Trascrição genética a decorrer.Ver artigo principal: Expressão genéticaA expressão genética envolve a transcrição, na qual o ADN é usado como modelo para a produção de ARN. No caso de genes que codificam proteínas, o ARN produzido por este processo é o ARN mensageiro, que depois necessita de ser traduzido pelos ribossomas para formação das proteínas. Como os ribossomas se localizam fora do núcleo, o ARNm produzido necessita de ser exportado.[39]Uma vez que o núcleo é o local da transcrição, também contém uma variedade de proteínas que ou fazem a mediação directa da transcrição ou estão envolvidos em regular o processo. Estas proteínas incluem as helicases que desenrolam a dupla fita da molécula da ADN, para facilitar a acesso a ela, a ARN-polimerase que sintetiza a molécula de ARN, a topoisomerase que muda a quantidade de enrolamento no ADN, assim como uma grande variedade de factores de transcrição que regulam a expressão genética.[40]
Processamento do pré-ARNmVer artigo principal: modificação pós-transcricionalAs moléculas recém criadas de ARNm são conhecidas como transcritos primários. Elas têm que sofrer modificação pós-transcricional no núcleo antes de serem exportadas para o citoplasma; o ARNm que aparece no núcleo sem estas modificações é degradado em vez de traduzido em proteínas. As três principais modificações são: inserção de uma capa na extremidade 5', poliadenilação na extremidade 3', e splicing de ARN. Enquanto no núcleo, o pré-ARN está associado com uma variedade de proteínas, em complexos denominados partículas de ribonucleoproteínas heterogéneas (hnRPNs). A adição da capa 5´ocorre co-transcricionalmente e é o primeiro passo na modificação pós-transcricional]]. A cauda múltipla de adenina na extermidade 3' é apenas adicionada após a transcrição estar completa.O splicing do ARN, levado a cabo por um complexo denominado spliceossoma, é o processo pelo qual os intrões, ou regiões do ADN que não codificam proteínas, são removidas do pré-ARNm e o remanescente exão é reconectado numa molécula contínua. Este processo normalmente ocorre após a inserção da capa 5' e da poliadenilação 3', mas pode ter início antes da síntese estar completa em transcritos com muitos exões.[4] Muitos pré-ARNm, incluindo aqueles que codificam anticorpos, podem sofrer splicing de variadas formas, produzindo diferentes ARMm maduros que codificam proteínas com diferentes estruturas primárias. Este processo é conhecido com splicing alternativo e permite a produção de uma grande variedade de proteínas a partir de uma quantidade limitada de ADN.Dinâmica e regulaçãoTransporte nuclearMacromoléculas, como o ARN e proteínas, são transportadas activamente através da membrana nuclear, num processo denominado ciclo Ran-GTP de transporte nuclear.Ver artigo principal: Transporte nuclearA entrada e saída de grandes moléculas do núcleo está intimamente controlada pelos complexos de poros nucleares. Apesar de pequenas moléculas poderem entrar no núcleo sem regulação,[41] macromoléculas como o ARN e proteínas requerem associação com carioferinas denominadas importinas para entrar no núcleo e exportinas para sair. Proteínas de carga que têm que ser transferidas do citoplasma para o núcleo contêm sinais de localização nuclear ligadas pelas exportinas. A habilidade das importinas e exportinas em transportar a sua carga é regulada por GTPases, enzimas que hidrolisam a molécula de guanosina trifosfato para libertar energia. A GTPase de maior importância envolvida no transporte nuclear denomina-se Ran, que pode se ligar a GTP ou GDP, dependendo se estiver localizada no núcleo ou citoplasma. Enquanto que as importinas dependem de RanGTP para se dissociarem da sua carga, as exportinas requerem RanGTP para se poderem ligar à sua carga.[21]A importação nuclear depende da importina se ligar à sua carga, no citoplasma, e transportá-la através do poro nuclear até ao núcleo. Dentro do núcleo, a RanGTP actua para separar a carga da importina, permitindo que esta possa sair do núcleo para ser reutilizada. A exportação nuclear é similar, sendo que a exportina liga-se à carga dentro do núcleo, num processo facilitado pela RanGTP, saindo depois através do poro nuclear, separando depois da sua carga no citoplasma.Proteínas de exportação, especializadas, existem para efectuar a transferência de Arnm madura e ARNt para o citoplasma, após a modificação pós-transcripcional estar completa. Este mecanismo de controlo de qualidade é importante devido ao papel central destas moléculas no processo de tradução das proteínas; uma expressão errada de uma proteína devido à incompleta excisão de intrões ou a incorrecta incomporação de aminoácidos, poderão ter efeitos negativos para a célula; o ARN modificado de maneira incompleta que chega ao citoplasma é degradado em vez de ser utilizado na tradução em proteínas.