04. Núcleo

04. NÚCLEO

Vamos agora estudar o núcleo, a estrutura mais importante da célula, pois é dentro dele que está o material genético que possui o código para a síntese de todas as proteínas que a célula precisa.

A maior parte das células corporais só tem um núcleo, embora algumas células como os glóbulos vermelhos não o tenham. Ao contrário, as células musculares esqueléticas têm vários núcleos. Uma dupla membrana chamada envelope nuclear separa o núcleo do citoplasma. As duas camadas do envelope nuclear são bicamadas lipídicas semelhantes à membrana plasmática. A camada externa do envelope nuclear é contínua com o RE rugoso e se assemelha a ele. O envelope nuclear é perfurado por muitos canais chamados poros nucleares. Cada poro consiste de proteínas que formam um grande canal que é cerca de 10 vezes maior em diâmetro do que os canais iônicos da membrana plasmática (observe a figura abaixo).

Os grandes poros nucleares permitem a passagem de grandes moléculas em direção ao citoplasma, principalmente moléculas de RNA que são sintetizadas no interior do núcleo e que devem atingir o citoplasma para participarem da síntese de proteínas.

Um ou mais corpos esféricos de coloração mais escura e não revestidos por membrana chamados nucléolos estão presentes no interior do núcleo. Os nucléolos são formados por vários segmentos de DNA localizados próximos entre si destinados a formar um tipo especial de RNA chamado RNA ribossômico (RNAr), matéria prima essencial para a montagem dos ribossomas, organela responsável pela síntese de proteínas. Portanto, o nucléolo é uma região do núcleo onde ocorre a síntese de RNAr. Os nucléolos são bastante proeminentes nas células que sintetizam grandes quantidades de proteínas, como as células musculares e hepáticas. Os nucléolos se dispersam e desaparecem durante a divisão celular, e se reorganizam, uma vez formadas as novas células. A figura abaixo mostra a imagem do núcleo observado na microscopia eletrônica.

No interior do núcleo encontra-se também a maior parte das unidades hereditárias da célula chamadas genes, que contêm os códigos para a síntese de proteínas. Os genes ocorrem em fileiras nos cromossomas. As células somáticas humanas contêm 46 cromossomos, 23 herdados de cada genitor. Cada cromossomo é uma longa molécula de DNA que se enrola em torno de várias proteínas. Em célula que não esteja se

dividindo, fase denominada intérfase, os 46 cromossomos não podem ser vistos, mas se mantêm íntegros e aparecem como massa difusa, que é designada cromatina. As imagens da microscopia eletrônica mostram que a cromatina é formada por uma sequência de nucleossomo. Cada nucleossomo consiste de um segmento de DNA enrolado duas vezes em torno de uma estrutura formada por oito proteínas chamadas histonas. Durante o processo de divisão celular, o DNA começa a se condensar, ou seja, a aumentar o seu grau de enrolamento em torno das histonas tornando-se, inicialmente, uma fibra de cromatina e conforme aumenta esse grau de condensação, a fibra de cromatina se transforma em cromátide quando os cromossomos podem ser reconhecidos e individualizados na microscopia. Observe na figura abaixo, a molécula de DNA nos seus diferentes graus de condensação, descritos acima.

➢ SÍNTESE PROTÉICA

As diferentes proteínas sintetizadas por uma célula determinam suas características físicas e químicas e, por consequência, dos organismos. Algumas proteínas são usadas na montagem das estruturas celulares, como a membrana plasmática, o citoesqueleto e outras organelas. Outras proteínas atuam como hormônios e anticorpos. Ainda outras são enzimas que regulam as velocidades de numerosas reações químicas que ocorrem nas células.

As instruções para a formação das proteínas são encontradas nos genes, ou seja, em segmentos de DNA onde existe uma longa sequência das bases nitrogenadas: adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G). Para sintetizar proteínas, inicialmente a sequência de bases de um segmento de DNA é copiada em uma molécula específica de RNA de acordo com o seguinte critério: A (adenina) no DNA leva à formação U (uracila) no RNA, T (timina) no DNA leva à formação de A (adenina) no RNA, C (citosina) no DNA leva à formação de G (guanina) no RNA e G (guanina) no DNA leva à formação de C (citosina) no RNA.

Existem diferentes genes, cada um com o potencial de codificar a produção de diferentes proteínas. Para que as células sintetizem proteínas, os ribossomos devem unir os aminoácidos em sequência especificada pela sequência de bases de um segmento de RNA, que foi produzido segundo uma sequência de bases de um segmento de DNA.

A informação armazenada no DNA responsável pela colocação de cada aminoácido é determinada por um conjunto de três bases nitrogenadas chamado trinca de bases. Cada trinca de bases do DNA é transcrita como sequência de três bases chamada códon, para um tipo de RNA denominado RNA mensageiro (RNAm). Cada códon do RNAm determina a colocação de um aminoácido específico na proteína. O código genético é o conjunto de regras que relacionam os códons do RNAm e os aminoácidos que especificam. Observe o quadro a seguir.

Códons do RNA mensageiro Aminoácidos

GCA - GCC - GCG – GCU Alanina (Ala) UGC – UGU Cisteína (Cys) GAC – GAU Ácido aspártico (Asp) GAA – GAG Ácido glutâmico (Glu) UUC – UUU Fenilalanina (Phe) GGA - GGC - GGG – GGU Glicina (Gly) CAC – CAU Histidina (His) AUA - AUC – AUU Isoleucina (Ile) AAA – AAG Lisina (Lys) UUA - UUG - CUA - CUC Leucina (Leu)

AUG Metionina (Met)

AAC – AAU Aspargina (Asn) CCA - CCC - CCG – CCU Prolina (Pro) CAA – CAG Glutamina (Gln) AGA - AGG - CGA - CGC Arginina (Arg) AGC - AGU - UCA - UCC Serina (Ser) ACA - ACC - ACG – ACU Treonina (Thr) GUA - GUC - GUG – GUU Valina (Val)

UGG Triptofano (Trp)

UAC – UAU Tirosina (Tyr)

Observe na sequência a seguir um segmento de DNA com suas trincas de bases produzindo uma molécula de RNAm (a cadeia do DNA usada como molde para a síntese do RNAm foi a cadeia da esquerda). A sequência de códons do RNAm leva, por sua vez, a formação de uma sequência específica de aminoácidos. Observe o esquema abaixo e avalie se há correspondência com o quadro mostrado acima.

