CLOROPLASTOS, MITOCÔNDRIAS E PEROXISSOMOS

CLOROPLASTOS, MITOCÔNDRIAS E PEROXISSOMOS

(publicado em NORMANN, Carlos Augusto Borba Meyer; Silva, J. F. ; MASCARENHAS, M. . Cloroplastos, Mitocôndrias e Peroxissomos. In: Carlos Augusto Borba Meyer Normann. (Org.). Práticas em Biologia Celular. 2a ed., Porto Alegre: Editora Sulina, 2017, pp. 89-114)
INTRODUÇÃO
A Teoria da Endossimbiose, criada por Lynn Margulis (1981), propõe que algumas organelas de células eucaróticas tenham surgido como consequência de uma associação simbiótica estável entre bactérias e cianobactérias e organismos eucariotos primordiais. Essa teoria sugere que as células eucarióticas nasceram como comunidades de organismos em interação, que se uniram numa ordem específica. Os elementos procarióticos poderiam ter entrado numa célula hospedeira por ingestão ou como parasitos. Com o passar do tempo, os elementos originais teriam desenvolvido uma forma de interação biológica do tipo mutualista, que que mais tarde se tornou uma simbiose obrigatória. Assim, postula-se que cloroplastos e mitocôndrias são originários de procariotos autótrofos. Dessa forma, esses procariotos hipotéticos obteriam substratos oxidáveis de seu hospedeiro, bem como proteção contra o meio externo.

O hospedeiro, por sua vez, se beneficiaria com a produção de alimentos (fotossíntese) e com a geração de ATP a partir de processos oxirredutores decorrentes do acoplamento simbiôntico. Outro grande pesquisador, o laureado com o Nobel de Medicina de 1974 Christian de Duve, corrobora a hipótese do endossimbionte, considerando que peroxissomos podem ter sido os primeiros endossimbiontes, em face à capacidade de replicação e aos marcadores exclusivos de suas proteínas. Sua capacidade metabólica oxirredutora permitiria às células adaptar-se à quantidade crescente de oxigênio molecular na atmosfera da Terra. A teoria, no entanto, não explica a perda do “DNA peroxissomal”, o que a faz ser vista como uma hipótese especulativa.

A principal implicação da endossimbiogênese é a de que os eucariotos são, de fato, organismos-quimera, com genoma de origem extranuclear. Várias evidências estruturais e bioquímicas reforçam a tese. Por exemplo, os cloroplastos primários de plantas possuem a clorofila B, e os cloroplastos primários das algas vermelhas contêm ficobilinas. Outros tipos de algas apresentam cloroplastos de origem em uma endossimbiose secundária, como é o caso das zooxantelas, presentes em corais verdadeiros.

Várias características morfológicas e bioquímicas reforçam a teoria da origem endossimbiôntica de mitocôndrias e cloroplastos:
1. Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem DNA próprio, bastante diferente do que existe no núcleo celular e em quantidades semelhantes às de procariotos;
2. As mitocôndrias utilizam código genético diferente do eucariótico hospedeiro, com semelhanças ao das bactérias e Archeabacteria; as proteínas dessas organelas utilizam como aminoácido iniciador a N-formil-metionina, como as de bactérias;
3. Mitocôndrias e cloroplastos são rodeados por duas ou mais membranas, sendo que a mais interna tem diferenças na composição em relação às outras membranas da célula e semelhanças com as dos procariotos;
4. Ambos se multiplicam por fissão binária, como as bactérias; em Euglena, os cloroplastos podem ser destruídos por certas substâncias químicas ou por ausência prolongada de luz, sem que isso afete a célula (que se torna heterótrofa); além disso, quando isso acontece, a célula não tem capacidade para regenerar novos cloroplastos;
5. Muito da estrutura e bioquímica dos cloroplastos, como, por exemplo, a presença de tilacoides e tipos particulares de pigmentos, é muito semelhante à de cianobactérias; análises filogenéticas de bactérias, cloroplastos e genomas eucarióticos também sugerem que os cloroplastos estão relacionados com as cianobactérias;
6. A sequência do DNA de algumas espécies de plantas sugere que o núcleo celular contém genes que aparentemente vieram do cloroplasto;
7. Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem genomas muito pequenos, em comparação com outros organismos. Muitos genes nucleares codificam proteínas mitocondriais e do cloroplasto. O “desligar” desses genes nas organelas representaria, certamente, um aumento da dependência dessas organelas depois da simbiose se tornar obrigatória;
8. Vários grupos de protistas possuem cloroplastos, embora os seus portadores sejam mais estreitamente aparentados com formas que não os possuem, sugerindo que, se os cloroplastos tiveram origem em células endossimbiontes, esse processo teve lugar múltiplas vezes, o que é chamado “endossimbiose secundária”.

No entanto, há alguns questionamentos: nem mitocôndrias, nem cloroplastos podem sobreviver no meio rico em oxigênio ou fora das células. Isso ocorre devido à perda de vários genes essenciais para a sobrevivência no genoma mitocondrial e cloroplástico. Essa objeção é facilmente explicada se levarmos em conta o longo tempo de coexistência das organelas com seus hospedeiros. Genes e sistemas que não eram tão necessários foram simplesmente deletados pelas organelas ou transferidos para o genoma do hospedeiro, por mecanismos ainda não completamente elucidados. Essa ação é a principal forma de controle das atividades dessas organelas pela célula eucariota.


