3ª, 4ª, 5ª e 6ª aulas
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3ª, 4ª, 5ª e 6ª aulas
Aulas 3, 4, 5 e 6 BIOLOGIA Botânica 2012/2013 Departamento de Biologia Vegetal Francisco Carrapiço ([email protected]) http://azolla.fc.ul.pt/aulas/BiologiaBotanica.htm l © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Célula procariótica e célula eucariótica vegetal Bactéria © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Célula vegetal Procariotas versus Eucariotas Características Procariotas Eucariotas Organismo (Domínio) Archaea e Bacteria Eukarya Dimensão (média) 1-10 µm 10-100 µm (20-30 µm) Metabolismo Anaeróbico ou aeróbico Aeróbico Organização endomembranar Simples, resultante de invaginações da membrana plasmática Complexa. Organitos celulares bem definidos. Material genético compartimentado. Organização do DNA Moléculas circulares no citoplasma Cromossomas (unidades independentes lineares) no núcleo Local da síntese do RNA e proteínas No citoplasma RNA sintetizado e processado no núcleo. Proteínas sintetizadas no citoplasma Ribossomas 70S 80S Citoplasma Sem citoesqueleto Com citoesqueleto Núcleo Ausente Presente Divisão celular Bipartição / parassexual Mitose ou meiose Organização Unicelulares, por vezes coloniais Unicelulares ou pluricelulares e neste caso com diferenciação em tecidos Estruturas locomotoras Flagelos sem microtúbulos Cílios ou flagelos com microtúbulos Parede celular (quando existente) Presença de peptidoglicano Presença de celulose ou quitina. Ausência de peptidoglicano © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço OS 3 DOMÍNIOS DA VIDA http://scienceblogs.com/clock/2007/01/current_biological_diversity.php © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Eubacteria Archaea Eukarya Carl Woese, 1998 • Três domínios • Contra a bifurcação procarionte-eucarionte • Baseado na sua classificação de 1977 (Archaebacteria, Eubacteria, Eukarya) © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço 1665 As origens A Teoria Celular - 1838-39 1838 1839 Robert Hooke (1635-1703) Mathias-Jacob Schleiden (1804-1881) 1683 Theodor Schwann (1810-1882) 1855 1- Os organismos são formados por uma ou mais células; 2- As células são as unidades básicas da vida; 3- Cada célula provém duma célula pré-existente; Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723) © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Rudolph Virchow (1821-1910) 1ºs Microscópios Ópticos Os instrumentos 1931 Ernst Ruska Max Knoll 1º Microscópio Electrónico de Transmissão (MET) © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Microscópio Electrónico de Varrimento (MEV) Ao lectivo 2010/11 Adaptado de Figueiredo, A.C. et al., 1996 Quadro comparativo da microscopia óptica e electrónica © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Procariontes Escherichia coli Oscillatoria sp. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço As células vegetal e animal © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Célula animal © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Célula vegetal © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Membrana plasmática (modelo) Proteína oligosacárido Glicolípido Fosfolípido Proteina globular © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Segmento hidrófobo de hélice alfa Colesterol Membrana plasmática Funções Realizar funções específicas a favor Detectar sinais externos contra Controlar o movimento de Substâncias para dentro e para fora da célula © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Definir os limites da célula Membrana celular © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço CITOSQUELETO http://www.cellsalive.com/channels.htm © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Citosqueleto Dinâmica dos microtúbulos © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço CITOSQUELETO Rede tridimensional de filamentos proteicos que preenche o citoplasma Responsável por: i) suporte estrutural para a membrana plasmática e organitos celulares ii) movimento intracelular dos organitos e outros componentes do citosol iii) estrutura de cílios e flagelos iv) contracção muscular, em associação com filamentos de miosina e outras proteínas v) mecanismos de fagocitose vi) formação do fuso acromático na mitose vii) reforço da membrana plasmática © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Dinâmica vacuolar © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Plasmólise © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Continuidade dinâmica das membranas celulares GERL Envelope nuclear Vesícula secretora Membrana