Conceito de ADN Mitocondrial
O ADN
mitocondrial
localiza-se nas mitocôndrias, pequenos organelos celulares separados da
matriz mitocondrial por membranas de natureza lipídica. Este
genoma é
responsável por uma das funções mais importantes existente nos
organismos aeróbicos - a produção da energia celular. A produção desta
energia dá-se após a conversão das ligações químicas existentes nas
moléculas orgânicas dos alimentos, como lípidos ou
glicose, em energia
utilizável para o metabolismo celular. Este pequeno genoma encontra-se
em múltiplas cópias na célula, já que, esta possui várias
mitocôndrias,
e comporta genes fundamentais para o funcionamento da ‘cadeia
respiratória mitocondrial’, processo através do qual a
célula produz
energia.
Caracterização e
composição
O ADN mitocondrial
caracteriza-se por conter toda a informação genética num único
cromossoma (genoma haplóide), contrariamente ao que
acontece
com o ADN nuclear da célula eucariótica, cuja informação se encontra aos
pares, já que, no núcleo cada gene possui uma cópia em cada par de
cromossomas (genoma diplóide). Este genoma é composto por uma única
molécula circular de cadeia dupla maioritariamente constituída por
regiões codificantes de proteínas.
O tamanho e arranjo do ADN
mitocondrial pode variar significativamente de organismo para organismo.
O genoma mitocondrial humano tem aproximadamente 16500 pares de bases de
comprimento, sendo constituído por 13 genes codificantes de subunidades
proteicas da cadeia respiratória mitocondrial, 22 genes codificantes de
ARN de transferência e 2 codificantes de ARN ribossomal. Possui também
uma região não codificante de proteínas designada por ‘Região
Controlo’,
que parece ser responsável por funções regulatórias da expressão
genética do ADN mitocondrial. Este genoma também difere do nuclear pelo
facto de não conter intrões entre zonas codificantes, sendo que, apenas
existem algumas bases entre genes que não fazem parte do código da
proteína.
Para além destes genes
codificados
pelo ADN mitocondrial, a cadeia respiratória mitocondrial possui também
dezenas de outras proteínas codificadas pelo genoma nuclear. Estes genes
codificam produtos que são importados posteriormente para a mitocôndria.
Produção da energia
celular nas mitocôndrias
A oxidação de nutrientes como a glicose dá início a uma
reacção em cadeia – a Fosforilação Oxidativa - que ocorre ao nível da
membrana interna das mitocôndrias. Esta membrana acomoda várias cadeias
respiratórias, sendo cada
uma composta por cinco subunidades proteicas dispostas em
sequência. Há uma transferência de electrões entre as primeiras quatro
subunidades (ver imagem). Como resultado desse transporte de electrões,
essas subunidades, que são bombas de protões, vão bombear iões de
hidrogénio da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, ou seja,
o espaço entre as membranas mitocondriais. Desta forma, é criado um
gradiente de concentração de iões de hidrogénio entre os dois
compartimentos celulares. O estabelecimento deste gradiente de protões
de hidrogénio impulsiona a síntese de ATP pela quinta subunidade
proteica – a ATP Síntase. As moléculas de ATP sintetizadas armazenam
energia, fundamental para o desempenho das funções celulares.
Representação esquemática da ‘Cadeia respiratória
mitocondrial’.
As moléculas NADH e FADH2 que se encontram na matriz da mitocôndria vão
doar electrões aos complexos I e II da cadeia respiratória mitocondrial.
Esses electrões vão ser transportados entre os complexos pelas moléculas
coenzima Q (Q) e citocromo c (CytC). À medida que ocorre o transporte de
electrões, os complexos I, III e IV bombeiam iões de hidrogénio para o
espaço intermembranar. A energia gerada pela formação de um gradiente de
concentração de iões H+ entre a matriz mitocondrial e o espaço
intermembranar é utilizada pela ATP Síntase (complexo V) para produzir
moléculas de ATP que armazenam energia.
