Controle do ciclo celular

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 As características da divisão citoplasmática nas células animais e vegetais 
 
• A citocinese ou divisão citoplasmática é parte da telófase, embora muitas vezes tenha início na anáfase e 
termine ao final da telófase com a formação de duas células-filhas. Na célula animal, forma-se uma 
constrição, na altura da região equatorial da célula-mãe, que vai progredindo e termina por dividir o 
citoplasma, levando à separação das duas células-filhas, cada uma delas recebendo partes iguais do 
conteúdo citoplasmático. 
• Pela técnica de imunocitoquímica foi demonstrada a presença de miosina e actina na região do 
estrangulamento que ocorre entre as duas células-filhas na telófase (Figura 9.14). Filamentos de actina 
dispostos em feixe e interligados por moléculas de miosina II formam um anel contrátil por dentro da 
membrana e a ela ligado, o que explica o movimento de invaginação da membrana e a constrição que leva à 
separação das duas células-filhas. 
 
 Controle genético do ciclo celular 
 
• O sistema de controle do ciclo celular tem como base em uma série conectada de interruptores 
bioquímicos, cada um dos quais inicia um evento específico do ciclo celular. Esse sistema de 
interruptores possui muitas características importantes, as quais aumentam tanto a precisão 
como a confiabilidade da progressão do ciclo celular. 
• Em primeiro lugar, os interruptores geralmente são binários (ativo/inativo) e desencadeiam 
eventos de maneira completa e irreversível. Seria claramente desastroso, por exemplo, se 
eventos como a condensação dos cromossomos ou a desintegração do envelope nuclear fossem 
iniciados apenas parcialmente ou começados e não completados. 
• Em segundo lugar, o sistema de controle do ciclo celular é notavelmente intenso e confiável, em 
parte devido a mecanismos de reserva e outras características que permitem que o sistema 
opere de maneira eficiente sob várias condições, mesmo que alguns componentes falhem. 
• Por fim, o sistema de controle é altamente adaptável e pode ser modificado para se adequar a 
tipos celulares específicos e para responder a sinais intracelulares ou extracelulares 
específicos. Na maioria das células eucarióticas, o sistema de controle do ciclo celular controla a 
progressão do ciclo celular em três principais pontos de transição reguladora (ver Figura 17-9). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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• O primeiro 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. 
• O segundo é a transição de G2/M, onde o sistema de controle dispara um evento mitótico 
precoce que leva ao alinhamento de cromossomos no eixo mitótico na metáfase. 
• 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. 
• Se detecta problemas dentro ou fora da célula, o sistema de controle impede a progressão 
através de cada uma dessas transições. Se o sistema de controle identifica problemas na 
realização da replicação de DNA, por exemplo, isso manterá a célula na transição G2/M até que 
esses problemas sejam resolvidos. 
• Similarmente, se as condições extracelulares não são apropriadas à proliferação celular, o 
sistema de controle bloqueia a progressão ao Início, impedindo dessa forma a divisão celular até 
que as condições se tornem favoráveis. 
• O sistema de controle do ciclo celular depende de proteínas-cinase dependentes de ciclinas 
(Cdks) ciclicamente ativadas.Os componentes centrais do sistema de controle do ciclo celular 
são membros de uma família de cinases conhecidas como cinases dependentes de ciclinas (Cdks; 
do inglês, cyclin-dependent kinases). 
• As atividades dessas cinases aumentam e diminuem à medida que a célula avança no ciclo, 
levando a mudanças cíclicas na fosforilação de proteínas intracelulares que iniciam ou regulam os 
principais eventos do ciclo celular. 
• Um aumento na atividade de Cdk na transição G2/M, por 
exemplo, aumenta a fosforilação de proteínas que controlam 
a condensação de cromossomos, o rompimento do envelope 
nuclear, agrupamento no eixo e outros eventos que ocorrem 
nas etapas iniciais da mitose. 
• As mudanças cíclicas na atividade das Cdks são controladas 
por um complexo arranjo de enzimas e outras proteínas. O 
mais importante desses reguladores das Cdks são proteínas 
conhecidas como ciclinas. As Cdks, como implica o nome, são 
dependentes de ciclinas para sua atividade: a menos que 
estejam fortemente ligadas a uma ciclina, elas não têm 
atividade de cinase (Figura 17-10). 
 
• As ciclinas foram originalmente denominadas desse modo porque sofrem um ciclo de síntese e 
degradação a cada ciclo celular. Os níveis de proteínas Cdk, ao contrário, são constantes. As 
modificações cíclicas nos níveis das proteínas ciclinas resultam no agrupamento e ativação 
cíclicos dos complexos ciclina-Cdk nos estágios específicos do ciclo celular. 
 
