n 08 - PROPOSTAS PARA DESENVOLVER EM SALA DE AULA NÚMERO 4 JANEIRO DE 1997 EDITORA MODERNA - aspectos modernos da divisão celular

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TEMAS DE BIOLOGIA ATUALIDADES BIOLÓGICAS NÚMERO 8 ABRIL DE 1998 EDITORA MODERNA ASPECTOS MODERNOS DA DIVISÃO CELULAR J. M. Amabis* e G.R. Martho M itose é um processo de divisão celular pelo qual uma célula eucariótica origina duas células- filhas, cada uma com número de cromossomos idêntico ao seu. A extraordinária precisão da mitose garante que cada célula-filha receba todas as informações genéticas necessárias à sua vida. No final da década de 1980 ficou claro que os mecanismos moleculares básicos da mitose são fundamentalmente os mesmos em todos os seres eucarióticos. Assim, o estudo desses mecanismos é de grande importância porque eles se referem a uma ampla variedade de seres vivos. A seguir apresentamos alguns conhecimentos obtidos em pesquisas recentes, que explicam por que a mitose assegura, com altíssimo grau de sucesso, a distribuição das informações hereditárias ao longo das gerações celulares. A DESCOBERTA DA DIVISÃO CELULAR pesquisadores notaram o aparecimento de filamentos (que hoje sabemos ser os cromossomos) no núcleo das células A célula foi pioneiramente descrita por Robert Hooke, em divisão. Aparentemente, esses filamentos eram repar- em 1665, mas seu estudo só ganhou impulso após a elabo- tidos entre as células-filhas. Um dos grandes desafios foi ração da Teoria Celular por Schleiden e Schwann, em 1838 provar que os filamentos observados não eram simples e 1839. Segundo essa teoria, todos os seres vivos são cons- "artefatos de técnica", isto é, estruturas artificialmente cria- tituídos por células, as unidades básicas da vida. das pelos tratamentos aos quais as células são submetidas No início do século XIX, diversos pesquisadores já para permitir sua observação (fixação, corte, coloração etc.). haviam observado células divididas ao meio, aparente- Em 1882, o citologista Walther Flemming finalmente mente em processo de originar células menores. Seria essa comprovou a formação de filamentos nucleares (cromos- divisão uma aberração ou um processo normal na vida das somos) em células vivas que se dividiam, e propôs o termo células? Com base na observação microscópica de células mitose para designar a divisão celular. Mitose vem do grego fixadas, alguns estudiosos sugeriram que a divisão celular mitos, que significa fio, referindo-se ao aparecimento de seria a maneira pela qual têm origem todas as células dos filamentos no núcleo de células em divisão. Esses fila- organismos multicelulares. mentos foram denominados cromossomos pelo citologista As pesquisas revelavam cada vez mais casos de células W. Waldeyer, em 1888. em divisão. Em 1855, o influente citologista expressou sua convicção de que as células sempre têm origem a partir de células preexistentes. Como era norma na época utilizar a língua latina em textos científicos, Virchow resumiu sua idéia na frase que se tornou célebre: omnis cellula e cellula (toda célula provém de outra célula). conceito de que as células surgem pela divisão de células preexistentes também teve seus opositores, entre eles, curiosamente, Theodor Schwann. Ele acreditava que as células surgiam espontaneamente pela aglutinação de substâncias orgânicas presentes no corpo dos seres vivos. O desenvolvimento de microscópios mais poderosos e de técnicas citológicas mais adequadas possibilitou gran- des avanços nas pesquisas sobre divisão celular. Em 1873, o zoólogo A. Schneider, em um amplo estudo anatômico Desenho de uma célula embrionária de salamandra sobre o verme platelminto Mesostoma, publicou a primeira previamente fixada e corada, feito pelo citologista pio- descrição razoável das alterações que ocorrem em uma neiro Walther Flemming