Núcleo Celular

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Núcleo
Núcleo interfásico, divisão celular e controle do ciclo celular
O núcleo é a maior estrutura da célula eucarionte. Ele é envolvido pelo envoltório nuclear, que é constituído por duas unidades de membrana, ambas constituídas por bicamada lipídica onde:
· A membrana externa possui ribossomos aderidos e é contínua com o RER e o espaço intermembranas é contínuo com o lúmen do RER.
· A membrana interna está em continuidade com uma membrana chamada de lâmina nuclear;
- A lâmina nuclear é formada por proteínas do citoesqueleto (laminas nucleares) que pertencem a classe dos filamentos intermediários e são responsáveis por manter o formato do núcleo.
Complexo do poro nuclear: fusão das membranas interna e externa. É formado por uma série de proteínas e permite a passagem de macromoléculas (importação e exportação).
Nucleoplasma: líquido onde estão inseridas as estruturas do núcleo.
Material genético: principal componente do núcleo condensado na forma de cromatina. Pode estar muito condensado (heterocromatina) ou pouco condensado (eucromatina).
Nucléolo: não possui membrana de delimitação, portanto não é um compartimento. É uma região especializada que tem material genético que vai ser transcrito em RNA ribossômico.
Formato do núcleo
Os núcleos têm formatos, ocorrência e posição variados. Isso é importante para saber se a célula está exercendo sua função normal.
A lâmina nuclear numa representação esquemática e na microscopia eletrônica de varredura
Poro nuclear numa imagem de criofratura
No complexo do poro nuclear, as estruturas recebem um nome de acordo com a posição para a qual estão voltadas (para o núcleo/nucleoplasma ou para o citosol).
Ele é formado por duas estruturas em anéis: o anel citoplasmático e o anel nuclear. Esses anéis são formados por 8 subunidades de proteínas.
As fibrilas citoplasmáticas são proteínas filamentosas voltadas para o citoplasma que ajudam a reconhecer quem vai entrar no núcleo.
Subunidade colunar: emaranhado de proteínas alongadas filamentosas ligando os dois anéis.
Cesta de basquete: estruturas filamentosas (Nup) ligadas ao anel nuclear que lembram uma cesta de basquete.
Há proteínas integrais de membrana que ancoram o complexo proteico no poro nuclear, estruturas de citoesqueleto formando a lâmina nuclear e material genético em formato de cromatina.
Uma malha de proteínas alinhadas no poro central bloqueia a difusão passiva de grandes macromoléculas
 
Várias proteínas filamentosas que ligam os anéis determinam o nível de abertura do poro nuclear e bloqueiam a difusão passiva de grandes macromoléculas. 
Por exemplo, o RNAr e ribossomos que devem passar pelos poros para chegar ao citoplasma celular devem emitir um sinal para que os poros permitam sua passagem, que é feita com gasto energético. O mesmo acontece com macromoléculas que querem entrar no núcleo, como proteínas que são fatores de transcrição do DNA em RNAm.
Imagens de microscopia eletrônica de transmissão e varredura, respectivamente
Processo de importação e exportação nuclear
Proteínas destinadas ao núcleo são transportadas ativamente pelo poro nuclear
Tudo que entra no núcleo tem um sinal de localização nuclear (sequências curtas de lisinas e argininas) que NÃO é removido após a entrada da proteína no núcleo.
1 – Uma proteína é sintetizada nos polirribossomos livres e recebem um sinal de localização nuclear.
2 – O sinal é reconhecido por uma outra proteína (receptor) que permite o transporte chamada de importina (no caso de importação nuclear).
3 – A importina se liga na proteína a ser transportada e esse complexo é reconhecido pelas fibrilas citoplasmáticas.
4 – Ao interagir com as fibrilas, o poro expande e permite a passagem do complexo importina + proteína a ser transportada e sua entrada no núcleo.
5 – Dentro do núcleo, as estruturas se separam. A importina volta para o citoplasma e a proteína permanece no núcleo para sua utilização.
A energia fornecida pela hidrólise do GTP direciona o transporte nuclear
1 – Inicialmente, a importina está ligada coma GTPase monomérica (proteína Ran).
