Tópicos

Dra. MARLUCE DA CUNHA MANTOVANI

1 Introdução

As mitocôndrias são organelas encontradas em células eucarióticas e que utilizam o oxigênio para transformar a energia proveniente dos metabólitos em energia de fácil acesso a célula. Essa energia é acumulada em compostos transitórios e ricos em ligações energéticas, sendo o principal a adenosina trifosfato, muito conhecido por sua sigla ATP. O ATP prontamente cede sua energia quando a célula necessita dela para trabalho, quer seja químico, elétrico, mecânico ou osmótico. (Junqueira & Carneiro, 2008).

Essas organelas desempenham um importante papel não só no metabolismo energético celular, mas também na homeostase do cálcio, na geração de espécies reativas de oxigênio, na apoptose, no envelhecimento e no desenvolvimento celular. (Hom & Sheu, 2009).

Dessa forma, a disfunção dessa organela tem sido associada nos últimos tempos a uma grande variedade de doenças degenerativas e metabólicas, câncer e envelhecimento, uma vez que todas essas manifestações clínicas resultam do papel central da bioenergética na biologia celular. (Wallace, Fan e Procaccio, 2010).

2 Histórico

No passado, mais de uma dúzia de termos diferentes foram utilizados para descrever estruturas que atualmente identificamos como mitocôndrias, tais como: blepharobastos, chondrioplastos, chondriossomos, mitogel, corpos parabasais, plasmossomos, plastochondria, corpos intersticiais, vermiculos, bioplastos, entre outros. (Scheffler, 2008).

“Mitocôndria” é um nome derivado do grego “mitos” que significa “fio/linha” e “chondros” que significa “em grão/grânulo”, essas palavras descrevem as duas formas de mitocôndrias que foram observadas por microscopia de luz por volta de uns 150 anos atrás. (Hom & Sheu, 2009).

A bioenergética mitocondrial ganhou destaque no final de 1940 e 1950 com as obras de Lenhinger, Racker, Chance, Boyer, Ernster, e Slater, entre outros. A “hipótese do acoplamento químico” de conservação de energia na fosforilação oxidativa foi desafiada e substituída pela ”hipótese quimiosmótica”, originalmente formulada em 1960 por Mitchell e depois fundamentada e estendida para a conservação de energia em bactérias e cloroplastos, além de mitocôndrias. (Madeira, 2012).

Dessa forma, esses investigadores caracterizaram bioquímica estas organelas e concluíram que a complexidade potencial desta organela vem da existência de uma compartimentação. Assim, as enzimas envolvidas na oxidação dos ácidos graxos e as envolvidas no ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxilico – TCA - ou ainda ciclo de Krebs (com exceção da succinato desidrogenase) estão localizadas na matriz mitocondrial. Já as enzimas responsáveis pela oxidação da nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzida - NADH e as envolvidas na cadeia de transporte de elétrons estão localizadas na membrana interna (cristas mitocondriais). (Scheffler, 2008).

Em 1963 houve o primeiro relato de identificação do DNA mitocondrial. (Nass & Nass, 1963) Após isso, diversos estudos descrevendo mutações do DNA mitocondrial que são diretamente responsáveis por doenças genéticas humanas (miopatias e neuropatias) e especulações sobre o acúmulo dos defeitos no DNA mitocondrial em uma variedade de doenças e envelhecimento. (Scheffler, 2008).

Na década de 90, ficou realmente claro que as mitocôndrias não são apenas a “fonte de energia” da célula, mas estão muito mais envolvidas na função, vida e morte dessa célula. Afinal fornecem o ATP, mas também estão envolvidas no potencial redox celular (Handy & Loscalzo, 2012) e nas condições iônicas do citosol (ex.: cálcio) (Hoppe, 2010), são alvo de inúmeras vias de sinalização celular (Tait & Green, 2012), e podem liberar fatores / proteínas que podem levar a apoptose (Ashrafi & Schwarz, 2013), são a principal fonte de espécies reativas de oxigênio – ROS (Handy & Loscalzo, 2012) e além disso a composição diversificada das mitocôndrias em diferentes tecidos e tipos de células e o entendimento do comportamento dessa mitocôndria tecido específico continuam sendo um desafio para o futuro. (Scheffler, 2008).

3 Morfologia e estrutura

A hipótese geral da origem das mitocôndrias postula que as mitocôndrias evoluíram a partir da endosimbiose de uma bactéria aeróbica e uma célula procariótica, esse conceito é baseado em parte na estrutura de membrana dupla das mitocônrias e nas similaridades do DNA mitocondrial e da maquinaria de síntese das proteínas mitocondriais comparadas com aquelas bactérias anteriormente mencionadas. (Logan, 2006).

