3.6: Crescimento e divisão celular

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva os estágios do ciclo celular
• Discuta como o ciclo celular é regulado
• Descreva as implicações de perder o controle sobre o ciclo celular
• Descreva os estágios da mitose e da citocinese, em ordem

Até agora, neste capítulo, você leu várias vezes sobre a importância e a prevalência da divisão celular. Embora existam algumas células no corpo que não sofrem divisão celular (como gametas, glóbulos vermelhos, a maioria dos neurônios e algumas células musculares), a maioria das células somáticas se divide regularmente. Uma célula somática é um termo geral para uma célula do corpo, e todas as células humanas, exceto as células que produzem óvulos e espermatozóides (que são chamadas de células germinativas), são células somáticas. As células somáticas contêm duas cópias de cada um de seus cromossomos (uma cópia recebida de cada progenitor). Um par homólogo de cromossomos são as duas cópias de um único cromossomo encontrado em cada célula somática. O humano é um organismo diploide, com 23 pares homólogos de cromossomos em cada uma das células somáticas. A condição de ter pares de cromossomos é conhecida como diploidia.

As células do corpo se substituem ao longo da vida de uma pessoa. Por exemplo, as células que revestem o trato gastrointestinal devem ser frequentemente substituídas quando constantemente “desgastadas” pelo movimento dos alimentos pelo intestino. Mas o que faz com que uma célula se divida e como ela se prepara e completa a divisão celular? O ciclo celular é a sequência de eventos na vida da célula desde o momento em que ela é criada no final de um ciclo anterior de divisão celular até então se dividir, gerando duas novas células.

O ciclo celular

Uma “volta” ou ciclo do ciclo celular consiste em duas fases gerais: interfase, seguida por mitose e citocinese. Interfase é o período do ciclo celular durante o qual a célula não está se dividindo. A maioria das células está em interfase na maioria das vezes. A mitose é a divisão do material genético, durante a qual o núcleo celular se decompõe e dois novos núcleos totalmente funcionais são formados. A citocinese divide o citoplasma em duas células distintas.

Interfase

Uma célula cresce e realiza todas as funções e processos metabólicos normais em um período chamado G ₁ (Figura 3.30). A fase G ₁ (fase da lacuna 1) é a primeira lacuna ou fase de crescimento no ciclo celular. Para células que se dividirão novamente, o G ₁ é seguido pela replicação do DNA, durante a fase S. A fase S (fase de síntese) é o período durante o qual uma célula replica seu DNA.

Figura 3.30 Ciclo celular As duas fases principais do ciclo celular incluem a mitose (designada M), quando a célula se divide, e a interfase, quando a célula cresce e executa todas as suas funções normais. A interfase é ainda subdividida nas fases G ₁, S e G ₂.

Após a fase de síntese, a célula passa pela fase G ₂. A fase G ₂ é uma segunda fase de lacuna, durante a qual a célula continua a crescer e faz os preparativos necessários para a mitose. Entre as fases G ₁, S e G ₂, as células serão as que mais variam na duração da fase G1. É aqui que uma célula pode passar algumas horas ou muitos dias. A fase S normalmente dura entre 8 e 10 horas e a fase G ₂ aproximadamente 5 horas. Em contraste com essas fases, a fase G ₀ é uma fase de repouso do ciclo celular. Diz-se que as células que pararam temporariamente de se dividir e estão em repouso (uma condição comum) e as células que deixaram de se dividir permanentemente (como as células nervosas) estão em G ₀.

A estrutura dos cromossomos

Bilhões de células no corpo humano se dividem todos os dias. Durante a fase de síntese (S, para síntese de DNA) da interfase, a quantidade de DNA dentro da célula dobra com precisão. Portanto, após a replicação do DNA, mas antes da divisão celular, cada célula na verdade contém duas cópias de cada cromossomo. Cada cópia do cromossomo é chamada de cromátide irmã e está fisicamente ligada à outra cópia. (Observe que o termo “cromátide irmã” é usado independentemente do sexo da pessoa.) O centrômero é a estrutura que liga uma cromátide irmã a outra. Como uma célula humana tem 46 cromossomos, durante essa fase, existem 92 cromátides (46 × 2) na célula. Certifique-se de não confundir o conceito de um par de cromátides (um cromossomo e sua cópia exata anexada durante a mitose) e um par homólogo de cromossomos (dois cromossomos emparelhados que foram herdados separadamente, um de cada progenitor) (Figura 3.31).

