Introdução à Célula e Genomas

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I. Introdução à Célula
Células e Genomas
Todos os seres vivos são compostos por células: pequenas unidades, delimitadas por membrana, preenchidas com uma solução aquosa concentrada de produtos químicos e dotadas de extraordinária habilidade de criar cópias de si mesmas por meio de seu crescimento e, então, da divisão em duas.
Devido às células serem as unidades fundamentais da vida, é na biologia celular – o estudo da estrutura, função e comportamento das células – que devemos procurar por respostas às questões sobre o que a vida é e como funciona.
“a chave para cada problema biológico deve finalmente ser procurada na célula; para cada organismo vivo há, ou houve em algum momento, uma célula”.
- E. B. Wilson.
Apesar de sua aparente diversidade, os seres vivos são fundamentalmente parecidos no seu interior. Toda a biologia é, desse modo, um contraponto entre dois temas: a admirável variedade em particularidades individuais e a admirável constância nos mecanismos fundamentais.
Características Universais da Célula na Terra
Cada espécie é diferente, e cada uma se reproduz fielmente, gerando uma progênie que pertence à mesma espécie: o organismo parental transfere informações especificando, em extraordinário detalhe, as características que seus descendentes devem ter. Esse fenômeno da hereditariedade é parte central para a definição da vida: ele diferencia a vida de outros processos, como o desenvolvimento de um cristal ou a queima de uma vela, ou a formação de ondas na água, nos quais são geradas estruturas ordenadas, mas sem o mesmo tipo de ligação entre as características dos pais e as de seus descendentes. Como a chama da vela, o organismo vivo precisa consumir energia livre para criar e manter sua organização. Entretanto, a vida emprega essa energia para promover um sistema altamente complexo de processos químicos que são especificados pela informação hereditária.
A maioria dos organismos vivos é composta por células únicas. Outros, como nós, são vastos complexos multicelulares, nos quais grupos de células realizam funções especializadas e estão conectados por intrincados sistemas de comunicação. Mas, mesmo para o agregado de mais de 1013 células que formam um corpo humano, o organismo todo foi gerado a partir da divisão celular de uma única célula.
Essa célula contém a maquinaria para obter matérias-primas do ambiente e construir, a partir delas, uma nova célula à sua própria imagem, completa, com a nova cópia da sua informação hereditária.
Armazenamento de Informações Hereditárias
Todas as células vivas da Terra armazenam suas informações hereditárias na forma de moléculas de DNA de fita dupla – longas cadeias poliméricas pareadas não ramificadas, formadas sempre pelos mesmos quatro tipos de monômeros. Esses monômeros, compostos químicos conhecidos como nucleotídeos, são nomeados a partir de um alfabeto de quatro letras – A, T, C e G – e estão ligados um ao outro em uma longa sequência linear que codifica a informação genética.
Usando métodos químicos, os cientistas aprenderam como ler a sequência completa dos monômeros em qualquer molécula de DNA – estendendo-se por muitos milhões de nucleotídeos – e, desse modo, decifrar toda a informação hereditária que cada organismo contém.
Replicação de Informações Hereditárias
Os mecanismos que tornam a vida possível dependem da estrutura da fita dupla da molécula de DNA. Cada monômero em uma cadeia simples de DNA – ou seja, cada nucleotídeo – consiste em duas partes: um açúcar (desoxirribose), com um grupo fosfato ligado a ele, e uma base, que pode ser adenina (A), guanina (G), citosina (C) ou timina (T).
(A) O DNA é formado a partir de subunidades simples, chamadas de nucleotídeos, e cada uma consiste em uma molécula de açúcar-fosfato com uma cadeia lateral nitrogenada, ou base, ligada a ela. As bases são de quatro tipos (adenina, guanina, citosina e timina), correspondendo a quatro nucleotídeos distintos nomeados A, G, C e T. O fosfato é composto por um átomo de fósforo central ligado a quatro átomos de oxigênio. O grupo fosfato é uma parte crucial das moléculas de ATP (adenosina trifosfato) e ADP (adenosina difosfato), que são essenciais para o armazenamento e transferência de energia nas células. Ligações fosfodiéster: O grupo fosfato liga os nucleotídeos na cadeia de DNA, formando a espinha dorsal da molécula. A ligação fosfodiéster conecta o grupo 5' fosfato de um nucleotídeo ao grupo 3' hidroxila do próximo nucleotídeo.
