Introdução a biologia celular - Leitura complementar

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Introdução a biologia celular - Leitura complementar

  1. 1. Parte I Introdução 1 Uma Visão Geral das Células e da Pesquisa Celular 2 A Química das Células 3 Fundamentos de Biologia Molecular
  2. 2. Capítulo 1 Uma Visão Geral das Células e da Pesquisa Celular AA Origem e a Evolução das COMPREENSÃO DA BIOLOGIA MOLECULAR DAS CÉLULAS é uma área dinâ- Células 4 mica de pesquisa que é fundamental para todas as ciências biológicas. Isto é verdade não somente do ponto de vista da pesquisa básica, mas também emCélulas como Modelos relação a um número crescente de aplicações práticas na medicina, agricultura e Experimentais 15 biotecnologia. Especialmente com a conclusão da seqüência do genoma humano, oFerramentas da Biologia progresso na biologia celular e molecular está abrindo novos horizontes na prática da Celular 20 medicina. Exemplos notáveis incluem o desenvolvimento de novas drogas especifi- Cultura deEXPERIMENTO-CHAVE: camente direcionadas a interferir no crescimento de células cancerosas e no uso po- Células Animais 32 tencial de células-tronco para substituir os tecidos danificados e tratar pacientes que sofrem de doenças como diabetes, doença de Parkinson, doença de Alzheimer, lesõesMEDICINA MOLECULAR: Vírus e na coluna vertebral e doenças cardíacas. Câncer 35 Em virtude de a biologia celular e molecular ser uma área de pesquisa de rápido desenvolvimento, é relevante compreender sua base experimental, assim como o es- tado atual do nosso conhecimento. Por essa razão, este capítulo abordará a maneira como as células são estudadas e revisará algumas das suas propriedades básicas. A apreciação das semelhanças e diferenças entre as células é de vital importância para a compreensão da biologia celular. Portanto, a primeira parte deste capítulo discute tanto a uniformidade quanto a diversidade das células atuais em termos da evolução a partir de um ancestral comum. Por um lado, todas as células compartilham pro- priedades fundamentais únicas que têm sido conservadas durante a evolução. Por exemplo, todas as células utilizam o DNA como material genético, são circundadas por membranas plasmáticas e usam os mesmos mecanismos básicos para o metabo- lismo energético. Por outro lado, as células atuais desenvolveram uma grande varie- dade de modos de vida. Muitos organismos, como bactérias, amebas e leveduras, são constituídos de células isoladas que são capazes de se replicar independentemente. Organismos mais complexos são compostos de uma coleção de células que funcio- nam de uma maneira coordenada, com diferentes células especializadas para realizar uma função determinada. O corpo humano, por exemplo, é composto por mais de 200 tipos de células diferentes, cada uma especializada para funções distintas, como memória, visão, movimento e digestão. A diversidade exibida por esses vários dife- rentes tipos de células é surpreendente; considere, por exemplo, as diferenças entre as bactérias e as células do cérebro humano. As semelhanças fundamentais entre diferentes tipos de células fornecem um tópico único para a biologia celular, permitindo que os princípios básicos
  3. 3. 4 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN aprendidos a partir de experimentos com um tipo de célula sejam extrapolados e generalizados para outros tipos de células. Vários tipos de células e organismos são amplamente usados para estudar diferentes aspectos da biologia celular e molecular. A segunda parte do capítulo discute algumas das propriedades dessas células, que as fazem particularmente valiosas como modelos experimentais. Fi- nalmente, é importante reconhecer que os progressos em biologia celular depen- dem fortemente da disponibilidade de ferramentas experimentais que permitem que os cientistas façam novas observações ou conduzam novos tipos de experi- mentos. Este capítulo introdutório, portanto, é concluído com uma discussão de alguns métodos experimentais usados para estudar as células, bem como com uma revisão de alguns dos principais desenvolvimentos históricos que permiti- ram a compreensão atual da estrutura e função celular. A Origem e a Evolução das Células As células são dividas em dois tipos principais, definidos pela presença ou não de um núcleo. As células procarióticas (bactérias) não apresentam um envelope nuclear; as células eucarióticas têm um núcleo, no qual o material genético está separado do citoplasma. As células procarióticas geralmente são menores e mais simples do que as células eucarióticas; além da ausência de núcleo, seus genomas são menos complexos e elas não apresentam organelas citoplasmáticas ou um citoesqueleto (Tabela 1.1). Apesar dessas diferenças, os mesmos mecanismos moleculares básicos controlam a vida de ambas, procarióticas e eucarióticas, in- dicando que todas as células atuais descendem de um ancestral primordial co- mum. Como essa primeira célula se desenvolveu? Como evoluíram a complexi- dade e a diversidade exibidas pelas células atuais? A Primeira Célula Provavelmente, a vida apareceu há pelo menos 3,8 bilhões de anos, aproximadamen- te 750 milhões de anos após a Terra ter sido formada (Figura 1.1). Como a vida originou-se e como a primeira célula surgiu são assuntos de especulação, uma vez que esses eventos não podem ser reproduzidos em laboratório. Contudo, diversos tipos de experimentos fornecem evidências importantes da direção de algumas eta- pas do processo. Foi por volta de 1920 que, pela primeira vez, sugeriu-se que moléculas orgâni- cas simples, sob as condições que se imagina que existiam na atmosfera da Terra primitiva, poderiam formar-se e espontaneamente polimerizar-se em macromolécu- las. Supõe-se que, quando a vida se originou, a atmosfera da Terra tivesse pouco ou nenhum oxigênio livre e, em vez disso, consistisse principalmente em CO2 e N2 e quantidades menores de gases como H2, H2S e CO. Semelhante atmosfera fornece condições redutoras nas quais moléculas orgânicas, dada uma fonte de energia como TABELA 1.1 Células Procarióticas e Eucarióticas Característica Procariotos Eucariotos Núcleo Ausente Presente Diâmetro de uma célula típica ≅ 1 µm 10-100 µm Citoesqueleto Ausente Presente Organelas citoplasmáticas Ausente Presente Conteúdo de DNA (pares de bases) 1 × 106 a 5 × 106 1,5 × 107 a 5 × 109 Cromossomos Uma única molécula de Múltiplas moléculas de DNA circular DNA linear
