BC-Aula 1 2 Power Point 09 10[1]

Biologia Celular – Tópico 1

A célula: conceitos e noções básicasnoções básicas

Ano lectivo 2009/2010

A célula: conceitos e noções básicas

“Unidade“Unidade EstruturalEstrutural ee funcionalfuncional dede todostodos ososseresseres vivos”vivos”

E assim cada célula possui uma organização molecularque lhe permite desempenhar as funções que

Conceito UniversalConceito Universal

que lhe permite desempenhar as funções quecaracterizam a vida: crescer, reproduzir-se e adaptar-se ao meio exterior.

Mas nem sempre foi este o conceito….

• Imagem da cortiça observada ao microscópio.

• Robert Hooke, Cientista Inglês (1635-1703)

A Descoberta da Constituição dos seres Vivos

…Pude aperceber-me, claramente, que esta era toda perfurada e porosa,assemelhando-se a um favo de mel … Esses poros ou células consistiamnum grande número de pequenas caixas ….

• Microscópio e o sistema deiluminação aumentava a imagem270 X

• Microscópio ópticode Hooke

• Microscópio óptico vulgar

O MicroscópioO Microscópio

ANTON VAN LEEUWENHOEK - 1632-1723

• Comerciante de Delft, Holanda

�Passatempo: polir lentes e construirmicroscópios. Estes eram constituídos poruma única lente de alta qualidade. As

uma única lente de alta qualidade. Assuas melhores lentes permitiam umaumento de cerca de 300 vezes.

� A partir de 1674 começou a observarbactérias, protozoários e leveduras queisolava da água da chuva, de lagos,poços, de tecidos da boca, dentes, salivae de vinagre.

“Os vizinhos achavam-no um tanto louco, vendo-o espiar horas e horas a fio

através do microscópio. Mas ele não dava atenção ao que dizia o povinho de

Delft. Continuava a olhar pelo microscópio e a descobrir sempre novas

maravilhas. Um dia olhou um pouco de água da chuva que colheu numa pocinha.

E nela descobriu “pequenos animais, nadando, brincando, mil vezes menores do

que os que podemos ver com os olhos nus”. “Insignificantes bestinhas”, foi como

lhes chamou.

Achava que elas não vinham do céu. Para prová-lo colheu água da chuva num

ANTON VAN LEEUWENHOEK - 1632-1723

Achava que elas não vinham do céu. Para prová-lo colheu água da chuva num

vaso perfeitamente limpo. O microscópio não revelou as “bestinhas”. Conservou

a água num pires durante vários dias e os “animalculos” apareceram.

Decidiu que estes provinham de partículas de poeira sopradas pelo vento”.

Picou o dedo e observou o sangue, descobrindo os glóbulos vermelhos.

Fielmente relatou seus achados à Sociedade Real em 1674. Três anos depois

descreveu os espermatozóides produzidos pelos cães e outros animais.

A Sociedade Real prestou honras ao inculto holandês. Leeuwenhoek foieleito membro da Sociedade Real em 1680.

• Mathias Schleiden• Botânico

• Theodor Schwann• Zoólogo

Teoria CelularA primeira vez que este conceito surgiu, já no século XVIII

Entre 1838 e 1939, os dois cientistas alemães postulavam que “todos osvegetais e animais são constituídos por células”.

No entanto, o conceito que passou a ser denominado por Teoria Celular foiapenas enunciado em 1858 pelo patologista Rudolf Virshow :“cada animal representa o somatório de unidades vitais, cada umadas quais reúne por completo todas as propriedades da vida”

Com a teoriateoria celularcelular é posta em causa uma série de conceitosfilosóficos que argumentavam que o organismo é um todoindivisível e reafirma-se a célula como Unidade básica e que oorganismo é uma colectividade em que cada célula é um cidadão,sendo que a organização é o que distingue os seres vivos dosdemais elementos da natureza

Teoria Celular

demais elementos da natureza

A célula surge como:

� Uma entidade isolada das outras através de uma membrana

� Uma unidade dinâmica (um sistema aberto)

ExistênciaExistência dede diferentesdiferentesníveisníveis dede organizaçãoorganizaçãocelularcelular

-Pequenas moléculas(aminoácidos enucleótidos) originammacromoléculas (comomacromoléculas (comoproteínas e DNA), osquais por sua vezoriginam complexossupramoleculares(cromossomas e paredecelular).