2 – Ocorre a hidrólise do GTP, e subsequente liberação de um fosfato, transformando do GTP em GDP.
3 - Agora, a Ran está como GDP ligado. Nessa conformação, a Ran se dissocia da importina. Quando acontece a dissociação, a importina permite o encaixe da proteína a ser transportada (com sinal de localização nuclear).
4 – O complexo importina + proteína a ser transportada consegue entrar dentro do núcleo.
5 – Dentro do núcleo, uma Ran com GTP ligado tem alta afinidade pela importina e se liga a ela. Consequentemente, a molécula importada se solta.O gasto energético acontece na hidrólise do GTP.
6 – O complexo Ran-GTP sai de dentro do núcleo.
Quando a Ran está ligada ao GTP, sai do núcleo. Quando a Ran está ligada a uma molécula a ser transportada, entra no núcleo.
Exportação nuclear
1 – Associação do complexo exportina + RanGTP + molécula a ser exportada (possui sinalização).
2 – O complexo promove a abertura do poro nuclear e chega ao citoplasma da célula.
3 – Uma GTPase hidrolisa o GTP, que se transforma em GDP e o complexo se separa.
4 - A exportina, sem moléculas associadas volta ao núcleo para continuar sua atividade.
DNA, cromatina e cromossomos
A vida depende da capacidade da célula de armazenar, recuperar e traduzir as informações genéticas necessárias para produzir e manter um organismo vivo.
A célula mantém, replica e expressa as informações contidas no DNA.
Transcrição: cópia da informação do DNA em RNA.
Tradução: a partir do RNA, há a síntese de proteínas.
Expressão gênica: cópia do DNA e RNAm que permite a síntese de proteínas. É uma atividade controlada pela sinalização celular; os fatores de transcrição se associam ao material genético e vão permitir ou não que determinada informação seja expressa.
Núcleo interfásico: material genético na forma de cromatina.Os cromossomos foram assim nomeados porque nas primeiras observações do processo de divisão celular observados, os cromossomos ficavam muito corados – até mesmo na microscopia de luz. O prefixo “cromo” se refere a corado.
Núcleo mitótico: material genético na forma de cromossomos.
Ou seja, os termos para referência do material genético são cromatina (ou cromossomo interfásico) na fase de interfase e cromossomo (ou cromossomo mitótico) na fase de divisão.
Estrutura e função do DNA
A fita de DNA é formada por uma sequência de açúcar e fosfato covalentemente ligados.
As fitas do DNA são antiparalelas, ou seja, uma começa com um açúcar (3’) e termina em fosfato e outra começa com um fosfato (5’). Elas estão paralelas mas em direções opostas. 
Direção da síntese: 5’ – 3’.
Por dentro, cada fita é formada por uma sequência de nucleotídeos.
Um nucleotídeo é formado por um carboidrato, um fosfato e uma base nitrogenada. Na fita, os nucleotídeos são ligados de forma complementar entre as bases nitrogenadas por pontes de hidrogênio. As pontes de hidrogênio são ligações fracas e, portanto, permitem uma maior mobilidade das fitas e a quebra dessas ligações quando há necessidade de duplicação da fita. 
Guanina – Citosina (3 pontes de hidrogênio)Transcrição de genes: cópia de uma fita de DNA para sintetizar RNA.
Adenina – Timina (2 pontes de hidrogênio)
As bases purínicas se ligam a bases pirimidínicas.
Bases purínicas (dois anéis): adenina e guanina
Bases pirimidínicas (um anel): timina e citosina
Cada molécula de DNA contém uma sequência de nucleotídeos que é exatamente complementar a sequência de nucleotídeos da base antiparalela. Esta complementaridade é crucial para cópia e reparo.
· A estrutura do DNA fornece mecanismos de hereditariedade;
· Expressão gênica (transcrição de uma fita de DNA em uma fita de RNA);
· O genoma = 3,2 x 10^9 nucleotídeos.
Para comportar toda essa quantidade de nucleotídeos no núcleo, é necessária a condensação em cromatina.