  4. 4. A CÉLULA / 5 Figura 1.1 Escala de tempo da evolução A escala indica o tempo aproximado no Presente qual supõe-se que alguns dos principais 0 eventos na evolução das células tenham ocorrido. 1 Organismos multicelulares 2 Bilhões de anos atrás Primeiros eucariotos Metabolismo oxidativo 3 Fotossíntese Eletrodo Primeiras células CH4 4 NH3 H2O H2O H2 4,6 Formação da Terra CH4 H2 NH3 Descarga 5 elétrica Resfria- mentoa luz solar ou descargas elétricas, podem ser formadas espontaneamente. A formação Águaespontânea de moléculas orgânicas foi pela primeira vez demonstrada experimental-mente na década de 1950, quando Stanley Miller (então um estudante de gradua-ção) mostrou que a descarga de faíscas elétricas em uma mistura de H2, CH4 e NH3,na presença de água, levava à formação de uma grande variedade de moléculasorgânicas, inclusive de vários aminoácidos (Figura 1.2). Embora os experimen-tos de Miller não tenham repetido precisamente as condições da Terra primitiva, Caloreles demonstraram claramente a possibilidade da síntese espontânea de molécu-las orgânicas, fornecendo o material básico a partir do qual se originaram os Moléculasprimeiros organismos vivos. orgânicas A próxima etapa na evolução foi a formação de macromoléculas. Tem sidodemonstrado que, sob as prováveis condições pré-bióticas, os blocos monoméricos Alanina Ácido aspártico Ácido glutâmico GlicinaFigura 1.2 Formação espontânea de moléculas orgânicas UréiaO vapor de água circulou através de uma atmosfera composta de CH4, NH3 e H2, dentro daqual faíscas elétricas foram liberadas. A análise dos produtos da reação revelou a formação de Ácido láticouma variedade de moléculas orgânicas, incluindo os aminoácidos alanina, ácido aspártico, ácido Ácido acéticoglutâmico e glicina. Ácido fórmico
  5. 5. 6 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN formam, por polimerização espontânea, as macromoléculas. Por exemplo, o aqueci- mento de misturas secas de aminoácidos resulta na polimerização para formar poli- peptídeos. Contudo, a característica essencial da macromolécula a partir da qual a vida evoluiu deve ter sido a capacidade de auto-replicação. Somente uma macromo- lécula capaz de controlar a síntese de novas cópias de si própria poderia ser capaz de reprodução e posterior evolução. Dos dois tipos principais de macromoléculas informativas presentes atualmen- te (ácidos nucléicos e proteínas), somente os ácidos nucléicos são capazes de contro- lar sua auto-replicação. Os ácidos nucléicos podem servir de moldes para sua própria síntese como resultado do pareamento específico de bases entre nucleotídeos com- plementares (Figura 1.3). A etapa essencial no entendimento da evolução molecular foi alcançada no início da década de 1980, quando foi descoberto nos laboratórios de Sid Altman e Tom Cech que o RNA é capaz de catalisar várias reações químicas, incluindo a polimerização de nucleotídeos. Estudos mais avançados ampliaram as atividades catalíticas conhecidas do RNA, incluindo a descrição de moléculas de RNA que controlam a síntese de uma nova fita de RNA a partir de um RNA-molde. O RNA é, assim, tanto capaz de servir como molde quanto capaz de catalisar sua própria replicação. Conseqüentemente, em geral é aceito que o RNA tenha sido o sistema genético inicial, e supõe-se que a fase inicial da evolução química tenha sido baseada nas moléculas de RNA auto-replicativas – um período da evolução conheci- do como mundo de RNA. Então, interações ordenadas entre RNA e aminoácidos evoluíram para o código genético atual, e o DNA finalmente substituiu o RNA como material genético. Presume-se que a primeira célula tenha originado-se da inclusão de RNAs auto- replicativos em uma membrana composta de fosfolipídeos (Figura 1.4). Como dis- cutido em detalhes no próximo capítulo, os fosfolipídeos são os componentes bási- cos de todas as membranas biológicas atuais, incluindo as membranas plasmáticas de células procarióticas e eucarióticas. A característica-chave dos fosfolipídeos que for- mam as membranas é que eles são moléculas anfipáticas, significando que uma por- ção da molécula é solúvel em água e a outra porção é insolúvel. Os fosfolipídeos têm longas caudas de hidrocarbonetos insolúveis em água (hidrofóbica) ligadas a uma cabeça com grupos fosfato solúvel em água (hidrofílica). Quando colocados na água, os fosfolipídeos agregam-se espontaneamente em uma bicamada, com suas cabeças com grupos fosfato na porção exterior em contato com a água e suas caudas de hidrocarbonetos no interior em contato umas com as outras. Tais bicamadas de fos- folipídeos formam uma barreira estável entre dois compartimentos aquosos – porFigura 1.3 Auto-replicação do RNA exemplo, separando o interior de uma célula do meio externo.O pareamento complementar entre nucleo-tídeos (adenina [A] com uracil [U] e guani- A inclusão do RNA auto-replicativo e de moléculas associadas em uma mem-na [G] com citosina [C]) permite que uma brana de fosfolipídeos poderia tê-los mantido, assim, como uma unidade, capaz defita de RNA sirva como molde para a sínte- auto-replicação e posterior evolução. A síntese de proteína controlada por RNA jáse de uma nova fita com a seqüência com-plementar. C C C G C G C G C G G G G G C G C G C G C C A A U A U A U A U U A G G C G C G C G C C A A A U A U A U U U U U U A U A U A U A U U U A U A U A U A A G G G C G C G C G C C A A U A U A U A U A U C C C G C G C C G G G
  6. 6. A CÉLULA / 7 RNA Figura 1.4 Inclusão do RNA auto- replicativo em uma membrana de Membrana de fosfolipídeo fosfolipídeos Supõe-se que a primeira célula tenha sido criada pela inclusão de RNA auto-replicati- vo e moléculas associadas em uma membra- Água Molécula de na composta de fosfolipídeos. Cada molécu- fosfolipídeo la de fosfolipídeo tem duas longas caudas hidrofóbicas ligadas a uma cabeça hidrofíli- Cabeça com ca. As caudas hidrofóbicas estão inseridas na grupo hidrofílico bicamada lipídica; as cabeças hidrofílicas es- Cauda tão expostas à água em ambos os lados da hidrofóbica membrana. Águapoderia ter sido desenvolvida neste tempo, no qual a primeira célula poderia serconstituída de um RNA auto-replicativo e das proteínas por ele codificadas.A Evolução do MetabolismoEm razão de as células terem originado-se em um mar de moléculas orgânicas, elaseram capazes de obter alimento e energia diretamente do ambiente. Todavia, essasituação é autolimitante, e por isso as células precisaram desenvolver seus própriosmecanismos para geração de energia e síntese de moléculas necessárias para sua repli-cação. A geração e a utilização controlada da energia metabólica são essenciais paratodas as atividades celulares, e as principais vias do metabolismo energético (discuti-do em detalhes no Capítulo 2) são bastante conservadas nas células atuais. Todas ascélulas usam adenosina 5´-trifosfato (ATP) como fonte de energia metabólica paracontrolar a síntese dos constituintes celulares e realizar outras atividades que exigemenergia, como o movimento (por exemplo, contração muscular). Presume-se que omecanismo usado pelas células para geração de ATP evoluiu em três etapas, corres-pondentes à evolução da glicólise, fotossíntese e metabolismo oxidativo (Figura 1.5).O desenvolvimento dessas vias metabólicas mudou a atmosfera da Terra, dessa formaalterando o futuro curso da evolução. Presume-se que na atmosfera anaeróbica da Terra primitiva as primeiras reaçõesde geração de energia envolviam a quebra de moléculas orgânicas na ausência de Glicólise C6H12O6 2 C3H6O3 Geração de 2 ATP Glicose Ácido lático Figura 1.5 Geração do metabolismo Fotossíntese energético A glicólise é a hidrólise anaeróbica da 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 glicose para ácido lático. A fotossíntese Glicose utiliza a energia da luz solar para fazer a síntese de glicose a partir de CO2 e H2O, Metabolismo oxidativo com a liberação de O2 como subproduto. O O2 liberado pela fotossíntese é usado no C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Geração de 36-38 ATP metabolismo oxidativo, no qual a glicose é Glicose quebrada em CO2 e H2O, liberando muito mais energia que a obtida pela glicólise.
