3.4: O núcleo e a replicação do DNA

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Descreva a estrutura e as características da membrana nuclear
• Liste o conteúdo do núcleo
• Explicar a organização da molécula de DNA dentro do núcleo
• Descreva o processo de replicação do DNA

O núcleo é a maior e mais proeminente das organelas de uma célula (Figura 3.19). O núcleo é geralmente considerado o centro de controle da célula porque armazena todas as instruções genéticas para a fabricação de proteínas. Curiosamente, algumas células do corpo, como as musculares, contêm mais de um núcleo (Figura 3.20), conhecido como multinucleado. Outras células, como os glóbulos vermelhos de mamíferos (eritrócitos), não contêm nenhum núcleo. Os eritrócitos ejetam seus núcleos à medida que amadurecem, abrindo espaço para o grande número de moléculas de hemoglobina que transportam oxigênio por todo o corpo (Figura 3.21). Sem núcleos, a vida útil dos eritrócitos é curta e, portanto, o corpo deve produzir novos constantemente.

Figura 3.19 O núcleo O núcleo é o centro de controle da célula. O núcleo das células vivas contém o material genético que determina toda a estrutura e função dessa célula.

Figura 3.20 Célula muscular multinucleada Ao contrário das células musculares cardíacas e das células musculares lisas, que têm um único núcleo, uma célula muscular esquelética contém muitos núcleos e é chamada de “multinucleada”. Essas células musculares são longas e fibrosas (geralmente chamadas de fibras musculares). Durante o desenvolvimento, muitas células menores se fundem para formar uma fibra muscular madura. Os núcleos das células fundidas são conservados na célula madura, conferindo assim uma característica multinucleada às células musculares maduras. LM × 104,3. (Micrografia fornecida pelos Regentes da Faculdade de Medicina da Universidade de Michigan © 2012)

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Veja o WebScope da Universidade de Michigan para explorar a amostra de tecido com mais detalhes.

Figura 3.21 Glóbulos vermelhos extrudando seu núcleo Os glóbulos vermelhos maduros não têm núcleo. À medida que amadurecem, os eritroblastos extrudam seu núcleo, abrindo espaço para mais hemoglobina. Os dois painéis aqui mostram um eritroblasto antes e depois de ejetar seu núcleo, respectivamente. (crédito: modificação da micrografia fornecida pelos Regentes da Faculdade de Medicina da Universidade de Michigan © 2012)

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Dentro do núcleo está o modelo que dita tudo o que uma célula fará e todos os produtos que ela produzirá. Essas informações são armazenadas no DNA. O núcleo envia “comandos” para a célula por meio de mensageiros moleculares que traduzem as informações do DNA. Cada célula do seu corpo (com exceção das células germinativas) contém o conjunto completo do seu DNA. Quando uma célula se divide, o DNA deve ser duplicado para que cada nova célula receba um complemento completo de DNA. A seção a seguir explorará a estrutura do núcleo e seu conteúdo, bem como o processo de replicação do DNA.

Organização do núcleo e seu DNA

Como a maioria das outras organelas celulares, o núcleo é cercado por uma membrana chamada envelope nuclear. Essa cobertura membranosa consiste em duas bicamadas lipídicas adjacentes com um fino espaço de fluido entre elas. Abrangendo essas duas bicamadas estão os poros nucleares. Um poro nuclear é uma pequena passagem para a passagem de proteínas, RNA e solutos entre o núcleo e o citoplasma. Proteínas chamadas complexos de poros que revestem os poros nucleares regulam a passagem de materiais para dentro e para fora do núcleo.

Dentro do envelope nuclear há um nucleoplasma gelatinoso com solutos que incluem os blocos de construção dos ácidos nucléicos. Também pode haver uma massa de coloração escura, geralmente visível sob um simples microscópio de luz, chamada nucléolo (plural = nucléolos). O nucléolo é uma região do núcleo responsável pela fabricação do RNA necessário para a construção dos ribossomos. Uma vez sintetizadas, as subunidades ribossômicas recém-fabricadas saem do núcleo da célula pelos poros nucleares.

As instruções genéticas usadas para construir e manter um organismo são organizadas de forma ordenada em cadeias de DNA. Dentro do núcleo estão fios de cromatina compostos por DNA e proteínas associadas (Figura 3.22). Ao longo dos fios da cromatina, o DNA é enrolado em torno de um conjunto de proteínas histônicas. Um nucleossomo é um complexo único de DNA-histona envolto. Vários nucleossomos ao longo de toda a molécula de DNA aparecem como um colar de miçangas, no qual a corda é o DNA e as contas são as histonas associadas. Quando uma célula está em processo de divisão, a cromatina se condensa em cromossomos, para que o DNA possa ser transportado com segurança para as “células-filhas”. O cromossomo é composto por DNA e proteínas; é a forma condensada da cromatina. Estima-se que os humanos tenham quase 22.000 genes distribuídos em 46 cromossomos.

