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title: "Diferenciação celular: a célula muscular esquelética"
book: "Biologia universitária — 2.º ano"
subject: biology
language: pt
chapter: 12
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/12-diferenciacao-celular-a-celula-muscular-esqueletica
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# Capítulo 12 — Diferenciação celular: a célula muscular esquelética

Uma fibra do músculo da sua coxa é uma única célula de trinta centímetros de comprimento, com centenas de núcleos, repleta de uma ponta à outra de bastões contráteis tão regulares que ela parece listrada ao microscópio. Ela começou como um aglomerado de células de aparência comum que saíram de um somito, se multiplicaram, pararam de se dividir, se alinharam, se fundiram e ativaram várias centenas de genes que nunca tinham usado. Todas as células do corpo têm o mesmo genoma; uma [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) é o que esse genoma faz quando um [fator de transcrição](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional) específico é ativado. Este capítulo toma a célula muscular esquelética como exemplo resolvido da *[diferenciação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation)* — como uma célula adquire e conserva uma identidade especializada —, e a célula muscular é um bom exemplo porque o interruptor mestre é conhecido, as etapas podem ser observadas numa placa de cultura e a célula acabada é uma máquina cujas peças são visíveis.

## 12.1 O que é a diferenciação

**Definição 12.1 (Diferenciação, determinação, potência).**

Uma célula está *diferenciada* quando expressa o padrão estável de genes — e portanto as proteínas, a forma e a função — de um tipo celular. Ela está *determinada* (ou comprometida) quando seu destino está fixado embora sua diferenciação ainda não tenha começado: um [mioblasto](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) se parece com um fibroblasto, mas só formará músculo. A *potência* é o leque de tipos que uma célula ainda pode originar: *totipotente* (o zigoto e os primeiros blastômeros, que formam tudo, inclusive a [placenta](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/8-reproducao-sexuada-dos-mamiferos#def-b2-mammal-reproduction-placenta)), *pluripotente* (a [massa celular interna](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/8-reproducao-sexuada-dos-mamiferos#def-b2-mammal-reproduction-implantation), que forma todos os tecidos do corpo), *multipotente* (uma célula-tronco do sangue ou do músculo, que forma os tipos de um tecido), *unipotente*. Uma *célula-tronco* é uma célula que se divide dando uma filha igual a ela e outra que segue para a diferenciação, o que mantém o estoque enquanto abastece o tecido. Na maioria dos casos, a diferenciação não é uma perda de genes, mas uma escolha entre eles: o genoma de um núcleo muscular está completo.

**Evidências.** Gurdon (1962) transplantou o núcleo de uma célula intestinal diferenciada de um girino para um ovo de rã cujo próprio núcleo fora destruído; uma fração dos ovos se desenvolveu em rãs normais e férteis. O núcleo diferenciado não tinha perdido nenhum dos genes necessários para formar um animal inteiro; o citoplasma do ovo o reiniciara. A mesma operação com o núcleo de uma célula mamária num óvulo de ovelha deu Dolly (1996), e a reprogramação de um fibroblasto da pele numa [célula-tronco](#def-b2-cell-differentiation-differentiation) pluripotente por quatro [fatores de transcrição](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional) (Yamanaka, 2006) mostrou que a reinicialização pode ser feita com um punhado de proteínas. ∎

**Proposição 12.2 (A diferenciação é transcricional).**

A diferença entre dois tipos celulares está nos genes que são transcritos. Alguns *[fatores de transcrição](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional)*, expressos em resposta aos sinais indutores do [Capítulo 10](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/10-desenvolvimento-embrionario-dos-vertebrados#ch-b2-vertebrate-development), ligam-se às regiões reguladoras de centenas de genes-alvo e os ativam, enquanto os genes de outros destinos são desligados; e, como um fator desse tipo costuma ativar o próprio gene, o estado, uma vez alcançado, se autossustenta. Para alguns tecidos, um único fator é um *[regulador mestre](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional)*, suficiente para impor o destino a uma célula de outro tipo: [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) para o músculo esquelético, Pax6 para o olho, Sox9 para a cartilagem. O estado é estabilizado ainda mais por mudanças na cromatina — metilação do DNA, modificação das histonas — que mantêm silenciados os genes silenciados ao longo das divisões (a *epigenética* do volume do Ano 3). Uma célula diferenciada lembra, portanto, o que ela é sem nenhuma mudança em sua sequência de DNA, e essa memória está escrita no padrão de fatores e de cromatina, e não nos genes.

