Baixe Mitocôndria I - CEDERJ e outras Notas de aula em PDF para Biotecnologia, somente na Docsity! 26 Mitocôndria Ao fi nal desta aula, você deverá ser capaz de: • Conhecer as principais características das membranas e compartimentos mitocondriais. • Discutir a origem simbiótica de mitocôndrias e cloroplastos. a u l a OBJETIVOS Pré-requisitos Conhecer as características de fl uidez e permeabilidade das membranas biológicas. Saber as características de eucariotos e procariotos. aula_26.indd 89 15/7/2004, 16:51:08 Biologia Celular I | Mitocôndria CEDERJ90 INTRODUÇÃO Muito antes do surgimento dos seres eucariontes, todas as reações metabólicas que resultam na geração de energia já eram executadas em sistemas proca- riontes ou mesmo pré-bióticos. Nos seres vivos atuais, a energia produzida nesses sistemas é armazenada em moléculas como o ATP e o NADH.H+ e uti- lizada para geração de calor (nos seres homeotérmicos), movimentos (como o batimento ciliar), na síntese de novas moléculas e outros processos essenciais para a manutenção da vida celular. Duas organelas se destacam na produção de ATP para as células: mitocôndrias e cloroplastos. Estes últimos, você sabe, só existem nos vegetais e serão estudados mais adiante neste mesmo módulo. Nesta aula e na próxima, vamos tratar das mitocôndrias. Na disciplina de Bioquímica, você viu que as mitocôndrias produzem ATP, a principal molécula armazenadora de energia, em dois conjuntos de reações: o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. As mitocôndrias estão entre as organelas mais conhecidas, sendo estudadas há muito tempo. A razão do interesse tão antigo por essa organela pode estar baseada em dois fatores: – a facilidade com que as mitocôndrias podem ser visualizadas, já que estão acima do limite de resolução do microscópio óptico; – são muito antigos os registros do consumo de O2 e liberação de CO2 por células vivas, assim como a associação dessa atividade com a produção de ATP. Mitocôndria, ontem e hoje Mais de 100 anos após sua descoberta, sabemos muito sobre a produção de ATP nas mitocôndrias e conhecemos sua enorme importância para a sobrevivência das células. No entanto, essa interessante organela ainda pode nos surpreender: há menos de 10 anos foi descoberto e vem sendo estudado seu papel central na morte celular programada; ainda há muito por descobrir, como você vai saber em Biologia Celular II. AS MITOCÔNDRIAS EXISTEM EM TODAS AS CÉLULAS EU- CARIÓTICAS? As mitocôndrias estão presentes no citoplasma de quase todas as células eucarióticas, incluindo animais, vegetais, fungos, protozoários e algas. As exceções são protozoários que vivem em ambientes anaeróbicos: amebas, Giardia e Trichomonas. aula_26.indd 90 15/7/2004, 16:51:15 CEDERJ 93 A U LA 2 6 M Ó D U LO 5 Figura 26.3: Mitocôndrias alongadas em células de epitélio de caramujo obser- vadas ao microscópio de alta voltagem. As mitocôndrias são muito mais eletronden- sas do que o citoplasma e se concentram na região apical da célula. É possível observar cristas e ramifi cações. Foto de Pierre Favard. O número de MITOCÔNDRIAS presentes no citoplasma de uma célula eucariótica pode variar de algumas dezenas a milhares, dependendo da necessidade de energia daquele tipo celular naquele momento. Se a demanda por ATP se mantiver alta por algum tempo, a quantidade de mitocôndrias aumentará. PARA ONDE SE MOVEM AS MITOCÔNDRIAS? Você pode notar, comparando as Figuras 26.1 e 26.3, que o posi- cionamento das mitocôndrias no citoplasma das células varia muito. Na Figura 26.4, esquematizamos a distribuição de mitocôndrias nos dois tipos celulares das fotos citadas. Figura 26.4: Em células como os fi broblastos (a) as mitocôndrias se distribuem acompanhando os microtúbulos. Já no epitélio