Diferenciação celular

Os organismos multicelulares complexos são constituídos por diversos tipos de células, com funções específicas, todas elas derivadas, por sucessivas divisões mitóticas, do ovo ou zigoto. No entanto, a divisão celular, por si só, dá origem a células idênticas entre si. Durante o desenvolvimento de um organismo, as células não só aumentam em número, como sofrem diferenciação, tornando-se especializadas.

A diferenciação celular é o conjunto dos processos que transforma uma célula indiferenciada numa célula especializada.

Uma célula indiferenciada é uma célula que não possui uma função definida, mas que tem a capacidade de originar vários tipos de células. A essa capacidade chama-se potencialidade. Uma célula totipotente tem a capacidade de, por divisões sucessivas, originar todos os tipos celulares do organismo adulto.

Uma célula especializada caracteriza-se por uma estrutura particular relacionda com o desempenho de uma determinada função.

Os neurónios, as células musculares e os leucócitos são exemplos de células especializadas.

Um organismo multicelular pode ser constituído por vários tipos de células especializadas, as quais, apesar de estrutural e funcionamente diferentes, têm os mesmos genes. O processo de diferenciação é frequentemente regulado ao nível da transcrição; certos genes são transcritos para o RNAm e outros não. As modificações celulares que têm lugar na diferenciação resultam da inactivação de certos genes e da activação de outros.

Estabilidade do programa genético

Na divisão celular, o programa genético de uma célula é transmitido, em regra, com fidelidade às células-filhas, garantido-se a estabilidade genética através de sucessivas gerações.

Legenda:

1-G1; 2-Fase S; 3-G2; 4/5-Fase mitótica

Durante o período S da interfase, ocorreu a duplicação semi-conservativa do DNA, o que faz com que cada cromossoma seja constituído por duas moléculas de DNA (2Q)-cromatídeos.

Durante a anáfase, os cromatídeos separam-se e vão para os pólos da célula. Quando a célula se divide, formando duas células-filhas, cada uma delas recebe cromossomas iguais às da célula-mãe.

Regulação do ciclo celular

Os mecanismos de regulação do ciclo celular actuam em três pontos: no final de G1, durante a mitose e no final de G2.

Na etapa G1, as células fazem uma "avaliação interna" relativamente ao prosseguimento do ciclo celualr. Se a avaliação for negativa, as células não se dividem, ficando num estádio chamado G0. As células que não voltam a dividir-se permanecem no estádio G0 semanas ou mesmo anos, até à suas morte. Quando são devidamente estimuladas, as células que se encontram em G0 podem abandonar este estado e prosseguir o seu ciclo celular.

No caso do ciclo celular prosseguir e ainda na fase G1, se as moléculas de DNA não se apresentam de forma adequada, desencadeia-se a apoptose ou morte celular programada.

Nesta figura está representada a apoptose ou morte celular

No final de G2 há um momento de controlo antes de se iniciar a mitose. Se a replicação do DNA ocorreu correctamente, o ciclo prossegue. No caso de terem anomalias na replicação do DNA o ciclo é interrompido.

Durante a mitose há também um momento em que o ciclo pode ser interrompido, o que acontece no caso de repartição dos cromossomas pelas células-filhas não se efectuar de forma equitativa.

Quando os mecanismos falham pode ocorrer cancro ou neoplasia maligna.

Numa neoplasia, as células dividem-se decontroladamente e podem adquirir caracteristicas de malignidade. As células dos tumores malignos podem invadir os tecidos vizinhos ou espalhar-se por outras partes do corpo-metastização.

Está aqui um video do cancro da mama, que tanto afecta as mulheres de hoje em dia:

Fases do ciclo celular

A principal característica da vida celular é a sua natureza cíclica. De modo geral, as células crescem, aumentam o seu conteúdo e depois dividem-se. Numa população de células em divisão, a vida de uma célula começa quando ela surge a partir da célula-mãe e acaba quando ela própria se divide para originar duas células-filhas. O conjunto de transformações que decorrem desde a formação de uma célula até ao momento em que ela própria, por divisão, origina duas-filhas constitui um processo dinâmico a que se chama ciclo celular.