(B) Orientação ou polaridade: As unidades de açúcar-fosfato são assimétricas, o que significa que elas têm uma direção específica (do 5' para o 3'). Esta polaridade é crucial para os processos de leitura e replicação do DNA. Ligações de açúcar-fosfato: Conectam os nucleotídeos entre si, formando uma longa cadeia. (C) Polimerização: É o processo pelo qual os nucleotídeos são ligados em uma nova fita de DNA. Pareamento de bases complementares: No DNA, as bases formam pares específicos: Adenina (A) pareia com Timina (T) Guanina (G) pareia com Citosina (C) Fitas complementares: Uma fita de DNA serve como molde para a criação de uma nova fita complementar. Se a sequência original (a fita molde) é GTTACG, a nova fita complementar será CAATGC.
(D) Duas fitas complementares: Uma molécula de DNA é composta por duas cadeias de nucleotídeos que são complementares uma à outra. Ligações covalentes: Mantêm os nucleotídeos unidos dentro de cada fita. Ligações de hidrogênio: Mantêm as duas fitas complementares unidas, mas são mais fracas que as ligações covalentes. (E) Estrutura da dupla-hélice: As duas fitas de DNA se enrolam ao redor de si mesmas, formando uma estrutura helicoidal robusta. Estabilidade da sequência: A estrutura da dupla-hélice é tal que pode acomodar qualquer sequência de nucleotídeos sem alterar sua forma geral.
Cada açúcar está ligado ao próximo pelo grupo fosfato, criando uma cadeia de polímero composta por uma cadeia principal repetitiva de açúcar e fosfato, com séries de bases projetando-se dela. 
O polímero de DNA se estende pela adição de monômeros em uma das extremidades. Para uma fita simples isolada, essas bases podem ser, em princípio, adicionadas em qualquer ordem, pois cada uma se liga à próxima da mesma maneira, por meio da parte da molécula que é igual para todas elas. Na célula viva, entretanto, o DNA não é sintetizado como uma fita livre isolada, mas a partir de um molde formado por uma fita de DNA preexistente. As bases que se projetam da fita existente ligam-se às bases da fita que estão sendo sintetizadas de acordo com uma regra rigorosa, definida pelas estruturas complementares das bases: A liga-se a T, e C liga-se a G. Esse pareamento de bases mantém os novos monômeros no lugar e, desse modo, controla a seleção de qual dos quatro monômeros deverá ser o próximo adicionado à fita crescente. 
Dessa forma, uma estrutura de fita dupla é criada, composta por duas sequências exatamente complementares de As, Cs, Ts e Gs. Essas duas fitas se torcem entre si formando um DNA dupla-hélice.
As ligações entre os pares de bases são fracas em comparação às ligações açúcar-fosfato, e isso permite que as duas fitas de DNA sejam separadas sem danificar suas cadeias principais. Cada fita pode, então, servir de molde, pela maneira recém-descrita, para a síntese de uma nova fita de DNA complementar a si mesma – isto é, uma nova cópia da informação hereditária. 
Em diferentes tipos de células, esse processo de replicação de DNA ocorre com diferentes velocidades, com diferentes controles para iniciá-lo ou interrompê-lo, e diferentes moléculas auxiliares para ajudar durante o processo. 
Contudo, os princípios básicos são universais: o DNA é o depósito das informações para hereditariedade, e a polimerização a partir de um molde é a maneira pela qual essas informações são copiadas em todo o mundo vivo.
Polimerização a Partir de um Molde
Antes da replicação, a dupla-hélice do DNA é desenrolada pelas enzimas helicases, que separam as duas fitas complementares ao romper as ligações de hidrogênio entre as bases. As helicases seligam ao DNA e utilizam energia derivada da hidrólise de ATP (adenosina trifosfato) para quebrar as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas.
No genoma humano, existem várias helicases envolvidas na replicação do DNA, como a helicase MCM (mini-chromosome maintenance complex), que é crucial para a iniciação da replicação.
A região onde as duas fitas se separam forma uma estrutura chamada forquilha de replicação (uma estrutura em forma de "Y").