O processo de síntese de RNAm a partir de um segmento de DNA é denominado transcrição e ocorre no núcleo. Em seguida, a informação contida no RNAm é traduzida para uma sequência correspondente de aminoácidos, que forma uma molécula de proteína. Este processo é chamado tradução e ocorre no citoplasma. Assista ao vídeo sobre os processos de transcrição e tradução no seguinte endereço eletrônico: https://www.youtube.com/watch?v=7WesB3Ll_To

Embora os códons do RNAm determinem a sequência de aminoácidos da proteína, existem outros dois tipos de RNA que também se originam de segmentos de DNA por transcrição e também participam do processo de tradução: o RNA ribossômico (RNAr) sintetizado no nucléolo e responsável por formar os ribossomas e o RNA transportador (RNAt) que se fixa a um aminoácido transportando-o para os ribossomos para que ele seja incorporado à proteína em formação.

A subunidade menor de um ribossoma tem um sítio de ligação para o RNAm. A subunidade maior tem dois sítios de fixação para o RNAt. O primeiro sítio é o sítio P, onde a primeira molécula de RNAt, trazendo o

seu aminoácido específico prende-se ao RNAm. O segundo é o sítio A, que também fixa o RNAt trazendo seu aminoácido.

Uma extremidade de um RNAt carrega um aminoácido específico e a extremidade oposta consiste em uma trinca de nucleotídeos chamada anti-códon. Pelo pareamento das bases, o anticódon do RNAt se prende ao códon do RNAm. Por exemplo, se o primeiro códon do RNAm for AUG, então um RNAt com o anti-códon UAC carregando um aminoácido específico, nesse caso a metionina, se prende ao RNAm. Esse processo é denominado tradução do código genético e ocorre da seguinte maneira:

1. Uma molécula de RNAm se prende à pequena subunidade ribossômica, no sítio de ligação do RNAm. Um RNAt fixa-se ao primeiro códon do RNAm no sítio P do ribossoma, onde começa a tradução.

2. O anticódon de outro RNAt, com seu aminoácido, fixa-se ao códon do RNAm no sítio A do ribossomo. 3. O aminoácido do RNAt ligado ao sítio P se desprende dele e se liga, por ligação peptídica, ao aminoácido do RNAt ligado ao sítio A. Uma enzima da subunidade maior do ribossoma catalisa esta ligação peptídica.

4. Após a formação da ligação peptídica, o RNAt do sítio P se destaca do ribossoma e este ribossoma se desloca ao longo do RNAm por um códon. O RNAt do sítio A, carregando o polipeptídeo em formação, pula para o sítio P, permitindo que outro RNAt, com seu aminoácido, se fixe no novo códon exposto no sítio A. As etapas 3 e 4 se repetem várias vezes e a proteína vai, então se alongando progressivamente.

5. A síntese da proteína termina quando o ribossoma atinge um códon de término no sítio A e a proteína se separa do RNAt final.

A síntese proteica progride na velocidade de 15 aminoácidos por segundo, ou seja, a cada segundo 15 aminoácidos são incorporados na proteína durante sua síntese. Porém, essa velocidade não é suficiente para explicar como, por exemplo, um linfócito B, célula especializada na síntese de proteínas denominadas anticorpos, pode produzir cerca de 2.000 moléculas de anticorpos por segundo. Essa grande velocidade só pode ser explicada, pois conforme o ribossoma se move ao longo de RNAm e antes que complete a síntese de toda a proteína, outro ribossoma pode prender-se atrás dele e começar a tradução do mesmo filamento de RNAm. Deste modo, vários ribossomas formam um polirribossoma que podem estar ligados ao mesmo RNAm. O movimento simultâneo de diversos ribossomas, ao longo do mesmo RNAm, permite a tradução de um RNAm em diversas proteínas idênticas, em pouco tempo. Outro fator que também aumenta a velocidade de síntese de proteína ocorre durante o processo de transcrição em que vários RNAm podem ser sintetizados a partir de um único segmento de DNA. Assista ao vídeo sobre a síntese proteica no endereço eletrônico: https://www.youtube.com/watch?v=P5fm3He_pds

➢ INTÉRFASE

Na intérfase, o material genético está embalado no núcleo na forma de cromatina onde se encontra o DNA. A cromatina é homogênea e embora os cromossomos não sejam visíveis nessa fase, eles se mantêm íntegros. A interfase consiste em três fases G1, S e G2. Durante G1, a célula está metabolicamente ativa, ou seja, fabricando proteínas e outras moléculas importantes para que a célula possa cumprir a sua função para o organismo. No final de G1 se inicia a duplicação do centrossomo que só terminará no início de G2. A duração da fase G1 é muito variável nas diferentes células, mas o valor típico é de aproximadamente 10 horas. Na fase S (duração de 8 horas), ocorre a duplicação dos cromossomos (duplicação do DNA), assegurando que as duas células filhas formadas pela divisão celular, sejam idênticas e contenham o mesmo número cromossômico da célula original. Durante a fase S todo o DNA nuclear sofre duplicação diferentemente do processo de transcrição em que somente alguns segmentos são transcritos. Outra diferença é que a transcrição só ocorre em uma das cadeias do DNA e a duplicação ocorre nas duas. Durante a fase G2 (duração de 6 horas), outras proteínas são sintetizadas, principalmente proteínas que serão utilizadas na divisão celular que está preste a ocorrer. As células que permanecem na fase G1 eternamente e, por isso, destinadas a nunca mais se dividirem, não entram na fase S, e são ditas estarem na fase G0 como, por exemplo, as células musculares cardíacas e os neurônios. Uma vez que a célula tenha entrado na fase S, ela fica comprometida a passar pela divisão celular.

