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- Biologia Celular - Introdução à Biologia Celular 1. Teoria Celular - A menor unidade de um organismo com vida autônoma é a célula → cél por si só é capaz de ter vida, mas as organelas não. - As propriedades (morfológicas e fisiológicas) de um organismo dependem das propriedades de suas células → cada tipo de cél realiza uma atividade específica (at. desempenhadas por conj de céls especializadas) - Todas as céls são formadas por divisão de céls pré-existentes - Continuidade devido À transmissão de seu material genético ao longo de gerações (hereditariedade) - 2 céls são originárias de 1 céls → todas são oriundas de céls ancestral em comum. → Variabilidade: meiose - Componentes básicos geram céls diferentes. ecossistemas → comunidades → populações → organismos→ órgãos → tecidos → céls→ organelas → moléculas 2. Tipos de Céls Célula Procariótica Célula Eucariótica Animal - Interesse agrícola Célula Eucariótica Vegetal - Interesse agrícola 3. Origem Comum Cél do olho e da pele → há diferenciações, porém há uma cél de origem comum. E entre diferentes indivíduos, também há uma cél de origem comum → Cél Ancestral Na origem da vida → céls primordiais que deram início aos seres Processos celulares: Estrutura do DNA, como ocorre processos (duplicação, transcrição e tradução) → Responsáveis pela herança 4. Similaridades - Tem metabolismo próprio: sintetizam e degradam matérias Subst. Simples em Complexas: Anabolismo Subst. Complexas em Simples: Catabolismo - Alteram suas formas e movimentam-se → seja a cél como um todo ou estruturas - Recebem e emitem informações → comunicação entre meio interno e externo (Hormônios, sinapses) - Regulam a expressão gênica → expressam as informações do material genético a partir de reguladores. - Crescem e dividem-se → geram céls filhas - Morrem → morte celular (pode ser mecanismo de defesa/desenvolvimento→ morte celular programada) 5. Origem da vida - Luca: último ancestral comum - Porque ou como os organismos conseguem interagir entre si → resposta a um tipo de pressão 6. Classificação - Woese *Domínio Eukarya: Fungos, algas, protozoários, plantas e animais *Domínio Bacteria: Eubactérias (procariotos) *Domínio Archea: Arqueobactérias (procariotos) - Filogenia molecular: sequência do gene que codifica a subunidade menor do ribossomo → Gene 16s - Todos os organismos têm esse gene - Interpretar e compreender as consequências desses parentescos entre seres 7. Diferenças 1. Presença de envoltório nuclear a. Procariotos: Organismo geralmente unicelular cujas céls não apresentam núcleo verdadeiro, delimitado por membranas b. Eucarioto: Organismo (uni ou pluri) cujas céls apresentam núcleos verdadeiros. 2. Tamanho e organização do Genoma → Organismos simples tem menor tamanho do genoma e conforme aumenta sua complexidade, aumenta o tamanho. Organismos superiores (animais, plantas) têm genomas de tamanhos similares. A complexidade não é significa que carrega maior tamanho de genoma 3. Organização das células → Endomembranas, que limitam a céls em compartimentos - caract de eucariotos a. Cels Procarióticas: ausência de organelas e sistema de membranas internas, estruturalmente simples/arcaicos e bioquimicamente versáteis, ocupam diversos ambientes. 4. Tamanho das céls → diferentes tamanhos, na maioria das vezes não é possível ver as céls a olho nu. Algumas vistas a olho nu: óvulos, ovo de avestruz, neurônios (compridos mas finos)/ é necessário o uso de equipamentos - Microscópios 8. Microscopias - Robert Hooke: 1665 - céls de cortiça - Antonie van Leeuwenhoek: (1670): Primeiros microrganismos - Matthias Schleiden: (1838): todas as plantas eram compostas por céls - Estudo com céls da cebola - Theodor Schwann (1839): todos os animais eram formados por céls. - Fisiologista, vê as céls vermelhas do sangue - Rudolf Virchow: propõe que as céls se originam de outras céls