Biologia Celular e Molecular UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE BIOLOGIA DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA GERAL Biologia Celular e Molecular BIO 158 Profa.: Paula Ristow

Correlação com diversas áreas de atuação: Por que estudar Biologia Celular e Molecular na Veterinária? Correlação com diversas áreas de atuação: Clínica e Técnica Cirúrgica Clínica de Grandes e Pequenos Animais Farmacologia e Terapêutica Fisiologia e Endocrinologia Hematologia Medicina e Produção de Animais Aquáticos, de Laboratórios e Silvestres Medicina Veterinária Intensiva Medicina Veterinária Preventiva: Saúde Pública, Zoonoses, Doenças Infecciosas e Parasitárias Microbiologia Veterinária - Virologia, Bacteriologia e Micologia Morfologia Veterinária - Citologia, Histologia, Anatomia, Embriologia Oncologia Parasitologia Patologia Clínica Patologia Veterinária - Anatomia Patológica e Histopatologia Reprodução Animal Toxicologia Veterinária Pesquisa e ensino Biotecnologia

Objetivos do Curso BIO158 Biologia Celular e Molecular: Analisar a célula como unidade estrutural, funcional e de origem dos seres vivos Reconhecer que as funções celulares nos organismos dependem de sua organização molecular e resultam fundamentalmente dos mesmos processos bioquímicos Analisar conceitos e utilizar modelos teóricos e experimentais para a compreensão de fenômenos celulares Proporcionar o conhecimento básico dos conceitos celulares com ênfase em Medicina Veterinária Discutir as aplicações da biologia celular, biologia molecular e biotecnologia em Medicina Veterinária

Procariotos e Eucariotos UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE BIOLOGIA DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA GERAL Biologia Celular e Molecular - BIO 158 Profa.: Paula Ristow Evolução da Célula Procariotos e Eucariotos

O que é vida? Crescimento Células Metabolismo Evolução DNA Morte Reprodução

A Teoria Celular 1665 Séc XVII Robert Hooke Anton van Leeuwenhoek Vida presente em pequenas caixas ou células Início da teoria celular, na qual organismos vivos são compostos de cálulas Séc XVII Anton van Leeuwenhoek Cartas descrevendo “animáculos” na água, dentes e fezes, para a Royal Society of London Brown – botânico escocês Matthias Schleiden – biólogo alemão Theodor Schwann – belga Os elementos estruturais de animais e vegetais são os mesmos.

A Teoria Celular 1668 Francesco Redi Não existe geração espontânea Experimento com carne e larvas de mosca 1861 Louis Pasteur Experimentos que demonstraram que microrganismos do ar podem contaminar meios estéreis Brown – botânico escocês Matthias Schleiden – biólogo alemão Theodor Schwann – belga Os elementos estruturais de animais e vegetais são os mesmos. Base das técnicas de assepsia!!

A Teoria Celular Mathias Schleiden e Theodor Schwann-1839 1. Todos os organismos são compostos de uma ou mais células. 2. A célula é a unidade estrutural da vida. Rudolf Virchow – 1855 3. As células podem surgir somente por divisão de uma célula preexistente. Brown – botânico escocês Matthias Schleiden – biólogo alemão Theodor Schwann – belga Os elementos estruturais de animais e vegetais são os mesmos.

Propriedades comuns a todas as células: Cooper et al. 2009 São circundadas por membrana plasmática. Informações genéticas mantidas no DNA. Informações transcritas ao RNA e traduzidas em proteínas Realizam uma variedade de reações químicas para manter a sua complexidade Utilizam mecanismos comuns de metabolismo energético. Respondem a estímulos. Crescem e se reproduzem. O que é biologia? O que é vida? Exemplos de seres vivos unicelulares e pluricelulares? E os vírus? São vivos?

Procariotos X Eucariotos Células são divididas em dois grandes grupos: Procariotos X Eucariotos Tamanho Escalas Forma Características Pro karyon=antes do cerne, núcleo Eu karyon=verdadeiro cerne

Procariotos X Eucariotos CARACTERÍSTICAS PROCARIOTOS EUCARIOTOS Núcleo Ausente Presente Diâmetro celular 0,2 - 2 µm 10 a 100 µm Citoesqueleto Presente* Organelas Conteúdo de DNA (pares de bases)‏ 106 107 a 109 Cromossomos Única molécula circular Múltiplas moléculas lineares

Como podemos visualizar as células?