As mitocôndrias são organelas esféricas ou alongadas que medem de 0,5 a 1,0μm de largura e até 10μm de comprimento (Figura 1). É constituída principalmente por proteínas, e, em segundo lugar, por lipídios, além de conter quantidades pequenas de DNA e RNA. Possui duas membranas: a membrana externa que é lisa e a interna que apresenta invaginações que podem assumir a forma de cristas (a maior parte das mitocôndrias) ou túbulos (as células que sintetizam esteroides possuem túbulos e cristas). Entre as cristas ou túbulos mitocondriais existe uma matriz amorfa rica em proteínas, que podem apresentar grânulos arredondados e eletróndensos ricos em cálcio e magnésio (Figura 2). (Junqueira & Carneiro, 2008).

Figura 1 - Microscopia eletrônica convencional de células HeLa (linhagem celular imortal de células cancerosas de tumor cervical) em cultura. (m) mitocôndria.
Figura 2 - Microscopia eletrônica convencional de mitocôndria mostrando inclusões elétron-densas.

A mitocôndria é composta por pelo menos seis compartimentos: membrana externa, membrana interna, espaço intramembranoso, membranas da crista mitocondrial, espaço intracristas e matriz mitocondrial. A membrana de transdução de energia da mitocôndria, a membrana mitocondrial interna, é uma estrutura altamente pleomórfica (mudança de forma sob determinadas condições). Embora haja uma variedade quase infinita de morfologias de membrana mitocondrial interna em mitocôndrias a partir de diferentes espécies e a partir de diferentes tipos de células dentro da mesma espécie e além disso em diferentes estados metabólicos, pode se fazer algumas generalizações. Os modelos de Palade, também chamado de modelo de defletor, descreveu as invaginações da membrana mitocondrial interna, as cristas, como aleatórias, larga em dobras da membrana (a imagem do livro texto típico), enquanto Sjostrand sugeriu que as cristas eram compostos por uma pilha de lamelas membranosas independentes. Nenhum modelo foi inteiramente correto. Estudos feitos com técnicas avançadas de imagem por tomografia demonstram que pelo menos no tecido animal, a morfologia das cristas infere que sao estruturalmente distintas do resto da mebrana mitocondrial interna, e as ligações dessas cristas com a membrana interna são aberturas tubulares estreitas (junções de cristas) (Figura 3). O número de junções de cristas e a morfologia do espaço intracristas mudam de acordo com o estado metabólico da mitocôndria. (Logan, 2006).

Figura 3 - Modelos de Estrutura de Membrana Mitocondrial. (a) Modelo Defletor, que é a representação mais comumente descrita em livros didáticos. Este modelo se originou com Palade na década de 1950 e tem se destacado até recentemente. (b) Modelo de Junção de Crista, que suplanta o modelo Defletor nas mitocôndrias examinadas até o momento em animais superiores. Ao invés de grandes aberturas que ligam o espaço intracristas ao espaço intramembranar presente no Modelo Defletor existem aberturas tubulares estreiras (junções de cristas) que ligam estes espaços nesse modelo.
Figura 3 - Modelos de Estrutura de Membrana Mitocondrial. (a) Modelo Defletor, que é a representação mais comumente descrita em livros didáticos. Este modelo se originou com Palade na década de 1950 e tem se destacado até recentemente. (b) Modelo de Junção de Crista, que suplanta o modelo Defletor nas mitocôndrias examinadas até o momento em animais superiores. Ao invés de grandes aberturas que ligam o espaço intracristas ao espaço intramembranar presente no Modelo Defletor existem aberturas tubulares estreiras (junções de cristas) que ligam estes espaços nesse modelo.

As células possuem quantidades diferentes de mitocôndrias dependendo da sua necessidade, como por exemplo a célula do fígado de rato que chega a ter cerca de 1.000 mitocôndrias por célula. Sua distribuição no interior da célula também varia, dessa forma as mitocôndrias costumam se acumular nos locais do citoplasma onde é gasto de energia é maior. (Junqueira & Carneiro, 2008).

Os recentes avanços nas técnicas de imagem tem revelado que a forma das mitocôndrias nas células vivas é bastante dinâmico, em constante intercâmbio entre formas que lembram “fios” e “grãos” por conta dos processos hoje conhecidos como fusão e fissão. Esses processos de fusão e fissão junto com o movimento mitocondrial vem sendo chamado de dinâmica mitocondrial (Figura 4) (Hom & Sheu, 2009).

Figura 4 - Dinâmica mitocondrial. Figura mostrando a dinâmica mitocondrial, estrutura mitocondrial e componentes envolvidos em cada processo. Figura baseada em: Boland, Chourasia e Macleod, 2013.
Figura 4 - Dinâmica mitocondrial. Figura mostrando a dinâmica mitocondrial, estrutura mitocondrial e componentes envolvidos em cada processo. Figura baseada em: Boland, Chourasia e Macleod, 2013.

Os processos de fusão e fissão ocorrem em um cuidadoso equilíbrio, a fim de manter a dinâmica mitocondrial adequada. Um aumento da fusão ou uma diminuição da fissão pode levar a uma forma alongada e mitocôndrias interligadas, enquanto um decréscimo na fusão ou um aumento da fissão pode levar a formatos puntiformes e mitocôndrias fragmentadas. Fusão é um processo complexo que envolve a fusão em conjunto de quatro camadas duplas lipídicas. Fissão é o mecanismo postulado para a proliferação mitocondrial. (Figura 5). (Hom & Sheu, 2009).

