Mitocôndrias: Estrutura e Função

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As mitocôndrias, que ocorrem em quase todas as 
células de animais, plantas e fungos, “queimam” 
moléculas do alimento para produzir ATP pela 
fosforilação oxidativa. 
 
 
Assim como as bactérias a partir das quais elas se 
originaram, as mitocôndrias possuem uma membrana 
externa e outra interna. A membrana interna, que 
delimita o compartimento da matriz mitocondrial 
interna, é altamente enovelada para formar 
invaginações conhecidas como cristas, que contém nas 
suas membranas as proteínas da cadeia 
transportadora de elétrons. Onde a membrana interna 
dispõe-se em paralelo com a membrana externa, entre 
as cristas, ela é denominada membrana de limite 
interno. O espaço estreito entre a membrana de limite 
interno e a membrana externa é conhecido como 
espaço intermembranas. 
 
Ainda que sejam muitas vezes representadas como 
corpos pequenos semelhantes a bactérias de fato elas 
são extremamente dinâmicas e plásticas, movendo-se 
pela célula, mudando constantemente de forma, 
dividindo-se e fusionando-se. As mitocôndrias 
costumam estar associadas ao citoesqueleto 
microtubular, o que determina sua orientação e 
distribuição em diferentes tipos celulares. 
 
 
 
Em algumas células, as mitocôndrias permanecem fixas 
em um único local, onde fornecem ATP diretamente a 
uma região com consumo de energia excepcionalmente 
elevado. Em uma célula muscular cardíaca, por 
exemplo, as mitocôndrias estão localizadas próximas 
aos aparelhos contrateis, ao passo que, no 
espermatozoide, estão firmemente presas ao redor do 
flagelo motor (peça intermediária). Em outras células, as 
mitocôndrias fundem-se, formando estruturas 
alongadas em redes tubulares dinâmicas, que são 
difusamente distribuídas pelo citoplasma. Essas redes 
são dinâmicas, quebrando-se continuamente por fissão 
e se fundindo novamente. 
 
 
Quando mitocôndrias isoladas são suavemente 
fracionadas, tendo os seus componentes separados e os 
seus conteúdos analisados, cada uma das membranas, 
e os espaços que elas delimitam, apresentam um 
conjunto único de proteínas. A membrana externa 
possui muitas moléculas de uma proteína de transporte 
denominada porina, a qual forma amplos canais 
aquosos pela bicamada lipídica. Como resultado, a 
membrana externa e como uma peneira, permeável a 
íons e pequenas moléculas. Isso torna o espaço 
intermembranar quimicamente equivalente ao citosol 
em relação as pequenas moléculas e íons inorgânicos 
que ela contém. Em contrapartida, a membrana interna, 
como outras membranas da célula, é impermeável a 
passagem de íons e a maioria das pequenas moléculas, 
exceto onde uma rota é fornecida por proteínas de 
transporte de membrana específicas. A membrana 
mitocondrial interna é o local onde ocorre a fosforilação 
oxidativa, e ela contém as proteínas da cadeia 
transportadora de elétrons, as bombas de prótons e a 
ATP-sintase, necessária para a produção de ATP. Ela 
também possui uma variedade de proteínas de 
transporte que permitem a entrada seletiva de 
pequenas moléculas – como o piruvato e os ácidos 
graxos que serão oxidados na mitocôndria – no interior 
da matriz. A membrana interna é altamente sinuosa, 
formando uma série de dobramentos conhecidos como 
cristas – que se projetam para o interior do espaço da 
matriz. Essas dobras aumentam muito a área da 
superfície da membrana. A matriz mitocondrial, 
portanto, contém moléculas que são seletivamente 
transportadas a matriz através da membrana interna, 
e então o seu conteúdo é altamente especializado. Ela 
também possui DNA mitocondrial e ribossomos. 
 
 
 
Citologia e Histologia 
Mitocôndrias 
Beatriz Fernandes 
A cardiolipina é um fosfolipídeo de “duas cabeças” 
restrito a membrana mitocondrial interna, onde ele 
também é produzido. Ela consiste em duas unidades de 
fosfolipídeos ligadas covalentemente, com um total de 
quatro cadeias de ácidos graxos, em vez das duas 
usuais. 
 
 
 
A matriz mitocondrial possui DNA mitocondrial, RNAs 
transportadores, ribossomos e diferentes enzimas. 
Algumas enzimas participarão da expressão dos genes 
do DNA mitocondrial e outras irão participar do 
metabolismo energético como, por exemplo, o ciclo de 
Krebs. 
 
O DNA mitocondrial é diferente do DNA encontrado 
dentro do núcleo, ele é circular e seus genes são 
expressos dentro da própria mitocôndria. As 
informações expressas por esses genes dão origem à 
treze proteínas para dentro da própria organela. 
 
