O Núcleo Celular: Estrutura e Funções

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Biologia Celular
Aula 5 - O núcleo celular
INTRODUÇÃO
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As células eucariontes apresentam no seu interior uma organela exclusiva: o núcleo. Essa organela não só armazena o material genético da célula, como também é
responsável pelo controle de todo o funcionamento celular. É fundamental entendermos como isso ocorre.
Veremos que os processos de divisão celular, tão importantes para a manutenção do organismo em vários aspectos, contam com a participação ativa do núcleo.
Impossível falar do núcleo sem abordarmos as duas moléculas mais importantes que encontramos no seu interior: o DNA e o RNA. Aliás, veremos que a função de
controlar o funcionamento celular se deve à presença dessas moléculas.
OBJETIVOS
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Analisar a estrutura e composição do núcleo celular;
Reconhecer a participação do núcleo nos processos de divisão celular;
Reconhecer o papel das moléculas de DNA e RNA no funcionamento nuclear.
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ESTRUTURA, COMPOSIÇÃO E FUNÇÕES DO NÚCLEO CELULAR
Devemos iniciar o estudo do núcleo celular entendendo que ele é uma organela, exclusiva das células eucariontes. É um espaço delimitado por uma membrana e que
tem no seu interior determinadas substâncias, que veremos a seguir.
As células geralmente apresentam um único núcleo e este �ca localizado em seu centro. No entanto, existem células que apresentam mais de um núcleo ou que
núcleo �ca localizado perifericamente.
Outra coisa bem variável é o formato dos núcleos: existem alguns que são esféricos, alongados, divididos em lóbulos etc.
Nas fotos a seguir podemos ver isso.
As fotos mostram diferentes células, que nos permitem ver diferentes aspectos sobre os núcleos. Em A, temos uma lâmina de sangue de ave, em que as hemácias
são elípticas e apresentam um núcleo centralizado e com o formato da célula. Em B, podemos ver os tecidos da pele, mostrando núcleo com formatos diferentes
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(esféricos, alongados, achatados). Em C, podemos ver uma lâmina de glândula salivar, em que os núcleos são esféricos. Em D, vemos o revestimento externo dos
intestinos, com células de núcleo achatado.
ESTRUTURA NUCLEAR
O núcleo, como vimos, é um espaço delimitado por membrana. Essa membrana pode ser chamada de carioteca, cariomembrana ou, simplesmente, membrana
nuclear.
No seu interior, encontramos algumas estruturas que merecem destaque: o nucléolo, o nucleoplasma e a cromatina, como podemos ver na imagem abaixo.
Fonte da Imagem:
Na imagem, vemos a constituição do núcleo: a carioteca que delimita o seu espaço, o núcleo como uma região mais corada no seu interior e o que o preenche ―
uma mistura de nucleoplasma e cromatina.
Vamos entender melhor, estudando detalhadamente cada estrutura que compõe o núcleo.
A CARIOTECA
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A carioteca é uma membrana dupla, separada por um espaço, e que continua com a membrana de uma organela chamada Retículo Endoplasmático Rugoso.
Veja na imagem abaixo:
Podemos ver na imagem a continuidade da membrana externa da carioteca com o Retículo Endoplasmático Rugoso.
Essa membrana apresenta poros, por onde moléculas grandes, como proteínas e RNAs, podem passar.
Na sua superfície externa, encontramos alguns ribossomos aderidos.
Veja na imagem abaixo.
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Na imagem �ca clara a existência de duas membranas formando a carioteca e a presença de poros por onde passam macromoléculas.
NUCLEOPLASMA
O nucleoplasma é uma solução aquosa contendo proteínas (maioria enzimas) e outras moléculas como RNAs, nucleosídeos, nucleotídeos e íons.
No nucleoplasma, estão mergulhados o nucléolo e a cromatina.
