The cell - Introdução a citologia

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The cell - Introdução a citologia

  1. 1. I INTRODUÇÃO À CÉLULAParte ICapítulos1 Células e Genomas2 Química Celular e Biossíntese3 Proteínas
  2. 2. Células e Genomas 1A superfície do nosso planeta é habitada por coisas vivas – fábricas químicas interessantes Neste capítuloorganizadas de forma complexa que recebem substâncias de sua vizinhança e as utilizamcomo matérias-primas para gerar cópias de si próprias. Os organismos vivos parecem extra- CARACTERÍSTICAS 1ordinariamente diversos. O que poderia ser mais diferente do que um tigre e uma alga mari- UNIVERSAIS DASnha, ou uma bactéria e uma árvore? Já nossos ancestrais, não tendo nenhum conhecimento CÉLULAS NA TERRAa respeito de células ou de DNA, notaram que todas as coisas vivas tinham algo em comum.A isso eles chamaram de “vida” maravilharam-se, empenharam-se para defini-la, e ficaram , A DIVERSIDADE DOS 11intrigados para explicar o que ela era e como funcionava a partir da matéria não-viva. GENOMAS E A As descobertas do século passado não diminuíram o encantamento; pelo contrário, des- ÁRVORE DA VIDAvendaram o mistério envolvendo a natureza da vida. Hoje sabemos que todas as coisas vivassão formadas por células, e que todas essas unidades da matéria viva compartilham de uma INFORMAÇÃO 26mesma maquinaria para a maioria de suas funções básicas. As matérias vivas aparentam ser GENÉTICA EMinfinitamente variadas quanto ao seu exterior, mas são fundamentalmente semelhantes em EUCARIOTOSseu interior. Toda a biologia é um contraponto entre os dois temas: a admirável variedadeem particularidades individuais e a admirável constância nos mecanismos fundamentais.Neste primeiro capítulo, começaremos por destacar as características universais de toda avida em nosso planeta. Iremos, assim, examinar brevemente a diversidade das células. Vere-mos como um código universal comum, em que estão contidas todas as especificações dosorganismos vivos, torna possível ler, medir e decifrar essas especificações para alcançar umentendimento coerente sobre todas as formas de vida, desde as menores até as maiores.CARACTERÍSTICAS UNIVERSAIS DAS CÉLULAS NA TERRAEstima-se que atualmente existam mais de dez milhões – talvez cem milhões – de espéciesque habitam a Terra. Cada uma dessas espécies é diferente, e cada uma é capaz de se re-produzir fielmente. Isso gera uma progênie da mesma espécie: o organismo parental trans-fere as informações específicas, minuciosamente detalhadas, das características que seusdescendentes devem ter. Este fenômeno da hereditariedade é a parte central da definiçãoda vida: ele diferencia a vida de outros processos, como o desenvolvimento de um cristal,a queima de uma vela, ou a formação de ondas na água, nos quais são geradas estruturasordenadas, mas sem o mesmo tipo de ligação peculiar que se observa entre os pais e os seusdescendentes. Assim como a chama da vela, os organismos vivos consomem energia livrepara criar e manter sua organização; mas a energia livre dirige um sistema imensamentecomplexo de processos químicos que são especificados pela informação hereditária. A maioria dos organismos vivos é unicelular; outros organismos, como nós mesmos,são vastas cidades multicelulares, nas quais grupos de células realizam funções especiali-zadas e estão conectados por intrincados sistemas de comunicação. Contudo, tanto em setratando de uma simples bactéria quanto de um agregado de mais de 1013 células, comoo corpo humano, o organismo foi gerado a partir da divisão celular de uma única célula.Consequentemente, uma simples célula é o veículo de informação hereditária que define aespécie (Figura 1-1). Especificada por essa informação, a célula contém a maquinaria paraobter a matéria-prima do ambiente e para elaborar a partir dela novas células à sua própriaimagem, completa com a nova cópia da informação hereditária. Apenas uma célula tem essacapacidade.
  3. 3. 2 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Walter (A) (C) (E) 100 ␮m 50 ␮m 50 ␮m(B) (D) (F) Figura 1-1 A informação hereditária na célula-ovo fertilizada determina a natureza de um organismo multicelular como um todo. (A e B) Uma célula-ovo de ouriço-do-mar dá origem a um ouriço-do-mar. (C e D) Uma célula-ovo de camundongo dá origem a um camundongo. (E e F) Uma célula-ovo da alga ma- rinha Fucus origina uma alga marinha Fucus. (A, cortesia de David McClay; B, cortesia de M. Gibbs, Oxford Scientific Films; C, cortesia de Patricia Calarco, de G. Martin, Science 209:768-776, 1980. Com permissão de AAAS; D, cortesia de O. Newman, Oxford Scientific Films; E e F, cortesia de Colin Brownlee.) Todas as células guardam sua informação hereditária no mesmo código químico linear (DNA) Os computadores nos familiarizaram com o conceito de informação como uma quantidade mensurável – um milhão de bytes (para registrar algumas centenas de páginas ou a imagem de uma câmera digital), 600 milhões para uma música em um CD, e assim por diante. Eles também nos tornaram claramente cientes de que uma mesma informação pode ser armaze- nada sob diferentes formas físicas. Com a evolução do mundo dos computadores, os discos e as fitas de arquivos eletrônicos que usávamos há dez anos para os nossos arquivos eletrô- nicos tornaram-se ilegíveis com as máquinas atuais. As células vivas, assim como os compu- tadores, fornecem informações e estima-se que venham evoluindo e diversificando-se por mais de 3,5 bilhões de anos. Dificilmente imaginaríamos que todas as células armazenassem suas informações da mesma forma, ou que os arquivos de um tipo de célula pudessem ser lidos pelo sistema de processamento de outra célula. Contudo, é assim que acontece. Todas as células vivas da Terra, sem nenhuma exceção conhecida, armazenam suas informações hereditárias na forma de moléculas de DNA de fita dupla – longas cadeias poliméricas pa- readas não-ramificadas, formadas sempre pelos mesmos quatro tipos de monômeros. Esses monômeros possuem apelidos extraídos de um alfabeto de quatro letras – A, T, C e G – e ordenados em uma longa sequência linear, que codifica a informação genética, assim como as sequências numéricas 0 e 1 codificam as informações em um arquivo de computador. Nós podemos pegar um pedaço de DNA de uma célula humana e o inserir em uma bactéria, ou introduzir um pedaço de DNA bacteriano em uma célula humana, e as informações serão lidas, interpretadas e copiadas com sucesso. Usando métodos químicos, os cientistas podem obter a sequência completa dos monômeros em qualquer molécula de DNA – estendendo- se por milhões de nucleotídeos – e, desse modo, decifrar a informação hereditária que cada organismo contém.