em 1882. A célula encontra- célula que se divide em duas. Tanto Schneider como outros se em estágio final de anáfase. Professor do Departamento de Biologia do Instituto de Biociências da Universidade de São PauloFibras do fuso em formação Centro celular As FASES DA MITOSE Apesar de a mitose ser um processo contínuo, é possível dividi-la em fases, o que facilita seu estudo. As fases da mitose são: prófase, metáfase, anáfase e telófase. Alguns autores sugerem uma fase intermediária entre a prófase e a metáfase, a prometáfase. PRÓFASE Prófase Carioteca Durante a prófase, os finíssimos fios que compõem a cromatina - os cromossomos vão se condensando Nucléolo em desaparecimento no interior do núcleo, tornando-se mais visíveis e indivi- Cromossomos dualizados. Nessa fase, cada cromossomo é constituído duplicados em por dois fios idênticos (cromátides) unidos por uma região condensação Fragmentos da chamada centrômero. carioteca Cromátides- A progressiva condensação cromossômica acarreta irmãs Fuso acromático diminuição na produção das substâncias que compõem os nucléolos, os quais vão gradualmente desaparecendo. Ao final da prófase, a carioteca (membrana nuclear) METÁFASE desintegra-se. Os cromossomos, já bastante condensados, espalham-se na região central do citoplasma. No decorrer da prófase, os centros celulares vão se afastando, dando origem a um complexo conjunto de fibras denominado fuso acromático. Fibras cromossômicas Metáfase Na metáfase, cada cromossomo liga-se a fibras do fuso provenientes de pólos opostos (fibras cromossômicas). Essa Cromossomos condensados ligação ocorre na região do centrômero cromossômico. A alinhados no equador (placa metafásica) tensão nas fibras de pólos opostos faz com que os cromos- somos permaneçam temporariamente estacionados na re- gião equatorial da célula, formando a placa metafásica. Anáfase ANÁFASE Na anáfase, os centrômeros se dividem e as cromátides- irmãs se separam. encurtamento gradual das fibras cro- mossômicas arrasta as em sentidos opostos, até os pólos do fuso acromático. Encurtamento das fibras cromossômicas Telófase Na telófase, os cromossomos, já em pólos opostos da célula, descondensam-se e voltam a produzir nucléolos. Cromossomos-irmãos Cada conjunto cromossômico é envolvido por uma nova migrando para pólos carioteca, organizada a partir dos fragmentos da carioteca opostos original. Surgem, assim, dois núcleos-filhos com conjuntos Reorganização idênticos de cromossomos. da carioteca Cromossomos simples em Após a formação dos núcleos-filhos (cariocinese), ocorre TELÓFASE descondensação a divisão do citoplasma, fenômeno denominado citocinese. Reaparecimento dos nucléolos À esquerda, de cima para baixo, seqüência das fases da mitose. Os desenhos coloridos apresentam deta- lhes descobertos com o emprego da microscopia ele- trônica e da citoquímica. Nos quadros, desenhos fei- tos em 1882 por Walther Flemming, que representam Divisão citoplasmática células vivas de salamandra em processo de divisão. (citocinese) 2 ATUALIDADES BIOLÓGICASo CICLO CELULAR cromossomos ocorre em uma etapa particular da intérfase, geralmente algumas horas antes do início da mitose. Essa Ciclo celular é o período compreendido entre a origem etapa é denominada fase S (abreviatura da palavra inglesa de uma célula, por divisão de uma célula preexistente, e sua synthesis, síntese), porque nela ocorre a síntese de DNA. A divisão em duas células-filhas, que repetirão o etapa da intérfase que antecede a fase S é chamada fase G1, ciclo. Evidentemente, nem todas as células cumprem intei- e a que a sucede, fase G2. A abreviatura G provém do ramente esse ciclo de vida. Há células que nunca se divi- inglês gap, que significa intervalo. dem (por exemplo, nossas células musculares e nervosas) e A duração do ciclo celular varia nos diferentes tipos de