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Núcleo celular

núcleo celular - Wikilingue - Encydia

Células HeLa teñidas mediantes a tinción de Hoechst, que marca em azul o DNA. A célula central e a última da direita encontram-se em interfase , pelo que seu núcleo se tem teñido completamente. Na esquerda encontra-se uma célula em mitosis , pelo que seu DNA se encontra condensado e pronto para a divisão.
Figura do núcleo e o retículo endoplásmico: (1) Envoltura nuclear. (2) Ribosomas. (3) Poros Nucleares. (4) Nucléolo. (5) Cromatina. (6) Núcleo. (7) Retículo endoplasmático. (8) Nucleoplasma.

Em Biologia o núcleo celular (do latín nucleus ou nuculeus, coração de uma fruta) é um orgánulo membranoso que se encontra nas células eucariotas. Contém a maior parte do material genético celular, organizado em múltiplas moléculas lineares de DNA de grande longitude formando complexos com uma grande variedade de proteínas como as histonas para formar os cromosomas. O conjunto de genes desses cromosomas são o genoma nuclear. A função do núcleo é manter a integridade desses genes e controlar as actividades celulares regulando a expressão genética. Por isso se diz que o núcleo é o centro de controle da célula.

As principais estruturas que constituem o núcleo são a envoltura nuclear, uma dupla membrana que rodeia completamente ao orgánulo e separa seu conteúdo do citoplasma, e a lâmina nuclear, uma trama por embaixo dela que lhe proporciona suporte mecânico de forma semelhante a como o citoesqueleto suporta ao resto da célula. Já que a envoltura nuclear é impermeable à maior parte das moléculas, os poros nucleares, que cruzam as duas membranas que a formam, são necessários para permitir o passo de moléculas a seu través, já que permitem o trânsito de pequenas moléculas, como os iones, mas o movimento de moléculas maiores, como as proteínas está cuidadosamente controlado, requerendo um transporte activo regulado por proteínas transportadoras. O transporte celular é crucial para a função celular, já que precisa-se o passo através destes poros para a expressão genética e a manutenção cromosómico.

Ainda que o interior do núcleo não contém nenhum subcompartimento membranoso, seu conteúdo não é uniforme, existindo uma verdadeira quantidade de corpos subnucleares compostos por tipos exclusivos de proteínas, moléculas de ARN e segmentos particulares dos cromosomas. O melhor conhecido de todos eles é o nucléolo, que principalmente está implicado na síntese dos ribosomas. Depois de ser produzidos no nucléolo, estes se exportam ao citoplasma, onde traduzem o ARN.

Conteúdo

História

A descrição conhecida mais antiga das células e seu núcleo por Antonie vão Leeuwenhoek em 1719.
Desenho de uma glándula salival de Chironomus realizado por Walther Flemming em 1882. O núcleo contém cromosomas politénicos.

O núcleo foi o primeiro orgánulo em ser descoberto. Provavelmente, o desenho mais antigo que se conserva deste orgánulo se remonta a um dos primeiros microscopistas, Antonie vão Leeuwenhoek (1632–1723). Este pesquisador observou um oco ou "lumen", o núcleo, em eritrocitos de salmón .[1] Ao invés que os eritrocitos de mamífero , os do resto de vertebrados são nucleados. O núcleo também foi descrito em 1804 por Franz Bauer, e posteriormente com mais detalhe pelo botánico escocês Robert Brown em uma charla ditada ante a Sociedade linneana de Londres em 1831 .[2] Brown estava a estudar a estrutura microscópica das orquídeas quando observou uma área opaca, que chamou areola ou núcleo, nas células da capa externa da flor, conquanto não sugeriu uma função potencial para tal estrutura.[3] Em 1838 Matthias Schleiden propôs que o núcleo desempenhava um papel na geração de células, o denominando por isso "citoblasto" (construtor de células). Pensava que tinha observado células novas ao redor destes "citoblastos". Franz Meyen foi um forte opositor desta opinião tendo descrito previamente células que se multiplicavam por divisão e achando que muitas células careceriam de núcleo. A ideia de que as células se podiam gerar de novo, bem pelo "citoblasto" ou bem de outro modo, contradiziam os trabalhos de Robert Remak (1852) e Rudolf Virchow (1855) quem propagaram decisivamente o novo paradigma de que as células só eram geradas por outras células ("Omnis cellula e cellula"). A função do núcleo permanecia sem aclarar.[4]