  4. 4. Biologia Molecular da Célula 3Todas as células replicam sua informação hereditária porpolimerização a partir de um moldeOs mecanismos que tornam a vida possível dependem da estrutura de fita dupla da molé-cula de DNA. Cada monômero em uma cadeia simples de DNA – ou seja, cada nucleotídeo– consiste de duas partes: um açúcar (desoxirribose), com um grupo fosfato ligado a ele, euma base, que pode ser tanto adenina (A), guanina (G), citosina (C) ou timina (T) (Figura1-2). Cada açúcar está ligado ao próximo por meio do grupo fosfato, criando uma cadeiade polímero composta de um esqueleto repetitivo de açúcar e fosfato, com séries de basesprojetando-se dela. O polímero de DNA se estende pela adição de monômeros em uma dasextremidades. Para uma fita simples isolada, essas bases podem ser, em princípio, adiciona-das em qualquer ordem, pois se ligam à próxima da mesma maneira, por meio de uma partecomum da molécula, que é a mesma para todas elas. Na célula viva, entretanto, o DNA nãoé sintetizado isoladamente como uma fita livre, mas a partir de um molde formado por umafita de DNA preexistente. As bases que se projetam da fita existente ligam-se com as basesda fita que está sendo sintetizada de acordo com uma regra rigorosa, definida pela estrutu-ra complementar das bases: A liga-se com T, e C liga-se com G. Esse pareamento de basesmantém os novos monômeros no lugar e, desse modo, controla a seleção de qual dos quatromonômeros deverá ser o próximo adicionado à fita crescente. Dessa forma, uma estruturade fita dupla é criada, composta de duas sequências exatamente complementares de As, Cs,Ts e Gs. Essas duas fitas torcidas entre si formam uma dupla-hélice (Figura 1-2E). (A) Bloco de construção de DNA (D) DNA de fita dupla Fosfato Açúcar + G C T C T G A G G A A G Açúcar- Base -fosfato Nucleotídeo T G A C C G T T A C (B) Fita de DNA Esqueleto de Pares de bases ligados G A A G G A açúcar-fosfato por ligações de hidrogênio T C T C (E) Dupla-hélice de DNA (C) Polimerização de uma nova fita a partir de um molde Monômeros de nucleotídeos C C A T A C A G A T G G G C G T G C A T T G C A C A G T A A C G G T C A CFigura 1-2 O DNA e os seus blocos de construção. (A) O DNA é formado a partir de subunidades simples, chamadas de nucleotídeos, cada umaconstituída por uma molécula de açúcar-fosfato, com uma cadeia lateral nitrogenada, ou uma base ligada a ela. As bases são de quatro tipos (ade-nina, guanina, citosina e timina), correspondendo a quatro nucleotídeos distintos nomeados A, G, C e T. (B) Uma cadeia simples de DNA consiste denucleotídeos conectados por ligações de açúcar-fosfato. Note que as unidades de açúcar-fosfato são assimétricas, dando ao esqueleto da cadeia umaclara orientação ou polaridade. Esta orientação guia os processos moleculares pelos quais a informação no DNA é interpretada e copiada nas células:a informação é sempre “lida” em uma ordem consistente, exatamente como um texto em português é lido da esquerda para a direita. (C) Pelo padrãode polimerização a partir de um molde, a sequência de nucleotídeos existente em uma fita de DNA controla a sequência na qual os nucleotídeos sãoadicionados em uma nova fita de DNA; a base T de uma fita emparelha-se com a base A da outra fita, e a base G emparelha-se com a base C. A novafita tem uma sequência de nucleotídeos complementar à sequência velha e um esqueleto com direcionalidade oposta: o correspondente a GTAA... dafita original é ...TTAC. (D) Uma molécula típica de DNA consiste em duas destas fitas complementares. Os nucleotídeos dentro de cada fita são unidospor ligações químicas fortes (covalentes); os nucleotídeos complementares de fitas opostas são mantidos juntos mais fracamente, por meio de liga-ções de hidrogênio. (E) As duas fitas sofrem torção, em torno uma da outra, formando uma dupla-hélice – uma estrutura robusta que pode acomodarqualquer sequência de nucleotídeos sem alterar sua estrutura básica.
  5. 5. 4 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & WalterFigura 1-3 O processo de cópia da Fita-moldeinformação genética pela replicaçãodo DNA. Neste processo, as duas fitasde uma dupla-hélice de DNA são se-paradas, e cada uma serve como ummolde para a síntese de uma nova fita Fita novacomplementar. Fita nova Dupla-hélice de DNA parental Fita-molde As ligações entre os pares de bases são fracas quando comparadas às ligações açúcar- fosfato, permitindo que as duas fitas de DNA sejam separadas sem que ocorram danos aos seus esqueletos. Sendo assim, cada fita pode servir de molde, da maneira descrita a pouco, para a síntese de uma nova fita de DNA complementar a si própria – isto é, uma nova cópia da informação hereditária (Figura 1-3). Em diferentes tipos de células, este processo de re- plicação de DNA ocorre em diferentes velocidades, com diferentes controles para iniciá-lo ou interrompê-lo, e diferentes moléculas auxiliares que ajudam durante o processo. Contu- do, os princípios básicos são universais: o DNA é o depósito das informações, e a polimeriza- ção a partir de um molde é a maneira pela qual estas informações são copiadas. Todas as células transcrevem partes da informação hereditária em uma mesma forma intermediária (RNA) Para cumprir a função de armazenamento de informação, o DNA deve ser capaz de fazer mais do que cópias de si mesmo. Ele também deve expressar sua informação, permitindo que esta guie a síntese de outras moléculas na célula. O mesmo mecanismo ocorre em to- dos os organismos vivos, levando primeiro, e acima de tudo, à produção de duas outras classes-chave de polímeros: RNAs e proteínas. O processo (discutido em detalhe nos Capí- tulos 6 e 7) começa com uma polimerização a partir de um molde chamada de transcrição, na qual segmentos da sequência de DNA são usados como moldes para guiar a síntese de moléculas menores intimamente relacionadas – polímeros de ácido ribonucleico, ou RNA. Em seguida, em um processo mais complexo de tradução, muitas dessas moléculas de RNA direcionam a síntese de polímeros pertencentes a uma classe química radicalmente dife- rente – as proteínas (Figura 1-4). Síntese de RNA No RNA, o esqueleto é formado por um açúcar ligeiramente diferente daquele do DNA (replicação) – ribose em vez de desoxirribose –, e uma das quatro bases também é um pouco diferente DNA – uracila (U) no lugar de timina (T); mas as três outras bases – A, C e G – são as mesmas, e todos os quatro pares de bases se pareiam com suas contrapartes complementares no DNA – A, U, C e G do RNA com T, A, G e C do DNA, respectivamente. Durante a transcrição, os monômeros de RNA são alinhados e selecionados para a polimerização a partir de uma fita- Síntese de RNA (transcrição) molde de DNA da mesma forma que os monômeros de DNA são selecionados durante a replicação. Como consequência, tem-se uma molécula de polímero cuja sequência de nu- RNA cleotídeos representa fielmente uma parte da informação genética da célula, embora escrita em um alfabeto ligeiramente diferente, consistindo de monômeros de RNA ao invés de mo- Síntese de proteína nômeros de DNA. (tradução) O mesmo segmento de DNA pode ser usado repetidamente para guiar a síntese de mui- PROTEÍNA tos transcritos de RNA idênticos. Assim, enquanto o arquivo de informação genética da cé- lula na forma de DNA é fixo e inviolável, os transcritos de RNA são produzidos em massa e Aminoácidos descartáveis (Figura 1-5). Como poderemos ver, estes transcritos funcionam como inter- mediários na transferência da informação genética: eles atuam principalmente como RNAFigura 1-4 Do DNA à proteína. A infor- mensageiro (mRNA) para guiar a síntese de proteínas, de acordo com as instruções genéti-mação genética é lida e processada em cas armazenadas no DNA.duas etapas. Primeiro, na transcrição, os As moléculas de RNA possuem estruturas distintas que também podem conferir-lhessegmentos de uma sequência de DNA outras características químicas especializadas. Sendo de fita simples, os seus esqueletos sãosão usados para guiar a síntese de mo-léculas de RNA. Depois, na tradução, as flexíveis, podendo dobrar sobre si mesmos para permitir que uma parte da molécula formemoléculas de RNA são usadas para guiar ligações fracas com outra parte dessa mesma molécula. Isso acontece quando os seguimen-a síntese de moléculas de proteínas. tos da sequência são localmente complementares: um segmento ...GGGG..., por exemplo,