## 12.2 A formação de uma fibra muscular

**Definição 12.3 (Miogênese).**

No embrião, células do dermomiótomo do somito são induzidas por sinais do [tubo neural](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/10-desenvolvimento-embrionario-dos-vertebrados#prop-b2-vertebrate-development-neurulation), da notocorda e do ectoderma superficial a expressar os fatores miogênicos *MyoD* e *Myf5*: elas são agora *mioblastos*, determinados, mas ainda em divisão e de aparência banal. Os mioblastos migram — para os [brotos dos membros](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/11-organogenese-a-formacao-do-membro-dos-tetrapodes#def-b2-limb-organogenesis-bud), por exemplo — e se multiplicam enquanto houver fatores de crescimento (FGF). Quando esses fatores se esgotam, eles saem do ciclo celular, expressam um segundo fator, a *miogenina*, alinham-se pelas extremidades e se *fundem*: suas membranas se unem num único *miotubo* longo, com muitos núcleos em fila. O miotubo ativa os genes musculares — actina, miosina, troponina, tropomiosina, creatina-quinase, o receptor de acetilcolina —, monta o aparelho contrátil e amadurece numa *fibra muscular*, cujos núcleos ficam na periferia. Uma fibra nunca mais se divide; alguns mioblastos permanecem ao lado dela, quiescentes, como *células satélites*, as [células-tronco](#def-b2-cell-differentiation-differentiation) que reparam o músculo e o fazem crescer por toda a vida.

![A miogênese: células induzidas do somito se tornam mioblastos em divisão; quando os fatores de crescimento são retirados, eles param de se dividir, alinham-se e se fundem num miotubo multinucleado que ativa os genes musculares.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-4/b2-cell-differentiation/fig-ba1c3a2e68b1.svg)

*A miogênese: células induzidas do somito se tornam [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) em divisão; quando os fatores de crescimento são retirados, eles param de se dividir, alinham-se e se fundem num [miotubo](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) multinucleado que ativa os genes musculares.*

![À esquerda: miotubos em cultura, cada um uma célula fundida com uma fileira de núcleos, ao lado de mioblastos isolados que ainda não se fundiram. À direita: fibras maduras em vista longitudinal, com suas estriações transversais formadas pelos sarcômeros repetidos e seus núcleos empurrados para a borda.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-4/b2-cell-differentiation/img-814462f48d6f.jpg)

![À esquerda: miotubos em cultura, cada um uma célula fundida com uma fileira de núcleos, ao lado de mioblastos isolados que ainda não se fundiram. À direita: fibras maduras em vista longitudinal, com suas estriações transversais formadas pelos sarcômeros repetidos e seus núcleos empurrados para a borda.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-4/b2-cell-differentiation/img-b2fb8ada2ee3.jpg)

*À esquerda: [miotubos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) em cultura, cada um uma célula fundida com uma fileira de núcleos, ao lado de [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) isolados que ainda não se fundiram. À direita: fibras maduras em vista longitudinal, com suas estriações transversais formadas pelos [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre) repetidos e seus núcleos empurrados para a borda.*

**Proposição 12.4 (MyoD: um interruptor mestre).**

A [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) é um [fator de transcrição](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional) da família hélice-alça-hélice. Ela se liga, como dímero com uma proteína parceira ubíqua, a uma sequência de seis bases (o E-box, CANNTG) nas regiões reguladoras dos genes musculares, recruta enzimas que abrem a cromatina e ativa os genes — inclusive os genes da miogenina e da própria [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), e é assim que o estado se mantém. Sua atividade é controlada: nos [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) em divisão, uma proteína inibidora (Id), induzida pelos fatores de crescimento, sequestra a parceira e mantém a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) inativa; quando os fatores de crescimento são retirados, a Id desaparece e a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) age. Como a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) basta para impor o programa muscular a um fibroblasto, a uma célula adiposa ou a uma célula nervosa, o destino muscular está, em certo sentido, a um gene de distância: a dificuldade de se tornar músculo não está em saber como, mas em receber a ordem.

