o ciclo celular

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8. CICLO CELULAR E MITOSE

Carlos Manuel Gaspar dos Reis

Biologia Celular

http://www.micro.utexas.edu/courses/levin/bio304/genetics/celldiv.html

• Características das diferentes fases do ciclo celular

• Descrição geral da mitose• Fuso mitótico• Cinetócoros, microtúbulos e

movimento dos cromossomas• Cariocinese e citocinese• Controlo do ciclo celular

Sumário:

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Um indivíduo adulto é formado por biliões de células (1013) todas elas derivadas do zigoto.

Mitose e multiplicação celular

A vida média de um eritrócio é de apenas 120 dias.

Em cada segundo são produzidos 2,5 milhões de eritrócios!

As células passam por um ciclo que compreende dois períodos:

- Interfase

- Divisão celular (mitose ou meiose)

Alguns tipos celulares diferenciados raramente se dividem. As células nervosas após o nascimento, nunca mais se dividem, permanecendo sempre em interfase.

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G0

G1 SG2

M G1

4n

2n

DN

A

Alterações no conteúdo de DNA durante as diferentes fases do ciclo celular

Representação esquemática do ciclo

celular

Célula de mamífero em cultura (ciclo de 16 h):

G1: 5h S: 7 hG2: 3 hM: 1 h

Características das diferentes fases do ciclo celular

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Fases do ciclo celular:

G1: Crescimento e preparação para a replicação dos cromossomas

S: síntese de DNA (replicação)

G2: Preparação para a divisão mitótica

M: Mitose. Separação de cromatídeos e constituição de dois núcleos idênticos (cariocinese)

Interfase

Após a divisão nuclear (ou cariocinese), no final da mitose, ocorre a divisão do citoplasma (citocinese), resultando duas células idênticas à original.

Durante a mitose a síntese de RNA é interrompida.

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iii) Iniciar a diferenciação e maturação, saindo do ciclo de divisão. Células terminalmente diferenciadas. (Neurónios, células da musculatura esquelética e cardíaca).

ii) Entrar numa fase pós-mitótica prolongada (Fase G0), permanecendo num estado de quiescência. Podem reentrar mais tarde em ciclo no fim de G1, (ponto de restrição, R) se devidamente estimuladas. (Hepatócitos, fibroblastos da pele, células renais, células do músculo liso, células do pâncreas, do ovário, de pulmão,endoteliais dos vasos sanguíneos, células da glândula adrenal, células ósseas).

i) Iniciar nova fase de síntese (Fase S) após uma fase pós-mitóticade duração normal. (Células embrionárias, células do epitéliointestinal, folículos capilares, sistema linfático, medula óssea).

Após a mitose, Fase G1, as células filhas podem:

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Estrutura do DNA e replicação

Fase S: replicação do DNA

ribose desoxirribose

desoxirribonucleótidoribonucleósido

Grupo fosfato

Base azotada

Os ácidos nucleicos são polímeros de nucleótidos

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• Os nucleótidos estão ligados entre si por ligações fosfodiester (5' -3') formando cadeias.

• As bases azotadas estão no centro da molécula, desoxirribose e grupo fosfato no exterior.

• O DNA é constituído por duas cadeias de nucleótidos com polaridade e antiparalelas, enroladas em hélice.


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Biologia Celular e Molecular


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Biologia Celular e Molecular


Duas longas cadeias polinucleotídicas enrolam-se em torno de um eixo central formando uma hélice dupla;

As duas cadeias são antiparalelas;

As bases azotadas de ambas as cadeias estão posicionadas perpendicularmente ao eixo, localizam-se no interior da hélice e distam entre si de 3,4 Å (0,34 ηm);

As bases azotadas de cadeias opostas estão ligadas por pontes dehidrogénio: A=T e G≡C;

Cada volta completa da hélice é de 34 Å (3,4 ηm), envolvendo 10 bases;

O diâmetro da hélice dupla é de 20 Å (2,0 ηm).

Estrutura do DNA

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Purinas: adenina (A) e guanina(G); dois anéis

Pirimidinas: timina (T), citosina(C); um anel

Fonte: Nicholl 2002

Ligação entre bases azotadas por complementaridade: A=T; C≡G.

A temperatura necessária (Tm) para se obter a desnaturação depende da proporção G/C

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Replicação do DNA

- A replicação é semi-conservativa

- Nas células eucariotas existem várias origens da replicação; nas células procariotas existe apenas uma origem de replicação.

- A replicação é bidireccional

- A replicação ocorre na direcção 5’ 3’

- A replicação é descontínua numa das cadeias.