  7. 7. 8 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN oxigênio. Essas reações eram provavelmente reações semelhantes à glicólise atual – a quebra anaeróbica da glicose para ácido lático com o ganho energético líquido de duas moléculas de ATP. Além do uso do ATP como fonte de energia química intra- celular, todas as células atuais realizam glicólise, o que é compatível com a noção de que essas reações surgiram muito cedo na evolução. A glicólise forneceu o mecanismo pelo qual a energia de moléculas orgânicas pré-formadas (por exemplo, glicose) poderia ser convertida em ATP, o qual podia então ser usado como fonte de energia para direcionar outras reações metabólicas. Presume-se que a seguinte etapa evolutiva importante tenha sido o desenvolvimento da fotossíntese, que permitiu às células captar energia da luz solar e forneceu a inde- pendência da utilização de moléculas orgânicas pré-formadas. A primeira bactéria fotossintética, que surgiu há mais de 3 bilhões de anos, provavelmente utilizava H2S para converter CO2 em moléculas orgânicas – uma via de fotossíntese ainda utilizada por algumas bactérias. O uso de H2O como doador de elétrons e hidro- gênio para a conversão do CO2 em componentes orgânicos evoluiu mais tarde e teve a importante conseqüência de mudar a atmosfera da Terra. O uso de H2O nas reações de fotossíntese origina, como produto secundário, o O2 livre; presu- me-se que esse mecanismo tenha sido o responsável por tornar o O2 abundante na atmosfera da Terra.Membrana A liberação do O2, como conseqüência da fotossíntese, mudou o ambiente noplasmática qual as células estavam em desenvolvimento, e presume-se que tenha levado ao de-Parede senvolvimento do metabolismo oxidativo. Alternativamente, o metabolismo oxida-celular tivo pode ter evoluído antes da fotossíntese, com o aumento do O2 atmosférico, fornecendo, então, uma forte vantagem evolutiva para os organismos capazes de usar O2 nas reações produtoras de energia. Em ambos os casos, o O2 é uma molécula altamente reativa, e o metabolismo oxidativo, usando esta reatividade, forneceu um mecanismo para geração de energia a partir de moléculas orgânicas que é muito mais eficiente que a glicólise anaeróbica. Por exemplo, a hidrólise completa da glicose em CO2 e H2O rende energia equivalente a 36-38 moléculas de ATP, em contraste com as 2 moléculas de ATP formadas pela glicólise anaeróbica. Com poucas exceções, as células atuais usam reações oxidativas como principal fonte de energia. Procariotos Atuais Os procariotos atuais, que incluem todos os diversos tipos de bactérias, são divididos em dois grupos – as arqueobactérias e as eubactérias – que divergiram precocemente na evolução. Algumas arqueobactérias vivem em ambientes extremos, que atualmen- te são raros, mas que poderiam ter sido predominantes na Terra primitiva. Por exem- plo, os termoacidófilos vivem em fontes térmicas sulfurosas com temperaturas tão altas quanto 80oC e pH tão baixo quanto 2. As eubactérias incluem as formas co- muns das bactérias atuais – um grande grupo de organismos que vive em uma ampla variedade de ambientes, incluindo solo, água e outros organismos (por exemplo, patógenos humanos). Muitas células bacterianas são esféricas, em forma de bastonete ou espirais, com diâmetros de 1 a 10 µm. O conteúdo de DNA varia entre 0,6 milhão e 5 milhões de pares de bases, uma quantidade suficiente para codificar aproximada-Nucleóide mente 5.000 proteínas diferentes. As cianobactérias são os maiores e mais comple- xos procariotos, bactérias que desenvolveram a fotossíntese. 0,5 µ m A estrutura de uma célula procariótica típica é ilustrada pela Escherichia coli Figura 1.6 Micrografia eletrônica de (E. coli), uma bactéria comum, habitante do trato intestinal dos humanos (Figura E. coli 1.6). A célula é um bastonete, com aproximadamente 1 µm de diâmetro e 2 µm de A célula é circundada pela parede celular, comprimento. Como a maioria dos outros procariotos, a E. coli é circundada por dentro da qual está a membrana plasmática. uma parede celular rígida composta de polissacarídeos e peptídeos. Dentro da O DNA está localizado no nucleóide. parede celular está a membrana plasmática, que é uma bicamada de fosfolipíde- (Menge and Wurtz/Biozentrum, University of Basel/Science Photo Library/Photo Rese- os e proteínas associadas. Enquanto a parede celular é porosa e facilmente pene- archers, Inc.) trada por uma variedade de moléculas, a membrana plasmática fornece a separa-
  8. 8. A CÉLULA / 9ção funcional entre o interior da célula e o ambiente externo. O DNA da E. coli éuma molécula circular única no nucleóide, o qual, em contraste com o núcleo doseucariotos, não é circundado por uma membrana que o separa do citoplasma. Ocitoplasma contém aproximadamente 30.000 ribossomos (o local da síntese protéi-ca), que contribuem para sua aparência granular.Células EucarióticasComo as células procarióticas, todas as células eucarióticas são circundadas pela mem-brana plasmática e contêm ribossomos. Entretanto, as células eucarióticas são muitomais complexas e apresentam um núcleo, organelas citoplasmáticas e um citoesque-leto (Figura 1.7). A maior e mais proeminente organela das células eucarióticas é onúcleo, com um diâmetro de aproximadamente 5 µm. O núcleo contém a informa-ção genética da célula, que nos eucariotos é organizada como uma molécula de DNAlinear, em vez de circular. O núcleo é o local da replicação do DNA e da síntese doRNA; a tradução do RNA em proteínas ocorre em ribossomos no citoplasma. Além do núcleo, as células eucarióticas apresentam no citoplasma uma varieda-de de organelas circundadas por membranas. Essas organelas formam compartimen-tos nos quais se localizam as diferentes atividades metabólicas. Em geral, as célulaseucarióticas são muito maiores que as células procarióticas, freqüentemente tendoum volume celular de, no mínimo, mil vezes maior. A compartimentalização causa-da pelas organelas citoplasmáticas é que permite o funcionamento eficiente das célu-las eucarióticas. Duas dessas organelas, as mitocôndrias e os cloroplastos, exercempapel fundamental no metabolismo energético. As mitocôndrias, que são encontra-das em quase todas as células eucarióticas, são os locais do metabolismo oxidativo esão responsáveis pela geração da maior parte do ATP derivado da quebra de molécu-las orgânicas. Os cloroplastos são os locais da fotossíntese e são encontrados somentenas células de plantas e algas verdes. Os lisossomos e os peroxissomos também for-necem compartimentos metabólicos especializados para a digestão de macromolécu-las e várias reações oxidativas, respectivamente. Além disso, a maioria das célulasvegetais contém grandes vacúolos que executam uma variedade de funções, incluin-do a digestão de macromoléculas e a estocagem de produtos de excreção e nutrientes. Devido ao tamanho e à complexidade das células eucarióticas, o transporte deproteínas para seus destinos corretos é uma tarefa extremamente complexa. Duasorganelas citoplasmáticas, o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi, sãodedicadas especificamente para a organização e o transporte de proteínas destinadasà secreção, à incorporação à membrana plasmática e à incorporação aos lisossomos.O retículo endoplasmático é uma extensa rede de membranas intracelulares, esten-dendo-se a partir da membrana nuclear por todo o citoplasma. Ele funciona nãosomente no processamento e transporte de proteínas, mas também na síntese delipídeos. As proteínas são transportadas em pequenas vesículas a partir do retículoendoplasmático para o complexo de Golgi, onde são processadas e organizadas parao transporte ao destino final. Além do papel no transporte de proteínas, o complexode Golgi serve como local da síntese de lipídeos e (em células vegetais) como local desíntese de alguns polissacarídeos que formam a parede celular. As células eucarióticas têm outro nível de organização interna: o citoesqueleto,uma rede de filamentos protéicos que se estende por todo o citoplasma. O citoesque-leto fornece a estrutura da célula, determinando o formato celular e gerando a orga-nização do citoplasma. Além disso, o citoesqueleto é responsável pelos movimentosda célula inteira (por exemplo, a contração das células musculares), pelo transporteintracelular e pelo posicionamento das organelas e outras estruturas, incluindo omovimento dos cromossomos durante a divisão celular. Os eucariotos surgiram há pelo menos 2,7 bilhões de anos, seguindo em 1 a 1,5bilhão de anos a evolução dos procariotos. Estudos das seqüências de DNA indicamque as arqueobactérias e eubactérias são tão diferentes entre si quanto são dos euca-riotos atuais. Portanto, um evento muito precoce na evolução parece ter sido a diver-