NUCLÉOLO
O nucléolo é uma estrutura fortemente corada, formado por DNA, que possui genes que estão envolvidos na síntese de RNA ribossomal, que vai originar os
ribossomos — estruturas celulares que fabricam as proteínas das células.
CROMATINA
A cromatina é a parte mais importante do núcleo, pois é formada pelo DNA e proteínas que participam do empacotamento do DNA. As proteínas mais importantes
são as histonas.
As moléculas de DNA se enrolam nas histonas, em um conjunto formado por oito histonas, e formam estruturas que chamamos de nucleossomos.
Para entender melhor isso, veja a imagem abaixo.
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Fonte da Imagem:
Essa imagem mostra a estrutura do nucleossomo. A �ta vermelha representa o DNA. As bolas azuis representam as oito moléculas de histonas, em que o DNA se
enrola. Em verde está representada uma proteína chamada H1, que �xa a molécula de DNA nas oito histonas e mantém a estrutura do nucleossomo.
Sendo assim, a cromatina é uma cadeia de nucleossomos, como se fosse um colar de pérolas, como na imagem baixo.
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Nós só conseguimos identi�car a cromatina quando a célula não está no período de divisão celular, que chamamos de interfase.
Isso ocorre porque, quando a célula vai se dividir, a cromatina se transforma em cromossomos, como veremos a seguir.
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A imagem já nos mostra isso. Reparou?
Sendo assim, nesse período de interfase, a cromatina apresenta dois estados funcionais e por isso a dividimos em:
eucromatina
Na parte chamada de eucromatina, os genes presentes na molécula de DNA estão ativos, produzindo proteínas e, além disso, a cromatina está descondensada, não
compactada.
Ela só vai se condensar na hora da divisão celular, momento que ela se transforma em cromossomo.
heterocromatina
Já na parte de heterocromatina, os genes não são ativos e a cromatina está sempre condensada. No entanto, essa heterocromatina ainda se subdivide em
heterocromatina constitutiva (glossário) e heterocromatina facultativa (glossário).
OS CROMOSSOMOS
Como já adiantamos, e vamos entender melhor agora, quando a célula vai se dividir, a cromatina se condensa completamente (nesse caso não teremos mais aquela
diferença entre eucromatina e heterocromatina) e se transformará em cromossomos.
Então, cada um dos 46 cromossomos que encontramos em nossas células é resultado da compactaçãode um pedaço de cromatina.
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Veja novamente aquela imagem:
Vemos na imagem o processo �nal de compactação da cromatina,
que resulta na formação de um cromossomo típico.
Podemos dizer que cromatina e cromossomo são feitos da mesma coisa (DNA + Proteínas) e que se diferenciam apenas pelo seu estado funcional: descompactada
na cromatina e completamente compactado no cromossomo.
Como o cromossomo é feito de DNA, e o DNA contém as nossas informações genéticas, eles são os veículos dessa informação e são eles que, durante os processos
de divisão celular, serão divididos entre as células-�lhas formadas, garantindo que as informações genéticas sejam passadas para elas.
Os cromossomos típicos apresentam uma estrutura característica, como podemos ver na imagem abaixo.
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Os cromossomos são formados por duas moléculas de DNA compactadas, sendo uma cópia da outra, gerada durante a replicação do DNA, que será vista a seguir.
Cada uma destas moléculas compactadas formam uma cromátide. As cromátides são unidas por uma região chamada centrômero. O centrômero divide as
cromátides em braços, que podem ter o mesmo tamanho ou não. A extremidade de cada cromátide é chamada de telômero.
Mas todos os cromossomos não têm a mesma forma e, por isso, são classi�cados em três tipos diferentes nas células humanas:
Metacêntricos;
Submetacêntricos;
Acrocêntricos.
Veja na imagem abaixo.
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A posição do centrômero na cromátide determina o tamanho dos braços e assim o tipo de cromossomo. No cromossomo metacêntrico (M), o centrômero está no
meio da cromátide e por isso os dois braços possuem o mesmo tamanho. No cromossomo submetacêntrico, o centrômero está um pouco deslocado do centro e por
isso um braço é um pouco menor do que o outro. Já no acrocêntrico, o centrômero está muito deslocado do centro e por isso um dos braços é muito menor do que o
outro.
