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i -- ----- BASES DA GUANABARA~KOOGAN 1 / Revisão Técnica Jorge Mamede de Almeida Professor (Aposentado) de Histologia e Embriologia do Instituto Biomédico da Universidade Federal Fluminense - UFF. Ex-Diretor do Instituto Biomédico da Universidade Federal Fluminense - UFF. Comenda de Honra ao Mérito do Instituto Biomédico da Universidade Federal Fluminense - UFF. Comenda do Mérito Laet César. Member of the New York Academy of Sciences. Professor de Neuro-Histologia do Curso de Pós-Graduação em Neurofisiologia do Instituto de Medicina e Reabilitação - IBMR. Ex-Professor de Embriologia da Faculdade de Castelo - FaCastelo. Ex-Professor de Histologia e Embriologia da Faculdade da Universidade do Grande Rio - UNIGRANRIO. Ex-Professor de Histologia e Embriologia da Faculdade de Medicina da Universidade de Nova Iguaçu - UNIG. Ex-Professor de Histologia e Embriologia da Universidade Estácio de Sá Tradução Antonio Francisco Dieb Paulo Médico Eduardo M. F. De Robertis É doutor em Medicina e graduou-se com Medalha de Ouro na Faculdade de Medicina da República Oriental del Uruguay. Além disso, é doutor em Bioquímica da Faculdade de Ciências Exatas da Universidade de Buenos Aires. Depois de completar seu doutorado na Fundación Campomar, transferiu-se para Cambridge, Inglaterra, a fim de continuar seu treinamento com Sir Gurdon em embriologia de anfíbios. Desde 1985, é professor titular de Bioquímica da Faculdade de Medicina da Universidade da Califórnia, Los Angeles, onde ocupa a Norman Sprague Endowed Chair for Molecular Oncology. Em 1994, foi nomeado Investigador do Howard Hughes Medical Institute. Foi eleito membro da European Molecular Biology (EMBO), da Organización Iberoamericana de Biología Molecular (IMBO) e é membro correspondente da Société de Biologie de Paris. Recebeu distinções da Fundación Konex, do College de France de Paris e de outras entidades. É membro de Conselhos Assessores de numerosas organizações internacionais. Recentemente, foi eleito membro da American Academy of Arts and Sciences. José Hib Graduou-se na Faculdade de Medicina da Universidade de Buenos Aires. É doutor em Medicina dessa universidade e doutor em Biologia da Universidade de Salvador. Desde cedo, dedicou-se à docência e se transferiu - como bolsista da Organização Mundial da Saúde - ao Centro Latino-Americano de Perinatologia de Montevidéu, dirigido pelo professor Roberto Caldeyro-Barcia. Nessa instituição, realizou seus primeiros trabalhos de pesquisa, vinculados à contratilidade dos órgãos do sistema reprodutor masculino e sua regulação farmacológica e hormonal. Depois, radicou-se em Buenos Aires, onde, como membro do CONICET, continuou suas investigações, que foram publicadas em mais de 30 revistas estrangeiras, ou proferidas em congressos nacionais e internacionais da especialidade. Em 1986, foi nomeado professor adjunto do Departamento de Biologia Celular, Histologia, Embriologia e Genética da Faculdade de Medicina da Universidade de Buenos Aires e, desde 1996, é professor titular dessa disciplina na Universidad Abierta Interamericana. Foi membro do Comité Científico del Primer Cortgreso Panamericano de Andrología e foi premiado pelo Ministerio de Educación de la Nación por seu trabalho Contractilidad del epidídimo. É autor dos livros Embriología Médica e Histología de Di Piore -Texto y Atlas-; esse último, da mesma forma que Bases, foi traduzido para o português. Prólogo Em primeiro lugar, desejamos expressar nosso reconhecimento pelas numerosas mensagens recebidas de colegas felizes pelo aparecimento da terceira edição deste Bases, celebrando a pos- sibilidade de que este texto clássico de biologia celular possa continuar sendo consultado pelos estudantes. É que, em uma época como a atual , em que importantes descobrimentos sobre a célula são publicados quase cotidianamente, os livros que descrevem as estruturas e as funções celulares persistem na consideração dos docentes somente se forem atualizados com certa periodicidade. Entretanto, antes de somarem informações novas, devem esses dados novos ser selecionados cri- teriosamente, a fim de que a novidade não prevaleça sobre o essencial e invada o lugar dos conhe- cimentos .básicos que os estudantes têm que aprender no começo de suas carreiras, já que, com freqüência, abordam o estudo da célula com poucas noções sobre seu funcionamento. Além disso, ao longo do livro, temos tratado de orientar o interesse dos estudantes para que compreendam que o conhecimento das estruturas e funções celulares normais são os fundamentos da maioria dos. temas que deverão aprender quando cursarem outras disciplinas. Todos os capítulos desta quarta edição foram revisados e atualizados, em especial as seções correspondentes à migração celular, os revestimentos das vesículas transportadoras do sistema de endomembranas, a incorporação de proteínas à mitocôndria, a transmissão intracelular de sinais, a passagem de moléculas através do complexo do poro, a importância do RNAxist, as propriedades dos miRNA (microRNA), a influência do enrolamento da cromatina sobre a atividade do? genes (código histônico) , o ribossoma, a síntese da cadeia atrasada do DNA, os telômeros, o complexo sinaptonêmico, a morte celular, a análise da função dos genes com a ajuda de RNA pequenos de interferência etc. Do mesmo modo que na edição anterior, procuramos apresentar os temas razoavelmente resu- midos, apesar de, como dissemos, as publicações derivadas da investigação científica serem cada dia mais numerosas. No entanto, cuidamos de não fazê-lo à custa da clareza didática, propósito que se viu enonnemente favorecido pelas ilustrações coloridas com as quais conta esta edição. Com relação a isso, o leitor observará que, a cada componente da célula, foi atribuída uma cor, que se manteve em todas as figuras onde o componente aparece. Além disso, as seções em que se dividem os capítulos foram encabeçadas por códigos simples que se repetem cada vez que se faz referência a questões vinculadas a seus conteúdos, o que facilitará a busca dos temas e agilizará as intenções de integrá-los. Como é natural, o preparo de uma nova edição é uma tarefa complexa que depende do esforço de muitas pessoas. Entre os colaboradores mais dedicados, destacamos o desenhista gráfico Ale- jandro F. Demartini, que teve a seu encargo a elaboração das ilustrações, das figuras novas e da diagramação das páginas. Desejamos ressaltar o incalculável apoio que nos forneceu, não somente por sua experiência editorial, mas também pelo empenho com que enfrentou os problemas advin- dos, pois não se deu por satisfeito até que a estética e a informação das figuras chegassem ao nível que desejávamos. Merece uma menção especial o Sr. Arnaldo Saita, de quem dependeu a correção do texto ori- ginal a fim de alcançar - e não duvidamos que o conseguiu - a maior precisão idiomática pos- sível. Cabe também mencionar a Srta. Marina von der Pahlen e os Srs. Américo Ruocco, Miguel A. Romero e Roque Quinteros, pela colaboração dada às diferenciadas etapas da preparação do X • PRÓLOGO livro. Finalmente, deixamos registrados nossos agradecimentos à Diretora do Editorial da El Ate- neo, Srª Luz Henríquez, pela anuência para a publicação desta nova edição de Bases, e ao Editor do Departamento de Medicina, Sr. Enrique Lohnnann, pelo generoso e incondicional apoio desde a gestão deste projeto. ÜS AUTORES 0 CÉLÚLA Introdução, 1 , Níveis de organização, 1 / Características gerais das células, 3 J Conteúdo c"' 2. OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA (o~ Introdução, 17 Água e minerais, 18 Ácidos nucléicos, 18 Carboidratos, 22 Lipídios, 24 Proteínas, 29 Enzimas, 33 ~origem das células, 36 . AS MEMBRANAS CELULARES. Permeabilidade das membranas Atividades das membranas, 39 v v 1 Estrutura das membranas celulares, 39 \ Fluidez das membranas, 43 '-.../ Permeabilidade das membranas celulares, 46 '-.../' < membrana plasmática e a parededa célula vegetal, 56 4. O CITOSSOL Componentes, 59 Chaperonas, 61 Proteassomas, 62 ·*~. O CITOESQUELETO. Forma e motilidade ~ Componentes, 65 Filamentos intermediários, 65 Microtúbulos, 68 Centrossoma, 68 Cílios, 73 Corpos basais e centríolos, 75 Filamentos de actina, 77 Motilidade celular, 82 Microvilosidades, 86 Contratilidade muscular, 87 Citoesqueleto da hemácia, 91 xii • CONTEÚDO .6. A JUNÇÃO DAS CÉLULAS ENTRE SI E COM A MATRIZ EXTRACELULAR '<> Á Matriz extracelular, 95 Uniões das células com a matriz extracelular, 98 Uniões transitórias entre as células, 98 Uniões estáveis entre as células, 100 As conexões entre as células vegetais , 104 7. O SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS. Digestão e secreção ('.)" Componentes, 107 Retículo endoplasmático, 108 Complexo de Golgi, 109 Funções do retículo endoplasmático e do complexo de Golgi, 111 Secreção celular. Exocitose, 123 Endossamos. Endocitose, 125 Lisossomos. Digestão celular, 129 Vesículas transportadoras, 131 O sistema de endomembranas na célula vegetal, 138 ~8. AS MITOCÔNDRIAS. Energia celular I Processos bioenergéticos, 141 Descrição geral e estrutura das mitocôndrias, 146 Funções das mitocôndrias, 149 Mitocôndrias das células de gordura parda, 154 Reprodução das mitocôndrias, 155 DNA mitocondrial, 156 Provável origem das mitocôndrias, 157 9. OS CLOROPLASTOS. Energia celular II Tipos de plastídios, 159 Estrutura dos cloroplastos, 160 Fotossíntese, 162 Biogênese dos cloroplastos, 166 'lt 10. OS PEROXISSOMAS. Desintoxicação celular Conteúdo dos peroxissomas, 169 Funções, 169 Reprodução, 170 Os peroxissomas nas células vegetais, 171 "til. A COMUNICAÇÃO INTERCELULAR E A TRANSMISSÃO INTRACELULAR DE SINAIS Formas de comunicação entre as células, 173 Induções celulares mediadas por receptores citosólicos, 175 Induções celulares mediadas por receptores localizados na membrana plasmática, 