A célula: Evolução e Biodiversidade

De uma célula ancestral.....

Por que as células são tão pequenas?

Classificação

•Dois domínios procarióticos

•Um domínio eucariótico

Arqueas, Bactérias e Eucariotos

Característica Bactéria Archaea Eucariotos

Envelope nuclear Ausente Ausente Presente

Organelas envoltas por membrana Ausente Ausente Presente

Parece celular Presente Ausente Ausente

Membrana com lipídeos Hidrocarbonos Alguns hidrocarbonos Hidrocarbonosnão ramificados ramificados não ramificados

RNA polimerase De um tipo Vários tipos Vários tipos

Aminoácido iniciador Formil-metionina Metionina Metioninada síntese proteica

Introns (sequência não Ausente Presente Presentecodificadora dos genes)

Sensibilidade a antibióticos Reprodução inibida Reprodução Reproduçãopor streptomicina e não inibida por não inibida por

clorafenicol antibióticos antibióticos

Ancestral comum

• Procarioto

• Possuía DNA como material genético

• Possuía maquinaria de transcrição e tradução

• Provavelmente possuía cromossomo circular

…que evoluiu ao longo do tempo originando os três domínios.

Pré-cambriano Cambriano Ordoviciano Siluriano Devoniano Carbonifero Permiano Triassio Jurassico Cretaceo Terciário

4500 a 600 543 500 440 409 354 290 245 206 144 65 1.8

Quaternário

PresenteMilhões de anos atrás

4500 ma Origem da vida3800 ma Procariotos se desenvolvem2500 ma Eucariotos se desenvolvem

UMA RETROSPECTIVA DA ORIGEM DA VIDA NA TERRA

Quando surgiram os eucariotos ?

Procariotos

Devido a influência do dogma procarioto-eucarioto

Bactérias e Arqueas ainda são considerados procariotos.

No entanto Arqueas são diferentes de bactérias e

evolutivamente mais próximas a eucariotos.

Bactéria

Arqueas

Um procarioto típico

Estrutura

•Dividem-se em Bactérias e Arqueas

•Criaturas de maior sucesso na terra (se sucesso for medido emnúmero de indivíduos!!).

•Viveram sozinhos na terra por aproximadamente 2 bilhões de anos

•Maioria bactérias

•Possuem papéis cruciais na biosfera; membros dos doisdomínios procariotos superam todos os outros em diversidademetabólica.

•Cerca de 4000 espécies conhecidas e estima-se que existam de 400.000 a 4 milhões de espécies

Biologia geral dos Procariotos

Ambientes

•Vivem nos mais diversos ambientes

-solo-água-outros seres vivos

Exploram os ambientes e estabelecem relações de neutralidade, benevolência ou parasitismo

(Comensalismo, cooperação ou parasitismo)

Morfologia

• Unicelular

• Podem formar colônias

• Maioria possui diametro de 1-5 µm

• Formas mais comuns: -Cocos (esféricos); Isolados ou associados em arranjos bi

e tridimensionais formando correntes, placas ou blocos de células

-Bacilos (forma alongada, em bastonete); isolados ou emcadeias. Em geral são unicelulares mas podem ser multicelulares.

-Espirilos (forma helicoidal)-Vibriões (forma de vírgula)

Cocos

Enterococcus sp.Bactéria comensal; cresce no intestino de mamíferos

Escherichia coliBactéria mais estudada

BacilosMorfologia

Methanococcus jannaschiiArquea

Methanobacterium thermoautotrophicumArquea

Espirilos Vibriões

Leptospira interrogansBactéria que causa leptospirose

Vibrio choleraeBactéria que causa cólera

Morfologia

Salmonella

• Fornecem adesão ao

substrato

• Unem bactérias umas àsoutras possibilitandotroca de materialgenético

Fimbrias ou pili Flagelos

• Filamentos formados

pela proteína flagelina quese projeta da superfíciecelular

• Estrutura de locomoção

De todos estes tipos celulares,

quais são os parentes vivos mais

próximos dos procariotos

envolvidos com a origem dos

eucariotos.

• Cianobactérias (algas azuis esverdeadas). Tranformam energialuminosa em energia química. Consomem CO2, liberam O2.

• Responsáveis pelo aparecimento do oxigênio na atmosferaterrestre a 2,5 bilhões de anos.

