Leitura sobre célula- fundamentada em uma célula vegetal

4.188 visualizações

Publicada em

0 comentários
3 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
4.188
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
4
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
102
Comentários
0
Gostaram
3
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

Leitura sobre célula- fundamentada em uma célula vegetal

  1. 1. CAPÍTULOO termo célula deriva-se do latim cella, cujo significado é despensa ou câmara.Ele foi empregado pela primeira vez na biologia, em 1665, pelo cientista inglêsRobert Hooke, para descrever as unidades de uma estrutura semelhante a favos demel observadas em uma cortiça, sob um microscópio primitivo. As “células” queHooke observou eram, na verdade, lumes vazios de células mortas, delimitados porparedes celulares; porém a expressão é apropriada, pois as células são as unidadesbásicas que definem a estrutura vegetal.A fisiologia vegetal é o estudo dos processos vegetais – como as plantas funcio-nam à medida que interagem com seus ambientes físicos (abióticos) e vivos (bióticos).Embora este livro enfatize as funções fisiológicas e bioquímicas dos vegetais, é im-portante compreender que todas estas funções – sejam as trocas gasosas na folha,a condução de água no xilema, a fotossíntese no cloroplasto, o transporte de íonspela membrana plasmática ou uma rota de transdução de sinal que envolva ação daluz ou de hormônios – dependem das estruturas. Em qualquer nível, a estrutura e afunção representam diferentes planos de referência de uma unidade biológica.Este capítulo proporciona uma visão geral da anatomia básica dos vegetais, des-de a estrutura macroscópica dos órgãos até a microscópica ultraestrutura das orga-nelas. Nos capítulos subsequentes, serão tratadas dessas estruturas com detalha-mento maior sob a perspectiva das funções fisiológicas no ciclo de vida dos vegetais.1Células VegetaisTaiz_01.indd 1Taiz_01.indd 1 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  2. 2. 2 Lincoln Taiz & Eduardo ZeigerA vida vegetal: princípios unificadoresA grande diversidade de tamanhos e de formas vegetaisé familiar a todos. Os vegetais variam, em altura, de me-nos de 1 centímetro até mais de 100 metros. A morfologia(forma) vegetal é também surpreendentemente diversa.À primeira vista, a pequena planta lentilha d’água (Lem-ma) parece ter muito pouco em comum com um cactogigante ou uma sequoia. Como nenhum vegetal possuitodo espectro de adaptações para a amplitude de am-bientes que as plantas ocupam na Terra, os fisiologistasvegetais estudam organismos-modelo, ou seja, vegetaiscom ciclos de vida curtos e pequenos genomas (a totali-dade das suas informações genéticas) (ver Tópico 1.1 nainternet). Esses modelos são úteis, pois todos os vegetais,independentemente das suas adaptações específicas, exe-cutam processos similares e estão pautados no mesmoplano arquitetural.Pode-se resumir os principais elementos que caracte-rizam vegetais como segue:• Os produtores primários da Terra, as plantas verdes,são os coletores fundamentais da energia solar. Elascaptam a energia da luz solar e convertem a energialuminosa em energia química, a qual é armazenadanas ligações formadas durante a síntese de carboidra-tos, a partir do dióxido de carbono e da água.• Com exceção de certas células reprodutivas, os vege-tais não são móveis. Em substituição à mobilidade,eles desenvolveram a capacidade de crescer em buscados recursos essenciais, tais como luz, água e nutrien-tes minerais, durante todo o seu ciclo de vida.• As plantas terrestres são estruturalmente reforçadaspara dar suporte à sua massa, à medida que elas cres-cem em direção à luz e contra a força da gravidade.• As plantas terrestres apresentam mecanismos paratransportar água e sais minerais do solo para os lo-cais de fotossíntese e de crescimento, bem como paratransportar os produtos da fotossíntese para os teci-dos e órgãos não fotossintetizantes.• As plantas terrestres perdem água continuamente porevaporação e desenvolveram mecanismos para evitara dessecação.Uma visão geral da estrutura vegetalApesar de sua aparente diversidade, o corpo de todasas espermatófitas (ver Tópico 1.2 na internet) apresentao mesmo plano básico (Figura 1.1). O corpo vegetativo écomposto de três órgãos: a folha, o caule e a raiz. A funçãoprincipal da folha é a fotossíntese; a do caule, a sustenta-ção; a da raiz, a fixação e a absorção de água e de minerais.As folhas estão ligadas ao caule pelos nós, denominando--se entrenó a região do caule localizada entre os nós. Ocaule, juntamente com suas folhas, é normalmente referi-do como parte aérea.Há duas categorias de espermatófitas: as gimnos-permas (do grego, “sementes nuas”) e as angiospermas(também do grego, “sementes em recipiente”, ou semen-tes contidas em uma urna). As gimnospermas constituemo tipo menos derivado, com cerca de 700 espécies conhe-cidas. O maior grupo das gimnospermas é representadopelas coníferas (“portadoras de cones”), as quais incluemárvores de importância comercial, como o pinheiro, o abe-to, o espruce e a sequoia.As angiospermas, grupo mais derivado de esperma-tófitas, tornaram-se abundantes durante o período Cretá-ceo, há cerca de 100 milhões de anos. Atualmente, as 250mil espécies conhecidas de angiospermas ultrapassam fa-cilmente as gimnospermas, embora muitas permaneçamsem caracterização. A principal inovação das angiosper-mas é a flor, razão pela qual são referidas como plantas flo-ríferas (ver Tópico 1.3 na internet).As células vegetais são delimitadas porparedes rígidasUma diferença fundamental entre os vegetais e os animaisé a presença de uma parede celular rígida delimitandoas células vegetais. Em animais, as células embrionáriaspodem migrar de um local para outro; órgãos e tecidosem desenvolvimento podem, assim, conter células que seoriginaram em diferentes partes do organismo. Nos vege-tais, as migrações celulares são impedidas, pois a lamelamédia liga firmemente as células adjacentes. Como conse-quência, o desenvolvimento vegetal, ao contrário do ani-mal, depende exclusivamente dos padrões de divisão e deexpansão celulares.As células vegetais apresentam dois tipos de parede:primária e secundária (Figura 1.2). As paredes celularesprimárias são normalmente finas (menos de 1 ␮m), ca-racterizando células jovens e em crescimento. As paredescelulares secundárias, mais espessas e resistentes que asprimárias, são depositadas quando a maior parte do cres-cimento está concluída. As paredes secundárias devemsua resistência e rigidez à lignina (ver Capítulo 15). Aber-turas circulares na parede secundária originam pontoa-ções simples, as quais sempre ocorrem de forma opostanas paredes secundárias adjacentes. As pontoações sim-ples contíguas denominam-se pares de pontoações.A evolução das paredes celulares lignificadas propor-cionou aos vegetais o reforço estrutural necessário paracrescerem verticalmente acima do solo e conquistarem oambiente terrestre. As briófitas, como os musgos e as he-páticas, que não apresentam paredes celulares lignifica-das, são incapazes de crescer mais que poucos centímetrosacima da superfície do solo.As novas células são produzidas por tecidos emdivisão denominados meristemasO crescimento vegetal está concentrado em regiões espe-cíficas de divisão celular chamadas de meristemas. Qua-se todas as divisões nucleares (mitose) e as divisões celu-lares (citocinese) ocorrem nessas regiões meristemáticas.Na planta jovem, os meristemas mais ativos são conhe-Taiz_01.indd 2Taiz_01.indd 2 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  3. 3. Fisiologia Vegetal 3Superfície superiorda epiderme (tecidodérmico)CutículaCutículaParênquimapaliçádico (tecidofundamental)XilemaFloemaFloemaCâmbiovascularTecidosfundamentaisSuperfície inferior daepiderme (tecido dérmico)Célula-guardaFenda estomáticaSuperfície inferiorda epidermeEpiderme (tecidodérmico)ParênquimacorticalMedulaXilema TecidosvascularesTecidosvasculares(A) Folha(B) CauleParênquima dabainha do feixeParênquima esponjoso(tecido fundamental)Pelo da raiz(tecido dérmico)Epiderme (tecidodérmico)ParênquimacorticalPericicloEndodermeTecidosfundamentaisFloemaXilemaTecidosvascularesCâmbiovascular(C) RaizPrimórdios foliaresÁpice caulinar emeristema apicalGema axilarcom meristemaFolhaNóEntrenóTecidovascularLinhado soloRaizlateralRaizpivotantePelos dasraízesÁpice da raiz commeristema apicalCoifaMesofiloFIGURA 1.1 Representação esquemática do corpo de uma dicoti-ledônea típica. Secções transversais de (A) folha, (B) caule e (C) raizsão também apresentadas. Os detalhes mostram secções longitudi-nais do ápice da parte aérea e do ápice da raiz de linho (Linum usi-tatissimum), incluindo os meristemas apicais (fotografias: superior,© Jubal Harshaw/Shutterstock; inferior, © Visuals Unlimited/Alamy).Taiz_01.indd 3Taiz_01.indd 3 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  4. 4. 4 Lincoln Taiz & Eduardo Zeigercidos como meristemas apicais; eles estão localizadosnos ápices do caule e da raiz (ver Figura 1.1). Nos nós,as gemas axilares contêm meristemas apicais para os ra-mos laterais. As raízes laterais surgem do periciclo, umtecido meristemático interno (ver Figura 1.1C). Próximas(i.e., ao lado) e sobrepondo-se às regiões meristemáticassituam-se as zonas de alongamento, nas quais as célulasaumentam intensamente em comprimento e largura. Emgeral, as células diferenciam-se em tipos especializadosapós terem-se alongado.A fase do desenvolvimento vegetal que dá origemaos novos órgãos e à forma básica da planta é denomina-da crescimento primário. O crescimento primário resultada atividade dos meristemas apicais, nos quais a divisãocelular é seguida pela progressiva expansão celular, emgeral por alongamento, resultando na polaridade axial(do ápice para base). Uma vez concluído o alongamentoem uma determinada região, pode ocorrer o crescimentosecundário, produzindo a polaridade radial (do interiorpara o exterior). O crescimento secundário envolve doismeristemas laterais: o câmbio vascular e o felogênio. Ocâmbio vascular origina o xilema secundário (madeira) e ofloema secundário. O felogênio produz a periderme, cons-tituída principalmente de células do súber (felema).O corpo da planta é formado por três sistemasde tecidos principaisTrês principais sistemas de tecidos são encontrados em to-dos os órgãos da planta: tecido dérmico, tecido fundamen-tal e tecido vascular, os quais estão ilustrados e brevemen-te caracterizados na Figura 1.3. Para detalhes adicionais ecaracterização desses tecidos, ver Tópico 1.4 na internet.Organelas da célula vegetalTodas as células vegetais apresentam a mesma estruturabásica da organização eucariótica: possuem um núcleo,um citoplasma e organelas celulares; as células estão en-voltas por uma membrana que define seus limites, alémde uma parede celular celulósica (Figura 1.4). Determina-das estruturas, incluindo o núcleo, podem ser perdidasdurante a maturação celular, porém todas as células ve-getais iniciam com uma quantidade semelhante de organe-las. Essas organelas estão distribuídas em três categoriasprincipais, com base no modo pelo qual elas se originam:• O sistema de endomembranas: o retículo endoplasmáti-co, o envoltório nuclear, o complexo de Golgi, o va-cúolo, os endossomos e a membrana plasmática. Osistema de endomembranas apresenta função centralnos processos de secreção, de reciclagem de membra-nas e no ciclo celular. A membrana plasmática regu-la o transporte para dentro e para fora da célula. Osendossomos originam-se de vesículas derivadas damembrana plasmática e atuam no processamento ouna reciclagem dos conteúdos dessas vesículas.