8 aula O NÚCLEO DA CÉLULA ESTRUTURA, REPLICAÇÃO E TRANSCRIÇÃO

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O NÚCLEO DA 
CÉLULA: 
ESTRUTURA, ESTRUTURA, 
REPLICAÇÃO E 
TRANSCRIÇÃO
A estrutura dos cromossomos eucarióticos:
• O núcleo de uma célula típica humana tem
aproximadamente 5-8 µm de diâmetro e contém
aproximadamente 2 metros de DNA.
• A complexa tarefa de compactar o DNA é realizada por
proteínas especializadas que se ligam e dobram o DNA.
• O DNA é compactado de uma forma que o deixa acessível• O DNA é compactado de uma forma que o deixa acessível
a todas as enzimas e outras proteínas requeridas para a
replicação, transcrição e reparo de DNA.
• O DNA eucariótico é compactado em um conjunto de
diferentes cromossomos. Cada cromossomo consiste de
uma única molécula de DNA linear enormemente longa
associada com proteínas.
• Muitas proteínas associadas com o DNA nos
cromossomos estão envolvidas na compactação do DNA,
mas os cromossomos também estão associados com outras
proteínas envolvidas na expressão gênica, replicação, e
reparo de DNA.
• As células humanas, com exceção das células
germinativas, contêm duas cópias de cada cromossomo,germinativas, contêm duas cópias de cada cromossomo,
um herdado da mãe e outro do pai: os cromossomos
materno e paterno de cada um dos pares são chamados de
cromossomos homólogos.
• Os únicos pares de cromossomos não-homologos são os
cromossomos sexuais nos machos, onde um cromossomo
Y é herdado do pai e um cromossomo X, da mãe.
CONJUNTO TOTAL DE CROMOSSOMOS: 
CARIÓTIPO
Os cromossomos existem em diferentes estados durante a
vida da célula:
• O estado de condensação de um cromossomo varia de
acordo com o ciclo de crescimento celular, que passa por uma
série de estágios conhecido como ciclo celular.
Seqüências especializadas de DNA asseguram que os cromossomos
repliquem eficientemente:
• Estas funções básicas são controladas por três tipos de sequências
especializadas de DNA encontrados nos cromossomos eucarióticos:
� Um tipo de sequência de nucleotídeo atua como uma origem de
replicação do DNA, na qual a duplicação do DNA se inicia. A maioria
dos cromossomos eucarióticos contém muitas origens de replicação
para permitir que o cromossomo inteiro possa ser replicado.
� A presença de uma segunda sequência especializada de DNA,
chamada de centrômero, permite que uma cópia do cromossomochamada de centrômero, permite que uma cópia do cromossomo
duplicado seja puxado para a célula-filha quando uma célula se divide.
Durante a mitose um complexo protéico chamado cinetócoro se forma
no centrômero e liga os cromossomos duplicados no fuso, permitindo
que eles sejam separados.
� A terceira sequência chamada telômero, é encontrada em cada uma
das extremidades de um cromossomo. Telômeros contém seqüências
repetidas de nucleotídeos que permitem que as extremidades dos
cromossomos sejam replicadas. Estas sequências são necessárias
porque as DNA-polimerases podem sintetizar DNA somente na direção
5’→ 3’.
Seqüências especializadas de DNA asseguram que os cromossomos
repliquem eficientemente:
Os nucleossomos são as unidades básicas da estrutura da cromatina:
• Cromatina: consiste no complexo de DNA e proteína que forma o
cromossomo. A cromatina existe em diferentes estados nas distintas fases
do ciclo de vida das células.
• As histonas são responsáveis pelo primeiro nível fundamental de
compactação, o nucleossomo. Esses são compactados ainda mais para
gerar fibras de 30 nm.
O cerne de uma partícula individual de nucleossomo
consiste de um complexo de oito proteínas chamadas
histonas – o octâmero de histonas forma um cerne de
proteína em volta do qual a hélice de fita dupla do
DNA se enrola. O termo “nucleossomo” refere-se a
partícula central do nucleossomo mais o DNA de
ligação adjacente.
•
• As histonas são
pequenas proteínas com
alta proporção de
aminoácidos carregados
positivamente (lisina e
arginina).
