Estrutura e função das mitocôndrias e dos cloroplastos. Endossimbiose.

Pontos Principais:

  • Mitocôndrias são as "usinas de energia" da célula, quebrando moléculas de combustível e capturando energia na respiração celular.
  • Cloroplastos são encontrados em plantas e algas. Eles são responsáveis pela captura de energia luminosa para fabricar açúcares na fotossíntese.
  • Mitocôndria e cloroplastos provavelmente começaram como bactérias que foram englobadas por células maiores (a teoria endossimbiótica).

Introdução

Você deve saber que o seu corpo é feito de células (trilhões delas). Você também deve saber que a razão pela qual você precisa de comida — como vegetais — é para que você tenha energia para fazer coisas como praticar esportes, estudar, andar e até mesmo respirar.
Mas o que acontece exatamente no seu corpo para transformar a energia armazenada no brócolis de forma que o seu corpo consiga usá-la? E como a energia acaba armazenada no brócolis?
As respostas para estas perguntas têm muito a ver com duas importantes organelas: mitocôndrias e cloroplastos.
  • Cloroplastos são organelas encontradas nas células dos brócolis, assim como nas células de outras plantas e algas. Elas capturam a energia da luz e a armazenam como moléculas de combustível nos tecidos das plantas.
  • Mitocôndrias são encontradas dentro de suas células, e também nas células de plantas. Elas convertem a energia armazenada nas moléculas do brócolis (ou outras moléculas combustíveis) em uma forma que a célula consegue utilizar.
Vamos estudar com mais detalhes estas duas organelas muito importantes.

Cloroplastos

Cloroplastos são encontrados somente em plantas e algas fotossintetizantes. (Humanos e outros animais não possuem cloroplastos.) O papel do cloroplasto é realizar um processo chamado fotossíntese.
Na fotossíntese, a energia luminosa é coletada e usada para construir açúcares a partir do dióxido de carbono. Os açúcares produzidos na fotossíntese podem ser usados pela célula da planta, ou podem ser consumidos por animais que comem plantas, como os humanos. A energia contida nestes açúcares é colhida através de um processo chamado respiração celular, o qual acontece dentro das mitocôndrias das células das plantas e dos animais.
Cloroplastos são organelas em forma de disco encontradas no citosol da célula. Eles possuem membranas externa e interna com um espaço intermembranar entre elas. Se você atravessasse as duas camadas de membrana e alcançasse o espaço no centro, você descobriria que ele contém discos de membrana conhecidos como tilacóides, dispostos em pilhas interconectadas chamadas de grana (singular, granum).
Diagrama de um cloroplasto, mostrando membrana externa, membrana interna, espaço intermembranar, estroma e tilacoides em pilhas, chamadas grana.
_Imagem modificada de "Chloroplast mini," de Kelvin Ma (CC BY 3.0)._
A membrana de um disco tilacóide contém complexos de coleta de luz que incluem a clorofila, um pigmento que dá às plantas a sua cor verde. Discos tilacóides são ocos e o espaço dentro do disco é chamado de espaço tilacóide ou lúmen, enquanto o espaço contendo fluido envolvendo os tilacóides é chamado de estroma.
Você pode aprender mais sobre cloroplastos, clorofila e fotossíntese no tópico da seção fotossíntese.