já existentes 9. Vírus - São seres vivos? São células? - não é capaz de vida autônomo Organização das estruturas celulares Exemplo: Gado leiteiro - Mastite 1. Evolução “Nada faz sentido na biologia exceto à luz da evolução” - Origem da Terra há 4.5 Bi - Assim que a Terra passou a existir, logo as céls surgiram - Terra passa muito tempo apenas com organismos procariotos Célula: A interação de sistemas de molécs passou a ocorrer em compartimentos delimitados por membranas, série de reações químicas. Camada membranosa que limita o meio interno e externo. Inicialmente, céls eram parecidas até que começasse a diferenciação. Metabolismo: Transformação de energia e matéria, Obtenção de energia e matéria prima a partir do ambiente, utilizando-as para sintetizar grandes molécs contendo carbono. Metabolismo inicialmente simples, depois foi se tornando complexo Fotossíntese: Habilidade de utilizar energia do sol para propulsionar o metabolismo → resíduo (oxigênio) que mudou radicalmente a atmosfera da Terra. Terra era pobre em oxigênio, e bactérias começaram a utilizar a energia do sol para seu metabolismo e sintetizar moléculas a fim de armazenar essa energia de forma química, e o oxigênio foi o subproduto. Isso aumentou a concentração de O2 na Terra. Reprodução sexuada: Combinação de material genético de duas céls → recombinação (reprodução com variabilidade)→ adaptação (céls e material genético mais ricos e complexos) Eucariotos: Teoria da endossimbiose Multicelularidade: especialização das céls Homeostase: Desenvolvimento de sistemas complexos para controle do ambiente interno Desenvolvimento: surgimento do crescimento controlado (organismo multicelular funcional) Especiação: diversidade da vida. 1.1. Marcos Evolutivos - Céls eucarióticas, segundo teorias, teriam surgido de céls procarióticas - Invaginação da membrana plasmática teria gerado compartimentos intracelulares e membrana nuclear (Membranas intracelulares têm constituição molecular parecida com a da membrana plasmática) → Marca surgimento eucariotos e perda da parede celular ( céls com parede celular: bactérias, plantas) - Dois eventos de endossimbiose → Teoria da Endossimbiose (Relação mutuamente benéfica) 1. Células eucariontes anaeróbias, primitivas, teriam fagocitado bactérias aeróbias, as quais, de algum modo, escaparam a digestão intracelular e estabeleceram inter-relações mutuamente úteis com as células hospedeiras, que assim se tornaram aeróbias. Ao mesmo tempo, as bactérias receberam proteção e alimentação em sua nova localização no citoplasma da hospedeira. (Surgimento da Mitocôndria). → ⲁ-proteobactéria 2. Algumas céls se mantiveram (gerando Cél Eucarionte Heterotrófica Ancestral), e outras se diferenciaram, com um segundo evento de endossimbiose: bactéria foi fagocitada, dando origem aos cloroplastos ( Cél Eucarionte Autótrofa Ancestral) → cianobactéria (fotossintetizante) - Compartimentalização → compartimentos delimitados por membranas, que se comunicam de alguma forma. Organelas se comunicam entre si, não são independentes, dependendo do estímulo que recebem. Procariotos 1. Bactérias e Arqueobactérias (arqueas) *Arqueobactérias não têm núcleos *Arqueobact. são ancestralmente mais próx de eucariotos *Árvore da vida usando segmento de DNA que codifica um RNA ribossômico. Ele é existente em todos os organismos vivos. Usando essa sequência, as arqueobact. são mais próx a Eucariontes do que Bactérias. *Se a estrutura muda, a função também muda!!!! - Microrganismos de maior sucesso na Terra (em termos de n° de indivíduos) - Cerca de 4 mil espécies conhecidas - Estimativa: 400.000 a 4.000.000 de espécies → capacidade de amostrar e explorar é pequena - Habitantes exclusivos do planeta por 2 bi de anos - Ambientes hostis (geleiras, vulcões, corpo humano)→ são estruturalmente simples, porém diversos (metabolismos, nichos, funções) - Maioria são bactérias - Papéis cruciais