INTRODUÇÃO:

Todas as células e organismos podem ser agrupados em duas classes principais  que diferem no mecanismo de obtenção de energia para sustentar seu próprio metabolismo. Na primeira classe, denominada de autotrófica, CO2 e H2O são transformados através do processo de fotossíntese na molécula orgânica elementar de glicose, a partir da qual são formadas moléculas mais complexas.  A segunda classe de células, são chamadas de heterotróficas, pois obtêm energia a partir de diferentes nutrientes(hidratos de carbono, gorduras e proteínas), sintetizados por organismos autotróficos.

A energia contida nessas moléculas orgânicas é liberada principalmente pela combustão com o O2 da atmosfera num processo denominado de respiração aeróbica. A liberação de H2O e CO2 pelos organismos heterotróficos completa este ciclo energético.

A transformação celular de energia ocorre com a intervenção de dois principais sistemas de transdução(isto é, sistemas que promovem transformação de energia), representados pelas mitocôndrias e cloroplastos. Estas duas organelas funcionam sob alguns aspectos, em direções opostas. Os cloroplastos, presentes  somente em células vegetais, são especialmente adaptados para capturar a energia  da luz solar e transformá-la em energia química, que é armazenada em ligações covalentes entre átomos de diferentes nutrientes ou moléculas fornecedoras de energia. Por outro lado, as mitocôndrias são "as organelas produtoras de energia", que, através da oxidação, liberam a energia contida nas moléculas de nutrientes energéticos. A principal função dos cloroplastos é a fotossíntese, enquanto que a das mitocôndrias é a fosforilação oxidativa. A fotossíntese é uma reação endergônica, o que significa que ela captura energia, enquanto a fosforilação oxidativa  é uma reação exergônica, isto é, libera energia para o sistema.

HISTÓRICO  CIENTÍFICO:

As mitocôndrias (do Grego μίτος ou mitos (fio/linha) + χονδρίον ou "chondrion" ,grânulo), foram pela primeira vez descritas por Altmann, em 1894 (que as denominou "bioblastos"), sugerindo a sua relação com a oxidação celular. Michaelis , em 1900, conseguiu corá-las com métodos de coloração vital usando verde Jano. Em 1914, Levois e Levois estudaram as mitocôndrias em culturas de células, mais foi só em 1934 que Benslay e Hoerr conseguiram pela primeira vez isolar mitocôndrias  de homogeneado de fígado. Sua função, que até então era desconhecida, foi estabelecida pelos trabalhos de Hogeboom, Claude e Hothckiss em 1946 e posteriormente, em 1948, pelos de Green, Lenhinger e Change. Foi Chevremont, em 1957, o primeiro a observar que em certas condições, as mitocôndrias apresentavam reação de Feulgen (específica para o DNA) positiva. Foi observada (Favard e Carasso em 1958) a presença de grânulos protéicos nas mitocôndrias de ovócitos de Planorbis. Em 1962, Green e Fernandez-Moran determinaram a presença de partículas elementares na membrana interna das mitocôndrias. A existência de DNA mitocondrial já suspeitada por Chevremont, foi provada por Nass em 1965, nesse mesmo ano, Droz e Bergeron demonstraram a síntese protéica mitocondrial empregando técnica de auto-radiografia. Foi, no entanto, o advento da microscopia eletrônica e o aperfeiçoamento  das técnicas bioquímicas que causaram o enorme cabedal de conhecimentos atuais em torno desse importante orgánulo citoplasmático.

MÉTODOS DE ESTUDO:

Embora hoje sua visualização seja feita por microscopia eletrônica, os métodos que permitiram observar mitocôndrias em microscopia óptica ainda são largamente utilizados, principalmente com finalidades didáticas. Os fixadores usados, excluindo o glutaraldeído e o ácido ósmico da microscopia eletrônica, são principalmente os com base em bicromato de potássio ou ácido crômico. O corante usado inicialmente por Altmann foi a fucsina ácida, ainda empregada em variantes do método original, como a de Novelli, por exemplo. O método de coloração vital pelo verde Jano, descoberto por Michaelis, ainda é usado, mais os mais usados atualmente são os de Regaud(hematoxilina férrica) ou de Polak(impregnação argêntica).

