Visão Geral das Células e da Pesquisa Celular

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1 Visão Geral das Células e da Pesquisa Celular

2 Figura 1- Níveis de organização

3 O que é célula? - Robert Hooke (sec XVII) - Mathias Schleiden, 1838
-Theodor Schwamn, 1839 As células são unidades fundamentais da vida em estrutura e função. Os menores organismos são constituídos por uma única célula os maiores são constituídos por bilhões de células. A percepção de que todos os organismos são compostos de células foi um dos mais importantes avanços conceituais da história da biologia, porque enfatiza o fundamento da uniformidade de todos os sistemas vivos. Dessa maneira ela unifica os variados estudos que envolvem os diferentes tipos de organismos. -Rudolf Virchow, 1858: ”onde uma célula existe, deve ter anteriormente existido outra...”

4 As células são unidades fundamentais da vida em estrutura e função
As células são unidades fundamentais da vida em estrutura e função. Os menores organismos são constituídos por uma única célula os maiores são constituídos por bilhões de células. A percepção de que todos os organismos são compostos de células foi um dos mais importantes avanços conceituais da história da biologia, porque enfatiza o fundamento da uniformidade de todos os sistemas vivos. Dessa maneira ela unifica os variados estudos que envolvem os diferentes tipos de organismos.

5 Teoria Celular (desde sec XIX)
Todos os organismos vivos são constituídos por uma ou mais células As reações químicas de um organismo vivo, ocorrem dento das células As células originam-se de outras células As células contém a informação hereditária

6 Principais características de uma célula:
Membrana plasmática Separar o interior da célula do meio externo Programa genético Informação necessária para produzir todos os componentes celulares Transferência de informação (maquinaria de síntese protéica) Expressão da informação contida no código genético Maquinaria para utilização de energia Suporte energético para construir componentes mais complexos But underlying the abilities of cells to take such different forms, the construction of all cells is based on several common properties: A membrane called the plasma membrane segregates the interior of the cell from the external environment. The plasma membrane contains systems that control import into export out of the cell. There are systems to use energy sources to build cellular components from food sources. Genetic material contains the information needed to produce all the cell's components. Gene expression enables the cell to use its genetic information. Individual protein products can assemble into larger

7 Origem da célula Provavelmente a primeira célula apareceu há pelo menos 3,8 bi anos, aproximadamente 750 milhões de anos após a terra ter sido formada. Como a vida surgiu ainda é matéria especulativa visto que não podemos reproduzir em lab. Por volta de 1920 foi sugerido pela primeira vez que as moléculas orgânica simples, sob as condições que se imagina que existiam na atmosfera primitiva poderiam se formar espontaneamente e polimerizarem-se em macromoléculas. Supõe-se que quando a vida se originou, a atmosfera da Terra tivesse pouco ou nenhum oxigênio livre e se constituia principalmente de CO2 e N2 e quantidades menores dos gases H2, H2S e CO, semelhante atmosfera fornece condições redutoras nas quais moléculas orgânicas, dada uma fonte de energia como a luz solar ou descargas elétricas, podem ser formadas espontaneamente.

8 Demonstração da formação espontânea de moléculas orgânicas
(Stanley Miller – 1950) Miller demonstrou que descargas de faíscas elétricas em uma mistura de H2, CH4, NH3 e na presença de água, levava a formação de uma grande variedade de moléculas orgânicas, fornecendo o material básico a partir do qual se originaram os primeiros organismos vivos.

9 Formação de macromoléculas
polimerização Controle da síntese de novas cópias (auto-replicação) reprodução evolução RNA A próxima etapa de evolução foi a formação de macromoléculas, tem sido demonstrado que sob condições prováveis pré-bióticas blocos monoméricos se polimerizam espontaneamente. Característica essencial das macromoléculas a partir da qual a vida evoluiu deve ter sido a capacidade de auto-replicação. Somente uma macromolécula capaz de controlar a sintese de novas copias pode ser capaz de reprodução e posterior evolução; dois tipos principais de macromoléculas informativas presentes atualmente Ac nucléicos e proteínas, só os ac nucléicos são capazes de controlar sua síntese como resultado do pareamento específico das bases entre as cadeias complementares. Mas qual DNA ou RNA? O passo importante para desvendar foi a descoberta em 1980 que o RNA é capaz de catalisar reações químicas incluindo a polimerização de nucleotídeos. O RNA é capaz tanto de servir de modelo como de catalisar sua própria replicação. Consequentemente é aceito que o RNA tenha sido o sistema genético inicial e supôe-se que a fase iniial da evolução quimica tenha sido baseada nas moléculas de RNA auto-replicativas. Posteriormente, interações ordenadas entre RNA e aac evoluíram para o código genético atual, e o DNA finalmente substituiu o RNA como material genético.

