BIOLOGIA CELULAR E MOLECULAR I. Métodos instrumentais de análise para o estudo de células e tecidos - Microscopia

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1 BIOLOGIA CELULAR E MOLECULAR I Métodos instrumentais de análise para o estudo de células e tecidos - Microscopia Objectivos: Listar e descrever as ferramentas de estudo da célula Definir e analisar a metodologia usada na: -Microscopia óptica e electrónica; -Microscopia de fluorescência; -Microscopia de contraste de fase; -Microscopia confocal; - Microscopia Electrónica de Transmissão e de Varrimento. Listar e descrever a preparação do material biológico para a microscopia óptica e electrónica

2 Poder de resolução Microscopia depende de: - técnicas de preparação das amostras biológicas - poder de resolução dos microscópios

3 Algumas descobertas importantes na história da microscopia Kepler sugere maneiras de construir 1 microsc composto Leeuwenhoek visualiza pela 1ªx uma bactéria Flemming descreve o comportamento dos cromossomas na mitose de cél animais Retzius, Cajal e outros desenvolvem técnicas de coloração e lançaram os fundamentos da anatomia microscópia 1882 a 1899 Klebs e Pasteur utilizando variados corantes identificam importantes agentes patogénicos Zeiss constroi uma série de lentes q permite revelar estruturas nos limites teóricos da luz visível

4 Algumas descobertas importantes na história da microscopia 1898 Golgi descreve pela 1ªx o aparelho de Golgi depois da coloração das células com nitrato de prata 1932 Zernicke inventa o microscópio de contraste de fase Estes 2 microsc permitem que células vivas não coradas sejam vistas em detalhe pela 1ª vez 1981 Allen e Inoué aperfeiçoam o microscópio óptico de contraste com sistema de vídeo avançado 1988 Microscópios confocais de varredura comerciais passam a ser amplamente utilizados

5 Detalhes revelados pelo microscópio óptico O limite máximo de resolução de 1 microscópio óptico é determinado pelo comprimento de onda da luz visível, q varia de 0,4 µm (violeta) a 0,7 µm (vermelho).

6 Detalhes revelados pelo microscópio óptico Limite de resolução é o limite de separação pelo qual 2 objectos podem ser distinguidos. Limite de resolução depende de: - comprimento de onda da luz (λ) - abertura numérica do sistema de lentes (an)

7 Detalhes revelados pelo microscópio óptico A abertura numérica é a capacidade do sistema de lentes recolher a luz. - lentes secas - an não pode ser maior que 1 - lentes de imersão an pode chegar a 1,4 Qto > a an > a resolução e > a luminosidade.

8 Preparação do material biológico para a microscopia óptica - Fixação A fixação imobiliza, mata e preserva e endurece as células. torna-as permeáveis aos corantes e produz uma ligação cruzada entre as suas macromoléculas, permitindo que estas permaneçam estabilizadas nas suas posições naturais

9 Preparação do material biológico para a microscopia óptica - Fixação Procedimentos antigos usavam ácidos e solventes orgânicos como o álcool. Diferentes poderes de penetração usados em combinações. Actualmente usam-se os aldeídos (formaldeído e glutaraldeído) que formam ligações covalentes com os grupos amino-livres das proteínas produzindo ligações cruzadas. Qualquer tratamento usado na fixação pode alterar a estrutura da célula ou das suas moléculas uma alternativa é o congelamento rápido. Vantagens- proteínas bem preservadas Desvantagens- estrutura fina da célula é destruída pelos cristais de gelo O tecido congelado é seccionado com um criostato (micrótomo mantido numa câmara a T)

10 Preparação do material biológico para a microscopia óptica - Embebição Mesmo após a fixação os tecidos são macios e frágeis e precisam de ser embebidos em ceras MO resinas, ME 1º na forma líquida de seguida na forma sólida (por esfriamento ou polimerização). O material biológico embebido é seccionado com um micrótomo/ultramicrótomo

11 Preparação do material biológico para a microscopia óptica - Embebição O micrótomo é um aparelho com uma lâmina metálica afiada As secções: - de 1 a 10 µm de espessura, - colocadas sobre a superfície plana de uma lâmina de vidro

12 Preparação do material biológico para a microscopia óptica - Coloração Depois de fixado e seccionado, o material biológico tem que ser corado para poder ser observado ao microscópio. Uma vez que que os corantes têm diferentes afinidades e poderes de penetração têm que ser utilizadas em combinações.

13 Preparação do material biológico para a microscopia óptica - Coloração Há uma relativa falta de especificidade dos corantes a nível molecular que tem levado ao desenvolvimento de procedimentos de coloração mais selectivos e racionais, particularmente a métodos que revelem proteínas específicas ou outras macromoléculas na célula. Assim algumas enzimas podem ser localizadas nas células através da sua actividade catalítica. Regiões mais sensíveis podem ser avaliadas através de fluorocromos

14 Microscopia de Fluorescência Moléculas fluorescentes absorvem luz a 1 determinado λ e emite um λ + longo, visualizado através de 1 filtro contra um fundo escuro

15 Microscopia de Fluorescência Os fluorocromos são detectados em microsc de fluorescência q difere dos normais por ter uma luz + potente q passa por 2 conjuntos filtros: O 1º permite a passagem de λ q excitem determinados fluorocromos O 2º permite passagem de λ emitidos qdo o corante fluoresce

