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Fundamentos da Biologia Celula

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Introdução às Células O que signi?ca estar vivo? Pessoas, petúnias e algas estão vivas; pedras, areia e brisas de verão não estão. Mas quais são as principais propriedades que caracterizam as A resposta inicia com o fato básico, que é dado como certo por biólogos no momento, mas marcou uma revolução no pensamento quando estabelecido pela pri- meira vez há 170 anos atrás. Todas as coisas vivas são feitas de células: pequenas unidades limitadas por membranas preenchidas com uma solução aquosa concentra- da de químicos e dotadas com uma capacidade extraordinária de criar cópias delas mesmas pelo seu crescimento e divisão em duas. As formas mais simples de vida são células solitárias. Organismos superiores, incluindo nós mesmos, são comunidades de células derivadas do crescimento e divisão a partir de uma única célula fundadora: cada animal, planta ou fungo é uma vasta colônia de células individuais que realiza funções especializadas coordenadas por complicados sistemas de comunicação. As células, portanto, são as principais unidades de vida, e é na biologia celular que devemos procurar por uma resposta para a questão de o que é vida e como ela funciona. Com a compreensão mais profunda da estrutura, da função, do comporta- mento e da evolução das células, poderemos iniciar a enfrentar os grandes problemas históricos da vida na Terra: as suas origens misteriosas, a sua maravilhosa diversida- de, a sua invasão em cada habitat imaginável. Ao mesmo tempo, a biologia celular pode nos fornecer as respostas para as questões que temos sobre nós mesmos: de onde viemos? Como nos desenvolvemos a partir de um único óvulo fertilizado? Como cada um de nós é diferente de cada outra pessoa na Terra? Por que ficamos doentes, Neste capítulo, iniciamos olhando para a variedade de formas que as células podem apresentar e também damos uma olhada rápida na maquinaria química que todas as células têm em comum. Então consideraremos como as células se tornam visíveis sob o microscópio e o que vemos quando observamos atentamente dentro delas. Finalmente, discutiremos como podemos explorar as similaridades entre os seres vivos para alcançar uma compreensão coerente de todas as formas de vida na Terra ? a partir da bactéria mais minúscula até o imenso carvalho.

Unidade e Diversidade das Células Biologistas celulares freqüentemente falam sobre ?a célula? sem especificar qualquer célula em particular. Mas as células não são todas semelhantes; na verdade, elas po- dem ser muito diferentes. Estima-se que existam no mínimo 10 milhões ? talvez 100 milhões ? de espécies distintas de coisas vivas no mundo. Antes de pesquisar mais a fundo a biologia celular, devemos nos perguntar: o que as células dessas espécies têm em comum ? a bactéria e a borboleta, a rosa e o golfinho? E de que maneira elas di- ferem?

As Células Variam Muito em Aparência e Função Comecemos pelo tamanho. Uma célula bacteriana ? digamos um Lactobacillus em um pedaço de queijo ? tem poucos micrômetros, ou µm, de comprimento. Um ovo de sapo ? que também é uma célula única ? tem um diâmetro de cerca de 1 milímetro. Se aumentássemos a escala de modo que o Lactobacillus tivesse o tamanho de uma As células não variam menos nas suas formas e funções. Considere a galeria de células mostradas na Figura 1-1. Uma célula nervosa típica em seu cérebro é enorme- mente estendida; ela envia seus sinais elétricos ao longo de uma protusão ?na, que possui o comprimento 10.000 vezes maior que a espessura, e recebe sinais de outras células através de uma massa de processos mais curtos, que brotam de seu corpo como os ramos de uma árvore. Um Paramecium em uma gota de água parada tem a forma de um submarino e está coberto por dezenas de milhares de cílios ? extensões

(A)(B) 100 µm 25 µm

semelhantes a pêlos cujo batimento sinuoso arrasta a célula para frente, rodando-a à medida que ela se locomove. Uma célula na camada super?cial de uma planta é um prisma imóvel envolvido por uma caixa rígida de celulose, com uma cobertura exter- na de cera à prova d'água. A bactéria Bdellovibrio é um torpedo com forma de salsi- cha que se move para frente por um ?agelo em rotação com forma de saca-rolhas que está anexado a sua parte posterior, onde ele atua como uma hélice. Um neutró?lo ou um macrófago no corpo de um animal se movimenta pelos tecidos, mudando de for- ma constantemente e englobando restos celulares, microrganismos estranhos e célu- Algumas células estão cobertas apenas por uma membrana plasmática ?na; ou- tras aumentam esta cobertura membranosa, escondendo-se em uma camada externa de muco, construindo para si próprias uma parede celular rígida, ou se envolvendo As células também são muito diversas nas suas necessidades químicas e ativida- des. Algumas requerem oxigênio para viver; para outras, o oxigênio é letal. Algumas consomem um pouco mais do que ar, luz solar e água como matéria-prima; outras necessitam uma mistura complexa de moléculas produzidas por outras células. Algu- mas parecem fábricas especializadas para a produção de substâncias particulares, como os hormônios, o amido, a gordura, o látex ou os pigmentos. Outras são máqui- nas, como músculos, queimando combustível para realizar trabalho mecânico; ou geradores elétricos, como as células musculares modi?cadas na enguia elétrica. Algumas modi?cações especializam as células tanto que elas perdem as suas chances de deixar qualquer descendente. Essa especialização seria desnecessária para uma espécie de célula que viveu uma vida solitária. Em um organismo multicelular, entretanto, existe uma divisão de trabalho entre as células, permitindo que algumas se tornem especializadas em um grau extremo para tarefas particulares e deixando-as dependentes das suas células companheiras para várias condições básicas. Até mesmo a necessidade mais básica de todas, aquela de passar as informações genéticas para a próxima geração, está delegada para especialistas ? o óvulo e o espermatozóide.

Todas as Células Vivas Têm uma Química Básica Similar Apesar da extraordinária diversidade dos vegetais e animais, as pessoas reconhece- ram desde tempos imemoriais que esses organismos têm algo em comum, alguma coisa que os permite serem chamados de seres vivos. Com a invenção do microscópio, tornou-se claro que vegetais e animais são conjuntos de células que também podem existir como organismos independentes e que individualmente estão vivendo, cres- cendo, reproduzindo, convertendo energia de uma forma para outra, respondendo ao seu meio e assim por diante. Mas enquanto pareceu muito fácil reconhecer vida, era extraordinariamente difícil dizer em que sentido todos os seres vivos eram seme- lhantes. Os livros-texto tiveram que concordar em de?nir vida em termos gerais abs- As descobertas da bioquímica e da biologia molecular eliminaram esse proble- ma de uma maneira espetacular. Embora eles sejam in?nitamente variáveis quando vistos de fora, todas as coisas vivas são fundamentalmente similares por dentro. Ago- ra sabemos que as células se parecem umas com as outras em um grau estonteante de detalhes na sua química, compartilhando a mesma maquinaria para as funções mais básicas. Todas as células são compostas do mesmo tipo de moléculas que participam nos mesmos tipos de reações químicas (discutido no Capítulo 2). Em todos os seres vivos, as informações genéticas ? genes ? estão armazenadas nas moléculas de DNA escritas no mesmo código químico, formadas com os mesmos blocos químicos de construção, interpretadas por essencialmente a mesma maquinaria química e dupli- cadas da mesma forma para permitir que o organismo se reproduza. Desse modo, em cada célula, as longas cadeias de polímeros de DNA são feitas do mesmo conjunto de quatro monômeros, chamados de nucleotídeos, amarrados uns aos outros em diferen- tes seqüências, como as letras de um alfabeto, para carregar diferentes informações.

Fundamentos da Biologia Celular 3 Questão 1-1 ?Vida? é fácil de ser reco- nhecida, mas difícil de de- ?nir. O dicionário de?ne vida como ?O estado ou a qualidade que distingue seres ou organismos vivos dos mortos e da matéria inorgânica, caracterizada principalmente por metabolismo, crescimento e capacidade de reprodu- zir e responder a estímulos?. Os livros- texto de biologia normalmente elabo- ram pouco; por exemplo, de acordo com um texto popular, coisas vivas: 1. São altamente organizadas compa- radas a objetos naturais inanima- 2. Exibem homeostase, mantendo um meio interno relativamente cons- 4. Crescem e se desenvolvem a partir 5. Tomam energia e matéria a partir Pontue você mesmo um aspirador de pó e uma batata com relação a estas características.

síntese de DNA (replicação) DNA 5' 3' 3' 5' síntese de RNA (transcrição) RNA 5' 3' síntese protéica (tradução) PROTEÍNA H2NCOOH aminoácidos

Figura 1-2 Em todas as células vivas, a in- formação genética ?ui a partir do DNA para o RNA (transcrição) e a partir do RNA para proteína (tradução). Juntos esses processos são conhecidos como expressão gênica.

Figura 1-3 Todos os organismos vivos são construídos a partir de células. Uma bacté- ria, uma borboleta, uma rosa e um gol?nho são todos feitos de células que têm uma quí- mica fundamental similar e funcionam de acordo com os mesmos princípios básicos. (A, cortesia de Tony Brain e Science Photo Libra- ry; B, cortesia de J.S. e E. J. Woolmer, © Oxford Scienti?c Films; C, cortesia de John In- nes Foundation; D, cortesia de Jonathan Gor- don, IFAW.) Em cada célula, as instruções no DNA são lidas, ou transcritas, em um grupo de mo- léculas quimicamente relacionadas feitas de RNA (Figura 1-2). As mensagens carre- gadas pelas moléculas de RNA são então traduzidas, agora em uma outra forma quí- mica: elas são utilizadas para direcionar a síntese de uma enorme variedade de grandes moléculas de proteínas que dominam o comportamento da célula, servindo como suportes estruturais, catalistas químicos, motores moleculares e assim por dian- te. Em cada ser vivo, o mesmo grupo de 20 aminoácidos é utilizado para sintetizar proteínas. Mas os aminoácidos estão ligados em diferentes seqüências, conferindo diferentes propriedades químicas nas moléculas protéicas, assim como diferentes se- qüências de letras signi?cam diferentes palavras. Dessa maneira, a mesma maquina- ria bioquímica básica serviu para gerar toda uma gama de seres vivos (Figura 1-3). Uma discussão mais detalhada da estrutura e da função de proteínas, RNA e DNA Se as células são a principal unidade da matéria viva, então, nada menos do que uma célula pode ser verdadeiramente chamada de vida. Os vírus, por exemplo, con- têm alguns dos mesmos tipos de moléculas que as células, mas não têm a capacidade de se reproduzirem pelos seus próprios esforços; eles só conseguem ser copiados pa- rasitando a maquinaria reprodutiva das células que eles invadem. Desse modo, os vírus são zumbis químicos, inertes e inativos fora da sua célula hospedeira, mas exer- cendo um controle maligno uma vez que conseguem entrar.

Todas as Células Atuais Evoluíram a Partir de um Mesmo Ancestral Uma célula se reproduz pela duplicação do seu DNA e depois se divide em duas, passando uma cópia das informações genéticas codi?cadas no DNA para cada uma das suas células-?lha. Por isso, as células ?lhas se parecem com as células parenterais. A cópia nem sempre é perfeita, e as informações são ocasionalmente corrompidas.

(A) (B)

Por essa razão, as células-?lha nem sempre se comparam exatamente com as paren- terais. Mutações ? alterações no DNA ? podem criar descendentes que são alterados para pior (no que eles são menos capazes de sobreviver e reproduzir); alterados para melhor (no que eles são mais capazes de sobreviver e reproduzir); ou alterados neu- tralmente (no que eles são geneticamente diferentes, mas igualmente viáveis). A luta pela sobrevivência elimina o primeiro, favorece o segundo e tolera o terceiro. Os ge- nes da próxima geração serão os genes dos sobreviventes. Intermitentemente, o pa- drão dos descendentes pode ser complicado pela reprodução sexual, na qual duas células da mesma espécie fusionam, unindo o seu DNA; as cartas genéticas são então misturadas, repartidas e distribuídas em novas combinações para a próxima geração Esses princípios simples de alteração e seleção, aplicados repetidamente duran- te bilhões de gerações de células, são a base da evolução ? o processo pelo qual as es- pécies vivas se modi?cam gradualmente e se adaptam ao seu meio de maneiras cada vez mais so?sticadas. A evolução oferece uma explicação surpreendente, mas convin- cente, do motivo pelo qual as células dos dias de hoje são tão semelhantes nos seus fundamentos: todas elas herdaram as suas informações genéticas a partir do mesmo ancestral comum. Estima-se que essa célula ancestral existiu entre 3,5 bilhões e 3,8 bilhões de anos atrás, e devemos supor que ela continha um protótipo da maquinaria universal de toda a vida atual na Terra. Por meio de mutações, os seus descendentes divergiram gradualmente para preencher cada habitat na Terra com coisas vivas, ex- plorando o potencial da maquinaria em uma in?nita variedade de formas.