A enzima DNA polimerase adiciona novos nucleotídeos à fita crescente. Esta enzima lê a fita molde (original) e adiciona nucleotídeos complementares à fita nova, seguindo as regras de pareamento de bases (A com T e G com C).
Os nucleotídeos são ligados entre si por ligações fosfodiéster.
Adenina (A) pareia com Timina (T): Formam duas ligações de hidrogênio.
Guanina (G) pareia com Citosina (C): Formam três ligações de hidrogênio.
A fita líder (leading strand) é sintetizada continuamente na direção 5' para 3', seguindo a abertura da forquilha de replicação.
A fita retardada (lagging strand) é sintetizada de forma descontínua na direção 5' para 3', em fragmentos chamados fragmentos de Okazaki. Estes fragmentos são posteriormente ligados pela enzima DNA ligase.
Transcrição de Informações Hereditárias
Para cumprir sua função de armazenamento de informação, o DNA deve fazer mais do que copiar a si mesmo. Ele também deve expressar sua informação, permitindo que ela guie a síntese de outras moléculas na célula.
A expressão da informação genética envolve dois processos principais: transcrição e tradução.
Essa expressão ocorre através de um mecanismo que é o mesmo em todos os organismos vivos, levando primeiro, e antes de tudo, à produção de duas outras classes-chave de polímeros: RNAs e proteínas.
O processo inicia com uma polimerização a partir de um molde, chamada de transcrição, na qual segmentos da sequência de DNA são usados como moldes para a síntese de moléculas menores desses polímeros, muito semelhantes, de ácido ribonucleico, ou RNA. Depois, no processo mais complexo de tradução, muitas dessas moléculas de RNA controlam a síntese de polímeros pertencentes a uma classe química radicalmente diferente – as proteínas.
No RNA, a cadeia principal é formada por um açúcar ligeiramente diferente do açúcar do DNA – a ribose em vez da desoxirribose –, e uma das quatro bases é ligeiramente diferente – a uracila (U) no lugar da timina (T). Mas as outras três bases – A, C e G – são as mesmas, e todas as quatro bases pareiam com suas contrapartes complementares no DNA – os A, U, C e G do RNA com os T, A, G e C do DNA.
A biossíntese de uracila é energeticamente menos custosa do que a de timina. Como o RNA é sintetizado continuamente e em grandes quantidades, é mais eficiente usar uracila. A presença do grupo metil na timina aumenta a estabilidade química do DNA.
A (adenina) no DNA pareia com U (uracila) no RNA.
T (timina) no DNA pareia com A (adenina) no RNA.
G (guanina) no DNA pareia com C (citosina) no RNA.
C (citosina) no DNA pareia com G (guanina) no RNA.
Durante a transcrição, os monômeros de RNA são alinhados e selecionados para a polimerização a partir de uma fita-molde de DNA, assim como os monômeros de DNA são selecionados durante a replicação. O resultado é uma molécula de polímero cuja sequência de nucleotídeos representa fielmente uma porção da informação genética da célula, embora esteja escrita em um alfabeto ligeiramente diferente – que consiste em monômeros de RNA em vez de monômeros de DNA.
O mesmo segmento de DNA pode ser utilizado repetidamente para guiar a síntese de muitas moléculas de RNA idênticas. Assim, enquanto o arquivo de informação genética da célula na forma de DNA é fixo e inviolável, esses transcritos de RNA são produzidos em massa e descartáveis.
Esses transcritos funcionam como intermediários na transferência da informação genética. Mais notavelmente, eles servem como moléculas de RNA mensageiro (mRNA) que guiam a síntese de proteínas de acordo com as instruções genéticas armazenadas no DNA.
O mRNA contém códons, sequências de três nucleotídeos, que correspondem a aminoácidos específicos. O ribossomo lê os códons do mRNA e adiciona os aminoácidos correspondentes para formar uma cadeia polipeptídica (proteína).
Cada célula contém um conjunto fixo de moléculas de DNA, seu arquivo de informação genética. Um determinado segmento desse DNA guia a síntese de vários transcritos de RNA idênticos, que servem como cópias de trabalho da informação armazenada no arquivo. Muitos conjuntos diferentes de moléculas de RNA podem ser produzidos pela transcrição de diferentes partes de sequências do DNA de uma célula, permitindo que diferentes tipos de células utilizem o mesmo arquivo de informação de forma diferente.
