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BIOLOGIA CELULAR E MOLECULAR AULA 5 Profª Elaine Ferreira Machado 2 CONVERSA INICIAL Nesta aula trabalharemos o núcleo celular, bem como suas estruturas básicas – membrana nuclear, nucléolo e cromatina – em seus diferentes graus de condensação com a formação dos cromossomos. Os ideogramas, representações de cariótipos das espécies, também serão organizados para a compreensão dos diferentes tipos morfofisiológicos dos cromossomos. Desse modo, serão objetivos desse encontro: • Geral: compreender a estrutura e a função do núcleo celular, bem como as diferenças estruturais em diferentes fases do ciclo celular, da cromatina. • Específicos: reconhecer a composição química, estrutural e funcional do núcleo celular na interfase; relacionar a estrutura morfológica do envoltório nuclear aos processos de transporte pelos poros nucleares; identificar a organização e o papel do nucléolo; diferenciar a organização estrutural da cromatina, eucromatina, heterocromatina e cromossomos; organizar um cariótipo humano normal. TEMA 1 – COMPOSIÇÃO QUÍMICA, ESTRUTURA MOLECULAR E ASPECTOS FUNCIONAIS DO NÚCLEO INTERFÁSICO O núcleo celular foi profundamente estudado tanto com o MO como com o ME e, com o aperfeiçoamento da microscopia eletrônica, bem como das técnicas de coloração, a estrutura do núcleo foi elucidada. Sua descoberta é atribuída a Robert Brown (1773-1858), no século XVIII. Esse cientista observou células vegetais, realizando anotações das suas observações de forma bastante detalhada e contribuindo para futuros estudos dessa estrutura tão importante na célula. Segundo Batisteti, Araújo e Caluzi (2009, p. 23): as descrições de Brown eram detalhadas e precisas. Ele percebeu a presença do núcleo, não somente nas células da epiderme, mas também em células internas do tecido. Inclusive, descreveu e diferenciou as formas características dessa estrutura, de acordo com o tecido ou tipo celular em que esta se encontrava. Nas células comprimidas da epiderme, apresentava-se em um correspondente grau de achatamento. Nos tecidos internos havia, por sua vez, frequentemente, uma forma semelhante à esférica, estando aderido à parede e projetado para o interior celular. 3 Nesse sentido, as descobertas de Brown foram complementadas mais tarde. Walther Flemming (1843- 1905), estudando a divisão celular, notou que o núcleo continha um material que se corava intensamente com corantes básicos. Ele deu o nome de cromatina. Ele também concluiu que, quando a célula se dividia, esse material era “repartido” entre elas, e concluiu que todo núcleo se originava de um núcleo preexistente. No final do século XIX, o citologista francês Edouard-Gérard Balbiani (1823-1899) mostrou que o núcleo era essencial para a sobrevivência das células. Na década de 1940, o biólogo holandês Joachim Hammerling (1901-1980) conduziu um experimento que ajudou a esclarecer o papel do núcleo na manifestação das características de um ser vivo. (Jagher; Schimin, 2014) Após essas diversas descobertas, ficou claro o papel do núcleo celular na orientação das atividades celulares, no controle das reações celulares e do ciclo celular, bem como da transmissão das características genéticas. Porém, o núcleo celular comporta-se de formas diferenciadas no ciclo celular caracterizado pelas fases da interfase e divisão celulares. Na interfase, todos os componentes nucleares são bem evidentes na microscopia ao passo que o núcleo em mitose tem transformações tanto na compactação da cromatina como nas alterações estruturais na membrana nuclear, orientada pelos ácidos nucleicos e proteínas específicas do núcleo. Geralmente apresenta posição central e única, como no pâncreas e intestino. Segundo Carneiro e Junqueira (2005), as células vegetais têm núcleo com posição periférica devido aos volumosos vacúolos. Em alguns casos, como nas fibras musculares esqueléticas e células hepáticas, a célula pode apresentar dois ou mais núcleos. A Figura 1 traz uma demonstração, em MO, das posições dos núcleos de células animais e vegetais, respectivamente. Figura 1 – Posição do núcleo em células animais e vegetais Créditos: Jose Luis Calvo/Shutterstock; Peter Hermes Furian/Shutterstock. 