[4] Agregação e desagregaçãoImagem de célula do pulmão de um tritão, durante a metáfase, na qual foi aplicado um corante fluorescente. O aparelho mitótico pode ser visto, corado a verde, agregado aos dois conjuntos de cromossomas que estão corados a azul. Todos os cromossomas menos um estão na placa metafásica.Durante o seu ciclo de vida, o núcleo pode se desagregar, quer em resposta ao processo de divisão celular quer como consequência da apoptose, uma forma de morte celular programada. Durante estes eventos, os componentes estruturais do núcleo, o envelope e a lâmina, são sistematicamente degradados.Durante o ciclo celular, a célula divide-se para formar duas células. Para que este processo seja possível, cada uma das células resultantes deverá possuir um conjunto completo de genes, um processo que requer a replicação dos cromossomas, assim como a segregação em conjuntos separados. Isto ocorre pelos cromossomas replicados, os cromatídeos irmãos, ligados aos microtúbulos, que por sua vez estão ligados a diferentes centrossomas. Os cromatídeos irmãos podem então ser puxados para diferentes localizações na célula. No entanto, em muitas células, o centrossoma está localizado no citoplasma, fora do núcleo, e os microtúbulos não podem ligar-se aos cromatídeos na presença de um envelope nuclear.[42] Portanto, nos passos iniciais do ciclo celular, começando na prófase até cerca da prometafase, a membrana nuclear é desmantelada.[8] Durante o mesmo período, a lâmina nuclear também é desagregada através de um processo regulado por fosforilação das laminas.[43] Para o fim do ciclo celular, a membrana nuclear é novamente agregada, e pela mesma altura a lâmina nuclear também o é, através da desfosforilação das laminas.[43]A apoptose é um processo controlado, através do qual os componentes estruturais da célula são destruídos, resultando na morte da célula. As mudanças associadas com a apoptose afectam directamente o núcleo e o seu conteúdo, por exemplo, na condensação da cromatina e desintegração do envelope e lâmina nucleares. A destruição da rede de laminas e controlada por proteases especializadas, denominadas caspases, que fazem a clivagem das laminas, comprometendo dessa forma a integridade estrutural do núcleo. A clivagem das laminas é por vezes usada como um indicador laboratorial da actividade de caspases, em ensaios de actividade precoce de apoptose.[8] Células que expressam laminas resistentes a caspases são deficientes nas mudanças nucleares relacionadas com a apoptose, sugerindo que as laminas desempenham um papel essencial no início dos eventos que levam à degradação do núcleo por apoptose.[8] A própria inibição da agregação das laminas é um indutor da apoptose.[44]O envelope nuclear age como uma barreira que previne que vírus de ADN e ARN entrem no núcleo. Alguns vírus requerem acesso a proteínas que existem dentro do núcleo de maneira a poderem-se replicar ou agregarem os seus componentes. Os vírus de ADN, como o herpes-vírus, replicam e agregam-se no núcleo celular, saindo depois por evaginação através da membrana nuclear interna. Este processo é acompanhado pela desagregação da lâmina da face nuclear da membrana interna.[8]Células anucleadas e polinucleadasOs eritrócitos humanos, tal como os de outros mamíferos, carecem de núcleo. Este facto faz parte do desenvolvimento normal da célula.Apesar de a maioria das células possuir um único núcleo, alguns tipos de células não possuem núcleo e outros possuem vários núcleos. Isto pode ser derivado de processos normais, como o da maturação dos eritrócito de mamíferos, ou ser resultado de divisões celulares mal sucedidas.As células anucleadas não possuem núcleo e portanto são incapazes de se dividirem para produção de descendência celular. O tipo de célula anucleada mais conhecida é o eritrócito de mamíferos, que também carece de outros organelos como a mitocôndria e serve principalmente para o transporte de oxigénio dos pulmões para os tecidos celulares. Os eritrócitos sofrem maturação através do processo denominado eritropoiese, que se dá na medula óssea e onde perdem o núcleo, organelos e ribossomas. O núcleo é expelido durante o processo de diferenciação de um eritroblasto em um reticulócito, o precursor imediato dos eritrócitos maduros.[45] A presença de um agente mutagénicos poderá induzir a libertação de alguns eritrócitos "micronucleados" imaturos.