MITOCÔNDRIA Prof. MSc LÍLIAN CARLA CARNEIRO UNIVERSIDADE ESTADUAL DE GOIÁS - UEG MITOCÔNDRIA

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Teoria endossimbiótica da origem das mitocôndrias - Bactérias púrpura Presença de duas membranas Divisão binária

Mitocôndria As mitocôndrias (do grego mito: filamento e chondrion: grânulo) estão presentes no citoplasma das células eucarióticas, sendo caracterizadas por uma série de propriedades morfológicas, bioquímicas e funcionais.

Morfologia Organelas cilíndricas rígidas e alongadas. Movem-se pelo citosol freqüentemente associadas a microtúbulos. Formam cadeias móveis ou permanecem fixas em uma posição. Fornecem ATP diretamente aos sítios onde o consumo de ATP é alto

Morfologia Membrana externa Espaço intermembranas Membrana interna Matriz mitocondrial Organização geral da mitocôndria. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

Composição Membrana externa e membrana interna: 2 compartimentos: matriz mitocondrial – líquido denso - e espaço intermembranas; Membrana externa (porinas); permeável a moléculas de até 5.000 daltons; Espaço intermembrânico - enzimas que usam o ATP para fosforilar outros nucleotídeos; Membrana interna - ácido graxo cardiolipina e componentes da cadeia respiratória; forma as chamadas cristas mitocondriais; ATP-sintase e Bomba de prótons; Matriz - centenas de enzimas, DNA, ribossomos, tRNAs; Quanto maior atividade metabólica da célula, maior será quantidade de mitocôndrias em seu interior. Uma célula hepática normal pode conter de 1.000 a 1.600 mitocôndrias, enquanto alguns ovócitos podem conter até 300.000. Possuem DNA, RNA e ribossomos próprios, tendo assim capacidade de auto-duplicar-se.

Dentro delas se realiza o processo de extração de energia dos alimentos (respiração celular) que será armazenada em moléculas de ATP (adenosina trifosfato). É o ATP que fornece energia necessária para as reações químicas celulares. Apresentam capacidade de movimentação, concentrando-se assim nas regiões da célula com maior necessidade energética.

COMPARTIMENTALIZAÇÃO Matriz: contêm uma mistura altamente concentrada de centenas de enzimas, incluindo aquelas necessárias à oxidação do piruvato e ácidos graxos e para o ciclo de Krebs. A matriz contêm também várias cópias do DNA mitocondrial, ribossomos mitocondriais essenciais, RNAt, e várias enzimas requeridas para expressão dos genes mitocondriais.

COMPARTIMENTALIZAÇÃO b. Membrana Interna: É desbobrada em numerosas cristas que aumentam grandemente a sua área superficial total. Ela contêm proteínas com três tipos de funções: 1. aquelas que conduzem as reações de oxidação da cadeia respiratória 2. um complexo enzimático chamado ATPsintetase, que produz ATP na matriz 3. proteínas transportadoras específicas, que regulam a passagem para dentro e fora da matriz. Uma vez que um gradiente eletroquímico é estabelecido, através dessa membrana pela cadeia respiratória, para direcionar a ATPsintetase, é importante que a membrana seja impermeável a maioria dos pequenos íons.

COMPARTIMENTALIZAÇÃO c. Membrana Externa: devido ao fato de conter uma grande proteína formadora de canais (chamada de porina), a membrana externa é permeável a todas as moléculas de 5.000daltons ou menos. - Outras proteínas existentes nesta membrana incluem as enzimas envolvidas na síntese de lipídeos mitocondriais e enzimas que convertem substratos lipídicos em formas que possam ser subseqüentemente metabolizados na matriz.

COMPARTIMENTALIZAÇÃO d. Espaço Intermembrana: esse espaço contêm várias enzimas que utilizam o ATP proveniente da matriz para fosforilar outros nucleotídeos.

