Genética Básica - Nucleo e material Genético

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O Núcleo da Célula e o Material Genético
Prof. Waldemiro S. Romanha
GENÉTICA BÁSICA
Roteiro III
O NÚCLEO DA CÉLULA
FUNÇÃO: Controlar o metabolismo celular através da transcrição do DNA 
nos diferentes tipos de RNA, que serão traduzidos em proteínas, os 
efetores finais da informação genética.
Nota: Para compreendermos a função do núcleo e, conseqüentemente, todo 
o metabolismo celular da célula, é necessário que antes conheçamos as 
bases macromoleculares da constituição do núcleo.
A maior parte da informação genética da célula está acumulada no DNA do núcleo 
(ácido nucléico), existindo apenas uma pequena porção fora dele, nas 
mitocôndrias e cloroplastos. São moléculas informacionais que controlam os 
processos básicos do metabolismo celular, a síntese de macromoléculas, a 
diferenciação celular e a transmissão do patrimônio genético de uma célula para 
as suas descendentes.
Ácidos nucléicos: São polímeros 
de unidades chamadas 
nucleotídeos que contém resíduos 
de uma molécula de ácido fosfórico, 
de uma pentose e uma base púrica 
ou pirimídica (figura).
Bases Púricas: adenina (A) e 
guanina (G).
Bases pirimídicas: timina (T), 
citosina (C) e uracilas (U).
O NÚCLEO DA CÉLULA
ÁCIDOS NUCLÉICOS
Como definição os ácidos nucléicos são copolímeros de quatro nucleotídeos, 
unidos por ligações éster de fosfato. Os nucleotídeos, por sua vez são 
constituídos três partes: 
Bases nitrogenadas, purinas (adenosina, guanina) ou pirimídicas (citosina e 
timina), 
5’
3’5’
O DNA é o o responsável pelo armazenamento e transmissão da 
informação genética. É encontrado principalmente nos cromossomos 
e, em pequenas quantidades, nas mitocôndrias. Nos cromossomos 
das células eucariontes, o DNA está associado a proteínas básicas, 
principalmente histonas.
A molécula de DNA consiste em 
duas cadeias de nucleotídeos 
dispostas em hélice em torno de um 
eixo. O passo dessas hélices é
dirigido no sentido da esquerda para 
a direita. A direção das ligações 3’ e 
5’ de uma cadeia é inversa em 
relação à da outra cadeia. Diz-se 
que essas cadeias são 
antiparalelas. Em função desse fato, 
em cada extremidade da molécula 
uma das cadeias polinucleotídicas
termina em 3’ e a outra em 5’.
3’
DNA
DNA
As bases púricas e pirimídicas de cada cadeia polinucleotídica situam-se dentro 
da hélice dupla, em planos paralelos entre si e perpendiculares ao eixo da hélice, 
como se fossem degraus de uma escada. Em cada plano ou degrau da escada, a 
base de uma cadeia forma par com a base da cadeia complementar. O 
pareamento só tem lugar entre a timina e a adenina, ou entre guanina e a 
citosina, das cadeias complementares. As bases estão sempre pareadas na 
seqüência T-A ou G-C.
As bases são as principais responsáveis pela estabilidade da hélice de DNA e 
situam-se no interior onde fazem interações hidrofóbicas. Os resíduos de 
desoxirribose (hidrofílicos) e de ácido fosfórico (ionizado negativamente e 
hidrofílico) localizam-se na periferia, em contato com a água intracelular. Os 
grupos fosfóricos permitem ao ácido desoxirribonucléico combinar-se com 
proteínas básicas, isto é, carregadas positivamente, ou com moléculas positivas.
TIPOS DE ÁCIDOS NUCLÉICOS
Cada molécula de ácido nucléico contém pelo menos uma cadeia de 
nucleotídeo (polinucleotídeo), formada por ligações entre os carbonos 
3’ e 5’ da pentose.
