Biologia Celular e Molecular (5ª Edição) by Grupo Lidel

5.ª Edição

A I G O L BIO e R A L CELU R A L U C MOLE

E. SUNKEL IO D U A L C / VEDO CARLOS AZE

Carlos Azevedo Professor Catedrático Jubilado de Biologia Celular do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar da Universidade do Porto. Doutor em Biologia, com especialidade em Fisiologia e Ultrastrutura Celular. Investigador do Centro Interdisciplinar de Investigação Marinha e Ambiental da Universidade do Porto. Desenvolve a sua atividade de investigação na área da Patologia e Parasitologia de animais aquáticos usando as tecnologias da microscopia (de luz e eletrónica), citoquímica e biologia molecular. É autor e coautor de mais de uma centena de artigos publicados em revistas internacionais, nos quais descreveu mais de 50 novas espécies de parasitas, e é autor de vários capítulos de livros didáticos. Pertence ao Editorial Board de várias revistas e é revisor de numerosos artigos submetidos a várias revistas. É Visiting Professor do College of Science of King Saud University de Riyadh, Arábia Saudita. Tem cooperação científica com várias Universidades e Institutos de Investigação científica estrangeiros, nomeadamente com o Brasil, Espanha, Angola e EUA.

Claudio E. Sunkel Professor Catedrático de Biologia Molecular do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar da Universidade do Porto, onde leciona Biologia Molecular e Celular. Doutor em Biologia e Genética pela Universidade de Sussex, Inglaterra. Nasceu no Chile em 1958. Em 1987, criou o Laboratório de Genética Molecular no Centro de Citologia Experimental da Universidade do Porto. Participou na formação do Instituto de Biologia Molecular e Celular (IBMC), e é atualmente o seu Diretor. Dirige o Laboratório de Genética Molecular, onde desenvolve a sua atividade de investigação sobre a divisão celular e as bases genéticas do cancro. Tem publicado mais de 100 artigos originais em revistas internacionais. É também membro da European Molecular Biology Organization, onde exerce cargos no conselho do European Molecular Biology Laboratory.

BIOLOGIA CELULAR E MOLECULAR 5.ª Edição

Coordenação:

Carlos Azevedo Claudio E. Sunkel

LISBOA – PORTO e-mail: lidel@lidel.pt http://www.lidel.pt (Lidel online) (site seguro – certificado pela Thawte)

ÍNDICE Lista de Autores ........................................................................................................................................... XIII Prefácio da 5.ª Edição .................................................................................................................................. XVII Nota do Editor............................................................................................................................................... XVIII Lista de Siglas e Abreviaturas .................................................................................................................. XIX

1 – A Célula Carlos Azevedo e Claudio E. Sunkel Introdução ......................................................................................................................................................

Polimorfismo celular ....................................................................................................................................

Membrana celular .........................................................................................................................................

Citoplasma .....................................................................................................................................................

Núcleo .............................................................................................................................................................

Células ultrastruturalmente diferentes ......................................................................................................

Conclusão .......................................................................................................................................................

2 – A Célula Procariota Ana Maria Parente

Introdução ......................................................................................................................................................

Morfologia e dimensões ...............................................................................................................................

Organização celular ......................................................................................................................................

Parede celular ................................................................................................................................................

Membrana citoplasmática............................................................................................................................

Periplasma......................................................................................................................................................

Zonas de adesão ............................................................................................................................................

Cápsula e camadas limosas .........................................................................................................................

Flagelos ...........................................................................................................................................................

Fímbrias ..........................................................................................................................................................

Nucleoide .......................................................................................................................................................

Ribossomas ....................................................................................................................................................

Inclusões citoplasmáticas .............................................................................................................................

Estruturas membranosas intracitoplasmáticas .........................................................................................

Endósporos ....................................................................................................................................................

Vacúolos gasosos ...........................................................................................................................................

Divisão celular das células procariotas ......................................................................................................

3 – Membranas Biológicas Miguel Pessanha e Margarida Archer Introdução ......................................................................................................................................................

Estrutura e composição das membranas biológicas ................................................................................

Lípidos de membrana...................................................................................................................................

Biologia Celular e Molecular

Propriedades das membranas biológicas ..................................................................................................

Proteínas membranares ................................................................................................................................

Relação de estrutura-função de proteínas membranares .......................................................................

4 – Especializações da Membrana Celular Carlos Azevedo e Mário Sousa Introdução ......................................................................................................................................................

Estruturas que aumentam a superfície celular .........................................................................................

5 – Matriz Extracelular António J. Cidadão e F. Guerra Rodrigo Introdução ......................................................................................................................................................

Componentes da matriz extracelular .........................................................................................................

Aspetos funcionais ........................................................................................................................................

6 – Transporte Transmembranar Maria João Sousa, Fernando Rodrigues, Manuela Côrte-Real e Cecília Leão Introdução ......................................................................................................................................................

Transporte não mediado ..............................................................................................................................

Transporte mediado ......................................................................................................................................

Transporte ativo ............................................................................................................................................

105

Transporte transcelular através de epitélios .............................................................................................

114

Nota final ........................................................................................................................................................

116

7 – Organização Funcional do Núcleo Celular João Augusto Ferreira Introdução ......................................................................................................................................................

119

Invólucro nuclear ..........................................................................................................................................

120

Organização da cromatina ...........................................................................................................................

125

Replicação do DNA no núcleo ....................................................................................................................

129

Espaço intercromatínico ...............................................................................................................................

132

Perspetivas: comentários finais ...................................................................................................................

136

8 – Cromatina e Cromossomas Raquel A. Oliveira e Luís F. Valente Introdução ......................................................................................................................................................

139

O DNA e o seu empacotamento..................................................................................................................

142

Regulação da estrutura da cromatina ........................................................................................................

148

Cromossoma mitótico ..................................................................................................................................

156

9 – Citogenética Humana Maria Isabel Malheiro e Beatriz Porto Introdução ......................................................................................................................................................

166

Cromatina no núcleo em interfase..............................................................................................................

166

Índice

Eucromatina e heterocromatina ..................................................................................................................

167

Anatomia dos cromossomas em metafase ................................................................................................

170

Alterações cromossómicas ...........................................................................................................................

176

Tipos especiais de cromossomas .................................................................................................................

187

10 – Replicação do DNA Genómico Maria Leonor Cancela e Vincent Laizé Introdução ......................................................................................................................................................

190

Bases moleculares da replicação: historial.................................................................................................

190

Proposta inicial de um mecanismo de replicação e suporte experimental...........................................

191

Mecanismo de replicação do DNA .............................................................................................................

192

11 – Biossíntese e Processamento de RNA em Eucariotas Alexandra Moreira Introdução ......................................................................................................................................................

205

Ácido ribonucleico: RNA .............................................................................................................................

206

RNA polimerases ..........................................................................................................................................

208

Transcrição .....................................................................................................................................................

208

Integração dos acontecimentos transcricionais ........................................................................................

212

Processamento de pré-mRNA .....................................................................................................................

212

Transcrição e processamento de tRNA em eucariotas ............................................................................. 218 Processamento alternativo de pré-mRNA.................................................................................................

219

Regulação do processamento de pré-mRNA ............................................................................................ 222 Transporte nucleocitoplasmático ................................................................................................................

223

Biogénese e função de miRNA....................................................................................................................

224

Mecanismos de controlo de qualidade de mRNA ................................................................................... 225 Regulação da expressão genética em eucariotas ...................................................................................... 226

12 – Nucléolo e Transcrição dos rRNA

Carlos Azevedo Introdução ......................................................................................................................................................

230

Morfologia ultrastrutural .............................................................................................................................

230

Citoquímica e bioquímica ............................................................................................................................

235

Atividade funcional ......................................................................................................................................

237

Regulação da clivagem dos rRNA..............................................................................................................

246

Transcrição e processamento dos rRNA nos procariotas ........................................................................

248

Amplificação dos genes ribossómicos .......................................................................................................

248

Relações nucleocitoplasmáticas ..................................................................................................................

249

13 – Retículos e Ribossomas Carlos Azevedo e Jorge E. Azevedo Introdução ......................................................................................................................................................

253

Ultrastrutura e tipos de retículos ................................................................................................................