Ao conjunto destes complexos chama-se a

célula.

Organização das células num ser pluricelular

As células idênticas reúnem-se em tecidos.

Os tecidos agrupam-se e formam os órgãos.

Os órgãos agrupam-se para realizar uma tarefa específica e formam o sistema.

O conjunto de todos os sistemas formam o organismo.

A célula: conceitos e noções básicasExistem duas grandes classes de células (séculoséculo XX,XX, EdouardEdouard ChattonChatton;; masmassósó 19621962 StanierStanier ee vanvan NielNiel classificaramclassificaram osos aspectosaspectos queque asas permitirampermitiramdistinguirdistinguir):

�Células procariotas - maispequenas e simples;genoma simples compostopor uma única molécula deDNA circular, semcitosqueleto ou organelos

�Células eucariotas - genoma maior e

mais complexo (normalmente formado por

várias moléculas de DNA linear); núcleo

bem definido (material genético separado

do citoplasma por invólucro nuclear);citosqueleto ou organeloscitoplasmaticos; seminvólucro nuclear adelimitar o materialgenético.

Mecanismos moleculares básicos são os mesmos (partilham um ancestral comum)

CélulaCélula procariotaprocariota (~(~00,,55µm)µm)

PresentesPresentes nana terraterra 33 biliõesbiliões dede anosanos

Escherichia Coli (E. coli) (habitante comun nonosso tracto intestinal.

E. coli (e a maioria dos outros procariotas):

�Encontram-se delimitados por uma paredecelular rígida composta por polissacáridos epéptidos.�por baixo da parede celular existe umamembrana plasmática que consiste numacamada dupla de fosfolípidos e proteinasassociadas.� única molécula de DNA circular (existenteno nucleóide).�Mais de 30000 ribossomas no citoplasma.

Methanopyrus (arqueobactéria)

Bacteria e ArchaeaA célula: conceitos e noções básicas

Bacillus sp. (bactéria)

Simplicidade anatómica e rápido crescimento em condições variáveis e controladas;

facilidade de obtenção população homogénea; extrapolar alguns resultados de

investigação para organismos eucarióticos.

levedura

Células Eucarióticas

� Núcleo individualizado e organelos � Citosqueleto � Estrutura do DNA

circular (mitocondrial), linear (nuclear)Empacotamento (histonas) Genes contêm intrões

Presentes na terra 1,5 biliões de anosPresentes na terra 1,5 biliões de anos

ArabidopsisDrosophila

� Unicelulares

� Pluricelulares

Genes contêm intrões processamento do RNA (splicing)

� Unicelulares

Em geral os organismos unicelulares são pequenos, consomem relativamente poucos

nutrientes, dividem-se rapidamente e têm uma capacidade de adaptação aos mais

diversos tipos de meios ambientes

- especializações funcionais tais como

fotoreceptores, cílios, flagelos, boca, feixes

levedura protozoários

fotoreceptores, cílios, flagelos, boca, feixes

contrácteis semelhantes a músculos. Alguns

são carnívoros com capacidade de perseguir,

paralisar e capturar outras células.

Núcleo – contém a informação genética na forma de DNA linear, local dareplicação do DNA e síntese de RNA.

Ribossomas – local de síntese proteica (duas subunidades (rRNA)

Retículo endoplasmático – Liso e rugoso- associado a ribossomas - rede demembranas intracelulares que funciona no processamento e transporte deproteinas, e na síntese de lípidos

Mitocondria – local onde se realizao metabolismo oxidativo. Forneceenergia às células para asreacções de metabolismo;produzem ATP a partir da energiaarmazenada nos nutrientes; tem oseu próprio DNA (circular).

