Mitocôndria e algumas curiosidades, parte I
Há
um bom tempo atrás prometi a um grande amigo que a corrida me trouxe, que eu
escreveria um texto sobre mitocôndria, estrutura, função, metabolismo e um
“pouquinho” (só assim mesmo, no diminutivo) da sua importância para a corrida
de rua. Primeiro tive ideias, depois fiz uma lista dos pontos que precisava
abordar, me motivei a escrever, sentei na minha mesa e juro que tentei. Não saí
do primeiro parágrafo, porque escrever sobre um tema extremamente complexo, principalmente
pensando em pessoas leigas no assunto (isto é, que não são biólogos ou de
profissões afins) não é uma tarefa nada fácil. Sim.... escrever já é um
desafio, e sobre algo que é uma mistura de informações cada dia mais
atualizadas, que correlacionam diferentes áreas do conhecimento em Biologia e
abordam um tema essencial para a viabilidade das células eucarióticas que é a
transformação de energia; energia é essencial para a manutenção de praticamente
todos os processos biológicos que mantém as nossas células vivam. Mas esta
semana dois episódios me motivaram a escrever, primeiro porque dei aula para a
graduação e vi olhos brilharem com o conhecimento, segundo, um email recebido
na segunda-feira.
Vamos
começar pelo email enviado pela empresa de suplementos Essential Nutrition.
Como prescrito pela nutricionista, uso dois produtos desta empresa. O assunto
do email era: “Mitocôndrias
regulamentadas pelo relógio biológico”. O equívoco no uso da palavra
regulamentada foi o que mais me chamou a atenção; pensei, vamos abrir e brincar
de encontrar erros, porque definitivamente eles começaram muito mal. Não é
regulamentada, o que eles quiserem dizer é regulada.
As duas primeiras frases chamaram muito a atenção, a palavra regulamentada
seguiu sendo usada, e a afirmação de que o momento (= hora do dia) de aquisição
dos nutrientes talvez possa ser tão importante quanto o que comemos. E então
eles reforçam que um estudo sugere que as mitocôndrias são altamente reguladas
pelo relógio biológico ou ciclo circadiano. Então, decidi abrir o leia mais.
Para minha surpresa o primeiro parágrafo do editorial (escrito em português)
cita então um artigo científico publicado numa revista de alto impacto e
circulação internacional Proceedings of
the National Academy of Science (PNAS) por um grupo de pesquisadores de
duas instituições de vanguarda da Ciência mundial, o Weizmann Institute of
Science de Israel e o Max Planck
Institute of Biochemistry da Alemanha. Li
o editorial até o fim e fui atrás do artigo científico. Enviei o artigo para
duas colegas de trabalho, professoras de Biologia Celular e Metabolismo
Energético da UFRJ, uma delas inclusive trabalha diretamente com atividade
mitocondrial, bem como para minha nutricionista que é PhD em Ciência dos
Alimentos pela UFRJ e que se preocupa em se manter sempre atualizada. Tinha
certeza absoluta que elas iam curtir a publicação e se interessar pela
atualização de conceitos importantes. O título da publicação é “Circadian
control of oscillations in mitochondrial rate-limiting enzymes and nutrient
utilization by PERIOD proteins” e a referência completa é PNAS, 2016, vol. 113,
pp. E1673-82.
Olhei
rapidamente o artigo e percebi que o editorial poderia ter alguns equívocos no
conteúdo sobre a pesquisa científica, provavelmente relacionados com a tradução
do inglês para o português que parece quase literal, e isso de certa forma o
torna bastante confuso e pode levar a interpretações equivocadas. O que me
confirma que determinados editoriais deveriam ser escritos não por jornalistas
ou mesmo pessoas que não necessariamente conhecem do assunto abordado, mas por
especialistas do tema. Sim... Se você se dispõem a escrever um texto com base
em conhecimentos obtidos por pesquisadores, precisa saber antes de mais nada
interpretar o que você está lendo, para não correr o risco de propagar
equívocos. Não é uma tarefa nada fácil. Decidi então que me dedicarei a
escrever sobre o tema Mitocôndria
visando um público diversificado, tentando levar uma informação correta do que
sabemos sobre esta importante e essencial organela das células eucarióticas
(isto é, células que apresentam o seu material genético localizado dentro do
núcleo, além de apresentar um conjunto de compartimentos que desempenham
diferentes funções para manter vivas as células que compõem o nosso organismo).
Provavelmente serão dois textos diferentes, no entanto no parágrafo abaixo
tentarei fazer um resumo do que de fato elas significam e porque muitos se
referem a ela como usina para a produção de energia das células eucarióticas.
