Fundação Universidade Federal de Rondônia - UNIR Curso de Agronomia BIOLOGIA CELULAR INTRODUÇÃO Origem e evolução das células Células procariontes e eucariontes (Teoria da endossimbiose) Organismos uni e multicelulares Prof. Isaac Lucena de Amorim

A CÉLULA A célula representa a menor porção de matéria viva dotada da capacidade de auto-duplicação independente. São as unidades estruturais e funcionais dos organismos vivos

HISTÓRICO O início do estudo da Biologia das células deu-se no século XVII, Em 1665, Robert Hooke publica o livro Micrographia  Descreve e ilustra a estrutura celular da cortiça. Em 1675, Antony van Leeuwenhoek  aperfeiçoa o microscópio e descobre uma grande variedade de formas de vida unicelulares, incluindo as bactérias (em 1683). No ano de 1824, Dutrochet conclui que todos os tecidos, animais e vegetais, são compostos por pequenas unidades, as células. Em 1830, Meyen faz a suposição de que cada célula vegetal é uma unidade isolada e independente e capaz de construir suas estruturas internas. Em 1831, Robert Brown identifica o núcleo celular. Em 1832, Dumortier observa a divisão celular em algas. Em 1839, Von Mohl descreve em detalhes o fenômeno da mitose. Entre 1838-1839, Schleiden e Schwann afirmam que o desenvolvimento dos tecidos são o resultado da atividade celular. Em 1858, Virchow cita que as células, como unidades da vida, são também o local primário das causas das doenças. Entre 1880 e 1898, observaram-se as organelas: plastos, mitocôndrias e aparelho de Golgi. Em 1907, Harrison consegue desenvolver um meio para o crescimento de células animais em laboratório.

ORIGEM E EVOLUÇÃO DAS CÉLULAS Breve síntese para entender a diversidade de seres vivos

A origem dos coacervados Antes da EVOLUÇÃO BIOLÓGICA houve uma certa EVOLUÇÃO QUÍMICA METANO - AMÔNIA - HIDROGÊNIO e VAPOR  D'ÁGUA Fotoquimicamente (radiações) AMINOÁCIDOS, NUCLEOTÍDEOS, AÇUCARES e BASES NITROGENADAS Polimizaram Catalizadores minerais, calor, altas concentrações de fosfatos MACROMOLÉCULAS Coacervados

A origem dos coacervados Para se tornarem uma CÉLULA os coacervados precisariam: Durar muito tempo Ter estabilidade Catalisar a síntese de outras moléculas Gerar cópias de si mesmas

Quais as moléculas presentes nas células atualmente se enquadrariam nesse perfil? POLIPEPTÍDIOS (proteínas): POLINUCLEOTÍDEOS (DNA e RNA): AS PROTEÍNAS dão funcionalidade à célula como agente catalizador de outros polímeros. Os ÁCIDOS NUCLEICOS conferem identidade, estabilidade, alta capacidade de guardar informação e replicação à célula.

O retrato falado das primeiras células AQUÁTICAS PROCARIÓTICAS ANAERÓBICAS HETEROTRÓFICAS ASSEXUADAS

REVOLUÇÃO 1 DO PROCARIONTE AO EUCARIONTE A identidade celular foi conseguida a partir do momento em que a primeira célula ganha uma MEMBRANA PLASMÁTICA, PROTETORA e REGULADORA da entrada e saída de substâncias da célula. Isso torna o meio intracelular diferente do ponto de vista fisico-químico do meio externo. Porém, o grande avanço adaptativo sofrido pelas células foi a formação de dobras, cisternas, vesículas, compartimentos e retículos originados da membrana primordial e, provavelmente, da simbiose entre células procariontes - era o nascimento da CÉLULA EUCARIÓTICA, com seu SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS.

REVOLUÇÃO 1 DO PROCARIONTE AO EUCARIONTE Esse sistema de organelas e membranas possibilitou: - maior crescimento celular; - maior especialização: divisão de tarefas entre componentes celulares e eficiência metabólica; - maior proteção do material hereditário; - maior diversidade de rotas metabólicas; - facilidade no contato e na aglomeração intermolecular.

Diferenças entre células PROCARIONTE e EUCARIONTE : As células procariontes se caracterizam pela ausência de uma membrana (carioteca) envolvendo os cromossomos, separando-os do citoplasma. Compreendem as bactérias e algumas algas (cianofíceas e algas azuis) que também são consideradas bactérias. Anabaena sphaerica Domínio: Bactéria Filo:Cyanobacteria

Diferenças entre células PROCARIONTE e EUCARIONTE : Estas células são desprovidas de mitocôndrias, plastídios, complexo de Golgi e reticulo endoplasmático Anabaena sphaerica Domínio: Bactéria Filo:Cyanobacteria

Diferenças entre células PROCARIONTE e EUCARIONTE : Os procariontes não possuem um citoesqueleto (responsável pelo movimento e forma das células). Anabaena sphaerica Domínio: Bactéria Filo:Cyanobacteria

Diferenças entre células PROCARIONTE e EUCARIONTE : A forma simples das células procariontes, que em geral é em bastonete ou esférica , é mantida pelaé parede extracelular, sintetizada no citoplasma e agregada à superfície externa da membrana celular

CÉLULA PROCARIONTE DE UMA BACTÉRIA Cápsula, 2. parede celular, 3. Membrana plasmáticas, 4. Citoplasma, 5. Ribossomos, 6. Mesossomos, 7. DNA (nucleóide), 8. Flagelo bacteriano.

