Em artigo publicado no FASEB Journal, pesquisadores do CEPID Redoxoma liderados pela professora Alicia Kowaltowski, do Departamento de Bioquímica do Instituto de Química da USP, demonstraram que modificações na morfologia mitocondrial alteram sua capacidade de absorção e retenção de cálcio, afetando a homeostase do cálcio celular e provocando estresse do retículo endoplasmático. Eles mostraram que mitocôndrias maiores captam cálcio mais rapidamente e em maior quantidade do que mitocôndrias menores.

As mitocôndrias têm como função primária a geração de energia na forma de adenosina trifosfato (ATP). Mas elas também exercem outras atividades cruciais, dentre as quais a captação e o armazenamento de cálcio (Ca²⁺, íon cálcio). O cálcio é fundamental para o funcionamento do corpo. Além de formar nossos ossos e dentes, é um regulador central de funções celulares, controlando o metabolismo em vários aspectos, por exemplo, ao regular a produção de ATP, a quebra de glicogênio e a via glicolítica. Além disso, o cálcio é um importante sinalizador intracelular em processos como contração muscular, diferenciação celular, inflamação, entre outros.

“Nosso grupo já havia descoberto, na primeira fase do Redoxoma, que diferentes dietas afetam o transporte de cálcio em mitocôndrias de animais. Animais em restrição calórica têm um transporte de cálcio melhorado. Por outro lado, trabalhos na literatura mostram que diferentes aportes calóricos mudam a forma das mitocôndrias. Estávamos vendo duas coisas diferentes acontecendo na mitocôndria, mas que não haviam sido interligadas. Nosso trabalho foi investigar se a forma da mitocôndria afeta a quantidade de cálcio que ela capta. E nossos resultados mostram que existe uma ligação estreita entre a forma das mitocôndrias e a homeostase do cálcio nas mitocôndrias e nas células. Descobrimos um novo papel para a morfologia mitocondrial na captação de cálcio”, afirmou Kowaltowski.

As mitocôndrias tanto podem se fundir, gerando organelas maiores e mais alongadas, quanto podem se dividir e originar mitocôndrias menores e arredondadas. Elas não apenas variam em tamanho e forma em diferentes tipos de células, mas também remodelam rapidamente sua morfologia em resposta a mudanças ambientais, como a disponibilidade de nutrientes. O aumento da fusão mitocondrial é frequentemente associado à maior eficiência bioenergética. A fissão mitocondrial, por outro lado, está associada à baixa eficiência bioenergética. Outro aspecto interessante, segundo os pesquisadores, é que a restrição calórica e a privação de nutrientes também modulam a morfologia mitocondrial, estimulando a fusão mitocondrial, enquanto o excesso de nutrientes é frequentemente associado à fissão mitocondrial.

Diversos eventos biológicos importantes envolvem mudanças simultâneas na morfologia mitocondrial e na homeostase do cálcio, incluindo ativação imune, diferenciação celular, secreção de insulina e metabolismo de ácidos graxos, entre outros. De acordo com Kowaltowski, “é tentador especular que pelo menos parte dos mecanismos regulatórios nesses processos envolvam mudanças na homeostase de cálcio mitocondrial e celular promovidas pela modulação da morfologia mitocondrial que descrevemos neste trabalho”.

Homeostase do cálcio

O cálcio afeta quase todos os aspectos da vida celular. Íons cálcio são encontrados em concentrações 10 mil vezes maiores no meio extracelular do que no meio intracelular. As células eucarióticas criaram diferentes mecanismos para manter a homeostase do cálcio, ou seja, para manter os estoques de cálcio intracelular de maneira ativa no tempo. Dentro das células, a maior parte do cálcio está sequestrada no retículo endoplasmático e nas mitocôndrias. O retículo capta cálcio com mais afinidade do que a mitocôndria, absorvendo os íons quando as concentrações são menores. Mas as mitocôndrias têm maior capacidade de armazenamento.

