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Parte   I Introdução




         1 Uma Visão Geral das Células e da Pesquisa
           Celular
         2 A Química das Células
         3 Fundamentos de Biologia Molecular
Capítulo    1         Uma Visão Geral das Células
                                e da Pesquisa Celular




                                A
A Origem e a Evolução das
                                       COMPREENSÃO DA BIOLOGIA MOLECULAR DAS CÉLULAS                  é uma área dinâ-
  Células 4                             mica de pesquisa que é fundamental para todas as ciências biológicas. Isto é
                                        verdade não somente do ponto de vista da pesquisa básica, mas também em
Células como Modelos            relação a um número crescente de aplicações práticas na medicina, agricultura e
 Experimentais 15               biotecnologia. Especialmente com a conclusão da seqüência do genoma humano, o
Ferramentas da Biologia         progresso na biologia celular e molecular está abrindo novos horizontes na prática da
  Celular 20                    medicina. Exemplos notáveis incluem o desenvolvimento de novas drogas especifi-
                 Cultura de
EXPERIMENTO-CHAVE:              camente direcionadas a interferir no crescimento de células cancerosas e no uso po-
 Células Animais 32             tencial de células-tronco para substituir os tecidos danificados e tratar pacientes que
                                sofrem de doenças como diabetes, doença de Parkinson, doença de Alzheimer, lesões
MEDICINA MOLECULAR:   Vírus e   na coluna vertebral e doenças cardíacas.
 Câncer    35
                                      Em virtude de a biologia celular e molecular ser uma área de pesquisa de rápido
                                desenvolvimento, é relevante compreender sua base experimental, assim como o es-
                                tado atual do nosso conhecimento. Por essa razão, este capítulo abordará a maneira
                                como as células são estudadas e revisará algumas das suas propriedades básicas. A
                                apreciação das semelhanças e diferenças entre as células é de vital importância para a
                                compreensão da biologia celular. Portanto, a primeira parte deste capítulo discute
                                tanto a uniformidade quanto a diversidade das células atuais em termos da evolução
                                a partir de um ancestral comum. Por um lado, todas as células compartilham pro-
                                priedades fundamentais únicas que têm sido conservadas durante a evolução. Por
                                exemplo, todas as células utilizam o DNA como material genético, são circundadas
                                por membranas plasmáticas e usam os mesmos mecanismos básicos para o metabo-
                                lismo energético. Por outro lado, as células atuais desenvolveram uma grande varie-
                                dade de modos de vida. Muitos organismos, como bactérias, amebas e leveduras, são
                                constituídos de células isoladas que são capazes de se replicar independentemente.
                                Organismos mais complexos são compostos de uma coleção de células que funcio-
                                nam de uma maneira coordenada, com diferentes células especializadas para realizar
                                uma função determinada. O corpo humano, por exemplo, é composto por mais de
                                200 tipos de células diferentes, cada uma especializada para funções distintas, como
                                memória, visão, movimento e digestão. A diversidade exibida por esses vários dife-
                                rentes tipos de células é surpreendente; considere, por exemplo, as diferenças entre as
                                bactérias e as células do cérebro humano.
                                      As semelhanças fundamentais entre diferentes tipos de células fornecem
                                um tópico único para a biologia celular, permitindo que os princípios básicos
4 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                    aprendidos a partir de experimentos com um tipo de célula sejam extrapolados e
                                    generalizados para outros tipos de células. Vários tipos de células e organismos
                                    são amplamente usados para estudar diferentes aspectos da biologia celular e
                                    molecular. A segunda parte do capítulo discute algumas das propriedades dessas
                                    células, que as fazem particularmente valiosas como modelos experimentais. Fi-
                                    nalmente, é importante reconhecer que os progressos em biologia celular depen-
                                    dem fortemente da disponibilidade de ferramentas experimentais que permitem
                                    que os cientistas façam novas observações ou conduzam novos tipos de experi-
                                    mentos. Este capítulo introdutório, portanto, é concluído com uma discussão de
                                    alguns métodos experimentais usados para estudar as células, bem como com
                                    uma revisão de alguns dos principais desenvolvimentos históricos que permiti-
                                    ram a compreensão atual da estrutura e função celular.

                                    A Origem e a Evolução das Células
                                    As células são dividas em dois tipos principais, definidos pela presença ou não de
                                    um núcleo. As células procarióticas (bactérias) não apresentam um envelope
                                    nuclear; as células eucarióticas têm um núcleo, no qual o material genético está
                                    separado do citoplasma. As células procarióticas geralmente são menores e mais
                                    simples do que as células eucarióticas; além da ausência de núcleo, seus genomas
                                    são menos complexos e elas não apresentam organelas citoplasmáticas ou um
                                    citoesqueleto (Tabela 1.1). Apesar dessas diferenças, os mesmos mecanismos
                                    moleculares básicos controlam a vida de ambas, procarióticas e eucarióticas, in-
                                    dicando que todas as células atuais descendem de um ancestral primordial co-
                                    mum. Como essa primeira célula se desenvolveu? Como evoluíram a complexi-
                                    dade e a diversidade exibidas pelas células atuais?

                                    A Primeira Célula
                                    Provavelmente, a vida apareceu há pelo menos 3,8 bilhões de anos, aproximadamen-
                                    te 750 milhões de anos após a Terra ter sido formada (Figura 1.1). Como a vida
                                    originou-se e como a primeira célula surgiu são assuntos de especulação, uma vez
                                    que esses eventos não podem ser reproduzidos em laboratório. Contudo, diversos
                                    tipos de experimentos fornecem evidências importantes da direção de algumas eta-
                                    pas do processo.
                                          Foi por volta de 1920 que, pela primeira vez, sugeriu-se que moléculas orgâni-
                                    cas simples, sob as condições que se imagina que existiam na atmosfera da Terra
                                    primitiva, poderiam formar-se e espontaneamente polimerizar-se em macromolécu-
                                    las. Supõe-se que, quando a vida se originou, a atmosfera da Terra tivesse pouco ou
                                    nenhum oxigênio livre e, em vez disso, consistisse principalmente em CO2 e N2 e
                                    quantidades menores de gases como H2, H2S e CO. Semelhante atmosfera fornece
                                    condições redutoras nas quais moléculas orgânicas, dada uma fonte de energia como




                                      TABELA 1.1 Células Procarióticas e Eucarióticas
                                      Característica                      Procariotos             Eucariotos
                                      Núcleo                              Ausente                 Presente
                                      Diâmetro de uma célula típica       ≅ 1 µm                  10-100 µm
                                      Citoesqueleto                       Ausente                 Presente
                                      Organelas citoplasmáticas           Ausente                 Presente
                                      Conteúdo de DNA (pares de bases)    1 × 106 a 5 × 106       1,5 × 107 a 5 × 109
                                      Cromossomos                         Uma única molécula de   Múltiplas moléculas de
                                                                           DNA circular            DNA linear
A CÉLULA / 5

                                                                                                 Figura 1.1 Escala de tempo da
                                                                                                 evolução
                                                                                                 A escala indica o tempo aproximado no
                         Presente                                                                qual supõe-se que alguns dos principais
                    0                                                                            eventos na evolução das células tenham
                                                                                                 ocorrido.




                    1




                         Organismos multicelulares


                    2


      Bilhões de
      anos atrás
                         Primeiros eucariotos
                         Metabolismo oxidativo
                    3    Fotossíntese




                                                                                                              Eletrodo
                         Primeiras células                                                                                      CH4
                    4
                                                                                                                         NH3
                                                                                                                                       H2O
                                                                                                                         H2O
                                                                                                                                 H2
                   4,6   Formação da Terra                                                                                             CH4
                                                                                                                           H2
                                                                                                                                 NH3
                                                                                                             Descarga
                    5                                                                                        elétrica

                                                                                                                                       Resfria-
                                                                                                                                       mento
a luz solar ou descargas elétricas, podem ser formadas espontaneamente. A formação                             Água
espontânea de moléculas orgânicas foi pela primeira vez demonstrada experimental-
mente na década de 1950, quando Stanley Miller (então um estudante de gradua-
ção) mostrou que a descarga de faíscas elétricas em uma mistura de H2, CH4 e NH3,
na presença de água, levava à formação de uma grande variedade de moléculas
orgânicas, inclusive de vários aminoácidos (Figura 1.2). Embora os experimen-
tos de Miller não tenham repetido precisamente as condições da Terra primitiva,                      Calor
eles demonstraram claramente a possibilidade da síntese espontânea de molécu-
las orgânicas, fornecendo o material básico a partir do qual se originaram os
                                                                                                                                 Moléculas
primeiros organismos vivos.                                                                                                      orgânicas
      A próxima etapa na evolução foi a formação de macromoléculas. Tem sido
demonstrado que, sob as prováveis condições pré-bióticas, os blocos monoméricos                                                  Alanina
                                                                                                                                 Ácido aspártico
                                                                                                                                 Ácido glutâmico
                                                                                                                                 Glicina
Figura 1.2 Formação espontânea de moléculas orgânicas
                                                                                                                                 Uréia
O vapor de água circulou através de uma atmosfera composta de CH4, NH3 e H2, dentro da
qual faíscas elétricas foram liberadas. A análise dos produtos da reação revelou a formação de                                   Ácido lático
uma variedade de moléculas orgânicas, incluindo os aminoácidos alanina, ácido aspártico, ácido                                   Ácido acético
glutâmico e glicina.                                                                                                             Ácido fórmico
6 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                              formam, por polimerização espontânea, as macromoléculas. Por exemplo, o aqueci-
                                              mento de misturas secas de aminoácidos resulta na polimerização para formar poli-
                                              peptídeos. Contudo, a característica essencial da macromolécula a partir da qual a
                                              vida evoluiu deve ter sido a capacidade de auto-replicação. Somente uma macromo-
                                              lécula capaz de controlar a síntese de novas cópias de si própria poderia ser capaz de
                                              reprodução e posterior evolução.
                                                    Dos dois tipos principais de macromoléculas informativas presentes atualmen-
                                              te (ácidos nucléicos e proteínas), somente os ácidos nucléicos são capazes de contro-
                                              lar sua auto-replicação. Os ácidos nucléicos podem servir de moldes para sua própria
                                              síntese como resultado do pareamento específico de bases entre nucleotídeos com-
                                              plementares (Figura 1.3). A etapa essencial no entendimento da evolução molecular
                                              foi alcançada no início da década de 1980, quando foi descoberto nos laboratórios
                                              de Sid Altman e Tom Cech que o RNA é capaz de catalisar várias reações químicas,
                                              incluindo a polimerização de nucleotídeos. Estudos mais avançados ampliaram as
                                              atividades catalíticas conhecidas do RNA, incluindo a descrição de moléculas de
                                              RNA que controlam a síntese de uma nova fita de RNA a partir de um RNA-molde.
                                              O RNA é, assim, tanto capaz de servir como molde quanto capaz de catalisar sua
                                              própria replicação. Conseqüentemente, em geral é aceito que o RNA tenha sido o
                                              sistema genético inicial, e supõe-se que a fase inicial da evolução química tenha sido
                                              baseada nas moléculas de RNA auto-replicativas – um período da evolução conheci-
                                              do como mundo de RNA. Então, interações ordenadas entre RNA e aminoácidos
                                              evoluíram para o código genético atual, e o DNA finalmente substituiu o RNA
                                              como material genético.
                                                    Presume-se que a primeira célula tenha originado-se da inclusão de RNAs auto-
                                              replicativos em uma membrana composta de fosfolipídeos (Figura 1.4). Como dis-
                                              cutido em detalhes no próximo capítulo, os fosfolipídeos são os componentes bási-
                                              cos de todas as membranas biológicas atuais, incluindo as membranas plasmáticas de
                                              células procarióticas e eucarióticas. A característica-chave dos fosfolipídeos que for-
                                              mam as membranas é que eles são moléculas anfipáticas, significando que uma por-
                                              ção da molécula é solúvel em água e a outra porção é insolúvel. Os fosfolipídeos têm
                                              longas caudas de hidrocarbonetos insolúveis em água (hidrofóbica) ligadas a uma
                                              cabeça com grupos fosfato solúvel em água (hidrofílica). Quando colocados na água,
                                              os fosfolipídeos agregam-se espontaneamente em uma bicamada, com suas cabeças
                                              com grupos fosfato na porção exterior em contato com a água e suas caudas de
                                              hidrocarbonetos no interior em contato umas com as outras. Tais bicamadas de fos-
                                              folipídeos formam uma barreira estável entre dois compartimentos aquosos – por
Figura 1.3 Auto-replicação do RNA             exemplo, separando o interior de uma célula do meio externo.
O pareamento complementar entre nucleo-
tídeos (adenina [A] com uracil [U] e guani-
                                                    A inclusão do RNA auto-replicativo e de moléculas associadas em uma mem-
na [G] com citosina [C]) permite que uma      brana de fosfolipídeos poderia tê-los mantido, assim, como uma unidade, capaz de
fita de RNA sirva como molde para a sínte-    auto-replicação e posterior evolução. A síntese de proteína controlada por RNA já
se de uma nova fita com a seqüência com-
plementar.

                                                                                                                     C
   C                 C     G                     C    G               C          G              C    G                           G
                                                                                                                     G
   G                 G     C                     G    C               G          C              G    C                           C
   A                 A     U                     A    U               A          U              A    U                           U
                                                                                                                         A
   G                 G     C                     G    C               G          C              G    C                           C
   A                 A                           A    U               A          U              A                                U
                                                                                                                             U




                                       U                                                                     U
   U                 U             A             U    A               U          A              U                                A
   U                 U                           U    A               U          A              U            A               U   A
                               A
   G                 G                           G    C               G          C              G                C           G   C
                                       C
   A                 A         U                 A    U               A          U              A        U                   A   U
   C                 C                           C    G               C          G              C                            C   G
                                   G                                                                         G
A CÉLULA / 7

                               RNA                                                            Figura 1.4 Inclusão do RNA auto-
                                                                                              replicativo em uma membrana de
                                        Membrana de fosfolipídeo                              fosfolipídeos
                                                                                              Supõe-se que a primeira célula tenha sido
                                                                                              criada pela inclusão de RNA auto-replicati-
                                                                                              vo e moléculas associadas em uma membra-
                                                                   Água   Molécula de
                                                                                              na composta de fosfolipídeos. Cada molécu-
                                                                          fosfolipídeo        la de fosfolipídeo tem duas longas caudas
                                                                                              hidrofóbicas ligadas a uma cabeça hidrofíli-
                                                                          Cabeça com          ca. As caudas hidrofóbicas estão inseridas na
                                                                          grupo hidrofílico   bicamada lipídica; as cabeças hidrofílicas es-
                                                                          Cauda               tão expostas à água em ambos os lados da
                                                                          hidrofóbica         membrana.




                                                                   Água




poderia ter sido desenvolvida neste tempo, no qual a primeira célula poderia ser
constituída de um RNA auto-replicativo e das proteínas por ele codificadas.

