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LGN0114 – Biologia Celular CICLO CELULAR E MITOSE Aula teórica 10 Emiliana Manesco Romagnoli Departamento de Genética emilianaromagnoli@usp.br Ciclo celular Figura 1 A divisão de uma célula eucariótica hipotética com dois cromossomos (um vermelho e outro preto) é mostrada para ilustrar como duas células-filhas geneticamente idênticas são produzidas em cada ciclo. Em geral, cada uma das células-filhas continuará a se dividir, passando por ciclos celulares adicionais. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 2 Os principais eventos cromossômicos do ciclo celular ocorrem na fase S, quando os cromossomos são duplicados, e na fase M, quando os cromossomos duplicados são segregados em um par de núcleos-filhos (na mitose), após o que a própria célula se divide em duas (citocinese). FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Os principais eventos do ciclo celular. TIPOS DE DIVISÃO CELULAR ✓ PROCARIOTOS: - Fissão binária: crescimento bacteriano se refere ao aumento do número de bactérias, e não a um aumento no tamanho das células individuais. ✓EUCARIOTOS: ✓ MITOSE: ▪ Crescimento, desenvolvimento e reparo; ▪ Reprodução assexuada (gera duas células idênticas); ▪ Ocorre nas células somáticas. ✓ MEIOSE: ▪ Reprodução sexuada; ▪ Ocorre em células reprodutivas; ▪ Origina gametas. Figura 3 Fissão binária em bactéria. FONTE: Tortora et al. Micorbiologia, 2017. Divisão e expansão celular → forma dos organismos multicelulares crescerem ✓Células filhas semelhantes à célula mãe e entre si; ✓Células filhas herdam uma réplica exata da informação genética; ✓Cada célula filha herda metade do citoplasma da célula mãe. DIVISÃO CELULAR: MITOSE E CITOCINESE ✓ Mitose: ou divisão nuclear, um lote completo de cromossomos duplicados previamente é alocado para cada um dos dois núcleos filhos; ✓ Citocinese: processo que divide a célula inteira em duas novas células (divisão do citoplasma). CICLO CELULAR: INTERFASE E MITOSE TABELA 1 Tempo de duração de ciclos celulares de alguns eucariotos FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Interfase: é dividida em 3 fases: - G1: Crescimento celular e preparação para a duplicação do DNA nuclear. - S: Duplicação do DNA. - G2: Crescimento da célula e duplicação completa do DNA. É dividido em duas fases distintas: Fase M e Interfase. G = Gap (intervalo) S = Síntese A MITOSE + CITOCINESE são referidas como fase M CICLO CELULAR: INTERFASE E MITOSE Figura 4 Em muitas células, fases de intervalo separam os principais eventos da fase S e fase M. G1 é o intervalo entre a fase M e a fase S, enquanto G2 é o intervalo entre a fase S e a fase M. As quatro fases do ciclo celular. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular ✓ Produzir um suprimento de organelas e outros componentes citoplasmáticos em quantidade suficiente para as duas células filhas e reunir as estruturas necessárias para desencadear a mitose. ✓Replicar o DNA e sintetizar as proteínas associadas a este nos cromossomos; ✓ FASE G1: intensa atividade bioquímica → célula dobra de tamanho são sintetizadas enzimas, ribossomos, organelas, sistemas de membranas e outras moléculas e estruturas citoplasmáticas → ✓DEPENDE DE FATORES EXTRACELULARES. ✓FASE S: duplicação do DNA e síntese de histonas → ✓DEPENDE DE FATORES INTRACELULARES ✓ FASE G2: fase que antecede a mitose, o principal evento é verificar se a replicação do cromossomo se completou e se todo o dano ao DNA foi reparado. Início da condensação dos cromossomos, ainda não visíveis. EVENTOS DA INTERFASE Figura 5 Um sistema de controle do ciclo celular desencadeia os processos essenciais do ciclo – como a replicação do DNA, a mitose e a citocinese. O sistema de controle é representado aqui como um braço central – o controlador – que gira no sentido horário, disparando processos essenciais quando alcança transições específicas no mostrador exterior (caixas amarelas). A informação sobre a realização dos eventos do ciclo celular, assim como os sinais oriundos do ambiente, pode levar o sistema de controle a interromper o ciclo nessas transições. O controle do ciclo celular FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 6 Quando uma ciclina forma um complexo com uma Cdk, a proteína-cinase é ativada e desencadeia eventos específicos do ciclo celular. Sem a ciclina, a Cdk é inativa. Dois componentes-chave do sistema de controle do ciclo celular FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular ✓ Cinases dependente de Ciclinas (Cdk): enzimas que fosforilam (adicionam grupamentos fosfatos) à