aula 01 - origem das células – procarióticas e eucarióticas
DESCRIPTION
Aula do Prof. Clever Gomes CardosoTRANSCRIPT
Origem das Células –Procarióticas e Eucarióticas
Instituto de Ciências Biológicas
Departamento de Morfologia
Prof. Dr. Clever Gomes Cardoso
Menor porção de matéria viva dotada da capacidade de auto-duplicação independente.
São as unidades estruturais e funcionais dos organismos vivos.
Toda célula nasce de outra célula.
Células para os seres vivos = tijolos de uma casa
Organismos unicelulares
Organismos multicelulares
Introdução
Todos os seres vivos:
Têm o mesmo código genético (que seria uma prova de que avida na Terra teve início a partir de um único organismoprecursor).
Introdução
Evolução Seleção das mutações favoráveis nas células
Variedade de formas de vida
Introdução
Evolução: mudanças genéticas que podem reduzir ou aumentar a capacidade adaptativa
Todas as células compartilham propriedades fundamentaisúnicas que têm sido conservadas durante a evolução:
• utilizam DNA como material genético
• são circundadas por membrana plasmática
• mesmos mecanismos básicos para o metabolismo energético.
Introdução
GRANDE VARIEDADE
Origem e Evolução das Células
Origem da vida na Terra:
aprox. 3,8 bilhões de anos
(750 milhões de anos após a
formação da Terra).
Origem e evolução das células
Teorias especulativas!
Indícios mostram que a vida deve ter
surgido de alguma montagem química
molecular
Origem e Evolução das Células
POLIMERIZAÇÃO
1º
2º
Atmosfera da Terra:
• pouco ou nenhum O2 livre
• principalmente CO2 e N2, além de quantidades menores de H2, H2S e CO
• ausência da camada de ozônio
Condições redutoras para a formação espontânea de moléculas orgânicas (aminoácidos).
Origem e Evolução das Células
1953 – Stanley Miller (simulação do período pré-biótico)
1929 – Idealização Alexander Oparin
Origem e Evolução das Células
Próxima etapa: formação de macromoléculas.
Estruturas monoméricas formariam macromoléculas porpolimerização espontânea.
Capacidade de auto-replicação: ácidos nucléicos
“mundo de RNA”
RNA - Sistema genético inicial
1959 – Sidney Fox e cols microesferas proteinóides a partir de aminoácidos isentos de água
1963 – Síntese química de ATP “nossa moeda energética”
Origem e Evolução das Células
• A replicação do RNA é mais simples que a do DNA
• RNA: funciona como material genético e participa da síntese de proteínas
• RNA tem capacidade catalítica
• RNA é quimicamente mais flexível (porém mais instável)
• Desoxirribonucleotídeos são derivados de ribonucleotídeos
Mundo de RNA - quem veio primeiro: o ovo ou a galinha?
RNA: fonte de informação e enzima
RNA DNA
proteínas
Evolução:
Origem e Evolução das Células
Inclusão do RNA auto-replicativo em uma membrana de fosfolípídios (características anfipáticas).
Fosfolipídios: componentes básicos de todas as membranas biológicas atuais.
Primeira célula
Alguns autores sugerem que os lipídeos possam ter precedido proteínas e ácidos nucléicos (Trevors, 2003)
As bactérias foram as primeiras
formas de vida detectadas na Terra.
Estudos têm confirmado a presença
de fósseis bacterianos em rochas
sedimentares de 3,5 a 4 bilhões de
anos.
Ver fig I.1
As evidencias sugerem que estes
microrganismos não produziam nem
utilizavam oxigênio para o seu
metabolismo sendo desta forma seres
anaeróbios
Origem e Evolução das Células
Tais organismos tinham a capacidade de sobreviver em ambientes
extremamente inóspitos como no sal (halófitas) e em elevadas temperaturas
(termófilas).
Seus ancestrais são denominados archeobactérias e podem ser encontrados
ainda hoje.
A capacidade biológica destas bactérias é compatível com as condições
ambientais da Terra primitiva.