MITOCÔNDRIA

A mitocôndria é a organela encarregada de comandar os processos de oxirredução celular, permitindo a conversão da energia química potencial de substratos como o piruvato, os ácidos graxos e aminoácidos, oriundos de reservas do corpo ou da alimentação, em compostos que possibilitem a transferência de elétrons para a cadeia respiratória. Esta, por sua vez, proporciona a formação de um gradiente de prótons que impulsiona a bomba próton-motriz encarregada da síntese de ATP para a célula.

Outra função da mitocôndria é a termogênese, em especial nos recém-nascidos e em animais durante hibernação. Nesse caso, as mitocôndrias, em especial as presentes nas células do tecido adiposo multilocular, possuem sua enzima ATP sintase modificada, sendo denominada termogenina. Por estímulo adrenérgico, a termogênese ocorre, havendo a liberação de calor a partir do gradiente de prótons, e não de ATP.

A mitocôndria também está envolvida no processo de morte celular programada ou apoptose. Essa participação se dá a partir da liberação do citocromo c, através de um canal na membrana externa da organela. O citocromo c participa na formação dos apoptossomos, que levam à morte da célula.

Toda mitocôndria é formada por duas unidades de membrana separadas por um espaço intermembranoso, cada qual com funções e proteínas diferentes associadas à sua bicamada lipídica. A membrana externa mitocondrial é semelhante às demais membranas das células eucariontes. A membrana interna emite numerosas cristas para o interior da organela, aumentando substancialmente a sua superfície. Nessas cristas pode-se visualizar, ao microscópio eletrônico (ME), partículas em forma de raquete, denominadas corpúsculos elementares. Estes são encontrados a intervalos de 10 nm, podendo haver 104 a 106 corpúsculos por mitocôndria.

A cadeia respiratória ocorre na membrana mitocondrial interna e compreende três complexos enzimáticos principais, através dos quais elétrons fluem do NADH para o O2, utilizando a energia daí gerada para bombear H+ da matriz para o espaço intermebranoso. Na membrana nativa, os carreadores de elétrons móveis ubiquinona e citocromo c completam a cadeia transportadora de elétrons ao mediarem a transferência de elétrons entre os complexos enzimáticos. Por fim, os elétrons são transferidos para o oxigênio molecular (O2 ), essencial ao processo aeróbico, unindo-se a átomos de hidrogênio para formar água. O gradiente eletroquímico de prótons resultante é adaptado para sintetizar ATP por outro complexo proteico transmembrana, ATP sintase, através do qual H+ flui de volta à matriz. Esse complexo está localizado nos corpúsculos elementares.

Quando a mitocôndria fica exposta a um meio citoplasmático com altas concentrações de ADP, ela assume uma forma condensada. Isso se deve ao fato de estar em síntese máxima de ATP e, junto com ele, de H2O, que se acumula no espaço intermembranoso.

No interior da mitocôndria, delimitada pela membrana interna, está a matriz mitocondrial. A matriz contém material proteico granular de alta densidade, capaz de se ligar a fosfatos de cálcio e magnésio, precipitando-se na forma de grânulos elétron-densos. Por esse motivo, as mitocôndrias são o segundo destino preferencial de acúmulo do cálcio intracelular (o primeiro é o retículo endoplasmático liso). Além das características citadas anteriormente, a matriz possui todas as enzimas necessárias ao Ciclo de Krebs; ribossomos chamados de mitorribossomos, menores que os citoplasmáticos; DNA (mitocondrial) e RNAs. A mitocôndria possui DNA próprio, o que talvez reflita o curso do processo evolutivo.

O caráter “procariótico” do seu sistema genético, bem como do sistema genético dos cloroplastos, sugere que essas organelas se originaram de bactérias endocitadas há mais de um bilhão de anos, quando o oxigênio atmosférico terrestre atingiu níveis elevados. Segundo essa hipótese, as células eucarióticas iniciaram sua existência estabelecendo uma relação endossimbiótica com uma bactéria aeróbia. Durante a evolução eucariótica, ocorreu uma grande transferência de genes das células endocitadas para o núcleo celular, com o objetivo de favorecer a mitocôndria na execução de uma única função principal: o fornecimento energético. Isso explica a importação de proteínas citoplasmáticas e a existência de algumas sequências não codificantes no DNA nuclear. A teoria ainda abre espaço para explicar a presença de duas membranas lipídicas na organela. A membrana mitocondrial interna seria originária da membrana bacteriana endocitada, enquanto a membrana mitocondrial externa seria derivada da própria membrana celular.

O genoma mitocondrial se restringe a uma fita de DNA circular na célula animal, sendo o sistema genético mais simples conhecido, estando na ordem de 10-5 do nuclear, o que corresponde a 16.500 pares de bases, em que todos os nucleotídeos fazem parte de sequências codificantes. Em números, esse material genético é capaz de codificar: 2 RNAs ribossomais, 70 22 RNAs transportadores (enquanto no citoplasma celular temos 30 RNAt) e 13 cadeias polipeptídicas. Isso é suficiente para que sejam capazes de sintetizar a maior parte de suas próprias proteínas e se autoduplicarem. Essas organelas se originam de outras preexistentes por fissão, podendo também fundir-se umas com as outras. Os processos de duplicação e fusão são controlados e capazes de manter um número sempre estável de mitocôndrias por célula. O número de mitocôndrias pode ser ainda regulado de forma adaptativa; o músculo esquelético submetido a esforço prolongado, por exemplo, possui 5 a 10 vezes mais mitocôndrias. O DNA mitocondrial se duplica durante a interfase, mas não só nesse período, e em tempos diferentes se comparadas às mitocôndrias de uma mesma célula.

