Prof. Dr. Juscélio Clemente de Abreu Origem da vida: eventos bioquímicos e celulares da evolução.

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1 Prof. Dr. Juscélio Clemente de Abreu Origem da vida: eventos bioquímicos e celulares da evolução

2 O que é vida? É um conceito muito amplo e admite diversas definições - Para psicólogos, ela traz à mente a vida psíquica; - Para sociólogos, a vida social; - Para os teólogos, a vida espiritual; - Para as pessoas comuns, os prazeres ou as mazelas da existência. - Para os biólogos, os médicos?????? Vida ≠ clareza. Aristóteles (384-322 a.C.) - falava da pneuma, que seria uma espécie de matéria divina e que constituiria a vida animal. "fenômeno que anima a matéria". O que é vida? É um conceito muito amplo e admite diversas definições - Para psicólogos, ela traz à mente a vida psíquica; - Para sociólogos, a vida social; - Para os teólogos, a vida espiritual; - Para as pessoas comuns, os prazeres ou as mazelas da existência. - Para os biólogos, os médicos?????? Vida ≠ clareza. Aristóteles (384-322 a.C.) - falava da pneuma, que seria uma espécie de matéria divina e que constituiria a vida animal. "fenômeno que anima a matéria".

3 Algumas definições biológica de vida Propriedade que caracteriza os organismos cuja existência evolui do nascimento até a morte. Um sistema capacitado a submeter-se ao processo de evolução por seleção natural (que envolve replicação, mutação, e replicação de mutações). Um sistema capaz de desempenhar funções como alimentar-se, metabolizar, excretar, respirar, mover-se, crescer, reproduzir-se e responder a estímulos externos" Conjunto de atividades e funções orgânicas que constituem a qualidade que distingue o corpo vivo do morto"

4 O que é um ser vivo? Exibe os seguintes fenômenos pelo menos uma vez durante a sua existência: - Crescimento, produção de novas células; - Metabolismo, consumo, transformação e armazenamento de energia e massa; - Excreção ; - Movimento próprio ou movimento interno; - Reprodução e capacidade de gerar semelhantes a si; - Resposta a estímulos e homeostase. O que é um ser vivo? Exibe os seguintes fenômenos pelo menos uma vez durante a sua existência: - Crescimento, produção de novas células; - Metabolismo, consumo, transformação e armazenamento de energia e massa; - Excreção ; - Movimento próprio ou movimento interno; - Reprodução e capacidade de gerar semelhantes a si; - Resposta a estímulos e homeostase.

5 Como surgiu a vida? Abiogênese x Biogênese Criacionismo e Panspermia Louis Pasteur (1860) – ponto final da geração espontânea. seu experimento não poderia se aplicar à primeira vida e a idéia de que a vida podia vir da matéria inorgânica. Charles Darwin (1875) - poça de caldo nutritivo, contendo amônia, sais de fósforo, luz, calor e eletricidade – proteínas - compostos mais complexos - seres vivos Alexander Ivanovich Oparin (1920) - evolução de reações bioquímica, mediante a competição e seleção darwiniana, na terra pré-biótica (antes do surgimento da vida). Como surgiu a vida? Abiogênese x Biogênese Criacionismo e Panspermia Louis Pasteur (1860) – ponto final da geração espontânea. seu experimento não poderia se aplicar à primeira vida e a idéia de que a vida podia vir da matéria inorgânica. Charles Darwin (1875) - poça de caldo nutritivo, contendo amônia, sais de fósforo, luz, calor e eletricidade – proteínas - compostos mais complexos - seres vivos Alexander Ivanovich Oparin (1920) - evolução de reações bioquímica, mediante a competição e seleção darwiniana, na terra pré-biótica (antes do surgimento da vida).

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7 Do Big Bang à Terra primitiva O Big bang – 18 bilhões de anos (universo ainda está em expansão) O Sistema solar – 4,6 bilhões A Terra – 4,5 bilhões Rochas mais antigas detectadas – 3,9 bilhões (ausência de vida). Como foram os 1° seres vivos? Rocha com registros fósseis – 3,5 bilhões (estromatólitos – colônias de procariontes - cianobactérias) – organismos complexos.

8 A árvore universal da vida: uma reflexão Atrás de sua enorme diversidade de formas, cores e tamanhos, os organismos atuais mostram características muito similares que servem de parâmetros importantes para entender sua origem. A água é a substância mais abundante da matéria viva (70% do corpo humano, 95% da alface e 75% de uma bactéria). Todos os seres têm uma alta porcentagem de água - hipótese de uma origem em meio aquoso. A árvore universal da vida: uma reflexão Atrás de sua enorme diversidade de formas, cores e tamanhos, os organismos atuais mostram características muito similares que servem de parâmetros importantes para entender sua origem. A água é a substância mais abundante da matéria viva (70% do corpo humano, 95% da alface e 75% de uma bactéria). Todos os seres têm uma alta porcentagem de água - hipótese de uma origem em meio aquoso.

