Evolução, estrutura e função celular · seres ou organismos vivos dos ... dos descobridores da...
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Evolução, estrutura e função celular
Profa. Marta G. Amaral, Dra. Biologia Celular
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Em 1665, observando uma secção
de cortiça ao microscópio, notara
pequeníssimas cavidades
semelhantes às de uma colmeia, a
que chamou células.
O inglês Robert Hooke (1635-1703)
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A célula é a unidade
básica da vida
Criaram a teoria celular em 1838-39
No século XIX a célula foi
reconhecida como a unidade
funcional de todos os
organismos vivos.
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Teoria celular
1. Todos os seres vivos são formados por células
2. Todas as reações metabólicas ocorrem dentro
da célula
4. As células são portadoras de material genético
3. Cada célula origina-se de outra célula
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...então, a solução para
qualquer problema biológico
deve ser buscada na Célula
“A vida em si, existe
apenas na célula.
O resto são mecanismos
auxiliares para tornar a
vida possível.”
Claude Bernard (1813-1878)
Médico e fisiologista francês
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Ele abriu o caminho para pesquisas sobre a identificação das condições que alteram o estado normal de uma célula e a resposta da própria célula àquelas condições patológicas.
Considerou que a
célula doente não
era uma estrutura
nova, mas era
mesma estrutura
qualitativamente
diferente.
O médico Rudolf Virchow (1821-1902)
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É fácil reconhecer mas, difícil de
definir.
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"A vida é o produto cumulativo de interações entre as muitas
espécies de substâncias químicas que constituem as células de um
organismo". Neil A. Campbell
Dicionário: O estado ou a qualidade que nos distingue
seres ou organismos vivos dos mortos e da matéria inorgânica,
caracterizada principalmente por metabolismo, crescimento e capacidade de reproduzir e
responder a estímulos
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Célula x Energia
“No universo ou em qualquer sistema isolado,
o grau de desordem somente pode crescer.”
Segunda lei da termodinâmica
Num sistema fechado, a entropia nunca diminui.
Se o sistema está inicialmente num estado de
baixa entropia (organizado), tenderá
espontaneamente a um estado de entropia
máxima (desordem).
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1. Coisas materiais não são eternas.
2. Tudo parece mudar eventualmente, e o caos
aumenta.
3. Nada permanece tão fresco como no dia em que comprado; roupas desbotam, ficam surradas, e finalmente retornam ao pó.
4. Tudo envelhece, se desgasta.
5. Até a morte é uma manifestação desta lei.
6. Os efeitos da Segunda Lei estão em todo lugar,
tocando tudo pelo universo
Traduzindo para o nosso cotidiano:
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Nas transformações naturais, a
energia se "degrada" de uma forma
organizada para uma desordenada,
isto é energia térmica ou energia
cinética.
Pela 2ª lei, o calor ou energia térmica
(desordenada), ocorre colisão aleatória das
moléculas. O calor gerado pelas reações
celulares dispersa, aumentando a desordem
ou a entropia.
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Célula x Energia
Primeira lei da termodinâmica
Energia não pode ser criada ou destruída mas,
pode ser convertida de uma forma em outra.
A célula mantém sua organização devido a liberação de energia cinética através do metabolismo celular
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1.Abiogênese 2.Panspermia/cósmica
3.Modelo de Oparin/Coacervados
4.Criacionismo 5.Biogênese
Qual é a origem da
vida?
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1. ABIOGÊNESE (GERAÇÃO ESPONTÂNEA)(A= negação, BIO= vida, GÊNESE= origem) Defendida por Aristóteles (século IV a.C), Newton, Harwey, Descartes
Aristóleles considerava que a Vida era o resultado da
ação de um princípio ativo sobre a matéria
inanimada, a qual se tornava, então, animada.