A duplicação se assemelha àquela observada nas bactérias. Nos vegetais, o DNA mitocondrial é 10 a 150 vezes maior, mas a quantidade de proteínas sintetizadas é quase a mesma, pois muitas sequências adicionadas não constituem genes, chegando até mesmo a existir íntrons. Como nas bactérias, o DNA mitocondrial não é envolto em histonas, e seu empacotamento ainda não é bem explicado.

Muitas das proteínas mitocondriais são produzidas a partir do DNA nuclear e sintetizadas no citoplasma. Uma boa parte da síntese proteica mitocondrial consiste em polipeptídios que precisam se associar a subunidades polipeptídicas produzidas no citoplasma. A importação dessas subunidades citoplasmáticas ocorre através de sítios de adesão entre as membranas mitocondriais interna e externa denominados sítios de contato.

Para que uma proteína celular citoplasmática chegue até a mitocôndria e se estabeleça na sua matriz, são necessários eventos de sinalização celular. As proteínas de origem nuclear normalmente possuem peptídios de sinalização que endereçam a cadeia proteica para a matriz da mitocôndria. As proteínas atravessam as membranas impulsionadas por um gradiente eletroquímico existente entre as faces da membrana mitocondrial interna e pela energia do ATP, num estado desdobrado que facilita o transporte. Já na matriz, a proteína pode associar-se a outras subunidades mitocondriais e atinge a sua conformação efetiva. A maior parte dos lipídios mitocondriais são importados de outros compartimentos celulares, sendo que os sintetizados no retículo endoplasmático liso são aderidos à membrana mitocondrial interna. Assim, podem ser realizadas simples modificações nessas moléculas, podendo ser convertidos em cardiolipina, que constitui 20% dos lipídios de sua membrana interna.

Nas leveduras, a herança do DNA mitocondrial é biparental, ou seja, proveniente dos dois organismos formadores. Já nos seres onde ocorre maior especialização do sistema reprodutor, a herança mitocondrial é sempre através do óvulo, e nunca do espermatozoide; isso indica que a herança é uniparental ou, mais especificamente, materna. Por licença poética, podemos falar que a energia que move o ser humano é feminina...

Recentemente, foi registrado um procedimento de triplo uso de material genético numa fertilização in vitro, por uma equipe do New Hope Fertility Center, em Nova York. No procedimento, foi eliminado o núcleo do óvulo de uma doadora saudável, e utilizado o núcleo do óvulo de uma mãe cujas mitocôndrias apresentam uma disfunção mitocondrial neurológica, a síndrome de Leigh. O procedimento é regulamentado, até o momento, na Inglaterra. Dessa maneira, foi possível uma concepção sem que a patologia mitocondrial, de herança exclusivamente materna, se manifestasse na criança, o que ocorreria numa fertilização in vitro convencional.

As mitocôndrias variam em número e morfologia nos diferentes tecidos, adaptando-se a cada célula em particular. Essa variação pode ocorrer também quanto à localização, constituição proteica e funções exercidas. Elas estão associadas ao citoesqueleto, sendo posicionadas na célula pela movimentação associada aos microtúbulos e microfilamentos. Sugere-se que a vimentina, um filamento intermediário, teria um importante papel nesse posicionamento mitocondrial. Na célula muscular esquelética, por exemplo, as mitocôndrias encontram-se alinhadas entre as miofibrilas.

Normalmente, a organela se encontra próxima dos locais que mais necessitam de energia. No espermatozoide, por exemplo, elas formam uma espécie de “colar” ao redor do flagelo, na peça média do gameta, fornecendo a energia necessária para que o mesmo chegue ao sítio de fertilização na ampola do oviduto. As mitocôndrias do espermatozoide são altamente sensíveis a agentes que possam afetar a cadeia respiratória, como a rotenona, mixotiazol e outros compostos; assim, pela ação desses compostos, ocorre geração de espécies reativas de oxigênio, que promovem danos nos espermatozoides, afetando sua mobilidade.

Também a obesidade e outras disfunções nutricionais alteram a morfologia mitocondrial. Embora já tenha sido descrito em meados do século XX o processo de mudanças morfológicas em mitocôndrias, apenas em 2007 foi demonstrado que as mitocôndrias apresentam um alto dinamismo morfológico regulado pelos processos da fusão e fissão mitocondrial. Para que isso ocorra, é preciso da ação de diversas proteínas presentes na membrana mitocondrial, por exemplo, mitofusina 1 (MFN1), mitofusina 2 (MFN2), OPA1 e Drp1. Um estudo demostrou que as mitocôndrias em neurônios AgRP, que são vulgarmente chamados de neurônios da fome hipotalâmicos, liberam o agente orexígeno agouti, apresentam um dinamismo morfológico dependente do estado de alimentação do animal. Quando o animal é privado de alimento, as mitocôndrias presentes nesta população de neurônios apresentam um tamanho reduzido, formato mais circular e em maior número, indicando processos de fissão mitocondrial. Quando o animal é submetido à dieta rica, hiperlipídica, as mitocôndrias passam a apresentar um tamanho maior, mais alongadas e em menor número, evidenciando o processo de fusão mitocondrial.