 
A origem das mitocôndrias é explicada pela teoria 
endossimbiótica, proposta por Lynn Margulis em 1981. 
 
A teoria endossimbiótica diz que as mitocôndrias são 
derivadas da captura de bactérias aeróbicas por células 
ancestrais. Com a evolução, houve a transferência do 
DNA dessas bactérias para o DNA das células, o que as 
fez se estabelecer como organelas intracelulares. Tal 
teoria também é considerada para os cloroplastos em 
células vegetais. 
 
Essa captura das bactérias aeróbicas por células 
ancestrais é considerada uma endossimbiose, pois foi 
uma associação que trouxe benefícios para ambas. As 
bactérias se protegeram dentro das células e as células 
ancestrais puderam, finalmente, metabolizar o oxigênio. 
 
A primeira evidência sobre a similaridade entre 
mitocôndrias e bactérias foi o processo de fissão 
mitocondrial. As mitocôndrias se dividem em um 
processo muito similar com o das bactérias, a fissão 
binária. Essa divisão pode se dar independentemente da 
divisão celular e quando há necessidade de mais energia 
pela célula. Quando uma mitocôndria precisa se 
desprender da sua rede, a fissão mitocondrial a libera e 
os autofagossomos a capturam. 
 
A descoberta do DNA mitocondrial também foi outra 
evidência sobre a possível relação entre bactérias e 
mitocôndrias. O genoma mitocondrial pode ser lido e 
interpretado dentro da própria organela para formar 
seus ribossomos. Os ribossomos mitocondriais são 
diferentes daqueles encontrados no citosol, pois 
possuem tamanhos e subunidades diferentes, e são 
similares aos ribossomos bacterianos. Além disso, as 
mitocôndrias possuem os seus próprios RNAs 
transportadores e o seu código genético é diferente 
daquele encontrado no núcleo da célula. Os RNAs que 
iniciam a síntese de suas proteínas também são 
diferentes daqueles que iniciam a síntese proteica no 
citosol da célula. No citosol a tradução se inicia sempre 
com a metionina, porém dentro da mitocôndria o 
aminoácido que inicia essa síntese é a formilmetionina. 
Antibióticos que inibem a síntese proteica de bactérias 
também pode inibir a síntese proteica mitocondrial. Por 
fim, a cardiolipina que é encontrada na membrana 
interna das mitocôndrias também encontrada na 
membrana de bactérias. 
 
 
O DNA mitocondrial é transcrito dentro da própria 
organela e, posteriormente, será traduzido em 
ribossomos diferenciados. Portanto, o código genético 
da mitocôndria é diferente daquele encontrado no 
núcleo celular. O genoma mitocondrial codifica 13 
cadeias polipeptídicas, 2 RNAs ribossômicos e 22 RNAs 
transportadores. 4 dos 64 códons desse DNA possuem 
significados diferentes. 
 
As proteínas sintetizadas dentro das mitocôndrias serão 
utilizadas pela 
própria organela, 
porém as 
proteínas 
codificadas no 
núcleo e 
importadas do 
citosol também 
desempenham 
um papel 
fundamental 
para elas como, 
por exemplo, a 
criação do seu 
sistema genético. 
 
Os nucleoides são as áreas onde se concentra o DNA 
mitocondrial para que ele não fique espalhado dentro da 
organela. Esse DNA fica compactado dentro dos 
nucleoides, que estarão sempre associados às 
membranas da mitocôndria. 
 
As mitocôndrias são todas herdadas da mãe, pois 
nenhuma daquelas encontradas nos espermatozoides 
irão entrar no óvulo. Quando as mitocôndrias paternas 
conseguem entrar nesse óvulo elas serão marcadas 
para, futuramente, serem degradadas. 
 
 
A interaçãodas mitocôndrias com, principalmente, o 
retículo endoplasmático permite a troca de material 
entre essas organelas. Algumas proteínas irão 
intermediar a aproximação entre as membranas dessas 
organelas para que vias metabólicas fosfolipídicas 
sejam compartilhadas entre elas. Portanto, as 
mitocôndrias auxiliam na biossíntese das membranas 
celulares, pois determinadas fosfolipídios serão 
sintetizados na membrana mitocondrial como, por 
exemplo, a cardiolipina. 
 
O retículo endoplasmático é um importante reservatório 
de cálcio. Nas áreas de contato com as mitocôndrias 
haverá uma transferência de cálcio para essas 
organelas, para que haja a ativação do metabolismo 
energético. No entanto, o excesso de cálcio nas 
mitocôndrias pode causar a apoptose celular. 
 
Além disso, o contato com o retículo endoplasmático, 
com o auxílio dos microtúbulos e de algumas proteínas, 
é responsável pela fissão mitocondrial. As proteínas que 
irão participar desse processo serão recrutadas pelo 
próprio retículo endoplasmático. Já durante a fusão 
mitocondrial, serão outras proteínas que irão aproximar 
as mitocôndrias para a sua união. 
 
