Ciclo Celular e o Sistema de Controle

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Ciclo Celular e o Sistema de Controle
O ciclo celular é entendido como os processos de formação da célula até sua divisão em 2 células-filhas. As duas principais fases do ciclo celular são a fase S (Síntese do DNA), na qual ocorre duplicação dos cromossomos e a fase M (Mitose), que compreende a divisão nuclear (cariocinese) na qual os cromossomos são copiados e distribuídos em um par de núcleos-filhos e a divisão citoplasmática (citocinese). O ciclo possui duas fases de intervalo: G1 entre a fase M e a fase S e G2 entre a fase S e M. Elas servem para realiza um retardo que proporciona o crescimento celular e permite que a célula monitore os ambientes interno e externo para garantir condições adequadas para a célula entrar nas fases S e M. Se as condições foram desfavoráveis, a célula entra em G0 que é um estado de repouso, ate que as condições extracelulares estejam favoráveis.
! A divisão do ciclo celular também pode ser em 2 etapas: 
INTÉRFASE: Fase de intensa atividade metabólica, na qual, além da duplicação do DNA, ocorre mecanismos de controle para o desenvolvimento adequado do ciclo. Enquanto que a síntese de DNA se dá quase que exclusivamente na fase S, a síntese de RNA se dá continuamente em toda a intérfase (com maior intensidade na fase G1). Nessa etapa, a célula duplica seu conteúdo para se preparar para uma nova divisão.
A intérfase se divide em 3 períodos: G1, S e G2.
Período G1 – gap 1: Caracteriza-se pelo retorno à produção de RNA e proteínas, que são paralisadas na mitose, com isso a célula cresce continuamente. Nesse período que a célula se prepara para uma nova divisão, há síntese de enzimas cruciais na fase S, como, por exemplo, enzima da síntese da DNA polimerase e enzimas da síntese de trifosfatos de desoxirronucleosídeos. O papel controlado no aspecto de continuação da proliferação ou entrada na fase G2, é atribuído a esse período. Essa decisão é determinada primariamente por fatores exógenos (fatores de crescimento) que desencadeiam respostas intracelulares. Essas respostas são monitoradas por controladores internos do ciclo, que induzem ou impedem a progressão do ciclo. Essas proteínas reguladoras (controladores internos do ciclo) atuam em uma série de pontos no ciclo e um desses pontos é o chamado ponto de restrição (R), esse seria transposto quando a célula tivesse um acúmulo de proteínas suficiente para chegar a um patamar crítico. Uma vez transposto, a chegaria à fase S e teria que terminar o ciclo celular, independente de fatores extracelulares. Outro mecanismo de controle em G1 é a interrupção temporária do ciclo por ocasião de erros no DNA, para que o reparo seja feito antes da divisão celular. O sinal de parada é dado por uma proteína conhecida como p53, cujos níveis intracelulares aumentam quando há danos na molécula de DNA.
Período S: Durante esse período, a célula duplica seu conteúdo de DNA através da replicação. Toda célula eucarionte diploide começa o ciclo com uma quantidade de DNA 2c e durante o período S, essa quantidade duplica para 4c voltando ao mínimo normal (2c) ao final da mitose. Além da duplicação dos DNA, deve haver também a duplicação das histonas nessa fase. Nesse período também se observou a formação de novos centríolos, que são chamados pró-centríolos, formando-se perpendicularmente a cada membro do par de centríolos existentes.
Período G2 – gap 2: Ocorrem os preparativos para a mitose. É primordial que a replicação tenha sido completada e que os possíveis danos ao DNA tenham sido reparados. Para isso, existe no período G2 um ponto de checagem no qual todo o genoma é analisado, completamente replicado e repassado. Existem mecanismos sensores que detectam qualquer erro na estrutura do DNA e transmitem sinais negativos para o sistema de controle do ciclo, bloqueando a ativação das moléculas que fazem com que a célula entre em mitose. Nessa fase são sintetizadas as proteínas não histomicas que se associarão aos cromossomos na mitose. Ocorre também o acúmulo de um complexo proteico citoplasmático, o complexo ciclina CdK, responsável pela regulação de todo o ciclo celular, e pela transição de G2 para M, induzindo a entrada na mitose e sendo responsável por 4 processos: 1) Condensação cromossômicos; 2) Ruptura nuclear; 3) Formação do fuso mitótico; 4) Degradação da proteína ciclina.