de absorção (b), as mitocôndrias se concentram na região apical, onde ocorre a absorção de nutrientes. Como assim, a quantidade de mitocôndrias aumenta? Quer dizer que elas proliferam? Sim! Elas se dividem independentemente do ciclo celular, ou seja, de modo não coordenado com a divisão da própria célula. Claro que você lembrou que as mitocôndrias têm DNA! Você também já conhece a hipótese de que as mitocôndrias se originaram de procariotos fagocitados pelo eucarioto ancestral (ou célula pré-eucariótica, reveja a Figura 15.3, na Aula 15) que se tornaram simbiontes. Ao longo desta aula, vamos colecionar semelhanças e diferenças entre mitocôndrias e procariotos. Segure só um pouquinho mais a curiosidade que a gente já vai conversar sobre isso, mais adiante. A MULTIPLICAÇÃO DAS MITOCÔNDRIAS aula_26.indd 93 15/7/2004, 16:51:20 Biologia Celular I | Mitocôndria CEDERJ94 Não apenas isso, na maioria das células, elas se deslocam muito, como se corressem ao longo dos microtúbulos para atender à necessidade de ATP em diferentes pontos da célula (Figura 26.4a). Em alguns teci- dos, essa necessidade é alta (Figura 26.4b) e muito localizada, fazendo com que as mitocôndrias fi quem “paradas” nesses locais. O “parada” está entre aspas porque mitocôndrias na verdade nunca estão paradas; mesmo sem se deslocar, elas têm uma vibração que resulta do grande movimento de cargas associado às suas membranas, como veremos na próxima aula. Bons exemplos de células em que as mitocôndrias estão imobilizadas são o espermatozóide e o tecido muscular cardíaco. No espermatozóide (Figura 26.5), todas as mitocôndrias se encontram na cauda, isto é, no fl agelo, enroladas ao redor do axonema. Como você provavelmente sabe, um espermatozóide precisa nadar sem parar no trato urogenital feminino, buscando o óvulo. Para garantir que não falte ATP para as dineínas fl agelares (veja a Aula 23), as mitocôndrias estão bem ali ao lado. Essa localização das mitocôndrias do espermatozóide somente no fl agelo tem uma conseqüência interessante: como na maioria dos processos de fertilização dos mamíferos o fl agelo do espermatozóide não entra no ovócito, todas as mitocôndrias do zigoto serão herdadas da mãe (herança uniparental). Figura 26.5: Esquema (a) e micrografi a (b) mostrando mitocôndrias ao redor do axo- nema do fl agelo do espermatozóide. Foto da coleção do Laboratório de Microscopia Eletrônica da Uerj. (a) (b) aula_26.indd 94 15/7/2004, 16:51:23 CEDERJ 95 A U LA 2 6 M Ó D U LO 5 No coração, as mitocôndrias fi cam comprimidas entre as miofi bri- las do músculo cardíaco, garantindo que não falte ATP para a contração. O substrato para a produção de ATP também pode estar associado, na forma de gotículas de gordura (Figura 26.6). Você já pensou se para contrair o músculo cardíaco dependesse da chegada de ATP por difusão, a partir de mitocôndrias que estivessem distantes? Figura 26.6: Esquema (a) e micrografi a (b) mostrando mitocôn- drias comprimidas entre as miofi brilas cardíacas, próximas a gotículas de lipídeo. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS DAS MEMBRANAS E COM- PARTIMENTOS MITOCONDRIAIS As mitocôndrias são delimitadas por duas membranas não coladas, uma externa e uma interna, que assim defi nem dois compartimentos, o espaço intermembranar e a matriz mitocondrial. As principais caracterís- ticas de cada um desses componentes foram estudadas separadamente, em experimentos de fracionamento celular (Figura 26.7). Em seguida, examinaremos essas características. (a) (b) aula_26.indd 95 15/7/2004, 16:51:24 Biologia Celular I | Mitocôndria CEDERJ98 Membrana mitocondrial interna – essa membrana, sim, é muito especial. É a bicamada lipídica mais fl uida e menos permeável de uma célula. Você lembra que as