Texto 7 – Organização do Núcleo interfásico

1. Iniciando a Conversa

Os objetivos específicos deste Tema são:

• Compreender a estrutura do núcleo interfásico, em especial a organização do DNA;
• Compreender o processamento do RNA ribossômico e identificar a importância do nucléolo nesse mecanismo.

Iniciaremos, agora, um novo universo no interior da célula. Deixaremos o citoplasma para tentar entender o núcleo celular, uma das principais características das células eucarióticas. Nele, está contido uma enorme biblioteca na forma de DNA, com as informações necessárias para recriar um organismo inteiro. Como organizar tanta informação?

Assim como ocorre no citoplasma, o núcleo interfásico (de uma célula que não entrou em seu ciclo de divisão) é extremamente organizado e de modo bastante eficiente.

Ao final desta aula, ainda entenderemos como são produzidos os ribossomos, tão importantes para a produção das multifuncionais proteínas.

Bons estudos!

2. O núcleo interfásico

Como visto anteriormente, uma das características mais marcantes das células eucarióticas é a presença de um núcleo, que, juntamente com o citossol, constitui um dos dois maiores compartimentos da célula animal (Fig. 1). O núcleo engloba uma gama ampla de macromoléculas, que incluem diversas classes de RNAs, o próprio DNA, o qual se encontra dividido em unidades morfofuncionais características - os cromossomos - e proteínas das mais diversas. Parte das proteínas está diretamente associada às moléculas de DNA, sendo fundamentais nos processos funcionais e de compactação dessa molécula, como veremos mais adiante.

Figura 1: Micrografia eletrônica de uma célula de pâncreas exócrino mostrando o núcleo de uma célula interfásica (N), com um nucléolo bem evidente (Nu). Note a presença de regiões de cromatina mais condensadas (heterocromatina) e menos condensadas (eucromatina).

Fonte: Original

3. A estrutura do núcleo interfásico

O núcleo é delimitado pelo envoltório nuclear ou carioteca, que consiste em uma dupla membrana concêntrica oriunda de um domínio especializado do retículo endoplasmático (Fig. 2).

Figura 2: Esquema geral do núcleo interfásico evidenciando o envoltório nuclear com os complexos poro nucleares, a lâmina nuclear e demais estruturas. O núcleo encontra-se associado a elementos do citoesqueleto citoplasmático, principalmente a filamentos intermediários.

Fonte: ALBERTS, B.; BRAY, O.; HOPKIN, K., JOHNSON A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. Fundamentos da Biologia Celular. 2a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2006.

Em sua face externa, são encontrados ribossomos associados à membrana, assim como a porção granular do retículo endoplasmático, sendo, portanto, responsável por uma parcela da produção protéica da célula. Sua face interna é revestida por uma rede de proteínas formada por uma classe de filamentos intermediários (presentes, em geral, no citoesqueleto citoplasmático) denominada lâmina nuclear.

Esta estrutura dá suporte ao envoltório nuclear e interage com os cromossomos que estão no interior do núcleo, determinando, assim, seu posicionamento. A comunicação entre o interior do núcleo e o citoplasma ocorre por intermédio dos chamados complexos poro nucleares (Fig.3).

Figura 3: Esquema mostrando um detalhe da face interna do envoltório nuclear. Note a presença da lâmina nuclear que interage com a cromatina. A micrografia eletrônica à direita exibe uma visão frontal da disposição dos filamentos intermediários que compõem a lâmina nuclear.

Fonte: ALBERTS, B.; BRAY, O.; HOPKIN, K., JOHNSON A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. Fundamentos da Biologia Celular. 2a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2006.

Esta estrutura dá suporte ao envoltório nuclear e interage com os cromossomos que estão no interior do núcleo, determinando, assim, seu posicionamento. A comunicação entre o interior do núcleo e o citoplasma ocorre por intermédio dos chamados complexos poro nucleares (Fig. 4).

Figura 4: Visão geral esquemática de um envoltório nuclear (A) e detalhe da arquitetura dos complexos poro nucleares (B). Imagem de microscopia eletrônica da região dos complexos poro nucleares (C).

Fonte: ALBERTS, B.; BRAY, O.; HOPKIN, K., JOHNSON A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. Fundamentos da Biologia Celular. 2a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2006.

Tais complexos são formados por diversas subunidades e filamentos protéicos que garantem um controle rígido de entrada e saída de macromoléculas do núcleo. Moléculas solúveis e de pequeno porte são capazes de passar livremente pelo canal do complexo. Contudo, moléculas de grande porte, como as várias formas de RNAs, dos quais falaremos mais adiante, têm seu transporte mediado a partir de sinais específicos encontrados na própria molécula a ser transportada e que são reconhecidos pelo complexo.

Uma vez reconhecidos esse sinais, ocorre uma alteração estrutural no canal do complexo que resulta no aumento do seu diâmetro permitindo, assim, a passagem de moléculas de grande porte entre o núcleo e o citoplasma, incluindo, por exemplo, a exportação das subunidades ribossômicas.

