A Célula – A Unidade Básica De Todos Os Seres Vivos

Como indica o título – a célula é a unidade básica de qualquer organismo vivo.

Ou seja, todos os organismos vivos são constituídos por células, sejam muitas (organismos multicelulares), como o ser humano, ou apenas uma (organismos unicelulares), como bactérias, leveduras e algumas algas (para os que já sabem mais: o vírus pode ou não ser um organismo vivo – é discutível 😉  falarei deles noutra altura).

Esta unidade básica é, salvo algumas exceções, microscópica, o que significa que não se consegue ver a olho nu, apenas com recurso a um microscópio. O ovo é um óptimo exemplo de uma célula visível a olho nu. Uma das razões porque esta célula é tão extraordinariamente maior que a maioria das outras é que tem de conter dentro de si todos os nutrientes necessários ao desenvolvimento de um novo ser (é um gâmeta feminino, a célula sexual feminina que, quando fundida com a masculina formam um novo ser). Nos mamíferos o “ovo” (o ovócito) é muito mais pequeno, porque não precisa de conter tantos nutrients, visto que o embrião vai receber os nutrientes que precisa através da placenta e do cordão umbilical. [1

De um modo geral, a célula é constituída por uma série de estruturas de diferentes complexidades, em termos de organização. Ou seja, como se pode ver na Figura 1, uma série de átomos está organizada numa molécula, grupos de moléculas podem estar organizados numa macromolécula, como uma proteína (das quais falarei melhor mais tarde), grupos destas macromoléculas podem estar organizados em complexos moleculares, que, por sua vez, podem estar organizados em organelos (“órgãos” da célula, como o núcleo, dos quais falarei mais tarde) [2].

Todas as células vivas são delimitadas por uma membrana celular, que contem os seus componentes. Dentro desta membrana há, em qualquer célula, pelo menos, um genoma (constituído por ácido desoxirribonucleico, mais conhecido como DNA) e ribossomas (necessários para a  interpretação do genoma), que “flutuam” no citosol (um gel, constituído principalmente por água), formando o citoplasma [3].

Figura 1 – Níveis de organização biológica. Para formar um organismo é necessário passar por vários níveis de organização. Ou seja, um átomo é constituído por várias partículas subatómicas associadas entre si, uma molécula é constituída por vários átomos associados entre si, e assim em diante. Imagem de [4]

Há dois “tipos” de células que se distinguem pelas de estruturas que possuem: as células procarióticas e as células eucarióticas. Estes dois tipos de células partilham muitas características, incluindo características estruturais, vias metabólicas semelhantes e linguagem genética idêntica (mais tarde falarei do código genético).

O facto de partilharem muitas características é uma das razões porque é geralmente aceite a noção de que os organismos eucariotas evoluíram a partir dos procariotas [2, 5].

No entanto, têm diferentes complexidades e formam estruturas diferentes como será explicado nas próximas duas secções.

 

Procariotas:

Os procariotas dividem-se em dois Domínios da vida (classificação taxonómica que compreende maior numero de seres vivos, representado na Figura 2.), como se pode ver na Figura 3: o Bacteria, onde se encontram as bactérias mais comuns, que se desenvolvem numa grande gama de ambientes, e o Archaea, onde se encontram a maior parte das bactérias extremofilas (que vivem em condições extremas, como nascentes de enxofre, onde as temperaturas são elevadas, à volta dos 80ºC e o pH é baixo, à volta de 2, ou seja, bastante ácido) [6].

Figura 2- Grupos taxonómicos. A taxonomia classifica e organiza os seres vivos agrupando-os com base nas suas características comuns. Da classificação menos específica para a mais específica a vida está organizada em Domínios, Reinos, Filos, Classes, Ordens, Familias, Géneros e Espécies. Imagem de [7].

As células procarióticas são, geralmente, menos complexas que as eucarióticas, na medida em que não apresentam nenhum organelo (componentes celulares delimitados por uma membrana), nomeadamente o núcleo, que normalmente envolve o DNA, e as mitocôndrias, que fornecem a maior parte da energia à célula onde se encontram.

