BIOLOGIA CELULAR E MOLECULAR Profa. Dra. Thaiza Galhardo S. Morceli EMENTA Organização celular; Membranas biológicas; Transporte celular; Divisão celular; Estrutura dos ácidos nucléicos; Replicação do DNA; Transcrição; Processamento de RNA; Tradução; Regulação da expressão gênica. Objetivos específicos: - Fornecer as bases da organização celular, partindo das células mais simples (procariontes) até as mais complexas (eucariontes e vegetais); - Desenvolver a morfologia, fisiologia e organização molecular das diversas organelas; - Integrar os fenômenos celulares aos níveis de organização molecular; - Entender as transferências da informações genéticas, bem como sua regulação. 1
Metodologia: O processo ensino-aprendizagem será conduzido adotando o conceito de Aula Invertida, subdividida em três momentos: A Pré-Aula, a Aula e a Pós-Aula. Na primeira etapa o discente, atende as orientações do docente preparando-se, antecipadamente, para a Aula e volta a fazê-lo nas proposições que busquem fixar os conteúdos ministrados (a Pós-Aula). BIBLIOGRAFIA RAVEN, P.H.; EVERT, R.F. & EICHHORN, S.E. Biologia Vegetal 7ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2007. ALBERTS B, BRAY D, JOHNSON A et al. Fundamentos da Biologia Celular Uma Introdução à Biologia Molecular da Célula. Porto Alegre: Artes Médicas Sul. 2004/2006. JUNQUEIRA, L.C.; CARNEIRO, J. Biologia Celular e Molecular, 9ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012, 376p. Bibliografia complementar, periódicos e outras fontes de pesquisa: plano de ensino AULAS PRÁTICAS Nas sextas-feiras. Itens indispensáveis: Jaleco, calça comprida e sapato fechado. Caderno Dias: - 04/09-11/09-18/09-25/09 Grupos AVALIAÇÕES Parcial 1: 21/09 Oficial 1: 28/09 Parcial 2: 30/11 Oficial 2: 07/12 Segunda chamada: 14/12 PF: 21/12 2
25/08/2015 BIOLOGIA CELULAR - INTRODUÇÃO Elementos: são substâncias que não podem ser quebradas pelos meios comuns. Ex: Hidrogênio (H), Oxigênio (O), Carbono (C), etc. Dos 92 elementos que ocorrem naturalmente na Terra, apenas 6 deles foram selecionados no curso da evolução para formar o material altamente complexo dos organismos vivos. 99% da massa de toda a matéria viva Moléculas: são formadas pela ligação dos átomos dos elementos. As propriedades únicas de cada elemento e a maneira como os átomos interagem e são ligados determina a formação das moléculas. Ex: Água (H2O) MOLÉCULAS ORGÂNICAS Carboidratos (açúcares) Lipídeos Proteínas 3
Ácidos nucléicos (DNA e RNA) BIOLOGIA CELULAR As células são unidades estruturais e funcionais da vida. Quando estudados ao nível celular, mesmo os organismos mais diferentes são em sua organização física e propriedades químicas notavelmente similares entre si. Cada célula viva é uma unidade que se autocontém e é, pelo menos parcialmente auto-sustentável. Membrana plasmática: controla a passagem de substâncias (possibilidade ela seja diferente bioquimicamente do meio externo); Citoplasma: apresenta uma variedade de estruturas diferentes e várias moléculas dissolvidas ou suspensas; DNA: que codifica a informação genética. 4
CÉLULAS PROCARIONTES E EUCARIONTES Termos derivados da palavra grega karyon que significa parte central (núcleo). Células Procariontes Procarionte: primeiro núcleo Eucarionte: núcleo verdadeiro Organismos procariotos: representados por Archaea e Eubactéria; Principal diferença comparados aos eucariontes não apresentam núcleo (o DNA ocorre na forma de uma grande e circular molécula, na qual algumas proteínas são frouxamente ligadas - cromossomo bacteriano); Apresentam uma quantidade relativamente pequena de DNA; Cromossomo bacteriano fica em uma região denominada nucleóide; Apresentam uma parede extracelular que tem como principal função a proteção (e mantém a forma esférica e de bastonete das bactérias); O citoplasma da célula bacteriana não se apresenta subdividido em compartimentos (organelas). Células Eucariontes Organismos eucariotos são constituídos de células eucariontes; Essas células apresentam duas partes morfologicamente distintas citoplasma e núcleo (entre os quais existem um trânsito constante de moléculas); Os cromossomos estão dentro de um núcleo que apresenta um envoltório nuclear; Apresentam uma quantidade relativamente grande de DNA; O DNA das células eucarióticas é linear e fortemente ligados a proteínas especiais chamadas histonas (o DNA forma um certo número de cromossomos compactados); DNA + histonas = cromatina; As células eucarióticas são divididas em compartimentos (organelas) que desempenham diferentes funções e torna possível a separação dos diversos processos metabólicos. 5