Figura 3.22 Macroestrutura do DNA As fitas de DNA são enroladas em torno de histonas de suporte. Essas proteínas são cada vez mais agrupadas e condensadas em cromatina, que é compactada nos cromossomos quando a célula está pronta para se dividir.

replicação de DNA

Para que um organismo cresça, desenvolva e mantenha sua saúde, as células devem se reproduzir dividindo-se para produzir duas novas células-filhas, cada uma com o complemento completo de DNA encontrado na célula original. Bilhões de novas células são produzidas em um ser humano adulto todos os dias. Apenas poucos tipos de células no corpo não se dividem, incluindo células nervosas, fibras musculares esqueléticas e células musculares cardíacas. O tempo de divisão dos diferentes tipos de células varia. As células epiteliais da pele e do revestimento gastrointestinal, por exemplo, se dividem com muita frequência para substituir aquelas que são constantemente removidas da superfície por fricção.

Uma molécula de DNA é feita de duas fitas que se “complementam” no sentido de que as moléculas que compõem as fitas se encaixam e se ligam umas às outras, criando uma molécula de fita dupla que se parece muito com uma escada longa e torcida. Essa dupla hélice pode ser construída facilmente porque os dois fios são antiparalelos, o que significa que os dois fios correm em direções opostas. Cada trilho lateral da escada de DNA é composto por grupos alternados de açúcar e fosfato (Figura 3.23). Os dois lados da escada não são idênticos, mas são complementares. Essas duas espinhas dorsais são unidas uma à outra através de pares de bases salientes, cada par unido formando um “degrau” ou membro cruzado. As quatro bases de DNA são adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Por causa de sua forma e carga, as duas bases que compõem um par sempre se unem. A adenina sempre se liga à timina e a citosina sempre se liga à guanina. A sequência particular de bases ao longo da molécula de DNA determina o código genético. Portanto, se as duas fitas complementares de DNA fossem separadas, você poderia inferir a ordem das bases em uma fita das bases na outra fita complementar. Por exemplo, se uma fita tiver uma região com a sequência AGTGCCT, a sequência da fita complementar seria TCACGGA.

Figura 3.23 Estrutura molecular do DNA A dupla hélice do DNA é composta por duas fitas complementares. Os fios são unidos por meio de seus pares de bases nitrogenadas usando ligações de hidrogênio.

A replicação do DNA é a cópia do DNA que ocorre antes que a divisão celular possa ocorrer. Depois de muito debate e experimentação, o método geral de replicação do DNA foi deduzido em 1958 por dois cientistas na Califórnia, Matthew Meselson e Franklin Stahl. Esse método é ilustrado na Figura 3.24 e descrito abaixo.

Figura 3.24 Replicação do DNA A replicação do DNA duplica fielmente todo o genoma da célula. Durante a replicação do DNA, várias enzimas diferentes trabalham juntas para separar as duas fitas, de modo que cada fita possa ser usada como modelo para sintetizar novas fitas complementares. Cada uma das duas novas moléculas de DNA filha contém uma fita pré-existente e uma fita recém-sintetizada. Assim, diz-se que a replicação do DNA é “semiconservadora”.

Etapa 1: Iniciação. Os dois fios complementares são separados, como abrir um zíper. Enzimas especiais, incluindo a helicase, desenrolam e separam as duas cadeias de DNA.

Estágio 2: Alongamento. Cada fio se torna um modelo ao longo do qual um novo fio complementar é construído. A DNA polimerase traz as bases corretas para complementar a fita modelo, sintetizando uma nova fita base por base. A DNA polimerase é uma enzima que adiciona nucleotídeos livres ao final de uma cadeia de DNA, formando uma nova fita dupla. Essa vertente de crescimento continua a ser construída até complementar totalmente a vertente modelo.

Estágio 3: Rescisão. Uma vez que as duas fitas originais são ligadas às suas próprias fitas complementares acabadas, a replicação do DNA é interrompida e as duas novas moléculas idênticas de DNA são concluídas.

Cada nova molécula de DNA contém uma fita da molécula original e uma fita recém-sintetizada. O termo para esse modo de replicação é “semiconservador”, porque metade da molécula de DNA original é conservada em cada nova molécula de DNA. Esse processo continua até que todo o genoma da célula, todo o complemento do DNA de um organismo, seja replicado. Como você pode imaginar, é muito importante que a replicação do DNA ocorra com precisão para que as novas células no corpo contenham exatamente o mesmo material genético de suas células-mãe. Erros cometidos durante a replicação do DNA, como a adição acidental de um nucleotídeo inadequado, têm o potencial de tornar um gene disfuncional ou inútil. Felizmente, existem mecanismos para minimizar esses erros. Um processo de revisão de DNA requer a ajuda de enzimas especiais que examinam a molécula recém-sintetizada em busca de erros e os corrigem. Quando o processo de replicação do DNA estiver concluído, a célula estará pronta para se dividir. Você explorará o processo de divisão celular mais adiante neste capítulo.

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Assista a este vídeo para saber mais sobre a replicação do DNA. A replicação do DNA ocorre simultaneamente em vários locais na mesma molécula. O que separa o par de bases no início da replicação do DNA?