Importância da permeabilidade transitória mitocondrial

O mecanismo de regulação da MPT e a estrutura do poro da MPT permanecem ainda por esclarecer. Contudo, é aceite que a indução da MPT é um processo dinâmico, que pode ser reversível ou irreversível. A MPT pode compreender aberturas transientes, que têm sido descritas como conversões rápidas de baixa condutância do canal, que levam à libertação do cálcio da mitocôndria quando se forma um gradiente de concentração entre a matriz e o meio externo. As aberturas transientes da MPT contribuem assim para a homeostase do cálcio a nível mitocondrial, atuando como um rápido mecanismo de libertação do cálcio. Estas aberturas transientes da MPT não estão associadas com alterações mitocondriais irreversíveis, mas sim com papéis fisiológicos da MPT, tais como a regulação do importe de proteínas, do volume e pH da matriz, remodelação da crista, equilíbrio redox e libertação do cálcio (Rasola et al., 2010).

A abertura prolongada do poro da MPT constitui um processo irreversível na indução da morte celular. Nestas situações a MPT assume um estado de alta condutância que permite a entrada desregulada de pequenos solutos da matriz mitocondrial com base no seu gradiente eletroquímico. A extensão celular da indução da MPT determina se a célula vai ativar mecanismos apoptóticos ou necróticos, dependendo da concentração intracelular de ATP (Rasola e Bernardi, 2011; Brenner e Moulin, 2012).

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A MPT resulta numa dissipação imediata do potencial de membrana mitocondrial. A mitocôndria despolariza devido ao equilíbrio do gradiente de protões e à dissipação inicial que é seguida pela perda de nucleótidos de piridina da matriz, resultando da inibição respiratória e da produção de ROS. A fosforilação e síntese de ATP cessa e o complexo V do sistema fosforilativo começa a atuar de forma reversa, hidrolisando o ATP produzido pela glicólise ou por uma função mitocondrial residual, o que desencadeia uma rápida falha na bioenergética mitocondrial. Iões e solutos com peso molecular menor que 1500 kDa passam através da IMM, induzindo a rutura dos gradientes metabólicos e a libertação do cálcio armazenado na matriz. A pressão coloide osmótica exercida pela alta concentração proteica na matriz causa o intumescimento mitocondrial (Fig. 1.8). As cristas da IMM desdobram-se e eventualmente levam à rutura da OMM, dado que a superfície da IMM excede consideravelmente a área da OMM, levando à libertação de proteínas intermembranares, que incluem o citocromo c, ativadores de caspases e efetores de morte celular independentes de caspases (Rasola et al., 2010).

Figura 1.8 - Esquema representativo do processo de permeabilidade transitória mitocondrial (MPT). ANT: transportador de nucleótidos de adenina; BPR: recetor periférico das benzodiazepinas; CphD: ciclofilina D; Δψ: potencial de membrana; OMM: membrana mitocondrial externa; PTP: poro da permeabilidade transitória mitocondrial; ROS: espécies reativas de oxigénio; VDAC: canais aniónicos dependentes de voltagem. Adaptado de (Fulda et al., 2010).

31 A permeabilização da IMM surge, por vezes, depois da indução da apoptose, após a libertação do citocromo c e da ativação das caspases; assim, tem sido referido que a MPT pode também surgir como uma consequência e não como a causa da indução de mecanismos de apoptose. Outros modelos da permeabilização da OMM sugerem que os mecanismos de apoptose podem ocorrer sem indução da MPT (Smith et al., 2008).

A composição do poro da MPT permanece controversa. Alguns estudos têm sugerido que a ciclofilina D (CphD) presente na matriz mitocondrial, o ANT presente na IMM, o VDAC na OMM e, possivelmente, outras proteínas formem o poro da MPT. Está também descrito que a ciclosporina A (CyA) é um inibidor específico da MPT, por se ligar à CphD, inibindo a formação do poro (Crompton, 1999; Kroemer et al., 2007) (Fig. 1.8). Contudo, alguns estudos em ratinhos “knockout”, mostraram que a MPT pode ocorrer em mitocôndrias que não têm as proteínas ANT, VDAC ou CphD isoladamente, embora algumas propriedades do poro da MPT apresentem alterações nestes casos (Lemasters et al., 2009). Têm sido referidas, ainda, outras proteínas com funções reguladoras importantes, que não são consideradas como parte do próprio poro. Incluem-se algumas proteínas anti e pró-apoptóticas que são membros da família da Bcl-2, a creatina cinase mitocondrial, a hexocinase, o recetor periférico das benzodiazepinas (Zorov et al., 2009) e o transportador de fosfato (Leung et al., 2008).

