Núcleo

Introdução

Suponha que você tenha uma informação muito valiosa. Vamos imaginar que essa

informação seja um projeto de engenharia. Na verdade, não é simplesmente o projeto de uma

casa, carro ou algum avião de caça ultrassecreto. Trata-se do projeto de um organismo inteiro

- você - que especifica não só o modo como você está organizado, mas também as

informações que permitem que todas as células do seu corpo continuem funcionando a todo o

momento.

Parece importante, certo? Você provavelmente gostaria de guardar uma informação

valiosa como essa em lugar seguro, talvez em um cofre protegido sempre sob sua vista. De

fato, é exatamente isso que as células eucarióticas fazem com seu material genético,

colocando-o em um local protegido por uma membrana chamado de núcleo.

O DNA eucariótico jamais abandona o núcleo; em vez disso, ele é transcrito (copiado)

em moléculas de RNA, que podem então viajar para fora do núcleo. No citosol, alguns RNAs

associam-se a estruturas chamadas ribossomos, de onde dirigem a síntese proteica. (Outros

RNAs desempenham papéis funcionais na célula, servindo como componentes estruturais dos

ribossomos ou regulando a atividade dos genes). Aqui conheceremos mais detalhadamente a

estrutura do núcleo e dos ribossomos.

O núcleo

O núcleo (plural, núcleos) abriga o material genético da célula, ou DNA, e é também

o local de síntese de ribossomos, as máquinas celulares que montam as proteínas. Dentro do

núcleo, a cromatina (DNA enrolado em volta de proteínas, descrita mais abaixo) é

armazenada em uma substância gelatinosa chamada nucleoplasma.

Envolvendo o nucleoplasma está o envelope nuclear, que é formado por duas

camadas de membrana: uma membrana externa e uma membrana interna. Cada uma dessas

membranas contém duas camadas de fosfolipídios, arranjados de forma que suas caudas

fiquem voltadas para o interior da membrana (formando uma bicamada fosfolipídica). Há um

fino espaço entre as duas camadas do envelope nuclear, e este espaço está diretamente ligado

ao interior de uma outra organela membranosa, o retículo endoplasmático.

Os poros nucleares, pequenos canais que se distribuem por todo o envelope nuclear,

permitem a entrada e saída de substâncias no núcleo. Cada poro é recoberto por um conjunto

de proteínas, chamado de complexo do poro nuclear, que controla quais moléculas podem

entrar e sair.

Se você olhar uma imagem microscópica do núcleo poderá notar - dependendo do

tipo de corante utilizado para visualização da célula - que há uma mancha escura em seu

interior. Esta região mais densamente corada é chamada de nucléolo, e é o local onde os

ribossomos são formados.

Figura: OpenStax Biology.

Imagem das partes do núcleo de uma célula eucariótica.

Como se faz um ribossomo? Alguns cromossomos apresentam seções de DNA que

decodificam RNA ribossômico, um tipo de RNA estrutural que se combina a proteínas para

formar o ribossomo. No nucléolo, o novo RNA ribossômico se combina a proteínas para

formar as subunidades do ribossomo. As novas subunidades formadas são transportadas

através dos poros nucleares até o citoplasma, onde podem então realizar seu trabalho.

Alguns tipos celulares têm mais que um nucléolo no interior do núcleo. Por exemplo,

algumas células de ratos têm até 666 nucléolos. Os procariontes, que não apresentam núcleo,

não têm nucléolos e constroem seus ribossomos no citosol.

Cromossomos e DNA

Agora que compreendemos a estrutura do núcleo, vamos olhar mais de perto a

informação genética armazenada em seu interior: o DNA. A maior parte do DNA de um

organismo encontra-se organizada em um ou mais cromossomos, cada um sendo uma longa

fita ou um laço circular de DNA. Um único cromossomo pode carregar muitos genes

diferentes.

Nos procariontes, o DNA é tipicamente organizado em um único cromossomo

circular (anel). Nos eucariontes, por outro lado, os cromossomos são estruturas lineares

(fitas). Toda espécie eucariótica tem um número específico de cromossomos no núcleo de

suas células somáticas. Por exemplo, uma célula típica do corpo humano

tem 464646 cromossomos, enquanto uma célula de uma mosca-da-fruta tem 888.

