Árvore da vida:

os três domínios

Complexidade e idade evolutiva dos

organismos

• Não há organismos “superiores” ou “inferiores”;

“primitivos”ou “evoluídos”

- Apresentam diferentes graus de complexidade

- Podem ser mais antigos ou mais recentes

• Todos podem estar bem adaptados ao seu ambiente

As bactérias, por exemplo, apresentam grande

diversidade e capacidade de adaptação a diferentes

ambientes

• Darwin propôs que todos os organismos existentes

hoje descendem de um mesmo ancestral (grupo de

células primordiais)

• Hoje existem organismos extremamente

diferentes? Por quê?

Diversidade da vida

Modificações ao longo do tempo resultaram

na diversidade que conhecemos hoje

Mutações

Vamos voltar à história da vida na

Terra

• Mundo pré biota

• Mundo biota

• Replicador ou metabolismo?

• A história da vida na Terra mudou quando o

DNA passou a ser o componente genético

• Surgimento de diversas formas de vida no

planeta

• A vida na Terra tem uma origem comum

Relações evolutivas

• Relações de ancestralidade entre os

organismos

Dados moleculares

• Início na década de 1970

• Comparação de seqüências de nucleotídeos do DNA ou

seqüências de aminoácidos de proteínas

• Grande quantidade de informações (cada aminoácido de uma

proteína ou nucleotídeo de uma seqüência de DNA é uma

evidência filogenética)

• Possibilita o estudo de microorganismos

• Possibilita a comparação entre organismos distantes

evolutivamente

Como analisar estes dados?

• Todos os genes mutam

• Algumas destas mutações alteram proteínas

• Mutações sem efeito ou que as melhorem, se

acumulam com o tempo

• Quando 2 espécies se divergem do ancestral,

as seqüências dos genes que eles

compartilham também divergem

• Quanto maior o tempo de divergência, maior a

diferença entre os genes

Comparação entre sequências

nucleotídicas

11 espécies de primatas (camundongo como grupo externo)

Como comparar todos os organismos

existentes?

O que utilizar nas análises?

(qual região do DNA ou qual proteína?)

Ribossomos

RNA ribossomal (rRNA)

Compostos por RNA e proteínas

• Presente em todos os organismos

• Taxa de mudança (mutações) do

gene é suficientemente lenta para

permitir a comparação entre

organismos de grupos distantes

Griffiths et al. Introduction to

the Genetic Analysis (2000)

RNA ribossomal (rRNA)

• Sequências de rRNA dos diversos organismos

podem ser comparadas

Importância de métodos computacionais

(Bioinformática)

Grande quantidade de informações

Inovação extremamente importante

• Maior conhecimento sobre microorganismos

• Nossas semelhanças e diferenças

• Semelhanças...

• Somos parecidos com as bactérias!

• Até então, o mundo era dividido entre

procariotos (bactérias) e eucariotos

• ...Mas os dados moleculares mostraram que

haviam “bactérias” muito diferentes entre si

A árvore da vida

Os três domínios

Ancestral comum a

todos os organismos

Futuyma, D. J. Evolution (2005)

Eukarya

ArchaeaBacteria

Eukarya

• Eucariotos

• Células apresentam núcleo envolvido por

membrana

• Animais

• Plantas

• Fungos

• Protistas

Procariotos

Ancestral comum a

todos os organismos

Futuyma, D. J. Evolution (2005)

Eukarya

ArchaeaBacteria

As arqueas são

mais próximas

dos eucariotos

O surgimento de um novo grupo: Archeas

Os três

domínios

Comparação entre Arqueas, Bactérias e Eucariotos

Característica Bactéria Archaea Eucariotos

Envelope nuclear Ausente Ausente Presente

Organelas envoltas por membrana Ausente Ausente Presente

Parede celular com peptodoglicano Presente Ausente Ausente

Membrana com lipídeos Hidrocarbonos Alguns hidrocarbonos Hidrocarbonos

não ramificados ramificados não ramificados

RNA polimerase De um tipo Vários tipos Vários tipos

Aminoácido iniciador Formil-metionina Metionina Metionina

da síntese proteica

Introns (sequência não Ausente Presente em Presente

codificadora dos genes) alguns genes

Sensibilidade a antibióticos Reprodução inibida Reprodução Reprodução

não inibida por não inibida por

antibióticos antibióticos

Bactérias

• Procariotos

• Parede celular com peptideoglicano

• Genoma geralmente organizado em um

único cromossomo circular

• Grande diversidade de habitats

São procariotos extremistas! Geralmente quimiotróficos

Sobrevivem em ambientes extremos, onde não há possibilidade

de vida para outros seres

-Locais com altas temperaturas =100oC (Thermus aquaticus)

-Locais com baixas concentrações ou sem oxigênio

-Locais com baixo pH

-Lagos ou mares com salinidade altíssima

-Ambientes próximos a vulcões

-Fontes de enxofre, etc.

