CAPÍTULO III CAPÍTULO III –– O Ciclo celularO Ciclo celular

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Divisão celularDivisão celular

Toda a célula é originária de uma célula préToda a célula é originária de uma célula pré--existente !existente !

Divisão celular é fundamental nos processos de:Divisão celular é fundamental nos processos de:

•• ReproduçãoReprodução

•• CrescimentoCrescimento

•• Renovação Renovação

•• ReparaçãoReparação

33

Cromossomas metafásicos de uma célula somática, diplóide, de um Cromossomas metafásicos de uma célula somática, diplóide, de um humano humano do sexo masculino do sexo masculino -- cada par de cada par de alelosalelos foi corada com tinta fluorescente, foi corada com tinta fluorescente, de cores diferentes. (A) Cromossomas na sua posição original, apde cores diferentes. (A) Cromossomas na sua posição original, após ós liselise da da célula. (B) Os mesmos cromossomas organizados por ordem numéricacélula. (B) Os mesmos cromossomas organizados por ordem numérica. O . O conjunto dos cromossomas designaconjunto dos cromossomas designa--se se cariótipocariótipo. . Cromossomas 1 a 22 Cromossomas 1 a 22 –– autossomasautossomas; ; Cromossomas X e Y Cromossomas X e Y –– heterossomasheterossomas..

44

Estrutura de um cromossomaEstrutura de um cromossoma

Na Metafase, o Na Metafase, o cromossoma está na cromossoma está na fase mais fase mais empacotada, sendo empacotada, sendo formado por duas formado por duas moléculas idênticas moléculas idênticas ((cromatídeos cromatídeos irmãosirmãos), unidas ), unidas longitudinalmente longitudinalmente pelo pelo centrómerocentrómero. .

55

(D) Arranjo de (D) Arranjo de intrõesintrões--exõesexões típico dos genes. Cada típico dos genes. Cada exãoexão (vermelho) codifica uma (vermelho) codifica uma porção da proteína; os porção da proteína; os intrõesintrões são muito menos importantes. são muito menos importantes.

O genoma humano (3.2 × 10O genoma humano (3.2 × 1099 pares de nucleótidos) está distribuído por 22 pares de pares de nucleótidos) está distribuído por 22 pares de cromossomas somáticos e por 2 cromossomas sexuais. Cada célula scromossomas somáticos e por 2 cromossomas sexuais. Cada célula somática (diplóide)omática (diplóide)contém duas vezes esta quantidade de DNA. contém duas vezes esta quantidade de DNA.

Organização Organização genómicagenómicanum cromossomanum cromossomahumanohumano(A)(A) O cromossoma 22, um O cromossoma 22, um

dos mais pequenos, dos mais pequenos, contém 48 × 10contém 48 × 1066 pares pares de nucleótidos, o que de nucleótidos, o que corresponde a apenas corresponde a apenas 1.5% do genoma 1.5% do genoma humano.humano.

(B)(B) Ampliação de uma Ampliação de uma porção do cromossoma porção do cromossoma 22, com cerca de 40 22, com cerca de 40 genes (os que estão genes (os que estão indicados a castanho indicados a castanho escuro são genes escuro são genes conhecidos). conhecidos).

(C)(C) Comprimento total de Comprimento total de alguns genes.alguns genes.

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Fase M do Ciclo celularFase M do Ciclo celular

•• Mitose é um dos dois tipos de divisão celular Mitose é um dos dois tipos de divisão celular existente nas células eucariotas.existente nas células eucariotas.

•• Processo através do qual uma célula Processo através do qual uma célula diplóide (2n) produz duas células diplóide (2n) produz duas células rigorosamente idênticas à célula mãe rigorosamente idênticas à célula mãe (genoma mantém(genoma mantém--se inalterado ao longo de se inalterado ao longo de gerações).gerações).

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PROFASEPROFASE

1, 2 1, 2 –– ProfaseProfase –– aumento do aumento do volume nuclear; início da volume nuclear; início da organização da cromatina; organização da cromatina; início da deslocação dos início da deslocação dos centríolos para os pólos; centríolos para os pólos; início da dissipação dos início da dissipação dos nucleólosnucleólos..