4 Sua separação do citoplasma se dá pela presença de duas membranas (interna e externa). A membrana interna comunica-se intensamente com o material genético da célula (DNA e RNA), ao passo que a membrana externa se comunica com o RE granular. Geralmente o núcleo acompanha a forma celular e o tamanho varia de acordo com o metabolismo celular, ou seja, quanto maior o metabolismo celular, maior o núcleo. O núcleo interfásico, nas células eucariontes, apresenta uma composição química lipoproteica e componentes como o nucleoplasma, o nucléolo e a cromatina, além dos poros de membrana, com proteínas específicas responsáveis pelo intercâmbio de substâncias entre o citoplasma e o núcleo. Esquematicamente, o núcleo interfásico pode ser representado como esquema da Figura 2. Figura 2 – Estrutura do núcleo interfásico Crédito: Designua/Shutterstock. Dessa forma, cada estrutura do núcleo interfásico age e interage de diferentes formas com outras organelas e o material genético da célula, como veremos na sequência. TEMA 2 – ENVOLTÓRIO NUCLEAR O envoltório celular separa o núcleo do citoplasma, protegendo o material genético e, ao mesmo tempo, sendo um compartimento que controla e protege o metabolismo desse material genético. É formado por duas unidades de membranas concêntricas, visíveis apenas ao ME, de constituição lipoprotéica. Tem duas membranas (interna e externa), bem como poros em sua superfície. A membrana externa do núcleo é responsável pela interação da lâmina nuclear com a cromatina. Já a membrana 5 interna interage com os ribossomos e proteínas comuns do RE granular. Não são membranas contínuas, ao contrário, apresentam poros responsáveis pelo intercâmbio de substâncias entre o núcleo e citoplasma. Esses poros são formados por associações proteicas, denominadas complexo de poros. O complexo de poros aparece mais complexo e estruturado em células com maior atividade metabólica, por exemplo, as células embrionárias, que exigem maior deslocamento de substâncias núcleo- citoplasma. Esse complexo possui proteínas, as nucleoporinas (nups), especializadas no transporte de moléculas. É importante ressaltar que as nups são bastante específicas, havendo nups que transportam substâncias do núcleo para o citoplasma e nups que fazem o transporte das substâncias do citoplasma para o núcleo. O transporte realizado pelos poros do envoltório nuclear pode ser passivo ou ativo (proteínas de alto peso molecular). Um exemplo de transporte passivo é a difusão, sem gasto de energia. Já o transporte ativo é realizado com gasto de energia para transportar moléculas de alto peso molecular, como proteínas, por exemplo. O transporte núcleo-citoplasma ocorre com sinalizações químicas realizadas pelas exportinas e importinas, formando um complexo denominado RAN (complexo que controla a importação e exportação de substâncias). O envoltório nuclear apresenta ainda uma lâmina nuclear (constituída de filamentos intermediários) que sofre alterações ao longo do ciclo celular e é responsável pelo reconhecimento das funções celulares e do tecido específico de atuação da célula. Além disso, ela dá forma ao envoltório nuclear, bem como liga as fibras da cromatina a ele. Durante a mitose, ocorre a desintegração temporária dessa lâmina nuclear, sendo reconstituída na interfase. Há doenças denominadas laminopatias que modificam a expressão dos genes da lâmina nuclear. Segundo Pegoraro et al. (1993): Laminopatias são patologias originadas a partir de desordens estruturais presentes nas lâminas nucleares decorrentes de mutações em genes que codificam a proteínaconstituinte dessa estrutura celular (lâmina) [...]. Atualmente são conhecidas em torno de vinte doenças que são consideradas laminopatias, cada uma com suas respectivas características. No entanto, essas patologias são agrupadas de acordo com o tipo de desordens que causam: distrofia muscular esquelética, cardiopatia, lipodistrofia, neuropatia periférica e envelhecimento precoce, sendo que esses sintomas podem se manifestar concomitantemente. 