Arqueas

Acreditava-se que Arqueas só eram capazes de sobreviver

em ambientes extremos. No entanto sabe-se hoje que algumas

Arqueas sobrevivem em ambientes normais

•Morfologicamente e metabolicamente similares a bactérias

• Sequência e organização da informação genética

semelhante a eucariotos

-DNA associado a histonas

- Genes envolvidos nos processos de transcrição e tradução

são similares a eucariotos

Arqueas

Arqueas

Lipídeos das Arqueas (1-4, 10) contém

hidrocarbonos de cadeia longa ramificada

conectados por ligações éter

A principal diferença entre Arqueas e outros

organismos está na membrana celular

Os três domínios

• Archaea e Eucarya

têm um ancestral

comum

* Apesar do nome,

Archaea não é o grupo

mais antigo

• Nenhum domínio se desenvolveu a partir do outro: os 3 domínios

evoluíram por vias diferentes a partir de um ancestral comum

A maior parte da diversidade

existente no planeta é

representada por

microorganismos

A base da árvore da vida

A base da árvore da vida

• LUCA: The Last Universal Common Ancestor

• Características: as moléculas da vida

– DNA como material genético

– Código genético

– Reações químicas complexas

– Metabolismo do DNA

– DNA-RNA-proteína

– ATP como fonte de energia

Rede da vida

• Foram identificados em genes nucleares eucariotos que

são semelhantes a genes de bactérias

• Archaea também apresentam genes bacterianos

Material genético pode ser transmitido não só

verticalmente (para a geração seguinte), mas

também horizontalmente (entre organismos de

espécies diferentes)

Transferência horizontal (ou lateral)

Rede da vida

Doolittle, F. Scientific American, fev. 2000

Projeto “Tree of life”

http://www.tolweb.org/tree/

• Objetivo: reunir informações sobre todos os organismos

existentes e as relações evolutivas entre eles

• Participação de pesquisadores de diversos países

• Informações sobre cada grupo de organismos estão dispostas

em web sites organizados hierarquicamente, formando uma

árvore

Projeto “Tree of life”

E os vírus? Onde entram nessa

história?

E os vírus ?

Os vírus não estão classificados em nenhum domínio da vida

Foram rebaixados como meros agentes químicos inertes a partir de

1935, quando o vírus do mosaico do tabaco foi cristalizado.

Observaram que consistia em um pacote de agentes bioquímicos

complexos. Faltavam sistemas de funções metabólicas

Propriedades virais

Vírus são pequenos parasitas obrigatórios

Compostos por material genético (DNA ou RNA) envolto por camada

protéica. Pode abrigar algumas proteínas virais envolvidas nas

infecções

O genoma viral dirige a síntese de componentes virais usando a

maquinaria metabólica da célula (Vírus não possuem a informação genética que

codifica a maquinaria para a síntese de proteinas (ribossomos)

Os componentes virais são montados dentro da célula e formam novas

partículas virais

Partículas virais recém formadas são veículos de transmissão de novos

genomas para novas células ou organismos

O que são vírus?

• Reprodução

• Nutrição

• Respiração

• Irritabilidade

• Movimento

• Crescimento

• Excreção

Propriedades dos organismos: De acordo com a visão clássica

Uma visão mais moderna

Vírus: seres vivos ou seres não vivos?

A vida pode ser definida em termos gerais como o fenômeno associado

com a replicação dos sistemas de informação auto codificadores

ou

Fenômeno associado com a replicação de ácidos nucleicosRybicki EP, 1996

O conceito de vírus como organismo desafia

a maneira como definimos vida

•Vírus não se movem

•Não se dividem

•Não crescem

Contudo, os vírus certamente se reproduzem,

e se adaptam a novos hospedeiros

Vírus: seres vivos ou seres não vivos?

Vírus, organismos vivos?

• Devido às suas características

estruturais, por serem

metabolicamente inertes e serem

replicados por montagem de partes

pré-formadas, ao invés de se

multiplicarem por fissão binária, os

vírus não se ajustam a nenhum dos

sistemas de classificação biológica.

Um pouco de vida• Estão no limiar entre vida e matéria inerte

• São compostos pelo mesmo tipo de proteínas e ácidos nucléicos que compõem a vida, mas precisam dela para se reproduzir

• “Vida emprestada”?

• Um enorme número de vírus se replica e sofre mutações

• Neste processo, são formados novos genes, que podem ser incorporados ao genoma do hospedeiro

• Portanto, os vírus não são matéria inanimada

“Vírus podem ser definidos como organimos

acelulares que se replicam dentro de uma

célula hospedeira usando a maquinaria

metabólica da célula para formar novas

partículas virais, que protegem e transferem o

genoma para outras células”

SE Luria, JE Darnell, D Baltimore and A Campbell (1978). General Virology, 3rd Edn. John Wiley

& Sons, New York, p2 of 578.