  9. 9. 10 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN Célula animal Peroxissomo Centríolo Mitocôndria Retículo endoplasmático rugoso Retículo Núcleo endoplasmático liso Nucléolo Lisossomo Citoesqueleto Membrana plasmática Complexo de Golgi RibossomosFigura 1.7 Estruturas das célulasanimais e vegetaisTanto as células animais como as vegetais gência dos três grupos de descendentes a partir de um ancestral comum, originandosão circundadas pela membrana plasmática as atuais arqueobactérias, as eubactérias e os eucariotos. De forma interessante, mui-e contêm um núcleo, um citoesqueleto e tos genes de arqueobactérias são mais parecidos com os de eucariotos que com os demuitas organelas citoplasmáticas. As células eubactérias, indicando que as arqueobactérias e os eucariotos compartilham umavegetais são também circundadas pela pare- linha evolutiva em comum e são mais proximamente relacionados um ao outro dode celular e contêm cloroplastos e vacúolosgrandes. que qualquer um dos dois às eubactérias (Figura 1.8). Uma etapa crítica na evolução das células eucarióticas foi a aquisição das organelas subcelulares circundadas por membranas, permitindo o desenvolvimento das caracterís- ticas complexas dessas células. Supõe-se que as organelas tenham sido adquiridas como o resultado de uma associação de células procarióticas com eucariotos ancestrais. A hipótese de que células eucarióticas evoluíram a partir de uma associação de sim- biose com procariotos – endossimbiose – é bem sustentada pelos estudos de mitocôndri- as e cloroplastos, os quais supõe-se terem evoluído a partir de bactérias que viviam em células maiores. Ambos, mitocôndrias e cloroplastos, são similares às bactérias em tama- nho, e como bactérias, reproduzem-se por divisão binária. E o mais importante, ambos, mitocôndrias e cloroplastos, contêm seu próprio DNA, o qual codifica alguns dos seus componentes. Os DNAs de mitocôndrias e cloroplastos são replicados cada vez que a organela se divide, e os genes que eles codificam são transcritos dentro da organela e traduzidos no ribossomo da organela. A mitocôndria e o cloroplasto contêm seus pró- prios sistemas genéticos, que são diferentes do usado no genoma nuclear da célula. Além disso, o ribossomo e o RNA ribossomal dessas organelas são mais proximamente relacio- nados com os de bactérias do que com os codificados pelo genoma nuclear dos eucariotos.
  10. 10. A CÉLULA / 11 Célula vegetal Citoesqueleto Mitocôndria Peroxissomo Vacúolo Ribossomo Cloroplastos Retículo endoplasmático liso Retículo endoplasmático rugoso Nucléolo NúcleoParede celular Complexo de Golgi Membrana plasmática Outras Fungos Cianobactérias eubactérias Plantas Animais (leveduras) Protistas Arqueobactérias Cloroplastos Mitocôndrias Figura 1.8 Evolução das células As células atuais evoluíram de um ancestral procarioto co- mum por três linhas de descendência, dando origem às ar- queobactérias, às eubactérias e aos eucariotos. As mitocôn- drias e os cloroplastos originaram-se da associação por en- dossimbiose de bactérias aeróbicas e cianobactérias com o ancestral dos eucariotos, respectivamente.
  11. 11. 12 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN A origem dessas organelas por endossimbiose é amplamente aceita, e supõe-se que a mitocôndria tenha evoluído de bactérias aeróbicas e o cloroplasto, de bactérias fotossintéticas, como as cianobactérias. A aquisição de bactérias aeróbicas poderia ter fornecido a uma célula anaeróbica a capacidade de realizar reações de metabolismo oxidativo. A aquisição de bactérias fotossintéticas poderia ter fornecido a indepen- dência nutricional proporcionada pela habilidade de efetuar a fotossíntese. Dessa maneira, essas associações por endossimbiose foram altamente vantajosas e foram positivamente selecionadas pela evolução. Ao longo do tempo, a maioria dos genes originalmente presentes nas bactérias foi, aparentemente, incorporada no genoma nuclear da célula, e somente poucos componentes da mitocôndria e do cloroplasto ainda são codificados pelos genomas das organelas. O Desenvolvimento dos Organismos Multicelulares Muitos eucariotos são organismos unicelulares que, como as bactérias, consistem em somente uma única célula capaz de auto-replicação. Os eucariotos mais simples são as leveduras. As leveduras são mais complexas que as bactérias, porém menores e mais sim- ples que as células de animais e plantas. Por exemplo, a comumente estudada levedura Saccharomyces cerevisiae tem aproximadamente 6 µm de diâmetro e seu DNA contém 12 milhões de pares de bases (Figura 1.9). Entretanto, outros eucariotos unicelulares são células muito mais complexas, algumas contendo tanto DNA quanto as células humanas (Tabela 1.2). Eles incluem organismos especializados para realizar uma grande variedade TABELA 1.2 Conteúdo de DNA de ações, incluindo a fotossíntese, o movimento e a captura e ingestão, como alimento, de das Células outros organismos. Por exemplo, a Amoeba proteus é uma célula grande e complexa. Seu volume é de mais de 100.000 vezes o de uma E. coli e seu comprimento excede 1 mm, Organismo Conteúdo haplóide quando a célula está totalmente estendida (Figura 1.10). As amebas são organismos com de DNA alta mobilidade que usam extensões citoplasmáticas, chamadas de pseudópodos, para (milhões de pares de bases) mover e para englobar outros organismos, incluindo bactérias e leveduras, como alimen- tos. Outros organismos eucariotos unicelulares (como algas verdes) contêm cloroplastos e Bactérias são capazes de realizar fotossíntese. Mycoplasma 0,6 Os organismos multicelulares evoluíram a partir de eucariotos unicelulares há, E. coli 4,6 pelo menos, 1,7 bilhão de anos. Alguns eucariotos unicelulares formam agregados Eucariotos unicelulares multicelulares que parecem representar uma transição evolutiva entre células indivi- Saccharomyces cerevisiae 12 duais e organismos multicelulares. Por exemplo, as células de muitas algas (como a (Levedura) alga verde Volvox) associam-se umas com as outras para formarem colônias multice- Dictyostelium discoideum 70 Euglena 3.000 Plantas Arabidopsis thaliana 125 Zea mays (milho) 5.000 Animais Caenorhabditis elegans 97 (nematóide) Drosophila melanogaster 180 (mosca-da-fruta) Galinha 1.200 “Zebrafish”* 1.700 Camundongo 3.000 Humano 3.000 5 µm* N. de R.T. Zebrafish é um peixe usado comomodelo experimental e recebe o nome comum Figura 1.9 Micrografia eletrônica de varredura do Saccharomyces cerevisiaeno Brasil de “paulistinha”. Ver página 19. Cor artificial foi adicionada à micrografia. (Andrew Syed/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.)