Figura 3 - Árvore filogenética que representativa dos 3 Domínios da vida. Mostra, também, que os Domínios Bacteria e Archaea são constituídos por organismos procariotas e que o Domínio Eukaria é constituído por todos os eucariotas. Imagem de [4]

Figura 3 – Árvore filogenética que mostra os 3 Domínios da vida. Mostra, também, que os Domínios Bacteria e Archaea são constituídos por organismos procariotas e que o Domínio Eukaria é constituído por todos os eucariotas. Imagem de [8]

Como se pode ver na Figura 4, são constituídas por ribossomas, uma membrana celular, um citoplasma e um nucleóide (mais tarde explicarei as funções destes componentes celulares com maior detalhe). Com a exceção dos micoplasmas (um Género específico de bactérias) e as formas L. (determinadas espécies e estirpes de bactérias, denominadas desta forma por terem algumas características em comum), todas as bactérias possuem, também, uma parede celular (uma estrutura rígida que protege a célula). Algumas têm, ainda, uma cápsula que as envolve na sua totalidade, constituída por polissacáridos, e/ou outras estruturas, como os flagelos (para locomoção) e os Pili (para troca de material genético com outras bactérias). [2, 3]

A grande generalidade dos seres vivos procariotas é unicelular e pode associar-se em colónias, mas muito raramente se podem considerar organismos multicelulares (há apenas algumas colónias que podem, discutivelmente, ser chamadas de organismos multicelulares). Para que uma colónia de células (procariotas ou eucariotas) seja considerada um organismo multicelular é necessário que cumpra quatro requisitos: as células têm de se manter juntas (com mecanismos de adesão); têm de comunicar entre si, de modo a reagirem a estímulos que afetem todo o corpo; devem depender umas das outras para sobreviver; e, por fim, devem apresentar diferenciação, ou seja, deve haver células especializadas em determinadas tarefas de tal forma que não consigam voltar ao estado inicial (não podem, naturalmente, voltar ao estado pluripotente, em que se podem diferenciar em outras células do organismo) [9].

Figura 4 - Constituição de uma célula procariótica genérica. Possuem uma parede celular, uma membrana plasmática, ribossomas, citoplasma e um nucleóide. Algumas ainda têm outras estruturas, como flagelos, pili e uma cápsula. Imagem de [8]

Figura 4 – Constituição de uma célula procariótica genérica. Possuem uma parede celular, uma membrana plasmática, ribossomas, citoplasma e um nucleóide. Algumas ainda têm outras estruturas, como flagelos, pili e uma cápsula. Imagem de [10]

 

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Eucariotas:

Dentro do grupo dos eucariotas estão agrupados todos os animais, fungos e plantas (ou seja, os Reinos Animalia, Fungi e Plantae), mas estes não são os únicos eucariotas. Neste grupo estão também incluídos os protozoários (do Reino Protozoa, que basicamente são animais unicelulares [11]) e o Reino Chromista (que é maioritariamente composto por organismos fotossintéticos, como o kelp, na Figura 5) [12]. Todos juntos, estes Reinos formam o Domínio Eukarya, onde estão todos os eucariotas (Figura 2).

Figura 5 - Fotografia de uma espécie de Kelp. Estas algas gigantes, presentes na costa da Nova Zelândia não são plantas, mas sim chromistas. Imagem de [2]

Figura 5 – Fotografia de uma espécie de Kelp. Estas algas gigantes, presentes na costa da Nova Zelândia não são plantas, mas sim chromistas. Imagem de [13]

 

Como se pode deduzir da secção anterior, as células eucarióticas são, de um modo geral, mais complexas e maiores que as procarióticas, contendo componentes mais especializados e complexos (em estrutura e função). Estes componentes incluem: o núcleo, as mitocôndrias, o complexo de Golgi, os retículos endoplasmáticos, lisossomas, peroxissomas, plástidos (como os cloroplastos) e vacúolos, ou seja os organelos. Para além disso, contêm também ribossomas (que são diferentes dos ribossomas procarióticos), membrana plasmática, citoplasma e muitos outros componentes [2, 14] (Figura 6). As células de plantas e as de alguns fungos são também envolvidas por uma parede celular rígida, que garante a sua forma e as protege. Algumas podem também ter flagelos ou cílios para locomoção e outras funções.

Figura 6 - Representação simplificada de uma célula eucariótica. Imagem de [8].

Figura 6 – Representação simplificada de uma célula eucariótica. Imagem de [10].