253

VII

VIII

Biologia Celular e Molecular

Organização ultrastrutural dos ribossomas ..............................................................................................

258

Atividade funcional dos ribossomas ..........................................................................................................

259

O RE e a arquitetura celular ........................................................................................................................

261

O RE e o metabolismo dos lípidos ..............................................................................................................

264

Relações do RE com outros organelos e estruturas celulares .................................................................

267

Outros tipos de ribossomas .........................................................................................................................

267

14 – Biossíntese e Processamento de Proteínas Frederico Ferreira-da-Silva e Pedro Moradas-Ferreira Introdução ......................................................................................................................................................

270

Código genético.............................................................................................................................................

270

Etapas da síntese de proteínas ....................................................................................................................

272

Controlo da tradução nos eucariotas .........................................................................................................

276

Processamento pós-tradução .......................................................................................................................

277

Endereçamento de proteínas .......................................................................................................................

280

Translocação de proteínas através da membrana do retículo endoplasmático ...................................

280

Processamento e controlo de qualidade de proteínas no RE .................................................................

281

15 – Citosqueleto: Composição, Organização e Significado Funcional Paulo Navarro-Costa, Carlos E. Plancha e J. F. David-Ferreira Introdução ......................................................................................................................................................

286

Microtúbulos..................................................................................................................................................

288

Microfilamentos: filamentos de actina .......................................................................................................

291

Filamentos intermédios ................................................................................................................................

294

16 – Complexo de Golgi e Lisossomas Henrique Almeida e Alexandre Lobo-da-Cunha Introdução ......................................................................................................................................................

301

Estrutura do complexo de Golgi .................................................................................................................

302

Compartimentação do complexo de Golgi ...............................................................................................

304

Manutenção da estrutura ............................................................................................................................

306

Mecanismo de transporte no complexo de Golgi.....................................................................................

306

Para além da rede trans do complexo de Golgi: exocitose ......................................................................

307

Outras intervenções do complexo de Golgi ..............................................................................................

308

Súmula de funções do complexo de Golgi ................................................................................................

309

Aspetos ultrastruturais dos lisossomas .....................................................................................................

309

Conteúdo enzimático dos lisossomas ........................................................................................................

309

Endocitose e biogénese dos lisossomas .....................................................................................................

310

Lisossomas e digestão intracelular .............................................................................................................

314

Complexo de Golgi e lisossomas na patogénese de doenças .................................................................

316

Índice

17 – Mitocôndrias Arnaldo Videira Introdução ......................................................................................................................................................

320

Ultrastrutura e composição .........................................................................................................................

321

Vias metabólicas oxidativas .........................................................................................................................

324

Genética mitocondrial ..................................................................................................................................

326

Biogénese ........................................................................................................................................................

328

Envelhecimento e morte celular .................................................................................................................

330

18 – Peroxissomas Alexandre Lobo-da-Cunha e Jorge E. Azevedo Introdução ......................................................................................................................................................

332

Aspetos morfológicos e enzimáticos ..........................................................................................................

333

Metabolismo peroxissomal ..........................................................................................................................

334

Regulação do metabolismo peroxissomal .................................................................................................

339

Biogénese peroxissomal ...............................................................................................................................

341

Patologias peroxissomais .............................................................................................................................

342

19 – Substâncias de Reserva Vasco Bairos e Maria de Fátima Martins Introdução ......................................................................................................................................................

345

Reserva de lípidos .........................................................................................................................................

346

Reserva de hidratos de carbono ..................................................................................................................

352

Reserva de proteínas.....................................................................................................................................

356

20 – Vias de Ativação Celular Alexandre M. Carmo Introdução ......................................................................................................................................................

358

Geração e papel dos segundos mensageiros ............................................................................................

358

Ligação entre o estímulo extracelular e a fosfolipase C .......................................................................... 361 Módulos proteicos em transdução de sinal...............................................................................................

362

Papel central de Ras na sinalização via cinases MAP ............................................................................. 365

Particularidades na sinalização das citocinas ..........................................................................................

367

Clivagem proteolítica como estratégia para transformar repressores em ativadores.........................

368

Vias complexas e vias diretas ......................................................................................................................

370

Comentários finais ........................................................................................................................................

371

21 – Ciclo Celular Claudio E. Sunkel Introdução ......................................................................................................................................................

374

Organização do ciclo celular .......................................................................................................................

375

Variantes no ciclo celular .............................................................................................................................

377

Ciclo celular somático e embrionário .........................................................................................................

378

Biologia Celular e Molecular

Experiências de fusão de células.................................................................................................................

378

Fator de maturação dos ovócitos ................................................................................................................

379

Identificação das ciclinas..............................................................................................................................

380

Genética do ciclo celular ..............................................................................................................................

382

Atividade catalítica das Cdk durante o ciclo celular ...............................................................................

383

Checkpoints no ciclo celular ..........................................................................................................................

387

22 – Mitose Carlos Azevedo e Claudio E. Sunkel Introdução ......................................................................................................................................................

392

Divisão mitótica (mitose) .............................................................................................................................

394

Elementos do fuso acromático (fuso mitótico) .........................................................................................

400

Centros organizadores dos microtúbulos..................................................................................................

406

Cromossomas mitóticos ...............................................................................................................................

407

Aparelho mitótico e segregação cromossómica........................................................................................

409

Mitoses atípicas .............................................................................................................................................

413

23 – Meiose e Gametogénese João Ramalho-Santos Introdução ......................................................................................................................................................

417

Características básicas dos gâmetas ..........................................................................................................

418

A estranha viagem das células da linha germinal ....................................................................................

420

Meiose .............................................................................................................................................................

421

Espermatogénese e ovogénese ....................................................................................................................

423

A gametogénese no seu contexto biológico...............................................................................................

427

Regulação hormonal .....................................................................................................................................

430

Súmula e novas fronteiras ...........................................................................................................................

432

24 – Fertilização Animal Mário Sousa Introdução ......................................................................................................................................................

436

Fertilização nos humanos ............................................................................................................................

436

Fertilização nos invertebrados ....................................................................................................................

448

25 – Células do Sistema Nervoso Teresa Summavielle e João Bettencourt Relvas Introdução .....................................................................................................................................................

455

Células do sistema nervoso .........................................................................................................................

455

Organização funcional do sistema nervoso ..............................................................................................

464

26 – A Fibra Muscular e sua Contração João Ramalho-Santos Introdução: tipos de fibras musculares ......................................................................................................

473

Estrutura do sistema contráctil ..................................................................................................................

474

Índice

Estrutura molecular dos filamentos contrácteis .......................................................................................

475

Mecanismo molecular da contração: a ação das pontes transversais....................................................

478

Regulação da contração ...............................................................................................................................

481

Dinâmica intracelular de Ca2+ durante a contração muscular: papel do retículo sarcoplasmático ......

483

27 – Células Fagocíticas Rui Appelberg Introdução ......................................................................................................................................................

487

Ontogenia do sistema fagocítico-mononuclear e da linhagem granulocítica ......................................

487

Fagocitose .......................................................................................................................................................

491

Recetores de superfície .................................................................................................................................

491

Produtos lisossomais e de secreção ............................................................................................................

493

Interação macrófago-linfócito T: ativação macrofágica ........................................................................... 497 Fagócitos e infeção ........................................................................................................................................

497

Macrófago e outras patologias ....................................................................................................................

498

28 – Célula Neoplásica Fátima Carneiro, Leonor David, Valdemar Máximo, Raquel Seruca, Paula Soares e Manuel Sobrinho Simões Introdução ......................................................................................................................................................

500

Oncogenes e genes supressores tumorais .................................................................................................

503

Invasão neoplásica ........................................................................................................................................

508

Transdiferenciação (metaplasia), indiferenciação e células estaminais.................................................

512

Metabolismo da célula neoplásica ..............................................................................................................

514

29 – Célula Vegetal Helena Carvalho Introdução ......................................................................................................................................................

520

Parede celular ................................................................................................................................................

521

Vacúolo ...........................................................................................................................................................

528

Plastídios ........................................................................................................................................................

534

Peroxissomas nas plantas ............................................................................................................................

549

30 – Morte Celular por Apoptose

Clara Sambade Introdução ......................................................................................................................................................

