Dona Fifi aos 19 anos.

Apostilas eletrônicas de Dona Fifi
AS MITOCÔNDRIAS

Produção de energia nas células.

A conversão do que comemos e respiramos em energia para as atividades da vida se dá dentro das células com participação fundamental das mitocôndrias. É isso que vou contar nessa apostila e o que aprenderemos servirá de base para as surpresas que virão mais adiante. Antes, tenho duas coisinhas a dizer. Primeira: a maior parte do que se sabe sobre os processos de troca de energia nas células foi descoberta nos últimos 40 anos e ainda é matéria de muita pesquisa. Segundo: vou fazer muitas simplificações na tentativa de manter meus leitores, pois uma descrição detalhada iria encher esse texto de termos como ubiquinona, citocromo c reduxdase e outros ainda piores. Quem quiser se embrenhar nesses fascinantes detalhes deve ler um bom livro de biologia molecular.

Vou começar falando da molécula mais usada nas trocas de energia que acontecem nas células: o ATP.

O ATP

ATP é a sigla para a Adenosina Tri-Fosfato, que nos livros em português vira Tri Fosfato de Adenosina, mas todo mundo só chama de ATP. Essa molécula foi a engenhosa solução achada pela natureza e pela evolução para compor um sistema simples, rápido e robusto de trocar energia. Em qualquer situação prática, trocas de energia precisam ser feitas de forma organizada para evitar perdas. Para isso, usamos pilhas, baterias, caixas dágua, represas, fios elétricos, enfim, um monte de esquemas para organizar a produção e o transporte da energia da fonte de geração ao consumidor. Nas células, esse gerenciamento é feito com o uso do ATP.

O ATP é como um motoboy que pega a energia do local onde é produzida (as mitocôndrias) e leva para onde ela é requisitada, em outras partes da célula. Agora mesmo, quando você move o dedo para clicar seu mouse, os músculos de seu dedo estão tirando um pouco de energia das moléculas de ATP que estão por perto e usando essa energia para contrair as fibras, produzindo o movimento. O mesmo acontece com qualquer outro processo biológico que use energia - isto é, todos!

A forma como o ATP armazena e cede energia é simples. Veja o esquema da molécula na figura. Ela tem uma base, chamada Adenina, ligada a uma Ribose - o conjunto é o que se chama de Adenosina. Essa adenosina se liga a três moléculas de Fosfato (PO4), daí o nome "trifosfato".

O fosfato da ponta do ATP pode se soltar (por hidrólise do ATP) e o resultado é que o ATP vira ADP (Adenosina Di-Fosfato) e o fosfato fica livre. Esse processo libera energia, e essa quantidade de energia liberada é precisamente a requerida para a grande maioria das necessidades biológicas. É claro que isso não é coincidência: é mais um sinal das espertezas da evolução. Os seres primitivos que desenvolveram esse mecanismo tinham uma clara vantagem em relação aos demais e a seleção natural providenciou para que eles tivessem mais descendentes.

Depois que o ATP libera sua energia e vira ADP, é necessário recarregar sua energia, como em uma bateria. E isso é feito nas membranas das mitocôndrias, como vou descrever logo adiante. Esse processo, como é fácil de prever, consiste em colar novamente o fosfato no ADP para recuperar o ATP. Para isso, é necessário transferir energia e essa energia vem dos alimentos, depois de uma série de transformações que ocorrem dentro das mitocôndrias. Tem mais: a passagem de ADP para ATP consome Oxigênio, por isso se diz que é uma "respiração".

Antes de passar a descrever com mais detalhes as trocas de energia nas mitocôndrias, usando o ATP, quero apresentar alguns números, pois eles são curiosos. Um ser humano tem cerca de 100 trilhões de células (1014). Cada uma dessas células tem, a cada instante, cerca de 1 bilhão (109) de moléculas de ATP. Portanto, a cada instante, temos cerca de 1023 moléculas de ATP em nosso corpo. Isso tudo pesa apenas umas 50 gramas! Acontece que esse bilhão de moléculas de ATP só é suficiente para atender as necessidades de energia da célula por poucos minutos. Mais ATP tem de ser criado, juntando ADP com fosfato, continuamente e sem parar, senão a gente morre. O resultado é que o ATP tem de ser produzido a uma incrível taxa de 9x1020 moléculas por segundo. Multiplique isso pelo número de segundos em um dia e verá que 65 quilos de ATP são produzidos e consumidos por nossos corpos, diariamente.

