Mitocôndria

1. Um organelo dinâmico e especializado

As mitocôndrias são organelos de dupla membrana derivados evolutivamente de uma endossimbiose bacteriana. Produzem ATP, mas também regulam cálcio, apoptose, imunidade inata, síntese de metabolitos e sinalização redox. A forma varia entre pequenos elementos e redes tubulares contínuas; número, cristas e posição adaptam-se ao tipo celular e à procura energética.

Cardiomiócitos têm mitocôndrias abundantes entre miofibrilhas; músculo esquelético ajusta-as ao treino e tipo de fibra; células esteroidogénicas possuem cristas tubulares; adipócitos castanhos apresentam elevada densidade e UCP1.

2. Compartimentos e membranas

A membrana externa contém VDAC e é relativamente permeável a pequenos solutos. A membrana interna é rica em cardiolipina, muito impermeável a iões e organizada em membrana de fronteira e cristas. Nela se encontram a cadeia transportadora de eletrões, ATP sintase e transportadores. O espaço intermembranar acumula protões; a matriz contém enzimas do ciclo do citrato, β-oxidação, mtDNA e ribossomas mitocondriais.

As cristas não são simples pregas passivas. Junções de crista restringem difusão; complexos MICOS organizam a arquitetura e oligómeros de ATP sintase curvam as extremidades. A forma das cristas altera eficiência respiratória e libertação de citocromo c.

A centrifugação diferencial foi decisiva para relacionar esta estrutura com a função: após homogeneização, núcleos sedimentam primeiro e mitocôndrias numa centrifugação intermédia, juntamente com lisossomas e peroxissomas de dimensões semelhantes. A fração obtida não é automaticamente pura; a sua identidade exige enriquecimento de marcadores mitocondriais e avaliação de contaminação por outros organelos.

3. Fosforilação oxidativa

NADH fornece eletrões ao complexo I e FADH₂ através do complexo II ou de outras flavoproteínas. Os eletrões seguem para ubiquinona, complexo III, citocromo c e complexo IV, onde O₂ é reduzido a H₂O. Os complexos I, III e IV bombeiam protões para o espaço intermembranar, criando força protomotriz, com componente elétrico e químico.

A ATP sintase F₀F₁ deixa regressar H⁺ pela porção F₀. A rotação do anel c e do eixo γ altera sucessivamente os estados das subunidades β de F₁: ligação de ADP + Pi, síntese de ATP e libertação. O gradiente impulsiona ainda importação de fosfato, troca ADP/ATP e transporte de outros metabolitos.

Um desacoplador dissipa o gradiente sem produzir ATP: aumenta consumo de O₂ e oxidação de combustível, mas liberta calor. A UCP1 da gordura castanha permite termogénese fisiológica; não é uma fuga inespecífica permanente, pois é regulada por ácidos gordos e nucleótidos de purina.

4. Membrana externa e VDAC

VDAC controla a passagem de ATP/ADP, metabolitos, Ca²⁺ e outros solutos entre citosol e espaço intermembranar. Interage com hexocinase, proteínas BCL-2 e componentes de contactos. Assim, liga metabolismo a apoptose e sinalização. A sua abertura não equivale, por si só, à permeabilização apoptótica da membrana externa, que depende sobretudo de BAX/BAK.

5. Imunidade inata e inflamação

A proteína MAVS, na membrana externa, recebe sinais dos sensores citosólicos RIG-I e MDA5 que reconhecem RNA viral. A oligomerização de MAVS ativa TBK1–IRF3 e NF-κB, promovendo interferões tipo I e citocinas. Dinâmica mitocondrial, ROS e contactos com peroxissomas modulam a resposta.

MtDNA libertado para o citosol pode ativar cGAS–STING; cardiolipina ou ROS podem favorecer inflamassomas. Estes sinais são úteis contra infeção, mas tornam-se lesivos quando persistem em doença metabólica ou degenerativa.

Por conservar características bacterianas, o mtDNA também pode atuar como DAMP e estimular TLR9 em compartimentos endossomais. A localização do ácido nucleico é determinante: mtDNA retido na matriz não desencadeia a mesma resposta que mtDNA libertado durante dano celular.

6. Apoptose intrínseca

Stress genotóxico, privação de fatores tróficos ou dano irreparável ativam proteínas BH3-only. Estas inibem BCL-2/BCL-xL e ativam BAX/BAK, que oligomerizam na membrana externa. A permeabilização liberta citocromo c; este associa-se a APAF1 e procaspase-9 no apoptossoma, ativando caspases executoras.

A abertura prolongada do poro de transição de permeabilidade da membrana interna causa edema e perda do potencial, sobretudo em necrose por sobrecarga de Ca²⁺ e ROS. Não deve ser confundida com o poro BAX/BAK da membrana externa.