• A compactação dos• A compactação dos
nucleossomos na fibra de
30 nm depende de uma
quinta histona chamada
H1, que se acredita una
os nucleossomos num
arranjo regular repetido.
• A forma mais altamente compactada da cromatina
interfásica é chamada heterocromatina. O restante da
cromatina que esta numa variedade de estado mais
estendido, é chamado de eucromatina.
• A heterocromatina e a cromatina mitótica são
transcricionalmente inativas.
• Os cromossomos interfásicos são organizados dentro do
núcleo. O núcleo é delimitado pelo envelope nuclearnúcleo. O núcleo é delimitado pelo envelope nuclear
formado por duas membranas concêntricas.
• O envelope nuclear é suportado por duas redes de
filamentos de proteína: uma chamada lâmina nuclear que
sustenta a membrana interna e outra menos organizada
que envolve a membrana nuclear externa.
• As duas membranas são perfuradas a certos intervalos
por poros nucleares, que transportam ativamente moléculas
selecionadas para dentro e para fora do núcleo.
• A membrana nuclear
interna contém proteínas
que atuam como sítios
de ligação para os
cromossomos e para a
lâmina nuclear.
• A composição da
membrana nuclear
externa assemelha-se
muito à membrana do
RE, com a qual ela é
contínua.
Um poro nuclear é uma estrutura grande e elaborada
composta de cerca de 30 proteínas.
• Cada poro contém um ou mais canais cheios de água pelos quais pequenas
moléculas solúveis podem passar livremente entre o núcleo e o citosol. Moléculas
maiores como RNAs, subunidades ribossomais, proteínas e complexos
macromoleculares, só passam pelo poro se carregarem um sinal apropriado
(sequência-sinal).
Replicação do DNA:
• Como cada fita de DNA contém uma sequência de
nucleotídeos que é exatamente complementar à seqüência de
nucleotídeos de sua fita parceira, cada fita pode atuar como um
molde para a síntese de uma nova fita complementar.
’
Como cada fita parental serve
como molde para uma nova
fita, cada dupla hélice-filhafita, cada dupla hélice-filha
termina com uma fita original
(velha) mais uma fita que é
completamente nova.
• A síntese de DNA inicia nas origens de replicação.
• O processo de replicação do DNA é iniciado por proteínas iniciadoras que
se ligam ao DNA e forçam a separação das duas fitas, quebrando as pontes
de hidrogênio entre as bases.
• Os locais onde o DNA são abertos inicialmente são chamados de origem
de replicação que são marcadas por uma seqüência particular de
nucleotídeos com seguimentos de DNA ricos em A=T.
•
A síntese de DNA novo ocorre nas forquilhas de replicação:
• As moléculas de DNA pegas no momento de serem replicadas podem
ser vistas ao microscópio eletrônico. A replicação é bidirecional.
• No coração da máquina
de replicação está uma
enzima chamada de DNA-
polimerase, que sintetiza a
fita nova. Essa enzima
catalisa a adição de
nucleotídeos à extremidadenucleotídeos à extremidade
3’ de uma fita de DNA em
crescimento pela formação
de uma ligação fosfodiéster
entre esta extremidade e o
grupo 5’-fosfato do
nucleotídeo que está sendo
incorporado.
• A DNA-polimerase não se dissocia do DNA a cada vez que adiciona um
novo nucleotídeo à cadeia em crescimento; pelo contrário, ela permanece
associada ao DNA e move-se ao longo dele passo a passo por muitos
ciclos de reação de polimerização.
• A DNA-polimerase pode catalisar o crescimento da cadeia de DNA em
apenas uma direção: ela pode adicionar novas subunidades apenas à
extremidade 3’ da cadeia. Como resultado, uma nova cadeia de DNA pode
ser sintetizada apenas na direção 5’→ 3’ pela DNA-polimerase.
• A fita de DNA cuja extremidade 5’ deve crescer é feita descontinuamente,
em pequenos pedaços separados e sucessivos chamados de fragmentos
de Okazaki, com a DNA-polimerase trabalhando para trás a partir da
forquilha de replicação na direção 5’→ 3’ para cada pedaço.
