Configuração da estrutura e organização dos cromossomas em células eucarióticas

Neste resultado, discutiremos autossomas e cromossomas sexuais e as diferenças entre os dois, assim como a forma como as células embalam o DNA.

Quando uma célula se divide em duas, uma de suas principais tarefas é garantir que cada uma das duas novas células receba uma cópia completa e perfeita do material genético. Erros durante a cópia, ou divisão desigual do material genético entre células, podem levar a células pouco saudáveis ou não funcionais (e até mesmo a doenças como o câncer). Mas o que exatamente é esse material genético, e como ele se comporta ao longo de uma divisão celular?

DNA e Genomas

DNA (ácido desoxirribonucleico) é o material genético dos organismos vivos. Em humanos, o DNA é encontrado em quase todas as células do corpo e fornece as instruções que eles precisam para crescer, funcionar e responder ao seu ambiente. Quando uma célula do corpo se divide, ela passa uma cópia de seu DNA para cada uma de suas células filhas. O DNA também é passado ao nível dos organismos, com o DNA no esperma e nos óvulos combinando para formar um novo organismo que tem material genético de ambos os pais. Fisicamente falando, o DNA é uma longa seqüência de unidades químicas pareadas (nucleotídeos) que vêm em quatro tipos diferentes, e carrega informações organizadas em unidades chamadas genes. Os genes tipicamente fornecem instruções para fazer proteínas, que dão às células e organismos suas características funcionais.

Em eucariotas como plantas e animais, a grande maioria do DNA é encontrada no núcleo e é chamada de DNA nuclear. Mitocôndrias, organelas que colhem energia para a célula, contêm seu próprio DNA mitocondrial, e cloroplastos, organelas que realizam a fotossíntese em células vegetais, também possuem DNA cloroplástico. As quantidades de DNA encontradas nas mitocôndrias e cloroplastos são muito menores do que a quantidade encontrada no núcleo. Em bactérias e outros procariotas, a maior parte do DNA é encontrada em uma região central da célula chamada nucleóide, que funciona de forma similar a um núcleo mas não é circundado por uma membrana.

Um conjunto de DNA da célula é chamado de seu genoma. Como todas as células de um organismo (com algumas exceções) contêm o mesmo DNA, você também pode dizer que um organismo tem seu próprio genoma, e como os membros de uma espécie normalmente têm genomas similares, você também pode descrever o genoma de uma espécie. Em geral, quando as pessoas se referem ao genoma humano, ou a qualquer outro genoma eucariótico, eles significam o conjunto de DNA encontrado no núcleo (ou seja, o genoma nuclear). Mitocôndrias e cloroplastos são considerados como tendo seus próprios genomas separados.

Cromossomas

Cada espécie tem seu próprio número característico de cromossomas. Os humanos, por exemplo, têm 46 cromossomos em uma célula corporal típica, enquanto os cães têm 78. Como muitas espécies de animais e plantas, os humanos são diplóides (2n), o que significa que a maioria de seus cromossomos vem em conjuntos combinados conhecidos como pares homólogos. Assim, os 46 cromossomas de uma célula humana estão organizados em 23 pares, e os dois membros de cada par são considerados como homólogos um do outro (com a ligeira excepção dos cromossomas X e Y; ver abaixo).

Espermatozóides humanos e óvulos, que têm apenas um cromossoma homólogo de cada par, são considerados como haplóides (1n). Quando um espermatozóide e um óvulo se fundem, seu material genético se combina para formar um conjunto completo e diplóide de cromossomos. Assim, para cada par homólogo de cromossomas do seu genoma, um dos homólogos vem da sua mãe e o outro do seu pai.