Mitocôndrias

Mitocôndrias(singular, mitocôndria) são geralmente chamadas de usinas de energia ou fábricas de energia da célula. A função delas é produzir um suprimento constante de adenosina trifosfato (ATP), a principal molécula carregadora de energia da célula. O processo de fabricar ATP usando energia química de combustíveis, tais como os açúcares, é chamado de respiração celular, e muitos desses passos acontecem dentro da mitocôndria.
As mitocôndrias são suspensas no citosol gelatinoso da célula. Elas possuem formato oval e possuem duas membranas: uma externa, envolvendo toda a organela, e uma interna, com muitas saliências internas chamadas cristas que aumentam a área de superfície.
Eletromicrografia de uma mitocôndria, mostrando matriz, cristas, membrana externa e membrana interna.
_Créditos da imagem: imagem superior, "Eukaryotic cells: Figure 7," por OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Trabalho modificado por Matthew Britton; scale-bar data from Matt Russell. Image inferior: modificada de "Mitochondrion mini," por Kelvin Ma (public domain)._
Pensava-se que as cristas eram dobras largas e onduladas mas, como o Sal discute em seu video sobre mitocôndrias, agora entende-se que elas são mais parecidas com grandes cavernas.1^1 Veja aqui uma reconstrução tridimensional de uma fatia cortada de uma mitocôndria.
Crédito de imagem: "MitochondrionCAM," por Carmann (domínio público).2^2
O espaço entre as membranas é chamado de espaço intermembranar, e o compartimento delimitado pela membrana interna é chamado de matriz mitocondrial. A matriz contém DNA mitocondrial e ribossomos. Falaremos brevemente sobre o porquê da mitocôndria (e dos cloroplastos) possuirem o seu próprio DNA e ribossomos.
A estrutura em múltiplos compartimentos da mitocôndria parece complicada para nós. Isso é verdade, mas acaba sendo muito útil para a respiração celular, permitindo que as reações sejam mantidas separadas e diferentes concentrações de moléculas sejam mantidas em diferentes "cômodos".
Os elétrons de moléculas combustíveis, tais como o açúcar glicose, são arrancados em reações que ocorrem no citosol e na matriz mitocondrial. Estes elétrons são capturados por moléculas especiais chamadas de transportadoras de elétrons e depositados na cadeia de transporte de elétrons, uma série de proteínas incorporadas na membrana mitocondrial interna.
Conforme os elétrons se movem ao logo da cadeia de transporte, energia é liberada e usada para bombear prótons (H+\text H^+) para fora da matriz e para dentro do espaço intermembranar. Conforme os prótons fluem de volta para a matriz, a favor de seu gradiente, eles passam por uma enzima chamada ATP sintase, que aproveita o fluxo de prótons para gerar ATP.
Este processo de geração de ATP usando o gradiente de prótons causado pela cadeia de transporte de elétrons é chamado de fosforilação oxidativa. A compartimentação da mitocôndria em matriz e espaço intermembranar é essencial para a fosforilação oxidativa, pois permite que o gradiente de prótons seja estabelecido.
Elétrons de moléculas combustíveis, como o açúcar glicose, são arrancados em reações que ocorrem no citosol e na matriz mitocondrial. Esses elétrons são capturados por moléculas especiais, chamadas carreadoras de elétrons, e depositados na cadeia de transporte de elétrons, uma série de proteínas incorporadas na membrana mitocondrial interna. Conforme os elétrons se movem ao longo da cadeia de transporte, energia é liberada e usada para bombear prótons (H+\text H^+) para fora da matriz e para dentro do espaço intermembranar. Conforme os prótons fluem de volta para a matriz, a favor de seu gradiente, eles passam por uma enzima chamada ATP sintase, que aproveita o fluxo de prótons para gerar ATP a partir de ADP e Pi.
_Imagem adaptada de "Etc4" de Fvasconcellos (domínio público)._
Embora as mitocôndrias sejam encontradas na maioria dos tipos celulares de humanos (assim como na maioria dos tipos celulares de outros animais e plantas), os seus números variam dependendo da função da célula e de sua demanda de energia. Por exemplo, as células musculares possuem tipicamente alta demanda de energia e grande número de mitocôndrias, enquanto que as células vermelhas do sangue, que são altamente especializadas para transporte de oxigênio, não possuem mitocôndrias.

De onde estas organelas se originaram?

