mitocÔndria - university of são paulo
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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
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Por que comemos?
Por que respiramos?
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O que você sabe sobre a mitocôndria???
O que você sabe sobre a mitocôndria???
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O que os antioxidantes têm a ver
com isso?
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Mitocôndria: Evolução
• Célula eucariótica primitiva fagocita uma bactéria.
• Inicialmente vivem em simbiose = teoria da Endossimbiose, Lynn Margulis.
Que tipo de bactéria?
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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
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As mitocôndrias são “usinas” produtoras de energia: ATP
A hidrólise do último grupo fosfato libera muita energia!
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Geração de ATP primitiva
1 – Procariotos e eucariotos primitivos: consumiam moléculas orgânicas geradas geoquimicamente
Produzia ATP por fermentação
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Glicólise Mecanismo ancestral ( e conservado atualmente) de geração de ATP em condições anaeróbias.
2 moléculas de ATP (líquido) 2 moléculas de piruvato
Citoplasma
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Fermentação
O piruvato gerado na glicólise é reduzido à lactato (ácido lático).
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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
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3 – Escassez de nutrientes :
Pressão seletiva vantagem para transporte
de H+
sem consumo de ATP
Evolução da síntese de ATP baseada em membranas
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3 – Transporte de H+ muito eficiente
Acúmulo de energia Retorno para o citosol
Geração de ATP
Evolução da síntese de ATP baseada em membranas
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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Acoplamento quimiosmótico
Cadeia transportadora de elétrons Fosforilação oxidativa
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Visão geral
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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
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Os prótons são prontamente movidos pela transferência de elétrons
Cadeia de moléculas de água
De onde vêm os prótons transportados?
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Cadeia transportadora de elétrons
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Quinona : carreador não proteico hidrofóbico
Pode receber diretamente os e- de FADH2 gerado pelo ciclo do ácido cítrico ou oxidação dos ácidos graxos.
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As proteínas carreadoras de e- possuem centros metálicos
Centros de ferro-enxofre
Grupos heme
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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.
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A citocromo oxidase catalisa a redução do oxigênio
4 e- + 4 H+ + O2 = 2 H2O 4 H+ bombeados
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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!
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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!
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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+
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A maior parte da energia das células eucarióticas é gerada pelo metabolismo aeróbio
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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.
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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.
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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.
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Compostos bioativos antioxidantes
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Como os antioxidantes agem?
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Bibliografia básica
• Bruce Alberts et al. Fundamentos de Biologia Celular. 3ª Edição. Capítulo 14.