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1 Introdução Este e-book abordará os principais tópicos discutidos durante a disciplina!!! Consulte-o sempre!!! 2 Métodos de estudo da célula A Biologia Celular baseia processos celulares. Para isso, faz microscopias, permitindo o reconhecimento da célula como um componente dinâmico e partici Basicamente, estes estudos utilizam como ferramentas, lâminas com colorações citológicas e citoquímicas. Cada tipo de microscopia oferece diferentes tipos de imagens possibilitando a obtenção de informações diversificadas sobre as células. Além dos microscópios é imprescindível que sejam obtidos bons preparados citológicos que sejam passíveis de serem analisados. Para isso é importante que se tome alguns cuidados durante todas as etapas do processamento das amostras bi Nesse capítulo serão apresentados os principais tipos de microscopias e será comentada uma visão geral das etapas de preparo das lâminas para a análise nos microscópios. book abordará os principais tópicos discutidos durante a disciplina!!! 2 Métodos de estudo da célula A Biologia Celular baseia-se principalmente no estudo das estruturas e processos celulares. Para isso, faz-se uso de diferentes tipos de microscopias, permitindo o reconhecimento da célula como um componente dinâmico e participante do metabolismo dos seres vivos. Basicamente, estes estudos utilizam como ferramentas, lâminas com colorações citológicas e citoquímicas. Cada tipo de microscopia oferece diferentes tipos de imagens possibilitando a obtenção de informações das sobre as células. Além dos microscópios é imprescindível sejam obtidos bons preparados citológicos que sejam passíveis de serem analisados. Para isso é importante que se tome alguns cuidados durante todas as etapas do processamento das amostras bi Nesse capítulo serão apresentados os principais tipos de microscopias e será comentada uma visão geral das etapas de preparo das lâminas para a análise nos microscópios. book abordará os principais tópicos discutidos durante a disciplina!!! se principalmente no estudo das estruturas e se uso de diferentes tipos de microscopias, permitindo o reconhecimento da célula como um pante do metabolismo dos seres vivos. Basicamente, estes estudos utilizam como ferramentas, lâminas com colorações citológicas e citoquímicas. Cada tipo de microscopia oferece diferentes tipos de imagens possibilitando a obtenção de informações das sobre as células. Além dos microscópios é imprescindível sejam obtidos bons preparados citológicos que sejam passíveis de serem analisados. Para isso é importante que se tome alguns cuidados durante todas as etapas do processamento das amostras biológicas. Nesse capítulo serão apresentados os principais tipos de microscopias e será comentada uma visão geral das etapas de preparo das lâminas 2 Métodos de estudo da célula 2.1 Microscopias Alguns conceitos importantes Antes de comentarmos a respeito dos tipos de microscopia é importante abordar: as unidades de medida e os conceitos de limite e poder de resolução. UNIDADES DE MEDIDA O estudo das estruturas celulares exige a utilização de medidas adequadas ao material estudado. Na tabela abaixo, estão algumas dessas dimensões. Unidade Símbolo Referência Dimensões citológicas Milímetro mm 0,001 metros Vista desarmada Tecidos, células grandes Micrômetro µm 0,001mm Microscopia de luz Maioria das células e organelas maiores Nanômetro nm 0,001 µm Microscopia eletrônica Organelas menores Ângstron Å 0,1 nm Microscopia de força atômica Moléculas LIMITE E PODER DE RESOLUÇÃO *Limite de resolução (LR): existir entre dois pontos para que apareçam individualizados na imagem formada pelo sistema óptico utilizado. *Poder de resolução (PR): dois pontos muito próximos e é inversamente proporcional ao Limite de Resolução. PR=1/LR. Ex.: O limite de resolução do olho humano é de 0,2mm. Se a distância for menor que esse valor, dois pontos serão vistos como um ponto apenas. MICROSCOPIA DE LUZ *O limite de resolução de um microscópio de luz é de cerca de Existem diferentes tipos de microscopia de luz: A. Microscopia de luz de campo claro O microscópio de luz apresenta dois sistemas de lentes convergentes; a objetiva e a