Esquema de uma célula procarionte com suas principais estruturas (Escherichia coli, a bactéria mais bem estudada)

CÉLULA EUCARIONTE VEGETAL

Hipóteses para a origem dos eucariontes a partir dos procariontes HIPÓTESE DA AUTOGENIA HIPÓTESE DA ENDOSSIMBIOSE (criada por Lynn Margulis – Americana) “De todos os organismos na Terra só as bactérias são indivíduos.”, disse Lynn Margulis, provocando murmúrios de incredulidade e mesmo de reprovação.

Hipóteses para a origem dos eucariontes a partir dos procariontes Hipótese Autogênica: Evolução gradual a partir dos seres procariontes. Numa fase inicial, as células desenvolveram sistemas endomembranares resultantes de invaginações da membrana plasmática. Algumas dessas invaginações armazenavam o DNA, formando um núcleo. Outras membranas evoluíram no sentido de produzir organelas semelhantes  ao retículo endoplasmático. Posteriormente, algumas porções do material genético abandonaram o núcleo e evoluíram sozinhas no interior de estruturas membranares. Desta forma, formaram-se organelas como as mitocôndrias e os cloroplastos. Esta hipótese pressupõe que o material genético do núcleo e das organelas (sobretudo das mitocôndrias e dos cloroplastos) tenha uma estrutura idêntica. Contudo, tal não se verifica.

Hipóteses para a origem dos eucariontes a partir dos procariontes Hipótese endossimbiótica: - Ivan Wallin (biólogo EUA, década de 1920) sugere a idéia de que a célula eucariótica é um conjunto de microorganismos. - Lynn Margulis (Universidade de Massachusetts, 1981) publica o ensaio Symbiosis in Cell Evolution (“Simbiose na Evolução das Células”) lança a teoria da origem endosimbiótica. - A autora sugere que as células eucarióticas nasceram como comunidades de organismos em interação. - Os elementos procarióticos poderiam ter entrado numa célula hospedeira, quer por ingestão, quer como um parasita. - Com o tempo, os elementos originais teriam desenvolvido uma interação biológica mutuamente benéfica que, mais tarde, se tornou numa simbiose obrigatória

Hipóteses para a origem dos eucariontes a partir dos procariontes Hipótese endossimbiótica: - Ivan Wallin (biólogo EUA, década de 1920) sugere a idéia de que a célula eucariótica é um conjunto de microorganismos. - Lynn Margulis (Universidade de Massachusetts, 1981) publica o ensaio Symbiosis in Cell Evolution (“Simbiose na Evolução das Células”) lança a teoria da origem endosimbiótica. - Admite que os sistemas endomembranares e o núcleo tenham resultado de invaginações da membrana plasmática. - As primeiras relações endossimbióticas foram estabelecidas com os ancestrais das mitocôndrias e só posteriormente com os ancestrais dos cloroplastos.

Uma única célula da folha pode conter de 40 a 50 cloroplastos (RAVEN, 2001, P.48)

Esquema de uma célula procarionte com suas principais estruturas (E Esquema de uma célula procarionte com suas principais estruturas (E.coli)

Provas da origem endossimbionte das mitocôndrias e cloroplastos Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem DNA bastante diferente do que existe no núcleo celular e em quantidades semelhantes ao das bactérias; As mitocôndrias utilizam um código genético diferente do da célula eucariótica hospedeira e semelhante ao das bactérias e Archae; Ambos estas organelas se encontram rodeados por duas ou mais membranas e a mais interna tem diferenças na composição em relação às outras membranas da célula e semelhanças com a dos procariotas; Ambos se formam por fissão binária, como é comum nas bactérias; Caso os cloroplastos sejam destruídos por certas substâncias químicas ou por ausência prolongada de luz, a célula vegetal continua viva mas, no entanto, não tem capacidade para regenerá-los;

Provas da origem endossimbionte das mitocôndrias e cloroplastos Muito da estrutura e bioquímica dos cloroplastos, como por exemplo, a presença de tilacóides e tipos particulares de pigmentos, é muito semelhante aos das cianobactérias Análises filogenéticas de bactérias, cloroplastos e genomas eucarióticos também sugerem que os cloroplastos estão relacionados com as cianobactérias; A seqüência do DNA de algumas espécies sugere que o núcleo celular contém genes que aparentemente vieram do cloroplasto; Tanto as mitocôndrias como os cloroplastos possuem genomas muito pequenos, em comparação com outros organismos, o que pode significar um aumento da dependência destas organelas depois da simbiose se tornar obrigatória, ou melhor, passar a ser um organismo novo.