Entre 1876 e 1878 Oscar Hertwig publicou vários estudos sobre a fecundación de ovos de arrepio de mar, mostrando que o núcleo do espermatozoide entrava no oocito, fundindo com seu núcleo. Esta foi a primeira vez que se sugeriu que um indivíduo se desenvolvia a partir de uma sozinha célula nucleada. Isto estava em contradição com a teoria de Ernst Haeckel que enunciaba que se repetia a filogenia completa de uma espécie durante o desenvolvimento embrionario, incluindo a geração da primeira célula nucleada a partir de uma "monerula", uma massa desestructurada de moco primordial ("Urschleim", em alemão). Por tanto, a necessidade do núcleo espermático para a fecundación esteve em discussão por um tempo. Não obstante, Hertwig confirmou sua observação em outros grupos animais, por exemplo em anfibios e moluscos. Eduard Strasburger obteve os mesmos resultados em plantas (1884). Isto allanó o caminho para a atribuição de um papel importante do núcleo na herança. Em 1873 August Weismann postuló a equivalencia das células germinales paternas e maternas na herança. A função do núcleo como portador de informação genética se fez patente só depois, depois da descoberta da mitosis e o redescubrimiento da herança mendeliana a princípios do século XX. Isto supôs o desenvolvimento da teoria cromosómica da herança.[4]

Estruturas

O núcleo é o orgánulo de maior tamanho nas células animais.[5] Nas células de mamífero , o diâmetro média do núcleo é de aproximadamente 6 micrômetros (μm), o qual ocupa aproximadamente o 10% do total do volume celular.[6] Nos vegetales, o núcleo geralmente apresenta entre 5 a 25 µm e é visível com microscopio óptico. Nos hongos observaram-se casos de espécies com núcleos muito pequenos, de ao redor de 0,5 µm, os quais são visíveis somente com microscopio electrónico. Nas oósferas de Cycas e de coníferas atinge um tamanho de 0,6 mm, isto é que resulta visível a simples vista.[7]

O líquido viscoso de seu interior denomina-se nucleoplasma e sua composição é similar à que se encontra no citosol do exterior do núcleo.[8] A grandes rasgos tem o aspecto de um orgánulo denso e esférico.

Envoltura e poros nucleares

Artigo principal: Poro nuclear
Núcleo celular eucariota. Neste diagrama visualiza-se a dupla membrana tachonada de ribosomas da envoltura nuclear, o DNA (complejado como cromatina, e o nucléolo. Dentro do núcleo celular encontra-se um líquido viscoso conhecido como nucleoplasma, similar ao citoplasma que se encontra fora do núcleo.
Secção transversal de um poro nuclear na superfície da envoltura nuclear (1). Outros elementos são (2) o anel externo, (3) raios, (4) cesta e (5) filamentos.

A envoltura nuclear, também conhecida como membrana nuclear se compõe de duas membranas, uma interna e outra externa, dispostas em paralelo a uma sobre a outra com uma separação de 10 a 50 nanómetros (nm). A envoltura nuclear rodeia completamente ao núcleo e separa o material genético celular do citoplasma circundante, servindo como barreira que evita que as macromoléculas difundam livremente entre o nucleoplasma e o citoplasma.[9] A membrana nuclear externa é contínua com a membrana do retículo endoplásmico rugoso (RER), e está igualmente tachonada de ribosomas . O espaço entre as membranas conhece-se como espaço perinuclear e é contínuo com a luz do RER.

Os poros nucleares, que proporcionam canais acuosos que atravessam a envoltura, estão compostos por múltiplas proteínas que colectivamente se conhecem como nucleoporinas. Os poros têm 125 milhões de daltons de importância molecular e compõem-se de aproximadamente 50 (em fermentos) a 100 proteínas (em vertebrados ).[5] Os poros têm um diâmetro total de 100 nm; não obstante, o oco pelo que difundem livremente as moléculas é de 9 nm de largo devido à presença de sistemas de regulação no centro do poro. Este tamanho permite o livre passo de pequenas moléculas hidrosolubles enquanto evita que moléculas de maior tamanho entrem ou saiam de maneira inadequada, como ácidos nucleicos e proteínas grandes. Estas moléculas grandes, em lugar disso, devem ser transportadas ao núcleo de forma activa. O núcleo típico de uma célula de mamífero dispõe dentre 3000 e 4000 poros ao longo de seu envoltura,[10] a cada um dos quais contém uma estrutura em anel com simetría octal na posição na que as membranas, interna e externa, se fundem.[11] Ancorada ao anel encontra-se a estrutura denominada cesta nuclear que se estende para o nucleoplasma, e uma série de extensões filamentosas que se projectam no citoplasma. Ambas estruturas mediam a união a proteínas de transporte nucleares.[5]

A maioria das proteínas, subunidades do ribosoma e alguns ARNs transportam-se através dos complexos de poro em um processo mediado por uma família de factores de transportes conhecidas como carioferinas. Entre estas se encontram as importinas, que intervêm no transporte em direcção ao núcleo, e as que realizam o transporte em sentido contrário, que se conhecem como exportinas. A maioria das carioferinas interactúan directamente com seu ónus, ainda que algumas utilizam proteínas adaptadoras.[12] As hormonas esteroideas como o cortisol e a aldosterona, bem como outras moléculas pequenas hidrosolubles implicadas na señalización celular podem difundir através da membrana celular e no citoplasma, onde se unem a proteínas que actuam como receptores nucleares que são conduzidas ao núcleo. Servem como factores de transcrição quando se unem a seu unindo. Em ausência de unindo muitos destes receptores funcionam como histona deacetilasas que reprimem a expressão genética.[5]