**Evidências.** Davis, Weintraub e Lassar (1987) transferiram um único cDNA, isolado de [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), para fibroblastos em cultura: os fibroblastos pararam de se dividir, fundiram-se em [miotubos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) e produziram proteínas musculares. O gene recebeu o nome de [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis). Seus parentes Myf5, miogenina e MRF4 foram encontrados por homologia; um camundongo sem [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) e sem Myf5 não tem [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) nem músculo esquelético algum, ao passo que um camundongo sem miogenina tem [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) que nunca se fundem. ∎

**Teorema 12.5 (Um interruptor autossustentado).**

Seja $m$ a quantidade de um fator que ativa o próprio gene com uma resposta cooperativa (sigmoide) e é degradado à taxa $k$:

$$
\frac{\mathrm{d}m}{\mathrm{d}t} = \frac{a\,m^{2}}{K^{2} + m^{2}} + b - k\,m,
$$

em que $b$ é uma pequena síntese basal. Para valores adequados de $a$, $b$, $K$ e $k$, essa equação tem *dois* estados estacionários estáveis, um baixo, perto de $b/k$, e um alto, perto de $a/k$, separados por um limiar instável: a célula é *biestável*. Um sinal indutor transitório que empurra $m$ acima do limiar leva a célula ao estado alto, onde ela permanece depois que o sinal desaparece; abaixo do limiar, ela volta ao estado baixo. É uma memória construída a partir de uma alça de retroalimentação, e é por isso que uma célula, uma vez comprometida, permanece comprometida ao longo das divisões e na ausência do indutor.

**Demonstração.** Os estados estacionários satisfazem $k m = a m^{2}/(K^{2} + m^{2}) + b$. O lado direito é uma sigmoide que sobe de $b$ a $a + b$; o esquerdo é uma reta pela origem, de inclinação $k$. Para $b/k < K$ e $k$ pequeno o bastante para que a reta corte a parte íngreme da sigmoide, as duas curvas se cruzam três vezes: em $m_{\text{baixo}} \approx b/k$, num valor intermediário $m_{\text{u}}$ e em $m_{\text{alto}} \approx (a +
b)/k$. Estabilidade: abaixo de $m_{\text{baixo}}$, a síntese supera a degradação e $m$ sobe; entre $m_{\text{baixo}}$ e $m_{\text{u}}$, a degradação supera a síntese e $m$ volta a cair; entre $m_{\text{u}}$ e $m_{\text{alto}}$, a síntese supera a degradação e $m$ sobe até $m_{\text{alto}}$; acima dele, $m$ volta a cair até $m_{\text{alto}}$. Logo, os dois estados externos são estáveis, e o do meio é instável e constitui o limiar. ∎

![Um interruptor biestável (a = 1, K = 1, b = 0.02, k = 0.4). A síntese (sigmoide) e a degradação (reta) se cruzam três vezes: dois estados estáveis, desligado e ligado, e um limiar instável entre eles. Um sinal que leva m além do limiar compromete a célula com o estado ligado de modo permanente.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-4/b2-cell-differentiation/fig-21e00d2bf600.svg)

*Um interruptor biestável ($a = 1$, $K = 1$, $b = 0.02$, $k = 0.4$). A síntese (sigmoide) e a degradação (reta) se cruzam três vezes: dois estados estáveis, desligado e ligado, e um limiar instável entre eles. Um sinal que leva $m$ além do limiar compromete a célula com o estado ligado de modo permanente.*

## 12.3 A célula acabada

**Definição 12.6 (A fibra muscular).**

Uma [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) esquelética é um cilindro de $10\text{ a }100\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro e até dezenas de centímetros de comprimento, delimitado pelo *sarcolema*, com centenas de núcleos logo abaixo dele. Seu interior é preenchido por *miofibrilas* paralelas, cada uma uma cadeia de *sarcômeros* de $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ de comprimento: entre dois discos Z, filamentos finos de actina (com tropomiosina e troponina) ancorados nos discos Z se intercalam com filamentos grossos de miosina presos no centro, e o padrão de sobreposição produz as estriações. Em torno de cada miofibrila, uma renda de *retículo sarcoplasmático* armazena cálcio; os *túbulos transversos*, invaginações do sarcolema, correm entre as miofibrilas e levam o sinal elétrico da superfície ao interior. As mitocôndrias preenchem os espaços, e o citoplasma contém glicogênio, fosfocreatina e, nas fibras vermelhas, mioglobina. A célula é construída para uma única coisa — encurtar sob comando —, e a maquinaria desse comando é o assunto do [Capítulo 21](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/21-contracao-muscular-e-funcao-motora#ch-b2-muscle-movement).