A Evolução do Metabolismo
Em razão de as células terem originado-se em um mar de moléculas orgânicas, elas
eram capazes de obter alimento e energia diretamente do ambiente. Todavia, essa
situação é autolimitante, e por isso as células precisaram desenvolver seus próprios
mecanismos para geração de energia e síntese de moléculas necessárias para sua repli-
cação. A geração e a utilização controlada da energia metabólica são essenciais para
todas as atividades celulares, e as principais vias do metabolismo energético (discuti-
do em detalhes no Capítulo 2) são bastante conservadas nas células atuais. Todas as
células usam adenosina 5´-trifosfato (ATP) como fonte de energia metabólica para
controlar a síntese dos constituintes celulares e realizar outras atividades que exigem
energia, como o movimento (por exemplo, contração muscular). Presume-se que o
mecanismo usado pelas células para geração de ATP evoluiu em três etapas, corres-
pondentes à evolução da glicólise, fotossíntese e metabolismo oxidativo (Figura 1.5).
O desenvolvimento dessas vias metabólicas mudou a atmosfera da Terra, dessa forma
alterando o futuro curso da evolução.
      Presume-se que na atmosfera anaeróbica da Terra primitiva as primeiras reações
de geração de energia envolviam a quebra de moléculas orgânicas na ausência de



       Glicólise
       C6H12O6                       2 C3H6O3       Geração de 2 ATP
       Glicose                       Ácido lático

                                                                                              Figura 1.5 Geração do metabolismo
       Fotossíntese                                                                           energético
                                                                                              A glicólise é a hidrólise anaeróbica da
       6 CO2 + 6 H2O                         C6H12O6 + 6 O2
                                                                                              glicose para ácido lático. A fotossíntese
                                              Glicose                                         utiliza a energia da luz solar para fazer a
                                                                                              síntese de glicose a partir de CO2 e H2O,
       Metabolismo oxidativo                                                                  com a liberação de O2 como subproduto. O
                                                                                              O2 liberado pela fotossíntese é usado no
       C6H12O6 + 6 O2                       6 CO2 + 6 H2O      Geração de 36-38 ATP           metabolismo oxidativo, no qual a glicose é
       Glicose                                                                                quebrada em CO2 e H2O, liberando muito
                                                                                              mais energia que a obtida pela glicólise.
8 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                              oxigênio. Essas reações eram provavelmente reações semelhantes à glicólise atual – a
                                              quebra anaeróbica da glicose para ácido lático com o ganho energético líquido de
                                              duas moléculas de ATP. Além do uso do ATP como fonte de energia química intra-
                                              celular, todas as células atuais realizam glicólise, o que é compatível com a noção de
                                              que essas reações surgiram muito cedo na evolução.
                                                    A glicólise forneceu o mecanismo pelo qual a energia de moléculas orgânicas
                                              pré-formadas (por exemplo, glicose) poderia ser convertida em ATP, o qual podia
                                              então ser usado como fonte de energia para direcionar outras reações metabólicas.
                                              Presume-se que a seguinte etapa evolutiva importante tenha sido o desenvolvimento
                                              da fotossíntese, que permitiu às células captar energia da luz solar e forneceu a inde-
                                              pendência da utilização de moléculas orgânicas pré-formadas. A primeira bactéria
                                              fotossintética, que surgiu há mais de 3 bilhões de anos, provavelmente utilizava
                                              H2S para converter CO2 em moléculas orgânicas – uma via de fotossíntese ainda
                                              utilizada por algumas bactérias. O uso de H2O como doador de elétrons e hidro-
                                              gênio para a conversão do CO2 em componentes orgânicos evoluiu mais tarde e
                                              teve a importante conseqüência de mudar a atmosfera da Terra. O uso de H2O
                                              nas reações de fotossíntese origina, como produto secundário, o O2 livre; presu-
                                              me-se que esse mecanismo tenha sido o responsável por tornar o O2 abundante
                                              na atmosfera da Terra.
Membrana                                            A liberação do O2, como conseqüência da fotossíntese, mudou o ambiente no
plasmática                                    qual as células estavam em desenvolvimento, e presume-se que tenha levado ao de-
Parede                                        senvolvimento do metabolismo oxidativo. Alternativamente, o metabolismo oxida-
celular                                       tivo pode ter evoluído antes da fotossíntese, com o aumento do O2 atmosférico,
                                              fornecendo, então, uma forte vantagem evolutiva para os organismos capazes de usar
                                              O2 nas reações produtoras de energia. Em ambos os casos, o O2 é uma molécula
                                              altamente reativa, e o metabolismo oxidativo, usando esta reatividade, forneceu um
                                              mecanismo para geração de energia a partir de moléculas orgânicas que é muito mais
                                              eficiente que a glicólise anaeróbica. Por exemplo, a hidrólise completa da glicose em
                                              CO2 e H2O rende energia equivalente a 36-38 moléculas de ATP, em contraste com
                                              as 2 moléculas de ATP formadas pela glicólise anaeróbica. Com poucas exceções, as
                                              células atuais usam reações oxidativas como principal fonte de energia.

                                              Procariotos Atuais
                                              Os procariotos atuais, que incluem todos os diversos tipos de bactérias, são divididos
                                              em dois grupos – as arqueobactérias e as eubactérias – que divergiram precocemente
                                              na evolução. Algumas arqueobactérias vivem em ambientes extremos, que atualmen-
                                              te são raros, mas que poderiam ter sido predominantes na Terra primitiva. Por exem-
                                              plo, os termoacidófilos vivem em fontes térmicas sulfurosas com temperaturas tão
                                              altas quanto 80oC e pH tão baixo quanto 2. As eubactérias incluem as formas co-
                                              muns das bactérias atuais – um grande grupo de organismos que vive em uma ampla
                                              variedade de ambientes, incluindo solo, água e outros organismos (por exemplo,
                                              patógenos humanos).
                                                    Muitas células bacterianas são esféricas, em forma de bastonete ou espirais,
                                              com diâmetros de 1 a 10 µm. O conteúdo de DNA varia entre 0,6 milhão e 5
                                              milhões de pares de bases, uma quantidade suficiente para codificar aproximada-
Nucleóide                                     mente 5.000 proteínas diferentes. As cianobactérias são os maiores e mais comple-
                                              xos procariotos, bactérias que desenvolveram a fotossíntese.
                     0,5 µ m                        A estrutura de uma célula procariótica típica é ilustrada pela Escherichia coli
 Figura 1.6 Micrografia eletrônica de
                                              (E. coli), uma bactéria comum, habitante do trato intestinal dos humanos (Figura
 E. coli                                      1.6). A célula é um bastonete, com aproximadamente 1 µm de diâmetro e 2 µm de
 A célula é circundada pela parede celular,   comprimento. Como a maioria dos outros procariotos, a E. coli é circundada por
 dentro da qual está a membrana plasmática.   uma parede celular rígida composta de polissacarídeos e peptídeos. Dentro da
 O DNA está localizado no nucleóide.          parede celular está a membrana plasmática, que é uma bicamada de fosfolipíde-
 (Menge and Wurtz/Biozentrum, University
 of Basel/Science Photo Library/Photo Rese-
                                              os e proteínas associadas. Enquanto a parede celular é porosa e facilmente pene-
 archers, Inc.)                               trada por uma variedade de moléculas, a membrana plasmática fornece a separa-
A CÉLULA / 9

ção funcional entre o interior da célula e o ambiente externo. O DNA da E. coli é
uma molécula circular única no nucleóide, o qual, em contraste com o núcleo dos
eucariotos, não é circundado por uma membrana que o separa do citoplasma. O
citoplasma contém aproximadamente 30.000 ribossomos (o local da síntese protéi-
ca), que contribuem para sua aparência granular.

Células Eucarióticas
Como as células procarióticas, todas as células eucarióticas são circundadas pela mem-
brana plasmática e contêm ribossomos. Entretanto, as células eucarióticas são muito
mais complexas e apresentam um núcleo, organelas citoplasmáticas e um citoesque-
leto (Figura 1.7). A maior e mais proeminente organela das células eucarióticas é o
núcleo, com um diâmetro de aproximadamente 5 µm. O núcleo contém a informa-
ção genética da célula, que nos eucariotos é organizada como uma molécula de DNA
linear, em vez de circular. O núcleo é o local da replicação do DNA e da síntese do
RNA; a tradução do RNA em proteínas ocorre em ribossomos no citoplasma.
      Além do núcleo, as células eucarióticas apresentam no citoplasma uma varieda-
de de organelas circundadas por membranas. Essas organelas formam compartimen-
tos nos quais se localizam as diferentes atividades metabólicas. Em geral, as células
eucarióticas são muito maiores que as células procarióticas, freqüentemente tendo
um volume celular de, no mínimo, mil vezes maior. A compartimentalização causa-
da pelas organelas citoplasmáticas é que permite o funcionamento eficiente das célu-
las eucarióticas. Duas dessas organelas, as mitocôndrias e os cloroplastos, exercem
papel fundamental no metabolismo energético. As mitocôndrias, que são encontra-
das em quase todas as células eucarióticas, são os locais do metabolismo oxidativo e
são responsáveis pela geração da maior parte do ATP derivado da quebra de molécu-
las orgânicas. Os cloroplastos são os locais da fotossíntese e são encontrados somente
nas células de plantas e algas verdes. Os lisossomos e os peroxissomos também for-
necem compartimentos metabólicos especializados para a digestão de macromolécu-
las e várias reações oxidativas, respectivamente. Além disso, a maioria das células
vegetais contém grandes vacúolos que executam uma variedade de funções, incluin-
do a digestão de macromoléculas e a estocagem de produtos de excreção e nutrientes.
      Devido ao tamanho e à complexidade das células eucarióticas, o transporte de
proteínas para seus destinos corretos é uma tarefa extremamente complexa. Duas
organelas citoplasmáticas, o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi, são
dedicadas especificamente para a organização e o transporte de proteínas destinadas
à secreção, à incorporação à membrana plasmática e à incorporação aos lisossomos.
O retículo endoplasmático é uma extensa rede de membranas intracelulares, esten-
dendo-se a partir da membrana nuclear por todo o citoplasma. Ele funciona não
somente no processamento e transporte de proteínas, mas também na síntese de
lipídeos. As proteínas são transportadas em pequenas vesículas a partir do retículo
endoplasmático para o complexo de Golgi, onde são processadas e organizadas para
o transporte ao destino final. Além do papel no transporte de proteínas, o complexo
de Golgi serve como local da síntese de lipídeos e (em células vegetais) como local de
síntese de alguns polissacarídeos que formam a parede celular.
      As células eucarióticas têm outro nível de organização interna: o citoesqueleto,
uma rede de filamentos protéicos que se estende por todo o citoplasma. O citoesque-
leto fornece a estrutura da célula, determinando o formato celular e gerando a orga-
nização do citoplasma. Além disso, o citoesqueleto é responsável pelos movimentos
da célula inteira (por exemplo, a contração das células musculares), pelo transporte
intracelular e pelo posicionamento das organelas e outras estruturas, incluindo o
movimento dos cromossomos durante a divisão celular.
      Os eucariotos surgiram há pelo menos 2,7 bilhões de anos, seguindo em 1 a 1,5
bilhão de anos a evolução dos procariotos. Estudos das seqüências de DNA indicam
que as arqueobactérias e eubactérias são tão diferentes entre si quanto são dos euca-
riotos atuais. Portanto, um evento muito precoce na evolução parece ter sido a diver-
10 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN


     Célula animal

                                                                              Peroxissomo

                                   Centríolo

            Mitocôndria


                                                                                                                     Retículo
                                                                                                                     endoplasmático
                                                                                                                     rugoso



                                                                                                                          Retículo
      Núcleo                                                                                                              endoplasmático
                                                                                                                          liso


      Nucléolo                                                                                                            Lisossomo

                                                                                                                         Citoesqueleto
 Membrana plasmática




 Complexo de Golgi




                                                                                     Ribossomos




Figura 1.7 Estruturas das células
animais e vegetais
Tanto as células animais como as vegetais      gência dos três grupos de descendentes a partir de um ancestral comum, originando
são circundadas pela membrana plasmática       as atuais arqueobactérias, as eubactérias e os eucariotos. De forma interessante, mui-
e contêm um núcleo, um citoesqueleto e         tos genes de arqueobactérias são mais parecidos com os de eucariotos que com os de
muitas organelas citoplasmáticas. As células   eubactérias, indicando que as arqueobactérias e os eucariotos compartilham uma
vegetais são também circundadas pela pare-     linha evolutiva em comum e são mais proximamente relacionados um ao outro do
de celular e contêm cloroplastos e vacúolos
grandes.                                       que qualquer um dos dois às eubactérias (Figura 1.8).
                                                      Uma etapa crítica na evolução das células eucarióticas foi a aquisição das organelas
                                               subcelulares circundadas por membranas, permitindo o desenvolvimento das caracterís-
                                               ticas complexas dessas células. Supõe-se que as organelas tenham sido adquiridas como o
                                               resultado de uma associação de células procarióticas com eucariotos ancestrais.
                                                      A hipótese de que células eucarióticas evoluíram a partir de uma associação de sim-
                                               biose com procariotos – endossimbiose – é bem sustentada pelos estudos de mitocôndri-
                                               as e cloroplastos, os quais supõe-se terem evoluído a partir de bactérias que viviam em
                                               células maiores. Ambos, mitocôndrias e cloroplastos, são similares às bactérias em tama-
                                               nho, e como bactérias, reproduzem-se por divisão binária. E o mais importante, ambos,
                                               mitocôndrias e cloroplastos, contêm seu próprio DNA, o qual codifica alguns dos seus
                                               componentes. Os DNAs de mitocôndrias e cloroplastos são replicados cada vez que a
                                               organela se divide, e os genes que eles codificam são transcritos dentro da organela e
                                               traduzidos no ribossomo da organela. A mitocôndria e o cloroplasto contêm seus pró-
                                               prios sistemas genéticos, que são diferentes do usado no genoma nuclear da célula. Além
                                               disso, o ribossomo e o RNA ribossomal dessas organelas são mais proximamente relacio-
                                               nados com os de bactérias do que com os codificados pelo genoma nuclear dos eucariotos.
A CÉLULA / 11


   Célula vegetal
                                               Citoesqueleto                                 Mitocôndria
                        Peroxissomo
                                                                                                                  Vacúolo


                                                                                                                                 Ribossomo
   Cloroplastos


                                                                                                                                 Retículo
                                                                                                                                 endoplasmático
                                                                                                                                 liso



                                                                                                                                 Retículo
                                                                                                                                 endoplasmático
                                                                                                                                 rugoso




                                                                                                                                 Nucléolo


                                                                                                                                 Núcleo



Parede celular




                                                                                                   Complexo de Golgi
                                                                             Membrana plasmática




                   Outras                                   Fungos
  Cianobactérias eubactérias     Plantas         Animais (leveduras) Protistas   Arqueobactérias




                                      Cloroplastos




                                      Mitocôndrias

                                                                                        Figura 1.8 Evolução das células
                                                                                        As células atuais evoluíram de um ancestral procarioto co-
                                                                                        mum por três linhas de descendência, dando origem às ar-
                                                                                        queobactérias, às eubactérias e aos eucariotos. As mitocôn-
                                                                                        drias e os cloroplastos originaram-se da associação por en-
                                                                                        dossimbiose de bactérias aeróbicas e cianobactérias com o
                                                                                        ancestral dos eucariotos, respectivamente.
12 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                                      A origem dessas organelas por endossimbiose é amplamente aceita, e supõe-se
                                                que a mitocôndria tenha evoluído de bactérias aeróbicas e o cloroplasto, de bactérias
                                                fotossintéticas, como as cianobactérias. A aquisição de bactérias aeróbicas poderia ter
                                                fornecido a uma célula anaeróbica a capacidade de realizar reações de metabolismo
                                                oxidativo. A aquisição de bactérias fotossintéticas poderia ter fornecido a indepen-
                                                dência nutricional proporcionada pela habilidade de efetuar a fotossíntese. Dessa
                                                maneira, essas associações por endossimbiose foram altamente vantajosas e foram
                                                positivamente selecionadas pela evolução. Ao longo do tempo, a maioria dos genes
                                                originalmente presentes nas bactérias foi, aparentemente, incorporada no genoma
                                                nuclear da célula, e somente poucos componentes da mitocôndria e do cloroplasto
                                                ainda são codificados pelos genomas das organelas.

