Descubra como a mitofagia reconhece e elimina mitocôndrias danificadas através do PINK1, Parkin, autofagossomas e reciclagem lisossomal.

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Mitofagia: como as células reconhecem e eliminam mitocôndrias danificadas

Introdução

As mitocôndrias produzem grande parte da energia de que as células necessitam. Através da fosforilação oxidativa, convertem a energia dos nutrientes em trifosfato de adenosina (ATP). No entanto, as mitocôndrias não são centrais energéticas imutáveis. Estão constantemente expostas a sobrecarga metabólica, alterações na disponibilidade de oxigénio, espécies reativas de oxigénio e danos nas proteínas, membranas e no ADN mitocondrial.

Para continuarem a funcionar corretamente, as células dispõem de um sistema abrangente de controlo de qualidade mitocondrial. Os componentes danificados podem ser reparados, as mitocôndrias podem fundir-se ou dividir-se e as mitocôndrias gravemente danificadas podem ser removidas seletivamente.

Este processo seletivo de eliminação é chamado mitofagia.

A mitofagia é uma forma especializada de autofagia na qual as mitocôndrias excedentárias, envelhecidas ou danificadas são reconhecidas, isoladas e finalmente degradadas nos lisossomas. Os componentes moleculares libertados podem depois ser reutilizados pela célula.

A mitofagia é importante para o equilíbrio entre:

• danos mitocondriais;

• remoção de mitocôndrias com funcionamento deficiente;

• formação de novas mitocôndrias;

• produção de energia;

• equilíbrio oxidativo;

• adaptação celular ao stress.

As alterações na mitofagia são estudadas, entre outras áreas, no âmbito do envelhecimento biológico, da neurodegeneração, dos processos cardiovasculares, da função muscular, das doenças metabólicas e da regulação imunitária.

O que é a mitofagia?

A palavra mitofagia é constituída por duas partes:

• mito refere-se às mitocôndrias;

• fagia significa comer ou degradar.

Mitofagia significa literalmente a degradação controlada de mitocôndrias.

O processo pertence às formas seletivas de macroautofagia. Na autofagia geral, são degradados vários componentes celulares danificados ou desnecessários. Na mitofagia, o sistema dirige-se especificamente às mitocôndrias.

Durante a mitofagia, uma mitocôndria selecionada é envolvida por uma dupla membrana. Forma-se assim uma estrutura chamada autofagossoma.

O autofagossoma funde-se então com um lisossoma. Os lisossomas contêm enzimas que podem degradar estruturas biológicas.

No lisossoma são degradados, entre outros:

• proteínas mitocondriais;

• membranas danificadas;

• fosfolípidos;

• partes do ADN mitocondrial;

• outros componentes mitocondriais.

Os aminoácidos, ácidos gordos e outras moléculas libertados podem ser reutilizados.

Por isso, a mitofagia não é apenas um sistema de eliminação de resíduos. É também parte da reciclagem celular e da regulação energética.

Porque é necessário controlar as mitocôndrias?

As mitocôndrias desempenham várias funções essenciais.

Estão envolvidas em:

• produção de ATP;

• oxidação de ácidos gordos;

• regulação do cálcio;

• produção e regulação de espécies reativas de oxigénio;

• síntese de determinadas moléculas;

• respostas celulares ao stress;

• morte celular programada.

Durante a produção de energia, os eletrões atravessam a cadeia transportadora de eletrões. Uma pequena parte destes eletrões pode escapar prematuramente e contribuir para a formação de espécies reativas de oxigénio.

Em quantidades controladas, estas moléculas funcionam como moléculas sinalizadoras. Quando a produção excede persistentemente a capacidade antioxidante, pode surgir stress oxidativo.

As mitocôndrias danificadas podem:

• produzir menos ATP;

• formar mais espécies reativas de oxigénio;

• perder o seu potencial de membrana;

• regular pior o cálcio;

• influenciar os sinais inflamatórios;

• libertar material mitocondrial danificado.