- Na replicação estão envolvidas várias enzimas:

i) DNA helicase, ii) DNA polimerases, iii) SSBPs, iv) DNA topoisomerases, v) Primase (RNA polimerase), vi) DNA ligase.

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Mitose

PrófasePrometáfaseMetáfaseAnáfaseTelófase

Descrição geral da mitose

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Estágios de condensação do DNA:

1.Formação de nucleossomas (Ø = 11ηm), compactação 5 a 7 x;

2.Formação do solenóide (Ø = 30 ηm), compactação 40 x;

3.Formação de ansas (Ø = 300 ηm);4.Formação de cromatídeos (Ø ≈ 700ηm).

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Prófase

Condensação dos cromatídeos, formação do fuso mitótico (acromático) e desaparecimento dos nucléolos.

Prometáfase

Período curto em que o invólucro nuclear se desagrega e os cromossomas mais condensados ainda não se apresentam ordenados.

Os microtúbulos do fuso acromático são nucleados a partir dos centrossomas.

Os cromossomas estão ligados, através do cinetócoro, a fibras de microtúbulos (microtúbulos cinetocoriais). Outras fibras do fuso (microtublos polares) estendem-se para além do plano equatorial.

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Cinetócoros

Cada cinétocoro aparece em m.e. como uma estrutura trilaminar que contém um par de discos densos com cerca de 50 nm de diâmetro, cada um e uma zona intermédia mais clara de 25 nm de diâmetro.

Cada cromossoma possui dois cinetócoros. São estruturas proteícas aderentes ao centrómero (constrição primária) sendo o local de ligação dos microtúbulos cinetocoriais.

Nos cromossomas humanos foram identificadas cinco proteínas características dos cinetócoros:

Cenp - A, B, C, D e E (Centromere protein).

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Carlos Manuel Gaspar dos Reis http://www.utexas.edu/courses/utgeneticstamu/kinetchr.htm

Estrutura e localização do cinetócoro.

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Metáfase

Os cromossomas atingem a máxima condensação e alinham-se no plano equatorial da célula, formando a placa metafásica. As placas cinetocóricas ficam orientadas na direcção dos pólos.

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Anáfase

Ocorre a divisão dos centrómeros, os dois cromatídeos de cada cromossoma separam-se e migram para os pólos, provavelmente arrastados pelo encurtamento (despolimerização) dos microtúbulos cinetocoriais.

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Telófase

Ocorre a descondensação dos cromossomas, a reconstituição do invólucro nuclear e a reorganização dos nucléolos. No final da telófase ocorre a citocinese (divisão do citoplasma).

Nas células animais, no final da anáfase, forma-se uma constrição ao nível da zona equatorial da célula mãe, que progride e divide o citoplasma levando à separação das células filhas.

A divisão do citoplasma deve-se à acção de filamentos deactina dispostos em feixe e interligados por moléculas demiosina II, que formam um anel contráctil na face interna da membrana plasmática (córtex celular).

Citocinese

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Controle do Ciclo Celular

As células possuem mecanismos para coordenar os processos de síntese no núcleo e no citoplasma e também para marcar o início e a conclusão das distintas fases do ciclo celular.

Lee Hartwell, Paul Nurse, and Tim Hunt - Prémio Nobel da Medicina em 2001 pelo trabalho realizado no estudo da regulação do ciclo celular.

http://nobelprize.org/medicine/educational/2001/index.html

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No controle das divisões celulares intervêm dois tipos moleculares:

1) Ciclinas: ciclinas G1 (ciclina D), ciclinas S (ciclinas E e A) eciclinas mitóticas (ciclinas B e A).

As ciclinas são polipéptidos cuja concentração varia ao longo do ciclo celular.

2) Cinases dependentes de ciclinas (Cdks) : Cdk4 e Cdk6 (fase G1), Cdk2 (fase S) e Cdk1 (fase M).

A sua concentração é constante ao longo do ciclo celular.

As ciclinas activam as Cdks formando complexos moleculares Cdk-ciclinas. As cinases activadas fosforilam moléculas cruciais para que ocorra a divisão celular.

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Actividade das ciclinas e formação de complexos ciclinas-Cdks no ciclo celular de célula de mamífero

CiclinasCiclinas G1: ciclinas D e ECiclinas S: ciclina ACiclinas mitóticas: ciclinas B e A

Cinases (Cdks)Fase G1: Cdk4, Cdk6 e Cdk2Fase S: Cdk2Fase M: Cdk1(Cdc2)

Lodish, et al. (2004) Molecular Cell Biology. http://bcs.whfreeman.com/lodish5e/

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Cada ciclina surge em determinada fase do ciclo celular porque a sua transcrição depende da ciclina expressa anteriormente.