Distinguem-se dois tipos:
O Desoxirribonucléico ou DNA e o 
Ribonucléico ou RNA.
No DNA, a pentose encontrada é a 
desoxirribose, e as bases são 
adenina, guanina, citosina e timina. 
No RNA, a pentose é a ribose, e 
existe uridina em substituição à
timina; as outras bases são comuns 
aos dois tipos de ácidos nucléicos.
CARACTERÍSTICAS DOS PRINCIPAIS TIPOS DE ÁCIDOS NUCLÉICOS
Principalmente no 
citoplasma; menor 
quantidade no 
núcleo
Principalmente no 
citoplasma; menor 
quantidade no núcleo
Principalmente no 
citoplasma; menor 
quantidade no núcleo
Núcleo das células 
eucariontes; 
nucleóide das 
procariontes; 
mitocôndrias e 
cloroplastos; alguns 
vírus
LOCALIZAÇÃO
FORMA
Combina-se com o 
mensageiro, para 
formar os 
polirribossomos
Através da seqüência de 
suas bases, determina a 
posição dos 
aminoácidos nas 
proteínas
Transporta os 
aminoácidos unindo o 
seu anticódon ao códon 
do mRNA; determina a 
posição dos 
aminoácidos nas 
proteínas
Comanda todo o 
funcionamento da 
célula; transmite a 
informação genética 
para as outras células
FUNÇÕES
Ácido fosfórico, 
ribose, adenina, 
guanina, citosina 
e uracila
Ácido fosfórico, ribose, 
adenina, guanina, 
citosina e uracila
Ácido fosfórico, ribose, 
adenina, guanina, 
citosina, uracila, timina, 
ácido pseudo-uridílico, 
metilcitosina,dimetil-
guanina
Ácido fosfórico,
Desoxirribose, 
adenina, guanina, 
citosina e timina
COMPONENTES
rRNAmRNAtRNADNA
O NÚCLEO DA CÉLULA
MORFOLOGIA 
ASPÉCTOS ULTRA-ESTRUTURAIS
Geralmente a forma do núcleo acompanha a forma da célula. O tamanho do núcleo pode 
variar tanto de acordo com o metabolismo como com o conteúdo em DNA da célula. 
Células com metabolismo intenso apresentam núcleos volumosos. Através de métodos 
bioquímicos, foi possível detectar, nesses núcleos, maior quantidade de proteínas 
relacionadas com a transcrição do DNA.
Eletromicrografia de medula óssea onde se observam células apresentando núcleos com formas 
irregulares. EM 1, núcleo em forma de (S). Em 2, em forma de (U). Em 3, dois núcleos arredondados. Em 
4, núcleo alongado. Em 5, núcleos com cromatina descondensada e, em 6, núcleos com cromatina 
condensada. 4 000 X.
O Núcleo Interfásico é o nome dado ao núcleo da célula quando esta está em 
uma fase específica do seu desenvolvimento, ou do Ciclo Celular. Assim, o ciclo 
celular é o próprio ciclo de vida da célula e pode ser dividido em duas fases 
principais:
1) Mitose – ocorre a divisão da
célula.
2) Intérfase – período entre duas
divisões.
De acordo com a fase distinguem-se o Núcleo Interfásico e o Núcleo Mitótico.
Núcleo interfásico = 
Envoltório nuclear, lâmina 
nuclear, cromatina, nucleoplasma 
e nucléolo.
NÚCLEO INTERFÁSICO
O envoltório nuclear é constituído por duas 
membranas que delimitam a cisterna 
perinuclear. Em algumas regiões, as duas 
membranas se fundem formando os poros. 
O envoltório nuclear tem continuidade com 
o RE, e a membrana nuclear externa 
apresenta ribossomos ligados à sua face 
citoplasmática. A membrana interna 
apresenta, na sua face nucleoplasmática, 
um espessamento chamado de lâmina 
nuclear. Grumos de cromatina condensada 
(Cc) estão associados ao envoltório 
nuclear, enquanto porções de cromatina 
descondensada (Cd) estão dispersas no 
núcleo. No nucléolo vê-se a cromatina 
associada e porções fibrilares (F) e 
granulares (G).