177 Receptores de membrana que adquirem atividade enzimática ou que ativam enzimas, 178 Receptores de membrana acoplados a proteínas G, 181 12. O NÚCLEO '~1-\ Descrição geral, 193 Envoltório nuclear (cario teca), 193 Cromossomos, 198 Eucromatina e heterocromatina, 202 Cariótipo, 203 13. OS GENES Introdução, 209 Código genético, 21 1 Composição dos genes, 213 14. A TRANSCRIÇÃO DO DNA 01t-- Definição, 217 Transcrição dos genes dos RNA mensageiros, 219 Regulação da atividade de genes que codificam RNA mensageiros, 220 Transcrição do gene do RNA ribossômico 45S , 228 Transcrição do gene do RNA ribossômico 5S, 228 Transcrição dos genes dos RNA de transferência, 229 Transcrição dos genes dos RNA pequenos, 229 · Transcrição dos genes do RNAxist, do RNAte e dos miRNA (microRNA), 230 Transcrição dos genes nas células procariontes, 230 15. O PROCESSAMENTO DO RNA º"" Processamento dos RNA mensageiros, 237 Regulação do processamento dos RNA mensageiros, 241 • Processamento do RNA ribossômico 45S , 242 Nucléolo, 243 Processamento do RNA ribossômico 5S , 244 Processamento dos RNA de transferência, 245 Processamento dos RNA pequenos, 245 '\( Processamento do RNAxist, do RNAte e dos miRNA, 246 16. A TRADUÇÃO DO RNAm. Síntese de proteínas t 0~ Descrição geral e código genético, 247 Tipos de RNA de transferência, 249 Aminoacil-RNAt sintetase, 250 Ribossomas, 251 As etapas da síntese protéica, 253 Regulação da tradução dos RNA mensageiros e da degradação das proteínas, 258 17. A REPLICAÇÃO DO DNA. Mutação e reparo e,._, Replicação do DNA. Descrição geral, 263 Origens de replicação, 264 Replicação contínua e descontínua, 267 Replicação do DNA nos telômeros, 27 1 Funções das topoisomerases, 273 Mutação do DNA, 275 Reparação do DNA, 277 Transposição de seqüências de DNA, 279 , 18. A MITOSE. Controle do ciclo celular Mitose, 283 Descrição geral da mitose, 284 Fases da mitose, 285 Centrossomas, 287 , ,:r CONTEÚDO • xiii xiv • CONTEÚDO Cinetocoros, 288 Fuso mitótico, 289 Citocinese, 291 A mitose nas células vegetais, 291 Controle do ciclo celular, 293 Protooncogenes, oncogenes e genes supressores de tumores, 297 19. A MEIOSE. Fecundação A meiose e a reprodução sexual, 301 Diferenças entre a mitose e a meiose, 301 Descrição geral da meiose, 302 Fases da meiose, 304 Conseqüências genéticas da meiose, 312 Fecundação, 314 Fases da fecundação, 315 A meiose nas células vegetais e a reprodução das plantas, 320 20. AS BASES DA CITOGENÉTICA Leis da herança mendeliana, 323 Aberrações cromossômicas, 327 Aberrações cromossômicas na espécie humana, 330 Pápel dos cromossomos na evolução, 333 21. A DIFERENCIAÇÃO CELULAR Características gerais, 335 Interações nucleocitoplasmáticas, 336 Determinantes citoplasmáticos, 338 Valores posicionais das células embrionárias, 341 Estabelecimento do plano corporal, 341 Fenômenos indutivos, 342 O estabelecimento do plano corporal na Drosophila, 345 Genes responsáveis pela formação do plano corporal, 346 22. A MORTE CELULAR Definição e características gerais, 349 Apoptose por supressão de fatores tróficos, 350 Apoptose por ativação de receptores específicos, 352 Apoptose devida a mutações no DNA, 353 23. OS MÉTODOS DE ESTUDO EM BIOLOGIA CELULAR Microscopia óptica, 357 Microscopia eletrônica, 362 Estudo das células vivas, 366 €itoquímica, 367 Imunocitoquímica, 368 Radioautografia, 369 Fracionamento celular e molecular, 370 Análise molecular do DNA e engenharia genética, 373 Análise da função dos genes, 381 ÍNDICE ALFABÉTICO, 385 A célula L ODUÇÃO As cél ulas são as estruturas com as quais os organismos vivos são construídos O esrudo do universo biológico mostra-nos que a evolução produziu uma imensa diversidade = as viventes. Existem cerca de quatro milhões de espécies de animais, vegetais, protozoá- térias, cujos comportamentos, morfologias e funções diferem entre si. Entretanto, no nível ~ar e celular, estes seres vivos apresentam um plano mestre de organização único. O cam- . biologia celular e molecular é, precisamente, o estudo desse plano de organização unifica- em outri,!S palavras, é a análise das moléculas e dos componentes celulares com os quais se ;;rroem todas as formas de vida. _.\célula é a unidade estrutural e funcional fundamental dos seres vivos, assim como o átomo "dade fundamental das estruturas químicas. Se, por algum meio, a organização celular for 'da, a função da célula também será alterada. Os e tudos bioquímicos demonstraram que a matéria viva é composta pelos mesmos elemen- ue constituem o mundo inorgânico, embora com diferenças em sua organização. No mundo - ado, existe uma tendência contínua para o equilíbrio termodinâmico, no curso do qual são ;::;:;uduzidas transformações eventuais entre a energia e a matéria. Ao contrário, nos organismos . existe um ordenamento manifestado nas transformações químicas, de modo que as estrutu- - e as funções biológicas não se alteram. _·o Cap. 23, são descritos ordenadamente os métodos de estudo que proporcionarão os conhe- entos essenciais sobre a estrutura íntima das células e permitirão descobrir a organização lular até um nível molecular. O pre ente capítulo tem como objetivos principais oferecer uma introdução ao estudo das es- e das funções da célula e apresentar a nomenclatura dos componentes celulares. Após ionar os níveis de organização concernentes à biologia, descreveremos a organização estru- do procariotas e dos eucariotas - os dois tipos principais de organismos vivos - e serão illlaladas suas semelhanças e diferenças. Também o leitor será introduzido nos processos gerais - divi ões mitótica e meiótica das células . . .\través da atenta leitura deste capítulo, o leitor obterá uma visão geral da célula, que servirá de para a aprendizagem do material apresentado no restante do livro. · EIS DE ORGANIZAÇÃO -2. Níveis de organizàção em biologia celular e poder resolutivo dos instrumentos utilizados O estudos modernos da matéria viva demonstram que as manifestações vitais doorganismo illltam de uma série de níveis de organização integrados. O conceito dos níveis de organização ~lica que; em todo o universo, tanto no mundo inerte como no mundo dos seres vivos, existem -erentes níveis de complexidade,. de maneira que as leis ou regras que são cumpridas em um , ·el podem não se manifestar em outros. O Quadro 1.1 mostra os limites que separam o estudo dos sistemas biológicos em diferentes '·ei . Os limites são impostos artificialmente pelo poder de resolução dos· instrumentos utiliza- -_ O olho humano só pode distinguir d.ois pontos separados por mais de 0,1 mm (100 µm). A · oria das células é muito menor e, para estudá-las, é necessário o poder de resolução do micros- 1 2 • ACÉLULA Quadro 1.1 Ramos da morfologia Dimensão >0,lmm 100-lO µ,m 10-0,2 µ,m Ramo Anatomia Histologia Citologia Estrutura Órgãos Tecidos Células Método Olho e lente simples Vários tipos de microscópios ópticos Vários tipos de microscópios ópticos 200-0,4 nm Morfologia submicroscópica Ultra-estrutura Bactérias Componentes celulares Vírus Microscopia eletrônica < 1 nm Estrutura molecular e atômica Posição dos átomos Difração de raios X 1 mm equi vale a 1.000 µm ; 1 µm, a 1.000 nm. Fig. 1.1 Escala logarítmica das dimensões microscópicas. Cada divisão principal representa um · tamanho 10 vezes menor que a precedente. À esquerda, está indicada a posição dos diferentes comprimentos de onda do espectro eletromagnético e os limites de resolução do olho humano, do microscópio óptico e do microscópio eletrônico. À direita, aparecem as dimensões das células, das bactérias, dos vírus, das moléculas e dos átomos. cópio óptico (0,2 µm). A maior parte das subestruturas celulares é ainda menor e exige a resolu- ção do microscópio eletrônico (Cap. 23-11). Com este instrumento, podem ser obtidas informa- ções de subestruturas que medem entre 0,4 e 200 nm, o que amplia o campo de observação até o mundo das macromoléculas. Os resultados obtidos mediante a aplicação da microscopia eletrôni- ca transformaram o campo da citologia em um tal grau que grande parte deste livro é dedicada ao estudo dos conhecimentos obtidos com esta técnica. Por outro lado, os estudos da configuração molecular das proteínas, dos ácidos nucléicos e de outros complexos moleculares de grande tama- nho - incluídos alguns vírus - são realizados por intermédio da análise das amostras por difra- ção de raios X. Na Fig. 1.1 , estão indicados os tamanhos das células eucariontes, das bactérias, dos vírus e das moléculas em escala logarítmica,..e são comparados com os comprimentos de onda das radiações e com os limites de resolução do olho humano, do microscópio óptico e do microscópio eletrôni- Ondas de rádio Limite do olho humano ------+ Infravermelho Visível Limite do microscópio óptico ----.. Ultravioleta Raios '! e X Limite do microscópio eletrônico _,.... 