                                                O Desenvolvimento dos Organismos Multicelulares
                                                Muitos eucariotos são organismos unicelulares que, como as bactérias, consistem em
                                                somente uma única célula capaz de auto-replicação. Os eucariotos mais simples são as
                                                leveduras. As leveduras são mais complexas que as bactérias, porém menores e mais sim-
                                                ples que as células de animais e plantas. Por exemplo, a comumente estudada levedura
                                                Saccharomyces cerevisiae tem aproximadamente 6 µm de diâmetro e seu DNA contém
                                                12 milhões de pares de bases (Figura 1.9). Entretanto, outros eucariotos unicelulares são
                                                células muito mais complexas, algumas contendo tanto DNA quanto as células humanas
                                                (Tabela 1.2). Eles incluem organismos especializados para realizar uma grande variedade
  TABELA 1.2 Conteúdo de DNA                    de ações, incluindo a fotossíntese, o movimento e a captura e ingestão, como alimento, de
                   das Células
                                                outros organismos. Por exemplo, a Amoeba proteus é uma célula grande e complexa. Seu
                                                volume é de mais de 100.000 vezes o de uma E. coli e seu comprimento excede 1 mm,
  Organismo           Conteúdo haplóide         quando a célula está totalmente estendida (Figura 1.10). As amebas são organismos com
                           de DNA               alta mobilidade que usam extensões citoplasmáticas, chamadas de pseudópodos, para
                  (milhões de pares de bases)   mover e para englobar outros organismos, incluindo bactérias e leveduras, como alimen-
                                                tos. Outros organismos eucariotos unicelulares (como algas verdes) contêm cloroplastos e
  Bactérias
                                                são capazes de realizar fotossíntese.
    Mycoplasma                    0,6                 Os organismos multicelulares evoluíram a partir de eucariotos unicelulares há,
    E. coli                       4,6           pelo menos, 1,7 bilhão de anos. Alguns eucariotos unicelulares formam agregados
  Eucariotos unicelulares                       multicelulares que parecem representar uma transição evolutiva entre células indivi-
    Saccharomyces cerevisiae      12            duais e organismos multicelulares. Por exemplo, as células de muitas algas (como a
    (Levedura)                                  alga verde Volvox) associam-se umas com as outras para formarem colônias multice-
    Dictyostelium discoideum      70
    Euglena                       3.000
  Plantas
    Arabidopsis thaliana          125
    Zea mays (milho)              5.000
  Animais
    Caenorhabditis elegans        97
    (nematóide)
    Drosophila melanogaster       180
    (mosca-da-fruta)
    Galinha                       1.200
    “Zebrafish”*                  1.700
    Camundongo                    3.000
    Humano                        3.000


                                                                                                                                              5 µm
* N. de R.T. Zebrafish é um peixe usado como
modelo experimental e recebe o nome comum       Figura 1.9 Micrografia eletrônica de varredura do Saccharomyces cerevisiae
no Brasil de “paulistinha”. Ver página 19.      Cor artificial foi adicionada à micrografia. (Andrew Syed/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.)
A CÉLULA / 13

lulares (Figura 1.11), que se supõe terem sido os precursores evolutivos das plantas
atuais. O aumento da especialização celular direcionou a transição de agregados co-
loniais para verdadeiros organismos multicelulares. A contínua especialização celular
e a divisão de tarefas entre as células do organismo levaram à complexidade e diver-
sidade observadas entre os diferentes tipos de células que compõem as plantas e os
animais atuais, incluindo os seres humanos.
      As plantas são compostas por uma menor variedade de tipos celulares que os
animais, mas cada tipo diferente de célula vegetal é especializado para realizar uma
função específica necessária para o organismo como um todo (Figura 1.12). As célu-
las das plantas são organizadas em três principais sistemas de tecidos: tecido de sus-
                                                                                                                             0,2 mm
tentação, tecido dérmico e tecido vascular. O tecido de sustentação contém as células
do parênquima, que realizam a maioria das reações metabólicas das plantas, incluin-       Figura 1.10 Micrografia ótica de
do a fotossíntese. O tecido de sustentação também contém dois tipos de células            Amoeba proteus
                                                                                          (M.I. Walker/Photo Researchers, Inc.)
especializadas (célula do colênquima e célula do esclerênquima), que são caracteriza-
das pelas grossas paredes celulares e fornecem o suporte estrutural para a planta. O
tecido dérmico cobre a superfície da planta e é composto de células epidérmicas,
formando uma camada de proteção e permitindo a absorção de nutrientes. Final-
mente, diversos tipos de células alongadas formam o sistema vascular (o xilema e o
floema), que é responsável pelo transporte de água e nutrientes por toda a planta.
      As células encontradas nos animais são consideravelmente mais diversificadas
que as das plantas. O corpo humano, por exemplo, é composto por mais de 200
tipos diferentes de células que geralmente são consideradas os componentes de cinco
tipos principais de tecidos: tecido epitelial, tecido conectivo, sangue, tecido nervoso

 (A)                                        (B)

                                                                                          Figura 1.11 Colônia de alga verde
                                                                                          Células individuais de Volvox formam colô-
                                                                                          nias, nas quais centenas ou milhares de cé-
                                                                                          lulas estão incorporadas em uma matriz ge-
                                                                                          latinosa. (Cabisco/Visuals Unlimited.)




 (C)                                              (D)
                                                                                          Figura 1.12 Micrografias óticas de
                                                                                          células representativas de plantas
                                                                                          (A) Células do parênquima, que são respon-
                                                                                          sáveis pela fotossíntese e por outras reações
                                                                                          metabólicas. (B) Células do colênquima,
                                                                                          que são responsáveis pela sustentação e
                                                                                          apresentam paredes celulares espessas. (C)
                                                                                          Células da epiderme na superfície de uma
                                                                                          folha. Poros pequenos (estômatos) são flan-
                                                                                          queados por células especializadas chamadas
                                                                                          de células-vigia. (D) Elementos dos vasos e
                                                                                          traqueídeos são células alongadas que são
                                                                                          organizadas uma de ponta para a outra para
                                                                                          formar os vasos do xilema. (A, Jack M.
                                                                                          Bastsack/Visuals Unlimited; B, A. J. Karpo-
                                                                                          ff/Visuals Unlimited; C, Alfred Owczarzak/
                                                                                          Biological Photo Service; D, Biophoto Associ-
                                                                               50 mm      ates/Science Source/Photo Researchers Inc.)
14 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                                   e músculo (Figura 1.13). As células epiteliais formam camadas que cobrem a super-
                                                   fície do corpo e recobrem os órgãos internos. Há muitos tipos diferentes de células
                                                   epiteliais, cada um especializado para uma função específica, incluindo proteção (a
                                                   pele), absorção (por exemplo, as células da mucosa do intestino delgado) e secreção
                                                   (por exemplo, as células da glândula salivar). O tecido conectivo inclui ossos, cartila-
                                                   gens e tecido adiposo, cada um formado por diferentes tipos de células (respectiva-
                                                   mente, osteoblastos, condrócitos e adipócitos). O tecido conectivo frouxo, que intercala



       (A)i Boca                                     (A)ii Ducto biliar                           (A)iii Intestino




                                                          (B)
Figura 1.13 Micrografias óticas de
células animais representativas
(A) Células do epitélio da boca (uma grossa
camada multicelular), do ducto biliar e do
intestino. (B) Fibroblastos são células do te-
cido conectivo, caracterizados por sua for-
ma alongada. (C) Eritrócitos, granulócitos,
linfócitos e monócitos no sangue humano.
([A]i e [A]ii, G. W. Willis/Biological Photo
Service; [A]iii, Biophoto Associates/Photo
Researchers, Inc.; B, Don W. Fawcett/Visu-
als Unlimited; C. G. W. Willis/Biological
Photo Service.)




                                                    (C)   Eritrócito                 Linfócito                       Monócito




                                     Granulócito
A CÉLULA / 15

as camadas epiteliais e preenche os espaços entre órgãos e tecidos do corpo, é forma-
do por outro tipo de célula, o fibroblasto. O sangue contém vários tipos diferentes
de células, que funcionam no transporte do oxigênio (células vermelhas ou eritróci-
tos), nas reações inflamatórias (granulócitos, monócitos e macrófagos) e na resposta
imunológica (linfócitos). O tecido nervoso é composto pelas células nervosas, ou neu-
rônios, que são altamente especializadas para transmitir sinais através do corpo. Vários
tipos de células sensoriais, como as células dos olhos e dos ouvidos, são mais especializa-
dos para receberem sinais externos do ambiente. Finalmente, vários diferentes tipos de
células musculares são responsáveis pela produção da força e do movimento.
      Claramente, a evolução dos animais envolveu o desenvolvimento de uma con-
siderável diversidade e especialização no nível celular. A compreensão dos mecanis-
mos de controle do crescimento e de diferenciação em tal grupo complexo de células
especializadas, originadas a partir de um único ovo fertilizado, é um dos principais
desafios que se apresentam à biologia celular e molecular contemporânea.

Células como Modelos Experimentais
A evolução das células atuais a partir de um ancestral comum tem importantes im-
plicações para a biologia celular e molecular como uma ciência experimental. Já que
as propriedades fundamentais de todas as células foram conservadas durante a evolu-
ção, os princípios básicos aprendidos com experimentos feitos com um tipo de célula
são geralmente aplicáveis para outras células. Por outro lado, em razão da diversidade
das células atuais, muitos tipos de experimentos podem ser mais facilmente realiza-
dos em um tipo de célula do que em outro. Vários tipos diferentes de células e
organismos são comumente usados como modelos experimentais para estudar diver-
sos aspectos da biologia celular e molecular. As características de algumas dessas célu-
las que as tornam de particular utilidade como modelos experimentais são discutidas
nas seções seguintes.

E. coli
Em virtude da sua simplicidade relativa, células procarióticas (bactérias) são modelos
ideais para o estudo de diversos aspectos fundamentais da bioquímica e da biologia
molecular. A espécie de bactéria mais amplamente estudada é a E. coli, que tem sido,
há muito tempo, o organismo favorito para pesquisa dos mecanismos básicos da
genética molecular. A maioria dos nossos conceitos atuais de biologia molecular –
incluindo nossa compreensão da replicação do DNA, do código genético, da expres-
são gênica e da síntese protéica – deriva dos estudos com essa modesta bactéria.
       A E. coli tem sido especialmente útil para os biólogos moleculares, tanto por
sua relativa simplicidade, como pela facilidade com que pode ser reproduzida e estu-
dada em laboratório. O genoma da E. coli, por exemplo, consiste em aproximada-
mente 4,6 milhões de pares de bases e contém cerca de 4.000 genes. O genoma
humano é quase mil vezes maior (aproximadamente 3 bilhões de pares de bases) e
pensa-se que contenha 30-40.000 genes (ver Tabela 1.2). O pequeno tamanho do
genoma da E. coli (que foi completamente seqüenciado em 1997) fornece óbvia
vantagem para a análise genética.
       Experimentos de genética molecular são facilitados pela rápida multiplicação
da E. coli em condições laboratoriais bem definidas. Em condições ótimas de cultu-
ra, a cada 20 minutos a E. coli divide-se. Além disso, uma população clonal de E. coli,
na qual todas as células derivam da multiplicação de uma única célula, pode ser
facilmente isolada como uma colônia crescendo em meio semi-sólido contendo ágar
(Figura 1.14). Uma vez que colônias de bactérias contendo 108 células podem ser
cultivadas em apenas uma noite, a seleção de variantes genéticas de uma cepa de E.
coli – por exemplo, mutantes que são resistentes a um antibiótico como a penicilina – é       Figura 1.14 Colônias de bactérias
fácil e rápida. A facilidade com que esses mutantes podem ser selecionados e analisa-         Fotografia de colônias de E. coli crescendo
dos foi essencial para o sucesso dos experimentos que definiram os princípios básicos         na superfície de um meio contendo ágar.
da genética molecular, discutidos no Capítulo 3.                                              (A. M. Siegelman/Visuals Unlimited.)
16 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                              A mistura de nutrientes na qual a E. coli divide-se mais rapidamente inclui
                                        glicose, sais e vários compostos orgânicos, como aminoácidos, vitaminas e precurso-
                                        res de ácidos nucléicos. Entretanto, a E. coli também pode crescer em um meio
                                        muito mais simples, contendo somente sais, uma fonte de nitrogênio (como a amô-
                                        nia) e uma fonte de carbono e energia (como a glicose). Nesse meio, a bactéria cresce
                                        um pouco mais lentamente (com o tempo de divisão de aproximadamente 40 minu-
                                        tos), pois ela deve sintetizar todos os seus aminoácidos, nucleotídeos e outros com-
                                        postos orgânicos. A habilidade da E. coli de realizar estas reações de biossíntese em
                                        um meio definido simples tornou-a extremamente útil para a elucidação das vias
                                        bioquímicas envolvidas nestes processos. Assim, o rápido crescimento e as exigências
                                        nutritivas simples da E. coli têm facilitado muito os experimentos fundamentais em
                                        biologia molecular e bioquímica.

                                        Leveduras
                                        Embora as bactérias sejam um inestimável modelo para o estudo de muitas proprie-
                                        dades conservadas das células, elas, obviamente, não podem ser utilizadas para estu-
                                        dar aspectos da estrutura celular e funções que sejam exclusivas dos eucariotos. As
                                        leveduras, os eucariotos mais simples, apresentam diversas vantagens experimentais
                                        semelhantes às da E. coli. Conseqüentemente, as leveduras têm sido um modelo essencial
                                        para estudos de muitos aspectos fundamentais da biologia celular de eucariotos.
                                              O genoma da levedura mais freqüentemente estudada, Saccharomyces cere-
                                        visiae, consiste em 12 milhões de pares de bases de DNA e contém aproximada-
                                        mente 6.000 genes. Apesar do genoma da levedura ser cerca de três vezes maior
                                        do que o da E. coli, ele é muito mais manejável do que o genoma dos eucariotos
                                        mais complexos, como o dos humanos. Mesmo com sua simplicidade, a célula
                                        da levedura apresenta as características típicas das células eucarióticas (Figura
                                        1.15): ela contém o núcleo isolado pela membrana nuclear, seu DNA genômico
                                        é organizado em 16 cromossomos lineares e seu citoplasma contém um citoes-
                                        queleto e organelas subcelulares.
                                              As leveduras podem ser facilmente cultivadas em laboratório e podem ser estu-
                                        dadas por muitas das técnicas de genética molecular que são utilizadas com a E. coli.
                                        Apesar das leveduras não se replicarem tão rapidamente quanto as bactérias, elas
                                        dividem-se freqüentemente, a cada 2 horas, e podem ser facilmente cultivadas em
                                        colônias a partir de células isoladas. Conseqüentemente, as leveduras podem ser uti-
                                        lizadas para uma variedade de manipulações genéticas semelhantes àquelas que po-
                                        dem ser feitas com bactérias.
                                              Essas características têm feito da célula de levedura a célula eucarionte mais
                                        abordável pelo ponto de vista da biologia molecular. Leveduras mutantes têm sido
                                        importantes para o entendimento de muitos processos fundamentais em eucariotos,
                                        incluindo a replicação do DNA, a transcrição, o processamento do RNA, a organiza-
                                        ção protéica e a regulação da divisão celular, que serão discutidos nos capítulos se-
                                        guintes. A unidade da biologia celular e molecular tem ficado mais clara pelo fato de
                                        que os princípios gerais da estrutura e função celular, que têm sido revelados pelos
                                        estudos das leveduras, aplicam-se a todas as células eucarióticas.

                                        Dictyostelium discoideum
                                        O Dictyostelium discoideum é um fungo aquático que, como as leveduras, é um
                                        eucarionte unicelular relativamente simples. O genoma do Dictyostelium é aproxi-
                                        madamente dez vezes maior que o da E. coli – mais complexo que o genoma das
                                        leveduras, porém consideravelmente mais simples que o genoma dos eucariotos su-
                                        periores. Além disso, o Dictyostelium pode ser facilmente cultivado em laboratório e
                               2µm      é suscetível a uma variedade de manipulações genéticas.
Figura 1.15 Micrografia eletrônica de         Sob condições de alimentação farta, o Dictyostelium vive como uma ameba
Saccharomyces cerevisiae                unicelular, alimentando-se de bactérias e leveduras. Ele é uma célula com grande
(David Scharf/Peter Arnold, Inc.)       mobilidade, e essa propriedade tem feito do Dictyostelium um importante modelo
A CÉLULA / 17

para estudos dos mecanismos moleculares responsáveis pelo movimento das células
animais (Figura 1.16). Por exemplo, a introdução no Dictyostelium de mutações es-
pecíficas tem revelado o papel de vários genes envolvidos na mobilidade celular.
      Uma característica interessante adicional do Dictyostelium é a habilidade de
células isoladas agregarem-se em estruturas multicelulares. Se um suplemento ade-
quado de alimento não é fornecido, as células associam-se para formar uma estrutura
vermiforme chamada de lesma, cada uma contendo até 100.000 células que funcio-
nam como um indivíduo. Por esse motivo o Dictyostelium parece estar no limite
entre organismos unicelulares e multicelulares, e fornece um importante modelo
para estudos de sinalização celular e interação célula-célula.

