Envelhecimento e morte celular

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1 Envelhecimento e morte celular Autores: Carla Simone Seibert e José Lopes Soares Neto Sumário I. Introdução II. Características genéticas e o envelhecimento III. O papel das mitocôndrias no envelhecimento IV. Mecanismo de morte celular V. O comprometimento da integridade dos tecidos no envelhecimento VI. Fatores que interferem na qualidade e no tempo de vida VII. Referências 1

2 I. Introdução Muitas vezes nos deparamos com a idade à nossa frente, seja por lembranças que nos trazem à consciência o tempo que já passou ou pela imagem refletida no espelho. O envelhecimento é resultante da perda progressiva da funcionalidade do corpo, o qual é ditado ao longo dos anos. Assim, o envelhecimento representa a expressão da redução gradual da atividade celular, refletida nos tecidos e órgãos do organismo (Figura 1). Figura 1: O envelhecimento é um processo que acarreta a redução da funcionalidade do corpo e é observado pelo aparecimento de linhas de expressão facial, flacidez da pele, manchas de idade, aumento da limitação física, perda de memória, entre outros. Nosso corpo é formado por células somáticas que estão em constante divisão. Mas, se as células se dividem continuamente, quem marca o tempo biológico? Várias teorias tentam explicar o processo do envelhecimento, essas foram separadas em dois grandes grupos: a teoria determinista e a teoria estocástica. A teoria determinista defende que o envelhecimento é desencadeado por uma programação puramente genética e inclui teorias como a teoria somática, a genética, a imunológica e a das telomerases. A teoria estocástica, por sua vez, defende que o envelhecimento é conseqüência de sucessivas lesões do ácido desoxirribonucléico (ADN), inibindo o funcionamento celular e a expressão apropriada dos genes. Essa inclui teorias como a da lesão/reparação do ADN, da oxidação dos radicais livres, do ADN mitocondrial e das radiações. Diante desse histórico, o fator mais apontado para influenciar o envelhecimento celular é o genético somado a fatores não genéticos, como os ambientais e culturais, que interferem de modo aleatório no tempo de vida das células. Assim, fatores como alimentação, qualidade do ar, radiações ionizantes, produtos químicos podem interferir na funcionalidade da célula, acelerando seu envelhecimento ou conduzindo à morte. Frente a esses indicativos, já foi possível perceber que nesta unidade você mais uma vez vai entrar em contato com a menor unidade estrutural viva: a célula. Mas, agora, nosso objetivo é entender quais são os mecanismos que conduzem ao processo de envelhecimento e morte celular. 2

3 II. Características genéticas e o envelhecimento Os cromossomos são constituídos por ácidos desoxirribonucléicos (ADN) e proteínas associadas, que variam no tamanho, forma e número em cada uma das diferentes espécies. Eles carregam todas as informações genéticas que caracterizam e individualizam os seres vivos. As células estão em constante renovação, seu crescimento e reposição são possibilitados com a divisão celular (mitose), em que todas as informações genéticas são transmitidas para as células filhas através da duplicação do material celular, inclusive dos cromossomos. Nos cromossomos estão contidos todos os genes responsáveis pela codificação das estruturas necessárias para o funcionamento das células, assim como os responsáveis pela modelagem do material genético: os centrômeros e os telômeros (Figura 2). (A) (B) Figura 2: Ilustração dos cromossomos humanos com destaque para a posição dos centrômeros e telômeros. O detalhe mostra o corpo dos cromossomos corado em azul e os telômeros nas pontas em rosa (A). O esquema mostra a estrutura do telômero na ponta do cromossomo (B). Durante Os telômeros o processo são estruturas de duplicação importantes do ADN, para uma o parte funcionamento dos telômeros da é célula. perdida Eles e, segundo estão localizados a hipótese nas telomérica extremidades de senescência, dos cromossomos essa perda e são progressiva compostos nas de sucessivas seqüências mitoses repetitivas atua de como ADN, um que relógio conferem biológico a sua para estabilidade, as divisões organizam celulares. a Desse posição modo, cromossomo a velocidade no e a núcleo, extensão evitam dessas a perdas junção determinam da porção quantas terminal vezes de cada diferentes célula cromossomos pode se dividir, durante por quanto a replicação tempo irá e o sobreviver protegem e contra quando processos morrerá. de degradação. A descoberta da telomerase (transcriptase reversa), enzima capaz de repor os segmentos dos telômeros perdidos durante as divisões celulares, deu um novo rumo para as investigações científicas. Ela foi detectada desde as leveduras até os mamíferos, se encontra no núcleo da célula onde ocorre sua maturação e é disponibilizada no nucleoplasma somente no momento da replicação dos telômeros. Essa enzima estabiliza o comprimento dos telômeros pela adição de repetições teloméricas de ARN (TTAGGG) nas extremidades dos cromossomos, compensando a perda que seria gerada a cada divisão celular. Transcriptase reversa é uma enzima que sintetiza molécula de ADN tendo como molde uma molécula de ARN. Então as células não morrem? Atualmente, sabe-se que a atividade da telomerase varia entre os diferentes tipos celulares, sendo muito ativa nas células com alta capacidade proliferativa, como nas células germinativas jovens (espermatozóide e óvulo não maduros), células-tronco embrionárias, células endoteliais e endometriais de 3