1 mm 100 µm ..._------ Células 'ºº om]---Vic"' 10 nm J Proteínas 1 nm }--Aminoácidos 1-----Átomos Quadro 1.2 Relações entre as dimensões lineares e os pesos Dimensão linear 1 cm 1 mm 100 µ,m 1 µ,m Peso 1 g 1mg, 10- 3 g 1 µ,g , 10- 6 g 1pg, 10-12 g Terminologia Bioquímica convencional Microquímica Histoquímica } Citoquímica Ultramicroquímica co. Vale a pena lembrar que o microscópio óptico permite um aumento de 500 vezes com relação à resolução do olho humano, e o microscópio eletrônico um aumento 500 vezes maior que o mi- croscópio óptico. No Quadro 1.2, encontram-se apresentadas as relações gerais entre as dimensões lineares e os pesos que são usados na análise química da matéria viva. É essencial nos familiarizarmos com estas relações para o estudo da biologia molecular da célula. O peso dos componentes celulares é expresso em picogramas (1 pg = 1 µµg , quer dizer 10- 12 g) e o das moléculas em dálton. Um dálton (Da) é equivalente ao peso de um átomo de hidrogênio, porém, às vezes, utilizamos o seu múltiplo, quilodálton (1 kDa = 1.000 Da). Por exemplo, uma molécula de água pesa 18 Da e uma de hemoglobina, 64,5 kDa. CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS CÉLULAS 1-3. Existem células procariontes e células eucariontes No começo do capítulo, dissemos que a vida se manifesta em milhões de espécies diferentes que possuem comportamentos, formas e funções próprias. As espécies são ordenadas em grupos de organismos cada vez mais amplôs - gêneros, famílias , ordens - até chegar ao nível dos rei- nos clássicos: vegetal e animal. Uma das classificações mais üsadas propõe' a divisão em cinco reinos: morrera, protista, fungos , vegetal e animal, com suas subdivisões correspondentes (Qua---- ~~-dro 1.3). . Este quadro pode ser simplificado se examinarmos as distintas formas viventes em nível celu- lar. Assim, é possível classificar as células em duas categorias reconhecíveis: procariontes e eucariontes. No Quadro 1.3, verificamos que apenas os morreras (quer dizer, as bactérias e as algas azuis) são células procariontes, enquanto todos os demais reinos são integrados por organis- mos compostos por células eucari9ntes. • A principal diferença entre ambos os tipos celulares é que as céluh:is prQcariontes não possuem eUYoltório nuclear. O cromossomo das células procariontes ocupa o espaço, dentro delas, deno- minado nucleóide e se encontra em contato direto com o resto do protoplilsma. Por outro lado, as células eucariontes possuem um núcleo verdadeiro com um envoltório nuclear complicado,.atra- és do qual ocorrem as trocas nucleocitoplasmáticas .. No Quadro 1.4 é estabelecida a comparação da organização estrutural nos procariotas e nos eucariotas, o que ilustra as diferenças e as seme- lhanças entre os dois tipos celulares. Quadro 1.3 Classificação das células e dos organismos Células Reino Procariontes Moneras Eucariontes Protistas Fungos Vegetais Animais Organismos representativos Bactérias Algas azuis, Protozoários Cri só fitas Mofas Fungos verdadeiros Algas verdes Algas vermelhas Algas pardas . Briófitas Traqueófitas Metazoários ACÉLULA • 3 4 • ACÉLULA Fig. 1.2 Esquema do ciclo de energia entre as células autótrofas (fotossintéticas) e heterótrofas. Quadro 1.4 Organização celular em procariotas e eucariotas Procariotas Eucariotas En voltório nuclear Ausente Presente DNA Desnudo Combinado com proteínas Cromossomos Únicos Múltiplos Nucléolos Ausentes Presentes Divisão Fissão binária Mitose ou meiose Ribossomas 70S* (SOS + 30S) SOS (60S + 40S) Endomembranas Ausentes Presentes Mitocôndrias Ausentes Presentes Cloroplastos Ausentes Presentes em células vegetais Parede celular Não celulósica Celulósica em células vegetais Exocitose e endocitose Ausentes Presentes Citoesqueleto Ausente Presente '''S corresponde à unidade Sveclberg de sed imentação, que depende da densidade e da fotma da molécul a. Do ponto de vista evolutivo, os procariotas são considerados antecessores dos eucariotas. Os fósseis que datam de três bilhões de anos manifestam-se unicamente como procariotas, tanto que ~ os eucariotas provavelmente só aparecerão depois de bilhões de anos . Apesar das diferenças entre os procariotas e os eucariotas, existem grandes semelhanças em sua organização molecular e em suas funções. Por exemplo, ambos os tipos de organismos utilizam o mesmo código genético e um maquinário similar para sintetizar proteínas. 1tf' 1-4. Existem organismos autótrofos e organismos heterótrofos O sol constitui a fonte original de energia para os organismos vivos. A energia incluída nos fótons é captada pelo pigmento chamado cloi;ofila - que se encontra nos cloroplastos dos vege- tais verdes - e se acumula sob a forma de energia química nos diferentes alimentos consumidos por outros organismos. - As células e os organismos pluricelulares (ou multicelulares) podem se agrupar em duas clas- ses principais segundo o mecanismo que utilizam para extrair energia para seu próprio metabolis- mo. Os que pertencem à primeira classe- denominados autótrofos (p. ex., os vegetais verdes) - utilizam o processo de fotossíntese para transformar C02 e H20 em carboidratos simples, a partir dos quais podem produzir moléculas mais complexas. Os pertencentes à segunda classe-:- chamados heterótrofos (p. ex. , os animais) - obtêm energia dos carboidratos, das gorduras e das proteínas sintetizados pelos organismos autótrofos . A energia contida nessas moléculas orgânicas _ é liberada mediante a combustão de 0 2 atmosférico (quer dizer, por oxidação), por um processo denominado respiração aeróbica. A liberação, pelos organismos heterótrofos , de H20 e C02, ge- rados por esse processo, completa o ciclo energético (Fig. 1.2). Estes ciclos energéticos mantiveram-se relacionados entre si ao longo da evolução. Entre os procariotas existem algumas espécies autótrofas e outras heterótrofas. Os vegetais (com exceções) são autótrofos, enquanto os animais e os fungos são heterótrofos. - Fótons 1t Células fotossintéticas Glicose Células heterótrofas 1- 5. Organização geral das células procariontes Bactérias. Embora este livro seja dedicado às células eucariontes dos organismos mais com- plexos, grande parte do conhecimento sobre biologia celular provém de estudos realizados em vírus e bactérias. Uma célula bacteriana como a da Escherichia coli apresenta a vantagem do cultivo fácil a 37º C em soluções aquosas de íons inorgânicos, glicose, aminoácidos e nucleotídeos, onde duplica sua massa e se divide em aproximadamente 20 minutos. Devemos assinalar que a Esche- richia coli pertence à classe de bactérias que não se coram pelo método de coloração desenvolvi- do pelo microbiólogo H.C. Gram e, por isso, são conhecidas como bactérias Gram-negativas. Tanto a eletromicrografia quanto o esquema na Fig. 1.3 mostram que a membrana plasmática dessas bactérias é circundada por uma parede celular que serve de proteção mecânica, é rígida e consiste em duas camadas: uma interna de peptidoglicana e outra conhecida como membrana extern~. Note-se que ambas são separadas pelo espaço periplasmático. A peptidoglicana é uma macromolécula contínua composta por carboidratos incomuns unidos por peptídeos curtos. Por outro lado, a membrana externa é uma dupla camada de lipoproteínas e lipopolissacarídeos com estrutura similar à membrana plasmática. Um de seus complexos protéicos presentes na membra- na externa recebe o nome de porina, por form ar um canal transmembrana que permite a difusão livre de solutos. A membrana plasmática* é uma estrutura lipoprotéica que serve de ban-eira para os elementos presentes no meio circundante. Esta membrana, ao controlar a entrada e saída dos solutos, contribui para o estabelecimento de um meio perfeitamente regulado no protoplasma da bactéria. Vale a pena assinalar agora que nos procariotas os complexos protéicos da cadeia respiratória (Cap. 8-1 1) e os fotossistemas utilizados na fotossíntese (Cap. 9-8) estão localizados na membrana plasmática. No protoplasma encontram-se partículas de 25 nm de diâmetro, denominadas ribossomas, compostas de ácido ribonucléico (RNA) e proteínas; estas contêm uma subunidade grande e outra pequena. Os ribosSümas estão agrupados em polirribossomas e neles tem lugar a síntese protéica. Ademais: o protoplasma contém água, íons, outros tipos de RNA, proteínas estruturais e enzimá- ticas, diversas moléculas pequenas, entre outras estruturas. O cromossomo bacteriano é uma molécula circular única de DNA desnudo, bem pregueado dentro do nucleóide, que, visto à microscopia eletrônica, é observado como a região mais clara do protoplasma (F.ig. 1.3). É impmtante lembrar que o DNA da Escherichia coli, que possui um com- A Membrana plasmática *N.R.T.: Também chamada plasmalema ou membrana celular. A CÉLULA • 5 Fig. 1.3 A. Eletromicrografia de uma Escherichia coli que mostra, por fora da membrana plasmática, o espaço periplasmático e a membrana externa da parede celular. O nucleóide aparece como uma região irregular de pouca densidade eletrônica. O restante do protoplasma está ocupado por ribossomas . (Cortesia de B. Menge, M. Wurtz e E. Kellenberger.) B. Esquema da parede celular de uma bactéria Oram-negativa. Observe a peptidoglicana e a membrana externa, cuja dupla camada lipídica é atravessada por porinas. No lado inferior da figura, vê-se uma parte da membrana plasmática. 6 • ACÉLULA Fig. 1.4 Eletromicrografia de vírus corados negativamente. O desenho do detalhe mostra a estrutura icosaédrica do vírus e as pentanas (em preto) e hexanas dos capsômeros. primento de aproximadamente 106 nm (1 mm), contém informação genética para codificar entre 2.000 e 3.000 proteínas diferentes . O cromossomo dos procariotas está unido à membrana plasmática. Acredita-se que esta fixa- ção contribua para a separação dos cromossomos-filhos depois da replicação do DNA. Esta sepa- ração ocorreria com o aumento da membrana plasmática interposta entre ambos os cromossomos. Além do cromossomo, algumas bactérias contêm um DNA pequeno - também circular - denominado plasmídio. O plasmídio pode conferir à célula bacteriana resistência a um ou a vári- os antibióticos. Com o uso de técnicas de engenharia genética (Cap. 23-34) é possível isolar os plasmídios, inserir-lhes fragmentos específicos de DNA (genes) e, em seguida, transplantá-los a outras bactérias. Micoplasmas. A maioria das células procariontes é pequena (mede entre 1 e 10 µm), porém algumas podem alcançar um diâmetro de até 60 µm. Entre os organismos vivos que possuem a massa menor, os que melhor se adaptam para o seu estudo são as pequenas bactérias chamadas micoplasmas, que produzem doenças infecciosas em diferentes animais e no homem e podem ser cultivadas in vitro como qualquer outra bactéria. Estes agentes têm o diâmetro de 0,1 a 0,25 µm, como o de alguns vírus grandes. Sua importância biológica baseia-se no fato de possuírem uma massa mil vezes menor que o tamanho médio de uma bactéria e