No ciclo celular consideram-se duas fases:

-Interfase

-Fase miótica

A interfase corresponde ao período compreendido entre o fim de uma divisão celular e o ínicio da seguinte. Nesta fase, os cromossomas encontram-se distendidos, não sendo visíveis ao microscópio óptico.

A replicação do DNA de uma célula ocorre durante uma parte limitadada interfase chamada por período S, que é seguido por dois intervalos, G1 e G2:

G1-Síntese proteica :
É o primeiro período, começando ao final da divisão celular anterior e estendendo-se até o início da duplicação do DNA. Nesse período ocorre o crescimento da célula.
Esse período caracteriza-se por uma intensa síntese de RNA e de proteínas, com grande aumento do citoplasma das células-filhas recém-formadas.
S-Duplicação do DNA:
Responsável por desencadear a divisão celular, além de garantir que as células-filhas recebam as informações genéticas que determinam suas características.
Ocorre também a duplicação dos centríolos

G2- Duplicação dos centríolos:
Ocorre a duplicação de centríolos, além de iniciar a produção das fibras de proteínas, que juntos irão formar um aparelho com uma importante participação durante a divisão celular, denominado fuso mitótico. A célula completa o crescimento e está preparada para a mitose.
Ocorre síntese proteica das proteínas que constituem os microtúbulos.

A fase mitótica diz respeito ao período durante o qual ocorre a divisão celular

Existem duas fases:

-Mitose-divisão do núcleo

-Citocinese-divisão física do citoplasma

A mitose diz respeito ao conjunto de transformações durante as quais o núcleo das células eucarióticas se divide. Nesta fase as células reorganizam os seus microtúbulos na forma de um fuso bipolar estando o MTOC (centro organizador de microtúbulos) nos pólos do fuso. Embora a mitose seja um processo contínuo, nela existem quatro estádios: prófase, metáfase, anáfase e telófase.

Prófase:

É a etapa mais longa da mitose.
Os cromossomas enrolam-se, tornando-se progressivamente mais condensados, curtos e grossos.
Os centríolos afastam-se para pólos opostos, formando entre eles o fuso acromático. O fuso acromático é formado por feixes de fibrilas de microtúbulos proteicos.
No final da prófase o nucléolo desaparece e o invólucro nuclear desagrega-se.

Metáfase:

Os cromossomas apresentam a sua máxima condensação.
Os cromossomas, ligados ao fuso acromático, dispõem-se no plano equatorial da célula, formando a chamada placa equatorial. Os centrómeros encontram-se voltados para o centro do plano equatorial, enquanto que os braços dos cromossomas voltam-se para fora deste plano.

Anáfase:

Verifica-se o rompimento do centrómero, separando-se os cromatídeos que constituíam cada um dos cromossomas.
Os cromossomas iniciam a ascensão polar ao longo das fibrilas das microtúbulos
No final da anáfase cada pólo da célula possui um conjunto de cromossomas, constituídos por um só cromatídeo, exactamente igual.

Telófase:

Inicia-se a organização dos núcleos-filhos.
Forma-se um invólucro nuclear em torno dos cromossomas de cada núcleo filho.
Os cromossomas iniciam um processo de descondensação.
As fibrilas do fuso acromático desorganizam-se.
A mitose termina. A célula possui agora dois núcleos.

A fase citocinese diz respeito à divisão do citoplasma e à individualização das células-filhas.

Nos últimos estádios da mitose, no fim da anáfase e na telófase, forma-se na zona equatorial um anel contráctil de filamentos proteicos. Estes contraem-se e puxam a membrana para dentro, causando um sulco de clivagem que vai estrangulando o citoplasma, até as duas células separarem-se.

No caso das células eucarióticas vegetais, a parede celular é rigída, não permitindo a divisão por estrangulamento. Neste caso, as vesículas derivadas do complexo de Golgi alinham-se na região equatorial. Estas fundem-se e o seu conteúdo forma uma placa-fragmoplasto-em torno das qual se deposita mais tarde a celulose.Originam assim as paredes celulares das duas células-filhas.

Os cromossomas e a sua estrutura

Nos eucariontes, as moléculas de DNA estão no núcleo das células, associadas a proteínas, constituindo estruturas filamentosas, os cromossomas.Os cromossomas são vectores da hereditariedade e todos os seres vivos são caracterizados pela informação contida num número constante para cada espécie.