- Transição entre Fase S e Fase M
- Importante também para completar a duplicação dos materiais citoplasmáticos que ocorre durante toda a intérfase.
MITOSE: Período no qual a célula divide igualmente o seu conteúdo em 2 células-filhas. A mitose inclui 2 processos, a cariocinese (divisão do material nuclear) e a citocinese (divisão citoplasmática e dos seus componentes – separação dos territórios das células-filhas). 
É dividida em 5 etapas:
Prófase: Caracteriza-se pela condensação das fibras de cromatina (processo auxiliado pela condensina), que vão se formando mais espessas e curtas, até formar os cromossomos (cada cromossomo é constituído por 2 moléculas de DNA, chamadas cromátides). As duas cromátides de um cromossomo formam se unidas desde a duplicação até anafase e por essa razão denominada placa centromérica, pois evidenciam o centrômero (ou constrição primária – local de união das cromátides). 
A medida que a prófase continua, forma-se os cinetócoros – uma placa de proteína nos centrômeros que medeia ligação entre o cromossomo e os microtúbulos. 
! Para impedir que os microtubulos do fuso se ligam ao mesmo cinetócoro de uma única cromátide, os cinetócoros são produzidos com sua fase externa convexa voltada para o polo (em uma orientação de costas para o outro).
Com a eminencia de desintegração da carioteca, devido a despolimerização da lâmina nuclear, forma-se um vazio no centro do núcleo, com os cromossomos próximos ao envoltório nuclear. O nucléolo reduz e desaparece.
Eventos citoplasmáticos profásicos importantes:
- Desintegração do citoesqueleto, com esferização da célula;
- Perda de qualquer contato com células adjacentes e matriz extracelular;
- RE e Complexo de Golgi fragmentam-se em pequenas vesículas;
- Formação do fuso mitótico
O fuso mitótico são feixes de microtúbulos que surgem de ambos os centrossomos e que se distanciam reciprocamente, pois se dirigem aos polos opostos da célula. 
Os microtúbulos possui uma extremidade negativa que estão orientadas aos dois polos do fuso e extremidades positivas que se irradiam para fora dos polos. Cada polo do fuso é orientado pelo centrossomo.
São formadas 3 tipos básicos de fibras do fuso:
a) Fibras cinetocóricas: que vão se ligam aos cinetócoros dos cromossomos
b) Fibras polares: vão além da placa equatorial e ligam-se ao segmento oposto
c) Fibras do áster / astrais: são mais curtas e têm extremidades livres
Prometáfase: período de transição entre a prófase e a metáfase. Caracteriza-se pela desintegração do envoltório nuclear e migração dos centrossomos para os polos da célula com a união dos microtúbulos cinetocóricos aos cinetócoros dos cromossomos.
Metáfase: os cromossomos encontram-se em seu mais alto grau de espiralização e são alinhados no equador do fuso, a meio caminho entre os polos do fuso (placa metafásica), com cada face de cinetócoro voltada para o centrossomo do polo.
Anáfase: a coesina cinetocórica é partida e cada cromátide-irmã migra em direção ao polo do fuso ao qual está ligada a medida que os microtúbulos das fibras cinetocóricas encurtam-se progressivamente. Já as fibras polares aumentam sua extensão, em virtude do distanciamento dos polos celulares. Com isso, a célula vai ganhando aspecto ovoide. 
- O traslado dos cromossomos para os polos referente aos microtubulos cinetocóricos correspondem a anáfase A.