Uma vez que as mitocôndrias estão envolvidas na síntese de esteróides, é de se esperar que, em células que sintetizam hormônios derivados do colesterol, essas organelas estejam com uma morfologia diferenciada. De fato, em células de Leydig testiculares, observamos mitocôndrias com cristas bem definidas, lamelares, longas, formando as associações lamelares encontradas nessas células. São interconectadas a regiões pleiomórficas e tubulares, com ocasionais fenestrações nas regiões lamelares. Nos espongiócitos suprarrenais, por exemplo, verificamos cristas túbulo-vesiculares, onde encontramos as enzimas ligadas ao metabolismo do colesterol.

As mitocôndrias podem ser responsáveis por diversas patologias de causas estruturais ou simplesmente funcionais. Algumas das anomalias são genéticas, enquanto outras são secundárias. Aquelas com herança genética são passadas de mãe para filho, afetando ambos os sexos igualmente. Os efeitos sistêmicos mais notáveis são os neurodegenerativos, musculares (principalmente fraqueza) ou decorrentes de disfunções metabólicas por excesso de ácido láctico. É importante ressaltar o fenômeno da heteroplasmia nas doenças mitocondriais, ou seja, os pacientes apresentam variações nos sintomas, dependendo da quantidade de mitocôndrias normais e mutantes em suas células, já que o óvulo que “carrega” as mitocôndrias mutantes também possui mitocôndrias normais.

As encefalomiopatias mitocondriais funcionais são diversas e raras. A falha pode estar na utilização do substrato, no acoplamento da oxidação e produção de ATP ou na cadeia respiratória. Ao ME, a célula muscular esquelética mostra-se repleta de mitocôndrias; a duplicação excessiva das mitocôndrias é uma tentativa de superar o deficit energético nessa patologia, assim como em qualquer outra condição fisiológica ou patológica de deficiência energética na célula. A febre mitocondrial é uma anormalidade funcional no acoplamento da oxidação com a produção de ATP em que a mitocôndria produz principalmente energia térmica, e não química. O paciente demonstra quadro crônico, que se manifesta logo na infância, de febre, aparência magra, sudorese excessiva e intolerância ao calor. É importante distingui-la do hipertireoidismo.

Um tipo de encafalomielopatia a parte, que se tornou conhecida devido ao caso acima mencionado de fertilização de três doadores de material genético, é a síndrome de Leigh. Ela é conhecida como encefalomielopatia necrosante subaguda, encefalopatia necrosante de Leigh e encefalomielopatia necrosante de Leigh. É uma doença rara, que foi descrita por Denis Leigh em 1951, em Londres. É uma enfermidade neurometabólica congênita, que faz parte do grupo das encefalopatias mitocondriais. A alteração se dá no metabolismo energético. A principal causa de defeito deve-se à fosforilação oxidativa e geração de ATP celular O início das manifestações clínicas é variado, ocorrendo em geral, dentro dos primeiros dois anos de vida, com evolução insidiosa, progressiva e com períodos de exacerbações. O diagnóstico é difícil pelo pleomorfismo de sua apresentação, sendo baseado nos achados clínicos e estudos complementares relacionados à deficiência na produção mitocondrial de ATP e da citocromo C oxidase. Exames laboratoriais que apresentem hiperproteinorraquia, níveis elevados de lactato e piruvato no sangue e a hiperlactacidemia provocada por sobrecarga glicídica, são sugestivos desta síndrome, para a qual não há ainda tratamento específico.

O mitocondrioma é uma anormalidade estrutural encontrada em tumores específicos das glândulas salivares e ocasionalmente no fígado. Caracteriza-se por um descontrole da duplicação mitocondrial, tornando o citoplasma repleto da organela e comprimindo as outras estruturas celulares. O mecanismo ainda é desconhecido. Teorias recentes sugerem que a anormalidade deve ser enquadrada como um tumor benigno das mitocôndrias. O depósito de cálcio é achado frequente e não patológico nas mitocôndrias dos osteoblastos. A disfunção dos hormônios calcitonina e paratormônio provoca hipercalcemia sanguínea, que se reflete em um excesso de cálcio citoplasmático que pode se depositar na mitocôndria, causando danos ao rim e coração. A célula pode tornar-se repleta de cálcio e morrer.

Algumas anormalidades estruturais podem ser causadas pela intoxicação por substâncias, como álcool, quelantes, reserpina, e quadros patológicos, como hipofisectomia, hepatites virais e deficiências nutricionais. Pode-se perceber alterações ao ME, como mitocôndrias de formas bizarras, gigantes e vacuolizadas. No entanto, nenhuma patologia foi atribuída diretamente às alterações mitocondriais. O hipertireoidismo produz um aumento global da concentração de mitocôndrias nas células, pois os hormônios T3 e T4 estimulam a proliferação e o aumento da atividade das mitocôndrias.

CLOROPLASTO

Todos os animais e a maioria dos microrganismos dependem da captação contínua de grandes quantidades de compostos orgânicos do ambiente. Esses compostos fornecem tanto os esqueletos de
carbonos para a biossíntese, quanto a energia metabólica, que dirige todos os processos celulares. Acredita-se que os primeiros organismos da Terra primitiva tiveram acesso a uma abundância de compostos orgânicos produzidos por processos geoquímicos, mas que a maioria desses compostos originais foi utilizada há bilhões de anos. Desde aquele tempo, virtualmente todos os materiais orgânicos necessários para as células vivas foram produzidos por organismos fotossintetizantes, incluindo muitos tipos de bactérias fotossintetizantes.

