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CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR




 O que permitirá explicar a diversidade de formas e funções de células de
um mesmo organismo?
 Às vezes, a observação de uma
determinada célula, durante um curto
período de tempo, pode revelar
grandes mudanças no seu interior. O
que se estará a passar?
 De que modo se relaciona a
informação contida no DNA com o
aspeto de um ser vivo?
CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR

As células possuem processos de síntese que
asseguram o seu crescimento e renovação. Os
processos de divisão são os responsáveis pelo
crescimento e renovação celular nos organismos
multicelulares   e   pela  reprodução    nos  seres
unicelulares. A divisão celular envolve a passagem
de informação genética presente no DNA da célula-
mãe.
O DNA e a síntese proteica são responsáveis pelo
        crescimento e renovação celular

O nosso planeta apresenta uma grande diversidade de seres vivos
distribuídos pelos ambientes mais diversos. A biodiversidade é uma
riqueza inquestionável, sendo fonte de alimento e de medicamentos,
proteção dos lençóis de água, combate à erosão dos solos e agente
de mitigação da poluição.




            Diversidade de organismos que habitam a Terra: biodiversidade
Apesar das diferenças existentes entre os seres vivos, há uma
unidade estrutural e funcional comum a todos - a célula. A célula é
considerada a unidade básica da vida. Esta semelhança também se
revela a nível molecular, pois os organismos apresentam os mesmos
constituintes bioquímicos.
Como será possível explicar a grande diversidade de
seres vivos que existem na natureza? Por mais diferentes
que os organismos sejam entre si, é a partir de uma única célula e
das informações contidas no seu genoma que se origina um
indivíduo .




                        Da célula ao organismo
Podemos levantar várias questões:

 Onde está armazenada toda a informação genética e como é
transmitida à descendência?

 Que processos são responsáveis pela unidade e variabilidade
celular?

 De que depende o crescimento celular, o desenvolvimento e a
regeneração de tecidos?

 Como explicar o facto de as células de um indivíduo não serem
todas iguais?
O DNA é a molécula responsável pelo armazenamento da
                   informação genética

Determinar o constituinte celular responsável pelo armazenamento e
transmissão da informação genética foi objecto de estudo de vários
cientistas.
Em 1928, o médico inglês Frederick Griffith estava a estudar uma
bactéria patogénica. Para tal, utilizou duas linhagens de Diplococcus
pneumoniae (agente causador da pneumonia humana e letal para os
ratinhos).
As linhagens foram denominadas de S e R, porque enquanto cresciam
em laboratório, umas produziam colónias lisas e outras rugosas,
respectivamente. Griffith realizou a experiência ilustrada na figura,
tendo concluído que apenas as bactérias S causavam a morte dos
ratinhos.
As bactérias S quando mortas pela ação do calor perdiam o
caráter virulento. No entanto, a mistura destas bactérias,
mortas pelo calor, com bactérias R tornava-as virulentas, pois
os ratinhos injetados morriam.




 Griffith concluiu que compostos presentes nas bactérias S,
 mortas pelo calor, eram responsáveis pela “transformação”
 das bactérias R em S.
O DNA é o princípio transformante

Em 1944, Oswald Avery e MacLeod realizaram uma experiência para
determinar a natureza química do princípio transformante.




Para tal, extraíram os diferentes compostos químicos das bactérias S
mortas pelo calor e testaram-nos separadamente em bactérias R.
Apenas nas células testadas com DNA ocorreu a transformação das
bactérias R. Estes investigadores deduziram que o DNA corresponde
ao princípio transformante, que contém a informação genética.
Os trabalhos de Avery e seus colaboradores foram importantes para
comprovar que o DNA era o material genético das células. Contudo,
tal não foi amplamente aceite pela comunidade científica de então
porque:
o DNA, quando comparado com as proteínas, era quimicamente
menos complexo, pelo que os cientistas consideravam que eram as
proteínas que continham a informação genética;
a genética bacteriana ainda não estava desenvolvida, não sendo
óbvio, na altura, que as bactérias possuíam genes.