• Podem viver livres ou formar colônias

• Utilizam clorofila a para fotossíntese e liberam gás oxigênio

• Possuem sistema de membrana internaaltamente organizados chamadoslamelas fotossintetizantes outilacóides que lembram cloroplastos.

Cloroplastos de eucariotos são derivadosde cianobactérias por endossimbiose

Bactéria importante para o surgimento dos eucariotos.

• Rickettsia (parasita intracelular)

•Aroveitamento do oxigênio atmosférico (2,5 bilhões de anos). Respiração.

• Causadora do tifo

• Parente vivo mais próximodas Mitocôndrias.

Bactéria importante para o surgimento dos eucariotos

Rickettsia

Quais as etapas para o surgimento da célula

eucariota?

• Surgimento de umasuperfície celular flexível

• Surgimento de um citoesqueleto

• Surgimento de um envelope nuclear

• O aparecimento de vesículas digestivas

• A aquisiçãoendossimbiótica de determinadas organelas

Superfície celular flexível

• Pode dobrar e se desenvolverinternamente (área de superfície para trocasgasosas e de nutrientes)

• Aumenta a velocidade de trocas com o meioexterno

• Permite a endocitose

Mudanças na estrutura celular

Junqueira e Carneiro, 2005.Junqueira e Carneiro, 2005.

Funções adquiridas pela célula

• Citoesqueleto:Controle de mudanças da forma

Distribuição cromossomos na divisão celular

Transporte de materiais internamente

Emissão de pseudópodes

Invaginações

• Membranas internas:

Delimitação de organelas e vesículas (Retículo

Endoplasmático, Complexo de Golgi)

Vesículas digestivas: Capacidade da célula se alimentar de outras células (fagócitos).

- Primeiro evento endossimbiótico :

• Para sobrevivência no ambiente aeróbio(reativo – agressivo) os fagócitosprimitivos ingeriram e incorporaram um procarioto que se tornou endossimbionteoriginando os peroxissomos.

Endossimbiose e organelas

Endossimbiose e organelas

Segundo Segundo eventoevento endossimbiendossimbióóticotico ::

•• PassoPasso crucial crucial parapara osos eucariotoseucariotos, , foifoi quandoquando osos fagfagóócitoscitosprimitivosprimitivos ingeriramingeriram e e incorporaramincorporaram um um procariotoprocarioto queque evoluiuevoluiuoriginandooriginando as as mitocôndriasmitocôndrias. . TrocaTroca de material de material gengenééticotico e e dependênciadependência..

((AlbertsAlberts etet al., 2002)al., 2002) ((AlbertsAlberts etet al., 2002)al., 2002)

Mitocôndrias

• Procariotos anaeróbios, não fotossintetizantes ingeriram aeróbios em grande número

• Alguns persistiram no citoplasma e continuaram a respirar

• Este citoplasma se tornou o lar deste procarioto

• Eficiência maior de transferência de elétrons para o O2

• Relação simbiótica estabelecida• Algumas funções do aeróbio foram transferidas para o

hospedeiro• Transferência de genes para o núcleo do hospedeiro

• Hospedeiro se tornou dependente da capacidade respiratória do aeróbio

• Mitocôndria

Endossimbiose e organelas

TerceiroTerceiro eventoevento endossimbiendossimbióóticotico ::

•• AlgunsAlguns eucariotoseucariotos incorporaramincorporaram procariotosprocariotos relacionadosrelacionados ààss

atuaisatuais cianobactcianobactéériasrias originandooriginando osos cloroplastoscloroplastos. . TrocaTroca de de

material material gengenééticotico e e dependênciadependência..

((AlbertsAlberts etet al., 2002)al., 2002)((AlbertsAlberts etet al., 2002)al., 2002)

Cloroplastos

• Célula eucariótica ancestral continha peroxissomos, mitocôndria, envelope nuclear, RE, Golgi

• Ingeriu procariotos fotossintetizantes assemelhados com as cianobactérias

• Processo evolutivo semelhante ao da mitocôndria

RESUMO:

ORIGEM DA CÉLULA

EUCARIÓTICA

RESUMO:

ORIGEM DA CÉLULA

EUCARIÓTICA

Evidências

• Similaridade na estrutura e bioquímica entre bactérias aeróbias/mitocôndria e cianobactérias/cloroplasto

• Mitocôndria e cloroplasto contêm DNA circular, sem proteínas associadas

• O DNA das organelas codifica rRNA e tRNA semelhantes aos de procariotos

• Ribossomos das organelas utilizam a formil-metionina

Origem dos Eucariotos

Segundo a teoria endossimbiôntica

poderíamos encontrar células

eucariotas sem Mitocôndrias

Animals

Fungi

Coanozoa

Plants / green algae

Ciliates + apicomplexaSramenopolis

Red Algae

DictyostellumEntamoebae

EuglenozoaPhysarumPercolozoa

Trichomonas

Giardia

Microsporidia

Mitocôndria?

