Núcleo e expressão gênica
Thiago dos Santos de Lima e Ruth J. G. Schadeck
Apoio – Bruna da Silva e Mylena da Costa Agustin
Clique na imagem, ou em “tela cheia” nos vídeos, para visualizá-los em tamanho maior.
Todos os seres vivos possuem informações genéticas que lhes conferem as suas características. Mas, o que são essas informações? Como elas realizam esse maravilhoso fenômeno de construir os seres vivos?
Expressão gênica
Em linhas gerais, a informação está contida nos genes que estão no DNA. A partir deles são sintetizados os RNAs que orientam a síntese das proteínas. Veja ao lado, de forma simplificada, como isso ocorre. Essas proteínas têm inúmeras funções e trabalham de forma coordenada no desenvolvimento, funcionamento e na definição das características e particularidades dos seres vivos, sejam procariotos ou eucariotos.
Onde o DNA está localizado em uma célula ? Qual é a estrutura do núcleo? O que são cromossomos? …?…?
Nos seres eucariontes o DNA se encontra dentro do núcleo, organizado nos cromossomos. No vídeo abaixo você pode observar um protozoário, o paramécio. Através de efeitos gráficos, o núcleo é destacado e segue-se uma mergulho no seu interior até o DNA. Na sequência, o protozoário é observado sem nenhum processamento gráfico ou químico. O citoplasma é repleto de vacúolos digestivos com leveduras internalizadas através da fagocitose. Verifique que a região ocupada pelo núcleo, inicialmente destacado em laranja, não apresenta tais vacúolos.
Observe o núcleo através de técnicas de microscopia de fluorescência, como mostrado na figura abaixo. Núcleo: azul; microtúbulos: verde; mitocôndrias: vermelho.
Atribuição – 8x57is. Acesse AQUI a imagem original. Licença – CC BY AS 4.0
A imagem abaixo mostra núcleos de fígado ao microscópio de luz. A coloração é específica para DNA (Feulgen). O citoplasma não se cora com esta metodologia.
Observe os nucléolos que aparecem como um círculo mais corado no interior dos núcleos. Visualize com atenção e poderá perceber que o citoplasma está repleto de granulações transparentes. Atribuição – NUEPE. CC BY-NC-SA.
ESTRUTURA DO NÚCLEO
Na figura ao lado você pode verificar que o núcleo é delimitado pelo envoltório nuclear. Também denominado envelope nuclear, é formado por duas membranas. Estas se fundem em determinados pontos formando poros que se associam à proteínas. Esse conjunto (poros+proteínas) é denominado de complexo de poro, que você pode ver com mais detalhes no vídeo abaixo. No interior do núcleo estão os filamentos da cromatina e o nucléolo.
Imagem ao lado – Atribuição: Magnus Manske. Acesse AQUI a figura original. Licença: Domínio público
Observe no vídeo abaixo que os poros não são “buracos, mas apresentam proteínas com tem importante papel no transporte do que entra e do sai do núcleo.
Fonte – Canal do YouTube Samir Patel.
Cromatina
O DNA se encontra nos cromossomos que estão desenovelados na interfase (período em que a célula não está se dividindo), sendo muito longos e finos. Devido a isso não são observados de forma individualizada. Nessa fase um cromossomo (não duplicado), formado por uma única molécula de DNA (longa dupla fita de DNA) associada á proteínas, especialmente as histonas, forma filamentos (filamentos de cromatina ou filamentos cromatínicos).Veja em destaque na figura abaixo os filamentos de cromatina e o nucléolo. O conjunto de todos esses filamentos forma a cromatina, usualmente definida como a parte corada no núcleo, com exceção do nucléolo.
Veja abaixo o DNA que se associa as histonas formando o filamento de cromatina. Quando a célula se divide os cromossomos, que na interfase estão na forma de filamentos de cromatina (muito finos, não são visualizados ao microscópio), se condensam e são divididos entre as duas células filhas.