Figura 5 - Modelos do Mecanismo de Fissão e Fusão Mitocondrial em células de mamíferos. A Fissão Mitocondrial começa com o recrutamento da proteína DLP1 para a membrana mitocondrial. A DLP1 pode se automontar no citosol. As proteínas hFis1 e DLP1 são capazes de formar um complexo, e acredita-se que hFis1 serve como um receptor transiente para recrutar DLP1 para as mitocôndrias. Logo após DLP1 é direcionado para as mitocôndrias, a ligação com GTP forma uma espiral em torno da mitocôndria. A constrição da membrana mitocondrial pode ocorrer através da montagem de DLP1 e/ou através da mudança conformacional da DLP1 conduzido a partir da hidrólise de GTP em GDP + Pi. A hidrólise do GTP permite a fissão completa e desmontagem do complexo DLP1 , completando assim a fissão mitocondrial. A Fusão Mitocondrial requer fusos mitóticos opostos para amarrar mitocôndrias adjacentes juntos em um complexo trans. A hidrólise do GTP é essencial para a fusão mitocondrial. OPA1 é uma proteína que está envolvida na fusão da membrana mitocondrial interna e remodelação cristas. Figura baseada em: Hom & Sheu, 2009.
Figura 5 - Modelos do Mecanismo de Fissão e Fusão Mitocondrial em células de mamíferos. A Fissão Mitocondrial começa com o recrutamento da proteína DLP1 para a membrana mitocondrial. A DLP1 pode se automontar no citosol. As proteínas hFis1 e DLP1 são capazes de formar um complexo, e acredita-se que hFis1 serve como um receptor transiente para recrutar DLP1 para as mitocôndrias. Logo após DLP1 é direcionado para as mitocôndrias, a ligação com GTP forma uma espiral em torno da mitocôndria. A constrição da membrana mitocondrial pode ocorrer através da montagem de DLP1 e/ou através da mudança conformacional da DLP1 conduzido a partir da hidrólise de GTP em GDP + Pi. A hidrólise do GTP permite a fissão completa e desmontagem do complexo DLP1 , completando assim a fissão mitocondrial. A Fusão Mitocondrial requer fusos mitóticos opostos para amarrar mitocôndrias adjacentes juntos em um complexo trans. A hidrólise do GTP é essencial para a fusão mitocondrial. OPA1 é uma proteína que está envolvida na fusão da membrana mitocondrial interna e remodelação cristas. Figura baseada em: Hom & Sheu, 2009.

A mitocôndria acomoda os cinco Complexos da Fosforilação Oxidativa (Figura 6). As idéias sobre a organização geral destes cinco complexos, que juntos formam o Sistema de Fosforilação Oxidativa foram mudando com o tempo. O “Modelo de estado fluido” é suportado pela descoberta de que todos os complexos de proteínas individuais do sistemas de Fosforilação oxidativa pode ser purificada até a homogeneidade de uma forma enzimaticamente ativa e por experimentos de diluição lipídica. Este modelo postula que os complexos da cadeia respiratória difundem-se livremente na membrana e que a transferência de elétrons é baseada em colisões acidentais dos complexos individuais. Já o “Modelo de estado sólido” propõe interações estáveis entre os complexos dentro de entidades denominadas supercomplexos. Este modelo é apoiado por uma gama de achados experimentais atuais e acredita-se que os supercomplexos coexistam com os complexos individuais da fosforilação oxidativa. (Dudkina et al., 2010).

Figura 6 - Representação esquemática do Sistema de Fosforilação Oxidativa, mostrando seus componentes. M – matriz mitocondrial, IM – cristas ou membrana interior, e IMS – espaço intramembranoso. Figura retirada: Dudkina et al., 2010.
Figura 6 - Representação esquemática do Sistema de Fosforilação Oxidativa, mostrando seus componentes. M – matriz mitocondrial, IM – cristas ou membrana interior, e IMS – espaço intramembranoso. Figura retirada: Dudkina et al., 2010.

4 DNA mitocondrial

Em animais o DNA mitocondrial (mtDNA) é uma molécula pequena, compacta, circular e de fita dupla de 16.569 pares de base e que contém 37 genes que codificam para: 13 polipeptideos essenciais, os quais são subunidades do sistema de fosforilação oxidativa mitocondrial, os componentes de RNA do sistema de tradução mitocondrial que incluem 22 RNAs de transferência e dois RNAs ribossômicos. (Figura 7) Assim como todo material genético, a informação codificada no DNA mitocondrial deve ser lida e interpretada corretamente para o bom funcionamento da célula eucariótica, e transmitida de forma exata durante a reprodução destas células e dos organismos como um todo. Estes processos, que compreendem os estágios iniciais da biogenese mitocondrial envolvem a replicação do DNA mitocondrial, reparação, recombinação e transcrição. Os fatores necessários para essas operações, juntamente com mais cerca de 1.500 outro polipeptideos encontrados na mitocôndria, são codificados pelo DNA nuclear. Quando seus genes são mutados, ausentes ou superexpressos, podem provocar disfunções mitocondriais graves, conduzindo a doenças e envelhecimento. (Oliveira, Garesse e Kaguni, 2010; Taanman, 1999).