A visão microscópica de uma célula durante a interfase mostra um envelope nuclear, o nucléolo e a cromatina, claramente definidos. A ausência de cromossomos visíveis é outra característica física da interfase porque nessa fase o DNA está no seu grau mínimo de condensação e os filamentos cromossômicos são finos e longos não permitindo a visualização dos cromossomos. O baixo grau de condensação do DNA permite que a célula possa sintetizar proteínas e duplicar os cromossomos. Uma vez que a célula tenha completado suas atividades durante G1, S e G2 da interfase, a fase mitótica começa e então o grau de condensação do DNA aumenta. Com o aumento da condensação do DNA os finos e longos filamentos cromossômicos se tornam mais curtos e mais grossos e, por isso, os cromossomos começam a ficar visíveis na microscopia. O aumento do grau de condensação do DNA durante a mitose tem uma explicação: evita que os finos e longos filamentos cromossomos se enrosquem e se quebrem durante a movimentação dos cromossomos. A figura a seguir mostra o ciclo celular e os principais eventos da interfase.

➢ MITOSE

Por razões de conveniência, a mitose é dividida em quatro etapas: prófase, metáfase, anáfase e telófase. No entanto, a mitose é um processo contínuo, com cada fase se mesclando com a seguinte.

Durante a prófase inicial, as fibras de cromatina se condensam, ou seja, aumentam o grau de enrolamento do DNA nas proteínas histonas. Os filamentos cromossômicos ficam, então, mais curtos e grossos. Este processo de condensação impede o emaranhamento dos longos filamentos de DNA, conforme se movem durante a mitose, como já dito anteriormente. Como a replicação do DNA ocorreu durante a fase S da interfase, cada cromossomo da prófase contém dois filamentos idênticos denominados cromátides-irmãs. As cromátides-irmãs são mantidas unidas por uma região chamada centrômero. No final da prófase, o nucléolo desaparece e o envelope nuclear se rompe. Além disto, cada centrossoma se move para polos opostos da célula. Conforme os centrossomas se movimentam, formam as fibras do fuso mitótico, um conjunto de microtúbulos que podem se ligar ou não aos centrômeros de cada cromossomo.

Durante a metáfase, os microtúbulos alinham os centrômeros e os cromossomos se posicionam no centro exato do fuso mitótico. Este ponto médio é chamado placa metafásica ou região equatorial. Na metáfase os cromossomos estão em condensação máxima e por isto é a fase ideal para visualizá-los no microscópio.

Durante a anáfase os centrômeros se dividem ao meio separando as cromátides irmãs. Isto permite que as duas cromátides de cada cromossomo se separem e migrem para polos opostos da célula. Uma vez separadas, as cromátides irmãs são chamadas de cromossomos filhos.

A telófase começa após o término do movimento dos cromossomos. Os conjuntos idênticos de cromossomos, agora em polos opostos da célula, se descondensam se transformando novamente em cromatina. O envelope nuclear se forma em torno de cada massa de cromatina e os nucléolos reaparecem nos núcleos filhos. Assista aos vídeos sobre a mitose nos endereços eletrônicos:

http://www.youtube.com/watch?v=4b69FtB24f8 https://www.youtube.com/watch?v=Ixd8LgsE5nY

A divisão do citoplasma da célula é chamada citocinese. Este processo começa no fim da anáfase ou no começo da telófase, com a formação do sulco de clivagem, leve aprofundamento da membrana plasmática. Este sulco de clivagem é produzido pela ação dos microfilamentos do citoesqueleto, situados logo abaixo da membrana plasmática. Estes microfilamentos formam um anel contrátil que puxa a membrana plasmática progressivamente para dentro, constringindo o centro da célula como um cinto em torno da cintura e, por fim, dividindo a célula em duas. O plano do sulco de clivagem é sempre perpendicular ao fuso mitótico, assegurando que os dois conjuntos de cromossomos sejam separados nas células filhas. Quando termina a citocinese, recomeça a interfase.

As células do corpo são divididas em células somáticas e células germinativas. Células somáticas são células do corpo que nunca originarão os gametas (espermatozoides e óvulos) e que normalmente sofrem mitoses. No entanto, algumas células somáticas não se dividem mais como, por exemplo, os neurônios e as células musculares cardíacas. Já as células germinativas sofrem, inicialmente, várias mitoses, mas por último

sofrem meiose para então dar origem aos gametas. Uma outra importância da mitose está relacionada à reposição de células que são naturalmente perdidas como as células dos epitélios de revestimento em geral, incluindo as células do epitélio de revestimento da pele que são totalmente substituídas em aproximadamente 30 dias. Além disso, as mitoses são fundamentais para a regeneração de tecidos lesionados e durante a fase de crescimento.

O corpo de um humano adulto médio é composto por cerca de 100 trilhões de células, mas todas estas células podem ser classificadas em cerca de 200 tipos distintos. As diferentes células do corpo de um indivíduo são geneticamente idênticas, pois todas elas foram originadas de sucessivas mitoses do zigoto, a primeira célula formada após a fecundação. No entanto, as diferenças observadas entre estas células ocorrem, pois, os genes que estão ativos em um tipo celular não estão ativos em outro tipo celular. Por exemplo, uma célula do estômago produz uma proteína chamada pepsina, pois, nessa célula, existe um gene chamado gene da pepsina responsável pela síntese dessa proteína. Já a célula β do pâncreas produz a proteína denominada insulina, pois nessa célula possui o gene da insulina. No entanto, sabemos que as células do corpo de um indivíduo são geneticamente iguais. Sendo assim, na célula do estômago está presente o gene da insulina e na célula do pâncreas está presente o gene da pepsina. Mas por que não encontramos célula do estômago produzindo insulina e nem célula do pâncreas produzindo pepsina? Porque o gene da pepsina na célula do pâncreas está inativado e o gene da insulina na célula da pele também se encontra inativado.

As células variam muito de tamanho. Microscópios com alto poder são necessários para visualizar as menores células do corpo. A maior célula, o óvulo, é visível a olho nu. Os tamanhos das células são medidos em unidades chamadas micrômetros. Enquanto um glóbulo vermelho do sangue tem diâmetro de 8 μm, o óvulo tem diâmetro de 140 μm.

As formas das células também variam muito. Elas podem ser arredondadas, ovais, achatadas, cuboides, colunares, alongadas, em forma de estrela ou em forma de disco. A forma de uma célula está relacionada à sua função no corpo. Por exemplo, um espermatozoide tem uma longa cauda, como um chicote, que usa para locomoção. A forma de disco do glóbulo vermelho lhe dá grande área de superfície que aumenta sua capacidade de captar oxigênio. As microvilosidades encontradas em algumas células aumentam muito a área de superfície. As microvilosidades são encontradas, por exemplo, nas células epiteliais que revestem o intestino delgado, onde aumentam a absorção dos alimentos digeridos. As células nervosas têm grandes extensões que lhes permitem a transmissão de impulsos nervosos por grandes distâncias.

