Núcleo

Autor: Carla Lopes. Ver página autores.
Última edição: Pathologika, 5 de Março de 2016
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Invólucro nuclear

O núcleo não é delimitado por uma membrana simples. A membrana que envolve o núcleo designa-se invólucro nuclear e é constituída por duas membranas: a membrana nuclear externa, em relação com o citoplasma e a membrana nuclear interna, em relação com o nucleoplasma. Estas duas membranas delimitam um espaço, a cisterna perinuclear que se comunica com as cisternas do retículo endoplasmático rugoso (RER).
A membrana externa tem associados ribossomas à sua face externa e comunica-se com o RER.
A membrana interna é constituída por inúmeros filamentos que se unem à cromatina e a outras estruturas que intervem no controlo do diâmetro da matriz nucleoplasmática dos poros nucleares.

O invólucro nuclear é perfurado por milhares de poros nucleares (3-40 poros / micra2), que permitem a passagem de macromoléculas (exemplo, mRNA e rRNA) sintetizadas no núcleo para o citoplasma, assim como a passagem de proteínas do citoplasma para o núcleo (dado que a síntese de proteínas ocorre exclusivamente no citoplasma).

O número de poros é variável de célula para célula e na mesma célula podem aumentar ou diminuir em função da actividade metabólica nuclear. Cada poro é constituído por oito subunidades proteicas, dispostas em forma cilindrica, que atravessam o invólucro nuclear.

Curiosidade

Ao microscópio óptico, o núcleo é redondo a oval, com 1 – 3 micra de diâmetro.

A localização do núcleo na célula, depende fundamentalmente do tipo de célula. Nos leucócitos, por exemplo, o núcleo tem uma posição central. Nas células colunares, pode ser visualizado perto da superfície basal, enquanto que nas células musculares esqueléticas pode ser visualizo mais à periferia.

Por norma, as células contem apenas um núcleo. No entanto, as células hepáticas e cardíacas podem ser bi-nucleadas enquanto que as células do músculo esquelético e os osteoblastos podem ser multinucleadas.

Pela ausência de núcleo nos eritócitos, estas células não efectuam síntese proteíca, não se dividem e têm actividade metabólica limitada.

Em média, uma célula a sintetizar DNA necessita importar do citoplasma cerca de 106 moléculas de histonas a cada 3 minutos (por minuto, 100 moléculas por cada poro nuclear), enquanto que a transferência de rRNA (do núcleo para o citoplasma) é de 3 por poro e por minuto.

Cromatina e cromossomas

As fibras de cromatina têm cerca de 20 nm de diâmetro e são constituídas por uma dupla hélice de ácido desoxirribonucleico (DNA) que se encontra associado a histonas (proteínas básicas) e proteínas não histónicas.

No núcleo das células eucariotas são encontrados dois tipos de cromatina, que se distinguem pelo seu grau de condensação e pela actividade de transcrição do mRNA: a eucromatina e a heterocromatina.

A eucromatina (ou cromatina activa) encontra-se descondensada (sendo por este motivo ligeiramente basofílica) e corresponde às regiões do genoma que efectuam transcrição de mRNA. Deste modo, a quantidade de eucromatina, geralmente associada a um grande nucléolo, pode ser usada como um indicador da actividade metabólica da célula.
A eucromatina como se encontra descondensada, torna-se mais sensível à acção da DNase.

A heterocromatina mantém-se condensada durante todo o ciclo celular, sendo relativamente inactiva metabolicamente. Por este motivo é visível no núcleo em interfase (fase de não-divisão celular) e é extremamente basofílica. Uma célula com grande concentração de heterocromatina, indica uma baixa actividade metabólica (quanto menor a actividade metabólica, maior a basofilia celular e menor o nucléolo).