9 Nos seres vivos - a composição atômica também é admiravelmente simples. Apenas quatro elementos químicos – carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio – somam 99,9% da matéria viva. Nos seres vivos - a composição atômica também é admiravelmente simples. Apenas quatro elementos químicos – carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio – somam 99,9% da matéria viva. Eles estão entre os cinco mais abundantes do Universo, só deixando de fora o hélio, que não faz ligações químicas. A bioquímica da vida é composta por combinações desses átomos, formando água (H2O), metano (CH4), amônia (NH3), dióxido de carbono (CO2), açúcares, proteínas, ácidos graxos e outros. Eles estão entre os cinco mais abundantes do Universo, só deixando de fora o hélio, que não faz ligações químicas. A bioquímica da vida é composta por combinações desses átomos, formando água (H2O), metano (CH4), amônia (NH3), dióxido de carbono (CO2), açúcares, proteínas, ácidos graxos e outros.

10 Ambulância de elementos químicos (%) Mesmo que muitas proteínas tenham elementos metálicos e requeiram certos íons para funcionar, os elementos mais abundantes são, de longe, os metálicos. A vida - átomos mais amplamente encontrados na natureza – oportunismo e não uma excepcionalidade (materiais arbitrários, inclusive raros). Mesmo que muitas proteínas tenham elementos metálicos e requeiram certos íons para funcionar, os elementos mais abundantes são, de longe, os metálicos. A vida - átomos mais amplamente encontrados na natureza – oportunismo e não uma excepcionalidade (materiais arbitrários, inclusive raros). ElementoBactériaMamíferoCometaSol/Estrela Hidrogênio63615673,4 Oxigênio2926310,8 Carbono6,410,5190,2 Nitrogênio1,42,42,70,09 Enxofre0,060,130,30,05 Fósforo0,120,130,080,0007

11 Embora seres vivos atuais sejam tão diferentes entre si na forma, eles são extremamente parecidos na química. Moléculas simples se combinam formando moléculas maiores – os monômeros (nucleotídeos e aminoácidos) são os mesmos em todos os seres. A junção dos monômeros - formam os biopolímeros (RNA, DNA, os açucares e as proteínas). São eles que estão por trás da diversidade biológica que observamos. Nos seres vivos atuais, o DNA carrega o código genético das proteínas que são responsáveis por diversas funções. Embora seres vivos atuais sejam tão diferentes entre si na forma, eles são extremamente parecidos na química. Moléculas simples se combinam formando moléculas maiores – os monômeros (nucleotídeos e aminoácidos) são os mesmos em todos os seres. A junção dos monômeros - formam os biopolímeros (RNA, DNA, os açucares e as proteínas). São eles que estão por trás da diversidade biológica que observamos. Nos seres vivos atuais, o DNA carrega o código genético das proteínas que são responsáveis por diversas funções.

12 Além da composição do material o metabolismo também é muito parecido em todos os organismos vivos, ocorrendo por um peq. n° de processos intimamente relacionados. O diagnostico do parentesco dos seres vivos - análise genômica do rRNA 16s (não se aplicada aos fósseis) Mutações, ao longo do tempo - alterações na ordem das bases no rRNA 16s. A comparação do rRNA 16s entre dois grupos que se originaram de um mesmo ramo evolutivo permite avaliar quantas mudanças ocorreram desde a separação - árvore filogenética universal. Todos os organismos conhecidos pertencem a um dos três domínios: - Bacteria (ou eubactérias), - Archea (ou arqueobactérias), - Eucarya (ou eucariotos).

13 Figure - Some sites in 16S rRNA are protected from chemical probes when 50S subunits join 30S subunits or when aminoacyl- tRNA binds to the A site. Others are the sites of mutations that affect protein synthesis. TERM suppression sites may affect termination at some or several termination codons. The large colored blocks indicate the four domains of the rRNA.

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15 Nota-se que, embora as plantas e animais sejam as formas mais familiares de vida para nós, elas perfazem somente dois dos vinte e seis ramos da árvore da vida. Todos os ramos se unem a um ramo único numa região entre bacteria e archea. (progenota).