A remoção de mitocôndrias gravemente danificadas ajuda a evitar a acumulação contínua de danos mitocondriais.

Controlo de qualidade mitocondrial

A mitofagia constitui apenas uma parte de um sistema mais amplo de controlo de qualidade.

As mitocôndrias utilizam vários mecanismos para manter a sua função:

1. Controlo das proteínas mitocondriais

As proteínas danificadas ou incorretamente dobradas podem ser reconhecidas e degradadas por proteases mitocondriais.

2. Fusão mitocondrial

Na fusão, as mitocôndrias ligam-se umas às outras.

Deste modo, os componentes mitocondriais podem ser trocados. Uma mitocôndria parcialmente danificada pode, possivelmente, ser apoiada através da ligação a uma mitocôndria que funcione melhor.

3. Divisão mitocondrial

Na divisão mitocondrial, também denominada fissão, uma mitocôndria é dividida.

Assim, os componentes danificados podem ser separados da parte da rede mitocondrial que funciona melhor.

4. Mitofagia

Quando os danos não podem ser suficientemente reparados, a mitocôndria danificada pode ser selecionada para degradação.

5. Biogénese mitocondrial

Formam-se novos componentes mitocondriais e a rede mitocondrial é renovada.

Uma população mitocondrial saudável depende, por isso, de um equilíbrio dinâmico entre reparação, fusão, divisão, remoção e renovação.

Como reconhece uma célula uma mitocôndria danificada?

Um sinal importante é a alteração ou perda do potencial de membrana mitocondrial.

A membrana interna mitocondrial contém uma diferença de potencial eletroquímico. Este potencial de membrana é necessário para uma produção eficiente de ATP.

Quando uma mitocôndria fica gravemente danificada, o potencial de membrana pode diminuir.

A célula pode reconhecer esta alteração através de proteínas especializadas.

A via mais estudada é a:

Via de signalização PINK1–Parkin

PINK1 significa:

Cinase 1 induzida pelo PTEN

A Parkin é uma E3 ubiquitina-ligase codificada pelo gene PRKN.

Em conjunto, a PINK1 e a Parkin funcionam como componentes de um sistema de controlo mitocondrial.

PINK1 em mitocôndrias saudáveis

Numa mitocôndria saudável, a PINK1 é continuamente transportada para o interior da mitocôndria.

Devido ao potencial de membrana normal, a PINK1 consegue atravessar as membranas mitocondriais através de complexos de transporte especializados.

A proteína é posteriormente processada e degradada.

Desta forma, a quantidade de PINK1 na membrana externa das mitocôndrias saudáveis mantém-se baixa.

A degradação contínua da PINK1 funciona como uma espécie de sinal de controlo:

o potencial de membrana mitocondrial funciona e a mitocôndria não apresenta nenhum sinal de alarme evidente.

O que acontece quando se perde o potencial de membrana?

Quando o potencial de membrana diminui acentuadamente, a PINK1 deixa de poder ser importada normalmente.

A PINK1 acumula-se posteriormente na superfície externa da mitocôndria danificada.

Aí, a PINK1 ativa vários processos:

1. A PINK1 estabiliza-se na membrana mitocondrial externa.

2. A PINK1 fosforila a ubiquitina.

3. A Parkin é recrutada e ativada.

4. A Parkin adiciona moléculas de ubiquitina adicionais às proteínas da membrana mitocondrial externa.

5. Os sinais de ubiquitina são reconhecidos por proteínas adaptadoras da autofagia.

6. A mitocôndria danificada é ligada à maquinaria autofágica.

Isto forma um sinal amplificado através do qual a célula marca a mitocôndria danificada para eliminação.

O que é a ubiquitina?

A ubiquitina é uma pequena proteína reguladora.

As células podem ligar moléculas de ubiquitina a outras proteínas. Desta forma, forma-se uma marca molecular.

Dependendo da localização e da estrutura da cadeia de ubiquitina, a marcação pode ter diferentes significados.