outras que podem morrer acidentalmente antes de se célula. Nos primeiros estágios da vida de um embrião huma- intervalo do ciclo celular em que a célula não está se no, por exemplo, a intérfase das células embrionárias é dividindo é a intérfase. Para os primeiros citologistas, a curtíssima, e praticamente não apresenta as fases G1 e G2. intérfase parecia ser um período de pouca atividade, se Assim que a mitose termina, as células recém-formadas comparado à mitose. Isso porque os estudos sobre a célula, duplicam imediatamente seus cromossomos e iniciam nova no princípio, eram basicamente centrados na observação mitose. A fase S é também muito curta, uma vez que o microscópica. Mais recentemente, os estudos bioquímicos DNA, principal componente dos cromossomos, duplica-se e citoquímicos mostraram que a intérfase é um período de muito rapidamente nas células embrionárias. intensa atividade metabólica, durante o qual as células Uma pessoa adulta tem células com diferentes ciclos ce- fabricam todas as substâncias de que necessitam. É também lulares. Por exemplo, as células presentes na camada germi- durante a intérfase que a célula duplica seus cromossomos, nativa de nossa epiderme dividem-se constantemente, pro- preparando-se para a divisão celular. duzindo sempre novas células epidérmicas para substituir as Em sua descrição da mitose, Walther Flemming desta- que morrem. mesmo ocorre nas células que revestem cou o fato de que os cromossomos já se apresentam duplica- internamente nosso tubo digestivo. Já as células musculares e dos no início da prófase. Estudos recentes realizados com nervosas nunca se dividem, permanecendo estacionadas em substâncias radiativas mostraram que a duplicação dos uma fase do ciclo celular chamada GO (zero). Duplicação do Início da separação centro celular dos centros celulares Formação do fuso acromático Duplicação dos Núcleo cromossomos Condensação dos S G2 cromossomos (10 horas) (4,5 horas) INTÉRFASE PRÓFASE G1 horas) Centro celular com centríolos MITOSE Ligação dos (30 minutos) ao fuso METÁFASE Descondensação Esquema do ciclo celular. Embora dos cromossomos ocupe mais de metade do esquema, a mitose representa apenas 30 minu- Divisão tos em um ciclo celular de 24 horas, citoplasmática (citocinese) no qual G1 dura 9 horas, S dura 10 ANÁFASE horas e G2 dura 4 horas e 30 minu- TELÓFASE Separação dos tos, aproximadamente. ATUALIDADES BIOLÓGICAS 3A CONDENSAÇÃO DOS CROMOSSOMOS Nucleossomos vizinhos associam-se formando uma es- trutura helicoidal, semelhante a um fio telefônico, com Até o começo do século XX, não se sabia se os cromos- aproximadamente 30 nm (nanometro = 10-9 mm) de espes- somos surgiam apenas durante a divisão celular ou se já sura. Esse fio espiralado, por sua vez, associa-se a um existiam anteriormente na célula. As pesquisas mostraram componente protéico, o esqueleto cromossômico, consti- que, apesar de não poderem ser observados como entidades tuindo o filamento cromossômico básico, ou cromonema, individualizadas durante a intérfase, os cromossomos estão com cerca de 300 nm de espessura. presentes em todo o ciclo celular. Ocorre que, na intérfase, Durante a divisão celular, o cromonema sofre dois enro- cada cromossomo encontra-se na forma de um fio muito lamentos helicoidais sucessivos, de modo que ao final da longo e fino, sendo impossível observá-lo individualmente prófase, quando a carioteca se fragmenta em inúmeras pe- ao microscópio. Os cromossomos interfásicos compõem um quenas bolsas, o comprimento dos cromossomos está muito emaranhado filamentoso, que foi denominado cromatina reduzido, o que facilita a separação das cromátides para as pelos primeiros estudiosos. células-filhas. Um cromossomo é constituído por uma longa molécula A condensação dos cromossomos durante a divisão ce- de DNA enrolada, a espaços