Nos
dois links abaixo você tem acesso ao editorial publicado pela Essential
Nutrition (primeiro) e o resumo/abstract da publicação científica (em inglês):
Editorial Essential Nutrition:
Publicação científica em inglês:
Independente
do público alvo, ou mesmo do nível de profundidade do texto, para falar das mitocôndrias e entender sua importância
e função, podemos começar dividindo as informações atualmente disponíveis em 4
itens: 1) Como e porque elas surgiram nas células eucarióticas; 2) Histórico da
descoberta; 3) Estrutura; 4) Função.
1)
Como e porque elas surgiram nas células eucarióticas
As
primeiras células eucarióticas que surgiram no Planeta Terra e continham o
material genético localizado no interior do núcleo eram anaeróbicas e por isso
não eram capazes de metabolizar o oxigênio (O2) produzido pelas
algas e bactérias fotossintetizantes. A concentração de O2 atmosférico
aumentou significativamente e se difundiu por todo o planeta, resultando numa
pressão biológica importante para a evolução celular, uma vez que ele é
extremamente tóxico para as células. Foi da necessidade de neutralizar o
oxigênio que surgiram as mitocôndrias, a partir da simbiose entre essa célula
eucariótica anaeróbica e uma célula capaz de usar o O2 atmosférico;
essas células aeróbicas já existiam no planeta, mas eram a minoria. Essa é uma
etapa crucial na evolução dos organismos eucariotos, porque deste momento em
diante, a concentração de O2 atmosférico foi só aumentando e isso
foi muito ruim para as células que não conseguiam usá-lo no seu metabolismo. O
termo simbiose significa viver junto sem causar dano; inicialmente foi uma
invasão, mas com o tempo o organismo invasor foi sendo incorporado
definitivamente pela célula invadida. Algumas características da mitocôndria
reforçam a teoria que elas um dia foram uma bactéria, como por exemplo, a
presença de genoma próprio com características tipicamente bacterianos. A partir desta célula eucariótica aeróbica é
que surgiram muitas milhares de espécies, incluindo os animais e o homem.
Assista
aqui o vídeo no YouTube, Mitocôndria em 3 Atos, parte I
2)
Histórico da descoberta
Considero
esta parte tão importante quanto todas as outras, porque é mais fácil aprender
quando começamos a conhecer como os cientistas chegaram até aquela descoberta.
Essa é uma história de sucesso e na minha opinião, fascinante, em todos os
sentidos, biológico e científico; por trás dela tem a evolução da célula
eucariótica, essencial para a evolução dos organismos multicelulares (formados
por várias células). Alguns cientistas ganharam o Prêmio Nobel de Medicina e
Fisiologia por descobertas que envolviam a caracterização bioquímica,
fisiológica e estrutural das mitocôndrias.
Entre as décadas de 20 e 50 vários estudos mostraram a estrutura das
mitocôndrias por microscopia óptica e eletrônica. Em 1937 e 1948, duas
descobertas essenciais resultaram no Prêmio Nobel de Medicina em 1953 para dois
pesquisadores, o Hanz Krebs que descobriu o ciclo de Krebs, e o Fritz Lipmann
que descobriu a existência da coenzima A. Entre a década de 40 e 50, o
desenvolvimento das técnicas de fracionamento celular para separar e estudar as
organelas isoladas da célula eucariótica auxiliaram na elucidação da composição
química das membranas e compartimentos que compõem a mitocôndria. Neste aspecto
destaco alguns nomes, Albert Claude, Ernest Fullam que em 1944 publicaram as
primeiras imagens de mitocôndrias isoladas. Entre 1948 e 1951, destacam-se
Kennedy, Lenhinger, Schneider, Potter e Hogeboon com a descoberta da oxidação
dos ácidos graxos, de alguns
intermediários do ciclo de Krebs e comprovando a composição química complexa
das mitocôndrias. Um outro cientista importante foi crucial para esse conjunto
de dados Christian de Duve; sua contribuição foi essencial para a padronização
e os estudos de fracionamento celular. Outro pesquisador importante foi o
George Palade que publicou muitos artigos com a caracterização da estrutura das
mitocôndrias. Christian de Duve, George Palade e Albert Claude ganharam o
Prêmio Nobel de Medicina em 1974 por suas descobertas sobre a organização
estrutural e funcional das células eucarióticas. Por fim, não menos importante
foi o microscopista Keith Porter, com importantes contribuições para a
elucidação da estrutura celular. No início da década de 50, os pesquisadores
conseguiram fazer uma importante correlação funcional, “a oxidação da gorduras
também está diretamente relacionado com a transformação de energia
(cientificamente mais formal, fosforilação de nucleotídeos adenina, isto é,
produção de ATP). E assim, a mitocôndria passa a configurar como organela
central no metabolismo energético das células eucarióticas. Importante... essa
história tem outros pontos que não mencionei para não alongar demais.
