Arthur V. Chadwick

Tradução: Marcia Oliveira de Paula

O mundo atual está na crista da onda do aumento de informações na área de Biologia Molecular. As informações estão sendo geradas tão rapidamente que é impossível que os pesquisadores da área se mantenham atualizados com o fluxo de dados; assim, a interpretação fica atrasada em relação ao surgimento dos dados. Nossa compreensão das complexidades de estrutura e função dentro da célula é revolucionada mais e mais quando descobrimos novos detalhes dos processos celulares. Neste contexto, é uma tragédia particular que nós continuamos, cegamente, dogmatizando uma teoria fundamental da biologia que tem mais de 150 anos: a teoria da evolução.

É compreensível que Darwin e outros dos primeiros protagonistas da teoria da evolução não levassem em conta as dificuldades envolvidas na evolução de formas de vida complexas, quando quase nada se conhecia sobre elas. Este era o caso quando Darwin começou a formalizar sua versão de uma teoria para a evolução espontânea e não dirigida de formas de vida, na primeira metade do século 19. O mesmo aconteceu no século subsequente. Mas, durante os últimos 30 anos, o quadro tem sido mudado pelas ferramentas da sistemática molecular moderna, juntamente com os avanços em nossa compreensão dos processos celulares e moleculares em uma ampla variedade de organismos. Agora é impossível fazer comparações detalhadas dos aspectos moleculares de uma grande variedade de organismos e construir ligações filogenéticas entre estes organismos, baseando-se nestas comparações. Com estas poderosas ferramentas à disposição, não é mais necessário supor que tipos de processos operavam nos organismos extintos, que não estão mais à disposição para serem estudados. Muito da arquitetura molecular de tais formas pode ser reconstruída a partir de dados facilmente disponíveis para nós atualmente. As conclusões de tal trabalho são muito surpreendentes e compreendem o tópico desta apresentação.

Os trilobitas são membros extintos do filo Arthropoda, ao qual pertencem os insetos modernos. Estas criaturas deixaram um registro fóssil longo e detalhado nas rochas, começando no início do Cambriano e terminando no Permiano. Os trilobitas eram formas requintadas, que possuíram corpos segmentados elaborados, com sistema nervoso cefalizado, apêndices torácicos e abdominais articulados, antenas e olhos compostos. Devido ao fato de os trilobitas serem formas extintas, sabemos muito pouco sobre seus hábitos de vida, exceto pelo que podemos deduzir pela sua associação com outras formas que têm representantes vivos, e a partir também de reconstruções cuidadosas dos ambientes deposicionais nos quais eles são encontrados. Entretanto, a teoria da evolução fornece-nos um mecanismo para reconstruir, em detalhes inimagináveis, a fisiologia e a biologia molecular destes primeiros tipos de metazoários, amplamente distribuídos.

Esta reconstrução tem um grande significado em nos fornecer um quadro da riqueza e complexidade das primeiras criaturas metazoárias. Esta reconstrução também contribuirá substancialmente para nossa compreensão dos processos que teriam que ter precedido o aparecimento destas surpreendentes criaturas que, em quase todos os lugares, marcam os limites entre rochas essencialmente desprovidas de vida metazoária e aquelas rochas que contém evidência abundante de vida metazoária. Antes de começarmos a explorar a natureza dos trilobitas, deixe-nos lançar algumas bases fundamentais para as premissas que exploraremos em nossa reconstrução. Eu irei:

Todos os seres vivos, incluindo os trilobitas, são compostos por células. A teoria da evolução propõe que estas células surgiram num passado distante, a partir de um ou mais sistemas viventes complexos, derivados por processos naturais de materiais presentes na terra pré-biótica. Estas proto-células primitivas se estabeleceram e, durante vastos períodos de tempo, desenvolveram sistemas complexos capazes de duplicação eficiente dos componentes necessários para a vida. Durante este período, os detalhes do código genético foram trabalhados, os sistemas de enzimas necessários para a duplicação do DNA foram aperfeiçoados, as enzimas necessárias para produzir RNA–mensageiros funcionais desenvolvidas, e a maquinaria para produzir proteínas a partir da informação contida no RNA–mensageiro foi estabelecida. Uma área de especulação atual é se este sistema moderno foi o primeiro a se desenvolver ou se um sistema mais simples, envolvendo apenas moléculas de RNA capazes de auto-duplicação e atividade catalítica, o precedeu. Esta última sugestão apareceu, em primeiro lugar, para oferecer uma solução para o dilema criado pelo requerimento do aparecimento simultâneo de proteínas e DNA para codificar para aquelas mesmas proteínas. Mas atualmente existe pouca evidência de que estas moléculas de RNA catalíticas ou "ribozimas" tenham um papel altamente significativo nas células modernas e permanece enigmático o problema da mudança de um sistema de ribozimas para um sistema de proteínas governadas por DNA. Apesar de a origem da vida não ser o assunto deste trabalho, vale a pena observar que este cenário, ou qualquer outro que explique a origem espontânea de uma célula viva, pertence ao campo da ficção científica. De qualquer forma, é muito evidente que, antes do início do Cambriano, os detalhes das células eucarióticas modernas, das quais os trilobitas eram compostos, estavam totalmente concluídos, como veremos.

O que podemos saber sobre a biologia molecular, celular e fisiologia do trilobita? A premissa fundamental desta apresentação é que podemos determinar, em detalhes preciosos e requintados, os mecanismos que operavam nas células e tecidos dos trilobitas. Esta premissa está baseada em uma síntese fundamental da teoria da evolução: a de que características compartilhadas em comum por organismos distintos, a nível molecular ou celular, são devidos a ambos terem uma ancestralidade evolutiva comum. Esta suposição é amplamente aceita e envolve toda a teoria da evolução, sendo a base de toda a taxonomia evolutiva moderna. Apesar de algumas similaridades anatômicas serem consideradas exemplos de evolução convergente (derivadas independentemente e não relacionadas geneticamente), tais como as asas de insetos, répteis, aves e mamíferos, tais casos são facilmente identificáveis, e as similaridades que existem a nível celular e molecular são geralmente consideradas como indicadores de ancestralidade comum. Assim, as características moleculares compartilhadas pelas ervilhas e pelo homem(Fig. 1)requerem que tenha havido, em um passado longínquo, um ancestral comum a ambos, que possuísse estas características comuns. (árvore filogenética, segundo Wray et. al). Qualquer outra conclusão requereria que eventos altamente improváveis tivessem acontecido repetidamente, com exata precisão, e isto falsificaria a suposição fundamental da sistemática molecular e tributaria a credulidade além dos limites. Consequentemente, qualquer característica complexa compartilhada pelos artrópodes modernos e pelo homem(Fig. 2), ou pelos artrópodes e pela ervilha(Fig. 2b), deveria ter estado presente no ancestral comum a ambas as formas. Assim, a presença de características de biologia celular ou molecular em comum, entre os artrópodes modernos e o homem ou outras formas, requer que estas características sejam compartilhadas pelo ancestral comum de artrópodes e do homem. Como os trilobitas eram artrópodes, eles também devem ter apresentado estas características e então podemos, confiantemente, atribuir estas características complexas aos primeiros metazoários.

Vamos analisar alguns sistemas biológicos moleculares complexos, dentre um grande número potencial destes. Será necessário, naturalmente, incluir algum material de natureza bastante técnica, a fim de demonstrar o nível de complexidade presente nas células. Isto é inevitável, pois esta base é necessária para desenvolver os pontos importantes. Estes detalhes são bem conhecidos pelos biólogos moleculares, mas não é necessário ser um biólogo molecular, nem entender os detalhes da complexidade, para entender o significado dos argumentos. Vou começar com a consideração de alguns dos processos básicos compartilhados pelas células dos metazoários. Então iremos examinar algumas das complexas características dos organismos metazoários, incluindo os trilobitas.