• Organelas de divisão independente, derivadas do sistema deendomembranas: os oleossomos, os peroxissomos e osglioxissomos, os quais atuam na reserva de lipídeos eno metabolismo do carbono.• Organelas semiautônomas de divisão independente: plastí-deos e mitocôndrias, que atuam no metabolismo ener-gético e na reserva.Como essas organelas são compartimentos membra-nosos, será dado início à descrição da estrutura e da fun-ção da membrana.As membranas biológicas são bicamadas defosfolipídeos que contêm proteínasTodas as células são envolvidas por uma membranaque representa o seu limite, separando o citoplasma doambiente externo. Essa membrana plasmática (tambémchamada de plasmalema) permite que a célula absor-va e retenha certas substâncias, enquanto exclui outras.Várias proteínas de transporte presentes na membranaplasmática são responsáveis pelo tráfego seletivo de so-lutos, íons hidrossolúveis e moléculas pequenas não car-regadas através dela. O acúmulo de íons ou moléculas nocitosol pela ação das proteínas transportadoras consomeenergia metabólica. As membranas também delimitamas organelas internas especializadas da célula e regulamos fluxos de íons e metabólitos para dentro e para fora detais compartimentos.De acordo com o modelo do mosaico fluido, todas asmembranas biológicas apresentam a mesma organizaçãomolecular básica. Elas consistem de uma dupla camada(bicamada) de fosfolipídeos ou, no caso dos cloroplastos,de glicosilglicerídeos, na qual proteínas estão embebidas(Figura 1.5 A e C). Cada camada é chamada de face da bica-Lamela médiaParede primária Pontoação simplesParede primáriaParede secundáriaMembrana plasmáticaFIGURA 1.2 Representação esquemática das paredes celulares pri-márias e secundárias e sua relação com o restante da célula.FIGURA 1.3 (A) A epiderme (tecido dérmico) de uma folha deWelwitschia mirabilis (120ϫ). Representações diagramáticas de trêstipos de tecidos fundamentais: células de (B) parênquima, (C) colên-quima, (D) esclerênquima e (E) células condutoras do xilema e dofloema (A © Steve Gschmeissner/Photo Researchers, Inc.).Taiz_01.indd 4Taiz_01.indd 4 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  5. 5. Fisiologia Vegetal 5(A) Tecido dérmico: células da epiderme(C) Tecido fundamental: células do colênquima (D) Tecido fundamental: células do esclerênquima(B) Tecido fundamental: células do parênquimaParede celular primáriaLamela médiaParede celular primáriaNúcleoEsclereídesFibrasPontoaçõessimplesElementos de vasoPerfuração da parede terminal(E) Tecido vascular: xilema e floemaParedessecundáriasPontoações areoladasParedes primáriasTraqueídesPlaca crivadaÁreascrivadasPlaca crivadaElemento de tubocrivado (angiospermas)CélulacompanheiraNúcleoCélula crivada(gimnospermas)Xilema FloemaTaiz_01.indd 5Taiz_01.indd 5 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  6. 6. 6 Lincoln Taiz & Eduardo Zeigermada. As proteínas são responsáveis por quase a metadeda massa da maioria das membranas. No entanto, a cons-tituição dos componentes lipídicos e as propriedades dasproteínas variam de membrana para membrana, conferin-do características funcionais específicas a cada uma.FOSFOLIPÍDEOS Os fosfolipídeos constituem uma classede lipídeos na qual dois ácidos graxos são covalentementeligados ao glicerol, que, por sua vez, é covalentemente uni-do a um grupo fosfato. Também ligado a esse grupo fosfatoencontra-se um componente variável, denominado grupo dacabeça, como a serina, a colina, o glicerol ou o inositol (verFigura 1.5 C). As cadeias de hidrocarbonetos não polares dosácidos graxos formam uma região exclusivamente hidrofóbi-ca, ou seja, que exclui a água. Ao contrário dos ácidos graxos,os grupos da cabeça são altamente polares; por conseguinte,as moléculas fosfolipídicas apresentam propriedades hidro-fílicas e hidrofóbicas (ou seja, são anfipáticas). Vários fosfo-lipídeos encontram-se distribuídos assimetricamente namembrana plasmática, conferindo assimetria à membrana;em termos de composição dos fosfolipídeos, a face externada membrana plasmática voltada para o meio extracelular édiferente da face interna, voltada para o citosol.Nos plastídeos, grupo de organelas especializadas aoqual os cloroplastos pertencem, as membranas são típicas,pois seus componentes lipídicos consistem quase exclusi-vamente de glicosilglicerídeos em vez de fosfolipídeos.Nos glicosilglicerídeos, o grupo da cabeça polar consisteem galactose, digalactose ou galactose sulfatada, sem umgrupo fosfato (ver Tópico 1.5 na internet).FIGURA 1.4 Diagrama de uma célula vegetal. Vários comparti-mentos intracelulares são delimitados por suas respectivas membra-nas, como o tonoplasto, o envoltório nuclear e as membranas dasdemais organelas. As duas paredes celulares primárias adjacentes,juntamente com a lamela média, formam uma estrutura complexa,denominada lamela média composta.CromatinaEnvoltórionuclear NucléoloNúcleoVacúolo TonoplastoRetículoendoplasmáticorugosoRibossomosRetículoendoplasmáticolisoComplexode GolgiCloroplastoPlasmodesmosMitocôndriaPeroxissomoLamela médiaParede celularprimáriaMembranaplasmáticaEspaçointercelularParede celularprimáriaLamelamédiacompostaFIGURA 1.5 (A) A membrana plasmática, o retículo endoplasmá-tico e outras endomembranas das células vegetais consistem deproteínas embebidas em uma bicamada fosfolipídica. (B) Várias pro-teínas ancoradas de membrana ligadas à membrana por ácidos gra-xos, GPI e grupos prenil aumentam a assimetria das membranas. (C)Estruturas químicas e modelos de espaço preenchido de fosfolipíde-os típicos: fosfatidilcolina e monogalactosildiacilglicerol (B, segundoBuchanan et al., 2000).Taiz_01.indd 6Taiz_01.indd 6 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  7. 7. Fisiologia Vegetal 7H3CH3CN+HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHC HCOOOO PCCCCCCCCCCCCOOOOHHHHCCHHHHHHHHCCCC CCHHHCCHHCCHHHHHHHHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHCCHHHHHCCP O–OOHCH2COCH2CH2OC OCH2C OOHCH2COCH2CH2OC OCH2C OOCitoplasmaExtracelularParedecelularMembranaplasmática(A) (C)(B)RegiãohidrofóbicaRegiãohidrofílicaRegiãohidrofílicaCarboidratosBicamadafosfolipídicaColinaFosfatoRegiãohidrofílicaRegiãohidrofóbicaGlicerolFosfatidilcolinaFosfatidilcolinaMonogalactosildiacilglicerolColinaGalactoseProteínaintegralProteínaperiféricaOCHNGlyCSCH2CysCNCH2SC CH3N OC OHNCH2SC CH3N OC OHNHOOH ONHPPÁcido mirístico (C14)Ácido palmítico (C16)Farnesil (C15) CeramidaGeranilgeranil (C20)Bicamada lipídicaProteínas ancoradasem ácidos graxosProteínas ancoradas em prenil lipídeosProteína ancorada emglicosilfosfatidilinositol (GPI)EtanolaminaGalactoseGlucosaminaInositolManoseExtracelularCitoplasmaLigaçãoamidaTaiz_01.indd 7Taiz_01.indd 7 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  8. 8. 8 Lincoln Taiz & Eduardo ZeigerAs cadeias de ácidos graxos dos fosfolipídeos e glico-silglicerídeos são variáveis no comprimento, mas em geralconsistem de 14 a 24 carbonos. Se os carbonos estão liga-dos por ligações simples, a cadeia de ácido graxo é dita sa-turada (com átomos de hidrogênio), mas, se a cadeia incluiuma ou mais ligações duplas, o ácido graxo é insaturado.As ligações duplas em uma cadeia de ácido graxo po-dem sofrer rotação, de forma a criar uma flexão na cadeia,o que evita o empacotamento dos fosfolipídeos na bica-mada (ou seja, as ligações assumem uma configuraçãode flexão cis, oposto à configuração trans de não flexão).A flexão promove a fluidez da membrana, a qual é críti-ca para muitas das suas funções. A fluidez é fortementeinfluenciada pela temperatura. Uma vez que os vegetaisnão podem regular a temperatura dos seus corpos, elesenfrentam, com frequência, o problema de manter a flui-dez da membrana sob condições de baixas temperaturas,as quais tendem a aumentar a compactação da membra-na. Assim, para manter a fluidez da membrana em tem-peraturas baixas, os vegetais podem produzir uma por-centagem mais alta de ácidos graxos insaturados, comoo ácido oleico (uma ligação dupla), o ácido linoleico (duasligações duplas) e o ácido linolênico (três ligações duplas)(ver também Capítulo 26).PROTEÍNAS As proteínas associadas à bicamada lipídicasão de três tipos principais: integrais, periféricas e anco-radas. As proteínas e os lipídeos podem combinar-se emagrupamentos temporários na membrana, denominadoslipid rafts.As proteínas integrais estão embebidas na bicamadalipídica (ver Figura 1.5A). A maioria das proteínas inte-grais atravessa completamente a bicamada lipídica, demodo que uma parte da proteína interage com o meioextracelular, outra com o centro hidrofóbico e uma tercei-ra parte interage com o interior da célula, o citosol. Aque-las que atuam como canais iônicos (ver Capítulo 6) sãosempre proteínas integrais de membrana, assim comocertos receptores que participam nas rotas de transduçãode sinal (ver Capítulo 14). Algumas proteínas do tipo re-ceptor, na superfície externa da membrana plasmática,reconhecem e ligam-se firmemente aos constituintes daparede celular, estabelecendo uma ligação cruzada entrea membrana e a parede.As proteínas periféricas estão ligadas à superfície damembrana por ligações não covalentes, como as iônicasou as ligações de hidrogênio, e podem ser dissociadas damembrana com soluções altamente salinas ou com agen-tes caotrópicos, que quebram as ligações iônicas e as dehidrogênio, respectivamente (ver Figura 1.5A). Entre asvárias funções que desempenham na célula, destacam-se,por exemplo, o envolvimento de algumas proteínas nasinterações entre a membrana plasmática e os componen-tes do citoesqueleto, como os microtúbulos e os microfila-mentos de actina, os quais serão discutidos posteriormen-te neste capítulo.As proteínas ancoradas estão covalentemente liga-das à superfície da membrana por meio das moléculas delipídeos. Esses lipídeos incluem os ácidos graxos (ácidosmirístico e palmítico), grupos prenil derivados da rota dosisoprenoides (grupos farnesil e geranilgeranil) e o glico-silfosfatidilinositol (proteínas ancoradas em GPI) (Figura1.5B). Estas âncoras de lipídeos tornam as duas faces damembrana ainda mais diferentes, com o ácido graxo e asâncoras prenil ocorrendo na face da bicamada voltadaao citosol e as ligações GPI, ocorrendo na face voltada aomeio extracelular.O sistema de endomembranasO sistema de endomembranas das células eucarióticas éo conjunto de membranas internas relacionadas que divi-dem a célula em compartimentos funcionais e estruturaise distribuem membranas e proteínas pelo tráfego vesicu-lar entre as organelas. A discussão sobre o sistema de en-domembranas inicia-se com o núcleo, onde a informaçãogenética da biossíntese de organelas está armazenada. Aisto se segue uma descrição das organelas com divisão in-dependente, derivadas de endomembranas, e das organe-las semiautônomas.O núcleo contém a maior parte domaterial genéticoO núcleo é a organela que contém a informação genéti-ca responsável pela regulação do metabolismo, do cres-cimento e da diferenciação da célula. Coletivamente, osgenes e suas sequências interpostas são referidos comoo genoma nuclear. O tamanho do genoma nuclear nosvegetais é altamente variável, podendo ser de aproxima-damente 1,2 ϫ 108pares de bases em Arabidopsis thaliana,espécie parente da mostarda, até 1 ϫ 1011pares de bases nolírio Fritillaria assyriaca. A informação genética restante dacélula está contida em duas organelas semiautônomas – oscloroplastos e as mitocôndrias – os quais serão discutidosposteriormente neste capítulo.O núcleo é limitado por uma dupla membrana deno-minada envoltório nuclear (Figura 1.6A), que é um sub-domínio do retículo endoplasmático (RE, ver a seguir).Os poros nucleares formam canais seletivos entre as duasmembranas, conectando o nucleoplasma (a região dentrodo núcleo) com o citoplasma (Figura 1.6B). O número decomplexos de poros presentes em um único envoltóriopode variar de poucos a milhares e podem estar arranja-dos em agregados de alta ordem (ver Figura 1.6B) (Fisero-va et al., 2009).O “poro” nuclear é verdadeiramente uma estruturaelaborada, composta de mais de uma centena de nucleo-porinas diferentes, que são proteínas organizadas em si-metria octogonal, formando o complexo do poro nuclear(CPN) de 105 nm. As nucleoporinas que revestem o canalde 40 nm do CPN formam uma malha que age como umTaiz_01.indd 8Taiz_01.indd 8 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  9. 