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A célula: unidade funcional da vida
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 Hidrocarbonos
não ramificados ramificados não ramificados
RNA polimerase De um tipo Vários tipos Vários tipos
Aminoácido iniciador Formil-metionina Metionina Metionina
da síntese proteica
Introns (sequência não Ausente Presente Presente
codificadora dos genes)
Sensibilidade a antibióticos Reprodução inibida Reprodução Reprodução
por 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 vida
3800 ma Procariotos se desenvolvem
2000 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 em
número de indivíduos!!).
•Viveram sozinhos na terra por mais cerca de 2 bilhões de anos
•Maioria bactérias
•Possuem papéis cruciais na biosfera; membros dos dois
domínios procariotos superam todos os outros em diversidade
metabólica.
•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 (comensalismo), cooperação
mutualismo e simbiose) 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 em
cadeias. 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
Bacilos
Morfologia
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 às
outras possibilitando
troca de materia lgenético
Fimbrias ou pili Flagelos• Filamentos formados
pela proteína flagelina
que se projeta da
superfície celular
• 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 energia
luminosa em energia química. Consomem CO2, liberam O2.
• Responsáveis pelo aparecimento do oxigênio na atmosfera
terrestre 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 interna
altamente organizados chamados
lamelas fotossintetizantes ou
tilacóides que lembram cloroplastos.
Cloroplastos de eucariotos são derivados
de 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 próximo
das Mitocôndrias.
Bactéria importante para o surgimento dos eucariotos
Rickettsia
Quais as etapas para o surgimento da célula
eucariota?
• Surgimento de uma
superfície celular flexível
• Surgimento de um
citoesqueleto
• Surgimento de um
envelope nuclear
• O aparecimento de
vesículas digestivas
• A aquisição
endossimbiótica de
determinadas organelas
Superfície celular flexível
• Pode dobrar e se desenvolver internamente (área de superfície para trocas gasosas e de nutrientes)
• Aumenta a velocidade de trocas com o meio externo
• Permite a endocitose
Mudanças na estrutura celular
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 fagócitos
primitivos ingeriram e incorporaram um
procarioto que se tornou endossimbionte
originando os peroxissomos.
Endossimbiose e organelas
Endossimbiose e organelas
Segundo evento endossimbiótico :
• Passo crucial para os eucariotos, foi quando os fagócitos primitivos ingeriram e incorporaram um procarioto que evoluiu originando as mitocôndrias. Troca de material genético e dependência.
(Alberts et al., 2002) (Alberts et 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
Terceiro evento endossimbiótico :
• Alguns eucariotos incorporaram procariotos relacionados às
atuais cianobactérias originando os cloroplastos. Troca de
material genético e dependência.
(Alberts et al., 2002)(Alberts et 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. lamblia é um parasitaque contamina a água ecausa a giardíase)
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 Molusca Filo Molusca
Filo Arthropoda Filo Arthropoda
Filo Annelida
Filo Echinodermata
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 milhões
de anos. Animais aquáticos sem partes
rígidas.
Primeiros seres
pluricelulares
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 assimétrica
de Proteínas específicas
ativadoras 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 (cap. 4 – vol. 1; cap. 27, vol. 2)
Alberts, B.; Johnson, A.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts,
K.; Walter, P. Molecular Biology of the Cell, 4th ed.,
New York: Garland Science, 2002.