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CITOPLASMA O citoplasma das células eucariontes contém organelas (ex: mitocôndrias, aparelho de Golgi, lisossomos, etc.); Organela: estruturas, geralmente, envolvidas por membrana que desempenham funções bem definidas. Além das organelas, o citoplasma apresentam depósitos de substâncias diversas, como grânulos de glicogênio e gotículas lipídicas; Preenchendo o espaço entre as organelas e os depósitos encontra-se a matriz citoplasmática ou citosol; O CITOSOL contém água, íons diversos, muitas enzimas que participam das muitas reações metabólicas desempenhadas pelas células. MEMBRANA PLASMÁTICA É a parte mais externa do citoplasma, que separa a célula do meio extracelular; Mantém constante o meio intracelular que é diferente do meio extracelular; Apresenta cerca de 7 a 10 nm de espessura; Nas eletromicrografias se apresentam como duas linhas escuras separadas por uma linha central clara, essa estrutura trilamelar é chamada de unidade de membrana; As unidades de membrana são bicamadas de fosfolipídios e proteínas (Modelo mosaico fluido). Estrutura trilamelar Modelo mosaico fluido 8
CÉLULAS EUCARIONTES SÃO COMPARTIMENTADAS Duas partes morfologicamente distintas: - CITOPLASMA (envolvido pela membrana plasmática) - NÚCLEO (envolvido pelo envoltório nuclear). CARACTERÍSTICA IMPORTANTE As células eucariontes são ricas em membranas formando compartimentos que separam os diversos processos metabólicos, direcionando as moléculas absorvidas ou produzidas pela própria célula. MITOCÔNDRIAS - São organelas alongadas; - Constituídas de duas unidades membranas, sendo a interna pregueada; - FUNÇÃO liberar energia das moléculas de ácidos graxos (lipídeos) e glicose (carboidrato) para produzir calor e moléculas de ATP (adenosina-trifosfato). A energia armazenada no ATP é usada pela célula para realizar suas diversas atividades, como movimentação, secreção e divisão mitótica. 9
RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO - Apresenta-se como uma rede de vesículas achatas, esféricas e túbulos que se intercomunicam, formando um sistema contínuo. - Pode ser dividido em Retículo Endoplasmático (RE) - rugoso (granular) e liso. Retículo endoplasmático rugoso (RER) - Apresenta ribossomos na sua superfície voltada para o citosol. - Células que acumulam proteína tem abundante RER. Retículo endoplasmático liso (REL) - Apresenta-se como túbulos que se anastomosam (se unem gerando um fluxo de substâncias). - Células que acumulam lipídeo tem abundante REL. RIBOSSOMOS - São partículas constituídas de ácido ribonucleico (RNA ribossômico ou rrna); - Cada ribossomo é formado por duas subunidades de tamanhos diferentes que se associam somente quando se ligam aos filamentos de RNA mensageiro (mrna); - Quando vários ribossomos se ligam a um único filamento de mrna formam-se os polirribossomos. - Os polirribossomos tem papel fundamental na síntese de proteínas. Subunidade maior Subunidade menor Poliribossomos 10
APARELHO DE GOLGI - Constituído por um número variável de vesículas achatadas e vesículas esféricas de vários tamanhos, que parecem brotar das primeiras; - Pode estar localizado próximo ao núcleo ou disperso pelo citoplasma; - Função principal: separação e endereçamento das moléculas sintetizadas nas células, encaminhando-as para vesículas de secreção (que serão expulsas das células), os lisossomos, as vesículas que permanecem no citoplasma ou a membrana celular. Aparelho de Golgi RER REL LISOSSOMOS - São organelas de forma e tamanho muito variáveis, cujo interior é ácido e contém diversas enzimas hidrolíticas (sintetizadas pelos poliribossomos); - Essas enzimas são utilizadas pelas células para digerir moléculas introduzidas por pinocitose, por fagocitose, ou, então organelas da própria célula; - A destruição e renovação de organelas é um processo fisiológico que permite manter seus componentes em bom estado. 11
PEROXISSOMOS - Apresentam uma matriz granular envolto por membrana, possuem tamanho variado. - São organelas caracterizada pela presença de enzimas oxidativas que transferem átomos de H de diversos substratos para o oxigênio, segundo a reação: RH 2 + O 2 R + H 2 O 2 - Contêm a maior parte da catalase celular, enzima que converte peróxido de hidrogênio em água e oxigênio: 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 - A atividade da catalase é importante porque o H 2 O 2 que se forma nos peroxissomos se acumulado prejudicaria a célula se não fosse (oxidante). CITOESQUELETO - Desempenha um papel mecânico (de suporte); - Ele estabelece, modifica e mantém a forma das células; - Mantém a posição dos componentes celulares (muitas organelas têm posição quase sempre constante dependendo do tipo celular); - É responsável por movimentos celulares como contração, formação de pseudópodes e deslocamento intracelular (de organelas, vesículas e cromossomos); - Os principais elementos do citoesqueleto são os microtúbulos, filamentos de actina e filamentos intermediários. 12