Caenorhabditis elegans
Os eucariotos unicelulares Saccharomyces e Dictyostelium são importantes modelos
para estudos de células eucarióticas, mas a compreensão do desenvolvimento de or-
ganismos multicelulares requer a análise experimental de plantas e animais, organis-
mos que são muito mais complexos. O nematóide Caenorhabditis elegans (Figura
1.17) possui várias características importantes que o transformam em um dos mode-
los mais usados para estudos de desenvolvimento e diferenciação celular dos animais.
      Embora o genoma do C. elegans (aproximadamente 100 milhões de pares de
bases) seja maior que o dos eucariotos unicelulares, ele é mais simples e mais mani-
pulável que o genoma da maioria dos animais. A seqüência completa já foi determi-
nada, revelando que o genoma do C. elegans contém aproximadamente 19.000 genes
– quase três vezes o número de genes das leveduras, e a metade do número de genes
dos humanos. Biologicamente, o C. elegans é um organismo multicelular relativa-
mente simples: os vermes adultos são compostos de somente 959 células somáticas e
1.000 a 2.000 células germinativas. Além disso, o C. elegans pode ser facilmente
cultivado e submetido a manipulações genéticas em laboratório.
      A simplicidade do C. elegans tem permitido que o curso do seu desenvolvimen-
to seja observado em detalhes por observação microscópica. Essas análises definiram                                         10 µm
a origem embrionária e a linhagem de todas as células de um verme adulto. Estudos       Figura 1.16 Dictyostelium discoideum
genéticos também têm identificado várias das mutações responsáveis por anormali-        Estas fotografias mostram o movimento de
dades do desenvolvimento, permitindo o isolamento e a caracterização de genes es-       duas amebas durante o tempo de 40 segun-
senciais que controlam o desenvolvimento e a diferenciação do nematóide. De gran-       dos. (Cortesia de David Knecht, University
                                                                                        of Connecticut.)
de importância, genes similares também têm sido encontrados em animais comple-
xos (incluindo humanos), fazendo do C. elegans um importante modelo para estudos
do desenvolvimento animal.

Drosophila melanogaster
Como o C. elegans, a mosca-da-fruta Drosophila melanogaster (Figura 1.18) tem sido um
organismo-modelo essencial em biologia do desenvolvimento. O genoma da Drosophila
é de tamanho similar ao do C. elegans, embora o genoma da Drosophila contenha apenas




                          Ovário       Intestino




    Faringe                   Ovos                 Vulva        Reto       Ânus         Figura 1.17 Caenorhabditis elegans
                                                                                        (De J. E. Sulston e H. R. Horvitz, 1977.
                                      1 mm                                              Dev. Biol. 56:110.)
18 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                           cerca de 14.000 genes. Além disso, a Drosophila pode ser facilmente mantida e reprodu-
                                           zida em laboratório, e o seu curto ciclo reprodutivo (aproximadamente 2 semanas) a
                                           transformou em um organismo extremamente útil para experimentos genéticos. Muitos
                                           conceitos fundamentais da genética – como a relação entre genes e cromossomos – foram
                                           derivados de estudos com Drosophila no início do século XX (ver Capítulo 3).
                                                 Extensas análises genéticas da Drosophila têm revelado muitos genes que con-
                                           trolam o desenvolvimento e a diferenciação, e os atuais métodos de biologia molecu-
                                           lar têm permitido que as funções desses genes sejam analisadas em detalhes. Conse-
                                           qüentemente, os estudos em Drosophila têm levado a surpreendentes avanços na
                                           compreensão dos mecanismos moleculares que controlam o desenvolvimento ani-
                                           mal, particularmente com respeito à formação do plano do corpo de organismos
                                           multicelulares complexos. Como com o C. elegans, existem genes e mecanismos si-
                                           milares em vertebrados, validando o uso da Drosophila como um importante modelo
Figura 1.18 Drosophila melanogaster        experimental na biologia do desenvolvimento contemporânea.
(Darwin Dale/Photo Researchers, Inc.)
                                           Arabidopsis thaliana
                                           O estudo da biologia molecular e do desenvolvimento em plantas é uma área ativa e
                                           em expansão de considerável importância econômica, bem como de interesse inte-
                                           lectual. Uma vez que os genomas de plantas apresentam uma complexidade compa-
                                           rável com a dos genomas dos animais (ver Tabela 1.2), um modelo ideal para estudos
                                           com plantas deveria ser um organismo relativamente simples com algumas das carac-
                                           terísticas vantajosas do C. elegans e da Drosophila. A pequena planta com flor Arabi-
                                           dopsis thaliana (Figura 1.19) atende a esse critério, sendo amplamente usada como
                                           um modelo para o estudo da biologia molecular das plantas.
                                                  A Arabidopsis é notável pelo seu genoma de somente cerca de 120 milhões de
                                           pares de bases, que contém aproximadamente 15.000 genes diferentes – uma com-
                                           plexidade semelhante à do C. elegans e da Drosophila. Além disso, a Arabidopsis é
                                           relativamente fácil de ser cultivada em laboratório, e métodos para manipulações
                                           genéticas moleculares dessa planta já foram desenvolvidos. Esses estudos têm permi-
                                           tido a identificação dos genes envolvidos em vários aspectos do desenvolvimento em
                                           plantas, como o desenvolvimento das flores. A análise desses genes aponta para mui-
                                           tas similaridades, mas também diferenças notáveis, entre os mecanismos que contro-
                                           lam o desenvolvimento das plantas e dos animais.

                                           Vertebrados
                                           Os animais mais complexos são os vertebrados, incluindo o homem e outros mamíferos.
                                           O genoma humano tem aproximadamente 3 bilhões de pares de bases – cerca de 30 vezes
                                           maior que o genoma do C. elegans, da Drosophila e da Arabidopsis – e contém 30-40.000
                                           genes. Além disso, o corpo humano é composto de mais de 200 diferentes tipos de células
                                           especializadas. Essa complexidade torna difícil estudar os vertebrados pela perspectiva da
                                           biologia celular e molecular, mas muito do interesse das ciências biológicas origina-se do
                                           desejo da compreensão do organismo humano. Além disso, o entendimento de muitas
                                           questões de importância prática imediata (por exemplo, na medicina) deve ser baseado
                                           diretamente em estudos sobre tipos celulares humanos (ou proximamente relacionados).
                                                 Um importante meio de estudar células humanas e de outros mamíferos é cultivar
                                           células isoladas, de forma que possam ser manipuladas em condições laboratoriais contro-
                                           ladas. O uso de cultura celular tem permitido o estudo de muitos aspectos da biologia
                                           celular de mamíferos, incluindo experimentos que têm elucidado os mecanismos da re-
                                           plicação do DNA, da expressão gênica, da síntese e do processamento protéico e da
                                           divisão celular. Além disso, a habilidade de cultivar células em meios quimicamente defi-
                                           nidos tem permitido o estudo dos mecanismos de sinalização que controlam o cresci-
                                           mento e a diferenciação normal dentro do organismo inteiro.
                                                 As propriedades especializadas de algumas células altamente diferenciadas têm
Figura 1.19 Arabidopsis thaliana           feito delas modelos importantes para estudos de aspectos específicos da biologia ce-
(Jeremy Burgess/Photo Researchers, Inc.)   lular. Células musculares, por exemplo, são altamente especializadas para suportar
A CÉLULA / 19

contração, produzindo força e movimento. Em virtude dessa especialização, as célu-
las musculares são um modelo essencial para o estudo de movimento celular no nível
molecular. Outro exemplo é fornecido pelas células nervosas (neurônios), que são
especializadas para conduzir sinais eletroquímicos a grandes distâncias. Em huma-
nos, os axônios das células nervosas podem ter mais de um metro de comprimento,
e alguns invertebrados, como a lula, têm neurônios gigantes com axônios com mais
de 1 mm de diâmetro em largura. Em razão de suas estruturas e funções altamente
especializadas, esses neurônios gigantes têm sido um modelo importante para estu-
dos sobre o transporte de íons através da membrana plasmática e sobre o papel do
citoesqueleto no transporte das organelas citoplasmáticas.
      O sapo Xenopus laevis é um modelo importante para estudos do desenvolvi-
mento inicial dos vertebrados. Os ovos do Xenopus são células extraordinariamente
grandes, com o diâmetro de aproximadamente 1 mm (Figura 1.20). Já que os ovos se
desenvolvem fora do corpo materno, todos os estágios do desenvolvimento a partir do
ovo até o girino podem ser facilmente estudados no laboratório. Além disso, os ovos de
Xenopus podem ser obtidos em grande número, facilitando as análises bio-
químicas. Por causa dessas vantagens técnicas, o Xenopus tem sido ampla-
mente utilizado em estudos da biologia do desenvolvimento e tem propor-
cionado descobertas importantes dos mecanismos moleculares que contro-
lam o desenvolvimento, a diferenciação e a divisão celular em embriões.
      O “zebrafish” (paulistinha) (Figura 1.21) possui numerosas vanta-
gens para estudos genéticos do desenvolvimento de vertebrados. Esse
pequeno peixe é facilmente mantido em laboratório e reproduz-se rapi-
damente. Além disso, o embrião desenvolve-se fora da mãe e é transpa-
rente, fazendo com que os estágios iniciais do desenvolvimento possam
ser observados facilmente. Métodos poderosos têm sido desenvolvidos
para facilitar o isolamento de mutações que afetem o desenvolvimento
do “zebrafish”, e vários milhares dessas mutações têm sido identificados.
Por ser um vertebrado de fácil estudo, o “zebrafish” é um promissor pon-
to de conexão para a análise das diferenças entre os humanos e os siste-
mas invertebrados mais simples, como o C. elegans e a Drosophila.
      Dentre os mamíferos, o camundongo é o mais adequado para análises
                                                                                                                                1 mm
genéticas, que serão facilitadas pela conclusão recente da seqüência genômi-
                                                                                          Figura 1.20 Ovos do sapo Xenopus
ca deste organismo. Apesar das dificuldades técnicas em estudar a genética do camundon-   laevis
go (comparada, por exemplo, com a genética da levedura ou Drosophila) serem grandes,      (Cortesia de Michael Danilchik e Kimberly
muitas mutações que afetam o desenvolvimento do camundongo têm sido identifi-             Ray.)




(A)                                                                                       Figura 1.21 “Zebrafish”
                                                                                          (A) Um embrião com 24 horas. (B) Um
                                                                                          peixe adulto. (A, cortesia de Charles Kim-
                                                                                          mel, University of Oregon; B, cortesia de S.
                                                                                          Kondo.)



                                             (B)
20 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                               cadas. Mais importante, avanços recentes na biologia molecular têm permitido a
                                               produção de camundongos transgênicos, nos quais genes mutantes específicos são
                                               introduzidos nas linhagens germinativas do camundongo, fazendo com que seus
                                               efeitos no desenvolvimento ou em outros aspectos da função celular possam ser estu-
                                               dados no contexto do animal completo. A adequação do camundongo como modelo
                                               para o estudo do desenvolvimento humano é indicada não apenas pelas similarida-
                                               des dos genomas humanos e de camundongo, mas também pelo fato de que mutações
                                               em genes homólogos resultam em defeitos semelhantes no desenvolvimento de ambas as
                                               espécies (Figura 1.22); um defeito de pigmentação fornece excelente exemplo.

                                               Ferramentas da Biologia Celular
                                               Como em todas as ciências experimentais, a pesquisa em biologia celular depende de
                                               técnicas laboratoriais que possam ser usadas para estudar a estrutura e a função celular.
                                               Avanços muito importantes na compreensão das células têm sucedido diretamente o
                                               desenvolvimento de novas técnicas, que permitiram novos meios de investigação. O exa-
                                               me das metodologias experimentais disponíveis para a biologia celular é essencial para a
                                               compreensão tanto da situação atual como do direcionamento futuro dessa área de avan-
                                               ço rápido da ciência. Algumas das importantes técnicas de uso comum da biologia celular
                                               são descritas nas seções seguintes. Outros métodos experimentais, incluindo os métodos
                                               bioquímicos e de biologia molecular, serão discutidos em capítulos posteriores.

                                               Microscopia Ótica
                                               Já que a maioria das células é muito pequena para ser vista a olho nu, o estudo das células
                                               depende fortemente do uso de microscópios. Na realidade, a descoberta das células resul-
                                               tou do desenvolvimento do microscópio: Robert Hooke inventou o termo “célula” após
                                               suas observações de um pedaço de cortiça com um microscópio ótico simples, em 1665
                                               (Figura 1.23). Usando um microscópio que aumentava os objetos cerca de 300 vezes seu
                                               tamanho real, Antony van Leeuwenhoek, por volta de 1670, foi capaz de observar uma
                                               grande variedade de tipos celulares diferentes, incluindo espermatozóides, glóbulos ver-
                                               melhos e bactérias. A proposta da teoria celular por Matthias Schleiden e Theodor Schwann,
                                               em 1838, pode ser vista como o nascimento da biologia celular contemporânea. Estudos
                                               microscópicos de tecidos de plantas por Schleiden e de tecidos animais por Schwann




Figura 1.22 O camundongo como
modelo para o desenvolvimento do
homem
Uma criança e um camundongo apresen-
tam defeitos de pigmentação semelhantes
como resultado de mutações no gene neces-
sário para a migração normal dos melanóci-
tos (as células responsáveis pela pigmenta-
ção da pele) durante o desenvolvimento do
embrião. (Cortesia de R. A. Fleischman, Ma-
rkey Cancer Center, University of Kentucky.)
A CÉLULA / 21

levaram às mesmas conclusões: todos os organismos são compostos por células. Pouco
tempo após, foi reconhecido que as células não são formadas de novo, mas originam-se
somente por divisão de células preexistentes. Conseqüentemente, em razão das observa-
ções feitas com o microscópio ótico, a célula foi reconhecida como a unidade fundamen-
tal de todos os organismos vivos.
      O microscópio ótico permanece como um instrumento básico dos biólogos celula-
res, com aperfeiçoamentos técnicos permitindo a crescente visualização de detalhes da
estrutura celular. Os microscópios óticos atuais são capazes de ampliar objetos até mil
vezes. Já que a maioria das células tem entre 1 e 100 µm de diâmetro, elas podem ser
observadas por microscopia ótica, como também o podem algumas das organelas subce-
lulares maiores, como núcleo, cloroplastos e mitocôndrias. Entretanto, o microscópio
ótico não é suficientemente poderoso para revelar detalhes finos da estrutura celular, já
que a resolução – a habilidade de um microscópio de distinguir objetos separados por
distâncias pequenas – é mais importante do que a ampliação. Imagens podem ser amplia-
das tanto quanto desejado (por exemplo, por projeção em uma tela grande), mas a ampli-      Figura 1.23 A estrutura celular da
                                                                                            cortiça
ação não aumenta o nível dos detalhes que podem ser observados.                             Uma reprodução do desenho de Robert
      O limite da resolução do microscópio ótico é de aproximadamente 0,2 µm;               Hooke de uma fina lâmina de cortiça obser-
dois objetos separados por uma distância menor que essa aparecem como uma única             vada em um microscópio ótico. As “células”
imagem, em vez de serem distinguidos um do outro. Esse limite teórico da microsco-          que Hooke observou eram na verdade so-
pia ótica é determinado por dois fatores – o comprimento de onda (λ) da luz visível         mente as paredes celulares remanescentes
                                                                                            das células que já tinham morrido.
e a convergência ótica das lentes microscópicas (abertura numérica, NA) – de acordo
com a seguinte equação:
                                                   0,61λ
                                     Resolução =
                                                    NA