4. Organização do DNA no núcleo

Como vimos anteriormente, o DNA não se encontra livre no interior do núcleo, mas sim associado a diversas proteínas, sendo algumas delas intimamente ligadas à própria estrutura da molécula. Este complexo DNA-proteínas é denominado de cromatina. As principais proteínas associadas ao DNA e que têm uma função eminentemente estrutural são as histonas, que atuam no processo de compactação da cromatina. Para se ter uma idéia do nível de compactação do DNA no núcleo, se enfileirássemos todos os 46 cromossomos de uma única célula humana, teríamos um filamento de cerca de 2 metros de comprimento, que, por sua vez, está compactado em uma esfera (o núcleo celular) de, aproximadamente, 5µm de diâmetro (1µm = 10-6 metros). Seria equivalente a compactar 40 km de um fio extremamente fino em uma bola de tênis!

Veja a animação disponível no link: , que apresenta a compactação do DNA até a formação de cromossomos.

As histonas são encontradas associadas à molécula de DNA na forma de octâmeros. Cada octâmero é composto por duas histonas de quatro tipos diferentes (denominadas de H2A, H2B, H3 E H4) e, ao seu redor, ocorre o enrolamento de aproximadamente 146 pares de bases da molécula de DNA, formando 1,65 de volta (portanto, menos de 2 voltas completas). Entre os octâmeros existe um curto segmento de DNA, com cerca de 80 pares de bases de comprimento, chamado de DNA de ligação. O octâmero com o filamento de DNA envolvente foi denominado nucleossomo, unidade estrutural da cromatina que se repete periodicamente a cada aproximadamente 200 pares de bases ao longo de toda a fita de DNA (Fig. 5).

Figura 5: Detalhe esquemático da organização de um nucleossomo formado por um octâmenro de histonas, associado à histona H1. Note que a molécula de DNA se enrola em torna desta estrutura.

Fonte: COOPER, G.M. & HAUSMAN, R.E. - A Célula. Uma abordagem molecular. 3a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2007.

Este arranjo reduz em quase um terço o tamanho total da molécula de DNA, constituindo o primeiro nível de compactação da cromatina. O segundo nível de compactação se dá pela associação aos nucleossomos de um outro tipo de histona não presente no octâmero, a histona H1. Associando-se à cromatina já em seu primeiro nível de compactação, a forte afinidade desta histona H1 por ela mesma garante que a molécula de DNA, já compactada, sofra uma nova alteração espacial, levando a uma organização dos nucleossomos na forma de um arranjo regular, cujo resultado é uma estrutura com a conformação de um solenóide, similar a uma espiral (ou em zigue-zague), da cromatina, formando a fibrila de 30 nm de diâmetro (Fig. 6).

Figura 6: Associação dos nucleossomos mediada pela histona H1, formando, no caso, um solenóide com diâmetro de 30 nm, correspondendo ao segundo nível de compactação da cromatina.

Fonte: COOPER, G.M. & HAUSMAN, R.E. - A Célula. Uma abordagem molecular. 3a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2007.

Embora ainda não haja consenso sobre como está organizada a fibrila de 30 nm, o modelo em zig-zag parece ser mais consistente. A fibrila de 30 nm uma vez formada se associa a um arcabouço protéico e, devido a sua interação ser restrita apenas a pequenas regiões desse arcabouço, forma-se uma estrutura na forma de alças livres de cromatina compactada ao nível da fibrila de 30nm de diâmetro, estabelecendo-se, assim, o terceiro nível de compactação da cromatina, a fibrila de 300 nm de diâmetro. Em uma célula interfásica, os cromossomos estão organizados nesse terceiro nível de compactação, alcançando seu máximo empacotamento apenas durante um curto período durante a divisão celular.

Figura 7: Esquema geral mostrando os diferentes níveis de compactação da cromatina, desde a molécula de DNA (A), passando pelo nível dos nucleossomos (B), do solenóide (C) até o nível das alças (D). O nível superior (E - F) corresponde a um cromossomo metafásico altamente condensado em uma célula em divisão.

Fonte: LODISH, H, BERK, A., MATSUDAIRA, P., KAISER C.A., KRIEGER M., SCOTT M.P., ZIPURSKY, S.L. & DARNELL, J. Biologia Celular e Molecular. 5a edição. Porto Alegre, Artmed, 2005.

Assista ao vídeo que exibe a compactação do DNA.

A compactação dos cromossomos, entretanto, não é uniforme em um mesmo cromossomo. De modo geral, as regiões nos cromossomos que possuem genes sendo expressos estão mais relaxadas, enquanto aquelas nas quais os genes são inativos ou que não possuem genes estão mais compactadas. Assim sendo, o padrão de compactação dos cromossomos difere com o estado funcional da célula e entre um tipo celular e outro, pois depende de quais genes estão sendo expressos naquele momento. As regiões mais relaxadas são chamadas de eucromatina e as mais condensadas de heterocromatina.