As mais avançadas bactérias fotossintetizantes são as cianobactérias, que possuem mínimas necessidades nutricionais. Elas utilizam elétrons da água e energia da luz solar para converter o CO2 atmosférico em compostos orgânicos. No curso da separação da água [na reação nH2O + nCO2 —> (CH2O)n + nO2], eles liberam na atmosfera o oxigênio necessário para a fosforilação oxidativa. Acredita-se que a evolução das cianobactérias, a partir de bactérias fotossintetizantes primitivas, foi um pré-requisito para o desenvolvimento de formas de vida aeróbica.

Em vegetais, que se desenvolveram mais tarde, a fotossíntese ocorre em uma organela intracelular especializada – o cloroplasto. Os cloroplastos faze a fotossíntese durante as horas de luz diurna. Os produtos da fotossíntese são usados diretamente pelas células fotossintetizantes para sua biossíntese e também são convertidos em um açúcar de baixo peso molecular (normalmente sacarose), que é exportado para suprir as necessidades metabólicas das outras células não fotossintetizantes do vegetal. Alternativamente, os produtos podem ser armazenados na forma de um polissacarídeo osmoticamente inerte (normalmente amido), que é mantido disponível como fonte de açúcar para uso futuro.

Os cloroplastos são os mais proeminentes membros da família de organelas chamada plastídios. Os plastídios estão presentes em todas as células vegetais vivas, onde cada tipo de célula tem o seu componente característico. Em geral, todos os plastídios compartilham certas características. Curiosamente, todos os plastídios de uma espécie particular de vegetal contêm múltiplas cópias de um mesmo genoma relativamente pequeno e são circundados por um envelope composto de duas membranas concêntricas; todos os plastídios se desenvolvem a partir de proplastídios, os quais são organelas relativamente pequenas presentes nas células imaturas dos meristemas vegetais. Os proplastídios se desenvolvem de acordo com as necessidades de cada célula diferenciada, e o tipo que estará presente é determinado em grande parte pelo genoma nuclear. Se uma folha é cultivada no escuro, os seus proplastídios se alargam e se tornam etioplastídios, os quais possuem um arranjo semicristalino de membranas internas contendo um precursor amarelo da clorofila. Quando a folha é exposta à luz, rapidamente os etioplastos se desenvolvem em cloroplastos, convertendo esse precursor em clorofila e sintetizando uma nova membrana, pigmentos, enzimas fotossintetizantes e componentes da cadeia transportadora de elétrons.

Os leucoplastos são plastídios que ocorrem em muitos tecidos epidermais e internos que não se tornam verdes e fotossintetizantes. Eles são um pouco mais alargados do que os proplastídios. Uma forma comum de leucoplasto é o amiloplasto, o qual acumula amido em tecidos de reserva. Em algumas plantas, tal como batatas, os amiloplastos podem crescer tanto que chegam ao tamanho médio das células animais.

É importante entender que os plastídios não são somente sítios para a fotossíntese e para o depósito de materiais de reserva. Os vegetais exploraram os seus plastídios na compartimentação celular do metabolismo intermediário. Os plastídios produzem mais energia e força redutora (como ATP e NADPH) do que a planta pode utilizar em suas reações biossintéticas. As sínteses de purinas e pirimidinas da maioria dos aminoácidos e de todos os ácidos graxos dos vegetais ocorrem nos plastídios, enquanto em células animais esses compostos são produzidos no citosol.

Cloroplastos são organelas que podem ser observadas ao microscópio de luz com certa facilidade, devido ao seu tamanho e sua coloração. Aparecem na célula vegetal na forma de discos achatados de 2 a 10 ¼ m de diâmetro e 1 ¼ m de espessura. Em algumas plantas, podem atingir dimensões bem maiores. Essa organela fotossintetizante contém três membranas distintas (a membrana externa, a membrana interna e a membrana dos tilacoides) que definem três compartimentos internos separados (o espaço intermembranas, o estroma e o espaço tilacoide). A membrana tilacoide contém todos os sistemas geradores de energia do cloroplasto. Os tilacoides individuais estão interconectados e tendem a se empilhar para formar agregados chamados de grana.

Os cloroplastos fazem as interconversões energéticas por mecanismos quimiosmóticos, de maneira muito semelhante àquela utilizada pelas mitocôndrias, e são organizados pelos mesmos princípios. Essa organela possui duas membranas (externa e interna) tipo envelope, de natureza fosfolipídica. A membrana externa é altamente permeável; já a membrana interna é muito menos permeável, e nela as proteínas carreadoras especiais estão embebidas. Entre essas duas membranas encontramos um espaço intermembrana à semelhança das mitocôndrias. A membrana interna circunda o estroma, o qual é análogo à matriz mitocondrial e contém várias enzimas, RNA, várias cópias do DNAcl, que é circular como em procariotos, e ribossomos, que processam o RNAm transcrito do DNA circular e codificam as proteínas da organela. Contudo, muitas proteínas do cloroplasto são produzidas a partir de genes nucleares e importadas a partir do citoplasma.

Há, entretanto, uma importante diferença entre a organização das mitocôndrias e a dos cloroplastos: a membrana interna dos cloroplastos não é dobrada em cristas e não contém uma cadeia transportadora de elétrons. Ao invés disso, a cadeia transportadora de elétrons, e o sistema fotossintetizante que absorve luz e uma ATP sintase estão todos contidos em uma terceira membrana distinta, a dos tilacoides. Acredita-se que o lúmen de cada tilacoide está conectado com o lúmen de outros tilacoides, definindo um terceiro compartimento interno chamado de espaço tilacoide, o qual é separado do estroma pela membrana tilacoide.

