te a uma segunda proteína e, nesse caso, suas formas devem se ajustar comi EXAMINANDO O CONTEÚDO DA CAIXA 61
uma mão à luva. Se há um aminoácido positivamente carregado na primeira proteína, é melhor que a segunda tenha um aminoácido de carga negativa; de outra maneira, os dois não se ligam. Se é trabalho de uma proteína catalisar uma reação química, a forma da enzima, em geral, corresponde à forma do elemento químico que tem como alvo. Quando se liga, a enzima tem os aminoácidos exatamente posicionados para desencadear a reação
química. Se a forma de uma chave-inglesa ou de uma serra tico-tico é muito empenada, a ferramenta não funciona. De igual maneira, se a forma da
proteína é empenada, ela não consegue realizar seu trabalho. A bioquímica moderna surgiu há quarenta anos, quando a ciência começou a compreender o que são as proteínas. Desde então, grandes progressos foram feitos para compreender exatamente como determinadas proteínas realizam determinadas tarefas. De modo geral, o trabalho da célula necessita de equipes de proteínas, e cada membro da equipe encar- rega-se de apenas uma parte de uma tarefa mais vasta. Com o objetivo de tomar as coisas tão simples quanto possível, neste livro nos concentraremos em equipes de proteínas. Agora, vamos nadar.
nadando
Suponhamos que, em um dia de verão, dirigimo-nos a uma piscina próxima para fazer um pouco de exercício. Depois de passar um bloqueador solar pelo corpo, deitamo-nos em uma toalha para ler o último número do Nucleic Acids Research e esperamos a hora em que começa o período permitido a adultos para começarmos a nadar. Quando, após uma longa espera, soa o apito e a turma jovem e cheia de energia enfim sai da piscina, molhamos com cuidado os dedões do pé. Devagar, com muito esforço, afundamos o resto do corpo na água espantosamente fria. Por não ser respeitável, não fazemos piruetas em cima de trampolins nem jogamos vôlei com os jovens. Limitamo-nos a nadar de um lado para o outro.
Pegando impulso da borda, passamos um braço sobre a cabeça e o mergulhamos na água, completando uma braçada. Durante a braçada,
impulsos nervosos viajam do cérebro para os músculos do braço, estimulan- do-os a se contraírem em uma ordem específica. Os músculos que se con- traem dão um puxão nos ossos, fazendo com que os braços se ergam e girem. No mesmo momento, outros músculos apertam os ossos de nossos dedos,
dando à mão a forma de uma concha fechada. Impulsos nervosos sucessivos fazem com que outros músculos relaxem e se contraiam, puxando de várias maneiras o rádio e a uma, e dirigindo a mão para baixo e para dentro da água. A força do braço e da mão na água nos impele para a frente.
62 A CAIXA PRETA DE DARWIN FIGURA 3-1
(NO ALTO) QUANDO DUAS PROTEÍNAS SE LIGAM ESPECIFICAMENTE, SUAS FORMAS SE ENCAIXAM DE MODO QUASE PERFEITO. (EMBAIXO) para CATALISAR UMA REAÇÂO
QUÍMICA, U MA ENZIMA POSICIONA GRUPOS PRÓXIMOS AO ELEMENTO QUÍMICO QUE LIGA. A TESOURA REPRESENTA GRUPOS NA PROTEÍNA QUE CORTARÃO QUIMICAMENTE UMA
MOLÉCULA ESPECÍFICA, REPRESENTADA PELA FORMA EM COR MAIS CLARA.
um ciclo semelhante, dessa vez com os ossos e músculos do braço esquerdo. Simultaneamente, impulsos nervosos viajam para os músculos das pernas, EXAMINANDO O CONTEÚDO DA CAIXA 63
fazendo com que esses se contraiam e relaxem de forma rítmica, puxando os ossos da perna para cima e para baixo. Cortando a água à velocidade espantosa de três quilómetros por hora, porém, notamos que está ficando mais difícil pensar; sentimos uma queimação nos pulmões; e, mesmo que estejamos de olhos abertos, as coisas começam a escurecer. Ah, sim esquecemos de respirar. Diziam que o presidente Ford não conseguia caminhar e mascar chiclete ao mesmo tempo. Também achamos difícil
coordenar a virada da cabeça para dentro da água e para cima com os demais movimentos necessários à natação. Sem oxigénio para metabolizar com-
bustível, nosso cérebro começa a parar, impedindo que impulsos nervosos conscientes viajem para as regiões distantes do corpo.
