Resumo da Estrutura Celular, Correlatos Anatômicos da Função Metabólica

Autor e Curador: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Este capítulo tem se preocupado com a ultraestrutura subcelular das organelas e, o que é importante, sua função. Não há desperdício na estrutura celular. O núcleo tem as instruções necessárias para realizar as funções da célula. Na célula eucariótica existe uma diferenciação significativa para que as células sejam reguladas de acordo com as necessidades que elas executam de forma única. Quando há desconsideração, ela leva à remodelação ou à morte da célula.

Aqui devo notar alguns destaques deste capítulo.

1. Em todos os aspectos da função celular, as proteínas estão envolvidas na estrutura, para um funcionamento mais eficiente.
2. A regulação metabólica é dependente de caminhos que também são ligações de proteínas.
3. A utilização da energia depende de reações enzimáticas, muitas vezes envolvendo íons metálicos essenciais de alto número de valências, o que facilita a ligação covalente e aniônica, e tem um papel essencial na alostericidade.

Mitocôndria

Mitocôndria varia de 0,5 a 1,0 micrómetro (μm) de diâmetro. Estas estruturas são por vezes descritas como “centrais eléctricas celulares” porque geram a maior parte do fornecimento de adenosina trifosfato (ATP) da célula, utilizada como fonte de energia química. Além de fornecer energia celular, as mitocôndrias estão envolvidas em outras tarefas como sinalização, diferenciação celular, morte celular, assim como o controle do ciclo celular e o crescimento celular. As mitocôndrias têm sido implicadas em diversas doenças humanas, incluindo distúrbios mitocondriais e disfunção cardíaca.

O número de mitocôndrias em uma célula pode variar amplamente por organismo, tecido e tipo celular. Por exemplo, as células vermelhas do sangue não têm mitocôndrias, enquanto as células hepáticas podem ter mais de 2000. A organela é composta por compartimentos que realizam funções especializadas. Estes compartimentos ou regiões incluem a membrana externa, o espaço intermembrana, a membrana interna, e a cristae e matriz. As proteínas mitocondriais variam de acordo com o tecido e a espécie. Pensa-se que o proteoma mitocondrial é regulado de forma dinâmica. Embora a maior parte do DNA de uma célula esteja contida no núcleo celular, a mitocôndria tem o seu próprio genoma independente. Além disso, seu DNA mostra similaridade substancial com genomas bacterianos.

Em 1913 partículas de extratos de fígado de cobaia foram ligadas à respiração por Otto Heinrich Warburg, que ele chamou de “grana”. Warburg e Heinrich Otto Wieland, que também tinham postulado um mecanismo de partículas semelhante, discordaram sobre a natureza química da respiração. Foi só em 1925, quando David Keilin descobriu citocromos, que a cadeia respiratória foi descrita. Em 1939, experiências usando células musculares picadas demonstraram que um átomo de oxigênio pode formar duas moléculas de adenosina trifosfato e, em 1941, o conceito de ligações de fosfato sendo uma forma de energia no metabolismo celular foi desenvolvido por Fritz Albert Lipmann. Nos anos seguintes, o mecanismo por trás da respiração celular foi mais elaborado, embora sua ligação com as mitocôndrias não fosse conhecida. A introdução do fracionamento tecidual por Albert Claude permitiu que as mitocôndrias fossem isoladas de outras frações celulares e que a análise bioquímica fosse realizada somente nelas. Em 1946, ele concluiu que a citocondria e outras enzimas responsáveis pela cadeia respiratória foram isoladas para as mitocôndrias.

As primeiras micrografias de alta resolução apareceram em 1952, substituindo as manchas de Janus Green como a forma preferida de visualização das mitocôndrias. Isto levou a uma análise mais detalhada da estrutura das mitocôndrias, incluindo a confirmação de que elas estavam rodeadas por uma membrana. Também mostrou uma segunda membrana dentro das mitocôndrias que se dobrava em cristas dividindo a câmara interna e que o tamanho e a forma das mitocôndrias variavam de célula para célula. Em 1967, descobriu-se que as mitocôndrias continham ribossomos. Em 1968, métodos foram desenvolvidos para mapear os genes mitocondriais, com o mapa genético e físico das mitocôndrias de levedura sendo completado em 1976.