5. O nucléolo e o processamento do RNA ribossômico

No interior do núcleo interfásico observa-se a presença de regiões altamente especializadas dentre as quais a mais importante delas é o nucléolo, responsável pela produção das subunidades ribossômicas que compõem a maquinaria de síntese protéica de toda a célula (Fig. 1). O nucléolo corresponde a uma massa com uma densidade e aspecto característicos no interior do núcleo e é composta por um agregado de macromoléculas, que incluem os genes responsáveis pela produção do RNA ribossômico (RNAr) de 45S (S de Svedberg é uma unidade que expressa a densidade da molécula), precursor dos RNAr de 5,8S, 18S e 28S. Um quarto tipo de RNAr (5S) é produzido em outra região e, posteriormente agregado aos demais no nucléolo (Fig. 8).

Figura 8: Esquema exibindo o fenômeno de processamento do RNA ribossômico de 45S na formação dos RNAs ribossômicos de 18, 5,8 e 28 S.

Fonte: ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. Molecular Biology of the Cell. 5th Edition, New York, Garland, 2008.

Estes RNAr são então complexados com dezenas de proteínas que vêm do citoplasma através dos complexos poro nucleares, formando as duas subunidades ribossômicas, de 40 e 60S. Estas sub-unidades são transportadas para o citoplasma pelos complexos poro-nucleares, onde se unem formando um ribossomos maduro e funcional de 80S (Fig. 9).

Figura 9: Desenho esquemático da formação das sub-unidades ribossomais a partir da complexação dos diferentes RNAs ribossômicos com proteínas sintetizadas no citossol.

Fonte: ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. - Molecular Biology of the Cell. 5th Edition, New York, Garland, 2008.

Diferentes cromossomos atuam na formação do nucléolo e na produção de ribossomos. A região específica do cromossomo associada ao nucléolo é chamada de região organizadora do nucléolo (RON). Os genes para produção de RNAr de 45S estão presentes em múltiplas cópias e em sequência na RON, de modo a otimizar a produção de ribossomos, implicando numa intensa atividade desta região o que a torna menos condensada (Fig. 10).

Figura 10: Diagrama geral exibindo as várias etapas de formação dos ribossomos.

Fonte: ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. - Molecular Biology of the Cell. 5th Edition, New York, Garland, 2008.

Como mencionado anteriormente, os RNAm dos eucariotos podem ser processados após a transcrição, em um fenômeno conhecido como splicing, que consiste na retirada de determinadas regiões, denominadas introns, as quais, de forma geral, não são traduzidas. Os segmentos que restaram, os exons, formam uma fita de RNA funcional, que será traduzida e resultará na produção de uma proteína. No caso do RNAr 45S, a ocorrência do splicing dará origem aos três diferentes tipos de RNAr, os RNAr de 18S, 28S e 5.8S, que, no caso, não são traduzidos (Fig. 8).

6. Bibiografia

ALBERTS, B.; BRAY, O.; HOPKIN, K., JOHNSON A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. Fundamentos da Biologia Celular. 2a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2006.

ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K. & WALTER, P. - Molecular Biology of the Cell. 5th Edition, New York, Garland, 2008.

COOPER, G.M. & HAUSMAN, R.E. - A Célula. Uma abordagem molecular. 3a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2007.’

LODISH, H, BERK, A., MATSUDAIRA, P., KAISER C.A., KRIEGER M., SCOTT M.P., ZIPURSKY, S.L. & DARNELL, J. Biologia Celular e Molecular. 5a edição. Porto Alegre, Artmed, 2005.

7. Mãos à obra

Atividade 1

No tópico anterior, tivemos nosso primeiro contato com mapas de conceitos e completamos um mapa simples.

Na presente atividade, retomamos a proposta, porém analisando um mapa de conceitos mais complexo sobre “Organização do DNA no núcleo”. Veja que, diferentemente do que ocorreu no tópico anterior, apresentamos uma lista de quinze conceitos. Dez deles devem ser utilizados para completar as dez lacunas do mapa apresentado abaixo.

Clique aqui para visualizar o mapa a ser completado.

Conceitos que podem ser utilizados:

Alça

Compactação

Cromatina

Cromossomo

Eucromatina

Envoltório nuclear

Heterocromatina

Histonas

Íntrons

Mitocôndria

Nucléolo

Nucleossomo

Ribossomo

Solenóide

Transcrição

Envie uma lista com os números e os conceitos correspondentes.

Bom Trabalho!

8. Ampliando os conhecimentos

Assista aos vídeos indicados abaixo:

1. Animação geral sobre o núcleo
(geral núcleo)

2. Animação que permite especificamente a visualização complexo do poro

3. Detalhe da estrutura do ribossomo