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Ficha 1 de BCM - Luis Morais Macaripe

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Bcm 1

  1. 1. Ficha 1 Delegacao de Niassa Curso de Quimica Biologia Celular e Molecular (BCM)Unidade temática: IIntrodução ao estudo da Biologia Celular e Molecular A Biologia Celular e Molecular constitui uma área do conhecimento científico interdisciplinar, emrápido crescimento, que proporciona uma integração entre disciplinas básicas que contribuem para acompreensão da estrutura e função da célula ao nível molecular sob diferentes perspectivas. O estudo do mundo vivo mostra que a evolução produziu uma imensa variedade de formas. Existemem torno de quatro milhões de espécies diferentes de bactérias, protozoários, vegetais e animais, quediferem em sua morfologia, função e comportamento. Entretanto sabe-se agora que, quando os organismosvivos são estudados a nível celular e molecular, observa-se um plano único principal de organização. O objectivo da biologia celular e molecular é precisamente este plano unificado de organização –isto é, a análise das células e moléculas que constituem as unidades estruturais de todas as formas de vida. Há muito tempo atrás observou-se que uma única célula poderia constituir um organismo inteiro,como no caso dos protozoários, ou ser uma das muitas, agrupadas e diferenciadas em tecidos e órgãos, paraformar um organismo multicelular. Assim sendo, a célula é a unidade estrutural e funcional básica dos organismos vivos, da mesmaforma que o átomo é a unidade fundamental das estruturas químicas.1.1. Desenvolvimento histórico da Biologia Celular e Molecular Os antigos filósofos e naturalistas, especialmente Aristóteles na Antiguidade e Paracelso noRenascimento, chegaram à conclusão de que “todos os animais e vegetais, por mais complicados quesejam, estão constituídos por uns poucos elementos que se repetem em cada um deles”. Referiam-se àsestruturas macroscópicas de um organismo, como as raízes, folhas e flores comuns aos diferentes vegetais eaos segmentos ou órgãos que se repetem no reino animal. Muitos séculos mais tarde, é que foi descobertoque atrás desta estrutura macroscópica existe todo um mundo de dimensões microscópicas. A Citologia (actualmente, denominada de Biologia Celular) é um dos ramos das ciências naturais.Sua história está intimamente relacionada com o desenvolvimento das lentes ópticas e à combinação destaspara construir o microscópio composto (do grego mikros, pequeno; skopein, ato de ver, examinar). O nome célula (do grego kytos, célula; do latim cella, espaço vazio) foi empregado pela primeiravez, pelo cientista inglês Robert Hooke em 1665, ao observar a textura da cortiça utilizando lentes deaumento. Estas observações, repetidas por Grew e Malpighi em diversos vegetais, foram examinadas somenteas cavidades, “utrículos” ou “vesículas”, constituídas pela parede celulósica. No mesmo século e no iníciodo seguinte, Leeuwenhoek (1674) observou a existência de várias células livres, tais comoespermatozóides, eritrócitos, etc.Teoria Celular Quase dois séculos depois, o enunciado da Teoria celular (Schwann, 1839), a mais ampla efundamental de todas as generalizações biológicas, está directamente relacionado com a origem da Biologiacelular. Estabelece que os seres vivos, animais, vegetais ou protozoários são constituídos, sem excepção,por células e produtos celulares. Essa teoria resultou de numerosas pesquisas iniciadas no princípio doséculo XIX e, conduziram ao botânico Schleiden em 1838 e ao zoólogo Schwann em 1939 a estabelecê-ladefinitivamente. A Teoria celular estabeleceu que cada célula se forma por divisão de outra célula. Com o progressoda Bioquímica, foi demonstrado que existem semelhanças fundamentais na composição química eactividades metabólicas de todas as células. Também foi reconhecido que o funcionamento de umorganismo como um todo resulta da soma de actividades e inteirações das unidades celulares. Elaborado por: dr. Luís Morais Macaripe / UP – Delegação de Niassa 2012 1