Mais informações estão codificadas na cadeia pesada (H) contendo dois genes de RNA ribossômico, 14 de RNA transportador e 12 polipeptideos. Já a cadeia leve (L) codifica para oito genes de RNA transportador e um único polipeptídeo. Todas as 13 proteínas produzidas são constituintes do complexo de fosforilação oxidativa. Os genes não possuem íntrons e com exceção da região reguladora, as sequencias intergênicas estão ausentes ou limitadas a algumas bases. Ambos RNA ribossômico e transportador são pequenos, além de alguns dos genes de proteínas estarem sobrepostos e seus códons de terminação não são codificados e sim gerados póstranscricionalmente por poliadenilação do RNA mensageiro. (Taanman, 1999).

Há mais de 30 anos sabe-se que em mamíferos o DNA mitocondrial é transmitido apenas pela linhagem germinativa feminina, uma vez que o número de cópias é extremamente elevado (≥105) em comparação com o número de cópias nas células germinativas masculina (50 – 75). Na maior parte dos mamíferos, incluindo os seres humanos, as mitocôndrias do esperma são transferidas para o oocito durante a fertilização, porém são perdidas logo no início da embriogênese. (Taanman, 1999).

O processo de dano ao DNA mitocondrial e até mesmo a mudança do nível de lesões ao DNA mitocondrial contribuem para a disfunção mitocondrial são questões que estão impulsionando a pesquisa na área do envelhecimento e da patogênese das doenças. Durantes os últimos anos pesquisadores identificaram e mediram várias formas de danos endógenos e ambientais ao DNA mitocondrial e elucidaram as vias de reparo de DNA mitocondrial. Atualmente se sabe que os agentes endógenos e ambientais, incluindo terapias medicamentosas, representam uma ameaça para saúde mitocondrial por sua modificação química do DNA mitocondrial ou através da sua incorporação através das polimerases mitocondriais. De forma interessante, as mitocôndrias parecem não conter toda a gama de mecanismos de reparo do DNA que atuam no núcleo, embora o DNA mitocondrial possa conter todos os tipos de danos que são alvos de cada uma das vias de reparo de DNA nuclear. A capacidade de reparação reduzida pode explicar em parte a alta frequência de mutação do cromossomo mitocondrial. Uma vez que a replicação do DNA mitocondrial é dependente da transcrição, o dano mitocondrial pode alterar a expressão gênica mitocondrial em três níveis: por causar erros de incorporação de nucleotídeos pela DNA polimerase γ levando a mutações, por interferir com a iniciação da replicação do DNA mitocondrial pela RNA polimerase mitocondrial, ou por indução da mutagênese transcricional ou término prematuro da transcrição. Recentes descobertas na biologia mitocondrial incluem a elucidação das vias de reparo e análise dos efeitos de danos ao DNA em DNA polimerase γ e RNA polimerase. Dessa forma inúmeras injúrias causadas no DNA mitocondrial podem interferir com a biogênese mitocondrial e expressão gênica de uma forma tecido especifica. Para os tecidos que são altamente dependentes da fosforilação oxidativa (ex.: cérebro, músculo e rim) os processos metabólicos em mitocôndrias podem gerar lesões de DNA que não podem ser reparadas e interferem com a replicação e transcrição do DNA mitocondrial. Outros adutos de desregulação da polimerase são produzidos por agentes ambientais que tem mais efeitos no epitélio do trato respiratório, fígado e intestino. Além disso, terapias direcionadas contra vírus e cânceres humanos também interferem com a função da polimerase mitocondrial e podem inadvertidamente produzir efeitos secundários nocivos. Dessa forma acredita-se que os avanços na área de sinalização mitocondrial em resposta ao estado redox celular e energético irá fornecer um quadro mais completo de como o reparo do DNA mitocondrial, dinâmica, biogênese e destruição agem juntas para manter a integridade do DNA mitocondrial e a expressão gênica para dar suporte a função celular. (Cline, 2012).