  12. 12. A CÉLULA / 13lulares (Figura 1.11), que se supõe terem sido os precursores evolutivos das plantasatuais. O aumento da especialização celular direcionou a transição de agregados co-loniais para verdadeiros organismos multicelulares. A contínua especialização celulare a divisão de tarefas entre as células do organismo levaram à complexidade e diver-sidade observadas entre os diferentes tipos de células que compõem as plantas e osanimais atuais, incluindo os seres humanos. As plantas são compostas por uma menor variedade de tipos celulares que osanimais, mas cada tipo diferente de célula vegetal é especializado para realizar umafunção específica necessária para o organismo como um todo (Figura 1.12). As célu-las das plantas são organizadas em três principais sistemas de tecidos: tecido de sus- 0,2 mmtentação, tecido dérmico e tecido vascular. O tecido de sustentação contém as célulasdo parênquima, que realizam a maioria das reações metabólicas das plantas, incluin- Figura 1.10 Micrografia ótica dedo a fotossíntese. O tecido de sustentação também contém dois tipos de células Amoeba proteus (M.I. Walker/Photo Researchers, Inc.)especializadas (célula do colênquima e célula do esclerênquima), que são caracteriza-das pelas grossas paredes celulares e fornecem o suporte estrutural para a planta. Otecido dérmico cobre a superfície da planta e é composto de células epidérmicas,formando uma camada de proteção e permitindo a absorção de nutrientes. Final-mente, diversos tipos de células alongadas formam o sistema vascular (o xilema e ofloema), que é responsável pelo transporte de água e nutrientes por toda a planta. As células encontradas nos animais são consideravelmente mais diversificadasque as das plantas. O corpo humano, por exemplo, é composto por mais de 200tipos diferentes de células que geralmente são consideradas os componentes de cincotipos principais de tecidos: tecido epitelial, tecido conectivo, sangue, tecido nervoso (A) (B) Figura 1.11 Colônia de alga verde Células individuais de Volvox formam colô- nias, nas quais centenas ou milhares de cé- lulas estão incorporadas em uma matriz ge- latinosa. (Cabisco/Visuals Unlimited.) (C) (D) Figura 1.12 Micrografias óticas de células representativas de plantas (A) Células do parênquima, que são respon- sáveis pela fotossíntese e por outras reações metabólicas. (B) Células do colênquima, que são responsáveis pela sustentação e apresentam paredes celulares espessas. (C) Células da epiderme na superfície de uma folha. Poros pequenos (estômatos) são flan- queados por células especializadas chamadas de células-vigia. (D) Elementos dos vasos e traqueídeos são células alongadas que são organizadas uma de ponta para a outra para formar os vasos do xilema. (A, Jack M. Bastsack/Visuals Unlimited; B, A. J. Karpo- ff/Visuals Unlimited; C, Alfred Owczarzak/ Biological Photo Service; D, Biophoto Associ- 50 mm ates/Science Source/Photo Researchers Inc.)
  13. 13. 14 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN e músculo (Figura 1.13). As células epiteliais formam camadas que cobrem a super- fície do corpo e recobrem os órgãos internos. Há muitos tipos diferentes de células epiteliais, cada um especializado para uma função específica, incluindo proteção (a pele), absorção (por exemplo, as células da mucosa do intestino delgado) e secreção (por exemplo, as células da glândula salivar). O tecido conectivo inclui ossos, cartila- gens e tecido adiposo, cada um formado por diferentes tipos de células (respectiva- mente, osteoblastos, condrócitos e adipócitos). O tecido conectivo frouxo, que intercala (A)i Boca (A)ii Ducto biliar (A)iii Intestino (B)Figura 1.13 Micrografias óticas decélulas animais representativas(A) Células do epitélio da boca (uma grossacamada multicelular), do ducto biliar e dointestino. (B) Fibroblastos são células do te-cido conectivo, caracterizados por sua for-ma alongada. (C) Eritrócitos, granulócitos,linfócitos e monócitos no sangue humano.([A]i e [A]ii, G. W. Willis/Biological PhotoService; [A]iii, Biophoto Associates/PhotoResearchers, Inc.; B, Don W. Fawcett/Visu-als Unlimited; C. G. W. Willis/BiologicalPhoto Service.) (C) Eritrócito Linfócito Monócito Granulócito
  14. 14. A CÉLULA / 15as camadas epiteliais e preenche os espaços entre órgãos e tecidos do corpo, é forma-do por outro tipo de célula, o fibroblasto. O sangue contém vários tipos diferentesde células, que funcionam no transporte do oxigênio (células vermelhas ou eritróci-tos), nas reações inflamatórias (granulócitos, monócitos e macrófagos) e na respostaimunológica (linfócitos). O tecido nervoso é composto pelas células nervosas, ou neu-rônios, que são altamente especializadas para transmitir sinais através do corpo. Váriostipos de células sensoriais, como as células dos olhos e dos ouvidos, são mais especializa-dos para receberem sinais externos do ambiente. Finalmente, vários diferentes tipos decélulas musculares são responsáveis pela produção da força e do movimento. Claramente, a evolução dos animais envolveu o desenvolvimento de uma con-siderável diversidade e especialização no nível celular. A compreensão dos mecanis-mos de controle do crescimento e de diferenciação em tal grupo complexo de célulasespecializadas, originadas a partir de um único ovo fertilizado, é um dos principaisdesafios que se apresentam à biologia celular e molecular contemporânea.Células como Modelos ExperimentaisA evolução das células atuais a partir de um ancestral comum tem importantes im-plicações para a biologia celular e molecular como uma ciência experimental. Já queas propriedades fundamentais de todas as células foram conservadas durante a evolu-ção, os princípios básicos aprendidos com experimentos feitos com um tipo de célulasão geralmente aplicáveis para outras células. Por outro lado, em razão da diversidadedas células atuais, muitos tipos de experimentos podem ser mais facilmente realiza-dos em um tipo de célula do que em outro. Vários tipos diferentes de células eorganismos são comumente usados como modelos experimentais para estudar diver-sos aspectos da biologia celular e molecular. As características de algumas dessas célu-las que as tornam de particular utilidade como modelos experimentais são discutidasnas seções seguintes.E. coliEm virtude da sua simplicidade relativa, células procarióticas (bactérias) são modelosideais para o estudo de diversos aspectos fundamentais da bioquímica e da biologiamolecular. A espécie de bactéria mais amplamente estudada é a E. coli, que tem sido,há muito tempo, o organismo favorito para pesquisa dos mecanismos básicos dagenética molecular. A maioria dos nossos conceitos atuais de biologia molecular –incluindo nossa compreensão da replicação do DNA, do código genético, da expres-são gênica e da síntese protéica – deriva dos estudos com essa modesta bactéria. A E. coli tem sido especialmente útil para os biólogos moleculares, tanto porsua relativa simplicidade, como pela facilidade com que pode ser reproduzida e estu-dada em laboratório. O genoma da E. coli, por exemplo, consiste em aproximada-mente 4,6 milhões de pares de bases e contém cerca de 4.000 genes. O genomahumano é quase mil vezes maior (aproximadamente 3 bilhões de pares de bases) epensa-se que contenha 30-40.000 genes (ver Tabela 1.2). O pequeno tamanho dogenoma da E. coli (que foi completamente seqüenciado em 1997) fornece óbviavantagem para a análise genética. Experimentos de genética molecular são facilitados pela rápida multiplicaçãoda E. coli em condições laboratoriais bem definidas. Em condições ótimas de cultu-ra, a cada 20 minutos a E. coli divide-se. Além disso, uma população clonal de E. coli,na qual todas as células derivam da multiplicação de uma única célula, pode serfacilmente isolada como uma colônia crescendo em meio semi-sólido contendo ágar(Figura 1.14). Uma vez que colônias de bactérias contendo 108 células podem sercultivadas em apenas uma noite, a seleção de variantes genéticas de uma cepa de E.coli – por exemplo, mutantes que são resistentes a um antibiótico como a penicilina – é Figura 1.14 Colônias de bactériasfácil e rápida. A facilidade com que esses mutantes podem ser selecionados e analisa- Fotografia de colônias de E. coli crescendodos foi essencial para o sucesso dos experimentos que definiram os princípios básicos na superfície de um meio contendo ágar.da genética molecular, discutidos no Capítulo 3. (A. M. Siegelman/Visuals Unlimited.)