A figura abaixo resume os conceitos sobre a formação da cromatina: a dupla fita de DNA se enrola ao redor do octâmero de histonas formando o filamentos “colar de pérolas (11nm); este, por sua vez, sua vez, se condensa no filamento de 30nm, o qual pode se condensar em graus maiores de empacotamento. Durante a divisão celular ocorre o grau máximo de empacotamento, formando os cromossomos
Fonte – https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Chromatin_Structures.png
Ao lado está representada a estrutura de um nucleossomo. A dupla fita de DNA se enrola em partícula denominada octâmero central, contendo 8 molécula de histonas (H1, H2A, H2B, H3 e H4) formando uma partícula, o nucleossomo.
Imagem ao lado – Atribuição: Darekk2. Acesse AQUI a figura original. Licença: CC BY-SA 3.0. Modificações – tradução da nomenclatura por Lima, T.
Eucromatina e Heterocromatina
Observe a figura ao lado. Durante a interfase os cromossomos podem apresentar regiões de maior e de menor condensação da cromatina. A eucromatina é a região descondensada, correspondendo a regiões em transcrição ativa, isto é, onde corre a síntese de RNA.
Através do microscópio eletrônico a observa-se que a heterocromatina, que aprece mais elétron densa (escura), tem localização variável. Pode se mostrar dispersa (em grumos) no interior do núcleo, associada ao nucléolo e à superfície da membrana interna do envoltório nuclear. Na imagem ao lado é possível observá-la em grandes massas associada à membrana interna do envoltório nuclear. Além disso, um proeminente nucléolo é visualizado bem como grande quantidade de retículo endoplasmático rugoso no citoplasma.
Atribuição – Louisa Howard. Acesse AQUI a imagem original. Domínio público.
Acesse AQUI a imagem original. Atribuição – C BY-SA 3.0.
Nas olimpíadas e outras competições, homens e mulheres devem disputar separadamente suas modalidades, principalmente quando esta modalidade exija força e agilidade, pois, neste caso, homens levam vantagem devido a massa muscular mais desenvolvida. Quando uma dúvida surge sobre o sexo de um atleta, a presença ou não do corpúsculo de Barr determina geneticamente se aquele atleta é homem ou mulher. A imagem a esquerda, evidencia o corpúsculo de Barr (indicado pela seta), onde Xa indica o cromossomo X ativo e Xi representa o cromossomo X inativo (corpúculo de Barr). Essas imagens foram obtidas por técnicas citogenéticas que usam marcadores para estes cromossomos específicos.
O Nucléolo e o Processamento do RNA Ribossômico
No núcleo interfásico existem regiões altamente especializadas. Uma delas é o nucléolo. Esta região produz os ribossomos, responsáveis pela síntese proteica da célula. O nucléolo corresponde a uma massa com uma densidade e aspecto característicos no interior do núcleo e é composta por um agregado de macromoléculas, como os rRNAs sintetizados associados com proteínas. Observe a imagem de microscopia eletrônica abaixo e veja um proeminente nucléolo.
Clique na imagem abaixo e faça uma incrível viaje através do núcleo e do nucléolo!
Atribuição – Orlov I, Schertel A, Zuber G, Klaholz B, Drillien R, Weiss E, Schultz P, Spehner D, ” DOI:10.1038/srep08324. Licença – CC BY 4.0. Acesse AQUI a imagem oringial.
No nucléolo se localizam os genes responsáveis pela produção do RNA ribossômico (RNAr). 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 subunidades são transportadas, onde se unem formando um ribossomo maduro e funcional de 80S. Portanto, os ribossomos só sintetizam as proteínas no citoplasma.
DNA e RNA
O DNA é conhecido como o código da vida, pois nele encontramos todas as informações necessárias na construção de um determinado ser vivo. Porém, cada célula de nosso organismo não expressará todas essas características de uma vez só. Apenas determinadas caraterísticas serão expressas dependendo do tipo de célula e qual a sua função em nosso organismo. As bases nitrogenadas adenina e guanina são classificadas como púricas, são maiores, pois na sua estrutura encontramos dois anéis de carbonos e hidrogênios. Já a timina, uracila e citosina, são chamadas de bases pirimídicas e são menores, pois apresentam apenas um anel de carbonos e hidrogênios. A figura à direita abaixo mostra as ligações de hidrogênio no pareamento das bases na estrutura do DNA. Observe na animação como as duas fitas se organizam para formar a dupla hélice.