  6. 6. Biologia Molecular da Célula 5 MOLÉCULAS DE RNA COMO PORTADORAS Figura 1-5 Como a informação gené- DE INFORMAÇÃO DESCARTÁVEL tica é transmitida para uso no interior DNA DE FITA DUPLA COMO da célula. Cada célula contém um con- ARQUIVO DE INFORMAÇÃO junto fixo de moléculas de DNA – seu TRANSCRIÇÃO arquivo de informação genética. Um determinado segmento desse DNA guia a síntese de vários transcritos de RNA Fita utilizada como molde para idênticos, que servem como cópias de orientar a síntese de RNA trabalho da informação armazenada no Muitos transcritos arquivo. Diferentes grupos de moléculas idênticos de RNA de RNA podem ser produzidos transcre- vendo-se partes selecionadas de uma longa sequência de DNA, permitindo que cada célula possa usar seu estoquetenderá a se associar com um segmento ...CCCC... Esses tipos de associações internas po- de informação de maneira diferente.dem fazer com que uma cadeia de RNA se dobre em uma forma específica imposta por suasequência (Figura 1-6). A forma da molécula de RNA, por sua vez, pode habilitá-la a reco-nhecer outras moléculas, ligando-se a elas seletivamente – e ainda, em alguns casos, catali-sar mudanças químicas nas moléculas às quais estão ligadas. Como veremos no Capítulo 6,algumas reações químicas catalisadas por moléculas de RNA são cruciais para muitos dosmais antigos e fundamentais processos nas células vivas, e tem-se sugerido que as catálisesmais extensivas realizadas pelo RNA desempenharam um papel central no início da evolu-ção da vida.Todas as células usam proteínas como catalisadoresAs moléculas de proteína, como as moléculas de DNA e de RNA, são cadeias poliméricaslongas não-ramificadas, formadas por sequências de blocos construtores monoméricos reti-rados de um repertório-padrão semelhante em todas as células vivas. Assim como o DNA e oRNA, elas carregam informações em uma forma de sequência linear de símbolos, da mesmamaneira que uma mensagem humana é escrita em um código alfabético. Existem diferentesmoléculas de proteína em cada célula, e – descontando a água – elas constituem a maiorparte da massa de uma célula. Os monômeros de uma proteína, os aminoácidos, são completamente distintos dos deRNA e DNA, e são de 20 tipos diferentes, em vez de quatro. Cada aminoácido é constituídoda mesma estrutura básica, por meio da qual pode se ligar de modo-padrão a qualquer ou-tro do grupo de aminoácidos; ligada a essa estrutura básica, existe uma cadeia lateral queatribui a cada aminoácido uma característica química distinta. Cada uma das moléculas deproteína, ou polipeptídeos, formada pela união de aminoácidos em uma sequência particu-lar, dobra-se para adquirir uma forma tridimensional precisa, com sítios reativos em sua su- G C A C U G U G A C G C U G A U Figura 1-6 A conformação de uma mo- C lécula de RNA. (A) O pareamento de A U A nucleotídeos entre diferentes regiões da mesma cadeia polimérica de RNA faz com que a molécula adquira uma A U U configuração distinta. (B) A estrutura tri- G C A A C G U C dimensional de uma molécula de RNA, U G G U A C U do vírus da hepatite Delta, que catalisa A A A A A U U a clivagem da fita de RNA. A faixa em A U azul representa o esqueleto de açúcar- C U CC U AAA fosfato; as barras representam os pares de bases. (B, com base em A.R. Ferré U GGG A UU DAmaré, K. Zhou e J.A. Doudna, Nature 395:567-574, 1998. Com permissão de (A) (B) Macmillan Publishers Ltd.)
  7. 7. 6 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Walter Cadeia de polissacarídeos + + Sítio catalítico Molécula de lisozima (B) Figura 1-7 Como uma molécula de proteína atua como um catalisador de uma reação química. (A) A cadeia polimérica de uma proteína dobra-se em uma forma específica definida por sua sequência de ami- noácidos. Um sulco na superfície da enzima lisozima, uma molécula especificamente dobrada, forma um sítio catalítico. (B) Uma molécula de polissacarídeo (vermelho) – uma cadeia polimérica de monômeros de açúcar – se liga ao sítio catalítico da lisozima e é fragmentada, como resultado do rompimento da ligação (A) Lisozima covalente catalisada pelos aminoácidos alinhados na concavidade. perfície (Figura 1-7A). Esses polímeros de aminoácidos ligam-se com alta especificidade a outras moléculas e atuam como enzimas, catalisando reações nas quais ligações covalentes são formadas ou quebradas. Dessa maneira, dirigem a maioria dos processos químicos nas células (Figura 1-7B). As proteínas possuem muitas outras funções – manutenção de estru- turas, geração de movimentos, percepção de sinais, e assim por diante –, cada molécula de proteína desempenhando uma função específica de acordo com sua própria sequência de aminoácidos especificada geneticamente. As proteínas, acima de tudo, são as responsáveis por colocar em ação a informação genética da célula. Assim, os polinucleotídeos especificam a sequência de aminoácidos das proteínas. Es- tas, por sua vez, catalisam muitas reações químicas, incluindo aquelas pelas quais novas moléculas de DNA são sintetizadas, e a informação genética contida no DNA é utilizada para produzir tanto RNA quanto proteínas. Esse ciclo de retroalimentação é a base do comporta- mento autocatalítico da própria reprodução dos organismos vivos (Figura 1-8). Todas as células traduzem o RNA em proteínas da mesma maneira A tradução da informação genética, a partir do alfabeto de quatro letras dos polinucleotídeos nas 20 letras do alfabeto das proteínas, é um processo complexo. As regras dessa tradução, em alguns aspectos, parecem ser claras e racionais, mas em outros, parecem estranhamente arbitrárias, sendo idênticas (com poucas exceções) em todos os organismos vivos. Acredita- se que essas características arbitrárias são o reflexo de acidentes que ocorreram no início da história da vida – propriedades aleatórias dos primeiros organismos que passaram por her- dabilidade, tornando-se tão profundamente enraizadas na constituição de todas as células vivas que não podem ser mudadas sem acarretar efeitos desastrosos. A informação contida em uma sequência de um mRNA é lida em grupos de três nucleo- tídeos por vez: cada trinca de nucleotídeo, ou códon, especifica (codifica para) um único aminoácido na proteína correspondente. Uma vez que existem 64 (= 4 × 4 × 4) códons possí- veis, todos ocorrendo na natureza – mas apenas 20 aminoácidos –, existem necessariamente muitos casos onde vários códons correspondem a um mesmo aminoácido. O código é lido por uma classe especial de moléculas pequenas de RNA, os RNAs transportadores (tRNAs). Cada tipo de tRNA liga-se a uma extremidade de um aminoácido específico, apresentando em sua outra extremidade uma sequência específica de três nucleotídeos – um anticódon – que o habilita a reconhecer, pelo pareamento de bases, um códon ou um grupo de códons no mRNA (Figura 1-9). Para a síntese proteica, uma sucessão de moléculas de tRNA carregadas com os seus aminoácidos apropriados deve unir-se a uma molécula de mRNA e, através do pareamento, os anticódons dos tRNAs emparelham-se com cada um de seus códons sucessivos. Os ami- noácidos devem, então, ser ligados uns aos outros para alongar a cadeia de proteína cres- cente, e os tRNAs, atenuados de suas cargas, devem ser liberados. Todo este conjunto de processos é realizado por uma gigantesca máquina multimolecular, o ribossomo, formado por duas cadeias principais de RNA, chamadas de RNAs ribossomais (rRNAs), junto a mais