- O alongamento que a célula sofre devido ao crescimento dos microtúbulos polares correspondem a anáfase B.
Inicia a citocinese e o envoltório nuclear começa a ser refeito.
Telófase: as cromátides-irmãs (ou cromossomos-filhos) chegam aos polos celulares com o desaparecimento das fibras cinetocóricas do fuso e elas se descondensam em filamentoscada vez mais finos e longos – estado de cromatina. 
O primeiro evento principal da telófase é a desmontagem do fuso mitótico, seguida pela reformação do envelope nuclear. Inicialmente, fragmentos da membrana nuclear se associam à superfície de cromossomos individuais. Esses fragmentos de membrana se fundem para envolver parcialmente grupos de cromossomos, e depois coalescem para formar novamente o envelope nuclear completo. Complexos de poros nucleares são incorporados ao envelope, a lâmina nuclear se forma novamente, e o envelope mais uma vez se torna contínuo com o retículo endoplasmático. Uma vez reformado o envelope nuclear, os complexos de poros bombeiam proteínas nucleares para o interior, o núcleo se expande, e os cromossomos mitóticos condensados são reorganizados em seu estado interfásico, possibilitando a retomada da transcrição gênica.
Citocinese inicia na anáfase e é concluída na telófase.
Inicia com a formação de uma constrição na placa equatorial pelo aparecimento de um sulco em sua superfície (sulco equatorial ou sulco de clivagem) que vai aprofundando-se à medida que a célula se divide. As fibras do áster e cinetocóricas começam a desaparecer, sobrevivendo somente as fibras polares equatoriais, compondo o corpo intermediário. Na telófase, o sulco equatorial se aprofunda até alcançar o corpo intermediário, o que indica que a partição do citoplasma está por terminar. O desenvolvimento do sulco equatorial é o resultado da formação de um anel contrátil – um agrupamento dinâmico composto de filamentos de actina, filamentos de miosina II e muitas proteínas estruturais e reguladoras. Após a anáfase, os arranjos sobrepostos de filamentos de actina e miosina II se contraem para gerar a força que divide o citoplasma em dois.
O ritmo com o qual as células se reproduzem depende de diversos fatores que variam nos diferentes tipos celulares. As células podem ser classificadas em 3 categorias de acordo com o tempo de proliferação:
- Células que se dividem continuamente: nesse grupo se enquadram células embrionárias e células de tecidos de rápida regeneração como células epiteliais, folículos capilares, células da medula óssea. Eles parecem ter mecanismo intrínseco que, de forma automática, desencadeia uma divisão quando se conclui a precedente.
- Células que, ordinariamente, não se dividem, mas podem fazer em resposta a estímulos: corresponde as células que permanecem num estado de quiescência, permanecendo em G0, pois essas células são desprovidas de fatores de crescimento, portanto tem um baixo metabolismo, geralmente tem pequeno tamanho e conteúdo de DNA não duplicado. Desse estado, algumas células podem entrar na fase proliferativa devido algum estimulo mecânico, nutrientes ou hormônios de crescimento. Quando isso ocorre, o ingresso no ciclo celular se dá na fase G1 num ponto chamado de “ponto de restrição” (R), um pouco antes da entrada na fase S. Células que se enquadram nessa categoria são fibroblastos da pele, hepatócitos, células do pulmão, do pâncreas, da adrenal, renais, ósseas, de ovário, endoteliais e do musculo liso.
- Células terminalmente diferenciadas: são células que perdem a capacidade de retornar ao ciclo celular para se dividir e permanecem sempre no período G0, pois em seu citoplasma não há ciclinas nem cinases dependentes de ciclinas, provavelmente pela presença de fatores que inibem sua produção. São exemplos os neurônios, células cardíacas e da musculatura esquelética. 
! Outras células que não se reproduzem, mas que precisam ser continuamente substituídas como os eritrócitos e as células do estrato córneo, são substituídas por células-tronco proliferadas que se diferenciam.