Cromatina: complexo formado pela fita dupla de DNA e proteínas histonas.
O material genético é ácido e tem carga negativa, enquanto as histonas têm carga positiva. Isso permite uma alta afinidadeentre essas proteínas e o material genético. Assim, ele se enrola nas histonas e fica compactado.
O complexo de proteína histona é formado por 8 subunidades de proteínas histônicas, portanto é chamado de octâmero de histonas.
Subunidades: 	H2A (2)	H2B (2)	H3 (2)		H4 (2)
Nucleossomo: material genético enrolado na histona.
Os nucleossomos podem ser visualizados por microscopia eletrônica
Fita de 30 nm						Fita de 10nm
O empacotamento do material genético ocorre em múltiplos níveis
O grau de compactação máximo é obtido nos cromossomos mitóticos. Neles, além da compactação, o material genético também se associa a algumas proteínas condensinas.
Dependendo da forma de como o material genético está condensado, há diferenças na capacidade de acesso às informações. Então, quando há uma expressão dos genes ou cópia de informação do DNA em RNAm, é necessário o uso de um material mais descompactado.
Quanto mais condensado, mais heterocromático (escuro).
Os cromossomos em interfase contêm a cromatina tanto na forma condensada quanto na forma estendida
1 – Núcleo majoritariamente heterocromático. O material extremamente condensado está presente apenas como armazenamento de informações.
2 – Núcleo eucromático. As regiões de cromatina descondensada conseguem expressar os genes. Essa célula tem muito mais capacidade de transcrever DNA em RNAm e o nucléolo fica muito evidente.
Heterocromatina constitutiva: locais dos cromossomos em que o material genético sempre estará na forma de heterocromatina. Ou seja, é um material genético que nunca será transcrito em RNAm. Isso acontece nos centrômeros e telômeros.
Heterocromatina facultativa: a cromatina pode estar condensada em um momento e descondensada em outro. Exemplo: cromossomos sexuais femininos e neutrófilos, onde se forma uma protuberância (corpúsculo de Barr) próxima ao núcleo que representa um dos cromossomos X condensado. Portanto, na microscopia óptica, num esfregaço sanguíneo, é possível determinar o sexo do bebê de acordo com a presença ou ausência desse corpúsculo – só presente no sexo feminino.
Nucléolo
Nucléolo: região onde há parte do material genético que será transcrito em RNAr.
Montagem dos ribossomos: após a transcrição em RNAr, ele se associa a proteínas ribossomais para produzir as subunidades dos ribossomos.
Portanto, no nucléolo ocorre a produção e montagem dos ribossomos que posteriormente migrarão para o citoplasma.
Na microscopia eletrônica é possível perceber que o nucléolo não é uniforme. Ele possui regiões mais claras e escuras.
Centro fibrilar: região mais eletronlúcida. Contém DNAr que ainda não foi transcrito em RNAr + proteínas com ação enzimática.
Componente fibrilar denso: região mais eletrodensa que contorna o centro fibrilar. Contém RNAr que acabou de ser transcrito + enzimas de pós processamento.
Componente granular: subunidades dos ribossomos que já foram montadas.
Síntese de RNAr e montagem das subunidades ribossômicas
1 – Centro fibrilar com DNAr e proteínas enzimáticas que vão modificar o DNA a fim de transcrevê-lo.
2 – No componente fibrilar denso há RNAr que acabou de ser transcrito, enquanto enzimas atuam no processo de modificação pós transcricional.
3 – No componente granular há as subunidades dos ribossomos recém montadas. O RNAr é associado com proteínas de diferentes pesos moleculares e, consequentemente, há a produção de unidades ribossomais de diferentes tamanhos.
4 – As subunidades ribossomais saem do núcleo pelo poro nuclear.
Ciclo celular
As células alternam entre um estado de interfase e mitose
Na interfase, acontece uma preparação para a divisão celular. É a fase em que a célula duplica o material genético e conteúdo citoplasmático, além de transcrever os genes para poder produzir proteínas. É necessário que haja a duplicação de todo o material da célula para que as células não diminuam de tamanho ao longo das divisões celulares.