Existem dois tipos de heterocromatina

A heterocromatina constitutiva consiste de sequências altamente repetitivas de DNA, ou seja, repetições simples de bases azotadas que geralmente estão localizadas em volta dos centrómeros de todos os cromossomas e na extremidade distal do cromossoma Y. Não existem genes transcritos localizados na heterocromatina constitutiva, o que explica o facto de que variações nas regiões do cromossoma de heterocromatina constitutiva aparentemente não têm nenhum efeito sobre o fenótipo. A sua função é a regulação do “crossig-over” (passagem de genes de um cromatídeo para o outro durante a divisão celular).

A heterocromatina facultativa está condensada em diferentes regiões do genoma e em cada tipo celular do indivíduo. Um dos cromossomas X de cada célula feminina é inactivado aleatoriamente numa fase precoce do desenvolvimento embrionário. O X inactivado, também designado de corpúsculo de Barr, é um bom exemplo de heterocromatina facultativa. O cromossoma X mantém o seu estado de inactivação durante todas as gerações que derivam dessa célula e é replicado tardiamente durante a fase de síntese (S) do ciclo celular. Acredita-se que participa na regulação da função genética.

A heterocromatina está localizada ao longo da membrana interna do invólucro nuclear, assim como ao longo do nucléolo (cromatina perinucleolar), enquanto que a eucromatina se situa fundamentalmente na matriz nuclear.
A cromatina, é por sua vez organizada em subunidades denominadas nucleossomas. Cada nucleossoma é composto por 8 histonas, duas de cada um dos tipos H3, H4, H2A e H2B, à volta do qual o DNA se enrola em duas voltas estabilizadas pela histona H1.
O comprimento do DNA nucleossomal é o correspondente a 146 pares de bases nucleotídicas e em cada nucleossoma o DNA é compactado 6 a 8 vezes.

O nucleossoma é considerado o primeiro nível de compactação do DNA e dá origem a uma fibra de cromatina com 10 nm. O nível seguinte consiste na condensação dos nucleossomas, em número de 6, formando uma fibra com 20-30 nm de diâmetro, o solenóide, e que origina uma compactação adicional de 10 vezes. O solenóide, por sua vez, enrola-se sobre si próprio (em ansas) dando origem a uma fibra de 200-300 nm, que constitui o cromatídeo. O diâmetro do cromatídeo é dependente do grau de compactação daquelas ansas.

O cromossoma é constituído por dois cromatídeos irmãos, cada um dos quais composto por uma dupla hélice de DNA, centrómero e telómeros e são divididos em autossomas (cromossomas não sexuais) e heterocromossomas (cromossomas sexuais).

O número de cromossomas é característico de cada espécie e a sua organização em grupos constitui o cariótipo.

Dos 46 cromossomas numa célula somática humana normal, 44 são autossomas e 2 são heterocromossomas. Os autossomas são designados como pares de 1 a 22 e os heterocromossomas na mulher são XX e no homem são XY.

O cariótipo é organizado de acordo com o tamanho do cromossoma e a posição do centrómero de cada par de cromossomas, de forma descendente.

Quando a posição do centrómero é central, classificam-se como metacêntricos. À medida que o centrómero se desloca para os extremos (ou para os telómeros) dando origem a braços desiguais, os cromossomas são classificados como submetacêntricos, acrocêntricos ou telocêntricos. Os cromossomas telocêntricos não fazem parte do genoma humano normal.

Os cromossomas acrocêntricos (13, 14, 15, 21 e 22) são particularmente importantes, dado que nos seus braços curtos se encontram as regiões NOR’s, ou seja, regiões onde se situam genes que codificam as subunidades 5,8S, 18S e 28S do RNA ribossomal (rRNA). Por este motivo, são também chamados de cromossomas nucleolares.

O centrómero “CEN” divide um cromossoma num braço curto “p” (a partir do petit francês) e num braço longo ou “q”.

O centrómero é composto por duas porções. A porção do centrómero situada entre a sua média e a primeira banda no braço curto é designado como “p10″. Da mesma forma, a porção do centrómero situada entre a sua média e a primeira banda no braço longo é designado como “q10″.