16 Árvore universal – baseia-se nos seres que estão vivos (> 1% de todas as que já viveram no planeta). A formação da árvore filogenética parece não ter sido tão simples e linear: - Progenota - associado “horizontalmente” - trocando material genético. - Em vez de um único tronco, a árvore filogenética pode ter se originado de diversos troncos separados (unidos e depois se subdividiram em ramos secundários). Como seria o progenota???? Árvore universal – baseia-se nos seres que estão vivos (> 1% de todas as que já viveram no planeta). A formação da árvore filogenética parece não ter sido tão simples e linear: - Progenota - associado “horizontalmente” - trocando material genético. - Em vez de um único tronco, a árvore filogenética pode ter se originado de diversos troncos separados (unidos e depois se subdividiram em ramos secundários). Como seria o progenota????

17 Figura – Microfósseis pré-cambrianos. Os exemplares “e, f, g, h, i” são os mais antigos (3,465 B.a.), encontrados nos estromatólitos de Apex, na Austrália (J. W. Schopf et al. Nature, 416, 73, 2002).

18 Estromatólitos

19 O progenota: último ancestral comum Deve ter tido características comuns a todos os seres vivos: - reprodução por meio de genes (DNA), - fábricas de proteínas (ribossomo e RNA), - mecanismos para reparar erros no código, - obter e armazenar energia. Deve ser mais parecido com os organismos dos ramos mais baixos da árvore universal do que os das pontas dos ramos. Os organismos dos ramos mais baixos são tolerantes ao calor (extremófilos). O progenota seria extremófilos? - água fervente (90-113°C) - fontes hidrotermais do fundo dos oceanos e em poças vulcânicas (Parque Yellowstone - USA). Deve ter tido características comuns a todos os seres vivos: - reprodução por meio de genes (DNA), - fábricas de proteínas (ribossomo e RNA), - mecanismos para reparar erros no código, - obter e armazenar energia. Deve ser mais parecido com os organismos dos ramos mais baixos da árvore universal do que os das pontas dos ramos. Os organismos dos ramos mais baixos são tolerantes ao calor (extremófilos). O progenota seria extremófilos? - água fervente (90-113°C) - fontes hidrotermais do fundo dos oceanos e em poças vulcânicas (Parque Yellowstone - USA).

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21 Não!!!!! (Outra reflexão) A T°C de formação de BN tem que ocorrer em moderada e não extrema. A origem da vida em alta T°C não seria possível – desnatura as macromoléculas (RNA, açúcares e alguns aminoácidos). A 100°C - a meia-vida de diversos compostos é de segundos a horas. Os extremófilos (complexo) teriam se adaptado às altas temperaturas e não se formado nelas. Os autotróficos tbém não foram os 1° seres vivos - experimentos de Oparim e Haldane (1920). Como e onde se formou o progenota???? Não!!!!! (Outra reflexão) A T°C de formação de BN tem que ocorrer em moderada e não extrema. A origem da vida em alta T°C não seria possível – desnatura as macromoléculas (RNA, açúcares e alguns aminoácidos). A 100°C - a meia-vida de diversos compostos é de segundos a horas. Os extremófilos (complexo) teriam se adaptado às altas temperaturas e não se formado nelas. Os autotróficos tbém não foram os 1° seres vivos - experimentos de Oparim e Haldane (1920). Como e onde se formou o progenota????

22 A origem dos aminoácidos e dos compostos orgânicos simples é abiótica e que, provavelmente, teve várias fontes (ambiente interplanetário, atmosfera terrestre e nas fontes hidrotermais).

23 Hoje sabemos que mols. org. simples se unem para formar outras mais complexas. As mols. mais simples eram lançadas tanto na sopa primitiva quanto em rocha e argilas Hoje sabemos que mols. org. simples se unem para formar outras mais complexas. As mols. mais simples eram lançadas tanto na sopa primitiva quanto em rocha e argilas Na união de duas mols. simples ocorre perda de H 2 O – não poderia ocorrer dentro da sopa primitiva. Mols. org. complexa – formação nas rochas ou argilas e depois carreadas para o mar primitivo com as chuvas. Na união de duas mols. simples ocorre perda de H 2 O – não poderia ocorrer dentro da sopa primitiva. Mols. org. complexa – formação nas rochas ou argilas e depois carreadas para o mar primitivo com as chuvas.

24 A origem das proteínas, RNA, DNA e do código genético Talvez seja o passo mais desafiador para se entender a origem da vida. A montagem de moléculas menores numa estrutura maior deve ter se dado num ambiente de competição e seleção. A formação dos nucleotídeos - foi o passo primordial para o aparecimento do código genético. Talvez seja o passo mais desafiador para se entender a origem da vida. A montagem de moléculas menores numa estrutura maior deve ter se dado num ambiente de competição e seleção. A formação dos nucleotídeos - foi o passo primordial para o aparecimento do código genético.

