A ORIGEM DAS MITOCÔNDRIAS: a teoria endossimbiótica A mitocôndria apresenta algumas características típicas das bactérias: a presença de um DNA circular de fita dupla, a presença de ribossomos livres e uma membrana dupla.
INTRODUÇÃO
Assim como as bactérias, as mitocôndrias não possuem proteínas histonas e seus ribossomos são sensíveis a alguns antibióticos.
Além disso, as mitocôndrias são organelas semiautônomas à medida que se replicam, por fissão binária, de forma autônoma em relação à célula. Considerando essas semelhanças, a teoria endossimbiótica afirma que as mitocôndrias derivam de bactérias ancestrais, dotadas de metabolismo oxidativo, que teriam sido incorporadas pelas células eucarióticas com consequente benefício mútuo. Em 2011, uma pesquisa sobre as origens das células eucarióticas publicada na Nature esclareceu por que as mitocôndrias foram fundamentais para a evolução da vida complexa (Thrash et al., 2011). A chave reside no facto de as células eucarióticas terem de sintetizar muito mais proteínas do que as células procarióticas, e só o podem fazer graças às mitocôndrias, células simbióticas optimizadas para produzir muita energia e consumir muito pouca. Isto foi calculado para dar às células eucarióticas uma vantagem energética de 3 a 4 ordens de grandeza a mais.
O ciclo de vida das mitocôndrias
O ciclo de vida das mitocôndrias envolve períodos de fusão e fissão (divisão) (Figura 1). A vida de uma mitocôndria é de aproximadamente 10 dias. Após um evento de fissão, as mitocôndrias entram em um estado solitário no qual são aproximadamente 20 vezes mais longas que o período de fusão (Hales, KG 2010). Quando uma mitocôndria é viável, ela mantém um potencial de membrana polarizado e pode fundir-se com outra mitocôndria. Porém, se a mitocôndria se despolarizar, ela perde funcionalidade, permanecerá solitária e poderá ser digerida pelos peroxiomas, enquanto se repolarizar poderá ser recuperada. Durante os eventos de fusão, alguns componentes funcionais podem ser redistribuídos irregularmente entre as mitocôndrias, consequentemente, duas mitocôndrias diferentes podem ser geradas pelo evento de fissão subsequente. O mecanismo subjacente a esta assimetria metabólica não é claro, mas pode facilitar a capacidade da célula de segregar e remover rapidamente o material mitocondrial danificado.
As mitocôndrias mudam repetidamente sua estrutura morfológica da condição de rede pós-fusão para a condição solitária pós-fissão. A fusão é breve e desencadeia a fissão. Hales, KG (2010).
O genoma mitocondrial
As mitocôndrias possuem seu próprio DNA (mtDNA, Figura 2). O mtDNA é extremamente pequeno, tem uma estrutura circular de 16.569 nucleotídeos e contém apenas 37 genes: 13 mRNAs que codificam algumas das subunidades proteicas dos complexos da cadeia respiratória e 2 RNAs ribossômicos (rRNAs 12S e 16S) e 22 RNAs de transferência (tRNA ). 93% do DNA mitocondrial é codificante, porém possui uma estrutura de cromatina diferente do DNA nuclear: não é protegido por histonas e como passa por numerosos ciclos de replicação está mais sujeito a erros na máquina de replicação (fonte de mutações também no nuclear). Além disso, os mecanismos de reparação são menos eficientes do que com o ADN nuclear.
Durante a fertilização, as mitocôndrias presentes no novo indivíduo (zigoto) vêm apenas do óvulo (oócito). Uma mãe portadora de uma mutação no mtDNA transmitirá esta mutação a todos os seus filhos, mas apenas as suas filhas transmitirão a mutação aos seus descendentes (herança matrilinear). Ao contrário dos genes nucleares que estão presentes em duplicado em humanos (alelo materno e alelo paterno), existem centenas de moléculas de mtDNA dentro de cada célula. Num indivíduo normal, todas as moléculas de mtDNA são idênticas (homoplasmia).