ocular. apresenta pequena distância focal e que fornece uma imagem real e LIMITE E PODER DE RESOLUÇÃO *Limite de resolução (LR): refere-se à menor distância que pode existir entre dois pontos para que apareçam individualizados na imagem formada pelo sistema óptico utilizado. *Poder de resolução (PR): refere-se à capacidade de distinguir dois pontos muito próximos e é inversamente proporcional ao Limite de Resolução. PR=1/LR. Ex.: O limite de resolução do olho humano é de 0,2mm. Se a distância for menor que esse valor, dois pontos serão vistos como um ponto apenas. MICROSCOPIA DE LUZ *O limite de resolução de um microscópio de luz é de cerca de 0,2µm ou 200nm. Existem diferentes tipos de microscopia de luz: A. Microscopia de luz de campo claro O microscópio de luz apresenta dois sistemas de lentes convergentes; a objetiva e a ocular. A objetiva é um conjunto de lentes que apresenta pequena distância focal e que fornece uma imagem real e se à menor distância que pode existir entre dois pontos para que apareçam individualizados na se à capacidade de distinguir dois pontos muito próximos e é inversamente proporcional ao Limite Ex.: O limite de resolução do olho humano é de 0,2mm. Se a distância for menor que esse valor, dois pontos serão vistos *O limite de resolução de um microscópio de luz é de cerca de O microscópio de luz apresenta dois sistemas de lentes convergentes; A objetiva é um conjunto de lentes que apresenta pequena distância focal e que fornece uma imagem real e ampliada do objeto que é observado. Além disso, tem a necessidade de uma fonte de luz branca. A ocular, também formada por lentes convergentes, funciona como uma lupa, que nos dá uma imagem virtual e aumentada da imagem real que se formou pela objetiva. A potência do microscópio ou poder de resolução é resultado do produto da ampliação linear da objetiva pela potência da ocular; seu valor será elevado quando as distâncias focais da objetiva e ocular forem pequenas. Microscópio de luz de campo claro Nesse tipo de microscopia, podem ser analisados tecidos ou células in vivo ou in vitro. A observação in vivo é feita imediatamente após a coleta, conservando-se todas as características vitais das células e tecidos. Esse tipo de preparação acarreta a confecção de lâminas provisórias, uma vez que o material inicia um processo de autólise após certo período de manipulação. Já na análise in vitro, é necessária a fixação (morte) das células de forma a preservar e estabilizar as suas estruturas para uma observação mais próxima da realidade possível, o que permite a confecção de lâminas permanentes e semi-permanentes. Os fixadores devem ter um bom poder de penetração, para garantir sua distribuição por igual no tecido ou nas células, ser capaz de causar a morte imediata das células, para que não ocorram processos degenerativos, manterem a morfologia das células e tecidos e evitar a geração de artefatos e propiciar uma boa conservação do material, impedindo a proliferação de microorganismos. A análise in vivo é particularmente importante quando se deseja estudar fenômenos dinâmicos, além de ser rápida e simplificada. A observação in vitro não permite esse tipo de estudo, em contrapartida permite que tenhamos um material para observação por tempo indetemrinado, o que mão ocorre no primeiro caso, devido às reações de autólise naturais (oxidação, por exemplo), que ocorremapós a retirada de uma amostra do organismo. Para que amostras (in vivo ou in vitro) sejam analisadas ao microscópio, é necessário que elas absorvam e emitam luz, apresentem diferenças no índice de refração em relação ao meio que a envolve, ou seja, é necessário haver contraste. Para atender ao primeiro requisito, é necessária a realização de cortes delgados, os quais permitem a passagem de luz e consequentemente à formação de imagem. Além disso, permite o estudo de estruturas complexas, por possibilitar uma visão ampla das camadas mais internas e individualização de células. Com relação ao contraste, como a célula é na maioria das vezes, incolor e translúcida, torna-se necessário, de uma maneira geral, sua coloração para que se torne visível. Os corantes são substâncias capazes de transferir cor de outras substâncias, propiciando