Comunicação celular e ciclo celular · AP Biology

Capítulo 4 · Comunicação celular e ciclo celular

sinais e a divisão que eles desencadeiam

As células conversam entre si por meio de moléculas. Um sinal chega, um receptor o captura e uma cadeia de proteínas dentro da célula o transmite até que algo mude: um gene é ativado, uma enzima começa a trabalhar, a célula se divide.

À direita, uma molécula de epinefrina se liga a um receptor em uma célula do fígado. Lá dentro, cada proteína ativa várias da etapa seguinte, de modo que um sinal na superfície termina em milhares de enzimas ativas quebrando glicogênio.

Este capítulo acompanha esses sinais: até onde eles chegam, como um receptor os transforma em resposta, o que acontece quando uma via está quebrada e como o feedback mantém o corpo estável. Depois passa à resposta mais importante para o crescimento e a reparação, o ciclo celular, e aos sinais e pontos de checagem que o controlam. Quando esses controles falham, o resultado é o câncer.

4.1 · Comunicação celular

por contato, localmente e à distância

Um sinal é uma molécula (um ligante) que uma célula libera e outra detecta. A distância que ele precisa percorrer divide a sinalização em três tipos.

Contato direto. Células animais unidas por junções comunicantes e células vegetais unidas por plasmodesmos compartilham o citoplasma: íons e pequenas moléculas passam diretamente. As células também podem sinalizar por contato, quando uma proteína na superfície de uma célula se liga a um receptor na superfície de outra. Uma célula imunitária que apresenta um antígeno ativa um linfócito T auxiliar dessa forma.

Sinalização local. Uma célula secreta um regulador local que se difunde até células vizinhas (sinalização parácrina). Os fatores de crescimento atuam assim, e os morfógenos em um embrião informam às células onde elas estão. Em uma sinapse, um neurônio libera neurotransmissor por uma fenda estreita sobre um único alvo. As bactérias também liberam sinais: quando há células suficientes, o sinal atinge um limiar e a população responde em conjunto (quorum sensing).

Sinalização a longa distância. Células endócrinas liberam hormônios no sangue, que os leva por todo o corpo: insulina, hormônio do crescimento humano, hormônios da tireoide, testosterona e estrogênio. As plantas enviam hormônios pelos tecidos vasculares ou, como o etileno, pelo ar.

Um sinal chega a muitas células, mas só respondem as que têm o receptor correspondente. Na figura, o hormônio passa pela célula sem receptor e age naquela que o tem.

4.2 · Introdução à transdução de sinal

recepção, transdução, resposta

Toda via de sinalização tem três etapas. Recepção: o ligante se liga ao receptor. Transdução: o receptor muda de forma e passa o sinal por uma série de moléculas. Resposta: a célula faz algo.

Um receptor é uma proteína cujo sítio de ligação se encaixa na forma e nas cargas do ligante, como o sítio ativo de uma enzima se encaixa no substrato. Por isso um sinal age apenas em células que têm o seu receptor, e por isso uma molécula de forma parecida pode bloqueá-lo ou imitá-lo.

A posição do receptor depende do ligante:

ligante	exemplos	receptor
polar ou grande	epinefrina, insulina, a maioria dos peptídeos	na membrana plasmática, com o sítio de ligação voltado para fora
pequeno, apolar	hormônios esteroides (testosterona, estrogênio), hormônio da tireoide	no citoplasma ou no núcleo

À esquerda, um ligante solúvel em água não consegue atravessar a bicamada; ele se liga a um receptor de membrana, cuja mudança de forma chega a uma proteína de relé no interior. À direita, um esteroide se difunde pela bicamada, liga-se a um receptor no citoplasma, e o par entra no núcleo como um fator de transcrição que ativa um gene.

As respostas incluem mudanças na expressão gênica, na atividade enzimática, no citoesqueleto, na divisão celular e na morte celular. Muitas vias chegam lá por modificação de proteínas, mais comumente a adição de grupos fosfato, uma proteína após a outra.

4.3 · Vias de transdução de sinal

segundos mensageiros, quinases e amplificação

A epinefrina (adrenalina) manda uma célula do fígado liberar glicose. Ela nunca entra na célula; uma cadeia de proteínas leva a mensagem para dentro.