  15. 15. 16 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN A mistura de nutrientes na qual a E. coli divide-se mais rapidamente inclui glicose, sais e vários compostos orgânicos, como aminoácidos, vitaminas e precurso- res de ácidos nucléicos. Entretanto, a E. coli também pode crescer em um meio muito mais simples, contendo somente sais, uma fonte de nitrogênio (como a amô- nia) e uma fonte de carbono e energia (como a glicose). Nesse meio, a bactéria cresce um pouco mais lentamente (com o tempo de divisão de aproximadamente 40 minu- tos), pois ela deve sintetizar todos os seus aminoácidos, nucleotídeos e outros com- postos orgânicos. A habilidade da E. coli de realizar estas reações de biossíntese em um meio definido simples tornou-a extremamente útil para a elucidação das vias bioquímicas envolvidas nestes processos. Assim, o rápido crescimento e as exigências nutritivas simples da E. coli têm facilitado muito os experimentos fundamentais em biologia molecular e bioquímica. Leveduras Embora as bactérias sejam um inestimável modelo para o estudo de muitas proprie- dades conservadas das células, elas, obviamente, não podem ser utilizadas para estu- dar aspectos da estrutura celular e funções que sejam exclusivas dos eucariotos. As leveduras, os eucariotos mais simples, apresentam diversas vantagens experimentais semelhantes às da E. coli. Conseqüentemente, as leveduras têm sido um modelo essencial para estudos de muitos aspectos fundamentais da biologia celular de eucariotos. O genoma da levedura mais freqüentemente estudada, Saccharomyces cere- visiae, consiste em 12 milhões de pares de bases de DNA e contém aproximada- mente 6.000 genes. Apesar do genoma da levedura ser cerca de três vezes maior do que o da E. coli, ele é muito mais manejável do que o genoma dos eucariotos mais complexos, como o dos humanos. Mesmo com sua simplicidade, a célula da levedura apresenta as características típicas das células eucarióticas (Figura 1.15): ela contém o núcleo isolado pela membrana nuclear, seu DNA genômico é organizado em 16 cromossomos lineares e seu citoplasma contém um citoes- queleto e organelas subcelulares. As leveduras podem ser facilmente cultivadas em laboratório e podem ser estu- dadas por muitas das técnicas de genética molecular que são utilizadas com a E. coli. Apesar das leveduras não se replicarem tão rapidamente quanto as bactérias, elas dividem-se freqüentemente, a cada 2 horas, e podem ser facilmente cultivadas em colônias a partir de células isoladas. Conseqüentemente, as leveduras podem ser uti- lizadas para uma variedade de manipulações genéticas semelhantes àquelas que po- dem ser feitas com bactérias. Essas características têm feito da célula de levedura a célula eucarionte mais abordável pelo ponto de vista da biologia molecular. Leveduras mutantes têm sido importantes para o entendimento de muitos processos fundamentais em eucariotos, incluindo a replicação do DNA, a transcrição, o processamento do RNA, a organiza- ção protéica e a regulação da divisão celular, que serão discutidos nos capítulos se- guintes. A unidade da biologia celular e molecular tem ficado mais clara pelo fato de que os princípios gerais da estrutura e função celular, que têm sido revelados pelos estudos das leveduras, aplicam-se a todas as células eucarióticas. Dictyostelium discoideum O Dictyostelium discoideum é um fungo aquático que, como as leveduras, é um eucarionte unicelular relativamente simples. O genoma do Dictyostelium é aproxi- madamente dez vezes maior que o da E. coli – mais complexo que o genoma das leveduras, porém consideravelmente mais simples que o genoma dos eucariotos su- periores. Além disso, o Dictyostelium pode ser facilmente cultivado em laboratório e 2µm é suscetível a uma variedade de manipulações genéticas.Figura 1.15 Micrografia eletrônica de Sob condições de alimentação farta, o Dictyostelium vive como uma amebaSaccharomyces cerevisiae unicelular, alimentando-se de bactérias e leveduras. Ele é uma célula com grande(David Scharf/Peter Arnold, Inc.) mobilidade, e essa propriedade tem feito do Dictyostelium um importante modelo
  16. 16. A CÉLULA / 17para estudos dos mecanismos moleculares responsáveis pelo movimento das célulasanimais (Figura 1.16). Por exemplo, a introdução no Dictyostelium de mutações es-pecíficas tem revelado o papel de vários genes envolvidos na mobilidade celular. Uma característica interessante adicional do Dictyostelium é a habilidade decélulas isoladas agregarem-se em estruturas multicelulares. Se um suplemento ade-quado de alimento não é fornecido, as células associam-se para formar uma estruturavermiforme chamada de lesma, cada uma contendo até 100.000 células que funcio-nam como um indivíduo. Por esse motivo o Dictyostelium parece estar no limiteentre organismos unicelulares e multicelulares, e fornece um importante modelopara estudos de sinalização celular e interação célula-célula.Caenorhabditis elegansOs eucariotos unicelulares Saccharomyces e Dictyostelium são importantes modelospara estudos de células eucarióticas, mas a compreensão do desenvolvimento de or-ganismos multicelulares requer a análise experimental de plantas e animais, organis-mos que são muito mais complexos. O nematóide Caenorhabditis elegans (Figura1.17) possui várias características importantes que o transformam em um dos mode-los mais usados para estudos de desenvolvimento e diferenciação celular dos animais. Embora o genoma do C. elegans (aproximadamente 100 milhões de pares debases) seja maior que o dos eucariotos unicelulares, ele é mais simples e mais mani-pulável que o genoma da maioria dos animais. A seqüência completa já foi determi-nada, revelando que o genoma do C. elegans contém aproximadamente 19.000 genes– quase três vezes o número de genes das leveduras, e a metade do número de genesdos humanos. Biologicamente, o C. elegans é um organismo multicelular relativa-mente simples: os vermes adultos são compostos de somente 959 células somáticas e1.000 a 2.000 células germinativas. Além disso, o C. elegans pode ser facilmentecultivado e submetido a manipulações genéticas em laboratório. A simplicidade do C. elegans tem permitido que o curso do seu desenvolvimen-to seja observado em detalhes por observação microscópica. Essas análises definiram 10 µma origem embrionária e a linhagem de todas as células de um verme adulto. Estudos Figura 1.16 Dictyostelium discoideumgenéticos também têm identificado várias das mutações responsáveis por anormali- Estas fotografias mostram o movimento dedades do desenvolvimento, permitindo o isolamento e a caracterização de genes es- duas amebas durante o tempo de 40 segun-senciais que controlam o desenvolvimento e a diferenciação do nematóide. De gran- dos. (Cortesia de David Knecht, University of Connecticut.)de importância, genes similares também têm sido encontrados em animais comple-xos (incluindo humanos), fazendo do C. elegans um importante modelo para estudosdo desenvolvimento animal.Drosophila melanogasterComo o C. elegans, a mosca-da-fruta Drosophila melanogaster (Figura 1.18) tem sido umorganismo-modelo essencial em biologia do desenvolvimento. O genoma da Drosophilaé de tamanho similar ao do C. elegans, embora o genoma da Drosophila contenha apenas Ovário Intestino Faringe Ovos Vulva Reto Ânus Figura 1.17 Caenorhabditis elegans (De J. E. Sulston e H. R. Horvitz, 1977. 1 mm Dev. Biol. 56:110.)