553

Apoptose versus necrose ..............................................................................................................................

556

Execução da apoptose: família das caspases .............................................................................................

557

A via extrínseca da apoptose: os recetores-de-morte ...............................................................................

559

A via intrínseca da apoptose: a família BCL-2 e as mitocôndrias ..........................................................

560

Regulação distal da apoptose: a família das IAP......................................................................................

566

A fagocitose dos corpos apoptóticos ..........................................................................................................

567

Regulação social da apoptose......................................................................................................................

568

Anomalias da apoptose e mecanismos de doença ................................................................................... 569

XII

Biologia Celular e Molecular

31 – Células Estaminais Mónica Mendes Sousa e Perpétua Pinto-do-Ó Introdução ......................................................................................................................................................

572

Células estaminais da linha somática ........................................................................................................

573

Células estaminais da linhagem germinal ...............................................................................................

582

Plasticidade e transdiferenciação................................................................................................................

583

Células estaminais embrionárias na obtenção de modelos animais .....................................................

583

Clonagem, epigenética e reprogramação nuclear .................................................................................... 586 Nichos de células estaminais .......................................................................................................................

588

Células estaminais na engenharia de tecidos e na Medicina Regenerativa ........................................

588

32 – O Envelhecimento Celular Pedro Moradas-Ferreira, António Daniel Barbosa e Vítor Costa Introdução ......................................................................................................................................................

592

Mitocôndria, stress oxidativo e envelhecimento .......................................................................................

592

Vias de sinalização por nutrientes e envelhecimento ..............................................................................

596

Estabilidade genómica e envelhecimento .................................................................................................

600

Conclusões .....................................................................................................................................................

602

Glossário .......................................................................................................................................................

605

Índice Remissivo .........................................................................................................................................

617

LISTA DE AUTORES Coordenadores/Autores Carlos Azevedo Doutor em Biologia (Fisiologia e Ultrastrutura Celular); Professor Catedrático (Jubilado) do Departamento de Biologia Celular do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto; Visiting Professor do College of Science, King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia

Claudio E. Sunkel Doutor em Biologia (Genética) pela Universidade Sussex, UK; Professor Catedrático do Departamento de Biologia Molecular do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto; Diretor do Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto

Coautores Henrique Almeida Doutor em Medicina pela Faculdade de Medicina, Universidade do Porto; Professor Associado do Departamento de Biologia Experimental da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto

Rui Appelberg Doutor com Agregação em Ciências Biomédicas (Microbiologia); Professor Catedrático de Microbiologia do Departamento de Imunofisiologia e Farmacologia do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto

Margarida Archer Investigadora Auxiliar do Laboratório de Cristalografia de Proteínas Membranares do Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto

Vasco Bairos Doutor com Agregação em Medicina; Professor Catedrático (Jubilado) do Instituto de Histologia e Embriologia da Faculdade de Medicina, Universidade de Coimbra

António Daniel Barbosa Doutor em Biologia Molecular; Research Associate do Departamento de Clinical Biochemistry, Cambridge Institute for Medical Research

Maria Leonor Cancela Doutora em Bioquímica (Genética Molecular); Agregação pelo Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina; Professora Catedrática de Biologia Molecular da Faculdade de Ciências do Mar e do Ambiente, Universidade do Algarve

Alexandre M. Carmo Doutor em Imunologia pelo Wolfson College, Oxford; Professor Associado Convidado do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto; Investigador Principal do Instituto de Biologia Molecular e Celular

Fátima Carneiro Doutora em Medicina; Professora Catedrática do Departamento de Patologia e Oncologia da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto; Diretora do Serviço de Anatomia Patológica do Centro Hospitalar S. João

Jorge E. Azevedo

Helena Carvalho

Doutor em Genética; Professor Catedrático do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto; Investigador no

Doutora em Biologia Molecular e Celular; Investigadora Principal do Instituto de Biologia Molecular e Celular

XIV

Biologia Celular e Molecular

António J. Cidadão

Fernando Guerra-Rodrigo

Doutor em Medicina; Professor Associado com Agregação do Instituto de Histologia e Biologia do Desenvolvimento da Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa; Diretor Interino do Instituto de Histologia e Biologia do Desenvolvimento

Doutor em Medicina; Professor Catedrático (Aposentado) do Departamento de Clínica Dermatológica Universitária da Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa

Vincent Laizé Manuela Côrte-Real Doutora com Agregação; Professora Catedrática do Departamento de Biologia da Escola de Ciências, Universidade do Minho

Vitor Costa Doutor em Biologia Celular; Professor Associado do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar e do Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto

Leonor David Professora Catedrática de Patologia e Oncologia da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto

Doutor pelo Centro de Ciências do Mar, Universidade do Algarve

Cecília Leão Doutora com Agregação; Professora Catedrática da Escola de Ciências da Saúde, Universidade do Minho

Alexandre Lobo-da-Cunha Doutor em Ciências Biomédicas (Biologia Celular); Professor Catedrático do Departamento de Microscopia do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto

Isabel Malheiro

Doutor em Medicina; Professor Catedrático (Jubilado) do Instituto de Histologia e Embriologia da Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa

Doutora em Ciências Biomédicas (Genética Humana); Professora Associada (Aposentada) do Departamento de Citogenética do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto

João Ferreira

Maria de Fátima Martins

Doutor em Medicina; Professor Associado do Departamento de Biologia Molecular e Celular da Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa; Médico

Doutora em Medicina (Ciências Morfológicas); Professora Auxiliar Convidada do Instituto de Histologia e Embriologia da Faculdade de Medicina, Universidade de Coimbra

Pedro Moradas Ferreira

Valdemar Máximo

Doutor com Agregação; Professor Catedrático do Departamento de Biologia Molecular do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar e do Instituto de Biologia Molecular e Celular, Universidade do Porto

Doutor em Medicina; Professor Associado Convidado do Departamento de Patologia e Oncologia da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto

J. F. David-Ferreira

Alexandra Moreira Frederico Ferreira-da-Silva Doutor; Unidade de Produção e Purificação do Proteínas do Instituto de Biologia Molecular e Celular

Doutora em Medicina pela Wolfson College, Oxford; Investigadora Principal do Cell activation and gene expression group do Instituto de Biologia Molecular e Celular

Lista de Autores

Paulo Navarro-Costa Professor Auxiliar Convidado do Instituto de Histologia e Biologia do Desenvolvimento da Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa

Raquel A. Oliveira Doutora em Bioquímica pela Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra; Investigadora Associada do Departamento de Bioquímica, Universidade de Oxford

culdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra; Investigador Principal Centro de Neurociência e Biologia Celular

João Bettencourt Relvas Doutor pela Faculdade de Ciências, Universidade de Lisboa; Professor Convidado da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto; Investigador Principal do Laboratório de Células Gliais, departamento de neurociências do Instituto de Biologia Molecular e Celular

Ana Maria Parente Doutora em Biologia (Microbiologia); Professora Associada (Aposentada) da Faculdade de Ciências, Universidade do Porto

Fernando Rodrigues

Miguel Pessanha

Clara Sambade

Doutor; Professor Adjunto Convidado da Escola Superior de Saúde, Instituto Politécnico da Guarda; bolseiro de Pós-doutoramento do Grupo de Cristalografia de Proteínas Membranares do Instituto de Tecnologia Química e Biológica

Doutora em Medicina; Professora Associada (Aposentada) do Departamento de Anatomia Patológica da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto

Doutor; Professor Associado da Escola de Ciências da Saúde, Universidade do Minho

Raquel Seruca Perpétua Pinto-do-Ó Doutora em Biologia Celular pelo Departamento de Biologia Molecular e Celular da Universidade de Umeå, Suécia; Investigadora Auxiliar do Grupo de Novas Terapias do Instituto de Engenharia Biomédica

Carlos E. Plancha Doutor em Medicina (Histologia e Embriologia); Professor Associado do Instituto de Histologia e Biologia do Desenvolvimento da Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa

Beatriz Porto Doutora em Ciências Biomédicas (Genética Humana); Professora Auxiliar de Genética Médica do Departamento de Microscopia do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto

João Ramalho-Santos Doutor em Biologia Celular; Professor Associado do Departamento de Ciências da Vida da Fa-

Doutora em Patologia e Oncologia; Professora Afiliada da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto

Paula Soares Doutora em Patologia e Oncologia; Professora Auxiliar do Departamento de Patologia e Oncologia da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto

Manuel Sobrinho Simões Professor Catedrático do Departamento de Patologia e Oncologia da Faculdade de Medicina, Universidade do Porto; Diretor de Departamento de Patologia e Oncologia; Diretor do IPATIMUP

Maria João Sousa Doutora com Agregação em Biologia pelo Departamento de Biologia do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar e da Escola de Ciências; Professora Associada com Agregação do Departamento de Biologia, Universidade do Minho

XVI

Biologia Celular e Molecular

Mário Sousa Doutor em Ciências Biomédicas (Biologia Celular); Professor Catedrático do Departamento de Microscopia, Laboratório de Biologia Celular do Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar, Universidade do Porto; Diretor do Laboratório de Biologia Celular

Mónica Mendes de Sousa Doutora em Ciências Biomédicas; Investigadora Principal do Grupo de Regeneração Nervosa, Instituto de Biologia Molecular e Celular

Teresa Summavielle Doutora pelo Instituto de Ciências Biomédicas de Abel Salazar; Investigadora Auxiliar do Gru-

po de Neurobiologia Molecular, Laboratório de Neuroproteção, do Instituto de Biologia Molecular e Celular

Luís P. Valente Doutor em Bioquímica pela Universidade de Coimbra; Investigador e bolseiro Pós-doutoramento do Laboratório de Mecanismos Epigenéticos do Instituto Gulbenkian de Ciência

Arnaldo Videira Doutor com Agregação em Ciências Biomédicas (Genética); Professor Catedrático de Genética Molecular do Instituto de Ciências Biomédicas Abel Salazar, Universidade do Porto

PREFÁCIO DA 5.ª EDIÇÃO

Inicialmente publicada com o título Biologia Celular, em 1992, foi o primeiro passo na criação de uma obra de referência para os alunos dos primeiros anos do ensino superior nas áreas das ciências da vida e da saúde. Ao longo dos anos, esta obra tem evoluído e abarcado não só a Biologia Celular clássica, mas também os desenvolvimentos da Biologia Molecular, que tanto tem marcado o avanço nesta área. Já na 4.ª edição, de 2005, publicada com o título Biologia Celular e Molecular, não só outros temas foram abordados como as novas tecnologias permearam muitos dos capítulos que marcaram esta obra desde o seu início. Encontramo-nos agora perante a 5.ª edição, na qual houve mudanças significativas em relação às edições anteriores, embora mantivéssemos as mesmas linhas de orientação em relação às mesmas. Procurámos, sim, aprofundar e continuar a realçar o desenvolvimento e a importância da Biologia Molecular. Procurámos também incorporar novos colaboradores para a elaboração de alguns capítulos, assim como novos capítulos, de forma a enriquecer o grupo preexistente que tem vindo a colaborar nesta obra com a sua dedicação, motivação e saber, sempre tentando transmitir de forma clara e precisa o seu conhecimento. Procurámos também incorporar novas áreas do conhecimento que de forma pertinente se têm vindo a aproximar da Biologia Celular e Molecular, que, conjuntamente com uma melhoria e um aprofundamento dos textos anteriores, nomeadamente em aspetos científicos e didáticos, certamente irão enriquecer a obra, facilitando a sua utilização em áreas científicas novas.

Esta 5.ª edição sofreu também uma alteração significativa no que diz respeito à sua apresentação, já que, merecidamente, foi possível utilizar tanto diagramas como imagens a cores, o que veio melhorar de forma significativa muitos aspetos desta obra. A experiência adquirida ao longo destes anos e a análise crítica que os nossos colegas tiveram na revisão dos textos nesta nova edição, nomeadamente no já mencionado melhoramento de alguns aspetos científicos e didáticos, vem certamente enriquecer e aprofundar muitos dos temas tratados. Cientes de que ainda não existe em Portugal uma terminologia nesta área aprovada por toda a comunidade científica, foi nossa preocupação nesta edição continuar a modernizar e uniformizar a terminologia utilizada, para o que se produziu um extenso glossário de apoio a esta edição. Embora cientes de que ainda existe muito trabalho por fazer nesta área, consideramos que muitos dos objetivos inicialmente propostos foram alcançados. Gostaríamos também de deixar um agradecimento a todos os que se empenharam na publicação desta obra, assim como deixar uma nota de agradecimento àqueles que, depois de colaborar em edições anteriores, deixaram de partilhar connosco o seu saber e experiência nesta nova edição. Porto, junho de 2012

Carlos Azevedo e Claudio E. Sunkel

NOTA DO EDITOR Decorridos sete anos após a edição anterior, é com agrado que publicamos a 5.ª edição do livro Biologia Celular e Molecular, livro de texto de referência, em língua portuguesa, destinado a alunos universitários e alunos que irão integrar o ensino superior e que contam no plano de estudos com unidades curriculares de Biologia Celular e de Biologia Molecular. Esta nova edição integrou os avanços mais recentes da Biologia Celular e Molecular, mantendo o rigor científico e pedagógico que a têm caracterizado desde a sua génese. É, assim, um livro incontornável para a aprendizagem e consolidação das noções chave da Biologia. Nesta 5.ª edição, desta vez com a dupla coordenação dos Professores Doutores Carlos Azevedo e Claudio E. Sunkel, renovámos alguns capítulos, contando com a presença de novos autores que se juntaram aos autores das edições anteriores, formando uma equipa de professores universitários e investigadores de excelência. Foi mantida sensivelmente a mesma estrutura, contando com a aglutinação de alguns capítulos e o acréscimo de outros (“Células Estaminais” e “O Envelhecimento Celular”), decorrente do maior desenvolvimento das áreas em causa. Todos os textos foram revistos e atualizados, sendo melhorados também aspetos científicos e didáticos. No início do livro é apesentada uma extensa lista de siglas e abreviaturas, sendo que, em cada capítulo, a primeira ocorrência de cada sigla é também acompanhada pelo seu significado. Do ponto de vista didático, foi mantida a estrutura da edição anterior. Cada capítulo é iniciado por um sumário, destacado a azul, onde são apresentados os seus principais tópicos.

No final de cada capítulo, é apresentada uma Bibliografia atual com os livros e/ou artigos mais relevantes para o tema abordado; um conjunto de Palavras-chave, com os termos indispensáveis para a assimilação da matéria desse capítulo; e um conjunto de Perguntas de Revisão, cujas respostas são dadas ao longo do texto e que permitirão ao aluno verificar os seus conhecimentos. Esta edição foi profusamente ilustrada a cores, impressa em papel couché, sendo uma mais-valia em relação às anteriores. O uso da cor é sobretudo relevante nos esquemas e figuras. De modo a criar uma linha gráfica uniforme, foram elaboradas figuras originais, com elevado rigor científico, mantendo o mesmo traço e as mesmas cores nos elementos recorrentes no livro. O grafismo simples foi concebido de modo a facilitar a leitura e a permitir uma imediata associação entre o texto e as figuras. Em linha com as edições anteriores, houve uma preocupação em modernizar e uniformizar a terminologia científica utilizada ao longo de toda a obra, não obstante a participação de professores e investigadores provenientes de diferentes áreas, escolas e estilos. Nesse sentido, houve uma profunda revisão da nomenclatura utilizada e foi produzido um extenso glossário onde foram incluídos, sempre que necessário, os termos equivalentes em português do Brasil (indicados entre parêntesis, com indicação de que se trata do equivalente em PtBr). A Lidel deseja que este livro vá ao encontro das necessidades dos Alunos e Professores de expressão portuguesa, e agradece a todos os leitores que queriam contribuir com sugestões para o seguinte e-mail:

1 A CÉLULA Carlos Azevedo e Claudio E. Sunkel A célula eucariota e os componentes celulares: morfologia, ultrastrutura e funções. A membrana celular e suas diferenciações e especializações, e respetivas funções. O citoplasma: organelos e estruturas citoplasmáticas. O núcleo: cromatina, cromossomas e nucléolo. Sua organização e funções. Particularidades específicas das células.

