Ciclo celular

As duas grandes etapas do ciclo celular

O ciclo celular é o mecanismo básico através do qual os organismos crescem, substituem células mortas ou danificadas e regeneram tecidos.

Ciclo celular — sequência ordenada e regulada de acontecimentos pelos quais uma célula duplica o seu conteúdo e se divide em duas células-filhas geneticamente idênticas entre si e à célula-mãe.

O ciclo divide-se em duas grandes etapas: a interfase, o período mais longo, e a fase mitótica, mais curta.

Período	O que acontece
G1	A célula cresce e desempenha as suas funções metabólicas normais.
S	Ocorre a replicação do DNA.
G2	A célula prepara-se para a divisão, após a replicação do DNA.
Mitose	Divisão do núcleo, com distribuição igual dos cromossomas duplicados pelos dois núcleos-filhos.
Citocinese	Divisão do citoplasma, originando duas células-filhas separadas.

Um erro frequente é encarar a interfase como uma "fase de repouso" da célula. Na realidade, é o período metabolicamente mais ativo do ciclo, já que é nele que a célula cresce e replica o seu DNA.

Nem todas as células percorrem o ciclo de forma contínua: algumas entram num estado de repouso reprodutivo, designado G0, que pode ser permanente (por exemplo, neurónios e células musculares cardíacas maduras) ou temporário, consoante sinais internos e externos. Uma célula muscular cardíaca madura permanece, na prática, permanentemente em G0, o que explica a limitada capacidade de regeneração do músculo cardíaco após um enfarte. Já uma célula epitelial da mucosa intestinal percorre o ciclo repetidamente, para repor as células que se descamam.

Mitose: a divisão do núcleo

Mitose — processo de divisão nuclear que origina dois núcleos com constituição cromossómica idêntica entre si e idêntica à do núcleo original, garantindo que cada célula-filha recebe uma cópia completa da informação genética.

A mitose ocorre a seguir à interfase, depois de o DNA ter sido replicado na fase S, e antecede a citocinese. É o mecanismo de divisão nuclear típico do crescimento, da renovação de tecidos e da reprodução assexuada em organismos eucarióticos — por exemplo, na cicatrização de uma ferida na pele ou no crescimento de uma raiz vegetal, através de mitoses sucessivas nas células meristemáticas do ápice radicular.

As quatro fases da mitose

A mitose divide-se tradicionalmente em quatro fases sucessivas:

Fase	Acontecimentos principais
Prófase	A cromatina condensa-se em cromossomas visíveis, cada um com dois cromatídeos-irmãos; o invólucro nuclear desagrega-se e os centrossomas migram para polos opostos, organizando o fuso acromático.
Metáfase	Os cromossomas atingem a condensação máxima e alinham-se no plano equatorial da célula (placa equatorial), com os cinetocoros ligados a microtúbulos de polos opostos.
Anáfase	Os cromatídeos-irmãos separam-se ao nível do centrómero e cada um, já como cromossoma independente, é puxado para o respetivo polo.
Telófase	Os cromossomas alcançam os polos e descondensam-se; o invólucro nuclear reorganiza-se em torno de cada conjunto cromossómico e o fuso desaparece, ficando reconstituídos dois núcleos geneticamente idênticos.

Um erro comum é pensar que a replicação do DNA ocorre durante a prófase da mitose. Na realidade, o DNA já foi replicado antes, na fase S da interfase — na prófase, os cromossomas já surgem com os seus dois cromatídeos-irmãos. Outro erro é acreditar que o número de cromossomas duplica durante a prófase e volta a reduzir-se na anáfase: na verdade, o número de cromossomas mantém-se constante ao longo de toda a mitose até à anáfase, porque o que duplicou na fase S foi a quantidade de DNA, formando cromatídeos-irmãos dentro do mesmo cromossoma, e não novos cromossomas.

Cromatídeos-irmãos, centrómero e cinetocoro

Cromatídeos-irmãos — as duas cópias idênticas de DNA de um cromossoma, produzidas durante a fase S e mantidas unidas pelo centrómero até à anáfase.

Cinetocoro — complexo proteico que se forma no centrómero e permite a ligação do cromossoma às fibras do fuso acromático.