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A presença de um complexo activo ciclina-cdk resulta na activação de um factor de transcrição que é responsável pela indução da transcrição da ciclina que intervém na fase seguinte do ciclo celular

Uma determinada ciclina desaparece quando o gene que a origina deixa de ser transcrito e o mRNA e proteína produzidos anteriormente são degradados.

Como os complexos ciclinas-cdk controlam a progressão no ciclo celular?

Através da sua actividade como cinases colocando grupos fosfato em aminoácidos (serina, treonina e tirosina) de proteínas alvo.

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Fases de controlo do ciclo celularNo ciclo celular as células permanecem num ponto G1 designado ponto de restrição até que as condições sejam adequadas para iniciar a divisão celular

Nas células animais uma proteína designa retinoblastoma (RB) mantém as células em G1 por sequestração de um factor transcrição designado E2F.

Nota: formas mutantes da proteína RB estão relacionadas com a formação de tumores na retina)

O crescimento celular ocorre quando um determinado factor de crescimento se liga a um receptor celular. Verifica-se a amplificação do sinal químico, através de um efeito cascata, que culmina na produção da ciclina D (ciclina G1).

A meio de G1 a proteína RB é fosforilada pelos complexos ciclina D-Cdk6 e ciclina D-Cdk4.

No final de G1 a fosforilação da proteína RB é concluída pelo complexo ciclina E-Cdk2.

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A fosforilação da proteína RB inactiva-a e provoca a libertação do factor de transcrição E2F.

A libertação do factor de transcrição resulta na transcrição de genes e produção de enzimas envolvidas na replicação do DNA, nomeadamente as DNA polimerases.

O factor de transcrição EF2 activa também a sua própria transcrição (autoregulação positiva), a transcrição das ciclinas E e A, e ainda a transcrição da Cdk2.


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As células em G1 também se preparam para a síntese de DNA pela montagem de complexos pré-replicação nos pontos de origem da replicação do DNA.

A montagem dos referidos complexos inicia-se pela acção de seis proteínasque formam um complexo de reconhecimento da origem (ORC). A proteína CDC6 liga-se a cada ORC e recruta outros componentes que irão formar o complexo pré-replicação.

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As cinases ciclina E-Cdk2 e ciclina A-Cdk2 fosforilam componentes dos complexos pré-replicação o que desencadeia o início da replicação do DNA e a transição definitiva G1/S.

Após a fosforilação dos complexos pré-replicação, a proteína CDC6 liberta-se do complexo de iniciação e é transportada do núcleo para o citoplasma.

A saída da proteína CDC6 parece estar relacionada com o facto de a replicação ocorrer apenas uma vez para cada origem de replicação.

Uma vez na fase S, o complexo ciclina A-Cdk2 fosforila o factor de transcrição EF2 e inibe a acção impedindo a sua ligação ao DNA.

A progressão da fase G2 para a fase M (transição G2/M) é controlada pelo complexo molecular ciclina B-Cdk1 (Cdc2) também designado factor promotor da maturação (MPF) e factor promotor da mitose.

Este complexo através da fosforilação de vários substratos assegura a transição fase G2/M.


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O complexo ciclina B-Cdk1 fosforila várias proteínas:

i) Proteínas da lâmina nuclear o que causa a desagregação do invólucro nuclear

ii) Proteínas relacionadas com a duplicação do centrossoma e a constituição do fuso mitótico.

Nesta fase ocorre a condensação da cromatina e a ligação dos cromatídeosde cada cromossoma, através do cinetócoro, a fibras de microtúbulos do fuso acromático.

A conclusão da mitose e entrada em G1 depende:

i) Separação dos cromatídeos irmãos

ii) Desagregação do fuso mitótico, descondensação da cromatina, ocorrência da citocinese.

Os acontecimentos anteriores estão relacionados com a degradação de algumas proteínas, nomeadamente a ciclina B.

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A ciclina B é marcada para destruição pelo complexo promotor da anáfase(APC).

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O complexo promotor da anáfase (APC) é uma proteína do tipo ubiquitina ligase responsável pela ubiquitinação de proteínas. As proteínas marcadas com a ubiquitina são destruídas.

Um outro substrato do APC é a proteína Pds1p que estabiliza a proteína Scc1p. A proteína Scc1p permite manter ligados, através do centrómero, os dois cromatídeos irmãos.

A destruição da proteína Pdsp1 está relacionada com destruição da proteína Scc1p e a separação dos cromatídeos irmãos na anáfase.

