A mitose é um mecanismo de divisão nuclear que funciona na maioria dos tipos de células. Ela separa o material genético nos dois novos núcleos e assegura que ambos venham a possuir exatamente a mesma informação genética. Um segundo mecanismo de divisão nuclear, a meiose, ocorre nos gametas as células que irão contribuir para a reprodução do novo organismo. A meiose gera diversidade embaralhando o material genético, resultando em novas combinações gênicas. Representa um papel-chave em ciclos de vida sexuados. A duplicação de uma célula eucariótica tipicamente consiste de três etapas: a replicação do material genético; a condensação e a separação do material genético em dois novos núcleos; a divisão do citoplasma. Interfase e Controle da Divisão Celular Entre as divisões do citoplasma isto é, para grande parte de sua vida uma célula eucariótica está em uma condição chamada de interfase. Uma célula vive e funciona até a sua divisão ou morte ou, se ela é uma célula sexual, até se fundir com outra célula sexual. Alguns tipos de células, como as células vermelhas do sangue, as células musculares e as células nervosas, perdem a capacidade de divisão à medida que amadurecem. Outros tipos de células, como as células corticais no caule de plantas raramente se dividem. A maioria das células, entretanto, apresenta alguma probabilidade de divisão, e muitas são especializadas em divisão rápida. Para a maioria das células, podemos nos referir a um ciclo celular que possui duas fases: mitose e interfase. O Ciclo celular eucariótico G1 é bastante variável em duração nos diferentes tipos celulares. Algumas células embrionárias de divisão rápida não apresentam G1, enquanto outras células podem permanecer em G1 por várias semanas ou mesmo anos. A marca bioquímica de células em G1 é a preparação para a fase S. É na transição de G1 para S que o compromisso para entrar em outro ciclo celular é feito. Durante G2, a célula se prepara para a mitose por exemplo, sintetizando componentes para os microtúbulos que irão formar o fuso. Uma dada célula vive por um turno do ciclo celular e então se torna duas células. O ciclo celular, quando repetido diversas vezes, é uma fonte constante de novas células. Entretanto, mesmo nos tecidos engajados em crescimento rápido, as células passam a maior parte do seu tempo em interfase. O exame de qualquer coleção de células em divisão, como a extremidade das raízes ou um pedaço de fígado, revela que a maioria das células está em interfase a maior parte do tempo; somente uma porcentagem muito pequena das células está em mitose naquele momento. Podemos confirmar esse fato pela observação de uma única célula durante todo o seu ciclo. A interfase consiste de três subfases identificadas como G1, S e G2. O DNA da célula se replica durante a fase S (o S significa síntese). O período entre o fim da mitose e o começo da fase S é chamado G1, ou intervalo 1. Outro intervalo G2 separa o fim da fase S e o início da mitose, quando as divisões nuclear e citoplasmática iniciam e as duas novas células são formadas. A mitose e a citocinese são referidas como a fase M do ciclo celular. O ciclo celular consiste de uma fase mitótica (M), durante a qual ocorrem a primeira divisão nuclear (mitose) e a divisão celular (citocinese). A fase M é seguida de um período longo de crescimento conhecida como interfase. A interfase em células que se dividem possui três subfases (G1, S e G2). 1
As ciclinas e outras proteínas sinalizam eventos no ciclo celular Como são feitas as decisões apropriadas para entrar nas fases S ou M? Essas transições de G1 para S e de G2 para M dependem da ativação de uma proteína denominada quinase dependente de ciclina, ou Cdk. Quinase é uma enzima que catalisa a transferência de um grupo fosfato do ATP para outra molécula; essa transferência de fosfato é chamada de fosforilação. A Cdk é uma quinase que pode catalisar a fosforilação de certos aminoácidos em proteínas*. As Cdks ativadas são importantes porque iniciam as etapas do ciclo celular. Mas as Cdks não são ativas por si mesmas. Elas precisam se ligar a um segundo tipo