Por exemplo, algumas células do ser humano apresentam cílios à sua superfície (daí se chamarem células ciliadas, representadas na Figura 7), mas, como devem imaginar, não servem para locomoção. No sistema respiratório estes cílios têm como função expelir o muco dos pulmões e da garganta, empurrando-o para a boca e nariz. [15] Estas células existem também noutros tecidos, mas têm outras funções.

Figura 7 - Cílios em movimento. Esta figura mostra os cílios à superfície de uma célula a movimentar-se. Imagem de [6]

Figura 7 – Cílios em movimento. Esta figura mostra os cílios à superfície de uma célula a movimentar-se. Imagem de [15]

As células ciliadas são um exemplo das células altamente especializadas, que não conseguem voltar ao estado pluripotente (como as células estaminais) que formam um organismo multicelular. Elas dependem de todo o organismo do ser humano para sobreviver: precisam das células dos pulmões para terem acesso ao oxigénio; precisam do sistema digestivo para receberem nutrientes e, em conjunto com o sistema urinário, expelirem os produtos do seu metabolismo que lhes são prejudiciais, etc. Para além disso, são capazes de comunicar com outras células em volta de várias formas: com as do sistema imunitário através dos complexos de histocompatibilidade, umas com as outras quando são infetadas com vírus, através da libertação de moléculas como o interferão-gamma (serve para “avisar” as outras células em seu redor do perigo, de modo a que elas possam entrar num estado antiviral), entre muitas outras formas de comunicação.

Organelos e componentes celulares:

Como já se pôde ver, as células são constituídas por uma variedade muito grande de componentes para, como devem imaginar, realizar uma série de funções que permitem a sua sobrevivência. Há seres vivos em todo o tipo de ambientes no planeta Terra e vou falar de forma generalizada dos componentes mais genéricos (num contexto mais adequado falarei de outros componentes e detalhes que, para já, não são muito relevantes).

Membrana plasmática

Um dos principais componentes da célula, a membrana celular (Figura 8), tem uma grande quantidade de funções, e a sua composição específica varia em cada espécie de modo a acomodar as necessidades da espécie. No entanto, há algumas funções que são gerais a todas as espécies. Consiste de uma bicamada de fosfolípidos, moléculas com uma parte hidrofóbica e uma hidrofílica que, quando dispostas lado a lado (processo que ocorre naturalmente, sem gasto de energia para a célula), formam uma barreira semipermeável. É semipermeável porque é permeável a pequenas moléculas (como a água, processo denominado osmose), gases (como o oxigénio), mas restringe a difusão de moléculas carregadas, como iões, e moléculas grandes, como açucares. Garantindo que a composição interna da célula seja mais ou menos constante, de modo a que se possam dar todas as reações necessárias ao funcionamento da célula.

Figura 8 - Membrana plasmática. Esquema representativo da membrana plasmática, apresentando a complexa composição da mesma, com vários tipos diferentes de proteínas e lípidos, como o colesterol. Nos procariotas o colesterol não está presente. Imagem de [7].

Figura 8 – Membrana plasmática. Esquema representativo da membrana plasmática, apresentando a complexa composição da mesma, com vários tipos diferentes de proteínas e lípidos, como o colesterol. Nos procariotas o colesterol não está presente. Imagem de [16].

Os açucares e iões também são essenciais para a célula mas a sua passagem pela membrana (chamada difusão) é controlada. Para isso, a membrana está “salpicada” de estruturas chamadas proteínas, que permitem ou facilitam a passagem destes componentes e transmitem sinais para o interior da célula, para que esta possa reagir a estímulos, etc.

Parede Celular

A parede celular constitui mais uma camada envolvente de muitas células. Pode ter muitas constituições e diferentes estruturas, dependendo do organismo. Tipicamente, procariotas têm uma parede celular constituída por peptidoglicano, mas a das células de plantas já é constituída por celulose. As células animais, tipicamente, não têm parede celular, ao contrário das células de fungos, plantas e a maior parte das células procarióticas.
Em bactérias, a parede celular pode ser impermeável a determinadas substâncias, podendo estar envolvida, por exemplo, em algumas resistências a antibióticos.

Genoma

O genoma de uma célula é, de forma simples, a blueprint da célula, o projeto que contem a informação sobre tudo o que a célula precisa e que é passada de geração em geração. É constituído por macromoléculas de ácido desoxirribonucleico (o famoso DNA) que codifica toda esta informação com diferentes sequencias de quatro moléculas, os nucleótidos: Adenina (A), Guanuna (G), CItosinia (C) e Timina (T), formando genes (constituídos por centenas ou mesmo milhares de nucleótidos) (Figura 9).