Uma mitocôndria contém membranas externas e internas compostas de bílis fosfolípidos e proteínas. As duas membranas têm propriedades diferentes. Devido a esta organização de membrana dupla, existem cinco partes distintas para uma mitocôndria. Elas são:

1. a membrana mitocondrial externa,
2. o espaço intermembrana (o espaço entre as membranas externa e interna),
3. a membrana mitocondrial interna,
4. o espaço cristae (formado por infoldings da membrana interna), e
5. a matriz (espaço dentro da membrana interna).

Mitocôndrias retiradas da membrana externa são chamadas de mitoplastos,

Mitocôndria ultra-estrutura (diagrama interativo) Uma mitocôndria tem uma membrana dupla; a interna contém seu aparelho quimiossimótico e tem sulcos profundos que aumentam sua área de superfície. Enquanto comumente descrita como uma “salsicha laranja com uma bolha dentro dela” (como ela está aqui), a mitocôndria pode tomar muitas formas e seu espaço intermembrana é bastante fino.

O espaço intermembrana é o espaço entre a membrana externa e a membrana interna. É também conhecido como espaço perimitocondrial. Como a membrana externa é livremente permeável a pequenas moléculas, as concentrações de pequenas moléculas como íons e açúcares no espaço intermembrana é a mesma que o citosol. Entretanto, proteínas grandes devem ter uma seqüência de sinalização específica para serem transportadas através da membrana externa, portanto a composição proteica deste espaço é diferente da composição proteica do citosol. Uma proteína que é localizada para o espaço intermembrana desta forma é o citocromo c.

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

1. Que realizam as reacções redox da fosforilação oxidativa
2. Sintase ATP, que gera ATP na matriz
3. Proteínas de transporte específicas que regulam a passagem do metabolito para dentro e para fora da matriz
4. Máquinas de importação de proteínas.
5. Proteína de fusão e fissão de Mitocôndria.

Contém mais de 151 polipeptídeos diferentes, e tem uma relação proteína/fosfolípidos muito alta (mais de 3:1 por peso, que é cerca de 1 proteína para 15 fosfolípidos). A membrana interna é o lar de cerca de 1/5 da proteína total em uma mitocôndria. Além disso, a membrana interna é rica em um fosfolipídeo incomum, a cardiolipina. Este fosfolipídeo foi originalmente descoberto em corações de vacas em 1942, e é geralmente característico das membranas plasmáticas mitocondriais e bacterianas. A cardiolipina contém quatro ácidos gordos em vez de dois, e pode ajudar a tornar a membrana interna impermeável. Ao contrário da membrana externa, a membrana interna não contém poros, e é altamente impermeável a todas as moléculas. Quase todos os íons e moléculas requerem transportadores especiais de membrana para entrar ou sair da matriz. As proteínas são fervidas na matriz através da translocase do complexo da membrana interna (TIM) ou via Oxa1. Além disso, existe um potencial de membrana através da membrana interna, formada pela ação das enzimas da cadeia de transporte de elétrons.

A membrana mitocondrial interna é compartimentada em numerosas cristais, que expandem a área da superfície da membrana mitocondrial interna, aumentando sua capacidade de produzir ATP. Para mitocôndrias hepáticas típicas, a área da membrana interna é cerca de cinco vezes maior do que a membrana externa. Esta razão é variável e as mitocôndrias das células que têm uma maior demanda por ATP, como as células musculares, contêm ainda mais cristais. Estas dobras são cravejadas com pequenos corpos redondos conhecidos como partículas F1 ou oxissomas. Estas dobras não são simples dobras aleatórias, mas sim invaginações da membrana interna, que podem afectar a função quimiossimótica global. Um recente estudo de modelagem matemática sugeriu que as propriedades ópticas da cristae nas mitocôndrias filamentosas podem afetar a geração e propagação da luz dentro do tecido.