➢ MEIOSE

A meiose é um processo de divisão celular em que uma única célula diploide dá origem a quatro células haploides denominadas gametas que não são iguais geneticamente. Sendo assim, a meiose é uma divisão celular importante para a manutenção do número cromossômico da espécie e para o aumento da variabilidade genética dos organismos que se reproduzem sexuadamente. Esta divisão celular ocorre somente nas células germinativas, ou seja, em células especiais presentes nos testículos e nos ovários e consiste de duas divisões sucessivas com a duplicação do DNA ocorrendo apenas uma única vez na fase S anterior à primeira divisão. Em outras palavras, antes de uma célula realizar meiose, ela passa por uma intérfase, assim como ocorre na mitose, com as fases G1, S e G2. Não se esqueça que G1 e G2 são fases de síntese de RNA e proteínas e a fase S ocorre síntese de DNA levando à duplicação dos cromossomos.

A meiose é formada por duas divisões sucessivas, a meiose I e a meiose II. A meiose I possui 4 fases (prófase I, metáfase I, anáfase I e telófase I). A meiose II também é dividida em 4 fases (prófase II, metáfase II, anáfase II e telófase II). Na meiose I ocorre a separação dos cromossomos homólogos e na divisão II, que é equivalente a uma mitose em uma célula haploide, ocorre a separação das cromátides irmãs. Assista ao vídeo sobre meiose no endereço eletrônico:

http://www.youtube.com/watch?v=Qlk_dKOXrHc&feature=related

A prófase I é uma fase de longa duração e complexa, ocorrendo o crossing-over ou permutação que é a troca de pedaços cromossômicos equivalentes e de igual tamanho entre cromossomos homólogos paternos e maternos. A ocorrência de crossing-over aumenta ainda mais a variabilidade dos gametas promovendo a formação de gametas com novas combinações alélicas, ou seja, o crossing-over faz com que alelos maternos e paternos estejam presentes num mesmo cromossomo. Assista ao vídeo sobre o crossing-over no endereço eletrônico:

http://www.youtube.com/watch?v=pdJUvagZjYA

Na prófase I, a cromatina interfásica se condensa gradualmente, ocorre o desaparecimento do envoltório nuclear e nucléolo, os centrossomos duplicados migram para polos opostos da célula e ocorre a ligação dos microtúbulos (fibras do fuso) nos centrômeros dos cromossomos.

Durante a metáfase I aumenta ainda mais a condensação dos cromossomos até atingir a condensação máxima, por isto esta fase é ideal para a observação dos cromossomos. Os cromossomos, em condensação máxima, se dispõem no equador celular com os homólogos pareados. O pareamento dos cromossomos homólogos na metáfase I é uma diferença importante em relação à metáfase da mitose.

Na anáfase I, as fibras do fuso puxam os cromossomos para os polos, mas não ocorre a divisão dos centrômeros (que ocorre na anáfase da mitose) e sim a separação dos homólogos, outra diferença importante entre a anáfase I e a anáfase da mitose.

Na telófase I, ocorre a reconstrução dos envoltórios nucleares, reaparecimento dos nucléolos, descondensação dos cromossomos e a divisão do citoplasma denominada citocinese. As duas células formadas já possuem o número cromossômico reduzido à metade, ou seja, em cada uma destas células não existem mais cromossomos homólogos. No entanto, estes cromossomos ainda se encontram duplicados, ou seja, cada um possui duas cromátides. Cada uma destas células formadas passará logo em seguida pela divisão II. Lembre-se que a divisão II é equivalente a uma mitose em uma célula haploide.

Na prófase II, a cromatina interfásica se condensa gradualmente, ocorre o desaparecimento do envoltório nuclear e nucléolo, os centrossomos migram para polos opostos da célula e ocorre a ligação dos microtúbulos (fibras do fuso) nos centrômeros dos cromossomos.

Durante a metáfase II aumenta ainda mais a condensação dos cromossomos até atingir a condensação máxima. Os cromossomos, em condensação máxima, se dispõem no equador celular, mas não existem mais homólogos, pois eles já se separaram na divisão I.

Na anáfase II, ocorre a quebra dos centrômeros e migração das cromátides para polos opostos da célula, exatamente como ocorre na mitose, mas sem a presença de cromossomos homólogos.

Na telófase II ocorre a reconstrução dos envoltórios nucleares, reaparecimento dos nucléolos, descondensação dos cromossomos e a citocinese ou divisão do citoplasma. As quatro células formadas, chamadas gametas, possuem o número cromossômico reduzido à metade, no entanto, em cada uma destas células, os cromossomos não se encontram mais duplicados, ou seja, cada um possui apenas uma única cromátide.

• IMPORTÂNCIA MÉDICA DA MEIOSE

A manutenção do número cromossômico das células depende de uma correta distribuição dos cromossomos durante a meiose. Erros na distribuição dos cromossomos são denominados erros de segregação (ou não-disjunção) e são responsáveis pela formação de células com número de cromossomos alterado. Por exemplo, se um par de homólogos não se separarem na meiose I ou se as cromátides não se separarem na meiose II, ocorre formação de gametas com cromossomos a mais e de gametas com cromossomos a menos. E se um desses gametas alterados estiver envolvido em uma fecundação, haverá chance de nascer um indivíduo com aberração cromossômica, um grupo de doenças que causas importantes de defeitos do desenvolvimento embrionário e retardamento mental. A figura abaixo mostra a segregação normal de um par de cromossomos homólogos na meiose I e II e a não segregação desse mesmo par de homólogos na meiose I e na meiose II.

