O núcleo celular, organelo primeiramente descrito por Franz Bauer, em 1802, é uma estrutura presente nas células eucariontes, que contém o ADN (ou DNA) da célula. É delimitado pelo envoltório nuclear, e se comunica com o citoplasma através dos poros nucleares. O núcleo possui duas funções básicas: regular as reações químicas que ocorrem dentro da célula, e armazenar as informações genéticas da célula. O seu diâmetro pode variar de 11 a 22.25 μm.
Além do material genético, o núcleo também possui algumas proteínas com a função de regular a expressão gênica, que envolve processos complexos de transcrição, pré-processamento do mRNA (RNA mensageiro), e o transporte do mRNA formado para o citoplasma. Dentro do núcleo ainda podemos encontrar uma estrutura denominada nucléolo, que é responsável pela produção de subunidades dos ribossomos.
O envoltório nuclear é responsável tanto por separar as reações químicas que ocorrem dentro do citoplasma daquelas que ocorrem dentro do núcleo, quanto por permitir a comunicação entre esses dois ambientes. Essa comunicação é realizada pelos poros nucleares que se formam da fusão entre a membrana interna e a externa do envoltório nuclear.
O interior do núcleo é composto por uma matriz denominada de nucleoplasma, que é um líquido de consistência gelatinosa, similar ao citoplasma. Dentro dele estão presentes várias substâncias necessárias para o funcionamento do núcleo, incluindo bases nitrogenadas, enzimas, proteínas e fatores de transcrição. Também existe uma rede de fibras dentro do nucleoplasma (chamada de matriz nuclear), cuja função ainda está sendo discutida.
O ADN presente no núcleo encontra-se geralmente organizado na forma de cromatina (que pode ser eucromatina ou heterocromatina), durante o período de interfase. Durante a divisão celular, porém, o material genético é organizado na forma de cromossomos.
Sua posição é geralmente central, acompanhando o formato da célula, mas isso pode variar de uma para outra. Nos eritrócitos dos mamíferos, o núcleo está ausente.
Índice[esconder]

História

Desenho de um núcleo celular, por Walther Flemming, feito em 1882.
O núcleo celular foi o primeiro organelo a ser descoberto, tendo sido primeiramente descrito por Franz Bauer, em 1802.[1] Foi mais tarde descrito em mais detalhe pelo botânico escocês Robert Brown, em 1831, numa palestra na Sociedade Linneana de Londres. Brown estava a estudar orquídeas ao microscópio quando observou uma região opaca, que chamou de auréola ou núcleo, existentes nas células da camada exterior, em flores.[2] Na altura não sugeriu nenhuma potencial função. Em 1838, Matthias Schleiden propôs que o núcleo desempenhava um papel na geração de células, tendo introduzido o nome "citoblasto" (gerador de células). Acreditou que tinha observado novas células a aparecerem à volta dos "citoblastos". Franz Meyen era um forte opositor a esta teoria, tendo já descrito células a multiplicar-se por divisão e acreditando que muitas células não teriam núcleo. A idéia de que as células podem ser geradas de novo, pelo "citoblasto", contradizia os trabalhos de Robert Remak (1852) e Rudolf Virchow (1855), que decisivamente propagaram o paradigma de que as células são geradas somente por outras células ("Omnis cellula e cellula"). A função do núcleo permanecia, no entanto, pouco clara.[3]
Entre 1876 e 1878, Oscar Hertwig publicou vários estudos sobre a fertilização em óvulos de ouriço-do-mar, mostrando que o núcleo do espermatozóide entra no oócito, fundindo-se com o seu núcleo. Esta foi a primeira vez que era sugerido que um indivíduo se desenvolve a partir de uma única célula nucleada. Isto vinha em contradição com a teoria de Ernst Haeckel, de que a filogenia completa de uma espécie era repetida durante o desenvolvimento embrionário, incluindo a geração da primeira célula nucleada a partir de uma "Monerula", uma massa sem estrutura, de muco primordial ("Urschleim"). A necessidade de um núcleo espermático para a fertilização foi discutida por algum tempo. No entanto, Hertwig confirmou as suas observações em outros grupos animais, como por exemplo em anfíbios e moluscos. Eduard Strasburger produziu os mesmos resultados em plantas (1884). Isto abriu o caminho para estabelecer o núcleo como tendo um papel primordial na hereditariedade. Em 1873, August Weismann postulou a equivalência das células germinais paternais e maternas para a hereditariedade. A função do núcleo, como transportador da informação genética, apenas ficou clara mais tarde, após a mitose ter sido descoberta e a hereditariedade mendeliana ter sido redescoberta, no início do século XX. Nessa altura, a teoria cromossómica da hereditariedade foi desenvolvida.[3]