9. Fisiologia Vegetal 9filtro supramolecular (Denning et al., 2003) (ver Tópico1.6 na internet). Uma sequência específica de aminoáci-dos, denominada sinal de localização nuclear, é necessáriapara que uma proteína entre no núcleo. Diversas proteínasrequeridas para a importação e exportação nuclear foramidentificadas (ver Tópicos 1.6 e 1.7 na internet).O núcleo é o local de armazenamento e replicaçãodos cromossomos, estruturas constituídas de DNA e suasproteínas associadas (Figura 1.7). Coletivamente, essecomplexo DNA-proteínas é conhecido como cromatina. Ocomprimento linear de todo o DNA em qualquer genomavegetal é, com frequência, milhões de vezes maior que odiâmetro do núcleo no qual se encontra. Para solucionar oproblema de compactação do DNA cromossômico no nú-cleo, segmentos da dupla-hélice de DNA enrolam-se duasvezes em torno de um sólido cerne de oito moléculas deproteínas histonas, formando um nucleossomo. Os nu-cleossomos são organizados como um “colar de contas”ao longo de cada cromossomo.Durante a mitose, a cromatina condensa-se inicial-mente por um forte espiralamento em uma fibra de croma-tina de 30 nm, com seis nucleossomos por volta, seguidapor processos adicionais de dobramento e compactação,que dependem de interações entre as proteínas e os áci-dos nucleicos (ver Figura 1.7). Na interfase, dois tipos decromatina podem ser distinguidos, com base no grau decondensação: a heterocromatina e a eucromatina. A hete-rocromatina é uma forma de cromatina muito compactadae transcricionalmente inativa, compreendendo quase 10%do DNA. A maior parte da heterocromatina está concen-trada ao longo da periferia da membrana nuclear e asso-ciada a regiões do cromossomo que contêm poucos genes,como os telômeros e centrômeros. O restante do DNA con-siste em eucromatina, uma forma descondensada e ativaem termos de transcrição. Somente cerca de 10% da eucro-matina é transcricionalmente ativa em um determinadotempo. O restante permanece em um estado intermediáriode condensação, entre a eucromatina transcricionalmenteativa e a heterocromatina. Os cromossomos se localizamem regiões específicas do nucleoplasma, cada um em seuespaço, indicando a possibilidade da regulação separadade cada cromossomo.Durante o ciclo celular, a cromatina passa por mu-danças estruturais dinâmicas. Além das mudanças locaistemporárias necessárias para a transcrição, as regiões he-terocromáticas podem ser convertidas em regiões eucro-máticas, e vice-versa, pela adição ou remoção de gruposfuncionais nas proteínas histonas (ver Capítulo 2). Essasmudanças no genoma podem dar origem a mudanças es-táveis na expressão gênica. Em geral, essas mudanças queocorrem sem alteração na sequência do DNA denominam--se regulação epigenética.O núcleo contém uma região densamente granular,denominada nucléolo, a qual é o sítio de síntese dos ri-bossomos (ver Figura 1.6A). As células típicas apresen-tam um nucléolo por núcleo; algumas células apresentammais. O nucléolo inclui porções de um ou mais cromos-somos onde os genes do RNA ribossômico (rRNA) estãoagrupados, formando uma região denominada região or-ganizadora de nucléolo. O nucléolo executa a montagemdas proteínas e RNA do ribossomo em uma subunidademaior e uma menor, sendo que cada uma sai do núcleoseparadamente, pelos poros nucleares. As subunidades seunem no citoplasma para formar um ribossomo comple-to (Figura 1.8A). Os ribossomos montados são os sítios daFIGURA 1.6 (A) Micrografia ao microscópio eletrônico de trans-missão de uma célula vegetal onde o nucléolo e o envoltório nuclearsão visualizados. (B) Organização de complexos do poro nuclear(CPNs) na superfície do núcleo de células de tabaco cultivadas. OsCPNs que estão em contato entre si, estão corados de marrom; osdemais estão corados de azul. O primeiro detalhe (superior à direita)ilustra que a maioria dos CPNs está intimamente associada, forman-do fileiras de 5 a 30 CPNs. O segundo detalhe (inferior à direita)mostra a íntima associação dos CPNs (A, cortesia de R. Evert; B,segundo Fiserova et al., 2009).(A) (B)NucléoloEnvoltórionuclearCromatina1 ␮m100 nmTaiz_01.indd 9Taiz_01.indd 9 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  10. 10. 10 Lincoln Taiz & Eduardo Zeigersíntese protéica. Aqueles produzidos pelo núcleo para asíntese de proteínas citoplasmáticas “eucarióticas”, os ri-bossomos 80S, são maiores do que os ribossomos 70S, quesão montados e mantidos no interior das mitocôndrias ecloroplastos para os seus programas “procarióticos” desíntese proteica.A expressão gênica envolve a transcriçãoe a traduçãoO complexo processo de síntese proteica inicia com a trans-crição – síntese de uma molécula de RNA que possui umasequência de bases complementares a um gene específico.O RNA transcrito primário é processado para se tornar umRNA mensageiro (mRNA), o qual se move do núcleo para ocitoplasma pelo poro nuclear. No citoplasma, o mRNA liga--se primeiro à subunidade menor do ribossomo e, então, àsubunidade maior para iniciar a tradução (ver Figura 1.8A).A tradução é o processo pelo qual uma proteína espe-cífica é sintetizada a partir de aminoácidos, de acordo coma sequência codificada pelo mRNA. Uma série de ribos-somos (denominada polirribossomos) movimenta-se aolongo do mRNA e serve como sítio de ligação sequencialde aminoácidos, conforme especificado pela sequência debases do mRNA (Figura 1.8B). O processo de tradução nospolirribossomos citosólicos ou ligados à membrana do REproduz a sequência primária da proteína, que inclui, alémda sequência envolvida na função protéica, a informaçãorequerida para “enviar” (“marcar”) a proteína para dife-rentes destinos na célula (ver Tópico 1.8 na internet).O retículo endoplasmático é uma redede endomembranasO RE é composto de túbulos que se unem formando umarede de polígonos e sáculos achatados, denominados cis-ternas (Figura 1.9A). Uma grande parte do RE apresenta-Histonas2 nm11 nm30 nm300 nm700 nm1.400 nmCromossomo metafásico duplicado,altamente condensado, de uma célulaem divisãoCromatina condensadaDomínios em alçaFibra cromatínica de 30 nmNucleossomos (“colar de contas”)DNA dupla-héliceNucleossomoDNAespaçadorCromátidesNucleossomoFIGURA 1.7 Compactação do DNA em um cromossomo metafá-sico. O DNA é inicialmente compactado em nucleossomos e, então,sofre uma organização helicoidal para formar a fibra cromatínica de30 nm. Torções adicionais levam ao cromossomo metafásico con-densado (segundo Alberts et al., 2002).FIGURA 1.8 (A) Etapas básicas da expressão gênica, incluindo atranscrição, o processamento e a exportação dos RNAs para o cito-plasma, e a tradução. (1-2) As proteínas podem ser sintetizadas nosribossomos livres ou nos ribossomos ligados à membrana do retícu-lo. (3) As proteínas destinadas à secreção são sintetizadas no retículoendoplasmático rugoso e contêm uma sequência sinal hidrofóbica.Uma partícula de reconhecimento de sinal (PRS) liga-se ao peptídeosinal e ao ribossomo, interrompendo a tradução. (4) Receptores dePRS associam-se a canais proteicos chamados translocons. O com-plexo ribossomo-PRS liga-se ao receptor de PRS na membrana do REe ancora-se no translocon. (5) O poro do translocon se abre, a PRSé liberada e o peptídeo nascente entra no lume do retículo. (6) Rei-nicia a tradução. Entrando no lume, a sequência sinal é clivada poruma peptidase sinal na membrana. (7-8) Após a adição de carboi-drato e o dobramento da cadeia, o novo polipeptídeo sintetizado étransportado ao complexo de Golgi através de vesículas. (B) Os ami-noácidos são polimerizados no ribossomo, com o auxílio do tRNA,para formar a cadeia polipeptídica nascente.Taiz_01.indd 10Taiz_01.indd 10 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  11. 11. Fisiologia Vegetal 114 5 6tRNATraduçãoTranscriçãoProcessamentoÉxonÍntronSubunidadesribossômicasAminoácidosSequência sinalReceptorde PRS Sequência sinalclivada Cadeia lateral de carboidratoPeptidasesinalRibossomoSíntese de proteínas nosribossomos livres no citoplasmaPolipeptídeoslivres nocitoplasmaSíntese de proteínas nos ribossomos ligadosao retículo endoplasmático; o polipeptídeoentra no lume do retículo endoplasmáticoProcessamento eglicosilação nocomplexo de Golgi,separação e secreçãode proteínasRetículoendoplasmáticorugosoVesícula detransporteAUG GUC UUU UCC GCC UGAPheValMetSerCadeiapolipeptídica(A)(B)m7GCAGAAAAGGrRNA mRNAmRNAtRNAtRNAmRNAQuepeQuepeQuepeQuepePoli-APoli-APoli-APoli-AQuepeCapPoli-APRSPRSPoli-ADNARNAtranscritoRNANúcleoPoro nuclearEnvoltórionuclearCitoplasma5’ 3’RibossomoSítioESítioPSítioANH3+TransloconPolipeptídeo12378Taiz_01.indd 11Taiz_01.indd 11 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  12. 12. 