Fundamentos da Biologia Celula

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Introdu?º?úo ?ás C?®lulas O que signi?ca estar vivo? Pessoas, pet??nias e algas est?úo vivas; pedras, areia e brisas de ver?úo n?úo est?úo. Mas quais s?úo as principais propriedades que caracterizam as A resposta inicia com o fato b?ísico, que ?® dado como certo por bi??logos no momento, mas marcou uma revolu?º?úo no pensamento quando estabelecido pela pri- meira vez h?í 170 anos atr?ís. Todas as coisas vivas s?úo feitas de c?®lulas: pequenas unidades limitadas por membranas preenchidas com uma solu?º?úo aquosa concentra- da de qu?¡micos e dotadas com uma capacidade extraordin?íria de criar c??pias delas mesmas pelo seu crescimento e divis?úo em duas. As formas mais simples de vida s?úo c?®lulas solit?írias. Organismos superiores, incluindo n??s mesmos, s?úo comunidades de c?®lulas derivadas do crescimento e divis?úo a partir de uma ??nica c?®lula fundadora: cada animal, planta ou fungo ?® uma vasta col??nia de c?®lulas individuais que realiza fun?º?Áes especializadas coordenadas por complicados sistemas de comunica?º?úo. As c?®lulas, portanto, s?úo as principais unidades de vida, e ?® na biologia celular que devemos procurar por uma resposta para a quest?úo de o que ?® vida e como ela funciona. Com a compreens?úo mais profunda da estrutura, da fun?º?úo, do comporta- mento e da evolu?º?úo das c?®lulas, poderemos iniciar a enfrentar os grandes problemas hist??ricos da vida na Terra: as suas origens misteriosas, a sua maravilhosa diversida- de, a sua invas?úo em cada habitat imagin?ível. Ao mesmo tempo, a biologia celular pode nos fornecer as respostas para as quest?Áes que temos sobre n??s mesmos: de onde viemos? Como nos desenvolvemos a partir de um ??nico ??vulo fertilizado? Como cada um de n??s ?® diferente de cada outra pessoa na Terra? Por que ficamos doentes, Neste cap?¡tulo, iniciamos olhando para a variedade de formas que as c?®lulas podem apresentar e tamb?®m damos uma olhada r?ípida na maquinaria qu?¡mica que todas as c?®lulas t?¬m em comum. Ent?úo consideraremos como as c?®lulas se tornam vis?¡veis sob o microsc??pio e o que vemos quando observamos atentamente dentro delas. Finalmente, discutiremos como podemos explorar as similaridades entre os seres vivos para alcan?ºar uma compreens?úo coerente de todas as formas de vida na Terra ÔÇô a partir da bact?®ria mais min??scula at?® o imenso carvalho.

Unidade e Diversidade das C?®lulas Biologistas celulares freq??entemente falam sobre ÔÇ£a c?®lulaÔÇØ sem especificar qualquer c?®lula em particular. Mas as c?®lulas n?úo s?úo todas semelhantes; na verdade, elas po- dem ser muito diferentes. Estima-se que existam no m?¡nimo 10 milh?Áes ÔÇô talvez 100 milh?Áes ÔÇô de esp?®cies distintas de coisas vivas no mundo. Antes de pesquisar mais a fundo a biologia celular, devemos nos perguntar: o que as c?®lulas dessas esp?®cies t?¬m em comum ÔÇô a bact?®ria e a borboleta, a rosa e o golfinho? E de que maneira elas di- ferem?

As C?®lulas Variam Muito em Apar?¬ncia e Fun?º?úo Comecemos pelo tamanho. Uma c?®lula bacteriana ÔÇô digamos um Lactobacillus em um peda?ºo de queijo ÔÇô tem poucos micr??metros, ou ?Ám, de comprimento. Um ovo de sapo ÔÇô que tamb?®m ?® uma c?®lula ??nica ÔÇô tem um di?ómetro de cerca de 1 mil?¡metro. Se aument?íssemos a escala de modo que o Lactobacillus tivesse o tamanho de uma As c?®lulas n?úo variam menos nas suas formas e fun?º?Áes. Considere a galeria de c?®lulas mostradas na Figura 1-1. Uma c?®lula nervosa t?¡pica em seu c?®rebro ?® enorme- mente estendida; ela envia seus sinais el?®tricos ao longo de uma protus?úo ?na, que possui o comprimento 10.000 vezes maior que a espessura, e recebe sinais de outras c?®lulas atrav?®s de uma massa de processos mais curtos, que brotam de seu corpo como os ramos de uma ?írvore. Um Paramecium em uma gota de ?ígua parada tem a forma de um submarino e est?í coberto por dezenas de milhares de c?¡lios ÔÇô extens?Áes

(A)(B) 100 ?Ám 25 ?Ám

semelhantes a p?¬los cujo batimento sinuoso arrasta a c?®lula para frente, rodando-a ?á medida que ela se locomove. Uma c?®lula na camada super?cial de uma planta ?® um prisma im??vel envolvido por uma caixa r?¡gida de celulose, com uma cobertura exter- na de cera ?á prova d’?ígua. A bact?®ria Bdellovibrio ?® um torpedo com forma de salsi- cha que se move para frente por um ?agelo em rota?º?úo com forma de saca-rolhas que est?í anexado a sua parte posterior, onde ele atua como uma h?®lice. Um neutr???lo ou um macr??fago no corpo de um animal se movimenta pelos tecidos, mudando de for- ma constantemente e englobando restos celulares, microrganismos estranhos e c?®lu- Algumas c?®lulas est?úo cobertas apenas por uma membrana plasm?ítica ?na; ou- tras aumentam esta cobertura membranosa, escondendo-se em uma camada externa de muco, construindo para si pr??prias uma parede celular r?¡gida, ou se envolvendo As c?®lulas tamb?®m s?úo muito diversas nas suas necessidades qu?¡micas e ativida- des. Algumas requerem oxig?¬nio para viver; para outras, o oxig?¬nio ?® letal. Algumas consomem um pouco mais do que ar, luz solar e ?ígua como mat?®ria-prima; outras necessitam uma mistura complexa de mol?®culas produzidas por outras c?®lulas. Algu- mas parecem f?íbricas especializadas para a produ?º?úo de subst?óncias particulares, como os horm??nios, o amido, a gordura, o l?ítex ou os pigmentos. Outras s?úo m?íqui- nas, como m??sculos, queimando combust?¡vel para realizar trabalho mec?ónico; ou geradores el?®tricos, como as c?®lulas musculares modi?cadas na enguia el?®trica. Algumas modi?ca?º?Áes especializam as c?®lulas tanto que elas perdem as suas chances de deixar qualquer descendente. Essa especializa?º?úo seria desnecess?íria para uma esp?®cie de c?®lula que viveu uma vida solit?íria. Em um organismo multicelular, entretanto, existe uma divis?úo de trabalho entre as c?®lulas, permitindo que algumas se tornem especializadas em um grau extremo para tarefas particulares e deixando-as dependentes das suas c?®lulas companheiras para v?írias condi?º?Áes b?ísicas. At?® mesmo a necessidade mais b?ísica de todas, aquela de passar as informa?º?Áes gen?®ticas para a pr??xima gera?º?úo, est?í delegada para especialistas ÔÇô o ??vulo e o espermatoz??ide.

Todas as C?®lulas Vivas T?¬m uma Qu?¡mica B?ísica Similar Apesar da extraordin?íria diversidade dos vegetais e animais, as pessoas reconhece- ram desde tempos imemoriais que esses organismos t?¬m algo em comum, alguma coisa que os permite serem chamados de seres vivos. Com a inven?º?úo do microsc??pio, tornou-se claro que vegetais e animais s?úo conjuntos de c?®lulas que tamb?®m podem existir como organismos independentes e que individualmente est?úo vivendo, cres- cendo, reproduzindo, convertendo energia de uma forma para outra, respondendo ao seu meio e assim por diante. Mas enquanto pareceu muito f?ícil reconhecer vida, era extraordinariamente dif?¡cil 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 bioqu?¡mica e da biologia molecular eliminaram esse proble- ma de uma maneira espetacular. Embora eles sejam in?nitamente vari?íveis quando vistos de fora, todas as coisas vivas s?úo fundamentalmente similares por dentro. Ago- ra sabemos que as c?®lulas se parecem umas com as outras em um grau estonteante de detalhes na sua qu?¡mica, compartilhando a mesma maquinaria para as fun?º?Áes mais b?ísicas. Todas as c?®lulas s?úo compostas do mesmo tipo de mol?®culas que participam nos mesmos tipos de rea?º?Áes qu?¡micas (discutido no Cap?¡tulo 2). Em todos os seres vivos, as informa?º?Áes gen?®ticas ÔÇô genes ÔÇô est?úo armazenadas nas mol?®culas de DNA escritas no mesmo c??digo qu?¡mico, formadas com os mesmos blocos qu?¡micos de constru?º?úo, interpretadas por essencialmente a mesma maquinaria qu?¡mica e dupli- cadas da mesma forma para permitir que o organismo se reproduza. Desse modo, em cada c?®lula, as longas cadeias de pol?¡meros de DNA s?úo feitas do mesmo conjunto de quatro mon??meros, chamados de nucleot?¡deos, amarrados uns aos outros em diferen- tes seq???¬ncias, como as letras de um alfabeto, para carregar diferentes informa?º?Áes.

Fundamentos da Biologia Celular 3 Quest?úo 1-1 ÔÇ£VidaÔÇØ ?® f?ícil de ser reco- nhecida, mas dif?¡cil de de- ?nir. O dicion?írio de?ne vida como ÔÇ£O estado ou a qualidade que distingue seres ou organismos vivos dos mortos e da mat?®ria inorg?ónica, caracterizada principalmente por metabolismo, crescimento e capacidade de reprodu- zir e responder a est?¡mulosÔÇØ. Os livros- texto de biologia normalmente elabo- ram pouco; por exemplo, de acordo com um texto popular, coisas vivas: 1. S?úo 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 mat?®ria a partir Pontue voc?¬ mesmo um aspirador de p?? e uma batata com rela?º?úo a estas caracter?¡sticas.

s?¡ntese de DNA (replica?º?úo) DNA 5′ 3′ 3′ 5′ s?¡ntese de RNA (transcri?º?úo) RNA 5′ 3′ s?¡ntese prot?®ica (tradu?º?úo) PROTE?ìNA H2NCOOH amino?ícidos

Figura 1-2 Em todas as c?®lulas vivas, a in- forma?º?úo gen?®tica ?ui a partir do DNA para o RNA (transcri?º?úo) e a partir do RNA para prote?¡na (tradu?º?úo). Juntos esses processos s?úo conhecidos como express?úo g?¬nica.

Figura 1-3 Todos os organismos vivos s?úo constru?¡dos a partir de c?®lulas. Uma bact?®- ria, uma borboleta, uma rosa e um gol?nho s?úo todos feitos de c?®lulas que t?¬m uma qu?¡- mica fundamental similar e funcionam de acordo com os mesmos princ?¡pios b?ísicos. (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 c?®lula, as instru?º?Áes no DNA s?úo lidas, ou transcritas, em um grupo de mo- l?®culas quimicamente relacionadas feitas de RNA (Figura 1-2). As mensagens carre- gadas pelas mol?®culas de RNA s?úo ent?úo traduzidas, agora em uma outra forma qu?¡- mica: elas s?úo utilizadas para direcionar a s?¡ntese de uma enorme variedade de grandes mol?®culas de prote?¡nas que dominam o comportamento da c?®lula, servindo como suportes estruturais, catalistas qu?¡micos, motores moleculares e assim por dian- te. Em cada ser vivo, o mesmo grupo de 20 amino?ícidos ?® utilizado para sintetizar prote?¡nas. Mas os amino?ícidos est?úo ligados em diferentes seq???¬ncias, conferindo diferentes propriedades qu?¡micas nas mol?®culas prot?®icas, assim como diferentes se- q???¬ncias de letras signi?cam diferentes palavras. Dessa maneira, a mesma maquina- ria bioqu?¡mica b?ísica serviu para gerar toda uma gama de seres vivos (Figura 1-3). Uma discuss?úo mais detalhada da estrutura e da fun?º?úo de prote?¡nas, RNA e DNA Se as c?®lulas s?úo a principal unidade da mat?®ria viva, ent?úo, nada menos do que uma c?®lula pode ser verdadeiramente chamada de vida. Os v?¡rus, por exemplo, con- t?¬m alguns dos mesmos tipos de mol?®culas que as c?®lulas, mas n?úo t?¬m a capacidade de se reproduzirem pelos seus pr??prios esfor?ºos; eles s?? conseguem ser copiados pa- rasitando a maquinaria reprodutiva das c?®lulas que eles invadem. Desse modo, os v?¡rus s?úo zumbis qu?¡micos, inertes e inativos fora da sua c?®lula hospedeira, mas exer- cendo um controle maligno uma vez que conseguem entrar.

Todas as C?®lulas Atuais Evolu?¡ram a Partir de um Mesmo Ancestral Uma c?®lula se reproduz pela duplica?º?úo do seu DNA e depois se divide em duas, passando uma c??pia das informa?º?Áes gen?®ticas codi?cadas no DNA para cada uma das suas c?®lulas-?lha. Por isso, as c?®lulas ?lhas se parecem com as c?®lulas parenterais. A c??pia nem sempre ?® perfeita, e as informa?º?Áes s?úo ocasionalmente corrompidas.

