Evolução, estrutura e função celular

Profa. Marta G. Amaral, Dra. Biologia Celular

Em 1665, observando uma secção

de cortiça ao microscópio, notara

pequeníssimas cavidades

semelhantes às de uma colmeia, a

que chamou células.

O inglês Robert Hooke (1635-1703)

A célula é a unidade

básica da vida

Criaram a teoria celular em 1838-39

No século XIX a célula foi

reconhecida como a unidade

funcional de todos os

organismos vivos.

Teoria celular

1. Todos os seres vivos são formados por células

2. Todas as reações metabólicas ocorrem dentro

da célula

4. As células são portadoras de material genético

3. Cada célula origina-se de outra célula

...então, a solução para

qualquer problema biológico

deve ser buscada na Célula

“A vida em si, existe

apenas na célula.

O resto são mecanismos

auxiliares para tornar a

vida possível.”

Claude Bernard (1813-1878)

Médico e fisiologista francês

Ele abriu o caminho para pesquisas sobre a identificação das condições que alteram o estado normal de uma célula e a resposta da própria célula àquelas condições patológicas.

Considerou que a

célula doente não

era uma estrutura

nova, mas era

mesma estrutura

qualitativamente

diferente.

O médico Rudolf Virchow (1821-1902)

É fácil reconhecer mas, difícil de

definir.

"A vida é o produto cumulativo de interações entre as muitas

espécies de substâncias químicas que constituem as células de um

organismo". Neil A. Campbell

Dicionário: O estado ou a qualidade que nos distingue

seres ou organismos vivos dos mortos e da matéria inorgânica,

caracterizada principalmente por metabolismo, crescimento e capacidade de reproduzir e

responder a estímulos

Célula x Energia

“No universo ou em qualquer sistema isolado,

o grau de desordem somente pode crescer.”

Segunda lei da termodinâmica

Num sistema fechado, a entropia nunca diminui.

Se o sistema está inicialmente num estado de

baixa entropia (organizado), tenderá

espontaneamente a um estado de entropia

máxima (desordem).

1. Coisas materiais não são eternas.

2. Tudo parece mudar eventualmente, e o caos

aumenta.

3. Nada permanece tão fresco como no dia em que comprado; roupas desbotam, ficam surradas, e finalmente retornam ao pó.

4. Tudo envelhece, se desgasta.

5. Até a morte é uma manifestação desta lei.

6. Os efeitos da Segunda Lei estão em todo lugar,

tocando tudo pelo universo

Traduzindo para o nosso cotidiano:

Nas transformações naturais, a

energia se "degrada" de uma forma

organizada para uma desordenada,

isto é energia térmica ou energia

cinética.

Pela 2ª lei, o calor ou energia térmica

(desordenada), ocorre colisão aleatória das

moléculas. O calor gerado pelas reações

celulares dispersa, aumentando a desordem

ou a entropia.

Célula x Energia

Primeira lei da termodinâmica

Energia não pode ser criada ou destruída mas,

pode ser convertida de uma forma em outra.

A célula mantém sua organização devido a liberação de energia cinética através do metabolismo celular

1.Abiogênese 2.Panspermia/cósmica

3.Modelo de Oparin/Coacervados

4.Criacionismo 5.Biogênese

Qual é a origem da

vida?

1. ABIOGÊNESE (GERAÇÃO ESPONTÂNEA)(A= negação, BIO= vida, GÊNESE= origem) Defendida por Aristóteles (século IV a.C), Newton, Harwey, Descartes

Aristóleles considerava que a Vida era o resultado da

ação de um princípio ativo sobre a matéria

inanimada, a qual se tornava, então, animada.

Não haveria intervenção sobrenatural no surgimento

dos organismos vivos, apenas um fenômeno natural, a

geração espontânea

Roupa suja ratos adultos, completamente formados

Intestinos vermes

Carne putrefata moscas

Van Helmont (1577-1644) acreditava:

Cheiro dos pântanos rãs

Francesco Redi, no séc. XVII (1668), foi o primeiro a refutar a teoria da ABIOGÊNESE. “Qualquer forma de vida só podia provir de outra pré-existente.”