A epinefrina se liga a um receptor acoplado à proteína G (GPCR), que atravessa a membrana sete vezes. O receptor muda de forma e ativa uma proteína G, que troca GDP por GTP e ativa a enzima adenilil ciclase. Essa enzima transforma ATP em AMP cíclico (AMPc), um segundo mensageiro: pequeno, rápido de produzir e que se difunde pelo citoplasma. (Ca²⁺ e IP₃ são segundos mensageiros em outras vias.)

O AMPc ativa a proteína quinase A. Uma quinase transfere um grupo fosfato do ATP para outra proteína, mudando sua forma e sua atividade. Uma quinase fosforila outra quinase, uma cascata de fosforilação, até que a última ativa a glicogênio fosforilase, que libera glicose do glicogênio. As fosfatases removem os fosfatos, de modo que a via se desliga quando o sinal cessa.

Amplificação. Cada etapa ativa muitas cópias da seguinte. Com estes números para cada etapa:

uma molécula de epinefrina gera	moléculas
receptor ligado à epinefrina	1
proteínas G ativas, cada uma ativando uma adenilil ciclase	10
cAMP	1,000
proteína quinase A ativa	500
fosforilase quinase ativa	5,000
glicogênio fosforilase ativa	50,000
glicose-1-fosfato liberada do glicogênio	5,000,000

Os ganhos se multiplicam: $10\times100\times0.5\times10\times10\times100 = 5\times10^{6}$ . Uma cascata de várias etapas também oferece mais pontos de regulação do sinal e permite que um sinal se ramifique em várias respostas.

Outros receptores funcionam de forma diferente. Um receptor tirosina quinase forma pares quando o ligante se liga e se fosforila, iniciando várias vias ao mesmo tempo. Um canal iônico dependente de ligante se abre para deixar os íons passarem.

4.3 · Alterações nas vias de transdução de sinal

mutações, fármacos e toxinas

Uma resposta é tão boa quanto cada elo da sua via. Mude qualquer componente, por mutação ou por uma substância química, e a resposta muda junto.

À direita, três cópias de uma mesma via recebem o mesmo pulso de ligante (traço cinza):

via	o que mudou	resposta
normal	nada	ativa enquanto o ligante está ligado, desligada depois
receptor bloqueado	um antagonista ocupa o sítio de ligação	nenhuma, por mais ligante que haja
relé sempre ativo	uma mutação mantém o relé ativo	sempre ativa, com ou sem ligante

Mutações. Uma mudança no domínio de ligação do receptor pode impedi-lo de se ligar ao ligante; uma mudança em outro ponto pode deixá-lo sinalizando sem nenhum ligante. Uma proteína de relé que não consegue mais se desligar continua mandando a célula se dividir; proteínas Ras mutadas desse tipo são encontradas em muitos cânceres.

Substâncias químicas. Um antagonista se liga a um receptor sem ativá-lo: os betabloqueadores ocupam os receptores de epinefrina no coração e reduzem a pressão arterial, e os anti-histamínicos bloqueiam os receptores de histamina. Um agonista imita o ligante. A toxina da cólera altera uma proteína G nas células do intestino de modo que ela fica ativa; o AMPc permanece alto, as células bombeiam Cl⁻ para fora e a água o segue, causando diarreia grave.

As doenças seguem a mesma lógica: no diabetes tipo 2, as células-alvo respondem pouco à insulina, então o sinal é enviado, mas a resposta fica aquém do necessário.

4.4 · Retroalimentação negativa

uma mudança desencadeia a própria correção

No feedback negativo a resposta se opõe à mudança que a causou e leva o sistema de volta ao seu ponto de equilíbrio. É assim que o corpo mantém a glicose no sangue, a temperatura e o equilíbrio hídrico quase constantes: a homeostase.

Depois de uma refeição, a glicose no sangue sobe. As células β do pâncreas detectam isso e liberam insulina. A insulina sinaliza às células do fígado, dos músculos e do tecido adiposo que absorvam glicose, e ao fígado que a armazene como glicogênio, e a glicose volta a cair. Quando a glicose cai abaixo do ponto de equilíbrio, as células α liberam glucagon, o fígado degrada o glicogênio e a glicose sobe de novo.

minutos após a refeição	0	30	60	90	120	180
glicose (mg/dL)	90	139	126	111	101	93
insulina (µU/mL)	8	67	59	41	28	14

A glicose atinge o pico cerca de 29 minutos após a refeição e volta a ficar próxima de 90 mg/dL em 120 minutos. A insulina sobe com a glicose e cai quando a glicose volta ao normal: a correção se desliga sozinha.