O comprimento de onda da luz visível é de 0,4 a 0,7 µm, de modo que o valor de λ
é fixado em aproximadamente 0,5 µm para o microscópio ótico. A abertura numéri-
ca pode ser considerada como o tamanho do cone de luz que entra nas lentes do
microscópio após passar através da amostra (Figura 1.24). Isto é dado pela equação:

                                        NA= η sen α

onde η é o índice de refração do meio através do qual a luz passa entre a amostra e a
lente. O valor de η para o ar é de 1,0, mas pode ser aumentado para um máximo de



                                                             Lentes da
                                                              objetiva

                                                                  α         Amostra




                                                        Lentes do condensador
                                                                                            Figura 1.24 Abertura numérica
                                                                                            A luz é focalizada na amostra pelas lentes do
                                                                                            condensador e então coletada pelas lentes
                                                                Luz
                                                                                            da objetiva do microscópio. A abertura nu-
                                                                                            mérica é determinada pelo ângulo do cone de
                                                                                            luz que entra nas lentes da objetiva (α) e pelo
                                                                                            índice de refração do meio (geralmente ar ou
                                                                                            óleo) entre as lentes e a amostra.
22 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN

                                         aproximadamente 1,4 pelo uso de uma lente para óleo de imersão, quando a amostra
                                         é vista através de uma gota de óleo. O ângulo α corresponde à metade do compri-
                                         mento do cone de luz recebido pela lente. O valor máximo de α é 90o, sendo seno
                                         α = 1, de modo que o maior valor possível para a abertura numérica é 1,4.
                                               Portanto, o limite teórico para a resolução do microscópio ótico pode ser calcu-
                                         lado como segue:
                                                                      Resolução = 0,61 x 0,5 = 0,22 µm
                                                                                       1,4

                                              Microscópios capazes de atingir esse nível de resolução já podiam ser feitos no
                                         fim do século XIX; portanto, aprimoramentos nesse aspecto da microscopia ótica
                                         não devem ser esperados.
                                              Vários tipos diferentes de microscopia ótica são rotineiramente usados para
                                         o estudo de vários aspectos da estrutura celular. O mais simples é a microscopia
                                         de campo claro, no qual a luz passa diretamente através da célula e a capacidade
                                         de distinguir diferentes partes da célula depende do contraste resultante da ab-
                                         sorção da luz visível pelos componentes celulares. Em muitos casos, células são
                                         coradas com corantes que reagem com proteínas e ácidos nucléicos com o obje-
                                         tivo de aumentar o contraste entre as diferentes partes da célula. Antes da colo-
                                         ração, as amostras em geral são tratadas com fixadores (como álcool, ácido acéti-
                                         co ou formaldeído) para estabilizar e preservar suas estruturas. A análise de teci-
                                         dos fixados e corados pela microscopia de campo claro é o método-padrão para a
                                         análise de amostras de tecidos em laboratórios de histologia (Figura 1.25). En-
                                         tretanto, esses procedimentos de coloração matam as células e, portanto, não são
                                         adequados para muitos experimentos, nos quais a observação de células vivas é
                                         desejável.
                                              Sem coloração, a passagem direta da luz não fornece contraste suficiente
                                         para distinguir muitas partes da célula, limitando a utilização da microscopia de
                                         campo claro. Entretanto, variações do microscópio ótico podem ser usadas para
                                         aumentar o contraste entre as ondas de luz que passam através de regiões da
                                         célula de densidades diferentes. Dois dos métodos mais comuns para visualiza-
                                         ção de células vivas são a microscopia de contraste de fase e a microscopia de
                                         contraste de interferência diferencial (Figura 1.26). Ambos os tipos de micros-
                                         copia usam sistemas óticos que convertem variações de densidade ou espessura




Figura 1.25 Micrografia de campo
claro de tecido corado
Secção de um tumor benigno de rim. (G.
W. Willis/Biological Photo Service.)
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Introdução a biologia celular - Leitura complementar