A mitose compreende a divisão do conteúdo do núcleo. Juntamente com ela, acontece também uma etapa chamada de citocinese, que é a divisão do citoplasma.
A interfase é dividida em etapas: G1, fase S e G2.A Letra G das fases da interfase fazem referência à palavra “gap”, ou seja, “intervalos” antes e depois da duplicação do material genético. Achava-se que nessas fases, a célula estaria em estado de descanso.
G1: ocorre um processo de sinalização onde ela verifica se a célula pode entrar em um processo de divisão celular. Verifica se o ambiente é favorável, se tem nutrientes, se não há erros no material genético, entre outras coisas. Se tudo estiver certo, a célula entra na fase S da interfase.
Fase S: ocorre a duplicação do conteúdo nuclear. A partir desse estágio há um comprometimento com a divisão celular, já que não é possível que uma célula sobreviva com o material genético duplicado. A outra opção é a apoptose.
G2: ocorrem novas verificações. Se tudo estiver certo, a célula segue para a fase de mitose.
Na mitose ocorrem eventos que são curtos, rápidos e de duração parecida em todas as células. Quando nota-se diferenças no tempo do ciclo celular, o que varia é a duração da interfase.
Classificação das células quanto às variações no tempo de proliferação
· Células que dividem continuamente
- Células embrionárias
- Células em processo de renovação rápida
· Células que se dividem na presença de estímulos
- Hepatócitos
- Fibroblastos da pele
- Células renais
 - Células do músculo liso
- Células do pâncreas
- Células do ovário
- Células do pulmão
- Células endoteliais
- Células da glândula adrenal
- Células ósseas
· Células terminalmente diferenciadas
- Neurônios
- Células do músculo estriado esquelético e cardíaco
Alguns eventos marcantes da mitose podem ser observados até mesmo na microscopia óptica. São eles:
- Prófase
- Metáfase
- Anáfase: há o início do processo de citocinese.
- Telófase: ao final da telófase há o término da divisão do material genético e do citoplasma.
Uma etapa não começa antes do término da outra. O corpo desenvolveu mecanismos para que o processo mitótico ocorra de forma cíclica.
A interfase é responsável pela maior parte do processo de divisão celular
Um sistema de controle do ciclo celular aciona os principais processos do ciclo celular
Esse controle celular é feito através de processos de sinalização celular. Ele garante que os eventos do ciclo celular ocorram em sequência. Isso acontece com a ativação de proteínas pela ação de quinases (proteínas que fosforilam outras, ativando-as).
Complexo ciclina e Cdk
As ciclinas são proteínas produzidas de forma cíclica. Na fase G1 há a produção de proteína ciclinas da fase G1 e quando a célula avança de fase, essas proteínas são degradadas. Na próxima fase, também há a produção de suas proteínas ciclinas específicas.
As ciclinas ativam Cdks (quinases dependentes de ciclinas).
As Cdks fosforilam proteínas para tornar as fases celulares ativas.
Exemplo: ciclinas G1 ativam Cdks G1 que fosforilam proteínas necessárias para a etapa G1 do ciclo celular.
As proteínas devem ser ativadas para que migrem para os locais corretos e exerçam suas funções. Para isso, deve-se produzir novos componentes para a célula em crescimento e atrair esses componentes para locais corretos da célula a partir da ação sob o citoesqueleto.
O sistema de controle ativa e desativa a maquinaria do ciclo celular no momento adequado.
Freios moleculares: proteínas que inibem Cdks podem interromper o ciclo celular em pontos de verificação específicos
A célula pode ficar estacionada em G0 caso seja detectado algum problema que exija reparo, portanto não segue para a fase S. Isso acontece pela ação de proteínas que impedem a ativação das Cdks.
Os neurônios e células do músculo estriado esquelético e cardíaco não conseguem se dividir porque estão sempre na fase G0. Isso acontece porque elas não têm uma Cdks que permita o acionamento de uma etapa importante do ciclo celular ou porque essas Cdks estão constantemente inibidas e as proteínas de inibição não podem ser removidas.