Sendo de fita simples, sua cadeia principal é flexível, podendo dobrar-se sobre si para permitir que uma parte da molécula forme ligações fracas com outra parte da mesma molécula.
A forma da molécula de RNA, por sua vez, pode habilitá-la a reconhecer outras moléculas ao ligar-se a elas seletivamente, e ainda, em alguns casos, catalisar alterações químicas nas moléculas que estão ligadas. 
De fato, algumas reações químicas catalisadas por moléculas de RNA são cruciais para muitos dos mais antigos e fundamentais processos nas células vivas, e foi sugerido que uma extensiva catálise por RNA desempenhou papel central nas etapas iniciais da evolução da vida.
Proteínas como Catalizadores
As moléculas de proteína, como as moléculas de DNA e de RNA, são cadeias poliméricas longas não ramificadas, formadas pela ligação sequencial de unidades fundamentais monoméricas oriundas de um conjunto-padrão, que é o mesmo para todas as células vivas. Como o DNA e o RNA, as proteínas carregam informações em uma forma de sequência linear de símbolos, da mesma maneira que uma mensagem humana é escrita em um código alfabético. Existem muitas moléculas diferentes de proteína em cada célula, e – exceto pela água – elas formam a maior parte da massa da célula.
Aminoácidos (monômeros da proteína) são os blocos de construção das proteínas, assim como os nucleotídeos são para o DNA e RNA. Existem 20 tipos diferentes de aminoácidos usados para formar proteínas.
Todos os aminoácidos têm a mesma estrutura básica que permite que se liguem entre si de forma padronizada. Cada aminoácido possui um grupo lateral (ou cadeia lateral) que é diferente para cada tipo de aminoácido e que confere propriedades químicas únicas a cada um deles.
As proteínas são formadas por longas cadeias de aminoácidos chamados polipeptídeos. A sequência específica dos aminoácidos em um polipeptídeo determina a identidade e função da proteína.
As proteínas dobram-se em formas tridimensionais precisas, com sítios reativos na superfície. Essa forma tridimensional permite que as proteínas se liguem com alta especificidade a outras moléculas.
 (
Em uma molécula de proteína, a cadeia polimérica dobra-se em uma forma específica definida por sua sequência de aminoácidos. Um sulco na superfície desta molécula específica dobrada, a enzima lisozima, forma um sítio catalítico.
)
Muitas proteínas funcionam como enzimas, catalisando (acelerando) reações químicas que formam ou rompem ligações covalentes. As enzimas realizam a maioria dos processos químicos essenciais nas células.
Uma molécula de polissacarídeo (vermelho) – uma cadeia polimérica de monômeros de açúcar – liga-se ao sítio catalítico da lisozima e é fragmentada, como resultado do rompimento da ligação covalente catalisada pelos aminoácidos alinhados no sulco.
As proteínas também possuem muitas outras funções – manutenção de estruturas, geração de movimentos, percepção de sinais, entre outras. As proteínas são, sobretudo, as principais moléculas que colocam em ação a informação genética da célula.
Polinucleotídeos (como DNA e RNA) contêm a informação genética que especifica a sequência de aminoácidos nas proteínas. Em outras palavras, a sequência de bases no DNA (ou RNA) determina a ordem em que os aminoácidos serão montados paraformar uma proteína.
Uma célula viva pode ser vista como uma coleção de catalisadores autorreplicadores. Catalisadores são substâncias que aceleram reações químicas sem serem consumidas no processo.
Há um ciclo de retroalimentação (feedback loop) entre proteínas e polinucleotídeos. Proteínas ajudam a sintetizar DNA (polinucleotídeos). Polinucleotídeos fornecem a informação para fazer proteínas. 
Esse ciclo contínuo é a base do comportamento autocatalítico (capacidade de se replicar) e autorreprodutor dos organismos vivos.
A vida como um processo autocatalítico. (A) A célula como um conjunto de catalisadores autorreplicantes. (B) Os polinucleotídeos (ácidos nucleicos DNA e RNA, que são polímeros de nucleotídeos) fornecem a informação da sequência, enquanto as proteínas (polímeros de aminoácidos) fornecem a maioria das funções catalíticas que servem – por meio de um conjunto complexo de reações químicas – para realizar a síntese de mais polinucleotídeos e proteínas dos mesmos tipos.