Sabe-se que uma célula humana contém 23 pares de cromossomos (46 cromossomos no total). Os dois cromossomos que formam cada par, um fornecido pela mãe e outro pelo pai, são chamados cromossomos homólogos. Quando uma célula humana com 46 cromossomos sofre mitose produz duas células, cada uma com 46 cromossomos. Sabe-se também que uma célula humana com 46 cromossomos que sofre meiose produz quatro células denominadas gametas, cada uma com 23 cromossomos. Portanto, tanto na intérfase anterior à mitose como na intérfase anterior à meiose é necessária a duplicação do DNA que ocorre na fase S. É justamente durante a duplicação do DNA o momento mais susceptível para a ocorrência de mutações, ou seja, erros de posicionamento das bases nitrogenadas. Se a mutação ocorrer na

intérfase anterior à mitose de uma célula somática, a mutação é denominada somática. Se a mutação ocorrer na intérfase anterior à mitose ou na interfase anterior à meiose de uma célula germinativa, a mutação é denominada germinativa. As mutações somáticas não podem ser passadas para gerações futuras e podem, por exemplo, ser responsáveis pelo surgimento de alguns tipos de câncer de pele que são provocados pela exposição excessiva à radiação ultravioleta do sol. Já as mutações germinativas poderão ser passadas às futuras gerações e podem explicar como que pais normais para uma determinada doença monogênica dominante (aa x aa) podem ter um filho afetado (Aa).

Efeito da Idade Materna

Na ovogênese, como descrito anteriormente, antes do nascimento o ovócito I entra em meiose I e para na prófase I e permanece assim até que a ovulação que se inicia na puberdade. Portanto, nenhuma duplicação de DNA ocorre nas células germinativas da mulher após o nascimento, o que diminui a probabilidade de ocorrência de mutações. No entanto, sabe-se que quanto mais tempo um ovócito permanecer suspenso na meiose I, maior a probabilidade de ocorrer não-disjunção dos cromossomos durante a meiose. Esse fato explica o porquê que as doenças cromossômicas como, por exemplo, a Síndrome de Down, ocorrem principalmente por problemas na linhagem germinativa da mãe e ainda o porquê que a frequência dessas doenças se eleva com o aumento da idade da mãe e não do pai. Observe no quadro a seguir a incidência da Síndrome de Down quando diagnosticada ao nascimento, pela amniocentese e pela punção das vilosidades coriônicas em diferentes idades maternas. Amniocentese e punção das vilosidades coriônicas são técnicas de diagnóstico pré-natal.

Quando a idade materna avançada gera preocupação, análise das vilosidades coriônicas ou do líquido amniótico são realizadas como diagnóstico. Por volta dos 50 anos, o risco começa a aumentar muito, atingindo 1 em 25 nascimentos.

Efeito da Idade Paterna

Na espermatogênese ocorre renovação constante das células germinativas, o que diminui muito a probabilidade de ocorrência de erros de segregação de cromossomos. Por outro lado, as células germinativas masculinas passam por divisões celulares constantes e consequentemente por duplicações de DNA. Assim, como o DNA das células germinativas masculinas é submetido a muito mais ciclos de duplicações, as mutações de origem paterna são muito mais frequentes do que as de origem materna. Além disso, parece

que quanto maior a idade do homem, maior é a probabilidade dessas mutações ocorrerem, efeito denominado efeito da idade paterna. Isso pôde ser confirmado em pesquisa recente que revelou que homens mais velhos têm maior risco do que os jovens de ter um filho com autismo ou esquizofrenia, por causa de maior ocorrência mutações durante a produção de espermatozoides. Veja matéria publicada no endereço eletrônico:

http://www.em.com.br/app/noticia/tecnologia/2012/08/23/interna_tecnologia,313423/idade-do-pai-e-mais-determinante-que-a-da-mae-na-geracaode-filhos-com-problemas.shtml

➢ OS CROMOSSOMOS HUMANOS

É de fundamental importância saber que para cada gene existem dois locais (um em cada cromossomo do par de homólogos) que podem ser ocupados por diferentes alelos. Os diferentes alelos são formados por mutações que ocorreram em um alelo original. Estas mutações responsáveis pela formação dos diferentes alelos não são necessariamente ruins. Por exemplo, o gene que determina o tipo sanguíneo ABO possui três alelos diferentes (IA_{, I}B _{e i). Nenhum destes alelos é causador de doença, no entanto, estes diferentes alelos} foram formados por mutação em um alelo original, provavelmente o alelo IA_.

Por outro lado, algumas mutações provocam a formação de alelos causadores de doenças, como ocorre, por exemplo, nas doenças denominadas monogênicas. Para a grande maioria das doenças monogênicas existem dois alelos, um normal e um mutante (causador da doença em questão). Se a doença for dominante, a presença de um alelo mutante é suficiente para que o indivíduo seja afetado pela doença. Se a doença for recessiva, a presença de um alelo normal é suficiente para que o indivíduo fique livre da doença.

Outro ponto importante são as interações entre os genes e o ambiente. Sabe-se que fenótipo é a consequência das interações entre o genótipo e fatores ambientais, ideia que se traduz na famosa equação da genética: FENÓTIPO = GENÓTIPO + INFLUÊNCIAS AMBIENTAIS. Fenótipo é tudo aquilo que um indivíduo mostra, e não se limita apenas às características externas. Características comportamentais e bioquímicas, por exemplo, também fazem parte do fenótipo. Já o genótipo se refere à constituição genética de um indivíduo. As influências ambientais, então, podem diminuir ou até mesmo fazer desaparecer fenótipos de alguma doença genética. Em outras palavras, um indivíduo pode ter mutações que poderiam deixá-lo doente, mas alguns fatores ambientais poderão livrá-lo desta doença.

O genoma humano contém grande quantidade de DNA com cerca de 30.000 genes que controlam vários aspectos do corpo humano incluindo o desenvolvimento embrionário, o crescimento, o metabolismo e a reprodução.

Cada espécie tem um conjunto de cromossomos denominado cariótipo com número e forma característicos. O mapa gênico é a localização dos genes ao longo dos cromossomos. O estudo dos cromossomos é chamado citogenética, uma ciência que teve início em 1956 quando dois pesquisadores determinaram o número de cromossomos da espécie humana. A partir desta data, muito se tem aprendido sobre os cromossomos humanos em relação à estrutura, composição e localização de genes. Várias aplicações se tornaram possíveis após a citogenética, entre elas, o diagnóstico clínico e pré-natal de algumas doenças cromossômicas, a identificação de genes nos cromossomos e a relação entre alterações cromossômicas e o câncer.