![Dois sarcômeros de uma miofibrila: filamentos finos de actina ancorados nos discos Z se intercalam com filamentos grossos de miosina centrados na linha M. A sobreposição produz a banda A escura e a banda I clara das estriações.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-4/b2-cell-differentiation/fig-27af4d0915c6.svg)

*Dois [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre) de uma [miofibrila](#def-b2-cell-differentiation-fibre): filamentos finos de actina ancorados nos discos Z se intercalam com filamentos grossos de miosina centrados na linha M. A sobreposição produz a banda A escura e a banda I clara das estriações.*

**Proposição 12.7 (Tipos de fibra).**

Um músculo é uma mistura de tipos de fibra, determinados em parte pela linhagem do [mioblasto](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) e em parte pelo nervo que inerva a fibra. As fibras *oxidativas lentas* (tipo I) têm uma miosina lenta, muitas mitocôndrias e capilares, e mioglobina — vermelhas, incansáveis, feitas para a postura e a resistência. As fibras *glicolíticas rápidas* (tipo IIx) têm uma miosina rápida, poucas mitocôndrias, muito glicogênio — brancas, potentes, esgotadas em um minuto. As fibras *oxidativas rápidas* (tipo IIa) ficam entre as duas. A panturrilha de um velocista é formada sobretudo por fibras rápidas; a de um maratonista, sobretudo por fibras lentas, e as proporções são hereditárias; mas o tipo não é fixo: reinervar de forma cruzada um músculo rápido com um nervo lento, ou meses de treino de resistência, convertem as fibras para o tipo lento, porque o padrão dos impulsos nervosos ativa os genes das isoformas de miosina e da biogênese mitocondrial. Uma célula diferenciada conserva sua identidade de [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) e, ainda assim, revisa seu programa em resposta ao uso.

**Exemplo 12.8 (Crescimento e reparo).**

Um músculo cresce no adulto não pela adição de fibras, mas pelo seu aumento: o treino acrescenta [miofibrilas](#def-b2-cell-differentiation-fibre) a cada fibra, e as *células satélites* se fundem a ela para fornecer os núcleos adicionais de que um citoplasma maior precisa. Após uma lesão, as mesmas células se dividem, voltam a expressar [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), se fundem e reconstroem o segmento danificado em poucas semanas — o programa embrionário executado de novo no adulto. Na distrofia muscular, as fibras não têm distrofina, uma proteína que prende as [miofibrilas](#def-b2-cell-differentiation-fibre) à membrana, e se rompem durante a contração; as células satélites as reparam repetidas vezes até que, após anos, o estoque se esgota e o tecido fibroso ocupa o lugar do músculo.

![Uma célula satélite ao microscópio eletrônico: uma pequena célula mononucleada encaixada entre a membrana de uma fibra muscular e sua lâmina basal — a reserva de mioblastos da fibra.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-4/b2-cell-differentiation/img-f77b2c29e913.jpg)

*Uma célula satélite ao microscópio eletrônico: uma pequena célula mononucleada encaixada entre a membrana de uma [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) e sua lâmina basal — a reserva de [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) da fibra.*

## 12.4 Exercícios

**Exercício 12.1 ★.**

Defina [diferenciação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation), [determinação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation) e [potência](#def-b2-cell-differentiation-differentiation), e situe o zigoto, uma célula da [massa celular interna](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/8-reproducao-sexuada-dos-mamiferos#def-b2-mammal-reproduction-implantation), uma célula satélite e uma [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) na escala de [potência](#def-b2-cell-differentiation-differentiation).

**Solução de Exercício 12.1.**

[Diferenciação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation): a expressão estável dos genes e das funções de um tipo celular. [Determinação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation): o comprometimento com um destino antes de ele ser expresso. [Potência](#def-b2-cell-differentiation-differentiation): o leque de destinos ainda abertos. Zigoto: totipotente; célula da [massa celular interna](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/8-reproducao-sexuada-dos-mamiferos#def-b2-mammal-reproduction-implantation): pluripotente; célula satélite: unipotente (só músculo) — ainda assim uma [célula-tronco](#def-b2-cell-differentiation-differentiation); [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis): diferenciada, pós-mitótica, sem [potência](#def-b2-cell-differentiation-differentiation).

**Exercício 12.2 ★.**

Liste as etapas da miogênese, da célula do somito à [fibra muscular](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), com o [fator de transcrição](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional) expresso em cada uma.