membranas são tanto mais fl uidas quanto mais fosfolipídeos com cadeias de ácido graxo curtas e insaturadas e menos colesterol tiverem? A bicamada da membrana mitocondrial interna tem fosfolipídeos com essas características e não possui nenhum colesterol. É importantíssimo que ela seja bastante fl uida porque o funcionamento da cadeia transportadora de elétrons depende do choque entre as moléculas. Já a quase impermeabilidade (quase, porque a membrana mitocondrial interna é permeável à água e a gases, como O2, CO2 e NO) é atribuída a um fosfolipídeo especial: a cardiolipina. A cardiolipina tem esse nome porque foi descrita primeiro em mitocôndrias do músculo cardíaco, mas depois foi encontrada em todas as mitocôndrias. Esse fosfolipídeo é resultado da junção de duas fosfatidilcolinas, formando um fosfolipídeo com quatro cadeias de ácido graxo (é quadrúpede!). Dessa forma, a área ocupada pela cabeça polar corresponde ao dobro do número de cadeias hidrofóbicas na região hidrofóbica da membrana (Figura 26.9). Figura 26.9: Esquema comparativo dos fosfolipídeos fosfatidilcolina, cardiolipina (verde) e uma bicamada lipídica semelhante à membrana mitocondrial interna. Quando se faz uma extração bioquímica que separa os lipídeos e as proteínas da membrana mitocondrial interna e depois se seca e pesa o conteúdo, constata-se que essa membrana tem muito mais proteínas do que lipídeos. É a maior relação proteína/lipídeo da célula (70/30). Não é difícil imaginar por que a membrana mitocondrial interna tem tantas proteínas: – é nela que ocorre a cadeia transportadora de elétrons, e seus componentes são proteínas da membrana interna; – é na membrana interna que está a enzima que sintetiza ATP, a ATP sintase, em grande número de cópias; aula_26.indd 98 15/7/2004, 16:51:27 CEDERJ 99 A U LA 2 6 M Ó D U LO 5 – se a bicamada lipídica da membrana interna é bastante imper- meável e, no entanto, é preciso que muitas moléculas cheguem à matriz e de lá saiam atravessando essa membrana, ela tem de ter muitos trans- portadores, carreadores etc. Matriz mitocondrial – o conteúdo da matriz mitocondrial é tão concentrado que não se espalha logo que a membrana mitocondrial interna é rompida, como representado na Figura 26.7. A matriz é como um colóide que vai se dispersando devagar. Como está isolada por uma membrana bastante impermeável, a matriz mitocondrial tem composição iônica muito particular. Seu pH, por exemplo, é bem maior que o do citoplasma, cerca de 8, porque a cadeia respiratória bombeia prótons para fora da mitocôndria, alcalinizando a organela (mas sem acidifi car o citoplasma, já que o volume deste é muito maior). O estado físico coloidal da matriz é resultado de uma grande concentração de macromoléculas, em que se destacam: a) proteínas solúveis: – as enzimas do ciclo de Krebs; – as enzimas que fazem a β-oxidação dos ácidos graxos; – a piruvato desidrogenase, complexo enzimático muito grande e abundante que é essencial para o funcionamento do ciclo de Krebs a partir de glicose (e que vamos ver na próxima aula); b) ácidos nucléicos: – DNA; – RNAs: ribossomais (rRNA), transportador (tRNA), e o equiva- lente ao mensageiro (mRNA). Na próxima aula, vamos abordar o metabolismo mitocondrial, com as proteínas e enzimas que dele participam, do ponto de vista celular. Por ora, vamos nos deter nos ácidos nucléicos encontrados na matriz mitocondrial. O GENOMA DAS MITOCÔNDRIAS E CLOROPLASTOS A descoberta de que mitocôndrias e cloroplastos (Aulas 28 e 29) possuem ácidos nucléicos (DNA e RNA) despertou enorme curiosidade entre os pesquisadores. Procuramos incluir nesta aula algumas das con- clusões dessas pesquisas, que tiveram enorme infl uência na elaboração das teorias sobre a evolução da vida em nosso