Antes de desmaiarmos e passarmos pela humilhação de ser retirados da água por uma salva-vidas, paramos, ficamos de pé em um metro e vinte de água e notamos que estamos apenas a uns sete metros da borda. Para
contornar o problema de respiração, decidimos nadar de costas. O nado de costas utiliza a maioria dos mesmos músculos usados no nado livre, e permite respirar sem ter de coordenar os músculos do pescoço com todos os outros. Mas, agora, não podemos ver para onde estamos indo. Acabamos saindo do curso, aproximamo-nos demais do jogo de vôlei e somos atingi- dos na cabeça pela bola errante de uma cortada.
A fim de nos afastar dos pesarosos jogadores de vôlei, resolvemos simplesmente boiar, mexendo as pernas em pé na extremidade profunda da piscina. Esses movimentos usam os músculos das pernas e nos proporcio- nam o exercício que queremos. Permite também respiração fácil e visão clara. Após alguns minutos, porém, aparecem cãibras nas pernas. Dentro de nossos membros flácidos, e sem que saibamos disso, nossos músculos raramente usados mantêm à disposição combustível suficiente apenas para curtas explosões de atividade, seguidas de longos períodos de repouso. Durante o exercício muito prolongado, eles logo ficam sem alimentação e deixam de funcionar com eficiência. Freneticamente, impulsos nervosos tentam provocar os movimentos necessários para que possamos nadar, mas, com os músculos funcionando mal, nossas pernas são tão inúteis quanto uma ratoeira com uma mola quebrada.
Relaxamos e permanecemos imóveis. Por sorte, a grande região de nosso corpo em volta da cintura tem uma densidade menor que a da água e, assim, nos mantém flutuando. Após um ou dois minutos flutuando, as cãibras
relaxam. Passamos o resto do período permitido a adultos boiando serena- mente na parte funda da piscina. Essa atividade não nos exercita muito, mas pelo menos é agradável até que o apito soa de novo e somos bombar-
deados pelas bolas dos desrespeitosos garotos.
O exemplo da piscina mostra o que é necessário para nadar. Mostra também que a eficiência pode ser aumentada acrescentando-se sistemas auxiliares ao equipamento básico de natação. Estudando, em primeiro lugar, a última cena, boiar exige apenas que um objeto seja menos denso que a água. Não requer atividade. A capacidade de flutuar de manter uma parte do corpo fora da água sem esforço ativo com certeza é útil. Mas, como o indivíduo que bóia simplesmente é levado pela corrente, a capacidade de boiar não é a mesma coisa que a de nadar.
Um sistema localizador de direção (como a visão) também é útil para a natação; não é, contudo, a mesma coisa que a capacidade de nadar. Na historinha acima, poderíamos nadar de costas durante algum tempo e ainda avançar na água. No fim, porém, a incapacidade de perceber o ambiente poderia resultar em acidentes. Não obstante, podemos nadar com os olhos abertos ou fechados.
Nadar, é claro, requer energia; músculos com cãibras, inúteis, causam falha imediata do sistema. Mas havíamos nadado sete metros antes de acabar o oxigénio, e depois boiámos em pé na água por algum tempo antes
das cãibras começarem. Embora certamente afetem a distância que pode- mos cobrir, o tamanho e a eficiência do sistema de reserva de combustível não fazem parte do próprio sistema de nadar.