6 Dessa forma, o envoltório nuclear tem uma atividade intensa no metabolismo celular, realizando de forma complexa as passagens de substâncias sinalizadoras de reações celulares. TEMA 3 – NUCLÉOLO E NUCLEOPLASMA O nucleoplasma apresenta uma composição química muito parecida com o citosol citoplasmático. É formado por uma solução aquosa de proteínas, nucleotídeos, íons em que ficam inseridos o nucléolo e a cromatina, além de íons e moléculas de ATP. As proteínas do nucleoplasma estão fortemente envolvidas na transcrição e duplicação de RNA e DNA, respectivamente. Possuem um endoesqueleto e uma região denominada proteossomo, responsável pela degradação das proteínas do ciclo celular. Nele ficam a cromatina, que estudaremos na sequência, e o nucléolo. O nucléolo também é uma estrutura do núcleo que, visto ao MO, aparece bem desenvolvido e com alto grau de complexidade em células com alta produção de ribossomos porque são formações arredondadas, densas e formadas por RNA ribossômico e proteínas. Sua função principal é garantir a produção adequada de ribossomos, organelas relacionadas com a síntese proteica para a célula e, por isso, apresentam 60% da constituição de proteína e RNA em seu peso seco. O nucléolo contém DNA codificador de RNA e, desse modo, estão relacionados com a síntese e processamento do RNA, essencial à formação de proteínas. TEMA 4 – ORGANIZAÇÃO DA CROMATINA, EUCROMATINA, HETEROCROMATINA E CROMOSSOMOS A cromatina caracteriza-se como uma estrutura nuclear bem visível ao MO quando corada. Trata-se de uma estrutura dinâmica que muda fisicamente conforme a fase do ciclo celular. Na interfase, aparece compactada ou descompactada, mas na divisão celular apresenta-se altamente compactada; por isso, é denominada cromossomo. Nesse sentido, o estado de condensação da cromatina representa estados funcionais importantes da célula, inclusive para estudos do ciclo celular. 7 A cromatina é formada por DNA associado a proteínas e a histonas, estas muito estáveis e pouco renováveis. Além das histonas, as proteínas não histônicas estão presentes na cromatina. Existem vários tipos de histonas na formação da cromatina e, durante a evolução, essas proteínas conservaram suas sequências de aminoácidos, indicando a estabilidade para a preservação do material genético da célula. Elas geralmente aparecem associadas ao DNA, ao contrário das proteínas não histonas, que podem estar dispersas no citoplasma. Quando as células são muito ativas, elas apresentam muitas proteínas não histonas na sua composição, tais como neurônios e células glandulares. Isso está relacionado ao fato de essas proteínas estarem ligadas à formação dos cromossomos, à replicação e à ativação e expressão gênica. O nucleossomo é a unidade estrutural da cromatina. Essa unidade apresenta pares de bases do DNA e histonas. Com seu alto grau de compactação, a cromatina contribui para a expressão gênica do DNA, descompactando éxons e íntrons nucleares. Os éxons são as sequências codificadoras de DNA, já os íntrons não codificam proteínas. O splicing caracteriza-se como um processo que remove os íntrons do DNA, possibilitando a codificação. Assim, a cromatina pode ser denominada heterocromatina e eucromatina. A heterocromatina aparece na célula altamente compactada e, portanto, inativa; já a eucromatina tem porções ativas e porções inativas. A acetilação e a ubiquitação auxiliam na descompactação das moléculas e na sua transcrição. A acetilação caracteriza-se pela inserção de um grupo acetil no composto orgânico, nesse caso, nas histonas; já a segunda caracteriza-se pela presença da ubiquitina, proteína que remove proteínas indesejadas produzidas pela célula. Os cromossomos apresentam-se como um estado da cromatina altamente condensada e aparecem nas divisões celulares da mitose e meiose. São formados por um esqueleto central de proteínas histônicas e por fibras. Apresentam as cromátides na sua constituição, cuja função é a de ligar dois filamentos de DNA, fazendo uma constrição primária ou centrômero. A Figura 3 apresenta a estrutura de um cromossomo. 8 Figura 3 – Estrutura do cromossomo Crédito: Designua/Shutterstock. Os cromossomos podem ser classificados, de acordo com a posição do centrômero, em metacêntricos, submetacêntricos, acrocêntricos e telocêntricos, conforme ilustração da Figura 4. Figura 4 – Tipos morfológicos de cromossomos Crédito: Ody_Stocker/Shutterstock. Os cromossomos podem ser observados ao microscópio com coloração de Giemsa ou banda G, fato importante para uma observação detalhada dessas estruturas e diagnóstico de alterações cromossômicas. Variam em forma e número de espécie para espécie, e seus estudos contribuem para compreender o cariótipo das espécies, construindo ideogramas e estudo apurado de doenças na alteração numérica ou estrutural dos cromossomos. TEMA 5 – ORGANIZANDO UM CARIÓTIPO HUMANO O conjunto cromossômico de uma espécie constitui o seu cariótipo. Na espécie humana, um cariótipo normalmente apresenta 46 cromossomos, 9 variando a constituição dos cromossomos sexuais