MICROSCOPIA MICROSCÓPIO ÓPTICO - feixe de luz atravessa um objeto muito fino e é recolhido por um sistema de lentes que ampliam a imagem (1500x). MICROSCÓPIO ELETRÔNICO – feixes de elétrons atravessam o objeto em corte ultra fino (300.000x). MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE VARREDURA- observação da superfície, visão tridimensional do objeto. MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE TRANSMISSÃO- observação de corte transversal do objeto

Unidades de medidas habitualmente empregadas nos estudos das células 1mm = 10–3 m. Milímetro 1µm = 10–3 mm = 10–6 m. Micrômetro 1nm = 10–3 µm = 10–6 mm = 10–9 m. Nanômetro 1 A = 10–4 µm = 10–7 mm = 10–10 m. Angstron Células animais e vegetais-10 a 150 µm. Bactérias, mitocôndrias 0,5 a10 µm.

Microscópio eletrônico de transmissão

Microscópio eletrônico de varredura

Microscopia óptica - Língua de rato.

Bactéria Escherichia coli vista ao microscópio ótico (a) e eletrônico (b).

Evolução das células Como se desenvolveu a primeira célula? Como evoluiu o metabolismo para possibilitar a complexidade e diversidade das células atuais?

A vida emergiu há aproximadamente 3,8 bilhões de anos Presente Bilhões de anos atrás Organismos multicelulares Primeiros eucariotos Metabolismo oxidativo Fotossíntese Primeiras células Formação da Terra Formação do sistema Solar – nuvem de gases e poeira insterestelar

Terra primitiva: fase pré-biótica Rochas, vulcões, água, energia do sol, muitos gases tóxicos Atmosfera rica em CO2 , CO (monóxido de carbono), H2S (sulfeto de hidrogênio), H2 (gás hidrogênio), NH3 (amônia), ausente de O2 Luz solar: formação espontânea de moléculas orgânicas

Luz solar: formação espontânea de moléculas orgânicas em uma “sopa” primitiva H2O CH4 NH3

Atmosfera da Terra primitiva Demonstração experimental da formação espontânea de compostos orgânicos a partir de sopa primitiva (Urey e Miller, 1953) Evolução química Atmosfera da Terra primitiva CO2, H2S, CO, H2, NH3, H2O Moléculas orgânicas (aminoácidos, bases nitrogenadas…)‏ Polimerização espontânea forma macromoléculas (polipeptídeos, ácidos nucléicos…)‏ Material primordial para os primeiros seres vivos

Que molécula primordial seria capaz de controlar a sua auto-replicação e servir de molde para a síntese de si própria e de outras moléculas? Polissacarídeos, proteínas, lipídeos ou ácidos nucléicos? DNA: precisa de proteínas e de RNA (primers) para replicar. RNA (1980) Altman: purificou ribonuclease P de E. coli, enzima composta de proteína e RNA. Porção RNA tem ação catalítica em RNAt, participando da síntese de RNAt. Cech: remoção de íntrons (regiões não traduzidas) por “splicing” em protozoários ocorria na ausência de proteínas, por ação de enzima de RNA capaz de catalisar reações química (ribozima). O RNA é auto-catalítico. Sidney Altman Yale University New Haven, CT, USA Thomas R. Cech University of Colorado, USA

O mundo dos RNAs RNA continha a informação genética para sua auto-duplicação e síntese de moléculas. As moléculas de RNA eram catalíticas: ribozimas. Aceita-se que o RNA tenha sido o sistema genético inicial.

A primeira célula Há ~4 bilhões de anos Membrana fosfolipídica Molécula fosfolipídica: grupo cabeça hidrofílico cauda  hidrofílica Água Há ~4 bilhões de anos Os fosfolipídeos anfipáticos em contato com a água formaram micelas Inclusão do RNA autocatalítico por membrana

Evolução do metabolismo e organismos vivos Fermentação Fotossíntese Respiração 1- Células originaram-se de moléculas orgânicas obtendo energia do ambiente (mundo anaeróbico → quebra de glicose em ATP por fermentação). 2- ↓ Nutrientes no ambiente → seleção de organismos capazes de gerar compostos orgânicos a partir de moléculas inorgânicas (fotossintetizantes, cianobactérias). 3- Liberação de oxigênio → organismos adquirem capacidade de respiração (mundo aeróbico).

Último ancestral comum Árvore filogenética da vida mostrando os três domínios de organismos. As ramificações indicam o padrão de divergência a partir de um ancestral comum.

Estromatólitos (biofilmes) e fósseis de cianobactérias Procariotos ~3,8 bilhões de anos Bactérias fermentadoras e bactérias fotossintéticas Estromatólitos (biofilmes) e fósseis de cianobactérias

Origem dos eucariotos

Célula eucariótica primitiva 2,7 bilhões de anos Célula eucariótica primitiva DNA aderido à membrana plasmática. Invaginação formou “envelope” envolta do DNA. A partir desta invaginação formou-se sistema de endomembranas (de Duve, 1966). Surgimento de sistemas de endomembranas: evento crítico para a compartimentalização de tarefas e desenvolvimento de complexidade.