Figura 7 - Representação esquemática do DNA mitocondrial humano. Esse genoma representa uma organização típica de genes encontrados em mtDNAs de mamíferos. As principais regiões não codificantes do mtDNA, denotado como " D - loop " são as regiões onde a maior variação na sequência é encontrada entre as espécies de animais. As setas abaixo de cada gene indicam a direção da transcrição. Os genes do RNA transportador são indicadas por símbolos de uma letra, e os genes 12S e 16S do RNA ribossômico aparecem como 12S e 16S, respectivamente. Figura retirada: Oliveira, Garesse e Kaguni, 2010.
Figura 7 - Representação esquemática do DNA mitocondrial humano. Esse genoma representa uma organização típica de genes encontrados em mtDNAs de mamíferos. As principais regiões não codificantes do mtDNA, denotado como " D - loop " são as regiões onde a maior variação na sequência é encontrada entre as espécies de animais. As setas abaixo de cada gene indicam a direção da transcrição. Os genes do RNA transportador são indicadas por símbolos de uma letra, e os genes 12S e 16S do RNA ribossômico aparecem como 12S e 16S, respectivamente. Figura retirada: Oliveira, Garesse e Kaguni, 2010.

5 Energética mitocondrial

As mitocôndrias realizam quatro funções centrais na célula: a) fornecem a maior parte da energia celular na forma de ATP, b) geram e regulam a formação de espécies reativas de oxigênio (ROS), c) atuam no tamponamento de cálcio citossólico e, d) regulam a apoptose através do póro de transição de permeabilidade mitocondrial. (Wallace, Fan e Procaccio, 2010).

5.1 Bioenergética

A bioenergética em animais é baseada na disponibilidade de equivalentes redutores (hidrogênio) consumida como carboidratos e gorduras, que reagem com o oxigênio para gerar água através da fosforilação oxidativa mitocondrial. (Wallace, Fan e Procaccio, 2010).

A membrana de transdução de energia é essencial para a teoria quimiosmótica (que é a difusão de íons através de uma membrana permeável seletiva) que explica a produção de ATP através do movimento de íons de hidrogênio (prótons) através de uma membrana interna durante a respiração celular. A membrana permite a compartimentalização de prótons, através do seu transporte vetorial através da membrana, pela ação de bombas de próton primárias, que em mitocôndrias compreendem os Complexos I, III, e IV. Já o Complexo ATPsintase possibilita a passagem de prótons através da membrana, usando energia cinética para assim sintetizar ATP a partir de ADP e Pi. (Logan, 2006).

A força motriz de prótons gerado é usado pela ATPsintase (Complexo V) para a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato. Dessa forma a glicose é clivada em piruvato via glicólise dentro do citossol reduzindo NAD+ citossólica em NADH. O piruvato em seguida entra na mitocôndria via piruvato desidrogenase resultando em acetil-coA mitocondrial, NADH + H+ e CO2. A acetil-coA em seguida entra no ciclo do ácido cítrico, o qual retira os átomos de hidrogênio dos ácidos orgânicos, gerando NADH + H+. Os ácidos graxos são oxidados inteiramente dentro da mitocôndria por beta-oxidação gerando acetil-CoA redutase mitocondrial, NADH + H+ e FADH2. Dois elétrons são transferidos de NADH+ H+ para o NADH desidrogenase (Complexo I) O Complexo I é o primeiro e principal ponto de entrada de elétrons na cadeia respiratória, ele transfere elétrons das moléculas de NADH para uma quinona lipofílica chamada de ubiquinona. O Complexo II ou succinato desidrogenase transmite elétrons do succinato para a ubiquinona e conecta o ciclo do ácido cítrico com a cadeia respiratória. A partir da ubiquinona reduzida os elétrons podem ser transferidos para o Complexo III ou citocromo c redutase que está na membrana como um dímero funcional. A pequena proteína citocromo c medeia a transferência de elétrons do citocromo c redutase para o citocromo c oxidase (Complexo IV). Finalmente os elétrons são transferidos para o oxigênio molecular que é reduzido a água. (Dudkina et al., 2010; Wallace, Fan e Procaccio, 2010).

Na presença de excesso de caloriais, as células são programadas para catabolizar ativamente as calorias disponíveis e usar a energia para o crescimento celular, manutenção, reparo e no caso de proliferação celular, replicar seu DNA e se dividir. Existe a hipótese de que o estado energético da célula é comunicado ao núcleo pela modificação da cromatina nuclear através da fosforilação via ATP, por meio de acetilação via acetil-CoA, e por meio da metilação através de S-adenosilmetionina, todos intermediários de alta energia gerados através da glicólise e metabolismo mitocondrial e fosforilação oxidadativa. Assim quando as calorias são abundantes as histonas da cromatina tornam-se fosforiladas por quinases e acetiladas por histonas acetilases, o que reduz a sua afinidade pelo DNA permitindo a a ativação da expressão do genica. Na ausência de calorias suficientes, os níveis de ATP e acetil-CoA diminuem, a fosforilação e acetilação das histonas são reduzidas, a expressão genica é reprimida e o crescimento diminui até finalmente parar. Em organismos multicelulares o sistema se modificou uma vez que os carboidratos da dieta são abundantes, assim o excesso de calorias é armazenado no tecido adiposo. Quando a oferta de carboidratos de é limitada, a energia é gerada através da oxidação dos ácidos graxos por beta oxidação mitocondrial. (Wallace, Fan e Procaccio, 2010).

