Aula 01 - Origem das Células – Procarióticas e Eucarióticas

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

unicelular

multicelular

Introdução

http://www.bath.ac.uk/bio-sci/wheals2.gif

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


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).


1953 – Stanley Miller (simulação do período pré-biótico)

1929 – Idealização Alexander Oparin


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”


• 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:


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


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.


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



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 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


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.



TEORIA AUTOGÊNICA

TEORIA ENDOSSIMBIÓTICA

Teoria mais aceita atualmente.

A célula eucariótica seria o resultado da associação de célulasprocarióticas simbióticas.



• 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:


Estas associações por endossimbiose foram

altamente vantajosas e foram positivamente

selecionadas pela evolução.


Origem das mitocôndrias e cloroplastos

Bactérias aeróbicas

Bactérias fotossintéticas

(cianobactérias)

Características dos eucariotos atuais

Célula animal



Célula vegetal


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


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


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.


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


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)


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


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


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


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


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


• 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


“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.

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