Peroxissomas – local de reacçõesde oxidação –decomposição H2O2(enzimas oxidativas – catalase)(importantes constituintes fígadoe rins).

Lisossomas – compartimento especializado na digestão de macromoléculas(contém enzimas hidrolíticas), autofagia e fagocitose

Complexo de Golgi – cisternas empilhadas - envolvido no transporte deproteínas para a via de secreção ou lisossomas. As proteínas sofrem umasérie de modificações tais como adição e remoção de açucares; local onde seproduzem glicoproteinas e os proteoglicanos

A célula: conceitos e noções básicasCélulas Eucarióticas

Citosqueleto – responsávelpela plasticidade, flexibilidadee motilidade das célulaseucariotas. Constituido por 3tipos proteinas: filamentosintermédios; microfilamentosactina e os microtúbulos

Vacúolo – armazenamentoprodutos de metabolismo enutrientes, digestãomacromoléculas.

Cloroplastos – presentes em células de plantas e algas verdes – local ondese realiza a fotossíntese –conversão da energia solar em energia biológica -ATP– fornecimento de energia à célula.

A célula: conceitos e noções básicasCélulas Eucarióticas

Possui múltiplas cópias DNA

cloroplastídico circular

O genoma cloroplastídial

contém cerca de 100 genes

que codificam rRNAs e tRNAs

bem como proteínas

envolvidas na fotossíntese,

entre outras.

Como é que a 1ª célula surgiu ninguém sabe ao certo mas váriasexperiências laboratoriais forneceram uma serie de evidencias importantesna compreensão de como é que tal possa ter ocorrido.

1920 – moléculas orgânicas simples podiam-se formar e polimerizarespontaneamente nas condições da Terra primitiva (CO2 e N2).

1950 – Stanley Miller mistura de H2,CH4 e NH3 na presença de água e apósdescarga eléctrica originam váriasmoléculas orgânicas incluindo váriosaminoácidos, os quais devido aaquecimento sofrem polimerização.

Mas a característica critica das macromoléculas a partir das quais a vidaevoluiu teria que ser a sua capacidade de autoreplicação.

E apenas uma molécula capaz de se autoreplicar teria sido capaz de sereproduzir e sofrer evolução.

Apenas os ácidos nucleicos tem capacidade de se autoreplicação,servindo de molde à sua própria síntese como resultado deemparelhamento de bases especifico entre nucleótidos complementares.

emparelhamento de bases especifico entre nucleótidos complementares.

1980 – Teoria do mundo de RNA.Ideia de que apenas moléculas deRNA são capazes de direccionar asíntese de novas cadeias utilizandocomo molde uma molécula de RNA.

A evolução o DNA acabou porsubstituir o RNA como materialgenético.

Pensa-se que a primeira célula terá surgido do encapsulamento de umamolécula de RNA por uma membrana composta de fosfolipidosfosfolipidos (os quaisdevido às suas características quando colocados em água espontaneamenteformam uma bicamada com as cabeças hidrofílicas expostas para o exteriore as caudas hidrofóbicas apolares no interior em contacto umas com asoutras).

As primeiras células tiveramAs primeiras células tiveramorigem no mar, donde obtinhamalimento e energia directamente.O próximo passo na evoluçãoconsistiu no desenvolvimento demecanismos geradores de energia1º) quebra de moléculas orgânicasna ausência de O22º) fotossíntese (1ª bactériafotossintética)6H2O + 6CO2 → 6O2 +C6H12O6

3º) quebra de moléculas orgânicasna presença de O2

a) Nutrição e metabolismo

Características dos sistemas vivos

�A célula tem capacidadepara importar e expulsarsubstâncias, realizandotrocas com o exterior.