Em 1952, Alfred Hershey e Martha Chase publicaram um trabalho
efectuado com um vírus que infecta as bactérias (bacteriófago). Esse
vírus, denominado T2, apresenta DNA dentro de uma cápsula proteica
e depende da bactéria para se reproduzir.
Dispositivo experimental de
     Hershey e Chase
Ao marcarem radioativamente as proteínas e o DNA virais,
Hershey e Chase puderam seguir o trajecto destas
moléculas. Verificaram que as proteínas, presentes na
cápsula, não penetram na bactéria, ao contrário do DNA.

Uma vez no interior da bactéria, o DNA viral toma o comando
da célula bacteriana. Assim, a bactéria passa a produzir
cópias do DNA viral, bem como proteínas que irão constituir a
cápsula dos novos vírus.

Desta forma, ficou demonstrado que o DNA contém a
informação necessária para o produção de novos vírus, não
tendo havido intervenção das proteínas virais.

Assim, estes investigadores puderam concluir que o DNA é o
suporte da informação genética e não as proteínas,
reforçando os resultados de Avery e dos seus colaboradores.
Os raios-X permitiram decifrar a estrutura do DNA

Em 1950, estudos realizados por Rosalind Franklin permitiram obter
primeiros dados sobre a dimensão e estrutura do DNA. Esta
investigadora recorreu à difração de raios-X, bombardeando
amostras de DNA cristalizado. Esta técnica permite obter a
estrutura molecular compostos cristalizados, indicando que o DNA
possuía uma estrutura em hélice.
A determinação da composição química do DNA também contribuiu
para compreender a sua estrutura.
O DNA é um polímero de unidades que se repetem, os nucleótidos,
sendo cada um constituído por um grupo fosfato (que confere à
molécula características ácidas),
um açúcar (a desoxirribose, que é uma pentose)
e uma base azotada.
O que diferencia os quatro nucleótidos de DNA é a base, que pode
ser de anel simples (pirimídica): timina (T) e citosina (C)
ou de anel duplo (purina): adenina (A) e guanina (G).
Entre 1944 e 1952, Erwin Chargaff e os seus colaboradores
analisaram amostras de DNA de diferentes espécies, tendo
verificado que existem diferenças entre as espécies, mas que a
quantidade de adenina era semelhante à de timina e a quantidade
de citosina próxima à da guanina - regra de Chargaff.




Segundo a regra de Chargaff: A = T e C = G, pelo que:
A+C≈ 1
T+G
Em 1953, Watson e Crick, combinando todos os
conhecimentos que existiam sobre a estrutura do
DNA e a sua composição, construíram um modelo que
estabeleceu a estrutura geral do DNA – uma dupla
hélice.
A estrutura tridimensional da molécula de DNA apresenta os seguintes
aspectos:
 é formada por duas cadeias polinucleotídicas enroladas em hélice;
 as duas cadeias estão unidas por pontes de hidrogénio que se
estabelecem entre as bases azotadas;
 as pontes de hidrogénio estabelecem-se de forma específica, em que
a adenina se liga à timina (através de duas pontes de hidrogénio) e a
citosina à guanina (através de três pontes de hidrogénio), de acordo
com as regras de Chargaff. O emparelhamento das bases
complementares, adenina e timina (A-T) e citosina e guanina (C-G),
forma os “degraus" da molécula de DNA, possuindo o mesmo
comprimento, encaixando uniformemente na dupla hélice;
 ao longo de cada cadeia os nucleótidos estão ligados por ligações
covalentes, do tipo fosfodiéster, que se estabelecem entre o grupo
fosfato, de um nucleótido e a desoxirribose do nucleótido seguinte;
os polinucleótidos de cada cadeia possuem um grupo fosfato livre
numa das extremidades, denominada extremidade 5', e um grupo
hidroxilo (OH-) livre na outra extremidade, a 3'. A extremidade 5'de uma
das cadeias está emparelhada com a extremidade 3' da outra cadeia.
Assim, as duas cadeias que constituem a molécula de DNA
desenvolvem-se em sentidos opostos, sendo antiparalelas.
Embora o DNA seja formado apenas por 4 nucleótidos diferentes, o
número e a sequência dos nucleótidos definem a informação nele
armazenada. A informação genética presente no DNA varia com as
espécies e entre indivíduos da mesma espécie.
O património genético de um indivíduo, o genoma, é constituído por
genes, fragmentos funcionais de DNA, que divergem uns dos outros no
número e sequência de nucleótidos.
O DNA duplica-se por replicação semiconservativa