Os tilacoides são arranjados em pilhas, as grana (singular: granum). As moléculas de clorofila se localizam nos tilacoides, reunidas em grupo, formando estruturas chamadas de “complexos de antena” ou “antena”.

Como na fosforilação oxidativa mitocondrial, a fotossíntese envolve conversão energética. Nesse caso, a energia fotônica promove o gatilho energético para a fixação do carbono atmosférico em cadeias carbonadas. A energia dos fótons incidentes é absorvida pelos pigmentos e encaminhada através de transferência energética por ressonância. Duas moléculas de clorofila são então ionizadas, produzindo um elétron excitado que passa para o centro de reação fotoquímica.

Todos os processos de transporte de elétrons ocorrem na membrana tilacoide: para fabricar ATP, o H+ é bombeado para o espaço tilacoide, e um refluxo de H+, através da ATP sintase, produz o ATP no estroma cloroplástico. Esse ATP é usado em conjunto com o NAPH feito pela fotossíntese para direcionar um grande número de reações biossintéticas no estroma cloroplástico, incluindo as reações de fixação de carbono (Ciclo de Calvin-Benson) mais importantes, que geram carboidratos a partir de gás carbônico (CO2). Com outros produtos dos cloroplastos, esse carboidrato é exportado para o citosol celular, onde é utilizado. Fala-se muito da importância da fotossíntese na liberação de oxigênio para a atmosfera. Na verdade, o oxigênio é produto secundário da fotossíntese.

Na fotossíntese, a planta usa a energia do sol, captada através do complexo da antena, para oxidar a água e, assim, produzir oxigênio, e para reduzir o CO2 produzindo compostos orgânicos, principalmente açúcares. A série completa de reações que culmina na redução do CO2, inclui as reações nos tilacoides e as reações de fixação de carbonos. As reações nos tilacoides produzem compostos ricos em energia (ATP e NADPH), os quais são usados para a síntese de açúcares nas reações de fixação de carbono. Esses processos de síntese ocorrem no estroma do cloroplasto, a região aquosa que circunda os tilacoides. No cloroplasto, a energia da luz é captada por duas diferentes unidades funcionais chamadas fotossistemas. A energia luminosa absorvida é usada para fornecer força à transferência de elétrons ao longo de uma série de compostos que atuam como doadores e aceptores de elétrons. A maioria dos elétrons reduz NADP+ em NADPH. A energia da luz também é usada para gerar uma força motiva de prótons ao longo da membrana tilacoide, força essa usada para a síntese de ATP.

Resumidamente, dois estágios sequenciais ocorrem nos cloroplastos:

a) Primeiro, a luz, nos comprimentos de onda determinados, é “capturada” e ocorre a geração de energia potencial química por uma série de passos chamados de reações de luz ou reações luminosas, ou ainda fase clara. Essas reações são processadas nas membranas dos tilacoides.
b) Segundo, o CO2 é fixado e reduzido a compostos orgânicos, particularmente açúcares, por uma série de passos chamados de reações no escuro ou fixação de CO2, ou ainda fase escura.

Esse processo ocorre na matriz fluida do cloroplasto (estroma). As plantas são verdes pois os pigmentos fotossintéticos que coletam a luz usada na fotossíntese absorvem todos os comprimentos de onda visíveis de luz, exceto aqueles na parte verde do espectro.

O pigmento mais importante em plantas superiores é a clorofila a, existindo ainda pigmentos acessórios como clorofila b e carotenóides amarelos e laranjas. Todos esses pigmentos estão associados com proteínas e encontram-se embutidos nos tilacoides.

A luz chega em pequenos pacotes de energia (fótons), com a quantidade de energia por fóton sendo relacionada com o comprimento de onda. Uma molécula de pigmento pode absorver apenas um fóton e, em teoria, cada fóton absorvido poderia iniciar uma reação fotoquímica. O sistema de antena canaliza a energia absorvida pelas 50 a 1.000 moléculas de clorofila (mais os pigmentos acessórios) para um local denominado de centro de reação, onde a reação fotoquímica se processa continuamente.

Inicialmente, os elétrons em átomos ou moléculas estão energeticamente em um nível “normal” de energia denominado de estado básico ou estado fundamental (ground state). A absorção de um fóton por uma molécula de clorofila excita um elétron, levando ele de um estado de baixa energia (não excitado) para um estado excitado.

O elétron excitado primeiramente relaxa ao menor nível do estado excitado, emitindo radiação infravermelha, isto é, calor. Após ele retorna ao estado fundamental, podendo nesse retorno acontecer três processos:
a) perda de calor;
b) emissão de um fóton (fluorescência); ou
c) transferência de energia a uma molécula adjacente, onde outro elétron é excitado.

Este último processo é conhecido como transferência por ressonância. É o mecanismo pelo qual a energia coletada por dezenas ou centenas de moléculas de pigmento é canalizada ao centro de reação. É neles que a verdadeira reação fotoquímica ocorre, isto é, um elétron excitado é transferido de uma molécula do pigmento a uma adjacente (molécula receptora não-pigmento), resultando em uma separação de cargas elétricas. Isso é possível pois o elétron excitado está menos fortemente ligado à clorofila do que estaria num estado menos energético (estado fundamental).

A reação fotoquímica pode ser representada pelo esquema abaixo:

Esse esquema é a essência da fase fotoquímica. O que acontece no estágio seguinte (estágio 3) é a transferência de elétrons com alta energia de A- para uma série de outras moléculas transportadoras e a doação de um elétron à clorofila+.