ENVOLTÓRIO NUCLEAR
O envoltório nuclear separa o conteúdo do núcleo do citoplasma, sendo 
responsável pela manutenção do núcleo como um compartimento distinto. É
constituído por duas unidades de membrana (5 a 6 nm de espessura cada), 
limitando uma cavidade, a cisterna perinuclear (10 a 50 nm de espessura).
A membrana externa tem ribossomos ligados na sua face citoplasmática e 
apresenta continuidade com o RER.
Essa continuidade ultra-estrutural é refletida pela composição química dessas 
duas estruturas. A cisterna perinuclear contém as mesmas proteínas presentes 
nas cisternas no retículo endoplasmático. Essa observação mostra que o 
envoltório nuclear é uma porção especializada do retículo rugoso.
Cisternas do 
retículo
Cisterna 
perinuclear
Eletromicrografia de corte de célula mostrando a continuidade da membrana 
externa do envoltório nuclear com o retículo endoplasmático (seta). Em (N), o 
núcleo. 28500 X. (LJunqueira e Carneiro, 2000).
N
O RE é conectadoao núcleo da célula (Sagan, 1981).
VIAGEM AO INTERIOR DE UMA CÉLULA VIVA
LÂMINA NUCLEAR
Associada à superfície interna do envoltório nuclear, encontra-se a lâmina 
nuclear, uma rede fibrosa com 10-20 nm de espessura que se interrompe 
nos poros nucleares. Na maioria das células dos mamíferos, a lâmina 
nuclear é constituída pelas proteínas laminas A, B e C.
As laminas, em condição específicas de pH e concentração iônica, polimerizam-
se e formam filamentos parecidos com os filamentos intermediários do 
citoesqueleto, sendo classificados como tal. Além de manter a forma e dar 
suporte estrutural ao envoltório nuclear, a lâmina nuclear também é responsável 
pela ligação das fibras cromatínicas (cromatina) ao envoltório. 
CROMATINA
O termo cromatina (croma, cor) 
designa, com exceção dos 
nucléolos, toda a porção do núcleo 
que se cora e é visível ao 
microscópio ótico. Em células 
eucariontes, o DNA está
complexado com proteínas 
específicas, constituindo a 
cromatina. No núcleo interfásico, a 
cromatina se apresenta 
compactada e/ou descompactada. 
No núcleo em divisão, a cromatina 
está altamente compactada, 
constituindo os cromossomos. 
Assim, a cromatina e os 
cromossomos representam dois 
aspectos morfológicos e 
fisiológicos da mesma estrutura. 
A disposição da cromatina dentro 
do núcleo e o seu grau de 
condensação variam de um tipo 
celular para outro, e são 
característicos de cada tipo celular. 
Além disso, a mesma célula pode 
apresentar a cromatina com vários 
graus de condensação, de acordo 
com o estágio funcional e com o 
estado de diferenciação em que se 
encontra. 
Eletromicrografia de corte de medula óssea. As quatro 
células que aparecem com seus núcleos são 
eritroblastos. A cromatina nesses núcleos mostra 
diferentes graus de condensação, e os eritroblastos mais 
maduros apresentam os núcleos mais condensados. 
11 000 X. (Junqueira & Carneiro, 2000).
De um modo geral, as células nervosas e os espermatócitos (células precursoras dos 
espermatozóides), em certa fase, apresentam cromatina pouco condensada. Os
plasmócitos (células produtoras de anticorpos) já apresentam grumos densos de 
cromatina em seus núcleos. Os eritroblastos (eritro, vermelho, e blasto, germe), 
células que se transformam nos glóbulos vermelhos do sangue, sofrem uma 
condensação gradual da cromatina durante sua maturação (figura do slide anterior –
16), e esse processo culmina, nos mamíferos, com sua expulsão do núcleo.