12 Lincoln Taiz & Eduardo Zeiger-se na camada mais externa do citoplasma, chamada decórtex celular, embora também possa formar feixes de tú-bulos que atravessam a célula como cordões transvacuolares– cordões de citoplasma que se estendem em torno do va-cúolo central. A rede de túbulos está fisicamente conectadaà membrana plasmática em alguns pontos de intersecçãoem uma rede poligonal (Figura 1.9B). As formas em túbulose cisternas do RE sofrem rápidas transições entre elas. Atransição pode ser controlada por uma classe de proteínasdenominadas reticulons, as quais formam túbulos a partirdas dobras de membrana. O citoesqueleto actino-miosina,discutido mais adiante neste capítulo, ativa o rearranjodos túbulos do RE (Sparkes et al., 2009).A região do RE que apresenta muitos ribossomos li-gados à sua membrana é denominada RE rugoso (RER),pois os ribossomos conferem um aspecto granuloso aoRE quando visto em micrografias eletrônicas (Figura1.10). O RE sem ribossomos associados é denominadoRE liso (REL). A distinção entre RE liso e rugoso é algu-mas vezes relacionada com mudanças na forma do RE;RE rugoso com cisternas, isto é, na forma de pequenossáculos achatados, e o RE liso, sendo tubular. Entretanto,essa distinção clássica aplica-se somente a certos tipos ce-lulares, como glândulas florais que produzem néctar, asquais contêm mais RE liso. Em geral, os sítios de ligaçãodos ribossomos são relativamente uniformes em ambosos tipos de RE.O RE fornece unidades de construção de membranase carregamento de proteínas para outros compartimentosda via de endomembranas: o envoltório nuclear, o com-plexo de Golgi, vacúolos, a membrana plasmática e o sis-tema endossomal. Ainda transporta algumas proteínaspara o cloroplasto (Nanjo et al., 2006; Vilarejo et al., 2005).O RE é a maior fonte de fosfolipídeos utilizados paraconstruir o sistema de endomembranas, em colaboraçãocom o cloroplasto, com o qual o RE pode trocar lipídeos(Xu et al., 2008). A porção de biossíntese de fosfolipídeosrealizada pelo RE é denominada rota eucariótica e a parterealizada pelo cloroplasto é chamada de rota procariótica(ver Capítulo 11).Há uma assimetria intrínseca nas bicamadas da mem-brana, pois a enzima que inicia a síntese de fosfolipídeosno RE adiciona novos precursores de fosfolipídeos exclu-sivamente na face citosólica da bicamada. As enzimas en-volvidas na síntese dos grupos da cabeça dos fosfolipídeos(serina, colina, glicerol ou inositol) estão também na facecitosólica. Isto causa uma assimetria intrínseca de lipídeosnas membranas das endomembranas, com a face citosóli-ca das organelas diferindo em composição da face voltadapara o lume (interna) das organelas. A face voltada parao lume finalmente torna-se a face da membrana voltadapara o exterior da célula na membrana plasmática. As mo-dificações assimétricas dos grupos da cabeça dos lipídeose a modificação pós-traducional das proteínas por adiçãocovalente de lipídeos e carboidratos aumentam a assime-tria das membranas (ver Figura 1.5).Em células animais, a assimetria da membrana podeser neutralizada por enzimas denominadas flipases, as(A) (B)Junção triplado túbuloCisternaPolígonode túbulosTúbulode 60 nmEnvoltórionuclearMembranas do RE vistas do interior da célulaRE cortical visto do meio extracelularParedes celularesentre célulasCordõescitoplasmáticostransvacuolaresFIGURA 1.9 Reconstrução tridimensional do RE em células de cul-tura em suspensão de tabaco. (A) Observando as células do meio ex-tracelular em direção ao interior (superior), a rede cortical do RE é cla-ramente constituída de domínios de cisternas e domínios de túbulospoligonais. Observando as células do interior para o meio extracelular(inferior), podem ser visualizados cordões transvacuolares contendotúbulos do RE, bem como o envoltório nuclear, um subdomínio do RE.Os núcleos apresentam canais e invaginações do envoltório nuclear.(B) Diagrama de túbulos e cisternas arranjados em uma rede de po-lígonos típicos do RE cortical (Cortesia de L. R. Griffing).Taiz_01.indd 12Taiz_01.indd 12 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  13. 13. Fisiologia Vegetal 13quais trocam os fosfolipídeos recém-sintetizados paraa face mais interna da bicamada. Recentemente, pesqui-sadores encontraram evidências das flipases em plantas(Sahu e Gummadi, 2008). Além disso, regiões especializa-das do RE podem, aparentemente, trocar lipídeos com ou-tras organelas, como membrana plasmática, cloroplastose mitocôndria, quando em associação com estas (Larssonet al., 2007).O RE e os plastídeos são capazes de adicionar novasmembranas diretamente por meio da síntese de lipídeos eproteínas. Entretanto, para outras organelas, a adição denovas membranas ocorre principalmente pelo processode fusão com outras membranas. Como as membranassão fluídas, novos constituintes de membrana podem sertransferidos para membranas já existentes, mesmo se anova membrana for subsequentemente separada da mem-brana original por fissão. Esses ciclos de fusão e fissão demembranas são a base para o crescimento e divisão de or-ganelas que são derivadas direta ou indiretamente do RE.Essas organelas incluem o complexo de Golgi, o vacúolo,os oleossomos, os peroxissomos e a membrana plasmática.Esses processos são realizados, principalmente, pelo trans-porte de vesículas e túbulos.A fusão e a fissão seletivas de vesículas e túbulos queatuam como transportadores entre compartimentos dosistema de endomembranas são obtidas com uma classeespecial de proteínas de reconhecimento de alvo, denomi-nadas SNAREs e Rabs (ver Tópico 1.9 na internet).A secreção de proteínas pelas células inicia noretículo endoplasmático rugoso (RER)As proteínas destinadas à secreção seguem pela rota desecreção, a qual passa pelo RE e pelo complexo de Golgiaté a membrana plasmática, chegando ao meio extracelu-lar. As proteínas são sintetizadas enquanto estão atraves-sando a membrana para entrar no lume, durante o pro-cesso de tradução (inserção cotraducional). Esse processoenvolve os ribossomos, o mRNA que codifica a proteínade secreção e receptores especiais para ribossomos e pro-teínas parcialmente sintetizadas na superfície externa doRER (ver Figura 1.8). Todas as proteínas de secreção ea maioria das proteínas integrais de membrana da rotasecretora apresentam uma sequência “líder” hidrofóbicade 18 a 30 resíduos de aminoácidos, chamada sequênciapeptídeo sinal, na extremidade amino-terminal da ca-deia (ver Tópico 1.8 na internet). No início da tradução,uma partícula de reconhecimento de sinal (PRS), cons-tituída de proteína e RNA, liga-se a essa sequência-líderhidrofóbica e ao ribossomo, interrompendo a tradução.A membrana do RE contém receptores de PRS, os quaispodem associar-se a canais proteicos de membrana, ostranslocons (ver Figura 1.8).O complexo ribossomo-PRS no citosol liga-se ao re-ceptor de PRS na membrana do RE, e o ribossomo ancora--se no translocon. Essa ligação abre o poro do translocon,liberando a partícula PRS e reiniciando a tradução, e oFIGURA 1.10 Retículo endoplasmático. (A) RE rugoso da alga Bulbochaete pode serobservado em visão frontal nesta micrografia. Os polirribossomos (muitos ribossomosligados ao mesmo RNA mensageiro) do RE são bem visíveis. Polirribossomos estãotambém presentes na superfície externa do envoltório nuclear (75.000ϫ). (B) Váriasunidades de retículo endoplasmático rugoso regularmente organizadas (seta branca)nos tricomas glandulares de Coleus blumei. A membrana plasmática está indicadapor uma seta preta e o material externo à membrana plasmática é a parede celular(75.000ϫ). (C) RE liso frequentemente forma uma rede tubular, conforme ilustradonesta micrografia ao microscópio eletrônico de transmissão de uma pétala jovem dePrimula kewensis (45.000ϫ) (micrografias de Gunning e Steer, 1996).Polirribossomo(A) RE rugoso (visão frontal)(B) RE rugoso (secção transversal)(C) RE lisoRibossomosTaiz_01.indd 13Taiz_01.indd 13 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  14. 14. 14 Lincoln Taiz & Eduardo Zeigerpeptídeo em formação entra no lume do RE. Para as pro-teínas de secreção que entram no lume, a sequência sinalé clivada por uma peptidase sinal na membrana (ver Fi-gura 1.8). Para proteínas integrais de membrana, algumaspartes da cadeia polipeptídica são translocadas através damembrana, enquanto outras não. As proteínas completassão ancoradas na membrana por um ou mais domínios hi-drofóbicos que atravessam a membrana.Muitas das proteínas encontradas no lume do siste-ma de endomembranas são glicoproteínas – proteínascom pequenas cadeias de açúcares covalentemente liga-das – destinadas à secreção da célula ou ao envio a outrasendomembranas. Na maioria dos casos, uma cadeia ra-mificada de oligossacarídeos, formada de N-acetilglico-samina (GlcNAc), manose (Man) e glicose (Glc), é ligadaao grupo amino livre de um ou mais resíduos específicosde asparagina da proteína de secreção no RE. Esse glicanoN-ligado está inicialmente ligado a uma molécula de lipí-deo, o dolicol difosfato, ancorado na membrana do RE(ver Capítulo 13). O açúcar glicano completo, contendo14 resíduos, é então transferido ao polipeptídeo nascen-te assim que este entra no lume. Assim como nas célulasanimais, estas glicoproteínas N-ligadas são, então, trans-portadas para o complexo de Golgi (discutido adiante)por meio de pequenas vesículas ou túbulos. Entretanto,no Golgi, os glicanos são posteriormente processadosde modo específico para vegetais, tornando as proteínasaltamente antigênicas (reconhecidas como estranhas) aosistema imune dos vertebrados.As glicoproteínas e os polissacarídeosdestinados para secreção são processadosno complexo de GolgiO complexo de Golgi (em vegetais, também denominadodictiossomo) é uma pilha polarizada de cisternas, com ascisternas mais espessas no lado cis ou face de formação,a qual recebe túbulos ou vesículas do RE (Figura 1.11). Aface oposta, de maturação ou lado trans do complexo deGolgi, apresenta cisternas mais achatadas e finas, e incluiuma rede tubular denominada rede trans do Golgi ouRTG. As vesículas secretoras podem brotar das cisternastrans e RTG. Pode haver até uma centena de complexosde Golgi formando a totalidade do complexo de Golgi emuma célula meristemática; outros tipos de células diferemno seu conteúdo de Golgi, mas normalmente apresentamde poucos a uma centena. Os complexos de Golgi podemse dividir por fissão permitindo às células regularem suacapacidade de secreção durante o crescimento e a diferen-ciação (Langhans et al., 2007).Cisternas diferentes em um único complexo de Golgipossuem diferentes enzimas e diversas funções bioquími-cas, dependendo do tipo de polímero que será processado– se polissacarídeos para a parede celular ou glicoproteí-nas para parede celular ou vacúolo. Por exemplo, à medi-da que as glicoproteínas N-ligadas passam das cisternascis para trans do Golgi, elas são sucessivamente modifica-das por conjuntos específicos de enzimas localizados emdiferentes cisternas. Certos carboidratos, como manose,são removidos de cadeias de oligossacarídeos e outrosaçúcares são adicionados. Além dessas modificações, aglicosilação dos grupos –OH dos resíduos de hidroxipro-lina, serina, treonina e tirosina (oligossacarídeos O-liga-dos) também ocorre no Golgi. As enzimas envolvidas nabiossíntese de polissacarídeos nos complexos de Golgi sãosubstancialmente diferentes, mas ocorrem lado a lado comaquelas que realizam a modificação de glicoproteínas.O envio de membranas e seus conteúdos para o com-plexo de Golgi, a partir do RE, ocorre em sítios especiali-zados de saída do RE (SSRE). Este sítio de saída do RE édeterminado pela presença de uma proteína de revesti-mento denominada COP II (Figura 1.12A). Essa proteínade superfície associa-se com os receptores transmembra-na, os quais se ligam à carga específica destinada ao Golgi.Essas regiões da membrana brotam, então, para formarvesículas revestidas, as quais perdem seu revestimento deFIGURA 1.11 Micrografia ao microscópioeletrônico de um complexo de Golgi de cé-lulas da coifa da raiz de tabaco (Nicotianatabacum). As cisternas cis, mediana e transestão indicadas. A rede trans do Golgi estáassociada com as cisternas trans (60.000ϫ)(de Gunning e Steer, 1996).Rede trans doGolgi (RTG)CisternastransCisternasmedianasCisternas cisTaiz_01.indd 14Taiz_01.indd 14 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  15. 