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A divisão celular é fundamental para todos os organismos vivos e necessária para o crescimento e desenvolvimento. Como um meio essencial de reprodução para todos os seres vivos, a divisão celular permite que os organismos transfiram seu material genético para seus descendentes. Para um organismo unicelular, a divisão celular gera um organismo completamente novo. Para organismos multicelulares, a divisão celular produz novas células para o desenvolvimento geral do organismo, bem como produz células saudáveis para substituir as células danificadas por lesão. A reprodução de organismos multicelulares requer divisão celular para criar células reprodutivas.
Para se dividir, uma célula primeiro precisa duplicar e dividir seu conteúdo genético em duas células-filhas. Essa série de duplicação e divisão é chamada de ciclo celular. Os detalhes do ciclo celular variam de um organismo para outro, mas os estágios fundamentais da divisão celular são universais.
Cerca de 78% da vida de uma célula é gasta na Interfase, crescendo e se preparando para a divisão celular. A própria interfase contém três subfases. Imediatamente após a divisão celular, uma célula recém-formada entra na porção Gap 1 ou G1 da Interfase. Durante o G1, as células crescem ativamente e, em muitos casos, se diferenciam para desempenhar funções específicas. Nesta fase, a célula é sensível a sinais internos e externos para determinar se deve ou não se dividir. Algumas células, como os neurônios, não prosseguem para a divisão celular após a diferenciação e permanecem em G1 até morrerem. Uma vez que a célula atende aos critérios para prosseguir para a divisão celular, ela entra no estágio de síntese ou S da Interfase, durante o qual a célula replica todo o seu genoma. Em seguida, a célula entra na fase Gap 2 ou G2 para sintetizar todas as proteínas necessárias para a divisão celular. Isso é seguido pela fase de divisão celular.
Existem dois tipos de divisão celular em células eucarióticas - mitose e meiose. As células somáticas ou não reprodutivas produzem células-filhas por meio da divisão mitótica. A mitose é a divisão nuclear e consiste em cinco estágios: prófase, prometáfase, metáfase, anáfase e telófase Durante a prófase, as moléculas de DNA duplicadas se condensam em cromossomos compactados, enquanto os microtúbulos formam fusos. O envelope nuclear se dissolve na prometáfase. Durante a metáfase, os cromossomos conectados aos fusos se alinham ao longo do equador das células. Durante a anáfase, as cromátides irmãs são puxadas para pólos opostos da célula. Finalmente, durante a telófase, novos envelopes nucleares são formados em torno de ambos os grupos de cromossomos. Após a conclusão da divisão nuclear, o citoplasma ao redor de cada núcleo se separa um do outro por meio da citocinese, resultando em duas células-filhas idênticas.
O outro tipo de divisão celular eucariótica é chamado de meiose, que é específico das células reprodutivas. A meiose produz quatro células-filhas, cada uma com apenas metade do conteúdo genético da célula-mãe. Nesse processo, a célula duplica seu DNA durante a interfase e, em seguida, completa duas divisões celulares sucessivas, dividindo as células de duas em quatro células, respectivamente. Essas divisões celulares sucessivas são chamadas de meiose I e meiose II, ambas consistindo em todos os estágios da prófase à telófase. A troca de material genético entre os conjuntos de cromátides não irmãs acontece durante a prófase I em um processo chamado crossover. Pares de cromossomos homólogos são alinhados ao longo do equador da célula durante a metáfase I e afastados um do outro durante a anáfase I. Os núcleos filhos haplóides são formados durante a telófase I. A citocinese geralmente ocorre antes da meiose II, no entanto, a interfase quase nunca acontece entre as duas divisões sucessivas. A meiose II é muito semelhante à mitose e separa as cromátides irmãs. No final da meiose, quatro células-filhas haplóides são formadas. Essas células-filhas são chamadas de gametas e formam os espermatozóides ou óvulos.
A divisão celular é rigidamente regulada externa e internamente. A regulamentação externa garante a necessidade da divisão. Por exemplo, as células do revestimento do estômago se dividem com frequência para atender à necessidade contínua de novas células para substituir as células danificadas. Da mesma forma, os tecidos lesionados podem experimentar taxas mais altas de divisão celular para substituir as células danificadas, mas apenas por um determinado período de tempo, desde que os sinais externos para direcionar a divisão celular estejam presentes. A regulação interna da divisão celular garante a saúde das células-filhas. Existem muitos pontos de verificação dentro das fases do ciclo celular que regulam a transição da célula de uma fase para a próxima. Por exemplo, os mecanismos de controle de qualidade permitem que a célula prossiga da fase G1 para a fase S somente se o DNA estiver intacto e adequado para replicação. Da mesma forma, um ponto de verificação em G2 permite que as células prossigam para a mitose (fase M) somente se o DNA tiver sido replicado de forma completa e precisa. Além disso, um ponto de verificação metafásico garante que os cromossomos estejam ligados aos fusos e alinhados corretamente antes que a anáfase possa começar. Uma célula que falha em um ponto de verificação pode ser alvo de apoptose se a célula não conseguir corrigir o erro.