de proteína, chamada ciclina. Essa ligação um exemplo de interação alostérica causa a alteração da forma da Cdk e expõe o seu sítio ativo. É o complexo ciclina-cdk que atua como uma proteinoquinase e ativa a transição de G1 para a fase S. Então a ciclina se separa e a Cdk torna-se inativa. *A fosforilação muda a estrutura tridimensional da proteína-alvo, normalmente trocando simultaneamente a função da proteína. Combinações diferentes de ciclina-cdk atuam em vários estágios do ciclo celular em mamíferos: A ciclina D-Cdk4 atua na metade da fase G1. Esse é o ponto de restrição, um ponto-chave de decisão além do qual o resto do ciclo celular é normalmente inevitável. A ciclina E-Cdk2 atua no limite de G1-S, iniciando a replicação do DNA. A ciclina A-Cdk2 atua durante a fase S e também estimula a replicação do DNA. A ciclina B-Cdk1 atua no limite de G2-M, iniciando a transição para a condensação cromossômica e a mitose. Os complexos ciclina-cdk proporcionam um controle interno para o progresso do ciclo celular. Mas há situações no corpo em que as células que estão se dividindo lentamente, ou não se dividem, precisam ser estimuladas para a divisão por meio de controles externos chamados de fatores de crescimento. Quando você se corta e sangra, fragmentos celulares especializados, chamados de plaquetas, reúnem-se no ferimento e auxiliam no início da coagulação sanguínea (hemóstase). As plaquetas também produzem e secretam uma proteína, chamada de fator de crescimento derivado de plaquetas, que se difunde para células adjacentes na pele, estimulando-as a se dividirem intensamente, o que promove, consequentemente, a cicatrização do ferimento. Outro fator de crescimento inclui as interleucinas, que são compostas por um tipo de célula sanguínea branca e promovem divisão celular em outras células que são essenciais para o sistema imune. Um outro exemplo é o da ação da eritropoetina que estimula a divisão em células da medula óssea e a produção de células vermelhas do sangue. Além disso, muitos hormônios promovem a divisão em tipos específicos de células. A proteinoquinase dependente de ciclina e a ciclina desencadeiam decisões no ciclo celular. Uma célula humana toma a decisão de entrar no ciclo celular durante G1, quando a ciclina D se liga à proteinoquinase dependente de ciclina (Cdk4). Existem quatro tipos de controle semelhantes à ciclina-cdk durante um típico ciclo celular em humanos. De um modo geral, as atividades fisiológicas dos fatores de crescimento em tipos celulares distintos são muito semelhantes. Eles se ligam às suas células-alvo via receptores especializados de proteínas na superfície da célula-alvo. Essa ligação específica desencadeia eventos na célula-alvo que iniciam uma divisão do ciclo celular. As células cancerosas frequentemente apresentam um ciclo celular não apropriado devido ao fato de sintetizarem seus próprios fatores de crescimento ou por não necessitarem de fatores de crescimento para iniciar a divisão celular. 2
Sistemas de Reprodução Celular A divisão celular é a base para o crescimento, a reprodução e a regeneração. Em tecidos normais, a reprodução celular (nascimentos) é equilibrada pelas perdas celulares (morte). Em outras palavras, podemos dizer que as atividades fisiológicas dependem do balanço estabelecido entre as células que nascem e as que morrem. Os mecanismos que controlam essa relação determinam efeitos que variam de uma espécie para outra em função do seu conjunto gênico característico, ou seja, o desenvolvimento da atividade reprodutiva responde a um conjunto necessidades metabólicas controladas por programação genética específica. A morte celular é frequentemente programada no código genético; células normais sacrificam-se pelo bem-estar do organismo. Uma vez que o indivíduo alcança o tamanho adulto, ele se mantém daquela maneira pela combinação de divisão celular e morte celular programada. Se levarmos em conta, por exemplo, as células tumorais é possível verificar que elas continuam crescendo por que possuem um desequilíbrio genético que favorece intensamente a reprodução sobre a morte