A matriz é o espaço fechado pela membrana interna. Ela contém cerca de 2/3 da proteína total em uma mitocôndria. A matriz é importante indutora de MAM é enriquecida em enzimas envolvidas na biossíntese lipídica, como a fosfatidilserina sintetase na face das ER e a fosfatidilserina descarboxilase na face mitocondrial. Como as mitocôndrias são organelas dinâmicas constantemente submetidas a eventos de fissão e fusão, elas requerem um suprimento constante e bem regulado de fosfolipídios para a integridade da membrana. Mas as mitocôndrias não são apenas um destino para os fosfolípidos de que terminam a síntese; ao contrário, esta organela também desempenha um papel no tráfico interorganelar dos intermediários e produtos das vias biossintéticas dos fosfolípidos, do metabolismo da ceramida e do colesterol e da produção de anabolipídeos glicosfingolípidos de ATP com a ajuda da ATP sintase contida na membrana interna. A matriz contém uma mistura altamente concentrada de centenas de enzimas, ribossomos mitocondriais especiais, tRNA, e várias cópias do genoma do DNA mitocondrial. Das enzimas, as principais funções incluem oxidação de piruvato e ácidos graxos, e o ciclo do ácido cítrico.

MAM purificado de fracionamento subcelular mostrou ser enriquecido em enzimas envolvidas na troca de fosfolípidos, além de canais associados com a sinalização de Ca2+. A membrana ER mitocondrial associada (MAM) é outro elemento estrutural cada vez mais reconhecido pelo seu papel crítico na fisiologia celular e homeostase. Uma vez considerado um obstáculo técnico nas técnicas de fracionamento celular, os supostos contaminantes da vesícula do RE que invariavelmente apareciam na fração mitocondrial foram re-identificados como estruturas membranosas derivadas do MAM – a interface entre as mitocôndrias e o RE. O acoplamento físico entre estas duas organelas tinha sido previamente observado em micrografias eletrônicas e mais recentemente foi sondado com microscopia de fluorescência. Tais estudos estimam que no MAM, que pode compreender até 20% da membrana externa mitocondrial, o RE e as mitocôndrias são separadas por apenas 10-25 nm e mantidas juntas por complexos de amarração de proteínas.

Tal capacidade de tráfico depende do MAM, o que tem demonstrado facilitar a transferência de intermediários lipídicos entre as organelas. Em contraste com o mecanismo vesicular padrão de transferência de lipídios, evidências indicam que a proximidade física do MAM com as membranas mitocondriais no MAM permite a inversão de lipídios entre os biletos opostos. Apesar deste mecanismo incomum e aparentemente energético desfavorável, tal transporte não requer ATP. Em vez disso, na levedura, tem sido demonstrado que depende de uma estrutura de amarração multiproteína chamada de ER-mitocôndria, ou ERMES, embora ainda não esteja claro se esta estrutura medeia diretamente a transferência lipídica ou se é necessário manter as membranas suficientemente próximas para baixar a barreira energética para a inversão lipídica.

Um papel crítico para o ER na sinalização do cálcio foi reconhecido antes que tal papel para a mitocôndria fosse amplamente aceito, em parte porque a baixa afinidade dos canais de Ca2+ localizados à membrana mitocondrial externa parecia voar em face da suposta responsividade desta organela às mudanças no fluxo intracelular de Ca2+. Mas a presença do MAM resolve esta aparente contradição: a estreita associação física entre as duas organelas resulta em microdomínios Ca2+ em pontos de contacto que facilitam a transmissão eficiente de Ca2+ do SU para as mitocôndrias. A transmissão ocorre em resposta aos chamados “puffs de Ca2+” gerados pelo agrupamento espontâneo e ativação do IP3R, uma membrana canônica do ER canal Ca2+.