Eletromicrografia de célula do testículo. A cromatina descompactada está uniformemente 
dispersa no núcleo. As duas membranas que compõem o envoltório nuclear estão bem 
visíveis. O nucléolo mostra uma estrutura enovelada. 10 000 X.
As proteínas que se associam ao DNA para formar a cromatina 
são classificadas em histonas e não-histonas. Assim, as histonas 
são os principais componentes protéicos da cromatina, uma vez 
que participam da arquitetura molecular das fibras cromatínicas. A 
quantidade em massa de histonas é, aproximadamente, igual à do 
DNA total do núcleo, numa razão de 1:1. 
Essas proteínas apresentam forte caráter básico, uma vez que 
são ricas em aminoácidos básicos, arginina e lisina. Elas se ligam 
ao DNA graças à interação de seus radicais amino com os radicais 
fosfato do DNA. Nem todos os radicais estão neutralizados pelas 
histonas, o que confere à cromatina um caráter ácido, isto é, uma 
grande capacidade para ser corada por corantes básicos, 
propriedade denominada basofilia.
A CROMATINA É FORTEMENTE BASOFÍLICA
HISTONAS
Existem cinco tipos de histonas, classificadas de acordo com seu teor 
de lisina e/ou arginina (carga positiva): H1, H2A, H2B, H3 e H4.
Nessas moléculas, geralmente distinguem-se três regiões:
Uma região globular, 
devido ao enovelamento 
da cadeia polipeptídica, 
licalizada entre duas 
regiões filamentosas 
(fig.). Os aminoácidos 
básicos encontram-se 
principalmente no 
segmento filamentoso N 
terminal.
Os aminoácidos das histonas podem ser acetilados ou fosforilados, processos 
que levam a uma modificação da carga eletrostática da histona, alterando sua 
interação com o DNA e influindo na conformação da cromatina (compactação). 
Foi observada, por exemplo, uma relação entre a fosforiLação das histonas e 
as diferentes fases da mitose.
ESTRUTURA MOLECULAR DA CROMATINA
Octâmero das 
histonas H2A, 
H2B, H3 e H4
DNA 
do centro do 
nucleossoma
Histona H1
DNA 
de 
ligação
10 nm
A unidade estrutural básica da cromatina foi denominada de nucleossomo. O 
nucleossomo é uma partícula de forma cilíndrica achatada constituída por 
aproximadamente 200 pares de bases (pb) de DNA associados a um octâmero de 
histonas e a uma molécula de histona H1. O octâmero é formado por duas 
moléculas de cada uma das histonas H2A, H2B, H3 e H4. A molécula de H1 se 
associa externamente ao DNA que envolve o octâmero
No nucleossomo distingue-se duas 
regiões: 
1) centro do nucleossomo, 
constituído pelo octâmero, em 
torno do qual se enrola um 
segmento de DNA com cerca de 
146 pb. 
2) DNA de ligação, segmento de 
DNA de 15 a 100 pb que conecta 
um centro de nuleossomo a outro, 
através da associação com o(a) 
H1.
A cromatina pode apresentar dois níveis de 
compactação, formando uma fibra de 10nm 
de diâmetro, denominada de 
nucleofilamento, ou de 30nm, denominada 
solenóide.
A fibra de 10 nm constitui o primeiro nível 
de compactação da cromatina e é formada 
pela associação entre os nucleossomos
adjacentes. 
A organização dessa fibra depende da 
interação entre as histonas H1 de 
nucleossomos vizinhos. 
A histona H1 de um nucleossomo liga-se, 
através da suas extremidade amino-
terminal, à extremidade carboxi-terminal da 
H1 do nucleossomo adjacente, em um 
arranjo “cabeça-cauda”.
COMPACTAÇÃO DA CROMATINA
A porção central do nucleossomo é constituída pelo 
octâmero de histonas, e a histona H1 está associada 
externamente ao centro do nucleossomo.