ProfaseProfase numa célula vegetal (numa célula vegetal (AlliumAllium cepacepa))

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PROMETAFASE e METAFASEPROMETAFASE e METAFASE

3 – Prometafase – Ruptura do invólucro nuclear; cromossomas dicromatídicos empacotados, mas ainda não orientados; centrossoma continuam migração. Cinetocoros tornam-se visíveis.

4 – Metafase – Fuso acromático maduro; cromossomas dicromatídicos localizam-se no plano equatorial, através dos centrómeros.

Metafase numa célula vegetal (Allium cepa).

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ANAFASEANAFASE

5 5 –– Anafase AAnafase ASegregação dos cromossomas Segregação dos cromossomas metafásicos e início da metafásicos e início da ascensão polar dos ascensão polar dos cromatídeos irmãos.cromatídeos irmãos.

6 6 -- Anafase BAnafase BDespolimerizaçãoDespolimerização dos dos MtCMtC , , alongamento da célula. alongamento da célula.

Anafase B numa célula vegetal (Anafase B numa célula vegetal (AlliumAllium cepacepa).).

1010

TELOFASETELOFASE

7 7 –– Telofase Telofase ––Aparecimento do Aparecimento do invólucro nuclear invólucro nuclear --nucleocinesenucleocinese; ; despiralização dos despiralização dos cromossomas. cromossomas.

Telofase inicial Telofase inicial e tardia em e tardia em

células vegetaiscélulas vegetais((AlliumAllium cepacepa).).

1111

CitocineseCitocinese

Nas células Nas células animais surge um animais surge um anel contráctilanel contráctil de de actina que actina que efectua o efectua o estrangulamento estrangulamento do plasmalema; do plasmalema; nas células nas células vegetais mais vegetais mais evoluídas, formaevoluídas, forma--se uma se uma placa placa celularcelular (a partir (a partir do do fragmoplastofragmoplasto). ).

1212

CinetocoroCinetocoro

Estrutura especializada que facilita Estrutura especializada que facilita a união entre o centrómero e os a união entre o centrómero e os microtúbulos cinetocorianos, microtúbulos cinetocorianos, permitindo o movimento dos permitindo o movimento dos cromossomas durante a anafase. cromossomas durante a anafase. É, também, o responsável pela É, também, o responsável pela comunicação do estado da comunicação do estado da interacção entre ele e o fuso interacção entre ele e o fuso acromático, aos mecanismos de acromático, aos mecanismos de regulação do ciclo celular. É o regulação do ciclo celular. É o primeiro sinal da cascata de sinais primeiro sinal da cascata de sinais que inibem a separação dos que inibem a separação dos cromatídeos irmãos durante a cromatídeos irmãos durante a anafase, quando os cromossomas anafase, quando os cromossomas não se encontram devidamente não se encontram devidamente unidos ao fuso, de ambos os lados. unidos ao fuso, de ambos os lados.

É constituído por 3 lamelas: a É constituído por 3 lamelas: a extremidade (+) do microtúbulo extremidade (+) do microtúbulo insereinsere--se ma camada externa de se ma camada externa de cada cinetocoro e crescem em cada cinetocoro e crescem em direcção aos pólos da célula. direcção aos pólos da célula.

1313

Fuso AcromáticoFuso Acromático

O fuso acromático maduro surge na metafase, sendo constituído por 2 pólos (regiões polares) onde se encontram os centrossomas, microtúbulos e uma placa equatorial.

Existem 3 tipos de microtúbulos:•Mt Astrais •Mt cinetocorianos•Mt polares

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CentrossomaCentrossoma O centrossoma – zona de organização microtubular:

(A) Nas células animais encontra-se perto do núcleo e consiste numa matriz amorfa de proteínas ricas em complexos de γ-tubulina, onde se dá a polimerização e crescimento dos microtúbulos.

(B) Microtúbulos aderentes ao centrossoma. A extremidade (-) está embebida no centrossoma, crescendo a partir de um complexo de tubulina, enquanto que o terminal (+) está livre no citoplasma.

