TEMA DE HOJE: O Ciclo Celular
INTRODUÇÃO
O ciclo celular, que você estudará agora do ponto de vista celular, já foi estudado na disciplina Genética. Ao longo de toda a vida de um organismo, mesmo depois de terminado o período de crescimento, várias de suas células continuarão se dividindo, seja para renovação de tecidos, como o epitélio intestinal e as células sangüíneas, seja para reparo de lesões, como um corte na pele ou a fratura de um osso. A etapa de divisão celular, compreende a mitose, na qual o DNA é dividido em duas cópias idênticas, e a citocinese, quando a membrana plasmática se estrangula, dividindo o citoplasma, suas organelas e estruturas, entre as células-fi lhas. Cada célula-fi lha entra então no período de intérfase. O nome intérfase induz à idéia de que esse período é apenas o intervalo entre duas divisões celulares. Quando os períodos do ciclo celular foram denominados, os pesquisadores realmente consideravam a intérfase apenas como o intervalo entre duas divisões, porque eram as divisões celulares que mais chamavam a atenção, eram mais fáceis de observar, por isso mais estudadas. Com o tempo, fi cou claro que é durante a intérfase que a célula desempenha todas as suas funções. Nesse período, ocorre a síntese de componentes celulares citoplasmáticos e a duplicação do DNA. Uma divisão é sempre precedida de uma intérfase e após a intérfase muitas vezes sobrevém uma divisão. Essa é, em essência, a dinâmica do ciclo celular.
AS FASES DO CICLO CELULAR
A Figura 1.1 sintetiza as principais características do ciclo celular de uma célula de mamífero típica. A fase M, ou de divisão celular, em geral dura apenas cerca de uma hora, mas é muito impactante, pois vemos ao microscópio óptico, em tempo real, a condensação e movimentação dos cromossomos, a separação das células-fi lhas etc. (peça ao tutor para mostrar a você algumas animações na Internet). Já na intérfase, que corresponde às restantes 23 horas do ciclo, a simples observação ao microscópio óptico não dá nenhuma indicação da intensa atividade que ocorre nesse período. A intérfase compreende três fases: G1, S e G2. As fases G1 e G2 correspondem a intervalos (G de gap, espaço em inglês) onde a célula cresce para recuperar o volume que a célula-mãe tinha antes da divisão. Nesse período, são sintetizadas membranas para o complexo de Golgi, o retículo e para incorporação à membrana plasmática. Além disso, organelas celulares como mitocôndrias crescem e se clivam. Sem esse acréscimo de volume, a cada divisão, as células-fi lhas seriam menores. Na fase S (de Síntese), o DNA é duplicado. Como você pode perceber, a mitose só se inicia depois de garantida a herança que cada célula-fi lha vai receber. Nisso consiste a beleza do ciclo celular: cada fase só tem início depois de cumprida a tarefa anterior. Isso evita que sejam produzidas células onde possa estar faltando alguma parte do genoma. De forma análoga, a célula não consegue formar membrana plasmática, retículo ou Golgi, a não ser pela incorporação de elementos à estrutura preexistente. Assim, cada célula-fi lha precisa herdar parte do Golgi, do retículo e também mitocôndrias da célula-mãe. Num organismo adulto, cada tipo celular tem o ciclo com uma duração diferente, desde algumas horas, até anos. Nesses ciclos, o que tem duração variável é a fase G1. As fases S e M têm duração aproximadamente constante em cada organismo. A fase M, especialmente, é curta, durando cerca de uma hora.
Multiplicação sem crescimento. Será que pode?
No início do desenvolvimento embrionário, o zigoto, ou célula-ovo,
sofre ciclos sucessivos de mitose em que as células-fi lhas são cada
vez menores. Nessa fase, diz-se que o ovo está sofrendo clivagem e,
embora o número de células aumente, o volume do embrião é quase
igual ao da célula inicial. Esta é uma situação especial
em que o ciclo celular é uma sucessão de fases S e M, sem parar em
G1 e G2. Isso acontece porque a célula-ovo tem, quando comparada
às células do indivíduo adulto, um grande volume citoplasmático,
e nesse citoplasma há um estoque das moléculas necessárias, o que
permite que a célula se divida muitas vezes sem precisar esperar
que essas moléculas sejam sintetizadas de novo durante a intérfase.