4 adultos, e é reduzida na maioria das células somáticas humanas normais. Resumindo, as células somáticas possuem capacidade limitada para duplicação e isso determina seu tempo de vida, enquanto que as células proliferativas ou progenitoras (como elas também podem ser denominadas) apresentam tempo de vida aparentemente infinito. Desse modo, as células somáticas em condições adequadas podem sofrer até 90 divisões antes que os telômeros alcancem seu limite mínimo de tamanho (o que varia entre os diferentes tipos celulares). Quando isso acontece, as divisões cessam e o processo de envelhecimento celular é desencadeado. Essa passagem é denominada de limite de Hayflick (Figura 3). Células-tronco embrionárias são células capazes de se diferenciar em outros tecidos do nosso corpo como o tecido ósseo, o sanguíneo, o muscular e o neural. As células endoteliais são as que revestem os capilares sanguíneos e as endometriais revestem a cavidade uterina, formando o endométrio. Figura 3: Relação entre o tamanho dos telômeros e a capacidade de proliferação celular. As células germinativas não-diferenciadas (linha amarela) possuem longos telômeros e se multiplicam indefinidamente, enquanto as células somáticas diferenciadas (linha laranja) dividem-se por um número determinado de gerações e perdem gradualmente seus telômeros. No entanto, as células em crise, que já acumularam diferentes mutações, morrem ou reativam a telomerase, tornando-se imortais. Nas síndromes relacionadas ao envelhecimento prematuro, é observado o encurtamento acelerado dos telômeros (linha roxa). O envelhecimento ou senescência celular representa então o período que a célula se mantém viva após finalizar sua fase replicativa. Esse processo é observado em todos os tipos celulares dos eucariotos que possuem vida clonal. Além da perda da capacidade de divisão celular e a ausência da atividade da telomerase, as células também apresentam estresse oxidativo, o que está relacionado com o acúmulo de radicais livres. No final do período de senescência, o processo que deflagra a morte das células é disparado e isso ocorre, geralmente, por apoptose (esse processo será detalhado mais à frente). Leonard Hayflick, em 1965, observou, em células cultivadas, que elas apresentavam um limite de duplicação de até 50 divisões. Ele constatou que as células mais velhas estavam mais próximas desse limite de duplicação e o tamanho dos telômeros era reduzido a cada divisão. A expectativa de vida de um indivíduo está relacionada diretamente ao envelhecimento celular. A perda sucessiva de segmentos dos telômeros a cada divisão celular é uma das teorias que tentam explicar esse processo. Saiba mais sobre telômeros, limite de Hayflick e envelhecimento celular no endereço eletrônico: < om.br/controlpanel/mat eria/resource/download /55391>. Você não pode esquecer que as células estão em constante renovação, então é importante salientar que nos organismos multicelulares a replicação celular não é desorganizada, ela ocorre em resposta a estímulos, geralmente desencadeados durante a reposição ou aumento do número de células do tecido. Por outro lado, nos organismos unicelulares, a taxa de proliferação celular pode ser infinita, sendo a disponibilidade dos nutrientes do ambiente o maior fator limitante para a sua proliferação. As células tumorais, por sua vez, apresentam capacidade de multiplicação infinita em decorrência das alterações geradas ao longo das suas divisões celulares. Isso ocorre porque 4

5 algumas células somáticas quando entram em senescência podem reativar a telomerase, perdendo o controle sobre seu ciclo celular. Essas células apresentam telômeros curtos e passam a acumular várias mutações e a cada divisão ocorre uma diminuição gradual da integridade dos cromossomos, o que leva a instabilidade do seu conteúdo genético. A célula interpreta que o ADN cromossômico está defeituoso ou quebrado e passa a reparar os danos, podendo gerar a fusão entre os seus terminais. A somatória dessas alterações desencadeia uma célula carcinogênica (células heteroplóides e imortais) (Figura 4). A telomerase evita que ocorra o encurtamento dos cromossomos durante as replicações celulares e não os aumenta. A ativação da telomerase pode ocorrer quando a célula está em senescência, quase chegando em apoptose, sua reativação desencadeia a formação de células tumorais. Radicais livres são átomos ou grupo de átomos com elétrons não pareados na última camada eletrônica que apresentam grande instabilidade e, por isso, são altamente reativos. O oxigênio por suas peculiaridades forma os radicais livres mais importantes. As espécies reativas tóxicas do oxigênio mais significativas são derivadas da cadeia respiratória que ocorre nas mitocôndrias. Figura 4: (A) ciclo celular de uma célula normal até a morte (apoptose); (B) ciclo celular de uma célula carcinogênica (células imortais). O acúmulo de radicais livres foi referido anteriormente como uma característica das células que entram em senescência. O estresse oxidativo é um fator limitante para a célula, o excesso de radicais livres pode comprometer o funcionamento celular e/ou induzir a formação das células tumorais. A teoria da lesão/regeneração do ADN defende que o material nuclear sofre constantes lesões, quase sempre provenientes do estresse oxidativo. Essas lesões são continuamente reparadas pelas polimerases. No entanto, quando o organismo não consegue mais repará-las na mesma velocidade com a qual são produzidas, inicia-se o seu acúmulo. Os casos de lesões oxidativas do ADN parecem ser mais decisivos para a longevidade celular do que o comprimento dos telômeros. As evidências sugerem que o papel dos telômeros no processo de envelhecimento celular deve ser mais decisivo no tecido constituído por células mitóticas do que naquele onde a capacidade regenerativa é determinante. Na tentativa de entender como o processo de envelhecimento celular é desencadeado, alguns genes ligados ao desenvolvimento de doenças relacionadas com a idade estão sendo pesquisados, como o gene responsável pela síndrome de Werner (gene WRN, localizado no Síndrome de Werner, também conhecida como Síndrome do envelhecimento precoce, é uma doença de origem genética cujos sintomas iniciam-se entre os 30 e 40 anos e envolvem alterações na pele, esquecimentos, calcificação dos vasos sanguíneos, osteoporose e catarata. A doença de Alzheimer ou Mal de Alzheimer é uma doença degenerativa do cérebro caracterizada pela perda progressiva de memória. Alterações no gene da apolipoproteína podem estar relacionadas ao desenvolvimento da doença. 5