5.2 Regulação redox

Processos dependentes de REDOX influenciam a maioria das funções celulares, como por exemplo a diferenciação, proliferação e apoptose. As mitocôndrias estão no centro destes processos, uma vez que geram espécies reativas de oxigênio (ROS) que conduzem a eventos redox sensíveis e respondem as mudanças celulares mediadas pelo ROS. Está bem estabelecido que as mitocôndrias produzem ROS como consequência de escapes de elétrons durante a respiração e que mitocôndrias danificadas tendem a produzir mais ROS, assim ativando vias apoptóticas ou necróticas. Os sistemas antioxidantes adaptativos são essenciais para a manutenção do equilíbrio redox crítico nas células, assim como as adaptações mitocondriais a mudanças no fluxo dos ROS. A sinalização REDOX permite a adaptação rápida a uma variedade de estímulos ambientais, tais como: hormônios, nutrientes e tensão de oxigênio. Dessa forma, a mitocôndria desempenha um papel central na adaptação celular: modulação metabólica, energética e respostas a ROS para promover o crescimento e sobrevivência celular ou morte em resposta a uma variedade de estímulos. O estado geral de REDOX é mantido em equilíbrio por uma série de enzimas antioxidantes, que modulam o fluxo de ROS celular e oxidação lipidica. Os mecanismos são diversos e esses eventos podem contribuir para alterar a função da mitocôndria. (Handy & Loscalzo, 2012).

5.3 Cálcio mitocondrial

A captação de cálcio pela mitocôndria foi primeiramente descrito em 1960 e desde então tem sido reconhecido que a captação de cálcio desempenha um papel central na fisiologia e patofisiologia celular. O influxo de cálcio do citossol controla a taxa de produção mitocondrial de energia (ATP). O cálcio intramitocondrial ativa três desidrogenases acopladas ao Ciclo de Krebs, que são piruvato desidrogrenase, isocitrato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase. Além disso a captação de cálcio modula o perfil espacial e temporal da sinalização intracelular de cálcio, regulando a motilidade e morfologia mitocondrial e pode levar a morte celular. De forma que, o cálcio mitocondrial por ter um papel em diversos processos celulares, sua rota pode ser um potencial alvo terapêutico no futuro. (Hoppe, 2010).

5.4 Poro de transcrição de permeabilidade mitocondrial

A mitocôndria contem um sistema de autodestruição o póro de transição de permeabilidade mitocondrial. Esse póro é ativado quando existe um declínio na saúde bioquímica da mitocôndria, quando diminui a produção de energia mitocondrial, com aumento e geração de ROS e cálcio em excesso é liberado para o citossol e absorvido pela mitocôndria. Quando o póro é ativado, abre-se um canal na membrana interna da mitocôndria e inicia-se a morte programada (apoptose). A abertura do póro está associada com a liberação do citocromo c, procaspase 9, fatores de iniciação da apoptose e endonuclease G do espaço intramembranar para o citossol. As células com mitocôndrias defeituosas são assim degradados de dentro para fora. (Wallace, Fan e Procaccio, 2010).

6 Controle de qualidade mitocondrial

Para prevenir o dano celular preservando a população de mitocôndria saudável vários mecanismos de controle de qualidade estão envolvidos (Figura 8). As mitocôndrias tem seu próprio sistema proteolíticos, dois complexos de proteases AAA na membrana interna, cuja função é degradar proteínas junto com proteossomos citossólicos. Além da degradação proteolítica e proteossomal evidencias recentes apontam para uma via lisossômica onde através de vesículas os componentes mitocondriais selecionados são levados para degradação por lisossomos, deixando a organela intacta. Já a autofagia seletiva das mitocôndrias é conhecida como mitofagia e é um importante mecanismo de controle de qualidade que elimina mitocôndrias danificadas. A mitofagia também medeia a remoção das mitocôndrias de eritrócitos e contribui para a herança materna do DNA mitocondrial através da remoção das mitocôndrias vindas das células germinativas masculinas. Estudos recentes identificaram os reguladores específicos da mitofagia que garantem o sequestro seletivo da mitocôndria. Em leveduras o gene relacionado com a autofagia é a proteína de membrana mitocondrial externa 32 (AT32) que recruta a maquinaria autofágica na mitocôndria. A eliminação das mitocôndrias danificadas em mamíferos é mediada por uma via formada por proteína quina puntativa 1 PTEN-induzida (PINK1) e a ubiquitina ligase E3 Parkin. PINK1 e Parkin se acumulam nas mitocôndrias danificadas e promovem a sua segregação da rede mitocondrial e direcionam essas organelas para a degradação autofágica. Diversos estudos indicam que todos os modos de mitofagia aproveitam a maquinaria do núcleo. Os gatilhos que podem ativar essa forma especializada e seletiva de autofagia pode ser bastante diversificada, variando de mudanças nas condições nutricionais do meio para as leveduras até a transição do desenvolvimento de retículócitos a eritrócitos e danos ou perdas induzidas por drogas do potencial de membrana da mitocôndria. A interação entre o controle da dinâmica mitocondrial - seus movimentos, fissões e fusões – e a progressão da mitofagia. A existência de múltiplos caminhos para a mitofagia proporciona mecanismos de controle distintos para regular o volume de negócios constitutivo das mitocôndrias danificadas, ajustes ao estado mitocondrial com a disponibilidade de nutrientes e necessidade de desenvolvimento altamente especializados. (Ashrafi & Schwarz, 2013).