Em conseqüência disso, as divisões são rápidas, mas o volume das
células-fi lhas vai diminuindo, embora o do núcleo permaneça constante.
Num determinado momento, o estoque citoplasmático de moléculas
acaba fi cando abaixo do necessário para disparar a duplicação do
DNA e a mitose. A partir daí, nas etapas seguintes do desenvolvimento,
essas células continuarão não apenas a se dividir, mas começarão a se
diferenciar nos diversos folhetos e anexos embrionários.
CONTROLE DO CICLO CELULAR
Mesmo para um leigo, as imagens de uma célula em divisão são sempre surpreendentes: a sincronia do afastamento dos cromossomos na anáfase, o estrangulamento que separa as células-filhas, a recomposição do envoltório nuclear, tudo parece orquestrado como num teatro onde fi os invisíveis coordenam os movimentos dos bonecos, no caso, as células. Essa seqüência ordenada de eventos não se restringe à mitose, ela é característica de todo o ciclo celular: o DNA só vai se duplicar após a fase de síntese e crescimento celular, e a mitose só se inicia se o DNA estiver duplicado e a célula tiver o tamanho correto. Concluindo: o disparo de cada etapa do ciclo celular é feito durante a etapa anterior. É como o ciclo de uma máquina de lavar: encher - lavar - enxaguar - centrifugar. A máquina possui sensores para medir o nível de água, temporizadores para que cada etapa dure apenas o necessário... Mas e na célula? Quais são os sensores que liberam a etapa seguinte? Esse mistério começou a ser elucidado a partir de experimentos com ovócitos de sapo (Xenopus). Como já comentamos, o zigoto dos animais normalmente é uma célula grande, e no caso do Xenopus mede mais de 1mm!
CONTROLE INTERNO DO CICLO
A princípio, acreditava-se que o controle do ciclo celular estava no núcleo das células, mas um experimento crucial demonstrou que o controle é exercido por moléculas do citoplasma. O experimento consistia em retirar com uma agulha bem fi na uma porção do citoplasma de um ovócito fecundado (zigoto) e injetar o conteúdo em um ovócito não fecundado. Pois bem, a célula que recebia esse extrato citoplasmático entrava imediatamente em mitose (embora fosse haplóide!). Injetando-se o extrato citoplasmático de uma célula na fase G2, não produzia nenhum efeito no ovócito. Concluiu-se, então, que no citoplasma do zigoto havia um fator promotor de mitose ou MPF (de M-phase promoting factor). Quando o MPF foi purificado, constatou-se que ele continha uma única enzima: uma proteína quinase (veja o boxe). Ao fosforilar proteínas-chave, eventos característicos da mitose como a condensação dos cromossomos, desagregação do envoltório nuclear e outros eram disparados.
Quinases
São enzimas que catalisam uma reação
em que uma outra proteína é fosforilada,
isto é, um fosfato vindo do ATP liga-se a um
de seus aminoácidos. Essa reação pode ser
rapidamente revertida pela ação de um
outro tipo de enzima – as fosfatases. A
adição ou remoção de grupos fosfato é uma
das maneiras mais freqüentes de ativação e
inativação de moléculas.
Um fato intrigante é que essas quinases estavam presentes no ovo de Xenopus em todas as fases do ciclo celular, enquanto a ativação do MPF era cíclica. Como poderiam essas quinases estarem ativadas apenas em determinado momento? Essa pergunta não foi respondida através de experimentos feitos com ovos de Xenopus e sim ovos de mariscos. Nesses organismos, foram detectadas proteínas cuja concentração ia aumentando gradativamente durante a fase S, caindo abruptamente quando a célula entrava na fase M. Essas proteínas foram batizada de ciclinas.