Existe um modelo alternativo para a formação da MPT, que se baseia na agregação de proteínas membranares “misfolded”. O transporte através destas proteínas é normalmente bloqueado pela CphD ou por outras chaperonas. A acumulação de cálcio ou o stresse oxidativo aumentam a quantidade de proteínas “misfolded”. Quando o número de proteínas agrupadas excede o número de chaperonas necessárias para bloquear o transporte, ocorre a abertura do poro, de forma desregulada, não sensível aos inibidores da MPT, como a CyA. Contudo, este modelo não explica mais de metade das conhecidas características da MPT, nomeadamente a rápida reversibilidade pela quelatação do cálcio, a sensibilidade para a regulação do pH da matriz, a voltagem transmembranar, o tamanho fixo do poro, entre outros (Starkov, 2010).

A abertura do poro da MPT, que é dependente do cálcio, pode ser desencadeada por alguns efeitos diretos e indiretos. Existem vários fatores que regulam a abertura do poro da MPT. O principal modulador da abertura do poro é o Ca²⁺, que pode ser inibido competitivamente por outros iões, como o Mg²⁺, Sr²⁺, Mn²⁺ e pelo Pi. A concentração de protões também regula a MPT, sendo o pH ótimo da matriz de 7,4 para a abertura do poro, embora a probabilidade de abertura diminua para valores de pH mais baixos. A MPT é

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também dependente do potencial mitocondrial, que estabiliza o poro na sua conformação fechada, e do fluxo de eletrões do complexo I do sistema de transporte de eletrões, dado que um aumento do fluxo aumenta a probabilidade de abertura (Rasola et al., 2010; Bernardi e von Stockum, 2012). Têm também surgido evidências de que o stresse oxidativo desencadeia a abertura do poro da MPT, por oxidação dos grupos tiólicos presentes nas proteínas membranares. De acordo com este modelo, a oxidação dos grupos GSH, NADH e nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) durante a produção excessiva de ROS favorece a formação de ligações dissulfureto e a consequente abertura do poro (Crompton, 1999). O stresse oxidativo está suposto poder atuar diretamente no ANT. De facto, existem dois grupos tiólicos da cisteína, que estão implicados nas reações redox que alteram as conformações do ANT (Grimm e Brdiczka, 2007). O ATR e o CAT, que são inibidores do ANT, e o estabilizam na sua conformação c, também induzem a MPT (Pebay-Peyroula e Brandolin, 2004; Nury et al., 2006).

Uma grande variedade de compostos endógenos, tais como ferro, ROS, óxido nítrico, ácidos gordos livres (e derivados da acetil-CoA), ceramida e sais biliares estão também descritos como indutores da abertura do poro da MPT. Pelo contrário, a depleção de inibidores endógenos da MPT, tais como a glucose, ATP, creatina fosfato e a GSH podem também desencadear a MPT. Esta pode ainda ser desencadeada por citocinas extracelulares, tais como o fator de necrose tumoral-α e o ligando Fas, que atuam através dos seus recetores membranares citoplasmáticos. A MPT pode ainda ser induzida por alguns agentes químicos (Labbe et al., 2008).

As células dos mamíferos apresentam dois mecanismos de apoptose, que são conhecidos como processos intrínsecos e extrínsecos. As mitocôndrias são consideradas elementos reguladores dos processos intrínsecos de apoptose. Os mecanismos extrínsecos de apoptose são ativados por recetores de morte celular, e podem também ativar os mecanismos intrínsecos de apoptose (Shoshan-Barmatz e Ben-Hail, 2012).

O processo de morte celular dependente da mitocôndria (ou intrínseco) é ativado por diversos estímulos, incluindo fatores de crescimento, lesões no DNA, radiações ultravioleta (UV), radiações gama e agentes quimioterapêuticos (Pradelli et al., 2010). A mitocôndria controla a ativação de mecanismos efetores de apoptose por regular a translocação de proteínas pró-apoptóticas do espaço intramembranar para o citosol (Fulda et al., 2010).

Após um estímulo apoptótico, a mitocôndria tem um papel importante nos mecanismos de apoptose por libertar vários fatores apoptogénicos, tais como o