  8. 8. Biologia Molecular da Célula 7 Aminoácidos Nucleotídeos Figura 1-8 A vida como um processo autocatalítico. Os polinucleotídeos (polímeros de nucleotídeos) e as pro- teínas (polímeros de aminoácidos) fornecem a informação da sequência e as funções catalíticas que servem – por meio de um conjunto complexo de rea- ções químicas – para efetuar a síntese Função Informação catalítica da sequência de mais polinucleotídeos e proteínas do mesmo tipo. Proteínas Polinucleotídeosde 50 proteínas diferentes. Essa molécula evolutivamente antiga agarra-se à porção termi-nal de uma molécula de mRNA e se desloca ao longo dela, capturando moléculas de tRNAcarregadas para formar uma nova cadeia de proteína pela ligação dos aminoácidos que elastransportam (Figura 1-10).O fragmento da informação genética que correspondea uma proteína é um geneComo regra, as moléculas de DNA são muito grandes, contendo as especificações para mi- Figura 1-9 O RNA transportador. (A)lhares de proteínas. Os segmentos individuais da sequência inteira de DNA são transcritos Uma molécula de tRNA específica paraem moléculas de mRNA separadas, com cada segmento codificando uma proteína dife- o aminoácido triptofano. Uma extre-rente. Cada um desses segmentos de DNA representa um gene. Existe uma complexidade midade da molécula de tRNA possuina qual moléculas de RNA transcritas a partir de um mesmo segmento de DNA podem ser triptofano ligado a ela, enquanto aprocessadas em mais de uma forma, originando assim um grupo de versões alternativas outra extremidade apresenta a sequên- cia nucleotídica da trinca CCA (o seude uma proteína, especialmente em células mais complexas como as de plantas e animais. anticódon), que reconhece o códon doPortanto, um gene é, na maioria das vezes, definido como um segmento de DNA corres- triptofano em moléculas de mRNAs. (B)pondente a uma única proteína, ou como um grupo de variantes proteicas (ou como uma A estrutura tridimensional da moléculaúnica molécula de RNA catalítica ou estrutural para aqueles genes que produzem RNA, do tRNA triptofano. Note que o códon emas não proteínas). o anticódon em (A) estão na orientação Em todas as células, a expressão de genes individuais é regulada: em vez de manufatu- antiparalela, como as duas fitas em um DNA de dupla-hélice (ver Figura 1-2), derar todo seu repertório de possíveis proteínas com toda intensidade, o tempo todo, a célula tal maneira que a sequência do anticó-ajusta a velocidade de transcrição e de tradução de diferentes genes independentemente, de don no tRNA é lida da direita para a es-acordo com a necessidade. Os segmentos de DNA regulador são interespaçados entre os seg- querda, enquanto a do códon no mRNA é lida da esquerda para a direita. Aminoácido (triptofano)Moléculaespecíficade tRNA O tRNA se liga ao códon no mRNA A C C Anticódon A C C Pareamento de bases U G G Códon no mRNA Anticódon RESULTADO FINAL: O AMINOÁCIDO (A) É SELECIONADO PELO SEU CÓDON (B)
  9. 9. 8 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Walter Cadeia polipeptídica em crescimento Figura 1-10 Um ribossomo em funcionamento. (A) O diagrama mostraPASSO 1 A entrada do como um ribossomo se move ao longo de uma molécula de mRNA, cap- tRNA carregado com um turando moléculas de tRNA, que combinam com os códons de mRNA e 2 1 3 4 aminoácido utilizando-as para unir aminoácidos à cadeia proteica. O mRNA especifica a sequência de aminoácidos. (B) A estrutura tridimensional de um ribossomo bacteriano (verde-claro e azul), movendo-se ao longo da molécula de mRNA P A 2 3 4 (esferas laranja), com três moléculas de tRNA (amarelo, verde e rosa) em dife- mRNA rentes estágios em seus processos de captura e de liberação. O ribossomo é um conjunto gigantesco de mais de 50 proteínas individuais e moléculas de RNA. (B, cortesia de Joachim Frank, Yanhong Li e Rajendra Agarwal.)PASSO 2 Duas subunidades 3 do ribossomo 2 1 4 mentos que codificam as proteínas, e essas regiões não-codificadoras ligam-se a moléculas 2 P A especiais de proteínas que controlam a velocidade local de transcrição (Figura 1-11). Outros 3 4 DNAs não-codificadores também estão presentes, alguns deles servindo, por exemplo, como uma pontuação, definindo onde começa e termina a informação para uma determinada proteína. A quantidade e a organização dos DNAs reguladores e outros não-codificadoresPASSO 3 variam muito de uma classe de organismos para a outra, mas a estratégia básica é universal. 2 3 Dessa maneira, o genoma de uma célula – isto é, todas as informações genéticas contidas 1 4 em sua sequência completa de DNA – comanda não somente a natureza das proteínas da 2 célula, mas também quando e onde elas serão sintetizadas. 3 4 A vida demanda energia livre Uma célula viva é um sistema químico dinâmico operando distante do seu equilíbrio quími-PASSO 4 co. Para uma célula crescer ou fazer uma nova célula a sua própria imagem, ela deve adquirir 2 3 energia livre do seu ambiente, assim como da matéria-prima, para realizar as reações sintéti- 1 4 cas necessárias. Esse consumo de energia livre é fundamental para a vida. Quando isso para, a célula sofre um declínio no equilíbrio químico e em seguida morre. A informação genética também é fundamental à vida. Existiria alguma conexão? A res- 3 4 posta é sim: a energia livre é necessária para a propagação da informação. Por exemplo, para especificar um bit de informação – isto é, uma escolha de sim ou não entre duas alternativas igualmente prováveis – gasta-se uma quantidade definida de energia livre que pode ser cal- Novo tRNAPASSO 1 trazendo o culada. A relação quantitativa envolve um entendimento árduo e depende de uma definição 2 3 próximo precisa do termo “energia livre” discutido no Capítulo 2. Entretanto, a ideia básica não é , 1 aminoácido 4 5 difícil de se entender intuitivamente. Imagine as moléculas de uma célula como um aglomerado de objetos dotados de ener- 3 4 5 gia termal, movendo-se ao redor violentamente ao acaso, colidindo umas com as outras. Para especificar a informação genética – na forma de sequência de DNA, por exemplo – as moléculas desse aglomerado em desordem devem ser capturadas, dispostas em uma ordem definida por um molde preexistente, e unir-se de maneira estável. As ligações que(A) mantêm as moléculas em seu devido lugar no molde e as unem, devem ser fortes o sufi- ciente para resistir ao efeito de desordem da termodinâmica. O processo é conduzido pelo consumo de energia livre, que é necessário para assegurar que as ligações sejam feitas de maneira correta e eficiente. No caso mais simples, as moléculas podem ser comparadas a uma armadilha de molas carregada, pronta para adotar uma conformação mais estável de menor energia quando encontra os seus parceiros apropriados; quando as moléculas adotam esta conformação ligada, a sua energia disponível – energia livre –, assim como a energia armazenada nas molas da armadilha, é liberada e dissipada como calor. Em uma célula, os processos químicos que correspondem à transferência de informação são mais complexos, mas o mesmo princípio básico é aplicado: a energia livre deve ser utilizada na criação de ordem. Para que a célula replique a sua informação genética de maneira fiel, e realmente faça todas as suas moléculas complexas de acordo com as especificações corretas, ela necessita de energia livre, a qual deve ser importada de seus arredores de alguma maneira.(B) Todas as células funcionam como fábricas bioquímicas que utilizam os mesmos blocos moleculares básicos de construção Devido ao fato de todas as células fabricarem DNA, RNA e proteínas, e por essas macromo- léculas serem compostas por um mesmo grupo de subunidades básicas em todos os casos,