Os 46 cromossomos das células somáticas humanas constituem 23 pares: 22 pares similares em homens e mulheres denominados autossomos e 1 par de cromossomos sexuais, XX nas mulheres e XY nos homens. Os membros de cada par de cromossomos denominados homólogos têm a mesma sequência de genes, mas não necessariamente a mesma sequência alélica, sendo um cromossomo herdado do pai e o outro da mãe.

Os cromossomos condensados de uma célula humana em divisão são prontamente analisados na metáfase ao microscópio óptico e vistos com duas cromátides-irmãs unidas pelo centrômero. Os cromossomos são diferenciados pelo seu tamanho e pela localização do centrômero. O centrômero, denominado também de constrição primária, divide o cromossomo em dois braços, p (menor) e q (maior). Quando o centrômero divide a cromátide em dois braços de igual tamanho, ele é chamado metacêntrico. Quando o centrômero está um pouco deslocado do centro da cromátide, o cromossomo recebe o nome de submetacêntrico. Quando o centrômero está na extremidade da cromátide, ele é chamado acrocêntrico. Os cromossomos humanos são classificados em sete grupos (A, B, C, D, E, F e G) com base em seu tamanho e posição do centrômero. A montagem de cada par de homólogos divididos nesses grupos é denominada cariograma, muito útil para se fazer diagnósticos de doenças cromossômicas. Para se montar um cariograma é necessário a identificação precisa de cada cromossomo. A identificação de cada cromossomo pode ser realizada produzindo um padrão específico de faixas claras e escuras (ou bandas) nos cromossomos, técnica denominada bandeamento cromossômico. Conheça um pouco sobre a técnica de bandeamento dos cromossomos humanos e como se monta um cariograma na forma computadorizada nos endereços eletrônicos abaixo. A figura a seguir mostra um cariograma humano montado.

http://www.youtube.com/watch?v=wgOfYecTxmg&feature=related. http://www.youtube.com/watch?v=4JsDoNKr-w8&feature=related.

➢ DIAGNÓSTICO DE DOENÇAS GENÉTICAS

O diagnóstico de uma doença genética pode ser útil e está em rápida expansão nos laboratórios clínicos e se baseia na identificação de mutações em genes conhecidos a partir da técnica de sequenciamento do DNA. Por exemplo, no câncer de mama hereditário, as mulheres portadoras de mutações em dois genes conhecidos (BRCA1 e BRCA2) têm chances bem maiores de desenvolver câncer de mama ou de ovário. A identificação destas mutações em algumas mulheres pode alertá-las e desta forma elas poderão optar por uma vigilância mais frequente ou por uma cirurgia preventiva como a retirada da mama ou do ovário.

Outro exemplo ocorre na Doença de Huntington, uma doença de manifestação tardia que provoca degeneração neurológica devastadora para a qual, atualmente, há pouco ou nenhum tratamento. Geralmente, quando os sintomas mais agudos começam a surgir, os portadores já tiveram filhos. No entanto, a identificação da mutação em indivíduos que ainda não tiveram filhos oferece uma oportunidade de escolha: ter ou não ter filhos?

➢ CLASSIFICAÇÃO DOS DISTÚRBIOS GENÉTICOS

Entre os distúrbios causados total ou parcialmente por fatores genéticos, são reconhecidos três tipos principais: (1) Distúrbios monogênicos, (2) Distúrbios cromossômicos e (3) Distúrbios multifatoriais. Na tabela a seguir estão relacionadas algumas doenças genéticas importantes divididas nos principais tipos.

Doença Incidência Aproximada Distúrbios Monogênicos

Rim policístico 1/1000

Fibrose cística 1/2000 a 1/4000

Distrofia Muscular de Duchenne 1/3500 homens Hispercolesterolemia familiar 1/500

Síndrome do X frágil 1/1500 homens; 1/2500 mulheres

Hemocromatose 1/5000 Hemofilia A 1/10000 homens Doença de Huntington 1/20000 Síndrome de Marfan 1/10000 a 1/20000 Neurofibromatose tipo I 1/3000 a 1/5000 Osteogênese imperfeita 1/5000 a 1/10000 Fenilcetonúria 1/10000 a 1/15000 Anemia falciforme 1/50 a 1/600 Doença de Tay-Sachs 1/3000 Talassemia 1/50 a 1/100

Doença Incidência Aproximada Distúrbios Cromossômicos

Síndrome de Down 1/700 a 1/1000

Síndrome de Klinefelter 1/1000 homens

Síndrome de Patau 1/20000

Síndrome de Edwards 1/6000

Síndrome de Turner 1/2500 a 1/10000 mulheres

Distúrbios multifatoriais

Fenda labial 1/500 a 1/1000

Pé torto 1/1000

Defeitos cardíacos congênitos 1/200 a 1/500

Defeitos do tubo neural 1/200 a 1/1000

Câncer 1/3

Alcoolismo 1/10 a 1/20

Doença de Alzheimer 1/3 a 1/5

Os distúrbios monogênicos são provocados por alelos mutantes. Um alelo mutante pode estar presente em apenas um cromossomo de um par de homólogo ou em ambos os cromossomos do par. Geralmente a frequência de um determinado alelo mutante é baixa, mas os distúrbios monogênicos como um todo são responsáveis por uma proporção significativa de doenças e mortes. Em um estudo populacional de mais de 1 milhão de crianças nascidas vivas, a incidência de distúrbios monogênicos foi de 1 a cada 250 nascimentos. Entre as crianças hospitalizadas, cerca de 1 a cada 20 crianças tinha algum distúrbio monogênico.

Nos distúrbios cromossômicos, o defeito não se deve a um erro no código genético, mas a um excesso ou a uma deficiência de cromossomos inteiros ou de segmentos cromossômicos. Por exemplo, a presença de uma cópia extra do cromossomo 21 produz um distúrbio específico, a síndrome de Down, muito embora nenhum alelo mutante esteja presente. Como um grupo, os distúrbios cromossômicos são bem comuns, afetando cerca de 1 criança a cada 125 nascimentos e contribuindo com cerca de metade de todos os abortos espontâneos de primeiro trimestre.