Figura 8 - Representação esquemática das três principais Vias de Controle de qualidade mitocondrial. Proteínas de membrana mitocondrial malformadas podem ser degradadas por dois complexos de proteases AAA com sítios catalíticos que estão em ambos os lados da membrana interna. Proteínas mitocondriais também podem ser degradadas sendo transferidas para os lisossomos. A terceira via conhecida como mitofagia, envolve o sequestro de uma mitocôndria por completo dentro de uma vesícula com membrana dupla, o autofagossomo e seguido pela fusão com um lisossomo. Figura retirada: Ashrafi & Schwarz, 2013.
Figura 8 - Representação esquemática das três principais Vias de Controle de qualidade mitocondrial. Proteínas de membrana mitocondrial malformadas podem ser degradadas por dois complexos de proteases AAA com sítios catalíticos que estão em ambos os lados da membrana interna. Proteínas mitocondriais também podem ser degradadas sendo transferidas para os lisossomos. A terceira via conhecida como mitofagia, envolve o sequestro de uma mitocôndria por completo dentro de uma vesícula com membrana dupla, o autofagossomo e seguido pela fusão com um lisossomo. Figura retirada: Ashrafi & Schwarz, 2013.

6.1 Mitocôndria e sinalização intracelular

As mitocôndrias desempenham várias funções de sinalização, servindo como plataforma para iniciar a sinalização celular, bem como atuando como transdutores e efetores em vários processos, tais como: sinalização para a morte celular, imunidade inata e autofagia. Temas comuns de regulação mitocondrial emergem destes processos que são diferentes, porém são interligados. Como por exemplo, a membrana mitocondrial externa servindo como uma importante plataforma de sinalização e regulação da sinalização celular através da dinâmica mitocondrial e através de seus metabólitos, incluindo o ATP e espécies reativas de oxigênio. Assim, além de controlar a regulação dos principais mediadores de sinalização, podem realizar esse controle de outra forma, como por exemplo a produção de citrato, que serve como a principal fonte de acetil-CoA para acetilação de proteínas, uma modificação chave envolvida em muitos processos de sinalização. Apesar de poucos dados disponíveis até o momento, o papel da dinâmica mitocondrial e interações físicas entre mitocôndrias e retículo endoplasmático em várias vias de sinalização. A regulação mitocondrial desses processos de sinalização também tem implicações fisiopatológicas, uma vez que a autofagia e mitofagia diminuem com a idade, resultando em um aumento de danos as mitocôndrias. Isto influencia a sensibilidade para a morte celular, o aumento da produção de citoquinas inflamatórias e possivelmente reduz a resposta antivirais. Juntas, essas alterações que o centro de sinalização mitocondrial pode ser fundamental para os processos de envelhecimento e câncer. (Tait & Green, 2012).

6.1 Disfunção mitocondrial e o câncer

A disfunção mitocondrial foi proposta por Otto Warburg para explicar a sua observação de que as células de tumor tinham aumento da glicólise aeróbica (Efeito Warburg) em comparação com células normais. Enquanto mutações em enzimas chaves do ciclo de Krebs apoiam a ideia de que o metabolismo mitocondrial é inerentemente defeituoso em poucos tipos de câncer humano, as provas de que mitocôndrias disfuncionais são a principal causa do efeito Warburg é limitado. A mitocôndria como sendo a principal fonte de energia e metabólitos na célula é factível que sua função esteja desregulada no câncer e existe um interesse crescente de como a função mitocondrial alterada pode ser direcionada para inibir o crescimento do tumor. Dados recentes identificaram oncogenes chave e supressores de tumor como moduladores de diferentes aspectos do metabolismo e dinâmica mitocondrial. Interessantemente, os diferentes tipos de tumores podem ser mais ou menos sensíveis à modulação da função mitocondrial, dependendo de qual lesão oncogênica esse tipo de tumor possui. (Boland, Chourasia e Macleod, 2013).

