Ultra-estrutura - Métodos de Estudo - Biogênese Mitocôndrias Ultra-estrutura - Métodos de Estudo - Biogênese Disciplina: Biologia Celular Curso: Ciências Biológicas (UNESP/IBILCE) Docente: Maria Tercília V. A. Oliveira Pós-graduanda: Rita Luiza Peruquetti (PPG Genética)

Histórico Características Gerais Ultra-estrutura Biogênese Métodos de Estudo Fisiologia Doenças de DNAmt e herança materna

I. HISTÓRICO

Células de rim e fígado  Método de Régaud 1840 - descoberta Células de rim e fígado  Método de Régaud arredondados alongados Termo grego  mitos (alongado) + chondrion (pequeno grânulo) 1948 – isolamento dessas organelas na forma intacta 1960 – esclarecimento da função

Mitocôndrais arredondadas Mitocôndrais alongadas

II. CARACTERÍSTICAS GERAIS

A energia para as atividades metabólicas é produzida graças à energia contida nas moléculas de glicose e ácidos graxos. 1 mol glicose 1 mol ácido palmítico 38 mol ATP 126 mol ATP Nas células vegetais os compostos orgânicos são sintetizados por meio da fotossíntese.

Processos de transporte de elétrons. (A) A mitocôndria converte energia de combustíveis químicos. (B) O cloroplasto converte energia da luz do sol. Substratos Produtos

A energia é armazenada sob a forma de ATP (adenosina 5’ trifosfato) Células eucariontes obtêm energia por meio da ruptura gradual de ligações covalentes de moléculas de compostos orgânicos ricos em energia A energia é armazenada sob a forma de ATP (adenosina 5’ trifosfato)

Fosforilação de outras moléculas; Transporte de substâncias para dentro e para fora das células; Energia para moléculas motoras; Transporte de materiais nos neurônios.

Forma arredondada ou alongada Diâmetro: 0,5 a 1 µm Comprimento: 0,5 a 10 µm Organelas móveis Fixas em determinadas células Epitélio ciliado: próximas aos cílios Espermatozóides: ao redor do flagelo Músculo estriado: entre os feixes de miofibrilas Células sensitivas da retina Células dos túbulos contorcidos distais

Ovócitos e espermatozóides

Células sensitivas da retina Paramécio Músculo estriado Traquéia Células sensitivas da retina

Túbulos contorcidos renais Coloração de Altmann HE Túbulos contorcidos renais As mitocôndrias encontram-se nos túbulos contorcidos do rim, onde atuam fornecendo energia para a bomba de sódio-potássio, que tem papel fundamental no equilíbrio ácido-básico do organismo.

Também podem estar associadas a grânulos de gordura

Tipo celular Nº Mitocôndrias Número  Extremamente variável  demanda energética Tipo celular Nº Mitocôndrias Ovócito 300.000 Ameba gigante 10.000 Hepatócitos 500 a 1600 Células renais 300 Espermatozóides 25 Algas verdes 1

III. ULTRA- ESTRUTURA

Espaço intermembranas Membrana externa 50 % de lipídios 50% de proteínas - várias enzimas - Porina  permeabilidade a todas as móleculas de 5000 daltons ou menos. Lisa Rica em colesterol Espaço intermembranas Composição química semelhante a do citoplasma Várias enzimas

Membrana interna Rica em cardiolipina Termogenina 20% de lipídios 80% de proteínas com 3 tipos de funções 1. Aquelas que conduzem as reações de oxidação da cadeia respiratória. 2. Complexo enzimático = ATP-sintase 3. Proteínas transportadoras específicas, que tornam a membrana menos permeável, portanto possui maior seletividade.

Matriz Composição química seletiva = conteúdo altamente especializado Centenas de enzimas - oxidação do piruvato - oxidação de ácidos graxos - ciclo do ácido cítrico Grânulos eletrodensos = grumos contendo íons Ca++ e Mg++

Aparato genético - DNA circular (1% do DNA do núcleo) - RNAm - RNAt - RNAr (mitorribossomos) * Replicação * Transcrição * Tradução de proteínas - 13 proteínas

IV. BIOGÊNESE

Início da vida na Terra: ausência de O2 Surgimento da respiração aeróbia: 2 bilhões de anos

Bactérias aeróbias que estabeleceram relação simbiótica com células eucariontes anaeróbias

Uso do antibiótico cloranfenicol

Mitocôndrias apresentam um genoma próprio, embora incompleto 16.569 nucleotídeos 37 genes 2 RNAr 22 RNAt 13 RNAm

V. MÉTODOS DE ESTUDO

Microscopia de Luz

fosfotungstato de sódio material fixado Solução metal pesado  acetato de uranila eletrodensas embeber Acúmulo material Microscopia eletrônica * Contrastação positiva material Solução aquosa sal eletrodenso  fosfotungstato de sódio regiões claras e fundo eletrondenso Não penetração de sal * Contrastação negativa

Análise de localização de enzimas nos componentes das mitocôndrias

VI. FISIOLOGIA

Grande importância e eficiência das mitocôndrias Na glicólise: 1 mol glicose  2 mol ATP Nas mitocôndrias: 1 mol glicose  30 mol ATP