Origem e Evolução das Células
As condições inóspitas do meio ambiente selecionaram as bactérias mais
adaptadas aperfeiçoando assim, suas vias metabólicas.
Comparado com plantas, animais e fungos, o repertório metabólico das
bactérias é vasto.
Mas o que originou esta característica???? A sua incrível capacidade de
troca de material genético entre si.
Alem disso, as bactérias fundiram-se umas com as outras diante das
exigências ambientais.
Mas no que isso resulta???? no favorecendo o processo evolutivo dos
seres vivos surgimento de indivíduos com estruturas mais complexas
como os protistas, os fungos, as plantas e os animais
Origem e Evolução das Células
Origem e Evolução das Células
Célula primitiva - Membrana de fosfolipídios + RNA auto-replicativo= unidade capaz de replicação e evolução.
Procariotos
Eucariotos
Evolução do metabolismo
Moléculas orgânicas no ambiente serviam de alimento e energiapara estas células primitivas (eram seres heterotróficos).
Situação auto-limitante
Evolução para mecanismos próprios de geração de energia e síntese de moléculas
As principais vias do metabolismo energético são muitoconservadas nas células atuais.
ATP – adenosina 5’- trifosfato
Evolução do metabolismoCom o ambiente desfavorável as bactérias fermentadoras desenvolveram
capacidade de produzir seu próprio alimento (bactérias verdes - seres
autotróficos)
As bactérias cianofíceas ou cianobactérias evoluíram das bactérias verdes
fotossintéticas.
As bactérias verdes (fotossintetizantes), retiravam átomos de hidrogênio do
sulfeto de hidrogênio (H2S)
Já as cianobactérias retiravam hidrogênio de moléculas de água (H2O),
liberando o gás oxigênio na atmosfera.
Desta forma, as cianobactérias acumulavam o hidrogênio em seu
interior e liberavam o oxigênio que acumulava na atmosfera e deram
início ao reino Monera (o mais primitivo do planeta)
Origem e Evolução das Células
Origem dos procariotos
BactériasSeres mais antigos e também os mais abundantes habitantes da Terra.
Procarioto ancestral
Arquebactéria
Eubactéria
Bactérias aeróbias que vivem em fontes ácidas (sulfobactérias)
Bactérias que vivem em condições salinas extremas (halófilos extremos)
Bactérias que reduzem CO2 a CH4 (metanogênicas)
Bactérias Gram-positivas
Bactérias verdes fotossintéticas (anaeróbicas)
Bactérias cianofíceas (algas verde-azuladas)
Bactérias violetas fotossintéticas
Bactérias Gram-negativas
Espiroquetas
Características dos procariotos atuais
• esférica, em bastonete ou espiral
• 1-10 µm
Célula procariótica típica:
Características dos procariotos atuais
• Parede celular rígida: polissacarídeos e peptídeos
• Membrana plasmática: bicamada
• DNA: molécula circular única no nucleóide (sem membrana)
• Ribossomos
Vantagem da rápida reprodução
Origem dos eucariotos
Surgiram cerca de 1 bilhão e 500 milhões de anos depois dosprocariotos (estabelecimento de uma atmosfera de O2 estável)
Inicialmente surgiram os eucariontes protistas unicelulares que evoluíram
para seres protistas pluricelulares que deram origem aos Animália, Fungi e
Plantae
Origem dos eucariotos
Etapa crítica na evolução dos eucariotos:
Aquisição de organelas circundadas por membrana.
Duas teorias:
Teoria da Endossimbiose
Teoria autogênica
TEORIA AUTOGÊNICA
A célula eucariótica teria surgido através da especialização de
membranas internas, derivadas de invaginações da membranaplasmática.
Principal evidência: membrana plasmática e membranas dasorganelas com constituição molecular muito semelhante.
Origem dos eucariotos
Origem dos eucariotos
TEORIA AUTOGÊNICA
TEORIA ENDOSSIMBIÓTICA
Teoria mais aceita atualmente.
A célula eucariótica seria o resultado da associação de célulasprocarióticas simbióticas.