Os princípios do transporte de elétrons na fotossíntese são os mesmos da respiração. Os elétrons são transferidos de substratos de baixa afinidade por elétrons (p. ex., NADH, o qual prontamente doa elétrons) para substratos com alta afinidade à elétrons (ex.: O2, o qual prontamente recebe elétrons). Pode-se dizer também que elétrons com alta energia são transferidos na direção “morro abaixo”, perdendo energia ao longo do caminho. Na fotossíntese, elétrons com alta energia são ejetados pelo centro de reação após a absorção da luz. No transporte cíclico de elétrons, é gerada uma força motiva de prótons transmembrana (FMP), similar ao que ocorre nas mitocôndrias, e esta por sua vez pode estar acoplada à síntese de ATP (o processo de fotofosforilação cíclica). A enzima-chave nesse processo é a ATP sintase, a qual catalisa a síntese de ATP.

O ATP é o único “produto” do transporte cíclico de elétrons, mas a fixação de CO2 requer tanto ATP quanto um potente agente redutor, cuja síntese requer elétrons com alto nível de energia. Apenas um transporte não cíclico de elétrons pode fornecer o poder redutor. Em bactérias primitivas, os doadores de elétrons, como o sulfito, estão disponíveis apenas em alguns habitats (p. ex., em anaerobiose), e isso restringe os locais onde as bactérias podem crescer.

Plantas verdes, cianobactérias ou algas têm uma solução para isso: elas utilizam a água como doador de elétrons para o sistema não-cíclico de transporte de elétrons. Entretanto, a água não é prontamente doadora de elétrons. Ela é de difícil oxidação, ao ser comparada com os elétrons do sulfito, o qual tem um potencial elétrico de cerca de zero volts; os elétrons da água têm aproximadamente + 0,8 volts, ou seja, têm menor energia. Para oxidar a água e ao mesmo tempo gerar o poder redutor, as plantas utilizam duas reações de luz, cada uma com seu centro de reação e antena, denominados Fotossistemas I e II (FSI e FSII). Dessa maneira, elétrons com baixa energia podem agora ser transferidos da água para o NADP+ usando o FSI e FSII, e energia suficiente torna-se disponível para gerar a FMP para a síntese de ATP. Além disso, quando a molécula de água é quebrada (oxidada), o oxigênio é liberado, reação esta que deriva todo o O2 presente na atmosfera.

Essas reações de luz das plantas são, assim, extremamente importantes para a manutenção da vida no planeta. Iniciando com o FSII, a absorção da luz por um complexo antena-pigmento excita P680 (P680 é uma forma especial de clorofila que absorve a luz num comprimento de onda de 680 nm) e leva à reação fotoquímica (ejeção do elétron de alta energia). O P680, agora oxidado, é um potente agente oxidante, apresentando grande habilidade em extrair elétrons da água. Os elétrons são transferidos da água para oxidar P680 através de um complexo proteico com manganês localizado próximo ao espaço tilacoide (também conhecido como espaço intratilacoide ou lúmen). Para cada molécula de água quebrada, dois íons H+ são liberados nesse espaço (contribuindo para o gradiente de prótons), bem como dois elétrons.

Os elétrons do ativado P680 são transferidos através de outros carregadores para a plastoquinona (PQ). PQ é um carregador de H+ que, tendo recebido dois elétrons, pega dois prótons do estroma (2 H+), transformando-se em PQH2. Logo após, PQH2 doa dois elétrons ao complexo citocromo e lança os 2 H+ no lúmen. Os elétrons do citocromo f são transferidos para plastocianina (PC), uma proteína que contém cobre e que pode se mover a curta distância ao longo da superfície da membrana do FSI. O doador primário de elétron no FSI, o P700, aceita os elétrons da PC quando ele estiver energizado pela luz absorvida pela antena associada. P700 transfere elétrons para Ferrodoxina (Fd, uma proteína que contém ferro), localizada no lado estroma. A Fd, por sua vez, reduz NADP+ via uma enzima redutase (NADP redutase), produzindo o NADPH. Esse caminho não-cíclico dos elétrons produz NADPH e promove uma transferência de prótons para dentro do lúmen, o qual torna-se acidificado (pH 5) em relação ao estroma (pH 8).

Outro caminho de representação do transporte de elétrons é em relação à afinidade dos elétrons dos carregadores com a energia dos elétrons. Os elétrons são “empurrados para cima” por duas reações fotoquímicas e “movidos para baixo” entre os elétrons carregadores. Devido a essa forma de movimentação, é conhecido como esquema Z. Esse esquema torna mais fácil compreender como duas foto-reações acopladas podem tornar possível a redução do NADP+ pela água: FSII promove a oxidação da água e FSI reduz o NADP+. No esquema Z, a luz vermelha absorvida pelo FSII produz um forte agente oxidante e um fraco agente redutor. A luz vermelha distante (comprimento de onda maior que 680 nm) absorvida pelo FSI produz um fraco oxidante e um forte redutor. O forte oxidante gerado no FSII oxida a água, enquanto o forte redutor produzido pelo FSI reduz NADP+. FSII produz elétrons que reduzem o complexo citocromo f, enquanto FSI produz um oxidante que oxida o complexo citocromo f. P680 e P700 referem-se ao comprimento de onda de máxima absorção das clorofilas dos centros de reação no FSII e FSI, respectivamente.