  17. 17. 18 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN cerca de 14.000 genes. Além disso, a Drosophila pode ser facilmente mantida e reprodu- zida em laboratório, e o seu curto ciclo reprodutivo (aproximadamente 2 semanas) a transformou em um organismo extremamente útil para experimentos genéticos. Muitos conceitos fundamentais da genética – como a relação entre genes e cromossomos – foram derivados de estudos com Drosophila no início do século XX (ver Capítulo 3). Extensas análises genéticas da Drosophila têm revelado muitos genes que con- trolam o desenvolvimento e a diferenciação, e os atuais métodos de biologia molecu- lar têm permitido que as funções desses genes sejam analisadas em detalhes. Conse- qüentemente, os estudos em Drosophila têm levado a surpreendentes avanços na compreensão dos mecanismos moleculares que controlam o desenvolvimento ani- mal, particularmente com respeito à formação do plano do corpo de organismos multicelulares complexos. Como com o C. elegans, existem genes e mecanismos si- milares em vertebrados, validando o uso da Drosophila como um importante modeloFigura 1.18 Drosophila melanogaster experimental na biologia do desenvolvimento contemporânea.(Darwin Dale/Photo Researchers, Inc.) Arabidopsis thaliana O estudo da biologia molecular e do desenvolvimento em plantas é uma área ativa e em expansão de considerável importância econômica, bem como de interesse inte- lectual. Uma vez que os genomas de plantas apresentam uma complexidade compa- rável com a dos genomas dos animais (ver Tabela 1.2), um modelo ideal para estudos com plantas deveria ser um organismo relativamente simples com algumas das carac- terísticas vantajosas do C. elegans e da Drosophila. A pequena planta com flor Arabi- dopsis thaliana (Figura 1.19) atende a esse critério, sendo amplamente usada como um modelo para o estudo da biologia molecular das plantas. A Arabidopsis é notável pelo seu genoma de somente cerca de 120 milhões de pares de bases, que contém aproximadamente 15.000 genes diferentes – uma com- plexidade semelhante à do C. elegans e da Drosophila. Além disso, a Arabidopsis é relativamente fácil de ser cultivada em laboratório, e métodos para manipulações genéticas moleculares dessa planta já foram desenvolvidos. Esses estudos têm permi- tido a identificação dos genes envolvidos em vários aspectos do desenvolvimento em plantas, como o desenvolvimento das flores. A análise desses genes aponta para mui- tas similaridades, mas também diferenças notáveis, entre os mecanismos que contro- lam o desenvolvimento das plantas e dos animais. Vertebrados Os animais mais complexos são os vertebrados, incluindo o homem e outros mamíferos. O genoma humano tem aproximadamente 3 bilhões de pares de bases – cerca de 30 vezes maior que o genoma do C. elegans, da Drosophila e da Arabidopsis – e contém 30-40.000 genes. Além disso, o corpo humano é composto de mais de 200 diferentes tipos de células especializadas. Essa complexidade torna difícil estudar os vertebrados pela perspectiva da biologia celular e molecular, mas muito do interesse das ciências biológicas origina-se do desejo da compreensão do organismo humano. Além disso, o entendimento de muitas questões de importância prática imediata (por exemplo, na medicina) deve ser baseado diretamente em estudos sobre tipos celulares humanos (ou proximamente relacionados). Um importante meio de estudar células humanas e de outros mamíferos é cultivar células isoladas, de forma que possam ser manipuladas em condições laboratoriais contro- ladas. O uso de cultura celular tem permitido o estudo de muitos aspectos da biologia celular de mamíferos, incluindo experimentos que têm elucidado os mecanismos da re- plicação do DNA, da expressão gênica, da síntese e do processamento protéico e da divisão celular. Além disso, a habilidade de cultivar células em meios quimicamente defi- nidos tem permitido o estudo dos mecanismos de sinalização que controlam o cresci- mento e a diferenciação normal dentro do organismo inteiro. As propriedades especializadas de algumas células altamente diferenciadas têmFigura 1.19 Arabidopsis thaliana feito delas modelos importantes para estudos de aspectos específicos da biologia ce-(Jeremy Burgess/Photo Researchers, Inc.) lular. Células musculares, por exemplo, são altamente especializadas para suportar
  18. 18. A CÉLULA / 19contração, produzindo força e movimento. Em virtude dessa especialização, as célu-las musculares são um modelo essencial para o estudo de movimento celular no nívelmolecular. Outro exemplo é fornecido pelas células nervosas (neurônios), que sãoespecializadas para conduzir sinais eletroquímicos a grandes distâncias. Em huma-nos, os axônios das células nervosas podem ter mais de um metro de comprimento,e alguns invertebrados, como a lula, têm neurônios gigantes com axônios com maisde 1 mm de diâmetro em largura. Em razão de suas estruturas e funções altamenteespecializadas, esses neurônios gigantes têm sido um modelo importante para estu-dos sobre o transporte de íons através da membrana plasmática e sobre o papel docitoesqueleto no transporte das organelas citoplasmáticas. O sapo Xenopus laevis é um modelo importante para estudos do desenvolvi-mento inicial dos vertebrados. Os ovos do Xenopus são células extraordinariamentegrandes, com o diâmetro de aproximadamente 1 mm (Figura 1.20). Já que os ovos sedesenvolvem fora do corpo materno, todos os estágios do desenvolvimento a partir doovo até o girino podem ser facilmente estudados no laboratório. Além disso, os ovos deXenopus podem ser obtidos em grande número, facilitando as análises bio-químicas. Por causa dessas vantagens técnicas, o Xenopus tem sido ampla-mente utilizado em estudos da biologia do desenvolvimento e tem propor-cionado descobertas importantes dos mecanismos moleculares que contro-lam o desenvolvimento, a diferenciação e a divisão celular em embriões. O “zebrafish” (paulistinha) (Figura 1.21) possui numerosas vanta-gens para estudos genéticos do desenvolvimento de vertebrados. Essepequeno peixe é facilmente mantido em laboratório e reproduz-se rapi-damente. Além disso, o embrião desenvolve-se fora da mãe e é transpa-rente, fazendo com que os estágios iniciais do desenvolvimento possamser observados facilmente. Métodos poderosos têm sido desenvolvidospara facilitar o isolamento de mutações que afetem o desenvolvimentodo “zebrafish”, e vários milhares dessas mutações têm sido identificados.Por ser um vertebrado de fácil estudo, o “zebrafish” é um promissor pon-to de conexão para a análise das diferenças entre os humanos e os siste-mas invertebrados mais simples, como o C. elegans e a Drosophila. Dentre os mamíferos, o camundongo é o mais adequado para análises 1 mmgenéticas, que serão facilitadas pela conclusão recente da seqüência genômi- Figura 1.20 Ovos do sapo Xenopusca deste organismo. Apesar das dificuldades técnicas em estudar a genética do camundon- laevisgo (comparada, por exemplo, com a genética da levedura ou Drosophila) serem grandes, (Cortesia de Michael Danilchik e Kimberlymuitas mutações que afetam o desenvolvimento do camundongo têm sido identifi- Ray.)(A) Figura 1.21 “Zebrafish” (A) Um embrião com 24 horas. (B) Um peixe adulto. (A, cortesia de Charles Kim- mel, University of Oregon; B, cortesia de S. Kondo.) (B)