  2. 2. Ficha 1 Virchow (1958) aplicou a Teoria celular à Patologia e Kölliker a estendeu à Embriologia depois quefoi demonstrado que o espermatozóide e o óvulo eram células de cuja fusão se desenvolve o organismo. Nesta mesma época, Brown (18331) estabeleceu que o núcleo é um componente fundamental econstante da célula. Outros investigadores, como Purkinje, von Mohl concentraram-se na descrição doconteúdo celular denominado de protoplasma. Assim, o conceito primitivo de célula transformou-se no de“uma massa de protoplasma, limitado no espaço por uma membrana celular e que possui um núcleo”. A partir de então, o progresso do conhecimento citológico foi extremamente rápido. Podemos citar,entre tantas descobertas, o fenómeno da mitose (Flemming, 1880), os filamentos nucleares oucromossomas na mitose (Waldeyer, 1890), a fertilização do óvulo e a fusão dos dois pronúcleos (O.Hertwig, 1875), o centro celular (van Beneden, Boveri), as mitocôndrias (Altmann, 1894; Benda, 1897) e oaparelho reticular (ou de Golgi) (Golgi, 1897). O. Hertwig, em 1892 relatou, em sua monografia “Die Zelleund das Gewebe”, estudos baseados estritamente nas características da célula, sua estrutura e função, etratou de resumir, de forma geral, os fenómenos biológicos. Deste modo, surgiu a Citologia como um ramoseparado da Biologia. Seguindo a história da Biologia celular neste século, observa-se que o conhecimento citológicoprogrediu em função de dois factores: 1. o aumento do poder de resolução dos instrumentos de análises, e odesenvolvimento de novas tecnologias, e; 2. a convergência da citologia com outros ramos de investigaçõesbiológicas, como a Genética (Citogenética), Fisiologia (Fisiologia celular), Bioquímica (Citoquímica) e aImunologia (Imunocitoquímica), etc. Assim, dois novos e modernos campos de investigações surgiram: aultra-estrutura e a Biologia molecular. O conhecimento da organização submicroscópica ou ultra-estrutural da célula é de interessefundamental, pois praticamente todas as transformações funcionais e físico-químicas têm lugar naarquitectura molecular da célula. Por outro lado, o descobrimento da estrutura de uma molécula protéica(sequência de aminoácidos, estruturas e disposição tridimensional da molécula), os estudos sobre enzimas,o modelo molecular do DNA, fizeram com que a Biologia molecular tornasse um dos ramos de estudos dasciências biológicas mais importante, para a própria Genética, para a Bioquímica e, em particular, para aPatologia, com o estabelecimento de enfermidades moleculares. Hoje, podemos dizer que a Biologia celular estuda os problemas celulares em todos os seus níveis,iniciando pela organização molecular. Os modernos biólogos celulares, sem perder de vista o estudo dacélula como unidade morfológica e funcional dentro do organismo, devem estar preparados para empregartodos os métodos, técnicas e conceitos das outras ciências e estudar os fenómenos biológicos em todos osníveis.1.2. Métodos e técnicas de estudo da célula As técnicas e os métodos empregues no estudo da célula tem evoluído e diversificado desde ainvenção do microscópio, no sec. XVII, por antoine Leeuwenhoek e Robert Hooke, antes mesmo, alias, deter sido estabelecido o conceito de célula, foi com efeito através da exploração das potencialidades desterecém inventado aparelho óptico que diversos naturalistas convergiram para a concepção de que todos osseres vivos, plantas e animais, são constituídos por unidades morfológicas e funcionais, que designaram porcélulas. Á microscopia óptica, mais propriamente designada por microscopia fotónica, seguiu-se a invençãode outras microscopias, nomeadamente da microscopia electrónica, e de técnicas complementares como aHistologia, que permitiram prosseguir e aprofundar o estudo da arquitectura estrutural da célula quase ateao nível macromolecular, simultaneamente, foram surgindo outras técnicas analíticas, umas que fraccionama célula permitindo isolar por centrifugação alguns dos seus componentes; outras que descem ao nívelmolecular e perscrutam a composição e o funcionamento da maquinaria química subjacente a vida.1.2.1. Microscopia fotónica