Núcleo, Ciclo Celular e Meiose

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1 Universidade Federal de Pelotas CDTec - Graduação em Biotecnologia Disciplina de Biologia Celular Núcleo, Ciclo Celular e Meiose Priscila M. M. de Leon Dra., Médica Veterinária PNDP Biotecnologia/UFPel Abril, 2012

2 Núcleo Celular

3 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

4 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

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

7 Núcleo Celular Estruturas do núcleo interfásico: 1. Carioteca 2. Nucleoplasma 3. Nucléolo 4. Cromatina * Núcleo metabolicamente mais ativo nesta fase do ciclo celular!

8 Núcleo Celular Estruturas do núcleo interfásico: 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

9 Estruturas nucleares: 1. Carioteca : Núcleo Celular

10 Complexo Poro Nuclear Diâmetro dos poros em torno de 100 nm; Formados por 8 unidades de nucleoporinas; 1,2 a 25% do envoltório nuclear; COMPLEXO DO PORO Nucleoporinas

11 Complexo Poro Nuclear Microscopia eletrônica da carioteca, mostrando o complexo poro nuclear.

12 Estruturas nucleares: 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. Núcleo Celular

13 Núcleo Celular Estruturas nucleares: 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;

14 Nucléolo

15 Núcleo Celular Estruturas nucleares: 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.

16 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)

17 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.

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

19 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.

20 Cromatina: 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 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

21 Nucleossomo:

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24 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.

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26 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

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28 Núcleo celular - pontos importantes: 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

29 Ciclo Celular

30 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 célulasfilhas, multiplicam-se por mitose Células germinativas gametas carregam metade do nº cromossômico, multiplicam-se por meiose (divisão reducional)

31 Ciclo Celular 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

32 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;

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34 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

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36 Controladores negativos 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;

37 CICLO CELULAR - Intérfase G1 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)

38 CICLO CELULAR - Intérfase S 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;

39 CICLO CELULAR - Intérfase G2 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

40 CICLO CELULAR 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)

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42 Fases do Ciclo: G1: 12 horas S: 7 a 8 horas G2: 3 a 4 horas M: 1 a 2 horas Total: 24 horas CICLO CELULAR Em geral ciclo celular dura: 12 a 24 h em mamíferos; 1 hora em unicelulares.

43 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.

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45 Meiose

46 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 10 6 gametas diferentes) Acontecem duas divisões celulares sucessivas após uma única duplicação do DNA (intérfase): Meiose I Divisão Reducional Meiose II Divisão Equacional

47 MEIOSE Fases de cada divisão meiótica (Meiose I e Meiose II): 1. Prófase 2. Metáfase 3. Anáfase 4. Telófase

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

50 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

51 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)

52 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

53 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)

54 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

55 Resultado final da Prófase I: características principais pareamento dos cromossomos homólogos crossing over

56 Metáfase I: MEIOSE 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

57 Meiose I - Metáfase I

58 Anáfase I: MEIOSE 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

59 Meiose I - Anáfase I

60 Telófase I: MEIOSE 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

61 Meiose I - Telófase I

62 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

63 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.

64 Meiose II - Profase II

65 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.

66 MEIOSE II Anáfase II: Devido a tração do fuso em sentidos diferentes ocorre a quebra do centrômero e as cromátides irmãs são separadas.

67 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).

68 MEIOSE II Telófase II

69 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!

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72 Vídeo - Biologia da Meiose

73 Oogênese: Gametogênese * 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.

74 Oogênese: Gametogênese 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)

75 Espermatogênese: Gametogênese 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.

76 Gametogênese

77 Microscopia Confocal: VG Pró-M MI Microtúbulos Microfilamentos MI AI TI Cromatina MII MII Deg Tremoleda et al., 2001.

78 Fecundação Tremoleda et al., 2006.