MITOCÔNDRIA

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

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

3. 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.

4. 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

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

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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 respiratória2. um complexo enzimático chamado ATPsintetase, que produz ATP na matriz3. 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.

10. 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.

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

12. COMPARTIMENTALIZAÇÃO

13. 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

14. 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.

15. 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.

16. MITOCÔNDRIA • Produção de energia a partir da luz e dos alimentos

17. 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

18. 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.

19. 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.

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

21. 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

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

23. Glicólise • Gerar • 4 ATP consumindo 2 ATP • 2 NADH • duas moléculas de piruvato

24. 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

26. CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

27. 7 Reações sequenciais Ciclo do Ácido cítrico. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.

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

29. 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

30. 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.

31. FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

32. Fosforilação oxidativa

33. 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.

34. H+ H+ H+ H+ 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).

35. 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

36. Força Motriz

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. Ribossomos DNA 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

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

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

44. 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.

45. MET de células com miopatia mitocondrial.

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