Em 1956, Arthur Kornberg demonstrou que era possível replicar o DNA
in vitro (no laboratório, fora de um organismo vivo), sem a presença de
células, recorrendo a: DNA, DNA polimerase (uma enzima que obteve a
partir de uma bactéria) e a nucleótidos. Contudo, faltava dar resposta
à questão: como é que a molécula de DNA se replicava?
Existem três modelos teóricos possíveis para a replicação do DNA:
Quando conceberam o modelo estrutural de DNA, Watson e Crick
sugeriram que a replicação seria semiconservativa. Contudo, só
posteriormente, em 1957, Matthew Meselson e Franklin Stahl
demonstraram experimentalmente o modelo de replicação de DNA.

Como é que o DNA se replica?
 O azoto entra na constituição das bases existentes nos nucleótidos que se
encontram no DNA.
 O 15N é um isótopo raro, não radioativo, que torna as moléculas mais
densas do que as moléculas que o integram. O isótopo 14N é mais comum e
menos denso.




                      Dispositivo experimental simplificado de Meselson e Stahl
Meselson e Stahl cultivaram bactérias Escherichia coli ao longo de
17 gerações, num meio rico em 15N, tendo observado que todo o
DNA das bactérias era denso. Realizaram o mesmo procedimento,
mas substituíram o azoto do meio por 14N, e verificaram que o DNA
de todas as bactérias descendentes era pouco denso.
Posteriormente, cultivaram bactérias num meio contendo 15N,
transferindo-as de seguida para um meio com 14N, onde as bactérias
replicavam o seu DNA a cada ciclo de 20 minutos. Em cada geração
foram recolhidas e analisadas as densidades das amostras de DNA.
Aqueles investigadores observaram que o DNA da geração parental
(P) era mais denso do que o DNA da primeira geração (F1). Por sua
vez, o DNA da segunda geração (F2) era menos denso do que o DNA
das gerações anteriores. Estes resultados são explicados com base
no modelo semiconservativo da replicação do DNA.




Os outros dois modelos de replicação de DNA foram refutados pois a
densidade intermédia não era explicada pelo modelo conservativo, e
no modelo de replicação dispersiva a densidade do DNA oscilaria
entre a densidade máxima e mínima mas não atingiria valores
intermédios exactos.
Na síntese semiconservativa, o DNA é localmente desnaturado, as
ligações por pontes de hidrogénio são quebradas, de modo a
separar as duas cadeias polinucleotídicas. A abertura da dupla
cadeia torna-as acessíveis à DNA polimerase que sintetiza uma
nova cadeia de DNA obedecendo à complementaridade das bases.




Posteriormente, vários cientistas, recorrendo à utilização de
isótopos   marcados     radioativamente, demonstraram  que  a
replicação semiconservativa do DNA ocorria em células
eucarióticas animais e vegetais.
Qual é o mecanismo de replicação do DNA?

O processo de replicação do DNA é bastante complexo e envolve a
participação de várias enzimas, pois a molécula tem de sofrer
desenrolamento, separação de cadeias e construção das novas
cadeias.

A DNA polimerase é a enzima mais importante neste processo,
promovendo:
 a formação de ligações por pontes de hidrogénio entre bases
complementares (A com T e G com C);
 a ligação do açúcar de um nucleótido com o fosfato do
nucleótido seguinte;
 a correcção de erros que possam existir.

Cada cadeia-mãe serve de molde para a replicação, sendo os
nucleótidos adicionados por complementaridade de bases e sempre
inseridos no sentido 5'-3'.
Devido ao antiparalelismo da cadeia de DNA parental, as cadeias-
filhas não crescem da mesma forma: a cadeia que copia a cadeia
3'-5' forma-se de modo contínuo; a cadeia que copia a cadeia 5'-3'
forma-se de modo descontínuo, em pequenas porções, que são
depois ligadas pela enzima DNA ligase.