serina e treonina de enzimas chaves. ✓ Ciclinas: são proteínas que se ligam às Cdks controlando sua capacidade de fosforilação de proteínas; permitem que elas atuem como enzimas (ativação) e seu direcionamento. Figura 7 A formação dos complexos ciclina-Cdk ativos desencadeia vários eventos do ciclo celular, incluindo a entrada na fase S ou na fase M. A figura mostra as alterações na concentração de ciclina e na atividade da proteína-cinase Cdk, responsável pelo controle da entrada na fase M. O aumento da concentração da ciclina relevante (chamada de ciclina M) ajuda a promover a formação do complexo ciclina-Cdk ativo (M-Cdk) que desencadeia o início da fase M. Embora a atividade enzimática de cada tipo de complexo ciclina-Cdk aumente e diminua durante o curso do ciclo celular, a concentração do componente Cdk não flutua. O acúmulo de ciclinas ajuda a regular a atividade das Cdks FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 2 As principais ciclinas e Cdks de vertebrados *Existem três ciclinas D em mamíferos (ciclinas D1, D2 e D3). Figura 8 As concentrações dos três principais tipos de ciclinas oscilam durante o ciclo celular, enquanto as concentrações das Cdks (não mostrado) não mudam e superam as quantidades de ciclinas. Na fase G1 tardia, níveis crescentes de G1/S-ciclina levam à formação de complexos G1/S-Cdk que promovem a progressão através da transição de Início. Os complexos S-Cdk se formam no início da fase S e desencadeiam a replicação do DNA, assim como alguns eventos mitóticos iniciais. Os complexos M-Cdk se formam durante G2, mas são mantidos em um estado inativo; eles são ativados no fim de G2 e desencadeiam a entrada na mitose na transição G2/M. Complexos de ciclina-Cdk do sistema de controle do ciclo celular FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular G1-Cdk: decisão da célula entrar ou não em divisão e é ativado por fatores extracelulares – VITAL NO CONTROLE DE TUMORES Figura 9 A célula pode prosseguir para completar outro ciclo celular, pausar transitoriamente até que as condições estejam adequadas ou interromper o ciclo celular temporariamente em G0, ou permanentemente no caso de células terminalmente diferenciadas. A transição de G1 para a fase S oferece à célula uma encruzilhada FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular ❖ G1-Cdk: decisão da célula entrar ou não em divisão e é ativado por fatores extracelulares. ❖ G1/S-Cdk: estimula a duplicação e desencadeia a fosforilação de outras proteínas celulares, incluindo polimerases que são necessárias a síntese de DNA. ❖ S-CDK: fosforila o complexo de reconhecimento das origens de replicação. ❖ M-CDK: induz a condensação dos cromossomos, a fragmentação do envoltório nuclear e a organização do citoesqueleto para a montagem do fuso. COMPLEXOS CICLINA-Cdk FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 10 Os principais estágios da fase m em uma célula animal – A) DIVISÃO CELULAR E O CICLO CELULAR e B) INTERFASE A B Figura 11 Na maioria das células animais em interfase (G1, S e G2), um par de centríolos (mostrado aqui como um par de barras verde-escuras) está associado com a matriz do centrossomo (verde-claro), que promove a nucleação do crescimento do microtúbulo. (O volume da matriz do centrossomo está exagerado neste diagramapor questões de clareza.) A duplicação do centrossomo se inicia no começo da fase S e se completa no final da fase G2. No início, os dois centrossomos permanecem unidos, mas no princípio da fase M, eles se separam e cada um faz a nucleação do seu próprio áster de microtúbulos. Os centrossomos então se deslocam e se distanciam, e os microtúbulos que interagem entre os dois ásteres, preferencialmente, alongam-se para formar o fuso mitótico bipolar com um áster em cada polo. Quando o envelope nuclear é desfeito, os microtúbulos do fuso são capazes de interagir com os cromossomos duplicados. O centrossomo nas células interfásicas se duplica para formar os dois polos do fuso mitótico. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular ✓ Cromatina se condensa gradualmente, formando cromossomos bem definidos (no início aparecem como filamentos alongados dispersos pelo núcleo); ✓ A medida que a Prófase avança, os cromossomos tornam-se mais visíveis (claramente evidenciando as duas cromátides); ✓ As cromátides irmãs mantêm-se unidas pelo centrômero; ✓ Aparecimento dos fusos mitóticos; ✓ Núcleo desaparece, a desorganização do envoltório nuclear marca o final da prófase. PRÓFASE Figura 12 Novos microtúbulos crescem a partir dos dois centrossomos em diversas direções. As duas extremidades de um microtúbulo (por convenção, denominadas extremidades mais [+] e menos [-]) apresentam propriedades diferentes, e é a extremidade menos (-) que está ancorada ao centrossomo. As extremidades mais (+) livres são dinamicamente instáveis e mudam de maneira repentina de um crescimento uniforme (setas vermelhas que apontam para fora) para um rápido encurtamento (setas vermelhas que apontam para dentro). Quando dois microtúbulos de centrossomos opostos interagem na região de sobreposição, as proteínas motoras e outras proteínas associadas aos microtúbulos fazem o entrecruzamento dos microtúbulos (pontos pretos), de forma que estabilizam as extremidades mais (+), diminuindo a probabilidade de sua despolimerização. O fuso mitótico bipolar é formado pela estabilização seletiva dos microtúbulos que interagem entre si. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 13 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - PRÓFASE FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Célula vegetal Célula animal O centrossomo em células de plantas organiza os fusos sem a presença de centríolos. O centrossomo em células animais organiza os fusos com a presença de centríolos e ásteres. PRÓFASE Figura 14 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - PRÓFASE Figura 15 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - PROMETÁFASE FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 16 (A) Micrografia de fluorescência de um cromossomo mitótico duplicado. O DNA está corado com um corante fluorescente, e os cinetócoros estão corados em vermelho com anticorpos fluorescentes que reconhecem as proteínas do cinetocoro. Esses anticorpos são de pacientes que sofrem de escleroderma (uma doença que causa superprodução progressiva de tecido conectivo na pele e em outros órgãos), os quais, por motivos desconhecidos, produzem anticorpos contra suas próprias proteínas do cinetocoro. (B) Desenho esquemático de um cromossomo mitótico mostrando suas duas cromátides-irmãs ligadas aos microtúbulos do cinetocoro, que se liga ao cinetócoro por suas extremidades mais (+). Cada cinetócoro forma uma placa na superfície do centrômero. (A, cortesia de B.R. Brinkley.) Os cinetócoros ligam os cromossomos ao fuso mitótico. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 17 (A) Desenho esquemático de um fuso com os cromossomos ligados, mostrando os três tipos de microtúbulos do fuso: os microtúbulos de áster, os microtúbulos do cinetocoro e os microtúbulos interpolares. Na realidade, os cromossomos são maiores do que o mostrado, e normalmente múltiplos microtúbulos são ligados a cada cinetocoro. (B) Micrografia de fluorescência dos cromossomos na placa metafásica de um fuso mitótico real. Nesta imagem, os cinetocoros estão marcados em vermelho, os microtúbulos, em verde, e os cromossomos, em azul. (B, de A. Desai, Curr. Biol. 10:R508, 2000. Com permissão de Elsevier.) Três classes de microtúbulos compõem o fuso mitótico FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular ✓ Cromossomos se alinham no plano equatorial do fuso mitótico; ✓ Fuso mitótico: consiste nas fibras que são feixes de microtúbulos; ✓ Fuso mitótico se liga aos cinetócoros; ✓ Os cromossomos alinhados na placa equatorial ou placa da metáfase marcam o final da metáfase. METÁFASE Figura 18 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - METÁFASE FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular DISCO INTERNO DISCO EXTERNO D IS C O IN TE R N O C EN TR O M ER O D IS C O E X TE R N O MICROTÚBULOS CENTRÔMERO CINETÓCORO – estrutura proteica lateralmente associada ao centrômero de cada cromátide. ✓O disco mais interno se conecta ao centrômero e o mais externo aos microtúbulos que compõem o fuso de divisão; ✓ Os cinetócoros dirigem a migração dos cromossomos durante a divisão celular. Figura 19 Esquema da estrutura do CINETÓCORO ✓ Inicia-se com a separação das cromátides irmãs junto aos centrômeros (agora são chamadas cromossomos filhos); ✓ Com o deslocamento dos cromossomos filhos através do cinetócoro em direção aos pólos opostos da célula, os braços dos cromossomos parecem voltados para trás; ✓ Ao final da anáfase, os conjuntos idênticos de cromossomos moveram-se para os pólos opostos; ✓ O encurtamento dos microtúbulos se dá por perdas de subunidades de tubulina. Existem também evidências de proteínas motoras que utilizam ATP no processo para puxar os cromossomos ao longo dos microtúbulos para os pólos, enquanto subunidades da tubulina são simultaneamente eliminadas junto ao cinetócoro. ANÁFASE Figura 20 O fuso mitótico então