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A VIDA COMEÇA NAS CÉLULAS A ssim como nós, cada célula que forma nosso corpo deve crescer, reproduzir-se, processar informações, respon- der a estímulos e realizar uma série impressionante de reações químicas. A vida é definida por essas capacidades. Nós e os outros organismos multicelulares somos compostos por bilhões ou trilhões de células organizadas em estruturas com- plexas, mas outros organismos consistem de uma única célu- la. Mesmo os organismos unicelulares simples exibem todas as propriedades características da vida, indicando que a célula é a unidade fundamental da vida. No início do século XXI estamos diante de uma verdadeira explosão de novos dados a respeito dos componentes das células, das estruturas que elas contêm e de como esses componentes e estruturas se ligam e se influenciam mutuamente. Ainda assim, resta muito a ser estudado, principalmente no que concerne ao fluxo de infor- mações entre as células e como estas decidem qual será a ma- neira mais apropriada de responder às informações. A biologia molecular da célula é uma ciência rica e inte- grativa que une a bioquímica, a biofísica, a biologia mole- cular, a microscopia, a genética, a fisiologia, as ciências com- putacionais e a biologia do desenvolvimento. Cada um desses campos tem uma ênfase específica e seu próprio estilo de ex- perimentação. Nos capítulos a seguir, descreveremos as desco- bertas e os métodos experimentais desenvolvidos por cada um dos campos do conhecimento, interligando-os gradualmente, para compreender a história multifacetada do nascimento, da vida e da morte das células. Iniciamos este capítulo com um prólogo sobre a diversidade das células, seus constituintes básicos e suas funções principais, bem como sobre aquilo que é possível apren- der por meio das diferentes abordagens do estudo celular. 1.1 A Diversidade e a Semelhança Entre as Células As células se apresentam sob uma estonteante variedade de tamanhos e formas (Figura 1-1). Algumas movem-se rapida- mente e têm estruturas que se alteram velozmente, como po- demos observar em filmagens de amebas e rotíferos. Outras, são preferencialmente estacionárias e estruturalmente estáveis. O oxigênio pode matar algumas células, sendo, no entanto, essencial para outras. As células dos organismos multicelula- res, em sua maioria, estão intimamente relacionadas com ou- tras células. Apesar de alguns organismos unicelulares viverem em isolamento, outros formam colônias ou vivem sob forte associação com diferentes tipos de organismos, como é o caso das bactérias que auxiliam as plantas a extrair nitrogênio do ar ou das bactérias que vivem em nosso intestino e nos auxiliam na digestão do alimento. 11111 Uma única célula de quase 200 micrômetros (µµµµµm), o óvulo huma- no, e espermatozóides, os quais também são células isoladas. A partir da união de óvulo e espermatozóide serão originados os 10 trilhões de células do corpo humano. [Photo Researchers, Inc.] SUMÁRIO 1.1 A Diversidade e a Semelhança Entre as Células 1.2 As Moléculas de uma Célula 1.3 A Função das Células 1.4 A Investigação das Células e de suas Partes 1.5 Uma Perspectiva Genômica da Evolução PARTE I – Fundamentos Químicos e Moleculares 2 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células Apesar dessas e de muitas outras diferenças, todas as célu- las compartilham determinadas características estruturais e rea- lizam diversos processos complexos por vias bastante seme- lhantes. À medida que a história celular se desvendar neste livro, serão evidenciadas as diferenças e as semelhanças exis- tentes na estrutura e no funcionamento das diferentes células. Todas as Células São Procarióticas ou Eucarióticas O universo biológico é constituído de dois tipos de células – procarióticas e eucarióticas. As células procarióticas consistem de um único compartimento fechado, que é delimitado por uma membrana plasmática; essas células não possuem um núcleo definido e apresentam uma organização interna relati- vamente simples (Figura 1-2a). Todos os procariotos têm cé- lulas desse tipo. As bactérias, que são organismos procariotos mais numerosos, são organismos unicelulares; as cianobacté- rias, ou algas azuis, podem ser unicelulares ou apresentar ca- deias filamentosas de células. Apesar de as células bacterianas não apresentarem compartimentos delimitados por membra- nas, muitas proteínas se localizam em uma determinada posi- ção em seu interior aquoso, ou citosol, indicando a existência � FIGURA 1-1 As células se apresentam sob uma surpreendente gama de tamanhos e formas. Algumas variedades morfológicas celulares estão ilustradas nestas fotografias. Além da morfologia, as células se diferenciam umas das outras por sua capacidade de movimento, sua organização interna (células procarióticas versus células eucarióticas) e sua atividade metabólica. (a) Eubactéria; observe as células em divisão. Estas são Lactococcus lactis, que são utilizadas na produção de queijos como o Roquefort, Brie e Camembert. (b) Um aglomerado de arquebactérias (Methanosarci- na), as quais produzem energia a partir da conversão de dióxido de carbono e gás hidrogênio em metano. Algumas espécies que vi- vem no rúmem de bovinos produzem > 150 litros de gás metano/ dia. (c) Células sangüíneas, mostradas em coloração artificial. As células vermelhas são eritrócitos transportadores de oxigênio, as células brancas (leucócitos) fazem parte do sistema imune e com- batem infecções e as células verdes são as plaquetas que forne- cem substâncias para a coagulação sangüínea em uma lesão. (d) Grandes células individuais: ovos fossilizados de dinossauro. (e) Colônias de algas verdes unicelulares, Volvox aureus. As esferas maiores são constituídas de muitas células, visualizadas como pon- tos verdes ou azuis. As massas internas amarelas são colônias- filha, cada uma constituída de diversas células. (f) Um neurônio cerebelar de Purkinge isolado, o qual pode formar centenas de milhares de conexões com outras células através de sua rede rami- ficada de dendritos. A célula pode ser visualizada pela introdução de uma proteína fluorescente; o corpo celular é o bulbo visível na região inferior. (g) As células podem formar uma camada epitelial, como pode ser observado neste corte de intestino. Cada torre co- lunar de células, uma vilosidade, contém várias células em uma camada contínua. Os nutrientes são transferidos do alimento dige- rido através da camada epitelial para o sangue que os transportará para as diversas partes do organismo. Novas células são formadas continuamente na proximidade da base das vilosidades e as célu- las antigas são eliminadas no topo das mesmas. (h) As células vegetais de plantas vascularizadas encontram-se firmemente fixa- das em sua posição, sustentadas por um esqueleto rígido de celu- lose. Os espaços entre as células são unidos, formando tubos para o transporte de água e nutrientes. [(a) Gary Gaugler/Photo Resear- chers, Inc., (b) Ralph Robinson/Visuals Inlimited, Inc., (c) NIH/Pho- to Researchers, Inc., (d) John D. Cunningham/Visuals Unlimited, Inc., (e) Carolina Biological/Visuals Unlimited, Inc., (f) Helen M. Blau, Stanford University. (g) Jeff Gordon, Washington University School of Medicine. (h) Richard Kessel e C. Shih/Visuals Unlimi- ted, Inc.] (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 3 de uma organização interna. Uma única bactéria Escherichia coli isolada tem o peso seco de aproximadamente 25 × 10–14 g. Estima-se que as bactérias sejam responsáveis, em média, por 1 a 1,5 kg em cada ser humano. O número estimado de bactérias no planeta Terra é de 5 × 1030, pesando um total aproximado de 1012 kg. As células procarióticas já foram en- contradas em situações tão diferentes quanto profundidades marinhas de 7 milhas ou, na atmosfera, a 40 milhas de altura, ou seja, elas são extremamente adaptáveis! A quantidade decarbono estocada nas bactérias é aproximadamente a mesma que a quantidade de carbono estocada nas plantas. As células eucarióticas, diferentemente das células procari- óticas, contêm um núcleo definido delimitado por membrana e uma grande quantidade de membranas internas que delimi- tam outros compartimentos, as organelas (Figura 1-2b). A região da célula existente entre a membrana plasmática e o núcleo é o citoplasma, o qual compreende o citosol (fase aquo- sa) e as organelas. Os eucariotos englobam todos os membros dos reinos animal e vegetal, incluindo os fungos, que ocorrem sob formas multicelulares (bolores e cogumelos) e unicelula- res (leveduras), e os protozoários (proto, primitivo; zoários, animais), que são exclusivamente unicelulares. As células eu- Membrana interna (plasmática) (a) Célula procariótica (b) Célula eucariótica Parede celular Espaço periplasmático Membrana externa Núcleo Membrana nuclear Membrana plasmática Complexo de Golgi Lisossomo Vesícula secretora Peroxissomo Mitocôndria Retículo endoplasmático rugoso Espaço periplasmático e parede celular Membrana externa Membrana interna (plasmática) Nucleóide 0,5 µm 1 µm Núcleo Complexo de Golgi Lisossomo Mitocôndria Retículo endoplasmático Nucleóide � FIGURA 1-2 As células procarióticas apresentam uma organiza- ção interna mais simples do que as células eucarióticas. (a) Micro- grafia eletrônica de um corte de Escherichia coli, uma bactéria comum do intestino. O nucleóide, consistindo do DNA bacteriano, não está envolvido por uma membrana. A E. coli e algumas outras bactérias encontram-se envolvidas por duas membranas separa- das por um espaço periplasmático. A fina parede celular é adjacen- te à membrana interna. (b) Micrografia eletrônica de um plasmóci- to, um tipo de célula do sangue que secreta anticorpos. Apenas uma membrana simples (a membrana plasmática) delimita a célu- la, mas em seu interior encontram-se vários compartimentos deli- mitados por membranas, ou organelas. A característica que define as células eucarióticas é a segregação do DNA celular dentro de um núcleo definido, o qual é delimitado por uma membrana dupla. A membrana nuclear mais externa é uma continuação do retículo endoplasmático rugoso, uma fábrica de montagem de proteínas. Os complexos de Golgi processam e modificam as proteínas; as mitocôndrias geram energia; os lisossomos digerem o material ce- lular para reciclagem; os peroxissomos processam as moléculas com o uso de oxigênio e as vesículas secretoras transportam o material celular para a superfície para serem liberados. [(a) Corte- sia de I. D. J. Burdett e R. G. E. Murray. (b) De P. C. Cross e K. L. Mercer, 1993, Cell and Tissue Ultrastructure: A Functional Pers- pective, W. H. Freeman and Company.] 