Genes mitocondriais e genes nucleares

Questão de aula :

A ATP sintetase é uma enzima das mitocôndrias constituída por polipéptidos codificados por genes do genoma mitocondrial e por polipéptidos codificados por genes do genoma nuclear.

Dê uma explicação para esta situação, tendo em conta a origem das mitocôndrias, de acordo com o Modelo Endossimbiótico.

Teoria

A maioria do material genético das células eucarióticas localiza-se no núcleo, mas as mitocôndrias e os cloroplastos também possuem mate­rial genético. Este encontra-se organizado em cromossomas circulares, pelo menos um por organito, embora possam existir mais cópias, e não pos­sui histonas.

Estes cromossomas apresentam características semelhantes aos cromossomas bacterianos, sendo esse um dos argumentos que apoiam a teoria endossimbiótica para o aparecimento dos seres eucariontes.

Em termos de genes, o DNA mitocondrial codifica proteínas associadas à obtenção de energia pela respiração, bem como RNA associado à ma­quinaria da transcrição e tradução. Todavia, a maioria das proteínas mitocondriais, ou das suas subunidades, provêm da expressão dos genes nucleares.

O RNA mensageiro é traduzido no citoplasma e as pro­teínas encaminhadas para a mitocôndria, onde se juntam às que são sin­tetizadas no próprio organito. O código genético mitocondrial apresenta algumas diferenças do resto do genoma.

Os genes do cromossoma cloroplastidial estão relacionados com pro­cessos de obtenção de energia (ATP) pela fotossíntese, codificando pro­teínas associadas ao metabolismo fotossintético. Tal como nas mitocôndrias, parte das proteínas, ou subunidades proteicas, derivam de genes nucleares, ocorrendo o transporte das proteínas para o interior do cloroplasto. Também se encontram genes que codificam RNA e proteínas associadas à maquinaria da expressão génica.

É necessário compreender como se processa a transmissão à descen­dência das características, codificadas pelos genes presentes nas mitocôndrias e nos cloroplastos, pois podem encontrar-se associadas a algu­mas patologias graves. 

Existem doenças que estão ligadas a alterações (mutações) que ocorrem no material genético existente nas mitocôndrias, tal como alguns casos de cegueira, de Alzheimer e de diabetes tipo II.

 

Multicelularidade

Na verdade, não existem organismos multicelulares nos rei­nos Bactéria e Archaea.
Reconhecidamente, alguns procariotas formam filamentos e desprendem agregações de células, mas estas células associadas não trocam mensagens entre si e as suas funções não estão coordenadas. Daí que, tanto quanto sabemos, todos os organismos verdadeiramente multicelulares sejam eucariotas.
Os mais simples dos organismos multicelulares são microscópicos e consistem em pouco mais do que uma cadeia de células idênticas, mas algumas algas modernas fornecem-nos pistas sobre como a multicelularidade pode ter surgido.

A espécie amebóide chamada Dictyostelium discoideum opera habitualmente como uma célula isolada, mas em algumas oca­siões, sobretudo quando a comida é escassa, muitas das células individuais agrupam-se e toda a colónia se muda para uma nova localização.

Outros dos eucariotas simples de hoje, tal como o protozoário Volvox, possuem a capacidade de formar colónias até às 10 mil células individuais, podendo estas apre­sentar algumas diferenças celulares. Há vários anos que o Volvox fascina os cientistas; quando Anton van Leeuwenhoek (1632--1723), o famoso inventor do primeiro microscópio, pôs os olhos pela primeira vez no Volvox não conseguia acreditar no que estava a ver. A colónia formava uma bola oca e movimenta­va-se através da água aparentemente ao rolar (o nome Volvox significa, precisamente, «rolador feroz»). A maioria das 10 mil células actua como órgãos que se alimentam e nadam, batendo furiosamente os seus flagelos, e levando a que toda a colónia gire. Mas números mais reduzidos de células na colónia podem assumir uma função reprodutiva, e as colónias ou os indivíduos Volvox podem acasalar e produzir descendência adormecida. Por natureza, o Volvox reproduz-se assexualmente, e a descendência sexual parece constituir um garante contra condições particular­mente adversas.

