Núcleo, Ciclo Celular e Meiose

Universidade Federal de Pelotas

CDTec - Graduação em Biotecnologia

Disciplina de Biologia Celular

Abril, 2012

Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária

PNDP Biotecnologia/UFPel

Núcleo Celular

• Conceito:

– Corpúsculo celular relacionado ao controle de todas as atividades celulares.

• Funções:

– Armazenamento do material genético

– Controle o metabolismo celular através da transcrição do DNA em RNA

Núcleo Celular

• Características gerais: – Único – Esférico ou ovóide – Localizado no centro da célula ou levemente desviado

• O conteúdo do núcleo se apresenta com uma massa amorfa viscosa de material rodeada por um complexo envoltório nuclear;

• É a maior organela da célula animal; • Céls. com metabolismo intenso apresentam núcleos volumosos;

*Exceções: (eucariotos possuem forma variável)

• Céls hepáticas: 2 núcleos • Fibra muscular esquelética: dezenas de núcleos • Céls glandulares mucosas: forma achatada • Glóbulos brancos: forma lobulada • Céls. Vegetais: núcleo periférico

Núcleo Celular

Neurrônio binulceado

1. corte longitudinal 2. núcleos periféricos 3. corte transversal 4. núcleo periférico

• Estruturas do núcleo interfásico:

Núcleo Celular

1. Carioteca

2. Nucleoplasma

3. Nucléolo

4. Cromatina

* Núcleo metabolicamente mais ativo nesta fase do ciclo celular!

• Estruturas do núcleo interfásico:

Núcleo Celular

1. Carioteca: Envoltório Nuclear, formado por 2 membranas com poros (3.000 poros), onde

há intercâmbio de substâncias entre o núcleo e o citoplasma. Membranas são

lipoproteicas (30% lipídeos e 70% proteínas);

→ Membrana Externa: salpicada de ribossomos e contínua ao retículo

endoplasmático rugoso;

→ Cisterna Perinuclear: cavidade intermembranas;

→ Superfície Interna: lâmina nuclear (rede fibrosa de suporte mecânico);

→ Complexo Poro Nuclear: Nucleoporinas;

* Presença da Carioteca diferencia eucariotos de procariotos!

* Céls com alta atividade proteica apresentam mais poros!

• Centro de atividades para a movimentação de RNAs e proteínas –

Transporte Seletivo

• Estruturas nucleares:

Núcleo Celular

1. Carioteca :

COMPLEXO DO PORO

Nucleoporinas

• Diâmetro dos poros em torno de 100 nm; • Formados por 8 unidades de nucleoporinas; • 1,2 a 25% do envoltório nuclear;

Complexo Poro Nuclear

Complexo Poro Nuclear

Microscopia eletrônica da carioteca, mostrando o complexo poro nuclear.

• Estruturas nucleares:

Núcleo Celular

2. Nucleoplasma: ou Cariolinfa é uma massa incolor que preenche o núcleo celular.

* É constituído principalmente por água e proteínas. Além de nucleosídeos, nucleotídeos e íons; * Proteínas: enzimas de transcrição e duplicação do DNA; * Contém filamentos de cromatina e o nucléolo;

Matriz nuclear: estrutura fibrilar que forma o endoesqueleto nuclear.

• Estruturas nucleares:

Núcleo Celular

3. Nucléolo:

- Trata-se de um corpúsculo esponjoso e desprovido de membranas,

que se encontra em contato direto com o nucleoplasma, rico em RNA

ribossômico, além de proteínas e pouco DNA (DNA ribossômico);

- Geralmente esférico e visível em céls. vivas;

* Função: organização dos ribossomos, síntese de RNA ribossômico e

montagem das subunidades ribossômicas.

* Quanto maior o seu número e tamanho, maior é a síntese proteica da

célula.

Porção fibrilar: localização central, rRNA e proteínas ribossomais (porção central e densa);

Porção granular: localização periférica, subunidades ribossômicas em formação;

Região Organizadora do Nucléolo (NORs): cromatina;

Nucléolo

• Estruturas nucleares:

Núcleo Celular

4. Cromatina:

representa o material genético, complexo de DNA e proteínas que se

encontra dentro do núcleo celular nas células eucarióticas.

→ Sua organização é dinâmica devido alterações no ciclo celular

* Têm aspecto emaranhado de filamentos longos e finos, denominados

Cromonemas. Durante a divisão celular, os cromonemas espiralizam-se,

tornando-se mais curtos e mais grossos e passam a ser chamados de

Cromossomos.