1515

CentrossomaCentrossoma

1616

Estrutura dos microtúbulos e das suas subunidades –

(A) Cada protofilamen-to é um heterodíme-ro de tubulina, com dímeros de tubulina α e β. O GTP (a vermelho) está unido fortemente à tubulina a, podendo ser considerado como parte integrante do monómero. Na tubulina b, a ligação é mais fraca, sendo por isso reversível.

(B) Esquema de um protofilamento de dímeros, todos com a mesma orientação.

(C) Cilindro de 13 subunidades que formam o microtúbulo.

(D) Micrografia de porção de microtúbulo.

(E) Corte transversal.

1717Instabilidade dinâmica dos microtúbulos – durante a mitose os microtúbulos tornam-se

76Instabilidade dinâmicadevida a diferenças estruturais do microtúbulo –consequências da hidrólise de GTP na estrutura do microtúbulo. A adição de subunidades com GTP causa um crescimento linear que permite a formação rápida da estrutura cilíndrica do microtúbulo. A hidrólise posterior do GTP altera a conformação das subuni-dades forçando o filamento a curvar. Num filamento com capuz, as subunidades com GDP são obrigadas a uma conformação linear pelas ligações laterais que se estabelecem entre subunidades. Se o filamento perder o capuz, os proto-filamentos curvam, determinando uma ruptura progressiva do microtúbulo.

1818

TreadmillingTreadmilling de um microtúbulo, possível pela hidrólise do de um microtúbulo, possível pela hidrólise do nucleósidonucleósido trifosfato trifosfato (GTP (GTP �������� GDP) GDP) que se segue à adição das subunidades que se segue à adição das subunidades ––

(A) Explicação para as (A) Explicação para as diferentsediferentse concentrações críticas (concentrações críticas (CCcc) nas extremidades () nas extremidades (--) e (+).as ) e (+).as subunidades com extremidades contendo GTP (forma T) polimerizam subunidades com extremidades contendo GTP (forma T) polimerizam nas duas extremidades, nas duas extremidades, sofrendo posteriormente hidrólise. Na extremidade (+) a adição dsofrendo posteriormente hidrólise. Na extremidade (+) a adição de monómeros é mais rápida e monómeros é mais rápida do que a hidrólise, pelo que as do que a hidrólise, pelo que as subundiadessubundiades estão sempre na forma (+). A hidrólise na estão sempre na forma (+). A hidrólise na extremidade (extremidade (--) é, todavia, mais rápida do que a elongação pelo que, neste t) é, todavia, mais rápida do que a elongação pelo que, neste terminal, as erminal, as subunidades estão na forma D. subunidades estão na forma D.

(B) (B) TreadmillingTreadmilling ocorre para concentrações das subunidades intermédias. A ocorre para concentrações das subunidades intermédias. A CcCc para a para a polimerização numa extremidade com forma T é mais baixa do que npolimerização numa extremidade com forma T é mais baixa do que num filamento com um filamento com forma D. Quando a concentração das subunidades está neste intervforma D. Quando a concentração das subunidades está neste intervalo, o terminal (+) alo, o terminal (+) cresce, enquanto que o terminal (cresce, enquanto que o terminal (--) ) despolimerizadespolimeriza. .

1919

Instabilidade dinâmica dos microtúbulos Instabilidade dinâmica dos microtúbulos –– microtúbulosmicrotúbulos de células de células epiteliais do pulmão, após incorporação de tubulina marcada com epiteliais do pulmão, após incorporação de tubulina marcada com rodaminarodamina.. PodePode--se observar a instabilidade dinâmica dos microtúbulos, se observar a instabilidade dinâmica dos microtúbulos, cada um dos quais sofre alternadamente crescimento e despolimericada um dos quais sofre alternadamente crescimento e despolimerização, zação, ao longo do tempo.ao longo do tempo.

Comportamento de treadmilling de um microtúbulo - A tubulina foi marcada com rodamina, um composto fluorescente. O microtúbulo aparenta estar a desviar-se da esquerda para a direita, mas, de facto, a estrutura do microtúbulo não se movimenta (seta vermelha). Contudo, a extremidade (+) do microtúbulo, à direita sofre polimerização, enquanto que, ao mesmo tempo, a extremidade (-), despolimeriza (à esquerda). A extremidade (+) exibe também instabilidade dinâmica.