4 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células carióticas apresentam, aproximadamente, 10 a 100 µm de diâ- metro, sendo, em regra geral, muito maiores do que as bacté- rias. Um típico fibroblasto humano, que é uma célula do teci- do conetivo, pode ter 15 µm de diâmetro e apresentar um volume e peso seco milhares de vezes superiores ao de uma célula bacteriana de E. coli. Uma ameba, que é um protozoá- rio unicelular, pode ter um comprimento de mais de 0,5 mm. Um ovo de avestruz é produzido a partir de uma única célula, a qual é suficientemente grande para ser vista facilmente a olho nu. Acredita-se que todas as células tenham evoluído a partir de um progenitor comum, pois as estruturas e as moléculas de qualquer célula apresentam muitas semelhanças. Nos últimos anos, a análise detalhada das seqüências do DNA de diversos organismos tem revelado dois tipos distintos de procariotos: as chamadas bactérias “verdadeiras” ou eubactérias e as arque- bactérias (também denominadas archaes). Os pesquisadores elaboraram uma árvore de linhagem evolucionária (Figura 1-3) fundamentada na suposição de que os organismos que pos- suem genes similares evoluíram a partir de um progenitor co- mum mais recentemente do que os organismos cujos genes são diferentes. De acordo com esta árvore, as arquebactérias e os eucariotos divergiram das bactérias verdadeiras antes de di- vergirem entre si. Muitas arquebactérias crescem em ambientes incomuns, muitas vezes extremos, que talvez lembrem as condições exis- tentes no momento em que a vida surgiu na Terra. Por exem- plo, os halófilos (“que gostam de sal”) necessitam de altas con- centrações salinas para sua sobrevivência e os termoacidófilos (“que gostam de calor e acidez”) crescem em fontes termais (80ºC) sulfurosas, onde é comum um pH inferior a 2. Da mesma forma, outras arquebactérias vivem em ambientes sem oxigênio e produzem metano (CH4) pela combinação de água e dióxido de carbono. Os Organismos Unicelulares Podem Ser Úteis ou Prejudiciais As bactérias e as arquebactérias, os mais abundantes organis- mos unicelulares, geralmente apresentam um tamanho entre 1 e 2 µm. Apesar de seu pequeno tamanho e de sua arquitetu- ra simples, são impressionantes fábricas bioquímicas, capazes de converter substâncias químicas simples em moléculas bio- lógicas complexas. As bactérias são essenciais para a ecologia do planeta, mas algumas são causadoras de importantes doen- ças: a peste bubônica (Peste Negra) é causada pela Yersinia pestis, as infecções de garganta são causadas pelo Streptomyces, a tuberculose é causada pelo Mycobacterium tuberculosis, o an- trax é provocado pelo Bacillus anthracis, o cólera é devido ao Vibrio cholerae e as intoxicações alimentares são provocadas por certos tipos de E. coli e Salmonella. Os seres humanos, assim como as plantas e os animais, são repositórios móveis de bactérias. Nós fornecemos alimento e abrigo para um número impressionante de “micróbios”, con- centrados principalmente em nossos intestinos. As bactérias nos auxiliam a digerir o alimento e, em troca, podem repro- duzir-se. A E. coli, uma bactéria intestinal comum, é também um organismo experimental por excelência. Em resposta aos sinais emitidos por bactérias como a E. coli, as células intesti- nais adotam morfologias que fornecem nichos para sua sobre- vivência, proporcionando, assim, uma digestão adequada por meio do esforço combinado das bactérias e células intestinais. Em contrapartida, a exposição às células intestinais provoca alterações nas propriedades das bactérias de modo que elas participam mais eficientemente na digestão. Essa capacidade de comunicação e resposta é uma característica comum das células. � FIGURA 1-3 Todos os organismos, de uma simples bactéria a mamíferos complexos, provavelmente evoluiram a partir de um pro- genitor unicelular comum. Esta árvore mostra as relações entre as três principais linhagens de organismos. A estrutura desta árvore foi inicialmente estabelecida de acordo com critérios morfológi- cos: criaturas que se assemelhavam foram colocadas próximas. Mais recentemente, as seqüências de DNA e de proteínas foram examinadas como critérios mais informativos para o estabeleci- mento das relações entre os organismos. Acredita-se que, quanto maior a similaridade entre as seqüências macromoleculares, mais proximamente relacionados serão os organismos. Geralmente, as árvores com base em comparações morfológicas e em registros fósseis apresentam grande concordância com as árvores estabele- cidas a partir de dados moleculares. Apesar de todos os organis- mos das linhagens de eubactérias e arquebactérias serem proca- riotos, as arquebactérias são mais parecidas com os eucariotos do que com as eubactérias (bactérias “verdadeiras”) quanto a alguns aspectos. Por exemplo, os genomas eucariotos e de arquebacté- rias codificam proteínas histonas homólogas, que se associam ao DNA; em contraste, as bactérias não possuem histonas. Da mes- ma forma, os componentes protéicos e de RNA dos ribossomos das arquebactérias são muito mais semelhantes aosdos eucario- tos do que aos equivalentes das bactérias. Plantas Fungos EUCARIOTOS EUBACTÉRIAS ARQUEBACTÉRIAS Animais Microsporidia Euglena Sulfolobus Thermococcus Methanobacterium Halococcus Halobacterium Methanococcus jannaschii Borrelia burgdorferi E. coli B. subtilus Diplomonadas (Giardia lamblia) Ciliados Fungo aquático Termotoga Flavobactéria Bactéria verde sulfurosa Progenitor comum presumido para todos os organismos existentes na atualidade Progenitor comum presumido para arquebactérias e eucariotos CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 5 A convivência normal e pacífica existente entre os huma- nos e as bactérias é, algumas vezes, violada por um ou ambos os participantes. Quando as bactérias crescem em locais que podem representar perigo (por exemplo, na corrente sangüí- nea ou em algum ferimento), as células de nosso sistema imu- ne contra-atacam, neutralizando e devorando as invasoras. Me- dicamentos antimicrobianos eficazes, que apresentam ação tó- xica seletiva para células procarióticas, fornecem uma rápida assistência para a nossa resposta imune, que é relativamente lenta. A compreensão da biologia molecular das células bacte- rianas nos permitiu entender como essas células sofrem a ação dos antibióticos, como tornam-se resistentes aos mesmos e que processos ou estruturas presentes nas bactérias e ausentes nas células humanas podem ser utilizadas como alvos potenciais para o desenvolvimento de novas drogas. Da mesma forma que as bactérias, os protozoários são, geralmente, membros benéficos da cadeia alimentar. Eles desempenham funções essenciais na fertilização do solo, controlando as populações bacterianas e excretando nitro- gênio e compostos fosfatados e são fundamentais nos siste- mas de tratamento de resíduos – tanto os naturais quanto os derivados da atividade humana. Esses eucariotos unice- lulares também são importantes em ecossistemas marinhos, consumindo grandes quantidades de fitoplâncton e abri- gando as algas fotossintéticas que utilizam a luz solar para produzir formas energéticas biologicamente úteis e peque- nas moléculas combustíveis. No entanto, alguns protozoários podem ser perigosos: a Entamoeba histolytica provoca a disenteria; a Trichomonas vaginalis é causadora de infecção do trato genital feminino e o Trypanosoma brucei causa a doença do sono. A cada ano, o pior de todos os protozoários, o Plasmodium falciparum, e as espécies a ele relacionadas provocam o aparecimento de mais de 300 milhões de novos casos de malária, uma doença que mata de 1,5 a 3 milhões de pessoas anualmente. Esses proto- zoários utilizam mamíferos e mosquitos, alternadamente, como hospedeiros, modificando sua morfologia e comportamento em resposta aos sinais presentes em cada um desses ambien- tes. Também são capazes de reconhecer receptores na superfí- cie das células que infectam. O complexo ciclo de vida do Plasmodium ilustra drasticamente como uma única célula pode adaptar-se às diversas mudanças com as quais é confrontada (Figura 1-4). Todas as transformações celulares que ocorrem durante o ciclo de vida do Plasmodium são governadas por instruções codificadas no material genético desse parasita e são induzidas por sinais ambientais. O outro grupo de eucariotos unicelulares, as leveduras, tam- bém podem ser úteis ou prejudiciais, assim como os seus pri- mos multicelulares, os bolores e os cogumelos. As leveduras e os fungos, que, coletivamente, constituem os fungos, desem- penham importantes papéis na ecologia, pois degradam resí- duos de plantas e animais para reciclagem. Os fungos também produzem diversos antibióticos, além de serem utilizados na manufatura de pães, cerveja, vinhos e queijos. Não tão agra- dáveis são as doenças fúngicas, que variam desde infecções dérmicas relativamente inócuas, como as micoses e o pé de