 
Os complexos TOM (membrana externa), TIM 
(membrana interna), SAM e OXA são agregados de 
proteínas multiméricas de membrana que catalisam a 
translocação de proteínas através das membranas 
mitocondriais. 
 
 
 
As proteínas sintetizadas no citosol, com suas 
sequências de direcionamento mitocondrial, serão 
reconhecidas por um receptor, na membrana externa 
das mitocôndrias, que irá se aproximar do complexo 
TOM, para que haja a passagem dessas proteínas para 
a membrana interna. Na membrana interna haverá um 
complexo TIM que irá permitir a passagem das proteína 
para a matriz mitocondrial. A energia derivada do ATP 
possibilita a entrada dessas proteínas na matriz 
mitocondrial, onde elas serão processadas, por meio da 
retirada da sua sequência de redirecionamento, e se 
tornarão um proteínas maduras. 
 
As proteínas que serão importadas para as membranas 
mitocondriais poderão ser inseridas por diferentes vias. 
Além disso, essas proteínas podem possuir sequências 
diferentes em suas cadeias polipeptídicas, pois, para 
que se mantenham inseridas em diferentes membranas, 
elas necessitam, também, de características 
dissemelhantes. 
 
 
As células obtém energia pela oxidação de moléculas 
orgânicas, ou seja, pela quebra dessas moléculas pelas 
vias catabólicas. A maior parte dessa energia será 
convertida em uma forma de energia que a célula 
conseguirá utilizar, a molécula de ATP. Essa energia útil 
será utilizada pelas vias anabólicas da célula. 
 
O ATP é um nucleotídeo que quando hidrolisado gera o 
ADP e em fosfato inorgânico. O processo de conversão 
das moléculas orgânicas em ATP acontece através do 
processo quimiosmótico. O processo quimiosmótico 
recebeu esse nome, pois ele acontece ao longo da 
membrana mitocondrial interna. 
 
A quantidade de energia liberada pela oxidação 
biológica é equivalente a liberada pelo processo de 
combustão do oxigênio. No entanto, a oxidação 
biológica acontece em diversas etapas para a liberação 
em partes da energia. 
 
A primeira etapa da respiração celular é a formação de 
acetil-CoA através do metabolismo de glicoses, ácidos 
graxos e proteínas. A glicose, anteriormente, terá uma 
via metabólica no citosol que dará origem à 2 moléculas 
de piruvato. Esse piruvato será redirecionado para 
dentro da mitocôndria para ser convertido em acetil-
CoA. Já os ácidos graxos e as proteínas serão 
redirecionados diretamente para as mitocôndrias para 
sofrer essa conversão. A segunda etapa da respiração 
celular acontece com a oxidação dessa acetil-CoA a 
CO2 pelo ciclo de Krebs. Os elétrons liberados durante 
essa oxidação serão captados pelos carreadores de 
elétrons (NADH e FADH2). A terceira etapa da respiração 
celular se inicia com o transporte dos elétrons liberados 
no ciclo de Krebs para a cadeia transportadora de 
elétrons. A cadeia transportadora de elétrons acontece 
na membrana mitocondrial interna acoplada ao 
processo de fosforilação oxidativa ou síntese de ATP. 
Resumindo, a síntese da acetil-CoA e o ciclo de Krebs 
acontecem na matriz mitocondrial e a cadeia 
transportadora de elétrons acontece na membrana 
mitocondrial interna. 
 
Na primeira etapa, as mitocôndrias utilizam tanto o 
piruvato quanto os ácidos graxos como combustíveis 
para a formação da acetil-CoA nas mitocôndrias. 
Ambas as moléculas são transportadas através da 
membrana mitocondrial interna para serem 
convertidas no intermediário metabólico em acetil-CoA, 
por enzimas localizadas na matriz mitocondrial. 
 
O acetil-CoA na matriz mitocondrial inicia a segunda 
etapa da respiração celular, ciclo de Krebs. No ciclo do 
ácido cítrico haverá a liberação de elétrons de alta 
energia que serão carregados pelo NADH e pelo FADH2 
para a membrana mitocondrial interna. 
 
Na terceira etapa, o NADH e o FADH2 entregarão os 
elétrons para proteínas carreadoras que estarão 
inseridas na membrana mitocondrial interna. Essas 
proteínas compõem a cadeia transportadora de 
elétrons ou cadeia respiratória. As várias proteínas 
carreadoras de elétrons envolvidas estarão agrupadas 
em 4 grandes complexos enzimáticos. Os complexos 
enzimáticos são montados por proteínas carreadoras 
derivadas do DNA mitocondrial. O processo de 
transporte de elétrons inicia quando íons hidreto são 
removidos do NADH. Cada um dos complexos 
enzimáticos atua como uma bomba de prótons (da 
matriz mitocondrial para o espaço intermembranas) 
impulsionada pelo transporte de elétrons. A ubiquinona 
e o citocromo c são enzimas que auxiliam no 
funcionamento correto da cadeia transportadora de 
elétrons. Nessa cadeia respiratória acontecerá, ainda, a 
geração dos radicais livres. 
 