Figura 3.31 Um par homólogo de cromossomos com suas cromátides irmãs anexadas As cores vermelha e azul correspondem a um par homólogo de cromossomos. Cada membro do par foi herdado separadamente de um dos pais. Cada cromossomo do par homólogo também está ligado a uma cromátide irmã idêntica, que é produzida pela replicação do DNA e resulta na forma familiar de “X”.

Mitose e citocinese

A fase mitótica da célula normalmente leva entre 1 e 2 horas. Durante essa fase, uma célula passa por dois processos principais. Primeiro, ele completa a mitose, durante a qual o conteúdo do núcleo é equitativamente separado e distribuído entre suas duas metades. A citocinese então ocorre, dividindo o citoplasma e o corpo celular em duas novas células. A mitose é dividida em quatro estágios principais que ocorrem após a interfase (Figura 3.32) e na seguinte ordem: prófase, metáfase, anáfase e telófase. O processo é então seguido pela citocinese.

Figura 3.32 Divisão celular: mitose seguida de citocinese Os estágios da divisão celular supervisionam a separação de material genético idêntico em dois novos núcleos, seguida pela divisão do citoplasma.

A prófase é a primeira fase da mitose, durante a qual a cromatina frouxamente compactada se enrola e se condensa em cromossomos visíveis. Durante a prófase, cada cromossomo se torna visível com seu parceiro idêntico acoplado, formando a familiar forma X das cromátides irmãs. O nucléolo desaparece cedo durante essa fase e o envelope nuclear também se desintegra.

Uma ocorrência importante durante a prófase diz respeito a uma estrutura muito importante que contém o local de origem do crescimento dos microtúbulos. Lembre-se das estruturas celulares chamadas centríolos que servem como pontos de origem a partir dos quais os microtúbulos se estendem. Essas pequenas estruturas também desempenham um papel muito importante durante a mitose. Um centrossoma é um par de centríolos juntos. A célula contém dois centrossomos lado a lado, que começam a se separar durante a prófase. À medida que os centrossomos migram para dois lados diferentes da célula, os microtúbulos começam a se estender de cada um como dedos longos de duas mãos que se estendem uma em direção à outra. O fuso mitótico é a estrutura composta pelos centrossomos e seus microtúbulos emergentes.

Perto do final da prófase, há uma invasão da área nuclear por microtúbulos do fuso mitótico. A membrana nuclear se desintegrou e os microtúbulos se ligam aos centrômeros que unem pares de cromátides irmãs. O cinetocoro é uma estrutura proteica no centrômero que é o ponto de ligação entre o fuso mitótico e as cromátides irmãs. Esse estágio é conhecido como prófase tardia ou “prometáfase” para indicar a transição entre a prófase e a metáfase.

A metáfase é o segundo estágio da mitose. Durante esse estágio, as cromátides irmãs, com seus microtúbulos conectados, se alinham ao longo de um plano linear no meio da célula. Uma placa metáfase se forma entre os centrossomos que agora estão localizados em cada extremidade da célula. A placa metafásica é o nome do plano que passa pelo centro do fuso no qual as cromátides irmãs estão posicionadas. Os microtúbulos agora estão prontos para separar as cromátides irmãs e trazer uma de cada par para cada lado da célula.

A anáfase é o terceiro estágio da mitose. A anáfase ocorre ao longo de alguns minutos, quando os pares de cromátides irmãs são separados um do outro, formando cromossomos individuais mais uma vez. Esses cromossomos são puxados para extremidades opostas da célula por seus cinetócoros, à medida que os microtúbulos se encurtam. Cada extremidade da célula recebe um parceiro de cada par de cromátides irmãs, garantindo que as duas novas células-filhas contenham material genético idêntico.

A telófase é o estágio final da mitose. A telófase é caracterizada pela formação de dois novos núcleos filhos em cada extremidade da célula em divisão. Esses núcleos recém-formados envolvem o material genético, que se desenrola de forma que os cromossomos retornem à cromatina frouxamente compactada. Os nucléolos também reaparecem dentro dos novos núcleos, e o fuso mitótico se separa, cada nova célula recebendo seu próprio complemento de DNA, organelas, membranas e centríolos. Nesse ponto, a célula já está começando a se dividir ao meio quando a citocinese começa.