no homem (X, Y) e na mulher (X, X), conforme representação da Figura 5. Figura 5 – Cariótipo humano masculino e feminino Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock. Quando um cariótipo humano é estudado em MO e fotografado para a montagem do padrão cromossômico do indivíduo, temos um ideograma. Ideogramas são importantes na identificação de doenças e prevenção porque contribuem para o aconselhamento genético. Atualmente, graças a substâncias como a colchicina, que interrompe a formação do fuso na mitose e, portanto, torna os cromossomos bem evidentes, é possível organizar os cromossomos e estudá-los conforme a padronagem de bandas. Dessa forma, é possível identificar um ideograma normal e ideogramas de indivíduos portadores de síndromes cromossômicas numéricas e ou estruturais. Segundo Rodrigues (2014), na montagem de um ideograma, as seguintes etapas precisam ser consideradas: cultura celular para análise cromossômica, bloqueio das células em metáfase, fixação, espelhamento cromossômico e coloração. Após essas etapas, os cromossomos podem ser observados e fotografados na microscopia para organização do ideograma. A Figura 6 representa a visualização de cromossomos humanos ao MO. https://www.shutterstock.com/pt/g/katerynakon 10 Figura 6 – Cromossomos humanos após as etapas de organização do ideograma Crédito: Dr. Norbert Lange/Shutterstock. Com os cromossomos evidentes, é possível organizá-los agora em pares, de acordo com o tamanho e posição do centrômero, verificando os cromossomos do indivíduo, por ordem de tamanho, conforme Figura 7. Figura 7 – Organização do ideograma humano do sexo masculino Crédito: Soleil Nordic/Shutterstock. NA PRÁTICA 1. Vamos à leitura de um artigo sobre a história da descoberta do núcleo celular. Leia o texto “As estruturas celulares: o estudo histórico do núcleo e sua contribuição para o ensino de biologia” e reflita sobre a importância da história da ciência no ensino do núcleo celular. Disponível em: <http://www.abfhib.org/FHB/FHB-04/FHB-v04-01-Caroline-Batisteti-et- al.pdf>. 2. Agora que já organizamos um cariótipo humano normal, que tal organizar os cariótipos de indivíduos com síndromes cromossômicas numéricas? Explore a atividade “Analisando cariótipos humanos aberrantes”.11 Disponível em: <https://bgnaescola.files.wordpress.com/2009/12/cariotip os-aberrantes.pdf>. Observe os exemplos nas Figuras 8 e 9. Figura 8 – Ideograma da Síndrome de Down Crédito: Soleil Nordic/Shutterstock. Figura 9 – Ideograma da Síndrome de Turner Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock. FINALIZANDO Nesta aula abordamos o núcleo presente apenas nas células eucarióticas, bem como a organização dos seus componentes, tais como: • A composição, morfologia e fisiologia do núcleo celular; • O envoltório nuclear; • O nucléolo e o nucleoplasma; • A cromatina e os cromossomos; • A organização dos cariótipos em ideogramas como o do ser humano normal e com síndromes. 12 REFERÊNCIAS AMABIS, J. M.; MARTHO, G. R. Organizando os cromossomos humanos: idiogramas. Temas de Biologia, n. 4, jan. 1997. Disponível em: <https://bgnaescola.files.wordpress.com/2009/12/cariotipo.pdf>. Acesso em: 2 set. 2019. BATISTETI, C. B.; ARAÚJO, E. S. N. de; CALUZI, J. J. As estruturas celulares: o estudo histórico do núcleo e sua contribuição para o ensino de biologia. Filosofia e História da Biologia, v. 4, p. 17-42, 2009. CARNEIRO, J.; JUNQUEIRA, L. C. Biologia celular e molecular. 8. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2005. CURTIS, H. Biologia geral. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1997. JAGHER, S.; SCHIMIN, E. S. A música como recurso pedagógico no ensino de biologia. Cadernos PDE, v. 1, 2014. Disponível em: <http://www.diaadiaeducacao. pr.gov.br/portals/cadernospde/pdebusca/producoes_pde/2014/2014_unicentro_b io_artigo_salete_jagher.pdf>. Acesso em: 2 set. 2019. PEGORARO, E. et al. Limb-cinturas: Distrofia Muscular Overview. PMID, 1993. RODRIGUES, J. Técnicas de análise cromossômica. FCiências, 13 jul. 2014. Disponível em: <https://www.fciencias.com/2014/07/13/tecnicas-de-analise- cromossomica/>. Acesso em: 2 set. 2019. SOARES, J. L. Dicionário etimológico e circunstanciado de Biologia. São Paulo: Scipione, 2005. https://www.fciencias.com/2014/07/13/tecnicas-de-analise-cromossomica/ https://www.fciencias.com/2014/07/13/tecnicas-de-analise-cromossomica/
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