atleta, até doenças sérias, que podem levar à morte, como a pneumonia por Pneumocystis carinii, uma causa comum de óbito entre os pacientes com AIDS. Mesmo as Células Isoladas Podem Ter um Sexo A Saccharomyces cerevisiae, levedura comum utilizada para a produção de pães e cerveja, aparecerá freqüentemente neste livro, pois é um excelente organismo experimental. Do mes- mo modo que uma série de outros organismos unicelulares, as leveduras têm dois tipos para cruzamento que podem, concei- tualmente, ser considerados como os gametas femininos e mas- culinos (óvulos e espermatozóides) dos organismos superio- res. Duas células de levedura apresentando tipos de cruzamento opostos podem se fusionar, ou acasalar, para a produção de uma terceira célula, que conterá o material genético das duas células originais (Figura 1-5). Este ciclo de vida sexual permi- te que ocorram alterações mais rápidas na herança genética do que seria possível sem a existência do sexo, resultando em adap- tações úteis, ao mesmo tempo que leva à rápida eliminação das mutações deletérias. Esta, e não Hollywood, é a causa pro- vável da sexualidade. Os Vírus São os Parasitas Absolutos As doenças provocadas por vírus são numerosas e extrema- mente comuns: a varicela, a gripe, alguns tipos de pneumo- nia, o polio, o sarampo, a raiva, a hepatite e o resfriado co- mum, entre tantas outras. A varíola, que durante muito tem- po foi uma praga mundial, foi erradicada através de um esfor- ço global de imunização que, iniciado na metade da década de 1960, durou mais de dez anos. As infecções virais em plantas (por exemplo, vírus do mosaico anão em milho) apresentam um importante impacto econômico sobre a produção de grãos e outros insumos. O plantio de variedades resistentes aos ví- rus, obtidas por metodologias tradicionais de cruzamento ou, mais recentemente, pela aplicação de técnicas de engenharia ge- nética, pode reduzir significativamente as perdas nessas culturas ocasionadas pelas infecções virais. A maior parte dos vírus tem um espectro bastante limitado de hospedeiros, sendo capaz de infectar determinadas bactérias, plantas ou animais (Figura 1-6). Como os vírus não podem crescer ou reproduzir-se inde- pendentemente, não são considerados como organismos vi- vos. Para sobreviver, um vírus deve infectar uma célula hospe- deira e utilizar-se de sua maquinaria interna para a síntese das proteínas virais e, em alguns casos, para a replicação do pró- prio material genético. Quando novas partículas virais são li- beradas, o ciclo se reinicia. Os vírus são muito menores do que as células, da ordem de 100 nanômetros (nm) de diâmetro; em comparação, as bactérias apresentam geralmente >1.000 nm (1 nm = 10–9 metros). Tipicamente, um vírus é composto por uma cápsula protéica que envolve um núcleo contendo o material genético, o qual contém a informação para a pro- dução de mais vírus (Capítulo 4). A cápsula protege o vírus do ambiente e permite que o mesmo se ligue ou penetre as células hospedeiras específicas. Em alguns vírus o capsídeo protéico é envolvido por um invólucro externo semelhante a uma membrana. 6 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células A capacidade dos vírus de transportar material genético para o interior das células e dos tecidos é uma ameaça à saúde e uma oportunidade para a medicina. As infecções virais po- dem ser devastadoras, provocando a lise das células e a ruptu- ra dos tecidos. No entanto, diversos métodos de manipulação celular dependem do uso dos vírus para transportar o material genético para o interior das células. Para que se os vírus possam ser utilizados dessa forma, a porção do material genético viral que é potencialmente peri- gosa é substituída por outro material genético, inclusive genes humanos. Os vírus alterados, ou vetores, mantêm a sua capa- cidade de penetrar nas células carregando os genes neles intro- duzidos (Capítulo 9). No futuro, as doenças causadas por ge- nes defeituosos poderão ser tratadas pelo emprego de vetores viraispara a introdução de cópias normais do gene nos pa- cientes. A pesquisa atual visa superar os obstáculos ao uso des- sa técnica, buscando, por exemplo, fazer com que o gene inse- rido trabalhe no local e no momento adequados. Nos Desenvolvemos a Partir de uma Única Célula Em 1827, o médico alemão Karl von Baer descobriu que os mamíferos cresciam a partir de óvulos que provinham dos ová- rios maternos. A fertilização de um óvulo por um espermato- zóide dá origem a um zigoto, uma célula visualmente inex- pressiva de 200 µm de diâmetro. É realmente surpreendente constatar que todo ser humano tem início sob a forma de um zigoto, o qual contém todas as instruções necessárias para a (a) Células sangüíneas vermelhas Merozóites Fígado Esporozóite Oocisto Mosquito Humano Gametócitos Esporulação Merozóites Espermatozóide Óvulo Zigoto 2 1 8 7 6 5 4 3 (b) � FIGURA 1-4 Plasmodium, parasitas causadores da malária, são protozoários unicelulares com um impressionante ciclo de vida. São conhecidas muitas espécies de Plasmodium, que podem in- fectar uma série de diferentes animais em um ciclo que alterna insetos e vertebrados hospedeiros. As quatro espécies causadoras de malária em humanos passam por várias transformações dramá- ticas no interior de seus hospedeiros humanos e mosquitos. (a) Diagrama do ciclo de vida. Esporozóites penetram no hospedeiro humano quando um mosquito Anopheles infectado pica uma pes- soa . Eles migram para o fígado, onde se desenvolvem para a forma merozóite, a qual é liberada na corrente sangüínea . Os merozóites são substancialmente diferentes dos esporozóites, por- tanto diz-se que essa transformação é uma metamorfose (do grego “transformar” ou “muitas formas”). Os merozóites circulantes inva- dem as células sangüíneas vermelhas (RBCs) e se reproduzem neste microambiente . Proteínas produzidas por algumas espécies de Plas- modium movem-se para a superfície das RBCs infectadas, provocan- do a adesão das mesmas à parede dos vasos sangüíneos. Essa ade- são impede que as células vermelhas infectadas recirculem para o baço, onde as células do sistema imune destruiriam as RBCs e os Plasmodium que se encontrassem em seu interior. Após o crescimen- to e a reprodução no interior das RBCs por um período de tempo que é característico de cada espécie de Plasmodium, os merozóites eclo- dem abrupta e sincronizadamente, de uma grande quantidade de cé- lulas infectadas . É este evento que provoca os ataques de febre e tremores de frio, que são os sintomas característicos da malária. Al- guns dos merozóites liberados infectam outras RBCs, criando um ci- clo de produção e infecção. Eventualmente, alguns merozóites se desenvolverão, gerando gametócitos masculinos e femininos , ou- tra metamorfose. Essas células, que contêm metade do número nor- mal de cromossomos, não podem sobreviver por um longo período, a menos que sejam transferidas do sangue para um mosquito Anophe- les. No estômago do mosquito, os gametócitos são transformados em espermatozóides ou óvulos (gametas), ou seja, mais uma me- tamorfose, dessa vez marcada pelo desenvolvimento de um longo flagelo semelhante a um fio, no espermatozóide . A fusão de espermatozóides e óvulos gera os zigotos , os quais se implan- tam em células da parede do estômago e crescem, formando oocis- tos, essencialmente fábricas de produção de esporozóites. A rup- tura de um oocisto libera milhares de esporozóites , os quais migram para as glândulas salivares, marcando o estágio de infec- ção de outro hospedeiro humano. (b) Micrografia eletrônica de var- redura de oocistos maduros e de esporozóites emergindo. Oocis- tos se posicionam na borda da superfície externa das células da parede do estômago e estão encapsulados em uma membrana que os proteje do sistema imune. [(b) Cortesia de R. E. Sinden.] R E C U R S O S D E M ÍD IA V íd e o : E s p o ro z ó it e d e P la s m o d iu m P e n e tr a n d o e S a in d o d e u m a C é lu la d o F íg a d o CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 7 Crescimento vegetativo de células diplóides Brotamento Condições de limitação de nutrientes provocam a formação do ascus, meiose Quatro ascósporos haplóides no interior do ascus Crescimento vegetativo de células haplóides Ruptura do ascus, os esporos germinam a Cruzamento entre células haplóides de tipos de cruzamento opostos Células diplóides (a/α) α (b) 1 2 34 5 (a) Brotamento (S. cerevisiae) � FIGURA 1-5 A levedura Saccharomyces cerevisiae se reproduz sexuada e assexuadamente. (a) Dois tipos de células que diferem de acordo com o tipo sexual, chama- dos a e α, podem se unir para a formação de uma célula a/α . As células a e α são haplóides, o que significa que elas contêm uma única cópia de cada cromossomo da levedura, a metade do habitual. O cruzamento produz uma célula diplóide a/α contendo duas cópias de cada cromossomo. Durante o crescimento vegetativo, as cé- lulas diplóides se multiplicam por brotamento mitótico, um processo assexual . Sob condições de limitação de nutrientes, as células diplóides sofrem meiose, um tipo especial de divisão celular, formando os ascósporos ha- plóides . A ruptura de um ascus libera quatro esporos haplóides, os quais podem germinar em células haplói- des . Estas também podem sofrer multiplicação asse- xuada . (b) Micrografia eletrônica de varredura de cé- lulas de levedura em brotamento. Após a liberação de cada uma das células, uma cicatriz é deixada na região de brotamento, o que permite saber o número de brota- mentos anteriores. As células cor-de-laranja são bacté- rias. [(b) M. Abbey/Visuals Unlimited, Inc.] (a) Bacteriófago T4 (b) Vírus do mosaico do tabaco (c) Adenovírus 100 nm 50 nm 50 nm � FIGURA 1-6 Os vírus devem infectar uma célula hospedeira para crescer e se reproduzir. Estas