....mas ainda havia dúvida????????????

As larvas originavam da carne putrefata Abiogênicos defendiam que no frasco selado, não

continha a matéria bruta principal, o Ar. Diziam que apenas as larvas nasciam de seres pré-existentes

“Concluiu que o ar contém partículas sólidas que

originavam os microrganismos”

Pasteur (1862), refutou definitivamente

a teoria da abiogênese

Ele preparou infusões com carne e aqueceu

ALGUMAS DEIXADAS AO AR OUTRAS VEDADAS

2. PANSPERMIA e CÓSMICA Defendida por Arreheius, Liebig, Richter e Helmholtz

Em 2008, Yoshihiro et al., publicaram na Nature Geoscience que os impactos desses corpos sobre os mares primitivos, eram muito frequentes na época, poderia ter gerado alguma das complexas moléculas orgânicas necessárias para a vida

Sugerem que o aparecimento dos primeiros seres vivos na Terra surgiram dos cosmozoários (esporos resistentes), que seriam microrganismos flutuantes no espaço cósmico

Na década de 80 (sec. XX), Crick (um dos descobridores da estrutura do DNA) e Orgel sugeriram uma teoria de Panspermia dirigida, em que o agente inicial da Vida na Terra passaria a ser colônias de microrganismos, transportadas numa nave espacial não tripulada, lançada por qualquer civilização muito avançada. A Vida na Terra teria surgido a partir da multiplicação desses organismos no oceano primitivo.

3. MODELO EVOLUTIVO DE OPARIN/COACERVADOS: Surgiu em 1924, foi a1ª explicação racional, é hoje aceita

como a de maior peso.

Defendeu que a vida na Terra surgiu há cerca de 3,5 bilhões de anos, surgindo o primeiro ser vivo a partir da combinação de elementos químicos presentes na Terra primitiva.

Oparin possuía conhecimentos em astronomia, geologia, biologia e bioquímica e os empregou para a solução deste problema.

Vapor D'água,

Metano (CH2),

Gás Carbônico (CO2),

Hidrogênio (H2),

Outros Gases

aparecimento

espontâneo de

compostos orgânicos,

que, mais tarde, se

acumularam nos mares

Gases (vapor de água + metano + amônia + hidrogênio) + raios

ultravioleta e descargas elétricas aminoácidos + outros compostos

orgânicos + chuva levados para os mares "sopa química" ou "caldo

nutritivo" formação de coacervados (compostos orgânicos reunidos)

formação de protegenes (genes; primitivos) reunidos por membranas

lipoprotéicas células primitivas (heterotróficas aeróbias)

Experimento de Urey-Miller ou a Sopa Orgânica

alanina, glutamato,

ácido aspártico,

ácido fórmico,

acético, propiônico,

láctico e succínico

Publicado em 1953 na Science : foi a primeira demonstração de como moléculas orgânicas poderiam ter surgido nas condições especiais da Terra primitiva.

4. CRIACIONISMO (explicação teológica) Acreditam na criação do mundo em “6 dias”.

A teoria tem bases no livro de GÊNESES e tem Deus como criador de tudo

5. BIOGÊNESE Os seres surgem de outros seres vivos – Evolução

Como a vida surgiu? A partir de uma estrutura simples capaz de se autoduplicar

Para haver EVOLUÇÃO é preciso que haja HEREDITARIEDADE

Como iniciou a evolução das espécies? Duplicações e com mutações

Origem do universo Elementos formadores das estrelas

Formação do sistema solar

Formação de Júpiter

Formação da Terra

BIG BANG

Formação de moléculas químicas

Hoje em dia

Dificilmente isso será feito nas próximas duas décadas.

O problema é que nenhuma equipe de astrofísicos conseguiu

determinar se o neutrino tem massa.