Qualquer célula, antes que possa se dividir de uma maneira que mantenha a integridade do sistema, deve duplicar o seu conteúdo. A memória do núcleo, na forma de DNA, deve ser duplicada, de modo que existam na célula duas cópias equivalentes de todo o DNA. Estas duas cópias devem então ser separadas uma da outra, de tal modo que cada uma das células filhas fique com um conjunto de cópias. A célula também precisa fazer cópias de todas as outras moléculas que ela contém, para evitar a diluição dos conteúdos celulares pela divisão. Vamos evitar considerações da maior parte da complexidade da divisão celular, complexidade compartilhada por todos os organismos encarióticos, e vamos focalizar a nossa atenção em apenas alguns poucos pontos importantes. Enquanto exploramos estas complexidade, mantenha em mente que as células dos trilobitas se dividiam, e os processos envolvidos nos trilobitas podem ser estabelecidos claramente a partir de nossas suposições.

Antes do desenvolvimento das ferramentas e recursos dos últimos vinte anos, o processo de transcrição era considerado como sendo razoavelmente direto. A célula requerida uma nova proteína, a RNA polimerase (a enzima necessária para produzir o RNA), localizava o gene correto e produzir uma cópia na forma do RNA mensageiro (m-RNA). Assim, parecia que tudo que necessitávamos em nosso trilobita eram um DNA molde, um suprimento de nucleotídeos de RNA e uma enzima. Entretanto, o estudo cuidadoso do processo de formação do RNA mensageiro nas células eucarióticas revelou níveis inesperados de complexidade. Como a célula sabe quais dos milhões de genes presentes nos organismos eucarióticos são necessários? Como ela localiza os genes corretos? Como ela sabe precisamente onde começar a copiar? As respostas destas e de outras questões levaram ao desvendamento de um sistema de complexidade quase insondável, conhecido como o Complexo da RNA Polimerase.

Como já temos uma mensagem, vamos tentar entender o próximo passo: a tradução. Este é o processo mais formidável de todos. As proteínas são constituídas por várias combinações de 20 subunidades diferentes, chamadas de aminoácidos. Proteínas celulares típicas possuem um comprimento de 100 a 500 aminoácidos. Muitas proteínas funcionam como catalisadores dos processos celulares e são muito específicas nos processos que elas controlam e em relação aos substratos com os quais elas interagem.

Até agora só mencionamos a transcrição do DNA, um processo no qual o substrato e os reagentes podem se reconhecer um ao outro através do pareamento de bases. Agora temos que capacitar uma série de combinações de três nucleotídeos para representar 20 aminoácidos, que não apresentam afinidade química algum com os respectivos conjuntos de nucleotídeos. Assim, necessita-se de uma molécula tradutora ou "adaptadora" que possa reconhecer, em uma de suas extremidades, o aminoácido ou associação de aminoácidos e, na outra extremidade, o códon de três nucleotídeos do RNA mensageiro. Estas moléculas adaptadoras, chamadas de RNAs transportadores (t-RNAs), contém um conjunto de nucleotídeos em uma extremidade, que são complementares ao códon de três nucleotídeos de um dado aminoácidos, além de outro sítio que reconhece uma das 20 ou mais enzimas específicas, chamadas aminoacil-t-RNA sintetases. Estas enzimas possuem um sítio que, de uma maneira precisa, identifica o t-RNA correto e outro sítio que reconhece o aminoácido correto. A enzima então liga o aminoácido apropriado ao t-RNA. Agora o t-RNA carregado pode ser usado pela célula para traduzir o código do mensageiro. Quando se produz um m-RNA que codifica para uma proteína que a célula precisa, inicia-se a síntese de proteínas. Este processo, em todos os sistemas vivos, requer a presença de um ribossomo, que é um complexo de proteínas e RNA ribossômico (r-RNA), envolvido na manufatura de proteínas. Nunca se conseguiu propor algum mecanismo viável para produzir proteínas específicas na ausência de um ribossomo; entretanto, os próprios ribossomos são formados por mais de 50 proteínas específicas diferentes, e diversas moléculas de r-RNA muito complexas. Como poderia ser possível produzir proteínas, de maneira reproduzível, na ausência de um ribossomo? Parece não haver alternativa alguma. O único mecanismo conhecido para a síntese de proteínas na célula é uma fábrica, a qual também é feita de proteína. Onde ela poderia ter se originado, se não havia mecanismo para síntese de proteína? Este é um enigma não desvendado. Os processos envolvidos na duplicação do DNA, na formação do m- RNA e na síntese de proteínas, os três processos mais fundamentais que qualquer célula deve realizar para ser considerada viva, são extremamente complexos, mesmo ao nível no qual nós os compreendemos agora.