7. Cálcio e contactos RE–mitocôndria

Nos contactos associados à mitocôndria (MAM), IP₃R do RE liberta Ca²⁺, que atravessa VDAC e entra na matriz pelo uniportador MCU. Microdomínios locais permitem captação eficiente sem elevar de forma extrema o Ca²⁺ de todo o citosol.

Ca²⁺ matricial moderado ativa desidrogenases e ajusta ATP à procura. Sobrecarga favorece transição de permeabilidade, ROS e morte. As MAM coordenam ainda síntese lipídica, autofagia e fissão.

8. Esteroidogénese

Nas células do córtex suprarrenal e das gónadas, a etapa inicial da síntese de hormonas esteroides ocorre na mitocôndria. StAR transfere colesterol da membrana externa para a membrana interna, etapa agudamente regulada. A enzima CYP11A1/P450scc, na face matricial da membrana interna, converte colesterol em pregnenolona por três reações oxidativas que usam eletrões de NADPH através de adrenodoxina-redutase e adrenodoxina.

A pregnenolona segue para o RE, onde diferentes enzimas originam progesterona e precursores de glucocorticoides, mineralocorticoides ou esteroides sexuais. Algumas etapas finais regressam à mitocôndria, pelo que a esteroidogénese depende de transporte repetido entre mitocôndria e RE. As cristas tubulovesiculares das células esteroidogénicas refletem esta especialização da membrana interna.

9. Fusão, fissão e controlo de qualidade

A rede mitocondrial remodela-se continuamente:

• MFN1/MFN2 fundem membranas externas;
• OPA1 funde membranas internas e organiza cristas;
• DRP1, recrutada por adaptadores, constrita a membrana durante fissão;
• contactos com RE, actina e lisossomas marcam locais de divisão.

Fusão permite complementar componentes e diluir dano. Fissão facilita distribuição durante divisão celular e segregação de partes despolarizadas. PINK1 estabiliza-se numa mitocôndria despolarizada e recruta/ativa Parkin, que ubiquitina proteínas externas; recetores de autofagia promovem mitofagia. Nem toda a fissão implica degradação, nem toda a fusão significa saúde.

10. Genoma mitocondrial

O mtDNA humano é circular, tem cerca de 16,6 kb e codifica 13 subunidades da fosforilação oxidativa, 22 tRNA e 2 rRNA. A maioria das cerca de mil proteínas mitocondriais é nuclear. Cada célula contém muitas cópias de mtDNA; a coexistência de variantes é heteroplasmia. A doença surge quando a proporção mutada ultrapassa um limiar dependente do tecido e da exigência energética.

A herança é predominantemente materna. Durante a oogénese ocorre um gargalo genético, pelo que irmãos podem receber proporções muito diferentes. Músculo, cérebro, retina e coração são particularmente vulneráveis.

11. Origem endossimbiótica e importação proteica

A dupla membrana, o genoma circular, os ribossomas de tipo bacteriano e relações filogenéticas apoiam a origem a partir de uma α-proteobactéria endocitada. Ao longo da evolução, a maioria dos genes foi perdida ou transferida para o núcleo.

Proteínas matriciais possuem frequentemente uma pré-sequência anfipática reconhecida por TOM20/TOM22. A cadeia atravessa TOM e TIM23, impulsionada pelo potencial da membrana interna e pelo motor PAM/Hsp70; a pré-sequência é clivada. Proteínas multipasso da membrana interna podem usar TIM22; proteínas β-barril da membrana externa usam SAM; proteínas do espaço intermembranar podem usar MIA.

12. Doença mitocondrial

Doenças mitocondriais podem resultar de variantes no mtDNA ou em genes nucleares. LHON afeta sobretudo o nervo ótico e tem herança materna; síndrome de Leigh pode ter herança mitocondrial, autossómica recessiva ou ligada ao X. São comuns encefalopatia, miopatia, acidose láctica, neuropatia, surdez, diabetes e cardiomiopatia, mas a expressão é muito variável.

13. Resumo de alto rendimento

• A membrana interna impermeável permite força protomotriz e fosforilação oxidativa.
• Cristas são domínios organizados, não pregas indiferenciadas.
• VDAC liga transporte, metabolismo e morte; BAX/BAK executam a permeabilização apoptótica.
• MAVS, mtDNA e ROS integram mitocôndria e imunidade inata.
• MAM criam microdomínios de Ca²⁺ e coordenam lípidos, energia e morte.
• A esteroidogénese começa com transporte de colesterol por StAR e formação de pregnenolona por CYP11A1.
• Fusão, fissão e mitofagia preservam qualidade e distribuição da rede.
• O mtDNA apresenta herança materna, heteroplasmia e efeito de limiar.
• A maioria das proteínas mitocondriais é importada por TOM/TIM.