Os Genes Fornecem as Instruções para a Forma, a Função e o Comportamento Complexo das Células O genoma das células ? isto é, toda a biblioteca de informação genética no seu DNA ? fornece um programa genético que instrui a célula sobre seu funcionamen- to, e as células vegetais e animais, sobre seu crescimento para formar um organismo com centenas de diferentes tipos de células. Dentro de uma planta ou animal indi- vidual, essas células podem ser extraordinariamente variadas, como discutiremos no Capítulo 21. Células gordurosas, células da pele, células dos ossos e células ner- vosas parecem tão diferentes quanto quaisquer células poderiam ser. Contudo, es- ses tipos diferenciados de células são gerados durante o desenvolvimento embrioná- rio a partir de uma única célula-ovo fertilizada, e todas contêm cópias idênticas do DNA da espécie. Suas características variadas originam-se a partir do modo pelo qual as células individuais utilizam suas informações genéticas. Diferentes células expressam diferentes genes, isto é, elas acionam a produção de algumas proteínas e não de outras, dependendo dos estímulos que elas e suas células ancestrais recebe- O DNA, portanto, não é apenas uma lista de compras especi?cando as molécu- las que cada célula deve ter, e uma célula não é apenas uma montagem de todos os itens da lista. Cada célula é capaz de realizar uma variedade de tarefas biológicas, dependendo do seu ambiente e da sua história, utilizando a informação codi?cada no seu DNA para guiar as suas atividades. Mais adiante neste livro, veremos com deta- lhes como o DNA de?ne tanto a lista das partes da célula como as regras que deci- dem quando e onde estas partes devem ser sintetizadas.

Células Sob o Microscópio Hoje temos a tecnologia para decifrar os princípios subjacentes que governam a es- trutura e a atividade da célula. Mas a biologia celular teve início sem essas ferramen- tas. Para apreciar o apuro enfrentado por aqueles que primeiro visualizaram as célu- las, imagine a perplexidade de um cientista de uma era passada ? digamos, Leonardo da Vinci ? tentando compreender o funcionamento de um computador laptop atual moderno. Não teríamos meios de saber que a chave para compreender como essa Fundamentos da Biologia Celular 5

Questão 1-2 As mutações são erros no DNA que alteram o plano genético a partir da gera- ção anterior. Imagine Você esperaria que erros (p. ex., alterações não-in- tencionais) na cópia do desenho do sapato levariam a melho- rias nos sapatos produzidos? Explique a sua resposta.

Questão 1-3 Você se envolveu em um ambicioso projeto de pes- quisa: criar vida em um tubo de ensaio. Você fer- ve uma mistura rica de ex- trato de levedura e ami- noácidos em um frasco junto com uma pequena quantidade de sais inorgânicos sabida- mente essenciais para a vida. Você Após vários meses, o líquido está claro como sempre e não existem sinais de vida. Um amigo sugere que a exclusão de ar foi um erro já que a vida, como sabemos, requer oxigênio. Você repete o experimento, mas dessa vez deixa o frasco aberto à atmosfera. Para o seu grande prazer, o líquido se torna turvo após poucos dias e, sob o microscópio, você visualiza bonitas pequenas célu- las que claramente estão crescendo e se dividindo. Esse experimento prova que você conseguiu gerar uma nova forma de vida? Como você planejaria de novo o seu experimento para per- mitir a entrada de ar no seu frasco, eli- minando, contudo, a possibilidade de que a contaminação seja a explicação para os resultados? (Para uma respos- ta correta, consulte os experimentos de Louis Pasteur.) máquina funciona se encontra na identi?cação e decodi?cação dos seus programas. Depois de examinar a caixa externa do laptop, erguer a tela e cutucar as teclas, este indivíduo culto e curioso poderá abrir o objeto para ver o que tem dentro: nenhuma engrenagem ou manivela, nenhum duende minúsculo escrevendo mensagens na tela. Em vez disso, ele se confrontaria com placas cobertas com marcas metálicas e incrus- tadas com pedaços retangulares pretos; um objeto pesado, semelhante a um tijolo, que solta pequenas faíscas quando cutucado com um par de pequenas pinças de me- tal, e vários outros pequenos pedaços e partes profundamente intrigantes. Os primei- ros biologistas celulares concentraram-se em um tipo semelhante de exploração. Eles iniciaram simplesmente observando tecidos e células, rompendo-as ou fatiando-as e tentando observar atentamente dentro delas. O que eles viram era para eles, como para o sábio renascentista confrontado com o computador, profundamente confuso. Contudo, esse tipo de investigação visual foi a primeira etapa em direção à compre- Em geral, as células são muito pequenas ? pequenas demais para serem vistas a olho nu. Elas não foram visíveis até o século XVII, quando o microscópio foi inven- tado. Durante centenas de anos depois, tudo o que era sabido sobre as células foi descoberto utilizando esse instrumento. Os microscópios ópticos, que utilizam luz vi- sível para iluminar os espécimes, ainda são peças vitais de equipamentos em um labo- Embora esses instrumentos agora incorporem muitas melhorias, as proprieda- des da própria luz colocam um limite para a nitidez de detalhes que eles podem reve- lar. Os microscópios eletrônicos, inventados nos anos 30, vão além desse limite pela utilização de feixes de elétrons em vez de feixes de luz como fonte de iluminação, aumentando grandemente a sua capacidade para ver os ?nos detalhes das células e até mesmo tornando algumas moléculas grandes visíveis individualmente. Um pano- rama dos principais tipos de microscopia utilizados para examinar células encontra- se no Painel 1-1 (p. 8-9).

(A) (B) existentes, foi ansiosamente contestada, mas ela foi ?nalmente con?rmada por expe- O princípio de que as células são geradas apenas a partir de células preexisten- tes e herdam suas características a partir delas fundamenta toda a biologia e dá ao assunto uma única idéia: em biologia, as questões sobre o presente estão inevitavel- mente ligadas às questões sobre o passado. Para entender por que as células e os or- ganismos de hoje se comportam dessa maneira, precisamos entender a sua história, todo o caminho de volta às origens vagas das primeiras células sobre a Terra. A teoria de Darwin sobre a evolução, publicada em 1859, forneceu a compreensão-chave que torna essa história compreensível, mostrando como a variação randômica e a seleção natural podem orientar a produção de organismos com novas características, adapta- dos a novos meios de vida. A teoria da evolução explica como a diversidade surgiu entre os organismos que compartilham um ancestral comum. Quando combinada com a teoria celular, ela conduz a uma visão de toda a vida, a partir do seu início até os dias atuais, como uma vasta árvore familiar de células individuais. Embora este li- vro aborde a maneira pela qual as células trabalham hoje, o tema evolução deverá ser abordado mais vezes.

Células, Organelas e Até Mesmo Moléculas Podem Ser Visualizadas Sob o Microscópio Se você corta uma fatia muito ?na de um tecido vegetal ou animal adequado e o co- loca sob o microscópio óptico, você verá que o tecido está dividido em milhares de pequenas células. Estas poderão estar emaranhadas umas às outras ou separadas por uma matriz extracelular, um material denso freqüentemente feito de ?bras protéicas embutidas em um gel polissacarídico (Figura 1-5). Cada célula tem normalmente cerca de 5-20 µm de diâmetro (Figura 1-6). Se você tomou o cuidado de manter o seu espécime sob as condições certas, você verá que as células mostram sinais de vida: partículas se movem dando voltas dentro delas e se você observar pacientemente, poderá ver uma célula mudar de formato lentamente e se dividir em duas (ver Figura 1-4). (Alguns ?lmes acelerados de divisões de células estão incluídos no CD-ROM que acompanha este livro.) Fundamentos da Biologia Celular 7

Painel 1-1 Microscopia óptica e eletrônica O MICROSCÓPIO ÓPTICO

olho ocular objetiva espécime condensador fonte de luz o caminho da luz em um microscópio óptico MICROSCOPIA DE FLUORESCÊNCIA

ocular 2 FONTE DE LUZ espelho difusor de feixe 1 lentes objetivas objeto

Agentes fluorescentes utilizados para corar células são detectados com a ajuda de um microscópio de fluorescência. Este é similar a um microscópio óptico comum, com a exceção de que a luz que ilumina é passada através de um conjunto de filtros. O primeiro ( 1 ) filtra a luz antes que ela alcance o espécime, passando apenas aqueles comprimentos de onda que excitam o agente fluorescente em particular. O segundo ( 2 ) repreende essa luz e passa apenas aqueles comprimentos de onda emitidos quando o agente fluorescente emite fluorescência. Objetos corados aparecem com cor brilhante sobre um fundo escuro.

VISUALIZANDO CÉLULAS VIVAS A mesma célula animal (fibroblasto) viva não-corada em cultura vista por (A) microscopia direta (campo (A) claro); (B) microscopia de contraste de fase; (C) microscopia de contraste de interferência. Esse último sistema explora as diferenças na maneira como a luz viaja através das regiões da célula (B) com diferentes índices de refração. Todas as três imagens podem ser obtidas no mesmo microscópio simplesmente trocando-se os componentes ópticos.

(C) AMOSTRAS FIXADAS A maioria dos tecidos não é suficientemente pequena nem transparente para ser examinada diretamente pelo microscópio. Portanto, em geral eles são quimicamente fixados e cortados em fatias muito finas, ou secções, que podem ser montadas sobre uma lâmina de vidro para microscópio e subseqüentemente corados para Uma secção corada da ponta de uma raiz de uma planta é mostrada aqui (D). (Cortesia de (D) Catherine Kidner.) SONDAS FLUORESCENTES Células em divisão visualizadas sob um microscópio de fluorescência depois de serem coradas com um agente fluorescente específico.

Fundamentos da Biologia Celular 9 MICROSCOPIA CONFOCAL Um microscópio confocal é um microscópio de fluorescência com um laser como fonte de iluminação. Este é focado sobre um único ponto a uma profundidade específica no espécime, e um orifício de abertura no detector permite que apenas a fluorescência emitida a partir do ponto exato do foco seja incluída na imagem. A varredura do feixe de laser através do espécime gera uma imagem bidimensional bem-definida do plano de foco. Uma série de secções ópticas a diferentes profundidades permite que uma imagem tridimensional seja construída. Um embrião intacto de inseto é mostrado aqui corado com uma sonda fluorescente para actina (um tipo de proteína). (A) A microscopia convencional de fluorescência gera uma imagem borrada pela presença de estruturas fluorescentes acima e abaixo do plano de foco. (B) A microscopia confocal fornece uma secção óptica resoluta das (A) (B) células no embrião. (A, cortesia de Richard Warn; B, cortesia de Peter Shaw.) 10 µm

MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE TRANSMISSÃO canhão de elétrons lentes condensadoras

espécime Cortesia de Phillips Electron Optics lentes objetivas A micrografia eletrônica abaixo mostra uma pequena região de uma célula em um pedaço de testículo. O tecido foi fixado quimicamente, embutido em plástico e cortado em secções muito finas que foram coradas com sais de urânio e tela para chumbo. (Cortesia de Daniel S. visualização ou filme fotográfico Friend.) lentes do projetor

0,5 µm O microscópio eletrônico de transmissão (TEM ? transmission electron microscope) é, em princípio, similar a um microscópio óptico de inversão, mas ele utiliza um feixe de elétrons, em vez de um feixe de luz, e bobinas magnéticas para focar o feixe, em vez das lentes de vidro. O espécime, que é colocado no vácuo, deve ser muito fino. O contraste normalmente é introduzido por corantes de metal pesado eletrondensos, que absorvem ou espalham localmente os elétrons, removendo-os do feixe à medida que passam através do espécime. O TEM tem um poder de aumento útil de até um milhão de vezes e uma resolução, com espécimes biológicos, de detalhes tão pequenos como cerca de 2 nm.

Cortesia de Phillips Electron Optics gerador da varredura tela de vídeo detector MICROSCOPIA ELETRÔ- NICA DE VARREDURA canhão de elétrons

lentes condensadoras defletor do feixe lentes objetivas elétrons a partir do espécime espécime No microscópio eletrônico de varredura (SEM ? scanning electron microscope), o espécime, que foi coberto com um filme muito fino de um metal pesado, é varrido por um feixe de elétrons focalizados no espécime pelas bobinas eletromagnéticas que, nos microscópios eletrônicos, agem como lentes. A quantidade de elétrons varridos ou emitidos à medida que o feixe bombardeia cada ponto sucessivo na superfície do espécime é medida pelo detector e é utilizada para controlar a intensidade dos pontos sucessivos em uma imagem montada na tela de vídeo. O microscópio cria imagens impressionantes de objetos tridimensionais com grande profundidade de foco e resolução de detalhes entre 3 nm e 20 nm, dependendo do instrumento.