Depois da replicação do DNA, cada cromossoma passa a ser constituído por dois cromatídeos-irmãos geneticamente idênticos, unidos numa região estreita chamada centrómero. É aí que se organiza o cinetocoro, ao qual se ligam os microtúbulos do fuso, permitindo que os cromatídeos-irmãos sejam corretamente orientados e, na anáfase, separados e puxados para polos opostos. Um cromossoma humano típico, antes da anáfase, surge ao microscópio com a forma de um "X", correspondente aos dois cromatídeos-irmãos unidos pelo centrómero. Convém não confundir os dois termos: um cromossoma duplicado é constituído por dois cromatídeos-irmãos, e não são a mesma coisa.

O fuso acromático

Fuso acromático (fuso mitótico) — estrutura formada por microtúbulos, organizada a partir dos centrossomas durante a prófase, responsável por orientar os cromossomas na metáfase e por os separar e puxar para polos opostos da célula durante a anáfase.

O fuso começa a formar-se na prófase, quando os centrossomas — já duplicados na interfase — migram para polos opostos. Algumas das suas fibras ligam-se aos cinetocoros, permitindo o alinhamento dos cromossomas na metáfase e a sua separação na anáfase. Depois da telófase, o fuso desorganiza-se. Erros na ligação do fuso aos cinetocoros são detetados pelo ponto de controlo da metáfase, que impede a progressão do ciclo até a ligação estar correta.

Citocinese: a divisão do citoplasma

Citocinese — divisão do citoplasma que se segue à mitose, originando duas células-filhas separadas, cada uma com o seu próprio núcleo.

O mecanismo é diferente em células animais e vegetais, precisamente por estas últimas possuírem parede celular rígida:

Tipo de célula	Mecanismo de citocinese
Animal	Formação de um anel contrátil de filamentos de actina na região equatorial, que se contrai progressivamente e forma um sulco de clivagem até separar as duas células-filhas.
Vegetal	Vesículas do complexo de Golgi acumulam-se na zona equatorial (fragmoplasto) e fundem-se, originando uma placa celular que cresce até se ligar à parede celular existente, formando uma nova parede entre as duas células-filhas.

A observação de uma placa celular em formação numa célula de ápice radicular vegetal, ao microscópio ótico, é um indicador direto de citocinese em curso.

A quantidade de DNA e o número de cromossomas ao longo do ciclo

A quantidade de DNA de uma célula não é constante ao longo de todo o ciclo: mantém-se em C durante G1, duplica gradualmente até 2C ao longo da fase S, permanece em 2C durante G2 e a mitose (até à anáfase) e volta a C em cada célula-filha depois da citocinese. Num gráfico de quantidade de DNA em função do tempo, este padrão assume tipicamente a forma de um "patamar-subida-patamar-descida em degrau".

É importante não confundir esta duplicação da quantidade de DNA com uma duplicação do número de cromossomas: o número de cromossomas mantém-se constante desde o final da fase S até à anáfase, uma vez que a duplicação do DNA cria cromatídeos-irmãos dentro do mesmo cromossoma, e não novos cromossomas. Só na anáfase, quando os cromatídeos-irmãos se separam e passam a ser considerados cromossomas independentes, é que o número total de estruturas cromossómicas duplica transitoriamente, imediatamente antes de serem distribuídas em partes iguais pelos dois núcleos-filhos. O resultado final é que cada célula-filha fica com o mesmo número de cromossomas da célula-mãe — por exemplo, uma célula humana com 46 cromossomas origina, por mitose, duas células-filhas com 46 cromossomas cada uma —, garantindo a estabilidade genética ao longo de sucessivas gerações de células.

Regulação do ciclo celular

Regulação do ciclo celular — conjunto de mecanismos internos e externos que controlam o avanço da célula ao longo do ciclo, fornecendo sinais para "parar" ou "avançar" em pontos específicos, de modo a garantir que a divisão só ocorre quando as condições são adequadas.