Concluiu-se assim que o MPF é, na verdade, um complexo de proteínas: uma ciclina e uma quinase dependente dela, ou Cdk (cyclin dependent kinase). Após a descoberta da ciclina e da Cdk disparadoras da mitose – M-ciclina e M-Cdk – foram identifi cadas outras ciclinas (e respectivas Cdks) disparadoras de outros eventos do ciclo celular. Assim, embora as Cdks estejam presentes o tempo todo, sua atividade é regulada pela presença, ou não, da ciclina que a ativa. Para que determinada fase do ciclo celular se inicie, é necessária a ativação da Cdk por uma ciclina específica. A Cdk ativa, por sua vez, vai fosforilar outras moléculas e provocar mudanças na célula, como a condensação dos cromossomos, a formação do fuso mitótico etc. Também fi cou mais clara a dinâmica de ativação das Cdks: as ciclinas da mitose, por exemplo, começam a ser sintetizadas no início da fase G1. Sua concentração citoplasmática vai aumentando até atingir a concentração reativa. Isso ocorre imediatamente antes de a célula entrar na fase M. Nesse intervalo, a célula estará cumprindo o roteiro de atividades das fases G1 (crescimento), S (duplicação do DNA) e G2 (crescimento), sempre pela ativação de Cdks específi cas dessas etapas, que vão sendo ativadas por ciclinas cuja concentração reativa é alcançada primeiro.
CONTROLE EXTERNO DO CICLO: A ORDEM DOS FATORES
ALTERA O PRODUTO
Um ponto fundamental para o ciclo celular dar certo é que cada evento só seja iniciado quando for concluída a fase anterior (o mesmo princípio da correta lavagem de roupas: nada de enxaguar antes de ensaboar). Não é difícil prever as conseqüências desastrosas de entrar em mitose antes de concluída a duplicação do DNA, ou da entrada na fase S sem que a célula tenha crescido o sufi ciente. Por isso, ao longodo ciclo celular existem diversos pontos de checagem. Para passar à etapa seguinte, cada item da etapa anterior é checado e, se não estiver cumprido, o ciclo celular não avança.
Uma célula pode fi car muito tempo em G1 se não houver nutrientes sufi cientes para manter um número maior de células. Do mesmo modo, a disponibilidade de espaço também limita a proliferação celular. Além disso, mesmo com nutrientes e espaço sufi cientes, as células não se dividem se não receberem de outras a informação de que devem se dividir. Esta informação vem na forma de moléculas sinalizadoras chamadas fatores de crescimento, detectadas por receptores de superfície. O somatório de sinais, que engloba os nutrientes, o espaço disponível e os fatores de crescimento, constitui a resposta para a pergunta “O ambiente é favorável?” feita na checagem de G1. Em G1 a célula precisa crescer para recuperar o volume perdido ao ter o citoplasma dividido entre as células-fi lhas. Esse crescimento, naturalmente, depende de um ambiente favorável para a obtenção de nutrientes, de temperatura e pH adequados à realização dos processos metabólicos. Não se sabe como a célula consegue calcular que o volume do citoplasma em relação ao núcleo atingiu a proporção correta, mas quando isso acontece a célula fi ca liberada para entrar na fase S, de síntese do DNA. A decisão de entrar na fase S da intérfase é conhecida como ponto de Start, pois inicia um processo que é irreversível a partir desse ponto. Depois que uma célula inicia a duplicação do genoma, terá de se dividir ou morrer. O segundo ponto de checagem está em G2. Aí o tamanho e o ambiente são novamente conferidos. Embora o maior crescimento ocorra em G1, a célula pode crescer mais um pouco em G2. Entretanto, o ponto mais importante a ser conferido é se o DNA está total e corretamente duplicado. Nesse ponto, várias anomalias genéticas, como mutações e deleções, podem ser detectadas e corrigidas, ou as células defeituosas podem ser eliminadas. Uma falha nesse ponto pode levar ao desenvolvimento de tumores malignos. A última chance de eliminar uma célula defeituosa é no ponto de checagem que antecede a saída da fase M. Enquanto todos os cromossomos não estiverem alinhados na placa metafásica, a divisão celular não prossegue para a anáfase e para a citocinese (separação das células-fi lhas). Isso visa a garantir que cada célula-fi lha receberá uma cópia exata do genoma da célula-mãe.