(A) (B)

Por essa raz?úo, as c?®lulas-?lha nem sempre se comparam exatamente com as paren- terais. Muta?º?Áes ÔÇô altera?º?Áes no DNA ÔÇô podem criar descendentes que s?úo alterados para pior (no que eles s?úo menos capazes de sobreviver e reproduzir); alterados para melhor (no que eles s?úo mais capazes de sobreviver e reproduzir); ou alterados neu- tralmente (no que eles s?úo geneticamente diferentes, mas igualmente vi?íveis). A luta pela sobreviv?¬ncia elimina o primeiro, favorece o segundo e tolera o terceiro. Os ge- nes da pr??xima gera?º?úo ser?úo os genes dos sobreviventes. Intermitentemente, o pa- dr?úo dos descendentes pode ser complicado pela reprodu?º?úo sexual, na qual duas c?®lulas da mesma esp?®cie fusionam, unindo o seu DNA; as cartas gen?®ticas s?úo ent?úo misturadas, repartidas e distribu?¡das em novas combina?º?Áes para a pr??xima gera?º?úo Esses princ?¡pios simples de altera?º?úo e sele?º?úo, aplicados repetidamente duran- te bilh?Áes de gera?º?Áes de c?®lulas, s?úo a base da evolu?º?úo ÔÇô o processo pelo qual as es- p?®cies vivas se modi?cam gradualmente e se adaptam ao seu meio de maneiras cada vez mais so?sticadas. A evolu?º?úo oferece uma explica?º?úo surpreendente, mas convin- cente, do motivo pelo qual as c?®lulas dos dias de hoje s?úo t?úo semelhantes nos seus fundamentos: todas elas herdaram as suas informa?º?Áes gen?®ticas a partir do mesmo ancestral comum. Estima-se que essa c?®lula ancestral existiu entre 3,5 bilh?Áes e 3,8 bilh?Áes de anos atr?ís, e devemos supor que ela continha um prot??tipo da maquinaria universal de toda a vida atual na Terra. Por meio de muta?º?Áes, 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 Instru?º?Áes para a Forma, a Fun?º?úo e o Comportamento Complexo das C?®lulas O genoma das c?®lulas ÔÇô isto ?®, toda a biblioteca de informa?º?úo gen?®tica no seu DNA ÔÇô fornece um programa gen?®tico que instrui a c?®lula sobre seu funcionamen- to, e as c?®lulas vegetais e animais, sobre seu crescimento para formar um organismo com centenas de diferentes tipos de c?®lulas. Dentro de uma planta ou animal indi- vidual, essas c?®lulas podem ser extraordinariamente variadas, como discutiremos no Cap?¡tulo 21. C?®lulas gordurosas, c?®lulas da pele, c?®lulas dos ossos e c?®lulas ner- vosas parecem t?úo diferentes quanto quaisquer c?®lulas poderiam ser. Contudo, es- ses tipos diferenciados de c?®lulas s?úo gerados durante o desenvolvimento embrion?í- rio a partir de uma ??nica c?®lula-ovo fertilizada, e todas cont?¬m c??pias id?¬nticas do DNA da esp?®cie. Suas caracter?¡sticas variadas originam-se a partir do modo pelo qual as c?®lulas individuais utilizam suas informa?º?Áes gen?®ticas. Diferentes c?®lulas expressam diferentes genes, isto ?®, elas acionam a produ?º?úo de algumas prote?¡nas e n?úo de outras, dependendo dos est?¡mulos que elas e suas c?®lulas ancestrais recebe- O DNA, portanto, n?úo ?® apenas uma lista de compras especi?cando as mol?®cu- las que cada c?®lula deve ter, e uma c?®lula n?úo ?® apenas uma montagem de todos os itens da lista. Cada c?®lula ?® capaz de realizar uma variedade de tarefas biol??gicas, dependendo do seu ambiente e da sua hist??ria, utilizando a informa?º?úo 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 c?®lula como as regras que deci- dem quando e onde estas partes devem ser sintetizadas.

C?®lulas Sob o Microsc??pio Hoje temos a tecnologia para decifrar os princ?¡pios subjacentes que governam a es- trutura e a atividade da c?®lula. Mas a biologia celular teve in?¡cio sem essas ferramen- tas. Para apreciar o apuro enfrentado por aqueles que primeiro visualizaram as c?®lu- las, imagine a perplexidade de um cientista de uma era passada ÔÇô digamos, Leonardo da Vinci ÔÇô tentando compreender o funcionamento de um computador laptop atual moderno. N?úo ter?¡amos meios de saber que a chave para compreender como essa Fundamentos da Biologia Celular 5

Quest?úo 1-2 As muta?º?Áes s?úo erros no DNA que alteram o plano gen?®tico a partir da gera- ?º?úo anterior. Imagine Voc?¬ esperaria que erros (p. ex., altera?º?Áes n?úo-in- tencionais) na c??pia do desenho do sapato levariam a melho- rias nos sapatos produzidos? Explique a sua resposta.

Quest?úo 1-3 Voc?¬ se envolveu em um ambicioso projeto de pes- quisa: criar vida em um tubo de ensaio. Voc?¬ fer- ve uma mistura rica de ex- trato de levedura e ami- no?ícidos em um frasco junto com uma pequena quantidade de sais inorg?ónicos sabida- mente essenciais para a vida. Voc?¬ Ap??s v?írios meses, o l?¡quido est?í claro como sempre e n?úo existem sinais de vida. Um amigo sugere que a exclus?úo de ar foi um erro j?í que a vida, como sabemos, requer oxig?¬nio. Voc?¬ repete o experimento, mas dessa vez deixa o frasco aberto ?á atmosfera. Para o seu grande prazer, o l?¡quido se torna turvo ap??s poucos dias e, sob o microsc??pio, voc?¬ visualiza bonitas pequenas c?®lu- las que claramente est?úo crescendo e se dividindo. Esse experimento prova que voc?¬ conseguiu gerar uma nova forma de vida? Como voc?¬ planejaria de novo o seu experimento para per- mitir a entrada de ar no seu frasco, eli- minando, contudo, a possibilidade de que a contamina?º?úo seja a explica?º?úo para os resultados? (Para uma respos- ta correta, consulte os experimentos de Louis Pasteur.) m?íquina funciona se encontra na identi?ca?º?úo e decodi?ca?º?úo dos seus programas. Depois de examinar a caixa externa do laptop, erguer a tela e cutucar as teclas, este indiv?¡duo culto e curioso poder?í abrir o objeto para ver o que tem dentro: nenhuma engrenagem ou manivela, nenhum duende min??sculo escrevendo mensagens na tela. Em vez disso, ele se confrontaria com placas cobertas com marcas met?ílicas e incrus- tadas com peda?ºos retangulares pretos; um objeto pesado, semelhante a um tijolo, que solta pequenas fa?¡scas quando cutucado com um par de pequenas pin?ºas de me- tal, e v?írios outros pequenos peda?ºos e partes profundamente intrigantes. Os primei- ros biologistas celulares concentraram-se em um tipo semelhante de explora?º?úo. Eles iniciaram simplesmente observando tecidos e c?®lulas, rompendo-as ou fatiando-as e tentando observar atentamente dentro delas. O que eles viram era para eles, como para o s?íbio renascentista confrontado com o computador, profundamente confuso. Contudo, esse tipo de investiga?º?úo visual foi a primeira etapa em dire?º?úo ?á compre- Em geral, as c?®lulas s?úo muito pequenas ÔÇô pequenas demais para serem vistas a olho nu. Elas n?úo foram vis?¡veis at?® o s?®culo XVII, quando o microsc??pio foi inven- tado. Durante centenas de anos depois, tudo o que era sabido sobre as c?®lulas foi descoberto utilizando esse instrumento. Os microsc??pios ??pticos, que utilizam luz vi- s?¡vel para iluminar os esp?®cimes, ainda s?úo pe?ºas vitais de equipamentos em um labo- Embora esses instrumentos agora incorporem muitas melhorias, as proprieda- des da pr??pria luz colocam um limite para a nitidez de detalhes que eles podem reve- lar. Os microsc??pios eletr??nicos, inventados nos anos 30, v?úo al?®m desse limite pela utiliza?º?úo de feixes de el?®trons em vez de feixes de luz como fonte de ilumina?º?úo, aumentando grandemente a sua capacidade para ver os ?nos detalhes das c?®lulas e at?® mesmo tornando algumas mol?®culas grandes vis?¡veis individualmente. Um pano- rama dos principais tipos de microscopia utilizados para examinar c?®lulas encontra- se no Painel 1-1 (p. 8-9).

(A) (B) existentes, foi ansiosamente contestada, mas ela foi ?nalmente con?rmada por expe- O princ?¡pio de que as c?®lulas s?úo geradas apenas a partir de c?®lulas preexisten- tes e herdam suas caracter?¡sticas a partir delas fundamenta toda a biologia e d?í ao assunto uma ??nica id?®ia: em biologia, as quest?Áes sobre o presente est?úo inevitavel- mente ligadas ?ás quest?Áes sobre o passado. Para entender por que as c?®lulas e os or- ganismos de hoje se comportam dessa maneira, precisamos entender a sua hist??ria, todo o caminho de volta ?ás origens vagas das primeiras c?®lulas sobre a Terra. A teoria de Darwin sobre a evolu?º?úo, publicada em 1859, forneceu a compreens?úo-chave que torna essa hist??ria compreens?¡vel, mostrando como a varia?º?úo rand??mica e a sele?º?úo natural podem orientar a produ?º?úo de organismos com novas caracter?¡sticas, adapta- dos a novos meios de vida. A teoria da evolu?º?úo explica como a diversidade surgiu entre os organismos que compartilham um ancestral comum. Quando combinada com a teoria celular, ela conduz a uma vis?úo de toda a vida, a partir do seu in?¡cio at?® os dias atuais, como uma vasta ?írvore familiar de c?®lulas individuais. Embora este li- vro aborde a maneira pela qual as c?®lulas trabalham hoje, o tema evolu?º?úo dever?í ser abordado mais vezes.

C?®lulas, Organelas e At?® Mesmo Mol?®culas Podem Ser Visualizadas Sob o Microsc??pio Se voc?¬ corta uma fatia muito ?na de um tecido vegetal ou animal adequado e o co- loca sob o microsc??pio ??ptico, voc?¬ ver?í que o tecido est?í dividido em milhares de pequenas c?®lulas. Estas poder?úo estar emaranhadas umas ?ás outras ou separadas por uma matriz extracelular, um material denso freq??entemente feito de ?bras prot?®icas embutidas em um gel polissacar?¡dico (Figura 1-5). Cada c?®lula tem normalmente cerca de 5-20 ?Ám de di?ómetro (Figura 1-6). Se voc?¬ tomou o cuidado de manter o seu esp?®cime sob as condi?º?Áes certas, voc?¬ ver?í que as c?®lulas mostram sinais de vida: part?¡culas se movem dando voltas dentro delas e se voc?¬ observar pacientemente, poder?í ver uma c?®lula mudar de formato lentamente e se dividir em duas (ver Figura 1-4). (Alguns ?lmes acelerados de divis?Áes de c?®lulas est?úo inclu?¡dos no CD-ROM que acompanha este livro.) Fundamentos da Biologia Celular 7

Painel 1-1 Microscopia ??ptica e eletr??nica O MICROSC?ôPIO ?ôPTICO

olho ocular objetiva esp?®cime condensador fonte de luz o caminho da luz em um microsc??pio ??ptico MICROSCOPIA DE FLUORESC?èNCIA

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

Agentes fluorescentes utilizados para corar c?®lulas s?úo detectados com a ajuda de um microsc??pio de fluoresc?¬ncia. Este ?® similar a um microsc??pio ??ptico comum, com a exce?º?úo de que a luz que ilumina ?® passada atrav?®s de um conjunto de filtros. O primeiro ( 1 ) filtra a luz antes que ela alcance o esp?®cime, 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 fluoresc?¬ncia. Objetos corados aparecem com cor brilhante sobre um fundo escuro.

VISUALIZANDO C?ëLULAS VIVAS A mesma c?®lula animal (fibroblasto) viva n?úo-corada em cultura vista por (A) microscopia direta (campo (A) claro); (B) microscopia de contraste de fase; (C) microscopia de contraste de interfer?¬ncia. Esse ??ltimo sistema explora as diferen?ºas na maneira como a luz viaja atrav?®s das regi?Áes da c?®lula (B) com diferentes ?¡ndices de refra?º?úo. Todas as tr?¬s imagens podem ser obtidas no mesmo microsc??pio simplesmente trocando-se os componentes ??pticos.

(C) AMOSTRAS FIXADAS A maioria dos tecidos n?úo ?® suficientemente pequena nem transparente para ser examinada diretamente pelo microsc??pio. Portanto, em geral eles s?úo quimicamente fixados e cortados em fatias muito finas, ou sec?º?Áes, que podem ser montadas sobre uma l?ómina de vidro para microsc??pio e subseq??entemente corados para Uma sec?º?úo corada da ponta de uma raiz de uma planta ?® mostrada aqui (D). (Cortesia de (D) Catherine Kidner.) SONDAS FLUORESCENTES C?®lulas em divis?úo visualizadas sob um microsc??pio de fluoresc?¬ncia depois de serem coradas com um agente fluorescente espec?¡fico.

Fundamentos da Biologia Celular 9 MICROSCOPIA CONFOCAL Um microsc??pio confocal ?® um microsc??pio de fluoresc?¬ncia com um laser como fonte de ilumina?º?úo. Este ?® focado sobre um ??nico ponto a uma profundidade espec?¡fica no esp?®cime, e um orif?¡cio de abertura no detector permite que apenas a fluoresc?¬ncia emitida a partir do ponto exato do foco seja inclu?¡da na imagem. A varredura do feixe de laser atrav?®s do esp?®cime gera uma imagem bidimensional bem-definida do plano de foco. Uma s?®rie de sec?º?Áes ??pticas a diferentes profundidades permite que uma imagem tridimensional seja constru?¡da. Um embri?úo intacto de inseto ?® mostrado aqui corado com uma sonda fluorescente para actina (um tipo de prote?¡na). (A) A microscopia convencional de fluoresc?¬ncia gera uma imagem borrada pela presen?ºa de estruturas fluorescentes acima e abaixo do plano de foco. (B) A microscopia confocal fornece uma sec?º?úo ??ptica resoluta das (A) (B) c?®lulas no embri?úo. (A, cortesia de Richard Warn; B, cortesia de Peter Shaw.) 10 ?Ám

MICROSCOPIA ELETR?öNICA DE TRANSMISS?âO canh?úo de el?®trons lentes condensadoras

esp?®cime Cortesia de Phillips Electron Optics lentes objetivas A micrografia eletr??nica abaixo mostra uma pequena regi?úo de uma c?®lula em um peda?ºo de test?¡culo. O tecido foi fixado quimicamente, embutido em pl?ístico e cortado em sec?º?Áes muito finas que foram coradas com sais de ur?ónio e tela para chumbo. (Cortesia de Daniel S. visualiza?º?úo ou filme fotogr?ífico Friend.) lentes do projetor

0,5 ?Ám O microsc??pio eletr??nico de transmiss?úo (TEM ÔÇô transmission electron microscope) ?®, em princ?¡pio, similar a um microsc??pio ??ptico de invers?úo, mas ele utiliza um feixe de el?®trons, em vez de um feixe de luz, e bobinas magn?®ticas para focar o feixe, em vez das lentes de vidro. O esp?®cime, que ?® colocado no v?ícuo, deve ser muito fino. O contraste normalmente ?® introduzido por corantes de metal pesado eletrondensos, que absorvem ou espalham localmente os el?®trons, removendo-os do feixe ?á medida que passam atrav?®s do esp?®cime. O TEM tem um poder de aumento ??til de at?® um milh?úo de vezes e uma resolu?º?úo, com esp?®cimes biol??gicos, de detalhes t?úo pequenos como cerca de 2 nm.