A sequência de uma molécula de mRNA é lida em grupos de três nucleotídeos, chamados códons. Cada códon especifica um único aminoácido na proteína correspondente.
Existem 4 tipos de nucleotídeos (A, C, G, U) e, combinando-os em trincas, temos 43 = 64 códons possíveis.
Muitos códons correspondem ao mesmo aminoácido devido à redundância do código genético. Isso significa que múltiplos códons podem codificar para o mesmo aminoácido.
RNAs Transportadores (tRNAs):
tRNAs são pequenas moléculas de RNA que lêem o código genético do mRNA e ajudam a traduzir essa informação em proteínas.
Cada tRNA possui duas extremidades funcionais:
- Extremidade 1: Liga-se a um aminoácido específico.
- Extremidade 2: Apresenta uma sequência de três nucleotídeos chamada anticódon.
O anticódon no tRNA reconhece e se liga a um códon específico no mRNA por pareamento de bases (A com U, C com G, etc.).
A tradução da sequência de nucleotídeos do mRNA em uma sequência de aminoácidos ocorre no ribossomo. O ribossomo é uma máquina complexa composta por proteínas e RNA ribossômico (rRNA).
Codificação de Proteínas por genes
Cada proteína é codificada por um gene específico.
As moléculas de DNA são grandes e contêm informações para milhares de proteínas. Sequências especiais no DNA funcionam como pontuação, definindo onde a informação para cada proteína começa e termina.
Segmentos individuais do DNA são transcritos em moléculas de mRNA, cada uma codificando uma proteína diferente.
Cada segmento de DNA que codifica uma proteína é chamado de gene.
As moléculas de RNA transcritas a partir de um único segmento de DNA podem ser processadas de várias formas, resultando em diferentes versões de uma proteína.
Alguns segmentos de DNA são transcritos em moléculas de RNA que não são traduzidas em proteínas. Esses RNAs podem ter funções catalíticas, reguladoras ou estruturais. Esses segmentos de DNA também são considerados genes.
Um gene pode ser definido como um segmento de DNA que corresponde a:
- Uma única proteína ou grupo de variantes proteicas alternativas.
- Uma molécula de RNA catalítica, reguladora ou estrutural.
A expressão dos genes é regulada: a célula não produz todas as proteínas possíveis ao mesmo tempo. A célula ajusta a taxa de transcrição e tradução dos genes de acordo com a necessidade. Segmentos de DNA regulador controlam a taxa de transcrição e são intercalados com os segmentos codificadores. Essas regiões reguladoras se ligam a proteínas especiais que controlam a taxa de transcrição. A quantidade e a organização dos DNAs reguladores variam entre diferentes organismos, mas a estratégia básica é universal.
O genoma de uma célula (toda a informação genética contida em sua sequência completa de DNA) não apenas prediz as proteínas da célula, mas também quando e onde elas devem ser produzidas.
Energia Livre
Energia livre é essencial para a sobrevivência e funcionamento das células vivas, permitindo o crescimento, reprodução e manutenção das funções vitais.
Sem energia livre, uma célula entra em equilíbrio químico e morre.
O equilíbrio químico ocorre quando as reações químicas que transformam reagentes em produtos e produtos de volta em reagentes acontecem à mesma taxa. Nesse estado, a concentração de reagentes e produtos permanece constante ao longo do tempo.
Exemplo: Para uma reação genérica A + B ⇌ C + D, no equilíbrio químico, a velocidade com que A e B se transformam em C e D é igual à velocidade com que C e D se transformam de volta em A e B.
Energia Livre: Células vivas precisam constantemente evitar o equilíbrio químico. Para crescer, se dividir e realizar funções vitais, elas requerem energia livre (G), que é a energia disponível para realizar trabalho.
Desvio do Equilíbrio: Estar longe do equilíbrio químico significa que as células estão em um estado onde as reações são direcionadas, consumindo energia para manter a vida.
Propagação da informação genética (replicação e expressão gênica) requer energia livre para organizar e ligar moléculas em sequências específicas. A energia livre é usada para capturar moléculas, organizar sequências (como DNA), e formar ligações estáveis. Células animais obtêm energia livre de alimentos, enquanto plantas a obtêm da luz solar.