As propriedades da bomba SERCA Ca2+ e do canal IP3R presente na membrana do ER facilitam a regulação do feedback coordenado pela função MAM. Em particular, a folga do Ca2+ pelo MAM permite uma calibração espaço-temporal da sinalização Ca2+ porque o Ca2+ altera a actividade do IP3R de forma bifásica. A SERCA também é afetada pelo feedback mitocondrial: a captação de Ca2+ pelo MAM estimula a produção de ATP, fornecendo assim energia que permite à SERCA recarregar o RE com Ca2+ para um efluxo contínuo de Ca2+ no MAM. Assim, o MAM não é um amortecedor passivo para a absorção de Ca2+; pelo contrário, ele ajuda a modular a sinalização de Ca2+ através de loops de feedback que afetam a dinâmica do ER.

Regular a liberação do ER de Ca2+ no MAM é especialmente crítico porque apenas uma certa janela de absorção de Ca2+ sustenta a mitocôndria, e consequentemente a célula, na homeostase. É necessária uma sinalização intra-organela de Ca2+ suficiente para estimular o metabolismo através da ativação de enzimas desidrogenase críticas para o fluxo através do ciclo do ácido cítrico. Entretanto, uma vez que a sinalização de Ca2+ nas mitocôndrias ultrapassa um certo limiar, estimula a via intrínseca da apoptose em parte através do colapso do potencial da membrana mitocondrial necessária para o metabolismo. Estudos examinando o papel dos fatores pró e anti-apoptóticos apóstata apóiam este modelo; por exemplo, o fator anti-apoptótico Bcl-2 demonstrou interagir com os IP3Rs para reduzir o enchimento de Ca2+ do MAM, levando à redução do efluxo no MAM e evitando o colapso do potencial de estímulo pós-apoptótico da membrana mitocondrial. Dada a necessidade de tal regulação fina da sinalização do Ca2+, talvez não seja surpreendente que o Ca2+ mitocondrial desregulado tenha sido implicado em várias doenças neurodegenerativas, enquanto o catálogo de supressores tumorais inclui alguns que são enriquecidos no MAM.

…mais

Sysosome e Apoptose

Passo de autofagia no cancro

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (Dez 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

Autofagia é uma via de degradação celular para a eliminação de proteínas e organelas danificadas ou supérfluas. A reciclagem destes componentes intracelulares também serve como uma fonte de energia alternativa durante períodos de estresse metabólico para manter a homeostase e a viabilidade. Nas células tumorais com defeitos na apoptose, a autofagia permite a sobrevivência prolongada. Paradoxalmente, os defeitos da autofagia estão associados ao aumento da tumorigenese, mas o mecanismo por trás disso ainda não foi determinado. Evidências recentes sugerem que a autofagia proporciona uma função protectora para limitar a necrose e inflamação do tumor e para mitigar os danos genómicos nas células tumorais em resposta ao stress metabólico.

Ativação sustentada da mTORC1 no músculo esquelético Inibe a autofagia constitutiva e induzida pela fome e causa uma miopatia grave e tardia

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
cell-metabolismo 7 de Maio, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• mTORC1 inibição é necessária para constituintes e inanição…autofagia induzida
• Ativação sustentada da mTORC1 causa uma miopatia grave devido ao comprometimento da autofagia
• O esgotamento da mTORC1 é suficiente para ativar a mTORC1 independentemente de outros estímulos
• mTORC1 A inativação é suficiente para desencadear a lipidação LC3

Autofagia é um processo catabólico que garante a depuração homeostática das células e é desregulada em um número crescente de condições miopatológicas. Embora tenha sido demonstrado que o FoxO3 promove a expressão de genes relacionados à autofagia no músculo esquelético, os mecanismos que desencadeiam a autofagia não são claros. Mostramos que ratos com deficiência de TSC1 (TSCmKO), caracterizados por ativação sustentada de mTORC1, desenvolvem uma miopatia tardia relacionada à autofagia deficiente. Em ratos TSCmKO jovens,

• a autofagia induzida por constituição e fome é bloqueada nas etapas de indução via
• mTORC1 inibição mediada do Ulk1, apesar da ativação do FoxO3.