Mutações deletérias no mtDNA geralmente afetam apenas alguns genomas mitocondriais; portanto, dentro de cada célula e, consequentemente, em cada tecido existem duas populações mistas de mtDNA: uma normal e outra mutada (heteroplasmia). Somente quando o número de genomas mutados excede um valor crítico (efeito limiar) começa a ocorrer uma redução na atividade de fosforilação oxidativa (OXPHOS) e o consequente aparecimento de manifestações clínicas de doença mitocondrial.
Uma mulher portadora de mtDNA mutante do tipo etroplásmico geralmente transmite uma quantidade variável de mtDNA mutante para seus filhos. Isso pode resultar em uma ampla gama de diferentes fenótipos clínicos na geração futura.
A maioria dos genes é expressa na mesma direção e os genes para tRNAs são interpostos com genes que codificam rRNAs ou proteínas. O DNA mitocondrial humano é transcrito em um único transcrito primário e após os processos de maturação são liberados rRNAs, tRNAs e mRNAs. Esta organização é semelhante à dos operons bacterianos. na verdade, existe um único promotor para transcrição localizado dentro de uma região chamada D-loop (loop de deslocamento). A transcrição começa imediatamente antes do gene tRNA que precede o gene 12S rRNA, depois continua ao longo de toda a molécula circular e termina dentro da alça D. A fita transcrita é chamada de fita H (pesada). A outra é chamada de fita L (leve). ) filamento. Três segmentos foram descritos dentro da região D-loop, indicados pelas siglas HVI, HVII e HVIII, que são particularmente predispostos a mutações. Mutações foram observadas nessas regiões, principalmente devido a substituições de bases em porcentagens variáveis. Outras regiões do mtDNA propensas a mutações também foram analisadas por sequenciamento em um grande número de indivíduos. As aplicações forenses utilizam a variabilidade desses sites para solucionar ocorrências criminais ou em casos de identificação pessoal.
A cooperação do genoma nuclear e do genoma mitocondrial. Um dos aspectos mais fascinantes da síntese mitocondrial é que ela requer a cooperação do genoma nuclear e do genoma mitocondrial. São necessários cerca de 3.000 genes para formar uma mitocôndria. O DNA mitocondrial codifica apenas 37 desses genes; os genes restantes são codificados no núcleo da célula e as proteínas resultantes são transportadas para a mitocôndria.
Apenas cerca de 3% dos genes necessários para formar uma mitocôndria (100 de 3.000) são destinados à produção de ATP. Mais de 95% (2.900 em 3.000) estão envolvidos em outras funções relacionadas às tarefas especializadas das células diferenciadas em que residem. Como já escrito anteriormente, embora o mtDNA seja bem menor, comparado aos 3,2×109 nucleotídeos encontrados no genoma nuclear, ele é fundamental para o funcionamento da mitocôndria, contribuindo com 13 mRNA, 22 tRNA e 2 rRNA. Todas as 13 moléculas de mRNA codificam componentes proteicos da cadeia respiratória mitocondrial, responsáveis
pelo transporte de elétrons e pela síntese de ATP. Estes componentes constituem apenas uma pequena fração da cadeia respiratória total; alguns atuam como subunidades proteicas únicas, mas a maioria se combina com subunidades proteicas codificadas nuclearmente para formar holoenzimas multisubunidades, como COX ou NADH desidrogenase (Tabela I). A função destas holoenzimas fica claramente comprometida se a contribuição de cada genoma for perdida. Sabe-se que a transcrição do mtDNA e sua replicação requerem importantes enzimas codificadas pelo genoma nuclear, que atuam como polimerases ou fatores de transcrição.
Patologias mitocondriais
As doenças mitocondriais representam um grupo heterogêneo de síndromes clínicas que compartilham um déficit energético no metabolismo mitocondrial. Embora a mitocôndria seja o local de várias vias metabólicas fundamentais, as doenças mitocondriais em sentido estrito significam síndromes associadas à deficiência de OXPHOS.