6 cromossomo 8, que acelera o processo de envelhecimento). Esse gene tem a função de manter a integridade do processamento do ARN ribossômico e levanta a hipótese do mecanismo comum ao envelhecimento normal e patológico ser ocasionado pela alteração da atividade do gene. Outro gene que pode estar envolvido nesse processo é o gene para a apolipoproteína E, localizado no cromossomo 19, o qual foi associado ao aumento do risco de desenvolvimento tardio da doença de Alzheimer. III. O papel das mitocôndrias no envelhecimento A atividade celular não está restrita somente ao controle do material genético. As mitocôndrias disponibilizam energia, através da molécula de ATP (adenosina tri-fosfato), para a célula desenvolver quase todas as suas atividades, inclusive a duplicação dos cromossomos. Na mitocôndria, os produtos do catabolismo das moléculas obtidas na alimentação (glicose, por exemplo) são utilizados em reações químicas que conservam energia na forma de ATP. É no ATP que a célula encontra 90% da energia necessária para exercer funções como a síntese das proteínas, os movimentos celulares, as trocas iônicas, entre outros. Por isso, as mitocôndrias podem ser consideradas como os centros geradores de energia das células que realizam metabolismo aeróbio. Se a atividade mitocondrial for alterada ou comprometida, as funções celulares também serão, conduzindo células e tecidos à morte. Sobre respiração celular e o papel das mitocôndrias, veja Módulo II, Unidade 13. Investigações científicas demonstram que o decréscimo da produção de energia na mitocôndria provoca o aparecimento de doenças características em idade mais avançada. Nesse caso, o tecido mais rapidamente atingido é o tecido nervoso, no sistema nervoso central, seguido dos músculos, inclusive o miocárdio, rins e tecidos produtores de hormônios. A perda progressiva da capacidade de gerar energia está relacionada com a ação de radicais livres, provocada pelo estresse oxidativo, que interfere no conjunto de reações químicas que ocorrem no interior da mitocôndria. Estudos são conduzidos para induzir mutações em genes relacionados com o aumento da capacidade metabólica ou com a resistência ao estresse do meio ambiente para localizar possíveis genes ligados com o declínio da condição física. Mitocôndria 6

7 As primeiras investigações sobre os radicais livres foram realizadas na década de 1950, quando foi sugerido que a sua formação no interior das células prejudicava o seu funcionamento. No entanto, a origem dos radicais livres foi esclarecida somente em 1980, quando se entendeu que esses são produtos do metabolismo celular, sendo as mitocôndrias alvos importantes da sua ação nociva. A formação excessiva de moléculas reativas de oxigênio resulta no estresse oxidativo, que representa um desequilíbrio entre a geração e a remoção de produtos da reação, entre o oxigênio e as biomoléculas. O oxigênio (O 2), apesar de ser uma molécula extremamente necessária ao processo respiratório, é potencialmente tóxico para as células, podendo comprometer seu funcionamento ao longo do tempo. Esse fenômeno é denominado de "paradoxo do oxigênio" e tem origem química. Nas reações que levam à produção de energia pela mitocôndria, a molécula de oxigênio pode sofrer redução parcial liberando substâncias altamente reativas, os radicais livres (por exemplo, água oxigenada H 2O 2, ou íon peróxido O 2- e íon hidroxila OH - ), que reagem com substâncias orgânicas e inorgânicas, como proteínas, fosfolipídios da membrana e ácidos nucléicos. Quando os ácidos graxos da membrana reagem com radical hidroxila, por exemplo, novos radicais livres são gerados provocando a peroxidação lipídica, que deforma a estrutura da membrana celular e desequilibra sua regulação osmótica. Quando esses radicais reagem com os constituintes da mitocôndria, provocam danos às suas estruturas, reduzindo sua capacidade de produzir energia e debilitando a célula. Na mitocôndria, assim como no retículo endoplasmático e lisossomos, a elevada produção de peróxido lipídico ocasiona o vazamento de cálcio e de enzimas que digerem o conteúdo celular. Esse processo é chamado de oxidação e calcula-se que pelo menos 2% do oxigênio consumido pelas células geram radicais livres. Existe uma relação importante entre a atividade metabólica e a produção de radicais livres: quanto maior a necessidade de energia do organismo, maior será a intensidade de trabalho das mitocôndrias. Então, animais metabolicamente mais ativos produzirão mais radicais livres, apresentando tempo de vida mais limitado em relação aos animais que possuem menor metabolismo basal. Desse modo, a longevidade de um organismo pode ser ditada pela sua capacidade de produzir radicais livres. Como exemplo, pode ser citado o beija-flor que possui metabolismo extremamente acelerado. Ele consome o equivalente a oito vezes o seu peso corpóreo por dia e algumas espécies apresentam em média dois anos de vida, contra 20 anos para um canário e 80 para um papagaio. O acúmulo de radicais livres pelas células senescentes é uma característica marcante no processo de envelhecimento, como já foi mencionado anteriormente. Entretanto, um número elevado de radicais livres também pode ser observado em células mais jovens, quando essas sofrem ação de radiações, agentes químicos, intoxicações por gases, entre outros. Nesse caso, o processo de envelhecimento celular é disparado precocemente e a morte por apoptose ou necrose é inevitável. Internet No endereço eletrônico < vista/1998/vol31n3/p eroxidacao_lipidica.pd f>, você pode achar maiores informações sobre radicais livres, estresse oxidativo e peroxidação lipídica. Atividade complementar 1 Elabore um esquema que explique a formação dos radicais livres dentro da célula e a sua ação nos diferentes compartimentos celulares. 7