Em biologia a microscopia fotónica consiste num conjunto de técnicas sequencias e complementaresque visam não só a observação de células ou tecidos de seres vivos mas, também a preparação préviadesses materiais, e ainda a captura de imagens para posterior observação. O microscópio fotónico comum, também designado por microscópio de câmara clara, é um sistemaóptico capaz de fornecer, de um objecto, uma imagem ampliada, permitindo a observação de detalhesinvisíveis a olho nu. É constituído basicamente por dois conjuntos de lentes: o conjunto objectiva e oconjunto ocular. Elaborado por: dr. Luís Morais Macaripe / UP – Delegação de Niassa 2012 2
  3. 3. Ficha 11.2.1.1. Microscópio de contraste de fase O microscópio de contraste de fase é uma variante do microscópio de fotónico, dotado de um sistemaóptico especial que transforma diferenças de fase dos raios luminosos em diferenças de intensidade. Destemodo, acentuando pequenas diferenças de índice de refracção e de espessura existentes entre várioscomponentes celulares, o microscópio de contraste de fase possibilita o estudo de materiais vivos e nãocorados. Este microscópio baseia-se no princípio de que a densidade de um corpo determina a velocidade comque a luz o atravessa e, consequentemente, o seu índice de refracção. O microscópio de contraste de fase é utilizado sobretudo para observar células vivas, nomeadamentecélulas cultivadas.1.2.1.2. Microscópio de fluorescência O microscópio de fluorescência permite estudar os constituintes celulares que manifestamfluorescência, como por exemplo o caroteno, ou fluorescência secundária a eles transmitida por corantesespeciais (fluorocromos).1.2.1.3. Microscópios estereoscópios Os microscópios estereoscópios são habitualmente designados por lupas binoculares. Contrariamenteaos outros, estes não se encontram limitados a observar por transparência, não sendo todavia excluído que opossam fazer. Recebem a luz reflectida pelo objecto e atingem geralmente ampliações da ordem de 30X.1.2.2. Microscopia electrónica A diferença básica entre estas duas modalidades de microscopia, consiste no facto de na primeira, aimagem ser produzida por fotões e na segunda, põe electrões. Dai decorem necessariamente,consequências, quer a nível de concepção física dos aparelhos, quer a nível da natureza da imagem e ouainda da performance da técnica.1.2.2.1. Microscópio electrónico de transmissão (Transmission electron microscope) Este é habitualmente designado abreviadamente pelas inicias do seu nome inglês TEM. Visto que o princípio deste microscópio é observação de espécimes transparentes, estes devemapresentarem-se extremamente delgados. Para o efeito, o material biológico sofre uma preparaçãoespecífica que compreende as seguintes etapas: fixação, corte, deposição em grelhas, contrastação. Fixação A fixação, como para a microscopia fotónica, é um processo através do qual se procura preservar asestruturas celulares. Neste caso, porem, é necessário ter ainda em conta que as estruturas celulares deverãoser preparadas para resistirem com um mínimo de distorções, às condições de observação totalmente secas,como são aquelas que vigoram no interior do microscópio. Emprega-se para tal dois compostos: oglutaraldeído, que consolida as estruturas proteicas, estabelecendo com elas ligações covalentes; otetróxido de ósmio que estabiliza as bicamadas lípidicas e também as estruturas proteicas. Inclusão e corte Porque os electrões têm um poder de penetração extremamente fraco, os objectos devem ser cortadosem fatias muito finas, da ordem de 50 a 100 nm de espessura. Designam-se por cortes ultra-finos. Para seconseguir obter cortes tão delgados, os tecidos são embebidos (inclusão) em resinas que polimerizam sobforma de um bloco de plástico. Os cortes são depois efectuados com recurso a facas de vidro ou dediamante. Os cortes são depositados em grelhas de cobre de 3mm de diâmetro. Contrastação Para aumentar o contraste, os cortes são submetidos a soluções de sais pesados, tais como o urânio ouchumbo. Para este fim emprega-se correctamente o acetato de uranilo e o citrato de chumbo. Microscópio electrónico de varrimento (Scanning electron microscope) Elaborado por: dr. Luís Morais Macaripe / UP – Delegação de Niassa 2012 3