Figura 1-5 As células formam tecidos em plantas e animais. (A) Células na ponta de uma raiz de samambaia, com o núcleo em vermelho, e cada célula envolta por uma del- gada parede celular (azul). (B) Células no ducto coletor de urina dos rins. Cada ducto é constituído de células intimamente compacta- das (com núcleo corado em vermelho), apare- cendo como um anel nesta secção transver- sal. O anel está envolto por matriz extracelular, corada de púrpura. (A, cortesia de James Mauseth, University of Texas; B, a partir de P.R. Wheater et al., Functional Histo- logy, 2nd edn. Edinburgh: Churchill Livingsto- ne, 1987.)

0,2 mm (200 µm) mínimo resolvido a olho nu CÉLULAS ORGANELAS MOLÉCULAS ÁTOMOS x10 20 µm x10 2 µm x10 200 nm mínimo resolvido pelo microscópio óptico x10 20 nm x10 2 nm x10 0,2 nm mínimo resolvido pelo microscópio eletrônico

1 m = 103 mm = 106 µm = 109 nm Figura 1-6 O que podemos ver? Esse esque- ma mostra os tamanhos das células e das suas partes componentes, bem como as uni- dades nas quais elas são medidas.

(A) (B) 50 µm 50 µm

citoplasma membrana plasmática núcleo (A) 40 µm membranas internas. Com um microscópio eletrônico, até mesmo algumas das gran- des moléculas individuais em uma célula podem ser visualizadas (Figura 1-8C). O tipo de microscópio eletrônico utilizado para observar uma ?na secção de tecido é conhecido como microscópio eletrônico de transmissão. Este é em princípio semelhante a um microscópio óptico, ele transmite um feixe de elétrons em vez de um feixe de luz através da amostra. Um outro tipo de microscópio eletrônico ? o mi- croscópio eletrônico de varredura ? dispersa elétrons ao longo da amostra e, desse modo, é utilizado para visualizar os detalhes da superfície das células e outras estru- turas (ver Painel 1-1, p. 8-9). A microscopia eletrônica permite aos biólogos visualizar as estruturas de membranas biológicas, que têm apenas duas moléculas (grandes) de espessura (descrita em detalhe nos Capítulos 11 e 12). Até mesmo com os mais pode- rosos microscópios eletrônicos, entretanto, não se podem visualizar os átomos indivi- O microscópio não é a única ferramenta que os biologistas moleculares utilizam para estudar os detalhes dos componentes celulares. Técnicas como a cristalogra?a de raio X, por exemplo, podem ser utilizadas para determinar a estrutura tridimen- sional de moléculas protéicas (discutido no Capítulo 4). Deveremos descrever outros métodos para sondar os trabalhos internos das células à medida que eles surgirem por todo o livro.

A Célula Procariótica De todos os tipos de células reveladas pelo microscópio, as bactérias têm a estrutura mais simples e quase chegam a nos mostrar a vida desnudada até o seu âmago. Na verdade, as bactérias essencialmente não contêm organelas ? nem mesmo um núcleo para conter o seu DNA. Essa propriedade ? a presença ou ausência de um núcleo ? é utilizada como base para uma classi?cação simples, mas fundamental para todos os organismos vivos. Os organismos cujas células têm um núcleo são chamados de euca- riotos (a partir das palavras gregas eu, signi?cando ?verdadeiro? ou ?real? e karyon, uma ?parte central? ou ?núcleo?). Os organismos cujas células não têm um núcleo são chamados de procariotos (a partir de pro, signi?cando ?antes?). Os termos ?bac- téria? e ?procarioto? são freqüentemente utilizados de forma alternada, embora ve- jamos que a categoria dos procariotos também inclui uma outra classe de células, tão Fundamentos da Biologia Celular 11

membrana plasmática organela fibras (B) 5 µm

membrana plasmática retículo endoplasmático peroxissomo núcleo

Fundamentos da Biologia Celular 13 Figura 1-8 (página à esquerda) A estrutura ?na de uma célula pode ser visualizada em um mi- croscópio eletrônico de transmissão. (A) Secção ?na de uma célula do fígado mostrando a enorme quantidade de detalhes que são visíveis. Alguns dos componentes a serem discutidos mais adiante no capítulo estão marcados; eles são identi?cáveis pelo seu tamanho e forma. (B) Uma pequena re- gião do citoplasma com um aumento um pouco maior. As estruturas menores, claramente visíveis, são os ribossomos; cada um é formado por cerca de 80-90 macromoléculas individuais. (C) Porção de uma molécula longa de DNA em forma de cordão, isolada a partir de uma célula e vista por mi- croscopia eletrônica. (A e B, cortesia de Daniel S. Friend; C, cortesia de Mei Lie Wong.)

20 mm 2 mm 0,2 mm 20 µm 2 µm 0,2 µm 20 nm 2 nm 0,2 nm Figura 1-9 Qual o tamanho de uma célula e qual o tamanho das suas partes? Esse diagrama transmite um sentido de escala entre células vivas e átomos. Cada painel mostra uma imagem que é aumentada por um fator de 10 em uma progressão imaginária a partir de um dedo polegar, através de células da pele, passando por um ribossomo e por último até um grupo de átomos que formam parte de uma das várias moléculas protéicas em nosso corpo. Os detalhes da estrutura molecular, como mostrado nos dois últimos painéis, estão além do poder de um microscópio eletrônico.

Figura 1-10 As bactérias se apresentam com diferentes formas e tamanhos. Bacté- rias típicas esféricas, em forma de bastão e As células espirais mostradas são os organis- mos que causam a sí?lis.

Nota sobre nomes biológicos As espécies de organismos vivos são o?cialmente identi?cadas por um par de palavras em latim normalmente es- critas em itálico, semelhante ao nome e sobrenome de uma pessoa. O gênero (Escherichia, correspondendo ao nome) é anunciado primeiro; o segun- do termo (coli) classi?ca este, identi?- cando uma espécie em particular que pertence àquele gênero. O nome do gênero pode ser abreviado (E. coli) ou a classi?cação da espécie pode ser re- tirada (de modo que freqüentemente falamos da mosca Drosophila, queren- do dizer Drosophila melanogaster).

coli) é mais bem-compreendida a fundo do que qualquer outro organismo vivo. Uma microgra?a eletrônica de uma secção longitu- dinal é mostrada aqui; o DNA da célula está (Cortesia de E. Kellenberger.) 2 µm

células esféricas, células em formato de bastão, células espirais, p. ex., Streptococcus p. ex., Escherichia coli, p. ex., Treponema pallidum Salmonella

remotamente relacionadas às bactérias comuns para as quais é dado um nome sepa- As bactérias são tipicamente pequenas ? apenas uns poucos micrômetros de comprimento ? e em forma de esferas ou semelhantes a um bastão ou a um saca-ro- lha (Figura 1-10). Elas freqüentemente têm uma cobertura protetora resistente, cha- mada de parede celular, envolvendo a membrana plasmática, que cerca um único compartimento contendo o citoplasma e o DNA. Ao microscópio eletrônico, esse interior da célula normalmente aparece como uma matriz de texturas variáveis sem nenhuma estrutura interna óbvia organizada (Figura 1-11). As células se reproduzem rapidamente, dividindo-se em duas. Sob condições ótimas, quando os nutrientes são abundantes, uma célula procariótica pode duplicar-se em um espaço de tempo, às vezes de 20 minutos. Em menos de 11 horas, por divisões repetidas, um único proca- rioto pode dar origem a 5 bilhões de descendentes (aproximadamente igual ao núme- ro total de humanos sobre a terra). Graças ao seu grande número, velocidade de crescimento rápido e capacidade de trocar porções de material genético por um pro- cesso similar ao sexo, as populações de células procarióticas podem se desenvolver rapidamente, adquirindo depressa a capacidade de utilizar uma nova fonte de ali- mento ou resistir à morte por um antibiótico novo.

Os Procariotos São as Células Mais Diversas A maioria dos procariotos vive como um organismo unicelular, embora alguns se unam para formar cadeias, grupos ou outras estruturas multicelulares organizadas. Na forma e estrutura, os procariotos podem parecer simples e limitados, mas em termos de química eles são a classe mais diversa e criativa de células. Essas criaturas exploram uma enorme amplitude de habitats, a partir de poças quentes de lama vul- cânica até o interior de outras células vivas, e elas excedem muito em número de ou- tros organismos vivos na Terra. Algumas são aeróbicas, utilizando oxigênio para oxi- dar moléculas de alimento; outras são estritamente anaeróbicas e morrem à mínima exposição ao oxigênio. Como veremos mais adiante neste capítulo, supõe-se que as mitocôndrias ? as organelas que geram energia para a célula eucariótica ? tenham evoluído a partir de bactérias aeróbicas que decidiram viver dentro de ancestrais ana- eróbicos das células eucarióticas atuais. Desse modo, nosso próprio metabolismo, baseado em oxigênio, pode ser considerado como produto das atividades de células bacterianas.

HS V (A) 10 µm (B) 1 µm Praticamente qualquer material orgânico, desde madeira até petróleo, pode ser utilizado como alimento por um tipo de bactéria ou outro. Ainda mais extraordina- riamente, alguns procariotos podem viver inteiramente em substâncias inorgânicas: eles obtêm seu carbono a partir do CO na atmosfera, seu nitrogênio a partir do N 22 atmosférico e seu oxigênio, hidrogênio, enxofre e fósforo a partir do ar, água e mine- rais inorgânicos. Algumas dessas células procarióticas, como as células de vegetais, realizam a fotossíntese, obtendo a energia que elas necessitam para a biossíntese a partir da luz solar (Figura 1-12); outras produzem energia a partir da reatividade química de substâncias inorgânicas no meio (Figura 1-13). Em qualquer caso, esses procariotos realizam uma parte única e fundamental na economia da vida na Terra: outros seres vivos dependem dos compostos orgânicos que essas células geram a par- Plantas também podem capturar energia a partir da luz solar e carbono a par- tir do CO atmosférico. Mas as plantas, quando não auxiliadas pelas bactérias, não 2 podem capturar N a partir da atmosfera e, de certa maneira, até mesmo as plantas 2 dependem das bactérias para a fotossíntese. É quase certo que as organelas nas células vegetais que realizam a fotossíntese ? os cloroplastos ? evoluíram a partir de bactérias fotossintéticas que encontraram um lar dentro do citoplasma das células vegetais.

O Mundo dos Procariotos É Dividido em Dois Domínios: Eubactéria e Arqueobactéria Tradicionalmente, todos os procariotos têm sido classi?cados juntos em um grande grupo. Mas estudos moleculares revelaram que existe uma linha divisória dentro da classe dos procariotos que a divide em dois domínios distintos, chamados de eubacté- rias (ou simplesmente bactérias) e arqueobactérias. Extraordinariamente, em nível molecular, os membros desses dois domínios diferem tanto um do outro quanto dos eucariotos. A maioria dos procariotos familiares da vida do dia a dia ? as espécies que vivem no solo ou causam doenças ? são eubactérias. As arqueobactérias não são ape- nas encontradas nesses habitats, mas também em meios hostis para a maioria das outras células: existem espécies que vivem em água salgada concentrada, em fontes ácidas quentes de origem vulcânica, nos sedimentos marinhos das profundezas com pouco ar, na borra resultante do tratamento de esgotos em plantas industriais, em poças abaixo de superfícies congeladas da Antártica e no meio ácido livre de oxigênio

Figura 1-13 Uma sulfobactéria obtém a sua energia a partir de H S. Beggiatoa, um procarioto 2 que vive em meios com enxofre, oxida H S e pode ?xar carbono até mesmo no escuro. Nesta micro- 2 gra?a óptica, depósitos amarelos de enxofre podem ser visualizados dentro das células. (Cortesia de Ralph W. Wolfe.) Fundamentos da Biologia Celular 15

Figura 1-12 Algumas bactérias são fotossintéticas. (A) Anabaena cylindrica for- ma longos ?lamentos multicelulares. Essa mi- crogra?a óptica mostra células especializadas que, ou ?xam nitrogênio (isto é, capturam N 2 a partir da atmosfera e o incorporam nos compostos orgânicos; marcados H) e ?xam CO (através da fotossíntese; V), ou desenvol- 2 vem esporos resistentes (S). (B) Uma micro- gra?a eletrônica do Phormidium laminosum mostra as membranas intracelulares onde a fotossíntese ocorre. Note que mesmo alguns procariotos podem formar organismos multi- celulares simples. (A, cortesia de David Ada- ms; B, cortesia de D. P. Hill e C. J. Howe.)

Questão 1-4 Uma bactéria pesa cerca de 10?12 g e pode se dividir a cada 20 minutos. Se uma única célula bacte- riana continua a se dividir a essa velocidade, quanto tempo levaria antes que a massa de bactérias se Compare seu resultado com o fato de que as bactérias se originaram no mí- nimo 3,5 bilhões de anos atrás e têm se dividido desde então. Explique o paradoxo aparente. (O número N de células em uma cultura no tempo t é descrito pela equação N = N × 2t/G, 0 onde N é o número de células no 0 tempo zero e G é o tempo de duplica- ção da população.)