[46][47] Células anucleadas também podem surgir de divisões celulares mal processadas, em que uma das células-filhas não possui núcleo e a outra fica binucleada.As células polinucleadas possuem múltiplos núcleos. A maioria das espécies de protozoário da classe Acantharea[48] e alguns fungos em micorrizas[49] possuem células polinucleadas. Em humanos, as células do músculo esquelético, denominadas miócitos, tornam-se multinucleadas durante o seu desenvolvimento; o arranjo de núcleos resultante, perto da periferia das células, permite um máximo de espaço intracelular para as miofibrilhas.[4] Células multinucleadas também podem ser anormais em humanos; por exemplo, células que derivam da fusão de monócitos e macrófagos, conhecidas como células gigantes multinucleadas, por vezes acompanham reacções de inflamação[50] e também est\ão envolvidas na formação de tumores.[51]
EvoluçãoSendo a principal característica que define uma célula eucariótica, a origem evolutiva do núcleo tem sido alvo de muitas especulações. Quatro grandes teorias foram propostas para explicar a existência do núcleo, apesar de nenhuma ter até agora um apoio alargado.[52]A teoria conhecida como modelo sintrófico propõe que uma relação simbiótica entre as Archaea e as Bacteria terá criado a célula eucariótica portadora de núcleo. Formula-se que a simbiose se originou quando Archaea primitivas, similares às actuais Archaea metanogénicas, invadiram e passaram a viver dentro de bactérias similares às actuais mixobactérias, eventualmente formando um núcleo primordial. Esta teoria é análoga à teoria aceite sobre a origem da mitocôndria eucariótica e do cloroplasto, que se pensa terem se desenvolvido a partir de uma similar relação endossimbiótica entre um proto-eucariotas e bactérias aeróbias.[53] A origem do núcleo entre as Archaea é suportado por observações de que este grupo e os eucariotas possuem genes similares para determinadas proteínas, incluindo as histonas. As observação que mostram as mixobactérias como organismos móveis, que podem formar complexos multicelulares e que possuem quinases e proteínas G similares aos Eukarya, suportam uma origem bacteriana da célula eucariótica.[54]Um segundo modelo propõe que células proto-eucarióticas evoluíram a partir de bactérias, sem estágios endossimbióticos. Este modelo é baseado na existência das bactérias do filo Planctomycetes, que possuem uma estrutura nuclear com poros primitivos e outras estruturas membranares compartimentadas.[55] Um modelo similar propões que uma célula semelhante à eucariótica, o cronócito, evoluiu primeiramente, tendo depois fagocitado membros das Archaea e Bacteria, gerando assim o núcleo e a célula eucariótica. [56]O modelo mais controverso, conhecido como eucariogénese viral, propõe que o núcleo composto de membranas, assim como outras estruturas eucarióticas, originaram-se a partir da infecção de um vírus. A sugestão é suportada por similaridades entre eucariotas e vírus: fitas lineares de ADN e ligação forte a proteínas (analogia entre histonas e envelope viral). Uma versão da proposta sugere que o núcleo evoluiu ao mesmo tempo em que a fagocitose, formando um predador celular primitivo.[57] Outra variante propõe que os eucariotas são originários de Archaea primitivos, infectados com poxvirus, baseada nas semelhanças entre a polimerase de ADN de modernos poxvirus e eucariotas.[58][59] Tem sido sugerido que a questão ainda não resolvida da evolução do sexo possa estar ligada à hipótese da eucariogénese viral.[60]Finalmente, uma proposta recente sugere que variantes tradicionais da teoria da endossimbiose são insuficientemente robustas para explicar a origem do núcleo eucariótico. Este modelo, denominado "hipótese exomembranar", sugere que o núcleo se originou de uma única célula ancestral que formou uma segunda membrana celular externa; a membrana interior que envolvia a célula original tornar-se-ia na membrana nuclear, formando poros mais complexos ao longo do tempo, permitindo a passagem de componentes celulares sintetizados internamente como as subunidades ribossomais.[61]Referências↑ H Harris. The Birth of the Cell. New Haven: Yale University Press, 1999. ↑ Brown, Robert (1866). "On the Organs and Mode of Fecundation of Orchidex and Asclepiadea". Miscellaneous Botanical Works I: 511–514. ↑ 3,0 3,1 Thomas Cremer. Von der Zellenlehre zur Chromosomentheorie. Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo: Springer Verlag, 1985. ISBN 3-540-13987-7 versão online here ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 H Lodish. Molecular Cell Biology. 5th.ed. New York: WH Freeman, 2004. ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 Molecular Biology of the Cell. 4th.ed. 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