• Existem quatro classes de ciclinas, cada uma definida pelo estágio do ciclo celular no qual se 
ligam às Cdks e em que atuam. Todas as células eucarióticas necessitam de três dessas classes 
(Figura 17-11): 
 
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• 1. As G1/S-ciclinas ativam Cdks no final de G1 e, com isso, ajudam a desencadear a progressão ao 
Início, resultando no comprometimento à entrada no ciclo celular. Seus níveis diminuem na fase 
S. 
• 2. As S-ciclinas se ligam a Cdks logo após a progressão ao Início e ajudam a estimular a 
duplicação dos cromossomos. Os níveis das S-ciclinas permanecem elevados até a mitose, e essas 
ciclinas também contribuem ao controle de alguns eventos mitóticos iniciais. 
• 3. As M-ciclinas ativam Cdks que estimulam a entrada na mitose na transição G2/M. Os níveis de 
M-ciclinas diminuem na metade da mitose. 
• Na maioria das células, uma quarta classe de ciclinas, as G1-ciclinas, ajuda a regular as 
atividades das G1/S-ciclinas, as quais controlam, no final de G1, a progressão ao Início. 
• Em células de leveduras, uma única proteína Cdk se liga a todas as classes de ciclinas e 
desencadeia diferentes eventos do ciclo celular, mudando de ciclina associada em diferentes 
estágios do ciclo. 
• Por outro lado, em células de vertebrados, existem quatro Cdks. Duas interagem com ciclinas 
G1, uma com ciclinas G1/S e S, e uma com ciclinas S e M. 
• Neste capítulo, referir-nos-emos simplesmente aos diferentes complexos de ciclina- -Cdk como 
G1-Cdk, G1/S-Cdk, S-Cdk e M-Cdk. 
• Como diferentes complexos de ciclina-Cdk desencadeiam diferentes eventos do ciclo celular? A 
resposta, ao menos em parte, parece ser que a proteína ciclina não somente ativa sua Cdk 
parceira, mas também a direciona para proteínas-alvo específicas. Como resultado, cada 
complexo de ciclina-Cdk fosforila um conjunto diferente de proteínas-substrato. O mesmo 
complexo de ciclina-Cdk também pode induzir diferentes efeitos em diferentes tempos do ciclo, 
provavelmente porque a acessibilidade de alguns substratos das Cdks muda durante o ciclo 
celular. Certas proteínas que atuam na mitose, por exemplo, podem ser disponibilizadas à 
fosforilação somente em G2. 
 
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• Estudos estruturais em três dimensões de proteínas Cdk e ciclinas têm revelado que, na 
ausência de ciclinas, o sítio ativo na proteína Cdk é parcialmente obstruído por uma alça 
proteica, como uma pedra bloqueia a entrada de uma caverna (Figura 17-12A). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• A ciclina ligada faz a alça se mover do sítio ativo, resultando em uma ativação parcial da enzima 
Cdk (Figura 17-12B). 
• A ativação total do complexo de ciclina-Cdk ocorre, 
então, quando uma outra cinase, a cinase ativadorade 
Cdk (CAK; do inglês, Cdk-activating kinase), fosforila 
um aminoácido próximo à entrada do sítio ativo da Cdk. 
Isso causa uma pequena mudança conformacional que 
aumenta ainda mais a atividade da Cdk, permitindo que 
a cinase fosforile de maneira eficiente suas proteínas-
alvo e, desse modo, induza eventos específicos do ciclo 
celular (Figura 17-12C). 
• Atividade de Cdk pode ser suprimida pela fosforilação 
inibitória e por proteínas inibidoras Cdk (CKIs). O 
aumento e a diminuição dos níveis de ciclinas são os 
determinantes primordiais da atividade das Cdks 
durante o ciclo celular. Contudo, vários mecanismos 
adicionais ajudam a controlar a atividade das Cdks em 
estágios específicos do ciclo. 
• A fosforilação de um par de aminoácidos na cavidade 
do sítio ativo da cinase inibe a atividade de um 
complexo de ciclina-Cdk. 
• A fosforilação desses sítios por uma cinase conhecida como Wee1 inibe a atividade das Cdks, 
enquanto a desfosforilação desses sítios por uma fosfatase conhecida como Cdc25 aumenta a 
atividade das Cdks (Figura 17-13). 
 