regulares, em torno de glóbulos lular leva à inativação temporária dos genes, uma vez que de certos tipos de proteína, as histonas. Cada glóbulo de o DNA é incapaz de transcrever RNA quando compactado. histona com o segmento de DNA enrolado sobre si é um Conseqüentemente, deixa de ser produzido RNA ribossô- nucleossomo, a unidade básica do cromossomo. mico, o qual, juntamente com proteínas, constitui o nucléolo. No decorrer da prófase, portanto, os nucléolos vão progressivamente desaparecendo. Cromossomo Na telófase ocorre descondensação dos cromossomos, o metafásico que os traz de volta à atividade; assim, os nucléolos reapare- cem. As bolsas resultantes da fragmentação da carioteca agregam-se em torno dos cromossomos e fundem-se entre si, 700 nm reconstituindo as cariotecas dos núcleos-filhos. Cromátide o FUSO ACROMÁTICO CONDENSAÇÃO DO Na mitose, cada uma das células-filhas deve receber CROMONEMA um conjunto cromossômico idêntico ao existente na célula- (dois enrolamentos sucessivos) mãe. A distribuição correta dos cromossomos nas divisões celulares é garantida pelo fuso acromático, estrutura cons- tituída por microtúbulos protéicos e que se forma durante a prófase, desaparecendo ao fim da telófase. Microtúbulos Esqueleto Microtúbulos são estruturas tubulares, com cerca de Cromonema (filamento 24 nm de diâmetro, constituídos por moléculas da proteína cromossômico Enrolamento helicoidal básico) tubulina. Um microtúbulo é uma estrutura dinâmica, que dos nucleossomos pode crescer ou encurtar rapidamente por adição (polimeri- zação) ou perda (despolimerização) de moléculas de tubu- lina, preferencialmente em uma das extremidades, identifi- cada pelo sinal +. citoplasma da célula interfásica contém uma vasta Nucleossomos rede de microtúbulos que, juntamente com outros compo- nentes fibrosos de natureza protéica, constituem o cito- esqueleto, responsável pela sustentação e pela manuten- ção da forma da célula. As extremidades - dos microtúbu- los do citoesqueleto convergem para uma região especia- Glóbulo de lizada do citoplasma, localizada perto do núcleo e deno- DNA histona minada centrossomo. É a partir do centrossomo que os microtúbulos começam a se formar, crescendo sempre no 2 nm sentido +. Na maioria das células animais há um par de centríolos no centrossomo. Cada centríolo é uma estrutura cilíndrica, formada por nove feixes de três microtúbulos dispostos Esquema que mostra os principais níveis da estrutura cilindricamente. Não há centríolos em células de plantas dos cromossomos de células eucarióticas. fanerógamas (gimnospermas e angiospermas). 4 ATUALIDADES BIOLÓGICAScharem-se com rapidez é o que lhes permite capturar os 24 nm cromossomos, após a fragmentação da carioteca. Dímeros livres de Extremidade + Nas extremidades do fuso acromático, em células ani- tubulina mais, há um conjunto de microtúbulos que irradiam em direção à superfície celular, formando o áster. Células de plantas fanerógamas não possuem centríolos nem áster em torno de seus centrossomos. de Microtúbulos que crescem a partir de um centrossomo, x-tubulina em direção à região central (equador) da célula, associam- se a microtúbulos que crescem do pólo oposto, originando 8 nm uma estrutura fibrosa em forma de fuso, abaulada no equa- dor e afilada nos pólos. Esses são os microtúbulos polares, também chamados fibras polares. Além dos microtúbulos do áster e dos microtúbulos po- Dímero de lares, o fuso contém ainda os microtúbulos tubulina (unidade micos, ou fibras que vão dos centrosso- estrutural) mos aos centrômeros dos cromossomos Centríolos Feixes de três microtúbulos Extremidade Protofilamento À esquerda, esquema de um microtúbulo e das uni- dades que o constituem (dímeros de tubulina). À direi- ta, esquema de um microtúbulo em processo de cresci- mento pela adição de tubulina na extremidade