Lâmina nuclear

Artigo principal: Lâmina nuclear

Nas células animais existem duas redes de filamentos intermediários que proporcionam suporte mecânico ao núcleo: a lâmina nuclear forma uma trama organizada na cara interna da envoltura, enquanto na cara externa este suporte é menos organizado. Ambas redes de filamentos intermediários também servem de lugar de ancoragem para os cromosomas e os poros nucleares.[6]

A lâmina nuclear está composta por proteínas que se denominam lâminas. Como todas as proteínas, estas são sintetizadas no citoplasma e mais tarde se transportam ao interior do núcleo, onde se montam dantes de incorporar à rede preexistente.[13] [14] As lâminas também se encontram no interior do nucleoplasma onde formam outra estrutura regular conhecida como velo nucleoplásmico,[15] que é visível usando interfase.[16] As estruturas das lâminas que formam o velo se unem à cromatina e mediante a disrupción de sua estrutura inhiben a transcrição de genes que codifican para proteínas.[17]

Como os componentes de outros filamentos intermediários, os monómeros de lâmina contêm um domínio alfa hélice utilizada por duas monómeros para enroscarse o um com o outro, formando um dímero com um motivo em hélice arrollada. Dois dessas estruturas dimétricas unem-se posteriormente lado com lado dispostos de modo antiparalelo para formar um tetrámero denominado protofilamento. Oito desses protofilamentos dispõem-se lateralmente para formar um filamento. Esses filamentos podem-se montar ou desensamblar de modo dinâmico, o que significa que as mudanças na longitude do filamento dependem das taxas em competição de adição e deslocação.[6]

As mutaciones nos genes das lâminas conduzem a defeitos na montagem dos filamentos conhecidas como laminopatías. Destas, a mais destacable é a família de doenças conhecida como progerias, que dão a aparência de um envejecimiento prematuro a quem a sofrem. Desconhece-se o mecanismo exacto pelo que as mudanças bioquímicos associados dão lugar ao fenotipo progeroide.[18]

Cromosomas

Artigo principal: Cromosoma
Um núcleo celular de fibroblasto de rato no que o DNA está teñido de azul. Os diferentes territórios do cromosoma 2 (vermelho) e cromosoma 9 (verde) estão teñidos mediante hibridación fluorescente insitu .

O núcleo celular contém a maior parte do material genético celular em forma de múltiplas moléculas lineares de DNA conhecidas como cromatina, e durante a divisão celular esta aparece na forma bem definida que se conhece como cromosoma. Uma pequena fracção dos genes situa-se em outros orgánulos, como as mitocondrias ou os cloroplastos das células vegetales.

Existem dois tipos de cromatina: a eucromatina é a forma de DNA menos compacta, e contém genes que são frequentemente expressados pela célula.[19] O outro tipo, conhecido como heterocromatina, é a forma mais compacta, e contém DNA que se transcribe de forma infrequente. Esta estrutura classifica-se a sua vez em heterocromatina facultativa, que consiste em genes que estão organizados como heterocromatina só em certos tipos celulares ou em certos estádios do desenvolvimento, e heterocromatina constitutiva, que consiste em componentes estruturais do cromosoma como os telómeros e os centrómeros.[20] Durante a interfase a cromatina organiza-se em territórios individuais discretos, os territórios cromosómicos.[21] [22] Os genes activos, que se encontram geralmente na região eucromática do cromosoma, tendem a localizar nas fronteiras dos territórios cromosómicos.[23]

Associaram-se anticuerpos a certos tipos de organização cromatínica, em particular os nucleosomas com várias doenças autoinmunes como o lupus eritematoso sistémico.[24] Estes são conhecidos como anticuerpos antinucleares (ANA) e também se observaram em concerto com a esclerosis múltipla no contexto de uma disfunción inmune generalizada.[25] Como o caso dantes mencionado da progeria, o papel que desempenham os anticuerpos na indução dos sintomas da doença autoinmune não está ainda aclarado.

Nucléolo

Artigo principal: Nucléolo
micrografía electrónica de um núcleo celular, mostrando seu nucléolo teñido em um tom mais escuro (elétron-denso).