((G. G. lamblialamblia éé um um parasitaparasitaqueque contaminacontamina a a ááguagua e e causacausa a a giardgiardííasease))

Um eucarioto típico

Surgimento de organismos

multicelulares!!

Multicelulares

Qual foi a vantagem evolutiva que resultou no

aparecimento dos organismos multicelulares?

Através da colaboração e divisão de tarefas tornou-se

possível explorar fontes que unicelulares não podem

utilizar tão bem.

Filo MoluscaFilo Molusca Filo MoluscaFilo Molusca

Filo Filo ArthropodaArthropoda Filo Filo ArthropodaArthropoda

Filo Filo AnnelidaAnnelida

Filo Filo EchinodermataEchinodermata

As origens da multicelularidade

• Um dos eventos mais enigmáticos da história da Terra

• A multicelularidade parece ter surgido várias vezes, independentemente, em eucariotos

– exemplos: fungos, animais, plantas e algas

O que é multicelularidade?

• Presença de tipos celulares diferenciados

durante o desenvolvimento da colônia

• Coordenação de funções chave para a

sobrevivência da colônia de células

• Desenvolvimento a partir de uma única célula, o

embrião

– Colônias de bactérias, os biofilmes, não se

enquadram nesta definição

Quando surgiram os primeiros

organismos multicelulares?• Pré-cambriano, 600 ma

• Níveis de O2 aumentaram para cerca de 5% do atual

• Acredita-se que esta nova atmosfera, rica em O2, apresentou as condições necessárias para o surgimento de células maiores e organismos mais complexos

Pré-cambriano Cambriano Ordoviciano Siluriano Devoniano Carbonifero Permiano Triassio Jurassico Cretaceo Terciário

Fauna de Ediacara

Datam do período de 670 a 550 milhõesde anos. Animais aquáticos sem partes

rígidas.

Primeiros serespluricelulares

Como pode ter se formado um

organismo multicelular?

Associação de unicelulares originaram

colônias.

Como?Células filhas permaneceram unidas após a

divisão celular. O grupo das algas verdes pode

exemplificar como isto ocorreu

Algas verdes

Existem diferentes formas de complexidade: espécies

unicelulares, coloniais e multicelulares

Volvox é um representante colonial, cujas células se mantêm

unidas após a divisão celular.

Adaptações dos primeiros organismos multicelulares

• A vida em colônia, com coordenação de funções, exige adaptações novas nestas células:

• Comunicação celular

• Adesão celular

• Diferenciação celular

Diferenciação celular

• Durante o desenvolvimento do embrião ocorre a diferenciação das células

– Elas assumem estrutura, forma, bioquímica e

funções diferentes

• Corpo humano: ~ 100 trilhões de células

• Contém cerca de 200 tipos celulares funcionalmente distintos (musculares, neurônio, da pele, do sangue,...)

Versatilidade da célula

eucariótica• As células formadas após cada ciclo de divisão

celular são idênticas à célula-mãe

• Portanto, contêm o mesmo conteúdo de

informação genética

• Em pouquíssimos casos existe perda de

material genético, p.ex., glóbulos vermelhos

– Perdem o núcleo durante a diferenciação celular

Regulação da expressão do

genoma• A resposta para a pergunta é esta:

atividade regulada de genes e seus produtos

• Especialização depende de mudanças na expressão gênica, e não na perda e aquisição de genes

Diferenciação celular

Segregação assimétricade Proteínas específicasativadoras de genes (fatores de transcrição)

Como células do coração

são tão diferentes de

células neuronais se

todas vieram de UMA

inicial.

Bibliografia

Purves, W.K. , Sadava, D.; Orians, G.H.; Heller H.C. Vida – a Ciência da Biologia. 6ª edição, Porto Alegre RS: Artmed, 2005

Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Walter, P. Molecular Biology of the Cell, 4th ed., New York: Garland Science, 2002.