15. Fisiologia Vegetal 15124567831. As vesículas revestidas porCOP II brotam do RE e sãotransportadas para a face cis docomplexo de Golgi.2. As cisternas progridem napilha de Golgi no movimentoanterógrado, levando suas cargas.3. O movimento retrógrado dasvesículas revestidas por COP Imantém a distribuição corretade enzimas nas cisternas cis,mediana e trans do Golgi.4. As vesículas não revestidasbrotam da cisterna trans doGolgi e fusionam-se com amembrana plasmática.5. Vesículas endocíticasrevestidas por clatrinafusionam-se com ocompartimento pré-vacuolar.6. Vesículas não revestidasbrotam do compartimentopré-vacuolar e levam sua cargapara um vacúolo lítico.7. Proteínas destinadas aosvacúolos líticos são secretadasda face trans do Golgi para ocompartimento pré-vacuolarpor vesículas revestidas porclatrina e são, então,reencapsuladas e enviadas parao vacúolo lítico.8. Vesículas revestidas porclatrina, da via endocítica,podem também perder orevestimento e sofrerreciclagem via reciclagem deendossomos primários. Asvesículas produzidas por esteprocesso de reciclagem podemfusionar-se diretamente com amembrana plasmática ou com aface trans do Golgi.Membrana plasmática(A)(B)Reciclagem de endossomo primárioCitoplasmaRetículoendoplasmáticorugosoSubunidadesde COP IICOP II COP ICOP ICOP IRede cis do GolgiCis do GolgiMediana doGolgitrans do GolgiRede trans do GolgiClatrinaCompartimentopré-vacuolarVacúololíticoCOP II antes da fusão com as membranas alvo. Usandomarcadores fluorescentes para SSRE e Golgi, foi possíveldemonstrar que os SSRE movem-se em consonância comos complexos de Golgi, à medida que este se desloca pelacélula (ver filme no Tópico 1.10 na internet). O movimentodo RE para o Golgi, no Golgi da face cis para trans, segui-do pelo transporte para a membrana plasmática ou paraestruturas pré-vacuolares por meio de vesículas, é deno-minado movimento anterógrado (para frente). Por outrolado, a reciclagem de vesículas membranosas, tanto doGolgi para o RE quanto da face trans para a face cis do Gol-gi, é denominado movimento retrógrado (para trás). Asvesículas revestidas de COP I estão envolvidas no movi-mento retrógrado no Golgi e no movimento do Golgi parao RE. Sem o movimento retrógrado, o complexo de Golgilogo sofreria diminuição de membranas devido à perdapelo movimento anterógrado.FIGURA 1.12 O movimento vesicular nas vias secretora e endocítica. (A) Diagrama do tráfego vesi-cular mediado por três tipos de proteínas de revestimento. COP II é indicada em verde, COP I em azule clatrina em vermelho. (B) Micrografia ao microscópio eletrônico de vesículas revestidas por clatrinaisoladas de folhas de feijão (102.000ϫ) (B, cortesia de D. G. Robinson).Taiz_01.indd 15Taiz_01.indd 15 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  16. 16. 16 Lincoln Taiz & Eduardo ZeigerA membrana plasmática possui regiõesespecializadas envolvidas na reciclagemde membranaA internalização de membranas pelo movimento retró-grado de pequenas vesículas originadas da membranaplasmática é denominada endocitose. As pequenas ve-sículas (100 nm) são inicialmente revestidas por clatrina(Figura 1.12B), mas rapidamente perdem o revestimento efusionam-se com outros túbulos ou vesículas (ver Figuras1.12A e 1.13A); as organelas desta rota endocítica são de-nominadas endossomos. Quando as vesículas de secreçãofusionam-se com a membrana plasmática, a área da su-perfície da membrana necessariamente aumenta. A menosque a célula também expanda para acompanhar a área quefoi adicionada na superfície, é preciso algum método dereciclagem de membrana para manter a área de superfícieem consonância com o tamanho da célula. A importânciada reciclagem de membrana pode ser mais bem ilustradaem células secretoras ativas, como células da coifa (Figura1.13). Essas células secretam grande quantidade de mu-copolissacarídeos (mucilagem), que lubrificam o ápiceradicular à medida que a raiz cresce no solo. O aumentoda superfície da membrana plasmática causado pela fusãodesta com grandes vesículas contendo muco poderia setornar excessivo, se não houvesse o processo de endoci-tose, que constantemente recicla membrana plasmática devolta para uma organela denominada endossomo primá-rio. O endossomo pode, então, ser direcionado de voltapara a rede trans do Golgi para secreção ou para o compar-timento pré-vacuolar para a degradação hidrolítica.A endocitose e a reciclagem endocítica ocorrem emgrande variedade de células vegetais. O controle da en-docitose na membrana plasmática regula diferencialmen-te a abundância de canais iônicos (ver Capítulo 6), comoo canal de potássio nas células-guarda (estômatos) e otransportador de boro nas raízes. Durante o gravitropis-mo, a internalização diferencial de transportadores para ohormônio de crescimento auxina causa uma mudança naconcentração do hormônio ao longo da raiz, resultando nacurvatura da raiz (ver Capítulo 19).Os vacúolos apresentam diversas funçõesnas células vegetaisO vacúolo vegetal foi originalmente definido por sua apa-rência ao microscópio – um compartimento envolvidopor membrana, sem citoplasma. Em vez de citoplasma, ovacúolo contém a seiva vacuolar, composta de água e so-lutos. O aumento de volume de células vegetais duranteo crescimento ocorre inicialmente pelo aumento da seivavacuolar. Um grande vacúolo central ocupa cerca de 95%do volume celular total em muitas das células maduras;algumas vezes, há dois ou mais vacúolos centrais, comoMembrana plasmáticaCitoplasmaCOP IRedetrans do Golgitrans do GolgiRemoção damembranaVesículasecretoraClatrinaEndossomoprimário(A) (B)GolgicistransVesículassecretorasParece celularRevestimento de clatrinaem vesícula secretorarecentemente fusionadaFIGURA 1.13 Depressões revestidas por clatrina associadas com asecreção de mucilagem em coifa de raízes de milho. (A) Diagrama dareciclagem de membrana através de vesículas revestidas por clatri-na a partir de sítios recentes de secreção na membrana plasmática.(B) Sítio de secreção recente mostrando uma vesícula secretora quedescarregou seu conteúdo na parede celular e uma invaginação re-coberta por clatrina, a qual recicla a membrana a partir do sítio desecreção. Há 20 vezes mais depressões revestidas por clatrina nossítios de secreção do que na membrana em geral (Mollenhauer et al.,1991; B, micrografia de H. H. Mollenhauer, cortesia de L. R. Griffing).Taiz_01.indd 16Taiz_01.indd 16 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  17. 17. Fisiologia Vegetal 17no caso de certas pétalas que apresentam vacúolos pig-mentados e não pigmentados (ver Tópico 1.9 na internet).A possível variação no tamanho e na aparência dos vacúo-los sugere a diversidade de forma e função do compar-timento vacuolar. Algumas das variações são provavel-mente decorrentes das diferenças no grau de maturaçãodo vacúolo. As células meristemáticas, por exemplo, apre-sentam pequenos vacúolos em vez de um vacúolo central.Provavelmente, à medida que a célula sofre maturação, al-guns desses pequenos vacúolos fusionam-se para formarvacúolos maiores.A membrana do vacúolo, o tonoplasto, contém pro-teínas e lipídeos que são sintetizados inicialmente no RE.Além da sua função na expansão celular, o vacúolo tam-bém tem participação como compartimento de reservapara metabólitos secundários envolvidos na defesa dasplantas contra herbívoros (ver Capítulo 13). Íons inorgâni-cos, açúcares, ácidos orgânicos e pigmentos são apenas al-guns dos solutos que podem ser acumulados no vacúolo,devido à presença de diversos transportadores específicosde membrana (ver Capítulo 6). Os vacúolos que armaze-nam proteínas, os chamados corpos proteicos, são abun-dantes em sementes.Assim como os lisossomos das células animais, osvacúolos também apresentam função na reciclagem deproteínas, como no caso dos vacúolos líticos, os quais seacumulam nas folhas em senescência e liberam enzimashidrolíticas que degradam os constituintes celulares du-rante esta fase do desenvolvimento. A distribuição demembranas para os vacúolos vegetais e para os lisosso-mos das células animais ocorre por mecanismos diferen-tes. Embora, em ambos os casos, a escolha de envio aocompartimento vacuolar ocorra no Golgi, os processosde reconhecimento utilizados na escolha de receptores eproteínas de processamento são diferentes entre vacúolose lisossomos. Em células de mamíferos, muitas proteínaslisossômicas são reconhecidas por uma enzima do RE, aqual adiciona manose-6-fosfato à proteína, que será, poste-riormente, reconhecida por um receptor de seleção no Gol-gi, uma via aparentemente ausente nos vegetais. Por outrolado, alguns dos vacúolos líticos dos vegetais são deriva-dos de maneira direta do RE, desviando inteiramente davia do Golgi, uma via que parece ausente em animais.A entrega de vesículas derivadas do Golgi ao vacúoloé indireta. Assim como descrito anteriormente, há múl-tiplos compartimentos vacuolares na célula e nem todossão alvo das vesículas do Golgi. Aqueles vacúolos querecebem vesículas derivadas do Golgi, o fazem por meiode uma via intermediária, um compartimento pré-vacuolar,que também atua como uma organela de destino para asmembranas que sofreram endocitose da membrana plas-mática. Esse compartimento pré-vacuolar inclui o corpomultivesicular (CMV), o qual, em alguns casos, é tambémum compartimento pós-vacuolar, que atua na degradação devacúolos e suas membranas (Otegui et al., 2006).Organelas de divisão independente,derivadas do sistema de endomembranasVárias organelas são capazes de crescer e proliferar inde-pendentemente, mesmo que sejam derivadas do sistemade endomembranas. Essas organelas incluem os oleosso-mos, os peroxissomos e os glioxissomos.Os oleossomos são organelas quearmazenam lipídeosMuitos vegetais sintetizam e armazenam grandes quan-tidades de óleo durante o desenvolvimento de sementes.Estes óleos acumulam-se em organelas denominadasoleossomos (também conhecidos como corpos lipídicosou esferossomos). Os oleossomos são únicos entre asorganelas, pois são delimitados por “meia unidade demembrana”, isto é, uma monocamada de fosfolipídeos,derivada do RE. Os fosfolipídeos na meia unidade demembrana são orientados com os grupos da cabeça polarem direção à fase aquosa do citosol e sua porção hidrofó-bica de ácidos graxos voltada para o lume, dissolvida noslipídeos armazenados.Os oleossomos são inicialmente formados como re-giões de diferenciação no RE. A natureza do produto es-tocado, triglicerídeos (três ácidos graxos covalentementeligados a um glicerol), indica que esta organela de reser-va possui um lume hidrofóbico. Consequentemente, àmedida que o triglicerídeo é armazenado, ele parece serinicialmente depositado na região hidrofóbica entre as fa-ces externa e interna da membrana do RE (Figura 1.14).Os triglicerídeos não possuem os grupos de cabeça polardos fosfolipídeos de membrana; assim, eles não estão ex-postos ao citoplasma hidrofílico. Embora o processo debrotamento, que origina o oleossomo, não esteja completa-mente esclarecido, ao separar-se do RE, o oleossomo apre-senta uma única face externa de fosfolipídeos, contendouma proteína especial, a oleosina, que recobre a organela.As oleosinas são sintetizadas nos polirribossomos citosó-licos e, após a tradução, são inseridas na meia membranado oleossomo. A proteína consiste em uma região central,hidrofóbica do tipo grampo, a qual se insere no lume quecontém óleo, e dois terminais hidrofílicos, os quais perma-necem fora do oleossomo (Alexander et al., 2002). Quandoos oleossomos são quebrados durante a germinação dasemente, eles se associam a outras organelas que contêmenzimas para a oxidação de lipídeos, os glioxissomos.Os microcorpos possuem funções metabólicasespecializadas em folhas e sementesOs microcorpos são uma classe de organelas esféricasenvoltas por uma única membrana e especializadas emuma de várias funções metabólicas. Os peroxissomose os glioxissomos são microcorpos especializados na␤-oxidação de ácidos graxos e no metabolismo do glio-Taiz_01.indd 17Taiz_01.indd 17 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  18. 