micrografias eletrônicas mostram algumas das variantes estruturais exibidas pelos vírus. (a) O bac- teriófago T4 (no colchete) se liga a uma célula bacteriana através de uma estrutura em cauda. Os vírus que infectam bactérias são chamados de bacteriófagos ou simplesmente de fagos. (b) O vírus do mosaico do tabaco leva ao aparecimento de manchas nas folhas de plantas de tabaco infectadas e retarda seu cresci- mento. (c) O adenovírus causa infecções nos olhos e no trato respiratório dos humanos. Este vírus tem um envelope membra- nar externo, do qual se protundem longas estruturas glicoprotéi- cas. [(a) De A. Levine, 1991, Viruses, Scientific American Libra- ry, p. 20. (b) Cortesia de R. C. Valentine. (c) Cortesia de Robley C. Williams, University of California.] em duas, quatro e então oito células, formando o embrião em estágio inicial (Figura 1-7). A continuação da proliferação ce- lular e a conseguinte diferenciação em tipos celulares variados dá origem a cada um dos tecidos do corpo. Uma célula inicial, o ovo fertilizado (zigoto), dá origem a centenas de células que diferem em conteúdo, forma, tamanho, cor, mobilidade e com- posição da superfície. Veremos nos Capítulos 15 e 22 como os genes e os sinais controlam a diversificação celular. A simples produção de diferentes tipos celulares – células musculares, pele, osso, neurônios ou células sangüíneas – não é suficiente para a geração de um corpo humano. As células construção do corpo humano, que será constituido por apro- ximadamente 100 trilhões (1014) de células. O desenvolvi- mento tem início com a célula-ovo fertilizada dividindo-se 8 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células devem ser adequadamente organizadas e arranjadas em teci- dos, órgãos e membros. Nossas duas mãos têm o mesmo tipo de células, no entanto a sua disposição diferente– em imagem espelhada – é crítica para o seu funcionamento. Além disso, diversas células exibem assimetrias funcionais e/ou estrutu- rais, uma propriedade freqüentemente denominada de pola- ridade. A partir dessas células polarizadas surgem os tecidos polarizados assimétricos, como é o caso do revestimento dos intestinos e de estruturas como as mãos ou o coração. Os fato- res que levam à polarização das células e como surgem esses fatores são temas abordados em capítulos posteriores. As Células-Tronco, Clonagem e Técnicas Afins Levantam Excitantes Possibilidades e Algumas Preocupações Os gêmeos idênticos ocorrem naturalmente quando a massa de células que compõe o embrião inicial sofre uma divisão em duas partes e cada uma delas se desenvolve e cresce para dar origem a um animal. Cada célula de um embrião de camun- dongo no estágio de oito células tem o potencial de dar ori- gem a qualquer uma das diferentes partes do animal. As célu- las com essa capacidade são denominadas de células-tronco em- brionárias (ES – embryonic stem cells). Como aprenderemos no Capítulo 22, as células ES podem ser crescidas em laboratório (cultivadas) e se desenvolvem como vários tipos de células di- ferenciadas, quando submetidas a condições adequadas. A capacidade de produzir e manipular embriões de mamí- feros em laboratório nos proporcionou novas oportunidades médicas e, simultaneamente, gerou uma série de preocupa- ções de ordem social e ética. A fertilização in vitro, por exem- plo, permitiu que muitos casais considerados inférteis tives- sem filhos. Uma nova técnica permite a extração do núcleo de espermatozóides deficientes, incapazes de fertilizar normalmen- te um óvulo, a injeção desses núcleos nos óvulos e a implanta- ção dos óvulos fertilizados resultantes na mãe. Recentemente, núcleos retirados de células de animais adul- tos foram utilizados para a produção de novos animais. Nesse procedimento, o núcleo de uma célula é removido do corpo (por exemplo, da pele ou de células sangüíneas) de um animal doador e introduzido em um óvulo mamífero não-fertilizado cujo núcleo foi removido. Este óvulo manipulado (que é equi- valente a um óvulo fertilizado) é, então, implantado em uma mãe adotiva. A capacidade desse núcleo doador de dirigir o desenvolvimento de um animal completo sugere que toda a informação necessária para a vida está contida no núcleo de algumas células adultas. Uma vez que todas as células do ani- mal assim produzido possuem os genes da única célula doado- ra original, o novo animal é um clone do doador (Figura 1-8). A repetição desse processo pode gerar muitos clones. Até o momento, no entanto, a maioria dos embriões produzidos com a utilização da técnica de clonagem por transferência de nú- cleo não sobreviveu devido a defeitos neonatais. Mesmo aqueles animais que sobreviveram ao nascimento apresentaram certas anomalias, como um envelhecimento acelerado. Em contras- te, o “enraizamento” de plantas é um tipo de clonagem que é R E C U R S O S D E M ÍD IA V íd e o : D e s e n v o lv im e n to E m b ri o n á ri o I n ic ia l � FIGURA 1-7 As primeiras di- visões celulares de um ovo fer- tlizado estabelecem o padrão de todo o desenvolvimento subse- qüente. Um embrião de camun- dongo em desenvolvimento é mostrado nos estágios de (a) duas células, (b) quatro células e (c) oito células. O embrião está envolto por membranas de sustentação. Os passos corres- pondentes no desenvolvimento humano ocorrem durante os primeiros dias após a fertiliza- ção. [Claude Edelmann/Photo Researchers, Inc.] (a) (b) (c) � FIGURA 1-8 Cinco carneiros clonados geneticamente idênticos. Um embrião de carneiro em estágio inicial de desenvolvimento foi dividido em cinco grupos de células, como ocorre com gêmeos naturais, e cada grupo foi implantado separadamente em uma mãe adotiva. Em um estágio inicial, as células podem se ajustar para formar um animal completo; em períodos mais adiantados do de- senvolvimento, as células tornam-se progressivamente restritas e não podem mais sofrer esse ajuste. Uma maneira alternativa de clonagem de animais é a substituição do núcleo de múltiplos em- briões unicelulares por núcleos obtidos de células de carneiros adul- tos. Cada embrião será geneticamente idêntico ao adulto a partir do qual os núcleos foram obtidos. Uma baixa porcentagem de embriões sobrevive a esses procedimentos e gera animais saudá- veis, e o impacto total dessas técnicas nos animais ainda não é completamente conhecido. [Geoff Tompkinson/Science Photo Li- brary/Phto Researchers, Inc.] CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 9 facilmente realizado por jardineiros, agricultores ou técnicos de laboratório. As dificuldades técnicas e os possíveis perigos da clonagem por transferência de núcleo não dissuadiram alguns indiví- duos de desenvolver a clonagem humana. No entanto, a clo- nagem humana per se apresenta interesse científico bastante limitado e a maioria dos cientistas se opõe à clonagem devido a seu alto risco. De interesse científico e médico muito maior é a possibilidade de gerar tipos específicos de células a partir de células-tronco adultas ou embrionárias. O interesse cientí- fico reside na compreensão dos sinais que podem desencadear o potencial dos genes para a formação de um determinado tipo celular. O interesse médico reside na possibilidade de tra- tamento de muitas doenças causadas pela ausência ou dano de tipos celulares específicos, bem como na possibilidade do re- paro mais eficiente de lesões. 1.2 As Moléculas de uma Célula Os pesquisadores da biologia molecular das células exploram a forma como todas as formidáveis propriedades da célula sur- gem dos eventos moleculares subjacentes: a montagem de gran- des moléculas e suas interligações, os efeitos catalíticos que promovem determinadas reações químicas e a distribuição da informação transportada pelas moléculas gigantes. A seguir, serão revisados os mais importantes tipos de moléculas que são o fundamento químico do funcionamento e da estrutura da célula. Moléculas Pequenas Transportam Energia, Transmitem Sinais e se Ligam Para Criar Macromoléculas Muito do conteúdo celular consiste de uma fração aquosa adi- cionada de pequenas moléculas (por exemplo, açúcares sim- ples, aminoácidos, vitaminas) e íons (por exemplo, sódio, clo- reto e íons cálcio). O posicionamento e as concentrações das moléculas pequenas e dos íons no interior das células são con- trolados por numerosas proteínas inseridas nas membranas celulares. Essas bombas, transportadores e canais iônicos trans- portam praticamente todas as pequenas moléculas e íons para o interior ou exterior das células e de suas organelas (Capítulo 7). Uma das mais conhecidas entre as moléculas pequenas é o trifosfato de adenosina (ATP), que estoca energia química facilmente disponível em duas de suas ligações químicas (ver Figura 2-24). Quando as células quebram essas ligações ATP ricas em energia, a energia liberada pode ser utilizada em um processo que necessite de energia, como a contração muscular ou a biossíntese de proteínas. Para obter a energia necessária para a síntese de ATP, as células quebram as moléculas dos alimentos. Por exemplo, quando o açúcar é degradado em dió- xido de carbono e água, a energia estocada nas ligações quími- cas originais é liberada e grande parte dessa energia pode ser “capturada” sob a forma de ATP (Capítulo 8). As células bacte- rianas, das plantas ou dos animais, podem produzir ATP por esse processo. Além disso, as plantas e alguns poucos outros organismos podem obter energia a partir da luz solar, forman- do ATP pela fotossíntese. Outras moléculas pequenas atuam como sinalizadoras in- tra e intercelulares; tais sinais orientam uma série de ativida- des celulares (Capítulos 13 a 15). O impressionanteefeito de um evento amedrontador sobre o nosso corpo resulta de um aporte em nosso organismo de epinefrina, uma pequena mo- lécula de hormônio que mobiliza a resposta “lutar ou fugir”. Os movimentos necessários para a resposta de luta ou fuga são gera- dos por impulsos nervosos que fluem do cérebro para os múscu- los com a ajuda de neurotransmissores, um outro tipo de peque- nas moléculas sinalizadoras, que será discutido no Capítulo 7. Certas moléculas pequenas (monômeros) presentes na cé- lula podem se unir para a formação de polímeros, pela repeti- ção de um único tipo de reação de ligação química (ver Figura 2-11). As células produzem três tipos de grandes polímeros, denominados de macromoléculas: os polissacarídeos, as pro- teínas e os ácidos nucléicos. Os açúcares, por exemplo, são os monômeros usados para a formação dos polissacarídeos. Es- sas macromoléculas são componentes estruturais críticos da parede celular vegetal e do esqueleto dos insetos. Um polissa- carídeo característico é uma cadeia linear ou ramificada de unidades repetidas idênticas de açúcar. Essa cadeia carrega uma informação: o número de unidades. No entanto, se as unida- des não forem idênticas, a ordenação e o tipo de unidades serão responsáveis por informações adicionais. Como pode ser visto no Capítulo 6, alguns polissacarídeos exibem o maior complexo de informações possível através de um código linear composto por diferentes unidades organizadas sob uma or- dem determinada. Essa propriedade, no entanto, é mais ca- racterística de dois outros tipos de macromoléculas biológicas – as proteínas e os ácidos nucléicos. As Proteínas Dão Estrutura às Células e Realizam Grande Parte das Tarefas Celulares As diversificadas e intrincadas estruturas das proteínas possi- bilitam que estas desempenhem muitas atividades. As células encadeiam linearmente 20 diferentes aminoácidos para for- mar uma proteína (ver Figura 2-13). As proteínas, normal- mente, têm um comprimento que varia de 100 a 1.000 ami- noácidos, podendo, no entanto, ser menores ou maiores do que esses limites. Obtemos aminoácidos através de sua síntese a partir de outras moléculas, ou pela degradação das proteínas que ingerimos. Os aminoácidos “essenciais”, do ponto de vis- ta da nossa dieta, são os oito aminoácidos que não somos ca- pazes de sintetizar e que devem ser obtidos da alimentação. A combinação de feijão e milho apresenta todos esses oito ami- noácidos, o que a torna particularmente nutritiva. Uma vez que uma cadeia de aminoácidos tenha sido formada, ela se dobra em uma conformação complexa, conferindo uma es- trutura tridimensional característica e uma função determina- da a cada proteína (Figura 1-9). Algumas proteínas apresentam semelhanças entre si, po- dendo, portanto, ser classificadas como famílias protéicas. Algumas centenas dessas famílias já foram identificadas. A maior parte das proteínas foi projetada para atuar em locais 10 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células determinados dentro das células ou para ser liberada no espa- ço extracelular (extra, “fora”). Vias celulares elaboradas asse- guram que as proteínas sejam transportadas para suas localiza- ções intracelulares (intra, dentro) adequadas ou que sejam se- cretadas (Capítulos 16 e 17). As proteínas podem servir como componentes estruturais para as células, por exemplo, formando um esqueleto interno (Capítulos 5, 19 e 20); podem atuar como sensores que alte- ram sua forma quando ocorrem mudanças na temperatura, na concentração iônica ou em outras propriedades celulares. As proteínas podem importar ou exportar substâncias através da membrana plasmática (Capítulo 7). Elas podem ser enzimas que provocam determinadas reações químicas mais rapida- mente do que seria possível sem o auxílio dessas proteínas catalisadoras (Capítulo 3). Elas podem se ligar a genes es- pecíficos, ativando-os ou desligando-os (Capítulo 11). Elas podem ser sinalizadores extracelulares, liberados por uma célula para a comunicação com outras células ou sinaliza- dores intracelulares, transportando informações dentro das células (Capítulos 13 a 15). Elas podem ser motores que movimentam outras moléculas, queimando energia quími- ca (ATP) (Capítulos 19 e 20). Como podem 20 aminoácidos formar todas as diferentes proteínas necessárias para a realização de tantas tarefas dife- rentes? Em um primeiro momento isso parece impossível. No entanto, se uma proteína “padrão” é composta de aproxima- damente 400 aminoácidos, existem 20400 possíveis seqüências protéicas diferentes. Mesmo considerando-se que muitas des- sas proteínas sejam funcionalmente equivalentes, instáveis ou por algum motivo descartáveis, o número possível de proteí- nas ainda aproxima-se do infinito. A seguir, poderíamos indagar quantas moléculas protéicas uma célula necessita para o seu próprio funcionamento e manuten- ção. Para que possamos estimar esse número, vamos utilizar uma célula eucariótica padrão, como um hepatócito (célula do fíga- do). Esta célula, com formato aproximado de um cubo de 15 µm (0,0015 cm) de lado, tem um volume de 3,4 × 10–9 cm3 (ou milímetros). Supondo uma densidade celular de 1,03 g/mL, essa célula deverá pesar 3,5 × 10–9 g. Tendo em vista que as proteínas correspondem a aproximadamente 20% do peso da célula, o peso total de proteína celular é de 7 × 10–10g. A média do peso mole- cular de uma proteína de levedura corresponde a 52.700 (g/mol). Considerando-se que este valor é característico para proteínas eucarióticas, podemos calcular o número total de moléculas pro- téicas por hepatócito como aproximadamente 7,9 × 109 a partir do peso total protéico e do número de Avogrado, o qual repre- senta o número de moléculas por mole de um composto químico qualquer (6,02 × 1023). Levando-se esse cálculo um passo à fren- te, podemos considerar que o hepatócito contém aproximada- mente 10 mil diferentes proteínas; dessa forma, uma célula con- tém, em média, aproximadamente um milhão de moléculas de cada tipo de proteína. Na verdade, a concentração das diferentes proteínas varia enormemente, desde proteínas bastante raras, como é o caso do receptor de ligação à insulina (20 mil moléculas), até proteínas estruturais abundantes, como a actina (5 × 108). Os Ácidos Nucléicos Contêm as Informações Para a Produção das Proteínas no Local e Momento Adequados A informação referente a como, quando e onde deve ser pro- duzido cada tipo de proteína está contida no material genéti- Glutamina sintetase Insulina Hemoglobina Imunoglobulina Adenilato- quinase Molécula de DNA Bicamada lipídica � FIGURA 1-9 A grande diversidade em tamanho, forma e funcio- namento das proteínas. Estes modelos de superfície de algumas proteínas representativas foram desenhados sob a mesma escala e revelam numerosas projeções e fendas nas superfícies. Cada proteína apresenta uma forma tridimensional definida (conforma- ção) que está estabilizada pelas diversas interações químicas dis- cutidas nos Capítulos 2 e 3. Entre as proteínas ilustradas encon- tram-se enzimas (glutamina sintetase e adenilato-quinase), um an- ticorpo (imunoglobulina), um hormônio (insulina) e o transportador de oxigênio do sangue (hemoglobina). Modelos de um segmento de ácido nucléico DNA e uma pequena região de uma bicamada lipídica que forma as membranas celulares (ver Seção 1.3) de- monstram o tamanho relativo destas estruturas em comparação a proteínas típicas. [Cortesia de Gareth White.] CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 11 co, um polímero denominado ácido desoxirribonucléico (DNA). A estrutura tridimensional do DNA consiste de duas longas fitas helicoidais que se enrolam em torno de um eixo comum, formando uma dupla hélice. As fitas de DNA são compostas por monômeros denominados de nucleotídeos; es- tes são freqüentemente chamados de bases porque suas estru- turas contêm bases orgânicas cíclicas (Capítulo 4). Quatrodiferentes nucleotídeos, abreviadamente deno- minados de A, T, C e G, são unidos por meio de suas extremi- dades em uma fita de DNA, tendo suas bases projetadas para fora do esqueleto helicoidal da fita. Cada dupla hélice de DNA é estruturada em uma construção simples: sempre que houver um A sobre uma das fitas existirá um T sobre a outra, e cada C corresponderá a um G sobre a fita complementar (Figura 1-10). Este pareamento por complementariedade das duas fitas é tão forte que se as fitas complementares forem separadas e coloca- das sob condições adequadas de temperatura e concentração salina, elas espontanemente retomarão sua estrutura fechada original. Tal fenômeno de hibridização é extremamente útil para a detecção de uma fita usando-se a outra como indica- dor. Por exemplo, se uma das fitas é purificada e fixada sobre um suporte de papel, é possível que a estrutura se feche de modo adequado, se o suporte for mergulhado em uma solu- ção que contém a fita complementar, mesmo que existam nessa solução muitas outras fitas de DNA compostas de outras se- qüências. A informação genética contida no DNA reside em sua se- qüência, a ordenação linear dos nucleotídeos ao longo da fita. A parcela de DNA que contém informações encontra-se divi- dida em unidades funcionais separadas, os genes, que, em ge- ral, têm um tamanho entre 5 mil e 100 mil nucleotídeos. A maioria das bactérias possui poucos milhares de genes, en- quanto os humanos têm, aproximadamnte, 40 mil genes. Os genes que contêm instruções para o preparo das proteínas normalmente podem ser divididos em duas partes: a região codificante, que determina a seqüência de aminoácidos da proteína, e a região reguladora, que controla quando e em que tipos de células essa proteína será produzida. As células fazem uso de dois processos em série para con- verter a informação codificada no DNA em proteínas (Figura 1-11). No primeiro, denominado de transcrição, a região co- dificante de um gene é copiada sob a forma de uma versão em fita simples de ácido ribonucléico (RNA) a