25 Em 1950 Miller verificou-se que acido cianídrico e amônia em solução aquosa – nucleotídeos (adenina). Como se formaram os polinucleotídeos? 1980 – descoberta da argila montmorilonita que era comum no chão das piscinas primordiais – atuava como um catalisador (aumenta as reações) Cadeias longas de polinucleotídeos – RNA RNA – capacidade de fazer cópia de si Cópias de RNA nem sempre são perfeitas (falhas) Cópias com falhas foram selecionadas por serem mais estáveis Essas cópias melhores sucedidas continuam se replicando e passando suas características. Em 1950 Miller verificou-se que acido cianídrico e amônia em solução aquosa – nucleotídeos (adenina). Como se formaram os polinucleotídeos? 1980 – descoberta da argila montmorilonita que era comum no chão das piscinas primordiais – atuava como um catalisador (aumenta as reações) Cadeias longas de polinucleotídeos – RNA RNA – capacidade de fazer cópia de si Cópias de RNA nem sempre são perfeitas (falhas) Cópias com falhas foram selecionadas por serem mais estáveis Essas cópias melhores sucedidas continuam se replicando e passando suas características.

26 No decorrer de milhares de anos, o RNA se tornou mais complexo. Simples fitas (RNA) - formaram um trança dupla (DNA) – bem mais adaptada que a molécula simples. O DNA precisa de proteína (enzima) para se replicar!!!. Como isso ocorre? Proteínas, DNA, ác. graxos (lipídeos) e outros compostos org. eram produzidos no mesmo local - nas argilas montmorilonita Os lipídeos – tendem as se agrupar formando estruturas esféricas (micelas) DNA + proteínas que atraíram esses lipídeos ficavam protegidas por uma membrana de micelas – tronaram-se mais estáveis. Temos a 1° célula primitiva e 1° ser vivo????? No decorrer de milhares de anos, o RNA se tornou mais complexo. Simples fitas (RNA) - formaram um trança dupla (DNA) – bem mais adaptada que a molécula simples. O DNA precisa de proteína (enzima) para se replicar!!!. Como isso ocorre? Proteínas, DNA, ác. graxos (lipídeos) e outros compostos org. eram produzidos no mesmo local - nas argilas montmorilonita Os lipídeos – tendem as se agrupar formando estruturas esféricas (micelas) DNA + proteínas que atraíram esses lipídeos ficavam protegidas por uma membrana de micelas – tronaram-se mais estáveis. Temos a 1° célula primitiva e 1° ser vivo?????

27 Unicelular e anaeróbico

28 Evolução do metabolismo 1)Hipótese Heterotrófica a) Fermentação b) Fotossíntese c) Respiração 2) Hipótese Autrotrófica a) quimiossintese

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30 As primeiras células foram procariontes anaeróbicos (fermentação ou quimiossintese) Foram necessários aprox. 2 milhões da nos para surgir as eucariontes.

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32 A célula é a menor unidade estrutural básica do ser vivo. A palavra célula foi usada pela primeira vez em 1667 pelo inglês Robert Hooke qdo observou pedacinhos de cortiça (tecido vegetal morto). Hooke percebeu que a cortiça era formada por numerosos compartimentos vazios. A esses compartimentos ele deu o nome de célula, palavra diminutiva do latim cella que significa cavidade ou estrutura vazia. Origem e Evolução da Célula

33 Visão panorâmica da célula Níveis de resolução: 1km - 10 3 m 1m - 1m 1mm - 10 -3 m (milésima parte do metro) 1μm - 10 -6 m (milésima parte do mm) 1nm - 10 -9 m (milésima parte do μm) 1Å - 10 -10 m

34 Desenvolvimento da microscopia A invenção do microscópio: final do século XVI Hans Janssen e Zacharias Janssen (fabricantes de óculos)

35 As técnicas de observação microscópicas avançam em função de novas técnicas e aparelhos mais possantes. A técnica de utilização de corantes permitiu a identificação do núcleo celular e dos cromossomos, suportes materiais do gene. Microscópio óptico Microscópio eletrônico Desenvolvimento da microscopia

36 História da Biologia Celular Robert Hooke (1635-1703) Hooke, 1665 “a constituição da cortiça analisada através de lentes de aumento”