A endossimbiose em série. Este protozoário unicelular tem em seu citoplasma bactérias que o auxilia no seu metabolismo e outras na sua parede celular que vibram fazendo-a deslocar-se no intestino das formigas Lynn Margulis Mixotricha paradoxa Eucariota unicelular vive em simbiose no intestino de formigas forrageiras digerindo celulose.

Hipótese endossimbiótica EM SÍNTESE: Hipótese autogénica: Os seres eucariontes são o resultado de uma evolução gradual dos seres procariontes. Hipótese endossimbiótica: Os seres eucariontes terão resultado da evolução conjunta de vários organismos procariontes, os quais foram estabelecendo associações simbióticas entre si.   Hipótese. autogénica Hipótese endossimbiótica Semelhanças Origem dos eucariontes a partir dos procariontes; Os sistemas endomembranares e o núcleo resultam de invaginações da membrana plasmática. Diferenças Origem a partir de um só ser procarionte; Os cloroplastos e mitocôndrias resultam de porções de material genético que abandonaram o núcleo e evoluíram sozinhas no interior de estruturas membranares. Origem a partir de mais do que um ser procarionte; Os cloroplastos e mitocôndrias resultam de associações simbióticas entre uma célula hospedeira e ancestrais de mitocôndrias e cloroplastos.

Tarefa 1: A hipótese Endossimbiótica para o aparecimento de organismos eucariontes tem vindo a prevalecer relativamente à outra hipótese (Hipótese Autogénica). Reflita acerca dos argumentos que evidenciam a origem tanto das mitocôndrias como dos cloroplastos segundo a teoria defendida por Lynn Margulis. Elabore um pequeno texto explicativo dos fatos que apóiam o aparecimento destas organelas.

REVOLUÇÃO 2 DO UNICELULAR AO MULTICELULAR Alguns autores já confirmaram que mais da metade da biomassa da Terra é formada por bactérias e protozoários - seres unicelulares. Portanto, vale a pergunta: Qual a vantagem evolutiva dos seres PLURIcelurares?

REVOLUÇÃO 2 DO UNICELULAR AO MULTICELULAR VANTAGENS DE UM SER MULTICELULAR: 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: EXPRESSÃO DIFERENCIADA DOS GENES COM CONSEQÜENTE ECONOMIA ENERGÉTICA: SURGIMENTO DE NOVOS PADRÕES DE COMUNICAÇÃO ENTRE AS CÉLULAS GERANDO ESQUEMAS NOVOS DE DESENVOLVIMENTO EMBRIONÁRIO; CRIAÇÃO DE MEMÓRIA CELULAR; DIVERSIDADE DE FUNÇÕES CELULARES E EFICÁCIA METABÓLICA.  

Por que a célula é tão eficiente? O sucesso da organização celular e fisiologia celular está relacionado com várias características e propriedades dos diferentes componentes celulares; entre eles podemos destacar: 1) Alto teor de água: a célula é completamente ocupada por água, o que facilita a dispersão de substâncias e a ocorrência de reações químicas. 2) Compartimentação: um vasto sistema de membranas forma numerosos compartimentos, isolando os processos metabólicos entre si, estabelecendo um fluxo organizado dentro da célula e oferecendo uma superfície desproporcionalmente grande em relação ao volume celular. 3) Presença de material genético: a célula contém no seu interior as informações necessárias (DNA) para criar e manter sua própria organização e para coordenar as atividades que realiza. 4) Presença de enzimas: o material genético determina a produção de enzimas, catalisadores que permitem a ocorrência de reações que, sem eles, levariam milhares de anos para ocorrer.

Por que a célula é tão eficiente? O sucesso da organização celular e fisiologia celular está relacionado com várias características e propriedades dos diferentes componentes celulares; entre eles podemos destacar: 5) Economia: o rendimento dos processos celulares é elevado (parcela da energia consumida convertida em trabalho). As moléculas orgânicas, com as quais as células lidam, são bastante versáteis, isto é, podem desempenhar vários papéis funcionais. Com poucos tipos de substâncias, as células se mantêm. Além disso, muitas substâncias que são resíduos de um processo podem ser empregadas como matéria-prima de outro, fazendo com que a produção global de resíduos seja pequena. 6) Interação com o meio: as células interagem intensamente com o ambiente onde estão. Um ser unicelular interage com o meio onde vive, assim como as células de um ser pluricelular interagem com o líquido intercelular existente entre elas. O ser vivo deve garantir às células um meio intercelular estável e confortável. As células são as responsáveis por mantê-lo assim, e são as beneficiárias dessa estabilidade.

ORGANIZAÇÃO DO MUNDO VIVO ATUAL COM BASE NOS PADRÕES CELULARES CONHECIDOS 1. ACELULARES: vírus, viróides e príons.

ORGANIZAÇÃO DO MUNDO VIVO ATUAL COM BASE NOS PADRÕES CELULARES CONHECIDOS 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.

DOMÍNIO DOMÍNIO DOMÍNIO REINOS: REINO REINO Protozoa