5 µm Figura 1-14 Leveduras são eucariotos sim- ples de vida livre. A célula mostrada nessa microgra?a óptica pertence à mesma espécie que faz uma rosquinha crescer e torna o suco da cevada maltado em cerveja. Ela se repro- duz pela formação de brotos e depois pela di- visão assimétrica em uma célula-?lha grande e uma pequena. (Cortesia de Soren Mogels- vang e Natalia Gomez-Ospina.)

(A) núcleo do estômago de bovinos, onde elas degradam celulose e geram gás metano. Vários desses meios se assemelham às duras condições que devem ter existido na terra pri- mitiva, onde os seres vivos começaram a evoluir, antes da atmosfera se tornar rica em oxigênio.

A Célula Eucariótica Células eucarióticas, em geral, são maiores e mais elaboradas do que as bactérias e arqueobactérias. Algumas vivem vidas independentes, como organismos unicelula- res, como as amebas e as leveduras (Figura 1-14); outras vivem em agrupamentos multicelulares. Todos os organismos multicelulares mais complexos ? incluindo plan- Por de?nição, todas as células eucarióticas têm um núcleo. Mas a posse de um núcleo signi?ca possuir também uma variedade de outras organelas, cuja maioria é igualmente comum a todos esses organismos eucarióticos. Agora, daremos uma olha- da nas principais organelas encontradas nas células eucarióticas a partir do ponto de vista das suas funções.

O Núcleo É o Depósito de Informações da Célula O núcleo é normalmente a organela mais saliente em uma célula eucariótica (Figura 1-15). Ele está envolvido por duas membranas concêntricas que formam o envelope

núcleo envelope nuclear cromossomos condensados

25 µm nuclear e contém moléculas de DNA ? polímeros extremamente longos que codi?- cam para as informações genéticas do organismo. Ao microscópio óptico, essas molé- culas gigantes de DNA se tornam visíveis na forma de cromossomos individuais, quando eles se tornam mais compactos à medida que a célula se prepara para dividir- se em duas células-?lha (Figura 1-16). O DNA também armazena a informação gené- tica nas células procarióticas; essas células não apresentam um núcleo distinto não porque não têm DNA, mas porque elas não o mantêm dentro de um envelope nucle- ar, segregado do resto do conteúdo da célula.

As Mitocôndrias Geram Energia a Partir de Nutrientes para Energizar a Célula Entre as organelas mais notáveis no citoplasma, as mitocôndrias estão presentes em essencialmente todas as células eucarióticas (Figura 1-17). Essas organelas têm uma estrutura muito distinta quando visualizadas sob o microscópio eletrônico: cada mi- tocôndria parece ter a forma de uma salsicha ou verme de um a vários micrômetros de comprimento, e cada uma está envolvida em duas membranas separadas. A mem- brana interna é formada por dobras que se projetam para o interior da mitocôndria (Figura 1-18). As mitocôndrias contêm seu próprio DNA e se reproduzem dividindo- se em duas. Como as mitocôndrias se parecem com bactérias de várias maneiras, su- põe-se que elas derivem de bactérias que foram englobadas por algum ancestral das células eucarióticas atuais (Figura 1-19). Isso, evidentemente, criou uma relação sim- biótica ? um relacionamento em que o eucarioto hospedeiro e a bactéria englobada A observação sob o microscópio por si só dá pouca indicação sobre o que as mi- tocôndrias fazem. A sua função foi descoberta rompendo as células e então centrifu- gando a sopa de fragmentos celulares em uma centrífuga; isso separa as organelas de acordo com o seu tamanho, forma e densidade. As mitocôndrias puri?cadas foram então testadas para saber quais os processos químicos que elas poderiam realizar. Isso revelou que as mitocôndrias são geradoras de energia química para a célula. Elas aproveitam a energia a partir da oxidação de moléculas de alimento, como os açúca- res, para produzir adenosina trifosfato, ou ATP ? o combustível químico básico que energiza a maioria das atividades das células. Como as mitocôndrias consomem oxigê- nio e liberam dióxido de carbono no curso das suas atividades, todo o processo é cha- mado de respiração celular ? fundamentalmente, respiração em um nível celular. O processo de respiração celular será considerado com mais detalhes no Capítulo 14. Sem as mitocôndrias, os animais, os fungos e as plantas seriam incapazes de utilizar oxigênio para extrair o máximo de quantidade de energia a partir das molécu- las de alimento que as nutrem. O oxigênio seria um veneno para elas, em vez de uma necessidade essencial. De fato, existem alguns eucariotos que não têm mitocôndrias e vivem apenas em meios livres de oxigênio.

Fundamentos da Biologia Celular 17 Figura 1-16 Os cromossomos tornam-se vi- síveis quando uma célula está para se dividir. À medida em que a célula se prepara para a divisão, o seu DNA condensa em cro- mossomos semelhantes a cordões que podem ser distinguidos ao microscópio óptico. As fo- togra?as mostram três etapas sucessivas nes- se processo em uma célula de cultura a partir de pulmão de salamandra aquática. (Cortesia de Conly L. Rieder.)

(B) (C) (A) Figura 1-18 O microscópio eletrônico revela as dobras na membrana mitocondrial. (A) Um corte transversal de uma mitocôndria. (B) Essa representação tridimensional da organi- zação da membrana mitocondrial mostra a membrana externa lisa e a membrana interna muito convoluta. A membrana interna contém a maioria das proteínas responsáveis pela res- piração celular, e ela é altamente dobrada para fornecer uma grande área de superfície para a sua atividade. (C) Nessa célula esque- mática, o espaço interior da mitocôndria está corado. (A, cortesia de Daniel S. Friend.)

Figura 1-19 As mitocôndrias provavelmente se desenvolveram a partir de bactérias englobadas. É praticamente certo que as mi- tocôndrias se originaram a partir de bactérias que foram englobadas por uma célula eucarió- tica ancestral e sobreviveram dentro dela, vi- vendo em simbiose com o seu hospedeiro.

100 nm Os Cloroplastos Capturam Energia a Partir da Luz Solar Os cloroplastos são grandes organelas verdes encontradas apenas nas células de ve- getais e algas, e não nas células de animais ou fungos. Essas organelas têm uma es- trutura ainda mais complexa do que a das mitocôndrias: além das duas membranas que as envolvem, os cloroplastos possuem pilhas internas de membranas contendo o pigmento verde cloro?la (Figura 1-20). Quando uma planta é mantida no escuro, a sua cor verde desaparece; quando colocada de volta na luz, a sua cor verde retorna. Isso sugere que a cloro?la e os cloroplastos que a contêm sejam cruciais para o rela- cionamento especial que as plantas e algas têm com a luz. Mas o que é esse relacio- namento?

célula eucariótica ancestral célula eucariótica membranas aeróbica primitiva internas núcleo

Fundamentos da Biologia Celular 19 membranas contendo clorofila

membrana externa membrana interna parede celular vacúolo (A) (B) (C) 20 µm 1 µm

Todos os animais e plantas necessitam de energia para viver, crescer e reprodu- zir. Os animais apenas podem utilizar a energia química que eles obtêm alimen- tando-se de produtos de outros seres vivos. Mas as plantas podem obter a sua energia diretamente a partir da luz solar, e os cloroplastos são as organelas que as permitem fazer isso. A partir do ponto de vista da vida na Terra, os cloroplas- tos realizam uma tarefa até mesmo mais essencial do que as mitocôndrias: eles realizam a fotossíntese ? isto é, eles capturam a energia da luz solar em molécu- las de cloro?la e utilizam essa energia para conduzir a fabricação de moléculas de açúcar ricas em energia. No processo, eles liberam oxigênio como um subpro- duto molecular. Então, as células vegetais podem extrair essa energia química armazenada quando necessitarem, pela oxidação desses açúcares nas suas mito- côndrias, exatamente como as células animais. Dessa forma, os cloroplastos ge- ram tanto as moléculas de alimento como o oxigênio que todas as mitocôndrias Como as mitocôndrias, os cloroplastos contêm o seu próprio DNA, se reprodu- zem dividindo-se em dois e supõe-se que tenham evoluído a partir de bactérias ? nes- se caso a partir de bactérias fotossintéticas que foram de algum modo englobadas por células eucarióticas primitivas (Figura 1-21).

Membranas Internas Criam Compartimentos Intracelulares com Diferentes Funções Núcleo, mitocôndrias e cloroplastos não são as únicas organelas envolvidas por mem- branas dentro das células eucarióticas. O citoplasma contém uma abundância de ou- tras organelas ? a maioria delas envolvida por membranas simples ? que realizam várias funções distintas. A maioria dessas estruturas está envolvida com a capacidade das células de importar materiais crus e exportar substâncias manufaturadas e produ- tos inúteis. Algumas dessas organelas envolvidas por membranas estão muito aumen- tadas nas células que são especializadas pela secreção de proteínas; outras são parti- cularmente numerosas em células especializadas na digestão de corpos estranhos. O retículo endoplasmático (RE) ? um labirinto irregular de espaços interconec- tados envolvido por uma membrana dobrada (Figura 1-22) ? é o local no qual a maio- ria dos componentes da membrana celular, assim como materiais destinados para a exportação a partir da célula, é sintetizado. Pilhas de sacos achatados envolvidos por membranas constituem o aparelho de Golgi (Figura 1-23), que recebe e com freqüên- cia modi?ca quimicamente as moléculas sintetizadas no retículo endoplasmático e Figura 1-20 Os cloroplastos capturam a energia da luz solar nas células vegetais. (A) Células de folhas em um musgo vistas sob um microscópio óptico, cada uma contendo vários cloroplastos verdes. (B) Microgra?a ele- trônica de um cloroplasto de uma folha de grama mostra o sistema extensivo de mem- branas internas das organelas. Os sacos acha- tados de membrana contêm cloro?la e estão arranjados em pilhas. (C) O esboço destaca as características vistas em (B).(B, cortesia de Eldon Newcomb.)

Questão 1-5 De acordo com a Figura 1-19, por que as mitocôn- drias têm tanto uma membrana externa como uma interna? Qual das duas membranas mito- condriais deveria ser ? em termos evolucionários ? derivada a partir da membrana celular da célula eucariótica ancestral? Na microgra?a eletrônica de uma mito- côndria na Figura 1-18A, identi?que o espaço que contém o DNA mitocon- drial, isto é, o espaço que corresponde ao citosol da bactéria que foi internali- zada pela célula eucariótica ancestral mostrada na Figura 1-19.

célula célula eucariótica primitiva eucariótica primitiva capaz de fotossíntese

Figura 1-21 Os cloroplastos, assim como as mitocôndrias, evoluíam a partir de bactérias englobadas. Supõe-se que os cloroplastos te- nham se originado a partir de bactérias fotos- sintéticas simbiontes, as quais foram capta- das por células eucarióticas primitivas que já continham mitocôndrias.