10 Primeira célula Presume-se que a primeira célula tenha originado-se da inclusão de RNAs auto-replicativos em uma membrana composta de fosfolipídios. Os fosfolipídios são componente básicos de todas as membranas biológicas atuais. Sua característica -chave é que eles são moléculas anfipáticas (uma porção solúvel e outra insolúvel) quando colocados na água os fosfolipideos agregam-se espontaneamente em uma bicamada, com suas cabeças com grupos fosfatos na porção exterior em contato com a água e suas caudas de hidrocarbonetos no interior em contato uma com as outras. Semelhante bicamada forma uma barreira estável entre dois compartimentos aquosos – separando o meio interno da célula do externo. A inclusão do rna auto-replicativo e de moléculas associadas em uma membrana de fosoflipideos poderia t~e-los mantido, assim, como uma unidade, capaz de auto-replicação e posterior evolução. A síntese de proteina controlado por RNA já poderia ter sido desenvolvida neste tempo, no qual a primeira celula poderia ser constituída de um rna auto-replicativo e das proteinas por ele codificadas.

11 A primeira membrana segregar estrutura auto-replicativa do exterior, sem distinguir a meio interior do exterior.

12 Substituindo a comunicação sem controle inicial entre o interior e o exterior, mantendo as condições interior e exterior diferentes foi um grande passo evolutivo. Desenvolvimento dos primeiros sistemas na membrana que permitiram a importação dos componentes celulares ,.

13 Evolução do metabolismo
Geração e utilização energia metabólica -conservação das principais vias do metabolismo energético -fonte de energia: ATP As células precisaram desenvolver seus próprios mecanismos para a geração de energia e síntese de moléculas necessárias para sua replicação, a geração e utilização controlada de energia metabólica são essenciais para todas as atividades celulares e as principais vias do metabolismo energetico são bastante conservadas nas celulas atuais. Todas usam ATP como fonte de energia. Presume-se que o mecanismo usado nas células para a geração de ATP evoluiu em 3 etapas, correspondentes a evolução da glicóise, fotossíntese e metabolismo oxidativo,o desenvolvimento destas vias metabólicas mudou a atmosfera da terra, alterando o curso da evolução. Presume-se que as primeiras reações de geração de energia envolviam a quebra de moléculas orgânicas na ausencia de O2, semelhantes a glicólise atual. Fornecendo assim o mecanismo pelo qual a energia de moléculas orgânicas pré-formadas poderia ser convertida em ATP. Presume-se que a segunda etapa tenha sido o desenvolvimento da fotossintese que permitiu as células capatar energia da luz solar e forneceu independencia da utilização de moleculas organicas pré-formadas. A liberação de o2 como consegquencia da fotossintese mudou o ambiente no qual as células estavam em desenvolvimento.

14 CÉLULAS EUCARIONTES (EU: verdadeiro, CARIO: núcleo):
São células maiores e estruturalmente mais complexas, Têm muito mais DNA, seus cromossomos são complexos e contém histonas. Cromossomos ficam separados do citoplasma por um envoltório nuclear, formando um núcleo verdadeiro.

15 -O QUE É UMA CÉLULA EUCARIONTE?
Armazenamento do material genético; produção de RNA Desintoxicação Digestão intracelular Produção de proteínas para exportação Organizador do citoesqueleto Síntese protéica Direcionamento de moléculas para os lisossomos,vesículas de secreção, ou MP Produção de energia: calor e ATP Secreção de esteróides, depuração Depósito citoplasmático

16 CÉLULAS PROCARIONTES (PRO: primeiro, antes, CARIO: núcleo):
Não possuem núcleo, isto é, o genoma não fica separado do citoplasma por um envoltório. Geralmente não apresentam membranas dividindo o citoplasma em compartimentos. Não possuem citoesqueleto, sendo que a forma da célula é mantida pela parede extracelular.

17 Característica Procarioto Eucarioto
Núcleo ausente presente Diâmetro de um célula típica μm μm Citoesqueleto ausente presente Organelas citoplasmáticas ausentes presentes Conteúdo de DNA (pares de bases) 1 × × × × 109

18 Uma estrutura de uma célula procariótica típica é a da E. colli
Uma estrutura de uma célula procariótica típica é a da E.colli. Célula é um bastonete circundada por uma parede celular rígida composta de polissacarídeos e peptídeos. Dentro desta parede celular está a membrana plasmática. Enqto a parede celular é porosa e facilmente penetrada por uma variedade de moléculas, a membrana plasmática fornece a separação funcional entre o interior da célula e o ambiente externo. O DNA é uma molécula circular única e contem muito ribossomos que contribuem para sua aparência granular.