partir da dupla fita de DNA. Uma grande enzima, a RNA polimerase, catali- sa a ligação dos nucleotídeos na cadeia de RNA, usando o DNA como molde. Em células eucarióticas, o produto inicial de RNA é processado em uma molécula de RNA mensageiro (mRNA) menor, a qual é transportada para o citoplasma. Neste com- partimento, o ribossomo, uma enorme máquina molecular complexa, composta de RNAs e de proteínas, se encarrega de efetuar o segundo processo, denominado tradução. Durante a tradução, o ribossomo organiza e liga os aminoácidos seguin- do uma ordem estabelecida, a qual é ditada pela seqüência do mRNA, de acordo com um código genético praticamente uni- versal. Examinaremos em detalhes os componentes celulares que realizam as tarefas de transcrição e tradução no Capítulo 4. Todos os organismos têm meios de controlar quando e onde seus genes devem ser transcritos. Na verdade, pratica- mente todas as células de nosso organismo contêm um con- junto completo dos genes humanos, mas em cada tipo de cé- lula apenas alguns desses genes estão ativos, ou ligados, para a produção de proteínas. Essa é a razão pela qual os hepatócitos produzem certas proteínas que não são produzidas pelas célu- las renais e vice-versa. Além disso, muitas células podem res- ponder a sinais externos ou a alterações das condições exter- nas ligando ou desligando genes específicos e, dessa forma, adaptando o seu repertório de proteínas às necessidades do momento. Tal controle da atividade gênica depende das pro- teínas de ligação ao DNA denominadas de fatores de trans- crição, as quais são capazes de se ligar ao DNA e atuar como disjuntores, ativando ou reprimindo a transcrição de genes determinados (Capítulo 11). Os fatores de transcrição são tão precisos que podem se ligar preferencialmente a regiões reguladoras de um número restrito de genes entre os milhares que estão presentes no DNA da célula. Tipicamente, uma proteína de ligação ao DNA re- conhecerá uma seqüência curta de DNA de 6 a 12 pares de base. Um segmento de DNA contendo 10 pares de base pode representar 410 possíveis seqüências (1.048.576), visto que cada posição pode estar ocupada por qualquer um dos quatro nu- cleotídeos. Assim, apenas umas poucas cópias de cada uma dessas seqüências ocorrerá no DNA de uma célula, asseguran- do a especificidade da ativação e repressão dos genes. Cópias múltiplas de um tipo de fator de transcrição podem regular coordenadamente um conjunto de genes, se existirem sítios de ligação para esse fator na proximidade de cada um dos ge- nes desse conjunto. Os fatores de transcrição freqüentemente trabalham como complexos multiprotéicos, nos quais mais de Fitas originais A G T C Fitas- filha � FIGURA 1-10 O DNA consiste de duas fi- tas complementares enroladas uma sobre a outra de modo a formar uma dupla hélice. (Esquerda) A dupla hélice é estabilizada por fracas pontes de hidrogênio entre as bases A e T e entre as bases C e G. (Direita) Duran- te a replicação as duas fitas são desenrola- das e usadas como molde para a produção de fitas complementares. O resultado é a pro- dução de duas cópias da dupla hélice original, cada uma contendo uma das fitas originais e uma das novas fitas-filha (complementar). 12 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células uma proteína contribui com sua especificidade de ligação ao DNA para a seleção dos genes controlados. Em organis- mos complexos, centenas de diferentes fatores de transcri- ção são empregados, formando um incrível sistema de con- trole que ativa os genes corretos, na célula correta, no mo- mento adequado. O Genoma Está Organizado em Cromossomos e É Replicado Durante a Divisão Celular A maior parte do DNA das células eucarióticas está localizada no núcleo, extensivamente compactada sob a forma das co- nhecidas estruturas denominadas de cromossomos (Capítulo 10). Cada cromossomo contém uma única molécula linear de DNA associada a proteínas determinadas. Em células procari- óticas, a maior parte, ou mesmo toda a informação genética, reside em uma molécula de DNA circular de aproximadamente um milímetro de comprimento; esta molécula se posiciona, dobrada várias vezes sobre si mesma, na região central da célu- la (ver Figura 1-2a). O genoma de um organismo compreen- de seu complemento completo de DNA. Excetuando-se os óvulos e os espermatozóides, cada célula humana normal pos- sui 46 cromossomos (Figura 1-12). Metade desses cromosso- mos, e, conseqüentemente, metade dos genes, é originária da mãe, e a outra metade é proveniente do pai. A cada vez que a célula se divide, uma grande maquinaria multiprotéica de replicação, o replissomo, separa as duas fitas da dupla hélice de DNA dos cromossomos e utiliza cada uma delas como molde para a síntese de nucleotídeos sobre uma nova fita complementar (ver Figura 1-10). O resultado final consiste de um par de duplas hélices, cada uma idêntica à ori- ginal. A DNA polimerase, que é responsável pela adição dos nucleotídeos à fita de DNA, e muitos outros componentes de replissomo estão descritos no Capítulo 4. A estrutura mole- cular do DNA e as impressionantes propriedades do replisso- mo asseguram uma cópia rápida e de alta acurácia. Várias moléculas de DNA polimerase trabalham simultaneamente, cada uma copiando uma porção de um cromossomo. O ge- noma completo de uma mosca-das-frutas, que apresenta tamanho de aproximadamente 1,2 × 108 nucleotídeos, pode ser copiado em apenas três minutos! Devido à acurácia da replicação do DNA, praticamente todas as células de nosso organismo carregam as mesmas instruções genéticas e, as- sim, podemos herdar os cabelos castanhos de mamãe e os olhos azuis de papai. Um exemplo bastante dramático de controle gênico en- volve a inativação de um cromossomo inteiro nas fêmeas hu- manas. As mulheres têm dois cromossomos X, enquanto os homens têm um cromossomoX e um cromossomo Y, o qual tem genes diferentes daqueles encontrados no cromossomo X. Apesar disso, os genes residentes no cromossomo X devem, em sua maioria, encontrar-se igualmente ativos em células fe- mininas (XX) e masculinas (XY). Para que esse equilíbrio seja alcançado, um dos cromossomos X das células femininas é alterado quimicamente e condensado sob a forma de uma mas- sa bastante pequena, denominada de Corpúsculo de Barr, a qual é inativa, não sendo jamais transcrita. Surpreendentemente, nós herdamos uma pequena quanti- dade de material genético inteira e exclusivamente de nossas mães. Esse material genético corresponde ao DNA circular presente nas mitocôndrias, organelas das células eucarióticas que sintetizam ATP usando a energia liberada na quebra de nutrientes. As mitocôndrias contêm múltiplas cópias de seu próprio genoma, o qual codifica algumas das proteínas mito- condriais (Capítulo 10). Considerando que cada ser humano herda o DNA mitocondrial apenas de sua mãe (ele é prove- niente do óvulo, mas não do espermatozóide), as característi- cas específicas de um DNA mitocondrial em particular po- dem ser usadas para reconstituir a história materna. Os cloro- plastos, organelas que realizam a fotossíntese nas plantas, tam- bém possuem seu próprio genoma circular. Núcleo Citosol Fator de transcrição DNA pré-mRNA mRNA RibossomoRNA polimerase Região transcrita de DNA Região não-transcrita de DNA Região codificadora de proteína do RNA Região não-codificadora de proteína do RNA Proteína Início Ativação Transcrição Proces- samento Tradução 1 2 3 4 Cadeia de aminoácidos � FIGURA 1-11 A informação codificada no DNA é convertida nas seqüências de aminoácidos das proteínas por um processo que envolve vários passos. Passo : os fatores de transcrição se li- gam às regiões reguladoras dos genes específicos que eles contro- lam e os ativam. Passo : após a montagem de um complexo de iniciação multiprotéico ligado ao DNA, a RNA polimerase dá início à transcrição do gene ativado a partir de um ponto específico, o sítio de iniciação. A polimerase se move sobre o DNA ligando os nucleotídeos sob a forma de um transcrito fita simples de pré- mRNA que utiliza a fita de DNA como molde. Passo : o transcri- to é processado para a remoção de seqüências não-codificantes. Passo : em uma célula eucariótica, o RNA mensageiro maduro (mRNA) vai para o citoplasma, onde se liga aos ribossomos que lêem a sua seqüência e montam uma proteína utilizando a ligação química de aminoácidos em uma cadeia linear. CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 13 As Mutações Podem Ser Benéficas, Deletéreas ou Inócuas Ocasionalmente, podem ocorrer erros espontâneos durante a replicação do DNA, provocando alterações na seqüência dos nucleotídeos. Estas alterações, ou mutações, também podem ser provocadas pela radiação, que provoca danos na cadeia de nucleotídeos, ou por toxinas químicas, tais como as existentes na fumaça do cigarro, que levam a erros durante o processo de cópia do DNA (Capítulo 23). As mutações podem ocorrer sob diferentes formas: uma simples troca de um nucleotídeo por outro; uma deleção, inserção ou inversão de um ou mes- mo milhões de nucleotídeos no DNA de um cromossomo; ou a translocação de uma porção de DNA de um cromossomo para outro. Em animais que apresentam reprodução sexual, como é o caso dos seres humanos, as mutações só poderão ser herdadas se estiverem presentes nas células que potencialmente contri- buem para a formação da prole. Nessas células germinativas incluem-se os óvulos, os espermatozóides e suas células pre- cursoras. As células do organismo que não contribuem para a prole são denominadas de células somáticas. As muta- ções que ocorrem nesses tipos de células nunca serão her- dadas, mas podem contribuir para o desenvolvimento do câncer. As plantas apresentam uma divisão menos nítida entre as células somáticas e as germinativas, visto que mui- tas