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Crescimento e renovação celular

  • 1. CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR  O que permitirá explicar a diversidade de formas e funções de células de um mesmo organismo?
  • 2.  Às vezes, a observação de uma determinada célula, durante um curto período de tempo, pode revelar grandes mudanças no seu interior. O que se estará a passar?
  • 3.  De que modo se relaciona a informação contida no DNA com o aspeto de um ser vivo?
  • 4. CRESCIMENTO E RENOVAÇÃO CELULAR As células possuem processos de síntese que asseguram o seu crescimento e renovação. Os processos de divisão são os responsáveis pelo crescimento e renovação celular nos organismos multicelulares e pela reprodução nos seres unicelulares. A divisão celular envolve a passagem de informação genética presente no DNA da célula- mãe.
  • 5. O DNA e a síntese proteica são responsáveis pelo crescimento e renovação celular O nosso planeta apresenta uma grande diversidade de seres vivos distribuídos pelos ambientes mais diversos. A biodiversidade é uma riqueza inquestionável, sendo fonte de alimento e de medicamentos, proteção dos lençóis de água, combate à erosão dos solos e agente de mitigação da poluição. Diversidade de organismos que habitam a Terra: biodiversidade
  • 6. Apesar das diferenças existentes entre os seres vivos, há uma unidade estrutural e funcional comum a todos - a célula. A célula é considerada a unidade básica da vida. Esta semelhança também se revela a nível molecular, pois os organismos apresentam os mesmos constituintes bioquímicos. Como será possível explicar a grande diversidade de seres vivos que existem na natureza? Por mais diferentes que os organismos sejam entre si, é a partir de uma única célula e das informações contidas no seu genoma que se origina um indivíduo . Da célula ao organismo
  • 7. Podemos levantar várias questões:  Onde está armazenada toda a informação genética e como é transmitida à descendência?  Que processos são responsáveis pela unidade e variabilidade celular?  De que depende o crescimento celular, o desenvolvimento e a regeneração de tecidos?  Como explicar o facto de as células de um indivíduo não serem todas iguais?
  • 8. O DNA é a molécula responsável pelo armazenamento da informação genética Determinar o constituinte celular responsável pelo armazenamento e transmissão da informação genética foi objecto de estudo de vários cientistas. Em 1928, o médico inglês Frederick Griffith estava a estudar uma bactéria patogénica. Para tal, utilizou duas linhagens de Diplococcus pneumoniae (agente causador da pneumonia humana e letal para os ratinhos). As linhagens foram denominadas de S e R, porque enquanto cresciam em laboratório, umas produziam colónias lisas e outras rugosas, respectivamente. Griffith realizou a experiência ilustrada na figura, tendo concluído que apenas as bactérias S causavam a morte dos ratinhos.
  • 9. As bactérias S quando mortas pela ação do calor perdiam o caráter virulento. No entanto, a mistura destas bactérias, mortas pelo calor, com bactérias R tornava-as virulentas, pois os ratinhos injetados morriam. Griffith concluiu que compostos presentes nas bactérias S, mortas pelo calor, eram responsáveis pela “transformação” das bactérias R em S.
  • 10. O DNA é o princípio transformante Em 1944, Oswald Avery e MacLeod realizaram uma experiência para determinar a natureza química do princípio transformante. Para tal, extraíram os diferentes compostos químicos das bactérias S mortas pelo calor e testaram-nos separadamente em bactérias R. Apenas nas células testadas com DNA ocorreu a transformação das bactérias R. Estes investigadores deduziram que o DNA corresponde ao princípio transformante, que contém a informação genética.