**Solução de Exercício 12.2.**

Célula do dermomiótomo (Pax3) $\to$ [mioblasto](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) induzido ([MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), Myf5), em divisão enquanto dura o FGF $\to$ saída do ciclo, miogenina $\to$ alinhamento e fusão num [miotubo](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) $\to$ genes musculares ativos, [miofibrilas](#def-b2-cell-differentiation-fibre) montadas (MRF4) $\to$ fibra madura com núcleos periféricos, mais células satélites quiescentes (Pax7).

**Exercício 12.3 ★.**

O que mostrou a transferência nuclear de Gurdon, e o que ela não mostrou?

**Solução de Exercício 12.3.**

Que o núcleo de uma célula diferenciada conserva todos os genes necessários para formar um animal inteiro, e que o citoplasma do ovo pode reiniciar seu programa: a [diferenciação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation) é reversível e não é uma perda de DNA. Ela não mostrou que todo núcleo diferenciado pode ser reiniciado (a maioria das transferências fracassou), nem como a reinicialização funciona, nem que a própria célula diferenciada pudesse mudar de destino no lugar.

**Exercício 12.4 ★.**

Cite as partes de um [sarcômero](#def-b2-cell-differentiation-fibre) e diga quais se movem e quais não se movem quando a fibra encurta.

**Solução de Exercício 12.4.**

Discos Z delimitando o [sarcômero](#def-b2-cell-differentiation-fibre); filamentos finos de actina ancorados neles; filamentos grossos de miosina centrados na linha M; a banda A (filamentos grossos) e a banda I (só filamentos finos). No encurtamento, os filamentos finos deslizam em direção à linha M e os discos Z se aproximam: a banda I e a zona H se estreitam, a banda A — o comprimento dos filamentos grossos — não muda, e nenhum dos filamentos encurta.

**Exercício 12.5 ★★.**

Uma fibra de $20\,\mathrm{cm}$ de comprimento tem [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre) de $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ e um núcleo a cada $25\,\text{µ}\mathrm{m}$ ao longo de seu comprimento. Quantos [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre) em série, e quantos núcleos? Quantos [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) se fundiram para formá-la?

**Solução de Exercício 12.5.**

$0.2/2.5\times 10^{-6} = 80\,000$ [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre); $0.2/25\times 10^{-6}
= 8000$ núcleos; um [mioblasto](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) por núcleo, portanto cerca de $8000$ [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) se fundiram (as células satélites acrescentam mais depois).

**Exercício 12.6 ★★.**

Explique por que os [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) não se fundem enquanto há FGF, usando o inibidor Id, e preveja o que acontece com [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) modificados para produzir Id de forma constitutiva.

**Solução de Exercício 12.6.**

O FGF induz a Id, que se liga à proteína parceira de que a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) precisa para formar um dímero que se liga ao DNA; a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) está presente, mas inativa, e as células continuam se dividindo. Quando o FGF é retirado, a Id se degrada, a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) dimeriza, a miogenina é ativada, e as células saem do ciclo e se fundem. [Mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) que produzem Id de forma constitutiva nunca se fundem: dividem-se indefinidamente e não formam músculo.

**Exercício 12.7 ★★.**

No modelo do interruptor com $a = 1$, $K = 1$, $b = 0.02$ e $k = 0.4$, verifique por substituição que $m = 2.1$ está perto de um estado estacionário, encontre aproximadamente o estado estacionário baixo e diga o que acontece com uma célula cujo $m$ é elevado brevemente a $1$ e depois deixado livre.

**Solução de Exercício 12.7.**

Condição $0.4m = m^{2}/(1 + m^{2}) + 0.02$. Em $m = 2.1$: lado esquerdo $0.84$, lado direito $4.41/5.41 + 0.02 = 0.835$: um estado estacionário. Estado baixo: para $m$ pequeno, $0.4m \approx m^{2} + 0.02$, de modo que $m \approx
0.055$ (esquerdo $0.022$, direito $0.023$). Elevada a 1, acima do limiar perto de $0.41$, a célula sobe até $2.1$ e ali permanece: está comprometida.

**Exercício 12.8 ★★.**

No mesmo modelo, $k$ é elevado a $0.6$ (o fator é degradado mais depressa). Mostre gráfica ou numericamente que o estado alto desaparece. O que isso prevê para uma célula em que a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) é desestabilizada?

**Solução de Exercício 12.8.**

Com $k = 0.6$: em $m = 1$, a degradação $0.6$ supera a síntese $0.52$; em $m = 0.5$, $0.30 > 0.22$; em $m = 2$, $1.2 > 0.82$: a reta fica acima da curva em toda parte além do estado baixo, que é o único estado estacionário. Uma célula cuja [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) é degradada depressa demais não consegue manter o estado ligado: ela recai no estado indiferenciado, qualquer que seja a [indução](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/10-desenvolvimento-embrionario-dos-vertebrados#def-b2-vertebrate-development-induction) — nenhum músculo.