um milhão de vezes menor do que o de uma célula eucarionte. Vírus. Os vírus foram reconhecidos por sua propriedade de atravessar os poros de um filtro de porcelana (daí sua denominação original de vírus filtráveis) e pelas alterações patológicas que produzem nas células. O tamanho dos vírus varia entre 30 e 300 nm e sua estrutura mostra dife- rentes graus de complexidade. Muitos apresentam simetria icosaédrica (Fig. 1.4), que deriva do modo como se combinam entre si certas unidades protéicas chamadas capsômeros, que formam o envoltório do vírus ou capsídeo. Os vírus não são considerados células verdadeiras. Embora participem de algumas proprieda- des celulares - como a auto-reprodução, a herança e a mutação gênica -, dependem de células hospedeiras (procariontes ou eucariontes) para manifestá-las. Fora da célula hospedeira, os vírus são metabolicamente inertes e até podem se cristalizar; ativam-se (quer dizer, se reproduzem) quando ingressam em uma célula. De acordo com o tipo de ácido nucléico que os vírus contêm, existem dois tipos de vírus: 1) os que possuem uma molécula de RNA como cromossomo (p. ex., o vírus da AIDS); e 2) os que têm uma molécula de DNA (p. ex. , os vírus bacterianos ou bacteriófagos) . Os vírus replicam seus genes para se reproduzirem. Também eles os transcrevem (em RNA mensageiros), porém dependem do maquinário biossintético da célula hospedeira (quer dizer, ri- bossomas, RNA de transferência, enzimas, aminoácidos etc.) para sintetizar suas proteínas (p. ex ., os capsômeros) . Os vírus são produzidos por um processo de agregação macromolecular, o que significa que seus componentes são sintetizados separadamente em diferentes lugares da célula hospedeira e, em seguida, reunidos de maneira coordenada em outra parte dela. Os bacteriófagos são vírus que usam como hospedeiros as células bacterianas. O DNA encon- tra-se na cabeça do bacteriófago e é injetado na bactéria por meio de uma cauda que se adere à parede da célula hospedeira e atuacomo uma seringa. Os processos posteriores na bactéria são muito rápidos e começam com a hidrólise enzimática de seu DNA. Os nucleotídeos resultantes são utilizados para sintetizar o DNA de novos bacteriófagos. A partir deste DNA são sintetizados A CÉLULA • 7 - Fig. 1.5 Escherichia coli infectada por um bacteriófago (compare com a Fig. 1.3 de controle). Observam-se alguns resíduos do bacteriófago aderidos à parede celular (setas) depois da entrada do DNA. O nucleóide não pode ser visto e a célul a aparece repleta de vírus. (Cortesia de B. Menge, M. Wurtz e E. Kellenberger.) os RNA mensageiros e as proteínas estruturais dos vírus. Finalmente, todos estes componentes são reunidos e os bacteriófagos maduros são arrumados dentro da bactéria infectada. Como se vê na Fig. 1.5 , depois de ter sido infectada por um bacteriófago, a Escherichia coli aparece repleta de vírus e pronta para se romper e, assim, deixar os novos bacteriófagos em liberdade. Quando se trata de vírus que infectam células eucariontes, o processo é mais complexo. Assim, o DNA ou o RNA do vírus se replica no núcleo da célula hospedeira e as proteínas virais são sin- tetizatlas nos ribossomas citoplasmáticos. Em seguida, os novos componentes virais combinam- se entre si no interior da célula. Para concluir o estudo dos vírus, nós os comparamos com as células verdadeiras. Estas possu- em: 1) um programa genético específico que permite a formação de novas células similares às predecessoras;,. 2) uma membrana plasmática que regula as trocas entre o interior e o exterior da \O célula; 3) umá estrutura que retém a energia dos alimentos, e 4) um maquinário que sintetiza pro- teínas. Como vimos, os vírus possuem apen~s a primeira destas fac uldades e são desprovidos das demais. Por este motivo, não são considerados como células verdadeiras, apesar de conterem os padrões genéticos para codificar suas proteínas e se reproduzir. _) 1-6. Organização geral das células eucariontes Uma vez estudada a organização das células procariontes, é conveniente voltar a observar o l Quadro 1.4, onde estão resumidas as principais diferenças com as células eucariontes. Se compa- rarmos a organização da Escherichia coli (Fig. 1.3) com a de uma célula vegetal (Fig. 1.6) ou de uma célula animal (Fig. 1.7), a complexidade destas últimas chama a nossa atenção. Na célula eucarionte em interfase, o núcleo constitui um compai1imento separado, limitado \ (J pelo envoltório nuclear. Outro compartimento é representádo pelo citoplasma, que se encontra )'.1 circundado pela membrana plasmática que, às vezes, mostra diferenciações. Por sua vez, cada um destes três componentes principais contém vários subcomponentes ou subcompartimentos. Podemos utilizar o Quadro 1.5 como um guia que resume esta organização complexa, já que nele,. estão enumeradas as funções mais importantes de cada componente. __,, 1- 7. Existe uma grande diversidade morfológica entre as células eucariontes As células de um organismo multicelular têm formas e estruturas variáveis e se diferenciam de acordo com suas funções específicas nos diferentes tecidos. Esta especialização funcional faz com que as células adquiram características singulares, mesmo quando em todas elas persiste um mo- delo de organização comum (Fig. 1.8). Alguns tipos celulares, como os leucócitos, mudam de forma constantemente. Outros, como as l células nervosas e a maioria das células vegetais, possuem uma conformação bastante estável. A 1 forma de uma célula depende de suas adaptações funcionai s, do citoesqueleto presente em seu b cit_oplasma, da ação mecânica exercida pel as células adjacentes e da rigidez da- membrana pias- J mat1ca. O tamanho das células oscila dentro de limites amplos. Embora algumas possam ser observa- das a olho nu, a maioria das células é visível unicamente ao microscópio, posto que têm apenas poucos micrômetros de diâmetro (Fig. 1.1 ). í) l 8 • ACÉLULA Fig. 1.6 Esquema da ultra- estrutura de uma célula vegetal idealizada, com seus principais componentes. Membrana plasmática Retículo endoplasmático rugoso Cloroplasta - Plasmodesma ~ . O volume da célula é bastante constante nos diferentes tipos celulares e é independente do ta- \manho do organismo. Por exemplo, as células do rim e do fígado têm quase o mesmo tamanho no elefante e no rato. Assim, a massa de um órgão depende do número e não do volume das células. 1- 8. A membrana plasmática separa o conteúdo da célula do meio externo ) A estrutura que separa o conteúdo da célula do meio externo é a membrana plasmática. Tra-i ta-se de uma película delgada de 6 a 10 nm de espessura, composta de uma dupla camada lipídica "contínua e proteínas intercaladas ou aderidas a sua superfície. A membrana plasmática só pode ser visualizada ao microscópio eletrônico, que revela suas numerosas diferenciações e os diferentes tipos de estruturas que unem as células entre si ou que as conectam com certos componentes da matriz extracelular (Fig. 1.7). \ A membrana plasmática controla de maneira seletiva a passagem de solutos. Além disso, pro- move a entrada e saída de macromoléculas por meio dos processos chamados endocitose e exoci- ;.. tose, respectivamente (Quadro 1.5). Nas células animais, a membrana plasmática pode contar com uma quantidade abundante de carboidratos (Fig. 3.14), enquanto nas células vegetais sua superfí- ' cie é coberta por um segundo envoltório de espessura relativamente estável, denominada parede ,~elular (Fig. 1.6). · 1- 9. O citoplasma contém uma matriz denominada citosol O compartimento citoplasmático apresenta uma organização estrutural muito complexa, já que seu estudo à microscopia eletrônica revela um assombroso conteúdo de membranas. Nucléolo Núcleo Quadro 1.5 Organização geral da célula eucarionte r Principais componentes Membrana celular Núcleo Citosol Citoesqueleto Estruturas microtubulares Organelas do sistema de endomembranas Outras organelas Subcomponentes Parede celular Cobertura celular Membrana plasmática Cromossomos Nucléolo Enzimas solúveis Ribossomas Filamentos intermediários Microtúbulos e centrossomo Filamentos de actina Corpúsculos basais e cílios Centríolos Retículo endoplasmático Complexo de Golgi i Endossomos e lisossomos \Mitocôndrias Cloroplastos Peroxissomas Vesícula pmocít1ca~ Membrana plasmática Função principal Proteção Interações celulares Permeabilidade, exocitose e endocitose Informação genética Síntese de ribossomas Glicólise Síntese protéica Forma e mobilidade da célula Mobilidade ciliar Síntese e processamento de lipídios e glicídios Digestão Síntese de ATP Fotossíntese Desintoxicação ACÉLULA • 9 Fig. 1. 7 ~~Uel11Il geral da ultra-estrutura de uma célula animal idealizada, com seus principais comp_onemes. 10 • ACÉLULA Fig. 1.8 Alguns dos tipos celulares encontrados nos tecidos animais. Observam-se as diferenças de formas e tamanhos. Célula nervosa do cerebelo Célula epitelial mucosa Músculo liso ' Célula epitelial ciliada • Célula mucosa • • Células do sangue Célula do tecido conjuntivo Oócito . Célula adiposa Este sistema de endomembranas ocupa grande parte do citoplasma - que é dividido em nu- merosas seções e subseções - e é tão polimorfo que acaba se tornando extremamente difícil de- Í fini-lo e descobri-lo. No entanto, em geral , considera-se que o citoplasma se divide em dois gran- ldes compartimentos: um contido dentro do sistema de endomembranas e outro - o citosol ou matriz citoplasmática - que fica fora. Muitos componentes importantes do citoplasma estão no citosol, quer dizer, por fora do sistema de endomembranas. Í O citosol constitui o verdadeiro meio interno da célula. Contém os ribossomas e os filamentos ·ido citoesqueleto - nos quais tem lugar a síntese protéica - e diversas classes de moléculas vin- Lculadas a numerosíssimas atividades metabólicas. 