10.1: Divisão celular

Habilidades para desenvolver

• Descreva a estrutura dos genomas procarióticos e eucarióticos
• Faça a distinção entre cromossomos, genes e características
• Descreva os mecanismos de compactação cromossômica

A continuidade da vida de uma célula para outra tem sua base na reprodução das células por meio do ciclo celular. O ciclo celular é uma sequência ordenada de eventos que descreve os estágios da vida de uma célula, desde a divisão de uma única célula-mãe até a produção de duas novas células-filhas. Os mecanismos envolvidos no ciclo celular são altamente regulados.

DNA genômico

Antes de discutir as etapas que uma célula deve realizar para se replicar, é necessário um entendimento mais profundo da estrutura e função da informação genética de uma célula. O DNA de uma célula, empacotado como uma molécula de DNA de fita dupla, é chamado de genoma. Em procariontes, o genoma é composto por uma única molécula de DNA de fita dupla na forma de um laço ou círculo (Figura\(\PageIndex{1}\)). A região da célula que contém esse material genético é chamada de nucleóide. Alguns procariontes também têm laços menores de DNA chamados plasmídeos que não são essenciais para o crescimento normal. As bactérias podem trocar esses plasmídeos por outras bactérias, às vezes recebendo novos genes benéficos que o receptor pode adicionar ao seu DNA cromossômico. A resistência a antibióticos é uma característica que geralmente se espalha por uma colônia bacteriana por meio da troca de plasmídeos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Os procariontes, incluindo bactérias e arquéias, têm um único cromossomo circular localizado em uma região central chamada nucleóide.

Em eucariotos, o genoma consiste em várias moléculas lineares de DNA de fita dupla (Figura\(\PageIndex{2}\)). Cada espécie de eucarioto tem um número característico de cromossomos nos núcleos de suas células. As células do corpo humano têm 46 cromossomos, enquanto os gametas humanos (espermatozóides ou óvulos) têm 23 cromossomos cada. Uma célula corporal típica, ou célula somática, contém dois conjuntos combinados de cromossomos, uma configuração conhecida como diploide. A letra n é usada para representar um único conjunto de cromossomos; portanto, um organismo diploide é designado 2 n. As células humanas que contêm um conjunto de cromossomos são chamadas de gametas, ou células sexuais; são óvulos e espermatozóides, e são designadas 1 n, ou haplóides.

Figura\(\PageIndex{2}\): Existem 23 pares de cromossomos homólogos em uma célula somática humana feminina. Os cromossomos condensados são vistos dentro do núcleo (parte superior), removidos de uma célula em mitose e espalhados em uma lâmina (direita) e dispostos artificialmente de acordo com o comprimento (esquerda); um arranjo como esse é chamado de cariótipo. Nesta imagem, os cromossomos foram expostos a manchas fluorescentes para diferenciação dos diferentes cromossomos. Um método de coloração chamado “pintura cromossômica” emprega corantes fluorescentes que destacam cromossomos em cores diferentes. (crédito: Projeto Nacional do Genoma Humano/NIH)

Pares de cromossomos combinados em um organismo diploide são chamados de cromossomos homólogos (“mesmo conhecimento”). Os cromossomos homólogos têm o mesmo comprimento e segmentos específicos de nucleotídeos chamados genes exatamente no mesmo local ou locus. Os genes, as unidades funcionais dos cromossomos, determinam características específicas codificando proteínas específicas. Traços são as variações dessas características. Por exemplo, a cor do cabelo é uma característica com traços loiros, castanhos ou pretos.

Cada cópia de um par homólogo de cromossomos se origina de um pai diferente; portanto, os genes em si não são idênticos. A variação de indivíduos dentro de uma espécie se deve à combinação específica dos genes herdados de ambos os pais. Mesmo uma sequência ligeiramente alterada de nucleotídeos dentro de um gene pode resultar em uma característica alternativa. Por exemplo, existem três possíveis sequências genéticas no cromossomo humano que codificam o tipo sanguíneo: sequência A, sequência B e sequência O. Como todas as células humanas diplóides têm duas cópias do cromossomo que determina o tipo sanguíneo, o tipo sanguíneo (a característica) é determinado por quais duas versões do marcador genes são herdados. É possível ter duas cópias da mesma sequência genética em ambos os cromossomos homólogos, com uma em cada um (por exemplo, AA, BB ou OO), ou duas sequências diferentes, como AB.

Pequenas variações de características, como tipo sanguíneo, cor dos olhos e destreza, contribuem para a variação natural encontrada dentro de uma espécie. No entanto, se toda a sequência de DNA de qualquer par de cromossomos homólogos humanos for comparada, a diferença será menor que um por cento. Os cromossomos sexuais, X e Y, são a única exceção à regra da uniformidade dos cromossomos homólogos: além de uma pequena quantidade de homologia necessária para produzir gametas com precisão, os genes encontrados nos cromossomos X e Y são diferentes.