  • 1. Parte I Introdução 1 Uma Visão Geral das Células e da Pesquisa Celular 2 A Química das Células 3 Fundamentos de Biologia Molecular
  • 2. Capítulo 1 Uma Visão Geral das Células e da Pesquisa Celular A A Origem e a Evolução das COMPREENSÃO DA BIOLOGIA MOLECULAR DAS CÉLULAS é uma área dinâ- Células 4 mica de pesquisa que é fundamental para todas as ciências biológicas. Isto é verdade não somente do ponto de vista da pesquisa básica, mas também em Células como Modelos relação a um número crescente de aplicações práticas na medicina, agricultura e Experimentais 15 biotecnologia. Especialmente com a conclusão da seqüência do genoma humano, o Ferramentas da Biologia progresso na biologia celular e molecular está abrindo novos horizontes na prática da Celular 20 medicina. Exemplos notáveis incluem o desenvolvimento de novas drogas especifi- Cultura de EXPERIMENTO-CHAVE: camente direcionadas a interferir no crescimento de células cancerosas e no uso po- Células Animais 32 tencial de células-tronco para substituir os tecidos danificados e tratar pacientes que sofrem de doenças como diabetes, doença de Parkinson, doença de Alzheimer, lesões MEDICINA MOLECULAR: Vírus e na coluna vertebral e doenças cardíacas. Câncer 35 Em virtude de a biologia celular e molecular ser uma área de pesquisa de rápido desenvolvimento, é relevante compreender sua base experimental, assim como o es- tado atual do nosso conhecimento. Por essa razão, este capítulo abordará a maneira como as células são estudadas e revisará algumas das suas propriedades básicas. A apreciação das semelhanças e diferenças entre as células é de vital importância para a compreensão da biologia celular. Portanto, a primeira parte deste capítulo discute tanto a uniformidade quanto a diversidade das células atuais em termos da evolução a partir de um ancestral comum. Por um lado, todas as células compartilham pro- priedades fundamentais únicas que têm sido conservadas durante a evolução. Por exemplo, todas as células utilizam o DNA como material genético, são circundadas por membranas plasmáticas e usam os mesmos mecanismos básicos para o metabo- lismo energético. Por outro lado, as células atuais desenvolveram uma grande varie- dade de modos de vida. Muitos organismos, como bactérias, amebas e leveduras, são constituídos de células isoladas que são capazes de se replicar independentemente. Organismos mais complexos são compostos de uma coleção de células que funcio- nam de uma maneira coordenada, com diferentes células especializadas para realizar uma função determinada. O corpo humano, por exemplo, é composto por mais de 200 tipos de células diferentes, cada uma especializada para funções distintas, como memória, visão, movimento e digestão. A diversidade exibida por esses vários dife- rentes tipos de células é surpreendente; considere, por exemplo, as diferenças entre as bactérias e as células do cérebro humano. As semelhanças fundamentais entre diferentes tipos de células fornecem um tópico único para a biologia celular, permitindo que os princípios básicos
  • 3. 4 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN aprendidos a partir de experimentos com um tipo de célula sejam extrapolados e generalizados para outros tipos de células. Vários tipos de células e organismos são amplamente usados para estudar diferentes aspectos da biologia celular e molecular. A segunda parte do capítulo discute algumas das propriedades dessas células, que as fazem particularmente valiosas como modelos experimentais. Fi- nalmente, é importante reconhecer que os progressos em biologia celular depen- dem fortemente da disponibilidade de ferramentas experimentais que permitem que os cientistas façam novas observações ou conduzam novos tipos de experi- mentos. Este capítulo introdutório, portanto, é concluído com uma discussão de alguns métodos experimentais usados para estudar as células, bem como com uma revisão de alguns dos principais desenvolvimentos históricos que permiti- ram a compreensão atual da estrutura e função celular. A Origem e a Evolução das Células As células são dividas em dois tipos principais, definidos pela presença ou não de um núcleo. As células procarióticas (bactérias) não apresentam um envelope nuclear; as células eucarióticas têm um núcleo, no qual o material genético está separado do citoplasma. As células procarióticas geralmente são menores e mais simples do que as células eucarióticas; além da ausência de núcleo, seus genomas são menos complexos e elas não apresentam organelas citoplasmáticas ou um citoesqueleto (Tabela 1.1). Apesar dessas diferenças, os mesmos mecanismos moleculares básicos controlam a vida de ambas, procarióticas e eucarióticas, in- dicando que todas as células atuais descendem de um ancestral primordial co- mum. Como essa primeira célula se desenvolveu? Como evoluíram a complexi- dade e a diversidade exibidas pelas células atuais? A Primeira Célula Provavelmente, a vida apareceu há pelo menos 3,8 bilhões de anos, aproximadamen- te 750 milhões de anos após a Terra ter sido formada (Figura 1.1). Como a vida originou-se e como a primeira célula surgiu são assuntos de especulação, uma vez que esses eventos não podem ser reproduzidos em laboratório. Contudo, diversos tipos de experimentos fornecem evidências importantes da direção de algumas eta- pas do processo. Foi por volta de 1920 que, pela primeira vez, sugeriu-se que moléculas orgâni- cas simples, sob as condições que se imagina que existiam na atmosfera da Terra primitiva, poderiam formar-se e espontaneamente polimerizar-se em macromolécu- las. Supõe-se que, quando a vida se originou, a atmosfera da Terra tivesse pouco ou nenhum oxigênio livre e, em vez disso, consistisse principalmente em CO2 e N2 e quantidades menores de gases como H2, H2S e CO. Semelhante atmosfera fornece condições redutoras nas quais moléculas orgânicas, dada uma fonte de energia como TABELA 1.1 Células Procarióticas e Eucarióticas Característica Procariotos Eucariotos Núcleo Ausente Presente Diâmetro de uma célula típica ≅ 1 µm 10-100 µm Citoesqueleto Ausente Presente Organelas citoplasmáticas Ausente Presente Conteúdo de DNA (pares de bases) 1 × 106 a 5 × 106 1,5 × 107 a 5 × 109 Cromossomos Uma única molécula de Múltiplas moléculas de DNA circular DNA linear
  • 4. A CÉLULA / 5 Figura 1.1 Escala de tempo da evolução A escala indica o tempo aproximado no Presente qual supõe-se que alguns dos principais 0 eventos na evolução das células tenham ocorrido. 1 Organismos multicelulares 2 Bilhões de anos atrás Primeiros eucariotos Metabolismo oxidativo 3 Fotossíntese Eletrodo Primeiras células CH4 4 NH3 H2O H2O H2 4,6 Formação da Terra CH4 H2 NH3 Descarga 5 elétrica Resfria- mento a luz solar ou descargas elétricas, podem ser formadas espontaneamente. A formação Água espontânea de moléculas orgânicas foi pela primeira vez demonstrada experimental- mente na década de 1950, quando Stanley Miller (então um estudante de gradua- ção) mostrou que a descarga de faíscas elétricas em uma mistura de H2, CH4 e NH3, na presença de água, levava à formação de uma grande variedade de moléculas orgânicas, inclusive de vários aminoácidos (Figura 1.2). Embora os experimen- tos de Miller não tenham repetido precisamente as condições da Terra primitiva, Calor eles demonstraram claramente a possibilidade da síntese espontânea de molécu- las orgânicas, fornecendo o material básico a partir do qual se originaram os Moléculas primeiros organismos vivos. orgânicas A próxima etapa na evolução foi a formação de macromoléculas. Tem sido demonstrado que, sob as prováveis condições pré-bióticas, os blocos monoméricos Alanina Ácido aspártico Ácido glutâmico Glicina Figura 1.2 Formação espontânea de moléculas orgânicas Uréia O vapor de água circulou através de uma atmosfera composta de CH4, NH3 e H2, dentro da qual faíscas elétricas foram liberadas. A análise dos produtos da reação revelou a formação de Ácido lático uma variedade de moléculas orgânicas, incluindo os aminoácidos alanina, ácido aspártico, ácido Ácido acético glutâmico e glicina. Ácido fórmico
  • 5. 6 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN formam, por polimerização espontânea, as macromoléculas. Por exemplo, o aqueci- mento de misturas secas de aminoácidos resulta na polimerização para formar poli- peptídeos. Contudo, a característica essencial da macromolécula a partir da qual a vida evoluiu deve ter sido a capacidade de auto-replicação. Somente uma macromo- lécula capaz de controlar a síntese de novas cópias de si própria poderia ser capaz de reprodução e posterior evolução. Dos dois tipos principais de macromoléculas informativas presentes atualmen- te (ácidos nucléicos e proteínas), somente os ácidos nucléicos são capazes de contro- lar sua auto-replicação. Os ácidos nucléicos podem servir de moldes para sua própria síntese como resultado do pareamento específico de bases entre nucleotídeos com- plementares (Figura 1.3). A etapa essencial no entendimento da evolução molecular foi alcançada no início da década de 1980, quando foi descoberto nos laboratórios de Sid Altman e Tom Cech que o RNA é capaz de catalisar várias reações químicas, incluindo a polimerização de nucleotídeos. Estudos mais avançados ampliaram as atividades catalíticas conhecidas do RNA, incluindo a descrição de moléculas de RNA que controlam a síntese de uma nova fita de RNA a partir de um RNA-molde. O RNA é, assim, tanto capaz de servir como molde quanto capaz de catalisar sua própria replicação. Conseqüentemente, em geral é aceito que o RNA tenha sido o sistema genético inicial, e supõe-se que a fase inicial da evolução química tenha sido baseada nas moléculas de RNA auto-replicativas – um período da evolução conheci- do como mundo de RNA. Então, interações ordenadas entre RNA e aminoácidos evoluíram para o código genético atual, e o DNA finalmente substituiu o RNA como material genético. Presume-se que a primeira célula tenha originado-se da inclusão de RNAs auto- replicativos em uma membrana composta de fosfolipídeos (Figura 1.4). Como dis- cutido em detalhes no próximo capítulo, os fosfolipídeos são os componentes bási- cos de todas as membranas biológicas atuais, incluindo as membranas plasmáticas de células procarióticas e eucarióticas. A característica-chave dos fosfolipídeos que for- mam as membranas é que eles são moléculas anfipáticas, significando que uma por- ção da molécula é solúvel em água e a outra porção é insolúvel. Os fosfolipídeos têm longas caudas de hidrocarbonetos insolúveis em água (hidrofóbica) ligadas a uma cabeça com grupos fosfato solúvel em água (hidrofílica). Quando colocados na água, os fosfolipídeos agregam-se espontaneamente em uma bicamada, com suas cabeças com grupos fosfato na porção exterior em contato com a água e suas caudas de hidrocarbonetos no interior em contato umas com as outras. Tais bicamadas de fos- folipídeos formam uma barreira estável entre dois compartimentos aquosos – por Figura 1.3 Auto-replicação do RNA exemplo, separando o interior de uma célula do meio externo. O pareamento complementar entre nucleo- tídeos (adenina [A] com uracil [U] e guani- A inclusão do RNA auto-replicativo e de moléculas associadas em uma mem- na [G] com citosina [C]) permite que uma brana de fosfolipídeos poderia tê-los mantido, assim, como uma unidade, capaz de fita de RNA sirva como molde para a sínte- auto-replicação e posterior evolução. A síntese de proteína controlada por RNA já se de uma nova fita com a seqüência com- plementar. C C C G C G C G C G G G G G C G C G C G C C A A U A U A U A U U A G G C G C G C G C C A A A U A U A U U U U U U A U A U A U A U U U A U A U A U A A G G G C G C G C G C C A A U A U A U A U A U C C C G C G C C G G G
  • 6. A CÉLULA / 7 RNA Figura 1.4 Inclusão do RNA auto- replicativo em uma membrana de Membrana de fosfolipídeo fosfolipídeos Supõe-se que a primeira célula tenha sido criada pela inclusão de RNA auto-replicati- vo e moléculas associadas em uma membra- Água Molécula de na composta de fosfolipídeos. Cada molécu- fosfolipídeo la de fosfolipídeo tem duas longas caudas hidrofóbicas ligadas a uma cabeça hidrofíli- Cabeça com ca. As caudas hidrofóbicas estão inseridas na grupo hidrofílico bicamada lipídica; as cabeças hidrofílicas es- Cauda tão expostas à água em ambos os lados da hidrofóbica membrana. Água poderia ter sido desenvolvida neste tempo, no qual a primeira célula poderia ser constituída de um RNA auto-replicativo e das proteínas por ele codificadas. A Evolução do Metabolismo Em razão de as células terem originado-se em um mar de moléculas orgânicas, elas eram capazes de obter alimento e energia diretamente do ambiente. Todavia, essa situação é autolimitante, e por isso as células precisaram desenvolver seus próprios mecanismos para geração de energia e síntese de moléculas necessárias para sua repli- cação. A geração e a utilização controlada da energia metabólica são essenciais para todas as atividades celulares, e as principais vias do metabolismo energético (discuti- do em detalhes no Capítulo 2) são bastante conservadas nas células atuais. Todas as células usam adenosina 5´-trifosfato (ATP) como fonte de energia metabólica para controlar a síntese dos constituintes celulares e realizar outras atividades que exigem energia, como o movimento (por exemplo, contração muscular). Presume-se que o mecanismo usado pelas células para geração de ATP evoluiu em três etapas, corres- pondentes à evolução da glicólise, fotossíntese e metabolismo oxidativo (Figura 1.5). O desenvolvimento dessas vias metabólicas mudou a atmosfera da Terra, dessa forma alterando o futuro curso da evolução. Presume-se que na atmosfera anaeróbica da Terra primitiva as primeiras reações de geração de energia envolviam a quebra de moléculas orgânicas na ausência de Glicólise C6H12O6 2 C3H6O3 Geração de 2 ATP Glicose Ácido lático Figura 1.5 Geração do metabolismo Fotossíntese energético A glicólise é a hidrólise anaeróbica da 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 glicose para ácido lático. A fotossíntese Glicose utiliza a energia da luz solar para fazer a síntese de glicose a partir de CO2 e H2O, Metabolismo oxidativo com a liberação de O2 como subproduto. O O2 liberado pela fotossíntese é usado no C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Geração de 36-38 ATP metabolismo oxidativo, no qual a glicose é Glicose quebrada em CO2 e H2O, liberando muito mais energia que a obtida pela glicólise.
  • 7. 8 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN oxigênio. Essas reações eram provavelmente reações semelhantes à glicólise atual – a quebra anaeróbica da glicose para ácido lático com o ganho energético líquido de duas moléculas de ATP. Além do uso do ATP como fonte de energia química intra- celular, todas as células atuais realizam glicólise, o que é compatível com a noção de que essas reações surgiram muito cedo na evolução. A glicólise forneceu o mecanismo pelo qual a energia de moléculas orgânicas pré-formadas (por exemplo, glicose) poderia ser convertida em ATP, o qual podia então ser usado como fonte de energia para direcionar outras reações metabólicas. Presume-se que a seguinte etapa evolutiva importante tenha sido o desenvolvimento da fotossíntese, que permitiu às células captar energia da luz solar e forneceu a inde- pendência da utilização de moléculas orgânicas pré-formadas. A primeira bactéria fotossintética, que surgiu há mais de 3 bilhões de anos, provavelmente utilizava H2S para converter CO2 em moléculas orgânicas – uma via de fotossíntese ainda utilizada por algumas bactérias. O uso de H2O como doador de elétrons e hidro- gênio para a conversão do CO2 em componentes orgânicos evoluiu mais tarde e teve a importante conseqüência de mudar a atmosfera da Terra. O uso de H2O nas reações de fotossíntese origina, como produto secundário, o O2 livre; presu- me-se que esse mecanismo tenha sido o responsável por tornar o O2 abundante na atmosfera da Terra. Membrana A liberação do O2, como conseqüência da fotossíntese, mudou o ambiente no plasmática qual as células estavam em desenvolvimento, e presume-se que tenha levado ao de- Parede senvolvimento do metabolismo oxidativo. Alternativamente, o metabolismo oxida- celular tivo pode ter evoluído antes da fotossíntese, com o aumento do O2 atmosférico, fornecendo, então, uma forte vantagem evolutiva para os organismos capazes de usar O2 nas reações produtoras de energia. Em ambos os casos, o O2 é uma molécula altamente reativa, e o metabolismo oxidativo, usando esta reatividade, forneceu um mecanismo para geração de energia a partir de moléculas orgânicas que é muito mais eficiente que a glicólise anaeróbica. Por exemplo, a hidrólise completa da glicose em CO2 e H2O rende energia equivalente a 36-38 moléculas de ATP, em contraste com as 2 moléculas de ATP formadas pela glicólise anaeróbica. Com poucas exceções, as células atuais usam reações oxidativas como principal fonte de energia. Procariotos Atuais Os procariotos atuais, que incluem todos os diversos tipos de bactérias, são divididos em dois grupos – as arqueobactérias e as eubactérias – que divergiram precocemente na evolução. Algumas arqueobactérias vivem em ambientes extremos, que atualmen- te são raros, mas que poderiam ter sido predominantes na Terra primitiva. Por exem- plo, os termoacidófilos vivem em fontes térmicas sulfurosas com temperaturas tão altas quanto 80oC e pH tão baixo quanto 2. As eubactérias incluem as formas co- muns das bactérias atuais – um grande grupo de organismos que vive em uma ampla variedade de ambientes, incluindo solo, água e outros organismos (por exemplo, patógenos humanos). Muitas células bacterianas são esféricas, em forma de bastonete ou espirais, com diâmetros de 1 a 10 µm. O conteúdo de DNA varia entre 0,6 milhão e 5 milhões de pares de bases, uma quantidade suficiente para codificar aproximada- Nucleóide mente 5.000 proteínas diferentes. As cianobactérias são os maiores e mais comple- xos procariotos, bactérias que desenvolveram a fotossíntese. 0,5 µ m A estrutura de uma célula procariótica típica é ilustrada pela Escherichia coli Figura 1.6 Micrografia eletrônica de (E. coli), uma bactéria comum, habitante do trato intestinal dos humanos (Figura E. coli 1.6). A célula é um bastonete, com aproximadamente 1 µm de diâmetro e 2 µm de A célula é circundada pela parede celular, comprimento. Como a maioria dos outros procariotos, a E. coli é circundada por dentro da qual está a membrana plasmática. uma parede celular rígida composta de polissacarídeos e peptídeos. Dentro da O DNA está localizado no nucleóide. parede celular está a membrana plasmática, que é uma bicamada de fosfolipíde- (Menge and Wurtz/Biozentrum, University of Basel/Science Photo Library/Photo Rese- os e proteínas associadas. Enquanto a parede celular é porosa e facilmente pene- archers, Inc.) trada por uma variedade de moléculas, a membrana plasmática fornece a separa-