Cada cromossoma está subdividido em genes. Cada gene é constituído por um fragmento de DNA. O DNA é composto por uma sequência de nucleótidos. Cada nucleótido contém uma base específica. De um modo simplista pode dizer-se que a sucessão exacta destas bases é o código de onde se traduz a diversidade das espécies.

A informação genética contida nos ácidos nucleicos encontra-se, nos seres eucariontes, no núcleo da célula. Quando uma célula se divide, é necessário que a molécula de DNA se replique, de modo que a célula-filha herde uma cópia. A informação genética dos organismos eucariontes encontra-se distribuída por várias moléculas de cromatina, as quais estão associadas proteínas designadas histonas. Cada porção do DNA associado às histonas constitui um filamento de nucleossomas. Estes filamentos encontram-se, na maior parte do tempo, dispersos no núcleo da célula. Contudo quando, a célula está em divisão, estes filamentos duplicam e sofrem um processo de condensação originando filamentos curtos e espessos.

Na fase de condensação, cada cromossoma é constituido por dois cromatídeos, que resultaram da replicação do filamento inicial de cromatina, e que cada um dos cromatídeos é formado por uma molécula de DNA e por proteínas que lhe estao associadas. Os cromatídeos de um cromossoma encontram-se unidos por uma estrutura resistente designada centrómero.

1. Cromatídeo.

2.Centrómero.

3. Braço curto.

4. Braço longo.

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Curiosidade:

O cromossoma 5 é um dos maiores croossomas humanos a ter sido analisado, possuindo um menor número de genes, de acordo com a equipa de cientistas dos EUA. Este cromossoma apresenta duplicações que podem ter funções de regulação da actividade genética e, por isso, estarem implicadas em algumas doenças, como a atrofia muscular vertebral.

Mutações

O que é uma mutação?
Genes, código genético, dupla-hélice e mutações são coisas do século XX. Darwin desconhecia estes fenómenos, bem com a maioria dos evolucionistas da sua época. Nos anos 1900 a palavra “mutação”, em biologia, era sinónimo de “mudança morfológica abrupta”.
A palavra mutação deriva do latim mutare=mudar e os indivíduos que as manifestam dizem-se mutantes.
Só mais recentemente se veio a dizer frases como: “Uma transformação dos genes determina o aparecimento de novos caracteres”. Este é o fenómeno que resulta da alteração do ADN obtida sem interacção com outra molécula de ADN e que é responsável pela modificação hereditária das características do ser vivo onde ocorreu que se chama mutação. Ela actua do mesmo modo, em planos morfológicos, fisiológicos, bioquímicos, bem como psíquicos.
As mutações, conhecidas há muito tempo como monstruosidades hereditárias, foram estudadas primeiro pelo botânico holandês de Vries e sobretudo pelo geneticista americano Thomas Morgan.
As mutações são sempre alterações bruscas e imprevistas do material hereditário.

Tipos de mutações:


•Mutações génicas são alterações pontuais que afectam a estrutura dos genes, ou seja, afectam a sequência de bases que codifica uma determinada proteína. Sendo assim, uma pequena alteração na sequência dos pares de bases que constituem a molécula de DNA para originar uma proteína diferente da que seria inicialmente codificada pelo gene ao nível do qual ocorreu a mutação.
•Mutações cromossómicas são alterações que se dão na estrutura (mutação cromossómica estrutural) ou do número (mutação cromossómica numérica) de cromossomas. Estas alterações podem afectar uma determinada região de um cromossoma, um cromossoma inteiro ou todo o complemento cromossómico de um indivíduo.




Mutações génicas

As mutações génicas podem ser classificadas com base no tipo de alteração que ocorre na sequência de bases de DNA:
- Substituição - Ocorre a troca de um nucleótido de DNA por outro.
- Inserção/Adição - Ocorre a introdução de um nucleotído suplementar.
- Delecção - Ocorre a perda de um nucleotído de DNA.

Mutação por inserção:

A Inserção acontece quando uma ou mais bases são adicionadas ao DNA, modificando a ordem de leitura da molécula durante a replicação ou durante a transcrição.
A adição de um conjunto de genes que não seja múltiplo de três altera completamente e informação da mensagem do gene.