Quimicamente demonstrou-se que as mitocôndrias tém composição complexa, sendo formadas por água(na qual são relativamente pobres), proteínas(muito frequentes, inclusive nas membranas e sistemas enzimáticos de produção energética), lipídios( nas membranas), RNA( 0,5% do peso seco), DNA próprio, carboidrtatos, ADP, ATP e numerosos íons (Mg, Fe, Ca, Na, Cl, K, P, S). Para o conhecimento da composição química das mitocôndrias muito contribuiram os métodos de separação da fração mitocondrial, por ultra-centrifugação.

Da mesma maneira que os métodos de fracionamento celular tornam possível a separação de mitocôndrias dos outros elementos celulares, existe também a possibilidade de separação entre as membranas mitocondriais e seus compartimentos. Por exemplo, pode ser retirada a membrana externa, restando então o mitoplasto, que contêm a membrana interna e a matriz. O mitoplasto é o responsável por exercer a maioria das funções mitocondriais.

DIMENSIONAMENTO E DEFINIÇÕES:

Presentes virtualmente em todas as células eucariontes, exceto num grupo de protistas chamado Archezoa, seres que vivem em ambientes anaeróbicos, como amebas, Giardia e Trichomonas. É uma das organelas celulares mais importantes, sendo extremamente relevante para a respiração celular. É abastecida por substâncias orgânicas como a glicose, as quais processa e converte em energia sob a forma de ATP, que devolve para ser utilizado pelo restante da célula, sendo esta energia química a que pode ser usada em reações bioquímicas que necessitem de dispêndio de energia. A rota metabólica em comum, pela qual mitocôndrias, cloroplastos (presentes em células vegetais) e mesmo as bactérias, mobilizam energia para atuarem como organismos dinâmicos, é operada por um processo conhecido como acoplamento quimiosmótico. Em concordância com sua importância no metabolismo, essas organelas geralmente ocupam uma grande fração do volume celular total, podendo seu número variar entre as células, sendo proporcional à atividade metabólica de cada uma,  indo de quinhentas a mil ou até dez mil dessas estruturas por células: do sistema nervoso (na extremidade dos axônios), do coração(fig.b) e do sistema muscular, uma vez que estas apresentam uma necessidade maior de energia, ocupando dessa maneira, uma porção substancial do volume citoplasmático das células eucariontes, estas organelas têm sido essenciais para a evolução dos animais complexos. Sem as mitocôndrias, as atuais células seriam dependentes da glicólise anaeróbica para produzir todo o seu ATP, sabendo que este processo não aproveita potencialmente a capacidade energética que a molécula de glicose pode oferecer.

As mitocôndrias são geralmente descritas como cilindros rígidos e alongados, com diâmetro aproximado de 0,5 a 1 mícron, variando seu comprimento de 0,5 a 10 mícron, assemelhando-se em muito com as dimensões bacterianas. Sabe-se que sua forma varia muito, dependendo do tipo celular e dos diferentes estágios funcionais. Pode ser esférica, ovalada, alongada(baciliforme), em raqueta, em clava, bem como pode variar sua forma em tempos diferentes da vida celular. Microfilamagens em estruturas celulares, mostram que são organelas notavelmente dinâmicas e plásticas, mudando constantemente a sua forma, e mesmo fundindo-se uma com as outras, vindo a se separar mais na frete. 

Em G,J,K, miocárdio de cão; em H homogeneado de coração de rato; em I mitocôndrias com cristas tubulares de adrenal de rato.

Geralmente encontramos um acumulo mitocondrial em locais celulares que demandam uma maior necessidade energética. Nos epitélios ciliados, elas se acumulam próximas aos cílios; nos espermatozoides, ao redor da porção inicial do flagelo(ver no esquema de estruturas mitocondriais,figura a), onde têm início a atividade flagelar. Outros exemplos de acumulo de mitocôndrias pode ser encontrado nas células transportadoras de íons, e está associada a abundantes dobras da membrana plamática, o que aumenta consideravelmente a área por onde têm lugar o transporte iônico. Nessas regiões , as membranas são ricas em ATPase, enzima que libera a energia que será utilizada pelas bombas iônicas aí presentes, como é o caso dos túbulos contorcidos renais.