Tanto as mitocôndrias quanto os cloroplastos contêm o seu próprio DNA e ribossomos. Por que estas organelas precisariam de DNA e ribossomos, quando existe DNA no núcleo e ribossomos no citosol?
Fortes evidências apontam para a endossimbiose como resposta para o enigma. Simbiose é a relação no qual organismos de duas espécies separadas vivem em uma relação próxima e dependente. Endossimbiose (endo- = “dentro”) é um tipo específico de simbiose onde um organismo vive dentro do outro.
  1. O primeiro evento endossimbiótico ocorreu: O ancestral eucarionte consumiu bactéria aeróbicas que evoluíram em mitocôndrias.
  2. Em um segundo evento endossimbiótico, o eucarionte ancestral consumiu bactérias fotossintetizantes que evoluíram em cloroplastos.
_Imagem modificada de "Origem eucarionte: Figura 4," de OpenStax College, Biology, (CC BY 4.0)._
Bactérias, mitocôndrias e cloroplastos são similares no tamanho. Bactérias também possuem DNA e ribossomos similares àqueles de mitocôndrias e cloroplastos. 4^4Baseados nesta e outras evidências, cientistas pensam que células hospedeiras e bactérias formaram relações endossimbióticas há muito tempo, quando células hospedeiras individuais englobaram bactérias aeróbicas (que usam oxigênio) e fotossintetizantes, mas não as destruíram. Através de milhões de anos de evolução, as bactérias aeróbicas se tornaram mitocôndrias e as bactérias fotossintetizantes se tornaram cloroplastos.

Créditos:

Este artigo foi adaptado de “Eukaryotic cells,” de OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Baixe o artigo original de graça em http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:18/Biology.
O artigo adaptado está autorizado sob a licença CC BY-NC-SA 4.0

Referências:

  1. Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 140. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbadis.2005.07.001.
  2. Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 141. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbadis.2005.07.001.
  3. Mitochondrion. (2015, December 18). Acesso em 20 de dezembro, 2015. Disponível em Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion.
  4. Symbiogenesis. (2016, June 6). Acesso em 20 de julho, 2016. Disponível em Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis.

Referências:

Campbell, N.A., Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., e Jackson, R. B. (2008). A tour of the cell. Em Biology (8th ed., pp. 94-124). San Francisco, CA: Pearson.
Chloroplast. (2015, Aug. 9). Acesso em 10 de agosto, 2015. Disponível em: Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Chloroplast.
Chromoplast. (2015, 27 May). Acesso em 10 de agosto, 2015. Disponível em: Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Chromoplast.
Mannella, Carmen A. (2006). The relevance of mitochondrial membrane topology to mitochondrial function. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease, 1762(2), 140-147. http://dx.doi.org/10.1016/j.bbadis.2005.07.001.
McFadden, G. I. and van Dooren, G. G. (2004). Evolution: Red algal genome affirms a common origin of all plastids. Current Biology, 14(13), R514-R516.
Mitochondria. (2014). Em Scitable. Disponível em: http://www.nature.com/scitable/topicpage/mitochondria-14053590.
Mitochondrion. (2015, December 18). Acesso em 20 de dezembro, 2015. Disponível em Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrion.
OpenStax College, Biology. (2016, May 27). Eukaryotic origins. Em OpenStax CNX. Disponível em http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.53:oHRu5dUS@5/Eukaryotic-Origins.
Plastid. (2015, May 20). Acesso em 10 de agosto, 2015. Disponível em: Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Plastid.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). Mitochondria and chloroplasts: Cellular generators. Em Biology (10th ed., AP ed., pp. 73-74). New York, NY: McGraw-Hill.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Mitochondria and chloroplasts change energy from one form to another. Em Campbell biology (10th ed., pp. 109-112). San Francisco, CA: Pearson.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The first eukaryotes. Em Campbell biology (10th ed., pp. 528-529). San Francisco, CA: Pearson.
Symbiogenesis. (2016, June 6). Acesso em 20 de julho, 2016. Disponível em Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Symbiogenesis.
Wang, Z. and Wu, M. (2015). An integrated phylogenomic approach toward pinpointing the origin of mitochondria. Scientific Reports, 5, article 7949. http://dx.doi.org/10,1038/srep07949.
Carregando