  10. 10. Biologia Molecular da Célula 9todas as células devem conter e manipular uma coleção semelhante de pequenas molécu-las, incluindo açúcares simples, nucleotídeos e aminoácidos, assim como outras substânciasque são universalmente necessárias para as suas sínteses. Todas as células, por exemplo,necessitam do nucleotídeo fosforilado ATP (adenosine triphosphate, trifosfato de adenosi-na) como bloco de construção para a síntese de DNA e de RNA; todas as células produzem econsomem essa molécula como carreadora de energia livre e de grupos fosfato para mediarmuitas outras reações químicas. Embora todas as células funcionem como fábricas bioquímicas amplamente seme-lhantes, muitos dos detalhes de suas transações de pequenas moléculas são diferentes,e não é tão fácil para as moléculas informacionais apontarem as características que sãoestritamente universais. Alguns organismos, como as plantas, necessitam somente denutrientes mais simples e aproveitam a energia do sol para fazerem quase todas as suaspequenas moléculas orgânicas; outros organismos, como os animais, alimentam-se decoisas vivas e obtêm muitas das suas moléculas orgânicas já prontas. Retomaremos esseponto mais adiante.Todas as células são envoltas por uma membrana plasmáticaatravés da qual devem passar nutrientes e materiais descartáveisExiste, entretanto, pelo menos mais uma característica da célula que é universal: cada uma édelimitada por uma membrana – a membrana plasmática. Esse compartimento atua comouma barreira seletiva que possibilita que a célula concentre nutrientes adquiridos do seumeio e retenha os produtos de síntese para uso próprio, enquanto excreta os resíduos. Sem amembrana plasmática, a célula não poderia manter sua integridade como um sistema quí-mico coordenado. As moléculas que formam essa membrana possuem a propriedade físico-químicasimples de serem anfifílicas – isto é, consistem de uma parte hidrofóbica (insolúvel emágua) e outra hidrofílica (solúvel em água). Quando colocadas na água, essas moléculasse agregam espontaneamente, arranjando as suas porções hidrofóbicas de tal maneiraque fiquem em contato umas com as outras para escondê-las da água, enquanto mantêma porção hidrofílica exposta ao meio aquoso. As moléculas anfifílicas que possuem umaforma apropriada, como as moléculas de fosfolipídeos que compõem a maior parte damembrana plasmática, agregam-se espontaneamente em presença de água, para formaruma bicamada que cria pequenas vesículas fechadas (Figura 1-12). O fenômeno pode serdemonstrado simplesmente misturando-se fosfolipídeos e água; sob condições apropria- Local dedas, ocorre a formação de pequenas vesículas, cujos componentes aquosos são isolados ligação proteicado meio externo. mostrado pela Segmentos de DNA micrografia abaixo não-codificadores Embora os detalhes químicos variem, as caudas hidrofóbicas predominantes nas mo-léculas de membrana são formadas por polímeros de hidrocarbonetos (–CH2–CH2–CH2–), e LacI LacZ LacY LacAsua montagem espontânea em vesículas formadas por bicamadas é mais um exemplo de um 2.000 paresimportante princípio geral: as células produzem moléculas cujas propriedades químicas as (A) de nucleotídeostornam capazes de se automontar nas estruturas que são necessárias à célula. As bordas da célula não podem ser totalmente impermeáveis. Se uma célula temde crescer e se reproduzir, ela deve ser capaz de importar matéria-prima e exportarresíduo através de sua membrana plasmática. Por essa razão, todas as células possuemproteínas especializadas inseridas em sua membrana, que servem para transportarmoléculas específicas de um lado a outro (Figura 1-13). Algumas dessas proteínastransportadoras de membrana, assim como algumas das proteínas que catalisam asreações fundamentais de pequenas moléculas no interior da célula, foram muito bem (B) Figura 1-11 Regulação gênica pela ligação proteica ao DNA regulador. (A) Um diagrama de uma pequena porção do genoma da bactéria Escherichia coli contendo os genes codificadores (chamados de LacI, LacZ, LacY e LacA) para quatro proteínas diferentes. Os segmentos de DNA codificadores de proteína (vermelho) têm segmentos regulador e outros segmentos de DNA não-codificadores (amarelo) entre eles. (B) Uma micrografia eletrônica dessa região do DNA, com uma molécula de proteína (codificada pelo gene LacI) li- Proteína ligada Segmento do gada ao segmento regulador; esta proteína controla a velocidade de transcri- a um segmento DNA codificador ção dos genes LacZ, LacY e LacA. (C) Um esquema das estruturas mostradas regulador do DNA para proteína em (B). (B, cortesia de Jack Griffith.) (C)
  11. 11. 10 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Walter Monocamada conservadas durante o curso da evolução, de modo que é possível observar uma se- fosfolipídica melhança familiar entre elas, mesmo quando grupos de organismos com uma relação mais distante são comparados. ÓLEO As proteínas transportadoras na membrana determinam amplamente quais moléculas entram ou saem da célula, e as proteínas catalíticas dentro da célula determinam as reações que essas moléculas sofrerão. Dessa maneira, especificando as proteínas que a célula irá produzir, a informação genética gravada na sequência do DNA conduzirá todo o conjunto químico da célula; e não apenas a sua química, mas também sua forma e comportamento, pois estes dois também são sintetizados e controlados pelas proteínas celulares. Bicamada fosfolipídica Uma célula viva pode existir com menos de 500 genes Os princípios básicos da transmissão da informação genética são bastante simples, mas quão complexas realmente são as células vivas? Em particular, quais são os requisitos mínimos? Podemos ter uma pequena ideia se considerarmos a espécie que tem um dos menores ge- ÁGUA nomas conhecidos – a bactéria Mycoplasma genitalium (Figura 1-14). Este organismo vive como um parasita em mamíferos, dos quais adquire muitas de suas pequenas moléculas prontas para o uso. Todavia, ele ainda necessita sintetizar todas as moléculas grandes – DNA,Figura 1-12 Formação de uma mem-brana por moléculas fosfolipídicas RNA e proteínas – necessárias para os processos básicos da hereditariedade. Esse organismoanfifílicas. Essas moléculas possuem possui apenas 480 genes em seu genoma composto de 580.070 pares de nucleotídeos, queuma cabeça hidrofílica (afinidade por representam 145.018 bytes de informação – praticamente o necessário para gravar o texto deágua, fosfato) e uma cauda hidrofóbica um capítulo deste livro. A biologia celular pode ser complicada, mas não impossível.(evitam água, hidrocarboneto). Na inter- É provável que o número mínimo de genes necessários para a viabilidade de uma cé-face entre o óleo e a água, as moléculas lula no ambiente atual não seja menor que 200 a 300, embora existam cerca de 60 genesse arranjam como uma camada simples no conjunto essencial compartilhado por todas as espécies vivas sem qualquer exceçãocom seus grupos hidrofílicos voltadospara a água e os hidrofóbicos para o conhecida.óleo. Quando imersas em água, elas seagregam em forma de bicamadas, con-tendo compartimentos aquosos. H+ Membrana plasmática MEIO EXTERNO MEIO INTERNO Açúcares Amino- Íons Outros (13) ácidos, (16) (3) peptídeos, aminas(14) (A) (B) Figura 1-13 Proteínas transportadoras de membrana. (A) Estrutura da molécula de bacteriorrodopsina, da arquebactéria Halobacterium halobium. Esta proteína transportadora usa a energia absorvida da luz para bombear prótons (íons H+) para fora da célula. A cadeia polipeptídica atravessa a membrana; em muitas regiões, adquire uma conformação helicoidal; os seg- mentos helicoidais estão arranjados de maneira a formar as paredes de um canal por onde os íons são transportados. (B) Diagrama do conjunto das pro- teínas transportadoras encontradas na membrana da bactéria Thermotoga maritima. Os números entre parênteses referem-se ao número de diferentes proteínas transportadoras de cada tipo. A maioria das proteínas em cada classe está evolutivamente relacionada entre si e às suas contrapartes em outras espécies.