A ubiquitina pode, entre outras coisas, sinalizar que:

• uma proteína tem de ser degradada;

• uma proteína tem de ser deslocada para outro local;

• um componente celular danificado tem de ser reconhecido;

• os processos autofágicos têm de ser ativados.

Durante a mitofagia mediada por PINK1–Parkin, várias proteínas da membrana mitocondrial externa recebem marcações de ubiquitina.

Estas marcações ajudam as proteínas adaptadoras da autofagia a reconhecer a mitocôndria danificada.

O papel das proteínas adaptadoras da autofagia

As marcações de ubiquitina são reconhecidas por proteínas adaptadoras especializadas.

Exemplos incluem:

• OPTN;

• NDP52;

• p62;

• NBR1;

• TAX1BP1.

Estas proteínas adaptadoras podem ligar-se a proteínas da família LC3/GABARAP na membrana autofagossomal em crescimento.

Desta forma, estabelece-se uma ligação física entre:

• a mitocôndria marcada;

• a maquinaria autofágica;

• a membrana que vai envolver a mitocôndria.

A mitocôndria danificada fica progressivamente mais envolvida.

O que é um autofagossoma?

Um autofagossoma é uma estrutura temporária com uma membrana dupla.

A membrana cresce em torno da mitocôndria selecionada até esta ficar completamente envolvida.

O autofagossoma formado transporta o material mitocondrial para o sistema de degradação lisossomal.

A formação de um autofagossoma requer a cooperação entre várias proteínas relacionadas com a autofagia.

Entre os componentes importantes encontram-se:

• complexos ULK;

• complexos relacionados com a Beclin-1;

• proteínas ATG;

• Proteínas LC3 e GABARAP.

Assim, a mitofagia não é uma reação isolada, mas um processo organizado no qual a sinalização mitocondrial e os mecanismos gerais de autofagia trabalham em conjunto.

Degradação no lisossoma

Depois de a mitocôndria estar completamente envolvida, o autofagossoma funde-se com um lisossoma.

Deste modo, forma-se um autolisossoma.

As enzimas lisossomais degradam o material mitocondrial.

Os produtos da degradação podem ser reutilizados para:

• síntese de proteínas;

• formação de membranas;

• produção de energia;

• outros processos metabólicos.

O percurso completo, desde o reconhecimento até à degradação, é designado por fluxo mitofágico.

Por isso, medir apenas o número de autofagossomas não é suficiente para determinar se a mitofagia aumentou efetivamente.

Com efeito, muitos autofagossomas também podem formar-se quando a etapa final de degradação não funciona corretamente.

PINK1 e Parkin não são a única via de mitofagia

Embora a via PINK1–Parkin seja o mecanismo mais conhecido, existem também outras formas de mitofagia.

Algumas proteínas mitocondriais podem estabelecer uma ligação direta à maquinaria autofágica.

Exemplos de recetores de mitofagia:

• BNIP3;

• NIX, também conhecida como BNIP3L;

• FUNDC1;

• BCL2L13;

• FKBP8.

Estes recetores contêm frequentemente uma região de interação com LC3.

Isto permite-lhes ligar-se diretamente às proteínas LC3 ou GABARAP.

A mitofagia dependente de recetores pode ser importante em:

• deficiência de oxigénio;

• desenvolvimento dos glóbulos vermelhos;

• diferenciação celular;

• adaptação metabólica;

• respostas ao stress específicas dos tecidos.

Mitofagia durante o desenvolvimento dos glóbulos vermelhos

Os glóbulos vermelhos maduros não contêm mitocôndrias.

Durante o desenvolvimento, as células precursoras têm, por isso, de remover as suas mitocôndrias.

A NIX desempenha um papel importante neste processo.

Isto mostra que a mitofagia não elimina apenas mitocôndrias danificadas. O processo também pode ser utilizado para remover de forma controlada mitocôndrias saudáveis quando um tipo de célula já não precisa delas.

Assim, a mitofagia está envolvida tanto no controlo de qualidade como no desenvolvimento celular normal.