Telómeros

Cada braço do cromossoma tem uma região terminal “ter” (“pter” e “qter”) onde se localizam os telómeros. Os telómeros são estruturas constituídas por sequências repetitivas de proteínas e DNA não codificante que formam as extremidades dos cromossomas e são fundamentais para a manutenção da integridade do material genético, funcionando como uma capa protetora.

Nos telómeros não ocorre activação das vias de reparação do DNA nem activação das vias de checkpoint de danos do DNA. Deste modo, evitam que as extremidades de diferentes cromossomas se unam e impedem que proteínas degradem o DNA.

Essas proteínas, na falta desses terminais teloméricos, reconheceriam o material cromossómico como DNA danificado. Portanto, uma célula que se mantém íntegra por muito tempo, mantém necessariamente os seus telómeros activos durante esse tempo.

A importância dos telómeros na manutenção do bom funcionamento das actividades da célula permite relacioná-los diretamente com os processos de envelhecimento e morte celular.

Essa relação existe porque os telómeros, a cada divisão, são encurtados em função de falhas no processo de replicação do DNA. Para que a duplicação possa ser iniciada é necessária a introdução do primer de RNA, para que, a partir desse primer a DNA polimerase faça a replicação.

Porém, numa das cadeias do DNA esse primer nunca é adicionado na região telomérica, e portanto esta nunca é duplicada, provocando o encurtamento dos telómeros. Após uma certa quantidade de divisões, os telómeros chegam a um tamanho tal que não são mais capazes de cumprir as suas funções e o material genético perde a sua principal protecção e entra em colapso. Como defesa a esse fenómeno, existe a enzima telomerase, que produz sequências teloméricas.

A actividade da telomerase tem influência crucial no tipo das células.

Por exemplo, células germinativas, que se replicam a vida toda, possuem a actividade da telomerase sempre alta e portanto os seus telómeros não se encurtam e essas células não morrem.

Já em células somáticas não tumorais, a telomerase tem actividade moderada a baixa, o que permite que os telómeros se encurtem e provoquem a morte celular.

Já nas células tumorais, após algumas divisões, a célula adquire capacidade para que a telomerase tenha alta actividade. Isto permite que estas células se comportem como células germinativas e se multipliquem de forma descontrolada, caracterizando a formação de um tumor.

Sabia que...
No núcleo de uma célula humana existem cerca de 6×109 pares de bases de DNA, que medem aproximadamente 2 metros de comprimento.

A designação de heterocromatina derivou de “heterocromossoma”, nome que se referia aos cromossomas sexuais. Era um termo geral que designava cromossomas ou segmentos cromossómicos que mantinham o mesmo grau de condensação durante todo o ciclo celular.

As células em que o núcleo é pequeno e cora intensamente (por exemplo os fibroblastos e algumas células sanguíneas) diz-se que têm núcleos hipercromáticos e extremamente basófilos. Por outro lado, células com núcleos grandes e fracamente corados (por exemplo as células nervosas e hepáticas), diz-se que têm núcleo vesicular.

Nas células em apoptose, em que a heterocromatina está extremamente condensada e os núcleos são muito pequenos, diz-se que têm núcleo picnótico.

A cromatina sexual encontrada na mulher, é constituída por um cromossoma X inactivo.

Nas células do epitélio bucal, a cromatina sexual aparece sob a forma de um pequeno grânulo denso, por norma adjacente à membrana nuclear, que pode ser usada para verificar o sexo genético.

Nucléolo

O nucléolo é a fábrica para a produção de ribossomas. Pelas suas características e funções, e dependendo da fase do ciclo celular, este organelo aumenta e diminui de volume, e pode mesmo estar temporariamente ausente (metafase e anafase da fase M do ciclo).
Os nucléolos são classificados de acordo com a sua morfologia e a distribuição dos seus principais componentes:

  • Componente fibrilar denso – constituido por rRNA (RNA ribossómico) com 5 nm de diâmetro. Admite-se que o aspecto fibrilar ou granular do nucléolo depende essencialmente do grau de maturação dos ribossomas.
  • Componente granular – formado essencialmente por grânulos de rRNA com 12 a 15 nm de diâmetro.
  • Centro fibrilar e cromatina – formado essencialmente por filamentos de rDNA (DNA ribossómico). Estes filamentos integram a cromatina perinucleolar que está em continuidade com o rDNA e constituem a região organizadora nucleolar, ou NOR (Nucleolar Organizer Region). O NOR é o local onde o rDNA sintetiza os rRNA.