Nas mitocôndrias, a captação de cálcio para a matriz mitocondrial ocorre através do canal uniporter mitocondrial (MCU) e é impulsionada pelo potencial de membrana mitocondrial interna, que atrai espécies positivamente carregadas. Dentro das mitocôndrias, os íons cálcio atuam como reguladores de importantes vias metabólicas, determinando a velocidade de síntese de ATP. O excesso de cálcio mitocondrial, no entanto, é prejudicial para a integridade celular em várias condições patológicas, como acidente vascular cerebral, doença cardíaca isquêmica e condições inflamatórias do fígado.

Para estudar os efeitos da modulação da morfologia mitocondrial na absorção de cálcio, os pesquisadores trabalharam com a linhagem de mioblastos C2C12, que são células com uma rede mitocondrial funcional e dinâmica. Em algumas células, eles inibiram a mitofusina 2 (MTF2), que é uma proteína necessária para a fusão mitocondrial, obtendo mitocôndrias fragmentadas. Em outras, inibiram a DRP1, proteína responsável pela a fissão, obtendo assim mitocôndrias maiores. “Inibimos moderadamente as proteínas. Com isso, obtivemos mudanças de forma das mitocôndrias como as que ocorrem na vida real das células”, disse a pesquisadora. As análises de morfologia mitocondrial foram realizadas por Kowaltowski, com o uso de microscopia confocal de super-resolução, no laboratório do professor Orian Shirihai, coautor do estudo, na University of California Los Angeles (UCLA).

Depois, os pesquisadores quantificaram a entrada de cálcio nas mitocôndrias de diferentes tamanhos e formas usando indicadores fluorescentes de cálcio, que não atravessam a membrana da organela. Com esses ensaios foi possível calcular a quantidade máxima de cálcio absorvida por mitocôndrias e a velocidade da absorção.

Uma possível razão para as diferenças na absorção de cálcio observadas poderia estar relacionada a alterações nos potenciais de membrana interna mitocondrial, que é a força motriz para captação de cálcio. Depois de calibrar os fluoróforos usados para medir o potencial da membrana de acordo com o tamanho das mitocôndrias, eles observaram que o potencial muda apenas nas mitocôndrias fragmentadas, não podendo explicar o aumento da absorção de cálcio nas mitocôndrias maiores. Os resultados demonstraram que as mudanças na morfologia e dinâmica mitocondrial são suficientes para alterar a homeostase do cálcio na organela.

Os pesquisadores também avaliaram o impacto da modulação da morfologia mitocondrial na homeostase do cálcio celular. Medindo os níveis de cálcio citosólico em células intactas eles observaram que, naquelas em que as mitocôndrias estavam fragmentadas, as concentrações de cálcio no citosol e no retículo endoplasmático eram menores.

Nestas células, níveis baixos de cálcio basal e a menor quantidade de cálcio armazenado no retículo foram acompanhados por estresse do retículo, que está relacionado a várias patologias, como diabetes e doenças neurodegenerativas. Estes estudos foram realizados em colaboração com grupo do professor Francisco Laurindo, do InCor da FMUSP e do CEPID Redoxoma, coautor do artigo. Células com mitocôndrias fragmentadas também apresentam menor recaptação de cálcio para dentro do retículo.

Mitocôndrias e retículo endoplasmático são fisicamente ligados e a interação entre eles é importante para a sinalização de cálcio e para sinalização redox. “O que a gente está mostrando neste artigo é que não apenas o cálcio é transportado do retículo para a mitocôndria, mas o oposto também acontece: o cálcio sai da mitocôndria e repopula o retículo. Se a mitocôndria não está captando bem o cálcio, o retículo fica sem cálcio,” explicou a pesquisadora.

O artigo Mitochondrial Morphology Regulates Organellar Ca²⁺ Uptake and Changes Cellular Ca²⁺ Homeostasis, de Alicia J. Kowaltowski, Sergio L. Menezes-Filho, Essam Assali, Isabela G. Gonçalves, Phablo Abreu, Nathanael Miller, Patricia Nolasco, Francisco R. M. Laurindo, Alexandre Bruni-Cardoso e Orian Shirihai, pode ser lido aqui.