8 IV. Mecanismo de morte celular A morte das células pode ocorrer por diferentes mecanismos, mas dois já estão bem caracterizados: a apoptose e a necrose. Apoptose foi um termo introduzido por Kerr et al. (1972) para designar o suicídio celular. Em grego arcaico, a palavra significa "o ato de cair" e foi escolhida porque sugere perdas benéficas (nesse caso, a morte da célula ocorre sem danos ao organismo), necessárias ao bom funcionamento e à sobrevivência do organismo. É um mecanismo no qual as células que não estão sendo utilizadas são eliminadas através da ativação de processos bioquímicos, sem desencadear processo inflamatório. Assim, a apoptose ou a morte celular programada é um tipo de "autodestruição celular" que requer energia e síntese protéica para a sua execução. As investigações científicas mostraram a importância da apoptose na estruturação final de muitos organismos pluricelulares que só atingem sua forma final porque eliminam de modo seletivo um grande número de células (Figura 5). Fisiologicamente, esse suicídio celular está associado diretamente a processos biológicos, como a embriogênese, morfogênese, metamorfose e reciclagem celular, na atrofia induzida pela remoção de fatores de crescimento ou hormônios, na involução de alguns órgãos e, ainda, na regressão de tumores. Esse mecanismo, dentro de uma condição fisiológica normal, controla a densidade populacional das células dentro de um tecido, atua como instrumento de remoção das células danificadas por toxinas, radiação ou outros estímulos e participa da formação dos órgãos, mantendo-se em alguns dos sistemas dos mamíferos adultos como a pele e o sistema imunológico. Figura 5: entre as modificações que um girino sofre para transformar-se em adulto, está a eliminação da cauda. A apoptose dessas células é estimulada com o aumento da concentração do hormônio tireóide na corrente sanguínea. Por outro lado, a palavra necrose, que também tem origem grega, significa "estado de morte", pois representa a remoção total da célula que foi drasticamente alterada. Assim, a ocorrência da necrose está relacionada a agressões severas que levam à queda acentuada da 8

9 produção de ATP devido ao comprometimento da respiração aeróbica, da manutenção da integridade da membrana celular, da síntese protéica e da capacidade de multiplicação celular (ARN e ADN). Processos necróticos podem ser induzidos por hipóxia (baixo teor de oxigênio nos tecidos), anóxia (redução mais severa da oxigenação), isquemia (falta de suprimento sangüíneo para um tecido), intoxicação por monóxido de carbono, exposição do tecido à radiação e ainda à ação de agentes infecciosos como vírus, bactérias ou fungos. As perturbações agressivas no tecido danificam as áreas vizinhas, estando o processo necrótico sempre acompanhado de processo inflamatório. Esses agentes agressivos provocam a perda da homeostase e da morfologia celular de modo que as células perdem a sua vitalidade. A autodestruição celular é seguida da desorganização progressiva, com desintegração completa da região acometida (autólise celular). Apoptose ou morte programada A apoptose é um processo caracterizado inicialmente por alterações na morfologia celular, o que é verificado com o emprego da microscopia eletrônica, seguida dos aspectos bioquímicos. Uma característica marcante no processo apoptótico é a manutenção da integridade das organelas, principalmente em relação à mitocôndria. A primeira alteração observada na morfologia de uma célula em apoptose é a agregação da cromatina em grandes massas granulares compactadas, que se ligam à carioteca, anormalmente convoluta (enrolada ou embrulhada, em forma cilíndrica). O aparecimento de discretos fragmentos nucleares ocorre posteriormente. O nucléolo aumenta de tamanho e apresenta grânulos pronunciados e dispersos. No centro do núcleo, são observados grânulos finos de origem incerta e os poros nucleares não são detectados em regiões de cromatina condensada, permanecendo intactos em regiões de eucromatina. A condensação da cromatina é provocada pela fragmentação do ADN, induzida pelas endonucleases (Figura 6). Endonucleases são enzimas que cortam pedaços de ADN em regiões seqüenciais específicas. São ferramentas básicas para a Biologia Molecular e para a Engenharia Genética. (A) (B) Figura 6: esquema de uma célula em processo apoptótico. A) A seta mostra a condensação da cromatina na face interna da membrana nuclear formando aglomerações crescentes, fase inicial da apoptose. B) Etapa mais avançada, em que a membrana nuclear forma evaginações contendo cromatina condensada, o que posteriormente dará origem aos corpos apoptóticos. Na apoptose, o ADN do cromossomo é cortado pelas endonucleases em regiões específicas entre os nucleossomas. Como cada unidade dessas tem cerca de 200 pares de bases (nucleotídeos), os fragmentos de ADN gerados têm esse número de pares de bases ou 9