  12. 12. Biologia Molecular da Célula 11 Figura 1-14 Mycoplasma genitalium. (A) Micrografia eletrônica de varre- dura mostrando a forma irregular desta pequena bactéria, refletindo a falta de alguma parede rígida. (B) Secção transversal (micrografia eletrônica de transmissão) de uma célula de Mycoplasma. Dos 477 genes de Mycoplasma genitalium, 37 codificam tRNAs, rRNAs e outros RNAs não-mensageiros. Al- gumas funções são conhecidas, ou podem ser supostas, para 297 dos genes que codificam proteínas: desses, 153 estão envolvidos na replicação, na transcrição, na tradução e em processos relacionados envolvendo DNA, RNA e proteínas; 29 nas estruturas de membrana e superfície celular; 33 no trans- porte de nutrientes e outras moléculas através da membrana; 71 na conver- são de energia e na síntese e na degradação de pequenas moléculas; e 11 na regulação da divisão celular e outros processos. (A, de S. Razin et al., Infect. (A) Immun. 30:538-546, 1980. Com permissão da American Society for Microbio- 5 ␮m logy; B, cortesia de Roger Cole, in Medical Microbiology, 4a ed., [S. Baron ed.]. Galveston: Univesity of Texas Medical Branch, 1996.)ResumoOs organismos vivos se reproduzem pela transmissão de sua informação genética a sua progênie.A célula individual é a unidade mínima de autorreprodução, sendo o veículo para a transmissãoda informação genética em todas as espécies vivas. Todas as células em nosso planeta estocam suainformação genética em uma mesma forma química – como DNA de fita dupla. As células replicamsua informação separando as fitas de DNA pareadas, e usam cada uma delas como molde parapolimerização de uma fita nova de DNA com uma sequência de nucleotídeos complementares. A (B) 0,2 ␮mmesma estratégia de polimerização a partir de um molde é usada para transcrever parte das infor-mações do DNA em moléculas de um polímero muito semelhante, o RNA. Estas, por sua vez, guiama síntese de moléculas proteicas por meio da mais complexa maquinaria de tradução, envolvendouma grande máquina de múltiplas moléculas, o ribossomo, o qual é composto de RNA e proteínas.As proteínas são as principais catalisadoras para quase todas as reações químicas na célula; as suasoutras funções incluem a importação e exportação seletiva de pequenas moléculas através da mem-brana plasmática que forma o envoltório celular. A função específica de cada proteína depende desua sequência de aminoácidos, que é especificada pela sequência de nucleotídeos do segmento deDNA correspondente – o gene que codifica para aquela proteína. Dessa forma, o genoma da céluladetermina sua química, e a química de toda célula viva é essencialmente similar, devendo prover asíntese de DNA, RNA e proteína. A célula mais simples conhecida possui menos de 500 genes.A DIVERSIDADE DOS GENOMAS E A ÁRVORE DA VIDAO sucesso dos organismos vivos com base em DNA, RNA e nas proteínas, além da infinidadede outras formas químicas que se possa imaginar, tem sido espetacular. Esses organismostêm povoado os oceanos, coberto toda a Terra, infiltrando-se na crosta terrestre e moldado asuperfície de nosso planeta. A nossa atmosfera rica em oxigênio, os depósitos de carvão e depetróleo, as camadas de minério de ferro, os depósitos de calcário e de mármore – tudo issosão produtos, direta ou indiretamente, de atividades biológicas passadas da Terra. Os organismos vivos não estão confinados ao familiar reino temperado das terras, daságuas e da luz solar habitado por plantas e por animais herbívoros. Eles podem ser en-contrados nas mais escuras e profundas águas dos oceanos, nas lamas vulcânicas, em pe-quenas lagoas abaixo da superfície congelada da Antártica e enterrados a quilômetros deprofundidade na crosta terrestre. As criaturas que vivem nesses ambientes extremos nãosão familiares, não somente por serem inacessíveis, mas também por serem geralmentemicroscópicas. Nos habitats mais domésticos, a maioria dos organismos também é muitopequena para ser vista sem o auxílio de equipamento especial: eles geralmente passamdespercebidos, a menos que causem uma doença ou apodreçam madeiras de nossas casas– ainda que componham a maior parte da massa total da matéria viva em nosso planeta.Apenas recentemente, por meio de novos métodos de análise molecular e, especificamen-te, pela análise de sequências de DNA, é que começamos a ter um retrato da vida na Terranão tão grosseiramente distorcido por nossa perspectiva influenciada de grandes animaisvivendo em terras secas.