O crescimento e a divisão celular devem ser regulados para que o ciclo funcione de tal forma que as células-filhas mantenham as características celulares normais. 
O sistema de controle do ciclo celular governa a progressão do ciclo, controlando os principais eventos, regulando a fidelidade da divisão e monitorando as condições dentro e fora da célula. Funciona como um cronômetro que propicia uma quantidade fixa de tempo para a conclusão de cada evento do ciclo. Ele é baseado em interruptores bioquímicos que iniciam um evento especifico do ciclo celular, são binários (liga/desliga) e desencadeiam eventos de maneira completa e irreversível. Ele opera de forma eficiente em varias condições, mesmo que alguns componentes falhem, e se adapta e se modifica para adequar-se a diferentes tipos celulares e responder a sinais intra e extracelulares.
O sistema de controle apresenta pontos de verificação que sinalizam para um bloqueio da progressão caso haja detecção de problemas dentro ou fora da célula. Similarmente, se as condições extracelulares não são apropriadas à proliferação celular, o sistema de controle bloqueia a progressão ao Início, impedindo com isso a divisão celular até que as condições se tornem favoráveis.
O primeiro ponto de verificação é o Início (ou ponto de restrição) no final de G1, onde a célula se compromete à entrada no ciclo celular e à duplicação dos cromossomos. Previne a célula de replicar DNA danificado.
A p53 é uma proteína citoplasmática sintetizada pela própria célula em resposta ao aparecimento de alterações em seu DNA. Ela é um regulador transcricional transcrição que tem por missão bloquear a atividade da Cdk2 fazendo com que a célula permaneça em seu estado G1 (p53 ativa a transcrição de um gene que codifica uma proteína inibidora de Cdk chamada de p21 que se liga à G1/S-Cdk e à S-Cdk, prevenindo que elas conduzam a célula para a fase S). O aprisionamento do ciclo celular em G1 permite que a célula tenha tempo para reparar o DNA danificado antes de replicá-lo. Caso o dano ao DNA seja muito severo para ser reparado, p53 pode induzir a célula a se suicidar por apoptose. Caso p53 não existir ou estiver defeituosa, a replicação irrefreável do DNA danificado conduz a uma alta taxa de mutações e a uma produção de células que tendem a tornar-se cancerosas. Mutações no gene p53 são encontradas em cerca da metade de todos os cânceres humano.
O segundo é o ponto de verificação G2/M, onde o sistema de controle desencadeia os eventos mitóticos iniciais que levam ao alinhamento dos cromossomos no fuso metafásico. Previne a célula de entrar na fase M com DNA danificado ou replicado de forma incompleta.
O terceiro é a transição entre metáfase e anáfase, onde o sistema de controle estimula a separação das cromátides-irmãs, levando à conclusão da mitose e da citocinese.
No processo de controle do ciclo celular, intervém 2 tipos de células que são componentes centrais do sistema de controle do ciclo celular: ciclinas e cinases dependentes de ciclinas. 
- As ciclinas são em 4 tipos sendo cada uma definida pelo estágio do ciclo celular no qual se ligam às Cdks e 3 delas são essenciais a todas as células eucarióticas: G1/S-ciclinas, S-ciclinas e M-ciclinas. Na maioria das células, uma quarta classe de ciclinas, as G1-ciclinas, ajuda a regular as atividades das G1/S-ciclinas. 
- As cinases dependentes de ciclinas (Cdks) cujos dois grupos principais são Cdk2 e a Cdc2 tem suas atividades reguladas por ciclinas que leva a mudanças cíclicas na fosforilação de proteínas intracelulares que iniciam ou regulam os principais eventos do ciclo celular. 
A ativação dos complexos de ciclina-Cdk desencadeia eventos do ciclo celular.