Nucleofilamento
COMPACTAÇÃO DA CROMATINA
A fibra de 30 nm constitui o segundo nível de compactação da cromatina e é
formada pelo enovelamento da fibra da 10 nm em uma estrutura helicoidal. 
Cada volta da espiral contém 6 nucleossomos organizados radialmente, 
ficando a histona H1 localizada no interior da fibra (figura).
Durante a intérfase, a cromatina que 
contém os genes ativamente transcritos 
é formada, em sua maioria, por fibras de 
30 nm, enquanto cerca de 10% estão na 
forma de fibras de 10 nm, permitindo o 
acesso às enzimas envolvidas na 
transcrição.
Ainda no núcleo interfásico, as fibras de 
30 nm podem se organizar em grandes 
alças que se prendem ao envoltório 
nuclear através da lâmina nuclear.
Também cerca de 10% da cromatina 
interfásica está em um estado altamente 
condensado, chamado heterocromatina
(mecanismo pouco conhecido).
A fibra de 30 nm é o resultado do 
enovelamento helicoidal da fibra de 
10 nm. A fibra de 30 nm é mantida 
pela associação das histonas H1, que 
se localizam no centro do solenóide
Desenho esquemático mostrando os 
diversos graus de compactação da 
cromatina. De cima para baixo, 
aparece primeiro a dupla hélice do 
DNA (2nm); depois, a associação 
com histonas, formando as fibras de 
10nm ou nucleofilamentos. Essas 
fibras se enovelam helicoidalente, 
constituindo as fibras de 30nm, que, 
depois, formam alças de 300nm. As 
alças se enovelam, formando 
estruturas bastante compactas, com 
700 nm. Finalmente, no último 
desenho, o cromosomo metafásico, o 
grau máximo de condensação da 
cromatina.
Os cromossomos são resultantes da 
condensação da cromatina que ocorre 
durante a divisão mitótica ou durante 
a meiose. O grau de condensação é
máximo na metáfase, razão pela qual 
os estudos da estrutura 
cromossômica utilizam cromossomos 
metafásicos.
CROMATINA E AEXPRESSÃO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA (1)
Isso se deve ao fato de que genoma das células eucariontes possui uma grande 
quantidade de seqüências de DNA que não são convertidas em produtos 
funcionais, ou seja, não são codificadoras. Muitas dessas seqüências não 
codificadoras estão localizadas entre os genes, separando um gene do vizinho. 
Outras, no entanto, estão presentes nos próprios genes. Assim, os genes 
apresentam segmentos codificadores chamados éxons, separados por 
segmentos não-codificadores, ou íntrons.
O DNA codifica um RNA com éxons e íntrons.
O RNA é sintetizado sobre o molde de DNA, contendo segmentos codificadores ou éxons e 
segmentos não-codificadores ou íntrons.
Na cromatina se encontram os GENES, que são seqüências de nucleotídeos do 
DNA que se expressam, ou se convertem, em produtos funcionais, tais como 
moléculas de RNA. O primeiro passo na expressão de um gene é a sua 
transcrição em uma molécula de RNA (figura). Apenas uma das fitas do DNA é
usada como molde; assim, a molécula de RNA transcrita é complementar à fita 
de DNA que lhe deu origem e idêntica à outra fita de DNA, sendo os 
nucleosídeos de timina substituídos por uracila. Entretanto, esse RNA ainda não 
é funcional.
CROMATINA E A EXPRESSÃO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA (2)
Todo gene é transcrito em uma longa molécula de RNA, que, depois, é
reduzida de tamanho e convertida na molécula de RNA funcional. 
O processamento da molécula de RNA ocorre no núcleo e envolve o 
splicing, que consiste na remoção (e digestão ?) dos íntrons e na 
posterior junção dos éxons. Assim, apenas os éxons são mantidos no 
RNA maduro (funcional).
Processamento do pré-RNA (remoção dos íntrons e dos éxons)
Molécula acabada de mRNA (somente éxons)