Mitofagia e stress oxidativo

As mitocôndrias danificadas podem apresentar uma produção aumentada de espécies reativas de oxigénio.

Quando estas mitocôndrias não são removidas, a carga oxidativa pode aumentar.

A mitofagia pode contribuir para o equilíbrio oxidativo ao degradar seletivamente mitocôndrias com funcionamento deficiente.

No entanto, a relação não é simples.

Uma quantidade limitada de espécies reativas de oxigénio pode ativar sinais de mitofagia. Em contrapartida, danos oxidativos graves ou prolongados também podem perturbar os processos autofágicos e lisossomais.

O resultado biológico depende de:

• a intensidade do stresse;

• a duração do stresse;

• o tipo de célula;

• o estado das mitocôndrias;

• a capacidade antioxidante disponível.

Mitofagia e biogénese mitocondrial

A remoção de mitocôndrias danificadas é apenas uma das metades da renovação mitocondrial.

Também têm de ser formados novos componentes mitocondriais.

Este processo é designado por biogénese mitocondrial.

A PGC-1α é frequentemente descrita como um regulador importante da biogénese mitocondrial.

A PGC-1α influencia, entre outros:

• expressão génica mitocondrial;

• formação de proteínas mitocondriais;

• metabolismo oxidativo;

• adaptação à necessidade de energia.

Uma rede mitocondrial saudável requer provavelmente uma boa coordenação entre:

mitofagia → remoção

e

biogénese → renovação

Quando ocorre apenas remoção sem renovação suficiente, a capacidade mitocondrial total pode diminuir.

Quando apenas são formados novos componentes mitocondriais sem um controlo adequado da qualidade, as mitocôndrias danificadas podem acumular-se.

Mitofagia e envelhecimento biológico

Durante o envelhecimento biológico, podem ocorrer alterações em:

• potencial de membrana mitocondrial;

• ADN mitocondrial;

• produção de ATP;

• equilíbrio oxidativo;

• função lisossomal;

• atividade autofágica;

• dinâmica mitocondrial.

Vários modelos experimentais mostram que a eficiência mitofágica pode mudar durante o envelhecimento.

A remoção reduzida de mitocôndrias danificadas pode contribuir para a acumulação de danos mitocondriais.

Ao mesmo tempo, o envelhecimento é um processo complexo. As alterações na mitofagia podem ser simultaneamente causa e consequência de outras alterações celulares.

Por isso, é demasiado simplista explicar o envelhecimento exclusivamente por uma diminuição da mitofagia.

Mitofagia e investigação neurodegenerativa

As células cerebrais dependem fortemente da produção de energia mitocondrial.

Os neurónios podem ter prolongamentos muito longos. Por isso, as mitocôndrias têm de ser transportadas ao longo de grandes distâncias até aos locais com elevada necessidade de energia.

As alterações no controlo da qualidade mitocondrial são estudadas em várias doenças neurodegenerativas.

Os genes PINK1 e PRKN são particularmente relevantes, uma vez que determinadas alterações genéticas estão associadas a formas hereditárias de início precoce da doença de Parkinson.

Os processos estudados incluem, entre outros:

• remoção reduzida de mitocôndrias danificadas;

• alterações no transporte mitocondrial;

• stress oxidativo;

• acumulação anormal de proteínas;

• alterações na produção de energia neuronal.

Isto não significa que a estimulação geral da mitofagia seja um tratamento comprovado.

Os neurónios têm uma organização mitocondrial complexa, e os resultados de estudos em modelos celulares não podem ser diretamente extrapolados para efeitos clínicos.

Mitofagia e investigação cardiovascular

As células do músculo cardíaco necessitam continuamente de grandes quantidades de ATP.

Por isso, uma boa função mitocondrial é importante para o fornecimento de energia ao coração.

A mitofagia é estudada em modelos de:

• envelhecimento cardíaco;

• isquemia;

• lesão de reperfusão;

• stress oxidativo;

• alterações na função do músculo cardíaco.