10 múltiplos dele. Assim, se for realizada eletroforese do ADN de uma célula apoptótica (técnica que separa as proteínas por tamanho), será observado uma redução gradual no tamanho dos fragmentos, formando uma escada (200 pares de bases, 400, 600, etc.), o que é característico na apoptose. Nesse processo as organelas se condensam devido à redução do volume celular (decorrente de ligações interprotéicas no citoplasma), os microvilos desaparecem e surgem protuberâncias na superfície da célula. Nos tecidos sólidos, as células se separam das vizinhas e nas células do tecido epitelial os desmossomos se desfazem, como pode ser observado no esquema demostrado a seguir (Figura 7). O citoplasma se condensa mais, o núcleo fica em forma de lua crescente, rompe-se em dois ou mais fragmentos, as protuberâncias da superfície celular se destacam, dando origem aos corpos apoptóticos, esféricos ou ovais, que contêm as organelas estreitamente acondicionadas, com ou sem fragmentos nucleares. Esses são fagocitados por macrófagos ou por células vizinhas. Inicialmente a integridade das organelas é mantida dentro dos fagócitos, mas eventualmente são degradadas pelos lisossomos após fusão aos fagossomos. Se o tecido for parenquimatoso, as células adjacentes migram para repor o espaço da célula que foi eliminada. Uma característica importante desse processo é que as organelas e a membrana citoplasmática são conservadas intactas até ocorrer a fagocitose pelos macrófagos. Eletroforese é uma técnica utilizada para separar moléculas orgânicas, normalmente proteínas, ADN e ARN, em um gel de acordo com sua massa molecular, quando submetidas a uma diferença de potencial elétrico. Figura 7: esquema resumido das alterações morfológicas de uma célula epitelial em processo apoptótico. A célula reduz seu tamanho, destaca-se das células vizinhas, forma corpos apoptóticos e é fagocitada pelos macrófagos do tecido. O processo é controlado por genes responsáveis pelo crescimento e diferenciação celular. 1) Organização do tecido epitelial normal; 2) condensação da cromatina nuclear e diminuição do volume celular; 3) formação dos corpos apoptóticos e expressão de receptores para macrófagos que os fagocitam; 4) célula totalmente removida do tecido. 10

11 Mecanismo bioquímico da apoptose As características moleculares e bioquímicas da apoptose nem sempre estão associadas às alterações morfológicas, pois, muitas vezes, alterações na morfologia da mitocôndria, do retículo endoplasmático e dos lisossomos não são detectadas (organelas relacionadas com o processo químico da apoptose). Os eventos químicos mais observados na apoptose estão envolvidos com a ativação das caspases, a permeabilidade das membranas mitocondriais, o vazamento de diversas moléculas do interior das mitocôndrias, a ativação de nucleases, a desestabilizacão do citoesqueleto, a externalização da fosfatidilserina (fosfolipídio da camada interna da membrana celular que, na apoptose, é exposto na camada externa), com a promoção de interligação das proteínas. Esses eventos podem ser iniciados por duas vias básicas: a intrínseca ou mitocondrial, iniciada dentro da célula pela mintocôndria, e a extrínseca ou de receptores de morte, disparada por receptores externos que fazem contato com o interior da célula. As caspases são as proteínas mais importantes nesse processo. É um grupo de proteases baseadas em cisteína (enzimas com um resíduo de cisteína), capazes de clivar outras proteínas depois de um resíduo de ácido aspártico. Essas proteínas estão presentes no citoplasma celular ou no interior das mitocôndrias na sua forma inativa. Quando ativadas, as caspases iniciadoras (caspases 2, 8, 9 e 10) clivam outras caspases, as efetoras ou executoras (caspases 3, 6 e 7), as quais clivam proteínas que irão desencadear alterações celulares que resultarão na remoção da célula do tecido. As caspases l, 4 e 5 possuem função pouco esclarecida, mas aparentemente essas atuam no processo inflamatório. A nomenclatura das caspases ocorreu na ordem da sua identificação. Várias proteínas são apontadas como "alvos" das caspases. A caspase 3, que é uma caspase executora, atua sobre a proteína ICAD (inibidor da desoxinuclease ativada por caspase, do inglês inhibitor of the caspase-activated deoxinuclease), que em condições normais se liga a uma endonuclease no citoplasma (CAD), inibindo sua atividade. A inativação da ICAD deixa a CAD livre para clivar a cromatina. A CAD cliva inespecificamente o ADN nas regiões mais expostas, o que desencadeia o padrão em escada das bandas de eletroforese do ADN, referido no texto acima. Já a clivagem de proteínas do citoesqueleto, como a actina, Gas2 e fodrina pela caspase 3, tem como consequência a redução do volume celular. A via extrínseca da apoptose é induzida pela ativação dos receptores de morte. Existem pelo menos cinco tipos específicos de receptores presentes na membrana de várias células e levam essa denominação por serem responsáveis pelo disparo externo desse processo. Uma das vias de disparo é pelos linfócitos T citotóxicos que possuem os receptores Fas-Ligante (FasL). Quando o linfócito se liga à célula-alvo, a FasL une-se à Fas nas membranas das células-alvo, alterando sua conformação externa. Essa alteração faz com que a parte interna da proteína Fas ative a caspase 8, iniciando a cascata das caspases (Figura 8A). Em outros casos, as células podem ser danificadas ou estressadas disparando a agregação das pró-caspases e ativando-as dentro da célula. Essa é denominada de via intrínseca, onde o processo apoptótico é desencadeado devido às alterações geradas na O nome caspase é originário de sua função denominada em inglês: cystein-aspartic-acidproteases. 11