Até recentemente se supunha que a proteína, uma vez produzida, era capaz de se dobrar para atingir a conformação ativa e começar o seu papel funcional na célula. Tal modelo era apoiado pela evidência de que algumas proteínas, após serem desnaturadas, eram capazes de se dobrarem novamente, de forma espontânea, para atingir a conformação ativa. Entretanto, havia muitas proteínas que eram incapazes de restabelecer sua conformação nativa após serem desnaturadas. Que mecanismo possibilitava a produção destas proteínas em uma forma funcional dentro da célula? A resposta veio de uma forma não esperada. Em todas as células, eucariotas e procariotas, existia uma classe de proteínas cuja função, e mesmo existência, haviam sido passadas por alto. Estas proteínas, chamadas chaperoninas, consistiam de conjuntos de subunidades múltiplas, compreendendo anéis de subunidades empilhadas.

Estes elementos são responsáveis pela captura de proteínas nascentes, antes que elas tenham a chance de atingir uma conformação estável, e, com o auxilio do ATP, possibilitar que elas atinjam uma conformação estável em um ambiente protegido. Quando as proteínas são embaladas em sua conformação correta, são então liberadas para a matriz.

A célula eucariota, que compreende as existentes em todos os organismos com os quais estamos familiarizados, incluindo o homem, carregam a grande quantidade de informação que possuem codificada na forma de longas moléculas de DNA (de menos de 1 cm até mais de 15 cm). Cada célula somática do corpo humano tem 46 destas moléculas. Todo o DNA de uma única célula humana atingiria aproximadamente dois metros, se o DNA das moléculas de todos os 46 cromossomos fossem colocados ponta a ponta. Este DNA está alojado dentro de um núcleo de aproximadamente 10 micrômetros. Assim, o comprimento do DNA no núcleo de uma única célula humana é 200.000 vezes maior que o raio do núcleo. Uma ilustração equivalente seria colocar 70 quilômetros de fio de pipa em uma caixa de sapatos! Como uma célula consegue fazer isto? Para que ela possa se dividir, precisa primeiramente duplicar totalmente cada cromossomo, produzindo aproximadamente 4 metros de DNA. Depois ela precisa dividir este DNA, precisamente, entre as duas células filhas resultantes. Para apressar este processo, o DNA está separado em cromossomos individuais(Fig. 3), cada um com aproximadamente 50 mm de DNA. Mas este valor é ainda 5.000 vezes maior que o núcleo(Fig. 4). Portanto, o DNA precisa se organizar de uma maneira muito precisa, para permitir que a célula tenha acesso aos genes necessários e, ao mesmo tempo, permitir que o DNA seja duplicado e dividido com precisão entre as células filhas, durante a divisão celular. Este processo é facilitado, no nível mais básico, pela associação do DNA com uma classe de proteínas denominadas histonas. Estas proteínas muito precisas existem em 5 formas diferentes, conhecidas como H1, H2a, H2b, H3 e H4. As histonas H1, H2a, H2b, H3 e H4, auxiliadas por outras proteínas associadas, formam um octâmero muito estável, contendo 2 cópias de cada molécula. Devido ao fato de todas as histonas terem carga positiva, para permitir que interajam com o DNA, que tem carga negativa, a montagem do octâmero requer a ajuda de diversas proteínas de apoio. A estrutura do grupo de histonas é tão fundamental para a célula eucariótica que ela é preservada através de todo o espectro de células eucariotas viventes, quase sem modificações. Por exemplo, existem apenas três mudanças de aminoácidos que distinguem a histona H3 da ervilha da do ouriço-do-mar ou do trilobita. A histona H4 humana difere da ervilha por apenas dois aminoácidos!

