Mitocondria - Apostilas - Biotecnologia_Parte1, Notas de estudo de Biotecnologia. Universidade de São Paulo (USP)
Raimundo
Raimundo15 de março de 2013

Mitocondria - Apostilas - Biotecnologia_Parte1, Notas de estudo de Biotecnologia. Universidade de São Paulo (USP)

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Apostilas de Biotecnologia sobre o estudo da Mitocondria, formas e números, movimento, características e compartimentos, Membrana mitocondrial externa e interna.
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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.

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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.

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MITOCÔNDRIAS EM FORMAS E NÚMEROS

Como já mencionamos anteriormente, é possível observar

mitocôndrias ao microscópio óptico sem qualquer tipo de processamento

ou coloração porque seu tamanho, entre 0,5 e 1µm, está acima do limite

de resolução do microscópio. Além disso, a observação de mitocôndrias

também foi facilitada pela descoberta de que um corante histológico,

o verde Janus, associa-se especifi camente a essa organela. Mas, para

usar o corante, as células precisam ser fi xadas; portanto, estarão mortas

quando forem observadas. Assim, foi possível observar que o número de

mitocôndrias variava entre diferentes tipos celulares; da mesma forma,

também era evidente que algumas mitocôndrias eram mais arredondadas,

outras mais alongadas. A maioria dos tipos celulares possui muitas

mitocôndrias, de novo com exceção de alguns PROTOZOÁRIOS(vide box).

Pelo menos dois grupos

de PROTOZOÁRIOS, os tripanosomatídeos – que incluem o Trypanosoma cruzi, agente da doença de Chagas, e as Leishmanias, que causam as leishmanioses tegumentar e visceral – e os Apicomplexa – que incluem Toxoplasma e Plasmodium, agentes causadores, respectivamente, da toxoplasmose e da malária – possuem apenas uma mitocôndria. Nesses protozoários, a mitocôndria é bastante grande e pode ser ramifi cada.

MITOCÔNDRIAS EM MOVIMENTO

Depois que foi possível observar as mitocôndrias em células vivas,

os pesquisadores se surpreenderam com a dinâmica dessas organelas:

elas se dividem por fi ssão e também se fundem com muita freqüência,

de modo que o número de mitocôndrias numa célula é o resultado do

equilíbrio entre a fi ssão e a fusão das várias mitocôndrias existentes.

O aperfeiçoamento das técnicas de videomicroscopia e a descoberta

de um CORANTE VITAL fl uorescente, a rodamina 123, que se concentra

em mitocôndrias apenas se elas estiverem funcionando, permitiu a

observação da distribuição das mitocôndrias nas células, seu formato

alongado, o equilíbrio dinâmico entre fi ssão e fusão das organelas e seu

deslocamento, rápido e direcionado.

CORANTE VITAL

É aquele que só cora células vivas. Existe

ainda outra classe de corante que evidencia

células vivas: os corantes de exclusão.

As células vivas são capazes de impedir a entrada dos corantes

de exclusão, que assim só entram em células

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Usando a rodamina 123, foi possível observar que as mitocôndrias

são capazes de se deslocar usando microtúbulos como trilhos (Figura

26.1) e, diferentemente de outras organelas que também se deslocam

usando o citoesqueleto (por exemplo, vesículas secretórias), as mitocôn-

drias se deslocam nas duas direções, para a extremidade minus ou para

a extremidade plus, associando-se ora à dineína ora à kinesina.

Figura 26.1: Distribuição das mitocôndrias (a) num fi broblasto vivo corado com rodamina 123. Note o formato alongado das organelas. Depois de fi xada, a mesma célula foi incubada com anticorpos antitubulina num procedimento de imunofl uo- rescência (b), que revelou a grande coincidência entre a distribuição de mitocôndrias e microtúbulos. Fotos: Lan Bo Chen.

Evidentemente, a ultra-estrutura das mitocôndrias só pode ser

observada ao microscópio eletrônico. Em cortes ultrafi nos, observamos

que as mitocôndrias possuem duas membranas, a mais interna, com inva-

ginações chamadas cristas, e uma matriz eletrondensa (Figura 26.2).

