Surgimento e evolução das bactérias

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Microbiologia
Surgimento e Evolução das bactérias
- Não se pode retornar ao tempo para presenciar eventos evolutivos. Dessa forma, fazemos isso por meio de evidências. 
- Origem do universo: 11-17 bilhões de anos
- A diversidade metabólica está relacionada com a origem bacteriana
Como surgiu e evoluiu a bactéria? Não há uma evidência bem clara, mas há uma orientação cronológica, porém ainda é uma controvérsia. 
A Terra primitiva
Origem: 4,6 bilhões de anos
Teoria da Condensação: Houve uma nuvem de poeira e condensação de gases. As moléculas exerceram grande pressão umas sobre as outras, ocorrendo explosão e formação do sistema solar, havendo uma expansão continuada (poeira cósmica ainda existe). Quando uma nova estrela formou-se no interior dessa nuvem de poeira, ela passou a compactar-se, sofrer fusão nuclear e liberar grandes quantidades de calor e luz. Os materiais que permaneceram na nuvem nebulosa passaram a agrupar-se e fundir-se, formando agregados (planetas). 
- Erupções vulcânicas
- Descargas elétricas
- Intensas radiações
- Chuvas torrenciais
- Atmosfera anaeróbica
- Ausência de oxigênio
- Gases: CO2, CH4, NH3, H2, H2S, CO, vapor d’água
- Ausência de ozônio (efeitos do UVA e UVB)
- Elevada temperatura 
Moléculas de gases tendem a interagir e ionizar quando sujeitas a carga elétrica e radiação (energia intensa). Dessa forma, elas ficam ionizadas, reagindo entre si, tornando o composto mais reativo. Essas reações entre as moléculas de gases formam moléculas mais complexas, como aminoácidos, ácidos carboxílicos (ácidos orgânicos) que dariam origem a lipídeos e a novos compostos, constituindo a sopa orgânica. 
Origem da Vida: 1929, em separado, dois cientistas: Alexandre Oparin e John Haldane – “Sopa Orgânica Primitiva”.
Os aminoácidos foram se combinando e dando origem a outras moléculas. 
Teoria de Stanley Miller e Harols Urey (1940): Tentaram reproduzir reações químicas que ocorreram na Terra primitiva. 
Água + metano Formaldeído Adição de moléculas Ribose 
Metano + amoníaco Ácido cianídrico Adição de moléculas Adenina
Formaldeído/Ácido cianídrico Aminoácido
Qual é a diferença do acido graxo e do hidrocarboneto? OH - C = O
Coincidência que os seres vivos tiverem a mesma origem, a partir de uma única célula que foi chamada de ancestral comum. 
Teoria de Sidney Fox (1955 – 1963)
1- Aminoácido aquecido a 150-200º - polipeptídios protenoide
2- Protenoide resfriado – microsfera 0,2 e 7,0 um. 
Os primeiros seres vivos surgiram na água, condição que os protegem do ambiente inóspito ao seu redor e pelo fato das bases das reações serem hidrolíticas. Ocorreu ao acaso a formação das moléculas orgânicas que foram se acumulando e a temperatura foi diminuindo. 
Há uma teoria que diz que a vida surgiu no gel. Faz sentido, pois as moléculas deveriam estar emaranhadas num espaço onde continha água. Não se sabe onde aconteceu, mas foi devido a componentes específicos que permaneceram juntos, tendo a célula surgido a partir de uma micela (comprovado cientificamente). Dentro da micela havia água, aminoácido, bases nitrogenadas, lipídeos – macromoléculas, moléculas de glicose (já com membrana e componentes no seu interior). Para ser o ancestral comum, uma delas teria que ser preservada e dar continuidade, fazendo cópias dela mesma (memória genética – as reações são direcionadas por alguma informação). Para a célula se multiplicar, necessita de uma orientação básica e se catalisar (faz com que a reação seja direcionada). 
Nova Panspermia: No meio interestelar, “esporos de vida” sobrevivem à radiação de estrelas vizinhas, graças à poeira aí existente. 
A vida na Terra
- Estimativa: 3,8-4,0 bilhões de anos
- Evidência: microfóssil de 3,5 bilhões de anos
- Estromatolitos
Origem da célula primordial: O primeiro catalisador. Deve ter capacidade de catálise de reações e de autocatálise (própria síntese, além das reações dentro da célula).