puxa os cromossomos resultantes para os polos opostos da célula. As cromátides-irmãs se separam no início da anáfase FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 21 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - ANÁFASE FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 22 Na transição da metáfase (A) para anáfase (B), as cromátides-irmãs (coradas em azul) se separam subitamente, permitindo que os cromossomos resultantes se movam em direção aos polos opostos, como visto nestas células vegetais coradas com anticorpos marcados com ouro para marcar os microtúbulos (vermelho). As células vegetais em geral não possuem centrossomos e, portanto, apresentam os polos do fuso menos definidos do que as células animais. Os polos do fuso estão presentes aqui, nas partes superior e inferior de cada micrografia, embora não possam ser vistos. (Cortesia de Andrew Bajer.) As cromátides-irmãs se separam na anáfase Figura 23 O APC desencadeia indiretamente a clivagem das coesinas que mantêm as cromátides-irmãs unidas. Ele catalisa a ubiquitinação e a degradação de uma proteína inibidora chamada securina. A securina inibe a atividade de uma enzima proteolítica chamada separase; quando dissociada da securina, a separase cliva os complexos de coesinas, permitindo que o fuso mitótico separe as cromátides-irmãs. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular O APC promove a separação das cromátides-irmãs pela degradação das coesinas ✓ Envoltório nuclear é reorganizado ao redor de cada lote de cromossomos; ✓ As membranas desses envoltórios são derivadas de vesículas do retículo endoplasmático; ✓ Os fusos desaparecem; ✓ Os cromossomos descondensam; ✓ Reorganização dos nucléolos; ✓ Quando a telófase está completa, os núcleos filhos entram em interfase. TELÓFASE Figura 24 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - TELÓFASE FONTE: Alberts et al. Fundamentosda Biologia Celular Figura 25 A fosforilação das proteínas do poro nuclear e das laminas promove a fragmentação do envelope nuclear na prometáfase. A desfosforilação dessas proteínas na telófase reverte o processo. O envelope nuclear é fragmentado e formado novamente durante a mitose FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 26 Os processos facilmente visíveis de divisão nuclear (mitose) e divisão celular (citocinese), coletivamente chamados de fase M, normalmente ocupam somente uma pequena fração do ciclo celular. A outra parte do ciclo, muito mais longa, é conhecida como interfase, que inclui a fase S e as fases de intervalo. Os cinco estágios da mitose são apresentados: uma mudança brusca no estado bioquímico da célula ocorre na transição da metáfase à anáfase. A célula pode fazer uma pausa antes desse ponto de transição, mas, uma vez ultrapassado esse ponto, a célula continua até o fim da mitose e atravessa a citocinese, chegando à interfase. Os eventos da divisão celular eucariótica vistos sob o microscópio Interfase Prófase Metáfase Anáfase Telófase (início) Telófase (final) Yong Wan Lab CÉLULA ANIMAL Figura 26 Eventos da divisão celular em uma célula animal ✓ O núcleo deve deslocar-se para o centro da célula; ✓ O complexo de Golgi origina microvesículas que se depositam na região central do citoplasma; ✓Essas microvesículas organizam-se do centro para a periferia celular, culminando com a formação de uma placa denominada fragmoplasto; ✓A fusão das vesículas do fragmoplasto determina a formação de uma membrana fina e elástica, constituída de pectatos de cálcio e magnésio, que é denominada lamela média; ✓Ao redor da lamela média ocorre deposição de celulose, de maneira a formar as paredes que acabam delimitando as duas novas células. CITOCINESE EM PLANTAS Figura 27 O fuso mitótico é formado inicialmente para separar os cromossomos duplicados. A seguir, ocorre a formação do anel contrátil para dividir a célula em duas. O fuso mitótico é composto por microtúbulos, ao passo que o anel contrátil é composto por filamentos de actina e miosina. As células vegetais usam mecanismos bastante distintos para dividir o citoplasma, como consideramos adiante. Duas estruturas transitórias do citoesqueleto realizam a fase M nas células animais FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 28 No início da telófase, após a segregação dos cromossomos, uma nova parede celular inicia sua reestruturação no interior da célula no equador do antigo fuso (A). Os microtúbulos interpolares do fuso mitótico que permanecem na telófase formam o fragmoplasto e guiam as vesículas, derivadas do aparelho de Golgi, na direção do equador do fuso. As