Estrutura
O núcleo é o maior organelo celular em animais.[4] Em células de mamíferos, o diâmetro médio anda tipicamente à volta de 11 a 22μm e ocupa 10% do volume total.[5] O líquido viscoso dentro do núcleo denomina-se nucleoplasma, e é similar ao citoplasma encontrado no exterior do núcleo.

Citoesqueleto
Ver artigo principal: Citoesqueleto
Nas células animais, duas redes de filamentos intermédios providenciam suporte estrutural ao núcleo: a lâmina nuclear forma uma rede organizada na face interna do envelope, enquanto que um tipo de suporte menos organizado é providenciado pela face citosólica do envelope. Ambos os sistemas dão o suporte estrutural para o envelope nuclear e actuam como pontos de ancoragem para os cromossomas e poros nucleares.[5]
A lâmina nuclear é essencialmente composta por proteínas denominadas laminas. Como todas as proteínas, as laminas são sintetizadas no citoplasma e depois transportadas para o interior do núcleo, onde são agregadas antes de serem incorporadas na rede existente de lâmina nuclear.[6][7] As laminas podem também ser encontradas dentro do nucleoplasma, onde formam uma estrutura regular[8] que é visível com o auxílio de microscopia de fluorescência. A função desta estrutura ainda não está totalmente estabelecida, embora se saiba que está excluída do nucléolo e está presente durante a interfase.[9] As estruturas de laminas que formam esta estrutura ligam-se à cromatina e rompendo a sua estrutura dá-se a inibição da transcrição de genes que codificam proteínas.[10]
Tal como os componentes de outros filamentos intermédios, o monómero de lamina contém um domínio em alfa-hélice, usados por dois monómeros para se enrolarem um no outro, formando uma estrutura dimérica denominada coiled-coil. Então, duas destas estruturas diméricas colocam-se lado a lado, num arranjo antiparalelo, formando um tetrâmero denominado protofilamento. Oito destes protofilamentos formam um arranjo lateral que é torcido de molde a formar uma estrutura semelhante a uma corda. Estes filamentos podem ser juntos ou separados de uma maneira dinâmica, significando que o comprimento do filamento depende das diferentes taxas de adição e remoção de filamento.[5]

Cromossomas

O núcleo de um fibroblasto de um rato, no qual o ADN está colocado do azul. Os distintos territórios cromossómicos, do cromossoma 2 (a vermelho) e do cromossoma 9 (a verde) são visíveis através de coloração hibridização fluorescente in situ.
Ver artigo principal: Cromossoma
O núcleo celular contém a maioria do material genético da célula, sob a forma de múltiplas moléculas lineares de ADN organizadas em estruturas denominadas cromossomas. Durante a maior parte do ciclo celular estão organizados num complexo ADN-proteína conhecido como cromatina, e durante a divisão celular a cromatina pode ser vista a formar os cromossomas bem definidos que são familiares de um cariótipo. Uma pequena fracção dos genes da célula está localizada na mitocôndria.
Existem dois tipos de cromatina. A eucromatina é a forma menos compacta de ADN, e contém genes que são frequentemente expressos pela célula.[11] O outro tipo, a heterocromatina, é a forma mais compacta, e contém ADN que não é frequentemente transcrito. Esta estrutura é ainda mais categorizada em heterocromatina facultativa, consistindo de genes que estão organizados como heterocromatina apenas em certos tipos de célula ou em certos estágios de desenvolvimento, e a heterocromatina constitutiva, que consiste em componente cromossómicos estruturais como os telómeros e os centrómeros.[12] Durante a interfase, a cromatina organiza-se em pequenos aglomerados individuais,[13] denominados territórios cromossómicos.[14] Os genes activos, que são normalmente encontrados na região da eucromatina, tendem a estar localizados nas fronteiras deste territórios cromossómicos.[15]
Anticorpos associados com certos tipos de organização da cromatina, particularmente os nucleossomas, têm sido relacionados com um número de doenças autoimunes, tal como o lupus eritematoso sistémico.[16] Estes são conhecidos como anticorpos antinucleares (AAN) e têm sido observados concertadamente com esclerose múltipla, como parte de uma disfunção geral do sistema imunitário.[17] Tal como no caso da progeria, o papel desempenhado pelos anticorpos na indução dos sintomas de doenças autoimunes não é ainda óbvio.