  • 8. A CÉLULA / 9 ção funcional entre o interior da célula e o ambiente externo. O DNA da E. coli é uma molécula circular única no nucleóide, o qual, em contraste com o núcleo dos eucariotos, não é circundado por uma membrana que o separa do citoplasma. O citoplasma contém aproximadamente 30.000 ribossomos (o local da síntese protéi- ca), que contribuem para sua aparência granular. Células Eucarióticas Como as células procarióticas, todas as células eucarióticas são circundadas pela mem- brana plasmática e contêm ribossomos. Entretanto, as células eucarióticas são muito mais complexas e apresentam um núcleo, organelas citoplasmáticas e um citoesque- leto (Figura 1.7). A maior e mais proeminente organela das células eucarióticas é o núcleo, com um diâmetro de aproximadamente 5 µm. O núcleo contém a informa- ção genética da célula, que nos eucariotos é organizada como uma molécula de DNA linear, em vez de circular. O núcleo é o local da replicação do DNA e da síntese do RNA; a tradução do RNA em proteínas ocorre em ribossomos no citoplasma. Além do núcleo, as células eucarióticas apresentam no citoplasma uma varieda- de de organelas circundadas por membranas. Essas organelas formam compartimen- tos nos quais se localizam as diferentes atividades metabólicas. Em geral, as células eucarióticas são muito maiores que as células procarióticas, freqüentemente tendo um volume celular de, no mínimo, mil vezes maior. A compartimentalização causa- da pelas organelas citoplasmáticas é que permite o funcionamento eficiente das célu- las eucarióticas. Duas dessas organelas, as mitocôndrias e os cloroplastos, exercem papel fundamental no metabolismo energético. As mitocôndrias, que são encontra- das em quase todas as células eucarióticas, são os locais do metabolismo oxidativo e são responsáveis pela geração da maior parte do ATP derivado da quebra de molécu- las orgânicas. Os cloroplastos são os locais da fotossíntese e são encontrados somente nas células de plantas e algas verdes. Os lisossomos e os peroxissomos também for- necem compartimentos metabólicos especializados para a digestão de macromolécu- las e várias reações oxidativas, respectivamente. Além disso, a maioria das células vegetais contém grandes vacúolos que executam uma variedade de funções, incluin- do a digestão de macromoléculas e a estocagem de produtos de excreção e nutrientes. Devido ao tamanho e à complexidade das células eucarióticas, o transporte de proteínas para seus destinos corretos é uma tarefa extremamente complexa. Duas organelas citoplasmáticas, o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi, são dedicadas especificamente para a organização e o transporte de proteínas destinadas à secreção, à incorporação à membrana plasmática e à incorporação aos lisossomos. O retículo endoplasmático é uma extensa rede de membranas intracelulares, esten- dendo-se a partir da membrana nuclear por todo o citoplasma. Ele funciona não somente no processamento e transporte de proteínas, mas também na síntese de lipídeos. As proteínas são transportadas em pequenas vesículas a partir do retículo endoplasmático para o complexo de Golgi, onde são processadas e organizadas para o transporte ao destino final. Além do papel no transporte de proteínas, o complexo de Golgi serve como local da síntese de lipídeos e (em células vegetais) como local de síntese de alguns polissacarídeos que formam a parede celular. As células eucarióticas têm outro nível de organização interna: o citoesqueleto, uma rede de filamentos protéicos que se estende por todo o citoplasma. O citoesque- leto fornece a estrutura da célula, determinando o formato celular e gerando a orga- nização do citoplasma. Além disso, o citoesqueleto é responsável pelos movimentos da célula inteira (por exemplo, a contração das células musculares), pelo transporte intracelular e pelo posicionamento das organelas e outras estruturas, incluindo o movimento dos cromossomos durante a divisão celular. Os eucariotos surgiram há pelo menos 2,7 bilhões de anos, seguindo em 1 a 1,5 bilhão de anos a evolução dos procariotos. Estudos das seqüências de DNA indicam que as arqueobactérias e eubactérias são tão diferentes entre si quanto são dos euca- riotos atuais. Portanto, um evento muito precoce na evolução parece ter sido a diver-
  • 9. 10 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN Célula animal Peroxissomo Centríolo Mitocôndria Retículo endoplasmático rugoso Retículo Núcleo endoplasmático liso Nucléolo Lisossomo Citoesqueleto Membrana plasmática Complexo de Golgi Ribossomos Figura 1.7 Estruturas das células animais e vegetais Tanto as células animais como as vegetais gência dos três grupos de descendentes a partir de um ancestral comum, originando são circundadas pela membrana plasmática as atuais arqueobactérias, as eubactérias e os eucariotos. De forma interessante, mui- e contêm um núcleo, um citoesqueleto e tos genes de arqueobactérias são mais parecidos com os de eucariotos que com os de muitas organelas citoplasmáticas. As células eubactérias, indicando que as arqueobactérias e os eucariotos compartilham uma vegetais são também circundadas pela pare- linha evolutiva em comum e são mais proximamente relacionados um ao outro do de celular e contêm cloroplastos e vacúolos grandes. que qualquer um dos dois às eubactérias (Figura 1.8). Uma etapa crítica na evolução das células eucarióticas foi a aquisição das organelas subcelulares circundadas por membranas, permitindo o desenvolvimento das caracterís- ticas complexas dessas células. Supõe-se que as organelas tenham sido adquiridas como o resultado de uma associação de células procarióticas com eucariotos ancestrais. A hipótese de que células eucarióticas evoluíram a partir de uma associação de sim- biose com procariotos – endossimbiose – é bem sustentada pelos estudos de mitocôndri- as e cloroplastos, os quais supõe-se terem evoluído a partir de bactérias que viviam em células maiores. Ambos, mitocôndrias e cloroplastos, são similares às bactérias em tama- nho, e como bactérias, reproduzem-se por divisão binária. E o mais importante, ambos, mitocôndrias e cloroplastos, contêm seu próprio DNA, o qual codifica alguns dos seus componentes. Os DNAs de mitocôndrias e cloroplastos são replicados cada vez que a organela se divide, e os genes que eles codificam são transcritos dentro da organela e traduzidos no ribossomo da organela. A mitocôndria e o cloroplasto contêm seus pró- prios sistemas genéticos, que são diferentes do usado no genoma nuclear da célula. Além disso, o ribossomo e o RNA ribossomal dessas organelas são mais proximamente relacio- nados com os de bactérias do que com os codificados pelo genoma nuclear dos eucariotos.
  • 10. A CÉLULA / 11 Célula vegetal Citoesqueleto Mitocôndria Peroxissomo Vacúolo Ribossomo Cloroplastos Retículo endoplasmático liso Retículo endoplasmático rugoso Nucléolo Núcleo Parede celular Complexo de Golgi Membrana plasmática Outras Fungos Cianobactérias eubactérias Plantas Animais (leveduras) Protistas Arqueobactérias Cloroplastos Mitocôndrias Figura 1.8 Evolução das células As células atuais evoluíram de um ancestral procarioto co- mum por três linhas de descendência, dando origem às ar- queobactérias, às eubactérias e aos eucariotos. As mitocôn- drias e os cloroplastos originaram-se da associação por en- dossimbiose de bactérias aeróbicas e cianobactérias com o ancestral dos eucariotos, respectivamente.
  • 11. 12 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN A origem dessas organelas por endossimbiose é amplamente aceita, e supõe-se que a mitocôndria tenha evoluído de bactérias aeróbicas e o cloroplasto, de bactérias fotossintéticas, como as cianobactérias. A aquisição de bactérias aeróbicas poderia ter fornecido a uma célula anaeróbica a capacidade de realizar reações de metabolismo oxidativo. A aquisição de bactérias fotossintéticas poderia ter fornecido a indepen- dência nutricional proporcionada pela habilidade de efetuar a fotossíntese. Dessa maneira, essas associações por endossimbiose foram altamente vantajosas e foram positivamente selecionadas pela evolução. Ao longo do tempo, a maioria dos genes originalmente presentes nas bactérias foi, aparentemente, incorporada no genoma nuclear da célula, e somente poucos componentes da mitocôndria e do cloroplasto ainda são codificados pelos genomas das organelas. O Desenvolvimento dos Organismos Multicelulares Muitos eucariotos são organismos unicelulares que, como as bactérias, consistem em somente uma única célula capaz de auto-replicação. Os eucariotos mais simples são as leveduras. As leveduras são mais complexas que as bactérias, porém menores e mais sim- ples que as células de animais e plantas. Por exemplo, a comumente estudada levedura Saccharomyces cerevisiae tem aproximadamente 6 µm de diâmetro e seu DNA contém 12 milhões de pares de bases (Figura 1.9). Entretanto, outros eucariotos unicelulares são células muito mais complexas, algumas contendo tanto DNA quanto as células humanas (Tabela 1.2). Eles incluem organismos especializados para realizar uma grande variedade TABELA 1.2 Conteúdo de DNA de ações, incluindo a fotossíntese, o movimento e a captura e ingestão, como alimento, de das Células outros organismos. Por exemplo, a Amoeba proteus é uma célula grande e complexa. Seu volume é de mais de 100.000 vezes o de uma E. coli e seu comprimento excede 1 mm, Organismo Conteúdo haplóide quando a célula está totalmente estendida (Figura 1.10). As amebas são organismos com de DNA alta mobilidade que usam extensões citoplasmáticas, chamadas de pseudópodos, para (milhões de pares de bases) mover e para englobar outros organismos, incluindo bactérias e leveduras, como alimen- tos. Outros organismos eucariotos unicelulares (como algas verdes) contêm cloroplastos e Bactérias são capazes de realizar fotossíntese. Mycoplasma 0,6 Os organismos multicelulares evoluíram a partir de eucariotos unicelulares há, E. coli 4,6 pelo menos, 1,7 bilhão de anos. Alguns eucariotos unicelulares formam agregados Eucariotos unicelulares multicelulares que parecem representar uma transição evolutiva entre células indivi- Saccharomyces cerevisiae 12 duais e organismos multicelulares. Por exemplo, as células de muitas algas (como a (Levedura) alga verde Volvox) associam-se umas com as outras para formarem colônias multice- Dictyostelium discoideum 70 Euglena 3.000 Plantas Arabidopsis thaliana 125 Zea mays (milho) 5.000 Animais Caenorhabditis elegans 97 (nematóide) Drosophila melanogaster 180 (mosca-da-fruta) Galinha 1.200 “Zebrafish”* 1.700 Camundongo 3.000 Humano 3.000 5 µm * N. de R.T. Zebrafish é um peixe usado como modelo experimental e recebe o nome comum Figura 1.9 Micrografia eletrônica de varredura do Saccharomyces cerevisiae no Brasil de “paulistinha”. Ver página 19. Cor artificial foi adicionada à micrografia. (Andrew Syed/Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.)
  • 12. A CÉLULA / 13 lulares (Figura 1.11), que se supõe terem sido os precursores evolutivos das plantas atuais. O aumento da especialização celular direcionou a transição de agregados co- loniais para verdadeiros organismos multicelulares. A contínua especialização celular e a divisão de tarefas entre as células do organismo levaram à complexidade e diver- sidade observadas entre os diferentes tipos de células que compõem as plantas e os animais atuais, incluindo os seres humanos. As plantas são compostas por uma menor variedade de tipos celulares que os animais, mas cada tipo diferente de célula vegetal é especializado para realizar uma função específica necessária para o organismo como um todo (Figura 1.12). As célu- las das plantas são organizadas em três principais sistemas de tecidos: tecido de sus- 0,2 mm tentação, tecido dérmico e tecido vascular. O tecido de sustentação contém as células do parênquima, que realizam a maioria das reações metabólicas das plantas, incluin- Figura 1.10 Micrografia ótica de do a fotossíntese. O tecido de sustentação também contém dois tipos de células Amoeba proteus (M.I. Walker/Photo Researchers, Inc.) especializadas (célula do colênquima e célula do esclerênquima), que são caracteriza- das pelas grossas paredes celulares e fornecem o suporte estrutural para a planta. O tecido dérmico cobre a superfície da planta e é composto de células epidérmicas, formando uma camada de proteção e permitindo a absorção de nutrientes. Final- mente, diversos tipos de células alongadas formam o sistema vascular (o xilema e o floema), que é responsável pelo transporte de água e nutrientes por toda a planta. As células encontradas nos animais são consideravelmente mais diversificadas que as das plantas. O corpo humano, por exemplo, é composto por mais de 200 tipos diferentes de células que geralmente são consideradas os componentes de cinco tipos principais de tecidos: tecido epitelial, tecido conectivo, sangue, tecido nervoso (A) (B) Figura 1.11 Colônia de alga verde Células individuais de Volvox formam colô- nias, nas quais centenas ou milhares de cé- lulas estão incorporadas em uma matriz ge- latinosa. (Cabisco/Visuals Unlimited.) (C) (D) Figura 1.12 Micrografias óticas de células representativas de plantas (A) Células do parênquima, que são respon- sáveis pela fotossíntese e por outras reações metabólicas. (B) Células do colênquima, que são responsáveis pela sustentação e apresentam paredes celulares espessas. (C) Células da epiderme na superfície de uma folha. Poros pequenos (estômatos) são flan- queados por células especializadas chamadas de células-vigia. (D) Elementos dos vasos e traqueídeos são células alongadas que são organizadas uma de ponta para a outra para formar os vasos do xilema. (A, Jack M. Bastsack/Visuals Unlimited; B, A. J. Karpo- ff/Visuals Unlimited; C, Alfred Owczarzak/ Biological Photo Service; D, Biophoto Associ- 50 mm ates/Science Source/Photo Researchers Inc.)
  • 13. 14 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN e músculo (Figura 1.13). As células epiteliais formam camadas que cobrem a super- fície do corpo e recobrem os órgãos internos. Há muitos tipos diferentes de células epiteliais, cada um especializado para uma função específica, incluindo proteção (a pele), absorção (por exemplo, as células da mucosa do intestino delgado) e secreção (por exemplo, as células da glândula salivar). O tecido conectivo inclui ossos, cartila- gens e tecido adiposo, cada um formado por diferentes tipos de células (respectiva- mente, osteoblastos, condrócitos e adipócitos). O tecido conectivo frouxo, que intercala (A)i Boca (A)ii Ducto biliar (A)iii Intestino (B) Figura 1.13 Micrografias óticas de células animais representativas (A) Células do epitélio da boca (uma grossa camada multicelular), do ducto biliar e do intestino. (B) Fibroblastos são células do te- cido conectivo, caracterizados por sua for- ma alongada. (C) Eritrócitos, granulócitos, linfócitos e monócitos no sangue humano. ([A]i e [A]ii, G. W. Willis/Biological Photo Service; [A]iii, Biophoto Associates/Photo Researchers, Inc.; B, Don W. Fawcett/Visu- als Unlimited; C. G. W. Willis/Biological Photo Service.) (C) Eritrócito Linfócito Monócito Granulócito
  • 14. A CÉLULA / 15 as camadas epiteliais e preenche os espaços entre órgãos e tecidos do corpo, é forma- do por outro tipo de célula, o fibroblasto. O sangue contém vários tipos diferentes de células, que funcionam no transporte do oxigênio (células vermelhas ou eritróci- tos), nas reações inflamatórias (granulócitos, monócitos e macrófagos) e na resposta imunológica (linfócitos). O tecido nervoso é composto pelas células nervosas, ou neu- rônios, que são altamente especializadas para transmitir sinais através do corpo. Vários tipos de células sensoriais, como as células dos olhos e dos ouvidos, são mais especializa- dos para receberem sinais externos do ambiente. Finalmente, vários diferentes tipos de células musculares são responsáveis pela produção da força e do movimento. Claramente, a evolução dos animais envolveu o desenvolvimento de uma con- siderável diversidade e especialização no nível celular. A compreensão dos mecanis- mos de controle do crescimento e de diferenciação em tal grupo complexo de células especializadas, originadas a partir de um único ovo fertilizado, é um dos principais desafios que se apresentam à biologia celular e molecular contemporânea. Células como Modelos Experimentais A evolução das células atuais a partir de um ancestral comum tem importantes im- plicações para a biologia celular e molecular como uma ciência experimental. Já que as propriedades fundamentais de todas as células foram conservadas durante a evolu- ção, os princípios básicos aprendidos com experimentos feitos com um tipo de célula são geralmente aplicáveis para outras células. Por outro lado, em razão da diversidade das células atuais, muitos tipos de experimentos podem ser mais facilmente realiza- dos em um tipo de célula do que em outro. Vários tipos diferentes de células e organismos são comumente usados como modelos experimentais para estudar diver- sos aspectos da biologia celular e molecular. As características de algumas dessas célu- las que as tornam de particular utilidade como modelos experimentais são discutidas nas seções seguintes. E. coli Em virtude da sua simplicidade relativa, células procarióticas (bactérias) são modelos ideais para o estudo de diversos aspectos fundamentais da bioquímica e da biologia molecular. A espécie de bactéria mais amplamente estudada é a E. coli, que tem sido, há muito tempo, o organismo favorito para pesquisa dos mecanismos básicos da genética molecular. A maioria dos nossos conceitos atuais de biologia molecular – incluindo nossa compreensão da replicação do DNA, do código genético, da expres- são gênica e da síntese protéica – deriva dos estudos com essa modesta bactéria. A E. coli tem sido especialmente útil para os biólogos moleculares, tanto por sua relativa simplicidade, como pela facilidade com que pode ser reproduzida e estu- dada em laboratório. O genoma da E. coli, por exemplo, consiste em aproximada- mente 4,6 milhões de pares de bases e contém cerca de 4.000 genes. O genoma humano é quase mil vezes maior (aproximadamente 3 bilhões de pares de bases) e pensa-se que contenha 30-40.000 genes (ver Tabela 1.2). O pequeno tamanho do genoma da E. coli (que foi completamente seqüenciado em 1997) fornece óbvia vantagem para a análise genética. Experimentos de genética molecular são facilitados pela rápida multiplicação da E. coli em condições laboratoriais bem definidas. Em condições ótimas de cultu- ra, a cada 20 minutos a E. coli divide-se. Além disso, uma população clonal de E. coli, na qual todas as células derivam da multiplicação de uma única célula, pode ser facilmente isolada como uma colônia crescendo em meio semi-sólido contendo ágar (Figura 1.14). Uma vez que colônias de bactérias contendo 108 células podem ser cultivadas em apenas uma noite, a seleção de variantes genéticas de uma cepa de E. coli – por exemplo, mutantes que são resistentes a um antibiótico como a penicilina – é Figura 1.14 Colônias de bactérias fácil e rápida. A facilidade com que esses mutantes podem ser selecionados e analisa- Fotografia de colônias de E. coli crescendo dos foi essencial para o sucesso dos experimentos que definiram os princípios básicos na superfície de um meio contendo ágar. da genética molecular, discutidos no Capítulo 3. (A. M. Siegelman/Visuals Unlimited.)
  • 15. 16 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN A mistura de nutrientes na qual a E. coli divide-se mais rapidamente inclui glicose, sais e vários compostos orgânicos, como aminoácidos, vitaminas e precurso- res de ácidos nucléicos. Entretanto, a E. coli também pode crescer em um meio muito mais simples, contendo somente sais, uma fonte de nitrogênio (como a amô- nia) e uma fonte de carbono e energia (como a glicose). Nesse meio, a bactéria cresce um pouco mais lentamente (com o tempo de divisão de aproximadamente 40 minu- tos), pois ela deve sintetizar todos os seus aminoácidos, nucleotídeos e outros com- postos orgânicos. A habilidade da E. coli de realizar estas reações de biossíntese em um meio definido simples tornou-a extremamente útil para a elucidação das vias bioquímicas envolvidas nestes processos. Assim, o rápido crescimento e as exigências nutritivas simples da E. coli têm facilitado muito os experimentos fundamentais em biologia molecular e bioquímica. Leveduras Embora as bactérias sejam um inestimável modelo para o estudo de muitas proprie- dades conservadas das células, elas, obviamente, não podem ser utilizadas para estu- dar aspectos da estrutura celular e funções que sejam exclusivas dos eucariotos. As leveduras, os eucariotos mais simples, apresentam diversas vantagens experimentais semelhantes às da E. coli. Conseqüentemente, as leveduras têm sido um modelo essencial para estudos de muitos aspectos fundamentais da biologia celular de eucariotos. O genoma da levedura mais freqüentemente estudada, Saccharomyces cere- visiae, consiste em 12 milhões de pares de bases de DNA e contém aproximada- mente 6.000 genes. Apesar do genoma da levedura ser cerca de três vezes maior do que o da E. coli, ele é muito mais manejável do que o genoma dos eucariotos mais complexos, como o dos humanos. Mesmo com sua simplicidade, a célula da levedura apresenta as características típicas das células eucarióticas (Figura 1.15): ela contém o núcleo isolado pela membrana nuclear, seu DNA genômico é organizado em 16 cromossomos lineares e seu citoplasma contém um citoes- queleto e organelas subcelulares. As leveduras podem ser facilmente cultivadas em laboratório e podem ser estu- dadas por muitas das técnicas de genética molecular que são utilizadas com a E. coli. Apesar das leveduras não se replicarem tão rapidamente quanto as bactérias, elas dividem-se freqüentemente, a cada 2 horas, e podem ser facilmente cultivadas em colônias a partir de células isoladas. Conseqüentemente, as leveduras podem ser uti- lizadas para uma variedade de manipulações genéticas semelhantes àquelas que po- dem ser feitas com bactérias. Essas características têm feito da célula de levedura a célula eucarionte mais abordável pelo ponto de vista da biologia molecular. Leveduras mutantes têm sido importantes para o entendimento de muitos processos fundamentais em eucariotos, incluindo a replicação do DNA, a transcrição, o processamento do RNA, a organiza- ção protéica e a regulação da divisão celular, que serão discutidos nos capítulos se- guintes. A unidade da biologia celular e molecular tem ficado mais clara pelo fato de que os princípios gerais da estrutura e função celular, que têm sido revelados pelos estudos das leveduras, aplicam-se a todas as células eucarióticas. Dictyostelium discoideum O Dictyostelium discoideum é um fungo aquático que, como as leveduras, é um eucarionte unicelular relativamente simples. O genoma do Dictyostelium é aproxi- madamente dez vezes maior que o da E. coli – mais complexo que o genoma das leveduras, porém consideravelmente mais simples que o genoma dos eucariotos su- periores. Além disso, o Dictyostelium pode ser facilmente cultivado em laboratório e 2µm é suscetível a uma variedade de manipulações genéticas. Figura 1.15 Micrografia eletrônica de Sob condições de alimentação farta, o Dictyostelium vive como uma ameba Saccharomyces cerevisiae unicelular, alimentando-se de bactérias e leveduras. Ele é uma célula com grande (David Scharf/Peter Arnold, Inc.) mobilidade, e essa propriedade tem feito do Dictyostelium um importante modelo