16 Microscopia de Fluorescência A fluoresceina emite fluorescência verde qdo excitada com luz azul A rodamina vermelha amarel/verde Imagem de FISH com fluorescein e rodamina As 2 cores são vistas separada/ alternando conjuntos de filtros

17 Microscopia de Contraste de Fase Qdo se fixa 1a cél ela perde alguns componentes ou são simples/ distorcidos a forma + correcta de examinar as células seria quando estas ainda estivessem vivas, sem as fixar ou congelar. Qdo a luz atravessa 1a cél viva a fase do λ é alterado de acordo com o índice de refracção da cél. A luz ao passar através do núcleo é retardada e deslocada em relação à luz que atravessam áreas + delgadas. O microsc de contraste de fase explora os efeitos da interferência qdo estes 2 conjuntos de ondas se recombinam, criando uma imagem da estrutura da célula

18 Microscopia de Contraste de Fase As partes coradas da cél A luz q passa através de 1a cél não corada Reduzem a amplitude e A imagem colorida da cél é vista sofre pouca alteração de amplitude e os detalhes das estruturas não se conseguem ver

19 Microscopia Confucal Para a microscopia óptica 1 tecido tem q ser cortado em secções q, qto + fina a secção + nítida é a imagem. Neste processo a informação 3D é perdida. Com o Mic confucal de varrimento a partir de 1a série de secções tiradas em s profundidades e armazenadas em computador é fácil reconstruir a imagem 3D o Mic confucal de varrimento é para o microscopista o que o CAT scanner é para o radiologista. Ambos fornecem imagens seccionadas detalhadas do interior de uma estrutura intacta. Gastrula Drosophila mic convencional e de fluorescênc confucal

20 Microscopia Electrónica de Transmissão (TEM) TEM Transmissiom Electron Microscope Teorica/ tem 1a resolução x > q o MO e 1 poder de resolução - 1Å Na prática tem 1a resolução 100x > q o MO e 1 poder de resolução 20Å Porquê? Devido a problemas na preparação da amostra Contraste e Danos causados pela radiação No TEM os electrões atravessam a amostra para formar a imagem

21 Algumas descobertas importantes na história da microscopia electrónica 1897 J. Thompson anuncia a existência de partículas carregadas va/ + tarde denominadas electrões 1931 Ruska et al constróem o 1º TEM 1935 Knoll demonstra a viabilidade do mic electrónico de varredura Siemens produz o 1º TEM para fins comerciais 1945 Porter, Claude e Fullam, usam o TEM para examinar célula em cultura depois de fixadas e contrastadas com OsO Pease e Baker, preparam secções de mat biológico de 0,1 a 0,2 µm 1952 Palade, Porter e Sjöstrand desenvolvem métodos de fixação e corte q possibilitam pela 1ªx a visualização de várias estruturas intracelulares

22 Algumas descobertas importantes na história da microscopia electrónica 1953 Porter e Blum desenvolvem o 1º ultramicrótomo 1956 Glauert et al propõem a resina epoxi araldite como agente de inclusão Luft introduz a resina Epon 1957 Robertson descreve a estrutura trilaminar da membrana celular vista pela 1ªx no TEM 1959 Singer usa anticorpos acopolados à ferratina para detectar moléculas da célula 1965 Cambridge instruments produz o 1º microscópio de varrimento 1968 De Rosier e Klug descrevem técnicas para a reconstituição de estruturas 3D a partir de micrografias electrónicas

23 Preparação do material biológico para a microscopia electrónica Fixação 1º com gluteraldeído que faz com que as moléculas de proteínas façam ligações covalente/ cruzadas com os seus vizinhos 2º com tetróxido de ósmio q se liga e estabiliza as bicamadas lipídicas assim como as proteínas Desidratação Como a amostra é exposta ao vácuo mto forte não pode ser analisada viva, com H 2 O, é feita a desidratação numa série crescente de alcoóis

24 Embebição COMO ESTUDAR AS CÉLULAS MICROSCOPIA Preparação do material biológico para a microscopia electrónica Feita com uma resina q se polimeriza formando 1 bloco sólido de plástico Corte Cortes ultrafinos (na ordem dos 50 a 100nm de espessura) feitos num ultramicrótomo e colocados numa grelha Contrastação Feito com sais de metais pesados como o urânio e o chumbo

25 Preparação do material biológico para a microscopia electrónica mitocôndria vacúolo nucléolo ribossomas Golgi RE

26 Microscopia Electrónica de Varrimento Secções finas obtidos por TEM são pedaços bidimensionais de tecidos e não transmitem de imediato a organização 3D dos componentes celulares Este é conseguido usando o microscópio electrónico de varrimento, q é num aparelho <, + simples e + barato do q um TEM. Utiliza os electrões q são dispersos ou emitidos da superfície da amostra somente características da superfície podem ser examinadas e a resolução atingível não é mto alta macrófago

27 Microscopia Electrónica de Varrimento A amostra é fixada, Cílio do ouvido interno do boi desidratada e coberta com uma camada fina de metal pesado de varrida por um feixe de electrões. seguida A quantidade de electrões emitidos é medido para controlar a intensidade de um 2º feixe, q se move em sincronia com o 1º e forma a imagem num écran. Como a imagem tem brilhos e sombras dá 1a aparência 3D.