na biosfera (fixação de N, fotossíntese, importância biotecnologia) - Essenciais em todos os ambientes (humano, de animais e plantas) - Corpo humano: fração importante do organismo- Ruminantes: digestão. Só é possível pelo composto de microrganismos responsáveis pelas etapas das digestão - Leguminosas: capacidade de fixar nitrogênio a partir de nódulos, gerados por uma relação simbiótica com bactérias - Decomposição de organismos mortos - Degradação de rejeitos industriais, petróleo e diversos compostos - Biorremediação → Restaurar solos degradados - Em oceanos, capturam a energia da luz - Armazenada em moléc que servem de alimento para outros organismos - Alguns são patogênicos - Biogás → microrganismos capazes de degradar matéria / subproduto - Se os organismos são capazes de desempenhar função, é porque as céls (estruturalmente e metabolicamente) são capazes de desempenhar isto. 1.1. Arqueas - Organismos comumentes extremófilos - Locais com: - Altas temperaturas: até 113°C - Pyrolobus fumarii - Baixas concentrações ou sem Oxigênio - Baixo pH - Lagos ou mares com salinidade altíssima - Ambientes próx a vulcões - Fontes de enxofre *Bact verdadeiras também conseguem habitar locais extremos 1.2 Características Estruturais 1.2.1 Bactérias: Camada externa: Cápsula, parede celular e membrana plasmática Toda cél delimitada por membrana → separa meio interno e externo Parede celular: externa a membrana, função de proteção e sustentação Externamente à cápsula, podem ter pelos ou fímbrias e flagelos (locomoção) Estrutura interna: DNA Circular: sem núcleo dividido por membrana, DNA tende a ficar aglomerado no nucleóide Plasmídeos: moléc adicionais de DNA Ribossomos: tradução e síntese de proteínas *Diferenciações na síntese de proteína, composição da cápsula e parede celular e reações metabólicas permitem que elas sejam diversas. 2. Parede Celular 2.1 Função - Contenção da pressão de turgor - Envoltório rígido, responsável também pela forma da cél 2.2 Domínio Bacteria - Componente principal: peptidoglicano (100+ tipos) - Açúcares aminados - formam cadeias - N-acetilglucosamina (NAG) - Ácido N-acetilmurâmico (NAM) - Aminoácidos - ligam cadeias - Formam pontes peptídicas Formam “redes”, que compõem várias camadas sobrepostas Algumas bactérias têm menos peptideog., com camada membranosa externa. - Método para detectar peptideog: Hans Christian Gram→ Camadas com muito peptideog: Marcam positivamente( Bactéria Gram Positiva)/ Camadas com pouco peptideog: marcam negativamente (Bactéria Gram Negativa) → Diferentes antibióticos / Diferentes contaminações 2.3 Arqueas - Paredes de composição variável - Sem peptideoglicano - Algumas Gram + e outras Gram - a) Metanogênicas: pseudopeptideoglicanos, polissacarídeos b) Halofílicas: halococcus → polissacarídeo sulfatado / halobacterium→ glicoproteínas com cargas negativas c) Outras metanogênicas: Methanococcus e Methanospirillum: proteínas d) Hipertermofílicas: Sulfolobus: glicoproteínas (paredes estáveis em detergente em ebulição) e Pyrodictium: glicoproteínas (113°) 3. Membrana Plasmática - Bicamada fosfolipídica: lípideos, proteínas e carboidratos - Proteínas: exportação e importação de molés, ligação a molécs externas, interação e adesão com outras céls - Mosaico Fluido → Organização e desorganização - Separa meio interno e externo Cabeça: Hidrofílica Cauda: Hidrofóbica 3.1 Tipos de Lipídeos - Glicerolipideos - Glicolipídeos - Glicoesfingolipideos Gorduras ricas em saturação em temp ambiente: se condensam, diminui fluidez (ex: membrana de bact de ambiente quente) Gorduras ricas em insaturação em temp ambiente: não se condensa, mantém fluidez (ex: membrana de bact de geleira) Ao mudar sua temperatura ideal, há a desintegração 4. Cápsula 4.1 Composição - Glicoproteínas e/ou polissacarídeos - Camada espessa 4.2 Função - Adesão - Proteção contra dessecamento e fagocitose (Biofilme) - Relacionada à