As G1/S-ciclinas, quando atingem um limiar de concentração mínimo, ativam cinases Cdk2 que fosforila uma cadeia de proteínas intermediárias e culmina na ativação de moléculas responsáveis pela replicação do DNA – esse complexo regulam a decisão da célula a abandonar G1 e entrar na fase S. Além disso, Cdk2 e ciclina G1 se unem formando o complexo proteico denominado SPF (S-phase Promoting Factor) ou FPR (Fator Promotor de Replicação) que atua por meio de pré-RC provocando a abertura das origens de replicação e ativa moléculas como DNA-polimerase.
Em certo momento de S, a G1/S-ciclinas tem sua concentração reduzida, separa-se de Cdk2, SPF deixade existir e as ciclinas G1 são degradadas por proteossomos em G2
- A Cdk2 se mantém em nível constante durante todo o ciclo enquanto a ciclina G1 tem sua concentração alterada.
As S-ciclinas se ligam a Cdks logo após a progressão na Fase S e ajudam a estimular a duplicação dos cromossomos, pois as S-Cdks estimulam um grande aumento da síntese das quatro subunidades de histonas que formam os octâmeros de histonas no núcleo de cada nucleossomo. Estas subunidades são montadas nos nucleossomos no DNA por fatores de montagem de nucleossomos, que tipicamente se associam à forquilha de replicação e distribuem nucleossomos para ambas as fitas do DNA à medida que emergem da maquinaria de síntese de DNA. Os níveis das S-ciclinas permanecem elevados até a mitose, e essas ciclinas também contribuem ao controle de alguns eventos mitóticos iniciais. 
As M-ciclinas começam a ser sintetizadas em G2, antes que as ciclinas G1 desapareçam. Quando aquelas atingem o limiar de concentração mínimo, ativam cinases Cdc2 que inicia um conjunto de fosforilações, por meio de cinases intermediárias, de proteínas citosolicas e nucleares que estimulam a entrada na mitose no ponto de verificação G2/M. A ciclina M e a Cdc2 juntam-se e forma o complexo MPF (M-phase Promoting Factor) ou FPM (Fator Promotor de Mitose). Os principais eventos fosforilantes ocorrem, principalmente, as proteínas que regulam a estabilidade do citoesqueleteto, os filamentos laminares da lamina nuclear, as histonas H1 (os microtúbulos se desmontam e a rede de filamentos de actina se desintegram de modo que a célula perde contato com as células vizinhas ou com a matriz extracelular e se tornam esféricas; a lamina nuclear se desagrega e, com ela, a carioteca; a associação da histona H1 com o DNA se modifica aumentando o enrolamento da cromatina e a compactação dos cromossomos. Esse complexo M-Cdc2 fosforila as condensinas responsáveis pela condensação dos cromossomos, induzem a formação do fuso mitótico e levam à ligação deste aos pares de cromátides-irmãs.
A progressão da transição entre metáfase e anáfase depende da destruição de proteínas que é regulada pelo complexo promotor da anáfase ou ciclossomo (APC – Anaphase Promoting Complex) que estimula a degradação da S-ciclinas e as M-ciclinas e das coenzimas que unem as cromátides-irmãs entre si (securina: protege as ligações proteicas que mantêm os pares de cromátides-irmãs unidos no início da mitose e sua destruição ativa uma protease que separa as irmãs e desencadeia a anáfase). 
! Mas, a queda na concentração de ciclinas M só acontece se todos os cromossomos chegarem ao plano equatorial e se todos os cinetócoros estiverem ligados aos microtúbulos cinetocóricos do fuso - os cinetócoros “livres” produzem sinal que impede a queda da ciclina M e a consequente dissociação do MPF para que a célula detenha a mitose antes que comece a anáfase.