Mutação por deleção:

Este fenómeno acontece quando uma ou mais bases são retiradas do DNA, modificando a ordem da leitura, durante a replicação ou a transcrição.
Quando o número de bases envolvidas não é múltiplo de três, a mutação altera a leitura da tradução a partir do ponto de mutação resultando numa uma proteína com sequência de aminoácidos diferentes.

Mutação por substituição:

Ocorre a troca de um ou mais pares de bases. Chama-se transição à substituição de uma base purina por outra ou de uma pirimidica por outra e transversão a substituição de uma base purina por uma pirimidica ou vice-versa.

Por substituição-efeitos no fenótipo:

Mutação silenciosa: Substituição de uma base do DNA por outra, mas que não causa nenhum efeito sobre a sequência de aminoácidos. É mais frequente acontecer no 3º nucleótido de cada codão, pois o código genético é redundante, ou seja, a um aminoácido podem corresponder vários codões apesar de a um codão só corresponder um aminoácido.

Origem/causas das mutações:

As células, quando expostas a certos factores/agentes, poderão passar a contrair uma mutação. Esta mutação pode ocorrer porque se origina um erro ao nível das moléculas de DNA, em que o trabalho das enzimas não é eficaz, não conseguindo corrigir este erro, sendo assim passado para as gerações seguintes.

As mutações poderão ocorrer de dois modos:
•Espontaneamente;
•Induzidas - exposição a determinados agentes.

Mutações espontâneas:

As mutações espontâneas podem ocorrer devido:
•Às quatro bases nucleotídicas poderem existir sob duas formas diferentes. Assim, quando uma base adquire uma forma rara, pode emparelhar-se com uma base diferente;
•À ocorrência de erros na replicação do DNA, motivados pela DNA Polimerase. Mesmo que alguns erros sejam reparados durante o processo de replicação do DNA, alguns persistem.
São mais frequentes em regiões com sequências de DNA repetitivas ou simétricas, pois nestes locais aumenta o risco de uma cadeia de DNA emparelhar consigo própria durante a replicação; em genes de maior tamanho que, devido à sua dimensão, possuem uma maior probabilidade de sofrer alterações na sua sequência de bases e em genes do genoma mitocondrial, pois estes não possuem mecanismos de reparação do DNA.

Mutações induzidas:

As mutações induzidas são provocadas por agentes mutagénicos que são substâncias químicas/físicas/biológicas que aumentam a probabilidade de ocorrência de mutações. Há vários agentes, sendo eles:
•Agentes físicos, tais como várias fontes naturais de radiação ( raios X, gama cósmicos, ultravioletas e até minerais radioactivos da crosta terrestre) e a temperatura. Certos minerais da crosta emitem radiações ionizantes, os raios α, β e γ. Estas radiações, especialmente os raios γ, têm energia suficiente para remover electrões dos átomos e quebrar a estrutura dos açucares e fosfato do DNA;
•Agentes químicos, tais como as substâncias enumeradas como cancerígenas (corantes alimentares, componentes do fumo do cigarro, drogas usadas em quimioterapia, etc). Estas actuam danificando as ligações químicas ou mesmo substituindo nucleótidos;
•Agentes biológicos, tais como a acção de vírus e bactérias. Estas injectam parte do seu DNA, na cadeia de DNA da célula hospedeira. Também poderão ocorrer mutações devido a falhas de ordem genética.

Mutações e a sua descendência:

Existem no nosso organismo dois tipos de células, nas quais podem ocorrer as mutações:
Células somáticas à são células do corpo que formam tecidos ou órgãos do corpo, ou seja são as constituintes da estrutura de todo o ser vivo. O seu núcleo divide-se apenas por mitose (processo em que as células eucarióticas dividem os seus cromossomas pelas duas células filhas).
As mutações nas células somáticas têm pouca importância porque essas mutações permanecem apenas nas linhagens de células de um indivíduo, não sendo passadas a seus descendentes.
Células germinativas/gaméticas à são células haplóides, (contêm metade do número de cromossomas característicos da espécie), tais como os espermatozóides e os óvulos (gâmetas). Estas células contém a informação genética que irá ser transmitida a descendência, podendo o DNA mutado ser transmitido as gerações seguintes.

Mas afinal existem mutações positivas?