O nucléolo é uma estrutura discreta que se tiñe densamente e se encontra no núcleo. Não está rodeado por uma membrana, pelo que em ocasiões se diz que é um suborgánulo. Forma-se ao redor de repetições em tándem de ADNr , que é o DNA que codifica o ARN ribosómico (ARNr). Estas regiões chamam-se organizadores nucleolares. O principal papel do nucléolo é sintetizar o ARNr e montar os ribosomas. A coesão estrutural do nucléolo depende de sua actividade, já que a montagem ribosómico no nucléolo resulta em uma associação transitória dos componentes nucleolares, facilitando a posterior montagem de outros ribosomas. Este modelo está apoiado pela observação de que a inactivación do ARNr dá como resultado na "mistura" das estruturas nucleolares.[26]

O primeiro passo da montagem ribosómico é a transcrição do ADNr pela ARN polimerasa I, formando um longo pré-ARNr precursor. Este é escindido nas subunidades 5,8S, 18S, e 28S ARNr.[27] A transcrição, processamento pós-transcripcional e montagem do ARNr tem lugar no nucléolo, ajudado por moléculas de ARN pequeno nucleolar, algumas das quais se derivam de intrones ayustados de ARN mensageiro relacionados com a função ribosomal. Estas subunidades ribosomales montadas são as estruturas maiores que passam através dos poros nucleares.[5]

Quando se observa baixo o microscopio electrónico, se pode ver que o nucléolo se compõe de três regiões distinguibles: os centros fibrilares (FCs), rodeados pelo componente fibrilar denso (DFC), que a sua vez está demarcado pelo componente granular (GC). A transcrição do ADNr tem lugar tanto no FC como na zona de transição FC-DFC, e por isso quando a transcrição do ADNr aumenta, se observam mais FC's. A maior parte da escisión e modificação dos ARNr tem lugar no DFC, enquanto os últimos passos que implicam a montagem de proteínas nas subunidades ribosómicas têm lugar no GC.[27]

Outros corpos subnucleares

Tamanho da estrutura subnuclear
Nome da estrutura Diâmetro da estrutura
Corpos de Cajal 0,2–2,0 µm[28]
PIKA 5 µm[29]
Corpos PML 0,2–1,0 µm[30]
Paraspeckles 0,2–1,0 µm[31]
Speckles 20–25 nm[29]

Além do nucléolo, o núcleo contém uma verdadeira quantidade de corpos delimitados não membranosos. Entre estes se encontram os corpos de Cajal (corpos enrollados), os chamados "Géminis dos corpos enrollados" (Gemini of coiled bodies, em inglês), a denominada Associação Cariosómica Polimórfica Interfásica (PIKA, por suas siglas em ingles de Polymorphic Interphase Karyosomal Association), os Corpos da Leucemia Promielocítica (PMLs, por suas siglas em inglês de promyelocytic leukaemia), os "paraspeckles" e os "specles de ayuste" ou "motas de junte" ("splicing speckles" em inglês). Ainda que sabe-se pouco sobre o número destes domínios subnucleares, são significativos assim que que mostram que o nucleoplasma não é uma mistura uniforme, senão que mais bem contém subdominios funcionais organizados.[30]

Outras estruturas subnucleares aparecem como parte de processos patológicos. Por exemplo, viu-se a presença de pequenas bengalas intranucleares em alguns casos de miopatía nemalínica. Esta doença produz-se tipicamente por mutaciones no gene da actina, e as bengalas em si mesmos estão constituídos pela actina produzida a partir de tais genes mutantes, bem como outras proteínas do citoesqueleto.[32]

Corpos de Cajal e GEMs

O núcleo típico possui de 1 a 10 estruturas compactas denominadas Corpos de Cajal ou corpos enrollados (CBs, por suas siglas em inglês de Coiled Bodies), cujo diâmetro mede entre 0,2 µm e 2,0 µm dependendo do tipo celular e espécie.[28] Quando se observam baixo o microscopio electrónico, se assemelham a ovillos de fios enmarañados,[29] e são focos densos de distribuição da proteína coilina.[33] Os CBs estão implicados em vários tipos diferentes de funções relacionadas com o processamento de ARN, especificamente na maduración do ARN nucleolar pequeno (snoRNA) e o ARN nuclear pequeno (snRNA), e modificação do ARNm de histonas .[28]

Semelhantes aos corpos de Cajal encontram-se os "Geminis de corpos enrollados ou GEMs (por suas siglas em inglês de Gemini of Coiled Bodies), cujo nome se deriva da constelação de Géminis por sua relação quase como de gémeos com os Corpos de Cajal. Os GEMs são similares em forma e tamanho a estes últimos, e de facto são virtualmente indistinguibles ao microscopio.[33] A diferença dos corpos de Cajal, não contêm snRNPs, mas contêm uma proteína que se denomina motoneurona sobrevivente (SMN, por suas siglas em inglês de survivor of motor neurons), cuja função se relaciona com a biogénesis do snRNP. Acha-se que os GEMs ajudam aos CBs na biogénesis do snRNP,[34] ainda que também se sugeriu a partir de evidências de microscopía que os CBs e os GEMs são diferentes manifestações da mesma estrutura.[33]

Domínios PIKA e PTF

Os domínios PIKA, ou Associações Cariosómicas Polimórficas de Interfase, foram descritos pela primeira vez em estudos de microscopía em 1991. Sua função era e permanece pouco clara, ainda que não se pensa que estejam associados com a replicação activa de DNA, transcrição ou processamento de ARN.[35] Tem-se visto que frequentemente associam-se com domínios discretos definidos por localizações densas do factor de transcrição PTF, que promove a transcrição do ARNnp.[36]