plasmatica RE Lisosoma Exocitose Regiao cis Regiao trans Golgi © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Endocitose Estrutura da mitocôndria © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Mitocôndrias © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Mitocôndrias © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Retículo endoplasmático © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Retículo endoplasmático © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Cloroplastos © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Actividade fotossintética © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Peroxissomas célula vegetal Richard Trelease © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço célula animal Núcleo http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookTOC.html © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Mitose © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Teoria Endossimbiótica Sequencial 1967 Lynn Margulis (1938-2011) (Microbiology Today, vol. 31, Nov. 2004) Contribuição extraordinária para a reabilitação e desenvolvimento das ideias simbiogénicas aplicadas ao mundo celular, explicando duma maneira clara e elegante a transição entre os níveis procariótico e eucariótico da organização biológica © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Antecedentes... In 1867, Simon Schwendener (1829-1919) introduz a hipótese dualista para explicar a natureza dos líquenes, indicando que estes eram uma associação de dois organismos, um fungo e uma alga, comportando-se respectivamente como “senhor e escravo”. In 1878 Heinrich Anton de Bary (1831-1888) introduz o conceito de simbiose como “a vida conjunta de organismos diferentes”. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Líquenes Usnea Parmelia alga fungo X 1+1=2 novo organismo 1+1= © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço 1 Elysia chlorotica um animal com plastos Este gastrópode marinho forma uma simbiose intracelular com cloroplastos da alga Vaucheria litorea (Phylum Chrysophyta) © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Rumpho M. E. et.al. PNAS (2008),105:17867-17871 © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Transferência horizontal de genes de Wolbachia (endossimbionte) para eucariontes multicelulares em: 4 espécies de insectos e em 4 espécies de nemátodes Microscopia de fluorescência, mostrando a relação Wolbachia/hospedeiro no cromossoma 2L de Drosophila ananassae. A verde o gene WD_0484 de Wolbachia. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Dunning-Hotopp et al. (2007) Science, vol. 317: 1753-1756, 21 September Simbiogénese Uma nova forma de olhar a evolução Em 1909, o biólogo russo Constantin Merezhkowsky (18551921) introduz o conceito de simbiogénese, definindo-o como “a origem de organismos pela combinação ou associação de dois ou mais seres que entram em simbiose” Neste trabalho, introduz não apenas este novo conceito em biologia, como também desenvolve importantes ideias sobre a origem da vida, nomeadamente sobre o papel dos organismos extremófilos neste cenário evolutivo, 15 anos antes do trabalho de Oparin. Simbiogénese deve ser compreendida como um mecanismo evolutivo e simbiose como o veículo, através do qual esse mecanismo se desenrola. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Pioneiros no âmbito dos estudos simbiogénicos 1893 Shosaburo Watasé (1862-1929) 1907 Andrey Famintsyn (1835-1918 1876 Albert Bernhard Frank (1839-1900) 1917 Felix d’Hérelle (1873-1949) 1918 Paul Portier (1866-1962) 1878 1883 Anton de Bary (1831-1888) Andreas Schimper (1856-1901) 1924 1927 Boris Kozo-Polyansky (1890-1957) Ivan E. Wallin (1883-1969) Presentemente, o trabalho desenvolvido por Lynn Margulis e colaboradores desde o final da década de 60 do século XX, é um importante contributo para a reabilitação e desenvolvimento das ideias simbiogénicas. Lynn Margulis (1938-2011) © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Comparação entre os esquemas filogenéticos de acordo com a Teoria Sintética da Evolução (1) e o pós-Neodarwinismo (2) 1 2 Doolittle, 2000 © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço A Célula como um Microcosmos Natural Microcosmos naturais podem ser definidos como “pequenos A célula está separada do exterior por uma ecossistemas membrana parcialmente isolados”. Estes “contentores celular, naturais” apresentam auto-organização e semi-permeável, criando um a membrana compartimento com características próprias. Por outro lado os uma estrutura ecológica definida. Este fluxos de informação, energia e