MITOCÔNDRIA - University of São Paulo

Biologia Celular e Molecular para Nutrição e Metabolismo RNM 0003

MITOCÔNDRIA

Vanessa Cristina Arfelli

Doutoranda Laboratório de Investigação Molecular do Câncer – LIMCa

Ribeirão Preto-SP

25.04.18

Por que comemos?

Por que respiramos?

O que você sabe sobre a mitocôndria???

O que você sabe sobre a mitocôndria???

O que os antioxidantes têm a ver

com isso?

Mitocôndria: Evolução

• Célula eucariótica primitiva fagocita uma bactéria.

• Inicialmente vivem em simbiose = teoria da Endossimbiose, Lynn Margulis.

Que tipo de bactéria?

Características da mitocôndria

• Genoma e maquinaria para síntese de RNA e proteína próprios;

• Genoma mitocondrial humano 16.569 bp, 37 genes

• Crescimento e fissão semelhante a bactérias. Pode haver fusão.

• Dupla membrana

As mitocôndrias são “usinas” produtoras de energia: ATP

A hidrólise do último grupo fosfato libera muita energia!

Geração de ATP primitiva

1 – Procariotos e eucariotos primitivos: consumiam moléculas orgânicas geradas geoquimicamente

Produzia ATP por fermentação

Glicólise Mecanismo ancestral ( e conservado atualmente) de geração de ATP em condições anaeróbias.

2 moléculas de ATP (líquido) 2 moléculas de piruvato

Citoplasma

Fermentação

O piruvato gerado na glicólise é reduzido à lactato (ácido lático).

Evolução da síntese de ATP baseada em membranas

2 – Sem O2 , transferência de e- para NADH ou NADPH, gerando subprodutos reduzidos (ácido lático ou fórmico).

Acidificou o ambiente Surgimento de bombas de H+

Consumo de ATP

3 – Escassez de nutrientes :

Pressão seletiva vantagem para transporte

de H+

sem consumo de ATP

Evolução da síntese de ATP baseada em membranas

3 – Transporte de H+ muito eficiente

Acúmulo de energia Retorno para o citosol

Geração de ATP

Evolução da síntese de ATP baseada em membranas

Qual a consequência do surgimento da

fosforilação oxidativa para a vida

na Terra? Vantagem do surgimento da fosforilação oxidativa: gerar mais ATP em um ambiente que estava ficando escasso de nutrientes.

Glicólise: aproveita apenas 10% da energia livre total potencialmente disponível.

Características morfológicas da mitocôndria

Matriz: Contém enzimas, várias cópias do DNA mitocondrial,

ribossomos mitocondriais especiais, RNAt.

Membrana interna: dobrada em numerosas cristas.

Contém proteínas da cadeia de transporte de elétrons, ATP sintase e proteínas transportadoras de metabólitos. Impermeável a íons e maioria das pequenas moléculas carregadas.

Membrana externa: contém porinas (permeáveis a

moléculas < 5 kDa) e enzimas da síntese e conversão de lipídios.

Espaço intermembranas: contém enzimas que

utilizam ATP proveniente da matriz para fosforilar outros nucleotídeos. Quimicamente equivalente ao citosol.

Mecanismo aeróbio de geração de ATP

Glicólise • Gera piruvato • Gera ATP e NADH

Citoplasma 1

Membrana interna

• Cadeia transportadora de e-

• Fosforilação oxidativa 3

• Ciclo de Krebs : gera NADH, FADH2, GTP e CO2.

• Conversão do piruvato em Acetil-CoA pelo complexo Piruvato desidrogenase

Matriz 2

Moléculas carreadoras de elétrons: NADH e FADH2

NAD+

Os e- de alta energia são transferidos para a membrana mitocondrial interna. A perda de e- regenera NAD+ e FAD+, necessários para a continuação do metabolismo oxidativo.

A transferência de elétrons ocorre por reações redox

O potencial redox é uma medida das afinidades eletrônicas

Devido à ligação de alta energia de seus elétrons, a variação de energia livre para a passagem de seus elétrons para outras moléculas é favorável.

NADH/NAD+ = baixo potencial redox (mais negativo)

reduzido oxidado

Acoplamento quimiosmótico

Cadeia transportadora de elétrons Fosforilação oxidativa

Visão geral

Os complexos enzimáticos respiratórios formam a cadeia transportadora de elétrons

Gradiente de concentração de H+ (gradiente de pH)

Potencial de membrana

Transferência dos e- é energeticamente favorável

Os prótons são prontamente movidos pela transferência de elétrons

Cadeia de moléculas de água

De onde vêm os prótons transportados?

Cadeia transportadora de elétrons

Quinona : carreador não proteico hidrofóbico

Pode receber diretamente os e- de FADH2 gerado pelo ciclo do ácido cítrico ou oxidação dos ácidos graxos.

As proteínas carreadoras de e- possuem centros metálicos

Centros de ferro-enxofre

Grupos heme

O oxigênio é o aceptor final de elétrons

Por que a NADH não doa os e- diretamente para o O2?

Queda brusca de energia livre Toda energia liberada na forma de calor

A transferência gradual de e- permite que mais da metade da energia liberada seja estocada.

A citocromo oxidase catalisa a redução do oxigênio

4 e- + 4 H+ + O2 = 2 H2O 4 H+ bombeados

A citocromo oxidase é crucial para a vida aeróbica

A citocromo oxidase prende firmemente a molécula de oxigênio até que 4 elétrons estejam disponíveis

Previne o ataque do superóxido a outras macromoléculas

Altamente reativo!

O bombeamento de H+ para o espaço intermembranas cria um forte gradiente eletroquímico

É energeticamente favorável para os H+ fluírem de volta para a matriz mitocondrial!

O gradiente de prótons promove a síntese de ATP – fosforilação oxidativa

ATP sintase cria uma rota hidrofílica que permite aos prótons fluir a favor do seu gradiente eletroquímico.

O movimento dos prótons através do carreador causa uma rotação na haste dentro da cabeça e induz a produção de ATP.

Transporte acoplado ao fluxo de H+

A maior parte da energia das células eucarióticas é gerada pelo metabolismo aeróbio

A ATP sintase pode ter atividade inversa: hidrólise de ATP para bombear H+ contra o gradiente

Depende da magnitude do gradiente eletroquímico de prótons por membrana na qual ela está.

Mecanismo importante em bactérias aeróbicas facultativas.

ROS (Reactive Oxygen Species)

Murphy, M.P. How mitochondria produces reactive oxygen species. Biochemical Journal, 2009.

Quando ocorre a geração de ROS?

Quando a quantidade de radicais livres supera a quantidade de antioxidantes, temos o ESTRESSE OXIDATIVO.

Consequências do estresse oxidativo

• Doenças cardiovasculares: Oxidação de LDL ateroesclerose

(deposição de placas de gordura nas veias). • Câncer dano no genes que possuem papel

na apoptose, proliferação

• Envelhecimento acúmulo de danos que favorecem o aparecimento de doenças e desordems

Lobo et al. Free radicals, antioxidants and functional foods: Impact on human health. Pharmacognosy Review, 2010.

Compostos bioativos antioxidantes

Como os antioxidantes agem?

Bibliografia básica

• Bruce Alberts et al. Fundamentos de Biologia Celular. 3ª Edição. Capítulo 14.