Dois grupos de herbicidas atuam para interferir esse caminho. Um grupo, derivado da ureia e triazina, tal como o simazine, bloqueia a transferência de elétrons para PQ. Outro grupo, que engloba diquat e paraquat, interceptam elétrons que estão se deslocando para ferrodoxina e transferem eles para o O2, formando radicais livres tóxicos que danificam as membranas.

O excesso de luz pode inibir a fotossíntese através de dois processos: fotoinibição (reversível) e fotooxidação (irreversível). A fotoinibição envolve danos aos centros de reação, especialmente FSII, quando eles são sobre-excitados. O que acontece no FSII é a perda da proteína envolvida na transferência de elétrons entre P680 e PQ. Essa proteína pode ser recuperada posteriormente.

Fotooxidação é um processo irreversível e envolve diretamente os pigmentos receptores de luz. Quando estes absorvem muita luz, ficam muito tempo excitados e interagem com o CO2 produzindo radicais livres, como superóxido (O2-), o qual pode destruir os pigmentos. Há algumas defesas bioquímicas, como a enzima superóxido dismutase (SOD) que destrói os radicais livres, mas essas defesas são insuficientes se a exposição à alta luminosidade é prolongada. Há também alterações fisiológicas as quais reduzem os riscos de danos em alta luminosidade. Os cloroplastos podem mover-se de um lado a outro da célula (ciclose); a orientação da folha pode alterar a ponto de elas ficarem alinhadas paralelamente à incidência dos raios solares e, assim, absorverem menos luz.

Plantas que crescem em ambientes com muita luz têm, frequentemente, características estruturais e químicas que reduzem a quantidade de luz que alcança o cloroplasto. As folhas podem ter superfície brilhante ou refletivas ou apresentar cutícula mais espessa. As células da epiderme podem conter antocianina, que absorve comprimentos de onda curtos (menos danosos). No geral, as reações de luz são componentes eficientes do maquinário bioquímico. Nessas reações, até 20% da luz absorvida pode ser convertida em ATP.

Recentemente, os cloroplastos têm captado a atenção dos interessados no desenvolvimento de plantas geneticamente modificadas. Em certas espécies, como o tabaco, os cloroplastos não são herdados do gameta masculino; portanto, os transgenes não podem ser disseminados através do pólen. Isso faz a transformação de plastídios uma ferramenta para criação e cultivo de plantas geneticamente modificadas, sem que haja o risco de contaminação com o gene modificado para outras plantas, permitindo a coexistência de agricultura convencional e orgânica na mesma propriedade. O processo ainda está sob avaliação, pois não foi ainda bem estudado em graneleiras. No tabaco, contudo, as plantas transplastômicas são bastante viáveis como alternativa de produção.

Evidências bioquímicas sugerem que os cloroplastos são descendentes de bactérias fotossintetizantes produtoras de oxigênio, que foram endocitadas e que viveram em simbiose com células eucarióticas primitivas. Acredita-se que as mitocôndrias sejam também descendentes de bactérias endocitadas. As muitas diferenças entre os cloroplastos e as mitocôndrias refletem os seus distintos ancestrais, bem como as suas subsequentes divergências evolutivas. Todavia, os mecanismos fundamentais envolvidos na síntese de ATP dirigida pela luz em cloroplastos e a síntese de ATP direcionada pela respiração nas mitocôndrias são muito semelhantes.

PEROXISSOMAS

Peroxissomas ou peroxissomos são organelas de 0,2 a 1 mm de diâmetro envolvidas por uma unidade de membrana contendo cerca de 40 tipos diferentes de enzimas oxidativas, dentre elas a catalase, urato oxidase e D-amino-oxidase. Atuam no catabolismo de ácidos graxos de cadeia longa (beta-oxidação), formando Acetil-CoA e H2O2.
O peróxido de hidrogênio detoxifica agentes nocivos como o etanol e mata certos microrganismos. O excesso de H2O2 é destruído pela enzima catalase, também no interior dos peroxissomos. Os peroxissomos realizam ainda a oxidação de urato e de D-aminoácidos.

Todas as células animais possuem de 60 a 70 peroxissomos, sendo que hepatócitos, neutrófilos e macrófagos e células renais possuem maior número deles. Nas células vegetais, os glioxissomas são responsáveis pela metabolização dos triacilgliceróis (via do glioxilato).
As proteínas destinadas aos peroxissomos não são produzidas no RER, e sim no citossol. Através de um peptídio sinal, aderem aos receptores específicos na membrana dos peroxissomos. Um modo de transporte especial, semelhante ao utilizado pelo complexo de poros nucleares, envolve a translocação do receptor para a matriz, a entrega da proteína transportada e o retorno do receptor para o citosol. À medida que os peroxissomos incorporam lipídios e proteínas à membrana, eles crescem e se dividem por fissão.
Pelo menos 17 patologias humanas estão associadas a disfunções nos peroxissomos. Destas, 15 têm envolvimentos neurológicos. Essas doenças podem ser divididas em dois grupos: doenças peroxissomais tipo 1 e 2. As primeiras apresentam defeitos generalizados na biogênese da organela, sendo produzidos apenas peroxissomos pequenos, em pequena quantidade e com morfologia defeituosa. No grupo 2, estão incluídas doenças que têm como causa defeitos em uma enzima peroxissomal, havendo acúmulo de substratos e falta dos produtos enzimáticos. Na Tabela 5.1, citamos algumas dessas patologias.






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