Figura 1-22 Vários componentes celulares são produzidos no retículo endoplasmático (RE). (A) Diagrama esquemático de uma cé- lula animal mostra o retículo endoplasmático em verde. (B) Microgra?a eletrônica de um corte ?no de uma célula pancreática de ma- mífero mostra uma pequena parte do retículo endoplasmático, do qual existem vastas áreas nesse tipo de célula, que é especializada em secreção de proteínas. Note que o RE é contí- As partículas pretas espalhadas por esta re- gião particular do RE mostradas aqui são os ribossomos ? os agrupamentos moleculares que realizam a síntese protéica. Por causa da sua aparência, o RE coberto por ribossomos é freqüentemente chamado de ?RE rugoso?. (B, cortesia de Lelio Orci.) cloroplastos bactéria fotossintética

então as direcionam para o exterior da célula ou para vários outros locais. Os lisos- somos são organelas pequenas de forma irregular nas quais ocorre a digestão intra- celular, liberando nutrientes a partir de partículas de alimento e degradando molé- culas indesejáveis para reciclagem ou excreção. Os peroxissomos são pequenas vesículas envolvidas por membranas que fornecem um meio abrangente de reações nas quais o peróxido de hidrogênio, um químico perigosamente reativo, é gerado e degradado. As membranas também formam vários tipos diferentes de pequenas ve- sículas envolvidas no transporte de materiais entre uma organela envolvida por membrana e outra. Todo esse sistema de organelas relacionadas está esquematizado Uma troca contínua de materiais ocorre entre o retículo endoplasmático, o apa- relho de Golgi, os lisossomos e o exterior da célula. A troca é mediada por pequenas vesículas envolvidas por membrana que brotam a partir da membrana de uma orga- nela e se fusionam com uma outra, como minúsculas bolhas de sabão que brotam e depois se unem em bolhas maiores. Na superfície da célula, por exemplo, porções da membrana plasmática se dobram para dentro e se desgrudam para formar vesículas que transportam, para dentro da célula, material capturado a partir do meio externo (Figura 1-25). Estas geralmente se fusionam com os lisossomos, onde o material im- portado é digerido. Células animais podem englobar partículas muito grandes ou até

núcleo envelope nuclear retículo endoplasmático

(B)vesículas envolvidas por membrana aparelho de Golgi retículo endoplasmático

envelope nuclear (A) Figura 1-23 O aparelho de Golgi assemelha-se a uma pilha de discos achatados. Essa organela, apenas visível sob o mi- croscópio óptico, mas freqüentemente imperceptível, está en- volvida na síntese e empacotamento de moléculas destinadas a serem secretadas a partir da célula, assim como no direciona- mento de proteínas recém-sintetizadas para o compartimento celular correto. (A) Diagrama esquemático de uma célula ani- mal com o aparelho de Golgi, marcado de vermelho. (B) Dese- nho do aparelho de Golgi, reconstruído a partir de imagens do microscópio eletrônico. A organela é composta de sacos acha- tados de membrana empilhados em camadas, a partir dos quais pequenas vesículas desgrudam-se e fusionam. (C) Micro- gra?a eletrônica do aparelho de Golgi de uma célula animal tí- pica. (C, cortesia de Brij J. Gupta.) (C)

mesmo células estranhas inteiras por esse processo de endocitose. O processo reverso, exocitose, pelo qual as vesículas do interior da célula se fusionam com a membrana plasmática e liberam seus conteúdos para o meio externo, também é uma atividade celular comum (ver Figura 1-25). Hormônios, neurotransmissores e outras moléculas de sinalização são secretados a partir das células por exocitose. Como as organelas envolvidas por membrana transportam proteínas e outras moléculas a partir de um local para outro dentro da célula será discutido com mais detalhes no Capítulo 15.

mitocôndria lisossomo peroxissomo citosol aparelho envelope de Golgi nuclear

vesícula retículo endoplasmático membrana (A) (B) plasmática Fundamentos da Biologia Celular 21

1 µm Figura 1-24 Organelas envolvidas por mem- brana estão distribuídas pelo citoplasma. (A) Existe uma variedade de compartimentos envolvidos por membrana dentro das células eucarióticas, cada uma es- pecializada para realizar uma função diferen- te. (B) O resto da célula, excluindo todas es- sas organelas, é chamado citosol (marcado de azul). Essa região é o local de várias ativida- des vitais para a célula.

IMPORTAÇÃO membrana plasmática EXPORTAÇÃO Questão 1-6 Sugira por que seria van- tajoso para as células eu- carióticas desenvolver sistemas internos elabo- rados de membranas que as permitam importar substâncias a partir do exterior, como mostrado na Figura 1-25.

Figura 1-25 As células dedicam-se à endocitose e à exocitose. As células podem importar mate- riais a partir do meio externo, capturando-os em vesículas que se originam a partir da membrana plasmática. Finalmente, as vesículas se fundem com os lisossomos, onde ocorre a digestão intrace- lular. Por um processo oposto, as células exportam materiais que elas sintetizaram nos compartimen- tos intracelulares: os materiais são armazenados em vesículas intracelulares e liberados para o exte- rior, quando essas vesículas se fusionam com a membrana plasmática.

O Citosol é um Gel Aquoso Concentrado, Formado de Moléculas Grandes e Pequenas Se conseguíssemos retirar a membrana plasmática de uma célula eucariótica e então remover todas as suas organelas envolvidas por membranas, incluindo o núcleo, RE, aparelho de Golgi, mitocôndrias e cloroplastos, ?caríamos com o citosol (Figura 1-24B). Na maioria das células, o citosol preenche o maior compartimento, que nas bactérias geralmente é o único compartimento intracelular. O citosol contém um grande número de moléculas grandes e pequenas, amontoadas tão intimamente que ele se comporta mais como um gel baseado em água do que como uma solução líqui- da (Figura 1-26). Ele é o local de várias reações químicas fundamentais para a exis- tência da célula. As primeiras etapas na quebra de moléculas nutrientes ocorrem no citosol, por exemplo, e também é nele que a célula realiza um dos seus processos de síntese básicos ? a manufatura de proteínas. Os ribossomos, as máquinas molecula- res minúsculas que fazem as moléculas protéicas, são visíveis sob o microscópio ele- trônico como pequenas partículas no citosol, freqüentemente ligadas à face citosólica do RE (ver Figuras 1-8B e 1-22B).

O Citoesqueleto É Responsável Pelos Movimentos Celulares Direcionados O citoplasma não é apenas uma sopa de químicos e organelas sem estrutura. Sob o microscópio eletrônico pode-se ver que nas células eucarióticas (mas não em bacté- rias), o citosol é cruzado por ?lamentos longos e ?nos de proteínas. Freqüentemente, os ?lamentos podem ser vistos ancorados por uma extremidade à membrana plasmá- tica ou irradiando para fora a partir de um local central adjacente ao núcleo. Esse sistema de ?lamentos é chamado de citoesqueleto (Figura 1-27). Os ?lamentos mais ?nos são os ?lamentos de actina, que estão presentes em todas as células eucarióticas, mas ocorrem especialmente em grande número dentro das células musculares, onde servem como parte da maquinaria que gera forças contráteis. Os ?lamentos mais grossos são chamados microtúbulos, porque eles têm a forma de diminutos tubos ocos. Eles se reorganizam em disposições espetaculares nas células em divisão, aju- dando a puxar os cromossomos duplicados em direções opostas e distribuindo-os igualmente para as duas célula-?lha (Figura 1-28). Intermediários na espessura, entre os ?lamentos de actina e os microtúbulos, estão os ?lamentos intermediários que ser- vem para fortalecer a célula estruturalmente. Esses três tipos de ?lamentos, e outras proteínas que se ligam a eles, formam um sistema de vigas, de ?os e de motores que

Fundamentos da Biologia Celular 23 (A) (B) (C) 50 µm

dão à célula o seu reforço mecânico, controlam o seu formato e dirigem e guiam seus Como o citoesqueleto governa a organização interna da célula, assim como as suas características internas, este se torna necessário para a célula vegetal ? contida em uma espécie de caixa delimitada por uma parede resistente de matriz celular ? como o é para uma célula animal que se dobra, estica, nada ou arrasta livremente. Em uma célula vegetal, por exemplo, organelas como as mitocôndrias são orientadas por uma corrente constante pelo interior celular ao longo das trilhas citoesqueléticas. As células animais e as células vegetais dependem também do citoesqueleto para se- parar seus componentes internos em dois conjuntos ?lhos durante a divisão celular. Examinaremos o citoplasma com detalhes no Capítulo 17. Estudaremos o seu papel na divisão celular nos Capítulos 18 e 19, e no Capítulo 16 veremos como os sinais a partir do meio alteram a sua estrutura.

O Citoplasma Está Longe de Ser Estático É útil observar os movimentos dentro de uma célula. O próprio citoesqueleto sempre se alterando, uma selva dinâmica de cordas e varas que estão sempre amarradas e separadas; os ?lamentos podem se agrupar e depois desaparecer em questão de mi- nutos. Ao longo dessas trilhas e cabos, as organelas e vesículas aceleram para frente a para trás, correndo de um lado para outro do comprimento da célula em uma fra- ção de segundo. O RE e as moléculas que preenchem cada espaço livre estão em agitação térmica frenética ? com proteínas não-ligadas zunindo ao redor tão rapida- mente, que, mesmo se movimentando ao acaso, elas visitam cada canto da célula em poucos segundos, colidindo constantemente como uma tempestade de poeira de mo- É claro, nem a natureza alvoroçada do interior da célula, nem os detalhes da estrutura da célula foram apreciados quando cientistas olharam pela primeira vez por um microscópio; nossa compreensão sobre a estrutura da célula foi se acumulando lentamente. Algumas das descobertas-chave estão listadas na Tabela 1-1. O Painel 1-2 resume as diferenças entre as células animais, vegetais e bacterianas.

Figura 1-28 Os microtúbulos ajudam a dis- tribuir os cromossomos em uma célula em divisão. Quando uma célula se divide, o seu envelope nuclear se rompe e o seu DNA se condensa em pares de cromossomos visíveis, que são puxados pelos microtúbulos para cé- lulas separadas. Os microtúbulos se irradiam a partir de um foco em extremidades opostas da célula em divisão. (Fotogra?a cortesia de Conly L. Rieder.)

Questão 1-7 Discuta as vantagens e desvantagens relativas da microscopia óptica e ele- trônica. Como você po- deria visualizar melhor (a) uma célula viva da pele, (b) uma mitocôn- dria de levedura, (c) uma bactéria e (d) um microtúbulo?

cromossomos feixes de microtúbulos As Células Eucarióticas Podem Ter se Originado como Predadoras As células eucarióticas são tipicamente 10 vezes o comprimento e 1.000 vezes o volu- me das células procarióticas (embora exista uma grande variação de tamanho dentro de cada categoria). Como vimos, os eucariotos possuem, além disso, uma coleção in- teira de outras características ? um citoesqueleto, mitocôndrias e outras organelas ? Quando e como os eucariotos desenvolveram esses sistemas é um mistério. Em- bora eucariotos, bactérias e arqueobactérias devam ter divergido um dos outros mui- to cedo na história da vida na Terra (discutido no Capítulo 14), os eucariotos não adquiriram todas as suas características distintas no mesmo momento (Figura 1-29). De acordo com uma teoria, a célula eucariótica ancestral era um predador que se alimentava pela captura de outras células. Um tipo de vida desses requer um grande tamanho, uma membrana ?exível e um citoesqueleto para ajudar na movimentação e

Fundamentos da Biologia Celular 25 Painel 1-2 Células: as principais características das células animais, vegetais e bacterianas

CÉLULA ANIMAL microtúbulo centrossomo com par de centríolos 5 µm

filamentos de actina peroxissomo ribossomos no citosol aparelho de Golgi filamentos intermediários

Três tipos de células estão desenhados aqui de maneira mais realista do que no desenho esquemático da Figura 1-24. De qualquer modo, as mesmas cores são utilizadas para distinguir os cromatina (DNA) O desenho da célula animal é poro baseado em fibroblasto, uma célula nuclear que se move lentamente pelo parede celular tecido conectivo, depositando matriz extracelular. Uma micrografia de um fibroblasto microtúbulo O desenho da célula vegetal é típico de uma célula de folha vacúolo ribossomos jovem, contendo cloroplastos (preenchido no citosol e um grande vacúolo preenchido de líquido) com líquido. A bactéria é um bacilo em forma de bastonete com um grande flagelo para sua mobilidade.

peroxissomo DNA cloroplasto membrana plasmática ribossomos parede celular no citosol

filamentos de actina membrana plasmática matriz extracelular cromatina (DNA) poro nuclear envelope nuclear vesículas

lisossomo nucléolo núcleo retículo mitocôndria endoplasmático aparelho de Golginucléolo

outras bactérias bactérias fotossintéticas vegetais animais fungos

cloroplastos Figura 1-29 De onde vêm os eucariotos? As linhagens de eucariotos, eubactérias e ar- queobactérias divergiram umas das outras muito cedo na evolução da vida na Terra. Algum tempo depois, os eucariotos ad- quiriram mitocôndrias; mais tarde ainda, um As mitocôndrias são essencialmente as mes- mas nos vegetais, animais e fungos, e por isso supõe-se que elas foram adquiridas antes que essas linhas se divergissem.

Figura 1-30 Um protozoário devorando outro. (A) A microgra?a mostra o Didinium tal como é, com seus anéis circunferenciais de cílios vibráteis e seu ?focinho? no topo. (B) O Didinium é visualizado ingerindo um outro protozoário ciliado, Paramecium. (Cortesia de D. Barlow.) mitocôndrias TEMPO arqueo- bactérias eubactérias eucarioto anaeróbico ancestral

procarioto ancestral alimentação da célula. O compartimento nuclear pode ter se desenvolvido para pro- Esse eucarioto primitivo, com um núcleo e um citoesqueleto, era provavelmen- te o tipo que englobava as eubactérias de vida livre que metabolizavam oxigênio e que eram as ancestrais das mitocôndrias. Supõe-se que essa parceria tenha se estabe- lecido 1,5 bilhão de anos atrás, quando a atmosfera da Terra tornou-se rica em oxigê- nio pela primeira vez. Um subgrupo dessas células mais tarde adquiriu cloroplastos O comportamento de vários dos microrganismos ativamente móveis de vida li- vre, chamados protozoários, sustenta que os eucariotos unicelulares podem atacar e devorar outras células. O Didinium, por exemplo, é um protozoário, grande carnívo- ro, com um diâmetro de cerca de 150 µm ? talvez 10 vezes o de uma célula humana média. Ele tem um corpo globular envolvido por duas franjas de cílios, e a sua parte anterior é achatada exceto por uma única saliência um tanto similar a um focinho (Figura 1-30). O Didinium nada em altas velocidades por meio do batimento dos seus cílios. Quando ele encontra uma presa adequada, normalmente um outro tipo de protozoário, libera inúmeros dardos paralisantes pequenos a partir da sua região do focinho. Então o Didinium se liga a outra célula e a devora, invaginando-se como uma bola oca para englobar a sua vítima, que é quase tão grande como ele próprio.