Vejamos agora os requisitos mecânicos para nadar. Usamos as mãos e os pés para entrar em contato com a água e empurrá-la, movendo, dessa maneira, o corpo na direção oposta. Sem os membros, ou sem algum
substituto, a natação ativa seria inteiramente impossível. Assim, podemos concluir que um dos requisitos para nadar é um remo. Outro é um motor, ou uma fonte de energia que disponha de combustível suficiente para durar pelo menos vários ciclos. No nível orgânico nos seres humanos, o motor é o músculo da perna ou do braço que, altemadamente, se contrai e relaxa. Se o músculo for paralisado não há motor eficaz, e nadar toma-se impos- sível. O requisito final é que haja uma conexão entre o motor e a superfície que proporciona a remada: nos seres humanos, essas são as áreas dos ossos às quais os músculos aderem. Se for separado de um osso, o músculo ainda poderá contrair-se, mas, como não move o osso, toma-se impossível ao homem nadar.
Exemplos mecânicos de sistemas de natação são fáceis de se encontrar. Minha filha mais nova tem um peixinho de brinquedo acionado a corda que agita a cauda, movendo-se de modo um tanto desajeitado dentro da ba- nheira. A cauda do peixinho é a superfície de remo, a mola enrolada é a ! EXAMINANDO O CONTEÚDO DA CAIXA 65
fonte de energia transmitida por uma vareta de ligação. Se falta um dos componentes o remo, o motor ou a ligação o peixinho não vai a lugar nenhum. Tal como a ratoeira sem mola, um sistema de natação sem remo, motor ou conectar estará fatalmente incompleto. Por precisarem de várias partes para trabalhar, esses sistemas são irredutivelmente complexos. O leitor deve manter em mente que estamos discutindo apenas as partes comuns a todos os sistemas de natação até os mais primitivos. Mas a complexidade adicional é muito frequente. O peixinho de brinquedo de
minha filha tem, por exemplo, além da cauda, mola e barra de ligação, várias engrenagens que transmitem força da barra para a cauda. Um navio movido a hélice tem todos os tipos de engrenagens e eixos que redirecionam a
energia do motor até que ela, por fim, seja transmitida à hélice. Ao contrário dos olhos do nadador, que são separados do sistema de natação em si, essas engrenagens extras são, na verdade, partes do sistema e retirá-las faria com que todo o conjunto parasse. Quando um sistema na vida real tem mais do que o número teoricamente mínimo de partes, temos de verificar cada uma das
outras partes para saber se elas são necessárias ao funcionamento do sistema. Uma simples lista de peças mostra o mínimo absoluto de requisitos. No
capítulo anterior, explicamos que uma ratoeira, mesmo contendo todas as peças necessárias o martelo, a base, a mola, a trava e a barra de retenção
poderia não funcionar. Se a barra fosse muito curta, ou a mola leve demais, por exemplo, a ratoeira seria um fracasso. Da mesma maneira, as peças de um sistema de natação precisam ser compatíveis para desempe- nhar pelo menos uma função mínima. O remo é necessário, mas se sua
superfície for pequena demais, talvez o barco não se desloque o suficiente no tempo pretendido. E se, ao contrário, a superfície do remo for muito grande, o conectar ou o motor poderão sofrer tensão e quebrar quando em movimento. O motor precisa ser forte o bastante para mover o remo. Também tem de ser regulado para desenvolver a velocidade apropriada: lenta demais, e o nadador não obtém fisicamente o progresso necessário; ; rápida demais, o conectar ou o remo podem quebrar.
l Mas, mesmo que tenhamos as partes certas de um sistema de natação, e í.-mesmo que as partes tenham o tamanho e a resistência correios e sejam compatíveis, ainda é preciso outra coisa. O requisito adicional a neces-
; sidade de controlar o ritmo e a direção das remadas é mais fácil de observar ïno exemplo de um nadador do que no caso de um barco a remo. Quando um
atindivíduo que não sabe nadar cai na água, ele bate impotente os braços e as 66 A CAIXA PRETA DE DARWIN
pernas, não fazendo maior progresso do que se apenas flutuasse. Até mesmc um nadador iniciante como minha filha mais velha, que está aprendem a dar braçadas afunda rapidamente se o papai não a segurar. Sm braçadas são adequadas, mas não a coordenação do ritmo; ela não s
mantém paralela à superfície da água e sempre conserva a cabeça levantada Sistemas mecânicos não apresentam esses problemas. Um navio nãc
bate a hélice de forma desordenada, e a sincronização e direção de um barcc a remo são suaves e regulares desde o começo. Esse argumento, no entanto; induz a erro. A capacidade aparentemente posta em ação sem esforço é, ns verdade, inserida na forma e conectividade do remo, rotor e motor do barco, Imagine um barco a vapor no qual as pás do remo não fossem fixada
corretamente em volta de uma estrutura circular. Suponhamos que a lâminas fossem fixadas em ângulos diferentes e que o rotor se movess primeiro para a frente e em seguida para trás, e depois de um lado para i outro. Em vez de fazer um passeio turístico pelo Mississippi, o barco s. moveria à deriva, flutuando com a corrente na direção do golfo do México Uma hélice com lâminas cravadas em diferentes ângulos revolveria a águr mas não poderia levar o barco em qualquer direção determinada. A aparent facilidade com que um sistema mecânico pode remar em comparação
com as dificuldades de um indivíduo que não sabe nadar é uma ilusão O engenheiro que projetou o sistema "treinou-o" para nadar, empurrando e água na direção correta, com uma sincronização correia.