Os cromossomos também são divididos em dois grupos, mas de acordo com a função que eles exercem.
Existem dois que formam um par chamado de alossômicos ou sexuais, formado pelos cromossomos X e Y. Nesse caso, as mulheres possuem dois iguais, sendo XX,
e os homens possuem um de cada, sendo XY. Os outros cromossomos, 22 pares, são chamados de autossômicos.
No entanto, é importante destacarmos que não são todas as
células humanas que possuem 23 pares de cromossomos
Por causa disso, as células são divididas em dois grupos, de acordo com a quantidade de cromossomos que possuem:
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células diploides
As células diploides (que indicamos como 2n) são as células que possuem os 23 pares, ou 46 cromossomos. Essas são as células somáticas, ou seja, células que
formam o nosso corpo.
células haploides
Já as células haploides (n) são as células que possuem apenas um cromossomo de cada par, portanto 23 cromossomos. Esses são os gametas, espermatozoides no
homem ou ovócitos na mulher.
Lembrando que esses números se referem às células humanas. Outros organismos possuem números diploides de cromossomos diferentes.
Veja na tabela abaixo.
Nessa tabela, vemos o número diploide de cromossomos de diferentes organismos.
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É POSSÍVEL QUE VOCÊ ESTEJA SE PERGUNTANDO...POR QUE É IMPORTANTE SABER ISSO TUDO?
Porque muitas vezes alterações no número ou na forma dos cromossomos podem causar alguns problemas, conhecidos como síndromes cromossômicas.
A presença de um cromossomo identi�cado como cromossomo 21 a mais, por exemplo, causa a síndrome conhecida como Síndrome de Down. Outras síndromes
são conhecidas e o diagnóstico delas é feito através da realização de um cariótipo (glossário).
Abaixo podemos ver cariótipos de pessoas normais e de pessoas afetadas pela Síndrome de Down.
Fonte da Imagem:
Essa foto é de um cariótipo humano normal. Podemos ver a presença de 23 pares de cromossomos. Os dois últimos cromossomos são o par sexual e, como existe
um cromossomo X e um cromossomo Y, trata-se do cariótipo de um homem.
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Fonte da Imagem:
Essa foto é de um cariótipo de uma pessoa portadora da Síndrome de Down. Podemos ver que existem três cromossomos 21, caracterizando uma trissomia do
cromossomo 21. Podemos ver também que se trata de uma pessoa do sexo feminino, pois possui dois cromossomos X.
NÚCLEO E DIVISÃO CELULAR
O núcleo participa ativamente dos processos de divisão celular, uma vez que, nos dois processos existentes, os cromossomos, veículos da informação genética, são
divididos entre as células-�lhas formadas, garantindo que as informações genéticas sejam passadas para as gerações celulares futuras.
As células precisam estar se dividindo constantemente, por diferentes razões. Células se dividem para repor células mortas, para garantir o crescimento e
desenvolvimento do organismo e para regeneração dos tecidos. Células também se dividem com a �nalidade de formar os gametas, as células reprodutivas.
Existem dois tipos de divisão celular. Eles são marcados pelos eventos que envolvem os cromossomos, e são divididos em fases.
A MITOSE
Ocorre em todos os tipos de células, com a �nalidade de repor as células mortas, permitir o crescimento do organismo e aumentar a quantidade de células.
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As nossas células somáticas, que formam o nosso corpo, e também as células que vão formar os gametas (no início do processo de formação) fazem esse tipo de
divisão celular, que se caracteriza pelo fato de que todas as células formadas têm a mesma quantidade de cromossomos da célula inicial. Ou seja, células diploides
originam células que são diploides também.