No século XXI, a maioria dos cientistas acredita que o candidato

favorito para ser o recheio da massa escura do universo é o

neutrino, uma partícula subatômica sem carga elétrica que é a

mais abundante no cosmo.

1. Existe temperatura mais fria que o zero absoluto, 0ºK (-273,15 °C)?

2. Por que centenas de milhões de toneladas de carbono somem na atmosfera

todos os anos?

3. Como os genes são controlados?

4. Como uma célula dá origem a um organismo complexo?

5. Como o DNA consegue se auto consertar?

6. Por que o DNA humano tem largas porções inúteis?

7. A mente pode existir separada do cérebro?

8. Quantas espécies de vida existem na Terra?

9. É possível entender a consciência?

James Trefil, físico da Universidade George Mason

e autor do livro Fronteiras do Desconhecido, faz

as perguntas:

Biogênese

Iniciou a 3,5 - 3,7 bilhões de anos

1. Síntese dos monômeros

2. Síntese dos polímeros (polipeptídios, Ac. Nucléicos, Açúcares)

Foi sugerido que macromoléculas de diversos tipos, se

organizaram em pequenas unidades auto reprodutoras

(RNA) e usaram as outras como “alimento”.

Formaram coloides – hidrofílicos e hidrofóbicos

Síntese de

monômeros

1° passo da biogênese

Biogênese

Coacervados = tipo especial de

colóide orgânicos.

Possuem grande número de

moléculas, rigidamente

localizadas e isoladas do meio

ambiente por uma película

superficial de água. Desse modo,

adquirem "individualidade“ e

possivelmente as formas mais

próximas do Protobionte

(organismo primitivo)

Protobionte

Fox (1970) mostrou que

algumas proteínas aquecidas,

formam espontaneamente

microesferas contendo uma

dupla membrana na volta

envolvendo hiperciclos.

.

Autocatálise

Teoria da organização molecular espontânea

Para Eigen, 1971 (Prêmio Nobel) a vida se originou do caos molecular

por autocatálise – interação molecular

Hiperciclo: é um sistema catalítico onde

ocorrem reações espontâneas formando

novas moléculas.

Ex.: A catálise de RNAs curtos formando

polinucleotídeos para a síntese de aa de

uma pequena proteína.

É um processo em que o catalizador é um dos produtos formados durante a reação química. Significa que a reação é cada vez mais rápida à medida que vai progredindo.

Vários hiperciclos podem estar interligados Rotas metabólicas

• Capacidade auto catalítica RNA

• RNA: Não necessita de enzimas, pode agir como enzima (Ribozima)

• RNA pode se auto clivar, assim como se polimerizar – rRNA

• A síntese de DNA requer primers de RNA

• O DNA não é usado na síntese de proteínas e sim o RNA

•Transcriptase Reversa: RNA

Genes primitivos eram de DNA ou RNA?

RNA

DNA

Etapa I

Síntese abiótica e acúmulo de pequenas moléculas orgânicas como aa,

nucleosídeos, lipídeos, etc.

Etapa II

Moléculas da I etapa condensam formando polímeros

Etapa III

Formação de coloides – microesferas – formação de compartimentos

(cel. primitiva)

Etapa IV

Os elementos das etapas I-III desenvolvem a propriedade da replicação,

formando o 1º genoma, por meio da autocatálise de RNA (Ribozima).

Etapas da evolução celular

Este processo evolutivo demorou pelo

menos 100 milhões de anos

Protobionte

Nome dado as células primitivas que possuíam como principais

características:

· Simples

· Unicelulares

· Anaeróbicos

· Hipertermófilos

· Quimio-autotrófico (reduzia H2, S, e

fixavam CO2, acha-se em fontes quentes)

· Procariotes

Evolução na obtenção de energia

A obtenção de energia pelas células

ocorreu na sequência:

• FERMENTAÇÃO

• QUIMIOSSÍNTESE

• FOTOSSÍNTESE

• RESPIRAÇÃO AERÓBICA

Evolução da

vida na terra

Tipos de células Podem ser:

Solitárias Viver em comunidades

Forma geométrica definida Formas indefinidas, com limites flexíveis

Sedentárias Nadar, rastejar

Incolores Coloridas (verde, vermelha, azul)

Procarióticas

(do grego “antes do núcleo)

Eucarióticas

(do grego “com núcleo)

Bactérias Dos protistas aos mamíferos,

fungos e plantas

Pouca organização interna,

material genético livre no citosol,

São organizadas por organelas

rodeadas pelo citosol.