células vegetais podem apresentar características fun- cionais de ambos os padrões. Os genes mutados que codificam proteínas alteradas ou que não podem sofrer um controle adequado provocam uma série de doenças herdáveis. Por exemplo, a anemia falciforme é resultante de uma única substituição de nucleotídeo no gene da hemoglobi- na, o qual codifica a proteína que transporta oxigênio nas células vermelhas sangüíneas. A alteração pontual de um aminoácido, provocada pela mutação da anemia falciforme, reduz a capacida- de das células vermelhas de transportar o oxigênio dos pulmões para os tecidos. Os avanços recentes nos métodos de detecção das mutações que causam doenças e na compreensão de como elas afetam as funções celulares oferecem possibilidades interessantes para a redução de seus efeitos freqüentemente devastadores. O seqüenciamento do genoma humano mostrou que uma grande parte do nosso DNA não codifica nenhum RNA nem é responsável por qualquer função reguladora discernível, um re- sultado bastante surpreendente. As mutações nessas regiões geral- mente não provocam efeitos imediatos – sejam eles positivos ou negativos. No entanto, essas mutações “indiferentes” sobre o DNA não-funcional podem ter desempenhado um papel importante na evolução, levando à criação de novos genes ou de novas se- qüências reguladoras para o controle de genes já existentes. Por exemplo, visto que os sítios de ligação para os fatores de transcri- ção têm, caracteristicamente, um tamanho de 10 a 12 nucleo- tídeos, umas poucas mutações de um único nucleotídeo po- derão converter uma porção de DNA não-funcional em um sítio regulador funcional para a ligação de proteínas. Uma grande parcela do DNA não-funcional, tanto em eu- cariotos quanto em procariotos, consiste de seqüências alta- � FIGURA 1-12 Os cromossomos podem ser corados para sua fácil identificação. Um ser humano normal possui 23 pares de cromossomos morfologicamente distintos; um membro de cada par é herdado da mãe e o outro é herdado do pai. (Esquerda) Uma preparação de cromossomos feita a partir de uma célula humana durante a mitose, momento em que os cromossomos encontram-se mais fortemente condensados. Esta preparação foi tratada com reagentes marcadores fluorescentes que permi- tem que cada um dos 22 pares, mais os cromossomos X e Y, adquiriram uma coloração diferente quando visualizados sob mi- croscopia de fluorescência. Esta técnica de hibridização in situ com fluorescência multiplex (M-FISH) é, às vezes, chamada de pintura de cromossomos (Capítulo 10). (Direita) Os cromosso- mos obtidos da preparação mostrada à esquerda foram organi- zados em pares, em ordem decrescente de tamanho, em um arranjo chamado de cariótipo. A presença de ambos os cromos- somos X e Y identifica que o indivíduo é do sexo masculino. [Cortesia de M. R. Speicher.] 14 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células mente repetitivas que podem se mover de um lugar para outro dentro do genoma. Esses elementos de DNA transponíveis podem saltar (sofrer transposição) para o interior dos genes, geralmente provocando danos, e, em alguns casos, ativando- os. Essa transposição ocorre com pouca freqüência, o que di- minui a chance de perigo para o organismo hospedeiro. Os elementos transponíveis, descritos inicialmente em plantas, são responsáveis pelo padrão de coloração variada da folha e pelos diferentes e bonitos padrões de cor em espigas de milho selva- gem. Transpondo-se para dentro e para fora dos genes que controlam a pigmentação, conforme progride o desenvolvi- mento da planta, esses elementos transponíveis dão origem a elaborados padrões de coloração. Mais tarde, os elementos transponíveis foram descritos em bactérias, nas quais geral- mente são responsáveis pelo transporte e, infelizmente, pela disseminação de genes de resistência a antibióticos. Hoje sabemos que os elementos transponíveis têm-se mul- tiplicadoe se acumulado lentamente nos genomas ao longo do período evolutivo, tornando-se uma característica univer- sal dos genomas dos organismos atuais, sendo responsáveis por impressionantes 45% do genoma humano. Alguns de nossos próprios elementos transponíveis de DNA são cópias – com freqüência altamente mutadas e modificadas – de geno- mas provenientes de vírus que passavam parte de seu ciclo de vida como segmentos de DNA inseridos no DNA da célula hospedeira. Desse modo, transportamos em nossos cromosso- mos os resíduos genéticos das infecções adquiridas pelos nos- sos ancestrais. Há algum tempo considerados apenas como parasitas moleculares, os elementos transponíveis de DNA são, atualmente, considerados como contribuintes significativos no processo evolutivo dos organismos superiores (Capítulo 10). 1.3 A Função das Células Na essência, qualquer célula é simplesmente um comparti- mento com um interior aqüoso que está separado do ambien- te externo por uma membrana de superfície (a membrana plas- mática), a qual evita que ocorra o livre fluxo de moléculas entre a parte externa e interna da mesma. Além disso, como já foi salientado, as células dos eucariotos possuem uma grande quantidade de membranas internas que as subdividem em vá- rios compartimentos, denominados de organelas. A membra- na plasmática e outras membranas celulares são compostas prin- cipalmente de duas camadas de moléculas fosfolipídicas. Es- tas moléculas apresentam duas porções, uma extremidade “de atração à agua” (hidrofílica) e uma extremidade de “repulsão à água” (hidrofóbica). As duas camadas fosfolipídicas da mem- brana estão orientadas de tal forma que as extremidades hi- drofílicas se direcionam para o exterior da bicapa, ao passo que as extremidades hidrofóbicas encontram-se escondidas no interior da bicamada (Figura 1-13). Quantidades menores de outros lipídeos, como o colesterol e diversos tipos de proteí- nas, encontram-se intercalados na estrutura fosfolipídica. As moléculas de lipídeos e algumas proteínas podem movimen- tar-se lateralmente sobre o plano da membrana, dando a esta uma característica fluida. Essa fluidez permite que as células alterem sua conformação e, inclusive, que se movimentem. No entanto, a ligação de algumas proteínas de membrana a outras moléculas internas ou externas das células restringe esse movimento lateral. Aprenderemos mais sobre as membranas e como as moléculas podem atravessá-las nos Capítulos 5 e 7. O citosol e os espaços internos das organelas diferem tanto entre si quanto diferem do exterior da célula em termos de acidez, composição iônica e conteúdo protéico. Por exemplo, a composição salina dentro da célula é, muitas vezes, drastica- mente diferente da existente no exterior da mesma. Por causa desses diferentes “microclimas”, cada compartimento celular desempenha tarefas específicas no contexto total de trabalho da célula (Capítulo 5). As funções específicas e os microambi- entes dos diferentes compartimentos celulares são determina- dos, em grande parte, pelas proteínas que residem em suas membranas e em seu interior. Podemos imaginar o conjunto de compartimentos celula- res como uma fábrica dedicada à manutenção do bem-estar da célula. Uma grande parte do trabalho celular é desenvolvi- do por maquinarias moleculares, algumas residentes no cito- sol e outras nas diversas organelas. A seguir, revisaremos bre- vemente as principais tarefas desempenhadas pelas células em busca de uma vida agradável. As Células Constroem e Degradam um Grande Número de Moléculas e Estruturas Em sua função de fábricas químicas, as células produzem um número enorme de moléculas complexas a partir de blocos de construção químicos mais simples. Todo esse trabalho de sín- tese é propelido pela energia química extraída principalmente Água Colesterol Cadeias lipídicas Grupamento de cabeça hidrofílico � FIGURA 1-13 O interior aquoso das células está delimitado por uma membrana plasmática, um invólucro bicamada de fosfolipí- deos. As moléculas de fosfolipídeos estão orientadas com suas cadeias de lipídeos (linhas pretas tortuosas) voltadas para a parte interna e com suas cabeças hidrofílicas (esferas brancas) voltadas para a parte externa. Desse modo, ambas as faces da membrana estão recobertas por grupamentos hidrofílicos, principalmente fos- fatos carregados, adjacentes aos espaços aquosos interno e exter- no à célula. Todas as membranas biológicas apresentam a mesma estrutura básica de bicamada fosfolipídica. Colesterol (em verme- lho) e várias proteínas (não ilustradas) estão embebidos na bicapa lipídica. Na realidade, o espaço interior tem um volume muito maior do que a membrana plasmática aqui representada. CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 15 de açúcares e gorduras ou da luz solar, no caso das células vegetais, e é estocado principalmente sob a forma de ATP, a “moeda” universal de energia química (Figura 1-14). Em cé- lulas animais e vegetais, a maior parte do ATP é produzida por grandes máquinas moleculares localizadas em duas orga- nelas, as mitocôndrias e os cloroplastos. Máquinas similares, para a geração de ATP, estão presentes na membrana plasmá- tica das células bacterianas. Acredita-se que as mitocôndrias e os cloroplastos tenham-se originado como bactérias que se es- tabeleceram no interior das células eucarióticas e tornaram-se colaboradoras bem-vindas (Capítulo 8). Direta ou indireta- mente, todo nosso alimento é gerado por células vegetais por meio do uso da luz solar para a produção de macromoléculas complexas durante a fotossíntese. Mesmo os depósitos subter- râneos de petróleo tiveram sua origem no decaimento de ma- terial de origem vegetal. As células necessitam quebrar materiais inaproveitáveis ou obsoletos em moléculas pequenas que possam ser descartadas ou recicladas. Essa tarefa de limpeza da casa é função dos li- sossomos, organelas