**Exercício 12.9 ★★.**

Preveja o [fenótipo](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/4-meiose-mistura-genetica-e-hereditariedade#def-b2-meiosis-heredity-vocabulary) de um camundongo sem (a) [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) e Myf5, (b) apenas miogenina, (c) apenas [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis). Por que (c) é quase normal?

**Solução de Exercício 12.9.**

(a) Sem [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), sem músculo esquelético: os dois fatores são redundantes para a [determinação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation), de modo que ambos precisam faltar. (b) Os [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) se formam e se alinham, mas nunca se fundem nem produzem proteínas musculares: a miogenina é necessária para a [diferenciação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation). (c) Quase normal, porque o Myf5 substitui a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) na [determinação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation).

**Exercício 12.10 ★★★.**

Um fibroblasto transfectado com [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) se torna um [miotubo](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis); uma célula hepática transfectada com [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), não. Proponha uma explicação que envolva a cromatina e a [competência](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/10-desenvolvimento-embrionario-dos-vertebrados#def-b2-vertebrate-development-induction), e um experimento para testá-la.

**Solução de Exercício 12.10.**

Num fibroblasto, os genes musculares estão numa cromatina que a [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) consegue abrir; numa célula hepática, eles podem estar compactados em heterocromatina, ou os próprios [reguladores mestres](#prop-b2-cell-differentiation-transcriptional) do fígado podem reprimi-los, de modo que a célula não é competente. Teste: tratar células hepáticas com um fármaco que afrouxa a cromatina (um inibidor de histona-desacetilase) antes de acrescentar [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), ou acrescentar [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) com um fator que desloque o programa hepático, e medir a expressão de miosina.

**Exercício 12.11 ★★★.**

O treino de resistência converte fibras rápidas para o tipo lento sem mudar seu genoma. Explique, em termos de expressão gênica, como o padrão de disparos do nervo pode fazer isso, e por que as fibras, apesar disso, continuam sendo músculo esquelético e nunca se tornam, digamos, cartilagem.

**Solução de Exercício 12.11.**

Disparos sustentados de baixa frequência elevam o cálcio intracelular por longos períodos; vias ativadas pelo cálcio ligam os genes da miosina lenta, da biogênese mitocondrial, da mioglobina e do crescimento capilar, e desligam as isoformas rápidas. O programa mestre da fibra (estado da [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis), arquitetura do [sarcômero](#def-b2-cell-differentiation-fibre)) não é afetado: o treino muda quais genes musculares são expressos, e não a identidade da célula, e nenhum sinal vindo de um nervo consegue reabrir o programa da cartilagem, fechado na [determinação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation).

**Exercício 12.12 ★★★.**

“Uma célula diferenciada lembra o que ela é com um circuito, e não com uma [mutação](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/3-mutacoes-e-diversificacao-dos-genomas#def-b2-genome-diversification-mutation).” Discuta, com o interruptor biestável, a cromatina e o fato de que as reinicializações de Gurdon e de Yamanaka são possíveis, mas pouco eficientes.

**Solução de Exercício 12.12.**

O estado ligado de um fator autoativador é um ponto estável de uma alça de retroalimentação, mantido por síntese contínua, e não por alguma mudança nos genes; as marcas da cromatina acrescentam uma segunda camada que mantém fechados os genes silenciados. A reinicialização exige, portanto, levar o circuito abaixo de seu limiar e reabrir a cromatina ao mesmo tempo, o que o citoplasma do ovo ou quatro fatores só conseguem numa pequena fração das células: possível, porque nada se perde, mas pouco eficiente, porque é preciso abrir duas fechaduras independentes ao mesmo tempo.

## 12.5 Problema: Um músculo construído e reconstruído

**Problema 12.1.**

Problema de fim de semana — um músculo acompanhado do somito à fibra e através de uma lesão: os números de mioblastos, de fusões e de núcleos, o interruptor biestável analisado, um reparo cronometrado e o treino quantificado, até o número de núcleos da fibra, o limiar do interruptor e o tempo de reparo

Um músculo da coxa de um adulto tem $500\,000$ fibras, cada uma com $20\,\mathrm{cm}$ de comprimento e $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro, com um núcleo por $25\,\text{µ}\mathrm{m}$ de comprimento; os [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre) têm $2.5\,\text{µ}\mathrm{m}$. Os [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) embrionários se dividem a cada $12\,\mathrm{h}$ enquanto há FGF. Modelo do interruptor: $a = 1$, $K = 1$, $b = 0.02$, $k
= 0.4$. Após uma lesão que destrói $10\,\%$ do comprimento de cada fibra, as células satélites do segmento lesado ($4$ por milímetro de fibra) se dividem a cada $18\,\mathrm{h}$ durante algum tempo e depois se fundem.