• A fita que é sintetizada descontinuamente é chamada de fita retardada ou
retardatária, a fita que é sintetizada continuamenteé chamada de fita-líder.
A DNA-polimerase é autocorretiva:
• Assim como ela catalisa a reação
de polimerização, a DNA-
polimerase tem uma atividade
corretiva de erros chamada
mecanismo de verificação. Antes
que a enzima adicione umque a enzima adicione um
nucleotídeo a cadeia de DNA em
crescimento, ela confere se o
nucleotídeo prévio adicionado esta
corretamente pareado com a fita-
molde.
Pequenos segmentos de RNA atuam como iniciadores para a síntese do
DNA:
• É necessário uma enzima diferente para iniciar uma nova fita de DNA.
Essa enzima, entretanto, não sintetiza DNA. Ela faz um pequeno
segmento de RNA usando a fita de DNA como molde. Esse pequeno
RNA com cerca de 10 nucleotídeos de tamanho, faz pareamento de
bases com a fita-molde e fornece uma extremidade 3’ como ponto inicial
para a DNA-polimerase. Dessa forma ela serve como um iniciador
(primer) para a síntese de DNA, e a enzima que sintetiza o RNA
iniciador é conhecida como primase.iniciador é conhecida como primase.
• Para produzir uma fita nova de DNA contínua a partir de muitos
fragmentos de Okazaki, três enzimas adicionais são necessárias:
• uma nuclease: degrada o RNA iniciador.
• uma DNA-polimerase chamada de polimerase de reparo que substitui
o RNA por DNA.
• uma DNA-ligase que une a extremidade 5’ fosfato de um fragmento
novo de DNA à extremidade 3’ hidroxil do próximo.
• A enzima telomerase adiciona uma série de repetições de uma
sequência de DNA, que permite que a fita retardada ou descontínua seja
completada pela DNA-polimerase. A telomerase contém uma porção curta
de RNA complementar à seqüência de repetição de DNA.
As proteínas na forquilha de replicação cooperam para formar
uma máquina de replicação:
• Na frente da máquina de replicação, está uma helicase,
proteína que usa a energia de hidrólise da ATP para correr ao
longo do DNA, abrindo a dupla hélice à medida que se move.
• Outro componente da máquina de replicação – a proteína de
ligação à fita simples – une-se ao DNA fita simples exposto,ligação à fita simples – une-se ao DNA fita simples exposto,
pela helicase e impede, transitoriamente, de formar
novamente o pareamento de bases.
• Outra proteína ainda, chamada de “grampo deslizante”
mantém a DNA-polimerase firmemente ligada a fita-molde e
na fita retardada, o grampo deslizante libera a polimerase do
DNA cada vez que um fragmento de Okazaki é terminado.
Transcrição: de DNA a RNA
• A transcrição e a tradução
são os meios pelos quais
as células interpretam, ou
expressam, suas instruções
genéticas – seus genes.
• Diversas cópias idênticas• Diversas cópias idênticas
de RNA podem ser
produzidas a partir do
mesmo gene e cada
molécula de RNA pode
dirigir a síntese de diversas
cópias idênticas de
moléculas de proteínas.
• O primeiro passo que uma célula dá para ler parte das instruções
genéticas é copiar a parte requerida da seqüência do DNA – gene – em
uma seqüência de nucleotídeos do RNA (transcrição) que é realizada
pela RNA-polimerase.
Algumas diferenças entre a DNA-polimerase e RNA-polimerase:
• A RNA-polimerase catalisa a adição de ribonucleotídeos;
• A RNA-polimerase não possui atividade de revisão e correção.
• A RNA-polimerase pode iniciar uma cadeia de RNA sem a necessidade
de um primer.de um primer.
• A grande maioria dos genes presentes no DNA das células determina a
seqüência de aminoácidos das proteínas, e as moléculas de RNA que
são copiadas a partir destes genes são chamadas de RNA mensageiro
(mRNA). Outros RNAs são também sintetizados pelo mesmo processo de
transcrição.
• Uma das duas fitas da dupla hélice do DNA atua como um molde para a
síntese do RNA. A cadeia de RNA produzida (transcrito) é estendida um
nucleotídeo por vez no sentido 5’→ 3’.