Corpos PML

Os corpos PML ou da proteína da leucemia promielocítica (PML, por suas siglas em inglês de Promyelocytic leukaemia) são corpos esféricos que se encontram dispersos no nucleoplasma, e que medem ao redor de 0,2–1,0 µm. Conhecem-se por outros nomes, como domínio «nuclear 10» (ND10), «corpos de Kremer», e «domínios oncogénicos PML». Com frequência vêem-se no núcleo associados com os corpos de Cajal. Sugeriu-se que desempenham um papel na regulação da transcrição.[30]

Paraspeckles

Descobertos em 2002, os paraspeckles são compartimentos de forma irregular do espaço intercromatínico do núcleo.[37] Foram documentados pela primeira vez em células HeLa, onde pelo geral se encontram entre 10–30 por núcleo,[38] actualmente se sabe que os paraspeckles também existem em todas as células primárias humanas, as linhagens de células transformadas e as secções de tecidos.[39] Seu nome deriva-se de sua distribuição no núcleo. O prefixo "para" é uma apócope de "paralelo" e "speckles" (mancha ou mota, em inglês) refere-se a sua proximidade aos "splicing speckles" ou motas de ayuste.[38]

Os paraspeckles são estruturas dinâmicas que se alteram em resposta a mudanças na actividade celular metabólica. São dependentes da transcrição,[37] e em ausência de transcrição da ARN Pol II, os paraspeckles desaparecem, e todas as proteínas associadas que o compõem (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 e PSF) formam uma tampa perinucleolar em forma de quarto crescente no nucléolo. Este fenómeno manifesta-se durante o ciclo celular, no que estão presentes em interfase e durante toda a mitosis, excepto em telofase . Durante a telofase, quando os dois núcleos filhos se formam, não há transcrição por parte da ARN polimerasa II, de modo que os componentes proteicos formam em seu lugar uma tampa perinucleolar.[39]

Speckles

Em ocasiões denominados agrupamentos de gránulos intercromatínicos ou compartimentos de factores de ayuste, os speckles, manchas ou motas, são ricos em ARNnps procedentes do ayuste e outras proteínas do mesmo processo que se precisam no processamento do pré-ARNm.[40] Devido aos requerimientos variáveis da célula, a composição e localização destes corpos muda de acordo à transcrição de ARNm e à regulação via fosforilación de proteínas específicas.[41]

Corpos de escisión

Chamados Cleavage bodies, em inglês, costumam-se encontrar sócios aos corpos de Cajal, com um diâmetro de 0,2 a 1,0 μm e em número de 1-10 por núcleo. A diferença de outros corpos nucleares, aparecem somente durante determinados períodos do ciclo celular. Alguns destes contêm o complexo CPSF-100 (por suas siglas em inglês de cleavage and polyadenylation specificity factor: factor de especificidad para o corte e a poliadenilación), e podem-se observar predominantemente durante as fases S e G, enquanto os que contêm o factor de poliadenilación CstF-64-containing se observam principalmente na fase S. Estão associados com o clúster de genes da histona.[42]

Corpos DDX1

Os corpos DDX1 são agregados da proteína DDX1, pertencente à família de helicasas de ARN que contêm o motivo "DEAD box", se encontram em um número que varia de dois a quatro. Já que parece que estes corpos são recrutados em lugares nos que se produziu dano no DNA que está hibridando com DNA, parece que estes corpos desempenham um papel no reparo de zonas com rupturas de dupla corrente, facilitando o reparo guiado por padrão de regiões do genoma transcripcionalmente activas.[42]

Função

A principal função do núcleo celular é controlar a expressão genética e mediar na replicação do DNA durante o ciclo celular. O núcleo proporciona uma localização para a transcrição no citoplasma, permitindo níveis de regulação que não estão disponíveis em procariotas .

Compartimentalización celular

A envoltura nuclear permite ao núcleo controlar seu conteúdo e separar do resto do citoplasma quando seja necessário. Isto é importante para controlar processos em qualquer dos lados da membrana nuclear. Em alguns casos, quando se precisa restringir um processo citoplasmático, um participante finque se retira ao núcleo, onde interactúa com factores de transcrição para reprimir a produção de certas enzimas da rota. Este mecanismo regulador tem lugar no caso da glucólisis, uma rota celular na que se utiliza a glucosa para produzir energia. A hexoquinasa é a enzima responsável do primeiro passo da glucólisis, produzindo glucosa-6-fosfato a partir da glucosa. A altas concentrações de fructosa-6-fosfato , uma molécula que se forma posteriormente a partir da glucosa-6-fosfato, uma proteína reguladora retira a hexoquinasa ao núcleo,[43] onde forma um complexo com outras proteínas nucleares que reprime a transcrição dos genes implicados na glucolisis.[44]