Os cromossomos são visíveis como estruturas distintas apenas quando a célula está se

preparando para a divisão celular. Fora isso, quando a célula está nas fases de crescimento ou

manutenção de seu ciclo de vida, os cromossomos assemelham-se a um monte de fios

frouxamente emaranhados. Nesta forma, o DNA fica acessível às enzimas que o transcrevem

em RNA, permitindo que a informação genética seja utilizada (expressa).

Tanto em sua forma afrouxada ou compactada, as fitas de DNA dos cromossomos

estão ligadas a proteínas estruturais, incluindo uma família de proteínas chamadas de histonas

(veja figura abaixo). Estas proteínas associadas ao DNA organizam-no e auxiliam a

acomodar-se dentro do núcleo, e também têm importância na determinação de quais genes

estão ativos ou inativos. O complexo formado pelo DNA e suas proteínas de suporte é

conhecido como cromatina. Você pode aprender mais sobre o DNA, cromatina, e

cromossomos no artigo DNA e cromossomos.

Crédito da imagem: OpenStax Biology. Imagem à direita modificada do original por

NIH; dados da escala de Matt Russell.

Esquerda: imagem mostrando como o cromossomo é feito de DNA enrolado em torno

das histonas e então organizado em espirais e outras estruturas altamente organizadas.

Direita: micrografia dos cromossomos coloridos artificialmente e reorganizados.

Para se ter uma noção da importância da compactação do DNA, considere que o DNA

de uma célula humana típica teria aproximadamente 222 metros de comprimento se fosse

estendido em uma linha reta. Todos os 222 metros daquele DNA estão compactados em um

pequeno núcleo com um diâmetro de apenas 0,0060,0060, comma, 006 mm. É uma façanha

"geometricamente equivalente a colocar 404040 km (242424milhas) de uma linha

extremamente fina em uma bola de tênis".

Ácidos nucleicos

Introdução

Ácidos nucleicos, e DNA em particular, são macromoléculas chave para a

continuidade da vida. O DNA carrega a informação hereditária que é passada de pais para

filhos, fornecendo instruções de como (e quando) fazer as muitas proteínas necessárias para

construir e manter o funcionamento das células, tecidos, e organismos.

Como o DNA carrega essa informação, e como ela é colocada em ação pelas células e

organismos, é complexo, fascinante, e muito alucinante, e vamos explorar isso em mais

detalhes na seção biologia molecular. Aqui, vamos apenas olhar rapidamente os ácidos

nucleicos da perspectiva macromolecular.

Papéis do DNA e RNA nas células

Ácidos nucleicos, macromoléculas feitas de unidade chamadas nucleotídeos, vêm em

duas variedades naturais: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). O

DNA é o material genético encontrado em seres vivos, desde bactérias unicelulares até

mamíferos multicelulares como você e eu. Alguns vírus usam RNA, não DNA, como seu

material genético, mas não são tecnicamente considerados vivos (já que não podem

reproduzir sem ajuda de um hospedeiro).

DNA nas células

Em eucariontes, como plantas e animais, o DNA é encontrado no núcleo, um cofre

especializado protegido por uma membrana, assim como em outros tipos de organelas (como

as mitocôndrias e os cloroplastos das plantas). Nos procariontes, como as bactérias, o DNA

não está em um envelope de membrana, apesar de estar localizado em uma região celular

especializada chamada de nucleóide.

Nos eucariontes, o DNA é tipicamente dividido em um número de longos pedaços

lineares chamados cromossomos, enquanto que nos procariontes como bactérias, os

cromossomos são muito menores e geralmente circulares (em forma de anel). Um

cromossomo pode conter dezenas de milhares de genes, cada um provendo instruções de

como fazer um produto específico que a célula precisa.