Queima de açúcar na célula (açúcar + O2) gera CO2 e H2O e transfere energia para moléculas carreadoras ativadas (ATP e NADH)  hipótese quimiosmótica Glicose é degrada em etapas para não ocorrer toda a dissipação da energia sob a forma de calor ATP é produzido no citosol e nas mitocôndrias Quebra das moléculas de alimentos ocorre em 3 estágios: Digestão: intestino / lisossomos Glicólise: citosol Fosforilação oxidativa: mitocôndrias

Cadeia transportadora de elétrons

Processos de conversão de energia NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O ADP + Pi ATP + H2O Processos de conversão de energia

Estrutura do complexo ATP-sintase H+ voltam para a matriz pelo complexo ATP-sintase e geram energia para a seguinte reação: ADP + Pi  ATP Estrutura da ATP-sintase

Acoplamento quimiosmótico Acoplamento quimiosmótico. A energia proveniente da luz solar ou da oxidação de alimentos é primeiramente utilizada para criar um gradiente eletroquímico de prótons através de uma membrana. Esse gradiente serve como estoque versátil de energia e é utilizado para dirigir uma série de reações nas mitocôndrias, nos cloroplastos e nas bactérias.

3 H+ ou 4 H+ devem passar pelo complexo F1F0 para que 1 mol de ATP seja produzida; Ocorre a produção de aproximadamente 100 mol ATP/s; 1 mol ATP é transportada para fora da mitocôndria e retorna a ela (como ADP) para ser “recarregada” mais de uma vez por minuto; A quantidade de ATP deve ser maior do que a quantidade de ADP na célula para haver a compatibilidade com a vida; ATP sintase pode trabalhar na ordem inversa: ATP  ADP + Pi

VII. DOENÇAS DE DNA MITOCONDRIAL E HERANÇA MATERNA

+ 74 genes codificados pelo DNA nuclear 2 RNAr RNA e proteínas codificados pelo DNAmt (37 genes) 22 RNA t 13 RNAm (enzimas da fosforilação oxidativa) + 74 genes codificados pelo DNA nuclear Doenças que envolvem fosforilação oxidativa podem decorrer de mutações no DNAmt ou no DNA nuclear

Mutações no DNA nuclear Mutações no DNAmt 23 23 46 Pai e mãe transmite a característica para prole Mãe transmite a característica para prole As mutações no DNAmt em geral afetam os tecidos que precisam de uma FO intacta para atender as altas demandas energéticas

Mutação mais frequente no DNAmt Doença Fenótipo Mutação mais frequente no DNAmt Neuropatia óptica hereditária de Leber Morte rápida do nervo óptico, levando à cegueira na vida adulta e jovem Substituição Arg340His no gene ND1 do complexo I da cadeia de transporte de elétrons; outras mutações de sentido trocado no compelxo I NRP, doença de Leigh Neuropatia, ataxia, retinite pigmentosa, retardo de desenvolvimento, retardo mental, acidemia lática Mutações de ponto na subunidade ATPase do gene 6 MELAS Encefalopatia mitocondrial, acidose lática e episódios tipo derrame; pode se manifestar apenas como diabetes melito Mutações de ponto no RNtLeu MERRF Epilepsia mioclônica, fibras vermelhas anfractuadas no músculo, ataxia, surdez neurossensorial Mutações de ponto no RNtLis Surdez Surdez neurossensorial progressiva, em geral induzida por antibióticos aminoglicosídicos Mutação A1555G no RNAr 12S Oftalmoplegia externa progressiva crônica (CPEO) Surdez neurossensorial não-sindrômica, fraqueza progressiva dos músculos extra-oculares Mutação A7445G no RNAr 12S Síndrome de Pearson Insuficiência pancreática, pancitopenia, acidose lática Grandes deleções Síndrome de Kearns-Sayre (KSS) PEO de início precoce com bloqueio cardíaco, pigmentação da retina Grande deleção de 5kb

Miopatias Aumento mitocôndrias no tecido muscular esquelético Doença de Luft Aumento mitocôndrias no tecido muscular esquelético Aumento metabolismo basal Hipertireoidismo Formação de pouco ATP (mais calor) “A forma mais benigna de miopatia mitocondrial pode causar só fraqueza proximal leve, que tende a ser mais intensa nos membros superiores. Há intolerância ao exercício em quase metade dos pacientes. A progressão é extremamente lenta e o paciente pode levar vida praticamente normal.” : www.fcm.unicamp.br/.../ musmiopmitoc.html

Succinato Desidrogenase HE Tricrômico de Gömöri Succinato Desidrogenase MET

Miopatia mitocondrial infantil Doença fatal Lesão músculos esqueléticos e disfunção renal Ausência de enzimas na cadeia transportadora de elétrons “Na extremidade grave do espectro está uma miopatia infantil com fraqueza e acidose láctica que se torna evidente já na 1ª semana de vida e é fatal antes de 1 ano. A atividade de citocromoxidase é praticamente ausente no tecido muscular.” : www.fcm.unicamp.br/.../ musmiopmitoc.html

Site consultado: Livros consultados: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?CMD=search&DB=books Livros consultados: A Célula (2007) Biologia Celular e Molecular – JUNQUEIRA E CARNEIRO (2000) Biologia Molecular da Célula – ALBERTS (2004) Molecular Biology of the cell – ALBERTS (1994) The Cell : A Molecular Approach – GEOFFREY M. COOPER (2000) Genética médica – THOMPSON & THOMPSON (2002) Color Atlas of Genetics – EBERHARD PASSARGE (1995)