Atribuição – Zephyris em Wikipédia em inglês (Richard Wheeler). Acesse AQUI a animação original – Licença – CC BY-SA 3
No DNA existem quatro tipos bases nitrogenadas: adenina, timina, citosina e guanina. Já no RNA, não encontramos a base timina, no lugar desta, uma outra base nitrogenada é adicionada, a uracila.
Atribuição: SponK. Acesse AQUI a figura original. Licença – CC BY-SA 3.o
Fonte – Canal do YouTube NutriDiversidade
Do DNA ao RNA – O processo de transcrição
Antes de mais nada, acesse AQUI uma animação
No processo de transcrição, o DNA é usado como molde na fabricação do RNA. inicia-se quando a polimerase do RNA liga-se a uma sequência especial de DNA chamado de promotor. O sítio de iniciação contém a primeira base do DNA a ser transcrita em RNA. A partir desse ponto, a polimerase do RNA move-se ao longo do molde, sintetizando RNA, até alcançar uma sequência terminação. A sequência de DNA transcrita em uma única molécula de RNA, que teve início no promotor e término na região denominada sítio de terminação constitui uma unidade de transcrição. A imagem abaixo mostra a fita de RNA sendo sintetizada a partir do DNA. Note que as bases do RNA são complementares às do DNA e que a base timina é substituída pela uracila.
Quer saber mais? Acesse o vídeo abaixo!
Tradução: do RNAm à proteina
Após a fita de RNAm estar pronta ela migra pelo complexo de poro nuclear em direção ao citoplasma para que o processo de tradução se inicie. Além da fita de RNAm, outras estruturas participam do processo, são elas: o ribossomo (RNAr) e o RNA transportador (RNAt). O ribossomo, como visto anteriormente, foi originado no nucléolo e também foi para o citoplasma. Esta estrutura funcionará como um leitor do código genético, contido na fita de RNAm. Os tipos de proteínas formadas neste processo dependem basicamente de três características:
Quais aminoácidos? Quantos aminoácidos? Em que sequência?
No RNAm, a cada três bases nitrogenadas, temos o chamado códon que é compatível com um dos 20 tipos de aminoácidos existentes. Isto é, são necessárias três bases nitrogenadas para codificar um aminoácido. Então, dependendo de qual a sequência de códons, quantos códons e quais tipos de códons são encontrados no RNAm, a proteína formada será diferente. Observe a tabela abaixo, ela mostra os códons e seus respectivos aminoácidos.
O RNAt, que também foi transcrito no núcleo e migra para o citoplasma, é responsável pelo transporte dos aminoácidos até o ribossomo. Cada RNAt possui uma sequência de três bases nitrogenadas, o anticódon, que é complementar ao códon do RNAm. Observe a estrutura de um RNAt mostrando o pareamento do anticódon com o códon:
Recapitulando a síntese proteica
- O processo de tradução inicia com a união entre o tRNA iniciador, subunidade menor do ribossomo e o RNAm.
- O tRNA iniciador liga-se códon de iniciação AUG.
- Logo após, a subunidade maior do ribossomo se acopla a subunidade menor. Esta fase é denominada de iniciação.
- Segue-se a translocação do ribossomo ao longo do RNAm, fazendo a leitura sequencial dos códons. A cada códon é acoplado um RNAt, que traz um aminoácido específico para aquele códon. Cada aminoácido trazido pelo RNAt liga-se ao aminoácido da cadeia polipeptídica pré-existente através de uma ligação peptídica e dessa forma a cadeia polipeptídica vai crescendo. Esta fase é chamada de elongação.
- O processo de tradução se encerra quando o ribossomo encontra um códon de terminação, que pode ser um UAA, UAG ou UGA.
Licenças e agradecimentos – Acesse AQUI!
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