Quando o ciclo falha. No diabetes tipo 1, as células β são destruídas e não se produz insulina (curva cinza): a glicose começa alta e continua alta. Na doença de Graves, anticorpos estimulam a tireoide como faria o seu próprio hormônio regulador; a tireoide produz cada vez mais hormônio, que já não desliga o seu estímulo.

4.4 · Retroalimentação positiva

uma mudança que se amplifica sozinha

No feedback positivo a resposta amplifica a mudança que a causou e afasta o sistema ainda mais do ponto de partida. Ele é usado em eventos que precisam ser concluídos rapidamente, e algo fora do ciclo precisa encerrá-lo.

Trabalho de parto. A cabeça do bebê distende o colo do útero. Os nervos sinalizam ao cérebro, e a hipófise posterior libera ocitocina. A ocitocina faz o útero se contrair com mais força, o que distende mais o colo do útero, o que libera mais ocitocina. Na figura, cada contração é 1.45 vez(es) a anterior. O nascimento elimina o estiramento, e o ciclo para.

Lactação. A sucção do bebê desencadeia hormônios que liberam o leite, então ele suga mais; o desmame encerra o processo. Amadurecimento de frutos. A fruta que amadurece produz o gás etileno, que acelera o amadurecimento nela mesma e nas vizinhas. Coagulação do sangue. As plaquetas em uma ferida liberam substâncias que atraem mais plaquetas, até a ferida ser selada.

	feedback negativo	feedback positivo
a resposta	se opõe à mudança	reforça a mudança
o resultado	estabilidade em torno de um ponto de equilíbrio	uma mudança rápida e completa
exemplos	glicose no sangue, temperatura corporal	trabalho de parto, lactação, amadurecimento

4.5 · O ciclo celular

interfase, depois divisão

O ciclo celular é a vida de uma célula, de uma divisão até a seguinte. A maior parte dele é a interfase, quando a célula cresce e copia o seu DNA; uma fase M curta a divide.

fase	o que acontece	horas
G₁	crescimento; a célula produz proteínas e organelas	11
S	síntese de DNA: todos os cromossomos são duplicados	8
G₂	mais crescimento; a célula se prepara para se dividir	4
M	mitose, depois citocinese	1

Em uma célula humana em cultura, o ciclo todo dura cerca de 24 horas, 23 delas de interfase. No gráfico, o DNA por célula dobra de 2C para 4C durante a S, permanece em 4C na G₂ e na mitose, e cai pela metade quando uma célula se torna duas.

Depois da S, cada um dos 46 cromossomos de uma célula humana é formado por duas cromátides-irmãs idênticas unidas no centrômero: 46 cromossomos, 92 cromátides. A mitose dá uma de cada par a cada célula-filha, então ambas ficam com 46 e são geneticamente idênticas à célula original. A mitose constrói um corpo em crescimento, repara tecidos e é a forma como muitos organismos se reproduzem assexuadamente.

G₀. Uma célula que se especializa muitas vezes sai do ciclo e para de se dividir. A maioria das células nervosas e musculares maduras permanece em G₀; as células do fígado podem voltar ao ciclo quando o fígado é lesionado.

Calculando o tempo a partir de uma amostra. Em uma amostra de células em divisão, a fração de células em cada fase é a fração do ciclo gasta nela. Se 20 de 480 células estão em mitose, a M dura 20/480 × 24 h = 1.0 h.

4.5 · Mitose

replicar, alinhar, separar

A mitose reparte uma cópia completa do genoma para cada célula-filha. Ela segue uma ordem: os cromossomos já replicados na S se condensam, alinham-se no meio da célula e separam-se para extremidades opostas.

A célula à direita tem 2n = 4: dois pares de homólogos, em vermelho os de um dos pais e em azul os do outro. É um processo contínuo; os nomes usuais marcam as suas etapas.

Prófase. A cromatina se condensa em cromossomos compactos, cada um com duas cromátides-irmãs. O envoltório nuclear se desfaz, e os dois centrossomos se afastam, formando entre eles o fuso de microtúbulos.