Origem dos eucariotos
Origem dos eucariotos
• Simbiose é um processo muito comum até hoje
• Tamanho dos cloroplastos e mitocôndrias muito semelhante ao dos
procariotos atuais
• Mitocôndrias e cloroplastos reproduzem-se por divisão binária, assim
como as bactérias
• Mitocôndrias e cloroplastos contêm seu próprio DNA
Argumentos que sustentam a teoria endossimbiótica:
Origem dos eucariotos
Estas associações por endossimbiose foram
altamente vantajosas e foram positivamente
selecionadas pela evolução.
Origem dos eucariotos
Origem das mitocôndrias e cloroplastos
Bactérias aeróbicas
Bactérias fotossintéticas
(cianobactérias)
Características dos eucariotos atuais
Célula animal
Características dos eucariotos atuais
Características dos eucariotos atuais
Célula vegetal
Características dos eucariotos atuais
Micrografia de célula
membranas
internas =
membranas
que delimitam
organelas
PROCARIOTOS X EUCARIOTOS
O desenvolvimento de organismos multicelulares
Saccharomyces cerevisiae
• Eucariotos mais simples (unicelulares):
– Leveduras
– Amebas
– Algas verdes
Amoeba proteus Volvox
O desenvolvimento de organismos multicelulares
Multicelularidade
Os organismos multicelulares evoluiram a partir de eucariotosunicelulares há pelo menos 1,7 bilhões de anos.
Algas verdes: transição evolutiva – colônias multicelulares
unicelulares
agregados/colônias
multicelulares
diferenciação e especialização
O desenvolvimento de organismos multicelulares
Os protistas unicelulares deram origem a todos os organismos multicelulares.
Isto provavelmente ocorreu devido a uma falha de separação após o processo
de divisão celular maior interação entre estas novas células.
Verdadeiras colônias pluricelulares foram formadas a partir deste evento.
Dados indicam que a consolidação desta entidade maior, pluricelular,
dependeu de processos interativos de transferências gênicas entre as células.
Quais foram as vantagens da multicelularidade?
• Permitiu a ocorrência de mecanismos de regulação que conduziram à
diferenciação celular, que impulsionou a evolução dos seres vivos;
• A grande diversidade de formas e funcionalidades possibilitou a
adaptação a diferentes ambientes;
• Aumentou a eficácia na utilização de energia (devido à
especialização);
• Passou a existir maior independência em relação ao meio externo,
uma vez que os vários órgãos passaram a contribuir para a manutenção
do meio interno.
O desenvolvimento de organismos multicelulares
A célula – curiosidades .....
Seres humanos → ~100
trilhões células
tamanho de célula típico →10μm;
massa típica da célula → 1
nanograma (10-9 gramas).
maior célula → ovo do avestruz
!!!
VÍRUS
• Não são considerados células verdadeiras
• Dependem de células hospedeiras(procariotos ou eucariotos) parasobreviverem
• Fora de células, são metabolicamenteinertes, podendo se cristalizar
VÍRUS
• Tamanho: 30 a 300 nm
• Formados por um envoltório denominado capsídeo (proteínas)
• Material genético: DNA (HBV) ou RNA (HIV)
• Utilizam o maquinário da célula hospedeira para duplicação domaterial genético e síntese de proteínas
Características
O protótipo celular:
1. Membrana Plasmática = separa o conteúdo da célula do exterior
2. Citoplasma e citosol1. Citoplasma: conteúdo celular localizado entre a
membrana e o núcleo
2. Citosol: é a parte semi-líquida do citoplasma, o fluido intracelular, composto por nutrientes, íons, protéinas soluveis e moléculas que participam em diferentes fases do metabolismo celular.