O sulco de clivagem é uma faixa contrátil composta por microfilamentos que se forma ao redor da linha média da célula durante a citocinese. (Lembre-se de que os microfilamentos consistem em actina.) Essa faixa contrátil separa as duas células até que elas finalmente se separem. Duas novas células estão agora formadas. Uma dessas células (a “célula-tronco”) entra em seu próprio ciclo celular; capaz de crescer e se dividir novamente em algum momento futuro. A outra célula se transforma na célula funcional do tecido, normalmente substituindo uma célula “antiga”.

Imagine uma célula que completou a mitose, mas nunca foi submetida à citocinese. Em alguns casos, uma célula pode dividir seu material genético e crescer em tamanho, mas não sofrer citocinese. Isso resulta em células maiores com mais de um núcleo. Geralmente, essa é uma aberração indesejada e pode ser um sinal de células cancerosas.

Controle do ciclo celular

Um sistema muito elaborado e preciso de controles de regulação direcionam a maneira como as células passam de uma fase para a próxima no ciclo celular e iniciam a mitose. O sistema de controle envolve moléculas dentro da célula, bem como gatilhos externos. Esses gatilhos de controle interno e externo fornecem sinais de “parada” e “avanço” para a célula. A regulação precisa do ciclo celular é fundamental para manter a saúde de um organismo, e a perda do controle do ciclo celular pode levar ao câncer.

Mecanismos de controle do ciclo celular

À medida que a célula avança em seu ciclo, cada fase envolve certos processos que devem ser concluídos antes que a célula avance para a próxima fase. Um ponto de verificação é um ponto do ciclo celular no qual o ciclo pode ser sinalizado para avançar ou parar. Em cada um desses pontos de verificação, diferentes variedades de moléculas fornecem sinais de parada ou saída, dependendo de certas condições dentro da célula. A ciclina é uma das classes primárias de moléculas de controle do ciclo celular (Figura 3.33). Uma quinase dependente de ciclina (CDK) faz parte de um grupo de moléculas que trabalham em conjunto com as ciclinas para determinar a progressão após os pontos de verificação celulares. Ao interagir com muitas moléculas adicionais, esses gatilhos impulsionam o ciclo celular, a menos que sejam impedidos de fazê-lo por sinais de “parada”, se por algum motivo a célula não estiver pronta. No ponto de verificação do G ₁, a célula deve estar pronta para que a síntese de DNA ocorra. No ponto de verificação do G ₂, a célula deve estar totalmente preparada para a mitose. Mesmo durante a mitose, um ponto de verificação crucial na metáfase garante que a célula esteja totalmente preparada para completar a divisão celular. O ponto de verificação da metáfase garante que todas as cromátides irmãs estejam devidamente conectadas aos seus respectivos microtúbulos e alinhadas na placa da metáfase antes que o sinal seja dado para separá-las durante a anáfase.

Figura 3.33 Controle do ciclo celular As células passam pelo ciclo celular sob o controle de uma variedade de moléculas, como ciclinas e quinases dependentes de ciclina. Essas moléculas de controle determinam se a célula está ou não preparada para passar para o estágio seguinte.

O ciclo celular fora de controle: implicações

A maioria das pessoas entende que o câncer ou os tumores são causados por células anormais que se multiplicam continuamente. Se as células anormais continuarem a se dividir sem parar, elas podem danificar os tecidos ao redor delas, se espalhar para outras partes do corpo e, eventualmente, resultar na morte. Em células saudáveis, os rígidos mecanismos de regulação do ciclo celular evitam que isso aconteça, enquanto falhas no controle do ciclo celular podem causar divisão celular excessiva e indesejada. Falhas de controle podem ser causadas por anormalidades genéticas hereditárias que comprometem a função de certos sinais de “parar” e “ir”. O insulto ambiental que danifica o DNA também pode causar disfunção nesses sinais. Freqüentemente, uma combinação de predisposição genética e fatores ambientais leva ao câncer.