1-1 O. O citoesqueleto écomposto por três tipos de filamentos principais Trê~ tipos de filamentos principais os de actina, os intermediários c os microtúbulos - e vários tipos de proteínas acessórias compõem uma espécie de citoesqueleto distribuído por todo o citosol. O citoesqueleto é responsável pela forma da célula e intervém em outras funções impor- tantes. Os filamentos de actina medem 8 nm de diâmetro (Fig. 1.9). Entre suas funções mais destaca- das está a de conferir motilidade às células. Os filamentos intermediários, de 10 nm de diâmetro, são formados por proteínas fibrosas e têm principalmente um papel mecânico. Os microtúbulos são estruturas tubulares rígidas de cerca de 25 nm de diâmetro (Fig. 1.9). Nascem de uma estrutura chamada centrossomo, na qual encontram-se os centríolos. Juntamente com os filamentos de actina têm sob sua responsabilidade o deslocamento das organelas pelo ci- toplasma. Além disso, os microtúbulos compõem as fibras do fuso mitótico durante a divisão ce- lular. Os centríolos são estruturas cilíndricas que medem aproximadamente 0,2 µm pm 0,4 µm e suas paredes são formadas por microtúbulos. Em geral , são duplos e suas duas unidades estão dispostas perpendicularmente. Embora sejam encontrados nos centrossomos, não intervêm na formação dos microtúbulos (as células vegetais não contam com centríolos e os microtúbulos são igualmente formados). Durante a mitose, os centríolos migram para os pólos da célula. \._,rr 1-11. O sistema de endomembranas engloba o complex9 de Golgi, o retículo endoplasmático, os endossamos e os lisossomos A Fig. 1.7 ilustra a continuidade e as interconexões funcionais dos diferentes componentes do sistema de endomembranas no citoplasma. . O retículo endoplasmático constitui a parte mais extensa do sistema de endomembranas (Figs. l.7'e 1.10). É composto por sacos achatados e túbulos. A superfície externa do retículo endoplas- mático rugoso encontra-se coberta de ribossomas, que sintetizam as proteínas destinadas ao siste- ma de endomembranas e à membrana plasmática. O retículo en1oplasmático liso continua-se com o rugoso e intervém na síntese de diversas moléculas. D.Q retículo endoplasmático, deID!.a=.Se o envoltório nuclear, comgosto or duas membranas concêntricas. Estas se unem entre si ao nível os poros nucleares, que são orifícios que permitem a passagem de moléculas entre o núcleo e o citosol. A membrana nuclear interna encontra-se em contato com os cromossomos, enquanto a externa pode estar coberta por ribossomas. O complexo de Golgi é formado por pilhas de sacos achatados, túbulos e vesículas (Figs. 1.7 e 1.10). Neles são processadas as moléculas provenientes do retículo endoplasmático, que em seguida são incorporadas aos endossomos ou são liberadas (segregadas) para fora da célula por exocitose. Os endossomos' são organelas destinadas a receber enzimas hidrolíticas provenientes do com- plexo de Golgi assim como o material que entra na célula por endocitose. Quando ambos os con- teúdos são somados convertem-se em li sossomos. Os lisossomos são organelas polimorfas (Figs. 1.7 e 1.11). Contêm as enzimas hidrolíticas res- ponsáveis peia digestão das substâncias incorporadas na célula por endocitose. Também degra- dam as organelas envelhecidas (autofagia). 1-12. As mitocôndrias e os plastídios são organelas fundamentais para o funcionamento celular As mitocôndrias são encontradas praticamente em todas as células eucariontes. São estruturas cilíndricas de cerca de 3 µm de comprimento por 0,5 µm de diâmetro que possuem duas membra- ' nas . A membrana mitocondrial externa encontra-se separada da membrana interna pelo espaço intermembranoso. A membrana interna circunda a matriz mitocondrial e é pregueada. Estas pre- gas dão lugar às chamadas cristas mitocondriais, que invadem a matriz (Figs. 1.7 e 1.11). Amem- brana interna e a matriz mitocondrial contêm numerosas enzimas que intervêm na extração da energia dos alimentos e em sua transferência ao ATP. As células vegetais possuem organelas denominadas plastídios, que estão ausentes nas células animais. Alguns, como os leucoplastos, são incolores e participam do armazenamento do amido .~ Outros contêm pigmentos e são denominados cromoplastos; entre os mais importantes estão os cloroplastos, com um pigmento verde chamado clorofila (Fig. 1.6). O cloroplasto possui duas membranas, um estroma e um compartimento singular formado por sacos achatados denomina- dos tilacóides. Nos cloroplastos, tem lugar a fotossíntese , que é o processo pelo qual as plantas captam energia da luz e, com o affürfe de H20 e C02, sintetizam diversos compostos orgânicos que aproveitam como alimento e cilleServem para alimentar os organismos heterótrofos. Tanto as mitocôndrias quanto os cloroplastos contêm cromossomos circulares pequenos, cujos genes formam RNAt, ribossomas e alguns poucos RNAm necessários para elaborar algumas pro- \teínas pertencentes às próprias organelas. · ACÉLULA • 11 Fig. 1.9 Eletromicrografia de uma célula cultivada. Observam- se dois feixes de filamentos de actina (Ac) , um grande número de microtúbulos (Mi) e vesículas repletas de material (Ve). (Cortesia de K. R. Porter.) 12 • A CÉLULA 1-13. Os peroxissomas têm funções desintoxicantes Os peroxissomas são envoltos pol' uma única membrana. Contêm enzimas vinculadas à de- gradação do peróxido de hidrogênio (H20 2) e uma de suas funções é proteger a célula. 1-14. A presença do núcleo caracteriza a célula eucarionte Salvo exceções, todas as células eucariontes possuem núcleo. Em geral, as formas do núcleo e da célula estão relacionadas. Por exemplo, nas células esféricas, cúbicas e poliédricas, o núcleo deve ser esférico, enquanto nas cilíndricas e fusiformes, ele deve ser elipsóide. Nas diferentes células somáticas, os núcleos têm tamanhos específicos, que dependem das pro- teínas neles contidas. Esses tamanhos variam discretamente com a atividade nuclear. Em geral, existe uma proporção ideal entre o volume do núcleo e o volume do citoplasma; esta proporção é conhecida como relação nucleocitoplasmática. Quase todas as células são mononucleadas, porém existem algumas binucleadas (p. ex., as células hepáticas e as células cartilaginosas) e outras polinucleadas. Nos plasmódios e nos sincícios - que constituem grandes massas citoplasmáticas não divididas em territórios celulai·es independentes - os núcleos podem ser extraordinariamente numerosos. Assim é o caso da célula muscular es- triada e do sinciciotrofoblasto placentário que podem conter várias centenas de núcleos. O crescimento e o desenvolvimento dos organismos vivos dependem do crescimento e da multiplicação de suas células. Nos organismos unicelulai·es, a divisão celular implica sua repro- dução; por este processo, a partir de uma célula se originam duas células-filhas independentes. Ao contrário, os organismos multicelulares derivam-se de uma única célula - o zigoto-, e a mul- tiplicação repetida desta e de suas descendentes determina o desenvolvimento e o crescimento corporal do indivíduo. A célula cresce e duplica todas as suas moléculas e estruturas antes que ocorra sua divisão. Este processo se repete novamente nas duas células-filhas, de modo que o volume total das célu- las descendentes é quatro vezes maior que o da célula original, e assim sucessivamente. As células passam por dois períodos no curso de suas vidas: um de interfase (sem divisão) e outro de divisão (no qual são produzidas duas células-filhas). Este ciclo se repete epi. cada gera- ção celular, porém 9 tempo varia consideravelmente de um tipo celular para outro. l'A. função es- sencial do núcleo é proporcionar à célula informações genéticas armazenadas no DNA.~ As moléculas de DNA duplicam-se durante um período especial da interfase denominado fase S (de síntese de DNA), em preparação para a divisão celular (Fig. 18.2). Durante a interfase, a informação contida nos genes é transcrita em diferentes classes de molé- culas de RNA (mensageiro,ribossômico e de transferência), que, depois de passarem para o cito- plasma, traduzem-essa informação e sintetizam.proteínas específicas. No núcleo interfásico humano são reconhecidas as seguintes estruturas (Fig. 1.7): 1) o envol- tório nuclear ou carioteca, composto por duas membranas perfuradas por orifícios chamados poros nucleares; 2) a matriz nuclear ou nucleoplasma, que ocupa grande parte do espaço nucle- ar; 3) o nucléolo, que é maior nas células com síntese protéica muito ativa, e geralmente esférico, pode ser único ou múltiplo e nele são sintetizados os RNA ribossômicos, que se associam a nume- rosas proteínas para formar os ribossomas; 4) 46 cromossomos ou fibras de cromatina, compos- tos de DNA e de proteínas básicas chamadas histonas. O DNA e as histonas formam estruturas gra~ulares em cerca de 10 nm de diâmetro - conhe- cidas como nucleossomas - , que se alternam com segmentos de DNA livres de histonas. A cro- matina assim disposta é a mais delgada (Fig. 12.10) e é capaz de se enrolar sobre si mesma em graus distintos. Na iqterfase, podem-se observar regiões de eucromatina, onde as fibras se en- contram menos enroladas, e regiões de heterocromatina, que representam as partes da cromatina mais condensadas. Durante a divisão celular, as fibras de cromatina enrolam-se ao máximo, de modo que elas podem ser observadas ao microscópio óptico sob a forma de cromossomos (do grego chrõma , cor, e sôma , corpo) (Fig. 12.14). 