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• Veremos posteriormente que esse mecanismo regulador é particularmente importante no 
controle da atividade das M-Cdks no início da mitose. A ligação de proteínas inibidoras Cdk 
(CKIs) inativam complexos 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 (Figura 17-14). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• 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. Proteólise regulada desencadeia a transição metáfase-
anáfase enquanto a ativação de complexos específicos ciclina-Cdk controla a progressão através 
do Início e transições G2/M (ver Figura 17-11), a progressão através da transição metáfase- 
anáfase é desencadeada não pela fosforilação proteica, mas pela degradação de proteínas, 
levando a estágios finais da divisão celular. 
• O principal regulador da transição entre metáfase e anáfase é o complexo promotor da anáfase, 
ou ciclossomo (APC/C), um membro da família enzimática de ubiquitinas- ligase. Como discutido 
no Capítulo 3, essas enzimas são usadas em numerosos processos celulares para estimular a 
degradação proteolítica de proteínas reguladoras específicas. Elas poliubiquitinam proteínas-
alvo específicas, resultando na sua degradação em proteassomos. Outras ubiquitinas-ligase 
marcam proteínas para outros propósitos que não a degradação. 
• O APC/C catalisa a ubiquitinação e a destruição de dois tipos principais de proteínas. 
• A primeira é a securina, que protege as ligações proteicas que mantêm os pares de cromátides-
irmãs unidos no início da mitose. A destruição de securinas na metáfase ativa a protease que 
separa as cromátides-irmãs e desencadeia a anáfase, como descrito mais tarde. 
• As S-ciclinas e as M-ciclinas são os segundos principais alvos do APC/C. A destruição dessas 
ciclinas inativa a maioria das Cdks da célula (ver Figura 17-11). 
• O resultado é que muitas proteínas fosforiladas por Cdks da fase S ao início da mitose são 
desfosforiladas por várias fosfatases 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 citocinese. 
 
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• Seguindo sua ativação na metade da mitose, APC/C permanece ativa em G1 para fornecer um 
período estável de Cdk inativa. Quando G1/S-Cdk é ativada em G1 tardio, APC/C é inativado, 
permitindo, desse modo, um acúmulo da ciclina no próximo ciclo celular. 
• O sistema de controle do ciclo celular também utiliza outra ubiquitina-ligase chamada SCF (ver 
Figura 3-71). Ela tem várias funções na célula, mas seu principal papel no ciclo celular é 
ubiquitinar certas proteínas CKI em G1 tardio, ajudando, portanto, o controle da ativação de S-
Cdks e replicação de DNA. SCF é também responsável pela destruição das ciclinas G1/S na fase 
S inicial. 
• Tanto o APC/C como a SCF são grandes complexos de multissubunidades que possuem 
componentes em comum (Figura 3-71), mas que são diferencialmente regulados. As modificações 
na atividade de APC/C durante o ciclo celular, inicialmente como resultado das trocas nas suas 
associações com uma subunidade ativadora – tanto Cdc20 na metade da mitose ou Cdh1 a partir 
do final da mitose através de G1 precoce. 
• Tais subunidades ajudam o APC/C a reconhecer suas proteínas-alvo (Figura 17-15A). A atividade 
de SCF depende das subunidades ligadas ao substrato chamadas proteínas F-box. Contudo, 
diferentemente da atividade do APC/C, a atividade da SCF é constante durante o ciclo celular. 
• Em vez disso, a ubiquitinação pela SCF é controlada por mudanças no estado de fosforilação de 
suas proteínas-alvo, uma vez que as subunidades de F-box reconhecem somente proteínas 
específicas fosforiladas (Figura 17-15B). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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➢ O controle do ciclo celular também depende de regulação transcricional 
 
• Nos ciclos celulares simples de embriões precoces de animais a transcrição de genes não ocorre. O 
controle do ciclo celular depende exclusivamente de mecanismos pós- -transcricionais que envolvem a 
regulação de Cdks e ubiquitinas-ligase e de suas proteínas- alvo. Contudo, nos ciclos celulares mais 
complexos da maioria dos tipos celulares, o controle transcricional proporciona um nível adicional de 
regulação importante. As mudanças na transcrição dos genes de ciclinas, por exemplo, auxiliam o 
controle dos níveis de ciclinas na maioria das células. 
• 
• O sistema de controle do ciclo celular funciona como uma rede de interruptores bioquímicos 
• 
• A Tabela 17-2 resume alguns dos principais componentes do sistema de controle do ciclo celular. 
Essas proteínas estão funcionalmente ligadas, formando uma intensa rede, que opera de forma 
essencialmente autônoma e ativa uma série de interruptores bioquímicos, cada um dos quais 
desencadeia um evento específico do ciclo celular. 
• Quando as condições para a proliferação celular são adequadas, vários sinais externos e internos 
estimulam a ativação de G1-Cdk, que por sua vez estimula a expressão de genes que codificam 
G1/S-ciclinas e S-ciclinas (Figura 17-16). 
• Então, a ativação resultante de G1/S-Cdk controla a progressão através do Início da transição. 
Por meio de mecanismos que discutiremos posteriormente, as G1/S-Cdks desencadeiam uma onda 
de atividade das S-Cdks, que inicia a duplicação dos cromossomos na fase S e também contribui 
para alguns eventos iniciais da mitose. 
• Então, a ativação de M-Cdk dispara a progressão através da transição de G2/M e eventos da 
mitose inicial, levando ao alinhamento de pares de cromátides-irmãs na placa equatorial do eixo 
mitótico. 
• Finalmente, APC/C, junto ao ativador Cdc20, dispara a degradação de securinas e ciclinas, 
desencadeando a separação de cromátides-irmãs e a segregação e finalização da mitose. Quando 
a mitose está completa, múltiplos mecanismos colaboram na supressão da atividade das Cdks, 
resultando em um período estável de G1.