No implacável mundo da natureza, um organismo que despendesse
energia batendo inutilmente na água não teria vantagem alguma sobre outrc que apenas flutuasse ao seu lado. Mas células nadam? Se nadam, que
sistemas usam para isso? Serão elas, como o barco a vapor do Mississippi: irredutivelmente complexas? Poderiam ter evoluído de forma gradual?
Algumas células nadam usando um cílio. O cílio é uma estrutura que, eu termos aproximados, parece um cabelo e bate como se fosse um chicote Se uma célula dotada de cílio pode se mover em um líquido, o cílio move a célula de modo muito parecido ao de um remo movendo um bote. Se eli está presa no meio de uma camada de outras células, o cílio que bate move o líquido por cima da superfície da célula estacionária. A natureza usa os cílios para ambos os trabalhos. O esperma, por exemplo, usa cílios pars nadar. Em contraste, as células estacionárias que revestem o trato res- piratório têm, cada uma delas, várias centenas de cílios. O grande numere de cílios bate em sincronia de forma muito parecida com remos operados EXAMINANDO O CONTEÚDO DA CAIXA 67
por escravos nas galeras romanas para empurrar muco até a garganta e daí para fora. Essa ação remove pequenas partículas estranhas tal como fuligem , que são acidentalmente inaladas e ficam presas no muco.
Microscópios ópticos mostraram finos cabelos em algumas células, mas a descoberta dos detalhes liliputianos dos cílios teve de esperar pela invenção do microscópio eletrônico. Nas páginas seguintes, examinaremos a estrutura do cílio. A maioria dos leitores provavelmente achará mais fácil seguir a análise consultando com frequência a Figura 3-2.
Q O cílio consiste de um feixe de fibras revestido por uma membrana.1 A membrana ciliar (pense nela como uma espécie de cobertura de
plástico) é um crescimento da membrana da célula, de tal modo que o
interior do cílio é ligado ao interior da célula. Quando um cílio é cortado transversalmente e a extremidade cortada é examinada por microscopia
eletrônica, vemos nove estruturas semelhantes a bastões em tomo da periferia. Os bastões são denominados microtúbulos. Quando fotogra- fias de alta qualidade são examinadas com atenção, nota-se que cada um dos nove microtúbulos consiste na verdade de dois anéis fundidos. Exames posteriores revelam que um dos anéis é constituído de treze filamentos individuais. O outro anel, ligado ao primeiro, é formado por dez filamentos. Em curtas palavras, cada um dos nove microtúbulos
externos de um cílio é constituído de um anel de dez filamentos fundido com outro de treze.
Experimentos bioquímicos mostram que os microtúbulos são cons-
tituídos de uma proteína denominada tubulina. Na célula, moléculas de tubulina se juntam como se fossem tijolos para formar uma chaminé cilíndrica. Cada um dos nove bastões externos é um microtúbulo, que parece uma chaminé dupla, em uma só peça, feita de tijolos de tubulina. Fotos tiradas por microscopia eletrônica mostram ainda dois bastões no centro do cílio. Eles também são microtúbulos. Em vez de serem
chaminés duplas, no entanto, são chaminés isoladas, cada uma delas constituída de treze filamentos de tubulina.