Como as mitocôndrias estão presentes em todos os tecidos, as doenças mitocondriais podem afetar qualquer órgão. Mais frequentemente, porém, afetam o músculo e o cérebro dada a maior demanda energética desses tecidos, principalmente durante o desenvolvimento. Por esta razão, as doenças mitocondriais são frequentemente referidas como encefalomiopatias mitocondriais.
As doenças mitocondriais são muito variáveis a nível clínico, tanto em termos da idade de início como do tipo de evolução e do tecido envolvido.
A classificação das doenças mitocondriais
A identificação de mutações no mtDNA forneceu a base para a classificação atual das doenças mitocondriais.
Um primeiro grupo de doenças é caracterizado pela presença de mutações no mtDNA, com início esporádico, ou transmissão materna. Um segundo grupo é causado por mutações em genes nucleares que fazem parte ou controlam o OXPHOS. Estas doenças são frequentemente classificadas com base apenas nas alterações bioquímicas detectadas pela análise dos tecidos afectados (especialmente do músculo esquelético), porque os genes responsáveis ainda não são conhecidos, embora recentemente tenham sido feitos muitos progressos neste campo.
FUNÇÕES DAS MITOCÔNDRIAS: potência energética das células A principal função das mitocôndrias nas células eucarióticas é a síntese de trifosfato de adenosina (ATP) através do metabolismo oxidativo de diferentes substratos como lipídios, carboidratos e proteínas
.
A membrana mitocondrial externa está associada a inúmeras enzimas que participam de diversas reações na biossíntese de ácidos graxos e fosfolipídios e são responsáveis por algumas reações de oxidação.
O espaço intermembrana também contém muitas enzimas, como a adenilato quinase, que utiliza o ATP produzido pelos sistemas enzimáticos presentes na matriz e na membrana mitocondrial interna para fosforilar outros nucleotídeos necessários ao metabolismo celular.
A membrana mitocondrial interna contém numerosas proteínas que podem ser agrupadas em três grupos principais: as enzimas da cadeia respiratória, envolvidas na fosforilação oxidativa; as proteínas que compõem o complexo enzimático denominado ATP sintetase; as proteínas transportadoras específicas (também chamadas de sistemas de transporte) que regulam a passagem de vários metabólitos (
fosfato inorgânico, ADP, ATP, ácidos di e tricarboxílicos, Ca2+ e alguns aminoácidos) de e para a
matriz mitocondrial.
O complexo ATP-sintase forma pequenas saliências, chamadas de corpos elementares ou partículas de membrana, e é composto por dois componentes principais chamados F0 e F1; F1 se projeta em direção à matriz e se fixa por meio de uma haste a F0 que se insere na espessura da membrana interna, atravessando-a. Duas enzimas do ciclo do ácido cítrico, aconitase e succinato desidrogenase, também estão associadas à membrana mitocondrial interna. A matriz mitocondrial contém uma mistura concentrada de diferentes enzimas, incluindo enzimas do ciclo do ácido cítrico, β-oxidação de ácidos graxos, sistema piruvato desidrogenase; também contém: ATP, ADP, AMP, fosfato inorgânico (Pi), NAD, NADP, coenzima
A, vários íons como K+, Mg2+ e Ca2+. Aqui ocorre o ciclo do ácido cítrico, cujos principais produtos finais são CO2, NADH + H+ e FADH2; os dois últimos são dois transportadores de elétrons e constituem o elemento de ligação entre o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa; eles cedem sua carga eletrônica às enzimas da cadeia respiratória, ao
final da qual se formam ATP e água.
