Por que podemos dizer que cromatina e cromossomo são estados diferentes de uma mesma estrutura?

Como vimos anteriormente, o DNA não se encontra livre no interior do núcleo, mas sim associado a diversas proteínas, sendo algumas delas intimamente ligadas à própria estrutura da molécula. Este complexo DNA-proteínas é denominado de cromatina. As principais proteínas associadas ao DNA e que têm uma função eminentemente estrutural são as histonas, que atuam no processo de compactação da cromatina. Para se ter uma idéia do nível de compactação do DNA no núcleo, se enfileirássemos todos os 46 cromossomos de uma única célula humana, teríamos um filamento de cerca de 2 metros de comprimento, que, por sua vez, está compactado em uma esfera (o núcleo celular) de, aproximadamente, 5µm de diâmetro (1µm = 10-6 metros). Seria equivalente a compactar 40 km de um fio extremamente fino em uma bola de tênis!

Veja a animação disponível no link: , que apresenta a compactação do DNA até a formação de cromossomos.

As histonas são encontradas associadas à molécula de DNA na forma de octâmeros. Cada octâmero é composto por duas histonas de quatro tipos diferentes (denominadas de H2A, H2B, H3 E H4) e, ao seu redor, ocorre o enrolamento de aproximadamente 146 pares de bases da molécula de DNA, formando 1,65 de volta (portanto, menos de 2 voltas completas). Entre os octâmeros existe um curto segmento de DNA, com cerca de 80 pares de bases de comprimento, chamado de DNA de ligação. O octâmero com o filamento de DNA envolvente foi denominado nucleossomo, unidade estrutural da cromatina que se repete periodicamente a cada aproximadamente 200 pares de bases ao longo de toda a fita de DNA (Fig. 5).

Figura 5: Detalhe esquemático da organização de um nucleossomo formado por um octâmenro de histonas, associado à histona H1. Note que a molécula de DNA se enrola em torna desta estrutura.

Fonte: COOPER, G.M. & HAUSMAN, R.E. - A Célula. Uma abordagem molecular. 3a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2007.

Este arranjo reduz em quase um terço o tamanho total da molécula de DNA, constituindo o primeiro nível de compactação da cromatina. O segundo nível de compactação se dá pela associação aos nucleossomos de um outro tipo de histona não presente no octâmero, a histona H1. Associando-se à cromatina já em seu primeiro nível de compactação, a forte afinidade desta histona H1 por ela mesma garante que a molécula de DNA, já compactada, sofra uma nova alteração espacial, levando a uma organização dos nucleossomos na forma de um arranjo regular, cujo resultado é uma estrutura com a conformação de um solenóide, similar a uma espiral (ou em zigue-zague), da cromatina, formando a fibrila de 30 nm de diâmetro (Fig. 6).

Figura 6: Associação dos nucleossomos mediada pela histona H1, formando, no caso, um solenóide com diâmetro de 30 nm, correspondendo ao segundo nível de compactação da cromatina.

Fonte: COOPER, G.M. & HAUSMAN, R.E. - A Célula. Uma abordagem molecular. 3a. edição. Porto Alegre, Artmed, 2007.

Embora ainda não haja consenso sobre como está organizada a fibrila de 30 nm, o modelo em zig-zag parece ser mais consistente. A fibrila de 30 nm uma vez formada se associa a um arcabouço protéico e, devido a sua interação ser restrita apenas a pequenas regiões desse arcabouço, forma-se uma estrutura na forma de alças livres de cromatina compactada ao nível da fibrila de 30nm de diâmetro, estabelecendo-se, assim, o terceiro nível de compactação da cromatina, a fibrila de 300 nm de diâmetro. Em uma célula interfásica, os cromossomos estão organizados nesse terceiro nível de compactação, alcançando seu máximo empacotamento apenas durante um curto período durante a divisão celular.

Figura 7: Esquema geral mostrando os diferentes níveis de compactação da cromatina, desde a molécula de DNA (A), passando pelo nível dos nucleossomos (B), do solenóide (C) até o nível das alças (D). O nível superior (E - F) corresponde a um cromossomo metafásico altamente condensado em uma célula em divisão.