Os genes do rRNA são transcritos pela RNA polimerase I e cada gene produz o mesmo transcrito de RNA primário. Nos humanos este transcrito de RNA, conhecido como rRNA 45S, tem cerca 13.000 nucleótidos de comprimento, que associado a proteínas forma uma ribonucleoproteína de 80S. Ainda no nucléolo, a molécula de rRNA 45S é clivada (para dar origem às várias moléculas de cada uma das subunidades do ribossoma) em 28S rRNA (cerca de 5000 nucleótidos), 18S rRNA (cerca de 2000 nucleótidos), e rRNA 5.8S (cerca de 160 nucleótidos).

O facto destas três moléculas de rRNAs derivarem do mesmo transcrito primário, assegura que será feita em quantidades iguais. A parte restante de cada transcrito primário (cerca de 6000 nucleótidos é degradada no núcleo. (FIgura H17 em breve) A molécula de rRNA de 5S, com cerca de 120 pares de nucleótidos, é transcrita dum gene do DNA diferente do que codifica para qualquer dos outros rRNA, pela RNA polimerase III. Não é conhecido porque é que este tipo de rRNA é transcrito separadamente.

A fase final de “montagem” do ribossoma ocorre no citoplasma.

Curiosidade

A quantidade de nucléolos é muito variável nos diferentes tipos de células e mesmo em células do mesmo tecido. Contudo, o número mais frequente varia entre 1 a 5 nucléolos, como é o caso dos hepatócitos.

As células secretoras de proteínas e as células em intensa actividade mitótica (por exemplo as células embrionárias, ou as células tumorais) tem nucléolos muito grandes devido à intensa síntese de rRNA.

As NOR marcam pela prata amoniacal nos núcleos em interfase se estão activas e nos cromossomas em metafase. O componente responsável pela coloração são proteínas ácidas que se encontram localizadas junto às NOR’s mas não no seu interior.

Os humanos têm cerca de 2000 genes rRNA 5S dispostos num único cluster longe de todos os outros genes rRNA.

30 minutos – tempo que demora desde a clivagem da molécula de 45S no nucléolo até à obtenção da molécula de 18S no citoplasma.

60 minutos – tempo que demora desde a síntese até à aglutinação das 3 moléculas de rRNA da maior subunidade ribossómica no citoplasma.

Matriz nuclear e nucleoplasma

A existência de uma matriz nuclear tem-se revelado um difícil desafio para os investigadores. No entanto, e até aos dias de hoje, o único componente nuclear identificado com funções de suporte estrutural da cromatina é a lâmina nuclear, constituída pelas proteínas lamínas que formam uma rede de filamentos restrita à periferia nuclear.

O nucleoplasma é fundamentalmente constituído por água, iões, aminoácidos, enzimas para a síntese de DNA e de RNA, receptores hormonais e por uma grande quantidade de pequenos RNA’s, que não são nem rRNA nem tRNA. Denominam-se de snRNA’s (small nuclear RNA’s) e distinguem-se seis tipos principais: U1, U2, U3, U4, U5 e U6 (o prefixo U refere-se ao seu elevado conteúdo em uridina).

Estes snRNA associam-se a proteínas específicas dando origem a partículas ribonucleoproteicas designadas de snRNP’s. As snRNP U1, U2, U4, U5 E U6 são essenciais para o “splicing” dos pré-mRNA’s, enquanto que a snRNP U3 está localizada no nucléolo e envolvida no processamento do rRNA.