12 mitocôndria. Nesse caso, espécies reativas de oxigênio, óxido nítrico, altas concentrações de cálcio, ácidos graxos, ceramidas, luz UV, toxinas, glicocorticóides, entre outros, induzem a abertura de poros na membrana mitocondrial, possibilitando a saída de proteínas como o citocromo c, Apaf (apoptosis-inducing factor fator que induz a apoptose), endonuclease G, pró-caspases 3 e 9, iniciando a apotpose. No citoplasma, o citocromo c liga-se à proteína Apaf-1, que se junta também com o ATP, formando o apoptossomo. A Apaf-1 agrega-se, tornando-se ativa e, assim, ativa a caspase 9. Ela então cliva as caspases efetoras 7 e 3, que desencadeiam a clivagem de outras caspases e diversos outros alvos, culminando em todas as alterações celulares já descritas (Figura 8B). Desse modo, quase todas as alterações morfológicas observadas nas células em apoptose são determinadas pela ação das caspases sobre a estrutura celular. Figura 8: (A) ativação da apoptose pela via extrínsica (ativada pelo lado externo da célula) e (B) ativação da apoptose pela via intrínsica devido à desorganização da mitocôndria. Um outro grupo de proteínas importantes para o processo apoptótico é o da família da proteína Bcl-2. Essas proteínas integram sinais de morte ou de sobrevivência da célula, regulando a apoptose. Seu efeito protetor evita a apoptose de modo direto, bloqueando complexos de caspases, ou indireto, impedindo a liberação de componentes capazes de ativar a caspase 3. Certas células normais produzem níveis relativamente altos de Bcl-2 e acredita-se que isso preserve células cuja morte seria devastadora para o organismo. 12

13 A proteína p53 (nome referente à sua massa molecular de 53 unidades de massa atômica) é outra proteína importante na apoptose. Ela é expressa pelo gene denominado de gene supressor de tumor, pois essa proteína é capaz de desencadear a apoptose, impedindo o desenvolvimento de células cancerígenas. O estudo da apoptose e do câncer começa a esclarecer o motivo da resistência de muitos tumores ao tratamento. Pensava-se que as terapias (rádio e quimioterapia) eram capazes de necrosar o tumor, mas sabe-se que as células morrem em geral por apoptose. O que parece ocorrer é que tanto a radiação quanto as drogas danificam o ADN das células cancerosas, ativando o gene p53 e levando ao suicídio celular. Necrose A necrose é claramente visível por microscopia eletrônica, onde pode ser observada uma célula inchada, com organelas danificadas (em particular as mitocôndrias), sem alteração significativa das características do núcleo. Ocorre o aparecimento de vacúolos, a desagregação dos polissomos, a coagulação da cromatina e o despreendimento dos ribossomos do retículo endoplasmático. Essas lesões impedem a manutenção do equilíbrio celular interno. Em condições normais, alguns íons, em especial o sódio e o cálcio, são bombeados para fora, e o mecanismo da regulação osmótica das células impede a entrada excessiva de água. Esse fluxo é alterado na necrose, os íons e a água fluem livremente para dentro da célula ocasionando o seu intumescimento e essa se rompe. A ruptura libera o conteúdo celular, rico em proteases (enzimas que quebram outras proteínas), e outras substâncias tóxicas para o tecido vizinho (Figura 9). Além da toxicidade direta para as células vizinhas, o derrame gera substâncias que atraem células do sistema imune, causando intensa reação inflamatória. Leucócitos, como os neutrófilos e os macrófagos, migram para o tecido necrosado e fagocitam as células mortas. A inflamação, típica da necrose, é importante para limitar infecções e remover restos celulares, mas a atividade e as secreções dos leucócitos também podem danificar os tecidos vizinhos normais. Figura 9: Figura baseada numa micrografia eletrônica de uma célula em necrose, que estava sendo mantida em cultura. A seta aponta o conteúdo celular que foi liberado pela desestabilização da membrana. As vias afetadas na necrose são a glicólise, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa, sendo que o comprometimento dessa não depende do agente causador. A Relembre sobre os conceitos glicólise, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa do Módulo II. 13