1-15. Os núcleos das células somáticas contêm dois jogos de cromossomos homólogos Os organismos pluricelulares que se reproduzem sexualmente desenvolvem-se a partir de uma única célula - o zigoto ou célula-ovo-, que resulta da união de um ovócito* com um esperma- tozóide durante a fecundação. ''N.R.T.: Os especiali stas em reprodução preferem empregar o termo oócito. As células somáticas descendentes do zigoto contêm dois jogos idênticos de cromossomos. Em outras palavras, os cromossomos apresentam-se em pares. Um cromossomo de cada par é forne- cido pelo ovócito e o outro pelo espermatozóide. Os dois membros de cada par de cromossomos são denominados homólogos, e para indicar o número de cromossomos de uma espécie fazemos referência aos pares de cromossomos ou aos pares de homólogos. Por exemplo, o ser humano possui 23 pares de cromossomos, totalizando 46. Os homólogos de cada par são praticamente idênticos, porém os pares de homólogos distintos são diferentes entre si. Para nos referirmos à presença dos dois jogos de cromossomos homólogos , utilizamos a ex- pressão diplóide (2n). Nas células somáticas, ambos os jogos de cromossomos são conservados durante as sucessivas divisões celulares ao longo do desenvolvimento embrionário, do crescimento corporal e da manutenção dos tecidos na vida pós-natal. A CÉLULA • 13 Fig. 1.10 Eletromicrografia de um plasmócito. Próximo do núcleo (N) observa-se o complexo de Golgi (G), constituído por pequenas cisternas achatadas e vesículas . Algumas vesículas encontram-se repletas de material (setas). Em tomo do complexo de Golgi , existe um abundante retículo endoplasmático rugoso (RER) com cisternas cheias de material amorfo (setas) . Ri, ribossomas; M, mitocôndrias; EN, envoltório nuclear. 48 .000 X; detalhe, 100.000 X. (De E. D. De Robertis e A. Pellegrino de Iraldi. ) 14 • ACÉLULA Fig. 1.11 Região periférica de uma célula hepática na qual, entre outros componentes, observam-se lisossomos (L), o núcleo (N), um canalículo biliar (CB), mitocôndrias (M), o retículo endoplasmático (RE) e inclusões de glicogênio (G/). 31.000 X. (Cortesia de K. R. Porter.) 1-16. A mitose mantém a continuidade e o número diplóide dos cromossomos A estabilidade do número de cromossomos é mantida por meio de um tipo especial de divisão celular, denominada mitose. Nela são gerados núcleos-filhos com o mesmo número de cromos- somos; por conseguinte, quanto a sua constituição cromossômica, as células-filhas são idênticas entre si e a suas antecessoras. A mitose compreende uma série consecutiva de fases conhecidas como prófase, prometáfa- se, metáfase, anáfase e telófase. Na mitose, o núcleo sofre uma série de alterações complexas. Entre as alterações mais chama- tivas estão o desaparecimento do envoltório nuclear e uma maior condensação das fibras de cro- matina, que se convertem em cromossomos detectáveis . Vimos que no núcleo interfásico, os cromossomos não podem ser individualizados, porque nesta etapa do ciclo celul ar, as fibras de cromatina estão mais desenroladas. Na Fig. 1.1 2, estão representados dois dos 46 pares de cromossomos homólogos presentes normalmente nas células somáticas humanas. Como vimos, os cromossomos duplicam-se duran- te a fase S da interfase. No inicio da prófase, cada cromossomo - composto por duas fibras de cromatina - aparece como um filamento muito delgado. Ao final da prófase, converte-se em um bastão curto e compacto, uma vez que se enrola em suas duas fibras de cromatina, que passam a ser denominadas cromátides. Passada a metáfase, no transcurso da anáfase, ambas as cromátides se separam e cada cromátide-filha - quer di zer, cada cromossomo-filho - dirige-se a um dos pólos da célula. Finalmente, na telófase, formam-se núcleos um para cada célula a partir dos dois conjuntos de cromossomos separados . A divisão celular é concluída com a partição do citoplas- ma, conhecida como citocinese. Desta maneira, as mitoses mantêm o número diplóide de cromossomos (2n) nas células somá- ticas ao longo de toda a vida do indivíduo. lnterfase Prótase (curta) Metáfase Anáfase Telófase MITOSE 1n MEIOSE \ JÍ 1n J /r 1n 1n lnterfase Prófase (longa e complexa) Metáfase 1 Anáfase 1 Telófase 1 Telófase li Fig. 1.12 Esquemas comparativos da mitose e meiose de 'uma célula diplóide (2n) com quatro cromossomos. Os cromossomos precedentes a cada progenitor são representados em azul e em vermelho, respectivamente. Na mitose, a divisão é equacional, enquanto na meiose é reducional. As duas di visões da meiose dão lugar a quatro células haplóides (1 n) que têm apenas dois cromossomos. Além disso, durante a meiose, existe um intercâmbio de segmentos entre os cromossomos. ACÉLULA • 15 16 • A CÉLULA BIBLIO~RAFIA 1-17. A meiose reduz os cromossomos a um número haplóide Se os gametas (oócito II e espermatozóide) forem diplóides, o zigoto resulta com o dobro do número diplóide de cromossomos. Para evitar isto, as células sexuais predecessoras dos gametas sofrem um tipo especial de divisão celular denominado meiose, no qual o número diplóide é redu- zido a um jogo único ou haplóide ( 1 n) em cada gameta formado. O zigoto resultante será assim novamente diplóide. A divisão meiótica ocorre nos animais (Cap. 19-1) e nos vegetais (Cap. 19-20) que se reprodu- zem sexualmente e têm lugar no curso da gametogênese (Fig. 1.12). A meiose reduz o número de cromossomos mediante duas div isões nucleares sucessivas - a primeira e a segunda divisão meiótica -, uma vez que são acompanhadas por uma única duplicação cromossômica. Em essência, o processo é o seguinte: na prófase da primeira divisão, os cromossomos homó- logos se pareiam. Tendo em vista que cada cromossomo é composto de duas cromátides, formam um bivalente composto por quatro cromátides (por isso é chamado também de tétrade). Além dis- so, as partes das cromátides pareadas podem se intercambiar de um homólogo para outro. Este fenômeno recebe o nome de recombinação genética (em inglês, crossing-over). Na metáfase da mesma divisão, os bivalentes (ou tétrades) dispõem-se no plano equatorial da célula. Na anáfase, cada cromossomo homólogo - com suas duas cromátides - dirige-se para um dos pólos opostos. Depois de um curto período de interfase, já na anáfase da segunda divisão meiótica, as duas cromátides de cada homólogo separam-se, de modo que cada cromátide fica localizada em um dos quatro gametas resultantes. Conseqüentemente, nos gametas, o núcleocontém um número simples (ou haplóide) de cromossomos (Fig. 1.12). Bauneister W. (1978) Biological hori zons in molecular microscopy. Joyce G.F. (1992) Directed molecular evolution. Sei. Am. 267:90. Lodish H.F. et ai. (1999) Molecular Cell Biology, 4th Ed. W.H. Free- man, New York. Cytobiologie 17:246. Berna! J.D. and Synge A. (1973) The origin of life. ln: Readings in Genetics and Evolution. Oxford University Press, London. Bevéridge T.J. (1981) Ultrastructure, chemistry and function of bacte- rial wall. Int. Rev. Cytol. 72:299. Claude A. (1975) The coming of age of the cell. Science 189:433. De Robertis E.D.P. and De Robertis E.M.F. (1981). Essentials of Cell and Molecular Biology. Saunders, Philadelphia. Diener T.O. (1981 ) Viroids. Sei. Am. 244:66. Giese A.C. (1979) Cell Physiology, 5th Ed. Saunders, Philadelphia. Gray M.W. (1989) The evolutionary origins of organelles. Trends Ge- net. 5:294. Hayflick L. (1980) The cell biology of human aging. Sei. Am. 242: 58. Hess E.L. (1970) Origins ofmolecular biology. Science 168:664. Jacob F. (1977) Evolution and tinkering. Science 196:1161. Johnson J.E. (1982) Aging and Cell Structure, Vol 1. Academic Press ,. NewYork. Margulis L. (1971) Symbiosis and evolution . Sei. Am. 225:48. Margulis L. and Schwartz K.V. (1982) Five Kingdoms. An Illustra- ted Guide to the Phyla ofLife on Earth. W.H. Freeman & Co, New York. Monod J. (197 1) Chance and Necessity. Random House, New York. Orgel L.E. (1992) Molecular replication, Nature 358:203. Schwartz R. and Dayhoff M. ( 1978) Origins of prokaryotes, eukaryotes, mitochondria and chloroplasts. Science 199:395. Watson J.D. et ai. (1987) Molecular Biology ofthe Gene, 4th Ed. W.A. Benjamin-Cummings, Menlo Park. Woese C.R. and Fox G.E. (1977) Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 74:5088. INTRODUÇAO Os componentes químicos da célula 2-1. Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos e orgânicos A estrutura da célula é a conseqüência de uma combinação de moléculas organizadas em uma ordem muito precisa. Mesmo havendo ainda muito por aprender, j,á se conhecem os princípios gerais da organização molecular da maioria das estruturas celulares, como os cromossomos, as memlnanas , os ribossomas, as mitocôndrias, os cloroplastos etc. A biologia celular é inseparável da biologia molecular; da mesma fo1ma que as células são os tijolos com os quais se edificam os tecidos e os organismos, as moléculas são os tijolos com os quais se constroem as células. No início, o estudo da composição química da célula foi feito mediante a análise bioquímica de órgãos e tecidos inteiros, como o fígado , o cérebro, a pele ou o meristema vegetal. Estes estudos só possuem um valor citológico relativo, porque o material analisado geralmente é composto por uma mescla de diferentes tipos celulares e contém material extracelular. Nos últimos anos, o desenvolvi- mento .de diversos métodos de fracionamento celular (Caps. 23-28 a 23-32) permitiu isolar os ele- mentos subcelulares e recolher informações mais precisas sobre a estrutura molecular da célula. ~ Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos (água e minerais) e orgâ-, nicos (ácidos nucléicos, carboidratos, lipíoios e proteínas). / Do total dos componentes da célula, cerca de 75 a 85% correspondem a água, entre 2 e 3% são , constituídos de sais inorgânicos e o restante é formado por compostos orgânicos qw;~ represen- tam as moléculas da vida. A maior parte das estrnturas celulares contém lipídios e moléculas muito , grandes - denominadas macromoléculas ou polímeros - integradas por unidades ou monôme~ rosque se conectam por meio de ligações covalentes. Nos organismos, existem três polímeros importantes: 1) os ácidos nucléicos, formados pela , associação de quatro unidades químicas diferentes denominadas nucleotídeos; a seqüência linear dos quatro tipos de nucleotídeos na molécula de DNA é a fonte primária da informação genética; 2) os polissacarídeos, que