Cdks distintas se associam a diferentesciclinas para acionar os eventos do ciclo celular
1 – Cdks que fosforilam as condensinas que condensam o material genético.
2 – Cdks fosforilam as laminas que rompem o envoltório nuclear, já que o citoesqueleto (citoplasma) deve interagir com o material genético (núcleo).
Ubiquitinação: adição de proteínas ubiquitinas à proteína cinase para que ela seja destruída no proteassoma e interrompa a fase, já que as quinases ficam inativas.
Complexo ciclina-Cdk no sistema de controle do ciclo celular
1 – Há o começo da produção de ciclinas da fase G1, até alcançar um nível de ativação das Cdks da fase G1.
2 – A fase G1 se inicia. A partir de um momento, acontece a degradação das Cdks da fase G1 e a fase termina.
3 – A produção de S ciclinas atinge um nível que ativa as Cdks S e essa fase se inicia.
4 – As Cdks S são degradadas e a fase S termina.
5 – As ciclinas M começam a ser produzidas na fase G2 e atinge seu pico em M, ativando as Cdks M e, iniciando-se, assim, essa fase.
6 – Na fase de anáfase da mitose as Cdks M são degradadas.
Maquinaria envolvida no processo de divisão celular
O material genético duplicado forma as cromátides irmãs (duas fitas de material genético idêntico). 
Os anéis de coesinas ajudam a manter unidas as cromátides-irmãs de cada cromossomo replicado até o momento da separação delas.
As condensinas ajudam a configurar os cromossomos duplicados para a separação. Elas fazem com que o material genético fique mais condensado para que ele não sofra danos no momento de separação do material genético.
M-Cdk aciona a condensação dos cromossomos, preparando-os para a segregação.
O citoesqueleto participa da mitose e da citocinese
M-Cdk induz a montagem do fuso mitótico que separa os cromossomos condensados e os segrega para as células filhas.
Microtúbulos (mitose)					Actina (citocinese)
Ciclo celular
A fase M é convencionalmente dividida em seis etapas
Interfase: 
- Duplicação do material genético e do conteúdo citoplasmático. Por isso, a célula aumenta de tamanho.
- O material genético está disperso em forma de cromatina.
- O nucléolo é muito evidente.
Prófase: 
- Formação do fuso mitótico pela organização de centríolos e microtúbulos (estruturas de citoesqueleto).
- Condensação do material genético na forma de cromossomos mitóticos.
- O envoltório nuclear ainda está presente, logo, as fibras do fuso não conseguem se associar com o material genético.
- O nucléolo deixa de ser evidente.
Prometáfase:
- O envelope nuclear se desorganiza devido a fosforilação das proteínas laminas e isso possibilita que as fibras do fuso mitótico se liguem ao material genético.
Metáfase:
- O material genético fica ligado pelas fibras do fuso mitótico nas extremidades e alinhado na região equatorial, formando a placa metafásica. 
- Os anéis de coesina ainda estão presentes, mantendo as estruturas dos cromossomos unidas.
Anáfase:
- Ruptura dos anéis de coesina e, com isso, as cromátides irmãs são separadas; cada uma é puxada para uma extremidade da célula pelo encurtamento do fuso.
- Começo da citocinese (divisão citoplasmática).
Telófase:As proteínas que fazem parte do núcleo não perdem o sinal de localização nuclear para serem corretamente organizadas no processo de reorganização nuclear.
- Conclusão da separação das cromátides.
- Reorganização do envoltório nuclear e seus constituintes.
- Progressão e conclusão da citocinese.
- As cromátides descondensam, voltando o material genético para o estado de cromatina.
Citocinese:
- Separação do material citoplasmático entre as duas células filhas.
- O plano de clivagem e o momento da citocinese são determinados pelo fuso mitótico: o sulco ocorre invariavelmente no plano perpendicular ao eixo maior do fuso mitótico.
- O anel contrátil é formado por actina e miosina e sua contração é que efetivamente separas as novas células.
- Depois dessa etapa, duas novas células filhas estarão em interfase novamente, podendo se preparar para uma nova divisão celular.
Microscopia de fluorescência