O DNA está estocado no núcleo.

Pequenas com 1-2 µm

Medem de 5-100 µm, algumas

podem ser vistas a olho nu.

Procarióticas

Staphylococcus aureus Streptococcus salivarius

Bactérias da língua humana

Evolução da célula

procariótica à célula

eucariótica

retículo e núcleo constituídos

célula procariótica nua

estádios progressivos de hipertrofia da

membrana plasmática e de configuração

do núcleo

Evolução da célula eucariótica

micoplasmas (mitocôndria) e

cianobactérias (cloroplastos))

Teoria da endosimbiose

TEORIA DA ENDOSSIMBIOSE

ORIGEM DAS MITOCÔNDRIAS E CLOROPLASTOS

BACTÉRIAS

CIANOBACTÉRIAS

EUCARIOTO

PRIMITIVO

CÉLULAS

ANIMAIS

CÉLULAS

VEGETAIS

Célula Eucariótica

O SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS possibilitou:

1. Maior crescimento celular;

2. Maior especialização, divisão de tarefas entre componentes celulares

e eficiência metabólica;

3. Facilidade no contato e na aglomeração intermolecular;

4. Maior proteção do material hereditário;

5. Maior diversidade de rotas metabólicas.

Unicelulares

Entamoeba histolytica. Giardia lamblia

Tripanozoma cruzzi

Unicelular em Multicelular

A união de células para formarem colônias formaram os

primeiros seres multicelulares trazendo como vantagens:

1. Longevidade;

2. Proteção dos órgãos internos, especialmente os reprodutores; devido

a camadas de células mortas da superfície do organismo, foi

possibilitada a exploração de novos ambientes mais agressivos;

3. Expressão diferenciada dos genes com consequente economia

energética

4. Surgimento de novos padrões de comunicação entre as células

gerando esquemas novos de desenvolvimento embrionário;

5. Diversidade de funções celulares e eficácia metabólica

Fungos

Neurospora fungo do pão

Penicillium sp

Aspergillus flavus Saccharomyces cervisiae

Células vegetais Apresentam:

1. Parede celular: que dá rigidez e forma

2. Vacúolos: podem ocupar 75% do volume

celular

Acumulam açúcares e outros compostos

solúveis em água. Geralmente são coloridos.

3. Cloroplasto: faz a fotossíntese.

Não apresentam:

Centrossomos, embora sejam encontrados

em algumas algas.

cloroplastos

Parede celular

Células animais especializadas

1. Tecidos epitelial

2. Tecido conjuntivo: Propriamente dito

Adiposo

Sanguíneo

Cartilaginoso

Ósseo

3. Tecido muscular

4. Tecido nervoso

As células com o mesmo material genético não são

idênticas.