18. 18 Lincoln Taiz & Eduardo Zeigerxilato, um aldeído ácido de dois carbonos (ver Capítulo11). Os microcorpos não possuem DNA e estão intima-mente relacionados a outras organelas, com as quaiscompartilham metabólitos intermediários. O glioxisso-mo está associado com mitocôndrias e oleossomos, en-quanto o perxissomo está associado com mitocôndriase cloroplastos.Inicialmente, pensava-se que os peroxissomos e osglioxissomos eram organelas independentes, produzidasseparadamente pelo RE. Entretanto, experimentos usan-do anticorpos específicos para cada tipo de organela têmdado suporte ao modelo no qual os peroxissomos desen-volvem-se diretamente dos glioxissomos, pelo menos emcotilédones verdes. Em plântulas de pepino, por exemplo,as células não fotossintetizantes contêm inicialmente glio-xissomos; no entanto, após tornarem-se verdes, somenteperoxissomos estão presentes. Em estágios intermediários,os microcorpos reagem com marcadores de glioxissomose peroxissomos, demonstrando que os glioxissomos sãoconvertidos em peroxissomos durante o processo de tor-narem-se verdes (Titus e Becker, 1985).No peroxissomo, o glicolato, um produto de dois car-bonos, oxidado na fotorrespiração em um cloroplasto ad-jacente, é oxidado a ácido aldeído glioxilato. Durante essaconversão, é produzido peróxido de hidrogênio, o qualpode facilmente oxidar e destruir outros compostos. Noentanto, a proteína mais abundante do peroxissomo é acatalase, uma enzima que quebra peróxido de hidrogênioem água. Frequentemente, a catalase é tão abundante nosperoxissomos que forma arranjos cristalinos de proteínas(Figura 1.15).A observação de que os glioxissomos transformam-seem peroxissomos explica a aparência dos peroxissomosem cotilédones em desenvolvimento. No entanto, não ex-plica como os peroxissomos surgem em outros tecidos. Seforem herdados durante a divisão celular, os peroxissomospoderiam crescer e se dividir separadamente de outras or-ganelas, utilizando proteínas similares àquelas envolvidasna divisão da mitocôndria (Zhang e Hu, 2008). A maioriadas proteínas, com origem no citosol, entra nos peroxis-somos após a tradução, por meio de um sinal específico,consistindo de serina-lisina-leucina na carboxila terminal(ver Tópico 1.8 na internet).Organelas semiautônomas dedivisão independenteUma célula vegetal típica apresenta dois tipos de organe-las produtoras de energia: as mitocôndrias e os cloroplas-tos. Ambos os tipos são separados do citosol por uma du-pla membrana (uma membrana interna e outra externa) econtêm seus próprios DNA e ribossomos.As mitocôndrias são os sítios da respiração celular,processo no qual a energia liberada pelo metabolismo doaçúcar é usada para a síntese de ATP (trifosfato de adeno-sina) a partir do ADP (difosfato de adenosina) e do fosfatoinorgânico (Pi) (ver Capítulo 11).As mitocôndrias são estruturas altamente dinâmicas,passíveis de sofrer tanto fissão quanto fusão. A fusão demitocôndrias pode resultar em estruturas tubulares longasque podem se ramificar para formar redes mitocondriais.Independente da forma, todas as mitocôndrias apresentamuma membrana externa lisa e uma membrana interna alta-mente dobrada (Figura 1.16). A membrana interna contémFIGURA 1.14 (A) Micrografia ao microscópio eletrônico de um oleos-somo próximo a um peroxissomo. (B) Diagrama mostrando a formaçãode oleossomos pela síntese e deposição de óleo na bicamada fosfo-lipídica do RE. Após o brotamento a partir do RE, o oleossomo é cir-cundado por uma monocamada de fosfolipídeos contendo a proteínaoleosina (A, de Huang, 1987; B, segundo Buchanan et al., 2000).OleossomoÓleoOleosinaRetículo endoplasmático liso(B)(A)OleossomoPeroxissomoTaiz_01.indd 18Taiz_01.indd 18 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  19. 19. Fisiologia Vegetal 19FIGURA 1.15 Cristal de catalase em um peroxissomo de uma fo-lha completamente expandida. Observe a associação do peroxisso-mo com dois cloroplastos e uma mitocôndria, organelas que com-partilham metabólitos com os peroxissomos.ADPPi+ ATPH+H+H+H+H+H+CristasEspaço intermembranasMatrizMembrana externaMembrana interna(A) (B)FIGURA 1.16 (A) Diagrama de uma mitocôndria, incluindo alocalização da H+-ATPase relacionada à síntese de ATP na mem-brana interna. (B) Micrografia ao microscópio eletrônico da mi-tocôndria de uma célula da folha da grama Bermuda (Cynodondactylon) (26.000ϫ) (micrografia de S. E. Frederick, cortesia deE. H. Newcomb).Núcleocristalino(catalase)Peroxissomo MitocôndriaCloroplastosTaiz_01.indd 19Taiz_01.indd 19 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  20. 20. 20 Lincoln Taiz & Eduardo ZeigerATPH+H+ H+H+H+H+H+H+H+ADPPi+(B)TilacoideGranumEstromaLamelasdo estroma(A)EstromaGranaMembranasexterna e internaLamelas doestromaMembrana internaMembrana externaMembranado tilacoideTilacoidesEstromaEstromaLume dotilacoideGranum(pilha detilacoides)(C)(D)uma bomba de prótons ATP sintase, a qual utiliza um gra-diente de prótons para sintetizar ATP para a célula. O gra-diente de prótons é gerado pela cooperação de transpor-tadores de elétrons, a cadeia transportadora de elétrons,que está embebida na membrana interna (ver Capítulo 11).As dobras ou invaginações da membrana interna sãodenominadas cristas. O compartimento delimitado pelamembrana interna, a matriz mitocondrial, contém as en-zimas da rota do metabolismo intermediário, denominadociclo de Krebs.Os cloroplastos (Figura 1.17A) pertencem a um outrogrupo de organelas envolvidas por dupla membrana, de-nominadas plastídeos. As membranas do cloroplasto sãoricas em glicosilglicerídeos (ver Tópico 1.5 na internet),contêm clorofila e suas moléculas associadas e constituemo sítio da fotossíntese. Além das membranas interna e ex-terna, os cloroplastos têm um terceiro sistema de mem-branas, os tilacoides. Uma pilha de tilacoides forma umgranum (plural, grana) (Figura 1.17B). As proteínas e ospigmentos (clorofilas e carotenoides) que atuam nos even-FIGURA 1.17 (A) Micrografia ao microscópio eletrônico de um clo-roplasto de uma folha da gramínea Phleum pratense (18.000ϫ). (B)A mesma preparação em aumento maior (52.000ϫ). (C) Visão tridi-mensional de pilhas de grana e lamelas do estroma, apresentandoa complexidade da organização. (D) Diagrama de um cloroplasto,mostrando a localização da H+-ATPase na membrana dos tilacoides(micrografias de W. P. Wergin, cortesia de E. H. Newcomb).Taiz_01.indd 20Taiz_01.indd 20 17/08/12 10:4217/08/12 10:42
  21. 21. Fisiologia Vegetal 21tos fotoquímicos da fotossíntese estão embebidos na mem-brana do tilacoide. O compartimento fluido que circundaos tilacoides, o estroma, é análogo à matriz mitocondrial.Os grana adjacentes estão conectados por membranas, aslamelas do estroma.Os vários componentes do aparelho fotossintético es-tão localizados em áreas diferentes dos grana e das lamelasdo estroma. As ATP sintases do cloroplasto localizam-senas membranas dos tilacoides (Figura 1.17C). Durante afotossíntese, as reações de transferência de elétrons desen-cadeadas pela luz resultam em um gradiente de prótonspela membrana do tilacoide (Figura 1.17D). Assim comona mitocôndria, o ATP é sintetizado quando o gradientede prótons é dissipado pela ATP sintase. Entretanto, nocloroplasto, o ATP não é exportado para o citosol, mas éusado em muitas reações no estroma, incluindo a fixaçãodo carbono a partir do dióxido de carbono atmosférico,como descrito no Capítulo 8.Os plastídeos que contêm maiores concentrações depigmentos carotenoides que de clorofila denominam-secromoplastos. Eles são responsáveis pelas cores amarela,laranja ou vermelha de muitos frutos e flores, assim comodas folhas no outono (Figura 1.18).Os plastídeos sem pigmentos são os leucoplastos. Otipo mais importante de leucoplasto é o amiloplasto, umplastídeo de reserva de amido. Os amiloplastos são abun-dantes nos tecidos de partes aéreas, de raízes e em semen-tes. Os amiloplastos especializados da coifa atuam comosensores de gravidade, promovendo o crescimento da raizem direção ao solo (ver Capítulo 19).Pró-plastídeos desenvolvem-se em plastídeosespecializados em diferentes tecidos vegetaisAs células meristemáticas contêm pró-plastídeos, osquais não possuem clorofila, apresentam poucas ou ne-nhuma membrana interna e um conjunto incompleto deenzimas necessárias para realizar a fotossíntese (Figura1.19A). Nas angiospermas e algumas gimnospermas, odesenvolvimento do cloroplasto a partir do pró-plastídeoé desencadeado pela luz. Em presença de luz, as enzimassão formadas no pró-plastídeo ou importadas do citosol;os pigmentos para a captação da luz são sintetizados e asmembranas desenvolvem-se rapidamente, originando aslamelas do estroma e as pilhas de grana (Figura 1.19B).As sementes normalmente germinam no solo em au-sência de luz e seus pró-plastídeos desenvolvem-se em clo-roplastos somente quando a parte aérea jovem é exposta àluminosidade. Por outro lado, se as plântulas são mantidasno escuro, os pró-plastídeos diferenciam-se em estioplastos,os quais apresentam arranjos semicristalinos tubulares demembranas, conhecidos como corpos pró-lamelares (Figura1.19C). Em vez de clorofila, os estioplastos contêm um pig-mento precursor, de cor verde-amarelada, a protoclorofilida.Minutos após a exposição à luz, um estioplasto dife-rencia-se, convertendo o corpo pró-lamelar em tilacoidese membranas lamelares e a protoclorofilida em clorofila(para uma discussão sobre a síntese de clorofila, ver Tó-pico 7.11 na internet). A manutenção da estrutura do clo-roplasto depende da presença de luz; os cloroplastos ma-duros podem ser revertidos a estioplastos se mantidos porlongos períodos no escuro. Da mesma forma, sob diferen-tes condições ambientais, os cloroplastos podem ser con-vertidos em cromoplastos (ver Figura 1.18), como no casodas folhas no outono e do amadurecimento dos frutos.A divisão de cloroplastos e mitocôndrias éindependente da divisão nuclearComo mencionado anteriormente, os plastídeos e as mito-côndrias dividem-se por fissão, consistente com as origensprocarióticas. A replicação do DNA da organela e a fissãosão reguladas independentemente da divisão nuclear. Porexemplo, o número de cloroplastos por volume celular de-pende do desenvolvimento da célula e seu ambiente. As-sim, há mais cloroplastos nas células do mesofilo de umafolha do que nas células da epiderme da superfície externadesta folha.FIGURA 1.18 Micrografia aomicroscópio eletrônico de um cro-moplasto do fruto de um tomatei-ro (Lycopersicon esculentum), noestágio inicial de transição entreum cloroplasto e um cromoplasto.Pequenas pilhas de grana aindapodem ser observadas. Os cristaisdo carotenoide licopeno estão in-dicados por estrelas (27.000ϫ) (deGunning e Steer, 1996).Vacúolo Tonoplasto Pilha de granaCristais de licopenoTaiz_01.indd 21Taiz_01.indd 21 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  22. 22. 