celular. Os organismos unicelulares usam a divisão celular primariamente para se reproduzirem, ao passo que em organismos multicelulares a divisão celular também representa um papel muito importante no crescimento e no reparo dos tecidos Para que ocorra a divisão celular, quatro eventos são necessários: Deve haver um sinal reprodutivo. Essa sinalização pode vir tanto de dentro quanto de fora da célula, e inicia os eventos de reprodução celular. A replicação do DNA, o material genético, e outros componentes vitais para o metabolismo precisam estar presentes para que cada uma das duas novas células tenha as funções completas. A célula precisa distribuir (segregar) o DNA replicado para cada uma das duas novas células. A membrana celular (e a parede celular, em organismos que as possuem) precisa crescer para separar as duas novas células em um processo chamado citocinese. Os procariotos dividem-se por fissão Em procariotos, divisão celular frequentemente significa reprodução do organismo unicelular como um todo. A célula cresce em tamanho, replica seu DNA e então essencialmente divide-se em duas novas células um processo chamado fissão. Sinais Reprodutivos. A taxa reprodutiva de muitos procariotos responde às condições do ambiente. A bactéria Escherichia coli, uma espécie comumente utilizada em estudos genéticos, se divide continuamente. Tipicamente, a divisão celular leva 40 minutos a 37ºC. Mas se há abundância de carboidratos e de sais disponíveis, a velocidade do ciclo celular aumenta e a célula pode se dividir em 20 minutos. Outra bactéria, Bacillus subtilis, pára de se dividir em condições nutricionais adversas e volta a se dividir quando as condições nutricionais melhoram. Replicação do DNA. O cromossomo é constituído por DNA, que responde pela informação genética, e proteínas, que fornecem a estrutura necessária para a regulação das atividades da molécula do DNA Quando uma célula se divide, seus cromossomos precisam ser copiados, ou replicados, e cada uma das duas cópias resultantes precisa achar o caminho para uma das duas novas células. As moléculas de DNA se comprimem, dobrando-se em si mesmas, e proteínas carregadas positivamente (básicas) ligam-se ao DNA negativamente carregado (ácido), contribuindo para a sua compactação. O processo de replicação cromossômica ocorre à medida que as fitas do DNA são sinalizadas por um complexo de replicação de proteínas no centro da célula. Distribuição do DNA. A replicação do DNA direciona ativamente a separação das duas novas moléculas de DNA para as novas células. Citocinese. Corresponde a um processo de partição celular marcado pelo desenvolvimento de uma zona de estrangulamento da membrana plasmática. As células eucarióticas se dividem por mitose ou meiose A reprodução celular em eucariotos envolve os mesmos eventos básicos citados anteriormente, sendo que, nesse caso, têm uma apresentação mais complexa. Primeiro diferentemente dos procariotos, as células eucarióticas não se dividem constantemente sempre que as condições ambientais são adequadas. De fato, as células eucarióticas que tenham se diferenciado (tornaram-se especializadas) raramente se dividem. Entretanto, os sinais para a divisão celular não estão relacionados com a fisiologia de uma única célula, mas com as necessidades do organismo como um todo. Segundo, em vez de um único cromossomo, os eucariotos, apresentam vários, assim como seu processo de replicação e segregação, que é basicamente o mesmo nos procariotos, é mais complexo. Terceiro, as células eucarióticas apresentam núcleo distinto, que precisa ser replicado e então dividido em dois novos núcleos. Finalmente, a citocinese é diferente em células vegetais (que apresentam uma parede celular) em relação a células animais (que não apresentam). 3