O ciclo não avança de forma automática: é regulado por fatores internos (por exemplo, deteção de dano no DNA) e por fatores externos (disponibilidade de nutrientes, fatores de crescimento, sinais de outras células ou espaço físico disponível — inibição por contacto). Esta regulação assenta em dois tipos de proteínas com ações opostas:

Ciclinas e cinases dependentes de ciclinas (CDK) — complexos proteicos formados pela associação de uma ciclina (cuja concentração varia ciclicamente) com uma CDK (cuja concentração se mantém relativamente estável), que impulsionam a progressão do ciclo ao ativarem, por fosforilação, outras proteínas necessárias a cada transição.

Proteínas supressoras de tumores — proteínas reguladoras negativas do ciclo celular, que interrompem a progressão do ciclo quando são detetados problemas, podendo desencadear apoptose (morte celular programada) quando o dano é irreparável.

A proteína p53 é o exemplo mais estudado deste segundo grupo, atuando como sensor de dano no DNA: consoante a gravidade do dano, pode travar o ciclo ou desencadear apoptose, um processo controlado e programado, distinto da morte celular acidental, que evita a transmissão de erros genéticos às células-filhas. Mutações no gene da p53 estão associadas a uma proporção muito elevada de cancros humanos.

Esta regulação concentra-se em três pontos de controlo principais:

Ponto de controlo	O que verifica
Final de G1	Se a célula tem dimensão, reservas energéticas e integridade do DNA suficientes para entrar na fase S.
Final de G2	Se a replicação do DNA foi concluída corretamente e não há dano por reparar antes da mitose.
Metáfase (ponto de controlo do fuso)	Se todos os cromossomas estão corretamente ligados ao fuso acromático por ambos os polos, antes de se iniciar a anáfase.

Se alguma destas condições não for cumprida, o ciclo é temporariamente interrompido, dando tempo para correção (por exemplo, reparação do DNA) ou, em caso de dano irreparável, desencadeando a eliminação da célula por apoptose.

Quando estes mecanismos falham — por mutações em genes de proteínas supressoras de tumores ou por ativação excessiva de reguladores positivos como certas ciclinas/CDK — as células podem continuar a dividir-se mesmo na presença de dano no DNA. Esta perda de controlo permite a acumulação progressiva de mutações e a proliferação descontrolada de células, características centrais do cancro. É também por explorarem a elevada taxa de divisão das células tumorais que muitos fármacos de quimioterapia atuam interferindo com fases do ciclo celular, por exemplo bloqueando a mitose.

A importância do ciclo celular para o crescimento e a renovação

Em organismos multicelulares, a divisão por mitose é essencial para três funções complementares: o crescimento do organismo, através do aumento do número de células a partir de um zigoto ou de células estaminais; a manutenção do número de células em tecidos com renovação contínua (por exemplo, epitélios, sangue), substituindo as que morrem por desgaste natural; e a regeneração de tecidos após lesão. A renovação do epitélio intestinal humano, com substituição completa em poucos dias, depende de divisões celulares contínuas nas células estaminais das criptas intestinais. Estas três funções dependem de a mitose produzir, de forma fiel, células geneticamente idênticas entre si e à célula original — o que, por sua vez, depende da replicação correta do DNA na fase S e da regulação adequada do ciclo celular.

Observação microscópica da mitose

A mitose pode ser observada ao microscópio ótico em tecidos meristemáticos vegetais, isto é, tecidos de crescimento ativo com elevada taxa de divisão celular, como os ápices radiculares. O procedimento típico envolve selecionar o tecido, fixá-lo para preservar a estrutura celular, corá-lo com um corante que evidencia o material genético (tipicamente orceína acética ou clorídrica), passá-lo suavemente pela chama para facilitar a penetração do corante e esmagar a preparação entre lâmina e lamela, de modo a obter uma camada fina de células. Esta técnica permite identificar, no mesmo campo de observação, células em diferentes fases do ciclo e da mitose, reconhecendo estruturas características de cada fase (por exemplo, cromossomas condensados na prófase e na metáfase, ou a placa equatorial na metáfase) e relacionando a proporção de células observadas em cada fase com a duração relativa dessa fase no ciclo. A observação de uma preparação de ápice radicular de cebola (Allium cepa) corada com orceína acética é um dos protocolos clássicos usados em laboratório escolar para este fim.