Para controlar que genes se devem transcribir, a célula impede o acesso físico de alguns factores de transcrição responsáveis por regular a expressão genética até que são activados por outras rotas de señalización. Isto impede que se dêem inclusive pequenos níveis de expressão genética inadequada. Por exemplo, no caso dos genes controlados por NF-κB, que estão implicados na maior parte das respostas inflamatorias, a transcrição se induze em resposta a uma cascata de señalización celular como a que se inicia com a molécula señalizadora TNF-α unindo a um receptor da membrana celular, o que produz o reclutamiento de proteínas señalizadoras e finalmente a activação do factor de transcrição NF-κB. Um sinal de localização nuclear que possui a proteína NF-κB lhe permite ser transportada através do poro nuclear ao núcleo, onde estimula a transcrição dos genes alvo.[6]

A compartimentalización permite à célula impedir a tradução de ARNm não ayustado.[45] O ARNm contém intrones que se devem retirar dantes de ser traduzidos para produzir proteínas funcionais. O ayuste efectua-se no interior do núcleo dantes de que o ARNm possa aceder aos ribosomas para sua tradução. Sem o núcleo os ribosomas traduziriam ARNm recém transcrito e sem processar, o que produziria proteínas mau dobradas e deformadas.

Expressão genética

Artigo principal: Expressão genética
Micrografía de uma transcrição genética em curso de ácido ribonucleico ribosomal que ilustra o crescimento dos transcritos primários. "Beginn" indica o extremo 3' do DNA, onde começa a síntese de novo ARN. "Ende" indica o extremo 5', onde os transcritos primários estão praticamente completos.

A expressão genética implica em primeiro lugar a transcrição, na que o DNA se utiliza como molde para produzir ARN. No caso dos genes que codifican proteínas, o ARN gerado por este processo é o ARN mensageiro (ARNm), que posteriormente precisa ser traduzido pelos ribosomas para formar uma proteína. Já que os ribosomas localizam-se fora do núcleo, o ARNm sintetizado deve ser exportado.[46]

Já que o núcleo é o lugar onde se dá a transcrição, está dotado de um conjunto de proteínas que, ou bem estão implicadas directamente neste processo, ou em sua regulação. Entre estas encontramos as helicasas, que desenrollan a molécula de DNA de dupla corrente para facilitar o acesso da maquinaria de síntese, a ARN polimerasa, que sintetiza o ARN a partir do molde de DNA, a topoisomerasa, que varia a quantidade de superenrollamiento do DNA, bem como uma ampla variedade de factores de transcrição que regulam a expressão genética.[47]

Processamento do pré-ARNm

As moléculas de ARNm recém sintetizadas conhecem-se como transcritos primários ou pré-ARNm. Posteriormente devem-se submeter a modificação pós-transcripcional no núcleo dantes de ser exportados ao citoplasma. O ARNm que aparece no núcleo sem estas modificações acaba degradado em lugar de utilizar para a tradução nos ribosomas. As três modificações principais são: A do extremo 5' (5' caping), a poliadenilación do extremo 3' e o ayuste de ARN. Enquanto permanece no núcleo, o pré-ARNm associa-se com várias proteínas em complexos conhecidos como ribonucleoproteínas heterogéneas nucleares ou hnRNPs. A adição das modificações do extremo 5' tem lugar no momento da transcrição e é o primeiro passo nas modificações postranscripcionales. A bicha de poliadenina 3' só se acrescenta uma vez que a transcrição está completa.

O ayuste (splicing ou corte e junte) de ARN, levado a cabo por um complexo denominado espliceosoma é o processo pelo que os intrones se retiram do pré-ARNm, permanecendo unicamente os exones conectados para formar uma sozinha molécula contínua. Este processo normalmente finaliza depois dos dois anteriores, mas pode começar dantes de que a síntese esteja completa em transcritos com muitos exones.[5] Muitos pré-ARNm's, incluindo os que codifican anticuerpos, se podem cortar e juntar de múltiplas formas para produzir diferentes ARNm maduros, que por isso codifican diferentes sequências de proteínas. Este processo conhece-se como ayuste alternativo, e permite a produção de uma grande variedade de proteínas a partir de uma quantidade limitada de DNA.

Dinâmica e regulação

Transporte nuclear

As macromoleculas, como o ARN e as proteínas são transportadas activamente através da membrana nuclear em um processo conhecido como "ciclo de transporte nuclear Ran-GTP.

A entrada e saída de grandes moléculas do núcleo está estritamente controlada pelos complexos de poros nucleares. Ainda que as pequenas moléculas podem entrar no núcleo sem regulação,[48] as macromoléculas como o ARN e as proteínas requerem se associar a carioferinas telefonemas importinas para entrar no núcleo, e exportinas para sair. As proteínas carregadas que devem ser translocadas desde o citoplasma ao núcleo contêm curtas sequências de aminoácidos conhecidas como sinais de localização nuclear que estão unidas às importinas, enquanto as transportadas desde o núcleo ao citoplasma possuem sinais de exportação nuclear unidas às exportinas. A capacidade das importinas e as exportinas para transportar seu ónus está regulado por GTPasas , enzimas que hidrolizan GTP libertando energia. A GTPasa chave no transporte nuclear é Ran, que pode unir ou bem GTP ou bem GDP (guanosina difosfato), dependendo de se está localizada no núcleo ou no citoplasma. Enquanto as importinas dependem de Ran-GTP para desassociar de seu ónus, as exportinas precisam Ran-GTP para unir a seu ónus.[12]

A importação nuclear depende de que a importina se uma a seu ónus no citoplasma e o transporte através do poro nuclear ao núcleo. Dentro do núcleo, a Ran-GTP actua separando o ónus da importina, permitindo a esta sair do núcleo e ser reutilizada. A exportação nuclear é similar, já que a exportina une-se ao ónus dentro do núcleo em um processo facilitado por RanGTP, e sai através do poro nuclear, separando de seu ónus no citoplasma.