A mitose possui quatro fases bem de�nidas: prófase, metáfase, anáfase e telófase. Veja na imagem abaixo o que caracteriza cada uma das fases da mitose.
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Podemos ver aqui o que caracteriza cada fase da mitose. Na prófase, a carioteca se desfaz e os centríolos originam o fuso acromático, formado por �lamentos que
puxam os cromossomos na hora da divisão. Na metáfase, os cromossomos formam uma �leira no centro da célula, e �cam com seus centrômeros ligados ao fuso
acromático. Na Anáfase, os �lamentos do fuso acromático puxam os cromossomos, os seus centrômeros se partem e as cromátides são separadas. Na telófase, os
cromossomos são envolvidos pelas carioteca, que se refazem, formam-se núcleos diferentes e o citoplasma se divide, resultando em duas células.
MEIOSE
A meiose é um tipo de divisão que sóocorre com as células que vão formar os gametas. Nesse processo de divisão, as células diploides dão origem a células que tem
a metade do número de cromossomos, ou seja, células haploides, que serão os espermatozoides ou os ovócitos.
A meiose é um processo mais complicado, que acontece em dois momentos:
Meiose I - é o momento em que a célula reduz a quantidade de cromossomos a metade e, por isso, é chamada de reducional;
Meiose II - as células que já têm metade do número de cromossomos se divide novamente, dando origem a novas células que também têm metade do número de
cromossomos da célula inicial. Essa fase é chamada de equacional.
Nas duas etapas existem as fases de prófase, metáfase, anáfase e telófase, que recebem o número I ou II, de acordo com a etapa.
Veja na imagem abaixo.
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Na imagem, podemos ver algumas fases da meiose. Na prófase I, ocorre um evento chamado crossing-over, em que cromossomos do mesmo par, após parearem,
trocam segmentos, misturando o material genético dos cromossomos e aumentando a variabilidade genética. Na anáfase I, esses cromossomos homólogos se
separam e cada célula-�lha herda um cromossomo inteiro, com duas cromátides. Na meiose II, esses cromossomos seguem um processo semelhante ao que ocorre
na mitose, as cromátides se separam na anáfase II e cada célula formada, um gameta, �ca com uma das cromátides e serão células haploides, os gametas.
Saiba mais
, Antes de continuar seus estudos, clique aqui (https://www.youtube.com/watch?v=F3mjDCCW_cU) e entenda melhor esses processos de divisão celular.
AS MOLÉCULAS DE DNA E RNA E O FUNCIONAMENTO DO NÚCLEO
Como já falamos, a função do núcleo é controlar o metabolismo celular, e ele faz isso através de mecanismos que envolvem as moléculas de DNA e RNA que estão
no seu interior.
Esses mecanismos fazem parte do que chamamos de Dogma Central da Biologia Molecular.
O Dogma Central da Biologia Molecular está representado na imagem abaixo.
https://www.youtube.com/watch?v=F3mjDCCW_cU
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Na imagem, vemos os diferentes eventos que fazem parte do Dogma Central da Biologia Molecular. Ele mostra que as moléculas de DNA, através do processo de
Replicação, originam cópias delas mesmas. Quando a informação genética que está na molécula de DNA vai ser utilizada, tem-se os processos de Transcrição e
Tradução. Na Transcrição, as informações genéticas são transferidas para uma molécula de RNA que é sintetizada. Já na tradução, essa informação é utilizada para
determinar a sequência de aminoácidos de uma proteína. Essa proteína será o produto �nal de um gene. Portanto, a concretização dessa informação genética,
determinando características físicas e funcionais do organismo.
A MOLÉCULA DE DNA
As moléculas de DNA (ácido desoxirribonucleico) são encontradas no núcleo das células, mas também dentro de organelas, como as mitocôndrias e os cloroplastos.
Elas contêm todas as informações genéticas que possuímos, pois nelas encontramos os genes. Elas são formadas por duas cadeias de nucleotídeos ligadas entre si
e dispostas em espiral, como vimos na imagem anterior.