metabolitos que conceito pode ser aplicado à unidade ocorrem no seu interior, podem comparar-se estrutural e funcional da organização aos processos de circulação de energia e biológica: a célula. matéria num ecossistema. A relação entre células pode igualmente ser enquadrada no contexto da interacção entre ecossistemas. “The eukaryotic cell is a co-evolved microbial community and, therefore, more comparable to an ecological unit ...” Lynn Margulis, 2000 © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço De que maneira esta abordagem nos pode ajudar a compreender melhor a origem da vida no nosso planeta e fora dele? As ideias de Oparin e Haldane constituem as bases da hipótese heterotrófica da origem da vida, tendo sido reforçadas pelos resultados positivos da experiência MillerUrey de 1953. Estas abordagens formam o edifício teórico que presentemente os investigadores utilizam para enquadrar e pesquisar a formação da vida no domínio astrobiológico. Aleksandr Oparin (1894-1980) John Haldane (1892-1964) Enquanto Oparin deu prioridade evolutiva ao metabolismo, Haldane deu à replicação, e a escolha entre estas duas alternativas ainda hoje divide o campo das teorias sobre a origem da vida. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Stanley Miller (1930-2007) Estas duas teorias foram construídas no princípio de que a evolução era um processo estritamente Darwinista sem qualquer envolvimento cooperativo ou sinergístico. Acreditamos que esta abordagem deve igualmente incluir uma perspectiva simbiogénica, introduzindo novos conceitos que permitam a compreensão do mundo natural num sentido mais cooperativo e eventualmente mais próximo da realidade. Neste sentido, a expressão convencional “sobrevivência do mais apto” não pode, nem deve, ser aplicada na sua forma tradicional. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Em Maio de 1953 Stanley Miller publica na revista Science… Com esta experiência teve início uma nova etapa nos estudos sobre a origem da vida – formação de compostos orgânicos em condições abióticas © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço A Primeira Grande Estratégia de Sobrevivência Uma estratégia cooperativa e sinergística deve ser considerada como tendo sido determinante para o desenvolvimento da sobrevivência do mais apto, particularmente sob condições ambientais extremas. Um exemplo representativo são os estromatólitos, considerados como a primeira estratégia ecológica desenvolvida para a sobrevivência na Terra primitiva, não para um organismo, mas para uma comunidade de organismos. Esta abordagem pode igualmente ser aplicada à evolução pré-biótica. © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Estromatólitos © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Estruturas organo-sedimentares laminadas (maioritariamente constituídas por CaCO3) Produto da actividade metabólica de microrganismos (principalmente de cianobactérias) São o registo mais antigo de vida na Terra. Os estromatólitos mais antigos são os do Warrawoona, Austrália, com 3,5 mil milhões de anos Os organismos construtores de estromatólitos são fotossintéticos. Foram os primeiros oxigenadores da atmosfera e os primeiros recicladores de carbono Será a vida um imperativo cósmico? Modelo Exógeno versus Modelo Endógeno © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Meteoros Condrites carbonáceas Murchison - Austrália (1969) Lago Tagish - Canadá (2000) Pizzarello et al., 2001 Em 2008 foram descobertos nucleótidos de ácidos nucleicos no meteoro de Murchison © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço As Células Primordiais A formação de sistemas protocelulares inicia-se, na nossa perspectiva, com a autoorganização de membranas primitivas em meios aquáticos criando uma barreira e definindo a separação entre os meios exterior e interior. Estas membranas podiam-se formar espontaneamente no meio pré-biótico ou mesmo em alguns corpos cósmicos. A presença de compostos anfifílicos isolados do meteorito de Murchison, que apresentam a capacidade de se auto-organizar em vesículas membranares, pode indicar uma possível via de como estes sistemas primitivos se teriam formado e evoluído. Nestes casos, a vida nas condições ambientais prébióticas envolveria o desenvolvimento de sistemas celulares encapsulados com replicação em que macromoléculas apresentariam propriedades catalíticas. In Deamer et al. , 1994 © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço Seremos os únicos...? Hubble deep field © Biologia (Botânica) 2012/13 F. Carrapiço
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