- Heterocromatinas: regiões condensadas, DNA inativo (função estrutural).

- Eucromatinas: regiões distendidas, DNA ativo (expressão de proteínas e

enzimas).

* Cél. eucariótica quase todo o DNA está compactado na cromatina.

* Grande parte da cromatina é localizada na periferia do núcleo.

Cromatina:

• Proteínas da cromatina: Histonas e não-histônicas

• Não-histônicas: proteínas que participam da replicação e reparo do DNA, colaboram na disposição e compactação do DNA, e na ativação e repressão gênica

• Histonas: – principais proteínas da cromatina – participam da arquitetura molecular da cromatina – íntima associação com o DNA – São bastante estáveis – Tem peso molecular baixo e caráter básico (ricas em arginina e

lisina) – Ligam-se ao DNA através de seus radicais amino com os radicais

fosfatos do DNA – Tipos: H1 (220 aa) , H2A, H2B, H3 e H4 (102 a 135 aa)

Cromonema = Cromossomo

* Durante a divisão celular, os cromonemas espiralizam-se, tornando-se mais curtos e mais grossos. Podem, então, ser vistos individualmente e passam a ser chamados de cromossomos.

CLASSIFICAÇÃO DOS CROMOSSOMOS

Centômeros: local de inserção dos microtúbulos do fuso mitótico (Cinetocóros), importante nos movimentos mitóticos dos cromossomas.

Cromatina = Cromossomos

O material genético descondensado – Cromatina - é ativo, pois pode ser transcrito mais facilmente nesse estado.

Ao se tornar condensado – Cromossomo – a transcrição é dificultada, a divisão celular ocorre com maior precisão.

• Nucleossomo: unidade estrutural básica da cromatina (DNA em dupla hélice e Histonas). – Forma: cilíndrica achatada, 10 nm x 6 nm

* Constituído por 200 pares de bases (pb) de DNA associado com octâmero de histonas (H2A, H2B, H3 e H4) e uma molécula de H1

* Centro do nucleossomo (octâmero de histonas + 146 pb de DNA)

* DNA de ligação (15 até 100pb)

• Nucleofilamento ou fibra de 10 nm: 1º nível de compactação da cromatina. – Associação de nucleossomos adjacentes através da interação de H1 (extremidade

amino-terminal a extremidade carboxi-terminal)

– 10% durante a intérfase, permitindo acesso as enzimas de transcrição

• Solenóide ou fibra de 30 nm: 2º nível de compactação da cromatina. – Formada pelo enovelamento da fibra de 10 nm em estrutura helicoidal. Cada volta

contém 6 nucleossomos radiais

– Maioria durante a interfase

Cromatina:

Nucleossomo:

Cariótipo • Cariótipo é o conjunto cromossómico diploide (2n) de uma espécie,

representando o número total de cromossomos de uma célula somática;

• Cariograma: imagem dos cromossomos; Idiograma: esquema para estudo

dos cromossomos;

• Espécie humana, composto de 46 cromossomos em 23 pares (22 pares de

autossomos e 1 par sexual)

• Permite a análise das anomalias numéricas ou estruturais dos

cromossomos.

• O estudo do cariótipo (forma, tamanho e número de cromossomos) pode

ajudar no diagnóstico pré-natal ou pós-natal de aberrações genéticas.

Componentes Células Procariontes

Célula Animal

Célula Vegetal

Funções

Carioteca Ausente Presente Presente Movimentação de RNA e proteínas

Nucleoplasma Ausente Presente Presente Estrutura nuclear

Cromatina Presente Presente Presente Material genético (DNA + proteínas)

Nucléolo Ausente Presente Presente Rico em RNA ribossômico

• A informação genética é codificada (DNA) e armazenada no núcleo

da célula;

• Em uma célula em crescimento ou em diferenciação, o núcleo é

metabolicamente ativo, replicando DNA e sintetizando rRNA, tRNA

e mRNA.

• Nucléolo é o local de síntese de RNA ribossômico

• Dentro do núcleo o mRNA liga-se a proteínas específicas formando

partículas de ribonucleoproteinas

• Então passa para o citosol através dos poros nucleares para a

síntese de proteínas

Núcleo celular - pontos importantes:

Ciclo Celular

CICLO CELULAR Conceito: * Envolve processos desde a formação celular até a divisão em duas céls filhas *Eventos que preparam e realizam a divisão celular

• Função: proliferação celular, reposição e regeneração, diferenciação celular e latência.