Membrana externa:

A membrana mitocondrial externa, que inclui a totalidade do organelo, tem uma proporção de proteína para fosfolípido semelhante ao da membrana plasmática eucariótica (cerca de 1:1 em peso), sendo rica em colesterol. Ela contém um grande número de proteínas integrais chamados porinas. Estas porinas formam canais com aproximadamente 1 nm de diâmetro, que permitem que as moléculas com menos de 5.000 Daltons de peso molecular difundam-se livremente de um lado da membrana para o outro. Tais moléculas podem entrar no espaço intermembranas, mais a maioria delas não pode passar pela membrana interna. Proteínas maiores podem entrar na mitocôndria, se uma sequência de sinalização na sua extremidade N-terminal liga-se a uma grande subunidade de  múltiplas proteínas chamada translocase da membrana externa(TOM), que, em seguida, move-os ativamente através da membrana.  Proteínas mitocondriais variam dependendo do tecido e da espécie. Nos seres humanos, 615 tipos diferentes de proteínas foram identificadas a partir da mitocôndria cardíaca, enquanto que em Murinae (ratos), 940 proteínas codificadas por genes distintos, têm sido relatados. O proteoma mitocondrial é pensado para ser regulado dinamicamente. Embora a maior parte do DNA de uma célula esteja contido no núcleo da célula, a mitocôndria tem o seu próprio genoma independente. Além disso, o seu DNA mostra semelhança substancial de genomas bacterianos.

A membrana mitocondrial externa pode associar-se com a membrana do retículo endoplasmático (RE), em uma estrutura chamada MAM (mitocôndrias associada à membrana RE). Isto é importante para a passagem do cálcio entre as membranas, facilitando a sinalização de transferência de lípidos entre o RE e as mitocôndrias.

Espaço intermembranar:

O espaço intermembranar é o espaço entre a membrana exterior e a membrana interna. É também conhecido como o espaço Perimitocondrial. Como a membrana exterior é livremente permeável a pequenas moléculas, as concentrações de moléculas pequenas, tais como os íons e açúcares no espaço intermembranar é o mesmo que o do citosol. No entanto, as proteínas grandes possuem uma sequência de sinalização específica para serem transportadas através da membrana exterior, de modo que a composição da proteína deste espaço é diferente da composição de proteínas do citosol. Uma proteína que é localizada no espaço intermembranar desta maneira é o citocromo c.

Esse espaço nada teria de especial, não fosse a presença dos complexos enzimáticos  de interconversão de nucleotídeos. O metabolismo mitocondrial produz muito ATP, mas só uma molécula de GTP por cada volta do ciclo de Krebs. A célula usa GTP e outros nucleotídeos trifosfatados em vários processos de sinalização interna para polimerizar microtúbulos, para transporte de vesículas, etc. Claro que a produção mitocondrial de GTP é insuficiente, mais no espaço intermembrana, o ATP transfere um fosfato para uma molécula de GDP, formando GTP e consequentemente ADP que retorna para ser fosforilado na matriz mitocondrial. Isto também vale para a formação de CTP e UTP, nucleotídeos usados na polimerização de açucares. Esta conversão é irreversível, isto é, os outros nucleotídeos não conseguem devolver o fosfato para o ADP. Os complexos enzimáticos que fazem isso são solúveis, mas são grandes demais para sair pela porina, portanto ficam presos no espaço intermembranas, esperando ATP recém-formado para transferir fosfato para GDP, CDP e UDP.

Membrana interna:

A membrana interna apresenta invaginações geralmente em forma de prateleiras, formando cristas que aumentam muito a supefície membranar. Em certos protozoários e em células que sintetizam esteróides, as cristas podem ter a forma de tubos, o que leva ao aparecimento de estruturas circulares no interior mitocondrial, isto quando observadas em corte pela microscopia eletrônica. Uma mesma mitocôndria pode apresentar cristas em forma de prateleiras e também tubulares(figura abaixo).

A membrana interna é a bicamada lipídica mais fluida e menos permeável encontrada nas células, com muito mais fosfolipídios com cadeias de ácidos graxos curtos e insaturados e com nenhum colesterol. É muito importante sua fluidez para o perfeito funcionamento da cadeia enzimática de transporte de elétrons que se localiza em sua superfície, permitindo o frequente choque entre as moléculas envolvidas.