patogenicidade - realiza a infecção→ primeira estrutura a entrar em contato com o meio externo 5. Cromatóforos e Clorossomas - Presentes em bact. fotossintetizantes - Estruturas especializadas - Bact. verdes sulfurosas (ex: Chlorobium) 6. Flagelo - Mobilidade - Estrutura flexível (semi rígido - “cobras de madeira”/ vários elos ligados) - Helicoidal - Ancorado na superfície da cél 7.Fímbrias/ Pili - Proteínas que ficam presas (ext a céls) - Fixas - Numerosas - Curtas e rígidas - Natureza proteica - subunidades de pilina e adesina - Adesão específica e diferentes substratos - Pilus F ou fímbria sexual - Menor número ( 1 a 10) - Estrutura fina e flexível - Troca de material genético entre bactérias → Conjugação - Reconhecimento de outras bactérias 8. DNA - Cromossomo: comumente uma única molécula circular - Podem apresentar plasmídeos - Pequenos fragmentos de DNA circular - Replicação autônoma: há duplicação, independente do cromossomo principal - Genoma pequeno e compacto→ rápida reprodução - 500 a 10.000 genes → organizados de maneira compacta *Complexidade do organismo não depende da complexidade do genoma. Quanto maior o genoma → maior codificação, mais proteínas, maior quantidade de função 9. Particularidades 9.1 Thermus aquaticus - Termófila → altas temperaturas: desnaturação de proteínas, mas nesse caso, suas proteínas não são desnaturadas em temperaturas altas. - Enzimas (Taq polimerase) → prod artificialmente - PCR - Reação em cadeia da proteína Fundamental para pesquisa médica e biológica - Sequenciamento - Diagnóstico de doenças hereditárias e infecciosas - Medicina forense / teste de paternidade (fingerprinting) - Obtenção de organismos transgênicos Eucariotos Protistas, Fungi, Plantae, Animalia - Céls eucarióticas vegetais e animais são parecidas→ organelas similares - exceção: Cloroplasto e vacúolo (apenas vegetal) - Compartimentos que existem são similares e desempenham funções similares 1. Organização Principais Componentes Subcomponentes Função Principal Membrana celular Parede celular Glicocálice Membrana plasmática Proteção Interações celulares Permeabilidade, endo e exocitose Núcleo Cromossomos Nucléolos Informação Genética Síntese de ribossomos Citoplasma Citosol Enzimas solúveis Ribossomos Glicólise Síntese proteica Citoesqueleto Microtúbulos e Microfilamentos Forma e mobilidade celular Estruturas microtubulares Corpos basais e cílios Centríolos Mobilidade ciliar Divisão celular Sistemas de endomembranas Membrana nuclear, Retículos endoplasmáticos, Complexo de Golgi, endossomos e lisossomos Permeabilidade nuclear Síntese e processamento Secreção Digestão Organelas de membrana Mitocôndrias Cloroplastos Peroxissomos Síntese de ATP Fotossíntese Detoxificação 2. Diferenças entre Eucariotos e Procariotos Macromoléculas das células - O que é vida? - Sistema altamente regulado de síntese, quebra e manutenção de macromolécula - Ex: SARS-Cov-2 Spike Protein: proteína utilizada para o vírus entrar nas céls, ela fixa o vírus, auxilia na prod de vacinas (ponto de contato do vírus com a cél hospedeira → receptor) 1. Biomoléculas - Céls são constituídas por vários tipos de biomoléculas com funções específicas que interagem entre si - Organismos vivos - Utilizam mesmos tipos de moléc no metabolismo, DNA, Moléc sinalizadoras - Identidade: sequência de ácidos nucleicos (DNA), maneira com quc componente são organizados e utilizados - Se o organismo é capaz de desempenhar função: céls específicas que desempenham função → genes específicos que codificam a ação 2. Constituintes moleculares das cels - Céls contém compostos orgânico - Átomos de carbono, hidrogênio, oxigênio e nitrogênio (CHON - 99%) - Componentes do solo: silicatos → silício, alumínio, cálcio, magnésio, sódio potássio - Adubação: Nitrogênio, potássio e fósforo 3. Macromoléculas - Moléculas de alto peso - Diversidade de tamanho, composição e função - 4. Polimerização - Polímeros → Constituídos de monômeros - Biopolímeros: variação em estrutura e função - Monômeros: Aminoácido, nucleotídeo, monossacarídeo - Polímeros; polipeptídeos (proteína), ácido nucleico (DNA, RNA), polissacarídeo (carboidratos) - Lipídeos:exceção → Ácido graxo + glicerol, não são polímeros, mas formam polímeros complexos, como lipoproteínas, glicoproteínas… - Síntese: geram molécula de água - Quebra: reação de hidrólise 5. Constituição das células - Água: 70% - Polissacarídeos: 2% - Proteínas: 15% - RNA: 6% - DNA: 1% - Fosfolípideos: 2% - íons, pequenas moléculas: 4% Água - Duas moléculas de Hidrogênio e uma de oxigênio nas forma gasosa que originam 2 moléculas de água - é assimétrica - Momento dipolo: pólo negativo e positivo → Molécula polar - Por ser polar, estabelece pontes de hidrogênio, dinâmicas e instáveis (que se fazem e desfazem de forma rápida). - Solução aquosa: muitas pontes de hidrogênio - Meio intracelular é uma solução aquosa repleta de macromolécular - Estados da água: - Líquido: Moléculas interagem e deixam de interagir com moléculas vizinhas com frequência alta, distância média → Dinamismo é essencial para sustentar a vida. - Sólido: Moléculas tb estabelece pontes de hidrogênio, com conformação mais rígida, distância menos variável. Menos liberdade de movimento e interação→ estrutura rígida dificulta movimentação de moléculas - Gasoso: menos organizadas, mais excitadas, impossível notar estabelecimento de pontes de hidrogênio, não se aproximam o suficiente → difícil manutenção de funções e estrutura de macromoléculas Distância: média, podem ficar mais ou menos próx dependendo do mov 1. Organização molecular da célula a. Polímeros hidrofílicos Ácidos nucléicos, carboidratos, maioria das proteínas→ Polares b. Polímeros hidrofóbicos Lipídios, algumas proteínas → Apolares c. Anfipáticos: porções hidrofílicas e hidrofóbicas Proteínas de membrana Ácidos Nucleicos - Núcleo e citoplasma - Polímeros de nucleotídeos Informação genética: DNA→ Manutenção e armazenamento da informação, transmitido de cél mãe para cél filha, estabilidade Síntese de proteínas: RNA (mRNA, rRNA, tRNA) → intermediário entre DNA e proteína, instável *Proteína: abundância e variabilidade - Nucleotídeo: base nitrogenada, pentose e grupo fosfato - Nucleosídeo: base nitrogenada e pentose 1. Pentoses: - Desoxirribose: DNA → perda de um grupo hidroxila (apenas H) Estabilidade: falta do grupo hidroxila diminui as chances de interação com outras molécs - Ribose: RNA → com grupo hidroxila Instabilidade: grupo hidroxila é altamente reativo, permitindo que a moléc de RNA interaja com várias molécs 2. Bases Nitrogenadas - Purinas: Adenina (A) e Guanina (G) - Pirimidinas: Citosina (C), Timina (T) (DNA) Citosina (C) e Uracila (U) (RNA) → Uracila tem grupo metila Similaridade: na duplicação e transcrição → pareamento de base, Timina e Uracila fazem ponte de hidrogênio com outras molécs 3. Estrutura - Direcionalidade: 5’ → 3’ - Ligação fosfodiéster → 2 ligações que ligam os nucleotídeos ( Gp fosfato se liga a carbono 5’ e hidroxila se liga a carbono 3’) - Ligação covalente - Nas extremidades: 1 grupo fosfato ligado a carbono 5’ livre → extremidade 5’ e na outra extremidade 3’ livre - No DNA encontramos fita dupla e no RNA fita simples - Esqueleto: Pentose + fosfato/ pentose + fosfato e bases ficam livres para interagir com outras bases, geralmente da outra fita pareada → segunda fita é invertida (3’ → 5’) - Fita dupla garante estabilização - Bases formam ponte de hidrogênio com as outras bases - RNA pode formar estruturas de fita dupla, mas não da mesma forma que o DNA - Outras funções: ATP → trifosfato de adenosina: nucleosídeo, trifosfato, com ribose e adenina. Função no balanço energético da cél Proteínas - Macromolécula mais abundante na cél → são essenciais para desenvolver funções celulares - Polímeros de aminoácidos - Tradução: traduz info de rna mensageiro