Cortesia de Phillips Electron Optics gerador da varredura tela de v?¡deo detector MICROSCOPIA ELETR?ö- NICA DE VARREDURA canh?úo de el?®trons

lentes condensadoras defletor do feixe lentes objetivas el?®trons a partir do esp?®cime esp?®cime No microsc??pio eletr??nico de varredura (SEM ÔÇô scanning electron microscope), o esp?®cime, que foi coberto com um filme muito fino de um metal pesado, ?® varrido por um feixe de el?®trons focalizados no esp?®cime pelas bobinas eletromagn?®ticas que, nos microsc??pios eletr??nicos, agem como lentes. A quantidade de el?®trons varridos ou emitidos ?á medida que o feixe bombardeia cada ponto sucessivo na superf?¡cie do esp?®cime ?® medida pelo detector e ?® utilizada para controlar a intensidade dos pontos sucessivos em uma imagem montada na tela de v?¡deo. O microsc??pio cria imagens impressionantes de objetos tridimensionais com grande profundidade de foco e resolu?º?úo de detalhes entre 3 nm e 20 nm, dependendo do instrumento.

Figura 1-5 As c?®lulas formam tecidos em plantas e animais. (A) C?®lulas na ponta de uma raiz de samambaia, com o n??cleo em vermelho, e cada c?®lula envolta por uma del- gada parede celular (azul). (B) C?®lulas no ducto coletor de urina dos rins. Cada ducto ?® constitu?¡do de c?®lulas intimamente compacta- das (com n??cleo corado em vermelho), apare- cendo como um anel nesta sec?º?úo transver- sal. O anel est?í envolto por matriz extracelular, corada de p??rpura. (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 ?Ám) m?¡nimo resolvido a olho nu C?ëLULAS ORGANELAS MOL?ëCULAS ?üTOMOS x10 20 ?Ám x10 2 ?Ám x10 200 nm m?¡nimo resolvido pelo microsc??pio ??ptico x10 20 nm x10 2 nm x10 0,2 nm m?¡nimo resolvido pelo microsc??pio eletr??nico

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

(A) (B) 50 ?Ám 50 ?Ám

citoplasma membrana plasm?ítica n??cleo (A) 40 ?Ám membranas internas. Com um microsc??pio eletr??nico, at?® mesmo algumas das gran- des mol?®culas individuais em uma c?®lula podem ser visualizadas (Figura 1-8C). O tipo de microsc??pio eletr??nico utilizado para observar uma ?na sec?º?úo de tecido ?® conhecido como microsc??pio eletr??nico de transmiss?úo. Este ?® em princ?¡pio semelhante a um microsc??pio ??ptico, ele transmite um feixe de el?®trons em vez de um feixe de luz atrav?®s da amostra. Um outro tipo de microsc??pio eletr??nico ÔÇô o mi- crosc??pio eletr??nico de varredura ÔÇô dispersa el?®trons ao longo da amostra e, desse modo, ?® utilizado para visualizar os detalhes da superf?¡cie das c?®lulas e outras estru- turas (ver Painel 1-1, p. 8-9). A microscopia eletr??nica permite aos bi??logos visualizar as estruturas de membranas biol??gicas, que t?¬m apenas duas mol?®culas (grandes) de espessura (descrita em detalhe nos Cap?¡tulos 11 e 12). At?® mesmo com os mais pode- rosos microsc??pios eletr??nicos, entretanto, n?úo se podem visualizar os ?ítomos indivi- O microsc??pio n?úo ?® a ??nica ferramenta que os biologistas moleculares utilizam para estudar os detalhes dos componentes celulares. T?®cnicas como a cristalogra?a de raio X, por exemplo, podem ser utilizadas para determinar a estrutura tridimen- sional de mol?®culas prot?®icas (discutido no Cap?¡tulo 4). Deveremos descrever outros m?®todos para sondar os trabalhos internos das c?®lulas ?á medida que eles surgirem por todo o livro.

A C?®lula Procari??tica De todos os tipos de c?®lulas reveladas pelo microsc??pio, as bact?®rias t?¬m a estrutura mais simples e quase chegam a nos mostrar a vida desnudada at?® o seu ?ómago. Na verdade, as bact?®rias essencialmente n?úo cont?¬m organelas ÔÇô nem mesmo um n??cleo para conter o seu DNA. Essa propriedade ÔÇô a presen?ºa ou aus?¬ncia de um n??cleo ÔÇô ?® utilizada como base para uma classi?ca?º?úo simples, mas fundamental para todos os organismos vivos. Os organismos cujas c?®lulas t?¬m um n??cleo s?úo chamados de euca- riotos (a partir das palavras gregas eu, signi?cando ÔÇ£verdadeiroÔÇØ ou ÔÇ£realÔÇØ e karyon, uma ÔÇ£parte centralÔÇØ ou ÔÇ£n??cleoÔÇØ). Os organismos cujas c?®lulas n?úo t?¬m um n??cleo s?úo chamados de procariotos (a partir de pro, signi?cando ÔÇ£antesÔÇØ). Os termos ÔÇ£bac- t?®riaÔÇØ e ÔÇ£procariotoÔÇØ s?úo freq??entemente utilizados de forma alternada, embora ve- jamos que a categoria dos procariotos tamb?®m inclui uma outra classe de c?®lulas, t?úo Fundamentos da Biologia Celular 11

membrana plasm?ítica organela fibras (B) 5 ?Ám

membrana plasm?ítica ret?¡culo endoplasm?ítico peroxissomo n??cleo

Fundamentos da Biologia Celular 13 Figura 1-8 (p?ígina ?á esquerda) A estrutura ?na de uma c?®lula pode ser visualizada em um mi- crosc??pio eletr??nico de transmiss?úo. (A) Sec?º?úo ?na de uma c?®lula do f?¡gado mostrando a enorme quantidade de detalhes que s?úo vis?¡veis. Alguns dos componentes a serem discutidos mais adiante no cap?¡tulo est?úo marcados; eles s?úo identi?c?íveis pelo seu tamanho e forma. (B) Uma pequena re- gi?úo do citoplasma com um aumento um pouco maior. As estruturas menores, claramente vis?¡veis, s?úo os ribossomos; cada um ?® formado por cerca de 80-90 macromol?®culas individuais. (C) Por?º?úo de uma mol?®cula longa de DNA em forma de cord?úo, isolada a partir de uma c?®lula e vista por mi- croscopia eletr??nica. (A e B, cortesia de Daniel S. Friend; C, cortesia de Mei Lie Wong.)

20 mm 2 mm 0,2 mm 20 ?Ám 2 ?Ám 0,2 ?Ám 20 nm 2 nm 0,2 nm Figura 1-9 Qual o tamanho de uma c?®lula e qual o tamanho das suas partes? Esse diagrama transmite um sentido de escala entre c?®lulas vivas e ?ítomos. Cada painel mostra uma imagem que ?® aumentada por um fator de 10 em uma progress?úo imagin?íria a partir de um dedo polegar, atrav?®s de c?®lulas da pele, passando por um ribossomo e por ??ltimo at?® um grupo de ?ítomos que formam parte de uma das v?írias mol?®culas prot?®icas em nosso corpo. Os detalhes da estrutura molecular, como mostrado nos dois ??ltimos pain?®is, est?úo al?®m do poder de um microsc??pio eletr??nico.

Figura 1-10 As bact?®rias se apresentam com diferentes formas e tamanhos. Bact?®- rias t?¡picas esf?®ricas, em forma de bast?úo e As c?®lulas espirais mostradas s?úo os organis- mos que causam a s?¡?lis.

Nota sobre nomes biol??gicos As esp?®cies de organismos vivos s?úo o?cialmente identi?cadas por um par de palavras em latim normalmente es- critas em it?ílico, semelhante ao nome e sobrenome de uma pessoa. O g?¬nero (Escherichia, correspondendo ao nome) ?® anunciado primeiro; o segun- do termo (coli) classi?ca este, identi?- cando uma esp?®cie em particular que pertence ?áquele g?¬nero. O nome do g?¬nero pode ser abreviado (E. coli) ou a classi?ca?º?úo da esp?®cie pode ser re- tirada (de modo que freq??entemente falamos da mosca Drosophila, queren- do dizer Drosophila melanogaster).

coli) ?® mais bem-compreendida a fundo do que qualquer outro organismo vivo. Uma microgra?a eletr??nica de uma sec?º?úo longitu- dinal ?® mostrada aqui; o DNA da c?®lula est?í (Cortesia de E. Kellenberger.) 2 ?Ám

c?®lulas esf?®ricas, c?®lulas em formato de bast?úo, c?®lulas espirais, p. ex., Streptococcus p. ex., Escherichia coli, p. ex., Treponema pallidum Salmonella

remotamente relacionadas ?ás bact?®rias comuns para as quais ?® dado um nome sepa- As bact?®rias s?úo tipicamente pequenas ÔÇô apenas uns poucos micr??metros de comprimento ÔÇô e em forma de esferas ou semelhantes a um bast?úo ou a um saca-ro- lha (Figura 1-10). Elas freq??entemente t?¬m uma cobertura protetora resistente, cha- mada de parede celular, envolvendo a membrana plasm?ítica, que cerca um ??nico compartimento contendo o citoplasma e o DNA. Ao microsc??pio eletr??nico, esse interior da c?®lula normalmente aparece como uma matriz de texturas vari?íveis sem nenhuma estrutura interna ??bvia organizada (Figura 1-11). As c?®lulas se reproduzem rapidamente, dividindo-se em duas. Sob condi?º?Áes ??timas, quando os nutrientes s?úo abundantes, uma c?®lula procari??tica pode duplicar-se em um espa?ºo de tempo, ?ás vezes de 20 minutos. Em menos de 11 horas, por divis?Áes repetidas, um ??nico proca- rioto pode dar origem a 5 bilh?Áes de descendentes (aproximadamente igual ao n??me- ro total de humanos sobre a terra). Gra?ºas ao seu grande n??mero, velocidade de crescimento r?ípido e capacidade de trocar por?º?Áes de material gen?®tico por um pro- cesso similar ao sexo, as popula?º?Áes de c?®lulas procari??ticas podem se desenvolver rapidamente, adquirindo depressa a capacidade de utilizar uma nova fonte de ali- mento ou resistir ?á morte por um antibi??tico novo.

Os Procariotos S?úo as C?®lulas 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 qu?¡mica eles s?úo a classe mais diversa e criativa de c?®lulas. Essas criaturas exploram uma enorme amplitude de habitats, a partir de po?ºas quentes de lama vul- c?ónica at?® o interior de outras c?®lulas vivas, e elas excedem muito em n??mero de ou- tros organismos vivos na Terra. Algumas s?úo aer??bicas, utilizando oxig?¬nio para oxi- dar mol?®culas de alimento; outras s?úo estritamente anaer??bicas e morrem ?á m?¡nima exposi?º?úo ao oxig?¬nio. Como veremos mais adiante neste cap?¡tulo, sup?Áe-se que as mitoc??ndrias ÔÇô as organelas que geram energia para a c?®lula eucari??tica ÔÇô tenham evolu?¡do a partir de bact?®rias aer??bicas que decidiram viver dentro de ancestrais ana- er??bicos das c?®lulas eucari??ticas atuais. Desse modo, nosso pr??prio metabolismo, baseado em oxig?¬nio, pode ser considerado como produto das atividades de c?®lulas bacterianas.

HS V (A) 10 ?Ám (B) 1 ?Ám Praticamente qualquer material org?ónico, desde madeira at?® petr??leo, pode ser utilizado como alimento por um tipo de bact?®ria ou outro. Ainda mais extraordina- riamente, alguns procariotos podem viver inteiramente em subst?óncias inorg?ónicas: eles obt?¬m seu carbono a partir do CO na atmosfera, seu nitrog?¬nio a partir do N 22 atmosf?®rico e seu oxig?¬nio, hidrog?¬nio, enxofre e f??sforo a partir do ar, ?ígua e mine- rais inorg?ónicos. Algumas dessas c?®lulas procari??ticas, como as c?®lulas de vegetais, realizam a fotoss?¡ntese, obtendo a energia que elas necessitam para a bioss?¡ntese a partir da luz solar (Figura 1-12); outras produzem energia a partir da reatividade qu?¡mica de subst?óncias inorg?ónicas no meio (Figura 1-13). Em qualquer caso, esses procariotos realizam uma parte ??nica e fundamental na economia da vida na Terra: outros seres vivos dependem dos compostos org?ónicos que essas c?®lulas geram a par- Plantas tamb?®m podem capturar energia a partir da luz solar e carbono a par- tir do CO atmosf?®rico. Mas as plantas, quando n?úo auxiliadas pelas bact?®rias, n?úo 2 podem capturar N a partir da atmosfera e, de certa maneira, at?® mesmo as plantas 2 dependem das bact?®rias para a fotoss?¡ntese. ?ë quase certo que as organelas nas c?®lulas vegetais que realizam a fotoss?¡ntese ÔÇô os cloroplastos ÔÇô evolu?¡ram a partir de bact?®rias fotossint?®ticas que encontraram um lar dentro do citoplasma das c?®lulas vegetais.

O Mundo dos Procariotos ?ë Dividido em Dois Dom?¡nios: Eubact?®ria e Arqueobact?®ria Tradicionalmente, todos os procariotos t?¬m sido classi?cados juntos em um grande grupo. Mas estudos moleculares revelaram que existe uma linha divis??ria dentro da classe dos procariotos que a divide em dois dom?¡nios distintos, chamados de eubact?®- rias (ou simplesmente bact?®rias) e arqueobact?®rias. Extraordinariamente, em n?¡vel molecular, os membros desses dois dom?¡nios diferem tanto um do outro quanto dos eucariotos. A maioria dos procariotos familiares da vida do dia a dia ÔÇô as esp?®cies que vivem no solo ou causam doen?ºas ÔÇô s?úo eubact?®rias. As arqueobact?®rias n?úo s?úo ape- nas encontradas nesses habitats, mas tamb?®m em meios hostis para a maioria das outras c?®lulas: existem esp?®cies que vivem em ?ígua salgada concentrada, em fontes ?ícidas quentes de origem vulc?ónica, nos sedimentos marinhos das profundezas com pouco ar, na borra resultante do tratamento de esgotos em plantas industriais, em po?ºas abaixo de superf?¡cies congeladas da Ant?írtica e no meio ?ícido livre de oxig?¬nio

Figura 1-13 Uma sulfobact?®ria obt?®m 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 at?® mesmo no escuro. Nesta micro- 2 gra?a ??ptica, dep??sitos amarelos de enxofre podem ser visualizados dentro das c?®lulas. (Cortesia de Ralph W. Wolfe.) Fundamentos da Biologia Celular 15

Figura 1-12 Algumas bact?®rias s?úo fotossint?®ticas. (A) Anabaena cylindrica for- ma longos ?lamentos multicelulares. Essa mi- crogra?a ??ptica mostra c?®lulas especializadas que, ou ?xam nitrog?¬nio (isto ?®, capturam N 2 a partir da atmosfera e o incorporam nos compostos org?ónicos; marcados H) e ?xam CO (atrav?®s da fotoss?¡ntese; V), ou desenvol- 2 vem esporos resistentes (S). (B) Uma micro- gra?a eletr??nica do Phormidium laminosum mostra as membranas intracelulares onde a fotoss?¡ntese 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.)