A herança multifatorial é responsável por vários distúrbios do desenvolvimento que resultam em malformações congênitas e muitos distúrbios comuns da vida adulta. Uma doença multifatorial surge quando alguns fatores ambientais favorece a expressão de alguns alelos mutantes presentes.

Qualquer doença é o resultado da ação combinada entre genes e o ambiente, mas o papel relativo do componente genético pode ser grande ou pequeno. Doenças infecciosas como o sarampo e a gripe são doenças fortemente determinadas pelo ambiente. Já doenças como a fibrose cística e hemofilia são doenças de forte componente genético. Já a diabetes e as doenças cardíacas são doenças tanto determinadas por componente genético como por componente ambiental e por isso são consideradas doenças multifatoriais (observe o quadro abaixo).

➢ DISTÚRBIOS MONOGÊNICOS

Existem cerca de 1.400 doenças genéticas monogênicas catalogadas. Considerando o número total de genes humanos sendo 30.000, cerca de 5% desses genes são alvos de mutações que provocam as doenças monogênicas humanas.

Os distúrbios monogênicos são principalmente distúrbios da faixa pediátrica. Apenas 10% dos distúrbios monogênicos manifestam-se após a puberdade e somente 1% ocorre após o período reprodutivo.

• CONCEITOS

Alelos são variantes de um determinado gene. Geralmente o alelo normal é chamado selvagem. Mutações no alelo normal produzem as diferentes variantes de um gene chamadas mutantes. Para cada gene existem dois locais que podem ser ocupados pelos diferentes alelos, um em cada cromossomo do par de homólogos. Estes locais ocupados pelos alelos recebem o nome de loci gênicos (no singular locus).

O genótipo é o conjunto de alelos de um indivíduo constituindo sua composição genética. O fenótipo é tudo aquilo que se observa no indivíduo considerando os aspectos morfológico, clínico, bioquímico ou comportamental.

Distúrbios monogênicos são aqueles determinados por alelos mutantes. Um alelo mutante é geralmente raro, e pode estar presente em um locus ou nos dois loci no par de homólogos. Um indivíduo que possui os dois alelos idênticos é chamado de homozigoto, quando os alelos são diferentes, o indivíduo é chamado heterozigoto.

Para estabelecer o padrão de transmissão nas famílias é necessário obter informações que podem ser colocadas num heredograma, uma representação gráfica da árvore genealógica. Probando é o indivíduo afetado que causou a necessidade da construção do heredograma. Observe na figura abaixo o significado das principais simbologias utilizadas nos heredogramas.

Os casais que possuem ancestrais comuns são chamados consanguíneos. Os parentes de 1º grau são os pais, irmãos e filhos. Os parentes de 2º grau são os ligados diretamente aos parentes de 1º grau (avós, netos, tios, sobrinhos e meio-irmãos). Os parentes de 3º grau são os ligados diretamente aos parentes de 2º grau (primos em 1º grau) e assim por diante. Observe a figura a seguir onde estão indicadas as relações de parentesco do probando. Repare que os filhos do casamento consanguíneo entre os indivíduos 8 e 9 possuem duas relações de parentesco em relação ao probando.

• TIPOS DE DISTÚRBIOS MONOGÊNICOS

O tipo de distúrbio monogênico depende principalmente de dois fatores: da localização do gene e da relação de dominância do alelo mutante.

No primeiro caso, se o gene estiver localizado em qualquer cromossomo que não seja o X e nem o Y, a doença é denominada autossômica. No entanto, se o gene estiver localizado no cromossomo X, a doença é denominada de ligada ao sexo ou ligada ou X. Já as doenças ou as características determinadas por genes localizados no cromossomo Y, são conhecidas como doenças ou características restritas ao sexo.

No segundo caso, a doença pode ser chamada de recessiva, quando for necessária a presença dos dois alelos mutantes para que o indivíduo seja afetado, ou seja, o heterozigoto é normal, o que significa que a presença do alelo normal impede a manifestação do alelo mutante, ou de dominante, quando a presença de apenas um único alelo mutante for suficiente para que o indivíduo seja afetado, ou seja, o heterozigoto é afetado, o que significa que a presença do alelo normal não impede a manifestação do alelo mutante.

Considerando estes dois fatores, as doenças monogênicas podem ser classificadas nos seguintes padrões de herança: (1) autossômica recessiva, (2) autossômica dominante, (3) ligada ao sexo recessiva ou (4) ligada ao sexo dominante.

Herança Autossômica Recessiva

Embora menos comuns, o padrão de herança autossômica recessiva é mais facilmente entendido. As doenças autossômicas recessivas só ocorrem quando o alelo mutante causador da doença estiver ocupando os dois loci no par de homólogos. Na herança autossômica recessiva, a presença do alelo normal compensa a presença do alelo mutante evitando a doença e por isso os heterozigotos são normais.

As características observadas em um heredograma de uma doença autossômica recessiva são as seguintes: (observe o heredograma abaixo)

- Geralmente o fenótipo autossômico recessivo, se aparecer mais de uma vez, é visto nos irmãos do probando.

- Homens e mulheres afetados possuem, aproximadamente, a mesma frequência.

- Os genitores de um filho afetado geralmente são normais portadores, ou seja, heterozigotos.

- Os genitores de um filho afetado podem ser consanguíneos, principalmente quando o alelo mutante for muito raro na população.

- O risco de recorrência para cada irmão do probando é 1/4 (25%).

O quadro abaixo mostra os possíveis cruzamentos que podem resultar no nascimento de crianças afetadas por uma doença autossômica recessiva. No entanto, o tipo mais comum na qual há probabilidade de nascer uma criança afetada ocorre entre genitores heterozigotos.

Consanguinidade

Todos os indivíduos são portadores de vários alelos mutantes que causam doenças recessivas, no entanto, os indivíduos geralmente não são afetados, pois esses alelos mutantes estão em dose única. Indivíduos não consanguíneos geralmente possuem alelos mutantes em genes diferentes, o que dificulta o nascimento de filhos com alelos mutantes em dose dupla. A figura a seguir mostra que pais normais não consanguíneos geralmente possuem alelos mutantes (em vermelho) em genes diferentes e, por isso, os filhos são filhos normais. Mas se os pais são consanguíneos, há grande probabilidade dos alelos mutantes estarem presentes nos mesmos genes e, por isso, aumenta a chance dos filhos nascerem afetados por alguma doença recessiva.