A MITOCÔNDRIA

A figura mostra uma mitocôndria vista no microscópio e uma esquematização simplificada. As mitocôndrias medem de 1 a 10 mícrons (1 mícron vale 1 milionésimo do metro). Dá para ver que ela tem duas membranas. A membrana externa é semi permeável, deixa passar pequenas moléculas mas bloqueia as grandes. Moléculas de açúcar, alimento preferido de uma mitocôndria, passam com facilidade. A membrana interna é toda cheia de voltas, chamadas de cristas, e é nela que se dá a geração de energia para a célula, isto é, é nela que se produz o ATP. É mais impermeável e as moléculas só passam por ela através de algumas passagens especiais que são moléculas ditas "transportadoras". Esse é um truque fundamental da mitocôndria pois assegura que as trocas de material através da membrana interna não são feitas ao acaso - são feitas de forma organizada, seguindo uma receita minuciosa que regula os processos envolvidos na produção de energia. De qualquer forma, a produção de energia nas mitocôndrias foi um benefício adicional da endossimbiose; fez parte do "acordo" entre a célula hospedeira e a hóspede, pelo qual a mitocôndria se encarregaria de produzir energia enquanto a célula patroa tratava de crescer, formar um núcleo e construir organismos multicelulares.

A energia, na forma de moléculas de ATP, é produzida de duas formas, na fermentação dos alimentos e na cadeia respiratória, localizada na membrana interna das mitocôndrias. Vou fazer uma descrição bem simplificada desses dois métodos.

A FERMENTAÇÃO

A fermentação consiste em "queimar" os alimentos e usar a energia das reações para produzir o ATP. Com a ajuda de dezenas de moléculas, as "enzimas", as moléculas de açúcar (glicose) ou carbohidratos (amido) são quebradas e fornecem, no fim dos processos, cerca de duas moléculas de ATP. Esse é o mesmo processo usado por bactérias que trabalham (sem salário) nas indústrias de bebidas e alimentos, produzindo pão, vinho, iogurte, queijo, vinagre e um monte de outros produtos. Desde Lavoisier e Pasteur, a fermentação é considerada como uma combustão controlada. Hoje se sabe que não é um processo muito eficiente de produzir energia, pois só fabrica duas moléculas de ATP, em média, para cada molécula de alimento que é "queimada". Além disso, o material que sobra depois da fermentação ainda contém muita energia que poderá ser aproveitada. É quase certo que a fermentação foi a solução achada pelos organismos mais primitivos para processar energia. Só depois surgiram outros seres capazes de fabricarem moléculas de ATP com muito mais eficência.

Apesar de não muito eficiente, a fermentação é fundamental no processamento inicial dos alimentos por uma razão que ficará clara logo mais. Um dos resultados desse processo é a produção de elétrons mais ou menos livres que serão usados no método mais eficiente de produzir ATP, que vou descrever mais adiante e que acontece na membrana interna das mitocôndrias. Vamos, então, começar descrevendo o que se passa na membrana interna das mitocôndrias.

A MEMBRANA

Membranas biológicas não servem apenas para delimitar espaços. Elas têm funções essenciais de transportar moléculas e íons. A membrana interna das mitocôndrias é especial pois nela ocorre um processo pouco usual, chamado "quimiosmose". Lembra do que é "osmose"? Se não lembra, é o fluxo de água através de uma membrana que separa duas soluções iguais mas com concentrações diferentes. Na osmose usual, a água passa pela membrana indo do lado onde a concentração é menor para o lado onde é maior, até que as concentrações se igualem. No meu tempo de estudante, "aprender por osmose" era segurar o livro debaixo do braço e esperar que a matéria da prova saísse dele e penetrasse no corpo, alcançando o cérebro. Isso nunca acontecia por um motivo claro: sempre havia muito mais conhecimento no livro que no cérebro do estudante.
Na quimiosmose, por razões que os biólogos levaram um tempão para descobrir e entender, as moléculas passam através das transportadoras contra o gradiente de concentração. Isto é, contrário ao que se esperaria, elas passam do lado de menor concentração para o lado de maior concentração. Não posso explicar aqui as razões para esse comportamento inesperado mas podem acreditar que já foi comprovado experimentalmente de forma definitiva.

A CADEIA RESPIRATÓRIA

O ataque inical aos alimentos nas células produz, entre outras coisas, gás carbônico, prótons (H+) e elétrons. São esses prótons e elétrons disponibilizados pela primeira fase do metabolismo que irão movimentar a segunda e decisiva fase que se passa na chamada "cadeia respiratória". O nome "cadeia" indica que o processo se dá ao longo de uma espécie de esteira de produção em série, onde o produto final são as moléculas de ATP, no fim da esteira. E o termo "respiratória" indica que o oxigênio é peça essencial do processo.

As cadeias respiratórias são formadas na membrana interna das mitocôndrias. Uma membrana tem milhares de cadeias fisicamente separadas umas das outras. Não vou entrar nos detalhes bioquímicos dessas cadeias pois o que nos interessa é apenas descrever como o ATP aparece no fim. A figura mostra um esquema extremamente estilizado de uma cadeia respiratória que repousa na membrana interna de uma mitocôndria. Fazem parte da cadeia, presos à membrana, 4 complexos e várias enzimas por onde passam, de forma muito organizada, os elétrons e prótons fornecidos pelo primeiro estágio do metabolismo, que vimos acima. Cada um desses complexos merece muito bem o nome de "complexo", pois é um complicado emaranhado de proteínas e outros entes biológicos. O que importa é que eles são do tipo "transportadores", por onde podem passar moléculas e íons de um lado para o outro da membrana. A membrana em si, deve ser impermeável: se ela vazar, pode haver problemas para a célula, como veremos depois.