Quest?úo 1-4 Uma bact?®ria pesa cerca de 10ÔÇô12 g e pode se dividir a cada 20 minutos. Se uma ??nica c?®lula bacte- riana continua a se dividir a essa velocidade, quanto tempo levaria antes que a massa de bact?®rias se Compare seu resultado com o fato de que as bact?®rias se originaram no m?¡- nimo 3,5 bilh?Áes de anos atr?ís e t?¬m se dividido desde ent?úo. Explique o paradoxo aparente. (O n??mero N de c?®lulas em uma cultura no tempo t ?® descrito pela equa?º?úo N = N ?ù 2t/G, 0 onde N ?® o n??mero de c?®lulas no 0 tempo zero e G ?® o tempo de duplica- ?º?úo da popula?º?úo.)

5 ?Ám Figura 1-14 Leveduras s?úo eucariotos sim- ples de vida livre. A c?®lula mostrada nessa microgra?a ??ptica pertence ?á mesma esp?®cie que faz uma rosquinha crescer e torna o suco da cevada maltado em cerveja. Ela se repro- duz pela forma?º?úo de brotos e depois pela di- vis?úo assim?®trica em uma c?®lula-?lha grande e uma pequena. (Cortesia de Soren Mogels- vang e Natalia Gomez-Ospina.)

(A) n??cleo do est??mago de bovinos, onde elas degradam celulose e geram g?ís metano. V?írios desses meios se assemelham ?ás duras condi?º?Áes que devem ter existido na terra pri- mitiva, onde os seres vivos come?ºaram a evoluir, antes da atmosfera se tornar rica em oxig?¬nio.

A C?®lula Eucari??tica C?®lulas eucari??ticas, em geral, s?úo maiores e mais elaboradas do que as bact?®rias e arqueobact?®rias. 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 ÔÇô incluindo plan- Por de?ni?º?úo, todas as c?®lulas eucari??ticas t?¬m um n??cleo. Mas a posse de um n??cleo signi?ca possuir tamb?®m uma variedade de outras organelas, cuja maioria ?® igualmente comum a todos esses organismos eucari??ticos. Agora, daremos uma olha- da nas principais organelas encontradas nas c?®lulas eucari??ticas a partir do ponto de vista das suas fun?º?Áes.

O N??cleo ?ë o Dep??sito de Informa?º?Áes da C?®lula O n??cleo ?® normalmente a organela mais saliente em uma c?®lula eucari??tica (Figura 1-15). Ele est?í envolvido por duas membranas conc?¬ntricas que formam o envelope

n??cleo envelope nuclear cromossomos condensados

25 ?Ám nuclear e cont?®m mol?®culas de DNA ÔÇô pol?¡meros extremamente longos que codi?- cam para as informa?º?Áes gen?®ticas do organismo. Ao microsc??pio ??ptico, essas mol?®- culas gigantes de DNA se tornam vis?¡veis na forma de cromossomos individuais, quando eles se tornam mais compactos ?á medida que a c?®lula se prepara para dividir- se em duas c?®lulas-?lha (Figura 1-16). O DNA tamb?®m armazena a informa?º?úo gen?®- tica nas c?®lulas procari??ticas; essas c?®lulas n?úo apresentam um n??cleo distinto n?úo porque n?úo t?¬m DNA, mas porque elas n?úo o mant?¬m dentro de um envelope nucle- ar, segregado do resto do conte??do da c?®lula.

As Mitoc??ndrias Geram Energia a Partir de Nutrientes para Energizar a C?®lula Entre as organelas mais not?íveis no citoplasma, as mitoc??ndrias est?úo presentes em essencialmente todas as c?®lulas eucari??ticas (Figura 1-17). Essas organelas t?¬m uma estrutura muito distinta quando visualizadas sob o microsc??pio eletr??nico: cada mi- toc??ndria parece ter a forma de uma salsicha ou verme de um a v?írios micr??metros de comprimento, e cada uma est?í envolvida em duas membranas separadas. A mem- brana interna ?® formada por dobras que se projetam para o interior da mitoc??ndria (Figura 1-18). As mitoc??ndrias cont?¬m seu pr??prio DNA e se reproduzem dividindo- se em duas. Como as mitoc??ndrias se parecem com bact?®rias de v?írias maneiras, su- p?Áe-se que elas derivem de bact?®rias que foram englobadas por algum ancestral das c?®lulas eucari??ticas atuais (Figura 1-19). Isso, evidentemente, criou uma rela?º?úo sim- bi??tica ÔÇô um relacionamento em que o eucarioto hospedeiro e a bact?®ria englobada A observa?º?úo sob o microsc??pio por si s?? d?í pouca indica?º?úo sobre o que as mi- toc??ndrias fazem. A sua fun?º?úo foi descoberta rompendo as c?®lulas e ent?úo centrifu- gando a sopa de fragmentos celulares em uma centr?¡fuga; isso separa as organelas de acordo com o seu tamanho, forma e densidade. As mitoc??ndrias puri?cadas foram ent?úo testadas para saber quais os processos qu?¡micos que elas poderiam realizar. Isso revelou que as mitoc??ndrias s?úo geradoras de energia qu?¡mica para a c?®lula. Elas aproveitam a energia a partir da oxida?º?úo de mol?®culas de alimento, como os a?º??ca- res, para produzir adenosina trifosfato, ou ATP ÔÇô o combust?¡vel qu?¡mico b?ísico que energiza a maioria das atividades das c?®lulas. Como as mitoc??ndrias consomem oxig?¬- nio e liberam di??xido de carbono no curso das suas atividades, todo o processo ?® cha- mado de respira?º?úo celular ÔÇô fundamentalmente, respira?º?úo em um n?¡vel celular. O processo de respira?º?úo celular ser?í considerado com mais detalhes no Cap?¡tulo 14. Sem as mitoc??ndrias, os animais, os fungos e as plantas seriam incapazes de utilizar oxig?¬nio para extrair o m?íximo de quantidade de energia a partir das mol?®cu- las de alimento que as nutrem. O oxig?¬nio seria um veneno para elas, em vez de uma necessidade essencial. De fato, existem alguns eucariotos que n?úo t?¬m mitoc??ndrias e vivem apenas em meios livres de oxig?¬nio.

Fundamentos da Biologia Celular 17 Figura 1-16 Os cromossomos tornam-se vi- s?¡veis quando uma c?®lula est?í para se dividir. ?Ç medida em que a c?®lula se prepara para a divis?úo, o seu DNA condensa em cro- mossomos semelhantes a cord?Áes que podem ser distinguidos ao microsc??pio ??ptico. As fo- togra?as mostram tr?¬s etapas sucessivas nes- se processo em uma c?®lula de cultura a partir de pulm?úo de salamandra aqu?ítica. (Cortesia de Conly L. Rieder.)

(B) (C) (A) Figura 1-18 O microsc??pio eletr??nico revela as dobras na membrana mitocondrial. (A) Um corte transversal de uma mitoc??ndria. (B) Essa representa?º?úo tridimensional da organi- za?º?úo da membrana mitocondrial mostra a membrana externa lisa e a membrana interna muito convoluta. A membrana interna cont?®m a maioria das prote?¡nas respons?íveis pela res- pira?º?úo celular, e ela ?® altamente dobrada para fornecer uma grande ?írea de superf?¡cie para a sua atividade. (C) Nessa c?®lula esque- m?ítica, o espa?ºo interior da mitoc??ndria est?í corado. (A, cortesia de Daniel S. Friend.)

Figura 1-19 As mitoc??ndrias provavelmente se desenvolveram a partir de bact?®rias englobadas. ?ë praticamente certo que as mi- toc??ndrias se originaram a partir de bact?®rias que foram englobadas por uma c?®lula eucari??- 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 s?úo grandes organelas verdes encontradas apenas nas c?®lulas de ve- getais e algas, e n?úo nas c?®lulas de animais ou fungos. Essas organelas t?¬m uma es- trutura ainda mais complexa do que a das mitoc??ndrias: al?®m 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 ?® 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 cont?¬m sejam cruciais para o rela- cionamento especial que as plantas e algas t?¬m com a luz. Mas o que ?® esse relacio- namento?

c?®lula eucari??tica ancestral c?®lula eucari??tica membranas aer??bica primitiva internas n??cleo

Fundamentos da Biologia Celular 19 membranas contendo clorofila

membrana externa membrana interna parede celular vac??olo (A) (B) (C) 20 ?Ám 1 ?Ám

Todos os animais e plantas necessitam de energia para viver, crescer e reprodu- zir. Os animais apenas podem utilizar a energia qu?¡mica que eles obt?¬m 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 s?úo as organelas que as permitem fazer isso. A partir do ponto de vista da vida na Terra, os cloroplas- tos realizam uma tarefa at?® mesmo mais essencial do que as mitoc??ndrias: eles realizam a fotoss?¡ntese ÔÇô isto ?®, eles capturam a energia da luz solar em mol?®cu- las de cloro?la e utilizam essa energia para conduzir a fabrica?º?úo de mol?®culas de a?º??car ricas em energia. No processo, eles liberam oxig?¬nio como um subpro- duto molecular. Ent?úo, as c?®lulas vegetais podem extrair essa energia qu?¡mica armazenada quando necessitarem, pela oxida?º?úo desses a?º??cares nas suas mito- c??ndrias, exatamente como as c?®lulas animais. Dessa forma, os cloroplastos ge- ram tanto as mol?®culas de alimento como o oxig?¬nio que todas as mitoc??ndrias Como as mitoc??ndrias, os cloroplastos cont?¬m o seu pr??prio DNA, se reprodu- zem dividindo-se em dois e sup?Áe-se que tenham evolu?¡do a partir de bact?®rias ÔÇô nes- se caso a partir de bact?®rias fotossint?®ticas que foram de algum modo englobadas por c?®lulas eucari??ticas primitivas (Figura 1-21).

Membranas Internas Criam Compartimentos Intracelulares com Diferentes Fun?º?Áes N??cleo, mitoc??ndrias e cloroplastos n?úo s?úo as ??nicas organelas envolvidas por mem- branas dentro das c?®lulas eucari??ticas. O citoplasma cont?®m uma abund?óncia de ou- tras organelas ÔÇô a maioria delas envolvida por membranas simples ÔÇô que realizam v?írias fun?º?Áes distintas. A maioria dessas estruturas est?í envolvida com a capacidade das c?®lulas de importar materiais crus e exportar subst?óncias manufaturadas e produ- tos in??teis. Algumas dessas organelas envolvidas por membranas est?úo muito aumen- tadas nas c?®lulas que s?úo especializadas pela secre?º?úo de prote?¡nas; outras s?úo parti- cularmente numerosas em c?®lulas especializadas na digest?úo de corpos estranhos. O ret?¡culo endoplasm?ítico (RE) ÔÇô um labirinto irregular de espa?ºos interconec- tados envolvido por uma membrana dobrada (Figura 1-22) ÔÇô ?® o local no qual a maio- ria dos componentes da membrana celular, assim como materiais destinados para a exporta?º?úo a partir da c?®lula, ?® sintetizado. Pilhas de sacos achatados envolvidos por membranas constituem o aparelho de Golgi (Figura 1-23), que recebe e com freq???¬n- cia modi?ca quimicamente as mol?®culas sintetizadas no ret?¡culo endoplasm?ítico e Figura 1-20 Os cloroplastos capturam a energia da luz solar nas c?®lulas vegetais. (A) C?®lulas de folhas em um musgo vistas sob um microsc??pio ??ptico, cada uma contendo v?írios cloroplastos verdes. (B) Microgra?a ele- tr??nica de um cloroplasto de uma folha de grama mostra o sistema extensivo de mem- branas internas das organelas. Os sacos acha- tados de membrana cont?¬m cloro?la e est?úo arranjados em pilhas. (C) O esbo?ºo destaca as caracter?¡sticas vistas em (B).(B, cortesia de Eldon Newcomb.)

Quest?úo 1-5 De acordo com a Figura 1-19, por que as mitoc??n- drias t?¬m tanto uma membrana externa como uma interna? Qual das duas membranas mito- condriais deveria ser ÔÇô em termos evolucion?írios ÔÇô derivada a partir da membrana celular da c?®lula eucari??tica ancestral? Na microgra?a eletr??nica de uma mito- c??ndria na Figura 1-18A, identi?que o espa?ºo que cont?®m o DNA mitocon- drial, isto ?®, o espa?ºo que corresponde ao citosol da bact?®ria que foi internali- zada pela c?®lula eucari??tica ancestral mostrada na Figura 1-19.

c?®lula c?®lula eucari??tica primitiva eucari??tica primitiva capaz de fotoss?¡ntese

Figura 1-21 Os cloroplastos, assim como as mitoc??ndrias, evolu?¡am a partir de bact?®rias englobadas. Sup?Áe-se que os cloroplastos te- nham se originado a partir de bact?®rias fotos- sint?®ticas simbiontes, as quais foram capta- das por c?®lulas eucari??ticas primitivas que j?í continham mitoc??ndrias.