Não haveria intervenção sobrenatural no surgimento
dos organismos vivos, apenas um fenômeno natural, a
geração espontânea
Roupa suja ratos adultos, completamente formados
Intestinos vermes
Carne putrefata moscas
Van Helmont (1577-1644) acreditava:
Cheiro dos pântanos rãs
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Francesco Redi, no séc. XVII (1668), foi o primeiro a refutar a teoria da ABIOGÊNESE. “Qualquer forma de vida só podia provir de outra pré-existente.”
....mas ainda havia dúvida????????????
As larvas originavam da carne putrefata Abiogênicos defendiam que no frasco selado, não
continha a matéria bruta principal, o Ar. Diziam que apenas as larvas nasciam de seres pré-existentes
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“Concluiu que o ar contém partículas sólidas que
originavam os microrganismos”
Pasteur (1862), refutou definitivamente
a teoria da abiogênese
Ele preparou infusões com carne e aqueceu
ALGUMAS DEIXADAS AO AR OUTRAS VEDADAS
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2. PANSPERMIA e CÓSMICA Defendida por Arreheius, Liebig, Richter e Helmholtz
Em 2008, Yoshihiro et al., publicaram na Nature Geoscience que os impactos desses corpos sobre os mares primitivos, eram muito frequentes na época, poderia ter gerado alguma das complexas moléculas orgânicas necessárias para a vida
Sugerem que o aparecimento dos primeiros seres vivos na Terra surgiram dos cosmozoários (esporos resistentes), que seriam microrganismos flutuantes no espaço cósmico
Na década de 80 (sec. XX), Crick (um dos descobridores da estrutura do DNA) e Orgel sugeriram uma teoria de Panspermia dirigida, em que o agente inicial da Vida na Terra passaria a ser colônias de microrganismos, transportadas numa nave espacial não tripulada, lançada por qualquer civilização muito avançada. A Vida na Terra teria surgido a partir da multiplicação desses organismos no oceano primitivo.
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3. MODELO EVOLUTIVO DE OPARIN/COACERVADOS: Surgiu em 1924, foi a1ª explicação racional, é hoje aceita
como a de maior peso.
Defendeu que a vida na Terra surgiu há cerca de 3,5 bilhões de anos, surgindo o primeiro ser vivo a partir da combinação de elementos químicos presentes na Terra primitiva.
Oparin possuía conhecimentos em astronomia, geologia, biologia e bioquímica e os empregou para a solução deste problema.
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Vapor D'água,
Metano (CH2),
Gás Carbônico (CO2),
Hidrogênio (H2),
Outros Gases
aparecimento
espontâneo de
compostos orgânicos,
que, mais tarde, se
acumularam nos mares
Gases (vapor de água + metano + amônia + hidrogênio) + raios
ultravioleta e descargas elétricas aminoácidos + outros compostos
orgânicos + chuva levados para os mares "sopa química" ou "caldo
nutritivo" formação de coacervados (compostos orgânicos reunidos)
formação de protegenes (genes; primitivos) reunidos por membranas
lipoprotéicas células primitivas (heterotróficas aeróbias)
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Experimento de Urey-Miller ou a Sopa Orgânica
alanina, glutamato,
ácido aspártico,
ácido fórmico,
acético, propiônico,
láctico e succínico
Publicado em 1953 na Science : foi a primeira demonstração de como moléculas orgânicas poderiam ter surgido nas condições especiais da Terra primitiva.
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4. CRIACIONISMO (explicação teológica) Acreditam na criação do mundo em “6 dias”.
A teoria tem bases no livro de GÊNESES e tem Deus como criador de tudo
5. BIOGÊNESE Os seres surgem de outros seres vivos – Evolução
Como a vida surgiu? A partir de uma estrutura simples capaz de se autoduplicar
Para haver EVOLUÇÃO é preciso que haja HEREDITARIEDADE
Como iniciou a evolução das espécies? Duplicações e com mutações
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Origem do universo Elementos formadores das estrelas
Formação do sistema solar
Formação de Júpiter
Formação da Terra
BIG BANG
Formação de moléculas químicas
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Hoje em dia
Dificilmente isso será feito nas próximas duas décadas.