Células como Fábricas Bioquímicas
Todas as células operam como fábricas bioquímicas que utilizam um conjunto fundamental de unidades moleculares básicas, como açúcares simples, nucleotídeos e aminoácidos, necessários para a síntese de DNA, RNA e proteínas. O ATP (adenosina trifosfato) é uma molécula crucial que serve tanto como uma unidade de construção de ácidos nucleicos quanto como um transportador de energia livre, essencial para muitas reações químicas celulares.
Embora o funcionamento básico seja semelhante em todas as células, há diferenças nos detalhes metabólicos. Plantas (autotróficas) realizam fotossíntese, utilizando luz solar para sintetizar moléculas orgânicas, necessitando apenas de nutrientes mínimos. Animais (heterotróficos) devem obter suas moléculas orgânicas já prontas ao se alimentar de outros organismos, necessitando de uma maior variedade de nutrientes.
Membrana Plasmática
Todas as células são envoltas por uma membrana plasmática, que atua como uma barreira seletiva essencial para a manutenção da integridade celular. É composta por moléculas anfifílicas, que possuem partes hidrofóbicas (que evitam a água) e partes hidrofílicas (que se dissolvem na água).
 
Comportamento em Água: Moléculas anfifílicas, como os fosfolipídeos, se organizam espontaneamente em bicamadas na água, protegendo suas partes hidrofóbicas da água e expondo as partes hidrofílicas. Bicamada de Fosfolipídeos: Forma vesículas fechadas que isolam o conteúdo aquoso do ambiente externo, essencial para a formação da membrana plasmática.
O envoltório da célula não pode ser totalmente impermeável. Se uma célula precisa crescer e se reproduzir, ela deve ser capaz de importar matéria-prima e exportar resíduo através de sua membrana plasmática. Por essa razão, todas as células possuem proteínas especializadas inseridas em sua membrana, que transportam moléculas específicas de um lado a outro.
Transportadoras de Membrana: Determinam quais moléculas entram e saem da célula. Proteínas Catalíticas: Determinam as reações químicas internas da célula.
Estima-se que o número mínimo de genes necessários para uma célula viável no ambiente atual seja de aproximadamente 300.
A Diversidade dos Genomas e a Árvore da Vida
Os organismos vivos obtêm sua energia livre de diferentes maneiras. 
Alguns, como os animais, os fungos e as muitas bactérias diferentes que vivem no intestino humano, adquirem essa energia livre alimentando-se de outros organismos vivos ou dos compostos orgânicos que eles produzem; tais organismos são chamados de organotróficos (da palavra grega trophe, que significa “alimento”). 
Outros obtêm sua energia diretamente do mundo não vivo. Esses conversores primários de energia ocorrem em duas classes: aqueles que capturam energia da luz solar e aqueles que capturam sua energia de sistemas químicos inorgânicosricos em energia no ambiente (sistemas químicos que estão longe do equilíbrio químico). 
Os organismos da primeira classe são chamados de fototróficos (alimentam-se da luz solar); os da segunda são chamados de litotróficos (alimentam-se de rochas). 
Os organismos organotróficos não poderiam existir sem esses conversores primários de energia, que são a forma de vida mais abundante.
 de nosso ambiente: o oxigênio na atmosfera da Terra é um produto secundário de suas atividades biossintéticas.
Tipos de Células
Utilizando microscopia simples, há muito tempo está claro que os organismos vivos podem ser classificados em dois grupos com base na estrutura celular: os eucariotos e os procariotos.
- Os eucariotos mantêm seu DNA em um compartimento intracelular envolto por membrana, chamado núcleo. 
- Os procariotos não possuem um compartimento nuclear distinto para abrigar seu DNA.
A maioria das células procarióticas é pequena e simples na sua aparência externa. Essas células são geralmente esféricas ou em forma de bastonete, e medem poucos micrômetros em dimensão linear. Frequentemente apresentam uma capa protetora resistente, chamada de parede celular, abaixo da qual se encontra a membrana plasmática envolvendo um único compartimento citoplasmático contendo DNA, RNA, proteínas e as muitas moléculas pequenas necessárias à vida.
Estrutura de uma bactéria.
Evolução e Ancestrais Comuns:
- Darwin mostrou que semelhanças indicam evolução a partir de ancestrais comuns.