O processo de uma célula escapar de seu sistema de controle normal e se tornar cancerosa pode realmente acontecer em todo o corpo com bastante frequência. Felizmente, certas células do sistema imunológico são capazes de reconhecer células que se tornaram cancerosas e destruí-las. No entanto, em certos casos, as células cancerosas permanecem sem serem detectadas e continuam a proliferar. Se o tumor resultante não representar uma ameaça aos tecidos circundantes, é considerado benigno e geralmente pode ser facilmente removido. Se for capaz de causar danos, o tumor é considerado maligno e o paciente é diagnosticado com câncer.

Desequilíbrios homeostáticos

O câncer surge de desequilíbrios homeostáticos

O câncer é uma condição extremamente complexa, capaz de surgir de uma grande variedade de causas genéticas e ambientais. Normalmente, mutações ou aberrações no DNA de uma célula que comprometem os sistemas normais de controle do ciclo celular levam a tumores cancerígenos. O controle do ciclo celular é um exemplo de mecanismo homeostático que mantém a função e a saúde celular adequadas. Ao progredir nas fases do ciclo celular, uma grande variedade de moléculas intracelulares fornece sinais de parada e saída para regular o movimento para a próxima fase. Esses sinais são mantidos em um equilíbrio intrincado para que a célula só passe para a próxima fase quando estiver pronta. Esse controle homeostático do ciclo celular pode ser pensado como o controle de cruzeiro de um carro. O controle de cruzeiro aplicará continuamente a quantidade certa de aceleração para manter a velocidade desejada, a menos que o motorista pise no freio. Nesse caso, o carro diminuirá a velocidade. Da mesma forma, a célula inclui mensageiros moleculares, como ciclinas, que impulsionam a célula em seu ciclo.

Além das ciclinas, uma classe de proteínas codificadas por genes chamados proto-oncogenes fornece sinais importantes que regulam o ciclo celular e o fazem avançar. Exemplos de produtos proto-oncogênicos incluem receptores de superfície celular para fatores de crescimento ou moléculas de sinalização celular, duas classes de moléculas que podem promover a replicação e a divisão celular do DNA. Em contraste, uma segunda classe de genes conhecida como genes supressores de tumor envia sinais de parada durante um ciclo celular. Por exemplo, certos produtos proteicos de genes supressores de tumor sinalizam possíveis problemas com o DNA e, assim, impedem que a célula se divida, enquanto outras proteínas sinalizam que a célula morra se for danificada sem reparo. Algumas proteínas supressoras de tumor também sinalizam uma densidade celular circundante suficiente, o que indica que a célula não precisa se dividir atualmente. A última função é particularmente importante na prevenção do crescimento tumoral: células normais exibem um fenômeno chamado “inibição de contato”; portanto, o contato celular extenso com células vizinhas causa um sinal que interrompe a divisão celular.

Essas duas classes contrastantes de genes, proto-oncogenes e genes supressores de tumor, são como o acelerador e o pedal do freio do próprio “sistema de controle de cruzeiro” da célula, respectivamente. Em condições normais, esses sinais de parada e saída são mantidos em um equilíbrio homeostático. De um modo geral, há duas maneiras pelas quais o controle de cruzeiro da célula pode perder o controle: um acelerador com defeito (hiperativo) ou um freio com defeito (pouco ativo). Quando comprometidos por uma mutação ou alterados de outra forma, os proto-oncogenes podem ser convertidos em oncogenes, que produzem oncoproteínas que impulsionam a célula em seu ciclo e estimulam a divisão celular mesmo quando não é desejável fazê-lo. Por exemplo, uma célula que deveria ser programada para se autodestruir (um processo chamado apoptose) devido a extensos danos ao DNA pode, em vez disso, ser desencadeada para proliferar por uma oncoproteína. Por outro lado, um gene supressor de tumor disfuncional pode falhar em fornecer à célula o sinal de parada necessário, resultando também em divisão e proliferação celular indesejadas.

Um delicado equilíbrio homeostático entre os muitos proto-oncogenes e genes supressores de tumores controla delicadamente o ciclo celular e garante que somente células saudáveis se repliquem. Portanto, uma interrupção desse equilíbrio homeostático pode causar divisão celular aberrante e crescimentos cancerígenos.

Link interativo

Visite este link para saber mais sobre a mitose. A mitose resulta em duas células diploides idênticas. Quais estruturas se formam durante a prófase?