INTRODUÇÃO Calcula-se que o início da vida na Terra tenha ocorrido há cerca de 3,8 a 3,5 biliões de anos e, de uma forma ou de outra, todos os seres vivos que hoje encontramos são descendentes desse evento inicial. Assim, a organização biológica caracteriza-se por dois fenómenos principais: a sua autoperpetuação e a hereditariedade. Além disso, sujeitos a variadas modificações das condições ambientais, os seres vivos sofreram alterações e diferenciações específicas, o que lhes permitiu adaptarem-se aos mais diversos habitats. Ao longo de todos estes biliões de anos, muitas foram as espécies que evoluíram e se adaptaram, contudo, milhões de outras foram extintas. Embora os registos fósseis não permitam esclarecer quais as formas iniciais de organização biológica, todos os estudos apontam para que não tenham sido muito diferentes da unidade básica de todos os organismos autónomos que hoje conhecemos. Todos os seres vivos que connosco co-habitam a Terra são constituídos por complexas estruturas denominadas células (do latim cella). Os primeiros estudos da célula foram iniciados no século xvii, com a utilização de rudimentares microscópios de luz (ou fotónicos) (Figura 1.1A), idealizados por Robert Hooke (1635-1703), que foram entretanto utilizados para observar as primeiras células vegetais. Este período, considerado a primeira fase da História da Europa, ficou conhecido com o nome de Revolução Científica. O aperfeiçoamento dos sistemas óticos

concorreu para o melhoramento da resolução dos microscópios e para o consequente desenvolvimento de diversos tipos de microscópios com maior definição. Atualmente, os mais recentes microscópios óticos possuem características específicas, que permitem visualizar os mais minuciosos aspetos das particularidades das células. Mais recentemente, o aparecimento de microscópios eletrónicos de transmissão (TEM) (Figura 1.1B) e de varrimento (scanning), com poderes de resolução muito elevados e com sistemas de registo de imagens, inicialmente fotográfico e posteriormente digital, permitiu um avanço substancial no conhecimento das células e das suas estruturas, bem como a identificação de outras que a microscopia de luz, até então, não tinha conseguido visualizar. Os seres vivos celulares são repartidos por diversos grupos (animais, plantas, fungos, bactérias e outros). As células que constituem os seres vivos são classicamente divididas em duas classes, que correspondem à ausência ou presença de um invólucro que define o compartimento (designado por núcleo) onde se encontra o genoma da célula, representado pelo ácido desoxirribonucleico (DNA genómico) da célula das referidas classes. As células que não possuem invólucro nuclear, isto é, não possuem um verdadeiro núcleo e, neste caso, o DNA genómico encontra-se em contacto direto com os constituintes do citoplasma das células, denominam-se células procariotas (onde se incluem as bactérias, micoplasmas, riquétsias e clamídias)

Biologia Celular e Molecular

FIGURA 1.1 – A – Desenho esquemático de um dos primeiros rudimentares microscópios de luz de Robert Hooke; B – Microscópio eletrónico de transmissão.

PI DNA

Nu B

DNA

FIGURA 1.2 – Desenho muito esquemático evidenciando a organização nuclear e localização do DNA de uma célula procariota (A) e de uma célula eucariota (B). Nas células eucariotas o DNA está localizado dentro do núcleo (Nu), estrutura rodeada por um invólucro nuclear. Pl – plasmalema (membrana que envolve as células).

(Figuras 1.2 e 1.3). Pelo contrário, as células eucariotas possuem um invólucro nuclear que delimita um compartimento, o núcleo, onde se localiza o DNA do genoma celular (Figuras 1.2, 1.4 e 1.5). Nas células procariotas, a molécula de DNA (maioritariamente circular), que constitui o genoma bacteriano, encontra-se em íntimo contacto com os restantes constituintes da célula bacteriana, sendo obeservada, muitas vezes, com o aspeto de uma fina rede mais clara do que os restantes elementos do citoplasma bacteriano (Figura 1.3). A matéria relativa à célula procariota está detalhadamente desenvolvida no Capítulo 2 (“A Célula Procariota”).

FIGURA 1.3 – Aspeto ultrastrutural de dois tipos de células procariotas: bactérias (B), uma delas em divisão, e riquétsia (R). Estas células não possuem núcleo e o DNA (*) encontra-se disseminado no citoplasma, aparecendo nas zonas mais claras denominadas nucleoide (N). Junto a estas células, observam-se cortes oblíquos de flagelos ou de cílios (setas). Barra corresponde a 1 μm.

A Célula

Gc Fg

ZO Mf

Ds Ve Mt

CG Nc

RER

REL

HDs

FIGURA 1.4 – Desenho esquemático de uma célula eucariota mostrando a maior parte dos organelos e estruturas celulares que ocorrem em diferentes tipos de células eucariotas. CG – complexo de Golgi (dictiossoma); DC – desmossoma circular; Ds – desmossoma focal; Ec – estereocílios; Fg – flagelos (cílios); Gc – glicocálice; Gg – glicogénio; HDs – hemidesmossoma; JH – junção de hiato; LB – lâmina basal; Li – gotícula lipídica; Ls – lisossoma; Mf – microfibrilas; Mi – mitocôndrias; Mt – microtúbulos; Mv – microvilosidades; Nc – nucléolo; Nu – núcleo; Pl – plasmalema (membrana); Ps – peroxissoma; REL – retículo endoplasmático liso; RER – retículo endoplasmático rugoso; Ri – ribossomas; Ve – vesículas; ZO – zona de oclusão.

Biologia Celular e Molecular

Cp Ep

Nu Es

Cp Cd

Ep Cd

Nu V Es V

FIGURA 1.24 – Aspetos ultrastruturais de esporos de mixosporídios seccionados a vários níveis, mostrando os organelos e as estruturas evidenciadas em A. A – Desenho esquemático de um esporo de mixosporídio (género Henneguya), parasita dos peixes, mostrando a sua organização ultrastrutural: parede do esporo ou valvas (V), cápsulas polares (Cp), esporoplasma (Ep) (célula com dois núcleos – Nu), esporoplasmossomas (Es) e duas caudas (Cd) em continuidade com as valvas (V).

BIBLIOGRAFIA ALBERTS B. et al. (2008). Molecular Biology of the Cell, 5th Ed. Garland Science, Taylor & Francis Group, LLC New York.

PALAVRAS-CHAVE Célula, citoplasma, cromatina, diferenciações membranares, estruturas celulares, funções, membrana celular, núcleo, nucléolo, organelos, plasmalema.

PERGUNTAS DE REVISÃO 1 – Quais são os três componentes fundamentais da célula eucariota? 2 – O que são células procariotas? Dê exemplos. 3 – Quais são os organelos e estruturas que contribuem para a estabilidade posicional de certas células? 4 – Desenvolva os tipos de organização morfológica do DNA. 5 – Qual a função dos nucléolos? 6 – Desenvolva o tema “mobilidade celular”. 7 – Qual é o destino dos RNA sintetizados no núcleo?

3 MEMBRANAS BIOLÓGICAS Miguel Pessanha e Margarida Archer As membranas biológicas são constituídas essencialmente por lípidos e proteínas, contendo também glúcidos ligados aos lípidos (glicolípidos) ou às proteínas (glicoproteínas). A composição e localização destes elementos na membrana é variável, consoante a sua função biológica e o organismo. Os lípidos predominantes nas membranas são os fosfolípidos, que, devido ao seu caráter anfipático, formam uma bicamada, com os grupos hidrofóbicos alinhados no seu interior e os grupos hidrofílicos em contacto com o meio extracelular e o citoplasma. As membranas definem o limite externo das células e regulam o tráfego de moléculas que passa através delas. Nas células eucariotas, as membranas dividem ainda o espaço interno em compartimentos discretos (núcleo e organelos intracelulares). As membranas são estruturas dinâmicas, que permitem a difusão lateral de moléculas de lípidos e proteínas no plano da membrana, e que apresentam uma distribuição assimétrica em cada folheto da bicamada. Na superfície celular existem: transportadores, que promovem a passagem seletiva de solutos polares e iões através da membrana; recetores, que captam os sinais extracelulares e que desencadeiam alterações a nível molecular na célula; adesinas, que são responsáveis pela coesão entre células vizinhas. As proteínas são, assim, componentes funcionais fundamentais das membranas biológicas.