Sim, e estas são necessárias não só para a evolução em direcção a uma maior complexidade dos seres, mas também para compensar os danos de muitas mutações prejudiciais.
As mutações são responsáveis pela variabilidade genética e pela extensão da variabilidade genotípica. Ela fornece a matéria-prima para o processo evolutivo, cujo sucesso depende da existência de variabilidade.
O processo evolutivo consiste basicamente em concentrar numa população indivíduos com maior frequência de genes favoráveis. Um organismo evoluído é resultante de um processo de selecção, no qual as mutações que lhe eram vantajosas foram preservadas. Portanto, para estes indivíduos é pouco provável que alterações aleatórias nos genes possam contribuir para melhorias, uma vez que o organismo já se encontra em estágio avançado de selecção. Assim, de maneira geral, considera-se que a maioria das mutações são prejudiciais.

Efeitos das mutações:

Assim, podemos dizer que existem 3 efeitos das mutações.
- Os efeitos benéficos como já vimos, podem conduzir a características vantajosas que se traduz numa evolução genética. Por exemplo, uma deleção específica de 32 pares de base no CCR5 humano confere resistência ao HIV a homozigóticos (1) e atrasa o despoletar da SIDA em heterozigóticos (2).
- Os efeitos prejudiciais estão associados a um funcionamento irregular da célula, que pode levar até a morte do indivíduo.
- Os efeitos neutros que surgem porque o código genético é redundante, logo podem surgir mutações que não modifiquem a sequencia de aminoácidos da proteína, as mutações silenciosas. Assim o novo aminoácido pode ter funções semelhantes ao anterior ou a substituição do aminoácido pode ocorrer numa zona da proteína que não seja determinante para a sua função.

Síntese de proteínas

A passagem da linguagem do DNA para a linguagem das proteínas envolve duas etapas: a transcrição e a tradução.

A transcrição é a síntese do RNAm a partir do DNA. Os dois ácidos nucleicos usam a mesma linguagem e a informação é transcrita de uma molécula para outra. Uma molécula de DNA serve de molde para a síntese de uma molécula de RNAm, que é uma cópia das instruções do DNA para a síntese de proteínas.

Um enzima que é o RNA polimerase, fixa-se numa sequência de DNA e desliza ao longo dela, provocando a sua abertura e iniciando a transcrição e a síntese do RNAm a partir de nucleótidos livres. A molécula de RNAm atravessa o invólucro nuclear e transporta a informação genética do DNA para o citoplasma, onde ocorre a síntese proteica. Cada tripleto no RNAm chama-se codão e pode codificar um aminoácido.

Os produtos primários da transcrição podem sofrer transformações. Forma-se o RNA pré-mensageiro e, depois os intrões são retirados e os exões são unidos formando o RNA mensageiro funcional que migra do núcleo para o citoplasma. A este processo chama-se migração.

A tradução é todo o processo pelo qual a sequência de nucleótidos do RNAm é utilizada para ordenar e juntar os aminoácidos de uma proteína. Quando a molécula de RNAm chega ao citoplasma, a informação genética nela contida é nos ribossomas.

O RNA de transporte selecciona e transfere os aminoácidos para os locais de síntese, os ribossomas, como foi dito anteriormente. Cada RNAt tem uma zona especial, uma sequência de três nucleótidos que é chamado o anti-codão, que é complementar de um dos codões do RNAm.

A tradução tem três etapas: a iniciação, o alongamento e a finalização.

Iniciação: A subunidade menor do ribossoma liga-se à extremidade 5' do RNAm, esse desliza ao longo da molécula do RNAm até encontrar o codão de iniciação (AUG), transportando assim o RNAt com o aminoácido metionina, ligando-se assim ao codão de iniciação por complementaridade. A subunidade maior liga-se à subunidade menor do ribossoma.
Alongamento: O RNAt transporta um aminoácido específico de acordo com o codão. Estabelece-se uma ligação peptídica entre o aminoácido recém-chegado e o que estava anteriormente. O ribossoma avança três bases ao longo do RNAm no sentido 5' -> 3', repetindo-se sempre o mesmo processo.

Finalização:O ribossoma encontra o codão de finalização (UAA, UAG ou UGA) terminando o alongamento. O último RNAt abandona o ribossoma, as subunidades do ribossoma separam-se, podendo ser recicladas e de igual maneira e por fim, o péptido é libertado.