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17.21: Diversidade de Sistemas Nervosos - Biologia

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Os sistemas nervosos em todo o reino animal variam em estrutura e complexidade, conforme ilustrado pela variedade de animais mostrados na Figura 1. Outros, como águas-vivas, não têm um cérebro verdadeiro e, em vez disso, têm um sistema de células nervosas (neurônios) separadas, mas conectadas, chamado de “ rede de nervos. ” Equinodermos, como estrelas do mar, têm células nervosas agrupadas em fibras chamadas nervos.

Os platelmintos do filo Platelmintos têm um sistema nervoso central (SNC), composto por um pequeno “cérebro” e dois cordões nervosos, e um sistema nervoso periférico (SNP) contendo um sistema de nervos que se estende por todo o corpo. O sistema nervoso do inseto é mais complexo, mas também bastante descentralizado. Ele contém um cérebro, cordão nervoso ventral e gânglios (agrupamentos de neurônios conectados). Esses gânglios podem controlar movimentos e comportamentos sem entrada do cérebro. Os polvos podem ter o mais complicado dos sistemas nervosos de invertebrados - eles têm neurônios que são organizados em lobos especializados e olhos que são estruturalmente semelhantes às espécies de vertebrados.

Comparado aos invertebrados, os sistemas nervosos dos vertebrados são mais complexos, centralizados e especializados. Embora haja grande diversidade entre os diferentes sistemas nervosos dos vertebrados, todos eles compartilham uma estrutura básica: um SNC que contém o cérebro e a medula espinhal e um SNP composto de nervos sensoriais e motores periféricos. Uma diferença interessante entre os sistemas nervosos de invertebrados e vertebrados é que as cordas nervosas de muitos invertebrados estão localizadas ventralmente, enquanto as medulas espinhais dos vertebrados estão localizadas dorsalmente. Há um debate entre os biólogos evolucionistas sobre se esses diferentes planos do sistema nervoso evoluíram separadamente ou se o arranjo do plano corporal dos invertebrados de alguma forma "mudou" durante a evolução dos vertebrados.

Assista a este vídeo do biólogo Mark Kirschner discutindo o fenômeno de “inversão” da evolução dos vertebrados.

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A biodiversidade encontra a neurociência: da nave sequenciadora (Ship-Seq) à decifração da evolução paralela dos sistemas neurais na era ômic

As origens dos sistemas neurais e cérebros centralizados são uma das principais transições na evolução. Esses eventos podem ocorrer mais de uma vez ao longo de 570-600 milhões de anos. A evolução convergente dos circuitos neurais é evidente a partir de uma diversidade de estratégias adaptativas únicas implementadas por ctenóforos, cnidários, acoéis, moluscos e deuterostômios basais. Mas, uma maior integração da pesquisa em biodiversidade e neurociência é necessária para decifrar eventos críticos que levam ao desenvolvimento de funções integrativas e cognitivas complexas. Aqui, delineamos espécies de referência e abordagens interdisciplinares na reconstrução da evolução dos sistemas nervosos. Na era "ômica", agora é possível estabelecer laboratórios de genômica totalmente funcionais a bordo de navios oceânicos e realizar sequenciamento e análises em tempo real de dados em qualquer local oceânico (denominado aqui como Ship-Seq). Ao fazer isso, organismos frágeis, raros, crípticos e planctônicos, ou mesmo ecossistemas marinhos inteiros, estão se tornando acessíveis diretamente para análises experimentais e fisiológicas por ferramentas analíticas modernas. Assim, estamos agora em posição de tirar todas as vantagens dos incontáveis ​​"experimentos" que a Natureza realizou para nós no curso de 3,5 bilhões de anos de evolução biológica. Junto com o progresso na genômica computacional e comparativa, neurociência evolutiva, proteômica e biologia do desenvolvimento, uma nova imagem surpreendente está surgindo, revelando muitas maneiras de como os sistemas nervosos evoluíram. Como resultado, este simpósio oferece uma oportunidade única de revisitar velhas questões sobre as origens da complexidade biológica.