• Células somáticas → célula duplica seu material genético e o distribui igualmente para duas células-filhas, multiplicam-se por mitose

• Células germinativas → gametas carregam metade do nº cromossômico, multiplicam-se por meiose (divisão reducional)

• Etapas coordenadas do ciclo celular:

1. Intérfase:

– Compreendida entre duas divisões sucessivas

– Período de Crescimento: célula cresce e prepara-se para nova divisão. Ocorre a duplicação dos

componentes da célula mãe.

2. Período de Divisão:

• divisão propriamente dita, se origina duas céls filhas

Cariocinese ou Mitose→ divisão nuclear

Citocinese → divisão citoplasmática

Ciclo Celular

• Fases do ciclo celular:

I. Intérfase:

- G1 → intervalo entre o fim da mitose e a síntese de DNA (fase mais variável);

- S → duplicação e síntese de DNA;

- G2 → intervalo entre o término da síntese de DNA e a próxima mitose;

G = gap (intervalo) S = síntese

* 95% do tempo de clico celular é gasto na Intérfase, porém tempo varia com tipo celular;

* Intérfase é uma fase de intensa atividade metabólica

* Síntese de RNA e proteínas;

CICLO CELULAR

CICLO CELULAR • Sinais químicos que controlam o ciclo provêm de fora e de dentro da

célula

• Sinais externos:

Hormônios

Fatores de crescimento (ligam-se a receptores de membrana das células alvo): PDGF, EGF, VEGF, FGF, IGF

* Complexo receptor-ligante ativa produção de sinalizadores intracelulares

• Sinais internos:

Sinalizadores ativam cascata de fosforilação intracelular, induzindo a expressão de genes. São proteínas de 2 tipos:

Ciclinas

Quinases (CDKs - Cinases Dependentes de Ciclina)

* Complexo CDK-ciclina fosforila proteínas específicas

– CKIs (Inibidores de CDK): proteínas que interagem com CDKs, bloqueando sua atividade de quinase;

– Complexo ubiquitina de degradação de proteína: degrada ciclinas e outras proteínas para promover a progressão do ciclo celular;

Controladores negativos

CICLO CELULAR - Intérfase

• Intensa síntese de RNA e proteínas;

• aumento do citoplasma da célula-filha recém formada;

• Se refaz o citoplasma, dividido durante a mitose;

• Cromatina não compactada e não distinguível como

cromossomos individualizados;

• Pode durar horas ou até meses;

• Inicia com estímulo de crescimento e posterior síntese de

ciclinas que vão se ligar as CDKs (quinases)

G1

CICLO CELULAR - Intérfase

• Duplicação do DNA – Replicação (semiconservativa)

• Cromatina com duplicação do DNA e Histonas

• aumenta a quantidade de DNA polimerase e RNA;

• Complexo ciclinaA/Cdk2 importante função antes da síntese de

DNA, fosforilando proteínas envolvidas na origem de replicação

do DNA;

• Fator Promotor da Mitose (MPF ou ciclinaB/cdc2), protege a

célula de segunda divisão no DNA até que entre na mitose;

S

CICLO CELULAR - Intérfase

• Tempo para o crescimento celular e para assegurar completa

replicação e reparação do DNA antes da mitose;

• Pequena síntese de RNA e proteínas essenciais para o início da

mitose;

• Acúmulo do Fator Promotor de Maturação (regulador geral da

transição de G2 para M)

• Eventos: condensação da cromatina, ruptura do envoltório

nuclear, montagem do fuso e degradação da ciclina

G2

• G0 → estado de quiescência

• Ponto de controle do ciclo celular:

I. Ponto de restrição (R):

– Ocorre ao fim da fase G1;

– impede a progressão do ciclo celular em condições desfavoráveis ou insatisfatórias;

– No momento que a célula passa por R atinge até a faze de Mitose;

* Em mamíferos a p53 é sinal de parada em G1 (células canrígenas)

II. Checkpoint G2-M

– Formação do fator Promotor da Maturação (ciclinas mitóticas ligam-se a proteínas CdK formando MPF)

CICLO CELULAR

CICLO CELULAR

Fases do Ciclo:

G1: 12 horas

S: 7 a 8 horas

G2: 3 a 4 horas

M: 1 a 2 horas

Total: 24 horas

• Em geral ciclo celular dura: 12 a 24 h em mamíferos; 1 hora em unicelulares.

Proliferação celular:

• Classificação celular de acordo à proliferação: 1. As células que se dividem continuamente • Células embrionárias, as do epitélio do intestino delgado

(renovação de três em três dias), as dos folículos capilares, as do sistema linfático e as da medula óssea (cél sanguíneas).