Se diferenciam e formam grupos que exercem a mesma

função, formando os tecidos

TECIDOS EPITELIAL

DE REVESTIMENTO

TECIDOS EPITELIAL

GLANDULAR

PÂNCREAS PELE

TECIDOS CONJUNTIVOS

MUCOSO ADIPOSO

SANGUÍNEO

ÓSSEO CARTILAGINOSO

DENSO MODELADO

TECIDOS MUSCULARES

LISO

ESTRIADO CARDÍACO ESTRIADO ESQUELÉTICO

TECIDO NERVOSO

MICRÓGLIA CEREBELO

REVESTIMENTO E GLANDULARES

TIPOS CÉLULARES MATRIZ

POUCA

FIBROBLASTOS, CÉLULAS DE

DEFESA, ADIPÓCITOS,

CONDRÓCITOS, OSTEÓCITOS

ABUNDANTE

ESTRIADA ESQUELÉTICA,

ESTRIADA CARDÍACA, LISA MODERADA

‘AUSENTE’ NEURÔNIOS, CÉLULAS DA

NEURÓGLIA E SCHWANN

FUNÇÃO

REVESTIMENTO

E SECREÇÃO

APOIO E

PROTEÇÃO

MOVIMENTOS

RECEPÇÃO E

TRANSMISSÃO DE

ESTÍMULOS

NERVOSOS

Vírus • Tem as mesmas moléculas que os seres vivos

• Não sobrevivem de forma independente

• Tem um centro de material genético envolvido por uma capa proteica (capsídeo)

• Podem ter membrana extra denominada envoltório

• Parasitas celulares obrigatórios: quando entram no hospedeiro, o material genético viral dirige a maquinaria da célula para produzir a proteína viral e o material genético viral

Virus RNA: hepatites A e C, o HIV, Rhabdovirus (raiva),

Picornavirus (poliomielite), Orthomyxoviruses (gripes) e

Rhinovirus (constipações/resfriados)

Os vírus de RNA dispõem de enzimas próprias para serem

processados, como por exemplo enzimas de replicação (RNA replicases e transcriptases reversas).

Vírus HIV Vírus influenza

Vírus DNA: HPV (Human Papilloma Virus), o vírus da varíola, o

vírus da varicela (Varicella-zoster), Herpes simplex e o vírus

causador da hepatite B.

Usam a maquinaria celular para transcrição de seus genes,

sua replicação e reparo de seu DNA. Isso permite a alguns

vírus ter um genoma grande como os herpes vírus, que

evoluíram de forma a produzir alguns genes próprios (como

para síntese de nucleotídeos e polimerases próprias), ficando mais independentes do metabolismo celular.

Vírus HPV humano

Bacteriófagos (vírus bacterianos) são usados para

transferência gênica entre linhagens bacterianas

Viroides (agentes subvirais) são os menores sistemas genéticos capazes de se replicar no interior de uma célula e encontram-se confinados ao Reino Vegetal.

• São fragmentos de RNA que causam doenças apenas em plantas.

• Não codificam proteínas, não possuem capa proteica (envoltório de proteína que envolve e protege o DNA viral)

• Dependem da maquinaria transcricional da célula do hospedeiro para cumprir as diferentes etapas do seu ciclo infeccioso que inclui: replicação, movimento (intra- e inter-celular) e patogênese

• São conhecidos 13 tipos de

príons, das quais 3 atacam

fungos e 10 afetam

mamíferos; dentre estes, 7

têm por alvo os humanos.

• Está no cromossomo 21

humano e faz parte do

equilíbrio celular neuronal

referente à velhice.

• Se replica em porções do

sistema imunológico

(tonsilas, apêndice, placas

Peyer), fígado, músculo

PRÍONS:

São proteínas com capacidade de modificar

outras proteínas. Causam doenças no homem

e em outros animais.

Ex.: vaca louca.

Atacam o SNC.

A proteína defeituosa

mata o neurônio e na

necropsia observa-se

o encéfalo como um

tecido esponjoso,

chamada de

encefalopatia

espongiforme.

Organização Celular

1. ACELULARES: vírus, viróides e príons

2. CELULARES

2.1. PROCARIONTES: bactérias/arquibactérias

2.2. EUCARIONTES

2.2.1. UNICELULARES: protistas

2.2.2. PLURICELULARES

2.2.2.1. SEM TECIDOS: fungos

2.2.2.2. COM TECIDOS

2.2.2.2.1. ACLOROFILADOS: animais

2.2.2.2.2. CLOROFILADOS: plantas

Atenção

Classificação dos seres vivos, de acordo com Woese (1977) (Adaptado de Pommerville, J.C.(2004) Alcamo's Fundamentals

of Microbiology)