37 Leeuvenhoek (1632-1723) Observação de células livres

38 Schleiden Schwann Brown, 1831 - descoberta do núcleo Conceito de célula: massa de protoplasma limitada por uma membrana celular e possuindo um núcleo. Schleiden, 1838 (estrutura dos tecidos vegetais) Schwann, 1839 (estrutura dos tecidos animais) “Teoria Celular” Schleiden Schwann -Todos os organismos são compostos de uma ou mais células -A célula é a unidade estrutural da vida

39 Virchow Virchow, 1855 As células podem surgir somente por divisão de uma célula pré-existente

40 1) as células são as unidades morfológicas e fisiológicas de todos os organismos vivos; 2) as propriedades de um dado organismo dependem daquelas de cada uma de suas células; 3) as células originam-se somente de outras células, das quais herdam suas características; 4) a menor unidade da vida é a célula. Versão moderna da “Teoria celular”

41 Organização atual do mundo vivo 1. ACELULARES: vírus, viróides e príons. 2. CELULARES : 2.1. PROCARIONTES: bactérias. 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.

42 Vírus Vírus são parasitas intracelulares obrigatórios; Só se reproduzem através de uma célula hospedeira; Os vírus atacam tipos específicos de células. Existem os vírus que atacam células animais, vegetais e bactérias. Os vírus mais conhecidos são que atacam as bactérias chamados de bacteriófagos. Fora de uma célula o vírus é inativo, por isso sendo considerado parasita intracelular obrigatório.

43 São os menores sistemas genéticos capazes de se replicar no interior de uma célula. São fósseis moleculares do mundo de RNA. Considerados os menores fitopatógenos, são constituídos por um minúsculo RNA de fita simples, circular, com tamanho que oscila entre 246 e 401 nucleotídeos (10 vezes menores que a maioria dos genomas dos menores vírus de plantas conhecidos). Eles não codificam proteínas e, diferentemente dos vírus, não possuem capa proteica, sendo totalmente dependentes 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. Os viróides são denominados "Agentes Subvirais" pelo Comitê Internacional de Taxonomia de Vírus (ICTV) e, de acordo com suas propriedades biológicas e moleculares, são classificados em duas famílias: pospiviroidae e avsunviroidae. Viróides

44 Príons É um agente infeccioso composto por proteínas com forma β-pregueadas. Tais agentes não possuem ácidos nucleicos (DNA e/ou RNA) ao contrário dos demais agentes infecciosos conhecidos (vírus, bactérias e fungos). Os príons são responsáveis pelas encefalopatias espongiformes transmissíveis em uma variedade de mamíferos, incluindo os humanos. Todas as doenças priônicas conhecidas afetam as estruturas cerebrais ou outros tecidos neurais, não possuem cura e são sempre fatais.

45 Células Procariontes Os procariontes se caracterizam por não apresentar sistema de endomembranas (não possuir envoltório nuclear). Os seres vivos: as bactérias, e algumas algas (cianofíceas /algas azuis).  Por sua simplicidade estrutural e rapidez na multiplicação, a célula E. coli é a célula procarionte mais bem estudada.  Tem forma de bastão, possuindo uma membrana plasmática semelhante à de células eucariontes.  Por fora dessa membrana existe uma parede rígida, com 20nm de espessura, constituída por um complexo de proteínas e glicosaminoglicanas.  Esta parede tem como função proteger a bactéria das ações mecânicas.

46 Células Procariontes

47 Possui três componentes principais: - O núcleo, que constitui um compartimento limitado por um envoltório nuclear. - O citoplasma, - a membrana plasmática e suas diferenciações. Esses três componentes possuem vários subcomponentes ou subcompartimentos. Células Eucariontes Existe grande variabilidade na forma das células eucarióticas. Geralmente o que determina a forma de uma célula é sua função específica. Outros determinantes da forma de uma célula podem ser o citoesqueleto presente em seu citoplasma, a ação mecânica exercida por células adjacentes e a rigidez da membrana plasmática.

48 Células procariontesCélulas eucariontes Envoltório nuclearAusentePresente DNADesnudoCombinado com proteínas CromossomasÚnicosMúltiplos NucléolosAusentesPresentes DivisãoFusão bináriaMitose e meiose Ribossomas70S (50S + 30S)80S (60S + 40S) EndomembranasAusentesPresentes MitocôndriasAusentesPresentes CloroplastosAusentesPresentes em células vegetais Parede celularNão celulósicaCelulósica em células vegetais Exocitose e endocitoseAusentesPresentes CitoesqueletoAusentePresente Organização celular em Procariontes e Eucariontes

49 Evolução da complexidade dos organismos

50 Zigoto 1 célula 10 14 células 2,5 x 10 13 células Vida média de 120 dias 2,5 milhões de novas células por segundo!!! Evolução da complexidade dos organismos

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