Do DNA para RNA, do RNA para proteínas

Muitos genes codificam produtos proteicos, isto é, especificam a sequência de

aminoácidos utilizada para construir uma proteína em particular. Antes que essa informação

possa ser utilizada para a síntese de proteínas, no entanto, uma cópia de RNA (resultante da

transcrição) do gene deve ser feita em primeiro lugar. Esse tipo de RNA é chamado de RNA

mensageiro (RNAm), por servir como mensageiro entre o DNA e os ribossomos, máquinas

moleculares que leem as sequências de RNAm e as utilizam para construir proteínas. Essa

progressão de DNA para RNA para proteína é chamada de "dogma central" da biologia

molecular.

É importante observar que nem todos os genes codificam produtos proteicos. Por

exemplo, alguns genes especificam RNAs ribossômicos (RNAr), que servem como

componentes estruturais de ribossomos, ou RNAs transportadores(RNAt), moléculas de

RNA em forma de trevo que trazem aminoácidos aos ribossomos para a síntese proteica.

Ainda outras moléculas de RNA, como pequenos microRNAs (miRNA), agem como

reguladores de outros genes, e novos tipos de RNAs não-codificadores de proteínas estão

sendo descobertos o tempo todo.

Nucleotídeos

DNA e RNA são polímeros (no caso do DNA, geralmente polímeros muito longos), e

são feitos de monômeros conhecidos como nucleotídeos. Quando esses monômeros se

combinam, a cadeia resultante é chamada de polinucleotídeo (poli- = "muitos").

Cada nucleotídeo é feito de três partes: uma estrutura anelar contendo nitrogênio

chamada de base nitrogenada, um açúcar de cinco carbonos, e pelo menos um grupo fosfato.

A molécula de açúcar tem uma posição central no nucleotídeo, com a base ligada a um de

seus carbonos e o grupo (ou grupos) fosfato ligado a outro. Vejamos cada parte de um

nucleotídeo por vez.

Imagem dos componentes de DNA e RNA, incluindo o açúcar (desoxirribose ou

ribose), o grupo fosfato e a base nitrogenada. As bases são bases pirimidinas (citosina, timina

no DNA e uracila no RNA, um anel) e as bases purinas (adenina e guanina, dois anéis). O

grupo fosfato está ligado ao carbono 5'. O carbono 2' liga-se a um grupo hidroxila na ribose,

mas nenhuma hidroxila (apenas hidrogênio) na desoxirribose.

_Imagem modificada de "Nucleic acids: Figure 1," por OpenStax College, Biology

(CC BY 3.0)._

Bases nitrogenadas

As bases nitrogenadas de nucleotídeos são moléculas orgânicas (com base de

carbono) feitas de estruturas anelares contendo nitrogênio.

Cada nucleotídeo no DNA contém uma de quatro possíveis bases nitrogenadas:

adenina (A), guanina (G), citosina(C), e timina (T). Adenina e guanina são purinas, o que

significa que suas estruturas contém dois anéis de carbono-nitrogênio unidos. Citosina e

timina, em contraste, são pirimidinas e têm um único anel de carbono-nitrogênio. Os

nucleotídeos de RNA também podem apresentar as bases adenina, guanina e citosina., mas

em vez de timina eles têm outra base pirimidina chamada uracila (U). Como mostrado na

figura acima, cada base tem uma estrutura única, com seu próprio conjunto de grupos

funcionais ligados à estrutura anelar.

Em biologia molecular abreviada, as bases nitrogenadas geralmente são mencionadas

por suas letras, A, T, G, C e U. O DNA contém A, T, G e C, enquanto o RNA contém A, U,

G e C (isto é, o U é colocado no lugar do T).

Açúcares

Além de terem conjuntos de bases ligeiramente diferentes, os nucleotídeos de DNA e

RNA tem açúcares ligeiramente diferentes. O açúcar de cinco carbonos no DNA é chamado

de desoxirribose, enquanto que no RNA, o açúcar é ribose. Esses dois são muito similares

na estrutura, com apenas uma diferença: o segundo carbono da ribose liga-se a um grupo

hidroxila, enquanto o carbono equivalente da desoxirribose tem um hidrogênio. Os átomos de

carbono de uma molécula de açúcar de nucleotídeo são numerados como 1', 2', 3', 4', e 5' (1' é

lido como "um linha"), como mostrado na figura acima. Num nucleotídeo, o açúcar ocupa

uma posição central, com a base ligada a seu carbono 1' e o grupo (ou grupos) fosfato

ligado(s) ao carbono 5'.