O problema é que nenhuma equipe de astrofísicos conseguiu
determinar se o neutrino tem massa.
No século XXI, a maioria dos cientistas acredita que o candidato
favorito para ser o recheio da massa escura do universo é o
neutrino, uma partícula subatômica sem carga elétrica que é a
mais abundante no cosmo.
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1. Existe temperatura mais fria que o zero absoluto, 0ºK (-273,15 °C)?
2. Por que centenas de milhões de toneladas de carbono somem na atmosfera
todos os anos?
3. Como os genes são controlados?
4. Como uma célula dá origem a um organismo complexo?
5. Como o DNA consegue se auto consertar?
6. Por que o DNA humano tem largas porções inúteis?
7. A mente pode existir separada do cérebro?
8. Quantas espécies de vida existem na Terra?
9. É possível entender a consciência?
James Trefil, físico da Universidade George Mason
e autor do livro Fronteiras do Desconhecido, faz
as perguntas:
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Biogênese
Iniciou a 3,5 - 3,7 bilhões de anos
1. Síntese dos monômeros
2. Síntese dos polímeros (polipeptídios, Ac. Nucléicos, Açúcares)
Foi sugerido que macromoléculas de diversos tipos, se
organizaram em pequenas unidades auto reprodutoras
(RNA) e usaram as outras como “alimento”.
Formaram coloides – hidrofílicos e hidrofóbicos
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Síntese de
monômeros
1° passo da biogênese
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Biogênese
Coacervados = tipo especial de
colóide orgânicos.
Possuem grande número de
moléculas, rigidamente
localizadas e isoladas do meio
ambiente por uma película
superficial de água. Desse modo,
adquirem "individualidade“ e
possivelmente as formas mais
próximas do Protobionte
(organismo primitivo)
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Protobionte
Fox (1970) mostrou que
algumas proteínas aquecidas,
formam espontaneamente
microesferas contendo uma
dupla membrana na volta
envolvendo hiperciclos.
.
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Autocatálise
Teoria da organização molecular espontânea
Para Eigen, 1971 (Prêmio Nobel) a vida se originou do caos molecular
por autocatálise – interação molecular
Hiperciclo: é um sistema catalítico onde
ocorrem reações espontâneas formando
novas moléculas.
Ex.: A catálise de RNAs curtos formando
polinucleotídeos para a síntese de aa de
uma pequena proteína.
É um processo em que o catalizador é um dos produtos formados durante a reação química. Significa que a reação é cada vez mais rápida à medida que vai progredindo.
Vários hiperciclos podem estar interligados Rotas metabólicas
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• Capacidade auto catalítica RNA
• RNA: Não necessita de enzimas, pode agir como enzima (Ribozima)
• RNA pode se auto clivar, assim como se polimerizar – rRNA
• A síntese de DNA requer primers de RNA
• O DNA não é usado na síntese de proteínas e sim o RNA
•Transcriptase Reversa: RNA
Genes primitivos eram de DNA ou RNA?
RNA
DNA
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Etapa I
Síntese abiótica e acúmulo de pequenas moléculas orgânicas como aa,
nucleosídeos, lipídeos, etc.
Etapa II
Moléculas da I etapa condensam formando polímeros
Etapa III
Formação de coloides – microesferas – formação de compartimentos
(cel. primitiva)
Etapa IV
Os elementos das etapas I-III desenvolvem a propriedade da replicação,
formando o 1º genoma, por meio da autocatálise de RNA (Ribozima).