contraste entre as estruturas celulares. A escolha do corante é uma fase crítica e deve ser feita em função do objetivo do estudo. Por exemplo, quando se deseja estudar células vivas é preciso usar corantes vitais, os quais não alteram a estrutura e fisiologia celular como por exemplo, Verde janus, Azul de metileno, vermelho neutro, azul de Nilo, azul de toluidina, azul de tripan, tinta da china. Outro critério de escolha é a propriedade química do corante, os quais podem ser ácido (sais cuja base é incolor e o ácido é colorido, reagindo com substâncias básicas da célula), por exemplo, eosina e carmim; básico (sais cuja base é colorida e o ácido é incolor, reagindo com substâncias ácidas da célula), como por exemplo, azul de metileno, hematoxilina e feulgen; neutros (sais cujo ácido e base são coloridos e normalmente são conseguidos a partir da mistura de outros corantes, por exemplo o Giemsa (eosinato de azul de metileno, hematoxilina-eosina ) ou indiferentes (são insolúveis em água , mas solúveis em solventes orgânicos , por exemplo, os corantes vermelho- escarlate e Sudam III). Em ambos os tipos de análise é necessário o uso de lâminas como suporte da preparação e lamínulas para cobrir a preparação. As lâminas são feitas de vidro transparente para que a luz passe por elas. O uso da lamínula é importante por formar uma superfície contínua e plana, diminuindo os efeitos de profundidade de campo e além disso, impede o contato da amostra com as objetivas. As lamínulas possuem uma espessura mais delgada que as lâminas para facilitar a focalização do material. Exemplos de cortes de tecidos visualizados sob microscópio de luz de campo claro. (A) Células dos ductos coletores renais; (B) Corte de raiz de uma planta jovem. B) Microscopia de luz de fluorescência (MLF) Este microscópio é similar ao microscópio de luz de campo claro, apresentando as mesmas características em relação ao limite e poder de resolução. A grande diferença está na fonte de luz que é mais potente. Além disso, o MLF apresenta filtros que permitem a passagem de comprimentos de onda específicos. Para utilizá-lo é necessário que as amostras biológicas sejam tratadas com corantes fluorescentes. Entende-se por fluorescência a propriedade que algumas substâncias possuem, após serem excitadas com radiação de baixo comprimento de onda, resultando na emissão de radiação de maior comprimento de onda. Assim, determinadas substâncias absorvem a energia da luz ultravioleta e emitem depois radiação dentro do espectro de luz visível. Um dos equipamentos que permite a observação da fluorescência denomina-se microscópio de fluorescência e a sua descoberta constituiu um enorme progresso nos estudos das estruturas celulares e dos seus constituintes. O microscópio de fluorescência é uma variação do microscópio de campo claro de luz visível no qual as amostras são iluminadas por raios de um determinado comprimento de onda. A imagem observada é o resultado da radiação eletromagnética emitida pelas moléculas que absorveram a excitação primária e re-emitiram uma luz com maior comprimento de onda. Vários corantes fluorescentes podem ser utilizados como 4,6 diamino 2-fenil indol (DAPI) (com coloração azul), isotiocianato de fluoresceína (FITC)(com coloração verde), iodeto de propídeo (PI)(com coloração vermelha), rodamina (RHO)(com coloração vermelha), diacetato de fluoresceína (FDA)(com coloração verde), etc. Cada comprimento de onda excita determinado corante que emite a fluorescência com sua cor específica. Microscópio de luz de fluorescência Corantes Fluorescentes e seus respectivos comprimentos de onda Sistema óptico ou caminho da luz no microscópio de luz de fluorescência Exemplo de imagem gerada pelo microscópio de luz de fluorescência. Nesse caso foram utilizados três corantes fluorescentes diferentes. MICROSCOPIA ELETRÔNICA Muitas estruturas celulares e macromoléculas que possuem dimensões na casa dos nanômetros, como por exemplo, mitocôndrias, membranas, entre outros, não podem ser visualizadas detalhadamente por meio da microscopia de luz, devido ao seu limite de resolução. No final da década de 40 do século XX, foi construído o primeiro microscópio eletrônico que, até os dias atuais, possui