Este exemplo ilustra todos os tipos de princípios biológicos extraordinários. Primeiro, onde se traça a linha divisória entre um indivíduo e uma colónia? A bola do Volvox parece agir como um indivíduo, no sentido em que todas as células se agrupam e trabalham em conjunto para fazê-la nadar. Mas cada célula mantém-se também e essencialmente um indivíduo, agindo com autonomia para se alimentar e para se dividir de tempos a tempos.

Outros exemplos actuais de colónias encontram-se nos recifes de corais, em que numerosos indivíduos corais de uma espécie crescem juntos como uma única estrutura, ou um ninho de for­migas, em que imensos tipos especializados de formigas traba­lham juntos. Os componentes individuais da colónia (o coral, a formiga) conseguem viver por si e talvez formar uma nova coló­nia, embora isso não seja realmente aplicável à maioria das for­migas individuais da colónia - eles dependem de outros para se reproduzirem, procurarem comida, protegerem o ninho ou manterem o ninho fresco.

Mas quais são as vantagens da multicelularidade?
Devem ser muitas, porque a multicelularidade surgiu muitas vezes inde­pendentemente e ainda se está a desenvolver em algumas algas, como a Volvox. As vantagens da multicelularidade incluem, ao ter células especializadas, uma maior eficiência na alimentação, na movimentação, na reprodução e na defesa. Uma célula espe­cializada que tem apenas de alimentar ou facultar uma virulenta capacidade defensiva pode possivelmente evoluir muito mais e especializar-se a um nível muito mais elevado do que uma célu­la simples alguma vez poderia conseguir, tendo de assumir todos os serviços e funções normais da vida.
Há igualmente vantagens claras em ser maior do que microscópico, não neces­sariamente por grande ser sempre melhor, mas por se ser o único organismo grande num mar de anões. Estas vantagens incluem acesso a novas fontes de alimentação, como presas maiores, e a possibilidade de se moverem mais rapidamente e por distâncias maiores.

Fonte : Breve história da vida. Michael J. Benton. Texto

Powerpoint - Multicelularidade (Exercícios)

Powerpoint - Endossinbiose (Exercícios)

Ficha de Trabalho - Multicelularidade

Filme - Esponjas

Quando um animal vira planta

A salamandra da espécie Ambystoma maculatus produz ovos verde esmeralda. Esta cor tem origem na alga da espécie Oophila amblystomatis (oophila, significa "que gosta de ovos).

Há muito que os cientistas sabem que o desenvolvimento dos ovos desta salamandra ocorre sob um envelope de algas, mas agora os investigadores detectaram a presença desta alga no interior das células do embrião.

Nesta relação simbiótica as algas utilizam os resíduos azotados do desenvolvimento embrionário, enquanto que o embrião beneficia de um fornecimento extra de oxigénio resultante da fotossíntese realizada pela alga simbiótica.

No início da investigação, os investigadores suspeitavam que esta associação terminava com a eclosão dos ovos. A surpresa ocorreu quando os investigadores constataram que a associação era mais íntima. A utilização de técnicas modernas de microscopia de fluorescência capaz de detectar a presença de clorofila no interior da célula e análises de DNA, permitiram a descoberta de algo que nunca teria sido possível de observar utilizando um microscópio óptico composto: a alga vive no interior das células até estádios avançados do desenvolvimento embrionário. Dito de outra forma, os dois organismos poderiam viver em endossimbiose.

No que diz respeito à ciência, é neste momento que o assunto fica cientificamente emocionante. É que a simbiogénese desempenhou um papel importante na explosão de vida na Terra e continua a ser importante na evolução biológica.

Os vertebrados, peixes, anfíbios, répteis, aves, mas também mamíferos, possuem um sistema imunitário. Este sistema corresponde a um conjunto de tecidos e células que permite aos seres vivos que possuem, produzir uma resposta específica e adaptada à invasão por bactérias, vírus, células cancerosas, etc….. Assim, como é possível à salamandra incorporar a alga no interior das células sem este corpo estranho ser eliminado pelo sistema de defesa?

Oophila amblystomatis tem uma artimanha. Na natureza estas formas ágeis e engenhosas são quase sempre vantajosas na evolução biológica. Segundo Ryan Kerney, um dos investigadores da equipa que tem estudado este processo, a alga instala-se nas células embrionárias de forma permanente, antes do sistema imunitário do anfíbio iniciar a sua actividade.