Figura 1-22 V?írios componentes celulares s?úo produzidos no ret?¡culo endoplasm?ítico (RE). (A) Diagrama esquem?ítico de uma c?®- lula animal mostra o ret?¡culo endoplasm?ítico em verde. (B) Microgra?a eletr??nica de um corte ?no de uma c?®lula pancre?ítica de ma- m?¡fero mostra uma pequena parte do ret?¡culo endoplasm?ítico, do qual existem vastas ?íreas nesse tipo de c?®lula, que ?® especializada em secre?º?úo de prote?¡nas. Note que o RE ?® cont?¡- As part?¡culas pretas espalhadas por esta re- gi?úo particular do RE mostradas aqui s?úo os ribossomos ÔÇô os agrupamentos moleculares que realizam a s?¡ntese prot?®ica. Por causa da sua apar?¬ncia, o RE coberto por ribossomos ?® freq??entemente chamado de ÔÇ£RE rugosoÔÇØ. (B, cortesia de Lelio Orci.) cloroplastos bact?®ria fotossint?®tica

ent?úo as direcionam para o exterior da c?®lula ou para v?írios outros locais. Os lisos- somos s?úo organelas pequenas de forma irregular nas quais ocorre a digest?úo intra- celular, liberando nutrientes a partir de part?¡culas de alimento e degradando mol?®- culas indesej?íveis para reciclagem ou excre?º?úo. Os peroxissomos s?úo pequenas ves?¡culas envolvidas por membranas que fornecem um meio abrangente de rea?º?Áes nas quais o per??xido de hidrog?¬nio, um qu?¡mico perigosamente reativo, ?® gerado e degradado. As membranas tamb?®m formam v?írios tipos diferentes de pequenas ve- s?¡culas envolvidas no transporte de materiais entre uma organela envolvida por membrana e outra. Todo esse sistema de organelas relacionadas est?í esquematizado Uma troca cont?¡nua de materiais ocorre entre o ret?¡culo endoplasm?ítico, o apa- relho de Golgi, os lisossomos e o exterior da c?®lula. A troca ?® mediada por pequenas ves?¡culas envolvidas por membrana que brotam a partir da membrana de uma orga- nela e se fusionam com uma outra, como min??sculas bolhas de sab?úo que brotam e depois se unem em bolhas maiores. Na superf?¡cie da c?®lula, por exemplo, por?º?Áes da membrana plasm?ítica se dobram para dentro e se desgrudam para formar ves?¡culas que transportam, para dentro da c?®lula, material capturado a partir do meio externo (Figura 1-25). Estas geralmente se fusionam com os lisossomos, onde o material im- portado ?® digerido. C?®lulas animais podem englobar part?¡culas muito grandes ou at?®

n??cleo envelope nuclear ret?¡culo endoplasm?ítico

(B)ves?¡culas envolvidas por membrana aparelho de Golgi ret?¡culo endoplasm?ítico

envelope nuclear (A) Figura 1-23 O aparelho de Golgi assemelha-se a uma pilha de discos achatados. Essa organela, apenas vis?¡vel sob o mi- crosc??pio ??ptico, mas freq??entemente impercept?¡vel, est?í en- volvida na s?¡ntese e empacotamento de mol?®culas destinadas a serem secretadas a partir da c?®lula, assim como no direciona- mento de prote?¡nas rec?®m-sintetizadas para o compartimento celular correto. (A) Diagrama esquem?ítico de uma c?®lula ani- mal com o aparelho de Golgi, marcado de vermelho. (B) Dese- nho do aparelho de Golgi, reconstru?¡do a partir de imagens do microsc??pio eletr??nico. A organela ?® composta de sacos acha- tados de membrana empilhados em camadas, a partir dos quais pequenas ves?¡culas desgrudam-se e fusionam. (C) Micro- gra?a eletr??nica do aparelho de Golgi de uma c?®lula animal t?¡- pica. (C, cortesia de Brij J. Gupta.) (C)

mesmo c?®lulas estranhas inteiras por esse processo de endocitose. O processo reverso, exocitose, pelo qual as ves?¡culas do interior da c?®lula se fusionam com a membrana plasm?ítica e liberam seus conte??dos para o meio externo, tamb?®m ?® uma atividade celular comum (ver Figura 1-25). Horm??nios, neurotransmissores e outras mol?®culas de sinaliza?º?úo s?úo secretados a partir das c?®lulas por exocitose. Como as organelas envolvidas por membrana transportam prote?¡nas e outras mol?®culas a partir de um local para outro dentro da c?®lula ser?í discutido com mais detalhes no Cap?¡tulo 15.

mitoc??ndria lisossomo peroxissomo citosol aparelho envelope de Golgi nuclear

ves?¡cula ret?¡culo endoplasm?ítico membrana (A) (B) plasm?ítica Fundamentos da Biologia Celular 21

1 ?Ám Figura 1-24 Organelas envolvidas por mem- brana est?úo distribu?¡das pelo citoplasma. (A) Existe uma variedade de compartimentos envolvidos por membrana dentro das c?®lulas eucari??ticas, cada uma es- pecializada para realizar uma fun?º?úo diferen- te. (B) O resto da c?®lula, excluindo todas es- sas organelas, ?® chamado citosol (marcado de azul). Essa regi?úo ?® o local de v?írias ativida- des vitais para a c?®lula.

IMPORTA?ç?âO membrana plasm?ítica EXPORTA?ç?âO Quest?úo 1-6 Sugira por que seria van- tajoso para as c?®lulas eu- cari??ticas desenvolver sistemas internos elabo- rados de membranas que as permitam importar subst?óncias a partir do exterior, como mostrado na Figura 1-25.

Figura 1-25 As c?®lulas dedicam-se ?á endocitose e ?á exocitose. As c?®lulas podem importar mate- riais a partir do meio externo, capturando-os em ves?¡culas que se originam a partir da membrana plasm?ítica. Finalmente, as ves?¡culas se fundem com os lisossomos, onde ocorre a digest?úo intrace- lular. Por um processo oposto, as c?®lulas exportam materiais que elas sintetizaram nos compartimen- tos intracelulares: os materiais s?úo armazenados em ves?¡culas intracelulares e liberados para o exte- rior, quando essas ves?¡culas se fusionam com a membrana plasm?ítica.

O Citosol ?® um Gel Aquoso Concentrado, Formado de Mol?®culas Grandes e Pequenas Se consegu?¡ssemos retirar a membrana plasm?ítica de uma c?®lula eucari??tica e ent?úo remover todas as suas organelas envolvidas por membranas, incluindo o n??cleo, RE, aparelho de Golgi, mitoc??ndrias e cloroplastos, ?car?¡amos com o citosol (Figura 1-24B). Na maioria das c?®lulas, o citosol preenche o maior compartimento, que nas bact?®rias geralmente ?® o ??nico compartimento intracelular. O citosol cont?®m um grande n??mero de mol?®culas grandes e pequenas, amontoadas t?úo intimamente que ele se comporta mais como um gel baseado em ?ígua do que como uma solu?º?úo l?¡qui- da (Figura 1-26). Ele ?® o local de v?írias rea?º?Áes qu?¡micas fundamentais para a exis- t?¬ncia da c?®lula. As primeiras etapas na quebra de mol?®culas nutrientes ocorrem no citosol, por exemplo, e tamb?®m ?® nele que a c?®lula realiza um dos seus processos de s?¡ntese b?ísicos ÔÇô a manufatura de prote?¡nas. Os ribossomos, as m?íquinas molecula- res min??sculas que fazem as mol?®culas prot?®icas, s?úo vis?¡veis sob o microsc??pio ele- tr??nico como pequenas part?¡culas no citosol, freq??entemente ligadas ?á face citos??lica do RE (ver Figuras 1-8B e 1-22B).

O Citoesqueleto ?ë Respons?ível Pelos Movimentos Celulares Direcionados O citoplasma n?úo ?® apenas uma sopa de qu?¡micos e organelas sem estrutura. Sob o microsc??pio eletr??nico pode-se ver que nas c?®lulas eucari??ticas (mas n?úo em bact?®- rias), o citosol ?® cruzado por ?lamentos longos e ?nos de prote?¡nas. Freq??entemente, os ?lamentos podem ser vistos ancorados por uma extremidade ?á membrana plasm?í- tica ou irradiando para fora a partir de um local central adjacente ao n??cleo. Esse sistema de ?lamentos ?® chamado de citoesqueleto (Figura 1-27). Os ?lamentos mais ?nos s?úo os ?lamentos de actina, que est?úo presentes em todas as c?®lulas eucari??ticas, mas ocorrem especialmente em grande n??mero dentro das c?®lulas musculares, onde servem como parte da maquinaria que gera for?ºas contr?íteis. Os ?lamentos mais grossos s?úo chamados microt??bulos, porque eles t?¬m a forma de diminutos tubos ocos. Eles se reorganizam em disposi?º?Áes espetaculares nas c?®lulas em divis?úo, aju- dando a puxar os cromossomos duplicados em dire?º?Áes opostas e distribuindo-os igualmente para as duas c?®lula-?lha (Figura 1-28). Intermedi?írios na espessura, entre os ?lamentos de actina e os microt??bulos, est?úo os ?lamentos intermedi?írios que ser- vem para fortalecer a c?®lula estruturalmente. Esses tr?¬s tipos de ?lamentos, e outras prote?¡nas 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 ?Ám

d?úo ?á c?®lula o seu refor?ºo mec?ónico, controlam o seu formato e dirigem e guiam seus Como o citoesqueleto governa a organiza?º?úo interna da c?®lula, assim como as suas caracter?¡sticas internas, este se torna necess?írio para a c?®lula vegetal ÔÇô contida em uma esp?®cie de caixa delimitada por uma parede resistente de matriz celular ÔÇô como o ?® para uma c?®lula animal que se dobra, estica, nada ou arrasta livremente. Em uma c?®lula vegetal, por exemplo, organelas como as mitoc??ndrias s?úo orientadas por uma corrente constante pelo interior celular ao longo das trilhas citoesquel?®ticas. As c?®lulas animais e as c?®lulas vegetais dependem tamb?®m do citoesqueleto para se- parar seus componentes internos em dois conjuntos ?lhos durante a divis?úo celular. Examinaremos o citoplasma com detalhes no Cap?¡tulo 17. Estudaremos o seu papel na divis?úo celular nos Cap?¡tulos 18 e 19, e no Cap?¡tulo 16 veremos como os sinais a partir do meio alteram a sua estrutura.

O Citoplasma Est?í Longe de Ser Est?ítico ?ë ??til observar os movimentos dentro de uma c?®lula. O pr??prio citoesqueleto sempre se alterando, uma selva din?ómica de cordas e varas que est?úo sempre amarradas e separadas; os ?lamentos podem se agrupar e depois desaparecer em quest?úo de mi- nutos. Ao longo dessas trilhas e cabos, as organelas e ves?¡culas aceleram para frente a para tr?ís, correndo de um lado para outro do comprimento da c?®lula em uma fra- ?º?úo de segundo. O RE e as mol?®culas que preenchem cada espa?ºo livre est?úo em agita?º?úo t?®rmica fren?®tica ÔÇô com prote?¡nas n?úo-ligadas zunindo ao redor t?úo rapida- mente, que, mesmo se movimentando ao acaso, elas visitam cada canto da c?®lula em poucos segundos, colidindo constantemente como uma tempestade de poeira de mo- ?ë claro, nem a natureza alvoro?ºada do interior da c?®lula, nem os detalhes da estrutura da c?®lula foram apreciados quando cientistas olharam pela primeira vez por um microsc??pio; nossa compreens?úo sobre a estrutura da c?®lula foi se acumulando lentamente. Algumas das descobertas-chave est?úo listadas na Tabela 1-1. O Painel 1-2 resume as diferen?ºas entre as c?®lulas animais, vegetais e bacterianas.

Figura 1-28 Os microt??bulos ajudam a dis- tribuir os cromossomos em uma c?®lula em divis?úo. Quando uma c?®lula se divide, o seu envelope nuclear se rompe e o seu DNA se condensa em pares de cromossomos vis?¡veis, que s?úo puxados pelos microt??bulos para c?®- lulas separadas. Os microt??bulos se irradiam a partir de um foco em extremidades opostas da c?®lula em divis?úo. (Fotogra?a cortesia de Conly L. Rieder.)

Quest?úo 1-7 Discuta as vantagens e desvantagens relativas da microscopia ??ptica e ele- tr??nica. Como voc?¬ po- deria visualizar melhor (a) uma c?®lula viva da pele, (b) uma mitoc??n- dria de levedura, (c) uma bact?®ria e (d) um microt??bulo?

cromossomos feixes de microt??bulos As C?®lulas Eucari??ticas Podem Ter se Originado como Predadoras As c?®lulas eucari??ticas s?úo tipicamente 10 vezes o comprimento e 1.000 vezes o volu- me das c?®lulas procari??ticas (embora exista uma grande varia?º?úo de tamanho dentro de cada categoria). Como vimos, os eucariotos possuem, al?®m disso, uma cole?º?úo in- teira de outras caracter?¡sticas ÔÇô um citoesqueleto, mitoc??ndrias e outras organelas ÔÇô Quando e como os eucariotos desenvolveram esses sistemas ?® um mist?®rio. Em- bora eucariotos, bact?®rias e arqueobact?®rias devam ter divergido um dos outros mui- to cedo na hist??ria da vida na Terra (discutido no Cap?¡tulo 14), os eucariotos n?úo adquiriram todas as suas caracter?¡sticas distintas no mesmo momento (Figura 1-29). De acordo com uma teoria, a c?®lula eucari??tica ancestral era um predador que se alimentava pela captura de outras c?®lulas. Um tipo de vida desses requer um grande tamanho, uma membrana ?ex?¡vel e um citoesqueleto para ajudar na movimenta?º?úo e

Fundamentos da Biologia Celular 25 Painel 1-2 C?®lulas: as principais caracter?¡sticas das c?®lulas animais, vegetais e bacterianas

C?ëLULA ANIMAL microt??bulo centrossomo com par de centr?¡olos 5 ?Ám

filamentos de actina peroxissomo ribossomos no citosol aparelho de Golgi filamentos intermedi?írios

Tr?¬s tipos de c?®lulas est?úo desenhados aqui de maneira mais realista do que no desenho esquem?ítico da Figura 1-24. De qualquer modo, as mesmas cores s?úo utilizadas para distinguir os cromatina (DNA) O desenho da c?®lula animal ?® poro baseado em fibroblasto, uma c?®lula nuclear que se move lentamente pelo parede celular tecido conectivo, depositando matriz extracelular. Uma micrografia de um fibroblasto microt??bulo O desenho da c?®lula vegetal ?® t?¡pico de uma c?®lula de folha vac??olo ribossomos jovem, contendo cloroplastos (preenchido no citosol e um grande vac??olo preenchido de l?¡quido) com l?¡quido. A bact?®ria ?® um bacilo em forma de bastonete com um grande flagelo para sua mobilidade.

peroxissomo DNA cloroplasto membrana plasm?ítica ribossomos parede celular no citosol

filamentos de actina membrana plasm?ítica matriz extracelular cromatina (DNA) poro nuclear envelope nuclear ves?¡culas

lisossomo nucl?®olo n??cleo ret?¡culo mitoc??ndria endoplasm?ítico aparelho de Golginucl?®olo

outras bact?®rias bact?®rias fotossint?®ticas vegetais animais fungos

cloroplastos Figura 1-29 De onde v?¬m os eucariotos? As linhagens de eucariotos, eubact?®rias e ar- queobact?®rias divergiram umas das outras muito cedo na evolu?º?úo da vida na Terra. Algum tempo depois, os eucariotos ad- quiriram mitoc??ndrias; mais tarde ainda, um As mitoc??ndrias s?úo essencialmente as mes- mas nos vegetais, animais e fungos, e por isso sup?Áe-se que elas foram adquiridas antes que essas linhas se divergissem.