Uma volta e meia de uma molécula de DNA (aproximadamente 140 pares de bases) são então enrolados em torno de cada grupo de histonas, formando um nucleossoma. Os nuclessomas são associados em estruturas maiores pela ligação com a histona H1. Estas estruturas, denominadas solenóides, consistem em um arranjo de seis nucleossomas em uma hélice achatada, diminuindo assim a molécula como um todo. Estes solenóides helicoidais são então ancorado ao suporte principal do próprio cromossomo. O suporte principal é composto por uma classe de proteínas, do tipo topoisomerases, que apresentam propriedades extraordinárias. Estas topoisomerases (topo II) estão conectadas à molécula de DNA em sítios específicos. A enzima pode cortar uma das fitas da molécula de DNA no ponto de ligação, agarrar-se às extremidades cortadas, enquanto passa a fita inteira através das extremidades cortadas, ligando então as duas extremidades da fita cortada novamente! A estrutura resultante realizou o inescrutável: condensou uma molécula de DNA de 10 cm de comprimento em uma estrutura 50.000 vezes menor. Mas a complexidade apenas começou.

Cada célula humana tem 46 destas estruturas, que precisam ser duplicadas (92) e então corretamente separadas, de modo que cada célula filha receba um conjunto completo de 46 cromossomos. Noventa e dois corpúsculos separados estão se movendo no citoplasma, em uma viagem infalível para a célula filha correta. Os cromossomos contém um fragmento especial de proteína denominado cinetócoro. A ligação dos microtúbulos à região de ligação do cinetócoro, na cromatina, ocorre quando um microtúbulo, envolvido em uma série de empurrões produzidos pelo rápido alongamento, faz contato com o cinetócoro de uma cromátide e se liga a ele. Se o microtúbulo não fizer contato com o cinetócoro, ele se condensa e então é empurrado em uma direção diferente, até que ele se ligue a um cinetócoro. Quando um número suficiente de microtúbulos, vindos das extremidades opostas da célula, se ligaram aos dois cinetócoros de cada par de cromossomos, os microtúbulos começam a puxar em direções opostas, resultando no alinhamento equatorial dos cromossomos, tão familiar na metáfase. As duas cromátides se separam no centrômero e são puxadas através do citoplasma, até as extremidades opostas da célula em divisão. O mecanismo de movimento parece ser a contração, expansão e despolimerização dos microtúbulos, que puxam os cromossomos através do citoplasma na direção correta. Estes mecanismos estão presentes em todas as células eucariotas e o envolvimento dos microtúbulos e de proteínas semelhantes à actina e miosina no processo de divisão celular, ilumina a complexidade de um característica que precisa existir em todas as células eucarióticas, incluindo as dos trilobitas, os primeiros fósseis de metazoários registrados. Mantenha isto em mente enquanto exploramos uma característica adicional das células animais em particular: a transmissão do impulso nervoso.

