morte celular. 
 
Mitocôndrias e depressão 
 Pessoas com depressão apresentam suas 
mitocôndrias do SN mais danificadas, bem como maior 
permeabilidade da sua membrana interna, menor número 
de cristas mitocondriais, maior produção de EROS e 
mutações no DNA mitocondrial. 
 
Mitocôndrias e obesidade 
 Mulheres com a alimentação muito rica em 
gordura, apresentam nos ovócitos anormalidades na 
morfologia mitocondrial, poucas cristas mitocondriais, 
maior produção de EROS, metabolismo anormal e fibras 
dos fusos mitóticos anormais. 
 
Mitocôndrias e doenças neurodegenerativas 
 Pessoas com Doença de Huntington ou Doença de 
Parkinson, apresentam mitocôndrias neuronais com maior 
quantidade de mutações no DNA, alterações na cadeia 
respiratória e na permeabilidade da membrana 
mitocondrial.