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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAINSTITUTO DE BIOLOGIA
DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA GERAL
Biologia Celular e Molecular
BIO 158
Profa.: Paula Ristow
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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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3
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:
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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
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O que é vida?
Células
Metabolismo
Crescimento
ReproduçãoMorte
DNAEvolução
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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
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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!!
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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
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• 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
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Pro karyon=antes do cerne, núcleo Eu karyon=verdadeiro cerne
Células são divididas em dois grandes grupos:
Procariotos X Eucariotos
TamanhoEscalasFormaCaracterísticas
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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
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Como podemos visualizar as células?
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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
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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.
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Microscópio eletrônico de transmissão
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Microscópio eletrônico de varredura
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Microscopia óptica - Língua de rato.
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Bactéria Escherichia coli vista ao microscópio ótico (a) e eletrônico (b).
a b
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• Como se desenvolveu a primeira célula?
• Como evoluiu o metabolismo para possibilitar a complexidade e diversidade das células atuais?
19
Evolução das células
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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
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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
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H2O CH4NH3
Luz solar: formação espontânea de moléculas orgânicas em uma “sopa” primitiva
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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Procariotos
• ~3,8 bilhões de anos
• Bactérias fermentadoras e bactérias fotossintéticas
Estromatólitos (biofilmes) e fósseis de cianobactérias
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Origem dos eucariotos
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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
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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.
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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
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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
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Procariotos atuais
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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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37
Morfologia das células procarióticas
Staphylococcus aureusStreptococcus sp.
Bacillus anthracisBrucella sp.
Vibrio choleraeLeptospira sp.
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Estrutura geral
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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
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Parede celular
• Externa à membrana celular• Semi-rígida• Mantém a forma característica da célula• Protege contra a lise osmótica e alterações do ambiente
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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 -
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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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45
Exemplo de bactéria Gram -
Pseudomonas aeruginosa
● Agente de mastites, dermatite, otites, ceratite, pneumonias, infecções do trato respiratório, genital em animais domésticos
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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
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• Compostos de proteínas• Adesão celular• Formação de biofilmes• Transferência de material genético por conjugação• Presentes na maioria das Gram-negativas
Pili
Pili conjugativo
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Flagelos (vídeo)
•Compostos de proteínas•Locomoção bacteriana•Maioria das Gram-negativas
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Eucariotos unicelulares
Fungos (leveduras)
Protozoários
Algas
Eucariotos atuais
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Organismos multicelulares
Animais, plantas, fungosFormação de tecidos especializados
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Células eucarióticas
Alberts et al. 2011
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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
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Bom estudo e bom semestre!