Algumas mutações permitem que as células se dividam mesmo quando não há sinal direcionando a divisão celular. Por exemplo, os genes supressores de tumor impedem que as células se dividam descontroladamente e a mutação nesses genes alivia essa inibição. Essa divisão celular aberrante, se não for controlada, pode causar a formação de tumores e, em alguns casos, levar ao câncer. Como uma das principais causas de morte nos Estados Unidos, o câncer, sem dúvida, tem um grande impacto na sociedade. O risco de câncer ao longo da vida aumenta com a idade, à medida que mutações no DNA se acumulam ao longo do tempo, especialmente para câncer de mama, pulmão, próstata e cólon1. Assim, a pesquisa contínua sobre a divisão celular é essencial para melhorar a detecção, o tratamento e, eventualmente, a prevenção do câncer. De fato, as terapias atuais para tratar o câncer aproveitam o conhecimento dos mecanismos de divisão celular, como os mecanismos de direcionamento envolvidos na divisão celular. Por exemplo, drogas de platina, como a cisplatina, ligam-se ao DNA e interrompem a replicação do DNA, enquanto taxanos, como o paclitaxel, ligam-se aos microtúbulos e inibem a desmontagem do fuso, interrompendo assim a divisão celular2.
Uma compreensão do ciclo celular e dos mecanismos de divisão celular também é importante para entender e desenvolver tratamentos para condições que afetam as células que não se dividem. Atualmente, lesões no sistema nervoso ou no coração podem ter efeitos debilitantes, uma vez que as células neuronais e musculares danificadas não podem ser substituídas. No entanto, a lesão do tecido nervoso está associada à ativação das vias do ciclo celular nos neurônios e nas células gliais de suporte. Curiosamente, a inibição dessas vias do ciclo celular reduz a formação de cicatrizes gliais e danos secundários após a lesão. Portanto, entender a regulação do ciclo celular e da divisão celular é imperativo para entender as condições saudáveis e doentes de todos os sistemas de órgãos3.
O ciclo celular refere-se à sequência de eventos ao longo da vida de uma célula típica - envolvendo crescimento, replicação do DNA e preparação para a divisão celular. Para organismos que se reproduzem sexualmente, a vida começa como um zigoto, um óvulo fertilizado. Com o tempo, essa única célula original cresce e se divide de maneira controlada para produzir um indivíduo multicelular e complexo. As células continuam esse processo, especialmente para manter e reparar os tecidos durante o envelhecimento.
Agora vamos dar uma olhada mais de perto. Nos eucariotos, o DNA de fita dupla é especialmente organizado dentro de um núcleo ligado à membrana para acomodar o espaço limitado da célula. No primeiro nível de compactação, o DNA é enrolado firmemente em torno de proteínas específicas chamadas histonas. Essa combinação de partículas de proteína de DNA é então repetida e empacotada em matrizes conhecidas como nucleossomos, que, junto com o DNA ligante, formam fibras de cromatina enroladas. Finalmente, proteínas fibrosas adicionais compactam ainda mais a cromatina, empacotando longos comprimentos de DNA em unidades fortemente condensadas. Reconhecidos como cromossomos, dependendo da fase de divisão celular.
Para se preparar para a divisão, as células devem passar pela interfase, que é dividida em três estágios. G1, S e G2. Em G1, a primeira fase de lacuna, uma célula-filha recém-gerada cresce em tamanho e se prepara para a duplicação de DNA na próxima fase. Agora, em S, a fase de síntese, as células duplicam seu DNA nuclear, que permanece empacotado como cromatina. As células também duplicam os centrossomas, as estruturas organizadoras dos microtúbulos que formam o aparelho do fuso mitótico. Finalmente, no G2, a segunda fase de lacuna, as células continuam a crescer, multiplicar organelas e proteínas necessárias para a mitose e reabastecer seus estoques de energia. A célula está agora pronta para entrar no primeiro estágio da mitose.
Composta por cinco estágios únicos, a mitose é uma forma de divisão em que o material genético de uma célula é dividido entre duas células-filhas. Primeiro, durante a prófase em humanos, a cromatina nucléica se condensa em cromossomos em forma de X, compostos por pares de cromátides irmãs ligadas nas junções do centrômero. Simultaneamente fora do núcleo, os centrossomas migram para lados opostos da célula. Ao fazer isso, os bastonetes de microtúbulos começam a crescer a partir de cada um. Seja para o interior ou exterior da célula, formando um aparelho de fuso em forma de teia. Em seguida, o envelope nuclear se dissolve durante a prometáfase, expondo os cromossomos a outros conteúdos da célula. As estruturas proteicas também aparecem em ambos os lados dos centrômeros, uma para cada cromátide. Uma vez que esses cinetocoros se formam, os microtúbulos internos que se estendem se prendem a eles, com cada cromátide irmã sendo amarrada a um pólo diferente.
A mitose então progride para a metáfase, onde o aparelho do fuso reorganiza os cromossomos para que sejam orientados de forma semelhante em uma linha fixa ao longo do equador da célula. Durante a anáfase, os microtúbulos afixados pelo cinetócoro encurtam. E as cromátides irmãs, agora chamadas individualmente de cromossomos, são separadas. Essas e outras dinâmicas de microtúbulos também alongam a célula. Finalmente, os cromossomos pousam em lados opostos das células durante a telófase. E o aparelho do fuso se desfaz. O material genético se solta e surgem dois envelopes nucleares, um ao redor de cada conjunto de cromossomos. Durante a telófase, um processo distinto, não tecnicamente um estágio de mitose, chamado citocinese, também divide a célula. Assim, o resultado final da mitose é um par de células geneticamente idêntico ao seu precursor.
Infelizmente, as mutações podem causar danos aos genes que controlam a regulação do ciclo celular, o que leva à divisão celular sem controle. Nesse caso, cada divisão celular sucessiva produz células-filhas com ainda mais danos ... e a regulação defeituosa do crescimento acaba levando à formação de massas celulares chamadas tumores.
Neste laboratório, você examinará os diferentes estágios da mitose usando células da ponta da raiz da cebola. E então examine o que acontece quando o controle do ciclo celular é perdido.