(F) (A) (C) (B) (D) (E)

Os protozoários incluem algumas das células mais complexas conhecidas. A Figura 1-31 transmite algo sobre a variedade de formas dos protozoários e o seu com- portamento também variado: eles podem ser fotossintéticos ou carnívoros, móveis ou sedentários. A sua anatomia celular é muito elaborada e inclui estruturas como cer- das sensoriais, fotorreceptores, cílios vibráteis, apêndices semelhantes a hastes, par- tes da boca, ferrão e feixes contráteis semelhantes a músculos. Embora sejam unice- lulares, os protozoários podem ser tão complicados e versáteis quanto vários organismos multicelulares.

Organismos-Modelo Como as células são descendentes de ancestrais comuns e as suas principais proprie- dades têm sido conservadas por meio da evolução, o conhecimento adquirido a partir do estudo de um organismo contribui para a compreensão de outros, incluindo nós mesmos. Mas certos organismos são mais fáceis do que outros para serem estudados em laboratório. Alguns se reproduzem rapidamente e se sujeitam prontamente a ma- nipulações genéticas; outros são, por exemplo, multicelulares, mas transparentes, de modo que se pode comparar diretamente o desenvolvimento de todos os seus tecidos e órgãos internos. Por essas razões, grandes comunidades de biólogos dedicaram-se a estudar os diferentes aspectos da biologia de poucas espécies selecionadas, reunindo o seu conhecimento de forma a ganhar um conhecimento mais profundo do que aquele que poderia ser obtido se os seus esforços fossem espalhados por várias espé- cies diferentes. A informação obtida a partir desses estudos contribui para o nosso entendimento de como as células trabalham. Nas próximas seções, examinaremos alguns desses organismos-modelo representativos e revisaremos os benefícios que Fundamentos da Biologia Celular 27

cada um oferece para o estudo da biologia da célula e em vários casos, para a promo- ção da saúde humana.

Questão 1-8 Seu vizinho de porta doou R$ 300,00 em apoio a pesquisa do câncer e está horrorizado em sa- ber que o dinheiro está sendo gasto no estudo de Como você poderia tran- qüilizar o seu modo de pensar?

10 µm Figura 1-32 A levedura Saccharomyces cere- visiae é um eucarioto-modelo. Nessa micro- gra?a eletrônica de varredura algumas células Uma outra microgra?a da mesma espécie de células é mostrada na Figura 1-14. (Cortesia de Ira Herskowitz e Eric Schabatach.) Biologistas Moleculares Focaram na E. coli No mundo das bactérias, as luzes da biologia molecular focaram, sobretudo, apenas uma espécie: Escherichia coli, ou E. coli abreviadamente (ver Figura 1-11). Essa pe- quena célula eubacteriana em forma de bastonete vive no intestino de humanos e outros vertebrados, mas ela pode ser crescida facilmente em um meio nutriente sim- ples em um frasco de cultura. E. coli compete bem com condições químicas variáveis no seu meio e se reproduz rapidamente. As suas instruções genéticas estão contidas em uma única molécula de DNA dupla-?ta circular com aproximadamente 4,6 mi- lhões de pares de nucleotídeos de comprimento, e ela sintetiza 4.300 tipos diferentes Em termos moleculares, compreendemos o funcionamento de E. coli mais a fundo do que aquele de qualquer outro organismo vivo. A maior parte do nosso co- nhecimento acerca dos principais mecanismos de vida ? incluindo como as células replicam o seu DNA e como elas decodi?cam essas instruções genéticas para sinteti- zar proteínas ? veio de estudos com E. coli. Pesquisas subseqüentes con?rmaram que esses processos básicos ocorrem essencialmente da mesma forma nas nossas próprias células, como em E. coli.

A Levedura das Cervejarias É uma Célula Eucariótica Simples Preocupamo-nos com eucariotos porque nós mesmos somos eucariotos. Mas as célu- las humanas são complicadas e difíceis de se trabalhar, e se quisermos compreender os princípios da biologia das células eucarióticas, é mais e?caz concentrar-se em uma espécie que, como E. coli, entre as bactérias, é simples e robusta e se reproduz rapi- damente. A escolha popular para esse papel de modelo eucariótico mínimo tem sido a levedura Saccharomyces cerevisiae (Figura 1-32) ? o mesmo microrganismo que é S. cerevisiae é um fungo unicelular pequeno e, dessa forma, de acordo com a visão moderna, no mínimo tão intimamente relacionado aos animais quanto é aos vegetais. Como outros fungos, ele tem uma parede celular rígida, é relativamente imóvel e possui mitocôndrias, mas não cloroplastos. Quando os nutrientes estão abundantes, ele se reproduz quase tão rapidamente como uma bactéria. Como o seu núcleo contém apenas cerca de 2,5 vezes mais DNA do que E. coli, a levedura tam- bém é um bom modelo para análise genética. Mesmo que o seu genoma seja pequeno (para os padrões eucarióticos), as leveduras realizam todas as tarefas básicas que cada célula eucariótica deve realizar. Estudos genéticos e bioquímicos em leveduras têm sido cruciais para entender vários mecanismos básicos nas células eucarióticas, incluindo o ciclo de divisão celular ? a cadeia de eventos pela qual o núcleo e todos os outros componentes de uma célula são duplicados e divididos para criar duas células- ?lha. De fato, a maquinaria que governa a divisão celular tem sido tão bem conserva- da durante o curso da evolução que vários dos seus componentes podem funcionar permutavelmente em células de leveduras e de humanos. Se uma levedura mutante não tem um gene essencial para a divisão celular, o fornecimento de uma cópia do gene correspondente de humanos irá curar a levedura com defeito e permitir que ela se divida normalmente (ver Como Sabemos, p. 30-31).

bactérias e os eucariotos se separaram uns dos outros há mais de 3 bilhões de anos atrás, as plantas, animais e fungos são separados apenas cerca de 1,5 bilhão de anos, peixes e mamíferos por aproximadamente 450 milhões de anos e as diferentes espé- A relação evolucionária próxima entre todos os vegetais com ?ores signi?ca que podemos ter uma idéia de dentro da célula e da biologia molecular das plantas com ?ores, enfocando apenas algumas espécies convenientes para uma análise deta- lhada. Dentre as centenas de milhares de espécies de plantas com ?ores existentes na Terra hoje, os biologistas moleculares recentemente enfocaram os seus esforços so- bre uma pequena erva daninha, o comum agrião de parede Arabidopsis thaliana (Fi- gura 1-33), que pode ser cultivado em ambientes fechados em grande número e pro- duzir milhares de descendentes por planta dentro de 8 a 10 semanas. Arabidopsis tem um genoma de aproximadamente 110 milhões de pares de nucleotídeos, cerca de 8 vezes mais do que as leveduras, e a sua seqüência completa é conhecida. Examinando as instruções genéticas que a Arabidopsis carrega, estamos começando a aprender mais sobre a genética, biologia molecular e evolução das plantas com ?ores, que do- minam quase todo ecossistema na Terra. Como os genes encontrados na Arabidopsis têm sósias nas espécies agrícolas, o estudo dessa erva daninha simples fornece uma compreensão profunda sobre o desenvolvimento e a ?siologia das plantas de produ- ção das quais dependem as nossas vidas, assim como todas as outras espécies de plan- tas que são as nossas companheiras sobre a Terra.

O Mundo dos Animais Está Representado por uma Mosca, um Verme, um Camundongo e pelo Homo sapiens Animais multicelulares representam a ampla maioria das espécies catalogadas de or- ganismos vivos, e a maioria de espécies animais é representada pelos insetos. Por essa razão, um inseto, a pequena mosca das frutas Drosophila melanogaster (Figura 1-34), ocupa um lugar central na pesquisa biológica. De fato, os fundamentos da genética clássica foram construídos em grande parte com base nos estudos com esse inseto. Mais de 80 anos atrás, por exemplo, estudos com a mosca da fruta forneceram provas de?nitivas que os genes ? as unidades da hereditariedade ? são carregadas nos cro- mossomos. Em épocas mais recentes, um esforço sistemático concentrado foi feito para elucidar a genética da Drosophila e especialmente dos mecanismos genéticos que governam o seu desenvolvimento embrionário e larval. Devido ao trabalho com Drosophila, estamos ao menos começando a entender com detalhes como as células Fundamentos da Biologia Celular 29

Figura 1-33 Arabidopsis thaliana, o comum agrião de parede, é um vegetal-modelo. Es- sa pequena erva daninha tornou-se o orga- nismo favorito para a biologia molecular e a biologia do desenvolvimento de plantas. (Cor- tesia de Toni Hayden e John Innes Centre.)

Como Sabemos: Mecanismos Comuns da Vida Todos os seres vivos são feitos de células, e as células ? como foi discutido neste capítulo ? são todas fundamentalmente similares no seu interior: elas armazenam as suas instruções genéticas em moléculas de DNA, que direcionam a produção de proteínas, e as proteínas por sua vez realizam as reações químicas das células, dão a elas o seu formato e controlam o seu comportamento. Mas até que ponto essas similaridades realmente ocorrem? São as par- tes de uma célula permutáveis por partes de uma outra? Iria uma enzima, que digere glicose em uma bactéria, ser capaz de quebrar o mesmo açúcar se ela fosse solicitada para funcionar dentro de uma levedura, uma lagosta ou um humano? E quanto às maquina- São os seus componentes moleculares permutáveis? As respostas têm vindo a partir de várias fontes, mas mais notavelmente a partir de experimentos sobre um dos processos mais fundamentais da vida: a divisão celular.

Dividir ou morrer Todas as células se originam a partir de outras células e a única maneira de se fazer uma célula nova é pela divisão de uma célula preexistente. Para reproduzir, uma célula parenteral deve realizar uma seqüência ordenada de reações pelas quais ela duplica o seu conteúdo e se divide em duas. Esse processo crítico de duplicação e divisão, conhecido como o ciclo celular, é complexo e cuidadosa- mente controlado. Defeitos em qualquer uma das proteínas envol- vidas no ciclo celular podem ser fatais.

Infelizmente, os efeitos letais das mutações no ciclo celular apre- sentam um problema quando se quer achar os componentes da maquinaria que controlam o ciclo celular e descobrir como eles funcionam. Os cientistas dependem de mutantes para identi?car genes e proteínas com base nas suas funções: se um gene é essen- cial para um dado processo, uma mutação que interrompe o gene irá aparecer como um distúrbio naquele processo. Pela análise do comportamento anormal do organismo mutante, pode-se apontar a função para a qual o gene é necessário, e pela análise do DNA do mutante pode-se rastrear o próprio gene.

Para uma análise dessas, entretanto, uma única célula mutante não é su?ciente: é necessária uma grande colônia de células que carrega a mutação. E esse é o problema. Se a mutação interrom- pe um processo crítico para a vida, como a divisão celular, como alguma vez alguém poderá obter uma colônia dessas? Os geneti- cistas encontraram uma solução engenhosa. Mutantes defectivos em genes do ciclo celular podem ser mantidos e estudados se o seu defeito for condicional ? isto é, se o produto do gene falhar na sua função apenas sob certas condições especí?cas. Em particu- lar, pode-se freqüentemente encontrar mutações que são sensí- veis à temperatura; a proteína mutante funciona corretamente quando o organismo é mantido frio, permitindo que as células se reproduzam, mas falha quando a temperatura é mais quente, permitindo que as células exibam o seu defeito de interesse (Fi- gura 1-35). O estudo de tal mutante condicional em leveduras permitiu a descoberta de genes que controlam o ciclo de divisão celular ? os genes cdc ? e levou à compreensão de como eles funcionam.

