UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAINSTITUTO DE BIOLOGIA

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA GERAL

Biologia Celular e Molecular

BIO 158

Profa.: Paula Ristow

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

Por que estudar Biologia Celular e Molecular na Veterinária?

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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

Objetivos do Curso BIO158 Biologia Celular e Molecular:

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAINSTITUTO 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?

Células

Metabolismo

Crescimento

ReproduçãoMorte

DNAEvolução

A Teoria Celular 1665 Robert HookeVida presente em pequenas caixas ou célulasInício da teoria celular, na qual organismos vivos são compostos de cálulas

Séc XVIIAnton van Leeuwenhoek Cartas descrevendo “animáculos” na água, dentes e fezes, para a Royal Society of London

A Teoria Celular

1668Francesco RediNão existe geração espontâneaExperimento com carne e larvas de mosca

1861Louis PasteurExperimentos que demonstraram que microrganismos do ar podem contaminar meios estéreis

Base das técnicas de assepsia!!

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.

A Teoria Celular

• Realizam uma variedade de reações químicas para manter a sua complexidade

• Utilizam mecanismos comuns de metabolismo energético.

• Respondem a estímulos.

• Crescem e se reproduzem.

Cooper et al. 2009

Propriedades comuns a todas as células:

• São circundadas por membrana plasmática.

• Informações genéticas mantidas no DNA.• Informações transcritas ao RNA e traduzidas em proteínas

Pro karyon=antes do cerne, núcleo Eu karyon=verdadeiro cerne

Células são divididas em dois grandes grupos:

Procariotos X Eucariotos

TamanhoEscalasFormaCaracterísticas

CARACTERÍSTICAS PROCARIOTOS EUCARIOTOS

Núcleo Ausente Presente

Diâmetro celular 0,2 - 2 µm 10 a 100 µm

Citoesqueleto Presente* Presente

Organelas Ausente Presente

Conteúdo de DNA (pares de bases) 106 107 a 109

Cromossomos Única molécula circular

Múltiplas moléculas lineares

Procariotos X Eucariotos

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).

a b

• Como se desenvolveu a primeira célula?

• Como evoluiu o metabolismo para possibilitar a complexidade e diversidade das células atuais?

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Evolução das células

A vida emergiu há aproximadamente 3,8 bilhões de anos

Presente

Bilhões de anos atrás

Organismosmulticelulares

Primeiros eucariotosMetabolismo oxidativo

Fotossíntese

Primeiras células

Formação da Terra

Formação do sistema Solar – nuvem de gases e poeira insterestelar

Terra primitiva: fase pré-bióticaRochas, 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

H2O CH4NH3

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

Demonstração experimental da formação espontânea de compostos orgânicos a partir de sopa primitiva (Urey e Miller,

1953)

Polimerização espontânea forma macromoléculas

(polipeptídeos, ácidos nucléicos…)

Atmosfera da Terra primitiva

Moléculas orgânicas(aminoácidos, bases nitrogenadas…)

CO2, H2S, CO, H2, NH3, H2O

Evolução química

Material primordial para os primeiros seres vivos

Polissacarídeos, proteínas, lipídeos ou ácidos nucléicos?

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?

DNA: precisa de proteínas e de RNA (primers) para replicar.

Sidney AltmanYale University

New Haven, CT, USA

Thomas R. CechUniversity of

Colorado, USA

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.

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

Membrana fosfolipídica

Molécula fosfolipídica:

grupo cabeça hidrofílico

cauda hidrofílica

Água

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

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).

Fermentação Fotossíntese

Respiração

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.

Procariotos

• ~3,8 bilhões de anos

• Bactérias fermentadoras e bactérias fotossintéticas

Estromatólitos (biofilmes) e fósseis de cianobactérias

Origem dos eucariotos

2,7 bilhões de anos

• 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.

Célula eucariótica primitiva

Surgimento de células eucarióticas aeróbicasTeoria da endossimbiose e origem das

mitocôndrias (Lynn Margulis, 1967)

membranas internas

Ancestral eucariótico (protozoário anaeróbio)

Célula eucariótica primitiva aeróbia

núcleo

Bactéria aeróbia

membranas internas

Mitocôndriacom 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

1. Bacteria: bactérias verdadeiras; habitam tecidos animais e vegetais, água, solo; agentes de enfermidades infecciosas.

2. Archaea: não são consideradas bactérias; habitam água, solo e ambientes hostis.

ARCHAEA

BACTERIA

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Morfologia das células procarióticas

Staphylococcus aureusStreptococcus sp.

Bacillus anthracisBrucella sp.

Vibrio choleraeLeptospira 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.

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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)

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Exemplo de bactéria Gram +

Staphylococcus aureus

● Agente de mastites, dermatites, foliculites em bovinos, ovinos, suínos, equinos, cães.

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Exemplo de bactéria Gram -

Pseudomonas aeruginosa

● Agente de mastites, dermatite, otites, ceratite, pneumonias, infecções do trato respiratório, genital em animais domésticos

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)

Apêndices bacterianos

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

Pili

Pili conjugativo

Flagelos (vídeo)

•Compostos de proteínas•Locomoção bacteriana•Maioria das Gram-negativas

Eucariotos unicelulares

Fungos (leveduras)

Protozoários

Algas

Eucariotos atuais

Organismos multicelulares

Animais, plantas, fungosFormação de tecidos especializados

Células eucarióticas

Alberts et al. 2011

Organelas em eucariotosRER: 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

Lisossomos: pequenos sacos de enzimas que

degradam moléculas endocitadas e organelas

Citoesqueleto: redes de filamentos protéicos. Estrutura e movimento celular, organização e movimento de organelas

Mitocôndria: geração de energia

Peroxissomos: degradação de ács. graxos, aminoácidos e produtos tóxicos

Bom estudo e bom semestre!