Estrutura e compactação cromossômicas eucarióticas

Se o DNA de todos os 46 cromossomos do núcleo de uma célula humana fosse colocado de ponta a ponta, ele mediria aproximadamente dois metros; no entanto, seu diâmetro seria de apenas 2 nm. Considerando que o tamanho de uma célula humana típica é de cerca de 10 µm (100.000 células alinhadas para equivaler a um metro), o DNA deve ser bem empacotado para caber no núcleo da célula. Ao mesmo tempo, também deve estar facilmente acessível para que os genes sejam expressos. Durante alguns estágios do ciclo celular, as longas cadeias de DNA são condensadas em cromossomos compactos. Há várias maneiras pelas quais os cromossomos são compactados.

No primeiro nível de compactação, trechos curtos da dupla hélice do DNA envolvem um núcleo de oito proteínas histonas em intervalos regulares ao longo de todo o comprimento do cromossomo (Figura\(\PageIndex{3}\)). O complexo DNA-histona é chamado de cromatina. O complexo de DNA de histona em forma de grânulo é chamado de nucleossomo, e o DNA que conecta os nucleossomos é chamado de DNA ligante. Uma molécula de DNA nessa forma é cerca de sete vezes menor que a dupla hélice sem as histonas, e as esferas têm cerca de 10 nm de diâmetro, em contraste com o diâmetro de 2 nm de uma dupla hélice de DNA. O próximo nível de compactação ocorre quando os nucleossomos e o DNA ligante entre eles são enrolados em uma fibra de cromatina de 30 nm. Esse enrolamento encurta ainda mais o cromossomo, de modo que agora é cerca de 50 vezes menor do que a forma estendida. No terceiro nível de empacotamento, uma variedade de proteínas fibrosas é usada para embalar a cromatina. Essas proteínas fibrosas também garantem que cada cromossomo em uma célula não divisória ocupe uma área específica do núcleo que não se sobreponha à de nenhum outro cromossomo (veja a imagem superior na Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): O DNA de fita dupla envolve as proteínas da histona para formar nucleossomos que têm a aparência de “contas em uma corda”. Os nucleossomos são enrolados em uma fibra de cromatina de 30 nm. Quando uma célula sofre mitose, os cromossomos se condensam ainda mais.

O DNA se replica na fase S da interfase. Após a replicação, os cromossomos são compostos por duas cromátides irmãs ligadas. Quando totalmente compactos, os pares de cromossomos empacotados de forma idêntica são ligados uns aos outros por proteínas de coesina. A conexão entre as cromátides irmãs é mais próxima em uma região chamada centrômero. As cromátides irmãs conjuntas, com um diâmetro de cerca de 1 µm, são visíveis sob um microscópio de luz. A região centromérica é altamente condensada e, portanto, aparecerá como uma área restrita.

Link para o aprendizado

Esta animação ilustra os diferentes níveis de empacotamento cromossômico.

Resumo

Os procariontes têm um único cromossomo circular composto por DNA de fita dupla, enquanto os eucariotos têm vários cromossomos lineares compostos de cromatina cercados por uma membrana nuclear. Os 46 cromossomos das células somáticas humanas são compostos por 22 pares de autossomos (pares combinados) e um par de cromossomos sexuais, que podem ou não ser combinados. Este é o 2 n ou estado diploide. Os gametas humanos têm 23 cromossomos ou um conjunto completo de cromossomos; um conjunto de cromossomos está completo com qualquer um dos cromossomos sexuais. Este é o estado n ou haplóide. Genes são segmentos de DNA que codificam uma proteína específica. As características de um organismo são determinadas pelos genes herdados de cada progenitor. Os cromossomos duplicados são compostos por duas cromátides irmãs. Os cromossomos são compactados usando uma variedade de mecanismos durante certos estágios do ciclo celular. Várias classes de proteínas estão envolvidas na organização e empacotamento do DNA cromossômico em uma estrutura altamente condensada. O complexo condensador compacta os cromossomos, e a estrutura condensada resultante é necessária para a segregação cromossômica durante a mitose.

Glossário

ciclo celular

sequência ordenada de eventos pelos quais uma célula passa entre uma divisão celular e a próxima

centrômero

região na qual as cromátides irmãs estão unidas; uma área restrita nos cromossomos condensados

cromátide

molécula única de DNA de duas cadeias de DNA duplicado e proteínas associadas mantidas juntas no centrômero

diploide

célula, núcleo ou organismo contendo dois conjuntos de cromossomos (2 n)

gameta

célula reprodutiva haplóide ou célula sexual (espermatozóide, grão de pólen ou óvulo)

gene

unidade física e funcional da hereditariedade, uma sequência de DNA que codifica uma proteína.

genoma

informação genética total de uma célula ou organismo

haplóide

célula, núcleo ou organismo contendo um conjunto de cromossomos (n)

histona

uma das várias proteínas básicas similares, altamente conservadas e de baixo peso molecular encontradas na cromatina de todas as células eucarióticas; associa-se ao DNA para formar nucleossomos

cromossomos homólogos

cromossomos da mesma morfologia com genes no mesmo local; organismos diplóides têm pares de cromossomos homólogos (homólogos), com cada homólogo derivado de um pai diferente

locus

posição de um gene em um cromossomo

nucleossomo

subunidade da cromatina composta por um pequeno comprimento de DNA enrolado em torno de um núcleo de proteínas histônicas