2020

A A Anafase AAnafase A depende de proteínas motoras que operam no cinetocoro e que, depende de proteínas motoras que operam no cinetocoro e que, juntajunta--mentemente com a despolimerização dos microtúbulos, arrastam os cromatídeocom a despolimerização dos microtúbulos, arrastam os cromatídeos em direcção s em direcção aos pólos. Na aos pólos. Na Anafase BAnafase B, os dois pólos afastam, os dois pólos afastam--se ; a elongação e deslizamento dos se ; a elongação e deslizamento dos microtúbulos polares (microtúbulos polares (sobreponíveissobreponíveis na zona da placa equatorial) afastam os dois pólos. na zona da placa equatorial) afastam os dois pólos. Este movimento é também favorecido pelos microtúbulos astrais. Este movimento é também favorecido pelos microtúbulos astrais.

2121

Função das proteínas motoras Função das proteínas motoras na actividade mitótica: na actividade mitótica:

As proteínas motoras podem As proteínas motoras podem movimentarmovimentar--se nos dois sentidos, se nos dois sentidos, ao longo do microtúbulo (ao longo do microtúbulo (MtMt). ).

(A) Algumas fazem o arranjo dos (A) Algumas fazem o arranjo dos terminais (terminais (--) na zona ) na zona centromérica; centromérica;

(B) O alinhamento (B) O alinhamento antiparaleloantiparalelo de de MtMtpolares que partem dos dois pólos, polares que partem dos dois pólos, ligamligam--se por proteínas motoras se por proteínas motoras específicas deslizando em específicas deslizando em direcções opostas, pelo que o fuso direcções opostas, pelo que o fuso alongaalonga--se, diminuindo a zona de se, diminuindo a zona de sobreposição. sobreposição.

QuinesinasQuinesinas -- Estrutura de 3 proteínas Estrutura de 3 proteínas multiméricasmultiméricas da da família das família das quinesinasquinesinas, com um domínio motor no terminal , com um domínio motor no terminal N. A zona mediana medeia a N. A zona mediana medeia a dimerizaçãodimerização. O terminal C . O terminal C forma uma cauda que se liga a organelos, aos forma uma cauda que se liga a organelos, aos MtMt, etc. KIF2 , etc. KIF2 tem o domínio motor no meio da cadeia. Uma vez que já tem o domínio motor no meio da cadeia. Uma vez que já perdeu a função motora, ligando os terminais dos perdeu a função motora, ligando os terminais dos MtMt para para aumentar a instabilidade dinâmica. Chamamaumentar a instabilidade dinâmica. Chamam--se, por isso, se, por isso, catastrofinascatastrofinas. KIF1B funciona como monómero e movimenta . KIF1B funciona como monómero e movimenta organelos membranares ao longo dos organelos membranares ao longo dos MtMt..

2222

Movimento das proteínas motoras Movimento das proteínas motoras –– quinesinaquinesina –– ao longo do microtúbulo:ao longo do microtúbulo:

(1)(1) Inicialmente as duas cabeças estão na forma ADP; a 1ª cabeça liInicialmente as duas cabeças estão na forma ADP; a 1ª cabeça ligaga--se ao se ao MtMt. .

(2)(2) A degradação de uma molécula de ATP e a ligação do Pi à cabeça A degradação de uma molécula de ATP e a ligação do Pi à cabeça de de quinesinaquinesina da 2ª da 2ª cabeça resulta numa alteração de conformação que prende a 2ª cabcabeça resulta numa alteração de conformação que prende a 2ª cabeça ao eça ao MtMt e modifica a e modifica a conformação do pescoço (laranja) empurrando a segunda cabeça parconformação do pescoço (laranja) empurrando a segunda cabeça para a extremidade (+) do a a extremidade (+) do MtMt. .

(3)(3) A hidrólise ocorre quando a 2ª cabeça interage com o A hidrólise ocorre quando a 2ª cabeça interage com o MtMt. .

(4)(4) A 2ª reacção de conversão de ATP A 2ª reacção de conversão de ATP �� ADP na 2ª cabeça faz com que a 1ª cabeça liberte o ADP na 2ª cabeça faz com que a 1ª cabeça liberte o MtMt, libertando o Pi e movendo o 1º domínio ao longo do , libertando o Pi e movendo o 1º domínio ao longo do MtMt. .