Já sua impermeabilidade é conseguida pela alta proporção do duplo fosfolipídio cardiopilina. Este fosfolípido foi originalmente descoberto em coração de vaca, em 1942, e é normalmente característico de membranas plasmáticas e mitocondriais bacterianas.Este fosfolipídio é o resultado da junção  de duas fosfatidilcolinas, formando um fosfolipídio com quatro cadeias de ácido graxo. Desta forma, a área ocupada pela cabeça polar corresponde ao dobro do número de cadeias hidrofóbicas na região hidrofóbica da membrana. A cardiopilina contribui para dificultar a passagem  de partículas com carga elétrica através da membrana mitocondrial interna, o que é funcionalmente importante, porque uma concentração elevada de íons, na matriz da mitocôndria, pertubaria o gradiente que gera o fluxo de prótons de hidrogênio e a consequente captação de ATP, pelo acoplamento quimiosmótico. Quando  se faz uma extração bioquímica que separa os lipídios e as proteínas da membrana interna e depois se seca  e pesa o conteúdo, constata-se que essa membrana possui a maior relação proteína/lipídio da célula(70/30). A membrana interna também contém uma variedade de proteínas transportadoras que a tornam seletivamente permeável àquelas pequenas moléculas que são metabolizada ou requeridas pelas várias enzimas mitocondriais concentradas na matriz. Quase todos os íons e moléculas requerem transportadores de membrana especiais para entrar ou sair da matriz. As proteínas são transportadas para dentro da matriz através de um complexo de translocase da membrana interna (TIM)  ou através  de Oxa1.  Para além disso, existe um potencial de membrana através da membrana interna, formada pela ação das enzimas da cadeia de transporte de eletrons.

A membrana interna mitocondrial também  contém proteínas com cinco tipos de funções:

    Aquelas que realizam as reações redox de fosforilação oxidativa.
    ATP sintase, que gera ATP na matriz mitocondrial.
    Proteínas de transporte específicas que regulam a passagem de metabólitos para dentro e para fora da matriz.
    Proteínas que irão formar a maquinaria quimiosmótica.
    Fusão de  mitocôndrias e proteínas de fissão.

Cristas:

Imagem transversal de cristas mitocondriais no fígado de ratos demonstram a provável estrutura 3D e sua relação com a membrana interna.
A membrana interna mitocondrial é compartimentada em numerosas cristas, que  expandem a área de superfície da membrana mitocondrial interna, aumentando a sua capacidade para produzir o ATP. Para  mitocôndrias de fígado, a área da membrana interna é aproximadamente cinco vezes maior do que a membrana externa. Esta proporção é variável e mitocôndrias de células que têm uma maior procura de ATP, tais como células musculares, contêm ainda mais cristas.

As cristas mitocondriais aparecem recobertas por corpusculos de 8,5 nm semelhantes a raquetas de tenis, sendo sua haste ligada diretamente à membrana interna. Este assim chamados corpusculos elementares são na verdade as partículas F1 da ATPsintase, responsável pela conversão de ADP em ATP. Geralmente ficam espaçados em intervalos de 10 nm, podendo existir mais de um milhão deles por mitocôndria. Os corpúsculos elementares ficam localizados na face da matriz (face M) da membrana interna, promovendo uma assimetria característica  relacionada à função da ATPsintase.

Eletromicrografia de uma mitocôndria túrgida numa solução hipotônica e corada negativamente  com fosfotungstato. (A), em menor aumento, podem ser vistas cristas isoladas no  meio da matriz. As setas indicam algumas dessas cristas. (B) em um maior aumento(500.000x), uma crista mitocondrial mostrando os chamados corpusculos elementares. No detalhe, em aumento de 650.000x, são mostrados com formato helicoidal e sua delicada ligação com a crista.

Matriz

A matriz é o espaço fechado pela membrana interna.É tão densamente concentrado que não se espalha logo ao rompimento da membrana mitocondrial interna. A matriz é como um colóide que vai se dispersando lentamente. Como está isolada por uma membrana bastante impermeável, a matriz mitocondrial tèm composição iônica muito particular.  Seu Ph, por exemplo, é bem mais básico que o do citoplasma, girando em torno de 8,0, isto porque a cadeia respiratória bombeia prótons para o espaço intermembranas. O estado físico coloidal da matriz é resultado de uma grande concentração de macromoléculas, dentre as quais destacamos: as enzimas do ciclo de Krebs, as enzimas da beta-oxidação dos ácidos graxos, a piruvato desidrogenase, responsável pela transformação do piruvato para ingresso no ciclo de Krebs, ácidos nucleicos(DNA,RNA), ribossomas, etc.

A conformação interna das mitocôndrias pode alterar-se drasticamente entre dois extremos. Se a concentração externa de ADP é baixa ou a cadeia respiratória é inibida, encontraremos a mitocôndria em seu estado usual(figA), este é o estado encontrado habitualmente em cortes de tecidos. neste caso, a matriz ocupa a maior parte da mitocôndria e espaço intermambranas se torna pequeno. Entretanto, se é adicionado ADP ao meio, existe uma súbita contração do compartimento interno. Esse é o estado condensado, que corresponde a uma mitocôndria fosforilando intensamente(figB). Estas alterações da conformação mitocondrial devem-se ao fato da respiração e fosforilação celulares gerarem não somente ATP, mais também muita água, que vai se acumulando no espaço intermembranas.