CICLINAS E CDKS: É PRECISO ALGO MAIS
Já compreendemos que a célula entrará na fase M quando a M-Cdk formar um complexo com a M-ciclina, cuja concentração citoplasmática aumenta gradativamente a partir de G1. Para garantir que a M-Cdk não comece a fosforilar as proteínas da fase M antes da hora, o complexo M-ciclina-M-Cdk é inicialmente inativo. Para que a Cdk se torne ativa, precisa ser fosforilada. Duas quinases fosforilam a M-Cdk. Uma fosforila um sítio que inibe a atividade da M-Cdk, a outra fosforila o sítio de ativação da enzima. Assim, o complexo só se tornará ativo depois de ter um desses fosfatos (o inibidor) removido pela ação de uma fosfatase. A partir daí, o complexo ciclina-Cdk (ou MPF) se torna ativo e é capaz de catalisar inclusive a ativação dos complexos ainda inativos.
Afinal, o que as Cdks fosforilam?
As Cdks de cada etapa do ciclo celular catalisam a fosforilação de diferentes proteínas com diferentes resultados. A M-Cdk, por exemplo, atua, entre outras, sobre as seguintes proteínas (que são, claro, seus substratos):
catalisa a fosforilação das laminas, filamentos intermediários que formam uma rede que reveste o envoltório nuclear. As laminas fosforiladas despolimerizam, provocando a fragmentação da lâmina nuclear e a vesiculação (e desaparecimento) do envoltório nuclear.
A fosforilação de uma outra proteína, a condensina, promoverá a condensação dos cromossomos observada na mitose.
A fosforilação de proteínas associadas aos microtúbulos também promoverá sua reorganização para formar o fuso mitótico.
Cada etapa do ciclo depende de ciclinas diferentes
O disparo de cada etapa do ciclo celular depende da ativação de complexos ciclina-Cdk específicos daquela etapa. Em contrapartida, uma vez encerrada aquela etapa, como é interrompida a atividade dessas quinases? Respondeu certo quem se lembrou do mecanismo de degradação de proteínas em proteassomas. Ao fi m de cada etapa as ciclinas são ubiquitinadas e direcionadas para rápida destruição nos proteassomas. Os substratos do MPF, como as laminas, as condensinas, as proteínas associadas a microtúbulos etc., que tinham sido fosforilados no início da fase M, serão defosforilados no final dessa fase por fosfatases que são ativadas ainda pelo próprio MPF, imediatamente antes da degradação das ciclinas.
Desastre à vista? O ciclo celular pode ser interrompido
Que o ciclo celular é constituído de etapas (G1, S, G2 e M), você já sabe. Que cada uma dessas etapas é disparada pela formação de complexos ciclina-Cdk, você também já sabe. Que cada etapa é regulada pela etapa anterior, onde existem pontos de checagem, também já foi comentado. Agora, como é que o processo pode ser interrompido, caso em algum ponto de checagem a célula não passe na vistoria? Em cada ponto de checagem existem freios moleculares capazes de impedir o prosseguimento do ciclo. Porém, a maioria dessas moléculas é pouco conhecida, ou mesmo desconhecida. Uma exceção são as proteínas inibidoras de Cdks, que bloqueiam a formação ou a atividade de complexos ciclina-Cdk. No ponto de checagem de G1, danos na estrutura do DNA induzem o aumento da concentração e da atividade da p53, proteína reguladora da atividade gênica. Quando ativa, a p53 estimula a transcrição de um gene que codifi ca a p21, uma proteína inibidora de Cdk. A proteína p21 se liga aos complexos ciclina-Cdk da fase S, responsáveis por levar a célula à fase S, bloqueando sua ação. A parada na fase G1 dá oportunidade à célula de reparar seu DNA antes de replicá-lo. Mutações na p53 são incapazes de impedir a replicação de DNA lesado. Não é portanto surpreendente que diversos tipos de células tumorais possuam mutações no gene que codifica essa proteína, o que evidencia sua relação com o desenvolvimento de câncer.