Figura 1-30 Um protozo?írio devorando outro. (A) A microgra?a mostra o Didinium tal como ?®, com seus an?®is circunferenciais de c?¡lios vibr?íteis e seu ÔÇ£focinhoÔÇØ no topo. (B) O Didinium ?® visualizado ingerindo um outro protozo?írio ciliado, Paramecium. (Cortesia de D. Barlow.) mitoc??ndrias TEMPO arqueo- bact?®rias eubact?®rias eucarioto anaer??bico ancestral

procarioto ancestral alimenta?º?úo da c?®lula. O compartimento nuclear pode ter se desenvolvido para pro- Esse eucarioto primitivo, com um n??cleo e um citoesqueleto, era provavelmen- te o tipo que englobava as eubact?®rias de vida livre que metabolizavam oxig?¬nio e que eram as ancestrais das mitoc??ndrias. Sup?Áe-se que essa parceria tenha se estabe- lecido 1,5 bilh?úo de anos atr?ís, quando a atmosfera da Terra tornou-se rica em oxig?¬- nio pela primeira vez. Um subgrupo dessas c?®lulas mais tarde adquiriu cloroplastos O comportamento de v?írios dos microrganismos ativamente m??veis de vida li- vre, chamados protozo?írios, sustenta que os eucariotos unicelulares podem atacar e devorar outras c?®lulas. O Didinium, por exemplo, ?® um protozo?írio, grande carn?¡vo- ro, com um di?ómetro de cerca de 150 ?Ám ÔÇô talvez 10 vezes o de uma c?®lula humana m?®dia. Ele tem um corpo globular envolvido por duas franjas de c?¡lios, e a sua parte anterior ?® achatada exceto por uma ??nica sali?¬ncia um tanto similar a um focinho (Figura 1-30). O Didinium nada em altas velocidades por meio do batimento dos seus c?¡lios. Quando ele encontra uma presa adequada, normalmente um outro tipo de protozo?írio, libera in??meros dardos paralisantes pequenos a partir da sua regi?úo do focinho. Ent?úo o Didinium se liga a outra c?®lula e a devora, invaginando-se como uma bola oca para englobar a sua v?¡tima, que ?® quase t?úo grande como ele pr??prio.

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

Os protozo?írios incluem algumas das c?®lulas mais complexas conhecidas. A Figura 1-31 transmite algo sobre a variedade de formas dos protozo?írios e o seu com- portamento tamb?®m variado: eles podem ser fotossint?®ticos ou carn?¡voros, m??veis ou sedent?írios. A sua anatomia celular ?® muito elaborada e inclui estruturas como cer- das sensoriais, fotorreceptores, c?¡lios vibr?íteis, ap?¬ndices semelhantes a hastes, par- tes da boca, ferr?úo e feixes contr?íteis semelhantes a m??sculos. Embora sejam unice- lulares, os protozo?írios podem ser t?úo complicados e vers?íteis quanto v?írios organismos multicelulares.

Organismos-Modelo Como as c?®lulas s?úo descendentes de ancestrais comuns e as suas principais proprie- dades t?¬m sido conservadas por meio da evolu?º?úo, o conhecimento adquirido a partir do estudo de um organismo contribui para a compreens?úo de outros, incluindo n??s mesmos. Mas certos organismos s?úo mais f?íceis do que outros para serem estudados em laborat??rio. Alguns se reproduzem rapidamente e se sujeitam prontamente a ma- nipula?º?Áes gen?®ticas; outros s?úo, por exemplo, multicelulares, mas transparentes, de modo que se pode comparar diretamente o desenvolvimento de todos os seus tecidos e ??rg?úos internos. Por essas raz?Áes, grandes comunidades de bi??logos dedicaram-se a estudar os diferentes aspectos da biologia de poucas esp?®cies selecionadas, reunindo o seu conhecimento de forma a ganhar um conhecimento mais profundo do que aquele que poderia ser obtido se os seus esfor?ºos fossem espalhados por v?írias esp?®- cies diferentes. A informa?º?úo obtida a partir desses estudos contribui para o nosso entendimento de como as c?®lulas trabalham. Nas pr??ximas se?º?Áes, examinaremos alguns desses organismos-modelo representativos e revisaremos os benef?¡cios que Fundamentos da Biologia Celular 27

cada um oferece para o estudo da biologia da c?®lula e em v?írios casos, para a promo- ?º?úo da sa??de humana.

Quest?úo 1-8 Seu vizinho de porta doou R$ 300,00 em apoio a pesquisa do c?óncer e est?í horrorizado em sa- ber que o dinheiro est?í sendo gasto no estudo de Como voc?¬ poderia tran- q??ilizar o seu modo de pensar?

10 ?Ám Figura 1-32 A levedura Saccharomyces cere- visiae ?® um eucarioto-modelo. Nessa micro- gra?a eletr??nica de varredura algumas c?®lulas Uma outra microgra?a da mesma esp?®cie de c?®lulas ?® mostrada na Figura 1-14. (Cortesia de Ira Herskowitz e Eric Schabatach.) Biologistas Moleculares Focaram na E. coli No mundo das bact?®rias, as luzes da biologia molecular focaram, sobretudo, apenas uma esp?®cie: Escherichia coli, ou E. coli abreviadamente (ver Figura 1-11). Essa pe- quena c?®lula 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 condi?º?Áes qu?¡micas vari?íveis no seu meio e se reproduz rapidamente. As suas instru?º?Áes gen?®ticas est?úo contidas em uma ??nica mol?®cula de DNA dupla-?ta circular com aproximadamente 4,6 mi- lh?Áes de pares de nucleot?¡deos 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 ÔÇô incluindo como as c?®lulas replicam o seu DNA e como elas decodi?cam essas instru?º?Áes gen?®ticas para sinteti- zar prote?¡nas ÔÇô veio de estudos com E. coli. Pesquisas subseq??entes con?rmaram que esses processos b?ísicos ocorrem essencialmente da mesma forma nas nossas pr??prias c?®lulas, como em E. coli.

A Levedura das Cervejarias ?ë uma C?®lula Eucari??tica Simples Preocupamo-nos com eucariotos porque n??s mesmos somos eucariotos. Mas as c?®lu- las humanas s?úo complicadas e dif?¡ceis de se trabalhar, e se quisermos compreender os princ?¡pios da biologia das c?®lulas eucari??ticas, ?® mais e?caz concentrar-se em uma esp?®cie que, como E. coli, entre as bact?®rias, ?® simples e robusta e se reproduz rapi- damente. A escolha popular para esse papel de modelo eucari??tico m?¡nimo tem sido a levedura Saccharomyces cerevisiae (Figura 1-32) ÔÇô o mesmo microrganismo que ?® S. cerevisiae ?® um fungo unicelular pequeno e, dessa forma, de acordo com a vis?úo moderna, no m?¡nimo t?úo intimamente relacionado aos animais quanto ?® aos vegetais. Como outros fungos, ele tem uma parede celular r?¡gida, ?® relativamente im??vel e possui mitoc??ndrias, mas n?úo cloroplastos. Quando os nutrientes est?úo abundantes, ele se reproduz quase t?úo rapidamente como uma bact?®ria. Como o seu n??cleo cont?®m apenas cerca de 2,5 vezes mais DNA do que E. coli, a levedura tam- b?®m ?® um bom modelo para an?ílise gen?®tica. Mesmo que o seu genoma seja pequeno (para os padr?Áes eucari??ticos), as leveduras realizam todas as tarefas b?ísicas que cada c?®lula eucari??tica deve realizar. Estudos gen?®ticos e bioqu?¡micos em leveduras t?¬m sido cruciais para entender v?írios mecanismos b?ísicos nas c?®lulas eucari??ticas, incluindo o ciclo de divis?úo celular ÔÇô a cadeia de eventos pela qual o n??cleo e todos os outros componentes de uma c?®lula s?úo duplicados e divididos para criar duas c?®lulas- ?lha. De fato, a maquinaria que governa a divis?úo celular tem sido t?úo bem conserva- da durante o curso da evolu?º?úo que v?írios dos seus componentes podem funcionar permutavelmente em c?®lulas de leveduras e de humanos. Se uma levedura mutante n?úo tem um gene essencial para a divis?úo celular, o fornecimento de uma c??pia do gene correspondente de humanos ir?í curar a levedura com defeito e permitir que ela se divida normalmente (ver Como Sabemos, p. 30-31).

bact?®rias e os eucariotos se separaram uns dos outros h?í mais de 3 bilh?Áes de anos atr?ís, as plantas, animais e fungos s?úo separados apenas cerca de 1,5 bilh?úo de anos, peixes e mam?¡feros por aproximadamente 450 milh?Áes de anos e as diferentes esp?®- A rela?º?úo evolucion?íria pr??xima entre todos os vegetais com ?ores signi?ca que podemos ter uma id?®ia de dentro da c?®lula e da biologia molecular das plantas com ?ores, enfocando apenas algumas esp?®cies convenientes para uma an?ílise deta- lhada. Dentre as centenas de milhares de esp?®cies de plantas com ?ores existentes na Terra hoje, os biologistas moleculares recentemente enfocaram os seus esfor?ºos so- bre uma pequena erva daninha, o comum agri?úo de parede Arabidopsis thaliana (Fi- gura 1-33), que pode ser cultivado em ambientes fechados em grande n??mero e pro- duzir milhares de descendentes por planta dentro de 8 a 10 semanas. Arabidopsis tem um genoma de aproximadamente 110 milh?Áes de pares de nucleot?¡deos, cerca de 8 vezes mais do que as leveduras, e a sua seq???¬ncia completa ?® conhecida. Examinando as instru?º?Áes gen?®ticas que a Arabidopsis carrega, estamos come?ºando a aprender mais sobre a gen?®tica, biologia molecular e evolu?º?úo das plantas com ?ores, que do- minam quase todo ecossistema na Terra. Como os genes encontrados na Arabidopsis t?¬m s??sias nas esp?®cies agr?¡colas, o estudo dessa erva daninha simples fornece uma compreens?úo profunda sobre o desenvolvimento e a ?siologia das plantas de produ- ?º?úo das quais dependem as nossas vidas, assim como todas as outras esp?®cies de plan- tas que s?úo as nossas companheiras sobre a Terra.

O Mundo dos Animais Est?í Representado por uma Mosca, um Verme, um Camundongo e pelo Homo sapiens Animais multicelulares representam a ampla maioria das esp?®cies catalogadas de or- ganismos vivos, e a maioria de esp?®cies animais ?® representada pelos insetos. Por essa raz?úo, um inseto, a pequena mosca das frutas Drosophila melanogaster (Figura 1-34), ocupa um lugar central na pesquisa biol??gica. De fato, os fundamentos da gen?®tica cl?íssica foram constru?¡dos em grande parte com base nos estudos com esse inseto. Mais de 80 anos atr?ís, por exemplo, estudos com a mosca da fruta forneceram provas de?nitivas que os genes ÔÇô as unidades da hereditariedade ÔÇô s?úo carregadas nos cro- mossomos. Em ?®pocas mais recentes, um esfor?ºo sistem?ítico concentrado foi feito para elucidar a gen?®tica da Drosophila e especialmente dos mecanismos gen?®ticos que governam o seu desenvolvimento embrion?írio e larval. Devido ao trabalho com Drosophila, estamos ao menos come?ºando a entender com detalhes como as c?®lulas Fundamentos da Biologia Celular 29

Figura 1-33 Arabidopsis thaliana, o comum agri?úo de parede, ?® 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 s?úo feitos de c?®lulas, e as c?®lulas ÔÇô como foi discutido neste cap?¡tulo ÔÇô s?úo todas fundamentalmente similares no seu interior: elas armazenam as suas instru?º?Áes gen?®ticas em mol?®culas de DNA, que direcionam a produ?º?úo de prote?¡nas, e as prote?¡nas por sua vez realizam as rea?º?Áes qu?¡micas das c?®lulas, d?úo a elas o seu formato e controlam o seu comportamento. Mas at?® que ponto essas similaridades realmente ocorrem? S?úo as par- tes de uma c?®lula permut?íveis por partes de uma outra? Iria uma enzima, que digere glicose em uma bact?®ria, ser capaz de quebrar o mesmo a?º??car se ela fosse solicitada para funcionar dentro de uma levedura, uma lagosta ou um humano? E quanto ?ás maquina- S?úo os seus componentes moleculares permut?íveis? As respostas t?¬m vindo a partir de v?írias fontes, mas mais notavelmente a partir de experimentos sobre um dos processos mais fundamentais da vida: a divis?úo celular.

Dividir ou morrer Todas as c?®lulas se originam a partir de outras c?®lulas e a ??nica maneira de se fazer uma c?®lula nova ?® pela divis?úo de uma c?®lula preexistente. Para reproduzir, uma c?®lula parenteral deve realizar uma seq???¬ncia ordenada de rea?º?Áes pelas quais ela duplica o seu conte??do e se divide em duas. Esse processo cr?¡tico de duplica?º?úo e divis?úo, conhecido como o ciclo celular, ?® complexo e cuidadosa- mente controlado. Defeitos em qualquer uma das prote?¡nas envol- vidas no ciclo celular podem ser fatais.

Infelizmente, os efeitos letais das muta?º?Áes 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 prote?¡nas com base nas suas fun?º?Áes: se um gene ?® essen- cial para um dado processo, uma muta?º?úo que interrompe o gene ir?í aparecer como um dist??rbio naquele processo. Pela an?ílise do comportamento anormal do organismo mutante, pode-se apontar a fun?º?úo para a qual o gene ?® necess?írio, e pela an?ílise do DNA do mutante pode-se rastrear o pr??prio gene.

Para uma an?ílise dessas, entretanto, uma ??nica c?®lula mutante n?úo ?® su?ciente: ?® necess?íria uma grande col??nia de c?®lulas que carrega a muta?º?úo. E esse ?® o problema. Se a muta?º?úo interrom- pe um processo cr?¡tico para a vida, como a divis?úo celular, como alguma vez algu?®m poder?í obter uma col??nia dessas? Os geneti- cistas encontraram uma solu?º?úo engenhosa. Mutantes defectivos em genes do ciclo celular podem ser mantidos e estudados se o seu defeito for condicional ÔÇô isto ?®, se o produto do gene falhar na sua fun?º?úo apenas sob certas condi?º?Áes espec?¡?cas. Em particu- lar, pode-se freq??entemente encontrar muta?º?Áes que s?úo sens?¡- veis ?á temperatura; a prote?¡na mutante funciona corretamente quando o organismo ?® mantido frio, permitindo que as c?®lulas se reproduzam, mas falha quando a temperatura ?® mais quente, permitindo que as c?®lulas 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 divis?úo celular ÔÇô os genes cdc ÔÇô e levou ?á compreens?úo de como eles funcionam.