IMPORTAÇÃO DE PROTEÍNAS MITOCONDRIAIS:

Para entrar em mitocôndrias, as proteínas precisam ter sequências sinal que serão reconhecidas por receptores na membrana externa dessas organelas, muito parecido com a entrada de proteínas através da membrana do retículo endoplasmático. Uma diferença marcante entre os dois casos é que uma proteína só penetra na mitocôndria depois que foi completamente sintetizada, ou seja, a transferência de proteínas mitocondriais é pós-traducional. No entanto, assim como no retículo, as proteínas devem estar desnoveladas para passar pelos translocadores mitocondriais. Por isso, uma proteína mitocondrial, mesmo depois de completamente sintetizada, continua ligada à várias chaperonas, que irão impedir o enovelamento precose ou a agregação de outras proteínas. As chaperonas só irão se soltar da proteína depois que ela for reconhecida pelos translocadores mitocondriais.

Existem dois grupos de translocadores: os complexos TOM(trans outer membrane, tranlocase de membrana externa) e TIM(trans inner membrane, translocase de membrana interna).

Eles podem funcionar separadamente, somente o TOM para as proteínas de membrana externa e espaço intermembranar e, TOM e TIM  para proteínas de membrana interna e matriz.

Distribuição das proteínas no espaço intermebranas: as proteínas podem ser orientadas para o espaço intermembranas por vários mecanismos. Algumas proteínas(I) transpõem o complexo TOM, sendo liberadas no espaço intermembranas. Outras(II) são transferidas do complexo TOM para o complexo TIM, mais possuem sequências hidrofóbicas de parada de tranferência que interrompem a transposição através do complexo TIM. Essas sequências são então removidas, para que as proteínas sejam liberadas no espaço intermembranas. Outras ainda(III) são importadas para a matriz, a remoção de pré-sequência  dentro da matriz  expõe uma sequência sinal  hidrofóbica que orienta o retorno da proteína  para o espaço intermembrana, através da membrana interna.

MATERIAL GENÉTICO NA MATRIZ MITOCONDRIAL

A descoberta de que mitocôndrias possuem seu próprio material genético depertou enorme interesse na comunidade científica. Diferente do DNA nuclear, nas mitocôndrias essas moléculas são circulares e não possuem histonas, muito parecido com o material genético dos procariotos. As muitas moléculas de DNA mitocondrial  são produzidas por replicação, mais são conduzidas de forma diferente da replicação do DNA nuclear. As moléculas de DNA mitocondrial também são transcritas por enzimas da própria organela, produzindo assim suas próprias moléculas de RNAs, que por sua vez, serão traduzidos por ribossomos mitocondriais presentes na matriz. Os ribossomos das mitocôndrias também são dferentes daqueles presentes no citoplasma da célula. Quando a síntese de proteínas em mitocôndrias começa, o primeiro aminoácido da cadeia é sempre formil-metionina, assim como nos procariontes, enquanto nos eucariotos  é sempre a metionina. Porntanto as mitocôndrias têm seu próprio material genético, e as máquinas para a fabricação de seus próprios RNAs e proteínas. Uma sequência de DNA mitocondrial humano com 16.569 pares de bases revelou 37 genes que codificam um total de: 22 RNAt,  2 RNAr 2, e 13 genes de péptidos. Os 13 péptideos mitocondriais em humanos são integrados na membrana mitocondrial interna, juntamente com as proteínas codificadas pelos genes que residem no núcleo da célula hospedeira.

                      

A mitocôndria contém DNA, que é organizado como várias cópias de um único cromossomo circular. Este cromossoma mitocondrial contém genes para sintetisar proteínas redox, tais como os da cadeia respiratória. A hipótese Corr propõem que esta colocação é exigida para a regulação redox. Os códigos do genoma mitocondrial de alguns RNAs de ribossomas, e os vinte e dois tRNAs necessários para a tradução de RNA mensageiro em proteína. A estrutura circular também é encontrada em procariotas. O proto-mitocôndria era provavelmente intimamente relacionado com a rickettsia. No entanto, a relação exata do progenitor de mitocôndrias com o alfa-Proteobacteria e se a mitocôndria foi formado ao mesmo tempo ou após o núcleo, permanece desconhecida.