As proteínas especializadas de exportação servem para a traslocación de ARNm maduro e ARTt ao citoplasma após que a modificação postranscripcional se completa. Este mecanismo de controle de qualidade é importante devido ao papel central dessas moléculas na tradução de proteínas. A expressão inadequada de uma proteína devido a uma escisión de exones incompleta ou a incorporação impropia de aminoácidos poderia ter consequências negativas para a célula. Por isso, o ARN não modificado por completo que atinge o citoplasma é degradado em lugar de ser utilizado na tradução.[5]

Montagem e desensamblaje

Arquivo:Mitosis-flourescent.jpg
Imagem de um neumocito de tritón teñido com colorantes fluorescentes durante a metafase. O fuso mitótico pode ver-se teñido em azul claro. Todos os cromosomas excepto um se encontram na placa metafásica.

Durante seu período de vida um núcleo pode desensamblarse, ou bem em decorrência da divisão celular, ou como consequência da apoptosis, uma forma regulada de morte celular. Durante estes acontecimentos, os componentes estruturais do núcleo —a envoltura e a lâmina— são sistematicamente degradados.

Durante o ciclo celular a célula divide-se para formar duas células. Para que este processo seja possível, a cada uma das novas células filha deve adquirir um jogo completo de genes, um processo que requer a replicação dos cromosomas, bem como a segregación em jogos separados. Isto se produz quando os cromosomas já replicados, as cromátides filhas, se unem aos microtúbulos, os quais a sua vez se unem a diferentes centrosomas. As cromátides filha podem ser fraccionadas para localizações separadas na célula. Não obstante, em muitas células o centrosoma localiza-se no citoplasma, fora do núcleo, pelo que os microtúbulos seriam incapazes de se unir às cromátides em presença da envoltura nuclear.[49] Por tanto, nos estádios temporões do ciclo celular, começando em profase e até quase a prometafase, desmantela-se a membrana nuclear.[15] De forma similar, durante o mesmo período se desensambla a lâmina nuclear, um processo que está regulado pela fosforilación das lâminas.[50] Para o final do ciclo celular reforma-se a membrana nuclear, e em torno do mesmo tempo, a lâmina nuclear se reensambla desfosforilando as lâminas.[50]

A apoptosis é um processo controlado no que os componentes estruturais da célula são destruídos, o que produz a morte da célula. As mudanças associadas com a apóptosis afectam directamente ao núcleo e a seus conteúdos, por exemplo na condensación da cromatina e a desintegração da envoltura nuclear e a lâmina. A destruição das redes de lâmina está controlada por proteasas apoptóticas especializadas denominadas caspasas, que desintegran a lâmina nuclear e desse modo degradam a integridade estrutural do núcleo. A desintegração da lâmina nuclear utiliza-se em ocasiões nos laboratórios como indicador da actividade da caspasa em ensaios de actividade apoptótica temporã.[15] As células que expressam lâminas resistentes às caspasas são deficientes nas mudanças nucleares relacionados com a apoptosis, o que sugere que as lâminas desempenham um papel importante no início dos eventos que conduzem à degradação apoptótica do núcleo.[15] A inhibición da própria montagem da lâmina nuclear é por si mesma um inductor da apoptosis.[51]

A envoltura nuclear actua como uma barreira que evita que vírus de DNA ou ARN penetrem no núcleo. Algum vírus precisam aceder a proteínas dentro do núcleo para replicar-se ou montar-se. O vírus de DNA, como o herpesvirus se replicam e montam no núcleo celular, e saem brotando através da membrana nuclear interna. Este processo acompanha-se do desensamblaje da lâmina nuclear na cara nuclear da membrana interna.[15]

Células anucleadas e polinucleadas

Os eritrocitos humanos, ao igual que os de outros mamíferos, carecem de núcleo. Isto tem lugar como uma parte normal do desenvolvimento deste tipo de célula.

Ainda que a maior parte das células têm um único núcleo, alguns tipos celulares carecem dele, enquanto outros possuem múltiplos núcleos. Isto pode ser um processo normal, como é no caso da maduración dos eritrocitos, ou bem o resultado de uma divisão celular defeituosa.