  19. 19. 20 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN cadas. Mais importante, avanços recentes na biologia molecular têm permitido a produção de camundongos transgênicos, nos quais genes mutantes específicos são introduzidos nas linhagens germinativas do camundongo, fazendo com que seus efeitos no desenvolvimento ou em outros aspectos da função celular possam ser estu- dados no contexto do animal completo. A adequação do camundongo como modelo para o estudo do desenvolvimento humano é indicada não apenas pelas similarida- des dos genomas humanos e de camundongo, mas também pelo fato de que mutações em genes homólogos resultam em defeitos semelhantes no desenvolvimento de ambas as espécies (Figura 1.22); um defeito de pigmentação fornece excelente exemplo. Ferramentas da Biologia Celular Como em todas as ciências experimentais, a pesquisa em biologia celular depende de técnicas laboratoriais que possam ser usadas para estudar a estrutura e a função celular. Avanços muito importantes na compreensão das células têm sucedido diretamente o desenvolvimento de novas técnicas, que permitiram novos meios de investigação. O exa- me das metodologias experimentais disponíveis para a biologia celular é essencial para a compreensão tanto da situação atual como do direcionamento futuro dessa área de avan- ço rápido da ciência. Algumas das importantes técnicas de uso comum da biologia celular são descritas nas seções seguintes. Outros métodos experimentais, incluindo os métodos bioquímicos e de biologia molecular, serão discutidos em capítulos posteriores. Microscopia Ótica Já que a maioria das células é muito pequena para ser vista a olho nu, o estudo das células depende fortemente do uso de microscópios. Na realidade, a descoberta das células resul- tou do desenvolvimento do microscópio: Robert Hooke inventou o termo “célula” após suas observações de um pedaço de cortiça com um microscópio ótico simples, em 1665 (Figura 1.23). Usando um microscópio que aumentava os objetos cerca de 300 vezes seu tamanho real, Antony van Leeuwenhoek, por volta de 1670, foi capaz de observar uma grande variedade de tipos celulares diferentes, incluindo espermatozóides, glóbulos ver- melhos e bactérias. A proposta da teoria celular por Matthias Schleiden e Theodor Schwann, em 1838, pode ser vista como o nascimento da biologia celular contemporânea. Estudos microscópicos de tecidos de plantas por Schleiden e de tecidos animais por SchwannFigura 1.22 O camundongo comomodelo para o desenvolvimento dohomemUma criança e um camundongo apresen-tam defeitos de pigmentação semelhantescomo resultado de mutações no gene neces-sário para a migração normal dos melanóci-tos (as células responsáveis pela pigmenta-ção da pele) durante o desenvolvimento doembrião. (Cortesia de R. A. Fleischman, Ma-rkey Cancer Center, University of Kentucky.)
  20. 20. A CÉLULA / 21levaram às mesmas conclusões: todos os organismos são compostos por células. Poucotempo após, foi reconhecido que as células não são formadas de novo, mas originam-sesomente por divisão de células preexistentes. Conseqüentemente, em razão das observa-ções feitas com o microscópio ótico, a célula foi reconhecida como a unidade fundamen-tal de todos os organismos vivos. O microscópio ótico permanece como um instrumento básico dos biólogos celula-res, com aperfeiçoamentos técnicos permitindo a crescente visualização de detalhes daestrutura celular. Os microscópios óticos atuais são capazes de ampliar objetos até milvezes. Já que a maioria das células tem entre 1 e 100 µm de diâmetro, elas podem serobservadas por microscopia ótica, como também o podem algumas das organelas subce-lulares maiores, como núcleo, cloroplastos e mitocôndrias. Entretanto, o microscópioótico não é suficientemente poderoso para revelar detalhes finos da estrutura celular, jáque a resolução – a habilidade de um microscópio de distinguir objetos separados pordistâncias pequenas – é mais importante do que a ampliação. Imagens podem ser amplia-das tanto quanto desejado (por exemplo, por projeção em uma tela grande), mas a ampli- Figura 1.23 A estrutura celular da cortiçaação não aumenta o nível dos detalhes que podem ser observados. Uma reprodução do desenho de Robert O limite da resolução do microscópio ótico é de aproximadamente 0,2 µm; Hooke de uma fina lâmina de cortiça obser-dois objetos separados por uma distância menor que essa aparecem como uma única vada em um microscópio ótico. As “células”imagem, em vez de serem distinguidos um do outro. Esse limite teórico da microsco- que Hooke observou eram na verdade so-pia ótica é determinado por dois fatores – o comprimento de onda (λ) da luz visível mente as paredes celulares remanescentes das células que já tinham morrido.e a convergência ótica das lentes microscópicas (abertura numérica, NA) – de acordocom a seguinte equação: 0,61λ Resolução = NAO comprimento de onda da luz visível é de 0,4 a 0,7 µm, de modo que o valor de λé fixado em aproximadamente 0,5 µm para o microscópio ótico. A abertura numéri-ca pode ser considerada como o tamanho do cone de luz que entra nas lentes domicroscópio após passar através da amostra (Figura 1.24). Isto é dado pela equação: NA= η sen αonde η é o índice de refração do meio através do qual a luz passa entre a amostra e alente. O valor de η para o ar é de 1,0, mas pode ser aumentado para um máximo de Lentes da objetiva α Amostra Lentes do condensador Figura 1.24 Abertura numérica A luz é focalizada na amostra pelas lentes do condensador e então coletada pelas lentes Luz da objetiva do microscópio. A abertura nu- mérica é determinada pelo ângulo do cone de luz que entra nas lentes da objetiva (α) e pelo índice de refração do meio (geralmente ar ou óleo) entre as lentes e a amostra.
  21. 21. 22 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN aproximadamente 1,4 pelo uso de uma lente para óleo de imersão, quando a amostra é vista através de uma gota de óleo. O ângulo α corresponde à metade do compri- mento do cone de luz recebido pela lente. O valor máximo de α é 90o, sendo seno α = 1, de modo que o maior valor possível para a abertura numérica é 1,4. Portanto, o limite teórico para a resolução do microscópio ótico pode ser calcu- lado como segue: Resolução = 0,61 x 0,5 = 0,22 µm 1,4 Microscópios capazes de atingir esse nível de resolução já podiam ser feitos no fim do século XIX; portanto, aprimoramentos nesse aspecto da microscopia ótica não devem ser esperados. Vários tipos diferentes de microscopia ótica são rotineiramente usados para o estudo de vários aspectos da estrutura celular. O mais simples é a microscopia de campo claro, no qual a luz passa diretamente através da célula e a capacidade de distinguir diferentes partes da célula depende do contraste resultante da ab- sorção da luz visível pelos componentes celulares. Em muitos casos, células são coradas com corantes que reagem com proteínas e ácidos nucléicos com o obje- tivo de aumentar o contraste entre as diferentes partes da célula. Antes da colo- ração, as amostras em geral são tratadas com fixadores (como álcool, ácido acéti- co ou formaldeído) para estabilizar e preservar suas estruturas. A análise de teci- dos fixados e corados pela microscopia de campo claro é o método-padrão para a análise de amostras de tecidos em laboratórios de histologia (Figura 1.25). En- tretanto, esses procedimentos de coloração matam as células e, portanto, não são adequados para muitos experimentos, nos quais a observação de células vivas é desejável. Sem coloração, a passagem direta da luz não fornece contraste suficiente para distinguir muitas partes da célula, limitando a utilização da microscopia de campo claro. Entretanto, variações do microscópio ótico podem ser usadas para aumentar o contraste entre as ondas de luz que passam através de regiões da célula de densidades diferentes. Dois dos métodos mais comuns para visualiza- ção de células vivas são a microscopia de contraste de fase e a microscopia de contraste de interferência diferencial (Figura 1.26). Ambos os tipos de micros- copia usam sistemas óticos que convertem variações de densidade ou espessuraFigura 1.25 Micrografia de campoclaro de tecido coradoSecção de um tumor benigno de rim. (G.W. Willis/Biological Photo Service.)

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