Os nucleotídeos do DNA são formados por três partes básicas:
Um carboidrato de cinco carbonos (pentose), chamado de desoxirribose;
Um radical fosfato;
Uma base nitrogenada (glossário).
Veja a estrutura de um deles abaixo.
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Estrutura de um nucleotídeo.
Na molécula de DNA, esses nucleotídeos são ligados entre si formando uma cadeia polinucleotídica. A ligação que une os nucleotídeos é chamada de ligação
fosfodiéster.
Na formação �nal da molécula, formada pelas duas cadeias dispostas em hélice, as bases nitrogenadas dos nucleotídeos se ligam entre si, través de ligações de
hidrogênio.
Essa ligação não ocorre ao acaso, uma vez que sempre a base adenina se liga à base timina, com duas ligações de hidrogênio, e a base guanina se liga à base
citosina através de três ligações de hidrogênio.
Por essa razão, dizemos que as duas cadeias do DNA são
complementares e a quantidade de timina e adenina são
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sempre as mesmas, assim como as quantidades de guanina e
citosina.
Se um determinado gene tem 35% de adenina, ele terá também 35% de timina e, consequentemente, 15% de citosina e 15% de guanina, totalizando 100% de bases
nitrogenadas.
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Na imagem, vemos a estrutura da molécula de DNA, com duas cadeias polinucleotídicas complementares. Podemos observar as bases nitrogenadas voltadas para o
interior e fazendo ligações de hidrogênio, enquanto que o esqueleto formado pela desoxirribose e o fosfato �cam voltados para fora.
A MOLÉCULA DE RNA
O RNA (ácido ribonucleico) também é formado por nucleotídeos. No entanto, por uma única cadeia.
Os nucleotídeos do RNA possuem a pentose ribose e as bases nitrogenadas presentes não são exatamente as mesmas. Ela apresenta adenina, a citosina e guanina
da mesma forma que o DNA. No entanto, a base uracila entra no lugar da timina, que é exclusiva do DNA.
Veja a imagem abaixo:
Podemos ver aqui a estrutura da molécula de RNA, sendo formada por
uma única cadeia polinucleotídica e possuindo a base nitrogenada uracila.
Existem três tipos principais de RNA, que são:
Mensageiro Ribossomal Transportador
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O RNA mensageiro contém a informação
genética, que foi transferida do DNA a partir da
transcrição.
O RNA ribossomal forma os ribossomos, a
estrutura responsável por ler a informação do
RNA mensageiro e traduzi-la em uma proteína.
Já o RNA transportador é responsável por
transportar os aminoácidos que serão utilizados
na produção da proteína, trazendo-os para o
local onde a síntese da proteína está ocorrendo
(nos ribossomos).
Atenção
, Os três estão envolvidos na expressão dos genes presentes no DNA, ou seja, na utilização da informação genética que o DNA possui.
Veja as principais diferenças entre o DNA e o RNA na tabela abaixo:
REPLICAÇÃO DO DNA
A replicação do DNA é parte do Dogma Central da Biologia Molecular. Através desse mecanismo, é feita uma cópia das moléculas de DNA que a célula possui. No
entanto, essas cópias �cam ligadas à molécula original através da estrutura que será o centrômero do cromossomo.
A célula replica o DNA toda vez que ela vai se dividir, para que no processo de divisão cada cópia migre para os extremos da célula que serão os núcleos das novas
células. Assim, todas as células do organismo possuem a mesma informação genética.
Nesse momento, as duas �tas do DNA se separam através de uma enzima chamada helicase, e cada uma das �tas serve de molde para que a enzima DNA
polimerase produza uma nova �ta.
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Ao �nal do processo, a molécula de DNA formada terá sempre uma cadeia de nucleotídeos da molécula original e uma cadeia de nucleotídeo nova. Por isso, dizemos
que a replicação é semiconservativa.