podem ser polímeros de glicose - com os quais se formam glicogê- nio, amido ou celulose - ou compreender a repetição de outros monossacarídeos, com os quais t se formam polissacarídeos mais complexos; e 3) as proteínas (polipeptídeos), que são constituí- das por aminoácidos - existem 20 tipos - combinados em diferentes proporções; as quantida- j des e as possibilidades de ordenamento desses 20 monômeros permitem um número extraordiná- rio de combinações, o que determina não somente a especificidade, mas também a atividade bio- lógica das moléculas protéicas. Além de destacar as características e propriedades dos componentes químicos da célula, neste capítulo abordaremos o estudo das enzimas - um tipo específico de proteínas - como instru- mentos moleculares capazes de produzir transformações em muitos desses componentes. Também veremos como as macromoléculas podem se agregar e se organizar em estruturas supramoleculares mais complexas, até se tomarem visíveis ao microscópio eletrônico. É provável que tais agregações moleculares tenham atuado durante o período de evolução química e biológi- ca que originou a primeira célula. Por esse motivo, no final deste capítulo, teceremos algumas considerações especulativas acerca da possível origem das células procariontes e eucariontes, quer dizer, do aparecimento da vida em nosso planeta. Os conceitos emitidos neste capítulo servem apenas como uma introdução elementar ao conhecimento da biologia molecular e celular. O estu- do mais amplo de seus temas compete aos textos de bioquímica. 2 18 • OS COM PONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.1 Esquema que mostra a distribuição assimétrica das cargas na molécula de água. ' ÁGUA E MINERAIS 2-2. A água é o componente mais abundante dos tecid~s Água. Com poucas exceções - por exemplo, o osso e o dente - a água é o componente en- contrado em maior quantidade nos tecidos. O conteúdo de água do organismo está relacionado com a idade e com a atividade metabólica; é maior no embrião (90-95%) e diminui com o passar dos anos. A água atua como solvente natural dos íons e como meio de dispersão coloidal da maior parte das macromoléculas. Mais ainda, é indispensável à atividade metabólica, já que os proces- sos fisiológicos ocoITem exclusivamente em meios aquosos. Na célula, a água é encontrada em duas frações, uma livre e outra ligada. A água livre repre- senta 95 % da água total , e é parte usada principalmente como solvente para os solutos e como meio de dispersão do sistema coloidal. A água ligada representa apenas 5% e é a que está unida frouxamente a outras moléculas por ligações não covalentes (Seção 2-10); assim, compreende a água imobilizada no seio das macromoléculas. Como resul tado da distribuição assimétrica de suas cargas, uma molécula de água comporta-se como um dipolo , conforme ilustra a Fig. 2.1. Devido a esta propriedade, a água pode se ligar eletrostaticamente, por seus grupos positivos e negativos, tanto a ânions e cátions quanto a molé- culas com ambos os tipos de carga (p. ex., proteínas). Outra propriedade da molécula de água é sua ionização em um ânion hidroxila (OH- ) e em um próton ou íon hidrogênio (H+). A uma tem- peratura de 25ºC, 10- 7 M de H+ por litro de água se dissociam, concentração que COITesponde ao pH neutro 7. A água intervém na eliminação de substâncias da célula. Além disso, absorve calor (graças a seu elevado coeficiente calórico) que evita que sejam geradas mudanças drásticas da temperatura na célula. Sais. A concentração de íons é diferente no interior da célula e no meio que a circunda. Assim, a célula tem uma alta concentração de cátions K+ e Mg2+, enquanto o Na+ e o c1 - estão localiza- dos principalmente no líquido extracelular. Os ânions dominantes nas células são o fosfato (HPO/ - ) e o bicarbonato (HC03 - ). Os sais dissociados em ânions (p. ex., ci - ) e cátions (Na+ e K+) são importantes paramanter a pressão osmótica e .o equi líbrio ácido-básico da célula. A retenção de íons produz um aumento da pressão osmótica e, portanto, a entrada de água. Alguns íons inorgânicos (como o Mg2+) são indispensáveis como co-fatores enzimáticos. Ou- tros fazem parte de moléculas distintas. O fosfato , por exemplo, é encontrado nos fosfolipídios e nos nucleotídeos; um destes, a adenosina trifosfato (A TP), é a principal fonte de energia para os processos vitais da célula. Os íons de Ca2+ que se encontram nas células desempenham um impor- tante papel como transmissores de sinais. Outros íons presentes nas células são o sulfato, o carbo- nato etc. Certos minerais são encontrados na forma não ionizada. Assim oc01Te com o cálcio, que nos ossos e nos dentes encontra-se unido ao fosfato e ao carbonato sob a forma de cristais. Outro exem- plo compreende o feITO, que na hemoglobina, na ferritina, nos citocromos e em várias enzimas encontra-se unido por ligações carbono-metal. Para manter a atividade celular normal são indispensáveis quantidades diminutas de manga- nês, cobre, cobalto, lodo, selênio, níquel , molibdênio e zinco. Quase todos esses elementos vesti- giais (ou oligoelementos) são necessários para a atividade de certas enzimas. O iodo é um compo- nente do hormônio tireóideo. ÁCIDOS NUCLÉICOS 2-3. Existem dois tipos de ácidos nucléicos, o DNA e o RNA Os ácidos nucléicos são macromoléculas de enorme importância biológica. Todos os seres vi- vos contêm dofs tipos de ácidos nucléicos, chamados ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA). Os vírus contêm um só tipo de ácido nucléico, DNA ou RNA. O DNA constitui o depósito da informaitão genética. Esta informação é copiada ou transcrita em moléculas de RNA mensageiro, cujas seqüências de nucleotídeos contêm o código que esta- belece a seqüência dos aminoácidos nas proteínas. É por isso que a síntese protéica também é conhecida como tradução do RNA. A esta série de fenômenos é atribuído o caráter de dogma central da biologia molecular, que pode ser expresso da seguinte maneira: DNA transcrição RNA tradução PROTEÍNA OS COMPO E 1TES QUÍMICOS DA CÉLULA • 19 O papel biológico dos ácidos nucléicos será estudado com maiores detalhes nos Caps. 12 a 17; aqui só consideraremos sua estrutura química, o que permitirá compreender suas funções. Nas células superiores, o DNA encontra-se no núcleo integrando os cromossomos (uma pe- quena quantidade encontra-se no citoplasma, dentro das mitocôndrias e dos cloroplastos) . ORNA localiza-se tanto no núcleo (onde é formado) como no citoplasma, para o qual se dirige a fim de reger a síntese protéica (Quadro 2.1 ). Os ácidos nucléicos contêm carboidratos (pentases), bases nitrogenadas (purinas e pirimidi- nas) e ácido fosfórico. A hidrólise do D A ou do RNA gera: PENTOSE BASES ÁCIDO FOSFÓRICO { ?urinas Pirimidinas DNA desoxirribose adenina, guanina citosina, timina P04H3 RNA ribose adenina, guanina citosina, uracila P04H3 A molécula de ácido nucléico é um polímero cujos monômeros são nucleotídeos sucess iva- mente ligados por meio de ligações fosfodiéster (Fig. 2.2). Nestas ligações, os fosfatos unem o carbono 3' da pentase do nucleotídeo com o carbono 5 ' da pentase do nucleotídeo seguinte. Como conseqüência, o eixo de um ácido nucléico é constituído por pentases e fosfatos, e as bases nitrogenadas surgem das pentases . A extremidade da molécula que contém a pentase com o C5' livre é chamada extremidade 5 ' e a que possui a pentase com o C3' livre é denominada extremidade 3' . Como ilustra a Fig. 2.2, o ácido fosfórico utiliza dois dos seus três grupos ácidos nas liga- çõ.es 3' ,5 ' -diéster. O grupo restante confere ao ácido nucléico suas propriedades ácidas , o que possibilita a formação de ligações iônicas com proteínas básicas (no Cap. 1-14 assinalamos que, iias células eucariontes, o DNA está associado a proteínas básicas chamadas histonas, com as quais forma o complexo nucleoprotéico denominado cromatina). Além disso, esse grupo ácido livre faz com que os ácidos nucléicos sejam basófilos (isto é, coram-se com corantes básicos). As pentoses são de dois tipos: desoxirribose no DNA e ribose no RNA. A diferença entre estes açúcares é que a desoxirribose tem um átomo de oxigênio a menos (Fig. 2.2). Para visualizar o DNA com microscópio óptico podemos utilizar uma reação citoquímica específica denominada reação de Feulgen (Cap. 23-21 ). As bases nitrogenadas encontradas nos ácidos nucléicos são também de dois tipos: pirimi- dinas e purinas .. As pirimidinas possuem um anel heterocíclico, enquanto as purinas têm dois anéis fundidos entre si : No DNA, as pirimidinas são a timina (T) e a citosina (C), e as purinas, a adenfna (A) e a guanina (G) (Fig. 2.5). O RNA contém a üracila (U) no lugar da timina. Existem três diferenças fundamentais entre o DNA e o RNA. Como acabamos de assinalar, o DNA tem desoxirribose e timina (T) e o RNA possui ribose e uracila (U). Outra diferença é que a molécula de DNA é sempre dupla (contém duas cadeias polinucleotídicas), com veremos na seção seguinte. \ A combinação de uma base com uma pentase (sem o fosfato) constitui um nucleosídeo. Por exemplo, a adenosina (adenina + ribose) é um nucleosídeo, enquanto a adenosina monofosfato (AMP), a adenosina difosfato (ADP) e a adenosina trifosfato (A TP) são exemplos de nucle.otí- deos (Fig. 2.3). · · Quadro 2.1 Ácidos nucléicos Localização Papel na célula Pen tose Bases pirimidínicas Bases purínicas Ácido desoxirribonucléico Principalmente no núcleo (também nas mitocôndrias e nos cloroplastos) Informação ge:_nética Desoxirribose Citosina Timina Adenina Guanina Ácido ribonucléico Principalmente no citoplasma (também no núcleo, nas mitocôndrias e nos cloroplastos) Síntese de proteínas Ribose Citosina Uracila Ade nina Guanina 1 1 20 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.2 Setor de uma cadeia de ácido nucléico que mostra os diferentes tipos de nucleotídeos que a compõem. Fig. 