A consequência do bombeamento de prótons para o 
espaço intermembranas é a formação de um gradiente 
de concentração com dois componentes, um químico e 
outro elétrico. O bombeamento de prótons causará o 
acúmulo de H+ no espaço intermembranas, que será 
responsável pela mudança do seu gradiente químico de 
concentração, pois haverá um acúmulo de prótons 
muito maior no espaço intermembranas do que na 
matriz mitocondrial. Esse gradiente de concentração 
também irá influenciar o pH desses espaços. Ao mesmo 
tempo, esse bombeamento de prótons gera, também, 
um gradiente de voltagem ao longo da membrana 
mitocondrial interna, pois a concentração de prótons no 
espaço intermembranas causará um acúmulo de 
cargas positivas nesse espaço quando comparado a 
matriz mitocondrial. Esses 2 componentes formam o 
gradiente eletroquímico de prótons. 
 
O gradiente eletroquímico de prótons exerce uma força 
próton-motriz que direciona a síntese de ATP no 
processo de fosforilação oxidativa. O transporte de 
elétrons promove a bomba que impulsiona os prótons 
através da membrana e gera o gradiente de 
concentração, porém esses prótons tendem a voltar 
para a matriz mitocondrial para tentar trazer o 
equilíbrio entre os dois espaços. Uma das vias de retorno 
desses prótons é a ATP sintase. A passagem de prótons 
por dentro dessa enzima permite a catalisação da 
fosforilação do ADP em ATP. 
 
O gradiente eletroquímico de prótons através da 
membrana é utilizado para impulsionar a síntese de 
ATP. A fosforilação do ADP em ATP é um processo 
acoplado ao funcionamento da cadeia transportadora 
de elétrons. Essa cadeia respiratória precisa estar 
funcionando para que haja a formação do gradiente 
eletroquímico de prótons que será a força próton-motriz 
para a fosforilação oxidativa do ADP. A célula necessita 
de O2 disponível dentro da mitocôndria para realizar 
essa fosforilação. O O2 é o aceptor final da cadeia 
transportadora de elétrons. 
 
A ATP sintase é um complexo proteico com várias 
subunidades que é ativada por meio da força próton-
motriz.A ativação desse complexo permite a exposição 
do ADP que será fosforilado para a formação do ATP que 
será liberado na matriz mitocondrial. 
 
O gradiente de prótons também permite o cotransporte 
de metabólicos e de cálcio ao bombear os prótons por 
outras proteínas acopladas à membrana mitocondrial 
interna. O gradiente de voltagem também auxilia no 
antiporte entre o ADP e o ATP. 
 
A proteína termogenina também permite o vazamento 
de prótons para a matriz mitocondrial e, nesse caso, a 
energia será liberada na forma de calor, que participará 
do mecanismo de termogênese da célula. 
 
Resumindo, o piruvato e os ácidos graxos entram na 
mitocôndria e são convertidos em acetil-CoA. A acetil-
CoA é metabolizada pelo ciclo do ácido cítrico, que 
reduz NAD+ a NADH, que então transfere seus elétrons 
de alta energia ao primeiro complexo da cadeia 
transportadora de elétrons. No processo de fosforilação 
oxidativa, esses elétrons são transferidos ao longo da 
cadeia transportadora de elétrons nas cristas da 
membrana interna até o oxigênio (O2). Esse transporte 
de elétrons gera um gradiente de prótons, que é utilizado 
para direcionar a produção de ATP pela ATP-sintase. O 
ATP será, então, transportado para fora da mitocôndria 
através do antiporte com o ADP. 
 
 
 
 
 Participação no Ciclo da Ureia: Desaminação do 
glutamato; 
 Produção de Hormônios Esteroides: O colesterol 
é transformado em pregnenolona na 
membrana interna que retorna ao retículo 
endoplasmático para formar a testosterona; 
 Expressão de Termogenina (caso de recém-
nascidos): Torna a membrana interna 
permeável aos prótons, desacoplando o 
transporte de elétrons da síntese de ATP. A 
energia é perdida na forma de calor. 
 
Além disso, as mitocôndrias também podem disparar o 
processo de apoptose. Desequilíbrios celulares internos 
podem alterar a permeabilidade das membranas 
mitocondriais, causando o vazamento de proteínas 
mitocondriais como, por exemplo, o citocromo c. Essas 
proteínas darão início a formação do apoptossomo que 
causará, posteriormente, a morte celular.