Fonte: LODISH, H, BERK, A., MATSUDAIRA, P., KAISER C.A., KRIEGER M., SCOTT M.P., ZIPURSKY, S.L. & DARNELL, J. Biologia Celular e Molecular. 5a edição. Porto Alegre, Artmed, 2005.

Assista ao vídeo que exibe a compactação do DNA.

A compactação dos cromossomos, entretanto, não é uniforme em um mesmo cromossomo. De modo geral, as regiões nos cromossomos que possuem genes sendo expressos estão mais relaxadas, enquanto aquelas nas quais os genes são inativos ou que não possuem genes estão mais compactadas. Assim sendo, o padrão de compactação dos cromossomos difere com o estado funcional da célula e entre um tipo celular e outro, pois depende de quais genes estão sendo expressos naquele momento. As regiões mais relaxadas são chamadas de eucromatina e as mais condensadas de heterocromatina.

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Aproximadamente 6 milhões de pares de bases, empacotados em 46 cromossomos, formam o DNA contido em cada célula do corpo humano. Estima-se que este material genético tenha cerca de 2 metros de comprimento, e, contabilizando-se todas as células do corpo humano, seria possível cobrir a distância da Terra ao Sol (ida e volta) por 300 vezes. Mas como esse material fica contido no núcleo de células microscópicas? A resposta está no complexo formado pela fita-dupla de DNA e proteínas histonas que recebe o nome de cromatina.

Conteúdo deste artigo

Compactação do DNA
Regulação da expressão gênica
Proteção do código genético

A formação de cromatina está relacionada a três fatores principais:

a) a compactação da fita-dupla de DNA, permitindo sua alocação apropriada dentro do núcleo celular;
b) a proteção da informação genética; e
c) a regulação da expressão gênica.

A transformação da fita-dupla de DNA em estruturas altamente condensadas (cromossomos), ocorre através da ligação à proteínas do tipo histona, formando um complexo conhecido como nucleossomo. Esta pequena família de proteínas (H1, H2A, H2B, H3 e H4) consiste em moléculas positivamente carregadas, o que facilita sua ligação à fita-dupla de DNA, que apresenta carga oposta (negativa) devido à presença de grupos fosfato. Um conjunto de oito proteínas histona em associação com 146 pares de bases de DNA denomina-se nucleossomo, e a energia utilizada nesta ligação é liberada a partir das próprias histonas, principalmente na forma de interações eletromagnéticas.

Os nucleossomos permanecem ligados entre si através de aproximadamente 20 pares de bases de DNA (em inglês, linker DNA), conferindo a esta estrutura formato semelhante ao de um colar de contas em fotografia microscópica. A compactação e compressão dos nucleossomos formam fibras de cerca de 250 nano milímetros, diminuindo o volume do DNA e, posteriormente, dando origem à cromátide presente nos cromossomos.

Do cromossomo à fita dupla de DNA. Ilustração: VectorMine / Shutterstock.com

A transcrição e replicação do DNA são processos regulados pela estrutura da cromatina. Porções do DNA altamente condensadas, denominadas como heterocromatina, não são transcritas e localizam-se na parte periférica do núcleo celular. Por outro lado, a eucromatina corresponde à uma região do DNA que é descondensada durante a interfase (fase inicial da mitose), e encontra-se localizada na região central do nucleoplasma. Esta porção do DNA realiza a transcrição do código genético principalmente através da acetilação das histonas (a ligação de radicais acetil às proteínas histonas), deixando assim o DNA “livre” para ser transcrito. Este processo é interrompido quando o radical acetil se desliga das histonas, levando-as a se associarem novamente à molécula de DNA, e impedindo assim sua transmissão em decorrência da estrutura condensada.

A regulação da expressão gênica também pode ser realizada através da metilação do DNA. A adição de radicais metil às bases de citosina presentes nesta molécula também impede a transcrição do código genético.

Proteção do código genético

Além dos fatores espacial e de regulação da expressão gênica, a formação de cromatina também apresenta relação com a proteção da informação contida no DNA. Os cromossomos contêm em sua estrutura uma sequência de DNA conhecida como telômero; este complexo é formado por sequências de DNA inativas (que não codificam genes) e proteínas de ligação, e marca o fim de um cromossomo. Este mecanismo previne a degradação das extremidades do cromossomo durante a cópia do material genético, e impede que a célula o reconheça como uma molécula de DNA corrompida e que necessita de reparo.