  • 16. A CÉLULA / 17 para estudos dos mecanismos moleculares responsáveis pelo movimento das células animais (Figura 1.16). Por exemplo, a introdução no Dictyostelium de mutações es- pecíficas tem revelado o papel de vários genes envolvidos na mobilidade celular. Uma característica interessante adicional do Dictyostelium é a habilidade de células isoladas agregarem-se em estruturas multicelulares. Se um suplemento ade- quado de alimento não é fornecido, as células associam-se para formar uma estrutura vermiforme chamada de lesma, cada uma contendo até 100.000 células que funcio- nam como um indivíduo. Por esse motivo o Dictyostelium parece estar no limite entre organismos unicelulares e multicelulares, e fornece um importante modelo para estudos de sinalização celular e interação célula-célula. Caenorhabditis elegans Os eucariotos unicelulares Saccharomyces e Dictyostelium são importantes modelos para estudos de células eucarióticas, mas a compreensão do desenvolvimento de or- ganismos multicelulares requer a análise experimental de plantas e animais, organis- mos que são muito mais complexos. O nematóide Caenorhabditis elegans (Figura 1.17) possui várias características importantes que o transformam em um dos mode- los mais usados para estudos de desenvolvimento e diferenciação celular dos animais. Embora o genoma do C. elegans (aproximadamente 100 milhões de pares de bases) seja maior que o dos eucariotos unicelulares, ele é mais simples e mais mani- pulável que o genoma da maioria dos animais. A seqüência completa já foi determi- nada, revelando que o genoma do C. elegans contém aproximadamente 19.000 genes – quase três vezes o número de genes das leveduras, e a metade do número de genes dos humanos. Biologicamente, o C. elegans é um organismo multicelular relativa- mente simples: os vermes adultos são compostos de somente 959 células somáticas e 1.000 a 2.000 células germinativas. Além disso, o C. elegans pode ser facilmente cultivado e submetido a manipulações genéticas em laboratório. A simplicidade do C. elegans tem permitido que o curso do seu desenvolvimen- to seja observado em detalhes por observação microscópica. Essas análises definiram 10 µm a origem embrionária e a linhagem de todas as células de um verme adulto. Estudos Figura 1.16 Dictyostelium discoideum genéticos também têm identificado várias das mutações responsáveis por anormali- Estas fotografias mostram o movimento de dades do desenvolvimento, permitindo o isolamento e a caracterização de genes es- duas amebas durante o tempo de 40 segun- senciais que controlam o desenvolvimento e a diferenciação do nematóide. De gran- dos. (Cortesia de David Knecht, University of Connecticut.) de importância, genes similares também têm sido encontrados em animais comple- xos (incluindo humanos), fazendo do C. elegans um importante modelo para estudos do desenvolvimento animal. Drosophila melanogaster Como o C. elegans, a mosca-da-fruta Drosophila melanogaster (Figura 1.18) tem sido um organismo-modelo essencial em biologia do desenvolvimento. O genoma da Drosophila é de tamanho similar ao do C. elegans, embora o genoma da Drosophila contenha apenas Ovário Intestino Faringe Ovos Vulva Reto Ânus Figura 1.17 Caenorhabditis elegans (De J. E. Sulston e H. R. Horvitz, 1977. 1 mm Dev. Biol. 56:110.)
  • 17. 18 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN cerca de 14.000 genes. Além disso, a Drosophila pode ser facilmente mantida e reprodu- zida em laboratório, e o seu curto ciclo reprodutivo (aproximadamente 2 semanas) a transformou em um organismo extremamente útil para experimentos genéticos. Muitos conceitos fundamentais da genética – como a relação entre genes e cromossomos – foram derivados de estudos com Drosophila no início do século XX (ver Capítulo 3). Extensas análises genéticas da Drosophila têm revelado muitos genes que con- trolam o desenvolvimento e a diferenciação, e os atuais métodos de biologia molecu- lar têm permitido que as funções desses genes sejam analisadas em detalhes. Conse- qüentemente, os estudos em Drosophila têm levado a surpreendentes avanços na compreensão dos mecanismos moleculares que controlam o desenvolvimento ani- mal, particularmente com respeito à formação do plano do corpo de organismos multicelulares complexos. Como com o C. elegans, existem genes e mecanismos si- milares em vertebrados, validando o uso da Drosophila como um importante modelo Figura 1.18 Drosophila melanogaster experimental na biologia do desenvolvimento contemporânea. (Darwin Dale/Photo Researchers, Inc.) Arabidopsis thaliana O estudo da biologia molecular e do desenvolvimento em plantas é uma área ativa e em expansão de considerável importância econômica, bem como de interesse inte- lectual. Uma vez que os genomas de plantas apresentam uma complexidade compa- rável com a dos genomas dos animais (ver Tabela 1.2), um modelo ideal para estudos com plantas deveria ser um organismo relativamente simples com algumas das carac- terísticas vantajosas do C. elegans e da Drosophila. A pequena planta com flor Arabi- dopsis thaliana (Figura 1.19) atende a esse critério, sendo amplamente usada como um modelo para o estudo da biologia molecular das plantas. A Arabidopsis é notável pelo seu genoma de somente cerca de 120 milhões de pares de bases, que contém aproximadamente 15.000 genes diferentes – uma com- plexidade semelhante à do C. elegans e da Drosophila. Além disso, a Arabidopsis é relativamente fácil de ser cultivada em laboratório, e métodos para manipulações genéticas moleculares dessa planta já foram desenvolvidos. Esses estudos têm permi- tido a identificação dos genes envolvidos em vários aspectos do desenvolvimento em plantas, como o desenvolvimento das flores. A análise desses genes aponta para mui- tas similaridades, mas também diferenças notáveis, entre os mecanismos que contro- lam o desenvolvimento das plantas e dos animais. Vertebrados Os animais mais complexos são os vertebrados, incluindo o homem e outros mamíferos. O genoma humano tem aproximadamente 3 bilhões de pares de bases – cerca de 30 vezes maior que o genoma do C. elegans, da Drosophila e da Arabidopsis – e contém 30-40.000 genes. Além disso, o corpo humano é composto de mais de 200 diferentes tipos de células especializadas. Essa complexidade torna difícil estudar os vertebrados pela perspectiva da biologia celular e molecular, mas muito do interesse das ciências biológicas origina-se do desejo da compreensão do organismo humano. Além disso, o entendimento de muitas questões de importância prática imediata (por exemplo, na medicina) deve ser baseado diretamente em estudos sobre tipos celulares humanos (ou proximamente relacionados). Um importante meio de estudar células humanas e de outros mamíferos é cultivar células isoladas, de forma que possam ser manipuladas em condições laboratoriais contro- ladas. O uso de cultura celular tem permitido o estudo de muitos aspectos da biologia celular de mamíferos, incluindo experimentos que têm elucidado os mecanismos da re- plicação do DNA, da expressão gênica, da síntese e do processamento protéico e da divisão celular. Além disso, a habilidade de cultivar células em meios quimicamente defi- nidos tem permitido o estudo dos mecanismos de sinalização que controlam o cresci- mento e a diferenciação normal dentro do organismo inteiro. As propriedades especializadas de algumas células altamente diferenciadas têm Figura 1.19 Arabidopsis thaliana feito delas modelos importantes para estudos de aspectos específicos da biologia ce- (Jeremy Burgess/Photo Researchers, Inc.) lular. Células musculares, por exemplo, são altamente especializadas para suportar
  • 18. A CÉLULA / 19 contração, produzindo força e movimento. Em virtude dessa especialização, as célu- las musculares são um modelo essencial para o estudo de movimento celular no nível molecular. Outro exemplo é fornecido pelas células nervosas (neurônios), que são especializadas para conduzir sinais eletroquímicos a grandes distâncias. Em huma- nos, os axônios das células nervosas podem ter mais de um metro de comprimento, e alguns invertebrados, como a lula, têm neurônios gigantes com axônios com mais de 1 mm de diâmetro em largura. Em razão de suas estruturas e funções altamente especializadas, esses neurônios gigantes têm sido um modelo importante para estu- dos sobre o transporte de íons através da membrana plasmática e sobre o papel do citoesqueleto no transporte das organelas citoplasmáticas. O sapo Xenopus laevis é um modelo importante para estudos do desenvolvi- mento inicial dos vertebrados. Os ovos do Xenopus são células extraordinariamente grandes, com o diâmetro de aproximadamente 1 mm (Figura 1.20). Já que os ovos se desenvolvem fora do corpo materno, todos os estágios do desenvolvimento a partir do ovo até o girino podem ser facilmente estudados no laboratório. Além disso, os ovos de Xenopus podem ser obtidos em grande número, facilitando as análises bio- químicas. Por causa dessas vantagens técnicas, o Xenopus tem sido ampla- mente utilizado em estudos da biologia do desenvolvimento e tem propor- cionado descobertas importantes dos mecanismos moleculares que contro- lam o desenvolvimento, a diferenciação e a divisão celular em embriões. O “zebrafish” (paulistinha) (Figura 1.21) possui numerosas vanta- gens para estudos genéticos do desenvolvimento de vertebrados. Esse pequeno peixe é facilmente mantido em laboratório e reproduz-se rapi- damente. Além disso, o embrião desenvolve-se fora da mãe e é transpa- rente, fazendo com que os estágios iniciais do desenvolvimento possam ser observados facilmente. Métodos poderosos têm sido desenvolvidos para facilitar o isolamento de mutações que afetem o desenvolvimento do “zebrafish”, e vários milhares dessas mutações têm sido identificados. Por ser um vertebrado de fácil estudo, o “zebrafish” é um promissor pon- to de conexão para a análise das diferenças entre os humanos e os siste- mas invertebrados mais simples, como o C. elegans e a Drosophila. Dentre os mamíferos, o camundongo é o mais adequado para análises 1 mm genéticas, que serão facilitadas pela conclusão recente da seqüência genômi- Figura 1.20 Ovos do sapo Xenopus ca deste organismo. Apesar das dificuldades técnicas em estudar a genética do camundon- laevis go (comparada, por exemplo, com a genética da levedura ou Drosophila) serem grandes, (Cortesia de Michael Danilchik e Kimberly muitas mutações que afetam o desenvolvimento do camundongo têm sido identifi- Ray.) (A) Figura 1.21 “Zebrafish” (A) Um embrião com 24 horas. (B) Um peixe adulto. (A, cortesia de Charles Kim- mel, University of Oregon; B, cortesia de S. Kondo.) (B)
  • 19. 20 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN cadas. Mais importante, avanços recentes na biologia molecular têm permitido a produção de camundongos transgênicos, nos quais genes mutantes específicos são introduzidos nas linhagens germinativas do camundongo, fazendo com que seus efeitos no desenvolvimento ou em outros aspectos da função celular possam ser estu- dados no contexto do animal completo. A adequação do camundongo como modelo para o estudo do desenvolvimento humano é indicada não apenas pelas similarida- des dos genomas humanos e de camundongo, mas também pelo fato de que mutações em genes homólogos resultam em defeitos semelhantes no desenvolvimento de ambas as espécies (Figura 1.22); um defeito de pigmentação fornece excelente exemplo. Ferramentas da Biologia Celular Como em todas as ciências experimentais, a pesquisa em biologia celular depende de técnicas laboratoriais que possam ser usadas para estudar a estrutura e a função celular. Avanços muito importantes na compreensão das células têm sucedido diretamente o desenvolvimento de novas técnicas, que permitiram novos meios de investigação. O exa- me das metodologias experimentais disponíveis para a biologia celular é essencial para a compreensão tanto da situação atual como do direcionamento futuro dessa área de avan- ço rápido da ciência. Algumas das importantes técnicas de uso comum da biologia celular são descritas nas seções seguintes. Outros métodos experimentais, incluindo os métodos bioquímicos e de biologia molecular, serão discutidos em capítulos posteriores. Microscopia Ótica Já que a maioria das células é muito pequena para ser vista a olho nu, o estudo das células depende fortemente do uso de microscópios. Na realidade, a descoberta das células resul- tou do desenvolvimento do microscópio: Robert Hooke inventou o termo “célula” após suas observações de um pedaço de cortiça com um microscópio ótico simples, em 1665 (Figura 1.23). Usando um microscópio que aumentava os objetos cerca de 300 vezes seu tamanho real, Antony van Leeuwenhoek, por volta de 1670, foi capaz de observar uma grande variedade de tipos celulares diferentes, incluindo espermatozóides, glóbulos ver- melhos e bactérias. A proposta da teoria celular por Matthias Schleiden e Theodor Schwann, em 1838, pode ser vista como o nascimento da biologia celular contemporânea. Estudos microscópicos de tecidos de plantas por Schleiden e de tecidos animais por Schwann Figura 1.22 O camundongo como modelo para o desenvolvimento do homem Uma criança e um camundongo apresen- tam defeitos de pigmentação semelhantes como resultado de mutações no gene neces- sário para a migração normal dos melanóci- tos (as células responsáveis pela pigmenta- ção da pele) durante o desenvolvimento do embrião. (Cortesia de R. A. Fleischman, Ma- rkey Cancer Center, University of Kentucky.)
  • 20. A CÉLULA / 21 levaram às mesmas conclusões: todos os organismos são compostos por células. Pouco tempo após, foi reconhecido que as células não são formadas de novo, mas originam-se somente por divisão de células preexistentes. Conseqüentemente, em razão das observa- ções feitas com o microscópio ótico, a célula foi reconhecida como a unidade fundamen- tal de todos os organismos vivos. O microscópio ótico permanece como um instrumento básico dos biólogos celula- res, com aperfeiçoamentos técnicos permitindo a crescente visualização de detalhes da estrutura celular. Os microscópios óticos atuais são capazes de ampliar objetos até mil vezes. Já que a maioria das células tem entre 1 e 100 µm de diâmetro, elas podem ser observadas por microscopia ótica, como também o podem algumas das organelas subce- lulares maiores, como núcleo, cloroplastos e mitocôndrias. Entretanto, o microscópio ótico não é suficientemente poderoso para revelar detalhes finos da estrutura celular, já que a resolução – a habilidade de um microscópio de distinguir objetos separados por distâncias pequenas – é mais importante do que a ampliação. Imagens podem ser amplia- das tanto quanto desejado (por exemplo, por projeção em uma tela grande), mas a ampli- Figura 1.23 A estrutura celular da cortiça ação não aumenta o nível dos detalhes que podem ser observados. Uma reprodução do desenho de Robert O limite da resolução do microscópio ótico é de aproximadamente 0,2 µm; Hooke de uma fina lâmina de cortiça obser- dois objetos separados por uma distância menor que essa aparecem como uma única vada em um microscópio ótico. As “células” imagem, em vez de serem distinguidos um do outro. Esse limite teórico da microsco- que Hooke observou eram na verdade so- pia ótica é determinado por dois fatores – o comprimento de onda (λ) da luz visível mente as paredes celulares remanescentes das células que já tinham morrido. e a convergência ótica das lentes microscópicas (abertura numérica, NA) – de acordo com a seguinte equação: 0,61λ Resolução = NA O comprimento de onda da luz visível é de 0,4 a 0,7 µm, de modo que o valor de λ é fixado em aproximadamente 0,5 µm para o microscópio ótico. A abertura numéri- ca pode ser considerada como o tamanho do cone de luz que entra nas lentes do microscópio após passar através da amostra (Figura 1.24). Isto é dado pela equação: NA= η sen α onde η é o índice de refração do meio através do qual a luz passa entre a amostra e a lente. O valor de η para o ar é de 1,0, mas pode ser aumentado para um máximo de Lentes da objetiva α Amostra Lentes do condensador Figura 1.24 Abertura numérica A luz é focalizada na amostra pelas lentes do condensador e então coletada pelas lentes Luz da objetiva do microscópio. A abertura nu- mérica é determinada pelo ângulo do cone de luz que entra nas lentes da objetiva (α) e pelo índice de refração do meio (geralmente ar ou óleo) entre as lentes e a amostra.
  • 21. 22 / GEOFFREY M. COOPER • ROBERT E. HAUSMAN aproximadamente 1,4 pelo uso de uma lente para óleo de imersão, quando a amostra é vista através de uma gota de óleo. O ângulo α corresponde à metade do compri- mento do cone de luz recebido pela lente. O valor máximo de α é 90o, sendo seno α = 1, de modo que o maior valor possível para a abertura numérica é 1,4. Portanto, o limite teórico para a resolução do microscópio ótico pode ser calcu- lado como segue: Resolução = 0,61 x 0,5 = 0,22 µm 1,4 Microscópios capazes de atingir esse nível de resolução já podiam ser feitos no fim do século XIX; portanto, aprimoramentos nesse aspecto da microscopia ótica não devem ser esperados. Vários tipos diferentes de microscopia ótica são rotineiramente usados para o estudo de vários aspectos da estrutura celular. O mais simples é a microscopia de campo claro, no qual a luz passa diretamente através da célula e a capacidade de distinguir diferentes partes da célula depende do contraste resultante da ab- sorção da luz visível pelos componentes celulares. Em muitos casos, células são coradas com corantes que reagem com proteínas e ácidos nucléicos com o obje- tivo de aumentar o contraste entre as diferentes partes da célula. Antes da colo- ração, as amostras em geral são tratadas com fixadores (como álcool, ácido acéti- co ou formaldeído) para estabilizar e preservar suas estruturas. A análise de teci- dos fixados e corados pela microscopia de campo claro é o método-padrão para a análise de amostras de tecidos em laboratórios de histologia (Figura 1.25). En- tretanto, esses procedimentos de coloração matam as células e, portanto, não são adequados para muitos experimentos, nos quais a observação de células vivas é desejável. Sem coloração, a passagem direta da luz não fornece contraste suficiente para distinguir muitas partes da célula, limitando a utilização da microscopia de campo claro. Entretanto, variações do microscópio ótico podem ser usadas para aumentar o contraste entre as ondas de luz que passam através de regiões da célula de densidades diferentes. Dois dos métodos mais comuns para visualiza- ção de células vivas são a microscopia de contraste de fase e a microscopia de contraste de interferência diferencial (Figura 1.26). Ambos os tipos de micros- copia usam sistemas óticos que convertem variações de densidade ou espessura Figura 1.25 Micrografia de campo claro de tecido corado Secção de um tumor benigno de rim. (G. W. Willis/Biological Photo Service.)