Qual a melhor definição de vírus?

Origem dos vírus

• A origem dos vírus na escala evolutiva ainda não é conhecida

• Nenhum fóssil viral encontrado até hoje: são muito pequenos e muito frágeis

Teorias da origem dos vírus

• Origem pré-celular

• Involução de um organismo unicelular: redução

• Origem celular

Teorias da origem dos vírus

• Origem pré-celular

Formas de vida primordiais

Argumentos contra:

- Todos os vírus são parasitas celulares

obrigatórios

• Involução de um organismo unicelular

Teoria da redução

Argumentos contra:

-Até hoje não foram encontradas formas intermediárias entre vírus e células

-Todos os outros parasitas (pertencentes aos três domínios) derivados de

células conservaram suas características celulares (Ex: ribossomos,

maquinaria para síntese de ATP)

Teorias da origem dos vírus

• Origem celular – (“a mais aceita”)

Teorias da origem dos vírus

Evolução de "restos" de células: degradação de pedaços de ácidos nucléicos

celulares que adquiriram o capsideo e envelope, deu origem aos vírus. Explicaria

a notável semelhança entre as sequências do RNA ou DNA de vírus com as

encontradas nos seres vivos

No entanto: -Como um ácido nucléico livre pode ter adquirido um capsídeo?

-Estudos de sequenciamento demonstram que a maioria das proteínas virais

não possuem similaridade (homologia) com proteínas celulares

Peças fundamentais da história da

vida

• Todos os domínios da vida podem

ser infectados por vírus

• Papel na evolução das espécies

• Trocam informações genéticas com o

hospedeiro

• Vírus podem ser latentes

• 3% do genoma humano

Partícula viral

Cada espécie de vírus apresenta virions de formato característico

• Genoma viral- DNA ou RNA. O material genético possui as informações

para a produção de novos vírus

• Capsídeo- Envoltório dos vírus. Formado por proteínas e tem a função de

proteger o genoma viral. Os capsídeos apresentam diversos

formatos, porém todos são compostos de sub-unidades proteicas

• Envelope- Alguns vírus podem ainda possuir uma membrana lipídica

contendo glicoproteínas proveniente da célula que infectam,

denominada envelope

Um pouco sobre estrutura

Estrutura viral

Ácido nucleico

RNA DNA

fita dupla fita simples fita simples

Linear circular Linear circular

Genoma viral

Os vírus são os únicos organismos

que possuem RNA como

material genético

•É formado por DNA ou RNA, de fita dupla ou simples, linear ou circular,

de polaridade positiva (senso) ou negativa (anti-senso)

•Codifica toda a informação genética necessária para a sua replicação

fita dupla

Estrutura viralCapsídeo

helical Icosaédrico

• Armazena e protege o material genético viral

helical

Estrutura viral

Icosaédrico

Capsídeos são formados de unidades

estruturais proteicas

Capsídeos

• Armazena e protege o material genético viral

Vírus não envelopados Vírus envelopados

Estrutura viral

Envelope

• Membrana lipoprotéica, originada da célula hospedeira na qual o vírus foi sintetizado

• As proteínas deste envelope podem ser de origem viral ou celular

• Protege o genoma viral contido nele e também provém o

mecanismo pelo qual o vírus invade seu próximo hospedeiro

Estrutura viral

Envelope

HIV

Todas as classes de organismos celulares

Hospedeiros virais

Procariotos Eucariotos

Arqueas Algas

Bactérias Plantas

Protozoários

Fungos

Animais

Replicação viral

1. AbsorçãoO virion se conecta a um local específico do receptor

numa célula hospedeira e se fusiona com a

membrana da célula hospedeira

2. PenetraçãoO virion penetra na membrana e o material genético

viral entra na célula hospedeira

3. LiberaçãoO ácido nucléico viral é liberado a partir da

capsídeo

Replicação viral

4. Transcrição e replicaçãoO material genético vital reprograma a célula

hospedeira para fabricar os componentes virais

5. MontagemO novo ácido nucléico e as capsídeos são montados

de maneira a formar virions completos

6. LiberaçãoOs novos virions são liberados a partir da célula

hospedeira

Replicação viral

The simplest viral life cycle

Replicação viral

Vírus com genoma

de DNA dupla fita

• Cracraft, J.; Donoghue, M. J. Assembling the Tree of Life.

Oxford University Press, USA (2004) (principalmente capítulos

1 e 4)

• Futuyma, D. J. Evolution. Sinauer Associates (2005)

(capítulo 2)

• Purves, W. K., et al. Vida. A Ciência da Biologia. Ed.

Artmed (2005) (capítulo 1 e 26)

Bibliografia

• Doolittle, F. Uprooting the Tree of Life. Scientific

American, fevereiro de 2000

Artigo para leitura

complementar