�A célula tem capacidade metabólica. Entende-se por metabolismo celularo conjunto de todas as reacções químicas que ocorrem no interior dascélulas. As reacções químicas podem ser catabólicas ou anabólicas. Asreacções catabólicas envolvem assimilação ou processamento de matériapara obtenção de energia. As reacções anabólicas envolvem a utilização deenergia para síntese de vários constituintes celulares, movimento,transporte, calor, etc.

b) Autoreplicação e capacidade de divisão celular autónoma

�As células possuem também acapacidade de sintetizarmoléculas hereditárias de formaautónoma, as quais apósreplicação são distribuídas àscélulas filhas pelo mecanismo de

c) Diferenciação

células filhas pelo mecanismo dedivisão celular, transmitindoassim a informação genética àdescendência.

�as células tem a capacidade dediferenciaçãodiferenciação génicagénica diferencialdiferencial ememdiferentesdiferentes tipostipos dede tecidostecidos (o mesmogenoma, com diferentes expressões).Mais, o tipo de proteínas expressaspodem ser alteradas de acordo comestímulos externos.

d) Comunicação

�As células tem igualmentecapacidade de responder aestímulos externos e actuar emconformidade; da mesma forma,são capazes de produzir sinaisquímicos que induzem respostas

e) Evolução

Por fim, as células tem a capacidade de evoluir,seleccionando as características que conduzem ao maiorgrau de adaptação às condições do ecossistema onde seencontram e de as transmitir à descendência.

químicos que induzem respostasem células vizinhas (comunicaçãointercelular).

Tipos de ligações químicas (que se estabelecem entre as moléculasque constituem as células)

1) Ligações covalentes: partilha de electrões entre

�Conceito de uniformidade ao nível molecular em termos de composiçãoquímica básica e do tipo de interacções que se estabelecem entre asdiferentes moléculas.

1) Ligações covalentes: partilha de electrões entreátomos (ex. Pontes de dissulfureto)

2) Ligações não covalentes2.1 Interacções iónicas (entre iões cargas opostas)2.2 Pontes de hidrogénio (ligação entre um átomode H e 2 ou mais átomos sendo o H o elo entreeles)

Principais constituintes químicos da célula

1) Água� 70-85% volume celular (principal constituínte celular)� molécula polar - constituída por 2 átomos de HH e um átomo de OO, osprimeiros carregados positivamente e o ultimo negativamente.

�Devido à sua natureza polar a agua pode estabelecer pontes de

�Estabelecer interacções iónicas com iõescarregados

�Devido à sua natureza polar a agua pode estabelecer pontes dehidrogénio entre si ou com outras moléculas polares.

�Solvente de moléculas polares e iões;mau solvente de moléculas apolares

2 a 3% são iões inorgânicos (Na, K, Mg, Ca, Cl, HPO4 envolvidos em váriosprocessos do metabolismo celular (cofactores enzimáticos, transporte deoxigénio, manutenção do pH entre outros)

2) Sais Minerais

3) Carbohidratos�Compostos orgânicos formados por CC, HH e OO

Nas plantas, a

utilização da

energia

luminosa luminosa

permite a

partir de CO2

com H2O

formar

açucares

Glicerol –

“metade”de

glucose

�Podem ser açucares simples - monossacarídeos ou polissacarídeos -polímeros de monómeros de açucares ligados entre si por ligaçõesglicosídicas.

3) Carbohidratos

Pentoses (5C)

Hexoses (6C)

MonossacarídeosMonossacarídeos

3) Carbohidratos

DissacarídeosDissacarídeos

3) Carbohidratos

Monómeros ligam-se através de ligações glicosídicas.

Lactose

Sacarose

�constituídos por vários monómeros de açucares ligados entre si (amido, glicogénio

e celulose).

3) Carbohidratos PolissacarídeosPolissacarídeos

�função de fornecer energia através das oxidações e participação em algumas

estruturas celulares. estruturas celulares.