Envelope nuclear e poros nucleares
Ver artigos principais: Envelope nuclear e Poro nuclear.

O núcleo da célula eucariota. Neste diagrama é visível a dupla membrana do envelope nuclear, impregnada de ribossomas, o ADN e o nucléolo. Dentro do núcleo existe um líquido viscoso denominado nucleoplasma, similar ao do citoplasma que se encontra fora do núcleo.
o envelope nuclear é composto por duas membranas celulares dispostas em paralelo (uma interior e outra exterior) e separadas por 10 a 50 nanómetros. O envelope nuclear envolve completamente o núcleo e separa o material genético da célula do citoplasma, servindo como barreira à difusão livre de macromoléculas entre o nucleoplasma e o citoplasma[18] A membrana nuclear externa é contínua com a membrana do retículo endoplasmático rugoso (RER), estando igualmente recoberta de ribossomas. O espaço entre as membranas nucleares é chamado de espaço perinuclear e tem continuidade com o lúmen do RER.
Os poros nucleares providenciam canais aquosos através do envelope, sendo compostos por múltiplas proteínas, colectivamente denominadas de nucleoporinas. Os poros possuem cerca de 125 milhões de dalton de peso molecular e consistem em cerca de 50 (em leveduras) a 100 proteínas (em vertebrados).[4] Os poros possuem 100 nm de diâmetro total; no entanto, o espaço através do qual as substâncias difundem livremente tem apenas 9 nm de largura, devido à presença de sistemas de regulação no centro do poro. Este tamanho permite a livre passagem de pequenas moléculas solúveis em água ao mesmo tempo em que impede que moléculas de maiores dimensões, como os ácidos nucleicos e proteínas entrem ou saiam de maneira inapropriada. Estas moléculas maiores terão que ser transportadas para o interior do núcleo de maneira activa. O núcleo de uma típica célula de mamífero tem cerca de 3000 a 4000 poros através de todo o seu envelope,[19] com cada um deles contendo uma estrutura anelar, de simetria octogonal, no local onde as membranas interna e externa se fundem.[20] Ligado a este anel existe uma estrutura em forma de cesto que se estende em direcção ao nucleoplasma, e uma série de extensões filamentosas que alcançam o citoplasma. Ambas as estruturas servem para mediar a ligação a proteínas transportadoras nucleares.[4]
A maioria das proteínas, subunidades ribossomais e alguns ARN são transportados através dos complexos de poros num processo mediado por uma família de factores de transporte denominadas carioferinas. Estas carioferinas que medeiam o movimento para o núcleo também são chamadas de importinas, enquanto que aquelas que medeiam o movimento para fora do núcleo são chamadas de exportinas. A maioria das carioferinas interage directamente com a sua carga, apesar de algumas usarem proteínas adaptadoras.[21] hormonas esteróides como o cortisol e a aldosterona, tal como outras pequenas soléculas lipossolúveis, envolvidas na sinalização intecelular, podem se difundir através da membrana celular, para o citoplasma, onde se ligam a receptores nucleares que são transportados para o núcleo. Já no núcleo, servem como factores de transcrição quando juntos com o seu ligando; na ausência do ligando, muitos receptores funcionam como desacetilases de histonas que reprimem a expressão genética.[4]