22 Lincoln Taiz & Eduardo ZeigerEmbora o momento de fissão dos cloroplastos e mi-tocôndrias seja independente do momento da divisão ce-lular, estas organelas necessitam de proteínas codificadaspelo núcleo para que ocorra sua divisão. Em bactérias eorganelas semiautônomas, a fissão é facilitada por proteí-nas que formam anéis no envoltório interno no local dofuturo plano de divisão. Em células vegetais, os genes quecodificam essas proteínas encontram-se no núcleo. As mi-tocôndrias e os cloroplastos podem também aumentar emtamanho sem divisão para suprir a demanda de energiaou fotossintética. Se, por exemplo, as proteínas envolvidasna divisão da mitocôndria são desativadas experimental-mente, as poucas mitocôndrias tornam-se maiores, permi-tindo a célula suprir sua demanda energética.Protusões da membrana externa e interna ocorrem emmitocôndrias e cloroplastos. Nos cloroplastos, essas pro-tusões são denominadas estrômulos, pois contêm estro-ma, mas não tilacoides (ver Ensaio 7.1 na internet). Nasmitocôndrias, elas são chamadas matrixules. Estrômulos ematrixules podem atuar conectando as organelas nas quaisse formam, permitindo a troca de materiais entre elas.Tanto os plastídeos quanto as mitocôndrias podem semover pela célula. Em algumas células vegetais, os cloro-plastos estão ancorados no citoplasma cortical, mais exter-no, da célula, mas, em outras, eles são móveis. Assim comoos complexos de Golgi e os peroxissomos, as mitocôndriassofrem ação de proteínas motoras, como a miosina vege-tal, a qual se move sobre os filamentos de actina. A rede defilamentos de actina está entre os principais componentesdo citoesqueleto, o qual será descrito na próxima seção.O citoesqueleto vegetalO citosol está organizado em uma rede tridimensional deproteínas filamentosas, o citoesqueleto. Essa rede propor-ciona uma organização espacial para as organelas e servecomo arcabouço para os movimentos das organelas e deoutros componentes do citoesqueleto. Ele também apre-senta papéis fundamentais nos processos de mitose, meio-se, citocinese, depósito da parede, manutenção da formacelular e diferenciação celular.O citoesqueleto vegetal é formado pormicrotúbulos e microfilamentosDois tipos principais de elementos do citoesqueleto foramidentificados nas células vegetais: microtúbulos e microfi-lamentos. Cada tipo é filamentoso, apresentando diâmetrofixo e comprimento variável, podendo atingir muitos mi-crômetros. Os microtúbulos e os microfilamentos são con-juntos macromoleculares de proteínas globulares.Os microtúbulos são cilindros ocos com diâmetro ex-terno de 25 nm; são compostos de polímeros da proteínatubulina. O monômero de tubulina dos microtúbulos é umheterodímero composto por duas cadeias polipeptídicas si-milares (␣– e ␤-tubulina) (Figura 1.20A). Um único micro-túbulo é formado por centenas de milhares de monômerosde tubulina organizados em colunas, os protofilamentos.Os microfilamentos são sólidos, com diâmetro de7 nm, compostos de uma forma especial de proteína en-contrada no músculo: a actina globular ou actina-G. Osmonômeros de actina-G polimerizam para formar uma ca-deia de subunidades de actina, também denominada pro-tofilamento. A actina no filamento polimerizado é referidacomo actina filamentosa, ou actina-F. Um microfilamentoé constituído por dois protofilamentos entrelaçados deforma helicoidal (Figura 1.20B).FIGURA 1.19 Micrografias ao microscópio eletrônico ilustrandovários estágios do desenvolvimento de plastídeos. (A) Visão, emgrande aumento, de um pró-plastídeo do meristema apical da raizde fava (Vicia faba). O sistema de membrana interna é rudimentar eos grana não estão presentes (47.000ϫ). (B) Uma célula de mesofilode uma folha jovem de aveia (Avena sativa) em um estágio inicialde diferenciação, em presença de luz. Os plastídeos estão se desen-volvendo em vários grana. (C) Célula de uma folha jovem de umaplântula de aveia crescida no escuro. Os plastídeos desenvolveram--se como estioplastos, com túbulos de membranas semicristalinasentrelaçadas, chamados corpos pró-lamelares. Quando expostos àluz, os estioplastos podem se converter em cloroplastos pela de-sorganização dos corpos pró-lamelares e formação de vários grana(7.200ϫ) (de Gunning e Steer, 1996).(A) (B) (C)PlastídeosEstioplastosCorpospró-lamelaresTaiz_01.indd 22Taiz_01.indd 22 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  23. 23. Fisiologia Vegetal 23Os microtúbulos e os microfilamentospodem ser polimerizados edespolimerizadosNa célula, as subunidades de actina e tubulina ocor-rem como pools de proteínas livres em equilíbrio di-nâmico com as formas polimerizadas. Cada um dosmonômeros contém um nucleotídeo ligado: ATP nocaso da actina e GTP (guanosina trifosfato) no casoda tubulina. Os microtúbulos e os microfilamentossão polarizados, ou seja, as duas extremidades sãodiferentes. Nos microfilamentos, a polarização re-sulta da polaridade do próprio monômero de actina;nos microtúbulos, ela é decorrente da polaridade doheterodímero ␣- e ␤-tubulina. A polaridade se ma-nifesta pela diferença nas taxas de crescimento dasduas extremidades, sendo a extremidade mais ativadenominada mais e a menos ativa, a extremidade menos. Nosmicrotúbulos, o monômero da ␣-tubulina está exposto na ex-tremidade menos e a ␤-tubulina aparece na extremidade mais.Os microtúbulos e os microfilamentos têm suas meias--vidas normalmente contadas em minutos, e determinadaspor proteínas acessórias: proteínas de ligação à actina (ABPs,actin-binding proteins) e proteínas associadas aos microtúbulos(MAPs, microtubule-associated proteins). Um conjunto des-sas ABPs e MAPs estabiliza os microfilamentos e microtú-bulos, respectivamente, e evita sua despolimerização.A polimerização de actina purificada ocorre pela asso-ciação direta de actina-G na extremidade de crescimento,ou extremidade mais, do filamento para formar a actina--F em ausência de proteínas acessórias. As ligações entreas subunidades de actina no polímero não são covalentese não é necessária energia para a montagem. No entanto,após a incorporação do monômero no protofilamento, oATP ligado é hidrolisado a ADP. A energia liberada é ar-mazenada no próprio microfilamento, tornando-o maispropenso à dissociação. As funções de várias proteínas deligação à actina na regulação do crescimento do microfila-mento são discutidas no Tópico 1.12 na internet.A montagem dos microtúbulos segue um padrão si-milar ao dos microfilamentos, envolvendo as fases denucleação, alongamento e equilíbrio. Porém, a nucleaçãodos microtúbulos in vivo não é mediada pela formação deestruturas oligoméricas, mas por um complexo na formade anel, composto de um tipo pouco comum de tubulina, a␥-tubulina. Os complexos em anel de ␥-tubulina (␥-TuRCs,␥-tubulin ring complexes) estão presentes nos chamadoscentros organizadores de microtúbulos (MTOCs, microtubuleorganizing centers), onde os microtúbulos são nucleados.O local principal de nucleação de microtúbulos inclui ocitoplasma cortical (camada mais externa de citoplasma)nas células em interfase, a periferia do envoltório nuclear,e os polos do fuso em células em divisão. A função dos␥-TuRCs é iniciar a polimerização dos heterodímeros de␣- e ␤-tubulina em protofilamentos curtos longitudinais. Aseguir, os protofilamentos (o número varia com a espécie)Subuni-dades datubulina(␣ e ␤)Protofilamento25 nm 7 nm(A) (B)␣␤␣␤␣␤␣␣␤Subuni-dade daactina-G8 nmFIGURA 1.20 (A) Desenho de um microtúbulo em vistalongitudinal. Cada microtúbulo é composto de 13 protofila-mentos. A organização das subunidades ␣ e ␤ é ilustrada. (B)Diagrama de um microfilamento, mostrando duas cadeiastorcidas de actina-F (protofilamentos) as quais são polímerosde subunidades da actina-G.GTPGDPCatástrofeTubulina-GTPTubulina-GDPReversãoPolimerização DespolimerizaçãoCobertura laminar naextremidade (+) enrolando-seem um túbulo à medida queo GTP é hidrolisado.Extremidade (+) perdendotubulinas, com osprotofilamentos individuaisse separando e enrolando.FIGURA 1.21 Modelo para o equilíbrio dinâmico entre a polimerização ea despolimerização dos microtúbulos. Quando o GTP ligado à subunidade␤-tubulina é hidrolisado, após a tubulina ser incorporada no microtúbulo, asubunidade ␤ muda sua orientação, causando a separação e o enrolamentopara fora dos protofilamentos, seguido pela despolimerização catastrófica.Isto leva ao aumento local da concentração de tubulina. A reversão ocorrequando a troca de GTP por GDP promove a reação de polimerização datubulina, que forma uma cobertura laminar ligada a GTP na extremidade(+) do microtúbulo. À medida que a cobertura laminar cresce, ela se enrolae fusiona-se ao túbulo.Taiz_01.indd 23Taiz_01.indd 23 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  24. 24. 24 Lincoln Taiz & Eduardo Zeigerassociam-se lateralmente para uma lâmina plana (Figura1.21). Por fim, a lâmina enrola-se, formando um microtú-bulo cilíndrico à medida que o GTP é hidrolisado.Cada heterodímero de tubulina contém duas molécu-las de GTP, uma no monômero de ␣-tubulina e outro no de␤-tubulina. Na ␣-tubulina, o GTP está fortemente ligadoe é não hidrolisável, enquanto o GTP ligado à ␤-tubulinapode ser rapidamente trocado com o meio e é lentamentehidrolisado a GDP após a ligação da subunidade ao mi-crotúbulo. A hidrólise do GTP a GDP na subunidade da␤-tubulina causa um leve dobramento no dímero, e, se nãofor revestido com uma lâmina de tubulina ligada a GTPrecém-adicionada, os protofilamentos desligam-se uns aosoutros, iniciando uma despolimerização “catastrófica”,que é muito mais rápida que a taxa de polimerização (verFigura 1.21). Essa despolimerização pode ser revertida peloaumento da concentração local de tubulina, a qual (comauxílio do GTP) favorece a polimerização (ver Figura 1.21).Os microtúbulos apresentam, então, uma instabilidadedinâmica. Além disso, a frequência e a extensão da despo-limerização que caracteriza a instabilidade dinâmica podeser controlada por proteínas específicas associadas a mi-crotúbulos, ou MAPs, que estabilizam e desestabilizam asligações entre os heterodímeros de tubulina na parede domicrotúbulo.Os microtúbulos corticais podem se mover pelacélula pelo mecanismo de “esteira rolante”Uma vez polimerizados, os microtúbulos não permane-cem necessariamente ancorados nos iniciadores ␥-tubulinanos centros organizadores de microtúbulos (MTOCs). Emcélulas em interfase, os microtúbulos no citoplasma corti-cal podem migrar lateralmente na periferia da célula peloprocesso de esteira rolante. Durante esse movimento, osheterodímeros de tubulina são adicionados na extremida-de mais de crescimento na mesma taxa em que são remo-vidos da extremidade menos. Como consequência, o mi-crotúbulo parece “mover-se” pelo citoplasma, embora nãoesteja realmente se movimentando.Os microtúbulos recém-formados geralmente mo-vem-se pelo citoplasma cortical em direção transversal aoeixo da célula (Paradez et al., 2006). Como será discutidono Capítulo 15, a orientação transversal dos microtúbuloscorticais determina a orientação da síntese das novas fi-brilas de celulose da parede celular. A presença de fibrilastransversais de celulose na parede celular reforça a paredena direção transversal, promovendo crescimento no eixolongitudinal. Dessa forma, os microtúbulos têm funçãoimportante na polaridade do vegetal.As proteínas motoras do citoesqueletoparticipam da corrente citoplasmática e domovimento de organelasEm geral, os movimentos das