AmidoAmido

�constituídos por vários monómeros de açucares ligados entre si (amido, glicogénio

e celulose).

moléculas de glicose- α

C1_C4 seguinte; C1_C4 seguinte;

ocasionalmente C1_C6)

� Ligações β C1_C4, sem ramificações (formação de cadeias longas que originam fibras mecanicamente muito resistentes)

4) Lípidos

A célula: conceitos e noções básicasPrincipais constituintes químicos da célula

�formados por CC, HH e OO

�Moléculas apolares, insolúveis em água e solúveis em éter, acetona eclorofórmio.

Os lípidos desempenham 3 grandes funções celulares:

�Importantes fontes de armazenamento energético

�principais constituíntes das membranas celulares

�Papel importante na sinalização celular (e.g. hormonas, esteróides)

Exemplos: lípidos simples (óleos, gorduras e cera) e lípidos complexos(fosfolípidos).

4) Lípidos

Existem vários tipos de lípidos de acordo com a complexidade e as moléculasàs quais se associam:

4.1) Ácidos gordos �mais simples;

�longas cadeias hidrocarbonadas, apresentando um grupo carboxílico numa�longas cadeias hidrocarbonadas, apresentando um grupo carboxílico numadas suas extremidades.

�Podem ser saturados ou insaturados.

Cadeia saturada (todos os C com os

respectivos H)

Cadeia monoinsaturada (2 dos C perderam

H – 1 ligação dupla)

Cadeia Polinsaturada (várias ligações

duplas) (+ saudáveis)

4) Lípidos

4.1) Ácidos gordos

Podem-se associar Podem-se associar a uma molécula de

glicerol

(libertação de 1 molécula de H2O)

�São armazenados nos tecidossob a forma de triglicéridos (3ácidos gordos ligados a umamolécula de glicerol).

4) Lípidos

�acumulam-se como gotas de gordura no citoplasma�As gorduras e os óleos são reservas de energia servindo como “blocos”para a constituição de membranas celulares e do tecido adiposo

4.2) Fosfolípidos

4) Lípidos

�principais constituintes das membranas celulares.�principais constituintes das membranas celulares.

�Consistem de 2 cadeias de ácidos gordos ligados a um grupo polar. Nosglicerofosfolipidos, as 2 cadeias de ácidos gordos encontram-se ligadas auma molécula de glicerol. O 3º átomo de C do glicerol liga-se a um grupofosfato, normalmente ligado a uma outra pequena molécula polar (e.g.colina, serina).

�São moleculares anfipáticas ou seja possuem uma parte hidrófoba e outrahidrofílica

Esfingomielina é o único fosfolípido não glicerol presente nas membranas(liga-se a uma serina em vez do glicerol).

4.3) Glicolípidos e esteróis

4) Lípidos

�Para alem de fosfolípidos, muitasmembranas contêm glicolipidos e colesterol

Ácido gordo

� 2 cadeias de ácidos gordos ligadosa um grupo polar que contémcarbohidratos.

GlicolípidosGlicolípidos

�O Colesterol no lugar de cadeias hidrocarbonadas lineares éconstituido por 4 aneis de hidrocarbonatos, sendo o percurssor dashormonas esteróides como o estrógenio e a testosterona.

4.3) Glicolípidos e esteróis

4) Lípidos

5) Ácidos nucleicos

Dentro dos ácidos nucleicos podemos distinguir dois grandes grupos demacromoléculas:� o DNA (ou ácido desoxiribonucleico) e� o DNA (ou ácido desoxiribonucleico) e� o RNA (ácido ribonucleico).

�O DNA constitui o nosso material genético e localiza-se no núcleo dascélulas eucariotas;

�o RNA participa numa serie de actividades celulares dependendo a sualocalização celular do tipo e da função de cada RNA.

Tanto o DNA como o RNA são polímeros de nucleótidosnucleótidos, compostos por:

� uma base azotada (adenina, timina ou uracil, citosina e guanina),

� um açucar mais especificamente uma pentose (ribose ou 2´desoxiribose)

� um açucar mais especificamente uma pentose (ribose ou 2´desoxiribose)e

�um grupo fosfato

Base Base azotadaazotada

DNADNA RNARNA

RNARNA DNADNA

Base + açucar Base + açucar + grupo fosfato

Os acidos nucleícosformam-se porpolimerização dosnucleótidos enucleótidos eenvolve a formaçãode ligaçõesfosfodiésteres entreo grupo OH do C3de um nucleótido eo grupo fosfato doC5 do nucleótidoseguinte.