INTRODUÇÃO Pensa-se que as primeiras células tiveram origem há cerca de 3 a 4 biliões de anos, aquando da formação de membranas finas que definiram as fronteiras destas células, permitindo a criação de um compartimento interior isolado e separado do meio exterior. Algumas células procariotas, tais como as bactérias de Gram-positivo e as Archaea, contêm uma membrana celular denominada membrana plasmática, rodeada pela parede celular. Outras, como as bactérias de Gram-negativo, têm duas membranas, interna e externa, que se encontram separadas por uma camada de peptidoglicano, sendo a região entre as duas membranas denominada de espaço periplasmático (Figura 3.1). A membrana interna funciona como uma barreira de permeabilidade e a membrana externa e a camada de peptidoglicano, que formam a parede celular conferem proteção adicional. No entanto, a membrana externa é bastante permeável a pequenas moléculas, devido à presença de algumas proteínas membranares

específicas, tais como porinas, que permitem a passagem de alguns iões, monossacarídeos e aminoácidos (Figura 3.1). As células eucariotas (exceto as células vegetais) não contêm parede celular e as suas membranas celulares são constituídas somente por uma bicamada lipídica – a membrana plasmática. As células eucariotas distinguem-se das procariotas por conterem membranas no interior da célula que formam compartimentos internos e delimitam diversos organelos, como o núcleo, mitocôndria, retículo endoplasmático, complexo de Golgi, peroxissomas, ou cloroplastos. A bicamada lipídica das membranas biológicas confere-lhes uma permeabilidade seletiva face à entrada e saída de moléculas na célula e nos organelos. Alguns organelos são definidos somente por uma membrana (por exemplo, peroxissoma), outros por uma membrana dupla (por exemplo, núcleo e mitocôndria). Mas as membranas não são simplesmente barreiras passivas, têm uma estrutura dinâmica que inclui proteínas que desempenham uma série de funções essenciais para a célula.

Biologia Celular e Molecular

Porina Lipopolissacarídeo

Membrana externa

Parede celular

Peptidoglicano Espaço periplásmico

Lipoproteínas

Membrana interna (citoplasmática)

Fosfolípido Proteína periférica

Transportador

Citosol

Proteína transmembranar

FIGURA 3.1 – Representação esquemática da membrana de bactérias de Gram-negativo.

As proteínas membranares podem ser classificadas com base nessa função, e a maioria são componentes estruturais, enzimas, recetores ou transportadores. Estas também podem ser classificadas de acordo com a sua associação à membrana (Figura 3.2). As proteínas integrais (Figura 3.2A) estão embebidas ou atravessam a membrana contactando com o meio extracelular e com o citoplasma/periplasma e, geralmente, só podem ser removidas da membrana com a utilização de detergentes. As proteínas periféricas (Figura 3.2B) não atravessam a membrana e encontram-se associadas à superfície da membrana, normalmente através de interações não covalentes. Algumas proteínas periféricas estão ligadas a proteínas integrais. As proteínas periféricas são, normalmente, extraídas por tratamento das membranas com concentrações crescentes de sal ou alterações de pH, que enfraquecem as ligações iónicas entre estas proteínas e os fosfolípidos e/ou outros componentes membranares. Existe ainda outro grupo de proteínas que se encon-

tram covalentemente ligadas a lípidos inseridos na membrana (Figura 3.2C). Neste capítulo, será descrita a composição e arquitetura das membranas celulares, estando a sua estrutura molecular intrinsecamente associada à função biológica. Serão também abordadas as características dinâmicas das biomembranas, onde lípidos e

B C

A B B

FIGURA 3.2 – Associação de proteínas à membrana: proteína integral (A); proteína periférica associada à membrana ou a uma proteína transmembranar (B); proteína ancorada na membrana através de um lípido (C).

Membranas Biológicas

BIBLIOGRAFIA GUIDOTTI G. (1972). “Membrane proteins”. Annu. Rev. Biochem. 41:731-752. DOWHAN W., BOGDANOV M. (2002). Biochemistry of Lipids, Lipoproteins and Menbranes, 4th Ed. El Service. SINGER S. J., NICOLSON G. L. (1972). “The fluid mosaic model of the structure of cell membranes”. Science 175:720-731. PIKE L. J. (2009). “The challenge of lipid rafts”. J. Lipid Res. 50 Supplement: S323-328. SIMONS K., GERL M. J. (2010). “Revitalizing membrane rafts: new tools and insights”. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11:688-699. LINGWOOD D., SIMONS K. (2010). “Lipid rafts as a membrane-organizing principle”. Science 327:46-50. NELSON D. L., COX M. M. (2005). Lehninger – Principles of Biochemistry, 4th. Ed. W. H. Freeman and Company, New York. TOMITA M., FURTHMAYR H. et al. (1978). “Primary structure of human erythrocyte glycophorin A. Isolation and characterization of peptides and complete amino acid sequence”. Biochemistry 17:4756-4770.

PALAVRAS-CHAVE Assimetria, bicamada lipídica caráter anfipático, dinâmica, esfingolípidos, esteroides, estrutura-função de proteínas membranares, fusão, glicerofosfolípidos, glicolípidos, glicolípidos, glicoproteínas, glicoproteínas, lipid raft, modelo do mosaico fluido, permeabilidade seletiva, proteínas integrais, proteínas membranares, proteínas periféricas, selagem.

PERGUNTAS DE REVISÃO

1 – Indique qual a composição das membranas biológicas e como esta se relaciona com a sua estrutura/ /função. 2 – Indique quais os três grupos maioritários de lípidos existentes nas membranas biológicas, identificando as suas semelhanças e diferenças. 3 – Descreva detalhadamente as propriedades das membranas biológicas e explique a sua importância funcional. 4 – Classifique e caracterize o modo como as proteínas membranares estão associadas à membrana. 5 – Descreva a relevância dos lipid rafts nas membranas biológicas.

16 COMPLEXO DE GOLGI E LISOSSOMAS Henrique Almeida e Alexandre Lobo-da-Cunha O complexo de Golgi é um organelo de disposição paranuclear, composto por cisternas sobrepostas, algumas das quais exibem prolongamentos tubulares que se ligam a outros complexos de Golgi; inclui ainda uma variedade de vesículas, revestidas ou não. Razões anatómicas e funcionais conduziram à identificação de duas faces principais, cis e trans. Este organelo tem um papel fulcral na secreção celular, ao processar proteínas recebidas do retículo endoplasmático rugoso no interior de vesículas de transporte. No percurso entre cis e trans, proteínas e lípidos são glicosilados, transportados noutras vesículas e, por fim, endereçados consoante a sua natureza: podem destinar-se aos lisossomas, à membrana citoplasmática, ou podem ser exocitadas para o meio externo ou para a circulação, onde se tornarão ativas. Dentro do processo secretor, é também muito importante a sua intervenção na biogénese e renovação de membranas. Outras intervenções do organelo serão relatadas no texto. Os lisossomas são organelos limitados por uma membrana, contendo mais de 50 hidrolases ácidas que permitem digerir os diversos tipos de macromoléculas. De acordo com a origem das substâncias que digerem, podem classificar-se em autolisossomas e heterolisossomas. Nos primeiros, são digeridos materiais da própria célula (autofagia), enquanto os segundos digerem substâncias exógenas (heterofagia), que entram na célula por endocitose ou fagocitose. A formação de lisossomas é um processo complexo envolvendo a endocitose e o complexo de Golgi. As proteínas específicas chegam aos lisossomas por via direta e indireta. No primeiro caso, as vesículas golgianas fundem-se com endossomas, que contêm substâncias capturadas no exterior da célula. Na via indireta, as proteínas lisossómicas são primeiro inseridas na membrana celular e depois conduzidas aos endossomas por vesículas de endocitose. Os endossomas sofrem uma maturação para originar lisossomas e podem também fundir-se com lissosomas preexistentes. São referidas algumas patologias relacionadas com deficiências do complexo de Golgi e lisossomas.