14 redução da síntese de ATP ou a sua depleção causam prejuízos no processo de síntese das proteínas e lipídios, nos processos degradativos de renovação dos fosfolipídios e nas bombas dependentes de ATP, que transportam os íons através das membranas, proporcionando o controle osmótico da célula. Seus principais agentes causadores são a hipóxia, a isquemia e a contaminação com substâncias tóxicas. Nos casos de hipóxia, o tecido afetado começa a produzir ATP pela via anaeróbica e não pela aeróbica (como ocorre em condições normais), utilizando como substrato a glicose desviada do sangue ou da glicogenólise. Já na isquemia, a falta de O 2 é acompanhada de baixo suprimento de glicose, comprometendo ainda mais a produção de ATP. A lesão da mitocôndria é causada por quase todos os agentes nocivos e tem como conseqüência o bloqueio da cadeia respiratória, da diferença de potencial entre os compartimentos mitocondriais e do gradiente de ph na organela. Em uma lesão celular muito grande, ocorre a depleção de ATP e a formação de espécies reativas de oxigênio que em alta quantidade podem desencadear a necrose pela perda de controle osmótico da célula, lesão da membrana e ativação das hidrolases (enzimas que promovem a divisão do substrato orgânico na presença de água). Quando as lesões na mitocôndria são menores, é possível que haja ATP suficiente para manter as atividades celulares e para a ativação dos apoptossomos, podendo induzir o processo apoptótico para que esse seja substituído pela necrose. Não podemos esquecer que existem várias mitocôndrias em uma célula e se o funcionamento de algumas é comprometido, outras podem ser mais resistentes e manter a síntese de ATP. Atividade complementar 2 Para melhorar seu entendimento sobre apoptose e necrose, monte um quadroresumo comparando ambos os processos e desenhe uma célula em apoptose e outra em necrose. Busque as informações no texto e na internet se você achar necessário. V. O comprometimento da integridade dos tecidos no envelhecimento Você deve estar se perguntando: e o envelhecimento? Se as células somáticas possuem telomerase com atividade reduzida e por isso estão constantemente sendo substituídas nos tecidos, as células progenitoras, por sua vez, possuem essa enzima com elevada atividade, tendo capacidade infinita de duplicação. Então por que envelhecemos? Uma das teorias que tentam explicar o declínio das condições físicas com a idade está associada justamente à redução da capacidade regenerativa dos tecidos, na qual as células progenitoras são fundamentais. Estudos mostram que o aumento da senescência nos compartimentos das células progenitoras causaria o declínio fisiológico na homeostase dos tecidos, tendo conseqüências na expressão da idade. 14

15 Duas outras teorias defendem ainda que as modificações protéicas induzidas com o avanço da idade conduzem ao envelhecimento, sendo o colágeno apontado como a principal proteína comprometida nesse processo. A teoria das glicosilações argumenta que nos indivíduos mais velhos ocorre um aumento gradativo das ligações cruzadas ou glicosilações (adição de sacarídios em cadeias protéicas) em proteínas como o colágeno. As glicosilações sugeridas nessa teoria seriam decorrentes de uma elevação da glicemia ou glicose tecidular, que estaria aumentada em conseqüência da idade avançada. Já a teoria da quebra das ligações defende que com a idade aumentam as quebras das ligações em macromoléculas, como o ADN, colágeno e elastina, comprometendo sua capacidade funcional e, com isso, desencadeando o envelhecimento celular e tecidual. O colágeno e a elastina são proteínas que constituem a matriz extracelular do tecido conjuntivo, as quais são responsáveis por grande parte das suas propriedades físicas. Modificações estruturais nessas proteínas podem reduzir a resistência mecânica e elástica do tecido conjuntivo, podendo responder, em parte, pelo aumento da flacidez desencadeado com o envelhecimento. VI. Fatores que interferem na qualidade e no tempo de vida Existem pelo menos 28 tipos de colágeno no corpo humano. O colágeno aparece nos tendões, nas cartilagens, na córnea, no sangue, no endotélio e desempenha várias funções como unir e fortalecer outros tecidos. A deficiência de colágeno no organismo pode provocar flacidez muscular, má formação óssea, inflamação nos tendões, entre outras. Para evitar sua deficiência, é importante ter uma alimentação saudável, beber muita água e praticar exercícios físicos. Manter uma boa alimentação, ou seja, ter uma vida regrada e saudável é importante, pois pode retardar os danos nessa estrutura causados pelo envelhecimento. Os fatores não genéticos que podem interferir na qualidade e no tempo de vida de um organismo estão relacionados com o tipo de alimentação, prática de exercícios físicos, qualidade do meio em que habita, exposição a radiações, entre outros. Como já mencionado anteriormente, a alimentação é um fator que está bastante vinculado ao envelhecimento. O retardo desse processo não está relacionado com a redução na quantidade de carboidratos, proteínas e gorduras da dieta, mas com a adequação do número de calorias ingeridas à demanda do organismo, bem como a distribuição dessas calorias entre grupos de alimentos que contenham outros nutrientes de importância, como proteínas, fibras e micronutrientes. Assim, uma dieta adequada em termos de calorias e sais, por exemplo, pode representar pressão arterial controlada, níveis de glicose e triglicerídios próximos aos valores de referência, estabelecendo uma condição mais saudável para o funcionamento do organismo. Internet No endereço eletrônico < a.ig.com.br/artigos/di etaeenvelhecimento.as p>, você saberá mais sobre o efeito da alimentação e da atividade física no envelhecimento do organismo. Por outro lado, o bom funcionamento do intestino depende das fibras encontradas nos vegetais. Como as fibras possuem baixos valores calóricos, podem ser ingeridas em 15