(5)(5) O ciclo repeteO ciclo repete--se, movendo o se, movendo o dímerodímero de de quinesinaquinesina ao longo do ao longo do MtMt..

2323

Separação dos dois pólos Separação dos dois pólos durante a profase e durante a profase e afastamento durante a anafase afastamento durante a anafase B B –– neste modelo as proteínas neste modelo as proteínas motoras que actuam no terminal motoras que actuam no terminal (+) fazem a interacção entre (+) fazem a interacção entre microtúbulos antimicrotúbulos anti--paralelos, paralelos, permitindo a separação dos pólos. permitindo a separação dos pólos. Uma vez que o terminal (Uma vez que o terminal (--) dos ) dos microtúbulos está ancorado ao microtúbulos está ancorado ao centrossoma, estes são centrossoma, estes são empurrados, reduzindo a zona de empurrados, reduzindo a zona de sobreposição entre os microtúbulos sobreposição entre os microtúbulos polares.polares.

Redução da sobreposição dos Redução da sobreposição dos microtúbulos polares, ao longo da microtúbulos polares, ao longo da mitose: (A) Metafase; (B) Anafase B.mitose: (A) Metafase; (B) Anafase B.

2424

Regulação do Ciclo CelularRegulação do Ciclo Celular

Após um ciclo a célula pode seguir uma das seguintes vias alternativas:

(1) Nova fase de síntese;

(2) Diferenciação e

maturação;

(3) Fase pós-mitótica

prolongada (G0).

2525

Mecanismos moleculares de regulaçãoMecanismos moleculares de regulação

Os processos essenciais do ciclo, como sejam a replicação de DNA, a mitose e a citocinese, são desencadeados pelo sistema de controlo. Tal como um programa de uma máquina de lavar, este sistema de controlo vai desencadeando as diferentes fases de forma sequencial quando o controlador atinge determinados pontos de controlo.

2626

-- A sequência do ciclo celular é A sequência do ciclo celular é determidetermi--nadanada pelas flutuações periódicas da pelas flutuações periódicas da actividade das actividade das proteinoproteino--cinasescinases que que activam ou desactivam proteínas activam ou desactivam proteínas espeespe--cíficascíficas por fosforilação. Estas enzimas por fosforilação. Estas enzimas são dependentes da ciclina pelo que só são dependentes da ciclina pelo que só estão activas após a formação do estão activas após a formação do comcom--plexoplexo cdkcdk/ciclina. Assim, a actividade do /ciclina. Assim, a actividade do complexo (MPF) depende da complexo (MPF) depende da concenconcen--traçãotração de ciclina no interior da célula.de ciclina no interior da célula.

As As proteínoproteíno--cinasescinases são, portanto, dependentes são, portanto, dependentes da ciclina (designamda ciclina (designam--se, por isso, se, por isso, cdkcdk). No ). No ponto 1. existe ciclina suficiente para formar ponto 1. existe ciclina suficiente para formar muitos complexos muitos complexos cdkcdk/ciclina (MPF). 2. este /ciclina (MPF). 2. este complexo promove a fosforilação de várias complexo promove a fosforilação de várias proteínas, o que desencadeia a miose. 3. o proteínas, o que desencadeia a miose. 3. o complexo é também responsável pela complexo é também responsável pela sequência de passos que conduzem à sequência de passos que conduzem à degradação da ciclina. 4. A degradação da ciclina. 4. A cdkcdk é reciclada.é reciclada.

A Base Molecular do Sistema De Controlo no ponto G2

2727

Modo de funcionamento

(simplificado) da regulação

intracelular do ciclo celular: a Cdk

associa-se a ciclinas específicas,

que desencadeiam determinados

eventos do ciclo. A actividade da

Cdk termina com a degradação

da ciclina. Na figura apenas estão

representadas duas ciclinas que

actuam na fase S e fase M e

interagem com uma única Cdk.

Os complexos resultantes da

associação entre as duas

moléculas denominam-se S-Cdk

and M-Cdk, respectivamente.