Foi revelado que os mesmos mutantes sensíveis à temperatura ofe- recem uma oportunidade para observar se as proteínas de um or- ganismo podem funcionar permutavelmente em outro. Pode uma proteína de um organismo diferente curar um defeito no ciclo celu- lar de uma levedura mutante e permitir que ela se reproduza nor- malmente? O primeiro experimento foi realizado utilizando duas espécies de leveduras.

células mutantes que se dividem na temperatura permissiva mas falham em se dividir na temperatura colônias replicadas restritiva sobre duas placas idênticas e incubadas a duas temperaturas diferentes 23°C

células mutagenizadas espalhadas sobre uma placa de Petri e crescidas até colônias a 23°C 35°C

Figura 1-35 Células de levedura que contêm uma mutação sensível à temperatura podem ser geradas no laboratório. As leveduras são incubadas com um químico que gera mutações no seu DNA. Essas células são espalhadas sobre uma placa e permite-se que elas cresçam a uma tempera- tura permissível, isto é, uma temperatura em que as células se dividam normalmente. As colônias são transferidas para duas placas de Petri idênticas usando uma técnica chamada semeadura em réplica. Uma dessas placas é incubada a uma temperatura mais baixa ?permissiva?, e a outra, a uma temperatura mais alta. As células que contêm uma mutação sensível à temperatura em um gene essencial para proliferação podem dividir-se na temperatura permissível, mas falham na tem- peratura mais quente, não-permissiva.

tremidades e divide-se pela ?ssão desse bastonete em dois, por meio da formação de uma partição no centro do bastonete.

Embora elas se diferenciem pelo seu estilo de divisão celular, am- bas as leveduras devem copiar o seu DNA e distribuir esse material para a sua progênie. Para estabelecer se as proteínas que contro- lam todo o processo em S. cerevisiae e S. pombe são funcional- mente equivalentes, Paul Nurse e seus colegas começaram por determinar se mutantes do ciclo celular de S. pombe poderiam ser resgatados por um gene de S. cerevisiae. O ponto inicial foi uma colônia de mutantes sensíveis à temperatura de S. pombe que era incapaz de avançar pelo ciclo celular quando crescida a 35ºC. Es- sas células mutantes tinham um defeito em um gene chamado cdc2, que é necessário para acionar vários eventos-chave no ciclo de divisão celular. Pesquisadores, então, introduziram nessas célu- las defectivas uma coleção de fragmentos de DNA preparados a partir de S. cerevisiae (Figura 1-36).

Quando essas culturas eram incubadas a 35ºC, os pesquisadores observaram que algumas células recuperaram a capacidade de se reproduzir: quando espalhadas sobre uma placa de meio, essas células puderam dividir-se de novo, formando pequenas colônias que continham milhões de células de leveduras (ver Figura 1-35).

introdução de fragmentos de DNA de levedura ou de humano ? espalhar células sobre uma placa ? incubar à temperatura alta, não-permissiva células de S. pombae com o gene cdc2 sensível à temperatura não podem se dividir à temperatura alta

as células nessa colônia receberam um substituto funcional de humano ou de S. cerevisiae para o gene cdc2 e foram capazes de se dividir com sucesso

Figura 1-36 Mutantes de S. pombe sensíveis à temperatura e de- fectivos em um gene do ciclo celular podem ser recuperados pelo cerevisiae (ou de humano) é coletado e quebrado em grandes frag- mentos, que são introduzidos em uma cultura de mutantes de S. ce- revisiae sensíveis à temperatura. Veremos como o DNA pode ser ma- nipulado e movido para dentro de diferentes tipos de células no Capítulo 10. As células de levedura que recebem o DNA estranho são então espalhadas sobre uma placa e incubadas na temperatura não-permissiva. As raras células que sobrevivem e crescem sobre es- tas placas contêm o gene que permite que as células se dividam nor- malmente.

Fundamentos da Biologia Celular 31 FGLAR FGLAR FGLAR A S A FG FG FG I V V P P P I L L R R R V N A YTHE YTHE YTHE V I I VTLWYR VTLWYR VTLWYR S A A PEVLLG PEVLLG PEVLLG S S G humano S. pombe S. cerevisiae humano A R S. pombe R H S. cerevisiae K Q YST YST YST P G G VD VD VD I I T WS WS WS I V I G G G T C C IFAE IFAE IFAE LATKL NIRRS HCNRL P P P L L I F F F H P S GDSEI GDSEI GDSEI

Figura 1-37 As proteínas do ciclo de divisão celular de leveduras e de humanos são muito similares nas suas seqüências de aminoácidos. As identidades entre as seqüências de aminoácidos de uma região da proteína CDC2 humana, a proteína cdc2 de S. pombe e o cdc28 de S. cerevisiae estão marcados. Cada aminoácido está re- presentado por uma única letra.

Os pesquisadores descobriram que essas células ?curadas? de leve- duras receberam um fragmento de DNA que continha cdc28, um gene de S. cerevisiae que já era familiar de estudos pioneiros acer- ca do ciclo de divisão celular (por Lee Hartwell e colegas) na leve- dura de brotamento. O gene cdc28 codi?ca para uma proteína que realiza a mesma função nas leveduras de brotamento como cdc2 faz na levedura de ?ssão.

Talvez o resultado não seja tão surpreendente. O quanto uma leve- dura pode ser diferente da outra? E quanto a parentes mais distan- tes? Para descobrir, os pesquisadores realizaram o mesmo experi- mento, dessa vez utilizando DNA humano para resgatar os mutantes do ciclo celular de levedura. Os resultados foram os mesmos. Um gene humano, que os investigadores nomearam CDC2, foi capaz de substituir o seu equivalente em levedura, permitindo que as cé- lulas se dividissem normalmente.

Lendo Genes As proteínas de humanos e de leveduras não são apenas funcional- mente equivalentes, elas têm quase o mesmo tamanho exato e são intimamente similares com relação aos aminoácidos de que são feitas. Quando a equipe de Nurse analisou a seqüência de aminoá- cidos das proteínas, observou-se que CDC2 humana é idêntica à proteína cdc2 de S. pombe em 63% dos seus aminoácidos e 58% idêntica a CDC28 de S. cerevisiae (Figura 1-37).

Esses experimentos mostraram que as proteínas de diferentes orga- nismos podem ser funcionalmente permutáveis. Na realidade, as moléculas que orquestram a divisão celular em eucariotos são tão fundamentalmente importantes que elas têm sido conservadas quase sem alterações por mais de um bilhão de anos de evolução dos eucariotos.

O mesmo experimento realça um outro ponto até mais básico. O mutante de levedura foi resgatado, não pela injeção direta da prote- A levedura foi capaz de ler e usar essa informação corretamente, porque a maquinaria molecular para esse processo fundamental também é similar de célula para célula e de organismo para orga- nismo. Uma célula de levedura tem todo o equipamento que ela precisa para interpretar as instruções codi?cadas em um gene hu- mano e para utilizar essa informação para direcionar a produção de uma proteína humana totalmente funcional.

vivas alcançam a sua proeza mais espetacular: como uma única célula ovo fertilizada (ou zigoto) se desenvolve em um organismo multicelular que compreende um vasto número de células de diferentes tipos, organizadas de uma maneira exatamente pre- visível. Mutantes de Drosophila com partes do corpo no lugar errado ou com padrão estranho têm fornecido a chave para identi?car e caracterizar os genes que são neces- sários para fazer um corpo adulto apropriadamente estruturado, com intestino, asas, pernas, olhos e todas as outras partes nos seus locais corretos. Esses genes ? que são copiados e passados adiante para cada célula no corpo ? de?nem como cada célula irá se comportar nas suas interações sociais com as suas irmãs e primas e dessa forma eles controlam as estruturas que as células criam. A Drosophila, mais do qualquer outro organismo, nos mostrou como traçar a cadeia de causa e efeito a partir das instruções genéticas codi?cadas no DNA para a estrutura do organismo multicelular adulto. Além disso, os genes de Drosophila revelaram ser similares àqueles de huma- nos ? muito mais similares do que se esperaria a partir das aparências externas. Desse modo, as moscas servem como um modelo para estudar o desenvolvimento humano e as doenças. O genoma da mosca ? 185 milhões de pares de nucleotídeos codi?can- do acima de 13.000 genes ? contém sósias para a maioria dos genes sabidamente crí- Um outro organismo amplamente estudado, menor e mais simples do que a Drosophila é o verme nematódeo Caenorhabditis elegans (Figura 1-38), um parente inofensivo dos nematódeos que atacam as raízes de plantações. Essa criatura se de- senvolve com a precisão de um relógio a partir de uma célula-ovo fertilizada até um adulto com exatamente 959 células do corpo (mais um número variável de óvulos e espermatozóides) ? um grau anormal de regularidade para um animal. Agora temos uma descrição minuciosamente detalhada da seqüência de eventos pela qual esse processo passa ? à medida que a célula se divide, move e se torna especializada, de acordo com regras precisas e previsíveis. O seu genoma ? alguns 97 milhões de pares de nucleotídeos contendo cerca de 19.000 genes ? também foi seqüenciado, e uma abundância de mutantes está disponível para testar como esses genes funcionam. Parece que 70% das proteínas humanas têm algum sósia no verme, e o C. elegans, assim como a Drosophila, tem provado ser um modelo valioso para vários dos proces- sos que ocorrem nos nossos próprios corpos. Estudos no desenvolvimento dos nema- tódeos, por exemplo, conduziram para a compreensão da morte celular programada, um processo ao qual as células excedentes são destinadas no corpo ? um tópico de importância para a pesquisa do câncer (discutido nos Capítulos 18 e 21). No outro extremo, os mamíferos estão entre os animais mais complexos, com 2 a 3 vezes mais genes do que a Drosophila, 25 vezes mais DNA por célula e milhões de vezes mais células no seu corpo adulto. O camundongo, há muito tempo, vem sendo

utilizado como organismo-modelo para o estudo da genética de mamíferos, desen- volvimento, imunologia e biologia celular. Novas técnicas têm dado a ele uma impor- tância ainda maior. Atualmente, é possível cruzar camundongos com mutações deli- beradamente geradas em qualquer gene especí?co, ou com genes construídos arti?cialmente e neles introduzidos. Dessa forma, pode-se testar para quê um gene é necessário e como ele funciona. E quase todo gene humano tem um sósia no camun- Mas humanos não são camundongos ? ou vermes ou moscas ou leveduras ?, e por isso estudamos o próprio ser humano. Os dados médicos sobre células humanas são enormes e embora mutações que ocorrem naturalmente em qualquer gene sejam raras, as conseqüências de mutações em milhares de genes diferentes são conhecidas sem fazer uso da engenharia genética. Isso porque os humanos demonstram o com- portamento único de relatar e registrar seus próprios defeitos genéticos; em nenhu- ma outra espécie existem bilhões de indivíduos tão intensamente examinados, descri- Contudo, a extensão de nossa ignorância ainda é assustadora. O corpo de ma- míferos é muito complexo e pode parecer desanimador entender como o DNA em um óvulo fertilizado de camundongo gera um camundongo, ou como o DNA em uma célula-ovo humana governa o desenvolvimento de um humano. Até agora, as revela- ções da biologia molecular têm feito a tarefa parecer possível. De tal modo, esse novo otimismo vem da constatação de que os genes de um tipo de animal têm uma contra- parte próxima na maioria dos outros tipos de animais, aparentemente cumprindo funções similares (Figura 1-39). Todos temos uma origem evolucionária comum e, super?cialmente, parece que compartilhamos os mesmos mecanismos moleculares. Moscas, vermes, camundongos e humanos fornecem, dessa forma, a chave para en- tender como os animais em geral são feitos e como as suas células funcionam.