16 maiores quantidades. No entanto, as dietas realizadas somente com alimentos vegetais (vegetarianas) parecem não interferir na longevidade. O mesmo é observado para o uso excessivo de vitaminas. Uma linha da medicina alternativa declara que a administração de doses elevadas de vitaminas pode bloquear os efeitos dos radicais livres. Mas, o uso excessivo de alguns compostos pode induzir patologias, como o observado para o betacaroteno, que é encontrado em diversos complexos vitamínicos e é capaz de aumentar a incidência de câncer nos pulmões de fumantes. A prática de exercícios físicos mantém o peso corpóreo, aumenta a resistência muscular, a imunidade nata, a capacidade ventilatória dos pulmões, melhora o processo circulatório nos tecidos, controlando e prevenindo a instalação de patologias. Entretanto, esse fator somente reduz a probabilidade de morte precoce, sem interferir no tempo de vida do indivíduo. Outro fator que deve ser considerado na discussão da longevidade é a poluição. A poluição ambiental desencadeia uma série de alterações fisiológicas, principalmente nas vias respiratórias. Dados epidemiológicos e registros ambientais mostram que o aumento da incidência de doenças alérgicas é concomitante com o incremento das concentrações de dióxido de nitrogênio (NO 2), ozônio (O 3), dióxido de enxofre (SO 2), partículas "não determinadas" respiráveis menores que 10 micrometros, produtos químicos e orgânicos voláteis, observado principalmente nas grandes cidades. As partículas "não determinadas" respiráveis, que são liberadas da queima de madeira ou de carvão e pelo cigarro, comprometem o funcionamento do sistema respiratório. Quando o ambiente contém valores acima de 265µg/mm 3 (limite máximo tolerável) dessas partículas, são relatadas irritações oculares, nasais e de garganta, infecções respiratórias e bronquite, cefaléia e ainda há o aumento da probabilidade de desenvolver câncer pulmonar. Nesse contexto, não podemos deixar de enfatizar que a ocorrência de queimadas, observada principalmente na região Norte e Centro-Oeste do Brasil, é responsável pelo aumento do número de partículas "não determinadas" respiráveis acima dos valores aceitáveis pelo organismo humano. Assim, uma troca gasosa limpa é essencial para o funcionamento adequado do organismo, o que não significa aumento da longevidade, mas a redução da probabilidade de morte precoce. De acordo com o Sistema Internacional (SI) de medidas 1 micrometro (µm) = 10-6 m. Por fim, o envelhecimento é um processo que resulta no declínio funcional e na morte dos organismos. Em nível celular, o estudo das células senescentes, em cultura, tem proporcionado modelo para entender a perda da funcionalidade e o processo do envelhecimento. As evidências experimentais apoiam as hipóteses de que o envelhecimento é uma sequência de eventos programados que caracterizam o processo final de diferenciação de um organismo e que esse também é decorrente da ação aleatória de mutações casuais estando, assim, apoiado em fatores genéticos e não genéticos. 16

17 VII. Referências ALBERTS, B. et al. Molecular biology of the cell. 4. ed. New York: GSGarland Science, CANO, M. I. N. A vida nas pontas dos cromossomos. Ciência Hoje, n. 229, v. 39, p , CHEN, G.; GOEDDEL, D. V. TNF-R1 Signaling: a beautiful pathway. Sience, v. 296, p , CROCE, M. et al. Poluição ambiental e alergia respiratória. Imunologia Clínica, v. 31, p , KERR, J. F. R.; WYLLIE, A. H.; CUME, A. R. Apoptosis: a basic biological phenomenom with wide-ranging implication in tissue kinetics. British Journal of Câncer, n. 4, v. 26, p , LOU, Z.; CHEN, J. Cellular senescence and DNA repair. Experimental Cell Research, n. 14, v. 312, p , MALUF, L. M. P.; POMPÉIA, C. Morte celular: apoptose e necrose. In: PERES, C. M.; CURI, R. Como cultivar células. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, p MOTA, M. P.; FIGUEIREDO, P.A.; DUARTE, J. A. Teorias biológicas do envelhecimento. Revista Portuguesa de Ciências do Desporto, n. 1, v. 4, p , MULLER, F. L. et al. Trends in oxidative aging theories. Free Radical Biology & Medicine, n. 4, v. 43, p , NARITA, M. Cellular senescence and chromatin organization. British Journal of Cancer, n. 5, v. 96, p , Páginas pesquisadas < 0-%20Andr%E9%20Santos.pdf> < < < 17