Mais
recentemente novas descobertas, principalmente associadas à evolução
tecnológica; quero dizer, atualmente contamos com um conjunto de equipamentos
analíticos e de alta resolução que nos permitiu ter novos insights sobre a
mitocôndria que a trouxe de novo para o foco da ciência mundial. Sim... no
início da década de 90, sabíamos muito, acreditava-se que sabia tudo sobre sua
estrutura e função, no entanto estávamos equivocados. Ao final da década de 90,
no ano de 1999, a Science publicou uma edição especial intitulada, Mitochondria make a comeback. Retornou
ao cenário científico porque eles mostraram que ela desempenhava um papel
central na regulação do processo de morte celular programada (ou apoptose), um
conjunto de reações catalisados por uma cascata de ativação de diversas enzimas
que resultam numa forma silenciosa de morte das células eucariótica. Pois é,
daí em diante elas passaram a ser correlacionadas não somente como a usina
produtora de energia sob a forma de ATP na célula eucariótica, mas também por
ser executora (ou protetora) de um programa de morte (ou suicídio, mas
regulado). Passou a ser correlacionado com formação de tumores. Eles também
mostraram que sua estrutura não era assim como eles tinham mostrado
anteriormente, que havia algumas modificações, principalmente relacionadas com
o estado metabólico da célula eucariótica, isto é, com o quanto as mitocôndrias
respiravam ou mesmo o quanto a própria célula precisava de ATP para suas
reações bioquímicas e seu funcionamento. É por isso que chamo de história
fascinante!
Duas imagens, a esquerda fotografia antiga mostrando mitocôndrias e retículo endoplasmático obtida pelo cientista George Palade (vide histórico). A direita capa da edição especial publicada pela Science em 1999. A fotografia destaca uma mitocôndria obtida pelo cientista Keith Porter ao microscópio eletrônico de transmissão próxima a perfis de retículo endoplasmático.
3)
Estrutura
Começo minha aula na graduação falando que a
mitocôndria é uma organela envolvida por duas membranas, a membrana mitocondrial externa e a membrana mitocondrial interna, que delimitam dois compartimentos, o
espaço intermembranar e a matriz mitocondrial. Basicamente é
isso, mas hoje podemos dizer ainda que a membrana mitocondrial interna ela pode
ser subdividida em dois domínios, resultando no que foi recentemente denominado
de membrana cristal. Com isso,
apareceu um terceiro subcompartimento, que foi chamado de espaço cristal. Pois é, as organelas que surgiram na célula
eucariótica para comportar o ganho de função biológica, essencial para a
evolução dos organimos multicelulares, agora se especializam ainda mais. Sim...
a estrutura precisa atender totalmente ao conjunto de funções que a organela
exerce para a célula eucariótica. É como uma fábrica, em cada membrana,
compartimento, subcompartimento, ou domínio ocorrerão um conjunto de reações
essenciais para compor a obra completa do metabolismo energético. O que a
Biologia Celular faz é exatamente correlacionar estrutura com função e assim
buscando entender como o funcionamento das estruturas e organelas contribuem
para o equilíbrio metabólico e funcional das células.
Imagem de microscopia eletrônica de transmissão de uma mitocôndria (esquerda) mostrando suas membranas e compartimentos. Esquema 3D da organela (direita); não esqueçam que as células e suas organelas são tridimensionais.
Técnicas avançadas de microscopia eletrônica de transmissão demonstrou que a membrama mitocondrial interna pode ser dividida em subdomínios devido a presença da junção cristal, assim surgiu a membrana cristal e o espaço cristal. Trata-se de uma subcompartimentalização da mitocôndria, que ao final resulta em maior especialização funcional.