Fosfato

Os nucleotídeos podem ter um único grupo fosfato, ou uma cadeia de até três grupos

fosfato, ligados ao carbono 5' do açúcar. Algumas fontes, em química, utilizam o termo

"nucleotídeo" apenas para o caso de fosfato único, mas na biologia molecular, a definição

mais ampla é geralmente aceita.

Em uma célula, um nucleotídeo prestes a ser adicionado ao final de uma cadeia de

polinucleotídeos estará ligado a uma série de três grupos fosfato. Quando o nucleotídeo se

junta a cadeia crescente de DNA ou RNA, perde dois grupos fosfato. Portanto, em uma

cadeia de DNA ou RNA, cada nucleotídeo tem apenas um grupo fosfato.

Cadeias de polinucleotídeos

Uma consequência da estrutura de nucleotídeos é que uma cadeia de polinucleotídeos

tem direcionalidade, ou seja, ela tem duas extremidades diferentes uma da outra.

Na extremidade 5', ou início, da cadeia, o grupo fosfato 5' do primeiro nucleotídeo da cadeia

se sobressai. Na outra extremidade, chamada de extremidade 3', a hidroxila 3' do último

nucleotídeo adicionado à cadeia é exposta. Em geral, sequências de DNA são escritas na

direção 5' para 3', o que significa que o nucleotídeo na extremidade 5' vem primeiro e que o

nucleotídeo na extremidade 3' vem por último.

Quando nucleotídeos são adicionados a uma fita de DNA ou RNA, a fita cresce em

seu final 3', com o fosfato 5' de um nucleotídeo que entra se ligando ao grupo hidroxila no

final 3' da cadeia. Isso faz uma cadeia com cada açúcar unido a seus vizinhos por uma série

de ligações chamadas de ligação fosfodiéster.

Propriedades do DNA

As cadeias de ácido desoxirribonucleico, ou DNA, são tipicamente encontradas em

uma dupla hélice, uma estrutura na qual duas cadeias correspondentes (complementares)

estão ligadas, como mostrado no diagrama à esquerda. Os açúcares e fosfatos localizam-se na

parte externa da hélice, formando o arcabouço do DNA; esta porçao da molécula é algumas

vezes chamada de esqueleto de açúcar-fosfato. As bases nitrogenadas se estendem para o

interior, como os degraus de uma escada, em pares; as bases de um par se unem entre si por

ligações de hidrogênio.

Modelo estrutural da dupla hélice de DNA.

Crédito da imagem: Jerome Walker/Dennis Myts.

As duas fitas da hélice vão em direções opostas, isto é, o final 5' de uma fita é pareado

como final 3' de sua fita correspondente. (Nos referimos a isto como

orientação antiparalela e é importante ao copiar o DNA).

Então, podem duas bases decidirem se juntar e formar um par na dupla hélice? A

resposta é definitivamente não. Por conta dos tamanhos e grupos funcionais das bases, o

pareamento de bases é muito específico: A pode apenas fazer par com T, e G pode apenas

fazer par com C, como mostrado abaixo. Isso significa que as duas fitas da dupla hélice de

DNA tem uma relação bem previsível uma com a outra.

Por exemplo, se você sabe que a sequência de uma fita é 5' -AATTGGCC-3’, a fita

complementar deve ter a sequência 3’-TTAACCGG-5’. Isso permite que cada base se

combine com sua parceira:

5'-AATTGGCC-3' 3'-TTAACCGG -5'

Estas duas fitas são complementares, uma ligada na outra pelas bases pareadas. Os

pares A-T estão ligados por duas ligações de hidrogênio, enquanto os pares G-C são

conectados por três ligações de hidrogênio.

Quando duas sequências de DNA se combinam desse jeito, possibilitando a ligação

entre si de modo antiparalelo e formando uma hélice, elas são consideradas complementares.