Os dois cromossomas de um par homólogo são geralmente muito parecidos um com o outro. Têm o mesmo tamanho e forma, e têm o mesmo padrão de bandas claras e escuras, como se pode ver no cariótipo humano (imagem dos cromossomas) mostrado acima. As bandas aparecem quando os cromossomas são corados com um corante, e as bandas escuras marcam mais DNA compactado (geralmente, com menos genes), enquanto as bandas claras marcam menos DNA compactado (geralmente, com mais genes). Mais importante ainda, os dois homólogos de um par carregam o mesmo tipo de informação genética. Por exemplo, existe um gene encontrado perto do fundo do cromossoma 15 que afecta a cor dos olhos. Uma pessoa pode ter a versão azul, ou alelo, desse gene em um homólogo, mas a versão marrom, no outro. Ambos os homólogos têm o mesmo tipo de gene no mesmo local, mas podem (e frequentemente têm!) ter versões diferentes de genes.

Em humanos, os cromossomos X e Y determinam o sexo biológico de uma pessoa, com XX para feminino e XY para masculino. Enquanto os dois cromossomos X nas células de uma mulher são genuinamente homólogos, os cromossomos X e Y das células de um homem não são. Eles diferem em tamanho e forma, sendo o X muito maior que o Y, e contêm diferentes genes, na maioria das vezes diferentes (embora tenham pequenas regiões de similaridade). Os cromossomas X e Y são conhecidos como cromossomas sexuais, enquanto os outros 44 cromossomas humanos são chamados autossomas.

Estrutura cromossómica

A continuidade de vida de uma célula para outra tem a sua base na reprodução de células através do ciclo celular. O ciclo celular é uma sequência ordenada de eventos que descreve os estágios da vida de uma célula desde a divisão de uma única célula pai até a produção de duas novas células filhas. Os mecanismos envolvidos no ciclo celular são altamente regulados.

Estrutura e Compactação Cromossômica eucariótica

Se o DNA de todos os 46 cromossomos de um núcleo de célula humana fosse disposto de ponta a ponta, ele mediria aproximadamente dois metros; entretanto, seu diâmetro seria de apenas 2 nm. Considerando que o tamanho de uma célula humana típica é de cerca de 10 µm (100.000 células alinhadas até igual metro), o DNA deve ser bem embalado para caber no núcleo da célula. Ao mesmo tempo, também deve ser facilmente acessível para que os genes possam ser expressos. Durante alguns estágios do ciclo celular, as longas fitas de DNA são condensadas em cromossomos compactos. Existem várias formas de compactação dos cromossomos.

No primeiro nível de compactação, pequenos trechos da dupla hélice do DNA envolvem um núcleo de oito proteínas histônicas em intervalos regulares ao longo de todo o comprimento do cromossomo (Figura 1). O complexo DNA-histone é chamado de cromatina. O complexo de DNA histórico é chamado de nucleossomo, e o DNA que conecta os nucleossomos é chamado de DNA ligante. Uma molécula de DNA nesta forma é cerca de sete vezes menor que a dupla hélice sem os histones, e as esferas têm cerca de 10 nm de diâmetro, em contraste com o diâmetro de 2 nm de uma dupla hélice de DNA. O próximo nível de compactação ocorre quando os nucleossomos e o DNA de ligação entre eles são enrolados em uma fibra de cromatina de 30 nm. Este enrolamento encurta ainda mais o cromossoma, de modo que agora é cerca de 50 vezes mais curto do que a forma estendida. No terceiro nível de embalagem, uma variedade de proteínas fibrosas é usada para embalar a cromatina. Estas proteínas fibrosas também garantem que cada cromossomo em uma célula não-dividida ocupa uma área particular do núcleo que não se sobrepõe à de qualquer outro cromossomo.

DNA replica-se na fase S da interfase. Após a replicação, os cromossomos são compostos de dois cromossomos irmãos ligados. Quando totalmente compactados, os pares de cromossomos empacotados de forma idêntica são ligados um ao outro por proteínas de coesina. A conexão entre os cromossomos irmãos é a mais próxima em uma região chamada centrômero. Os cromatídeos congéneres, com um diâmetro de cerca de 1 µm, são visíveis sob um microscópio de luz. A região centrromérica é altamente condensada e assim aparecerá como uma área apertada.

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