Produção de calor
As proteínas
codificadas
pelo ADN mitocondrial não são apenas responsáveis pela produção da
energia celular. Existe outro processo pelo qual estas proteínas também
são responsáveis – a termogénese ou produção de calor. Na termogénese
que ocorre ao nível das mitocôndrias no tecido adiposo castanho de
mamíferos, a energia gerada pelas subunidades proteicas não é utilizada
pela ATP Síntase para produzir ATP, mas é previamente dissipada sob a
forma de calor. Este é um processo termorregulador fundamental nos
recém-nascidos para manter a temperatura corporal em níveis compatíveis
com a sobrevivência e em espécies hibernantes para despoletar o
despertar da hibernação.
Doenças relacionadas com o
ADN Mitocondrial
As doenças relacionadas
com o funcionamento das mitocôndrias podem ter origem em mutações no ADN
mitocondrial, mas também, em produtos dos genes nucleares que codificam
proteínas que são importadas para a mitocôndria. Pensa-se que muitas
mutações que ocorrem no ADN mitocondrial se devem ao facto deste
genoma
estar localizado na proximidade das cadeias respiratórias mitocondriais
e por estar, desta forma, exposto às ‘Espécies Reactivas de Oxigénio’
que se formam como subproduto do processo respiratório. As ‘Espécies
Reactivas de Oxigénio’ são moléculas altamente instáveis e, que por essa
razão, estão quimicamente disponíveis para reagir com as moléculas da
vizinhança podendo alterar a sua composição. À medida que o organismo
envelhece vai sendo cada vez
menor
a capacidade de neutralizar a acção destas moléculas e de reparar as
mutações no ADN que possam ocorrer. De facto, o ADN mitocondrial tem
sido frequentemente reportado como tendo participação no processo de
envelhecimento, na determinação de doenças neuro degenerativas como
Síndrome de Leigh ou Encefalopatia Mitocondrial e cancro.
Uma deficiência nas
mitocôndrias na região da cauda dos espermatozóides é também causa de
infertilidade masculina, já que, os espermatozóides saudáveis
estão
equipados com um elevado número de mitocôndrias para obterem a energia
necessária à sua mobilidade.
Modo de hereditariedade
Curiosamente, a
localização das mitocôndrias dos espermatozóides na região da cauda tem
como consequência que o ADN mitocondrial seja herdado apenas pela
linhagem
materna.
Durante a fecundação, a cauda do espermatozóide não penetra no óvulo, e
as mitocôndrias aí contidas não participam na formação do embrião. Assim
sendo, a herança do ADN mitocondrial e das mutações ocorridas são
maternas. No entanto, nem sempre isto se verifica, pois foram já
reportados casos de alguns indivíduos que herdaram mitocôndrias
paternas. Nestes casos, determinado gene mitocondrial pode ter uma
variante materna e outra paterna, condição designada por
‘heteroplasmia’. A transmissão de ADN mitocondrial paterno é também
verificada num pequeno número de espécies, como alguns moluscos.
A origem das mitocôndrias
- Teoria Endossimbiótica
A Teoria Endossimbiótica
propõe que as mitocôndrias, tal como os plastídios, foram inicialmente
células procarióticas autónomas que se tornaram ao longo da evolução em
organelos de células eucarióticas. As primeiras células eucarióticas não
teriam mitocôndrias, e, ao passarem a estabelecer uma relação de
simbiose com bactérias aeróbicas, aproveitaram a sua capacidade de
produzir energia através do consumo de oxigénio. É sabido que o ADN
mitocondrial tem perdido genes ao longo da evolução e que estes
genes
têm sido transferidos para o genoma nuclear, muitas vezes resultando em
genes não funcionais - pseudogenes. Esta observação tem sido apontada
como um possível argumento a favor da teoria, já que pode ser um
indicador de que o genoma mitocondrial já foi maior e possivelmente
pertencente a um organismo autónomo. É um
facto
que o ADN dos organelos é muito menor do que o nuclear e codifica muito
menos proteínas do que aquelas de que necessita para o seu
funcionamento, já que, a maioria das proteínas necessárias resultam de
produtos dos genes nucleares importados para o organelo.
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