Formação do fuso Um dos sinais de que a célula vai se dividir é a dupli- cação do centrossomo. Isso ocorre ainda na fase G1, pouco antes do início da fase S. Em células animais, os centríolos presentes no centrossomo duplicam-se, originando centríolos-filhos, que terminam de se formar na fase S. Na Fibras do fuso fase G2 cada um dos centrossomos já possui dois pares de acromático em formação centríolos completos. Centrossomo com centríolos Fibras do O fuso acromático começa a surgir na prófase, quando áster os microtúbulos do citoesqueleto se desorganizam e as moléculas de tubulina por eles liberadas são utilizadas na formação dos microtúbulos do fuso. A desintegração do citoesqueleto durante a divisão celular faz com que a célula perca seu aspecto característico e assuma forma esférica. Núcleo Os microtúbulos do fuso formam-se a partir de cada um dos centrossomos, irradiando em todas as direções, como Citoplasma os espinhos de um ouriço-do-mar. Os centrossomos afas- tam-se progressivamente um do outro, provavelmente em- purrados pelos microtúbulos que se formam entre eles. Acima, desenho de uma célula animal em início de Os centrossomos atingem pólos opostos da célula ao prófase. Os centrossomos, duplicados na intérfase, final da prófase, quando se completa o fuso. Este é uma estão se afastando e dando origem aos microtúbu- estrutura dinâmica, e seus microtúbulos estão em processo los do fuso. Cada centrossomo contém um par de constante de crescimento e desintegração. A alta capaci- centríolos e é envolvido por um conjunto de microtúbu- dade que os microtúbulos têm de formarem-se e desman- los curtos, que constituem o áster. ATUALIDADES BIOLÓGICAS 5Centrossomo MP Centrômero com centríolos MA Cinetócoros das cromátides-irmäs Microtúbulos cromossômicos MC Região de interação dos MP Cromátides-irmäs À esquerda, esquema do fuso acromático. Há três tipos de microtúbulo no fuso: do áster (MA, em azul), polares (MP, em vermelho) e cromossômicos (MC, em preto). As extremidades dos microtúbulos convergem para os centros- somos. Em células animais, cada centrossomo contém um par de À direita, esquema de um cromossomo metafásico ligado ao fuso pelos cinetócoros do centrômero. União dos cromossomos ao fuso em direção a um ou a outro pólo da célula, antes de fi- nalmente estacionarem na região equatorial, constituindo As de um cromossomo duplicado a placa metafásica. encontram-se unidas por uma região altamente especia- o que faz os cromossomos alinharem-se no equador da lizada denominada centrômero. No centrômero de cada célula? Como já vimos, há alta chance de um cromossomo cromátide evidencia-se, no fim da prófase, uma estrutura ser "fisgado" por fibras provenientes de pólos opostos. em forma de disco chamada cinetócoro. Na superfície Segundo as recentes descobertas, a força exercida por uma externa desse disco ligam-se as extremidades + de fibras fibra cromossômica sobre o cinetócoro é diretamente cromossômicas, cujas extremidades opostas (-) convergem proporcional ao comprimento da fibra, isto é, quanto mais para um dos centrossomos. perto um cromossomo estiver de um pólo, menor será a No fim da prófase, a carioteca se fragmenta e os cromos- força com que ele é puxado. A tendência, portanto, é que somos espalham-se no citoplasma. Se a extremidade + de os cromossomos estacionem na região equatorial da célula, um microtúbulo atingir o cinetócoro de um cromossomo, onde as forças que puxam seus cinetócoros em direção a ela se prende a ele. Microtúbulos que não encontram cine- pólos opostos se equivalem. tócoros diminuem de tamanho pela desagregação de tu- A formação da placa metafásica, com ligação correta bulina e mais tarde crescem novamente. Assim, graças ao de todos os cromossomos às fibras do fuso, é crucial para o seu crescimento dinâmico, os microtúbulos agem