Estrutura e função do núcleo e ribossomos da célula. Como eles trabalham juntos na produção de proteínas.

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.
A maioria das células tem um único núcleo, mas alguns tipos de células são exceções. Por exemplo, as células do músculo esquelético que compõem o músculo bíceps ou quadríceps são multinucleadas (têm múltiplos núcleos).
Como elas conseguiram todos esses núcleos? Durante o desenvolvimento, múltiplas células precursoras se fundem para formar uma única célula muscular. Cada uma contribui com um núcleo, dando à célula final os múltiplos núcleos.

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.
Imagem das partes do núcleo de uma célula eucariótica.
Figura: OpenStax Biology.
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 66 nucléolos1^1. Os procariontes, que não apresentam núcleo, não têm nucléolos e constroem seus ribomossos no citosol.
No câncer, as células se dividem de maneira descontrolada e excessiva, produzindo um tumor. Em muitos tumores cancerosos observa-se o aumento do tamanho e atividade do nucléolo, e células tumorais com nucléolos maiores estão relacionadas com prognósticos piores (câncer mais agressivo e de difícil erradicação). O nucléolo maior das células cancerosas ajudam a manter a sua rápida taxa de divisão2,3^{2,3}.

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 4646 cromossomos, enquanto uma célula de uma mosca-da-fruta tem 88.
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.
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.
Crédito da imagem: OpenStax Biology. Imagem à direita modificada do original por NIH; dados da escala de Matt Russell.
Para se ter uma noção da importância da compactação do DNA, considere que o DNA de uma célula humana típica teria aproximadamente 22 metros de comprimento se fosse estendido em uma linha reta. Todos os 22 metros daquele DNA estão compactados em um pequeno núcleo com um diâmetro de apenas 0,0060,006 mm. É uma façanha "geometricamente equivalente a colocar 4040 km (2424 milhas) de uma linha extremamente fina em uma bola de tênis" 4^4!

Ribossomos

Como mencionado acima, os ribossomos são as máquinas moleculares responsáveis pela síntese proteica. Um ribossomo é feito de RNA e proteínas, e cada ribossomo consiste de dois conjuntos de RNA-proteína distintos, conhecidos como as subunidades menor e maior. A subunidade maior fica em cima da subunidade menor, com uma molécula de RNA mensageiro entre elas, formando um "sanduíche". (Um ribossomo se parece um pouco com um hambúrguer, com um pão arrendondado em cima e um "recheio" de RNA espalhado.)
Nos eucariontes, os ribossomos recebem suas instruções do núcleo para a síntese proteica, onde pedaços de DNA (genes) são transcritos para fazer RNAs mensageiros (RNAms). Um RNAm viaja até o ribossomo, que utiliza a informação que ele contém para construir uma proteína com uma sequência específica de aminoácidos. Este processo é chamado de tradução. Os procariontes não possuem núcleo, assim seus RNAms são transcritos no citoplasma e podem ser traduzidos pelos ribossomos imediatamente.
Imagem de um ribossomo com as subunidades maior e menor, com um RNAm ligado e uma cadeia polipeptídica sendo formada. Uma molécula de RNAt é mostrada fazendo ligação com o RNAm e trazendo o aminoácido adequado para a posição certa para que ele seja acrescentado à cadeia.
Figura: OpenStax Biology.
Os ribossomos eucarióticos podem estar livres, flutuando no citoplasma, ou ligados ao retículo endoplasmático ou ao exterior do envelope nuclear. (No primeiro diagrama deste artigo, os pontos vermelhos representam os ribossomos ligados; o retículo endoplasmático com ribossomos ligados é conhecido como retículo endoplasmático rugoso.)
Como a síntese proteica é uma função essencial de todas as células, os ribossomos são encontrados em praticamente todos os tipos de células dos organismos multicelulares, assim como nos procariontes, tais como as bactérias. No entanto, as células eucarióticas que se especializam em produzir proteínas têm um número particularmente grande de ribossomos. Por exemplo, o pâncreas é responsável pela produção e secreção de grandes quantidades de enzimas digestivas, assim as células pancreáticas que fazem estas enzimas têm um número de ribossomos descomunalmente elevado.
Para terminar, um fato curioso: como um testemunho da importância do ribossomo, o Prêmio Nobel de Química de 2009 foi entregue a três pesquisadores que mapearam sua estrutura e movimentos até o nível atômico, usando uma técnica conhecida como cristalografia de raios X5^5.

Créditos:

Este artigo foi adaptado de “Eukaryotic cells,” de OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Acesse o artigo original gratuitamente em http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:18/Biology.
O artigo adaptado está autorizado sob a licença CC BY-NC-SA 4.0

Referências:

  1. SHEA, J. R.; LEBLOND, C. P. Number of nucleoli in various cell types of the mouse. Journal of Morphology, v. 119, n. 4, p. 425-433. 2005. http://dx.doi.org/10.1002/jmor.1051190404.
  2. DERENZINI, M.; MONTANARO, L.; TRERÉ, D. (2008). What the nucleolus says to a tumour pathologist. Histopathology, v. 54, n. 6, p. 753-762. 2008. http://dx.doi.org/10.1111/j.1365-2559.2008.03168.x.
  3. MONTANARO, L.; TRERÉ, D.; DERENZINI, M. Nucleolus, ribosomes, and cancer. Am. J. Pathol., v. 173, n. 2, p. 301-310. 2008. http://dx.doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752.
  4. ALBERTS, B.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P. Chromosomal DNA and its packaging in the chromatin fiber. In Molecular biology of the cell. 4th ed. New York: Garland Science, 2002. Disponível em http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26834/.
  5. The Nobel prize in chemistry 2009 - Press release. (2014). In Nobelprize.org. Disponível em http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2009/press.html.

Outras referências

Chromosome. (2015, July 29). Acesso em: Ago 10, 2015. Disponível em: (Wikipedia) https://en.wikipedia.org/wiki/Chromosome.
COOPER, G. M.; HUSMAN, R. E. (2004). Protein sorting and transport. In The cell: a molecular approach (3rd ed., pgs. 355-97). Washington, D.C.: ASM Press.
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