  • 11. Os trabalhos de Avery e seus colaboradores foram importantes para comprovar que o DNA era o material genético das células. Contudo, tal não foi amplamente aceite pela comunidade científica de então porque: o DNA, quando comparado com as proteínas, era quimicamente menos complexo, pelo que os cientistas consideravam que eram as proteínas que continham a informação genética; a genética bacteriana ainda não estava desenvolvida, não sendo óbvio, na altura, que as bactérias possuíam genes. Em 1952, Alfred Hershey e Martha Chase publicaram um trabalho efectuado com um vírus que infecta as bactérias (bacteriófago). Esse vírus, denominado T2, apresenta DNA dentro de uma cápsula proteica e depende da bactéria para se reproduzir.
  • 12. Dispositivo experimental de Hershey e Chase
  • 13. Ao marcarem radioativamente as proteínas e o DNA virais, Hershey e Chase puderam seguir o trajecto destas moléculas. Verificaram que as proteínas, presentes na cápsula, não penetram na bactéria, ao contrário do DNA. Uma vez no interior da bactéria, o DNA viral toma o comando da célula bacteriana. Assim, a bactéria passa a produzir cópias do DNA viral, bem como proteínas que irão constituir a cápsula dos novos vírus. Desta forma, ficou demonstrado que o DNA contém a informação necessária para o produção de novos vírus, não tendo havido intervenção das proteínas virais. Assim, estes investigadores puderam concluir que o DNA é o suporte da informação genética e não as proteínas, reforçando os resultados de Avery e dos seus colaboradores.
  • 14. Os raios-X permitiram decifrar a estrutura do DNA Em 1950, estudos realizados por Rosalind Franklin permitiram obter primeiros dados sobre a dimensão e estrutura do DNA. Esta investigadora recorreu à difração de raios-X, bombardeando amostras de DNA cristalizado. Esta técnica permite obter a estrutura molecular compostos cristalizados, indicando que o DNA possuía uma estrutura em hélice.
  • 15. A determinação da composição química do DNA também contribuiu para compreender a sua estrutura. O DNA é um polímero de unidades que se repetem, os nucleótidos, sendo cada um constituído por um grupo fosfato (que confere à molécula características ácidas), um açúcar (a desoxirribose, que é uma pentose) e uma base azotada. O que diferencia os quatro nucleótidos de DNA é a base, que pode ser de anel simples (pirimídica): timina (T) e citosina (C) ou de anel duplo (purina): adenina (A) e guanina (G).
  • 16. Entre 1944 e 1952, Erwin Chargaff e os seus colaboradores analisaram amostras de DNA de diferentes espécies, tendo verificado que existem diferenças entre as espécies, mas que a quantidade de adenina era semelhante à de timina e a quantidade de citosina próxima à da guanina - regra de Chargaff. Segundo a regra de Chargaff: A = T e C = G, pelo que: A+C≈ 1 T+G
  • 17. Em 1953, Watson e Crick, combinando todos os conhecimentos que existiam sobre a estrutura do DNA e a sua composição, construíram um modelo que estabeleceu a estrutura geral do DNA – uma dupla hélice.
  • 18. A estrutura tridimensional da molécula de DNA apresenta os seguintes aspectos:  é formada por duas cadeias polinucleotídicas enroladas em hélice;  as duas cadeias estão unidas por pontes de hidrogénio que se estabelecem entre as bases azotadas;  as pontes de hidrogénio estabelecem-se de forma específica, em que a adenina se liga à timina (através de duas pontes de hidrogénio) e a citosina à guanina (através de três pontes de hidrogénio), de acordo com as regras de Chargaff. O emparelhamento das bases complementares, adenina e timina (A-T) e citosina e guanina (C-G), forma os “degraus" da molécula de DNA, possuindo o mesmo comprimento, encaixando uniformemente na dupla hélice;  ao longo de cada cadeia os nucleótidos estão ligados por ligações covalentes, do tipo fosfodiéster, que se estabelecem entre o grupo fosfato, de um nucleótido e a desoxirribose do nucleótido seguinte;
  • 19. os polinucleótidos de cada cadeia possuem um grupo fosfato livre numa das extremidades, denominada extremidade 5', e um grupo hidroxilo (OH-) livre na outra extremidade, a 3'. A extremidade 5'de uma das cadeias está emparelhada com a extremidade 3' da outra cadeia. Assim, as duas cadeias que constituem a molécula de DNA desenvolvem-se em sentidos opostos, sendo antiparalelas. Embora o DNA seja formado apenas por 4 nucleótidos diferentes, o número e a sequência dos nucleótidos definem a informação nele armazenada. A informação genética presente no DNA varia com as espécies e entre indivíduos da mesma espécie. O património genético de um indivíduo, o genoma, é constituído por genes, fragmentos funcionais de DNA, que divergem uns dos outros no número e sequência de nucleótidos.