A destruição dessas ciclinas inativa a maioria das Cdks da célula. O resultado é que muitas proteínas fosforiladas por Cdks da fase S ao início da mitose são desfosforiladas por várias fosfatases presentes na célula em anáfase. Essa desfosforilação de alvos das Cdks é necessária para a conclusão da fase M, incluindo as etapas finais da mitose e o processo de citocinese. Em seguida a sua ativação no meio da mitose, o APC/C permanece ativo em G1, propiciando assim um período estável de inatividade das Cdks. Quando as G1/S-Cdks são ativadas no final de G1, o APC/C é desligado, permitindo com isso o acúmulo de ciclinas para o início do próximo ciclo celular.
Fase S
A fase de iniciação da replicação do DNA é dividida em duas etapas distintas, que ocorrem em tempos diferentes do ciclo celular
- A primeira etapa ocorre no final da mitose e no início de G1, quando um grande complexo de proteínas iniciadoras, denominado complexo pré-replicativo, ou pré-RC, agrupa-se nas origens de replicação. Esta etapa é ocasionalmente chamada de licenciamento das origens de replicação, pois a iniciação da síntese de DNA é permitida somente em origens que contêm um pré-RC. 
- A segunda etapa ocorre no início da fase S, quando componentes do pré-RC nucleiam a formação de um complexo proteico maior, denominado complexo de pré-iniciação. Esse complexo desenrola a hélice de DNA e transporta DNA-polimerases e outras enzimas de replicação às fitas de DNA, iniciando assim a síntese de DNA.
A montagem do pré-RC é inibida pela atividade das Cdks, e, na maioria das células, é estimulada pelo APC/C. Portanto, a montagem do pré-RC ocorre somente no final da mitose e no início de G1, quando a atividade de Cdk é baixa e a atividade de APC/C é alta. No início da fase S, a ativação da S-Cdk desencadeia a formação de um complexo de pré-iniciação, que inicia a síntese de DNA. Além disso, o pré-RC é parcialmente desmantelado. Como as atividades dos complexos S-Cdk e M-Cdk permanecem altas (e a atividade do APC/C permanece baixa) até o final da mitose, novos pré-RCs não podem ser montados nas origens ativadas até que o ciclo celular esteja completo.
- Os complexos ciclina-Cdk são regulados por:
Cinase ativadora de Cdk (CAK) - fosforila um aminoácido próximo à entrada do sítio ativo da Cdk provocando uma pequena mudança conformacional que aumenta ainda mais a atividade da Cdk, permitindo que a cinase fosforile eficientemente suas proteínas-alvo e, desse modo, induza eventos específicos do ciclo celular.
Proteínas inibidoras de Cdk (CKIs) - a fosforilação de um par de aminoácidos no topo do sítio ativo da cinase inibe a atividade de um complexo de ciclina-Cdk. A estrutura tridimensional de um complexo de ciclina-Cdk-CKI revela que a ligação de CKI estimula um grande rearranjo na estrutura do sítio ativo da Cdk1, tornando-o inativo. As células usam as CKIs primordialmente para auxiliá-las na regulação das atividades de G1/S-Cdks e S-Cdks no início do ciclo celular.
O início da proliferação em determinadas células se dá por estímulo que são substâncias indutoras provenientes do exterior, seja de células vizinhas (secreção parácrina) ou de grupos celulares distantes (secreção endócrina). Esses indutores atuam em receptores específicos no momento do ciclo chamado Ponto de Partida.
Principais moléculas indutoras:
- Somatomedina: produzida pelo fígado sob estímulo do GH, induzindo a proliferação de células cartilaginosas durante o crescimento ósseo;
- Fatores de crescimento: a maioria é de secreção parácrina e podem ser de ação inespecífica [FGF (fibroblastos), EGF (epidérmico), PDGF (plquetas)], que estimulam outras células além de seus nomes, ou específicos [HGF (hepatócitos), NGF (nervos), VEGF (endotélio vascular)].
- Fatores hematopoiéticos: a maioria são específicos e podem ser de ação parácrina [IL-2 (linfócito T), GM-CSF (macrófagos e granulócitos)] ou endócrina [eritropoietina (hemácias)].