- Registro fóssil ajuda a traçar a árvore genealógica dos seres vivos.
Limitações da Classificação Tradicional:
- Difícil classificar organismos com grandes disparidades. Exemplo: Determinar se um fungo é mais próximo de uma planta ou de um animal.
- Desafio maior com procariotos devido à similaridade morfológica.
Avanços com Análises Genômicas:
- Sequenciamento completo do DNA oferece precisão na determinação das relações evolutivas.
- DNA em formato digital permite comparações diretas entre organismos.
- Diferenças nas sequências de DNA indicam a distância evolutiva entre organismos.
Revelações das Análises Genômicas:
- Organismos tradicionalmente classificados como "bactérias" são muito divergentes.
- Procariotos compreendem dois grupos distintos: bactérias e arqueias.
- Divergência entre bactérias e arqueias ocorreu antes da separação dos eucariotos.
Os dois grupos de procariotos são chamados de bactérias (ou eubactérias) e arqueias (ou arqueobactérias). Análises genômicas recentemente detalhadas revelaram que a primeira célula eucariótica foi formada depois que um tipo específico de célula arqueia ancestral engolfou uma bactéria ancestral. Portanto, o mundo vivo de hoje é considerado como consistindo em três grandes grupos ou domínios: bactérias, arqueias e eucariotos.
Em nível molecular, as arqueias parecem mais semelhantes aos eucariotos em relação à maquinaria de manipulação da informação genética (replicação, transcrição e tradução), entretanto são mais semelhantes às bactérias em relação ao metabolismo e à conversão de energia.
Evolução dos Genes
Genes evoluem a diferentes ritmos: alguns rapidamente, outros são altamente conservados.
Erros aleatórios ocorrem durante o armazenamento e cópia do DNA, resultando em mutações. Mutações podem ser benéficas, neutras ou prejudiciais.
Mutações benéficas aumentam a chance de reprodução e são perpetuadas. Mutações neutras podem ou não ser perpetuadas, dependendo de fatores aleatórios. Mutações prejudiciais resultam na morte da célula e não são perpetuadas.
Origem dos Novos Genes
Novos genes são gerados a partir de genes preexistentes, sem criar sequências longas a partir de novas sequências aleatórias.
Métodos de Inovação Genética:
Mutação Intragênica: Modificações aleatórias em um gene existente devido a erros na replicação do DNA.
Duplicação Gênica: Duplicação acidental de um gene, criando dois genes idênticos que podem divergir evolutivamente.
Embaralhamento de Segmento de DNA: Clivagem e religação de dois ou mais genes existentes, formando um gene híbrido.
Transferência Horizontal: Transferência de DNA entre genomas de diferentes células, até mesmo entre espécies diferentes.
Evidências e Impacto:
Todos os quatro processos de inovação genética são comuns e deixam traços característicos nas sequências de DNA. Esses processos têm consequências significativas para a evolução genética.
Uma célula duplica todo seu genoma cada vez que se divide em duas células-filhas. Entretanto, acidentes ocasionalmente resultam em duplicação inapropriada de apenas parte do genoma, com retenção de segmentos originais e duplicados em uma única célula.
Genes duplicados podem sofrer mutações e se especializar em funções diferentes. Esse processo repetitivo ao longo de milhões de anos cria famílias gênicas.
Famílias Gênicas: Presença de múltiplas variantes de um gene primordial em uma espécie. Exemplo: Na bactéria Bacillus subtilis, 47% dos genes têm genes relacionados.
Divergência Gênica: Duplicação e divergência gênica dentro de uma espécie vs. divergência entre espécies.
Genes divergentes dentro de uma espécie: parálogos.
Genes divergentes entre espécies a partir de um ancestral comum: ortólogos. (genes de duas espécies diferentes que derivam do mesmo gene ancestral do último ancestral comum dessas duas espécies).
Homólogos: Genes relacionados por descendência, incluindo ortólogos e parálogos.
Os genes podem ser transferidos entre organismos, tanto no laboratório quanto na natureza.
Os procariotos fornecem bons exemplos da transferência horizontal de genes de uma espécie de célula para outra. Os sinais reveladores mais óbvios são sequências reconhecidas como derivadas de vírus, chamados bacteriófagos, que infectam bactérias.