Nucléolo

Micrografia electrónica de um núcleo celular, mostrando um nucléolo com uma coloração escura.
Ver artigo principal: Nucléolo
O nucléolo é uma estrutura presente dentro do núcleo, rodeada por uma membrana. Por vezes é classificado como suborganelo. Forma-se em volta de repetições de ADNr, ADN que codifica o ARN ribossomal (ARNr). Estas regiões são denominadas regiões organizadoras de nucléolo. O papel principal do nucléolo é o de sintetizar ARNr e de formar os ribossomas. A coesão estrutural do nucléolo depende da sua actividade, já que a formação de ribossomas resulta na associação temporária de componente nucleolares, facilitando assim mais formação de ribossomas e logo uma maior associação. Este modelo é suportado por observações de que a inactivação do ADNr resulta na mistura de componentes nucleolares.[22]
O primeiro passo na formação do ribossoma é a transcrição do ADNr, efectuado por uma proteína chamada RNA polimerase I, dando origem a um pré-ARNr precursor, de grandes dimensões. Este é clivado nas subunidades 5.8S, 18S, e 28S do ARNr.[23] A transcrição, o processamento pós-transcricional e a formação do ribossoma, ocorrem no nucléolo, auxiliado por moléculas de ARN nucleolar pequeno (snoRNA, em inglês), algumas das quais derivado de splicing de intrões de genes codificantes de ARN mensageiro, relacionados com funções ribossomais. As subunidades ribossomais já formadas são as estruturas de maior dimensão que passam pelos poros nucleares.[4]
Quando observado através do microscópio electrónico, o nucléolo pode ser visto como sendo constituído por três regiões distintas: uma região interior (centro fibrilar), rodeada pelo componente fibrilar denso, que por sua vez é rodeado pelo componente granular. A transcrição do ADNr ocorre no centro fibrilar ou na fronteira entre o centro fibrilar e o componente fibrilar denso. Quando a transcrição de ADNr é aumentada, verifica-se a detecção de mais centros fibrilares. A maior parte da clivagem e modificação do ARNr ocorre no componente fibrilar denso, enquanto que os passos mais tardios, envolvendo a assemblagem de proteínas em subunidades ribossomais, ocorre no centro granular.[23]

Outros corpos subnucleares
Tamanhos das estruturas subnucleares
Nome da estrutura
Diâmetro da estrutura
Corpos de Cajal
0.2–2.0 µm[24]
PIKA
5 µm[25]
Corpos PML
0.2–1.0 µm[26]
Paraspeckles
0.2–1.0 µm[27]
Speckles
20–25 nm[25]
Para além do nucléolo, o núcleo contém um número de outros corpos não-membranares. Alguns deles são os corpos de Cajal, os gémeos de corpos enovelados (gemini of coiled bodies, em inglês). Domínios PIKA, corpos PML, agregados de grânulos intercromatínicos (speckles) e paraspeckles. Apesar de pouco se saber sobre alguns destes domínios, estes são significantes pelo facto de mostrarem que o nucleoplasma não é uniforme, mas sim que contém vários subdomínios funcionais organizados.[26]
Outras estruturas subnucleares aparecerem como parte de processos de doenças. Por exemplo, foi já reportada a presença de pequenos bastões intranucleares em alguns casos de miopatia nemalínica.

Corpos de Cajal e gémeos
Um núcleo contém tipicamente entre uma a dez estruturas denominadas corpos de Cajal ou corpos enovelados, cujo diâmetro é de 0,2 µm e 2.0 µm, dependendo do tipo de célula e da espécie.[24] Quando vistos ao microscópio electrónico, assemelham-se a novelos[25] e são densos focos de distribuição para a proteína denominada coilina.[28] Estes corpos estão envolvidos em alguns papeis relacionados com o processamento do ARN, especificamente os pequenos ARN nucleolares (snoRNA), a maturação dos pequenos ARN nucleares (snRNA) e modificação do ARNm histónico.[24]
Similares aos corpos de Cajal são os gémeos de corpos enovelados, quer em forma quer em tamanho. São virtualmente indistinguíveis sob o microscópio electrónico.[28] Em oposição aos corpos de Cajal, os gémeos não possuem pequenas ribonucleoproteínas nucleares (snRNPs), mas contêm uma proteína em inglês denominada survivor of motor neurons (SMN), cuja função está relacionada com a biogénese das snRNP. Supõe-se que os gémeos assistem os corpos enovelados na biogénese das snRNP,[29] apesar de também ter sido sugerido, de evidências microscópicas, que os corpos enovelados os os gémeos de corpos enovelados são diferentes manifestações da mesma estrutura.[28]

Domínios PIKA e PTF
Os domínios PIKA (do inglês, polymorphic interphase karyosomal associations) foram primeiramente descobertos em estudos de microscopia no ano 1991. As suas funções eram e permanecem pouco claras, apesar de não terem sido associados com replicação activa de ADN, com a trasncrição e com o processamento do ARN.[30] Descobriu-se que se associavam com distintos domínios definidos por densas localizações do factor de transcrição PTF, que promove a transcrição de snRNA.[31]