Proteína não tem autocatálise, dessa forma, não pode ter sido o primeiro catalisador. 
RNA-Ribozima: Essa molécula tem capacidade de catalisar. 
- Autorreplicação;
- Catalisa ligações covalentes entre nucleotídeos;
- Provoca mudanças em outras moléculas de RNA;
- Assumem formas tridimensionais de acordo com o ambiente;
- Expõe arranjos específicos de átomos na superfície da molécula causando exposição de grupos químicos particulares tornando-os nucleotídeos mais reativos;
- Catalisam reações de hidrólise e transferência de íons fosfato.
RNA e roboswitches: São segmentos regulatórios na molécula de RNA com afinidade por ribose e aminoácidos. 
Informação Genética: RNA provavelmente tenha sido, além de catalisador, a memória genética da célula. 
Evolução da Célula
- Origem das proteínas
- Provavelmente a 2ª síntese de proteínas tenha surgido por associação entre duas moléculas de RNA, sendo uma delas uma espécie de adaptador de aminoácidos. 
O papel da proteína na célula é estrutural (estabilidade estrutural) e na estabilização do próprio RNA, gerando moléculas mais estáveis. O segundo papel da proteína é catalisar (ser capaz também de direcionar reações). A capacidade de fazer cópias de si próprio com eficiência e precisão foi responsável pelo sucesso na célula. 
Teoria do RNA catalítico e surgimento das proteínas (Silva, 2014)
Síntese de moléculas pré-bióticas Síntese de robonucleotídeos Moléculas catalítica-ribozima RNA com robowitches
Surgimento do DNA
- DNA provavelmente tenha se originado de erros de cópia do RNA
- Vantagens atribuídas à nova célula – molécula maior permitindo maior quantidade de informação; mais estável que o RNA por estar em fita dupla; transferir com mais eficiência as informações genéticas por maior precisão da DNA-polinerase. 
Célula primitiva: ancestral comum – membrana, DNA ou RNA, atividade metabólica (manutenção de estrutura e geração de energia). A primeira forma metabólica da célula (molécula básica do metabolismo) foi a glicose, pois todos os seres vivos são capazes de metabolizar. Essa molécula veio da sopa orgânica e foi formada aleatoriamente (a célula tinha metabolismo anaeróbio do tipo fermentação). A justificativa para a fermentação é porque a via é preservada até na célula animal e grande parte das células são capazes de transformar a glicose por vias fermentativas. 
Metabolismo da célula primitiva: Matéria orgânica acumulada – glicose
Custos desse metabolismo – Pouco substrato, crescimento lento, exaustão de substrato.
A solução evolutiva foi a síntese de glicose, pois não precisava mais da glicose do meio (processo chamado de fotossíntese). Através da fixação de CO2 (Ciclo de Calvin) a célula conseguiu transformar CO2 em glicose (metabolismo autotrófico) através do surgimento das porfirinas (capacidade de oxidar e reduzir). 
Surgimento das Porfirinas
- Clorofila bacteriana
- Consequências: fotossíntese anoxigênica (verdes, púrpura); acúmulo de matéria orgânica. 
Porque a fotossíntese veio depois da fermentação? A fotossíntese anoxigênica – não libera oxigênio – faz a fosforilação cíclica, não ocorre entrada de elétrons da água e utilizavam os elétrons do gás sulfídrico. 
O que é a fixação do CO2?
CO2 + elétron redutor + ATP (CHO)n + X NADPH2 NADH2 (doador de elétrons). 
O que muda é como gera o redutor (NAD reduzido) e o ATP. O NAD oxidado para reduzido é preciso entrar elétrons, que pode ser do gás sulfídrico. 
As porfirinas foram muito importantes, como as porfirinas avançaram no sentido evolutivo?
A molécula da porfirina avançou no sentido de tirar elétrons da água, ao invés do H2S. Foi um salto gigantesco, pois ao tirar elétrons do H2S houve acúmulo de enxofre. Se tirasse elétrons da água, iria acumular oxigênio. Isso aumentou a eficiência do processo fotossintético e liberou oxigênio. 
Qual foi a importância da fotossíntese no avanço da célula?