A célula nervosa ou neurônio em repouso tem um potencial elétrico de membrana de 60 milivolts negativo, no interior da célula. Este potencial é estabelecido por uma bomba especial de sódio/potássio, que utiliza a energia celular para bombear íons sódio positivamente carregados para fora da célula. O impulso nervosa é iniciado e propagado por um influxo de íons sódio para o interior da célula, através de canais de sódio, formados por uma proteína especial, e que se localizam na membrana celular. A propagação é mediada pela abertura sucessiva dos canais de sódio da membrana, ao longo de todo o axônio. Esta proteína passa através da membrana celular externa 24 vezes(Fig. 12). Para que esta proteína seja produzida com esta configuração, ela precisa interagir primeiramente, durante as primeiras fases da síntese, com um corpúsculo citoplasmástico especial denominado partícula de reconhecimento do sinal (SRP). Esta partícula reconhece os primeiros 50 aminoácidos de proteínas não citoplasmáticas, enquanto elas estão sendo produzidas pelo ribossomo, e se liga a esta seqüência–líder, conhecida como "peptídeo–sinal". O SRP ocupado então se liga a um receptor no retículo endoplasmático, ancorando o complexo m-RNA/ ribossomo/proteína nascente à membrana do retículo endoplasmático. A proteína receptora recruta então um conjunto de proteínas porinas especiais na membrana do retículo endoplasmático, formando um canal pelo qual a proteína nascente atravessa a membrana. Estas proteínas porinas também fixam o ribossomo à superfície da membrana, liberando o SRP do receptor de membrana. No caso das proteínas que formam os canais de íons, o sítio do peptídeo–sinal, chamado sítio do "sinal de ancoramento", vai um pouco mais além na molécula, e contém uma série de aminoácidos solúveis na membrana. Estes aminoácidos entram na membrana e param, ancorando a proteína no local. Este sítio é seguido por outra seqüência de aminoácidos conhecida como "seqüência âncora de membrana que pára a transferência". Estes aminoácidos também entram na membrana e param, formando um grampo com duas passagens pela membrana. Este é seguido por sítios de sinal de ancoramento sucessivos, alternados com sítios de parada de transferência, até que as 24 passagens estejam completas. Assim, a proteína não só deve ter codificada dentro dela a informação para os seus atributos funcionais, mas também deve ser codificada com a informação para adquirir o seu sítio ativo... e muitas informações para isto.

Estas proteínas apresentam uma construção verdadeiramente surpreendente, cruzando 24 vezes a membrana celular, e formando um canal que tem um portão operado por voltagem e um vigia contra o fluxo reverso(Fig. 13). Quando a despolarização do nervo é sentida pela proteína porina, o portão se abre e íons sódio fluem para dentro da célula, propagando a mudança de potencial e provocando a mesma resposta nos póros adjacentes. Quando a membrana fica completamente despolarizada, um segmento bloqueador especial tampa o canal, evitando mais despolarização, até que o potencial de membrana em repouso tenha sido restabelecido pela bomba de íons sódio. Quando o impulso nervoso atinge a extremidade de um nervo, ele precisa passar o sinal através de um espaço para a próxima célula nervosa. A junção das duas células é chamada sinapse(Fig. 14), e o espaço separando as duas células de fenda sináptica.

Em muitas células, a transmissão do impulso nervoso é mediada pela liberação de uma substância neurotransmissora, geralmente a acetilcolina, que é uma molécula pequena. A acetilcolina é acumulada em vesículas membranosas citoplasmáticas, onde uma proteína "antiport" de íons hidrogênio troca a acetilcolina, produzida no citoplasma da célula, por íons hidrogênio, que são bombeados para dentro da vesícula às custas de energia obtida por hidrólise do ATP. A vesícula é então transportada pelo citoplasma através de microtúbulos do citoesqueleto até a membrana da superfície sináptica.(Fig. 15) Este processo é surpreendente por si mesmo, porque moléculas do tipo quinesina simplesmente andam sobre os elementos do citoesqueleto de uma maneira bastante antropomórfica, carregando a vesícula sináptica com elas.