Durante a isquemia, o tecido recebe temporariamente menos oxigénio.

Quando o fluxo sanguíneo é restabelecido, podem ocorrer alterações significativas nos processos oxidativos mitocondriais.

Em determinadas circunstâncias, a mitofagia pode contribuir para a remoção de mitocôndrias danificadas.

Contudo, tanto a degradação mitocondrial insuficiente como a excessiva podem ser prejudiciais. Por isso, o momento e a regulação são importantes.

Mitofagia e saúde metabólica

As mitocôndrias desempenham um papel central em:

• oxidação da glucose;

• oxidação de ácidos gordos;

• flexibilidade metabólica;

• produção de calor;

• regulação energética celular.

As alterações no controlo de qualidade mitocondrial são estudadas em:

• obesidade;

• resistência à insulina;

• diabetes tipo 2;

• síndrome metabólica;

• esteatose hepática metabólica.

As mitocôndrias danificadas podem influenciar os processos oxidativos e a sinalização metabólica.

No entanto, a relação entre a mitofagia e a saúde metabólica varia consoante o órgão.

Uma alteração benéfica no tecido muscular pode não ter o mesmo efeito nas células do fígado, do tecido adiposo ou do pâncreas.

Mitofagia e sistema imunitário

As mitocôndrias influenciam vários processos imunitários.

As mitocôndrias danificadas podem libertar moléculas que são reconhecidas pela célula como sinais de perigo.

Exemplos incluem:

• ADN mitocondrial;

• espécies reativas de oxigénio;

• componentes da membrana mitocondrial.

Estes sinais podem influenciar as vias inflamatórias.

A mitofagia pode ajudar a remover mitocôndrias danificadas antes que sejam libertadas grandes quantidades de sinais mitocondriais de perigo.

Por isso, a mitofagia é estudada em relação a:

• imunidade inata;

• sinalização inflamatória;

• ativação do inflamassoma;

• imunossenescência.

No entanto, a mitofagia não é simplesmente anti-inflamatória. O resultado depende do tipo de célula, da causa dos danos mitocondriais e da via de sinalização envolvida.

Mitofagia e tecido muscular

As células musculares necessitam de muitas mitocôndrias para a produção de energia.

Durante a atividade física, as necessidades energéticas alteram-se significativamente.

O exercício pode influenciar sinais envolvidos em:

• biogénese mitocondrial;

• fusão mitocondrial;

• fissão mitocondrial;

• autofagia;

• mitofagia.

Deste modo, a rede mitocondrial pode adaptar-se a uma carga metabólica repetida.

A mitofagia é estudada como parte da adaptação muscular, do envelhecimento muscular e da manutenção da qualidade mitocondrial.

No entanto, mais mitofagia não é automaticamente melhor.

Continua a ser necessário um equilíbrio funcional entre remoção e renovação.

É possível medir a mitofagia?

A mitofagia é difícil de medir porque é um processo dinâmico.

Os investigadores utilizam, entre outros:

• microscopia de fluorescência;

• marcadores mitocondriais;

• marcadores de LC3;

• marcadores lisossomais;

• microscopia eletrónica;

• repórteres genéticos;

• sensores de pH direcionados para as mitocôndrias.

Exemplos de repórteres especializados são o mt-Keima e o mito-QC.

Estas técnicas podem ajudar a determinar se o material mitocondrial chega efetivamente a um ambiente lisossomal ácido.

Um desafio importante é distinguir entre:

• aumento da formação de autofagossomas;

• aumento da degradação;

• bloqueio da degradação lisossomal.

Por isso, é importante medir o fluxo mitofágico completo.

Mais mitofagia é sempre benéfica?

Não.

A mitofagia é um processo regulado de equilíbrio.

Uma mitofagia insuficiente pode levar à acumulação de mitocôndrias danificadas.

A remoção mitocondrial excessiva pode potencialmente levar a:

• perda de massa mitocondrial;

• redução da capacidade de produção de ATP;

• perturbação metabólica;

• aumento do stress celular.