Acúmulo de biomassa. Quando o organismo morre, libera biomassa ao ambiente, aumentando a oferta de matéria orgânica. O metabolismo fermentativocontinuou e a fotossíntese levou a uma divergência. Dessa forma, enquanto um produzia biomassa, o outro degradava e as duas formas metabólicas avançaram. 
Qual o marco importante da liberação do oxigênio para o ambiente?
O surgimento da camada de ozônio. Assim, as células poderiam colonizar o ambiente, pois estavam protegidas das radiações. 
Evolução Metabólica das Células
- Evolução das porfirinas: Clorofila A e Fotossíntese Oxigênica. 
Erra e troca o enxofre pelo oxigênio. Com a fotossíntese oxigênica, há fotólise da água e surge oxigênio na atmosfera, a camada de ozônio e a possibilidade de colonizar. As porfirinas têm capacidade de oxirredução. Assim, com o surgimento de proteínas que também eram capazes de fazer a oxirredução, surgiu outra possibilidade de metabolismo oxidativo, aeróbio e de alta eficiência energética – Cadeia Respiratória. O surgimento dos citocromos permitiu a fosforilação oxidativa. 
Surgimento dos Citocromos Metabolismo respiratório aeróbio Aumento do rendimento energético Aumento da velocidade de multiplicação celular 
Com a alta velocidade de divisão, teve uma maior proliferação e ocorreu a diversificação. A população expandiu e começou a colonizar diferentes nichos, a Terra foi se modificando e a diversificação foi ocorrendo naturalmente. 
Metabolismo heterotrófico: degrada biomassa, libera CO2, nutriente, mineral (P,N,K). Os heterotróficos fornecem esses componentes para os autotróficos.
Origem da Célula Eucariota
- 2 bilhões de anos atrás
- Via glicolítica: bactéria maquinaria e organização genética – Archeae
Grupos microbianos segundo Carl Woese (1970)
- Domínio Archaea: surgiu um ramo dentro de Bacteria. 
- Domínio Bacteria
Bacteria e Achaea são exclusivamente microbianos e constituídos somente por células desprovidas de um núcleo envolto por membrana (células procarióticas).
- Domínio Eukarya: Surgiu uma célula que tinha o núcleo (eucarioto, sendo primariamente unicelular). Por base na teoria da via glicolítica, esse domínio tem característica de ambos, pois ele é uma fusão de duas células diferentes e não a evolução de um único ramo. É uma quimera (características básicas fundamentais de dois organismos diferentes). – fungos, protozoários e microalgas. 
O genoma do eucarioto foi constituído de uma fusão de Archea e Bacteria – que consequência isso teve? – Teoria da endossimbiose. 
∆-proteobacteria Archea sem parede α-proteobacteria Cianobactéria
Segundo essa teoria, células bacterianas maiores perderam sua parede celular e engoliram células bacterianas menores. De acordo com essa teoria, o eucarioto ancestral desenvolveu um núcleo rudimentar quando a membrana plasmática se dobrou em volta do cromossomo. Essa célula, chamada de nucleoplasma, pode ter ingerido bactérias aeróbias. Algumas bactérias ingeridas viveram dentro do nucleoplasma hospedeiro. Essa organização evoluiu para uma relação simbiótica em que o núcleo do hospedeiro fornecia nutrientes e a bactéria endossimbiótica produzia energia que poderia ser usada pelo nucleoplasma. Assim, os cloroplastos podem ser descendentes de procariotos fotossintéticos ingeridos por esse nucleoplasma primitivo. Acredita-se que os flagelos e os cílios eucarióticos tenham se originado de associações simbióticas entre a membrana plasmática dos primeiros eucariotos e bactérias móveis espiraladas, chamadas de espiroquetas.
Temos um eucarioto com pseudonúcleo, com características de uma proteobractéria que provavelmente fosse fermentativa. Com o passar do tempo, a bactéria aeróbia foi endocitada pela bactéria aeróbia, posteriormente uma cianobactéria constituiu o cloroplasto. A célula eucariótica foi formada por no mínimo quatro bactérias.
A parede celular é uma adaptação celular extremamente importante e deu uma estabilidade maior para a célula. Archea, bactérias, fungos, levedura e microalga possuem parede.