vesículas, que são preenchidas com material da parede celular, fundem-se para dar origem à nova parede celular em crescimento, que cresce para fora até alcançar a membrana plasmática e a parede celular original (B). A membrana plasmática preexistente e a membrana que envolve a nova parede celular (ambas mostradas em vermelho) se fundem, separando completamente as duas células-filhas (C). Uma micrografia óptica de uma célula vegetal em telófase é mostrada em (D) no estágio correspondente a (A). A célula foi corada para mostrar tanto os microtúbulos como os dois conjuntos de cromossomos-filhos segregados nos dois polos do fuso. A localização da nova parede celular em crescimento está indicada pelas setas. (D, cortesia de Andrew Bajer.) A citocinese em uma célula vegetal é organizada por uma estrutura especializada composta por microtúbulos denominada FRAGMOPLASTO. FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 29 Os principais estágios da fase M em uma célula animal - CITOCINESE FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Completa a preparação para a divisão celular Duplicação do DNA, cromátides duplicadas Intensa síntese de moléculas e estruturas Algumas células entram em fase de repouso Prófase Desorganização da membrana nuclear; condensação dos cromossomos evidenciando as cromátides duplicadas; formação do fuso mitótico, desaparecimento do nucléolo Metáfase Cromossomos alinhados na posição equatorial do fuso mitótico Anáfase Separação das cromátides duplicadas Telófase e Citocinese Reorganização da carioteca e do nucléolo; descompactação dos cromossomos; formação do fragmoplasto e placa celular Microscopia de luz da ponta da raiz de cebola M IT O S E CÉLULA VEGETAL Figura 30 Eventos da divisão celular em uma célula vegetal (Snustad & Simmons, 2001) Célula animal Célula vegetal CITOCINESE Centrípeta Centrífuga Figura 31 A diferença no estágio de citocinese em uma célula animal e vegetal Figura 32 (A) Os feixes de actina-miosina do anel contrátil são orientados como mostrado, de forma que sua contração puxa a membrana para dentro. (B) Nesta micrografia eletrônica de varredura de baixo aumento de um ovo de rã em clivagem, o sulco de clivagem é particularmente proeminente, uma vez que a célula é surpreendentemente grande. O enrugamento da membrana celular é causado pela atividade do anel contrátil embaixo dela. (C) A superfície de um sulco em maior aumento. (B e C, de H.W. Beams e R.G. Kessel, Am. Sci. 64:279–290, 1976. Com permissão de Sigma Xi.) CITOCINESE FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 33 (A) Ilustração do sulco de clivagem em uma célula em divisão. (B) Uma micrografia eletrônica da borda, crescendo para dentro, de um sulco de clivagem de uma célula animal em divisão. (C) Micrografias de fluorescência de uma ameba em divisão corada para actina (vermelho) e miosina II (verde). Enquanto toda a miosina II visível se redistribuiu para o anel contrátil, somente uma parte da actina o fez; o resto permanece no córtex das células-filhas nascentes. (B, de H.W. Beams e R.G. Kessel, Am. Sci. 64:279–290, 1976. Com permissão de Sigma Xi; C, cortesia de Yoshio Fukui.) O anel contrátil FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular Figura 34 (A) Uma micrografia eletrônica de varredura de uma célula animal cultivada em divisão; o corpo mediano ainda une as duas células-filhas. (B) Uma micrografia eletrônica convencional do corpo mediano de uma célula animal em divisão. A clivagem está quase completa, porém as células- filhas permanecem ligadas por esse fino filamento de citoplasma, contendo os restos do fuso central. (A, cortesia de Guenter Albrecht-Buehler; B, cortesia de J.M. Mullins.) FONTE: Alberts et al. Fundamentos da Biologia Celular O corpo mediano VISUALIZANDO A MITOSE http://www.youtube.com/watch?v=0oJZDKdperU http://www.youtube.com/watch?v=zsgOl04PESI&feature=fvwrel http://www.youtube.com/watch?v=DD3IQknCEdc&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=rgLJrvoX_qo&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=Hm03rCUODqg&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=lf9rcqifx34&feature=related ESTUDO DIRIGIDO 1. Ciclo celular; 2. Etapas da interfase; 3. Etapas da mitose; 4. Proteínas associadas à regulação do ciclo celular: quiinases e ciclinas; Capítulo 18 –O Ciclo da divisão celular (páginas 609 – 638) Alberts, B.; Bray, D.; Hopkin, K.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P. 2011. Fundamentos da Biologia Celular. 3ª Edição brasileira. Artmed, Porto Alegre.
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