19 Modelo do mosaico fluido
Espessura: 7,5- 10nm Bicamada lipídica proteínas

20 Fosfolípides de membrana
cabeça hidrofílica cauda hidrofóbica

21 Bactéria (Vibrio cholerae)
The structure of a bacterium. (A) The bacterium Vibrio cholerae, showing its simple internal organization. Like many other species, Vibrio has a helical appendage at one end a flagellum that rotates as a propeller to drive the cell forward. (B) An electron micrograph of a longitudinal section through the widely studied bacterium Escherichia coli (E. coli). This is related to Vibrio but lacks a flagellum. The cell's DNA is concentrated in the lightly stained region. (

22 Todas as células eucariotas são envolvidas por uma membrana plasmática e contém ribossomos. Contém uma série de organelas citoplasmáticas e citoesqueleto. A maior e mais proeminente organela é o núcleo (5mm) o núcleo contém a informação genética da célula.

23 Além do núcelo existem outras organelas no seu citoplasma, compartimentos onde atividades metabólicas são realizadas. Mitocondrias e cloroplastos = metabolismo energético. Mitocôndria , metabolismo oxidativo. Geração do ATP, lisossmos e peroxiossomos = digestão de macromoléculas e reações oxidativas. Transporte de proeteinas = reticulo endoplasmatico e golgi. RE é um complexos de membranas= processamento trnasporte de proteínas e sintese de lipideos.. Citoesqueleto= rede de filamentos proteicos através do citoplasma. Forma , movimento da celula.

24 Diferenças na celula vegetal, cloroplastos= locais da fotossíntese, grandes vacuolos = variedade de funções, dogestão de macromoléculas e armazenamento. Parede celular= rígida, determinar o tamanho e a forma, celulose. Tem funções especificas, com uma variedade de enzimas que desempenham importante papel na absorção, transporte e secreção de substancias, papel na defesa contra microorganismos.

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27 Os eucariotos desenvolveram há no mínimo 2,7 bi anos atrás,após 1 a 1,5 bi anos do desenvolvimento dos procariotos. Estudos na sequencia de dna indicam que são diferentes entre si tão como os procariotos atuais, separação muito cedo das archea e bacterias e eucariotos descendendo de um ancestral comum. Muitos genes são mais similares entre archea e eucariotos do que procariotos, estes compartilham um linha comum evolucionaria. Um passo critico na evolução faz celulas eucariotas é a aquisição de organelas envoltas por membrana. Esta aquisição foi resultado da associaç~~ao de celuas procaariotas no ancestral dos eucariotos. endossimbiose

28 Eucariotos unicelulares
Saccharomyces cerevisae

29 Amoeba proteus Célula grande e complexa, vezes maior que a E.colli, organismos moveis, pseudópodos

30 Células musculares Células nervosas Células da epiderme

31 Célula de intestino delgado
Células vegetais

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33 Células como modelo experiementais
C.elegans Drosophila Dictyostelium discoideum A.thaliana “Zebrafish”

34 Ferramentas da Biologia Celular
Microscopia óptica -Microscopia eletrônica Limites de resolução Olho humano 100m Microscópio óptico 0,25 m Microscópio eletrônico 0,0002 m

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37 Os carboidratos incluem açúcares simples e polissacarídeos
Os carboidratos incluem açúcares simples e polissacarídeos. Os açúcares são a principal fonte de energia química para as células. Os polissacarídeos servem como formas de reserva de açúcares, componentes estruturais da célula e marcadores de processos de reconhecimento celular. -carboidrato -monossacarídeo -ligação glicosídica -polissacarídeo -glicogênio -amido -celulose

38 Os ácidos graxos são importantes como fonte de energia, mas sua função mais essencial é a formação das membranas celulares. -lipídios -ácidos graxos -fosfolipídios -moléculas anfipáticas

39 Os ácidos graxos são importantes como fonte de energia, mas sua função mais essencial é a formação das membranas celulares. -lipídios -ácidos graxos -fosfolipídios -moléculas anfipáticas

40 Os polímeros constituídos por aminoácidos formam macromoléculas muito diversificadas e versáteis que são conhecidas por proteínas. -aminoácido -proteína -ligação peptídica -enzima -estrutura protéica

41 Os nucleotídeos desempenham um papel central na trnasferência de energia e são as subunidades com as quais são feitas as macromoléculas informacionais, RNA e DNA. -ATP -base -nucleotídeo -DNA -RNA -pentose

42 Life as an autocatalytic process
Life as an autocatalytic process. Polynucleotides (nucleotide polymers) and proteins (amino acid polymers) provide the sequence information and the catalytic functions that serve through a complex set of chemical reactions to bring about the synthesis of more polynucleotides and proteins of the same types.

43 The hereditary information in the egg cell determines the nature of the whole multicellular organism. (A and B) A sea urchin egg gives rise to a sea urchin. (C and D) A mouse egg gives rise to a mouse. (E and F) An egg of the seaweed Fucus gives rise to a Fucus seaweed