**Parte I — A fibra.**

1. Calcule o número de [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre) em série numa fibra e o número de núcleos.
2. Quantos [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) se fundiram para formar uma fibra? E o músculo inteiro?
3. Calcule o volume de uma fibra e o do músculo (em litros).
4. Estime o volume de citoplasma servido por um núcleo, e compare com uma célula comum de $2000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ .
5. Por que os núcleos ficam na periferia de uma fibra madura?
6. Os [mioblastos](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) do músculo descendem de $2000$ células do somito. Quantas duplicações foram necessárias, e quantos dias, para chegar ao número da questão 2?

**Parte II — O interruptor.**

7. Escreva a condição de estado estacionário e mostre que $m \approx  0.055$ a satisfaz.
8. Mostre que $m \approx 2.1$ a satisfaz.
9. Mostre que há uma terceira solução perto de $m = 0.41$ , e explique, pelos sinais de $\mathrm{d}m/\mathrm{d}t$ de cada lado, que ela é instável.
10. Um pulso de indutor eleva $m$ a $0.6$ ; outro, a $0.3$ . Qual é o destino de cada célula?
11. A síntese basal $b$ é elevada a $0.4$ por uma [mutação](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/3-mutacoes-e-diversificacao-dos-genomas#def-b2-genome-diversification-mutation) . Mostre que o estado baixo desaparece. O que a célula faz?
12. Explique como esse modelo dá conta de um comprometimento que sobrevive à divisão celular, e o que precisa ser verdade sobre $m$ a cada divisão.

**Parte III — O reparo.**

13. Quantas células satélites uma fibra tem, e quantos núcleos precisam ser substituídos após a lesão?
14. Quantas duplicações as células satélites precisam fazer para fornecê-los, e quanto tempo isso leva?
15. Compare com as duas a três semanas observadas para o reparo, e diga o que mais esse tempo inclui.
16. Por que as células satélites precisam voltar a expressar [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) antes de se fundir, e por que precisam parar de se dividir antes?
17. Cada rodada de reparo consome algumas células satélites. Se o estoque cai $5\,\%$ por lesão, quantas lesões até que ele caia à metade?
18. Quantas células satélites por fibra restam após vinte lesões desse tipo?
19. Explique por que um músculo distrófico, cujas fibras se rompem a cada contração, é substituído por tecido fibroso após anos.

**Parte IV — O treino.**

20. O treino engrossa cada fibra para $80\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Por que fator cresce o volume da fibra, e quantos núcleos adicionais as células satélites precisam fornecer se a razão da questão 4 for mantida?
21. Calcule o novo volume do músculo.
22. O treino de resistência converte $30\,\%$ das fibras rápidas em lentas. O que mudou nessas fibras, e o que não mudou?
23. Explique por que um músculo adulto aumenta pelo crescimento das fibras, e não pela adição de fibras, usando o fato de que as fibras não se dividem.
24. Um fármaco bloqueia a fusão das células satélites. Preveja a resposta do músculo ao treino e à lesão.
25. Enuncie o resultado: o número de núcleos da fibra, o limiar do interruptor e o tempo para que as células satélites forneçam os núcleos de um reparo.