  13. 13. 12 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Walter Nesta seção, vamos considerar a diversidade dos organismos e a relação entre eles. Devido ao fato de a informação genética de todos os organismos ser escrita em uma lin- guagem universal de sequências de DNA, e por ser possível a obtenção das sequências de DNA de qualquer organismo por técnicas-padrão em bioquímica, tornou-se possível ago- ra caracterizar, catalogar e comparar qualquer grupo de organismos vivos a partir dessas sequências. De tais comparações podemos estimar o lugar de cada organismo na árvore genealógica das espécies vivas – a “árvore da vida” Mas antes de descrever o que esta abor- . dagem revela, precisamos considerar as rotas pelas quais as células, em diferentes am- bientes, obtêm a matéria-prima e a energia necessárias para sobreviver e proliferar-se, e de que modo algumas classes de organismos dependem de outras para suas necessidades químicas básicas. As células podem ser alimentadas por várias fontes de energia livre Os organismos vivos obtêm sua energia livre de diferentes maneiras. Alguns, como os ani- mais, os fungos e as bactérias que vivem no intestino humano, adquirem essa energia livre alimentando-se de outros organismos vivos ou dos compostos orgânicos que eles produzem; tais organismos são chamados de organotróficos (do grego trophe, que significa “alimento”). Outros obtêm sua energia diretamente do mundo “não-vivente” Estes se dividem em duas . classes: os que obtêm energia da luz solar e aqueles que capturam a sua energia de sistemas energeticamente ricos contendo compostos químicos inorgânicos do ambiente (sistemas químicos que estão longe do equilíbrio químico). Os organismos da primeira classe são cha- mados de fototróficos (alimentam-se da luz solar); os da segunda são chamados de litotrófi- cos (que se alimentam de rochas). Os organismos organotróficos não poderiam existir sem esses conversores primários de energia, que são a forma de vida mais abundante. Nós – e quase todos os organismos vivos que ordinariamente vemos ao nosso redor – dependemos dos organismos fototróficos que incluem diferentes tipos de bactérias, além de algas e plantas. Os organismos fototróficos mudaram toda a química de nosso ambiente: o oxigênio na atmosfera da Terra é um produto secundário de suas atividades biossintéticas. Os organismos litotróficos não são um elemento óbvio em nosso mundo, pois são mi- croscópicos e vivem em habitats não frequentados pelo homem – nos abismos oceânicos, no subsolo da crosta terrestre ou em vários outros ambientes inóspitos. Contudo, eles com- preendem a maior parte do mundo vivo e são especialmente importantes em qualquer as- pecto da história da vida na Terra. Alguns litotróficos adquirem a energia de reações aeróbicas, usando moléculas de oxi- gênio do ambiente; uma vez que o O2 atmosférico é o produto final de muitos organismos vi- vos, estes litotróficos aeróbios estão, de certa maneira, alimentando-se de produtos de uma vida passada. Existem, no entanto, outros litotróficos que vivem anaerobiamente, em lugares onde pouco ou nenhum oxigênio está presente, em condições similares àquelas que devem ter existido no início da vida na Terra, antes do acúmulo de oxigênio. A mais dramática destas situações é a encontrada nas fendas hidrotermais no fundo dos oceanos Atlântico e Pacífico, em regiões onde o assoalho oceânico está em expansão, forman- do novas porções da crosta terrestre pelo gradual extravasamento de material do interior da Terra (Figura 1-15). A água do mar que percola para baixo é aquecida e dirigida de volta à su- perfície como um gêiser submarino, carregando com ela uma corrente de compostos quími- cos a partir das rochas quentes que estão embaixo. Um “coquetel” típico pode incluir H2S, H2, CO, Mn2+, Fe2+, Ni2+, CH2 e NH4+, além de compostos fosforilados. Uma população densa de bactérias vive nas vizinhanças das fendas, bem-sucedida com essa dieta rigorosa e adquirin- do energia livre a partir dos compostos químicos disponíveis. Outros organismos – moluscos, mexilhões e vermes marinhos gigantes –, por sua vez, alimentam-se de bactérias das fendas, formando todo um ecossistema análogo ao sistema das plantas e dos animais ao qual nós pertencemos, porém impulsionado por energia geoquímica, em vez de luz (Figura 1-16). Algumas células fixam nitrogênio e dióxido de carbono para outras Para se fazer uma célula é necessário matéria e energia na forma livre. O DNA, o RNA e as proteínas são compostos por apenas seis elementos químicos: hidrogênio, carbono, ni- trogênio, oxigênio, enxofre e fósforo. Todos ocorrem abundantemente no ambiente, nas rochas, na água e na atmosfera da Terra, mas não na forma química que permite fácil in- corporação às moléculas biológicas. Em particular, o N2 e o CO2 da atmosfera são extrema- mente não-reativos, e uma grande quantidade de energia livre é necessária para conduzir
  14. 14. Biologia Molecular da Célula 13 Figura 1-15 A geologia de uma fenda MAR Nuvem escura hidrotermal quente no fundo do ocea- de água quente no. A água percola para baixo em dire- rica em minerais ção à rocha derretida que extravasa do interior da Terra e é aquecida e enviada Fenda de volta à superfície, carregando gran- Bactérias litotróficas hidrotermal anaeróbias des quantidades de minerais lixiviados da rocha quente. Próximo do centro da fenda, é atingido um gradiente de Comunidade de animais Chaminé composta temperatura de mais de 350ºC, e menos invertebrados por sulfetos de de 2 a 3ºC no oceano circunvizinho. Os metal precipitados minerais precipitam da água à medida 2–3ºC que ela resfria, formando uma chami- né. Diferentes classes de organismos, tolerantes a diferentes temperaturas, vivem em locais diferentes da chaminé. Fundo Uma chaminé típica possui uns poucos oceânico metros de altura, com uma taxa de fluxo médio de 1 a 2 m/seg. Relevo com Passagem de 350ºC água do mar Solução mineral quente Basalto quenteas reações que utilizam essas moléculas inorgânicas na produção dos compostos orgânicosnecessários à biossíntese – isto é, para fixar nitrogênio e dióxido de carbono, possibilitandoque as moléculas de N e de C sejam utilizadas pelos organismos vivos. Muitos tipos de cé-lulas vivas não possuem uma maquinaria bioquímica para fixar esses compostos, necessi-tando de outras classes de células para realizar essa tarefa. Somos animais dependentes dasplantas para nosso suprimento de compostos de carbono e nitrogênio. As plantas, por sua Figura 1-16 Organismos que vivemvez, embora possam fixar o CO2 da atmosfera, não possuem a habilidade de fixar o nitrogê- em fendas hidrotérmicas quen-nio atmosférico, dependendo em parte de bactérias fixadoras de nitrogênio para suprir as tes. Próximo à fenda, em temperaturasnecessidades de compostos nitrogenados. As plantas da família das ervilhas, por exemplo, de até 120ºC, vivem várias espécies litotróficas de bactérias e de arque-abrigam bactérias simbiontes fixadoras de nitrogênio nos nódulos de suas raízes. bactérias, diretamente alimentadas por energia geoquímica. Um pouco Energia geoquímica e mais distante, onde a temperatura é matéria-prima inorgânica mais baixa, vivem vários animais in- vertebrados que se alimentam desses micro-organismos. Os mais fascinantes Bactéria são os vermes tubulares gigantes (2 m), os quais, ao invés de alimentarem-se de células litotróficas, preferem viver Animais multicelulares, por exemplo, vermes tubulares em simbiose com elas: os órgãos espe- cializados nesses vermes abrigam um grande número de bactérias simbiontes oxidantes de enxofre. Essas bactérias utilizam energia geoquímica e forne- cem alimento a seus hospedeiros, que não possuem boca, intestino, nem ânus. A dependência que os vermes tubulares têm das bactérias no aproveitamento de energia geotérmica é análoga à dependência que as plantas têm dos cloroplastos no aproveitamento da energia solar, discutida mais adiante neste capítulo. Acredita-se, no entanto, que os vermes tubulares evoluíram de um animal mais convencional e que se tornaram secundariamente adaptados à vida em fendas hidrotermais. (Cortesia de Dudley Foster, Woods Hole Oceano- 1m graphic Institution.)