Vestígios das algas foram encontrados no sistema reprodutor da salamandra e nos ovos em estádios muito precoces, o que tem levantado a hipótese da Oophila transmitir-se de geração em geração no momento de transição, iludindo desta forma a guarda do nosso sistema imunitário.

Fonte utilizada : Science & Vie, Novembro 2011 - "Cet animal est ausi une plante"

Métodos para o estudo do interior da Terra

O estudo dos fenómenos geológicos que ocorrem na Terra reveste-se de especial importância, não só pelo conhecimento do interior da Geosfera, mas pela prevenção e minimização dos riscos.

Os geólogos usam diversos instrumentos e recolhem informações nos mais variados pontos do globo.

Powerpoint (Link)

Origem da vida

Endossimbiose

A simbiose é um meio pelo qual a aquisição de novos genomas e novas valências metabólicas e organismais ocorrem, permitindo a construção evolutiva dos organismos biológicos. Como referiu Joshua Lederberg, em 1952, a endossimbiose é um processo comparável à hibridação, sendo uma via para a introdução de genomas filogeneticamente distintos em associações íntimas de organismos. O rápido apare­cimento destas novas características ou valências evolutivas adquiridas a partir dos organismos associados contraria, do nosso ponto de vista, a perspectiva gradualista da teoria neodarwinista. Neste sentido, as modifi­cações evolutivas podem igualmente ser explicadas por uma integração sinergística entre organismos, a qual constitui a principal regra no mundo natural e não a sua excepção.

Um bom exemplo desta realidade pode ser encontrado na associa­ção simbiótica Azolla-Anabaena. Azolla é um pteridófito aquático heterospórico que apresenta folhas bilobadas e imbricadas ao longo do rizoma, tendo cada urna destas folhas um lobo dorsal flutuante e um lobo ventral submerso. No lobo dorsal clorofilino existe uma cavidade ovóide onde vive em permanência uma comunidade procariótica constituída por cianobactérias filamentosas fixadoras de azoto atmosférico, normal­mente referidas como Anabaena azollae, e vários géneros de bactérias. Esta cavidade foliar comporta-se como a unidade de interface dinâmica e fisiológica deste sistema simbiótico, onde as principais vias metabóli­cas e energéticas ocorrem. Neste sentido, pode ser considerada como um microcosmos natural, uma espécie de microssistema com auto-organização e com uma estrutura ecológica bem definida. Esta associa­ção simbiótica constitui um exemplo de sucesso dum sistema que co-evoluiu, com os simbiontes sempre presentes no ciclo de vida do pteri­dófito, sugerindo uma evolução filogenética paralela da relação entre os parceiros, podendo igualmente ser considerada como um exemplo típico duma simbiose hereditária. Nesta associação simbiótica, comunidades ecológicas complexas de microorganismos cooperam de forma perma­nente, juntamente com o pteridófito, na manutenção do todo. Novas capacidades metabólicas e orgânicas são adquiridas e desenvolvidas pelos parceiros, que estabelecem um novo nível de organização que vai para além das capacidades individuais de qualquer um deles.

Tendo-se iniciado mesmo antes da formação das células eucarióticas, aquando do aparecimento e desenvolvimento das primeiras mani­festações de vida na Terra e provavelmente numa fase da evolução pré--biótica, a simbiogénese representa, na nossa opinião, o principal mecanismo evolutivo no estabelecimento da biodiversidade sobre a qual a selecção natural actua, bem como no estabelecimento e manutenção das comunidades biológicas. A origem e o desenvolvimento dos proces­sos aeróbios e autotróficos em organismos eucariontes, por exemplo, resultam de processos simbióticos ancestrais, em que alfa-proteobactérias originaram mitocôndrias e, ulteriormente, cianobactérias colonizaram e foram integradas em células primitivas aeróbias evoluindo para cloroplastos. A dinâmica dos processos biológicos caracteriza-se essen­cialmente, não pelo isolamento de características a partir de outras formas de vida, mas antes pela capacidade em integrar essas valências no próprio organismo em evolução. Pensamos, aliás, que uma das características dos sistemas biológicos é ã de formarem associações e/ou estabelecerem relações de comunicação com outros organismos, o que implica considerar esta manifestação como uma das principais caracte­rísticas da vida.

Fonte : Adaptado de Evolução: conceitos e debates. Esfera do Caos

Powerpoint (link)

Resumo

Filme - Origem da Vida

Intervenção do Homem nos Subsistemas