Surgimento de células eucarióticas aeróbicas Teoria da endossimbiose e origem das mitocôndrias (Lynn Margulis, 1967) membranas internas Ancestral eucariótico (protozoário anaeróbio) Célula eucariótica primitiva aeróbia núcleo Bactéria aeróbia Mitocôndria com duas membranas A bactéria fagocitada receberia nutrientes da célula que a englobou e daria energia para esta, numa relação simbiótica.

Surgimento de células eucarióticas aeróbicas e fotossintéticas Teoria da endossimbiose e origem dos cloroplastos Teoria do endossimbionte (Lynn Margulis, 1967) cianobactéria Célula eucariótica primitiva aeróbia Bactéria fotossintética Cloroplastos com duas membranas Célula eucariótica primitiva com capacidade fotossintética

Suporte para a teoria da endossimbiose Semelhanças entre mitocôndrias, cloroplastos e procariotos Morfologia (redonda ou alongada) Genoma próprio e sintetizam proteínas DNA circular Reproduzem por fissão Mecanismos de geração de energia DNA mitocondrial FISSÃO FUSÃO

Procariotos atuais

ARCHAEA BACTERIA Bacteria: bactérias verdadeiras; habitam tecidos animais e vegetais, água, solo; agentes de enfermidades infecciosas. Archaea: não são consideradas bactérias; habitam água, solo e ambientes hostis.

Morfologia das células procarióticas Vibrio cholerae Leptospira sp. Bacillus anthracis Brucella sp. Staphylococcus aureus Streptococcus sp.

Estrutura geral

Membrana citoplasmática Dupla camada fosfolipídica Interface entre o citoplasma e o meio externo, confere integridade, permeabilidade seletiva, sinalização. Contém citoplasma, ribossomos, DNA, grânulos e vesículas Envolvida pela parede celular

Parede celular Externa à membrana celular Semi-rígida Mantém a forma característica da célula Protege contra a lise osmótica e alterações do ambiente

Dois tipos de parede celular Classificação pela técnica de Gram (Hans Christian Gram) em dois grandes grupos Bactérias Gram-positivas: parede celular tem uma camada espessa de peptidoglicano (rede de sacarídeos e aminoácidos). As células coram em roxo. Bactérias Gram-negativas: parede tem uma membrana externa (fosfolipídeos e lipopolissacarídeos) e uma fina camada de peptídeoglicano; coram-se em rosa ou vermelho.

Parede celular Gram - Gram +

Coloração pelo método de Gram Gram positivas Gram negativas Fixação (calor) Cristal Violeta Sol. de iodo (lugol) Sol. descorante (álcool) Contra-corante (safranina)

Exemplo de bactéria Gram + Staphylococcus aureus ● Agente de mastites, dermatites, foliculites em bovinos, ovinos, suínos, equinos, cães.

Exemplo de bactéria Gram - Pseudomonas aeruginosa ● Agente de mastites, dermatite, otites, ceratite, pneumonias, infecções do trato respiratório, genital em animais domésticos

Apêndices bacterianos Cápsula Externa à parede e composta de polissacarídeos Proteção contra fagocitose (maior poder infectante) Aderência a células e ambientes Formação de biofilmes Resistência à biocidas Reservatório de água e nutrientes, proteção contra desidratação S. pneumoniae (polissacarídeos) Bacillus anthracis (ácido poli D-glutâmico) Streptococcus pyogenes (ácido hialurônico)

Pili Compostos de proteínas Adesão celular Formação de biofilmes Transferência de material genético por conjugação Presentes na maioria das Gram-negativas Pili conjugativo

Flagelos (vídeo) Compostos de proteínas Locomoção bacteriana Maioria das Gram-negativas

Eucariotos unicelulares Eucariotos atuais Eucariotos unicelulares Algas Fungos (leveduras) Protozoários

Organismos multicelulares Animais, plantas, fungos Formação de tecidos especializados

Células eucarióticas Alberts et al. 2011

Organelas em eucariotos RER: rede de cisternas membranosas com ribossomos aderidos a sua parede. Síntese de proteínas de membrana, proteínas secretadas REL: rede de cisternas membranosas desde a membrana nuclear por todo o citoplasma. Síntese de fosfolipídeos e ács. graxos Núcleo: contém o material genético, replicação DNA, síntese RNA Golgi: sacos membranosos onde ocorrem modificações de proteínas para posterior “endereçamento” e secreção Peroxissomos: degradação de ács. graxos, aminoácidos e produtos tóxicos Mitocôndria: geração de energia Citoesqueleto: redes de filamentos protéicos. Estrutura e movimento celular, organização e movimento de organelas Lisossomos: pequenos sacos de enzimas que degradam moléculas endocitadas e organelas

Bom estudo e bom semestre!