CDK/CDK/CiclinaCiclina

2828

Sistemas de controlo do ciclo celular: Todo o sistema de controlo se baseia em complexos ciclina-Cdk (a amarelo) A actividade de cada um é influenciada por mecanismos inibitórios em determinados pontos de controlo do ciclo, que fornecem informação quanto ao ambiente extracelular, aos danos celulares, a eventos incompletos. Estes mecanismos não estão presentes em todos os tipos celulares. Por exemplo, não existem nas primeiras células embrionárias.

2929

Activação da M-Cdk: a Cdk1 associa-se M-ciclina à medida que a concentração desta aumenta. O complexo resultante é fosforilado pela quinase activadora de Cdk (CAK); é também fosforilada por um inibidor, a quinase Wee1. O complexo inactivo é activado no final da fase G2 pela fosfatase Cdc25, que assim remove o fosfato do centro inibidor. A actividade da Cdc25 é estimulada pelo complexo M-Cdk, resultando num feedback positivo. Mais, ainda, o complexo inibe a actividade da Wee1.

3030

Proteínas reguladoras do ciclo celularProteínas reguladoras do ciclo celular

Proteíno quinases e proteíno-fosfatases que altera, as Cdk:– CAK – proteínas activadoras de Cdk; fosforilam um centro activador nos centros inibidores Cdk– Wee1- quinase inibidora que fosforila centros inibitórios das Cdk; estão envolvidas no

desencadear da mitose.– Cdc25 – fosfatase que remove fosfatos inibitórios da Cdk.Proteínas inibitórias de Cdk (CKIs)– Sic1 (leveduras) – suprime a actividade da Cdk na fase G1. – p27 – suprime a actividade dos complexos G1/S-Cdk e S-Cdk na fase G1; auxilia as células a

saírem do ciclo celular assim que concluem a diferenciação.– p16 (mamíferos) – suprime a actividade da G1-Cdk na fase G1; está, frequentemente, inactiva

nos cancros;Ligases ubiquitina e os seus activadores– SCF catalizam a ubiquitilação das proteínas envolvidas no controlo da fase G1,incluindo CKIs

(sic1 nas leveduras, p16 nos mamíferos). Normalmente envolve a fosforilação de proteínas alvo para esta actividade.

– APC cataliza a ubiquitilação de proteínas reguladoras envolvidas na finalização da mitose. – Hct1 mantém a actividade da APC após a anafase e durante a fase G1; é inibida pela

actividade da Cdk.Proteínas reguladoras de genes– E2F promove a transcrição de genes necessários para a progressão G1/S, incluindo os genes

que codificam as ciclinas G1/S e S, assim como proteínas necessárias à síntese de DNA. – p53 promove a transcrição de genes que induzem o aprisionamento do ciclo celular ou a

apoptose, em resposta a danificação de DNA ou outro tipo de stress.

3131

ApoptoseApoptose

Morte celular. Estas micrografias mostram mortes celulares por (A) necrose ou (B e C) apoptose. As células (A) e (B) morreram em cultura, enquanto que a (C) morreu num tecido em crescimento, tendo sido incorporada por uma célula vizinha. De notar que a célula (A) parece ter rebentado, tendo libertado o seu conteúdo celular, enquanto que as células (B) e (C) estão condensadas, mas relativamente intactas. Os grandes vacúolos visíveis na célula (B) são uma das transformações ocorridas durante a apoptose.

3232

Mecanismos de regulação da apoptoseMecanismos de regulação da apoptose

Reguladores e efectores da apoptose – muitos sinais de morte celular induzem a apoptose através de mecanismos usando reguladores, adaptadores e caspases. Na C. elegans, um regulador negativo Ced-9 inibe a apoptose pela ligação ao adaptador Ced-4. Sem inibição, este adaptador liga-se a duas caspases Ced-3, resultando na autoclivagem e consequente activação da caspase. Nos mamíferos, reguladores da família Bcl-2 (homólogos do Ced-9) actuam na mitocôndria através do controlo da libertação de citocromo c, necessário para a ligação entre a caspase-9 e o adaptador Apaf-1 (homólogo do Ced-4). Assim, o citocromo c sé um sinal para a activação da caspase que, assim, induz a apoptose.