INTRODUÇÃO O complexo de Golgi (CG) é uma estrutura citoplasmática das células eucariotas, que se observa desde os seres unicelulares mais simples até aos organismos mais complexos, incluindo as plantas angiospérmicas e os mamíferos. Após a sua descoberta no século xix e até ao presente, o CG tem fascinado os investigadores pela diversidade e versatilidade estruturais, e pela sua importância funcional ao realizar o acabamento de glicoproteínas essenciais e gerir fluxos de membranas em direção ao exterior e dele para o interior. O CG despertou paixões científicas, como as dos anos 50 do século xx que motivaram a afirmação e a negação da sua existência como organelo independente.

Ao longo de três décadas, gerou grande entusiasmo o estudo do seu papel fulcral na secreção celular, em especial o processo de maturação glicoproteica; no contexto do processo secretor, paralelamente, iniciou o debate acerca do mecanismo de transporte de moléculas no seu seio. Um e outro se mantêm na atualidade. Na última década, ganhou importância a intervenção do CG na sinalização celular, na organização microtubular durante a interfase e em mecanismos do ciclo celular, circunstâncias que recolocam o CG ainda mais no centro de processos integrados do citoplasma. Os lisossomas foram descobertos nos primeiros anos da década de 1950 e podem ser observados no citoplasma de uma enorme variedade de células eucariotas. São caracterizados, principalmente, pela presença de uma grande

Complexo de Golgi e Lisossomas

A Nu

TGN D

FIGURA 16.2 – A – Ultrastrutura do CG de uma célula da glândula suprarrenal humana. Além das cisternas do dictiossoma (D) vê-se vesículas, algumas delas revestidas (setas). A abundância de vesículas e a presença de elementos de aspeto tubular indica-nos a rede trans do CG (TGN). Nu – núcleo; * – vesículas de membrana dupla; Mi – mitocôndria; Ps – peroxissoma; B – CG isolados do hepatócito de rato; C – Face cis do CG (seta); D – Face trans do CG (seta); Re – retículo endoplasmático (gentilmente cedida pela Prof.ª Maria Conceição Magalhães, Catedrática jubilada da Faculdade de Medicina do Porto).

303

Complexo de Golgi e Lisossomas

BIBLIOGRAFIA ALLAN V. J, THOMPSON H. M. et al. (2002). “Motoring around the Golgi”. Nature Cell Biol, 4:E236-E242. BALLABIO E., GIESELMANN V. (2009). “Lysosomal disorders: from storage to cellular damage”. Biochim Biophy Acta, 1793:684-696. CHARRON A. J., BACALLAO R. L., WANDINGER-NESS A. (2000). “ADPKD: a human disease altering Golgi function and basolateral exocytosis in renal epithelia”. Traffic, 1(8):675-86. ESKELINEN E. L., SAFTIG P. (2009). “Autophagy: a lysosomal degradation pathway with a central role in health and disease”. Biochim Biophy Acta, 1793:664-673. FARQUHAR M. G., PALADE G. E. (1981). “The Golgi apparatus (Complex) (1954-1981) – from artifact to center stage”. J Cell Biol, 91:77S-103S. GOLGI C. (1898). “Sur la structure des céllules nerveuses des ganglions spinaux”. Arch Ital Biol, 30:60-71. DE GRAFFENRIED C., BEROZZI C. (2004). “The roles of enzyme localisation and complex formation in glycan assembly within the Golgi apparatus”. Curr Op Cell Biol, 16:356-363. HARADA M., K AWAGUCHI T., et al. (2005). “The Wilson disease protein ATP7B resides in the late endosomes with Rab7 and the Niemann-Pick C1 protein”. Am J Pathol, 166(2):499-510. JACKSON C. L. (2009). “Mechanisms of transport through the Golgi complex”. J Cell Sci, 122(4):443-452. LOBO -DA-CUNHA A., AZEVEDO C. (1993). “Processing of food vacuoles in the parasitic ciliate Ichthyophthirius multifiliis after exit from the host”. Parasitol. Res., 79: 272-278. LUZIO J. P., PRYOR P. R., BRIGHT N. A. (2007). “Lysosomes: fusion and function”. Nature Rev Mol Cell Biol, 8:622-632. OKUNADE G. W., MILLER M. L. et al. (2007). “Loss of the Atp2c1 secretory pathway Ca(2+)-ATPase (SPCA1) in mice causes Golgi stress, apoptosis, and midgestational death in homozygous embryos and squamous cell tumors in adult heterozygotes”. J Biol Chem, 282(36):26517-22657. PELHAM H. R. B., ROTHMAN J. E. (2000). “The debate about transport in the Golgi – two sides of the same coin?”. Cell, 102:713-719. SCHELLENS J. P. M., DAEMS W. T. et al. (1977). “Electron microscopical identification of lysosomes”. In J. T. Dingle (ed), Lysosomes: A Laboratory Handbook. Elsevier/North-Holland Biomedical Press, Amesterdam; 147-208. SHORT B., HAAS A. et al. (2005). “Golgins and GTPases, giving identity and structure to the Golgi apparatus”. Biochim Biophys Acta, 1744(3):383-395. VAN MEEL E., KLUMPERMAN J. (2008). “Imaging and imagination: understanding the endo-lysosomal system”. Histochem Cell Biol, 129:253-266. WILSON C., VENDITTI R. et al. (2010). “The Golgi apparatus: an organelle with multiple complex functions”. Biochem J, 433(1):1-9.

PALAVRAS-CHAVE

Autofagia, autolisossomas, complexo de Golgi, endossomas, ERGIC, exocitose, fagossomas, glicosilação de proteínas, golginas, heterofagia, heterolisossomas, hidrolases ácidas, lisossomas, manose-6-fosfato, vesículas, vesículas revestidas.

PERGUNTAS DE REVISÃO 1 – O que são golginas? Qual a sua natureza e o seu papel na célula? 2 – O que são vesículas revestidas? Dê exemplos e explique a sua intervenção no complexo de Golgi. 3 – O que é o recetor do sinal KDEL e qual é a consequência da sua ação? 4 – Como se caracterizam os lisossomas? 5 – Por que vias as hidrolases ácidas chegam aos lisossomas? 6 – De que modo a deficiência numa enzima lisossómica pode afetar a atividade celular?

319

22 MITOSE Carlos Azevedo e Claudio E. Sunkel Diferentes fases mitóticas. Elementos do fuso acromático. Microtúbulos, centrossomas e ciclo centrossómico. Cromossomas metafásicos e a organização do centrómero e do cinetocoro. Segregação cromossómica. Mecanismo de controlo da mitose. Cinesina, dineína, calmodulina e outras proteínas. Genes mitóticos associados a funções reguladoras: proteínas cinases. Genes associados a funções estruturais: tubulinas A, B e G. Mitoses atípicas.

INTRODUÇÃO O processo de divisão celular é o mecanismo que permite que uma célula que tenha duplicado o seu material genético possa gerar duas células filhas com genoma idêntico. A divisão celular está na base de toda a continuidade e perpetuação das células e organismos ao longo do tempo, e a fidelidade com que este processo decorre é essencial para manter a organização celular ou dos tecidos no caso de organismos multicelulares. Com o desenvolvimento de novos microscópios, técnicas de fixação e coloração de tecidos, foi possível a Flemming, já em 1879, descrever com clareza o comportamento dos cromossomas durante a divisão das células animais. Este cientista, estudando a divisão celular, usou, em 1882, pela primeira vez, o termo mitose (do grego Mitos = filamentos), o qual passou a ser usado como termo universal (Figura 22.1). A aplicação, inicialmente, de técnicas de Biologia Celular e, posteriormente, de Genética Clássica e Biologia Molecular tem permitido avançar significativamente no conhecimento dos mecanismos moleculares que controlam a progressão das células durante as diferentes fases do ciclo celular, permitindo a rigorosa duplicação do material genético e a sua distribuição equitativa pelas células filhas (ver Capítulo 21, “Ciclo Celular”). O problema principal que uma célula tem de resolver durante a sua progressão ao longo

do ciclo celular é coordenar um grande número de processos macromoleculares. Cada um destes processos é, em si, complexo e requer a síntese de vários componentes, a sua associação e a sua função. Sobreposta a esta complexa rede de ciclos moleculares, a célula também tem de sobreviver, realizando, de uma forma integrada, os processos básicos de transcrição e tradução, assim como de todas as vias metabólicas necessárias à produção e utilização de energia. Quando as células sexuais, gâmetas masculinos (espermatozoides) e femininos (ovócitos ou óvulos) se fertilizam, originam uma célula diploide chamada ovo ou zigoto. Esta célula diploide, potencial embrião unicelular, inicia, imediatamente, uma série de divisões celulares sucessivas, originando diferentes estados embrionários com 2, 4, 8, 16… n células, chamadas blastómeros (Figura 22.2). A duração da divisão celular é variável nos diferentes tipos de células e está dependente de variações, quando sujeitas ou submetidas a diferentes fatores. A temperatura é um dos fatores que mais altera a duração e a viabilidade dessa divisão, nomeadamente nas plantas ou em células animais em cultura. As diferenças mais significativas nos processos de divisão das células embrionárias ocorrem nas fases iniciais da embriogénese em diferentes espécies. Nestas células, os ciclos celulares são mais curtos e o processo de divisão é muito mais rápido e decorrem de forma sincronizada. Em alguns insetos, como, por