organelas pelo citoplasmaresultam da ação de motores moleculares, os quais têm acapacidade de “caminhar” pelos elementos do citoesque-leto. Todos os motores moleculares do citoesqueleto apre-sentam estrutura similar. Nas suas formas diméricas, elesconsistem de duas cabeças globulares grandes, as quaisfuncionam com “pés” do motor. As regiões da “cabeça”são ligadas aos “pescoços”, que funcionam como “per-nas”. Há uma “cauda” de vários comprimentos, que co-necta as cabeças aos domínios de ligação da carga (Figura1.22). Cada uma das cabeças do motor possui atividadeATPase e a energia liberada pela hidrólise do ATP impelecada cabeça para frente, permitindo que se desloque uni-direcionalmente pelo elemento do citoesqueleto.Os diferentes motores moleculares movem-se em di-ferentes direções dos polímeros polares do citoesqueleto.Os motores que se deslocam ao longo de microfilamentos,as miosinas, movem-se em direção a extremidade maisda actina. Há duas famílias de miosinas vegetais: miosi-na VIII e miosina XI, cada uma contendo vários membros.A família de proteínas motoras que se movem nos micro-túbulos consiste em proteínas cinesinas. De 61 membrosdesta família, dois terços desloca-se em direção à extremi-dade mais do microtúbulo e um terço para a extremida-de menos. Embora as cinesinas atuem no movimento deorganelas pelas rotas dos microtúbulos, os domínios decarga das cinesinas podem também se ligar à cromatinaou a outros microtúbulos e auxiliar na organização do fusomitótico durante a mitose (ver Tópico 1.13 na internet). Asdineínas, proteínas motoras com movimento em direção àextremidade menos, são predominantes em animais e pro-tistas, mas estão ausentes em vegetais.A corrente citoplasmática é um movimento coorde-nado de partículas e organelas por meio do citosol. NasMiosinaOrganelaFilamento de actinaDireção do deslizamentoRegião dacabeçaDomíniode ligaçãode cargaCaudaPescoço– +FIGURA 1.22 Movimento de organelas dirigido por miosina. Nascélulas vegetais, a maioria das organelas movimenta-se através demotores de miosina. A miosina move-se em direção à extremidademais (+) do microfilamento de actina. A miosina é um homodíme-ro, com duas cabeças e duas caudas. As duas cabeças, mostradasem vermelho, apresentam atividade ATPase e motora, de forma queuma mudança de conformação na região do pescoço produz uma“caminhada”, um movimento ao longo do filamento de actina. Ascaudas se ligam às organelas pelos domínios de carga, mas aindaé desconhecido se estes domínios interagem diretamente com amembrana da organela.Taiz_01.indd 24Taiz_01.indd 24 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  25. 25. Fisiologia Vegetal 25células gigantes das algas verdes Chara e Nitela, a corren-te ocorre de modo helicoidal, para baixo em um lado dacélula e para cima do outro lado, na velocidade de até75 ␮m s–1. A corrente citoplasmática ocorre na maioria dascélulas vegetais, mas em diversos padrões e velocidades,podendo mudar ou parar rapidamente em resposta a umestímulo ambiental (Hardham et al., 2008).Tradicionalmente, o termo “corrente citoplasmática”tem sido definido como fluxo citoplasmático de massade citosol e organelas, o que é facilmente visualizado embaixas resoluções. Esse tipo de fluxo de massa resulta doarraste, de aparência viscosa, que o movimento das orga-nelas exerce no citosol. Mais recentemente, o termo cor-rente citoplasmática também foi aplicado a movimentosde organelas, nos quais as organelas adjacentes passamumas pelas outras em direções opostas. Claramente, essesmovimentos independentes de organelas não resultam dofluxo de massa.A corrente citoplasmática envolve feixes de microfi-lamentos de actina arranjados paralelamente ao eixo domovimento de partículas. As forças necessárias para o mo-vimento podem ser geradas por uma interação da actina-Fe miosina, de modo comparável à interação proteica queocorre durante a contração muscular em animais (Shime-men e Yokota, 2004). Durante a corrente, a miosina moveindependentemente os peroxissomos, as mitocôndrias, oscomplexos de Golgi e o RE (juntamente com o envoltórionuclear e o núcleo), transportando essas organelas pelosfilamentos de actina para regiões específicas da célula (verFigura 1.22).Um exemplo de corrente citoplasmática reguladapelo desenvolvimento é a migração do núcleo para a ex-tremidade em crescimento do pelo da raiz durante a suaformação nas células epidérmicas. Por outro lado, o repo-sicionamento dos cloroplastos da folha, podendo maximi-zar ou reduzir a exposição à luz, representa uma forma demovimento regulado pelo ambiente (DeBlasio et al., 2005;ver Capítulo 9).FIGURA 1.23 Ciclo celular em uma célula vacuo-lada. As quatro fases do ciclo celular, G1, S, G2 e Msão ilustradas em relação ao alongamento e divi-são de uma célula vacuolada. Várias ciclinas (CYC)e cinases dependentes de ciclinas (Cdk) regulam atransição de uma fase para a próxima. A Ciclina De a cinase dependente de ciclina A (Cdk A) estãoenvolvidas na transição de G1 para S. A ciclina A ea Cdk A estão envolvidas na transição de S paraG2. A ciclina B e a cinase dependente de ciclina B(Cdk B) regulam a transição de G2 para M. As cina-ses fosforilam outras proteínas na célula causandograndes reorganizações do citoesqueleto e dossistemas de membranas. Os complexos ciclinas/cinases dependentes de ciclina têm tempo de vidadeterminado, geralmente regulado pelo seu pró-prio estado de fosforilação; o decréscimo de suaquantidade em direção ao final da fase permite aprogressão para o próximo estágio do ciclo celular.G2G1SMMembranaplasmáticaCitoplasmaRedecorticaldo REParedecelularNúcleoCorrentetransvacuolarTonoplastoREMicrotúbulocorticaltransversalFase G1Fase G2Fase M –MitoseFase S – síntesede DNACromossomoPolos do fusocom membranasdo RE contêmproteínas doenvoltórionuclearVacúolodivididoMicrotúbulocorticallongitudinalMicrotúbulodo cinetócoroMicrotúbulosastraisMicrotúbulopolarCinetócoroCiclina BCdk BCiclina ACdk ACiclina DCdk ATaiz_01.indd 25Taiz_01.indd 25 14/06/12 16:5714/06/12 16:57
  26. 26. 26 Lincoln Taiz & Eduardo ZeigerA regulação do ciclo celularO ciclo da divisão celular, ou ciclo celular, é o processo peloqual ocorre a reprodução da célula e de seu material genéti-co, o DNA nuclear (Figura 1.23). O ciclo celular consiste emquatro fases: G1, S, G2 e M. G1 é a fase em que a célula filha,recém-formada, ainda não replicou o seu DNA. O DNA éreplicado durante a fase S. G2 é a fase em que a célula, comseu DNA replicado, ainda não iniciou a mitose. Coletiva-mente, as fases G1, S e G2 são referidas como interfase. Afase M é a mitose. Em células vacuoladas, o vacúolo au-menta durante a interfase e o plano da divisão celular divi-de o vacúolo à metade durante a mitose (ver Figura 1.23).Cada fase do ciclo celular apresenta um conjuntoespecífico de atividades bioquímicas e celularesO DNA nuclear é preparado para a replicação em G1 pelamontagem de um complexo pré-replicação nas origens dereplicação ao longo da cromatina. O DNA é replicado du-rante a fase S e as células em G2 preparam-se para a mitose.Toda arquitetura da célula é alterada à medida queela entra em mitose. Se a célula possui um grande vacúolocentral, é necessário que esse vacúolo seja primeiro divi-dido em dois por uma união de correntes transvacuolarescitoplasmáticas que contêm o núcleo; esta se torna a regiãoonde a divisão nuclear ocorrerá (ver Figura 1.23). A distri-buição do complexo de Golgi e de outras organelas ocorreigualmente entre as duas metades da célula. Como descri-to abaixo, o sistema de endomembranas e o citoesqueletosão amplamente rearranjados.À medida que a célula entra em mitose, os cromos-somos alteram seu estado de organização no núcleo einiciam a condensação para formar os cromossomos me-tafásicos (Figura 1.24). Estes são mantidos unidos por pro-teínas denominadas coesinas, que se localizam na regiãocentromérica de cada par de cromossomos. Para que oscromossomos se separem, estas proteínas devem ser cli-vadas pela enzima separase, a qual deve ser inicialmenteativada. Isto ocorre quando o cinetócoro se liga ao fuso mi-tótico (descrito na próxima seção).Em um ponto-chave de regulação, ponto de checa-gem, no início da fase G1 do ciclo, as células tornam-secomprometidas com a síntese do DNA. Em célula de ma-míferos, a replicação do DNA e a mitose são ligadas – umavez iniciado o ciclo de divisão, ele não é interrompidoaté que as fases da mitose tenham sido concluídas. Poroutro lado, as células vegetais podem parar o ciclo antesou depois de replicarem seu DNA (ou seja, durante G1 ouG2). Como consequência, enquanto a maioria das célulasanimais é diploide (apresentam dois conjuntos de cro-mossomos), as vegetais são, frequentemente, tetraploides(quatro conjuntos de cromossomos) ou mesmo poliploides(muitos conjuntos de cromossomos), após passarem porciclos adicionais de replicação nuclear sem que ocorra amitose, um processo denominado endorreduplicação.O ciclo celular é regulado por ciclinas e porcinases dependentes de ciclinaAs reações bioquímicas que controlam o ciclo celular sãoaltamente conservadas na evolução dos eucariotos e asplantas preservaram os componentes básicos desse me-canismo. A progressão no ciclo é regulada principalmenteem três pontos de checagem: durante o final da fase G1, nofinal da fase S e na transição de G2 para mitose.As enzimas-chave que controlam as transições entreos diferentes estados do ciclo celular e a entrada das célu-las no ciclo de divisão são as proteínas cinases dependen-tes de ciclina ou Cdks (cyclin-dependent protein kinases). Asproteínas cinases são enzimas que fosforilam outras pro-teínas utilizando o ATP. A maioria dos eucariotos multice-lulares utiliza várias cinases que são ativas em diferentesfases do ciclo celular. Todas dependem de subunidadesreguladoras, as ciclinas, para desempenhar suas ativida-des. Diversas classes de ciclinas foram identificadas emplantas, animais e leveduras. Três ciclinas (A, B e D) estãoenvolvidas na regulação do ciclo celular de tabaco, comomostrado na Figura 1.23.1. Ciclinas G1/S: ciclina D, ativa no final da fase G1.2. Ciclinas S: ciclina A, ativa no final da fase S.3. Ciclinas M: ciclina B, ativa imediatamente antes damitose.O ponto crítico de restrição no final da fase G1, o qualdetermina que a célula passe por um novo ciclo de divi-são, é regulado principalmente pelas ciclinas do tipo D.Como será visto posteriormente neste livro, os hormôniosvegetais que promovem a divisão celular, incluindo as ci-CromátideCoesinaRegiãocentroméricado cromossomoCromossomoreplicadoCinetócoro interno(proteínas centroméricas,sítio de ligação aocromossomo e aonucleossomo)Cinetócoro externo(sítio de ligação amicrotúbulos, motoresde microtúbulos,controle do pontode checagem)Microtúbulosdo cinetócoroFIGURA 1.24 Estrutura de um cromossomo metafásico. O DNAcentromérico está destacado e a região onde moléculas de coesãounem os dois cromossomos está ilustrada em cor laranja. O cineto-córo é uma estrutura em camadas (camada mais interna em roxoe a mais externa em amarelo) que contém proteínas de ligação amicrotúbulos, incluindo cinesinas que auxiliam na despolimerizaçãodos microtúbulos durante o encurtamento dos microtúbulos do ci-netócoro na anáfase (Modelo de cromossomo © Sebastian Kaulitzki/Shutterstock).Taiz_01.indd 26Taiz_01.indd 26 14/06/12 16:5714/06/12 16:57

×