Os vírus são pequenos pacotes de material genético que evoluíram como parasitas na maquinaria reprodutiva e biossintética das células hospedeiras. Embora eles próprios não sejam células vivas, podem frequentemente servir como vetores para transferência genética. 
Um vírus irá replicar em uma célula, emergir dela com um envoltório protetor e, então, penetrará e infectará outra célula, que pode ser da mesma espécie ou de espécie diferente. 
Frequentemente, a célula infectada será morta pela proliferação massiva de partículas virais em seu interior; algumas vezes, contudo, o DNA viral, em vez de gerar diretamente essas partículas, poderá persistir no seu hospedeiro por muitas gerações celulares como um passageiro relativamente inócuo, tanto como um fragmento de DNA intracelular individualizado, conhecido como plasmídeo, quanto como uma sequência inserida no genoma habitual da célula. Nessas transferências, os vírus podem acidentalmente trazer fragmentos do DNA genômico de uma célula hospedeira e transportá-los para outra célula.
Biologia Celular e Bioquímica para a Enfermagem
Este mecanismo facilita a disseminação de genes úteis, como os que conferem resistência a antibióticos, entre diferentes bactérias. Um caso notável é o da bactéria Neisseria gonorrhoeae, que causa gonorreia. Ela adquiriu resistência à penicilina através da transferência horizontal de genes, o que tornou a infecção mais difícil de tratar. Esse tipo de transferência genética é responsável pela rápida evolução 
Pensando Enfermagem
Thinkin’ Nursing
de linhagens de bactérias resistentes em ambientes hospitalares.
A análise das funções gênicas depende de duas abordagens complementares: a genética e a bioquímica. A genética começa com o estudo de mutantes: nós encontramos ou produzimos um organismo no qual um gene é alterado e então examinamos os efeitos sobre a estrutura e o desempenho do organismo. 
A bioquímica analisa mais diretamente as funções de moléculas: nós extraímos moléculas de um organismo e então estudamos suas atividades químicas. Combinando a genética e a bioquímica, é possível encontrar as moléculas cuja produção depende de um determinado gene.
A Informação Genética em Eucariotos
Em geral, as células eucarióticas são maiores e mais complexas que as células procarióticas, e seus genomas também são maiores e maiscomplexos. O tamanho maior é acompanhado por diferenças radicais nas estruturas e nas funções celulares. Além disso, muitas classes de células eucarióticas formam organismos multicelulares que atingem níveis de complexidade inalcançáveis pelos procariotos.
Por definição, as células eucarióticas mantêm seu DNA em um compartimento interno, chamado de núcleo. O envelope nuclear, uma membrana de camada dupla, circunda o núcleo e separa o DNA do citoplasma.
Suas células são, caracteristicamente, dez vezes maiores na dimensão linear e mil vezes maiores em volume. Eles têm um citoesqueleto elaborado – um sistema de filamentos de proteínas que cruzam o citoplasma e formam, com as muitas outras proteínas que se prendem a eles, um sistema de vigas, fios e motores que dão à célula força mecânica e controle da forma, além de controlar seus movimentos.
 (
Mitocôndria.
)E o envelope nuclear é apenas uma parte de um conjunto de membranas internas, cada uma estruturalmente similar à membrana plasmática, delimitando diferentes tipos de espaços dentro da célula, muitos deles envolvidos na digestão e na secreção. Sem a parede celular rígida da maioria das bactérias, as células animais e as células eucarióticas de vida livre, chamadas de protozoários, podem alterar sua forma rapidamente e englobar outras células e pequenos objetos por fagocitose.
Um meio de vida predatório ajuda a explicar outras características das células eucarióticas. Todas essas células contêm (ou em algum tempo contiveram) mitocôndrias.
Esses pequenos corpos no citoplasma, envoltos por uma camada dupla de membrana, captam oxigênio e utilizam a energia da oxidação das moléculas do alimento – como açúcares – para produzir a maior parte do ATP que fornece energia para as atividades da célula. As mitocôndrias são similares em tamanho a pequenas bactérias e, como estas, têm seu próprio genoma, na forma de uma molécula de DNA circular; seus próprios ribossomos, que diferem dos demais ribossomos da célula eucariótica; e seus próprios tRNAs.
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