Mitose

Anﬁtélico (biorientado)

Monorientado

Sintélico

Merotélico

FIGURA 22.24 – Ligação dos Mt aos cinetocoros. Durante a mitose, os cromossomas podem ligar os Mt de várias formas. Inicialmente, formam ligações monopolares em que apenas um dos cromatídeos está ligado. Posteriormente, Mt do polo oposto ligam o outro cromatídeo e o cromossoma localiza-se no centro da célula, estando biorientado ou com uma ligação anfitélica. Contudo, é possível que os dois cromatídeos de um cromossoma se liguem ao mesmo polo, formado uma ligação sintélica, ou que um cromossoma tenha um cromatídeo corretamente ligado mas que o outro esteja ligado a Mt provenientes dos dois polos do fuso em forma merotélica. As ligações sintélicas ou merotélicas têm de ser corrigidas antes da saída de mitose.

Durante este período inicial, o invólucro nuclear não se desintegra, mantendo inalterável a sua estrutura membranar ao longo do processo de divisão (Figuras 22.23A e B); A nucleocinese inicia-se com a invaginação do invólucro nuclear, formando um estrangulamento na região média do núcleo. O estrangulamento do núcleo culmina com a formação de dois núcleos distintos (Figura 22.23D). A nucleocinese ocorreu sem que a citocinese se tenha realizado, pelo que a célula ficou a possuir dois núcleos. Estes núcleos, em certas espécies de parasitas, podem manter-se unidos pelo contacto intenso entre os seus invólucros nucleares em determinada zona nuclear, ficando a constituir uma célula diplocariótica (Figura 22.23D). Noutras espécies, os núcleos afastam-se e entram de novo em sucessivas divisões nucleares atípicas, originando uma célula multinucleada com centenas ou milhares de núcleos (Figura 22.25).

Após o termo das referidas nucleocineses, cada núcleo, com uma pequena porção de citoplasma, rodeia-se de uma membrana, originando-se um conjunto de células designadas esporoblastos. Mais tarde, cada esporoblasto diferencia-se, originando um esporo (Figura 22.25).

FIGURA 22.25 – Uma célula uninucleada (plasmódio) após sucessivas divisões atípicas do núcleo origina uma célula com algumas centenas de núcleos (o número de núcleos varia de espécie para espécie).

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Biologia Celular e Molecular

BIBLIOGRAFIA ALBERTS B., BRAY. D. et al. (2000), Molecular Biology of the Cell, 5.th Ed. Garland Publishing, New York and London. AZEVEDO C. (1989). “Fine structure of Perkinsus atlanticus n. sp. (Apicomplexa, Perkinsea) parasite of the clam Ruditapes decussatus from Portugal”. J Parasitology, 75: 627-635. COELHO P., QUEIROZ-MACHADO J., SUNKEL C. E. (2004). “Could condensin scaffold the mitotic chromosome?”. Cell Cycle, 3:538-540. DE MARTINO A., AMATO A., BOWLER C. (2009), “Mitosis in diatoms: rediscovering an old model for cell division”. Bioessays, 31:874-884. HOLLAND A. J., CLEVELAND D. W. (2009). “Boveri revisited: chromosomal instability, aneuploidy and tomurigenesis”. Nat Rev Mol Cell Biol, 10:478-487. LOPES C., SUNKEL C. E. (2003). “The spindle checkpoint: from normal cell division to tumorigenesis”. Arch Med Res, 34:155-165. MAIATO H., SUNKEL C. E. (2004). “Kinetochore microtubule interactions during cell division”. Chromos Res, 12:587-597. MALMANCHE N., MAIA A., SUNKEL C. E. (2006). “The Spindle Assembly Checkpoint: preventing chromosome mis-segregation during mitosis and meiosis”. FEBS letters, 22:580(12):2888-2895. TANAKA T. U. (2010). “Kinetochore-microtubule interactions: steps towards bi-orientation”. EMBO J, 29:4070-4082. TANENBAUM M. E., MEDEMA R. H. (2010). “Mechanisms of centrosome separation and bipolar spindle assembly”. Dev Cell, 19:797-806. THOMPSON S. L., BAKHOUM S. F., COMPTON D. A. (2010). “Mechanisms of chromosomal instability”. Curr Biol, 20:R285-295. WALCZAK C. E., CAI S., KHODJAKOV A. (2010). “Mechanisms of chromosome behaviour during mitosis”. Nat Rev Mol Cell Biol, 11:91-102.

PALAVRAS-CHAVE Centrómeros, cinetocoro, cromossomas metafásicos, fases da mitose, fuso acromático, genes com função reguladora, genes com funções estruturais, mitose, mitoses atípicas, spindle assembly checkpoint.

PERGUNTAS DE REVISÃO 1 – Indique quais as fases da mitose. 2 – Quais os microtúbulos que formam o fuso acromático? 3 – Descreva a composição dos centrossomas. 4 – Quais são os fenómenos principais que concorrem para a deslocação dos cromossomas? 5 – Indique qual a dinâmica dos microtúbulos durante a metafase. 6 – Caracterize a anafase A e a anafase B. 7 – Descreva como funciona o spindle assembly checkpoint. 8 – Quais os tipos de ligação que um cromossoma pode estabelecer com os microtúbulos do fuso?

BIOLOGIA CELULAR e MOLECULAR Ao longo dos anos, esta obra tem evoluído e abarcado não só a Biologia Celular clássica mas também os desenvolvimentos da Biologia Molecular, que tanto têm marcado o avanço nesta área. Como livro de texto de referência, em língua portuguesa, destina-se a alunos universitários e alunos que irão integrar o ensino superior e que contam no plano de estudos com unidades curriculares de Biologia Celular e de Biologia Molecular. Encontramo-nos agora perante a 5.ª edição, na qual houve mudanças significativas, embora se tenham mantido as mesmas linhas de orientação. Procurou-se aprofundar e continuar a realçar o desenvolvimento e a importância da Biologia Molecular, bem como incorporar novas áreas de conhecimento; melhoraram-se e aprofundaram-se alguns textos anteriores, nomeadamente em aspetos científicos e didáticos, facilitando a sua utilização em áreas científicas novas. Esta 5.ª edição sofreu também uma alteração significativa no que diz respeito à sua apresentação, já que contempla tanto diagramas como imagens a cor, novas figuras e desenhos uniformizados, melhorando de forma significativa muitos aspetos desta obra. No início de cada capítulo encontramos um breve resumo e no final são apresentadas as palavras-chave e perguntas de revisão, para além de bibliografia atualizada e referência a sites, sempre que pertinente. Cientes de que ainda não existe em Portugal uma terminologia nesta área aprovada por toda a comunidade científica, foi preocupação dos coordenadores continuar nesta edição a modernizar e uniformizar a terminologia utilizada. Nesse sentido, foi produzido um extenso glossário onde foram incluídos, sempre que necessário, os termos equivalentes em português do Brasil.

NOVIDADES

5.ª Edição :

Novo layout Novas figuras Desenhos uniformizados TTotalmente impresso a 4 cores Revisão e atualização de todos os capítulos Inclusão de novos capítulos Melhoramento de aspetos científicos e didáticos Uniformização e modernização da tterminologia Extenso glossário Escrito segundo o novo acordo ortográfico

Lidel online:

www.lidel.pt

ISBN 978-972-757-692-0

9 789727 576920