um poder de resolução bem superior aos microscópios de luz. O limite de resolução dos microscópios eletrônicos é de 0,2nm A implementação e o aperfeiçoamento da microscopia eletrônica teve um grande impacto no avanço da biologia molecular e celular, visto que permitiu desvendar a composição molecular, a morfologia e o funcionamento de diversos compartimentos celulares. Há dois tipos de microscópios eletrônicos: o Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET) e o Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV). Em ambos os casos, a formação da imagem baseia-se na aceleração de elétrons que se convergem ao travessar campos magnéticos e atingem a amostra. A) Microscopia eletrônica de transmissão (MET) Microscópio eletrônico de transmissão Na MET, os elétrons atravessam a amostra que encontra-se em sua trajetória. As imagens formadas apresentam regiões claras e escuras, mais ou menos eletrondensas, respectivamente. Neste caso, é necessário utilizar amostras organizadas em cortes ultrafinos (50-100 nm) para que as mesmas sejam atravessadas pelos elétrons. Além disso, a amostra precisa ser corada com corantes específicos como o tetróxido de ósmio, que permitem obter contraste entre as estruturas, contribuindo para uma melhor imagem. A imagem é também resultante da absorção diferenciada de elétrons por diversas regiões da amostra, seja por variação de espessura ou por interação de átomos com menor ou maior número atômico. Nesse tipo de microscopia é possível visualizar detalhes internos da célula. Preparo das amostras para MET -As amostras são fixadas com glutaraldeído e tetróxido de ósmio: -Posteriormente são emblocadas em resina específica para microscopia eletrônica: São realizados cortes ultrafinos em ultramicrótomo: -Os cortes são motados em lâminas especiais (telas) para a obtenção de fotomicrografias eletrônicas. Exemplos de micrografias geradas pelo MET: Fotomicrografia eletrônica de transmissão das microvilosidades das células do Exemplos de micrografias geradas pelo MET: Fotomicrografia eletrônica de transmissão das microvilosidades das células do intestino delgado Fotomicrografia eletrônica de transmissão das microvilosidades das células do Fotomicrografia eletrônica de transmissão de vírus B) Microscopia eletrônica de varredura (MEV) Microscópio eletrônico de varredura (MEV) Na MEV a imagem é formada pela captação dos elétrons que varrem a superfície daamostra. Desse modo, a imagem formada é tridimensional. Durante o preparo da amostra, não é necessário o preparo de cortes ultrafinos. No entanto, o material passa por um processo de secagem especial, em um aparelho denominado de secagem ao ponto crítico, que retira toda a umidade da amostra substituindo-a por CO2 que evapora em seguida. Posteriormente, a superfície da amostra é coberta por ouro, que a torna mais condutiva para que os elétrons atuem. Esse tipo de microscopia é útil na análise da superfície das células, demonstrando aspectos tridimensionais da morfologia externa das mesmas. Preparo das amostras para MEV: -As amostras são fixadas em glutaraldeído e tetróxido de ósmio. -Posteriormente, são submetidas ao aparelho de secagem em aparelho de ponto crítico: -As amostras são montadas em suportes especiais (Stubs) -Em seguida, as amostras são cobertas com ouro no aparelho Sputter Coater: -Obtenção de fotomicrografias eletrônicas Em seguida, as amostras são cobertas com ouro no aparelho Sputter Coater: Obtenção de fotomicrografias eletrônicas Em seguida, as amostras são cobertas com ouro no aparelho Sputter Coater: Exemplos de micrografias geradas pelo MEV: Micrografia eletrônica de varredura de um linfócito Micrografia eletrônica de superfície de uma folha de tabaco Tabela 1. Principais diferenças entre as microscopias de luz e eletrônica quanto aos aspectos de funcionamento e formação da imagem 2 Métodos de estudo da célula 2.2 Preparações citológicas para microscopia de luz As etapas de preparo das amostras são fundamentais ao estudo da estrutura, organização e funcionamento da célula. A seguir serão discutidos os métodos de preparo de lâminas, que dependem do tipo celular e do objetivo de estudo. A) MONTAGEM TOTAL Consiste em coletar o material, que deverá ser