Os elétrons provenientes do hidrogênio de NADH + H e FADH2, formados no ciclo do ácido cítrico, são transportados ao longo da cadeia de transporte eletrônico na membrana mitocondrial interna (a cadeia respiratória) e a energia liberada à medida que passam serve para bombear prótons, através a membrana mitocondrial interna, da matriz ao espaço intermembranar. Um gradiente eletroquímico de prótons é assim estabelecido entre os dois lados da membrana mitocondrial interna e o fluxo reverso de prótons ao longo do gradiente serve para impulsionar a atividade da enzima ATP sintetase, que catalisa a transformação ADP + Pi → ATP e conclui o processo de fosforilação oxidativa. Os grupos que se sucedem ao longo da cadeia respiratória têm afinidade progressivamente crescente pelos elétrons: os elétrons se movem em cascata a partir do NADH em níveis de energia progressivamente mais baixos, passando de um complexo enzimático a outro até atingir o oxigênio molecular, que tem maior afinidade por eles. . As enzimas da cadeia respiratória são capazes de transportar apenas um elétron por vez; dado que cada NADH + H+ cede dois elétrons e uma molécula de oxigênio deve receber o dobro dessa quantidade para se transformar em água, existem pontos de coleta e pontos de dispersão de elétrons ao longo dessa cadeia enzimática. Grande parte da energia liberada durante
o transporte de elétrons é usada para empurrar prótons de hidrogênio (H+) da matriz em direção ao espaço intermembranar. Um gradiente de pH é assim gerado através da membrana mitocondrial interna, caracterizado por uma concentração de H+ na matriz mitocondrial que é muito menor do que aquela presente no resto da célula. O gradiente eletroquímico de prótons produzido tem o efeito de empurrar os prótons para dentro da mitocôndria através do complexo proteico transmembrana da ATP-sintetase que utiliza a energia do fluxo de prótons para sintetizar ATP, a partir de ADP e Pi, dentro da matriz mitocondrial.
Graças ao gradiente eletroquímico de prótons e à ação de proteínas transportadoras específicas, tanto as enzimas da matriz quanto a própria ATP sintetase recebem seus substratos em altas concentrações por transporte ativo.
Outra função vital do gradiente eletroquímico da membrana mitocondrial interna consiste em bombear íons Ca2+ com mecanismo ativo do citoplasma celular para a matriz mitocondrial. O mecanismo de acumulação de cálcio na matriz mitocondrial é de considerável importância na regulação da concentração de Ca2+ no citoplasma celular, que geralmente é
muito baixa.
Existem muitos outros sistemas transportadores (➔ vaivém) através da membrana mitocondrial interna, específicos para outras substâncias necessárias para as várias vias metabólicas da mitocôndria: por exemplo, piruvato para o ciclo do ácido cítrico. O sistema de transporte de ácidos graxos tem o efeito de manter separados os reservatórios extramitocondriais e intramitocondriais de ácidos graxos e coenzima A (CoA). Os ácidos graxos são ativados na membrana mitocondrial externa, enquanto sua oxidação ocorre na matriz mitocondrial; Como as longas moléculas de acil-CoA de cadeia de carbono não conseguem atravessar facilmente a membrana mitocondrial interna, elas são transportadas pela carnitina.
Outras funções das mitocôndrias As mitocôndrias estão envolvidas em inúmeras funções e processos biossintéticos (síntese de colesterol,
grupo heme de porfininas, etc.). As mitocôndrias representam o principal local de produção do ânion superóxido (•O2−), um radical de oxigênio que se forma durante o processo de fosforilação oxidativa. Para gerar energia, as mitocôndrias oxidam substâncias alimentares e reduzem o oxigênio a água; para realizar essa transformação, o O2 molecular necessita de 4 e essa transferência de elétrons não ocorre simultaneamente, mas sim um elétron por vez; quando a cadeia respiratória opera em altas velocidades, os elétrons escapam, resultando na geração de espécies intermediárias de oxigênio altamente reativas e instáveis, as “ROS”. a produção de ERO, especialmente exercícios intensos.
A célula possui sistemas de desintoxicação que permitem a eliminação de radicais livres: antioxidantes endógenos como vitaminas A, E e ácido ascórbico e enzimas como catalase e superóxido dismutase (SOD).