© The Author 2015. Publicado pela Oxford University Press em nome da Society for Integrative and Comparative Biology. Todos os direitos reservados. Para obter as permissões, envie um e-mail para: [email protected]

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Degenerescência em sistemas celulares

O código genético que relaciona sequências de polipeptídeos e polinucleotídeos é degenerado porque há muito mais códons tripletos do que resíduos de aminoácidos codificados. Consequentemente, um número enorme de espécies de mRNA estruturalmente distintas poderiam ser traduzidas para gerar a sequência de aminoácidos de qualquer proteína particular. Esse grau de variação estrutural pode ser considerado meramente a ponta do iceberg, particularmente se ampliarmos nossa definição de degenerescência para incluir variações nas sequências polinucleotídicas que resultam em produtos gênicos funcionalmente equivalentes. Por exemplo, agora está claro que em muitos locais ao longo da cadeia polipeptídica, a substituição de um resíduo de aminoácido por outro tem pouco efeito na conformação ou função geral da proteína. Por inferência, podemos supor que um número astronômico de diferentes sequências de aminoácidos poderia contribuir igualmente para a sobrevivência da espécie.

Está se tornando cada vez mais evidente, no entanto, que essa visão, baseada na codificação do grau de possível degenerescência nas estruturas biológicas, é relativamente estreita. Mais e mais, tornou-se evidente que muitas funções biológicas não podem ser atribuídas a componentes celulares de uma maneira um para um. Em vez disso, vários produtos gênicos contribuem para quase qualquer comportamento ou função observada, e cada gene tem potencial para efeitos pleiotrópicos.

A degenerescência pode ser encontrada em todos os níveis e na maioria dos processos encontrados nas células vivas (ver Tabela 1 para alguns exemplos). Um gene, para dar um exemplo, pode, em geral, não mais ser pensado como tendo apenas uma única sequência com extremidades e comprimento fixos. Em muitos casos, a transcrição pode começar em um número de diferentes locais de início 5 '(11), ou pode terminar em um dos vários locais 3' (12, 13), além disso, o produto transcrito pode sofrer diferentes padrões de splicing de RNA para produzir um conjunto degenerado de isoformas (14). O padrão exato de isoformas produzidas é regulado por segmentos intragênicos chamados de intensificadores de splicing. Esses elementos em um gene para a troponina cardíaca demonstram redundância funcional (15). A holoenzima de RNA polimerase que catalisa a síntese de RNA em si parece não ser uma entidade única e bem definida, mas, ao contrário, é uma população degenerada de complexos com diferentes composições de cadeias polipeptídicas (16).

Degenerescência em diferentes níveis de organização biológica

Freqüentemente, um conjunto degenerado de elementos de sequência de DNA que determina a taxa de transcrição do gene está localizado a montante, ou a jusante, ou em segmentos de codificação ou não de um gene eucariótico específico. Numerosos motivos polinucleotídicos distintos são comumente encontrados dentro desses elementos promotores e potenciadores e, em alguns casos, eles foram considerados "funcionalmente redundantes" (17-21). Em vários sistemas experimentais, os fatores de transcrição de proteínas que se ligam a essas sequências também foram encontrados para agir de forma degenerada - ou seja, fatores regulatórios individuais parecem ter funções funcionalmente sobrepostas (22-24). De forma análoga, conjuntos degenerados de motivos intramoleculares específicos demonstraram estabilizar o mRNA (25), bem como localizar seus produtos nos compartimentos celulares apropriados (26–28). A localização intracelular das moléculas de proteínas sintetizadas pelo uso desses mRNAs também se mostrou determinada por sinais degenerados, que, nesses casos, estão contidos em suas cadeias polipeptídicas (29, 30).

A própria complexidade dessas estruturas degeneradas e os mecanismos que operam para garantir que os produtos de um determinado gene sejam expressos em quantidades especificadas dentro de compartimentos especificados de certas células de um organismo parecem apoiar a pressuposição de que o gene em questão deve desempenhar um papel crucial na sobrevivência do organismo ou espécie. O fato de que tal gene freqüentemente pode ser inativado completamente sem efeito significativo no fenótipo do organismo, portanto, inicialmente foi bastante surpreendente. Uma razão para isso já foi mencionada: certos produtos gênicos formam eles próprios um conjunto degenerado com funções sobrepostas. Mesmo as proteínas sem relação aparente estrutural, fisiológica ou evolutiva podem, juntas, desempenhar papéis degenerados. Por exemplo, fasciclina, uma proteína de adesão celular encontrada na superfície de Drosófila neurônios, não tem nenhuma semelhança estrutural ou funcional óbvia com a tirosina quinase citoplasmática de Abelson produzida nos mesmos animais. Uma deleção completa do gene para qualquer uma dessas duas proteínas resulta em nenhuma anormalidade grosseira no desenvolvimento do sistema nervoso, enquanto a ausência de ambas as proteínas leva a defeitos maiores (31).


Assista o vídeo: SISTEMA NERVOSO - FISIOLOGIA - Aula. Biologia com Samuel Cunha (Dezembro 2022).