Quer as moléculas de DNA como asde RNA são moléculas com

de RNA são moléculas comdireccionalidade, isto é,apresentam sempre umaextremidade 5´(grupo fosfato livre)e uma extremidade 3´(grupo OHlivre), sendo que aa adiçãoadição dedeumum nucleótidonucleótido aa outrooutro prépré--existenteexistente ocorreocorre sempresempre nonosentidosentido 55´́parapara 33´́

5.1) DNA

Ácido Desoxirribonucléico

•Contém timina e desoxirribose•Composto por duas cadeiascomplementares antiparalelas, ligadascomplementares antiparalelas, ligadasentre si por pontes de H estabelecidasentre as bases azotadas complementares(C/G e A/T), que formam uma estruturaem dupla hélice.

O DNA é responsável pelatransmissão hereditária dascaracterísticas

5.1) DNA

Ácido Desoxirribonucléico

Ácido Ribonucléico

•Contém uracilo e ribose•Normalmente em cadeia simples,podendo existir formação de estruturassecundárias por emparelhamento debases complementares dentro da mesma

5) Ácidos nucleicos5.2) RNA

bases complementares dentro da mesmacadeia.•O RNA controla a síntese de proteínas.

O mRNA transporta a informação do DNA para osribossomas, onde serve de molde para a sínteseproteica. Os rRNAs (constituintes do ribossoma) etRNAs (adaptadores entre os aminoácidos e omRNA) participam na síntese proteica

5) Ácidos nucleicos Proteínas

6) Proteínas

•São de todas as macromoléculas as mais abundantes e versáteis;

•Podem aparecer associadas a outras macromoléculas (glicoproteinas e•Podem aparecer associadas a outras macromoléculas (glicoproteinas elipoproteinas);

Glicina – aminoácido mais simples

•São polímerospolímeros dede aminoácidosaminoácidos ligadosligados atravésatravés dede ligaçõesligações peptidicaspeptidicas

•Tamanho e estrutura 3D muitovariável

6) Proteínas

�As proteínas podem apresentar váriosníveis de organização estrutural:níveis de organização estrutural:� Estrutura primária (sequênciade aminoácidos)

6) Proteínas

� Estrutura secundária : hélicehélice αα (pontes

de H entre o O do grupo CO e o H do

grupo NH que se encontra 4 residuos à

frente, conferindo uma estrutura

secundária em forma de helice) ou folhasfolhas ββ

(pontes de H entre 2 cadeias polipeptidicas

diferentes ou entre segmentos distantes e

distendidos da mesma cadeia

polipeptidica; as ligações estabelecem-se

perpendicularmente ao eixo da cadeia

originando um estrutura secundária

achatada e rigida)

6) Proteínas� A estrutura terciária corresponde àconformação global da cadeia polipeptidica, 3Dglobal)

6) Proteínas

� A estrutura quaternária corresponde à estrutura 3D de proteínasmultiméricas, isto é, constituidas por mais do que uma subunidade e.g.hemoglobina, constituida por 2 cadeias alfa e 2 cadeias beta de globina;contém 4 grupos heme (Fe2+) responsável pelo transporte de O2. Existe nosnossos glóbulos vermelhos.

�Existe uma relação entre a estrutura ea função de determinada proteína(determinados sequencias de ligação

6) Proteínas

(determinados sequencias de ligaçãoespecifica a RNA ou DNA devido àspropriedades dos aminoácidos presentesnesses motivos). Assim, a compreensãoda estrutura das proteinas é de extremaimportância para a determinação da suafunção celular.

�Mais, existe uma correlação directaentre o grau de homologia entre duasproteínas e a sua relação funcional eevolutiva.

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