3. Organelas: estruturas altamente organizadas de forma e funções especificas
4. Inclusões: estruturas que contém produtos de secreção ou reserva celulares
As organelas
Núcleo
retículo endoplasmático
aparelho de Golgi
mitocôndria
lisossomos
Cloroplasto
A célula eucariótica
O Núcleo
DNA/RNA
Cromossomo
Replicação
Transcrição
= Depósito de informações na célulaEnvelope nuclear 2
membranas concêntricas
Poros (complexo do
poro nuclear)
O Retículo endoplasmático
Produção de proteína
Transportador de
componentes
Rugoso e liso
O Aparelho (Complexo) de Golgi
Modificação das proteínas
Redirecionar as moléculas modificadas para exterior da célula
A Mitocôndria
ADP > ATP
= Gerador de energia
Consumo de oxigênio e
Liberação de CO2
Respiração celular
Os Lisossomos
Atividade enzimática
Digestão intracelular
Os Lisossomos
O Cloroplasto
Fabricar moléculas de açúcares através da energia solar
Captar energia da luz solar
Encontrada somente em
Células de plantas e algas
O citosol é um gel aquoso formado por moléculas
Local de muitas reações químicas da célula
Realiza a manufatura de proteínas
Citoplasma = citosol+organelas citosol
Células como modelos experimentais
Como as propriedades fundamentais de todas as células foramconservadas durante a evolução, os princípios básicos aprendidoscom experimentos feitos com um tipo de célula são geralmenteaplicáveis para outras células.
Modelos experimentais
Biologia Celular e Molecular
Células como modelos experimentais
E. coli (bactéria)
• Por sua simplicidade relativa são modelos ideais para estudos debioquímica e biologia molecular
• Facilidade de cultivo e manuseio em laboratório
• Genoma pequeno e totalmente conhecido (1997)
Células como modelos experimentais
Leveduras
• Eucariotos mais simples (genoma pequeno quando comparado com outros eucariotos)
• Saccharomyces cerevisiae – mais utilizada em pesquisa, além do uso na produção de pão, cerveja e etanol
• Facilmente cultivadas em laboratório
• Também muito utilizada para estudos em biologia celular e molecular
•Tem auxiliado no entendimento de muitos processos cruciais
Ciclo de divisão celular eucariótico
Células como modelos experimentais
Dictyostelium discoideum
• Fungo aquático
• Eucarioto unicelular relativamente simples
• Genoma mais complexo que das levedurasmas mais simples que eucariotos superiores
• Forma agregados em estruturasmulticelulares
• Vive como uma ameba unicelular
• Mobilidade
Modelo para estudo do movimento das células animais
Células como modelos experimentais
Caenorhabditis elegans
• Nematóide (vermes), 1 mm de comprimento, vive no solo
• Genoma completo (3x o número de genes de levedura e metade do número de genes de humanos)
• Multicelular relativamente simples
• Estudos de desenvolvimento e diferenciação celular
• Do ovo ao adulto desenvolve exatamente 959 células
•Modelo de Divisão celular
e morte de célula
programada
Células como modelos experimentais
Drosophila melanogaster
• Mosca-da-fruta
• Há mais de 80 anos forneceu a prova definitiva de que os genes são transportados nos cromossomos
• Muito utilizada para estudo da biologia do desenvolvimento
• ciclo reprodutivo de ~2 semanas
• Muito utilizada em experimentos genéticos
Células como modelos experimentais
Arabidopsis thaliana
• Amplamente utilizada como modelopara estudo de plantas
• Genoma com complexidade semelhanteà C. elegans e Drosophila (11x maior queo da levedura)
• Fácil cultivo em laboratório
• Permite a comparação entre estudoscom modelos animais
Células como modelos experimentais
• modelo importante para o estudo do desenvolvimento inicial dos vertebrados
• ovos: células grandes com ~1 mm e podem ser obtidos em grande número
• Tem sido útil para o estudo dosmecanismos moleculares que controlam odesenvolvimento, a diferenciação e a divisãocelular em embriões.
Xenopus laevis
Células como modelos experimentais
“Zebrafish”
• Peixe facilmente mantido em laboratório e se reproduz rapidamente
• O embrião desenvolve-se fora da mãe e é transparente
• Estudo de mutações que afetam o desenvolvimento
Referências Bibliográficas
• Cooper, G. M & Hausman, R. E – A Célula: Uma abordagem
molecular. 3ª ed, Artmed, 2007.
• Alberts, B. e cols. - Biologia Molecular da Célula. 5ª ed, Artmed.
• De Robertis - Bases da Biologia Celular e Molecular. 4ª ed,
Guanabara Koogan, 2006.