Rapamicina é suficiente para restaurar a autofagia em ratos TSCmKO e

• imprime o fenótipo muscular de ratos velhos mutantes.

Inversamente, a revogação da sinalização mTORC1 por

depletion of raptor induces autophagy regardless of FoxO inhibition.

Assim, mTORC1 é o regulador dominante da indução de autofagia no músculo esquelético e

• garante uma coordenação estreita das vias metabólicas.

Estes achados podem abrir caminhos interessantes para estratégias terapêuticas direcionadas às doenças musculares relacionadas à autofagia.

As deacetylases 1 e 2 da histerona regulam o fluxo de autofagia e homeostase muscular esquelética em ratos

HDAC1 ativa a FoxO e é suficiente e necessário para a atrofia muscular esquelética

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. Apr 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

Os fatores de transcrição da caixa de Forkhead O (FoxO) são ativados, e necessários para a atrofia muscular, em diversas condições fisiopatológicas, incluindo desuso muscular e cachexia cancerígena. Entretanto, os mecanismos que levam à ativação da FoxO não estão bem definidos. Dados recentes do nosso laboratório e outros indicam que

• a atividade da FoxO é reprimida em condições basais através da acetilação reversível da lisina,
• que se torna comprometida durante condições catabólicas.

Por isso, objetivamos determinar como as proteínas da deacetylase histone (HDAC) contribuem para

• ativação da FoxO e indução do programa de atrofia muscular.

Por meio do uso de vários inibidores farmacológicos para bloquear a atividade da HDAC, demonstramos que

• a HDAC de classe I são reguladores chave da FoxO e do programa de atrofia muscular
• durante a privação de nutrientes e o desuso do músculo esquelético.

Outras vezes, demonstramos, através do uso de plasmídeos de expressão tipo selvagem e dominantes-negativos do HDAC1,

• que o HDAC1 é suficiente para ativar o FoxO e induzir a atrofia das fibras musculares in vivo e
• é necessário para a atrofia das fibras musculares que está associada ao desuso muscular.

A capacidade da HDAC1 de causar atrofia muscular requeria sua atividade de diacetilase e

• estava ligada à indução de vários genes de atrofia pela HDAC1,
• incluindo a atrogina-1, que requeria a desacetilação da FoxO3a.

Outra, inibição farmacológica de HDACs classe I durante desuso muscular, usando MS-275,

• significantemente atenuada tanto a atrofia das fibras musculares em desuso como a disfunção contrátil.

Todos estes dados solidificam a importância dos HDACs classe I no programa de atrofia muscular e

• indicam que os inibidores de HDAC classe I são contramedidas viáveis para impedir a atrofia e fraqueza muscular.

Autofagia é um processo vesicular para a degradação lisossomal dos agregados proteicos e

• de organelas danificadas ou redundantes.

Autofagia desempenha um papel importante na homeostase celular, e há evidências de que

• este processo está desregulado nas células cancerosas.

Recentes estudos pré-clínicos in vitro indicaram que a autofagia está

• envolvida na resposta citotóxica à quimioterapêutica nas células cancerosas da tiróide.

Indeed, vários genes oncogenes e oncosuppressores implicados na carcinogênese da tiróide

• também desempenham um papel na regulação da autofagia.

Além disso, alguns moduladores epigenéticos envolvidos na carcinogênese da tiróide também influenciam a autofagia. Nesta revisão, destacamos os fatores genéticos e epigenéticos que

• relacionam mecanicamente a carcinogênese da tireóide e a autofagia, substanciando assim a fundamentação para
• uma terapia autofagética de cancros da tireóide agressivos e radio-resistentes.