planeta. aula_26.indd 99 15/7/2004, 16:51:28 Biologia Celular I | Mitocôndria CEDERJ100 Diferentemente do DNA nuclear, nas mitocôndrias e nos cloro- plastos essas moléculas são circulares (Figura 26.10a) e não possuem histonas, como o DNA de procariotos. Em cada organela, estão presentes várias moléculas de DNA iguais que geralmente estão associadas em pequenos grupos espalhados pela matriz mitocondrial (e pelo estroma dos cloroplastos). Por alguma razão, nos tripanosomatídeos, os círculos de DNA estão presos uns aos outros como os elos de uma corrente. Por isso, formam um aglomerado eletrondenso na região da mitocôndria que fi ca próxima à base do fl agelo (Figura 26.10b). Devido a essa proximidade, pensava-se que era uma estrutura ligada ao batimento fl agelar e deu-se a ela o nome de cinetoplasto (que signifi ca corpúsculo do movimento). Nesses protozoários, os genes contidos no cinetoplasto parecem ter relação com a infectividade do parasito e são muito estudados. Figura 26.10: Micrografi as de um círculo de DNA mitocondrial isolado (a) e do cineto- plasto (seta em b) do Trypanosoma cruzi, formado por vários círculos associados; M, mitocôndria; N, núcleo. Foto a, de David Clayton; foto b, de Isabel Porto Carreiro. As muitas moléculas de DNA de uma mitocôndria são produzi- das por replicação. No entanto, a replicação do DNA de mitocôndrias e cloroplastos não está regulada pelos mesmos mecanismos que a replicação do DNA nuclear. Além de replicadas, as moléculas de DNA de mitocôndrias e cloroplastos também são transcritas por enzimas próprias das organelas, produzindo RNAs que, por sua vez, são traduzidos por ribossomos também nas próprias organelas. Os ribossomos de mitocôndrias e cloroplastos são diferentes dos ribossomos citoplasmáticos. Especialmente os dos cloroplastos são semelhantes aos ribossomos de bactérias e conseguem até mesmo funcionar em conjunto com enzimas ou tRNA de bactérias. Quando a síntese de proteínas em mitocôndrias e cloroplastos começa, o primeiro aminoácido da cadeia é sempre formil-metionina, como nos procariotos, enquanto nos eucariotos o primeiro aminoácido é sempre metionina. Apesar dessas diferenças e do descompasso na replicação, a tradução nas mitocôndrias tem de ser bastante coordenada com a que ocorre no citoplasma, já que a grande maioria das proteínas das mitocôndrias está codifi cada no núcleo. Os poucos genes presentes na organela codifi cam De novo, os protozoários! aula_26.indd 100 15/7/2004, 16:51:28 CEDERJ 103 A U LA 2 6 M Ó D U LO 5 Talvez você tenha reconhecido algumas drogas na Figura 26.11, já que as drogas que inibem tradução nas mitocôndrias e cloroplastos são as mesmas que inibem a tradução em bactérias e por isso são usadas como antibióticos. Mas você não precisa achar que vai exterminar suas mitocôndrias tomando esses antibióticos, porque eles se concentrarão nas bactérias que têm uma taxa de tradução muito mais acelerada que as mitocôndrias. IMPORTAÇÃO DE PROTEÍNAS MITOCONDRIAIS Como você viu, a maioria das proteínas presentes em mitocôn- drias e cloroplastos está codifi cada no genoma nuclear e é sintetizada no citoplasma. Como vão parar dentro das organelas? Para entrar em mitocôndrias e em cloroplastos, as proteínas precisam ter seqüências sinal que serão reconhecidas por receptores na membrana externa das organelas. Isso lembra a entrada de proteínas no retículo endoplasmático, não lembra? Uma diferença muito marcante entre a entrada de uma proteína no retículo e na mitocôndria é que uma proteína só entra na mitocôn- dria depois que foi completamente sintetizada, ou seja, a importação de proteínas pela mitocôndria é pós-traducional. No entanto, assim como no retículo, a proteína precisa estar desenovelada para passar pelos translocadores