2.3 Estrutura química do nucleosídeo adenosina e do nucleotídeo adenosina trifosfato (ATP). ADENINA . CITOSINA TIMINA = CH3 URACILA =H RIBOSE X =OH DESOXIRRIBOSE 3' X =H Além de atuarem como tijolos para construção dos ácidos nucléicos, os nucleotídeos - por exemplo, o já citado A TP - são utilizados para depositar e transferir energia química. A Fig. 2.3 mostra que as duas ligações fosfato terminais do ATP contêm grande quantidade de energia. Quando ocorre a hidrólise nestas ligações, a energia liberada pode ser utilizada pela célula para realizar suas atividades (Fig. 8.1). A ligação -P de alta energia permite que a célula acumule grande quan- tidade dela em um espaço reduzido e que a mantenha pronta para ser usada no momento em que for necessário. Outros nucleotídeos, como a citidina trifosfato (CTP), a uridina trifosfato (UTP), a guanosina trifosfato (GTP) e a timosina trifosfato (TTP), também têm ligações de alta energia, porém a fon- te principal de energia da célula é o ATP. NH 2 N&> N bT HO OH Nucleosídeo HO OH Nucleotídeo OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 21 O DNA é encontrado nos organismos vivos sob a forma de molécula de peso molecular muito alto. Por exemplo , a Escherichia coli tem uma molécula de D A circular de 3.400.000 pares de bases com um comprimento de 1,4 mm. A quantidade de D A nos organismos superiores pode ser várias centenas de vezes maior - 1.200 vezes no caso do homem. Assim, o DNA completamente estendido de uma célula diplóide humana tem um comprimento total de cerca de 1,70 m . Toda a informação genética de um organismo vivo encontra-se acumulada na seqüência linear das quatro bases de seus ácidos nucléicos. A estrutura primária de todas as proteínas (quer dizer, a quantidade e a seqüência de seus aminoácidos) é codificada por um alfabeto de quatro letras (A, T, G, C). Uma das descobe11as mais extraordinárias da biologia molecularfoi o achado e a inter- pretação deste código genético (Cap. 13-4). Um passo prévio a esse descobrimento - que teve uma grande influência na elucidação da estrutura do DNA - foi saber que, em cada molécu la de D A, a quantidade de adenina é igual à de timina (A = T) e a de citosina igual à de guanina (C = G). Conseqüentemente, o número de purinas é idêntico ao de pirimidinas (A + G = C + T). Como é lógico, a relação AT/GC varia entre as espécies (p. ex ., no homem, a relação é de 1,52 e na Escherichia coli é de 0,93) . 2-4. O DNA é uma dupla hélice Em 1953, com base nos dados obtidos por Wilkins e Franklin, mediante difração de raios X, Watson e Crick propuseram um modelo para a estrutura do DNA que contemplava as proprieda- des químicas já citadas e, ainda, as propriedades biológicas, em especi al a capacidade de duplica- ção da molécula. A molécula de DNA é ilustrada na Fig. 2.4. Ela é formada por duas cadeias de ácidos nucléi- cos helicoidais com uma rotação para a direita, que compõem uma dupla hélice em tomo de um mesmo eixo central. As duas cadeias são antiparalelas, o que significa que suas ligações 3',5 ' - fosfodiéster seguem sentidos opostos. As bases estão situadas no lado interno da dupla hélice, quase em um reto perpendicular com relação ao eixo helicoidal. Cada volta completa da dupla hélice compreende 10,5 pares de nucleotídeos e mede 3,4 nm. Ambas as cadeias estão unidas entre si por pontes de hidrogênio estabelecidas entre os pares de bases (seção 2-10). Tendo em vista que entre as pen toses das cadeias opostas existe uma dis- tância fi xa, apenas certos pares de bases podem se estabelecer dentro da estrutura. Como se nota nas Figs. 2.4 e 2.5, os únicos pares possíveis são A-T, T -A, C-G e G-C. É importante observar que ente~ as A e as T formam-se duas pontes de hidrogênio , e entre as C e G, três. Conseqüente- mente, o par C-G é mais estável que o par A-T. A dupla estrutura helicoidal mantém-se estabili- .zada gray-as às pontes de hidrogênio e às interações hidrófobas existentes entre as bases de cada cadeia. Apesar de, nas diferentes moléculas de DNA, as seqüências das bases ao longo das cadeias variarem consideravelmente, em uma mesma molécula de DNA, as seqüências das duas cadeias são complementares, como se percebe no exemplo seguinte: Cadeia 1 Cadeia 2 5 ' T 1 3' A G 1 e T 1 A G 1 c A 1 T c 1 G G 1 c T 1 A 3 ' 5' Devido a esta propriedade, quando as cadeias se separam durante a duplicação do DNA, cada uma delas serve de molde para a síntese de uma nova cadeia complementar. Deste modo são ge- radas duas moléculas-filhas de DNA com a mesma constituição molecular que possuía a progeni- tora (Cap. 17-2). 2-5. Existem vários tipos de RNA A estrutura do RNA é semelhante à do DNA, exceto pela presença de ribose no lugar de deso- xirribose e de uracila no lugar de timina (Quadro 2. 1). Ademais, a molécula de RNA é formada por uma única cadeia de nucleotídeos. Existem três tipos principais de RNA: 1) RNA mensageiro (RNAm); 2) RNA ribossômico (RNAr); 3) RNA de transferência (RNAt). Os três intervêm na síntese protéica. O RNAm leva a informação genética - copiada do DNA - que estabelece a seqüência dos aminoácidos na proteína. O RNAr representa 50% da massa do ribossoma (os outros 50% são proteínas) , que é a estrutura que proporciona o apoio molecular para as reações químicas que originam a síntese pro- téica. Os RNAt identificam e transportam os aminoácidos até o ribossoma. 5' 3' 5' 3' Fig. 2.4 A dupla hélice de DNA. As cadeias desoxirribose-fosfato foram desenhadas como fitas. As bases são perpendiculares ao eixo do DNA e , nesta visão lateral, as bases aparecem representadas por barras horizontais. Observa-se que as duas cadeias são antiparalelas e que a dupla hélice dá uma volta completa a cada 10 pares de bases (3 ,4 nrn). Além disso, observa-se que a dupla hélice dá lugar a duas fendÇts externas, o sulco maior e o sulco menor do DNA. 22 • OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA Fig. 2.5 Os dois pares de bases do DNA. As bases complementares são adenina e timina (A-T) e citosina e guanina (C-G). Observa-se que, no par A-T, há duas pontes de hidrogênio, enquanto no par C-G existem três . A distância entre as cadeias de desoxirribose-fosfato é de aproximadamente 1, 1 nm. (De L. Pauling e R. B. Corey.) 3' Apesar de cada molécula de RNA ter uma única cadeia de nucleotídeos, isso não significa que ele seja sempre uma estrutura linear simples. Nas moléculas de RNA podem existir segmentos com bases complementares, o que dá lugar a pontes de hidrogênio, quer dizer, à formação de pa- res de nucleotídeos A-U e C-G entre várias regiões da mesma molécula. As Figs. 14.20, 15.4, ~ .5, 15.11e16.3 mostram como a molécula de RNA pode dobrar-se sobre si mesma, pareand~-se. Nelas pode ser formada uma estrutura helicoidal semelhante à do DNA. As estruturas tridimensi- onais do RNA têm importantes conseqüências biológicas. CARBOIDRATOS 2-6. Os carboidratos constituem a principal fonte de energia da célula Os carboidratos (ou hidratos de carbono), compostos por carbono, hidrogênio e oxigênio, representam a principal fonte de energia para célula e são constituintes estruturais importantes das membranas celulares e da matriz extracelular. De acordo com o número de monômeros que contêm, classificam-se em monossacarídeos, dissacarídeos, oligossacarídeos e polissaca- rídeos. Monossacarídeos. Os monossacarídeos são açúcares simples com uma fórmula geral Cn(H20)n. São classificados, com base no número de átomos de carbono que contêm, em triases, tetroses, pentases e hexases . Como vimos, as pentases ribose e desoxirribose estão presentes nos nucleotídeos (Fig. 2.2). A xilose é uma pentase presente em algumas glicoproteínas (Fig. 2.11). A glicose, que é uma hexa- se (Fig. 2.6), constitui a fonte primária de energia para a célula. Outras hexases muito importantes - que podem estar associadas entre si, sob a forma de oligossacarídeos ou polissacarídeos - são a galactose , a manose, afrutose, afucose, o ácido glicurônico e o ácido idurônico. Algumas possuem um grupo amina e se encontram acetiladas como a N -acetilglicosamina e a N- acetilgalactosamina. O ácido N-acetilneuramínico (ou ácido siálico) resulta da ligação de uma amino-hexose com um composto de três carbonos, o ácido pirúvico. Dissacarídeos. Os dissacarídeos são açúcares formados pela combinação de dois monôme- ros de hexase, com a perda correspondente de uma molécula de água. Portanto, sua fórmula é C12H220 11. Um dissacarídeo importante nos mamíferos é a lactose (glicose + galactose), o açúcar do leite. OS COMPONENTES QUÍMICOS DA CÉLULA • 23 Oligossacarídeos. No organismo, os oligossacarídeos não estão livres , mas sim unidos a lipí- dios e a proteínas, de modo que fazem parte de glicolipídios e de glicoproteínas. Estes carboidra- tos são cadeias - às vezes ramificadas - compostas por distintas combinações de vários tipos de monossacarídeos. Os oligossacarídeos correspondentes aos glicolipídios serão analisados, juntamente com os lipídios , na próxima seção. Os oligossacarídeos das glicoproteínas conectam-se com a cadeia protéica por intermédio do grupo OH (ligação 0-glicosídica ou ligação O) de uma serina ou de uma treonina ou por meio do grupo amida (ligação N-glicosídica ou ligação N) de uma asparagina. A serina, a treonina e a asparagina são aminoácidos (Seção 2-8). No que diz respeito ao oligossacarídeo, nas ligações 0-glicosídicas pode· intervir uma N- galactosamina e, nos N-glicosídicos, uma N-acetilglicosamina (Figs. 2.7 e 2.8). Portanto, estes monossacarídeos são os mais próximos da proteína. Ao contrário, os ácidos siálicos às vezes se localizam na periferia do oligossacarídeo. Os oligossacarídeos ligados por ligações O (isto é, a uma serina ou a uma treonina) podem possuir uma galactose ligada à primeira N-acetilgalactosamina (Fig. 2.7) . Em seguida, os monossacaríde-
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