2. Dividem-se em reposta a estímulo • Podem permanecer em G0

• São cél desprovidas de fatores de crescimento, necessitam estímulo

• Fibroblastos, hepatócitos, cél renais, ovário, musculo liso, cél. Osseas.

3. Células terminalmente diferenciadas • Perdem permanentemente a capacidade reprodutiva

• Permanecem em G0

• Neurônios, músculo esquelético, cél cardíaca.

Meiose

MEIOSE

Conceito:

* Ciclo de divisão de células germinativas diplóides (2n) em células haplóides (n)

* Gametogênese

* Resulta na formação de 4 células diferentes geneticamente (humanos podem produzir 8.4 x 106 gametas diferentes)

→ Acontecem duas divisões celulares sucessivas após uma única duplicação do DNA (intérfase):

Meiose I → Divisão Reducional

Meiose II → Divisão Equacional

MEIOSE

Fases de cada divisão meiótica (Meiose I e Meiose II):

1. Prófase

2. Metáfase

3. Anáfase

4. Telófase

• Divisão Reducional = são formadas duas células haplóides a partir de uma diplóide

MEIOSE I

→ Prófase I: período exageradamente demorado (muito anos na oogenese e 13 a 14 dias na espermatogênese)

Eventos:

• Pareamento dos cromossomos homólogos – Garante a disjunção dos cromossomos homólogos (núcleos

filhos recebem um de cada par)

– Permite a recombinação gênica (crossing-over)

Contribui para a diversidade genética do processo evolutivo

MEIOSE I → Prófase I - Subdivisão:

• Leptóteno – Cromatina começa a condensação gradual em Cromossomos (ainda só é visível

filamentos finos)

– Cromômeros: pontos de condensação nos filamentos

– Núcleos Axiais

• Zigóteno – Sinapse (aproximação e pareamento dos cromossomos de forma ordenada)

– Complexo Sinaptonêmico (núcleo axial em contato com a cromatina)

MEIOSE I → Prófase I - Subdivisão:

• Paquíteno – Cromossomos permanecem pareados

– Recombinação gênica (crossing-over)*

• Diplóteno – Separação dos cromossomos homólogos

– Quiasmas (evidência citológica do crossing-over)

• Na oogênese ocorre o aumento do volume celular *Intensa atividade metabólica

MEIOSE I → Prófase I - Subdivisão:

• Diacinese – Aumento da repulsão entre cromossomos homólogos

– Terminalização dos quiasmas

– Aumento da condensação cromossômica e desaparecimento dos nucléolos (ruptura da envoltório)

Recombinação gênica ou Crossing-over

• Evento molecular que envolve troca de genes entre os cromossomos de origem materna e paterna

• Etapas:

1. Quebra do DNA

2. Formação de molécula de DNA híbrida

3. Substituição das bases impropriamente pareadas

* Nódulos de recombinação

Resultado final da Prófase I: características principais

pareamento dos cromossomos homólogos

crossing over

MEIOSE I

→ Metáfase I: • Os cromossomos homólogos, ainda emparelhados,

ocupam a região equatorial da célula, presos às fibras do

fuso acromático que emergem de centríolos opostos.

• Cromossomos atingem a sua condensação máxima (maior

que na mitose)

• Membrana nuclear desaparece; forma-se o fuso

• Centrômeros em polos opostos

Migração Cromátides-irmãs para polos opostos

Meiose I - Metáfase I

MEIOSE I → Anáfase I: • Os cromossomos homólogos separam-se, são movimentados

pelas fibras do fuso acromático que encurtam-se.

• Os cromossomos são direcionados para os pólos opostos da

célula (disjunção).

• Como ainda não ocorre a duplicação dos centrômeros, as

cromátides irmãs seguem juntas para o mesmo pólo.

• os conjuntos paterno e materno originais são separados em

combinações aleatórias

*Etapa propensa a erros chamados de não-disjunção

Formação da Placa Equatorial

Meiose I - Anáfase I

MEIOSE I

→ Telófase I: • Os cromossomos chegam aos pólos ainda duplicados,

formandos por duas cromátides presas pelo centrômero

• Carioteca se reorganiza surgindo dois novos núcleos ocorrendo

a citocinese

• Cromossomos se desespiralizam, reaparecem os nucléolos

• Desorganiza-se o fuso acromático, os centríolos duplicam-se

• Citocinese: Citoplasma se divide e são originadas duas células

haplóides.