Ligação de hidrogênio entre bases complementares junta as fitas de DNA em uma

hélice dupla de fitas antiparalelas. A timina forma duas ligações de hidrogênio com adenina,

e guanina forma ligações de três hidrogênios com a citosina.

Imagem adaptada de OpenStax Biology.

Propriedades do RNA

O ácido ribonucleico (RNA), diferente do DNA, é geralmente de fita única. Um

nucleotídeo em uma cadeia de RNA conterá ribose (o açúcar de cinco carbonos), uma das

quatro bases nitrogenadas (A, U, G ou C), e um grupo fosfato. Aqui, olharemos os quatro

tipos principais de RNA: RNA mensageiro (RNAm), RNA ribossômico (RNAr), RNA

transportador (RNAt) e RNAs reguladores.

RNA mensageiro (RNAm)

RNA mensageiro (RNAm) é um intermediário entre um gene codificador de proteína

e seu produto proteico. Se uma célula precisa fazer uma proteína em especial, o gene

codificador da proteína será "ligado", isto é, uma enzima RNA polimerase virá e fará uma

cópia de RNA, ou transcrição da sequência de DNA do gene. A cópia carrega a mesma

informação da sequência de DNA de seu gene. No entanto, na molécula de RNA, a base T é

substituída por U. Por exemplo, se uma fita de DNA codificadora tem a sequência 5’-

AATTGCGC-3’, a sequência do RNA correspondente será 3’-UUAACGCG-5’.

Uma vez que um RNAm é produzido, será associado a um ribossomo, uma máquina

molecular que é especializada em montar proteínas a partir de aminoácidos. O ribossomo usa

a informação no RNAm para fazer uma proteína de uma sequência específica, "lendo" os

nucleotídeos de RNAm em grupos de três (chamados códons) e adicionando um aminoácido

particular a cada códon.

Imagem de um ribossomo (feito de proteínas e RNAr) ligado a um RNAm, com

RNAt trazendo aminoácidos para seres adicionados à cadeia crescente. O RNAt que se liga, e

consequentemente, o aminoácido que é acrescentado, em um determinado momento é

determinado pela sequência do RNAm que está sendo "lido" naquele momento.

Figura: OpenStax Biology.

RNA ribossômico (RNAr) e RNA transportador (RNAt)

O RNA ribossômico (RNAr) é um componente importante dos ribossomos, ajudando

o mRNA a se ligar no local certo para que a sequência de informações possa ser lida. Alguns

RNAr também atuam como enzimas, o que significa que eles ajudam a acelerar (catalisar)

reações químicas – neste caso, a formação de ligações que unem os aminoácidos para formar

uma proteína. Os RNAs que atuam como enzimas são conhecidos como ribozimas.

RNAs transportadores (RNAt) também estão envolvidos na síntese proteica, mas

seu trabalho é agir como carregadores - trazer aminoácidos ao ribossomo, assegurando que o

aminoácido adicionado a cadeia é o especificado pelo RNAm. RNAs transportadores

consistem de uma fita única de RNA, mas essa fita tem segmentos complementares que ficam

juntos para fazer regiões de fita dupla. Esse pareamento de bases cria uma estrutura 3D

complexa importante à função da molécula.

Estrutura de um RNAt. A molécula geral tem uma forma mais ou menos parecida

com um L.

Imagem adaptada de Protein Data Bank (trabalho do governo dos EUA).

RNA regulatório (miRNAs e siRNAs)

Alguns tipos de RNAs não codificadores (RNAs que não codificam proteínas) ajudam

a regular a expressão de outros genes. Esses RNAs podem ser chamados de RNAs

regulatórios. Por exemplo, microRNAs (miRNAs) e RNAs de pequena

interferência siRNA são pequenas moléculas de RNA regulatório de 22 nucleotídeos de

extensão. Elas se ligam a moléculas específicas de RNAm (com sequências parcial ou

completamente complementares) e reduzem sua estabilidade ou interferem em sua tradução,

fornecendo uma maneira de a célula diminuir ou ajustar níveis desses RNAm.

Estes são apenas alguns exemplos de vários tipos de RNAs regulatórios e não

codificadores. Cientistas ainda estão descobrindo novas variedades de RNA não

codificadores.