Figura 26.2: Micrografi a eletrônica de transmissão de um corte ultrafi no de mitocôndria. Note as invaginações da membra- na mitocondrial interna, formando as cristas, e a matriz eletrondensa. Foto: Daniel Friend.

No entanto, só a observação em microscópio de alta voltagem

(veja a Aula 2) permitiu a visualização do formato alongado e fi no das

mitocôndrias, com ramifi cações que podem ser processos de fi ssão ou

de fusão (Figura 26.3).

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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

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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.

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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)

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Figura 26.7: Separação dos componentes mito- condriais por fraciona- mento celular.

Membrana mitocondrial externa – é uma membrana cuja

bicamada lipídica não possui características especiais, assemelhando-

se à bicamada lipídica do retículo endoplasmático. Já as proteínas

inseridas nessa membrana são especiais. Podemos citar como típica dessa

membrana e essencial para o funcionamento da organela a presença da

porina. A porina é uma proteína transmembrana (reveja a Figura 8.8)

que tem uma conformação tridimensional tão diferente que forma um

poro hidrofílico, permitindo a passagem de moléculas com até 5000

DALTONS pela membrana mitocondrial externa. Ou seja, devido à presença

da porina, a membrana mitocondrial externa não forma uma barreira

para íons e pequenas moléculas. Curiosamente, a porina da membrana

mitocondrial externa é muito similar a proteínas formadoras de poros

encontradas na membrana de bactérias Gram negativas.

DALTON

É uma unidade de massa ou raio molecular, que expressa a velocidade com que uma molécula sedimenta por ultracentrifugação. A velocidade de sedimentação varia também com as características do líquido em que ela está dissolvida (densidade, viscosidade), e a velocidade de ultracentrifugação.

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Além da porina, a membrana externa da mitocôndria possui com-

plexos transportadores que reconhecem seqüências sinalizadoras para

importação de proteínas e as transportam do citoplasma para dentro da

mitocôndria. Vamos conhecer mais sobre esses complexos adiante.

Espaço intermembranar – como a membrana externa não forma uma

barreira, a composição iônica desse compartimento é semelhante à do cito-

plasma. Esse espaço nada teria de especial, não fosse a presença dos comple-

xos enzimáticos de interconversão de nucleotídeos. Parece complicado? Na

verdade só as palavras são complicadas. Você já viu, em Bioquímica, e vamos

relembrar na próxima aula, que o metabolismo mitocondrial produz muito

ATP, mas só uma molécula de GTP por volta do ciclo de Krebs. Você já sabe

também que a célula usa GTP e outros nucleotídeos trifosfatados em vários

processos de sinalização interna para polimerizar microtúbulos, para transpor-

tar vesículas etc. Claro que a produção mitocondrial de GTP não ia dar nem

para a saída! Mas a esperta da mitocôndria consegue transferir o fosfato do

ATP diretamente para um GDP, formando GTP (e ADP, claro, mas este volta

para a matriz mitocondrial para ser refosforilado). Isso também funciona para

formar CTP e UTP, nucleotídeos usados na adição de açúcares. Essa conversão

é irreversível, isto é, os outros nucleotídeos não conseguem devolver o fosfato

para o ADP. Os complexos enzimáticos que fazem isso são solúveis, mas são

grandes demais para sair pela porina, e assim fi cam presos logo ali no espaço

entre as membranas (Figura 26.8), esperando os ATPs recém-formados para

“roubar” o fosfato de alguns e transferir para GDP, CTP e UTP (não parece

a história do Robin Hood, que tirava dos ricos para dar aos pobres?).

O ATP, adenosina trifosfato, é o nucleo- tídeo fosfatado mais conhecido na geração de energia. Além dele, existem também o GTP, guanid ina trifosfato, importante na polimerização de microtúbulos e na sinalização celular; o CTP, citosina trifosfato, e o U T P, u r i d i n a trifosfato, que atuam na adição de açúcares.

Figura 26.8: Os complexos enzimáticos existentes no espaço intermembranas transferem o fosfato de parte do ATP produzido para outros nucleotídeos, como o UDP e o GDP.

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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;

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