A Comparação de Seqüências do Genoma Revelou a Herança Comum da Vida Em nível molecular, as alterações evolucionárias têm sido notavelmente lentas. Pode- mos observar, nos organismos dos dias de hoje, várias características que foram pre- servadas por mais de 3 bilhões de anos de vida sobre a Terra ou cerca de um quinto da idade do universo. Essa conservação evolucionária fornece o fundamento sobre o qual o estudo da biologia molecular é construído. Para estabelecer o cenário para os capítulos que se seguem, entretanto, terminamos a nossa introdução considerando, com um pouco mais de intimidade, os relacionamentos familiares e as similaridades básicas entre todos os seres vivos. Esse tópico foi dramaticamente esclarecido nos últimos anos pela análise das seqüências do genoma ? as seqüências nas quais os quatro nucleotídeos universais estão alinhados juntos para formar o DNA de uma dada espécie (como discutido com maiores detalhes no Capítulo 9). O seqüencia- Fundamentos da Biologia Celular 33

mento de DNA tornou fácil a detecção de semelhanças de família entre os genes: se dois genes de organismos diferentes têm seqüências de DNA rigorosamente seme- lhantes, é muito provável que ambos os genes sejam descendentes de um gene ances- tral comum. Os genes (e produtos de genes) relacionados dessa forma são chamados homólogos. Dadas as seqüências genômicas completas de organismos representantes de todos os três domínios de vida ? arqueobactérias, eubactérias e eucariotos ?, pode- se procurar sistematicamente por homologias que se estendam por meio dessa enor- me divisão evolucionária. Dessa maneira, podemos começar a avaliar a herança co- mum de todos os seres vivos e traçar de volta as origens da vida até as primeiras células ancestrais. Existem di?culdades nesse empreendimento: alguns genes ances- trais são perdidos, e alguns se alteraram tanto que eles não são mais prontamente reconhecidos como parentes. Por causa dessas incertezas, a comparação de seqüên- cias do genoma dos ramos mais amplamente separados da árvore da vida pode nos dar um discernimento de quais os genes são necessidades fundamentais para as célu- Uma comparação dos genomas completos de cinco eubactérias, uma arqueo- bactéria e um eucarioto (uma levedura) revelam um grupo central de 239 famílias de genes que codi?cam para proteínas que têm representantes em todos os três domí- nios. Para a maioria desses genes pode ser designada uma função, com o maior nú- mero de famílias de genes compartilhados envolvido no metabolismo e transporte de aminoácidos e na produção e função dos ribossomos. Dessa forma, o número mínimo de genes necessários para uma célula ser viável nos meios de hoje é provavelmente A maioria dos organismos possui signi?cativamente mais do que isso. Até mes- mo procariotos ? células parcimoniosas que carregam pouquíssima bagagem genética supér?ua ? tipicamente têm genomas que contêm no mínimo 1 milhão de pares de nucleotídeos e codi?cam de 1.000 a 8.000 genes (468 genes, na bactéria Mycoplasma genitalium, é o mínimo até agora relatado para qualquer espécie). Com esses poucos milhares de genes, as bactérias são capazes de se desenvolver em até mesmo no mais Os genomas compactos de bactérias típicas são diminutos se comparados aos genoma de eucariotos típicos. O genoma humano, por exemplo, contém cerca de 700 vezes mais DNA do que o genoma de E. coli, e o genoma de uma samambaia contém cerca de 100 vezes mais do que o de humanos (Figura 1-40). Em termos de número de genes, entretanto, as diferenças são enormes. Temos apenas sete vezes o número de genes de E. coli, se considerarmos um gene como uma extensão de DNA que con- tém as especi?cações para uma molécula de proteína. Além disso, vários dos nossos 30.000 genes e as próprias proteínas correspondentes caem em grupos familiares re- lacionados, como a família das hemoglobinas, que tem nove membros intimamente relacionados nos humanos. O número de proteínas fundamentalmente diferente em um humano é, dessa maneira, não muitas vezes maior do que em uma bactéria, e o número de genes humanos que tem contrapartes identi?cáveis nas bactérias é uma O resto do nosso DNA humano ? o vasto volume que não codi?ca para proteí- na ? é uma mistura de seqüências que ajudam a regular a expressão dos genes e de seqüências que parecem ser lixo dispensável, guardado como uma massa de papéis velhos porque, se não existe pressão para manter um arquivo pequeno, é mais fácil salvar tudo do que selecionar as informações valiosas e descartar o resto. A quantida- de de DNA regulador permite a enorme complexidade e so?sticação na maneira em que diferentes genes em um organismo eucarioto multicelular são induzidos a agir em diferentes momentos e locais. Mas a lista básica de partes ? o conjunto de proteí- nas que as nossas células podem sintetizar, como especi?cado pelo DNA ? não é muito mais longa do que a lista das partes de um automóvel, e várias dessas partes são comuns não apenas para todos os animais, mas para todo o mundo vivo.

B micoplasma E. coli ACTÉRIA levedura FUNGO ameba PROTOZOÁRIOS Arabidopsis arroz trigo lírio samambaia PLANTAS Drosophila INSETOS MOLUSCOS tubarão PEIXES CARTILAGINOSOS peixe-zebra PEIXES ÓSSEOS sapo salamandra aquática ANFÍBIOS RÉPTEIS AVES humano MAMÍFEROS 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 número de pares de nucleotídeos por genoma haplóide

Que uma extensão de DNA pode programar o crescimento, desenvolvimento e a reprodução de células vivas e organismos complexos é certamente um fenômeno maravilhoso. No resto deste livro, tentaremos explicar como as células funcionam ? em parte pela análise das partes dos seus componentes, em parte pela investigação de como seus genomas direcionam a manufatura desses componentes de modo a repro- duzir e administrar cada ser vivo.

Conceitos Essenciais · As células são as unidades fundamentais da vida. Acredita-se que todas as células dos dias atuais tenham evoluído a partir de uma célula ancestral que ? Todas as células, e, portanto, todos os seres vivos, crescem, convertem energia a partir de uma forma para outra, percebem e respondem ao seu meio e se ? Todas as células são envolvidas por uma membrana plasmática que separa o ? Todas as células contêm DNA como um depósito de informação genética e o ? As células em um organismo multicelular, mesmo que elas contenham o mes- mo DNA, podem ser muito diferentes. Elas utilizam a sua informação genéti- ca para direcionar as suas atividades biológicas de acordo com os estímulos ? As células de tecidos animais e vegetais têm tipicamente 5-20 µm de diâmetro e podem ser visualizadas com um microscópio óptico, que também revela al- guns dos seus componentes internos ou organelas. O microscópio eletrônico permite que organelas menores e até mesmo moléculas individuais sejam vi- sualizadas, mas os espécimes requerem preparações elaboradas e não podem ? Bactérias, as células vivas atuais mais simples, são procariotos: embora elas contenham DNA, não têm um núcleo e outras organelas e provavelmente se ? Diferentes espécies de procariotos são diversas nas suas capacidades químicas e habitam uma ampla variedade de habitats. Duas subdivisões evolucionárias fundamentais são reconhecidas: eubactérias e arqueobactérias.

? As células eucarióticas possuem um núcleo. Elas provavelmente evoluíram em uma série de estágios a partir de células mais similares às bactérias. Uma etapa importante parece ter sido a aquisição de mitocôndrias, originadas como bactérias englobadas que vivem em simbiose com células anaeróbicas ? O núcleo é a organela mais saliente na maioria das células vegetais e animais. Ele contém a informação genética do organismo armazenada em moléculas de DNA. O resto do conteúdo celular, fora o núcleo, constitui o citoplasma. ? Dentro do citoplasma, as células vegetais e animais contêm uma variedade de organelas internas envolvidas por membranas com funções químicas especia- lizadas. As mitocôndrias realizam a oxidação de moléculas de alimento. Nas células vegetais, os cloroplastos realizam a fotossíntese. O retículo endoplas- mático, o aparelho de Golgi e os lisossomos permitem que as células sinteti- zem moléculas complexas para exportação a partir das células e para inserção nas membranas celulares, além de permitir que importem e digiram grandes ? O componente intracelular restante, excluindo as organelas envolvidas por membranas, é o citosol. Este contém uma mistura concentrada de moléculas grandes e pequenas que realizam vários processos bioquímicos essenciais. ? Um sistema de ?lamentos de proteínas chamado de citoesqueleto se estende pelo citosol. Este governa o formato das células e o movimento e permite que organelas e moléculas sejam transportadas a partir de um local para outro no ? Microrganismos eucarióticos unicelulares, de vida livre, incluem algumas das células eucarióticas mais complexas conhecidas, e elas são capazes de nadar, cruzar, caçar e devorar alimento. Outros tipos de células eucarióticas, deriva- das a partir de óvulos fertilizados, cooperam para formar grandes organismos ? Biologistas têm escolhido um pequeno número de organismos como foco para uma investigação intensiva. Estes incluem a bactéria E. coli, a levedura de cervejaria, um verme nematódeo, uma mosca, uma pequena planta, um ca- ? Embora o número mínimo de genes necessários para uma célula viável seja provavelmente menos do que 400, a maioria das células contém signi?cativa- mente mais. Contudo, mesmo um organismo tão complexo quanto um huma- no tem apenas cerca de 30.000 genes ? o dobro da mosca e sete vezes mais do que a E. coli.

Questões Questão 1-9 Agora você deve estar familiarizado com os seguintes compo- nentes celulares. Descreva brevemente o que eles são e quais A. citosol B. citoplasma C. mitocôndria D. núcleo E. cloroplastos F. lisossomos G. cromossomos H. aparelho de Golgi I. peroxissomos J. membrana plasmática K. retículo endoplasmático L. citoesqueleto Questão 1-10 Quais das seguintes a?rmativas estão corretas? Explique as A. A informação hereditária de uma célula é passada D. Todas as células de um mesmo organismo têm o mes- mo número de cromossomos (com exceção das célu- E. O citosol contém organelas envolvidas por membra- F. O núcleo e as mitocôndrias estão envolvidos por uma G. Os protozoários são organismos complexos com um grupo de células especializadas que formam tecidos, como os ?agelos, partes da boca, ferrões e apêndices H. Os lisossomos e os peroxissomos são o local de degra- dação de materiais indesejados.

Questão 1-11 Para se ter uma percepção do tamanho das células (e praticar o uso do sistema métrico) considere o seguinte: o cérebro hu- mano pesa cerca de 1 kg e contém cerca de 1012 células. Calcu- le o tamanho médio de uma célula do cérebro (embora saiba- mos que os seus tamanhos variam amplamente), assumindo que cada célula está inteiramente preenchida com água (1 cm3 de água pesa 1g). Qual seria o comprimento de um lado dessa célula de tamanho médio do cérebro se ela fosse um simples cubo? Se as células fossem espalhadas em uma ?na camada que tem apenas uma célula de espessura, quantas páginas des- te livro esta camada cobriria?

Questão 1-12 Identi?que as diferentes organelas indicadas com letras na microgra?a eletrônica mostrada na Figura Q1-12. Estime o comprimento da barra de escala na ?gura.

Fundamentos da Biologia Celular 37 Questão 1-13 Existem três classes principais de ?lamentos que compõem o citoesqueleto. Quais são elas e quais são as diferenças nas suas funções? Quais os ?lamentos do citoesqueleto seriam mais abundantes em uma célula muscular ou em uma célula da epi- derme que compõe a camada externa da pele? Explique as suas respostas.

Questão 1-14 A seleção natural é uma força tão poderosa na evolução que as células com até mesmo uma pequena vantagem no cresci- mento rapidamente superam as suas competidoras. Para ilus- trar esse processo, considere uma cultura de células que con- tém 1 milhão de células bacterianas que duplicam a cada 20 minutos. Uma única célula nessa cultura adquire uma muta- ção que a permite se dividir mais rapidamente, com um tempo de geração de apenas 15 minutos. Assumindo que existe um suprimento ilimitado de nutrientes e nenhuma morte celular, quanto tempo levaria antes que a progênie da célula mutada se tornasse predominante na cultura? (Antes de começar a calcular, faça uma suposição: você acha que isso levaria cerca de um dia, uma semana, um mês ou um ano?) Quantas células (O número de células N na cultura no tempo t é descrito pela equação N = N × 2t/G, onde N é o número de células no tem- 00 po zero e G é o tempo de geração.) Questão 1-15 Quando bactérias são crescidas sob condições adversas, i.e., na presença de um veneno como um antibiótico, a maioria das células cresce lentamente. Mas não é incomum que a veloci- dade de crescimento de uma cultura bacteriana mantida na presença do veneno seja restabelecida, após alguns dias, para aquela observada na sua ausência. Sugira por que esse pode ser o caso.

Questão 1-16 Aplique o princípio do crescimento exponencial, como descri- to na Questão 1-14, às células em um organismo multicelular,

como o seu. Existem cerca de 1013 células no seu corpo. Assu- ma que uma célula adquira uma mutação que permite que ela se divida de maneira descontrolada (isto é, ela se torna uma célula cancerosa). Algumas células cancerosas podem crescer com um tempo de geração de cerca de 24 horas. Se nenhuma das células cancerosas morreu, quanto tempo levaria antes (Use a equação N = N × 2t/G, com t, o tempo e G, o tempo de 0 cada geração. Sugestão: 1013 ? 243.) Questão 1-17 Discuta a seguinte a?rmação: ?A estrutura e a função de uma célula viva são ditadas por leis da física e da química.? Questão 1-18 Quais são, se houver alguma, as vantagens de ser multicelu- lar?

Questão 1-19 Desenhe na escala um esquema de duas células esféricas, o primeiro, uma bactéria com 1 µm de diâmetro, o outro uma célula animal com um diâmetro de 15 µm. Calcule o volume, área de superfície e proporção entre superfície e volume para cada célula. Como esse valor alteraria se você incluísse as membranas internas da célula no cálculo da área de superfície (considere que as membranas internas tenham 15 vezes a área da membrana plasmática)? (O volume de uma esfera é dado por 4?R3/3 e a sua superfície por 4?R2, onde R é o raio.) Dis- cuta a seguinte hipótese: ?As membranas internas permitiriam que as células maiores evoluíssem.? Questão 1-20 Quais são os argumentos para ?todas as células vivas evoluí- ram a partir de células ancestrais comuns?? Considere os pri- mórdios da evolução da vida sobre a Terra. Você assumiria que a célula ancestral primordial foi a primeira e a única célu- la a se formar?

Questão 1-21 Na Figura 1-26, as proteínas estão em azul, os ácidos nucléicos em laranja ou vermelho, os lipídeos em amarelo e os polissa- carídeos em verde. Identi?que as principais organelas e outras estruturas celulares importantes mostradas nessa fatia de uma célula eucariótica.

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