mitocondriais. Por isso, uma proteína mitocondrial, mesmo depois de completamente sintetizada, continua ligada a várias chaperonas, que impedem o enovelamento precoce ou a agregação de várias proteínas (reveja esse conceito na Aula 18). As chaperonas só vão se soltar da proteína depois que ela for reconhecida pelos translocadores mitocondriais. Existem dois grupos de translocadores, os complexos TOM (Trans Outer Membrane, translocase de membrana externa) e TIM (Trans Inner Membrane, translocase de membrana interna) (Figura 26.12). Eles podem funcionar separadamente, só o TOM para proteínas de membrana externa e do espaço intermembranar e, TOM e TIM para proteínas de membrana interna e proteínas da matriz. aula_26.indd 103 15/7/2004, 16:51:30 Biologia Celular I | Mitocôndria CEDERJ104 Figura 26.12: Os complexos de importação mitocondriais t r a n s l o c a s e da membrana externa (TOM) e translocases de membrana interna (TIM). Vamos imaginar uma proteína de matriz mitocondrial. Ela é sinte- tizada no citoplasma, mantida desenovelada por chaperonas até que sua seqüência de sinal seja reconhecida por uma TOM (Figura 26.13). Figura 26.13: Importação de uma proteína da matriz mitocondrial. Uma vez reconhecidas, as chaperonas se soltam e a hidrólise de ATP por essas chaperonas contribui para que a TOM transporte a proteína para dentro. Logo que sua seqüência-sinal aparecer no espaço intermembranar, uma TIM vai reconhecê-la e translocá-la para a matriz com a ajuda da energia do gradiente de prótons da cadeia respiratória (Figura 26.13). Ao chegar à matriz, sua seqüência-sinal é cortada, e a conformação funcional é adquirida com a ajuda das chaperonas mito- condriais. Com certeza, esse mecanismo seria mais efi ciente se a passagem pelas duas membranas fosse consecutiva. Essa idéia é confi rmada pela existência de sítios de contato entre a duas membranas da mitocôndria, observada em algumas preparações especiais de microscopia eletrônica (Figura 26.14), e pela descoberta de que uma das TIM (a TIM 23) é uma proteína das duas membranas. aula_26.indd 104 15/7/2004, 16:51:30 CEDERJ 105 A U LA 2 6 M Ó D U LO 5 Figura 26.14: Observando ao microscópio eletrônico de alta voltagem um corte espesso de mitocôndrias do fungo Neurospora crassa preservadas por congelamento, é possível observar que as membranas externa e interna mantêm distância aproxi- madamente constante, exceto nos pontos de contato (no detalhe), que se acredita sejam os locais de importação de proteínas para a matriz mitocondrial. Foto de Daniela Nicastro (J. Struct. Biol. 129:48, 2000). ORIGEM SIMBIÓTICA DE MITOCÔNDRIAS E CLOROPLASTOS Agora que você já conhece melhor as características de mitocôn- drias e cloroplastos, podemos voltar à discussão sobre a origem dessas organelas. As mitocôndrias teriam se originado a partir da fagocitose de procariotos aeróbicos por eucariotos que não os destruíram e passaram a usufruir de grandes vantagens numa época em que o teor de oxigê- nio da atmosfera terrestre estava aumentando. Os novos eucariotos desenvolveram, então, uma relação de simbiose com os procariotos que fagocitaram e passaram a predominar porque podiam obter muito mais energia a partir dos substratos disponíveis. A aquisição das mitocôndrias também liberou a membrana plasmática das tarefas de produção de energia, possibilitando outras especializações que contribuíram muito para o aumento da complexidade dos eucariotos. Mas será que essa hipótese é verdadeira? Ainda não foi possível testá-la diretamente, já que ainda não se conseguiu “cultivar” mitocôn- drias e depois oferecê-las a um eucarioto sem mitocôndrias, como uma ameba, na tentativa de refazer o evento simbiótico. O estudo de outras aula_26.indd 105 15/7/2004, 16:51:31