Foi revelado que os mesmos mutantes sens?¡veis ?á temperatura ofe- recem uma oportunidade para observar se as prote?¡nas de um or- ganismo podem funcionar permutavelmente em outro. Pode uma prote?¡na 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 esp?®cies de leveduras.

c?®lulas mutantes que se dividem na temperatura permissiva mas falham em se dividir na temperatura col??nias replicadas restritiva sobre duas placas id?¬nticas e incubadas a duas temperaturas diferentes 23??C

c?®lulas mutagenizadas espalhadas sobre uma placa de Petri e crescidas at?® col??nias a 23??C 35??C

Figura 1-35 C?®lulas de levedura que cont?¬m uma muta?º?úo sens?¡vel ?á temperatura podem ser geradas no laborat??rio. As leveduras s?úo incubadas com um qu?¡mico que gera muta?º?Áes no seu DNA. Essas c?®lulas s?úo espalhadas sobre uma placa e permite-se que elas cres?ºam a uma tempera- tura permiss?¡vel, isto ?®, uma temperatura em que as c?®lulas se dividam normalmente. As col??nias s?úo transferidas para duas placas de Petri id?¬nticas usando uma t?®cnica chamada semeadura em r?®plica. Uma dessas placas ?® incubada a uma temperatura mais baixa ÔÇ£permissivaÔÇØ, e a outra, a uma temperatura mais alta. As c?®lulas que cont?¬m uma muta?º?úo sens?¡vel ?á temperatura em um gene essencial para prolifera?º?úo podem dividir-se na temperatura permiss?¡vel, mas falham na tem- peratura mais quente, n?úo-permissiva.

tremidades e divide-se pela ?ss?úo desse bastonete em dois, por meio da forma?º?úo de uma parti?º?úo no centro do bastonete.

Embora elas se diferenciem pelo seu estilo de divis?úo celular, am- bas as leveduras devem copiar o seu DNA e distribuir esse material para a sua prog?¬nie. Para estabelecer se as prote?¡nas que contro- lam todo o processo em S. cerevisiae e S. pombe s?úo funcional- mente equivalentes, Paul Nurse e seus colegas come?ºaram por determinar se mutantes do ciclo celular de S. pombe poderiam ser resgatados por um gene de S. cerevisiae. O ponto inicial foi uma col??nia de mutantes sens?¡veis ?á temperatura de S. pombe que era incapaz de avan?ºar pelo ciclo celular quando crescida a 35??C. Es- sas c?®lulas mutantes tinham um defeito em um gene chamado cdc2, que ?® necess?írio para acionar v?írios eventos-chave no ciclo de divis?úo celular. Pesquisadores, ent?úo, introduziram nessas c?®lu- las defectivas uma cole?º?úo de fragmentos de DNA preparados a partir de S. cerevisiae (Figura 1-36).

Quando essas culturas eram incubadas a 35??C, os pesquisadores observaram que algumas c?®lulas recuperaram a capacidade de se reproduzir: quando espalhadas sobre uma placa de meio, essas c?®lulas puderam dividir-se de novo, formando pequenas col??nias que continham milh?Áes de c?®lulas de leveduras (ver Figura 1-35).

introdu?º?úo de fragmentos de DNA de levedura ou de humano ? espalhar c?®lulas sobre uma placa ? incubar ?á temperatura alta, n?úo-permissiva c?®lulas de S. pombae com o gene cdc2 sens?¡vel ?á temperatura n?úo podem se dividir ?á temperatura alta

as c?®lulas nessa col??nia 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 sens?¡veis ?á temperatura e de- fectivos em um gene do ciclo celular podem ser recuperados pelo cerevisiae (ou de humano) ?® coletado e quebrado em grandes frag- mentos, que s?úo introduzidos em uma cultura de mutantes de S. ce- revisiae sens?¡veis ?á temperatura. Veremos como o DNA pode ser ma- nipulado e movido para dentro de diferentes tipos de c?®lulas no Cap?¡tulo 10. As c?®lulas de levedura que recebem o DNA estranho s?úo ent?úo espalhadas sobre uma placa e incubadas na temperatura n?úo-permissiva. As raras c?®lulas que sobrevivem e crescem sobre es- tas placas cont?¬m o gene que permite que as c?®lulas 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 prote?¡nas do ciclo de divis?úo celular de leveduras e de humanos s?úo muito similares nas suas seq???¬ncias de amino?ícidos. As identidades entre as seq???¬ncias de amino?ícidos de uma regi?úo da prote?¡na CDC2 humana, a prote?¡na cdc2 de S. pombe e o cdc28 de S. cerevisiae est?úo marcados. Cada amino?ícido est?í re- presentado por uma ??nica letra.

Os pesquisadores descobriram que essas c?®lulas ÔÇ£curadasÔÇØ de leve- duras receberam um fragmento de DNA que continha cdc28, um gene de S. cerevisiae que j?í era familiar de estudos pioneiros acer- ca do ciclo de divis?úo celular (por Lee Hartwell e colegas) na leve- dura de brotamento. O gene cdc28 codi?ca para uma prote?¡na que realiza a mesma fun?º?úo nas leveduras de brotamento como cdc2 faz na levedura de ?ss?úo.

Talvez o resultado n?úo seja t?úo 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 c?®- lulas se dividissem normalmente.

Lendo Genes As prote?¡nas de humanos e de leveduras n?úo s?úo apenas funcional- mente equivalentes, elas t?¬m quase o mesmo tamanho exato e s?úo intimamente similares com rela?º?úo aos amino?ícidos de que s?úo feitas. Quando a equipe de Nurse analisou a seq???¬ncia de amino?í- cidos das prote?¡nas, observou-se que CDC2 humana ?® id?¬ntica ?á prote?¡na cdc2 de S. pombe em 63% dos seus amino?ícidos e 58% id?¬ntica a CDC28 de S. cerevisiae (Figura 1-37).

Esses experimentos mostraram que as prote?¡nas de diferentes orga- nismos podem ser funcionalmente permut?íveis. Na realidade, as mol?®culas que orquestram a divis?úo celular em eucariotos s?úo t?úo fundamentalmente importantes que elas t?¬m sido conservadas quase sem altera?º?Áes por mais de um bilh?úo de anos de evolu?º?úo dos eucariotos.

O mesmo experimento real?ºa um outro ponto at?® mais b?ísico. O mutante de levedura foi resgatado, n?úo pela inje?º?úo direta da prote- A levedura foi capaz de ler e usar essa informa?º?úo corretamente, porque a maquinaria molecular para esse processo fundamental tamb?®m ?® similar de c?®lula para c?®lula e de organismo para orga- nismo. Uma c?®lula de levedura tem todo o equipamento que ela precisa para interpretar as instru?º?Áes codi?cadas em um gene hu- mano e para utilizar essa informa?º?úo para direcionar a produ?º?úo de uma prote?¡na humana totalmente funcional.

vivas alcan?ºam a sua proeza mais espetacular: como uma ??nica c?®lula ovo fertilizada (ou zigoto) se desenvolve em um organismo multicelular que compreende um vasto n??mero de c?®lulas de diferentes tipos, organizadas de uma maneira exatamente pre- vis?¡vel. Mutantes de Drosophila com partes do corpo no lugar errado ou com padr?úo estranho t?¬m fornecido a chave para identi?car e caracterizar os genes que s?úo neces- s?írios para fazer um corpo adulto apropriadamente estruturado, com intestino, asas, pernas, olhos e todas as outras partes nos seus locais corretos. Esses genes ÔÇô que s?úo copiados e passados adiante para cada c?®lula no corpo ÔÇô de?nem como cada c?®lula ir?í se comportar nas suas intera?º?Áes sociais com as suas irm?ús e primas e dessa forma eles controlam as estruturas que as c?®lulas criam. A Drosophila, mais do qualquer outro organismo, nos mostrou como tra?ºar a cadeia de causa e efeito a partir das instru?º?Áes gen?®ticas codi?cadas no DNA para a estrutura do organismo multicelular adulto. Al?®m disso, os genes de Drosophila revelaram ser similares ?áqueles de huma- nos ÔÇô muito mais similares do que se esperaria a partir das apar?¬ncias externas. Desse modo, as moscas servem como um modelo para estudar o desenvolvimento humano e as doen?ºas. O genoma da mosca ÔÇô 185 milh?Áes de pares de nucleot?¡deos codi?can- do acima de 13.000 genes ÔÇô cont?®m s??sias para a maioria dos genes sabidamente cr?¡- Um outro organismo amplamente estudado, menor e mais simples do que a Drosophila ?® o verme nemat??deo Caenorhabditis elegans (Figura 1-38), um parente inofensivo dos nemat??deos que atacam as ra?¡zes de planta?º?Áes. Essa criatura se de- senvolve com a precis?úo de um rel??gio a partir de uma c?®lula-ovo fertilizada at?® um adulto com exatamente 959 c?®lulas do corpo (mais um n??mero vari?ível de ??vulos e espermatoz??ides) ÔÇô um grau anormal de regularidade para um animal. Agora temos uma descri?º?úo minuciosamente detalhada da seq???¬ncia de eventos pela qual esse processo passa ÔÇô ?á medida que a c?®lula se divide, move e se torna especializada, de acordo com regras precisas e previs?¡veis. O seu genoma ÔÇô alguns 97 milh?Áes de pares de nucleot?¡deos contendo cerca de 19.000 genes ÔÇô tamb?®m foi seq??enciado, e uma abund?óncia de mutantes est?í dispon?¡vel para testar como esses genes funcionam. Parece que 70% das prote?¡nas humanas t?¬m algum s??sia no verme, e o C. elegans, assim como a Drosophila, tem provado ser um modelo valioso para v?írios dos proces- sos que ocorrem nos nossos pr??prios corpos. Estudos no desenvolvimento dos nema- t??deos, por exemplo, conduziram para a compreens?úo da morte celular programada, um processo ao qual as c?®lulas excedentes s?úo destinadas no corpo ÔÇô um t??pico de import?óncia para a pesquisa do c?óncer (discutido nos Cap?¡tulos 18 e 21). No outro extremo, os mam?¡feros est?úo entre os animais mais complexos, com 2 a 3 vezes mais genes do que a Drosophila, 25 vezes mais DNA por c?®lula e milh?Áes de vezes mais c?®lulas no seu corpo adulto. O camundongo, h?í muito tempo, vem sendo

utilizado como organismo-modelo para o estudo da gen?®tica de mam?¡feros, desen- volvimento, imunologia e biologia celular. Novas t?®cnicas t?¬m dado a ele uma impor- t?óncia ainda maior. Atualmente, ?® poss?¡vel cruzar camundongos com muta?º?Áes deli- beradamente geradas em qualquer gene espec?¡?co, ou com genes constru?¡dos arti?cialmente e neles introduzidos. Dessa forma, pode-se testar para qu?¬ um gene ?® necess?írio e como ele funciona. E quase todo gene humano tem um s??sia no camun- Mas humanos n?úo s?úo camundongos ÔÇô ou vermes ou moscas ou leveduras ÔÇô, e por isso estudamos o pr??prio ser humano. Os dados m?®dicos sobre c?®lulas humanas s?úo enormes e embora muta?º?Áes que ocorrem naturalmente em qualquer gene sejam raras, as conseq???¬ncias de muta?º?Áes em milhares de genes diferentes s?úo conhecidas sem fazer uso da engenharia gen?®tica. Isso porque os humanos demonstram o com- portamento ??nico de relatar e registrar seus pr??prios defeitos gen?®ticos; em nenhu- ma outra esp?®cie existem bilh?Áes de indiv?¡duos t?úo intensamente examinados, descri- Contudo, a extens?úo de nossa ignor?óncia ainda ?® assustadora. O corpo de ma- m?¡feros ?® muito complexo e pode parecer desanimador entender como o DNA em um ??vulo fertilizado de camundongo gera um camundongo, ou como o DNA em uma c?®lula-ovo humana governa o desenvolvimento de um humano. At?® agora, as revela- ?º?Áes da biologia molecular t?¬m feito a tarefa parecer poss?¡vel. De tal modo, esse novo otimismo vem da constata?º?úo de que os genes de um tipo de animal t?¬m uma contra- parte pr??xima na maioria dos outros tipos de animais, aparentemente cumprindo fun?º?Áes similares (Figura 1-39). Todos temos uma origem evolucion?íria 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 s?úo feitos e como as suas c?®lulas funcionam.

A Compara?º?úo de Seq???¬ncias do Genoma Revelou a Heran?ºa Comum da Vida Em n?¡vel molecular, as altera?º?Áes evolucion?írias t?¬m sido notavelmente lentas. Pode- mos observar, nos organismos dos dias de hoje, v?írias caracter?¡sticas que foram pre- servadas por mais de 3 bilh?Áes de anos de vida sobre a Terra ou cerca de um quinto da idade do universo. Essa conserva?º?úo evolucion?íria fornece o fundamento sobre o qual o estudo da biologia molecular ?® constru?¡do. Para estabelecer o cen?írio para os cap?¡tulos que se seguem, entretanto, terminamos a nossa introdu?º?úo considerando, com um pouco mais de intimidade, os relacionamentos familiares e as similaridades b?ísicas entre todos os seres vivos. Esse t??pico foi dramaticamente esclarecido nos ??ltimos anos pela an?ílise das seq???¬ncias do genoma ÔÇô as seq???¬ncias nas quais os quatro nucleot?¡deos universais est?úo alinhados juntos para formar o DNA de uma dada esp?®cie (como discutido com maiores detalhes no Cap?¡tulo 9). O seq??encia- Fundamentos da Biologia Celular 33