• A RNA-polimerase move-se ao longo do DNA, desenrolando a hélice de
DNA logo a sua frente. Imediatamente atrás da região onde os
ribonucleotídeos estão sendo adicionados, a RNA-polimerase enrola a
hélice de DNA que se refaz e desloca a cadeia de RNA recém-formado.
• Sinais de seqüências de nucleotídeos no DNA indicam à RNA-
polimerase onde iniciar (promotores) e terminar (terminadores ou sinal de
parada).
• RNAs eucarióticos são transcritos no núcleo e chamados de transcritos
primários.
• Duas etapas de processamento que ocorrem somente nos transcritos
primários destinados a tornarem-se moléculas de mRNA são:
→ A formação da sequência-líder ou quepe 5` que consiste na
modificação do terminal 5’ do transcrito primário, o terminal que é
sintetizado primeiro durante a transcrição, sendo formado pela adiçãosintetizado primeiro durante a transcrição, sendo formado pela adição
nesta extremidade de um nucleotídeo atípico – uma guanina (G) ligada a
um grupo metila logo no início da transcrição.
→ A poliadenilação do mRNA na extremidade 3’ ou cauda poli-A pela
ação de enzimas que adicionam uma série repetitiva de nucleotídeos de
adenina (A) formando a cauda poli-A.
Estes processos aumentam a estabilidade dos mRNAs e auxiliam na
exportação do núcleo para o citoplasma e são também utilizados mais
tarde na síntese protéica como indicador de que a mensagem esta pronta
para a tradução.
• Genes de eucariotos são interrompidos pelas sequências não-
codificantes chamadas de íntrons.
• Os fragmentos dispersos das sequências codificantes, chamados
éxons, são normalmente mais curtos que os íntrons.
• Tanto íntrons quanto éxons são incluídos no transcrito primário.
• Durante a formação da sequência-líder e poliadenilação, mas antes
que o mRNA saia do núcleo, todas as sequências dos íntrons são
removidas e os éxons ligados uns aos outros. Quando esta etapa
chamada de splicing de RNA, é completada, o RNA é uma molécula de
mRNA funcional que agora sai do núcleo e é traduzido em proteína.
• Cada íntron contém algumas pequenas sequências de nucleotídeos
que atuam como sinais para a sua remoção.
Os íntrons são removidos do RNA por enzimas que são um complexo
de proteína e pequenos RNAs nucleares (snRNAs) que juntos formam
pequenas partículas ribonucleoproteicas nucleares (snRNPs).
• Os transcritos de diversos genes eucarióticos podem ser processados por
splicing sob diferentes formas, cada uma delas levando à produção de um
proteína distinta. Este tipo de splicing alternativo permite, portanto, que
diferentes proteínas sejam produzidas de um mesmo gene.
Ex: O gene da α-tropomiosina pode sofrer splicing de diferentes maneiras.
• Um conjunto especial de proteínas de ligação ao RNA sinaliza que o
mRNA maduro está pronto para ser exportado para o citoplasma. O quepe
e a cauda poli-A estão marcadas por proteínas que reconhecem essas
modificações. Um grupo de proteínas denominadas complexo de junção do
éxon (EJC) é depositado sobre o mRNA após o RNA ter sofrido splicing
adequadamente. Quando o mRNA é considerado pronto para a exportação
um receptor de transporte nuclear se associa a ele guiando-o através do
poro nuclear. Uma vez no citosol, o mRNA pode perder algumas protéinas
anteriormente ligadas e adquirir outras.
• As duas micrografias eletrônicas mostram o núcleo de dois tipos celulares
diferentes A e B. Na duas micrografias eletrônicas é possível detectar regiões de
cromatina de duas densidades diferentes; uma região fortemente contrastada que
corresponde a heterocromatina e uma região mais clara que corresponde a
cromatina menos compactada (eucromatina). A cromatina no núcleo (A) está, em
maioria, na forma condensada, uma heterocromatina transcricionalmente inatva, ao
passo que a maioria da cromatina do núcleo B está descompactada e, portanto,
potencialmente ativa para transcrição.