Pais consanguíneos com filho afetado é uma forte evidência de que a doença seja autossômica recessiva embora a consanguinidade não seja a única explicação para o nascimento de uma criança afetada por uma doença autossômica recessiva.

No xeroderma pigmentoso (foto ao lado do heredograma), uma doença muito rara em que as pessoas mostram múltiplos tumores na pele, mais de 20% dos casos é resultante de casamento consanguíneo (observe o heredograma abaixo).

O risco absoluto de prole afetada por uma doença autossômica recessiva para casamento entre primos em primeiro grau é de 5%, cerca do dobro do risco quando o casamento não é consanguíneogeral que é de 2,5%.

Herança Autossômica Dominante

Contrariamente às doenças autossômicas recessivas, os distúrbios autossômicos dominantes possuem, muitas vezes, frequência alta em algumas populações. A incidência das doenças autossômicas dominantes pode se tornar ainda mais alta devido à sua natureza hereditária. Estas doenças podem ser transmitidas por famílias e se tornar um problema não só para um indivíduo, mas para a família inteira ao longo de muitas gerações.

As características observadas em um heredograma de uma doença autossômica dominante são as seguintes (analise as características observando o heredograma abaixo):

- Indivíduos afetados são, geralmente, observados em todas as gerações.

- Qualquer filho de um genitor afetado tem 50% de chance de herdar a doença, ou seja, índice de recorrência é 1/2.

- Genitores normais nunca terão filhos afetados, ao menos que haja mutação nova em um dos genitores.

- Homens e mulheres geralmente possuem probabilidades iguais de serem afetados.

- A reprodução que gera um indivíduo afetado é quase sempre entre um heterozigoto (afetado) e um homozigoto recessivo (normal). O quadro a seguir mostra este cruzamento e as proporções genotípicas dos filhos.

Mutação Nova em Herança Autossômica Dominante

O fato de um alelo ser transmitido à próxima geração depende de seu valor adaptativo que é medido pelo número de pessoas afetadas que conseguem sobreviver até a idade reprodutiva. Se um alelo mutante provoca morte precoce ou esterilidade, o valor adaptativo desse alelo é igual a zero. No sentido genético, um alelo mutante que evita a reprodução de um indivíduo afetado por causar esterilidade possui a mesma consequência de um alelo que causa um aborto precoce de um embrião, pois nos dois casos o alelo mutante não é transmitido à próxima geração e por isso ambos os alelos possuem valor adaptativo igual a zero.

Diversas doenças humanas autossômicas dominantes são determinadas por alelos mutantes que possuem valor adaptativo igual a zero e assim, os indivíduos afetados sempre resultam de mutações novas nas células germinativas de um dos genitores, ou seja, os indivíduos afetados são filhos de pais normais. É o caso, por exemplo, da Osteogênese Imperfeita do tipo 2, uma doença que provoca a morte dos afetados logo após o nascimento.

Não é o caso, por exemplo, da Doença de Huntington que se manifesta tardiamente, não impedindo a reprodução dos afetados e, portanto, o nascimento de afetados geralmente ocorre quando um dos pais é afetado e não por mutação nova.

Também existem doenças autossômicas recessivas determinadas por alelos mutantes com valor adaptativo igual a zero como, por exemplo, a Doença de Tay-Sachs. Mas nesse caso, somente os indivíduos que possuem os dois alelos mutantes não conseguem atingir a idade reprodutiva, ou seja, os heterozigotos se reproduzem normalmente e, portanto, conseguem transmitir o alelo mutante à próxima geração. Sendo assim, não podemos ter certeza da ocorrência de mutações novas, pois a explicação mais provável para o nascimento de indivíduos afetados por uma doença autossômica recessiva ocorre quando ambos os pais são heterozigotos.

Herança Ligada ao X Recessiva

A herança recessiva ligada ao X segue um padrão facilmente reconhecível, pois para os homens serem afetados basta que recebam apenas um único alelo mutante (os homens são hemizigotos), mas para as mulheres serem afetadas elas terão que receber os dois alelos mutantes. Assim, as doenças recessivas ligadas ao X são raras em mulheres. Observe o quadro a seguir.

As características observadas em um heredograma de uma doença ligada ao X recessiva são as seguintes (observe o heredograma a seguir):

- Maior número de homens afetados.

- A doença normalmente passa de avô para neto.

- Homem afetado não transmite o alelo mutante para seus filhos homens, mas transmite para todas as suas filhas.

- A prole masculina de uma mulher portadora tem 50 % de chance de ser afetada.

- Mulheres afetadas são muito raras a não ser que seus pais sejam consanguíneos (observe o heredograma abaixo).

Os quadros a seguir mostram os diferentes tipos de cruzamentos envolvendo portadores de um gene recessivo ligado ao sexo que podem ou não resultarem no nascimento de uma criança afetada por uma doença ligada ao X recessiva.

Herança Ligada Ao X Dominante

As características observadas em um heredograma de uma doença ligada ao X dominante são as seguintes (observe o heredograma a seguir):

- Homens afetados possuem todos os filhos homens normais e todas as filhas afetadas. Se algum filho for afetado ou se alguma filha não for afetada a doença deve ser autossômica dominante.

- Tanto a prole masculina como a feminina de uma mulher afetada tem 50% de chance de ser afetada. - Geralmente as mulheres afetadas são duas vezes mais comuns do que homens afetados embora a expressão seja mais branda nas mulheres.

Raquitismo Hipofosfatêmico (resistente à vitamina D) é um exemplo de uma doença ligada ao X dominante. Os túbulos renais dos indivíduos afetados pelo Raquitismo Hipofosfatêmico não conseguem reabsorver o fosfato filtrado, o qual é perdido na urina em grande quantidade. As mulheres heterozigotas possuem um nível de fosfato no sangue maior do que os homens afetados e por isso são mais brandamente afetadas. Os indivíduos afetados apresentam baixa estatura, deformidades predominantemente nos ossos dos membros inferiores e alterações dentárias decorrentes de anormalidades na formação da dentina.

➢ APRENDIZAGEM ATIVA

• SÍNDROME DE KLINEFELTER • SÍNDROME DE TURNER