Cromossomos Eucarióticos A maioria das células humanas, excluindo o oócito e o espermatozóide, contém dois conjuntos completos de informação genética, um procedente da mãe e outro procedente do pai. Tanto no padrão de organização eucariótica quanto procariótica, essa informação genética consiste de moléculas de DNA empacotadas em cromossomos. Entretanto, diferentemente dos procariotos, os eucariotos possuem mais de um cromossomo e, durante a interfase, esses cromossomos encontram-se em uma organela fechada por uma membrana, o núcleo. A unidade básica do cromossomo eucariótico é uma gigantesca molécula linear de DNA fita dupla associada com proteínas. Um cromossomo humano visto em uma célula que se prepara para a divisão. Durante a maioria dos ciclos celulares de eucariotos, cada cromossomo contém somente uma das fitas duplas da molécula de DNA. Entretanto, após a replicação da molécula do DNA durante a fase S, o cromossomo consiste de duas cromátides unidas, cada uma feita de uma molécula de DNA fita dupla associada com proteínas. As duas cromátides estão unidas por uma região muito pequena e específica conhecida como centrômero. A cromatina é constituída de DNA e proteínas O complexo de DNA e proteínas que forma um cromossomo eucariótico é denominado cromatina. O DNA carrega a informação genética; as proteínas organizam fisicamente o cromossomo e regulam a atividade do DNA. Pela massa, a quantidade de proteína cromossomal é equivalente à do DNA. A cromatina muda de forma dramaticamente durante a mitose e a meiose. Durante a interfase, a cromatina está torcida tão fortemente que não pode ser vista no núcleo por microscópio óptico. Mas durante a maior parte da mitose e da meiose, a cromatina está altamente enrolada e compactada, e os cromossomos aparecem como objetos densos e volumosos. Essas formas que se alteram estão relacionadas à função da cromatina durante as diferentes fases do ciclo celular. Antes de cada mitose, o material genético é replicado. Na mitose, o material genético replicado é separado em dois novos núcleos. Essa separação é fácil de ser alcançada se o DNA estiver nitidamente arranjado em unidades compactas e não todo emaranhado. Durante a interfase, entretanto, o DNA deve dirigir as atividades da célula. Tais funções necessitam que partes do DNA estejam desenroladas e expostas para que possam interagir com enzimas. As proteínas da cromatina organizam o DNA em cromossomos O DNA de uma célula humana típica apresenta um comprimento total de cerca de 2 metros, sendo que o núcleo possui apenas 5μm (0,000005 metros) de diâmetro. Assim, mesmo que o DNA do núcleo em interfase esteja desenrolado, ele ainda é impressionantemente compactado! Essa compactação é alcançada principalmente devido à associação de proteínas com o DNA cromossomal. Durante a interfase, os cromossomos apresentam uma grande quantidade de proteínas chamadas de histonas. Existem cinco classes de histonas. Todas possuem uma carga positiva ao nível do ph celular devido à alta quantidade dos aminoácidos básicos lisina e arginina. Essas cargas positivas atraem eletrostaticamente os grupamentos de fosfatos negativos do DNA. Tais interações entre as histonas acabam por constituir as unidades que se assemelham a um rosário, denominadas de nucleossomos. Cada nucleossomo contém: oito moléculas de histonas, duas de cada uma das quatro classes de histonas, que se unem formando uma espécie de bobina; 146 pares de bases de DNA; a cada 1,65 volta, se enrolam ao redor do núcleo de histona; histona H1 (a classe restante das histonas) da parte de fora do DNA, que pode prender-se ao núcleo da histona. Na interfase a cromatina constitui-se de uma única molécula de DNA passando ao redor de um vasto número de nucleossomos, como contas em um colar. Entre os trechos de nucleossomos há uma quantidade variável de DNA nãonucleossomal. Uma vez que esse DNA seja exposto ao ambiente nuclear, ele se torna acessível às proteínas envolvidas na sua duplicação e na regulação da sua expressão. Também existem proteínas que se ligam ao DNA do nucleossomo. Os diversos nucleossomos de uma cromátide em mitose podem se compactar e se enrolar. Durante a mitose e a meiose, a cromatina torna-se ainda mais enrolada e condensada, continuando a dobrar-se até o momento em que os cromossomos começam a se separar. 4
O nucleossomo, formado pelo DNA e pelas histonas, é a parte essencial dessa estrutura altamente compactada. 5