  • 20. O DNA duplica-se por replicação semiconservativa Em 1956, Arthur Kornberg demonstrou que era possível replicar o DNA in vitro (no laboratório, fora de um organismo vivo), sem a presença de células, recorrendo a: DNA, DNA polimerase (uma enzima que obteve a partir de uma bactéria) e a nucleótidos. Contudo, faltava dar resposta à questão: como é que a molécula de DNA se replicava? Existem três modelos teóricos possíveis para a replicação do DNA:
  • 21. Quando conceberam o modelo estrutural de DNA, Watson e Crick sugeriram que a replicação seria semiconservativa. Contudo, só posteriormente, em 1957, Matthew Meselson e Franklin Stahl demonstraram experimentalmente o modelo de replicação de DNA. Como é que o DNA se replica?  O azoto entra na constituição das bases existentes nos nucleótidos que se encontram no DNA.  O 15N é um isótopo raro, não radioativo, que torna as moléculas mais densas do que as moléculas que o integram. O isótopo 14N é mais comum e menos denso. Dispositivo experimental simplificado de Meselson e Stahl
  • 22. Meselson e Stahl cultivaram bactérias Escherichia coli ao longo de 17 gerações, num meio rico em 15N, tendo observado que todo o DNA das bactérias era denso. Realizaram o mesmo procedimento, mas substituíram o azoto do meio por 14N, e verificaram que o DNA de todas as bactérias descendentes era pouco denso. Posteriormente, cultivaram bactérias num meio contendo 15N, transferindo-as de seguida para um meio com 14N, onde as bactérias replicavam o seu DNA a cada ciclo de 20 minutos. Em cada geração foram recolhidas e analisadas as densidades das amostras de DNA.
  • 23. Aqueles investigadores observaram que o DNA da geração parental (P) era mais denso do que o DNA da primeira geração (F1). Por sua vez, o DNA da segunda geração (F2) era menos denso do que o DNA das gerações anteriores. Estes resultados são explicados com base no modelo semiconservativo da replicação do DNA. Os outros dois modelos de replicação de DNA foram refutados pois a densidade intermédia não era explicada pelo modelo conservativo, e no modelo de replicação dispersiva a densidade do DNA oscilaria entre a densidade máxima e mínima mas não atingiria valores intermédios exactos.
  • 24. Na síntese semiconservativa, o DNA é localmente desnaturado, as ligações por pontes de hidrogénio são quebradas, de modo a separar as duas cadeias polinucleotídicas. A abertura da dupla cadeia torna-as acessíveis à DNA polimerase que sintetiza uma nova cadeia de DNA obedecendo à complementaridade das bases. Posteriormente, vários cientistas, recorrendo à utilização de isótopos marcados radioativamente, demonstraram que a replicação semiconservativa do DNA ocorria em células eucarióticas animais e vegetais.
  • 25. Qual é o mecanismo de replicação do DNA? O processo de replicação do DNA é bastante complexo e envolve a participação de várias enzimas, pois a molécula tem de sofrer desenrolamento, separação de cadeias e construção das novas cadeias. A DNA polimerase é a enzima mais importante neste processo, promovendo:  a formação de ligações por pontes de hidrogénio entre bases complementares (A com T e G com C);  a ligação do açúcar de um nucleótido com o fosfato do nucleótido seguinte;  a correcção de erros que possam existir. Cada cadeia-mãe serve de molde para a replicação, sendo os nucleótidos adicionados por complementaridade de bases e sempre inseridos no sentido 5'-3'.
  • 26. Devido ao antiparalelismo da cadeia de DNA parental, as cadeias- filhas não crescem da mesma forma: a cadeia que copia a cadeia 3'-5' forma-se de modo contínuo; a cadeia que copia a cadeia 5'-3' forma-se de modo descontínuo, em pequenas porções, que são depois ligadas pela enzima DNA ligase.