Corpos PML
Os corpos PML (do inglês, promyelocytic leukaemia) são corpos esféricos que se encontram dispersos por todo o nucleoplasma, medindo entre 0,2 e 1,0 µm. Outros nomes são: domínio nuclear 10, corpos Kremer e domínios oncogénicos PML. São muitas vezes vistos no núcleo em associação a corpos de Cajal e a corpos de clivagem. Foi sugerido que desempenham um papel na regulação da transcrição.[26]


Paraspeckles
Ver artigo principal: Paraspeckle
Descobertos por Fox et al. em 2002, os paraspeckles são compartimentos de forma irregular que ocorrem no espaço intercromatínico[32] Foram documentados pela primeira vez em células HeLa, onde existem em número de 10 a 30 por núcleo.[33] Também se conhece a sua ocorrência em células primárias humanas, em linhas celulares trnasformadas e em secções de tecidos.[34]
Os paraspeckles são estruturas dinâmicas que são alteradas em resposta a mudanças na actividade metabólica celular. São dependente de transcrição[32] e em ausência de transcrição por ARN Pol II estas estruturas desaparecem e todos os seus componentes proteicos associados (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 e PSF) formam uma estrutura em forma de crescente, em posição perinucleolar. Este fenómeno é demonstrado durante o ciclo celular. Durante o ciclo celular, os paraspeckles estão presentes durante a interfase e durante a toda a mitose, com excepção da telofase. Durante a telofase, quando os dois núcleos-filho são formados, não existe transcrição por ARN polimerase II, de tal forma que os componentes proteicos formam uma cobertura perinucleolar.[34]

Agregados granulares intercromatínicos
Os agregados granulares intercromatínicos ou speckles (speckles de clivagem) são ricos em snRNPs de clivagem e em outras proteínas necessárias para o processamento do pré-ARNm. Porque a célula tem necessidades variáveis, a composição e a localização destes corpos muda em função da transcrição do ARNm e da regulação via fosforilação de proteínas específicas.[35]

Função
A principal função do núcleo celular é a do controlo da expressão genética e a da mediação da replicação do ADN durante o ciclo celular. O núcleo providencia o local para a transcrição, que está separado do local da tradução, no citoplasma. Isto permite um nível de regulação genética que não está disponível nos procariotas.

Compartimentação celular
O envelope nuclear permite que o núcleo controle o seu conteúdo, separando-o do resto do citoplasma quando necessário. Isto é importante para o controlo dos processos de ambos os lados da membrana nuclear. Em alguns casos, onde um processo citoplasmático necessita de ser restringido, um componente chave é removido para o núcleo, onde interage com factores de transcrição que regulam a produção de certas enzimas nas vias metabólicas. Este mecanismo regulador ocorre no caso da glicólise, uma via metabólica que age para degradar a glucose para produzir energia. A hexoquinase é uma enzima responsável pelo primeiro passo da glicólise, formando glucose-6-fosfato a partir da glucose. A altas concentrações de frutose-6-fosfato, uma proteína reguladora remove a hexoquinase para o núcleo,[36] onde forma onde complexo transcricional repressor juntamente com proteínas nucleares, para reduzir a expressão de genes envolvidos na glicólise.[37]
De maneira a controlar quais genes são transcritos, a célula impede que alguns factores de transcrição, responsáveis por regular a expressão genética, de terem acesso ao ADN, até que sejam activados por outras vias de sinalização. Isto previne até mesmo níveis baixos de expressão genética inapropriada. Por exemplo, no caso de genes controlados por NF-κB, envolvidos na maioria das respostas inflamatórias, a transcrição é induzida em resposta a uma via de sinalização, como aquela que é iniciada pela molécula sinalizadora denominada TNF-α, que se liga a um receptor na membrana celular, resultando no recrutamento de proteínas sinalizadoras e eventualmente na activação do factor de transcrição NF-κB. Um sinal de localização nuclear na proteína NF-κB, permite que seja transportada através do poro nuclear até ao núcleo, onde estimula a transcrição dos genes-alvo.[5]
A compartimentação permite que a célula previna a tradução de mRNA que não sofreu splicing.[38] O mRNA eucariota contém intrões que devem ser removidos antes que ocorra a tradução e dêem origem a proteínas funcionais. O splicing é efectuado dentro do núcleo antes de o mRNA poder ser acedido por ribossomas para se dar a tradução. Sem o núcleo, os ribossomas iriam traduzir o mRNA recentemente transcrito (não processado) em proteínas com malformações e não funcionais