A atividade ideal varia consoante:

• tipo de célula;

• órgão;

• idade;

• necessidade energética;

• nível de stress;

• processo patológico.

Por isso, a investigação científica centra-se cada vez mais na reposição do equilíbrio, em vez da ativação máxima de uma única via.

A mitofagia como possível alvo de investigação

Vários grupos de investigação estudam formas de influenciar o controlo de qualidade mitocondrial.

As possíveis linhas de investigação são:

• modulação da PINK1;

• ativação ou regulação da Parkin;

• inibição das enzimas desubiquitinantes;

• modulação dos recetores da mitofagia;

• suporte da função lisossomal;

• regulação da biogénese mitocondrial.

Embora estas vias sejam biologicamente interessantes, a translação clínica continua a ser complexa.

uma melhoria molecular num modelo celular não significa automaticamente que os sintomas, a função dos órgãos ou os resultados da doença melhorem nos seres humanos.

Limitações da investigação atual

As principais limitações são:

• muitos estudos foram realizados em células e animais;

• os danos mitocondriais artificiais podem diferir dos processos patológicos humanos;

• diferentes tecidos utilizam diferentes vias mitofágicas;

• PINK1–Parkin não é a única via;

• é difícil medir diretamente a mitofagia em seres humanos;

• mais mitofagia não é automaticamente benéfico;

• as alterações nos marcadores nem sempre comprovam um fluxo mitofágico mais elevado;

• os efeitos a longo prazo da modulação direcionada ainda não são totalmente conhecidos.

Por isso, os resultados científicos devem ser avaliados no contexto do modelo de investigação utilizado.

Conclusão

A mitofagia é o processo seletivo através do qual as células reconhecem e degradam mitocôndrias excedentárias, envelhecidas ou danificadas.

É uma componente importante do controlo de qualidade mitocondrial.

A via PINK1–Parkin é o mecanismo mais conhecido. Quando se perde o potencial da membrana mitocondrial, a PINK1 acumula-se na superfície externa da mitocôndria danificada. A PINK1 ativa a Parkin, após o que as proteínas mitocondriais são marcadas com ubiquitina.

As proteínas adaptadoras da autofagia reconhecem estes sinais e ligam a mitocôndria à maquinaria autofágica.

A mitocôndria é então envolvida num autofagossoma e degradada através de processos lisossomais.

Além da PINK1 e da Parkin, existem vias dependentes de recetores nas quais estão envolvidas proteínas como BNIP3, NIX e FUNDC1.

A mitofagia funciona em conjunto com a fusão, a fissão e a biogénese mitocondriais. Uma rede mitocondrial saudável exige um equilíbrio entre a remoção e a renovação.

As alterações na mitofagia são estudadas no âmbito do envelhecimento biológico, da neurodegeneração, dos processos cardiovasculares, da saúde metabólica, da função muscular e da regulação imunitária.

Embora a mitofagia seja uma área de investigação importante, um mecanismo biologicamente plausível não significa automaticamente que a estimulação direcionada seja clinicamente eficaz ou segura.

Resumo

A mitofagia é uma forma seletiva de autofagia através da qual as mitocôndrias danificadas ou excedentárias são removidas. A via PINK1–Parkin reconhece, entre outros sinais, a perda do potencial da membrana mitocondrial e marca as mitocôndrias danificadas com ubiquitina. Os autofagossomas envolvem a mitocôndria selecionada, após o que os lisossomas degradam e reciclam o material. A mitofagia apoia o controlo de qualidade mitocondrial, mas deve permanecer equilibrada com a biogénese mitocondrial.

Declaração de exoneração de responsabilidade relativa à investigação

Esta informação destina-se exclusivamente a fins educativos e científicos. Os mecanismos discutidos não constituem aconselhamento médico e não devem ser interpretados como diagnóstico, tratamento, prevenção ou cura comprovados de qualquer doença. Os produtos de investigação da Peptidera destinam-se exclusivamente a Research Use Only (RUO) e não ao consumo humano.

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