**Solução de Problema 12.1.**

**1.** $0.2/2.5\times 10^{-6} = 80\,000$ [sarcômeros](#def-b2-cell-differentiation-fibre); $0.2/25\times 10^{-6} = 8000$ núcleos. **2.** Cerca de $8000$ por fibra; $4\times 10^{9}$ para o músculo. **3.** $\pi(30\times 10^{-6})^{2}\times 0.2 = 5.7 \times 10^{-10}\,\mathrm{m}^{3}$ por fibra; $2.8\times 10^{-4}$ $\mathrm{m}^{3}$, $0.28\,\mathrm{L}$, para o músculo. **4.** $5.7\times 10^{-10}/8000 = 7 \times 10^{-14}\,\mathrm{m}^{3} =
70\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$: o equivalente a 35 células comuns por núcleo. **5.** O interior está repleto de [miofibrilas](#def-b2-cell-differentiation-fibre) que precisam correr sem interrupção de uma ponta à outra; os núcleos na borda deixam a rede contínua e ficam perto da membrana e de seus sinais. **6.** $4\times 10^{9}/2000 = 2\times 10^{6}$: 21 duplicações, 10.5 dias. **7.** $0.4m = m^{2}/(1 + m^{2}) + 0.02$. Em $m = 0.055$: lado esquerdo $0.022$, lado direito $0.003 + 0.02 = 0.023$. **8.** Em $m = 2.1$: esquerdo $0.84$, direito $0.815 + 0.02 = 0.835$. **9.** Em $m = 0.41$: esquerdo $0.164$, direito $0.144 + 0.02 = 0.164$. Logo abaixo, a síntese é menor que a degradação, de modo que $m$ cai em direção a $0.055$; logo acima, a síntese supera a degradação e $m$ sobe em direção a $2.1$: qualquer deslocamento cresce — instável. **10.** $0.6 > 0.41$: a primeira célula vai para o estado ligado e se diferencia; $0.3 < 0.41$: a segunda relaxa para $0.055$ e não se diferencia. **11.** Com $b = 0.4$, a curva de síntese começa em $0.4$ e fica acima da reta $0.4m$ até $m \approx 3.3$: o cruzamento baixo desaparece. A célula se diferencia espontaneamente, sem [indução](https://one-course.com/books/biology/4/pt/chapter/10-desenvolvimento-embrionario-dos-vertebrados#def-b2-vertebrate-development-induction). **12.** A divisão reduz $m$ à metade; as filhas herdam $2.1/2 =
1.05$, acima do limiar $0.41$, e sobem de volta a $2.1$: o estado se restabelece em cada filha. O comprometimento sobrevive enquanto o nível reduzido à metade permanecer acima do limiar. **13.** $4$ por mm $\times$ $200\,\mathrm{mm}$ $= 800$ células satélites por fibra; $10\,\%$ de $8000$ núcleos, $800$, precisam ser substituídos. **14.** O segmento lesado contém $80$ células satélites; $800/80 =
10$, portanto 4 duplicações ($\times 16$, dando $1280$: 800 se fundem, 480 restam para recompor o estoque) — $72\,\mathrm{h}$, três dias. **15.** Três dias de divisão contra duas a três semanas observadas: o restante é a remoção dos detritos pelos macrófagos, o atraso de ativação, a fusão, a montagem das [miofibrilas](#def-b2-cell-differentiation-fibre), a reinervação e a maturação do novo segmento. **16.** A [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis) (e a miogenina) precisa religar os genes musculares nas células ativadas; divisão e [diferenciação](#def-b2-cell-differentiation-differentiation) são excludentes — a Id precisa cair e o ciclo precisa parar antes que a miogenina possa agir e a fusão ocorrer. **17.** $0.95^{n} = 0.5$: $n = 13.5$, cerca de quatorze lesões. **18.** $800\times 0.95^{20} = 800\times 0.36 \approx 290$. **19.** Cada contração rompe fibras, cada ruptura recorre ao estoque, e o estoque diminui alguns por cento a cada vez; após anos, ele se esgota, as fibras rompidas não são reconstruídas e os fibroblastos preenchem as lacunas com colágeno. **20.** $(80/60)^{2} = 1.78$; núcleos $8000\times 1.78 = 14\,200$: cerca de $6200$ a mais vindos das células satélites. **21.** $0.28\times 1.78 = 0.5\,\mathrm{L}$. **22.** Mudaram: os genes das isoformas de miosina, a densidade de mitocôndrias e de capilares, a mioglobina. Não mudaram: a identidade muscular (estado da [MyoD](#def-b2-cell-differentiation-myogenesis)), a arquitetura do [sarcômero](#def-b2-cell-differentiation-fibre), os núcleos e seu genoma. **23.** As fibras são pós-mitóticas e não conseguem se multiplicar; os únicos caminhos são fibras mais grossas e mais núcleos por fibra, vindos das células satélites. **24.** Treino: espessamento limitado, pois a fibra não consegue acrescentar núcleos; lesão: nenhum reparo — os segmentos destruídos são substituídos por tecido fibroso, como na distrofia. **25.** $8000$ núcleos por fibra; limiar $m \approx 0.41$; cerca de três dias de divisão das células satélites para um reparo.