4) Função
Não sei o que é mais difícil de falar sobre
mitocôndria, apesar de achar que tudo, mas a função, são muitas, estão
correlacionadas e são complexas. Tentarei resumir baseado numa das figuras que
para mim explica de forma bastante didática o conjunto de reações metabólicas
que compõem o processo de transformação da energia. Sim.... Estamos falando de
transformação de energia e não produção diretamente. A energia vem de uma única
fonte, a luz solar. Ela ativa e participa do processo de fotossíntese nas
células vegetais que vai produzir uma molécula de 3 carbonos num ciclo
bioquímico essencial para que a vida no Planeta Terra seja possível. É isso
mesmo, sem a fotossíntese, nós seres humanos não existiríamos, as mitocôndrias
não funcionariam, está tudo interligado. Essa molécula de 3 carbonos é
produzida a partir do gás carbônico (CO2) no conjunto completo de
reações que compõem a fotossíntese e ela é o substrato para síntese dos
carboidratos e lipídeos das células eucarióticas (independente se é vegetal ou
animal; sim, nós somos seres heterotróficos, isto é, não somos capazes de
sintetizar nossos nutrientes e os vegetais autotróficos, capazes de sintetizar
seu próprio nutriente). Mas o que a mitocôndria tem a ver com isso. Através da
alimentação, nós suprimos as nossas células com carboidratos e lipídeos. Essas
macromoléculas são compostas de ligações carbono-carbono (C-C; mas não esqueça,
cada carbono é capaz de fazer 4 ligações químicas); no fundo são nessas
ligações que foram armazenadas a energia solar lá no processo de fotossíntese
realizado pelas células vegetais. O metabolismo, ou melhor a quebra dessas
ligações, é que vai fazer girar o ciclo de reações bioquímicas na mitocôndria
que vai produzir uma outra ligação química cheia de energia, que é a produção
de ATP. A molécula aqui podemos chamar de piruvato (molécula de 3 carbonos que
foi produzida a partir do metabolismo da glicose, um carboidrato) e os lipídeos
de ácidos graxos, nada mais, nada menos que gordura. A queima da gordura e do
piruvato vai gerar uma molécula de 2 carbonos que está ligada a um cofator
enzimático, a coenzima A (CoA); aquela mesmo citada acima e que foi motivo para
premiar um pesquisador com o Prêmio Nobel de Medicina. Essa molécula se chama
acetil-CoA e ela é o substrato que vai alimentar um conjunto de reações
bioquímicas que acontecem na matriz
mitocondrial, lembra da
estrutura da mitocôndria. É na matriz mitocondrial que acontece o ciclo de Krebs (volta lá em cima). O
ciclo de Krebs por sua vez vai produzir moléculas essenciais para um novo
conjunto de reações, agora um pouco diferente, podemos dizer assim, onde
elétrons vão ser transportados ao longo de complexos de proteínas localizados
na membrana mitocondrial interna,
que é denominado de cadeia
transportadora de elétrons. De forma bastante simplificada, transportar
elétrons injeta energia no sistema biológico; essa energia pode ser perdida sob
a forma de calor, que é energia que não serve para nada. Mas se tudo estiver
funcionando perfeitamente ela é usada para bombear outra molécula carregada,
que são os prótons. Esse conjunto de transporte de elétrons e bombeamento de
prótons vai fazer funcionar uma enzima presente na membrana mitocondrial interna que se chama ATP sintase. Pois é, sempre ensino aos meus alunos que muitas vezes
o significado está em entender o que o nome quer dizer. Então vamos lá, o
prefixo ase significa enzima (ou
atividade enzimática, que nada mais é do que uma proteína com atividade
catalítica); a sufixo sint vem de
síntese; ao final temos, enzima capaz de sintetizar ATP. A molécula ATP
significa Adenosina Trifosfato (o P é de fosfato em
inglês, phosphate). Que quer dizer, molécula com 3 fosfatos. Você sabe o que
tem numa molécula assim? Então, é energia sob a forma de ligação química. Pois
bem, se quebramos a ligação de um dos fosfatos, liberamos energia para o
sistema biológico. Energia essa que é essencial para a vida das células
eucarióticas (mas também para as bactérias, é claro). Sem essa energia, mais da
metade das reações das células não ocorrerão. Mas preciso lembrar que na célula
eucariótica ainda existem outras moléculas que carregam energia, só não vou
comentar aqui para não complicar. Além da produção de ATP, prótons e elétrons
também são essenciais para neutralizar o O2 que entra na mitocôndria
sem nenhuma dificuldade e assim as nossas mitocôndrias também produzem H20.
Esse conjunto gigante de reações se chama fosforilação
oxidativa. Isto é, através da oxidação de açúcares e gorduras (que vem dos
alimentos) produzimos uma molécula com três fosfatos (isso significa ligar um
fosfato a uma molécula biológica, no caso aqui o ADP, que é uma molécula com 2
fosfatos). Ao final, as moléculas de ATP saem da mitocôndria e fazem funcionar
as células que compõem o nosso organismo.
Resumo do metabolismo da mitocôndria.
Se
quiser ver tudo funcionando e de forma bastante dinâmica, não perca no YouTube
o vídeo Mitocôndria em 3 Atos (Ato 2 e Ato 3) produzido no Instituto de
Bioquímica Médica da UFRJ liderado pelo Prof. Dr. Leopoldo de Meis, professor
recentemente falecido e especialista em metabolismo mitocondrial.
Eu
tentei resumir, mas ainda assim, é complexo, difícil e acabou ficando grande.
Espero que não esteja chato, mas que principalmente seja acessível.
Que maravilha! Tô mitocondriado de emoções!!!😂
ResponderExcluirPode falar a verdade, não entendeu nem 50%... hehehehehe....
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