como prosseguimento da divisão celular. Somente quando todos pescadores jogando o anzol (a extremidade +) no citoplas- os cromossomos estiverem ligados a ambos os pólos, com ma onde estão os cromossomos. Um ao tensões equivalentes nas fibras cromossômicas opostas, é "fisgar" um cinetócoro, torna-se mais estável e mantém que será dado o sinal para que a divisão tenha prosse- preso o cromossomo. guimento. Esse mecanismo impede que a mitose continue Quando o cinetócoro de uma cromátide prende-se a em caso de erros de ligação dos cromossomos ao microtúbulos provenientes de um dos pólos, a cromátide- Algumas substâncias de origem vegetal, como a acaba por ficar com seu cinetócoro voltado para o colchicina, a vimblastina e o taxol, interferem na formação pólo oposto, tendo grande probabilidade de se prender a do fuso acromático e, dependendo da concentração, podem microtúbulos provenientes dele. bloquear a divisão celular. A colchicina, por exemplo, com- bina-se especificamente com os dímeros de tubulina, des- Formação da placa metafásica polimerizando os microtúbulos. Conseqüentemente, células em divisão tratadas com colchicina ficam estacionadas em Os antigos citologistas já haviam observado que, no metáfase. Recentemente, algumas dessas substâncias vem fim da prófase, após a ruptura da carioteca, os cromos- sendo usadas no tratamento de câncer, uma vez que inibem somos executam movimentos oscilatórios, movendo-se a rápida divisão característica das células tumorais. 6 ATUALIDADES BIOLÓGICASCrecimento dos Fibras Encurtamento microtúbulos cromossômicas das fibras cromossômicos cromossômicas Placa metafásica A B C D Acima, esquema da captura dos cromossomos pelos Para o microtúbulos cinetocóricos. (A) Captura de um dos cine- centrossomo tócoros. (B) Captura do cinetócoro oposto. (C) Equilíbrio de tensões nas fibras cromossômicas, com formação da placa metafásica. (D) Separação dos centrômeros e encurtamento das fibras cromossômicas na anáfase. Microtúbulo cromossômico Migração dos cromossomos para os pólos Há evidências de que as de um cro- Liberação de mossomo estão unidas na região do centrômero por pro- unidades de tubulina teínas especiais. Quando todos os cromossomos estão ali- Extremidade + na placa metafásica e, portanto, corretamente liga- Cinetócoro dos aos pólos do fuso, as proteínas que unem centrômeros- irmãos são degradadas, e as separam-se Cromossomo simultaneamente em todos os cromossomos da célula. Com a divisão do centrômero, as agora chamadas cromossomos-irmos, começam a migrar para pólos opostos. Dentre as hipóteses aventadas para explicar a migração dos cromossomos na anáfase, uma que ganhou destaque foi a do deslizamento das fibras cromos- Sentido de migração do sômicas sobre as fibras polares do fuso acromático. Resul- cromossomo tados experimentais recentes, no entanto, mostram que a migração dos cromossomos se dá pelo encurtamento dos A migração dos cromossomos para os pólos da célu- microtúbulos cromossômicos devido à despolimerização la, na anáfase, decorre principalmente do encurta- em suas extremidades +. mento dos microtúbulos que compõem a fibra cromos- Contribui também para a separação dos cromossomos- sômica. Os microtúbulos encurtam devido à liberação irmãos o alongamento do fuso, causado pelo crescimento de tubulina (despolimerização), preferencialmente na das fibras polares provenientes de centrossomos opostos. extremidade +, ligada ao cinetócoro. BIBLIOGRAFIA ALBERTS, B. et al. Molecular Biology of the cell. ed. NASMYTH, K. Viewpoint: putting the cell cycle in order. New York/London, Garland Publishing. 1989. Science, 274: 1643-1645, 1996. LODISH, H. et al. Molecular cell Biology. ed. New NICKLAS, R. B. How cells get the right chromosomes. York, Scientific American Books, 1995. 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