COMPARTIMENTALIZAÇÃO

Eletromicrografia de uma mitocôndria de uma célula pancreática mostrando a membrana externa lisa e as numerosas invaginações da membrana interna chamadas de cristas. Notar também grânulos escuros de alta densidade no seio da matriz com diâmetro de 30 a 50 nm provavelmente constituído por um arcabouço protéico ou lipoprotéico ao qual se prendem íons de metais (cálcio e magnésio). Além desse componentes distingue-se com certa dificuldade no interior da matriz regiões filamentosas constituídas por filamento de DNA e ribossomos medindo 15nm de diâmetro

FUNÇÃO DA MITOCÔNDRIA: - Produção de Energia- as substancias nutritivas penetram nas mitocôndrias, onde reagem com o gás oxigênio, em um processo comparável à queima de um combustível. Essa reação recebe o nome de respiração celular. A partir daí é produzido energia em forma de ATP (adenosina trifosfato).  - Respiração Celular através do Ciclo de Krebs e da Cadeia respiratória. A mitocôndria realiza a maior parte das oxidações celulares e produz a massa de ATP ( energia celular) das células animais. Na mitocôndria o piruvato e os ácidos graxos são convertidos em acetil-CoA que são oxidados em CO2, através do ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico). Grandes quantidades de NADH e FADH2 são produzidas por essas reações de oxidação. A energia disonível, pela combinação do oxigênio com os elétrons reativos levados pelo NADH e pelo FADH2, é regulada por uma cadeia transportadora de elétrons na membrana mitocondrial interna denominada de cadeia respiratória.

A cadeia respiratória bombeia prótons ( H+) para fora da matriz para criar um gradiente eletroquímico de hidrogênio transmembrana. O gradiente transmembrana, por sua vez, é utilizada para sintetizar ATP e para dirigir o transporte ativo de metabólitos específicos através da membrana mitocondrial interna. A combinação dessas reações é responsável por uma eficiente troca ATP-ADP entre a mitocôndria e o citosol de tal forma que o ATP pode ser usado para prover muitas das reações celulares dependentes de energia.

Produção de energia a partir da luz e dos alimentos MITOCÔNDRIA Produção de energia a partir da luz e dos alimentos

OXIDAÇÃO MITOCONDRIAL É alimentada pelo piruvato originado pela glicólise no citosol ou a partir de ácidos graxos. Ambos são transportados seletivamente para a matriz onde são quebrados em acetil coenzima A (acetil CoA) CH3 CoA S C grupo acetil O

OXIDAÇÃO MITOCONDRIAL As células animais armazenam ácidos graxos na forma de gorduras e glicose na forma de glicogênio. Os ácidos graxos são oxidados a acetil CoA que é introduzido no cíclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. Na via glicolítica (citosol), a molécula de glicose (6 carbonos) é convertida em duas moléculas de piruvato de 3 carbonos. Na matriz mitoondrial, o piruvato é convertido em acetil CoA.

Substratos: moléculas de gordura, carboidratos e O2 Mitocôndria Substratos: moléculas de gordura, carboidratos e O2 Produtos: CO2 e H2O A mitocôndria e o cloroplasto como máquinas conversoras de energia elétrica. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

OXIDAÇÃO MITOCONDRIAL CH3C O COO- A B C NAD+ NADH + H+ Acetil CoA SCoA CoASH CO2 piruvato

Produção de energia Respiração celular: Processo de oxidação Gás oxigênio atua como agente oxidante de moléculas orgânicas Energia das moléculas orgânicas: Liberada pouco a pouco (aproveitamento) Sequência ordenada de reações químicas Armazenamento em forma de ATP Mitocôndria Organela conversora de energia Suporte ao transporte de elétrons Bomba de prótons

ETAPAS DE OXIDAÇÃO DA GLICOSE Glicólise Ciclo de Krebs Fosforilação Oxidativa Citoplasma Mitocôndria Independente de O2 Dependente de O2

Glicólise Gerar 4 ATP consumindo 2 ATP 2 NADH duas moléculas de piruvato

Ciclo de Krebs Ciclo do ácido cítrico Oxidação do Grupamento acetílico da Acetil coA Gera NADH, FADH2, CO2 e elétrons de alta energia Complexo piruvato desidrogenase Ciclo de oxidação dos ácidos graxos – 4 enzimas da matriz

CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

Ciclo do Ácido cítrico. Alberts et al Ciclo do Ácido cítrico. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 7 Reações sequenciais

O Ciclo do ácido cítrico ou de Krebs, oxida o grupo acetil da Acetil CoA gerando NADH e FADH2. A oxidação de gordura libera + de 6X + energia do que a mesma massa de carboidratos.