  4. 4. Ficha 1 Este designa-se habitualmente pela abreviatura do seu nome em inglês SEM. Emprega igualmente umfeixe de electrões, mas antes, em vez de atravessarem o espécime, colidem com a superfície deste,previamente metalizada, e libertão electrões secundários. É a partir destes electrões, que se obtêm umaimagem num monitor de vídeo.1.3. Níveis de organização em Biologia. Limites e dimensões em Biologia Celular. Na natureza podemos observar diversos níveis de organização biológica:Átomo → Partícula constituinte da matéria, formada por prótons, neutrões e electrões.Molécula → É a menor porção de uma substância, constituída por átomos do mesmo elemento químico oudiferentes elementos. Organela → Estruturas presentes no citoplasma de células eucariontes que desempenham funçõescomparáveis às de “pequenos órgãos” celulares.Célula → Unidade estrutural e funcional da vida, podem ser eucariontes ou procariontes. Tecido → Grupo de células dos organismos multicelulares que apresentam estrutura e funçõesfundamentalmente semelhantes.Órgão → Conjunto de tecidos que interagem para execução de determinadas funções vitais.Sistema → Conjunto de órgãos interconectados harmonicamente em benefício ao equilíbrio dometabolismo.Organismo → Conjunto de todos os sistemas, formando um ser vivo.Espécie → Conjunto de organismos semelhantes capazes de se cruzar em condições naturais, produzindodescendência fértil.População → Conjunto de seres da mesma espécie que habitam determinada região geográfica.Comunidade → Conjunto de seres vivos de diferentes espécies que coabitam em uma mesma região.Ecossistema → Conjunto formado pelas comunidades biológicas em interacção com os factores abióticosdo meio.Biosfera → Conjunto de regiões do planeta Terra capaz de abrigar formas de vida. As células são tão minúsculas, que é impossível serem vistas a olho nu e é por isso que sabemos queelas só foram descobertas quando foi inventado o microscópio. Normalmente as células dos seres vivos atingem um tamanho de 10 a 50 µm (micrómetros). Asmenores células já conhecidas são das bactérias que apresentam de 2 a 5 µm. Algumas células podem servistas sem o uso de microscópio, como o óvulo humano, e o axónio. A membrana celular, denominada também membrana plasmática ou citoplasmática, representa olimite da célula com o exterior e constitui um lugar activo de intercâmbios selectivos entre o ambienteexterior e o citoplasma.1.4. Propriedades básicas da célula A estrutura da célula resulta da combinação de moléculas organizadas em uma ordem muito precisa.Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos (agua e minerais) e orgânicos (ácidosnucléicos, carbohidratos, Lípidos e proteínas). Deste total, 75 a 85% corresponde a água, 2 a 3% saisinorgânicos e o restante são compostos orgânicos, que representam as moléculas da vida. Uma grande partedas estruturas celulares contêm Lípidos e moléculas grandes denominadas macromoléculas ou polímeros, Elaborado por: dr. Luís Morais Macaripe / UP – Delegação de Niassa 2012 4
  5. 5. Ficha 1formado a partir de monómeros ou unidades integradas (micromoléculas), que se prendem entre si porligações covalentes. 1.5. Aplicações práticas da Biologia Celular e Molecular As aplicações da biologia celular e molecular para a saúde e o meio ambiente são: Terapia gênicas,produção de produtos através da biotecnologia; uso da biologia molecular no diagnostico de doenças(infectologia, oncologia e doenças hereditárias); alimentos transgénicos; uso da biotecnologia no meioambiente. Essa disciplina correlaciona aspectos de biologia celular e molecular fazendo uma conexão entre asáreas de saúde e biotecnologia através dos recentes aspectos da clonagem gênica. Faz também correlaçãocom a área de meio ambiente quando discute os alimentos e organismos transgénicos. Elaborado por: dr. Luís Morais Macaripe / UP – Delegação de Niassa 2012 5

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