Etapas da evolução celular
Este processo evolutivo demorou pelo
menos 100 milhões de anos
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Protobionte
Nome dado as células primitivas que possuíam como principais
características:
· Simples
· Unicelulares
· Anaeróbicos
· Hipertermófilos
· Quimio-autotrófico (reduzia H2, S, e
fixavam CO2, acha-se em fontes quentes)
· Procariotes
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Evolução na obtenção de energia
A obtenção de energia pelas células
ocorreu na sequência:
• FERMENTAÇÃO
• QUIMIOSSÍNTESE
• FOTOSSÍNTESE
• RESPIRAÇÃO AERÓBICA
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Evolução da
vida na terra
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Tipos de células Podem ser:
Solitárias Viver em comunidades
Forma geométrica definida Formas indefinidas, com limites flexíveis
Sedentárias Nadar, rastejar
Incolores Coloridas (verde, vermelha, azul)
Procarióticas
(do grego “antes do núcleo)
Eucarióticas
(do grego “com núcleo)
Bactérias Dos protistas aos mamíferos,
fungos e plantas
Pouca organização interna,
material genético livre no citosol,
São organizadas por organelas
rodeadas pelo citosol.
O DNA está estocado no núcleo.
Pequenas com 1-2 µm
Medem de 5-100 µm, algumas
podem ser vistas a olho nu.
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Procarióticas
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Staphylococcus aureus Streptococcus salivarius
Bactérias da língua humana
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Evolução da célula
procariótica à célula
eucariótica
retículo e núcleo constituídos
célula procariótica nua
estádios progressivos de hipertrofia da
membrana plasmática e de configuração
do núcleo
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Evolução da célula eucariótica
micoplasmas (mitocôndria) e
cianobactérias (cloroplastos))
Teoria da endosimbiose
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TEORIA DA ENDOSSIMBIOSE
ORIGEM DAS MITOCÔNDRIAS E CLOROPLASTOS
BACTÉRIAS
CIANOBACTÉRIAS
EUCARIOTO
PRIMITIVO
CÉLULAS
ANIMAIS
CÉLULAS
VEGETAIS
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Célula Eucariótica
O SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS possibilitou:
1. Maior crescimento celular;
2. Maior especialização, divisão de tarefas entre componentes celulares
e eficiência metabólica;
3. Facilidade no contato e na aglomeração intermolecular;
4. Maior proteção do material hereditário;
5. Maior diversidade de rotas metabólicas.
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Unicelulares
Entamoeba histolytica. Giardia lamblia
Tripanozoma cruzzi
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Unicelular em Multicelular
A união de células para formarem colônias formaram os
primeiros seres multicelulares trazendo como vantagens:
1. Longevidade;
2. 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;
3. Expressão diferenciada dos genes com consequente economia
energética
4. Surgimento de novos padrões de comunicação entre as células
gerando esquemas novos de desenvolvimento embrionário;
5. Diversidade de funções celulares e eficácia metabólica
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Fungos
Neurospora fungo do pão
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Penicillium sp
Aspergillus flavus Saccharomyces cervisiae
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Células vegetais Apresentam:
1. Parede celular: que dá rigidez e forma
2. Vacúolos: podem ocupar 75% do volume
celular
Acumulam açúcares e outros compostos
solúveis em água. Geralmente são coloridos.
3. Cloroplasto: faz a fotossíntese.
Não apresentam:
Centrossomos, embora sejam encontrados
em algumas algas.
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cloroplastos
Parede celular
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Células animais especializadas
1. Tecidos epitelial
2. Tecido conjuntivo: Propriamente dito
Adiposo
Sanguíneo
Cartilaginoso
Ósseo
3. Tecido muscular
4. Tecido nervoso
As células com o mesmo material genético não são
idênticas.