fino e transparente o suficiente para que possa ser colocado diretamente sobre a lâmina. As amostras podem ser fixadas e/ou coradas diretamente e em seguida cobertas com lamínula. Esse procedimento será muito utilizado para a visualização de células in vivo durante as aulas práticas da disciplina. Aspectos de comparação Microscopia de luz convencional Microscopia eletrônica de transmissão Fonte Luz visível Elétrons Lentes de vidro, convexas Eletromagnéticas Limite de resolução 200 nm 0,2 nm Formação da imagem Absorção Elétron-opacidade Montagem total de tecido vegetal B) ESFREGAÇO Nesse caso, células presentes em fluidos corpóreos como sangue, linfa, sêmen, líquor e hemolinfa podem ser dispostas sobre a lâmina formando uma fina camada. O método consiste em colocar uma gota de material a ser analisado sobre a lâmina (a) e outra lâmina (b), promover o deslizamento do líquido (c) de forma que se faça uma camada de células sobre a lâmina. Em seguida a lâmina é seca e corada (d). Essa técnica é muito utilizada para a análise de células sanguíneas. Montagem total de tecido vegetal Nesse caso, células presentes em fluidos corpóreos como sangue, linfa, sêmen, líquor e hemolinfa podem ser dispostas sobre a lâmina formando uma fina camada. O método consiste em colocar uma gota de material a ser analisado sobre a lâmina (a) e com o auxílio de uma outra lâmina (b), promover o deslizamento do líquido (c) de forma que se faça uma camada de células sobre a lâmina. Em seguida a lâmina é seca e corada (d). Essa técnica é muito utilizada para a análise de A técnica de esfregaço Nesse caso, células presentes em fluidos corpóreos como sangue, linfa, sêmen, líquor e hemolinfa podem ser dispostas sobre a lâmina formando uma fina camada. O método consiste em colocar uma gota lio de uma outra lâmina (b), promover o deslizamento do líquido (c) de forma que se faça uma camada de células sobre a lâmina. Em seguida a lâmina é seca e corada (d). Essa técnica é muito utilizada para a análise de Células sanguineas preparadas por esfregaço. A: eritrócito; B) neutrófilo; C) eosinófilo; D) linfócito C) ESPALHAMENTO O espalhamento consiste em promover uma raspagem das camadas superficiais de mucosas (mucosa bucal, mucosa vaginal em exames preventivos, por exemplo) com um palito e, posteriormente, realizar um deslizamento desse material sobre uma lâmina. Em seguida o material é seco e corado. Nesse tipo de preparação as células ficam inteiras, embora sua forma celular nem sempre seja preservada. Células da mucosa bucal: lâmina preparada por espalhamento e corada com azul de metileno. D) ESMAGAMENTO Consiste em esmagar, entre lâmina e lamínula, o material a ser analisado. É muito empregado na análise de células vegetais mitóticas. Células mitóticas de cebola: lâmina preparada por esmagamento e corada com Giemsa. E) DECALQUE É uma técnica utilizada para o preparo de lâminas de tecidos com consistência mole, tais como fígado, baço, rins e timo. A técnica consiste em retirar um fragmento do órgão do animal a ser estudado, o pedaço é lavado em solução salina e com o auxílio de uma pinça, o pedaço de órgão deverá ser pressionado contra uma lâmina repetidamente (como se a lâmina fosse carimbada). Os núcleos das células ficam impressos sobre a lâmina que é tratada com um fixador e um corante. Fonte: Carvalho & Recco-Pimentel (2007) F) CORTE HISTOLÓGICO Em muitos estudos, como na histologia, a manutenção das inter- relações entre as células é importante . Assim, é necessário promover cortes dos órgãos a serem analisados de forma que o tecido mantenha a sua organização intacta. Nesse caso, é necessário a realização de cortes histológicos. Há diferentes etapas: -Fixação do tecido -Emblocamento em resinas ou ceras (parafina, resinas plásticas, etc) -Cortes do tecido emblocado com um micrótomo -Montagem em lâminas, coloração e adição de lamínula 2 Métodos de estudo da célula 2.3 Fixação biológica e agentes fixadores A fixação é a etapa mais importante do processamento citológico e histológico. A) Funções -Promove a preservação de características morfológicas e macromoleculares de células e tecidos. -Impede a autólise ou degradação bacteriana do material biológico. -Facilita os processos de coloração. A escolha do fixador depende de vários fatores como: tipo celular ou de tecido, objetivo do estudo e tipo de corante a ser utilizado. B) Tipos de fixação -Agentes físicos: alta temperatura (principalmente para células bacterianas) -Agentes químicos: atuam sobre proteínas, ácidos nucléicos, carboidratos e lipídeos. Coagulam essas moléculas e tornando-as insolúveis Tabela 1. Alguns exemplos de fixadores comumente usados na análise citológica e histológica. 