As células anucleadas carecem de núcleo, e pelo mesmo são incapazes de dividir-se para produzir células filhas. O caso melhor conhecido de célula anucleada é o eritrocito de mamífero, que também carece de outros orgánulos como mitocondrias, e servem em princípio como veículos de transporte de oxigénio desde os pulmões aos tecidos. Os eritrocitos maduram graças à eritropoyesis na medula óssea, onde perdem seu núcleo, orgánulos e ribosomas. O núcleo é expulsado durante o processo de diferenciación de eritroblasto a reticulocito , o qual é o precursor imediato do eritrocito maduro.[52] mutágenos pode induzir a libertação de alguns eritrocitos imaturos "micronucleados" à torrente sanguíneo.[53] [54] Também podem aparecer células anucleadas a partir de uma divisão celular defeituosa na que uma célula filha carece de núcleo, enquanto a outra possui duas.

As células polinucleadas contêm múltiplos núcleos. A maior parte dos protozoos da classe Acantharea,[55] e alguns hongos que formam micorrizas,[56] têm células polinucleadas de forma natural. Outros exemplos seriam os parasitas intestinales do género Giardia, que possui dois núcleos na cada célula.[57] Nos seres humanos, o músculo esquelético possui células, telefonemas miocitos, que se convertem em polinucleadas durante seu desenvolvimento. A disposição resultante dos núcleos na região periférica da célula permite um espaço intracelular máximo para as miofibrillas.[5] As células multinucleadas também podem ser anormales em humanos. Por exemplo, as que surgem da fusão de monocitos e macrófagos, conhecidas como células multinucleadas gigantes, podem ser observadas em ocasiões acompanhando à inflamación,[58] e também estão implicadas na formação de tumores.[59]

Evolução

Ao ser a melhor característica que define a célula eucariota, a origem evolutivo do núcleo tem sido objecto de muita especulação. Entre as teorias propostas, podem-se considerar quatro como as principais, ainda que nenhuma delas tem encontrado um amplo apoio.[60]

A teoria conhecida como "modelo sintrófico" propõe que uma relação simbiótica entre arqueas e bactérias criou a primeira célula eucariota nucleada. Estabelece-se a hipótese de que a simbiosis teve lugar quando uma arquea antiga similar aos actuais metanógenos foram invadidos e parasitados por bactérias similares às actuais myxobacteria, formando eventualmente o núcleo primitivo. Esta teoria é análoga a teoria aceitada da origem das mitocondrias e cloroplastos eucariotas, dos que se pensa que se desenvolveram por uma relação endosimbionte similar entre protoeucariotas e bactérias aerobias.[61] A origem arqueano do núcleo está apoiado pela circunstância de que tanto arqueas como eucariotas têm genes similares em certas proteínas, incluindo as histonas. Ao observar que as myxobacterias são móveis, podem formar complexos multicelulares e possuem proteínas G similares às de eucariotas, também se pode aceitar uma origem bacteriano da célula eucariota.[62]

Um segundo modelo propõe que as células protoeucariotas evoluíram a partir de bactérias sem que se desse um estádio simbionte. Este modelo baseia-se na existência de uma bactéria moderna pertencente ao fio das planctomycetes que possuem uma estrutura nuclear com poros primitivos e outras estruturas compartimentalizadas por membrana.[63] Uma proposta similar estabelece que uma célula similar à eucariota, o cronocito, apareceu em primeiro lugar, e posteriormente fagocitó arqueas e bactérias para dar lugar ao núcleo e à célula eucariota.[64]

O modelo mais controvertido, conhecido como eucariogénesis viral afirma que muitos rasgos da célula eucariota como a presença de um núcleo que se continua com a membrana surgiram pela infecção de um antepassado procariota por um vírus. Isto está sugerido em base a similitudes entre eucariotas e vírus como as fibras lineares de DNA, o processamento "caping" do extremo 5' do ARNm e a forte união a proteínas do DNA (fazendo às histonas análogas da envoltura vírica). Uma versão desta proposta sugere que o núcleo evoluiu concertadamente com a fagocitosis para dar lugar a um depredador celular primitivo.[65] Outra variante propõe que os eucariotas se originaram de arqueas primitivas infectadas por poxvirus , se baseando na similitud do modernas DNA polimerasas entre estes e os eucariotas.[66] [67] Sugeriu-se que a questão não resolvida da evolução da sexualidad pôde estar relacionada com a hipótese da eucariogénesis viral.[68]

Finalmente, uma proposta muito recente sugere que as variantes tradicionais da teoria endosimbionte são insuficientes para explicar a origem do núcleo eucariota. Este modelo, denominado a hipótese da exomembrana, sugere que o núcleo se originou em lugar disso a partir de uma célula ancestral original que desenvolveu uma segunda membrana celular exterior. A membrana interior que encerrava a célula original se converteu então na membrana nuclear evoluindo para desenvolver estruturas de poro a cada vez mais elaboradas para o passo de componentes celulares sintetizados internamente, como as subunidades ribosómicas.[69]

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Enlaces externos

Modelo:ORDENAR:Nucleo celular

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