Dividir ou não dividir, eis a questão
A partir do estágio de oito células, já têm início os processos de diferenciação celular de um embrião. Algumas irão constituir os anexos (placenta, saco amniótico e saco vitelínico), outras farão parte dos folhetos embrionários. Nessa etapa, todas as células se dividem intensamente. No indivíduo adulto, alguns tecidos, como a pele, o sangue e os ossos, renovam-se constantemente. Isso implica a permanência, na idade adulta, de linhagens de células capazes de se dividir e se diferenciar nos diferentes tipos celulares encontrados nesses tecidos – as células tronco. No epitélio intestinal, as células se dividem a cada 24 horas, aproximadamente. Já no fígado, que é tido como um órgão com grande capacidade de regeneração, os hepatócitos se dividem, em condições de normalidade, apenas uma vez por ano! Células com grau ainda maior de especialização, como os neurônios e as células musculares, em princípio não se dividem. Via de regra, quanto mais especializada a célula, menor a freqüência com que ela entra em divisão. Uma célula que não mais se dividirá, como os neurônios e as células musculares, abandona o ciclo celular durante a fase G1 e entra num estado particular, denominado G0 ou quiescência. Uma célula pode permanecer no estado G0 por tempo indefinido. No caso dos neurônios, para sempre. Nos hepatócitos, o período G0 pode atingir dois anos, mas eles continuam podendo voltar à G1 e reentrar no ciclo.
Dividir até quando?
Cada tipo celular que compõe um organismo parece já ter uma programação intrínseca de quantas vezes vai se dividir antes de morrer. Tomando como exemplo um fibroblasto humano: se ele for retirado de um embrião e mantido em cultura de células em condições ideais de nutrição e espaço, vai se dividir cerca de 80 vezes; já um fibroblasto humano retirado de um adulto de 40 anos, mantido nas mesmas condições, vai se dividir cerca de 40 vezes apenas. Essa observação coloca em evidência uma possível relação entre o controle do ciclo celular e o envelhecimento e a longevidade. Procurando o mecanismo de controle do número de divisões que uma célula é capaz de realizar, os achados apontam para a replicação do genoma. A cada replicação, a ponta do cromossomo, o telômero, precisa ser restaurada por uma enzima, a telomerase. Nas células humanas, o gene que codifica a telomerase não é expresso em células somáticas do adulto. Por isso, a cada divisão celular, o telômero fica mais curto, até que não é mais possível replicar o cromossomo corretamente. Células podem se manter nessa situação, denominada senescência celular, por longo tempo realizando perfeitamente suas funções antes de morrer. A manutenção das proporções corporais depende da entrada e saída, no ciclo celular, de cada célula do organismo no momento exato. Além da velocidade com que as células se dividem, outro fator importante no controle do número de células de um organismo é a apoptose ou morte celular programada.
RESUMO
O ciclo celular é constituído por uma intérfase, subdividida em G1, S e G2, e uma fase de divisão, denominada M.
O controle interno do ciclo celular é exercido por moléculas citoplasmáticas: as ciclinas, que vão se acumulando em cada fase do ciclo, e as quinases dependentes de ciclina (Cdk), presentes em quantidades constantes por todo o ciclo.
Quando as ciclinas atingem concentrações reativas numa fase, elas se combinam com as quinases, promovendo a passagem para a próxima fase.
O complexo formado pela M-Cdk e a M-ciclina se chama MPF e dispara a mitose, fosforilando várias proteínas, dentre elas as que compactam os cromossomos, as que desmontam o envoltório nuclear e as que levam os microtúbulos a formar o fuso mitótico.
No final de cada fase do ciclo, as ciclinas são degradadas em proteassomas.
O ciclo celular também tem um controle externo, dado pela disponibilidade de nutrientes, de espaço e de fatores de crescimento.
Em conjunto, os controles interno e externo formam os pontos de checagem: no fi nal de G1, a célula precisa ter o volume sufi ciente e o ambiente favorável para entrar em S. No fi nal de G2, além do ambiente e do volume favoráveis, é preciso que o genoma esteja correta e completamente duplicado. Na metáfase,
os cromossomos precisam estar todos alinhados para que a divisão prossiga.
Células bastante diferenciadas, como neurônios e músculos, escapam do ciclo celular em G1 e permanecem num estado de quiescência chamado G0, a partir do qual podem até voltar ao ciclo em algum momento.
EXERCÍCIOS
1. O que é e quais são as fases que compõem o ciclo celular?
2. O que são ciclinas? Como atuam?
3. O que são Cdks? Como atuam?
4. O que é MPF?
5. O que acontece com as ciclinas de uma determinada fase do ciclo quando a mesma se encerra?
6. Como é feito o controle externo do ciclo celular?
7. O que são pontos de checagem?
8. O que é G0?
Fonte: Apostila 01 Biologia Celular II - CEDERJ
Fonte: Apostila 01 Biologia Celular II - CEDERJ
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