2 Métodos de estudo da célula 2.4 Citoquímica A citoquímica é a área da biologia celular estrutural dedicada aos estudos dos métodos de coloração dos tecidos e constituintes celulares ou subcelulares. Preocupa-se com: -Os princípios químicos das reações de coloração; -Os procedimentos metodológicos para a obtenção de preparações citoquímicas. Dependendo do corante a ser utilizado, diferentes reações citoquímicas entre o corante e o substrato podem ocorrer: A) Reações mediadas por ligações eletrostáticas: Um corante ionizado em uma solução reage com o substrato de carga iônica oposta por meio de afinidades eletrostáticas. Tipos de reações mediadas por ligações eletrostáticas: -Acidofilia Um substrato carregadopositivamente (catiônico, positivo) reage eletrostaticamente com um corante carregado negativamente (aniônico, negativo). A reação resulta em uma coloração que é observada sob microscópio de luz. Exemplos de corantes que realizam esse tipo de reação: Sirius Red, Fast Green, Eosina, Xylidine Ponceau. Proteínas básicas presentes no citoplasma têm afinidade por corantes ácidos (aniônicos, carregados negativamente) como a eosina. A reação ocasiona a formação de uma coloração cor de rosa. -Basofilia: Um substrato carregado negativamente (aniônico, negativo) reage eletrostaticamente com um corante carregado positivamente (catiônico, positivo). A reação resulta em uma coloração que é observada sob microscópio de luz. Exemplos de corantes que realizam esse tipo de reação: Azul de Toluidina, Azul de Metileno, Azul de Alcian, Hematoxilina. O núcleo e os cromossomos das células são substratos ácidos (carregados negativamente) e têm afinidade por corantes básicos como o Azul de metileno e o Giemsa (carregados positivamente e básicos), resultando na coloração azul. B) Reações mediadas por ligações covalentes: Necessitam ser facilitadas por outras substâncias chamadas mordentes. Reagem por meio de ligações covalentes com o substrato. Tabela 1. Exemplos de corantes que reagem por meio de ligações covalentes. Tais reações só ocorrem com o auxílio de um mordente, que atua como facilitador para que as reações ocorram. C) Reações mediadas por interações hidrofóbicas: São específicas para a coloração de lipídeos não polares. Exemplos de corantes que fazem esse tipo de reação: Sudan Black, Sudam III, Azul de Nilo. Corte de um tecido vegetal tratado com sudam. A seta mostra uma gotícula de lipídeo na cutícula. Fonte: Lopes et al (2009) Ebook Biologia Celular 2 Métodos de estudo da célula 2.5 2.5 Fracionamento celular Fracionamento celular é uma técnica que consiste na utilização de metodologias para obter frações relativamente puras de organelas ou componentes subcelulares. Tais técnicas contribuíram muito para o desenvolvimento da biologia celular nos últimos anos. As organelas ou outros componentes subcelulares podem ser separados por centrifugação de um homogeneizado de células. Para isso, a membrana plasmática é rompida e os constituintes celulares ficam dispersos em meio líquido que mantém as integridade dos compoentes celulares e evita que as organelas se aglutinem. O isolamento de organelas específicas por meio de centrifugação depende do seu coeficiente de sedimentação, isto é, do seu tamanho, sua forma e densidade. A separação de organelas por centrifugação é denominada centrifugação fracionada ou centrifugação diferencial, que consiste em uma série de centrifugações a velocidades crescentes (veja a figura a seguir). As organelas ou inclusões maiores e mais densas sedimentam primeiro, e o sobrenadante de cada centrifugação é centrifugado novamente a uma velocidade maior. Desse modo, componentes celulares vão sendo sucessivamente separados.
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