DEPÓSITOS CITOPLASMÁTICOS - Também conhecidos como inclusões; - O citoplasma pode conter dependendo do tipo e estado funcional celular depósitos de diversas substâncias não envoltas por membrana; - Ex: glicogênio (reserva animal), gotículas lipídicas, pigmentos (melanina) Grânulos de glicogênio (GI) NÚCLEO - Uma das principais características da célula eucarionte. - É individualizado e separado do restante da célula por uma membrana dupla (envoltório nuclear); - Contém poros que controlam o trânsito de macromoléculas (núcleo citoplasma); Moléculas de RNA são sintetizadas no núcleo e as proteínas nucleares são sintetizadas no citoplasma - Cromatina = DNA + proteínas (histonas) - Nucléolo: estrutura esférica que está presente no núcleo que não está em divisão contém grande quantidade de RNA e proteínas é o sítio de formação das subunidades ribossômicas. 13
CARACTERÍSTICAS QUE DISTINGUEM AS CÉLULAS VEGETAIS DAS ANIMAIS - Parede celular; - Plastídeos (cloroplasto); - Vacúolo. PAREDE CELULAR - Determina o tamanho, forma da célula e textura do tecido (contribuindo para a forma final do órgão vegetal); - Contém uma variedade de enzimas que desempenham importantes papéis na absorção, transporte e secreção de substâncias nas plantas; - Desempenha papel ativo na defesa contra agressões mecânicas e ação de parasitos; - A celulose (carboidrato) é o principal componente das paredes celulares; - A celulose forma um arcabouço preenchido por uma matriz de moléculas (hemiceluloses e pectinas); - A lamela média (rica em pectina) une as células adjacentes. Lamela média Pectina Parede celular Hemicelulose Celulose Membrana plasmática 14
PLASTÍDEOS - Estão relacionados aos processos de fotossíntese e armazenagem; - Possuem membrana dupla e um genótipo próprio - Principais tipos (cloroplastos, cromoplastos e leucoplastos); CLOROPLASTOS - São os sítios da fotossíntese (contém os pigmentos: clorofila e carotenoides); Estrutura interna do cloroplasto - O estroma é atravessado por um elaborado sistemas de membrana na forma de sacos achatados chamados tilacóides; Espaço intermembranar Tilacóide Granum - Os tilacóides são empilhados formando o granum (plural = grana). Estroma CROMOPLASTOS - São plastídeos que contém outros pigmentos que não a clorofila; - Esses pigmentos são, geralmente, do grupo dos carotenoides que são responsáveis pelas cores amarelas, laranjas e vermelhas de muitas flores, folhas velhas, algumas frutas e raízes. - As funções precisas dos cromoplastos ainda não é bem estabelecida (atuam como atrativos para insetos, ex). LEUCOPLASTOS - São plastídeos maduros não diferenciados (não apresentam sistema de membranas; - Alguns são conhecidos como amiloplastos (sintetizam amido), outros são capazes de formar outras substâncias (óleos e proteínas). 15
VACÚOLO - Muitos vacúolos são preenchidos por um líquido chamado suco celular, principalmente, constituído de água e outras substâncias que variam de acordo com o tipo de planta, órgão, célula e estágios de desenvolvimento; - Na célula madura, até 90% do volume celular pode ser ocupado pelo vacúolo (contenção de energia); - A maior parte do aumento em tamanho de uma célula resulta do aumento do vacúolo (manutenção da rigidez do tecido); - Várias funções: Armazenamento: Metabólitos primários (açúcares, ácidos orgânicos e proteínas de reserva) nas sementes. Metabólitos secundários tóxicos (nicotina e tanino). Defesa Esses metabólitos secundários são tóxicos não só para a planta mas também para os patógenos. Acúmulo de pigmentos Antocianinas - solúvel em água (azul, violeta, roxo e vermelho escuro). Ex: uva, ameixa, cereja, rabanete, repolho... Quebra de macromoléculas e reciclagem de componentes da célula. TEORIA DA ENDOSSIMBIOSE - Há evidências sugestivas de que as organelas envolvidas nas transformações energéticas (cloroplastos e mitocôndrias) originaram-se de bactérias que foram fagocitadas, escaparam dos mecanismos de digestão intracelular e se estabeleceram como endossimbiontes nas células eucariontes hospedeiras criando um relacionamento mutuamente benéfico e que se tornou irreversível com o passar dos anos. PRINCIPAIS EVIDÊNCIAS Genoma próprio (circular como o das bactérias) Dupla membrana (interior similar a bacteriana e exterior similar a hospedeira 16
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