6.1 Terapias

As drogas atuais cujo alvo são as mitocôndrias cobrem uma vasta gama de agentes farmacológicos (Figura 9). Algumas dessas drogas são direcionadas a mitocôndria diretamente, já outras afetam as mitocôndrias de forma secundária. No entanto, a identificação da mitocôndria como alvo de uma droga pode ajudar a melhor compreender os mecanismos de ação de uma droga e permitir que novas perspectivas para sua aplicação. Além disso, outras abordagens também estão sendo perseguidas, tais como: melhorar a função mitocondrial durante a isquemia e reperfusão, precondicionamento, poscondicionamento, terapia de substituição lipídica, transativador das proteínas de transcrição e terapia mitocondrial, genética molecular, restrição calórica, suplementos dietéticos. Células e tecidos diferentes tem sensibilidades e respostas distintas a disfunção mitocondrial. Estas diferenças são provavelmente devido às especializações célula tipo específicas célula. A valorização dessas diferenças são importantes quando se considera estratégias terapêuticas mitocondriais para combater diversas doenças, tais como: doença cardíaca coronariana, insuficiência cardíaca, hipertensão, diabetes, câncer e doenças neurodegenerativas. Algumas dessas doenças tem um potencial considerável para um “crosstalk” como resultado do estresse oxidativo mitocondrial, e vias semelhantes no processo da doença podem estar envolvidos ou em sobreposição. (Camara, Lesnefsky e Stowe, 2010).

Figura 9 - Resumo das drogas com alvo em mitocôndria, sua intervenção e potencial terapêutico. Figura baseada em: Camara, Lesnefsky e Stowe, 2010.
Figura 9 - Resumo das drogas com alvo em mitocôndria, sua intervenção e potencial terapêutico. Figura baseada em: Camara, Lesnefsky e Stowe, 2010.

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS

  • Ashrafi, G. and Schwarz, T.L. The Pathways of mitophagy for quality control and clearance of mitochondria. (2013) Cell Death and Differentiation. 20, 31-42.
  • Boland, M.L., Chourasia, A.H. and Macleod, K.F. Mitochondrial dysfunction in cancer. (2013) Frontiers in Oncology. 3, 292.
  • Bogenhagen, D.F. Mitochondrial DNA nucleoid structure. (2012) Biochimica et Biophysica Acta. 1819, 914-920.
  • Camara, A.K.S., Lesnefsky, E.J. and Stowe, D.F. Potential Therapeutic Benefits of Strategies Directed to Mitochondria. (2010) Antioxidants & Redox Signaling. 13:3, 279-348.
  • Cline, S.D. Mitochondrial DNA Damage and its Consequences for Mitochondrial Gene Expression. (2012) Biochim Biophys Acta. 1819 (9-10):979-991.
  • Dudkina, N.V., Kouril, R., Peters, K., Braun, HP., Boekema, E.J. (2009) Structure and Function of Mitochondrial Supercomplexes. Biochim Biophys Acta. 1797, 664-670.
  • Handy, D.E. and Loscalzo, J. Redox Regulation of Mitochondrial Function. (2012) Antioxidants & Redox Signaling. 16: 11, 1323 – 1367.
  • Hom, J. & Sheu, SS. Morphological Dynamics of Mitochondria – A Special Emphasis on Cardiac Muscle Cells. (2009) J Mol Cell Cardiol. 46(6):811-820.
  • Hoppe, H.C. Mitochondrial calcium channels. (2010) FEBS Letters, 584, 1975 – 1981.
  • Junqueira, L.C. & Carneiro, J. Histologia Básica. (2008) 11ed. Guanabara Koogan.
  • Logan, D.C. The Mitochondrial compartment. (2006) Journal of Experimental Botany, 57:6, 1225-1243.
  • Madeira, V.M.C. Overview of Mithocondrial Bioenergetics in Mithocondrial Bioenergetics: Methods and Protocols. (2012) Methods in Molecular Biology vol.810 DOI 10.1007/978-1-61779-382-0_1, © Springer Science+Business Media.
  • Müller, M. et al., (2012) Biochemistry and Evolution of Anaerobic Energy Metabolism in Eukaryotes. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 76:2, 444-495.
  • Nass, S. and Nass, M. M. K. Intramitochondrial fibers with DNA characteristics. (1963) J. Cell. Biol. 19, 593–629.
  • Oliveira, M.T., Garesse, R and Kaguni, L.S. Animal models of mitochondrial DNA transactions in disease and ageing. (2010) Exp Gerontol. 45(7-8): 489-502.
  • Perkins, E.M. and McCaffery, J.M. Conventional and Immunoelectron Microscopy of Mitochondria. (2007) in Methods in Molecular Biology, vol. 372: Mitochondria: Practical Protocols Edited by: D. Leister and J. M. Herrmann © Humana Press Inc., Totowa, NJ.
  • Scheffler, I.E. Mitochondria. (2008) 2nd ed. Copyright © 2008 by John Wiley & Sons, Inc.
  • Tait, S.W.G. and Green, D.R. Mitochondria and Cell Signaling. (2012) Journal Of Cell Science. 124(5) 807-815.
  • Taanman, JW. The mitochondrial genome: structure, transcription, translation and replication. (1999) Biochim Biophys Acta. 1410, 103-123.
  • Wallace, D.C., Fan, W. and Procaccio, V. Mitochondrial Energetics and Therapeutics. (2010) Annu Rev Pathol. 5, 297-348.