Lembre que elétrons são partículas carregadas negativamente e prótons são partículas carregadas positivamente. Um próton e um elétron podem se juntar para produzir um átomo de hidrogênio. Os elétrons entram na cadeia respiratória e vão passando de mão em mão, pelos complexos e as enzimas. Sendo negativos, ao passar por um desses complexos, os elétrons atraem prótons que, dessa forma passam através do complexo, atravessando a membrana. Você pode considerar a passagem dos elétrons como uma corrente elétrica que faz funcionar as "bombas" (os complexos) que sugam os prótons e estabelecem uma diferença de potencial na membrana. O importante é que esses prótons fazem essa travessia remando contra a corrente, isto é, passando de um lado onde a concentração deles é menor para o outro lado, onde é maior. Essa é a essência da "quimiosmose", o processo contra-intuitivo que demorou a ser aceito e entendido pelos biólogos e que resultou na premiação de seu descobridor, Peter Mitchell, com o Nobel de Química em 1979. A passagem dos prótons gera uma diferença de potencial na membrana da ordem de uns 150 milivolts. Levando em conta que a membrana tem espessura de apenas 5 nanômetros (5 x 10-9 m), o campo elétrico através dela é de 30 milhões de volts por metro (!), valor típico em raios e relâmpagos.

A corrente eletrônica termina no penúltimo complexo. É nele que o oxigênio entra no circuito da cadeia. Nesse complexo, 4 elétrons se juntam com 4 prótons e dois oxigênios para formar duas moléculas de água (O2 + 4 H+ + 4 e- -> 2 H2O). Mais adiante, veremos que se os elétrons, por algum mal funcionamento da cadeia, não conseguirem seguir esse destino final, o resultado pode ser desastroso para a mitocôndria e a célula.

O último complexo da cadeia respiratória chama-se ATPase (de "ATP sintase"), é uma maravilha da nanotecnologia natural e merece uma descrição mais elaborada pois é nele que o ATP é sintetizado. Além disso, sua forma de funcionar é tão curiosa que tenho certeza que essa descrição vai encantar meus leitores. O ATPase é um emaranhado de enzimas que funciona como uma espécie de gerador rotatório. Os prótons (H+) que se acumulam de um lado da membrana só podem voltar por um caminho: através do ATPase. São eles que "acionam" o gerador. Para cada 3 prótons que passam pelo "eixo", as "cabeças" do ATPase giram de 120o. A primeira cabeça prende um ADP; a segunda atarracha um fosfato no ADP, formando o ATP; e a terceira solta o ATP formado que leva sua energia recém adquirida para as tarefas da célula. Cada volta completa usa 10 prótons e sintetiza 3 moléculas de ATP. No total, para cada molécula de açúcar "queimada" no início do processo, são formadas mais de 30 moléculas de ATP, atestando a alta eficência da cadeia respiratória.

Esse maravilhoso mecanismo é usado pelas células dos animais (nas mitocôndrias) e também pelas células dos vegetais (nas mitocôndrias e nos cloroplastos). As bactérias usam um processo semelhante, só que nelas a membrana é a própria membrana externa da célula e o objetivo não é, unicamente, fabricar ATP, mas também de bombear material (alimento) para dentro da célula e degetos para fora.

Se houver algum problema na respiração da mitocôndria e o potencial elétrico cair, o processo todo é interrompido para reparos. As moléculas de ATP produzidas na fermentação são requisitadas para recompor a diferença de potencial na membrana. Até a ATPase funciona "em reverso", quebrando ATP e bombeando prótons no sentido contrário ao usual. As outras necessidades da célula deixam, momentaneamente, de serem atendidas pois o mais importante é recuperar o gradiente de prótons na membrana. Isso mostra a importância vital da membrana e do gradiente de prótons. Há quem diga, por essa razão, que os mecanismos nas membranas são tão fundamentais que antecederam quase tudo na origem da vida. As membranas primitivas, como ainda não haviam enzimas para fazê-las de material orgânico, seriam de compostos inorgânicos, minerais de ferro e enxofre, por exemplo. Só bem depois, essas membranas teriam sido substituídas pelas orgânicas atuais.

Com essa descrição sumária dos processos energéticos nas membranas das mitocôndrias estamos preparados para entender alguns fatos surpreendentes que eles provocam. Para começar, vou contar como os biólogos pensam que foram esses mecanismos que permitiram o surgimento das células eucarióticas (com núcleo).


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