Mitocondrias como organela do metabolismo energético
As mitocondrias são organelas com dupla membrana, capazes de alterar sua quantidade e forma de acordo com as necessidades energéticas da célula. Nas células da musculatura esquelética, as mitocondrias são alongadas e possuem um grande número de cristas; em células pouco ativas, são pequenas e arredondadas, com um número moderado de cristas. Com a redução da atividade física, o número de mitocondrias diminui; com a retomada dos exercícios, ele aumenta.
A estrutura da mitocondria inclui:
- A membrana externa, que é lisa e semelhante em estrutura à membrana plasmática;
- A membrana interna, que é dobrada, formando as cristas; é construída no formato de um tapete lipoproteico com um entrelaçamento denso de proteínas e lipídios, o que garante sua baixa permeabilidade;
- Os sítios de contato, que são locais de união entre as membranas com grande quantidade de proteínas enzimáticas, incluindo os corpos em forma de cogumelo — as ATP sintases;
- O espaço intermembranoso, que contém, em particular, o citocromo C, envolvido na apoptose;
- A matriz, que possui seu próprio DNA circular, ribossomos, enzimas e íons.
Teoria simbiótica da origem
De acordo com a teoria simbiótica, as mitocondrias se originaram a partir de uma bactéria aeróbia fagocitada por uma célula anaeróbia maior e fagocítica. A membrana adicional formou-se através da fagocitose. Apoiando essa teoria, encontram-se evidências como: DNA circular próprio, semelhante ao bacteriano; ribossomos próprios; e capacidade de divisão independente — por brotamento ou constrição, sem a participação do controle nuclear.
Moléculas macroérgicas
A energia é armazenada em ligações macroérgicas. A principal molécula é o ATP (trifosfato de adenosina): base nitrogenada adenina, ribose e três resíduos de ácido fosfórico. As ligações macroérgicas situam-se entre os fosfatos. Durante a desfosforilação, um fosfato é clivado e a energia é liberada: ATP → ADP → AMP. O AMP já não possui ligações macroérgicas.
Também é utilizado o coenzima A (HS-CoA): na junção com um radical, forma-se a acil-CoA e, na junção com o grupo CH₃, forma-se o acetil-CoA, um substrato-chave do ciclo de Krebs.
Etapas preparatória e anaeróbia
A etapa preparatória ocorre no sistema digestivo e termina no intestino delgado. Lipases, proteases, nucleases e glicosidases decompõem os biopolímeros em monômeros: aminoácidos, monossacarídeos, ácidos graxos, nucleotídeos. Toda a energia liberada é dissipada na forma de calor, e o ATP não é armazenado.
A etapa anaeróbia (glicólise) ocorre no hialoplasma. A partir de uma molécula de glicose (6 átomos de carbono), através de 10 reações enzimáticas, formam-se 2 moléculas de ácido pirúvico (piruvato, 3 carbonos cada). O resultado total da glicólise é: 2 ATP + 2 NADH + 2 piruvatos.
Primeiramente, os carboidratos são utilizados para o metabolismo energético; gorduras e, com mais razão, proteínas são usadas por último, pois possuem valor plástico. Na carência de oxigênio, o piruvato converte-se reversivelmente em lactato (ácido lático), o que explica a dor muscular após esforço intenso. O acúmulo excessivo de lactato conduz a um estado patológico — a acidose lática.
Etapa aeróbia: estágio intermediário e o ciclo de Krebs
A etapa aeróbia compreende três fases: o estágio intermediário, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa.
No estágio intermediário, o piruvato é transportado para a matriz mitocondrial; nesse processo, libera-se CO₂, o NAD⁺ é reduzido a NADH e forma-se o acetil-CoA. A partir de uma glicose, obtêm-se 2 acetil-CoA e 2 NADH.
O ciclo de Krebs ocorre na matriz. O acetil-CoA transfere o grupo com dois carbonos para o oxaloacetato (4C), formando citrato (6C). Através de uma série de reações de descarboxilação e oxidação, o ciclo retorna ao oxaloacetato. Por cada volta, são produzidos:
- 3 moléculas de NADH;
- 1 molécula de FADH₂;
- 1 molécula de GTP (energeticamente equivalente ao ATP);
- 2 moléculas de CO₂.
Ocorre 2 voltas do ciclo por molécula de glicose.
Fosforilação oxidativa e balanço de ATP
A cadeia transportadora de elétrons localiza-se na membrana interna mitocondrial e é composta por complexos proteicos. O NADH doa hidrogênio para o complexo I (NADH desidrogenase), e o FADH₂ para o complexo II. Os elétrons são transportados ao longo da membrana através da coenzima Q e do citocromo C até os complexos III e IV; a energia deles é utilizada para bombear prótons para o espaço intermembranoso. No complexo IV, os elétrons unem-se ao oxigênio para formar água.
O gradiente de prótons gerado movimenta a ATP sintase: os prótons retornam à matriz pelo canal da enzima, viabilizando a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato.
Rendimento energético:
- 1 NADH → 3 ATP;
- 1 FADH₂ → 2 ATP;
- 1 GTP → 1 ATP.
Balanço por etapas a partir de uma molécula de glicose:
- Etapa preparatória — 0 ATP;
- Glicólise — 2 ATP + 2 NADH (6 ATP) = 8 ATP;
- Estágio intermediário — 2 NADH = 6 ATP;
- Ciclo de Krebs (×2): 6 NADH (18) + 2 FADH₂ (4) + 2 GTP (2) = 24 ATP.
Rendimento total — 38 moléculas de ATP por molécula de glicose. Na oxidação de ácidos graxos, o rendimento energético é superior, contudo o organismo prefere utilizar carboidratos, preservando gorduras e proteínas para funções plásticas e regulatórias.
Pontos-chave
- As mitocondrias são organelas com dupla membrana, DNA próprio e ribossomos, o que corrobora a teoria simbiótica de sua origem.
- A energia é armazenada nas ligações macroérgicas do ATP; o substrato intermediário-chave é o acetil-CoA.
- O metabolismo energético compreende três etapas: preparatória (calor), anaeróbia (glicólise) e aeróbia.
- A glicólise ocorre no hialoplasma e gera 2 ATP, 2 NADH e 2 ácidos pirúvicos.
- O ciclo de Krebs ocorre na matriz mitocondrial: em 2 voltas, produzem-se 6 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP.
- A cadeia transportadora de elétrons estabelece um gradiente de prótons, utilizado pela ATP sintase para sintetizar ATP.
- 1 NADH = 3 ATP, 1 FADH₂ = 2 ATP; o rendimento total é de 38 ATP por molécula de glicose.
- Na ausência de oxigênio, o piruvato transforma-se em lactato; o acúmulo patológico de lactato provoca acidose lática.