Metáfase. Microtúbulos de polos opostos se ligam ao centrômero de cada cromossomo, um a cada cromátide-irmã, e os cromossomos se alinham na placa metafásica.

Anáfase. As cromátides-irmãs se separam e são puxadas para polos opostos. Cada cromátide agora é um cromossomo por si só: por um instante a célula tem 8.

Telófase e citocinese. Um envoltório nuclear se forma ao redor de cada conjunto, e os cromossomos se descondensam. A citocinese divide o citoplasma: uma célula animal se estrangula em duas por um sulco de clivagem; uma célula vegetal constrói uma placa celular no meio.

	cromossomos	cromátides (moléculas de DNA)
G₁	4	4
G₂ até a metáfase	4	8
anáfase	8	8
cada célula-filha	4	4

A prova do AP pede a ordem desses eventos (replicação, alinhamento, separação) e o que cada um realiza, não os nomes das fases.

4.6 · Regulação do ciclo celular

pontos de checagem, ciclinas e CDKs

Uma célula só se divide quando deve. Nos pontos de checagem, o ciclo para até que as condições estejam adequadas.

ponto de checagem	pergunta
ponto de checagem de G₁	A célula é grande o suficiente, há nutrientes e fatores de crescimento, o DNA está intacto?
ponto de checagem de G₂	Todo o DNA foi replicado e está intacto?
ponto de checagem M	Cada cromossomo está preso às fibras do fuso dos dois polos?

Uma célula que não passa no ponto de checagem de G₁ não entra na S; ela pode entrar em G₀. Uma célula que não passa no ponto de checagem da M fica retida na metáfase, de modo que nenhum cromossomo se perde.

Ciclinas e CDKs. Uma quinase dependente de ciclina (CDK) está presente durante todo o ciclo, mas só fica ativa quando ligada a uma ciclina. A ciclina é produzida de forma contínua durante a interfase (curva vermelha) e destruída na mitose. Quando há ciclina suficiente acumulada, os complexos ciclina–CDK fosforilam as proteínas que levam a célula à etapa seguinte. O complexo que desencadeia a mitose é o MPF (azul). Quando a ciclina é destruída na anáfase, o MPF se desativa e a célula pode terminar de se dividir.

Sinais externos atuam aqui. Um fator de crescimento, como o fator de crescimento derivado de plaquetas em uma ferida, liga-se a um receptor e inicia uma via que aumenta os níveis de ciclina e empurra a célula além do ponto de checagem de G₁.

4.6 · Câncer e apoptose

quando os controles falham

A perturbação do ciclo celular pode terminar de duas maneiras: uma célula que se divide quando não deveria, ou uma célula que é levada a morrer.

Câncer é a divisão celular descontrolada, causada por mutações nos genes que regulam o ciclo. Células normais em uma placa param de se dividir quando se tocam (inibição por contato, ou inibição dependente da densidade) e só se dividem quando presas a uma superfície (dependência de ancoragem). As células cancerosas ignoram ambas e se acumulam em um tumor.

Dois tipos de gene estão envolvidos. Os proto-oncogenes codificam proteínas que promovem a divisão, como receptores de fatores de crescimento e proteínas de transmissão de sinal; uma mutação que torna um deles hiperativo, um oncogene, funciona como um acelerador pressionado até o fundo. Os genes supressores de tumor codificam os freios. O mais conhecido, o p53, para o ciclo quando o DNA está danificado e, se o dano não puder ser reparado, inicia a apoptose. O câncer geralmente exige várias dessas mutações em uma mesma linhagem celular.

Apoptose é a morte celular programada. A célula encolhe, seu DNA é cortado e ela se fragmenta em pedaços envoltos por membrana, que outras células engolfam, sem derramar o conteúdo no tecido. Ela elimina células danificadas e molda o corpo: em um embrião humano, remove o tecido entre os dedos.

Duplicação. Uma cultura de células cancerosas que dobra a cada 24 horas, começando com 1,000 células:

horas	0	24	48	72	96
células	1,000	2,000	4,000	8,000	16,000

$N = N_0 \cdot 2^{t/T_d}$ : após 96 h, 4 duplicações, 16 vezes o número de células.