Quando as condições no interior da célula são apropriadas (quando, por exemplo, a temperatura está dentro de certos limites e quando a concentração de cálcio é exatamente correta), a tubulina o "tijolo" que forma as chaminés automaticamente se reúne para formar
microtúbulos. As forças que congregam as tubulinas são muito parecidas com as que dobram a proteína individual em uma forma compacta:
cargas positivas atraem cargas negativas, aminoácidos oleosos se con- traem para expulsar a água, e assim por diante. Uma extremidade da 68 A CAIXA PRETA DE DARWIN
FIGURA 3-2-
(NO ALTO) SEÇÃO TRANSVERSAL DE UM CÍLIO MOSTRANDO A ESTRUTURA DO ANEL DUPLO FUNDIDO DOS MICROTÚBULOS EXTERNOS, A ESTRUTURA DE ANEL ÚNICO DOS MICROTÚBULOS CENTRAIS, AS PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO E O MOTOR DE DINEÍNA. (EMBAIXO) O MOVIMENTO DESLIZANTE INDUZIDO PELA DINEÍNA, QUE "CAMINHA" SUBINDO POR UM MICROTÚBULO VIZINHO, É CONVERTIDO EM UM MOVIMENTO ENCUR- VADO PELA PROTEÍNA NEXINA, DE LIGAÇÃO FLEXÍVEL.
Braço externo da dineína Braço interno da dinelr»
Nexina Subfibra B SubfibraA :amiseta central microtúbulos, cc ponte de conexi Membrana plasmi Raio radial Cabeça do raio Curso da energia
Parte superior extraídade Voet and Voet, fig. 34-77, p.1.256. Reproduzido com perm issão.
molécula de tubulina tem uma superfície que é complementar à extre- midade oposta de uma segunda molécula de tubulina, de modo que as duas se colam. Uma terceira tubulina pode, em seguida, acoplar-se à extremidade da segunda molécula, a quarta na extremidade da terceira, e assim por diante. Como analogia, pense no empilhamento de latas de atum. No supermercado onde minha família faz compras, uma vez que o fundo da lata é chanfrado e do mesmo diâmetro do topo de borda reta, as latas são arrumadas de forma que uma se encaixa perfeitamente à outra. Se a pilha receber uma leve batida, as latas continuam na mesma posição.
Se duas latas de atum são empilhadas com as faces superiores se
tocando, e não na ordem de cima para baixo, porém, elas não podem ser empilhadas com segurança e bastará uma batida casual para deslocá-las de posição. Além disso, se o atum da marca x não tem fundo chanfrado,
ele não pode ser empilhado com segurança porque suas latas não têm superfícies suplementares. A associação de moléculas de tubulina é mui- to mais específica que o empilhamento de latas de atum. Afinal de contas, na célula há milhares de proteínas diferentes e a tubulina tem de ter certeza de que se associa apenas a outras tubulinas e não a qualquer proteína que apareça. Talvez, por isso mesmo, seja bom pensar na
tubulina como uma lata de atum com dez curtas proj ecoes em forma de agulha distribuídas sobre a superfície superior, e dez reentrâncias no fundo que se ajustam com perfeição às posições das projeções no topo. Assim, nenhuma lata de atum poderá ser empilhada acidentalmente com qualquer outro tipo de lata.
Ampliando nossa analogia do atum, suponhamos que também tivés-
semos várias projeções saindo de um lado da lata, que fossem comple- mentares a reentrâncias localizadas quase, mas não de todo, no lado oposto exato. Nesse caso, poderíamos juntar as latas lado a lado e, uma vez que os orifícios não ficavam exatamente na frente das projeções, quando acrescentássemos mais latas, elas acabariam por dar uma volta e formar um laço fechado. Empilhando laços sobre laços construiríamos, finalmente, com nossas latas de atum (depois de misturar bem nossas metáforas), uma estrutura semelhante a uma chaminé.
Embora a tubulina tenha a capacidade de se associar e formar micro- túbulos, estes não se juntam sem auxílio de outras proteínas. Há uma boa razão para esse fato: os microtúbulos têm várias tarefas a realizar na