  15. 15. 14 Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & WalterFigura 1-17 Formas e ta-manhos de algumas bacté-rias. Apesar de a maioria serpequena, como mostrado,medindo alguns micrôme-tros em uma extensão linear,existem também algumas es-pécies gigantes. Um exemplo 2 ␮mextremo (não-mostrado) é abactéria em forma de charuto Células esféricas Células em forma As menores célulasEpulopiscium fishelsoni, que p. ex., Streptococcus p. ex., Mycoplasma, Células em espiral de bastonete Spiroplasma p. ex., Treponema pallidumvive no intestino do peixe- p. ex., Escherichia coli,-cirurgião e pode medir até Vibrio cholerae600 ␮m de comprimento. Consequentemente, as células vivas diferem muito em alguns aspectos básicos de sua bioquímica. Não surpreendentemente, as células com necessidades e capacidades com- plementares têm desenvolvido associações contíguas. Algumas dessas associações, como veremos a seguir, evoluíram a tal ponto que os parceiros perderem completamente a sua identidade individual: eles juntaram forças para formar uma única célula composta. A maior diversidade bioquímica é vista entre as células procarióticas Por meio da simples microscopia, sabe-se claramente que os organismos vivos podem ser classificados em dois grupos com base na estrutura celular: os eucariotos e os procario- tos. Os eucariotos mantêm seu DNA em um compartimento limitado por uma membrana, chamado de núcleo (o nome vem do grego e significa “verdadeiramente nucleado” das pa- , lavras eu, “verdadeiro” e karyon, “núcleo”). Os procariotos não possuem um compartimento , núcleo distinto para abrigar seu DNA. As plantas, os fungos e os animais são eucariotos; as bactérias são procariotos, assim como são as archaea – uma classe separada de células pro- carióticas que será discutida a seguir. A maioria das células procarióticas aparentemente é pequena e simples (Figura 1-17). Na maioria das vezes, vivem como indivíduos independentes ou em comunidades organiza- das livremente, ao invés de como organismos multicelulares. Os procariotos são tipicamente esféricos, ou possuem forma de bastonete, medindo poucos micrômetros de comprimento em uma dimensão linear. Frequentemente apresentam uma capa protetora flexível, chama- da de parede celular, abaixo da qual se encontra a membrana plasmática envolvendo um único compartimento citoplasmático contendo DNA, RNA, pro- teínas e uma grande quantidade de moléculas pequenas neces- sárias à vida. Ao microscópio eletrônico, o interior dessa célula se parece com uma matriz de textura variável, sem nenhuma estru- tura interna claramente organizada (Figura 1-18). Figura 1-18 A estrutura de uma bactéria. (A) A bactéria Vibrio cholerae e sua simples organização interna. Como muitas outras espécies, a Vibrio possui um apêndice helicoidal em uma das extremidades – um flagelo –, que gira como uma turbina, impulsionando a célula. (B) Uma micrografia eletrônica mostrando um corte longitudinal da bactéria mais amplamente estudada, Escherichia coli (E. coli). Ela está relacionada ao Vibrio, mas possui muitos flagelos distribuídos ao longo de sua superfície (não mostrado neste corte). O DNA da célula está concentrado na região mais clara. (B, cortesia de E. Kellenberger.) Membrana DNA Parede celular Flagelo plasmática 1 ␮m Ribossomos 1 ␮m (B) (A)
  16. 16. Biologia Molecular da Célula 15 Figura 1-19 A bactéria fototrófica H S Anabaena cylindrica vista em micros- V cópio óptico. As células dessa espécie formam longos filamentos multicelu- lares. Em sua maioria, as células (mar- cadas com V) realizam fotossíntese, enquanto que outras se tornaram especializadas na fixação do nitrogênio 10 ␮m (marcadas com H) ou se desenvolveram em esporos resistentes (marcados com S). (Cortesia de Dave G. Adams.) As células procarióticas vivem em uma enorme variedade de nichos e possuem umacapacidade bioquímica surpreendentemente variada – muito além das células eucarióticas.As espécies organotróficas podem utilizar praticamente qualquer tipo de molécula orgânicacomo alimento, de açúcares e aminoácidos a hidrocarbonetos e gás metano. Existem mui-tas espécies fototróficas (Figura 1-19), captando energia luminosa de maneiras diferentes;algumas delas gerando oxigênio como produto secundário, outras, não. As espécies litotró-ficas podem alimentar-se de uma dieta simples de nutrientes inorgânicos, absorvendo seucarbono do CO2 e utilizando H2S para abastecer suas necessidades energéticas (Figura 1-20)– ou de H2, Fe2+, enxofre, ou qualquer dentre muitos outros compostos químicos que ocor-ram no ambiente. Muitos elementos desse mundo microscópico são praticamente inexplorados. Os mé-todos tradicionais de bacteriologia nos têm oferecido apenas o entendimento das espéciespossíveis de serem isoladas e cultivadas em laboratório. Mas as análises de sequenciamentode DNA de populações de bactérias presentes em amostras de ambientes naturais – comosolo ou água do mar, ou até nossa boca – nos têm alertado para o fato de que a maioria dasespécies não pode ser cultivada com técnicas usuais de laboratório. De acordo com umaestimativa, falta caracterizar pelo menos 99% das espécies de procariotos existentes.A árvore da vida possui três ramos principais:bactérias, arquebactérias e eucariotosA classificação dos seres vivos tem sido tradicionalmente dependente das comparaçõesde suas aparências externas: podemos ver que um peixe tem olhos, mandíbula, esqueleto,cérebro e assim por diante, e que um verme não tem; que uma roseira é parente de umamacieira, mas menos similar a uma gramínea. Como mostrado por Darwin, podemos inter-pretar prontamente tais semelhanças de familiares próximos em termos de evolução a partirde um ancestral comum, e encontrar vestígios de muitos desses ancestrais preservados noregistro fóssil. Dessa maneira, tornou-se possível começar a desenhar a árvore genealógi-ca das famílias dos organismos vivos, mostrando as várias linhagens de descendentes, bemcomo os pontos de ramificação na história, em que os ancestrais de um grupo de espéciestornaram-se diferentes dos outros. Entretanto, quando as disparidades entre os organismos tornam-se muito grandes, es-ses métodos começam a falhar. Como podemos decidir se um fungo é parente mais próximode uma planta ou de um animal? Quando se trata de um procarioto, essa tarefa torna-seainda mais difícil: um bastonete ou uma esfera microscópica se parecem muito um com ooutro. Os microbiólogos precisam, portanto, classificar os procariotos em termos de suasnecessidades bioquímicas e nutricionais. Mas essa metodologia também possui suas arma-dilhas. Em meio a variações confusas de comportamentos bioquímicos, é difícil saber quaisas diferenças realmente refletem as diferenças da história evolutiva. As análises genômicas nos têm oferecido maneiras mais simples, diretas e eficazes paradeterminar as relações evolutivas. A sequência inteira de DNA de um organismo define asua natureza com uma precisão quase perfeita e com detalhes minuciosos. Além disso, essaespecificação está em uma forma digital – uma série de letras – que pode ser transferida 6 ␮mdiretamente para um computador e comparada à informação correspondente de qualqueroutro organismo vivo. Devido ao fato de o DNA estar sujeito a mudanças aleatórias que se Figura 1-20 Uma bactéria litotrófi-acumulam ao longo do tempo (como veremos brevemente), o número de diferenças entre as ca. Beggiatoa, que vive em ambientessequências de DNA de dois organismos pode oferecer indicações diretas, objetivas e quanti- sulfurosos, obtém sua energia da oxi-tativas da distância evolutiva entre eles. dação do H2S, podendo fixar o carbono inclusive na ausência de luz. Note os Essa abordagem tem mostrado que os organismos que foram tradicionalmente classi- depósitos de enxofre no interior das cé-ficados no mesmo grupo como “bactérias” podem ser tão divergentes em suas origens evo- lulas. (Cortesia de Ralph W. Wolfe.)

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