preenchidas por enzimas de degradação. No interior dos lisossomos o pH é de aproximadamente 5,0, ou seja, praticamente cem vezes mais ácido do que o pH do citosol que o cerca. Isso auxilia a degradação de materiais pe- las enzimas lisossomais, uma vez que estas foram especialmen- te projetadas para funcionar em condições de baixo pH. Para criar um ambiente de baixo pH, as proteínas presentes na mem- brana lisossomal bombeiam íons de hidrogênio para o lisosso- mo utilizando-se da energia fornecida pelo ATP (Capítulo 7). Os lisossomos são auxiliados no trabalho de limpeza da célula pelos peroxissomos. Estas pequenas organelas são especializa- das na degradação dos componentes lipídicos das membranas e na inativação de diversas toxinas. A maior parte das propriedades funcionais e estruturais das células depende das proteínas. Assim, para que as células funcionem adequadamente, as diversas proteínas que com- põem os vários compartimentos de trabalho devem ser trans- portadas do local onde são fabricadas para sua posição apro- priada (Capítulos 16 e 17). Algumas proteínas são produ- zidas em ribossomos que se encontram livres no citosol. As proteínas secretadas e a maioria das proteínas de membra- na, no entanto, são produzidas em ribossomos associados ao retículo endoplasmático (RE). Esta organela produz, processa e promove o transporte das proteínas e dos lipí- deos. As cadeias protéicas produzidas no RE são transpor- tadas para o complexo de Golgi, onde serão ainda modifi- cadas antes de ser encaminhadas para o seu destino final. As proteínas que utilizam essa rota contêm pequenas se- qüências de aminoácidos ou de cadeias de açúcares (oligos- sacarídeos) que os direcionam ao destino correto. Esses si- nalizadores funcionam porque são reconhecidos e ligam-se a outras proteínas que os selecionam e reencaminham para os diversos compartimentos celulares. As Células Animais Fabricam seu Próprio Ambiente Externo e sua Coesão Os animais multicelulares mais simples são compostosde cé- lulas individuais embebidas em uma gelatina de proteínas e polissacarídeos denominada de matriz extracelular. As pró- prias células produzem e secretam esses materiais, criando, dessa maneira, seu ambiente imediato (Capítulo 6). O colágeno, a proteína individual mais abundante do reino animal, é o prin- cipal componente da matriz extracelular na maioria dos teci- dos. Nos animais, a matriz extracelular protege e lubrifica as células. Uma matriz especializada e que apresenta grande re- sistência, a lâmina basal, recobre internamente as camadas celulares, formando uma camada de suporte que delimita e auxilia na prevenção do rompimento das células dos tecidos. Energia ATP Luz (fotossíntese) ou compostos com alta energia potencial (respiração) Síntese de macromoléculas celulares (DNA, RNA, proteínas, polissacarídeos) Síntese de outros constituintes celulares (como fosfolipídeos de membrana e certos metabólitos necessários) Movimentos celulares, como a contração muscular, o rastejamento de células inteiras e o movimento dos cromossomos durante a mitose Transporte de moléculas contra um gradiente de concentração Geração de um potencial elétrico ao longo de uma membrana (importante para o funcionamento dos nervos) Calor ADP + Pi � FIGURA 1-14 O ATP é a molécula mais comum utilizada pelas células para a captura e transferência de energia. O ATP é forma- do a partir de ADP e fosfato inorgânico (P i ) pela fotossíntese, nos vegetais, e pela quebra de açúcares e gorduras na maioria das células. A energia liberada pela quebra (hidrólise) do P i a partir do ATP impulsiona vários processos celulares. R E C U R S O S D E M ÍD IA A n im a ç ã o G lo b a l: In te rc o n v e rs õ e s B io ló g ic a s d e E n e rg ia 16 CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células As células animais são “coladas” umas às outras por molé- culas de adesão celular (CAMs), as quais estão embebidas em suas membranas de superfície. Algumas CAMs unem as célu- las entre si; outras, conectam as células à matriz extracelular, formando uma unidade coesa. As células das plantas superiores contêm relativamente poucas células desse tipo; em vez disso, as células das plantas se mantêm firmemente unidas por extensivas interligações entre as paredes das células adjacentes. Os cito- sóis das células animais e vegetais adjacentes freqüentemente estão conectados por “pontes” funcionalmente similares, mas estruturalmente diferentes, denominadas de junções gap, nos animais, e plasmodesmatas nas plantas. Essas estruturas per- mitem que as células troquem pequenas moléculas entre si, tais como nutrientes ou moléculas sinalizadoras, facilitando o fun- cionamento coordenado das células de um tecido. As Células Alteram suas Formas e se Movimentam Apesar de, ocasionalmente, existirem células esféricas, as célu- las geralmente se apresentam sob formas mais elaboradas devido ao seu esqueleto interno e conexões externas. Nas células ani- mais, o citoesqueleto interno é formado por três tipos de fila- mentos protéicos, organizados em redes e feixes (Figura 1-15). O citoesqueleto evita que a membrana plasmática das células animais assuma uma conformação relaxada esférica (Capítulo 5) e também participa da locomoção celular e no transporte in- tracelular de vesículas, cromossomos e macromoléculas (Ca- pítulos 19 e 20). O citoesqueleto pode ser conectado pela su- perfície celular à matriz extracelular ou ao citoesqueleto de outras células, auxiliando, dessa maneira, a formação dos teci- dos (Capítulo 6). Todos os filamentos do citoesqueleto são longos políme- ros de subunidades protéicas. Sistemas elaborados regulam a montagem e a dissociação do citoesqueleto, controlando, as- sim, a morfologia da célula. Em algumas células o citoesquele- to se apresenta relativamente estável, mas, em outras, ocorrem alterações constantes de sua forma. O encurtamento do cito- esqueleto em determinadas porções da célula e seu crescimen- to em outras pode produzir alterações coordenadas na forma da célula, resultando no movimento da mesma. Assim, uma célula pode emitir prolongamentos que se conectam à super- fície, ou a outras células, e, então, retrair o corpo celular na extremidade oposta. A continuidade desse processo de altera- ções coordenadas no citoesqueleto permite que a célula avance. As células podem mover-se a velocidades de até 20 µm/segundo. A locomoção celular é usada durante o período de desenvolvi- mento embrionário dos animais multicelulares para dar for- ma aos tecidos e durante a vida adulta para a defesa contra infecções, para o transporte de nutrientes e para o reparo e a cicatrização de lesões. Esse processo não é utilizado no cresci- mento e desenvolvimento das plantas multicelulares, pois as novas células vegetais são geradas pela divisão de células pree- xistentes que compartilham paredes celulares. Desse modo, o desenvolvimento vegetal envolve o aumento do tamanho ce- lular, mas não o movimento das células de uma posição para outra. As Células Recebem e Emitem Informações Uma célula viva monitora continuamente sua vizinhança e ajusta suas atividades e sua composição de acordo com a ne- cessidade. As células também se comunicam por meio do en- vio deliberado de sinais que podem ser recebidos e interpreta- dos por outras células. Tais sinais são comuns não apenas no interior de um indivíduo, mas também entre diferentes indi- víduos. Por exemplo, o odor de uma pêra que é detectado por nós ou por outros animais sinaliza uma fonte de alimento; o consumo da pêra por um animal auxilia a disseminação de sua semente. Assim, todos são beneficiados! Os sinais utilizados pelas células incluem pequenas moléculas químicas simples, gases, proteínas, luz e movimentos mecânicos. As células têm numerosas proteínas receptoras (para a detecção de sinais) e rotas elaboradas para a transmissão desses sinais em seu inte- rior, para provocar uma resposta. Em um momento determi- nado, uma célula pode ser capaz de perceber apenas alguns dos sinais que existem ao seu redor e sua resposta pode mudar, dependendo do momento. Em alguns casos, a recepção de Filamentos intermediários Microtúbulos Microfilamentos � FIGURA 1-15 Os três tipos de filamentos do citoesqueleto apre- sentam localização característica dentro das células. Três vistas da mesma célula. Um fibroblasto em cultura foi tratado com três diferentes preparações de anticorpos. Cada anticorpo se liga espe- cificamente a um dos monômeros protéicos que forma um tipo determinado de filamento, e também é quimicamente ligado a um corante fluorescente diferente (verde, azul ou vermelho). A visua- lização da célula corada em um microscópio de fluorescência reve- la a posição dos filamentos ligados a uma determinada preparação de anticorpos marcados. Neste caso, os filamentos intermediá- rios estão corados em verde, os microtúbulos em azul e os mi- crofilamentos em vermelho. Todos os três sistemas de fibras contribuem para o estabelecimento da forma e para os movi- mentos das células. [Cortesia de V. Small.] CAPÍTULO 1 • A Vida Começa nas Células 17 um primeiro sinal indicará à célula o caminho específico a ser seguido em resposta a um sinal diferente subseqüente. Tanto as alterações no ambiente (por exemplo, um aumento ou diminuição nos níveis de um nutriente em particular ou nos padrões de luminosidade) quanto os sinais enviados por outras células representam informações externas que as célu- las devem processar. As respostas mais rápidas a tais sinais in- cluem alterações na localização ou na atividade de proteínas preexistentes. Por exemplo, logo que ingerimos uma refeição rica em carboidratos, uma grande quantidade de glicose inva- de nossa corrente sangüínea. O aumento da glicose
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