Fosforilação oxidativa Síntese de ATP acoplada à reoxidação das moléculas de NADH e FADH2 Liberação de elétrons com alto nível de energia Condução dos elétrons: 4 complexos de proteínas presentes na membrana interna Cada complexo da cadeia tem uma afinidade maior para elétrons do que o predecesor Condução dos elétrons até O2

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Os e- derivados de NADH são passados para o primeiro de uma série de 15 carreadores na cadeia respiratória. Os e- iniciam com energias muito altas e gradativamente as perdem ao longo da cadeia. A energia liberada pela passagem de e- ao longo da cadeia respiratória é armazenada na forma de um gradiente eletroquímico de prótons através da membrana interna.

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

Fosforilação oxidativa

Fosforilação oxidativa O gradiente eletroquímico de prótons exerce uma força próton-motriz que é utilizada para produzir ATP Mecanismo geral da fosforilação oxidativa. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Gradiente eletroquímico de prótons: Síntese de ATPs e transporte ativo de proteínas, substratos, íons; Proteínas carreadoras de membrana: transporte ativo de moléculas (contra o gradiente) - co-transporte de outra molécula (a favor do gradiente). H+

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Todas as bactérias utilizam mecanismos quimiosmóticos para produzir energia tendo como último aceptor de elétrons várias substâncias: O2, nitrato ou nitrito, sulfato ou sulfito, fumarato ou carbonato

Força Motriz

Determinação dos componentes das membranas Maioria dos elementos da cadeia respiratória estão na membrana interna das mitocôndrias; Determinação da composição bioquímica de cada uma das membranas e separação dos componentes da cadeia respiratória; Partículas submitocondriais podem ser isoladas de mitocôndrias.

A ATP sintetase (F0F1 ATPase) pode ser ser purificada e adicionada à membranas artificiais (possui por volta de 9 polipeptídeos com +/-500.000 Daltons que correspondente a 15% da proteína total da membrana interna); A porção transmembrana (F0) funciona como uma carreador de H+ e a voltada para a matriz (F1ATPase) normalmente sintetiza ATP quando íons H+ passam por ela a favor de seu gradiente. ATP sintetase. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

Regulada pelo gradiente eletroquímico de prótons A ATP sintetase pode funcionar na direção contrária e consumir ATP e bombear H+ Regulada pelo gradiente eletroquímico de prótons Balanço exato da D da energia livre para a translocação de H+ através da membrana e para síntese de ATP Aproximadamente 1 ATP é formado para cada 3 H+ que passam pela ATP sintetase A ATP sintetase é uma máquina acopladora reversível. Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

Tempo de vida - ~10dias numa célula de fígado Independência Próprio DNA - Uma fita de DNA circular - 16.500 bps (animal) 10 a 150 vezes mais DNA (vegetal) Codifica.. - 2 rRNA, 22 tRNA, 13 cadeias polipeptídica Próprios ribossomos DNA Ribossomos

Conduzem replicação, transcrição e síntese protéica Genomas de mitocôndrias Organização do genoma mitocondrial humano. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. Conduzem replicação, transcrição e síntese protéica

Origem dos RNAs e proteínas mitocondriais. Alberts et al Origem dos RNAs e proteínas mitocondriais. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

Algumas doenças mitocôndriais O efeito fenotípico de mutações mitocondriais reflete a extensão da dependência de um certo tecido à fosforilação oxidativa. O sistema nervoso central é o mais sensível, seguido do músculo esquelético, rim e fígado - Algumas doenças são: Leber’s hereditary optic neropathy (LHON) - Perda da visão e disritmia cardíaca. Myoclonic epilepsy and ragged red fiber disease (MERRF) - Anormalidades no sistema nervoso central e deficiências na função dos músculos esquelético e cardíaco. Kearns-Savre syndrome - Sintomas neuromusculares incluindo paralisia dos músculos do olho, demência e ataques.

MET de células com miopatia mitocondrial.

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