Se diferenciam e formam grupos que exercem a mesma
função, formando os tecidos
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TECIDOS EPITELIAL
DE REVESTIMENTO
TECIDOS EPITELIAL
GLANDULAR
PÂNCREAS PELE
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TECIDOS CONJUNTIVOS
MUCOSO ADIPOSO
SANGUÍNEO
ÓSSEO CARTILAGINOSO
DENSO MODELADO
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TECIDOS MUSCULARES
LISO
ESTRIADO CARDÍACO ESTRIADO ESQUELÉTICO
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TECIDO NERVOSO
MICRÓGLIA CEREBELO
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REVESTIMENTO E GLANDULARES
TIPOS CÉLULARES MATRIZ
POUCA
FIBROBLASTOS, CÉLULAS DE
DEFESA, ADIPÓCITOS,
CONDRÓCITOS, OSTEÓCITOS
ABUNDANTE
ESTRIADA ESQUELÉTICA,
ESTRIADA CARDÍACA, LISA MODERADA
‘AUSENTE’ NEURÔNIOS, CÉLULAS DA
NEURÓGLIA E SCHWANN
FUNÇÃO
REVESTIMENTO
E SECREÇÃO
APOIO E
PROTEÇÃO
MOVIMENTOS
RECEPÇÃO E
TRANSMISSÃO DE
ESTÍMULOS
NERVOSOS
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Vírus • Tem as mesmas moléculas que os seres vivos
• Não sobrevivem de forma independente
• Tem um centro de material genético envolvido por uma capa proteica (capsídeo)
• Podem ter membrana extra denominada envoltório
• Parasitas celulares obrigatórios: quando entram no hospedeiro, o material genético viral dirige a maquinaria da célula para produzir a proteína viral e o material genético viral
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Virus RNA: hepatites A e C, o HIV, Rhabdovirus (raiva),
Picornavirus (poliomielite), Orthomyxoviruses (gripes) e
Rhinovirus (constipações/resfriados)
Os vírus de RNA dispõem de enzimas próprias para serem
processados, como por exemplo enzimas de replicação (RNA replicases e transcriptases reversas).
Vírus HIV Vírus influenza
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Vírus DNA: HPV (Human Papilloma Virus), o vírus da varíola, o
vírus da varicela (Varicella-zoster), Herpes simplex e o vírus
causador da hepatite B.
Usam a maquinaria celular para transcrição de seus genes,
sua replicação e reparo de seu DNA. Isso permite a alguns
vírus ter um genoma grande como os herpes vírus, que
evoluíram de forma a produzir alguns genes próprios (como
para síntese de nucleotídeos e polimerases próprias), ficando mais independentes do metabolismo celular.
Vírus HPV humano
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Bacteriófagos (vírus bacterianos) são usados para
transferência gênica entre linhagens bacterianas
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Viroides (agentes subvirais) são os menores sistemas genéticos capazes de se replicar no interior de uma célula e encontram-se confinados ao Reino Vegetal.
• São fragmentos de RNA que causam doenças apenas em plantas.
• Não codificam proteínas, não possuem capa proteica (envoltório de proteína que envolve e protege o DNA viral)
• Dependem 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
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• São conhecidos 13 tipos de
príons, das quais 3 atacam
fungos e 10 afetam
mamíferos; dentre estes, 7
têm por alvo os humanos.
• Está no cromossomo 21
humano e faz parte do
equilíbrio celular neuronal
referente à velhice.
• Se replica em porções do
sistema imunológico
(tonsilas, apêndice, placas
Peyer), fígado, músculo
PRÍONS:
São proteínas com capacidade de modificar
outras proteínas. Causam doenças no homem
e em outros animais.
Ex.: vaca louca.
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Atacam o SNC.
A proteína defeituosa
mata o neurônio e na
necropsia observa-se
o encéfalo como um
tecido esponjoso,
chamada de
encefalopatia
espongiforme.
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Organização Celular
1. ACELULARES: vírus, viróides e príons
2. CELULARES
2.1. PROCARIONTES: bactérias/arquibactérias
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
Atenção
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Classificação dos seres vivos, de acordo com Woese (1977) (Adaptado de Pommerville, J.C.(2004) Alcamo's Fundamentals
of Microbiology)