Formação de duas células Haplóides

Meiose I - Telófase I

MEIOSE - Intercinese

• No intervalo entre a meiose I e II, ocorre a intercinese, cada

uma das duas células iniciará a divisão II.

• Fase breve

• Essa fase difere da intérfase por não ocorrer a replicação da

informação genética, tal como ocorre na intérfase.

• Não ocorre a fase S (então não há duplicação do DNA)

*Células Haplóides (n) e de quantidade 2C de DNA, pois

cromossomos estão duplicados

MEIOSE II

* Semelhante a Mitose

→ Prófase II: É bem simplificada, visto que os cromossomos não

perdem a sua condensação durante a telófase I.

Eventos:

• Os cromossomos condensam-se, desaparecem os nucléolos, os

centríolos duplicados ocupam pólos opostos na célula, surge o

fuso acromático, a carioteca desorganiza-se e os cromossomos

espalham-se pelo citoplasma, prendendo-se às fibras do fuso

acromático pelo centrômero.

Meiose II - Profase II

MEIOSE II

→ Metáfase II: Os cromossomos ligados ao fuso são

transportados ao centro da célula formando a placa equatorial.

Não há mais homólogos nas células eles se dispõem um sobre o

outro, como na mitose.

MEIOSE II

→ Anáfase II: Devido a tração do fuso em sentidos diferentes

ocorre a quebra do centrômero e as cromátides irmãs são

separadas.

MEIOSE II

→ Telófase II: Reaparecimento da carioteca e do nucléolo,

descondensação cromossômica, ocorre a citocinese e formação

de quatro células haplóides e geneticamente diferentes.

* Cada célula dessa meiose irá conter um grupo de cromossomos

não homólogos. Redução cromossonal e da quantidade de DNA

(n, 1C).

MEIOSE II – Telófase II

Resultados da meiose

• Início Meiose:

→ 1 cromossomo = 2 moléculas de DNA idênticas de dupla hélice

(2 cromátides-irmãs), unidas pelo centrômero: 46 cromossomos =

4C = 2n

• Final Meiose I:

→ 1 cromossomo = 2 cromátides-irmãs: 23 cromossomos = 2C = n

• Final Meiose II:

→ 1 cromossomo = 1 cromátide (1 molécula de DNA): 23

cromossomos = C = n

2n é restaurado com a fertilização!

Vídeo - Biologia da Meiose

http://www.youtube.com/watch?v=oxcmnYTqxYM&feature=player_embedded

Gametogênese • Oogênese:

* Processo de formação do gameta feminino, (óvulo).

a) Período germinativo: as Oogônias (2n) sofrem mitoses

formando várias células durante o período embrionário.

b) Período de crescimento: as oogônias aumentam de tamanho

dando origem a células que agora são chamadas oócitos I

c) Período de maturação: Os ovócitos I entram em meiose I,

dando origem a duas células, uma maior (n) oócito II e outra

menor (n) 1º corpúsculo polar. Inicia-se então a meiose II; o

oócito II dará origem a duas células (n), oócito e 2º corpúsculo

polar.

Gametogênese

• Oogênese: – Os ovócitos primários entram em meiose I e ficam parados

em prófase I (diplóteno) da meiose I até a puberdade

– Entra em meiose II, até metáfase II, e é finalmente completada na época da fertilização

– Gestações em idade avançada estão mais sujeitas a malformações, devido ao maior de tempo exposto a risco de mutações do que um ovócito de uma mulher mais jovem

– Quase todo o citoplasma vai para uma célula filha, que depois irá formar o oócito, outra célula é o Corpúsculo Polar (uma pequena célula que se degenera)

Gametogênese

• Espermatogênese: a) Período germinativo: as espermatôgonias dividem-se por mitose, dando origem a várias outras gônias. Período de multiplicação ocorre durante a vida toda.

b) Período de crescimento: as mitoses param e a espermatogônia cresce dando origem a uma célula maior, o Espermatócito I.

c) Período maturação: Espermatócito I (2n) entra em meiose I, dando origem a duas células (n), Espermatócitos II, que entram em meiose II formando quatro células (n), Espermátides.

d) Espermiogênese: espermátides sofrem transformações, originando Espermatozóides.

Gametogênese

• Microtúbulos

• Microfilamentos

• Cromatina

VG Pró-M MI

MI AI TI

MII MII Deg

Microscopia

Confocal:

Tremoleda et al., 2001.

Tremoleda et al., 2006.

Fecundação