A ubiquitina é reconhecida por proteases citoplasmáticas e desse modo ocorre a degradação das proteínas marcadas.

O decréscimo da actividade das Cdks mitóticas, permite a reorganização do invólucro nuclear e do aparelho de Golgi; no final ocorre a citocinese.

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Na ausência de nutrientes ou factores de crescimento, as células retiram-se do ciclo e entram em G0.

As substâncias indutoras da divisão celular provenientes do exterior, são produzidas por células vizinhas (secreção parácrina), ou por células distantes (secreção endócrina).

Estas substâncias indutoras da proliferação celular actuam na fase G1 induzindo a síntese de ciclinas G1 (ciclina D) e a formação de complexos com as Cdks.

As células monotorizam as condições ambientais envolventes bem como o seu próprio estado fisiológico.

As células tem capacidade para responder a situações de stress,nomeadamente mutações do DNA, ausência de O2, ausência de disponibilidade de nucleósidos trifosfato. Quando alguma destas situações se verifica a progressão no ciclo celular é parada num dos pontos de controlo.

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Principais pontos de controlo do ciclo celular:

- No final de G1, antes da fase S de replicação (Ponto de Restrição).

- Transição G2/M, antes do início da mitose.

- Durante a mitose na metáfase

Ponto de controle G1 (ou ponto de restrição): período do ciclo, no final de G1, onde a célula toma decisão (ou não) de se dividir. A decisão é tomada mediante a presença de substâncias indutoras provenientes de outras células.

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Ponto de restrição. Este ponto de controlo assegura que a célula possui dimensão suficiente para se dividir, e que existem nutrientes em quantidade para suportar as duas células filhas resultantes.

No ponto de restrição actuam os complexos ciclina D+Cdk4 e ciclina D+Cdk6.

As células que não recebem um sinal para continuar o ciclo saem e entram em G0.

O ponto de controlo no final de G2 assegura que a replicação correu bem e que o DNA não tem erros.

O ponto de controlo na metáfase assegura que todos os cromossomas se encontram associados a um microtúbulo cinetocorial.

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A proteína citoplasmática p53 (factor de transcrição p53) controla o estado do DNA antes que a célula entre na fase S.

Em células normais o nível da p53 activa é baixo. Uma outra proteína, a Mdm2 modula a actividade da p53 e assegura os baixos níveis de p53 em situações de normalidade.

Para funcionar como factor de transcrição a p53 precisa de ser activada primeiro por fosforilação e depois por acetilação.

A Mdm2 ligada à p53 impede a sua fosforilação. Além disso, a Mdm2 exporta continuamente a p53 do núcleo para o citoplasma onde é degrada por acção enzimática.

Quando o DNA sofre danos o ciclo celular é bloqueado em G1 ou em G2.

Nesta situação a proteína p53 passa à forma activa por acção de cinases e acetilases. A activação da p53 origina a sua dissociação da Mdm2, resultando ainda um acréscimo nos níveis da p53.

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A p21 inibe a ligação das ciclinas G1 com as Cdks, bloqueando a continuação do ciclo celular, ; a GADD45 atrasa o processo da replicação; a 14-3-3σ bloqueia a entrada na mitose.

Assim, em caso de lesão do DNA, a p53 bloqueia o ciclo celular provocando inclusivamente a morte celular

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A p53 regula os mecanismos da proliferação celular, activa a transcrição de alguns genes e a inibição da expressão de outros.

A p53 promove a transcrição de: p21, GADD45 e 14-3-3σ

A p53 inibe: a transcrição dos genes para as ciclinas

Se a p53 não induzir a acção da p21, a célula com lesões graves continua a proliferar desordenadamente originando cancro.

Cerca de 50% dos tumores malignos humanos apresentam mutações dogene da proteína p53.

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A ocorrência de danos no DNA desencadeia um processo de apoptose, a morte programada da célula. Neste processo de suicídio celular estão envolvidas enzimas designadas caspases.

A proteína p53 activa o mecanismo de apoptose activando a transcrição de um gene designado Bax.

A forma norma da proteína Bax é um heterodímero que está em equílibrio com outra proteína designada Bcl2, a qual é um inibidor da apoptose.

Quando a p53 activa a transcrição do gene Bax o balanço existe em favor da Bax em detrimento da Bcl2 e o ocorre a apoptose

A activação de oncogenes, genes associados ao aparecimento de tumores, pode provocar um incremento na concentração da forma activa (fosforilada) de Bcl2 o que impede a apoptose e origina células imortais que se dividem de forma indefinida.

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