em sequência de aminoácidos - Síntese proteica a partir de moldes de mRNA - Processo altamente conservado durante a evolução - Pequenos erros geram grandes consequências (funcionais e estruturais) - Todas as céls fazem a tradução - Mais versátil composto celular - Estrutura dinâmica - Responsáveis por inúmeras funções celulares 1. .Aminoácidos - São polímeros de aminoácidos: grupo amino e carboxila, com grupo lateral variável - Com carbono alfa - 20 grupos de aminoácidos → bem diversos (diferencia a estrutura das proteínas) - Grupos laterais hidrofóbicos ou não polares - Grupos laterais hidrofílicos ou polares - Grupos laterais ácidos - Grupos laterais básicos 2. Estrutura Estrutura primária Sequência linear de aminoácidos ligados por pontes peptídicas Estrutura secundária A partir de seus aminoácidos (hidrofílicos, hidrofóbicos, anfipáticos), existem atrações e interações entre eles, gerando uma conformação→ alfa-hélice e beta-folha, formando pontes de hidrogênio Estrutura Terciária Há um dobramento entre elas, formando conformações terciárias. Aminoácidos de carga positiva e negativa, hidrofóbicos e hidrofílicos se atraem, respectivamente. Estrutura Quaternária Atração de diferentes cadeias Sequência → Estruturas diferentes → Funções diferentes 3. Funções - Armazenamento → ferritina - Sistemas contráteis → troponina - Transporte → hemoglobina - Estrutural → colágeno - Imunidade → imunoglobulina - Nutricional → caseína - Hormonal → insulina - Enzimática → lipases → Especificidade → Afinidade - Arcabouço: parte central da molécula Polissacarídeos - Carboidratos - Função energética, moléculas essenciais estruturais - Polímeros de monossacarídeos → açúcares - Biomoléculas mais abundantes na natureza - Celulose - Fórmula geral: [C(H2O)]n - Funções: - Fontes de energia - Reserva de energia - Estrutural - Matéria - prima para síntese de outras moléculas 1. Classificação 1.1 Monossacarídeos Dividido pelos números de carbonos (3→ trioses/5→ pentoses/ 6→ hexoses) - Aldoses → grupo aldeído - Cetoses → grupo cetona 1.2 Polissacarídeos - De reserva: Polímeros de Glicose Glicogênio: animais, bactérias, fungos Amido: Plantas → Amilose e amilopeptina - Estruturais (ex: celulose→ ligação beta) Superfície celular - Reconhecimento entre céls Receptores celulares Ligações entre citoplasma e matriz extracelular Glicoproteínas: carbo de cadeias curtas ligados a proteínas na superfície ext da membrana plasmática→ função: reconhecimento de moléculas que interagem com a cél Glicolipídeos: Carbo ligados a lipídios → função: processos de reconhecimento celular, proteção da membrana em condições adversas Lipídeos - Gorduras - Compõe membranas - Apolares - Conjunto de substâncias químicas → não são polímeros - Não polares - Alta solubilidade em solventes orgânicos - Baixa solubilidade em água → Isso torna possível a composição de membranas - Membranas celulares - Céls do tecido adiposo 1. Estruturais - Componentes de todas as membranas - Mais complexos: extremidade polar + cadeia apolar - Fosfolipídeos, glicolipídeos, colesterol (animais) e sitosterol (plantas) - Ácido graxo + cadeia apolar 2. Reservas - Gordura neutra - Ésteres de ácidos graxos com glicerol - Triacilglicerol ou triglicérides 3. Proteção - Barreiras à perda de água - Cutina, suberina e ceras 4. Vitaminas - Atividade fisiológicas - Vitaminas A, E e K 5. Hormonal - Informacionais - Esteróides: da adrenal, ovário e testículo 6. Classificação 6.1 Ácidos graxos + glicerol Geralmente de cadeira aberta Fosfolipídeos, glicolipídeos 6.2 Sem ácidos graxos Geralmente cadeia cíclica Esteróides 7. Ácidos Graxos Longas cadeias de ligações C e H (Hidrocarbonetos) → grande região apolar/ e grupo carboxila (-COOH) → pequena região polar ex: Triglicerídeos: 3 molécs de ácidos graxos esterificadas a uma moléc de glicerol - Fosfolipídio de membrana celular
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