Podemos observar na imagem a replicação do DNA. As duas �tas foram
separadas e cada uma serve de molde para a produção de uma nova.
TRANSCRIÇÃO
No processo de transcrição, é produzida uma molécula de RNA. Uma enzima chamada DNA polimerase lê uma das �tas do DNA e produz essa nova molécula,
complementar a ela.
Assim, a informação genética é passada para essa molécula de RNA, que poderá sair do núcleo para conduzir a produção de uma proteína no citoplasma.
TRADUÇÃO
No processo �nal, a molécula de RNA mensageiro se liga ao ribossomo e esta faz a leitura da informação genética que ela possui.
Essa informação está expressa em códons, que é formado pela combinação de três bases nitrogenadas.
Cada códon é interpretado pelo ribossomo como um aminoácido que a proteína vai possuir. Por exemplo, se o primeiro códon do RNA é AUG, o aminoácido
metionina será o primeiro aminoácido da proteína e assim por diante.
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Existe uma tabela, chamada de Tabela do Código Genético, em que podemos ver todos os possíveis códons e os aminoácidos que eles signi�cam.
Veja a tabela a seguir.
Essa é a tabela do código genético, em que os 64 códons estão presentes e são indicados os aminoácidos que esses códons representam. Podemos ainda ver que os
códons UAA, UAG e UGA não são códons de �nalização e por isso não possuem um aminoácido correspondente.
Depois que todos os códons são lidos e os aminoácidos ligados, o ribossomo faz a leitura do códon �nal, que determina o �m da produção daquela proteína. Sendo
assim, em um gene que possui 1000 códons, como o último códon é sempre o sinal para parar a produção da proteína, esta proteína terá 999 aminoácidos.
Veja a imagem que representa a tradução.
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Podemos ver aqui o processo de tradução, com a participação dos três tipos de RNA. O ribossomo faz a leitura do RNA mensageiro e faz a ligação entre os
aminoácidos, que são trazidos pelo RNA transportador.
ATIVIDADES
1 - A membrana que delimita o núcleo celular é denominada:
Carioteca
Cromossomo
Cromatina
Nucleoplasma
Nucléolo
Justi�cativa
2 - O núcleo participa ativamente da divisão celular. Na mitose observamos que:
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Uma célula dá origem a duas células com a mesma quantidade de cromossomos e duas células com metade da quantidade de cromossomos.
Uma célula dá origem a duas com a mesma quantidade de cromossomos.
Uma célula dá origem a duas células com quantidade de cromossomos diferentes.
Uma célula dá origem a quatro células com metade da quantidade de cromossomos.
Uma célula dá origem a quatro células com a mesma quantidade de cromossomos.
Justi�cativa
3 - Os ácidos nucleicos são moléculas muito importantes para o funcionamento celular. O DNA, que contém a informação genética para todo o controle celular, e o
RNA, envolvido na expressão gênica através da síntese de proteínas, têm algumas diferenças estruturais, como, por exemplo:
A presença de duas �tas dispostas em hélice no RNA.
A presença das bases timina, uracila, guanina e citosina no DNA.
A presença do carboidrato ribose no DNA.
A presença de duas �tas dispostas em hélice no DNA.
A presença das bases timina, adenina, guanina e citosina no RNA.
Justi�cativa
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Glossário
HETEROCROMATINA CONSTITUTIVA
A heterocromatina constitutiva é a heterocromatina padrão, característica, como descremos anteriormente. E ela permanece sempre assim.
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HETEROCROMATINA FACULTATIVA
Já a heterocromatina facultativa é aquela que em um determinado momento da vida da célula pode se tornar eucromatina. Um exemplo clássico é o cromossomo X na mulher.
CARIÓTIPO
O cariótipo é um tipo de exame que se faz para avaliar os cromossomos, quanto ao número de forma
BASE NITROGENADA
A base nitrogenada é a parte variável do nucleotídeo, podendo existir 4:
Timina;
Adenina;
Guanina; e
Citosina.