mento de DNA tornou f?ícil a detec?º?úo de semelhan?ºas de fam?¡lia entre os genes: se dois genes de organismos diferentes t?¬m seq???¬ncias de DNA rigorosamente seme- lhantes, ?® muito prov?ível que ambos os genes sejam descendentes de um gene ances- tral comum. Os genes (e produtos de genes) relacionados dessa forma s?úo chamados hom??logos. Dadas as seq???¬ncias gen??micas completas de organismos representantes de todos os tr?¬s dom?¡nios de vida ÔÇô arqueobact?®rias, eubact?®rias e eucariotos ÔÇô, pode- se procurar sistematicamente por homologias que se estendam por meio dessa enor- me divis?úo evolucion?íria. Dessa maneira, podemos come?ºar a avaliar a heran?ºa co- mum de todos os seres vivos e tra?ºar de volta as origens da vida at?® as primeiras c?®lulas ancestrais. Existem di?culdades nesse empreendimento: alguns genes ances- trais s?úo perdidos, e alguns se alteraram tanto que eles n?úo s?úo mais prontamente reconhecidos como parentes. Por causa dessas incertezas, a compara?º?úo de seq???¬n- cias do genoma dos ramos mais amplamente separados da ?írvore da vida pode nos dar um discernimento de quais os genes s?úo necessidades fundamentais para as c?®lu- Uma compara?º?úo dos genomas completos de cinco eubact?®rias, uma arqueo- bact?®ria e um eucarioto (uma levedura) revelam um grupo central de 239 fam?¡lias de genes que codi?cam para prote?¡nas que t?¬m representantes em todos os tr?¬s dom?¡- nios. Para a maioria desses genes pode ser designada uma fun?º?úo, com o maior n??- mero de fam?¡lias de genes compartilhados envolvido no metabolismo e transporte de amino?ícidos e na produ?º?úo e fun?º?úo dos ribossomos. Dessa forma, o n??mero m?¡nimo de genes necess?írios para uma c?®lula ser vi?ível nos meios de hoje ?® provavelmente A maioria dos organismos possui signi?cativamente mais do que isso. At?® mes- mo procariotos ÔÇô c?®lulas parcimoniosas que carregam pouqu?¡ssima bagagem gen?®tica sup?®r?ua ÔÇô tipicamente t?¬m genomas que cont?¬m no m?¡nimo 1 milh?úo de pares de nucleot?¡deos e codi?cam de 1.000 a 8.000 genes (468 genes, na bact?®ria Mycoplasma genitalium, ?® o m?¡nimo at?® agora relatado para qualquer esp?®cie). Com esses poucos milhares de genes, as bact?®rias s?úo capazes de se desenvolver em at?® mesmo no mais Os genomas compactos de bact?®rias t?¡picas s?úo diminutos se comparados aos genoma de eucariotos t?¡picos. O genoma humano, por exemplo, cont?®m cerca de 700 vezes mais DNA do que o genoma de E. coli, e o genoma de uma samambaia cont?®m cerca de 100 vezes mais do que o de humanos (Figura 1-40). Em termos de n??mero de genes, entretanto, as diferen?ºas s?úo enormes. Temos apenas sete vezes o n??mero de genes de E. coli, se considerarmos um gene como uma extens?úo de DNA que con- t?®m as especi?ca?º?Áes para uma mol?®cula de prote?¡na. Al?®m disso, v?írios dos nossos 30.000 genes e as pr??prias prote?¡nas correspondentes caem em grupos familiares re- lacionados, como a fam?¡lia das hemoglobinas, que tem nove membros intimamente relacionados nos humanos. O n??mero de prote?¡nas fundamentalmente diferente em um humano ?®, dessa maneira, n?úo muitas vezes maior do que em uma bact?®ria, e o n??mero de genes humanos que tem contrapartes identi?c?íveis nas bact?®rias ?® uma O resto do nosso DNA humano ÔÇô o vasto volume que n?úo codi?ca para prote?¡- na ÔÇô ?® uma mistura de seq???¬ncias que ajudam a regular a express?úo dos genes e de seq???¬ncias que parecem ser lixo dispens?ível, guardado como uma massa de pap?®is velhos porque, se n?úo existe press?úo para manter um arquivo pequeno, ?® mais f?ícil salvar tudo do que selecionar as informa?º?Áes valiosas e descartar o resto. A quantida- de de DNA regulador permite a enorme complexidade e so?stica?º?úo na maneira em que diferentes genes em um organismo eucarioto multicelular s?úo induzidos a agir em diferentes momentos e locais. Mas a lista b?ísica de partes ÔÇô o conjunto de prote?¡- nas que as nossas c?®lulas podem sintetizar, como especi?cado pelo DNA ÔÇô n?úo ?® muito mais longa do que a lista das partes de um autom??vel, e v?írias dessas partes s?úo comuns n?úo apenas para todos os animais, mas para todo o mundo vivo.

B micoplasma E. coli ACT?ëRIA levedura FUNGO ameba PROTOZO?üRIOS Arabidopsis arroz trigo l?¡rio samambaia PLANTAS Drosophila INSETOS MOLUSCOS tubar?úo PEIXES CARTILAGINOSOS peixe-zebra PEIXES ?ôSSEOS sapo salamandra aqu?ítica ANF?ìBIOS R?ëPTEIS AVES humano MAM?ìFEROS 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 n??mero de pares de nucleot?¡deos por genoma hapl??ide

Que uma extens?úo de DNA pode programar o crescimento, desenvolvimento e a reprodu?º?úo de c?®lulas vivas e organismos complexos ?® certamente um fen??meno maravilhoso. No resto deste livro, tentaremos explicar como as c?®lulas funcionam ÔÇô em parte pela an?ílise das partes dos seus componentes, em parte pela investiga?º?úo de como seus genomas direcionam a manufatura desses componentes de modo a repro- duzir e administrar cada ser vivo.

Conceitos Essenciais ?À As c?®lulas s?úo as unidades fundamentais da vida. Acredita-se que todas as c?®lulas dos dias atuais tenham evolu?¡do a partir de uma c?®lula ancestral que ? Todas as c?®lulas, 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 c?®lulas s?úo envolvidas por uma membrana plasm?ítica que separa o ? Todas as c?®lulas cont?¬m DNA como um dep??sito de informa?º?úo gen?®tica e o ? As c?®lulas em um organismo multicelular, mesmo que elas contenham o mes- mo DNA, podem ser muito diferentes. Elas utilizam a sua informa?º?úo gen?®ti- ca para direcionar as suas atividades biol??gicas de acordo com os est?¡mulos ? As c?®lulas de tecidos animais e vegetais t?¬m tipicamente 5-20 ?Ám de di?ómetro e podem ser visualizadas com um microsc??pio ??ptico, que tamb?®m revela al- guns dos seus componentes internos ou organelas. O microsc??pio eletr??nico permite que organelas menores e at?® mesmo mol?®culas individuais sejam vi- sualizadas, mas os esp?®cimes requerem prepara?º?Áes elaboradas e n?úo podem ? Bact?®rias, as c?®lulas vivas atuais mais simples, s?úo procariotos: embora elas contenham DNA, n?úo t?¬m um n??cleo e outras organelas e provavelmente se ? Diferentes esp?®cies de procariotos s?úo diversas nas suas capacidades qu?¡micas e habitam uma ampla variedade de habitats. Duas subdivis?Áes evolucion?írias fundamentais s?úo reconhecidas: eubact?®rias e arqueobact?®rias.

? As c?®lulas eucari??ticas possuem um n??cleo. Elas provavelmente evolu?¡ram em uma s?®rie de est?ígios a partir de c?®lulas mais similares ?ás bact?®rias. Uma etapa importante parece ter sido a aquisi?º?úo de mitoc??ndrias, originadas como bact?®rias englobadas que vivem em simbiose com c?®lulas anaer??bicas ? O n??cleo ?® a organela mais saliente na maioria das c?®lulas vegetais e animais. Ele cont?®m a informa?º?úo gen?®tica do organismo armazenada em mol?®culas de DNA. O resto do conte??do celular, fora o n??cleo, constitui o citoplasma. ? Dentro do citoplasma, as c?®lulas vegetais e animais cont?¬m uma variedade de organelas internas envolvidas por membranas com fun?º?Áes qu?¡micas especia- lizadas. As mitoc??ndrias realizam a oxida?º?úo de mol?®culas de alimento. Nas c?®lulas vegetais, os cloroplastos realizam a fotoss?¡ntese. O ret?¡culo endoplas- m?ítico, o aparelho de Golgi e os lisossomos permitem que as c?®lulas sinteti- zem mol?®culas complexas para exporta?º?úo a partir das c?®lulas e para inser?º?úo nas membranas celulares, al?®m de permitir que importem e digiram grandes ? O componente intracelular restante, excluindo as organelas envolvidas por membranas, ?® o citosol. Este cont?®m uma mistura concentrada de mol?®culas grandes e pequenas que realizam v?írios processos bioqu?¡micos essenciais. ? Um sistema de ?lamentos de prote?¡nas chamado de citoesqueleto se estende pelo citosol. Este governa o formato das c?®lulas e o movimento e permite que organelas e mol?®culas sejam transportadas a partir de um local para outro no ? Microrganismos eucari??ticos unicelulares, de vida livre, incluem algumas das c?®lulas eucari??ticas mais complexas conhecidas, e elas s?úo capazes de nadar, cruzar, ca?ºar e devorar alimento. Outros tipos de c?®lulas eucari??ticas, deriva- das a partir de ??vulos fertilizados, cooperam para formar grandes organismos ? Biologistas t?¬m escolhido um pequeno n??mero de organismos como foco para uma investiga?º?úo intensiva. Estes incluem a bact?®ria E. coli, a levedura de cervejaria, um verme nemat??deo, uma mosca, uma pequena planta, um ca- ? Embora o n??mero m?¡nimo de genes necess?írios para uma c?®lula vi?ível seja provavelmente menos do que 400, a maioria das c?®lulas cont?®m signi?cativa- mente mais. Contudo, mesmo um organismo t?úo complexo quanto um huma- no tem apenas cerca de 30.000 genes ÔÇô o dobro da mosca e sete vezes mais do que a E. coli.

Quest?Áes Quest?úo 1-9 Agora voc?¬ deve estar familiarizado com os seguintes compo- nentes celulares. Descreva brevemente o que eles s?úo e quais A. citosol B. citoplasma C. mitoc??ndria D. n??cleo E. cloroplastos F. lisossomos G. cromossomos H. aparelho de Golgi I. peroxissomos J. membrana plasm?ítica K. ret?¡culo endoplasm?ítico L. citoesqueleto Quest?úo 1-10 Quais das seguintes a?rmativas est?úo corretas? Explique as A. A informa?º?úo heredit?íria de uma c?®lula ?® passada D. Todas as c?®lulas de um mesmo organismo t?¬m o mes- mo n??mero de cromossomos (com exce?º?úo das c?®lu- E. O citosol cont?®m organelas envolvidas por membra- F. O n??cleo e as mitoc??ndrias est?úo envolvidos por uma G. Os protozo?írios s?úo organismos complexos com um grupo de c?®lulas especializadas que formam tecidos, como os ?agelos, partes da boca, ferr?Áes e ap?¬ndices H. Os lisossomos e os peroxissomos s?úo o local de degra- da?º?úo de materiais indesejados.

Quest?úo 1-11 Para se ter uma percep?º?úo do tamanho das c?®lulas (e praticar o uso do sistema m?®trico) considere o seguinte: o c?®rebro hu- mano pesa cerca de 1 kg e cont?®m cerca de 1012 c?®lulas. Calcu- le o tamanho m?®dio de uma c?®lula do c?®rebro (embora saiba- mos que os seus tamanhos variam amplamente), assumindo que cada c?®lula est?í inteiramente preenchida com ?ígua (1 cm3 de ?ígua pesa 1g). Qual seria o comprimento de um lado dessa c?®lula de tamanho m?®dio do c?®rebro se ela fosse um simples cubo? Se as c?®lulas fossem espalhadas em uma ?na camada que tem apenas uma c?®lula de espessura, quantas p?íginas des- te livro esta camada cobriria?

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

Fundamentos da Biologia Celular 37 Quest?úo 1-13 Existem tr?¬s classes principais de ?lamentos que comp?Áem o citoesqueleto. Quais s?úo elas e quais s?úo as diferen?ºas nas suas fun?º?Áes? Quais os ?lamentos do citoesqueleto seriam mais abundantes em uma c?®lula muscular ou em uma c?®lula da epi- derme que comp?Áe a camada externa da pele? Explique as suas respostas.

Quest?úo 1-14 A sele?º?úo natural ?® uma for?ºa t?úo poderosa na evolu?º?úo que as c?®lulas com at?® mesmo uma pequena vantagem no cresci- mento rapidamente superam as suas competidoras. Para ilus- trar esse processo, considere uma cultura de c?®lulas que con- t?®m 1 milh?úo de c?®lulas bacterianas que duplicam a cada 20 minutos. Uma ??nica c?®lula nessa cultura adquire uma muta- ?º?úo que a permite se dividir mais rapidamente, com um tempo de gera?º?úo de apenas 15 minutos. Assumindo que existe um suprimento ilimitado de nutrientes e nenhuma morte celular, quanto tempo levaria antes que a prog?¬nie da c?®lula mutada se tornasse predominante na cultura? (Antes de come?ºar a calcular, fa?ºa uma suposi?º?úo: voc?¬ acha que isso levaria cerca de um dia, uma semana, um m?¬s ou um ano?) Quantas c?®lulas (O n??mero de c?®lulas N na cultura no tempo t ?® descrito pela equa?º?úo N = N ?ù 2t/G, onde N ?® o n??mero de c?®lulas no tem- 00 po zero e G ?® o tempo de gera?º?úo.) Quest?úo 1-15 Quando bact?®rias s?úo crescidas sob condi?º?Áes adversas, i.e., na presen?ºa de um veneno como um antibi??tico, a maioria das c?®lulas cresce lentamente. Mas n?úo ?® incomum que a veloci- dade de crescimento de uma cultura bacteriana mantida na presen?ºa do veneno seja restabelecida, ap??s alguns dias, para aquela observada na sua aus?¬ncia. Sugira por que esse pode ser o caso.

Quest?úo 1-16 Aplique o princ?¡pio do crescimento exponencial, como descri- to na Quest?úo 1-14, ?ás c?®lulas em um organismo multicelular,

como o seu. Existem cerca de 1013 c?®lulas no seu corpo. Assu- ma que uma c?®lula adquira uma muta?º?úo que permite que ela se divida de maneira descontrolada (isto ?®, ela se torna uma c?®lula cancerosa). Algumas c?®lulas cancerosas podem crescer com um tempo de gera?º?úo de cerca de 24 horas. Se nenhuma das c?®lulas cancerosas morreu, quanto tempo levaria antes (Use a equa?º?úo N = N ?ù 2t/G, com t, o tempo e G, o tempo de 0 cada gera?º?úo. Sugest?úo: 1013 ? 243.) Quest?úo 1-17 Discuta a seguinte a?rma?º?úo: ÔÇ£A estrutura e a fun?º?úo de uma c?®lula viva s?úo ditadas por leis da f?¡sica e da qu?¡mica.ÔÇØ Quest?úo 1-18 Quais s?úo, se houver alguma, as vantagens de ser multicelu- lar?

Quest?úo 1-19 Desenhe na escala um esquema de duas c?®lulas esf?®ricas, o primeiro, uma bact?®ria com 1 ?Ám de di?ómetro, o outro uma c?®lula animal com um di?ómetro de 15 ?Ám. Calcule o volume, ?írea de superf?¡cie e propor?º?úo entre superf?¡cie e volume para cada c?®lula. Como esse valor alteraria se voc?¬ inclu?¡sse as membranas internas da c?®lula no c?ílculo da ?írea de superf?¡cie (considere que as membranas internas tenham 15 vezes a ?írea da membrana plasm?ítica)? (O volume de uma esfera ?® dado por 4?R3/3 e a sua superf?¡cie por 4?R2, onde R ?® o raio.) Dis- cuta a seguinte hip??tese: ÔÇ£As membranas internas permitiriam que as c?®lulas maiores evolu?¡ssem.ÔÇØ Quest?úo 1-20 Quais s?úo os argumentos para ÔÇ£todas as c?®lulas vivas evolu?¡- ram a partir de c?®lulas ancestrais comunsÔÇØ? Considere os pri- m??rdios da evolu?º?úo da vida sobre a Terra. Voc?¬ assumiria que a c?®lula ancestral primordial foi a primeira e a ??nica c?®lu- la a se formar?

Quest?úo 1-21 Na Figura 1-26, as prote?¡nas est?úo em azul, os ?ícidos nucl?®icos em laranja ou vermelho, os lip?¡deos em amarelo e os polissa- car?¡deos em verde. Identi?que as principais organelas e outras estruturas celulares importantes mostradas nessa fatia de uma c?®lula eucari??tica.

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