Figura 9 - Representação da cadeia de DNA. Imagem de [5]

Figura 9 – Representação da cadeia de DNA. Imagem de [17]

Nos procariotas, esta cadeia de nucleótidos está organizada, geralmente, numa só molécula circular, o cromossoma bacteriano, que se encontra na região central da célula, chamada de nucleoide. Os eucariotas têm várias destas moléculas, cada uma chamada de cromossoma (os humanos têm 23 pares de cromossomas, na (Figura 10)) que estão protegidas pelo núcleo, um organelo que consiste de uma membrana porosa.

Figura 10 - Cariograma do ser humano. O cariograma representa o cariótipo do ser humano, ou seja, o número e forma de cada cromossoma. Nos humanos, como somos diploides, temos 23 pares de cromossomas (outros organismos podem ter um número de cromossomas diferente). Um espermatozoide humano, sendo uma célula haploide tem apenas 23 cromossomas. O cromossoma sexual define o sexo: XY corresponde a um homem e XX a uma mulher. Imagem de: [10].

Figura 10 – Cariograma do ser humano. O cariograma representa o cariótipo do ser humano, ou seja, o número e forma de cada cromossoma. Nos humanos, como somos diploides, temos 23 pares de cromossomas (outros organismos podem ter um número de cromossomas diferente). Um espermatozoide humano, sendo uma célula haploide tem apenas 23 cromossomas. O cromossoma sexual define o sexo: XY corresponde a um homem e XX a uma mulher. Imagem de: [18].

Algumas células também têm outras moléculas de DNA, como os plasmídeos, moléculas circulares mais pequenas que, muitas vezes, estão na origem de resistências a antibióticos e são usadas em engenharia genética para dar novas capacidades a uma célula (mais tarde falarei do DNA com maior detalhe e explicarei estas variações e as suas funções).

Figura 9 – Ilustração cómica do que se pensa muitas vezes ser a engenharia genética. Estão representados literalmente: o peixe-gato, o tubarão-tigre e o percevejo (em inglês é “bed bug” = “bicho cama”). =P Obrigado a B. Gonzalez por me deixar usar o seu cartoon. Podes ver mais cartoons dele aqui.

Figura 9 – Ilustração cómica do que se pensa muitas vezes ser a engenharia genética. Estão representados literalmente: o peixe-gato, o tubarão-tigre e o percevejo (em inglês é “bed bug” = “bicho cama”). =P Obrigado a B. Gonzalez por me deixar usar o seu cartoon. Podes ver mais cartoons dele aqui.

Ribossomas

Estes complexos proteicos são essenciais à interpretação dos genes, descodificando as sequencias de nucleótidos e transformando-as em proteínas (os dos procariotas e dos eucariotas são ligeiramente diferentes).

Organelos

Os organelos são estruturas celulares delimitadas por uma membrana, constituindo outro compartimento dentro das células. O núcleo está incluído nesta categoria, só não fiz uma secção só para ele por já ter falado das principais funções do mesmo ao longo desta introdução (contém o DNA e a sua parede controla o fluxo de substâncias do exterior para o interior e vice-versa).

Reticulo endoplasmático

Organelo responsável pela produção de todas as proteínas de membrana e os lípidos das membranas presentes nas células. Basicamente é uma fábrica de membranas, envolvendo as proteínas e lípidos, marcados com determinados sinais, numa membrana lipídica semelhante à plasmática. Estas substâncias são depois são transportadas até à membrana celular ou de qualquer outro organelo e incorporadas na mesma (transmembranares) ou libertadas para fora da célula (proteínas solúveis em água). [20]

Mitocôndrias e cloroplastos

As mitocôndrias e os cloroplastos são, basicamente, as fábricas de energia das células eucarióticas. Os cloroplastos permitem a produção de energia através da luz solar (só estão presentes em plantas, chromistas e protistas) e as mitocôndrias através do oxigénio. Sem estas estruturas qualquer célula pode produzir energia por outras vias metabólicas, como a fermentação láctica e a glicose, que em conjunto, são todo o processo de degradação da glucose (um açúcar) em ácido láctico (que é prejudicial à célula e tem de ser excretado). Estas outras vias são menos eficientes que a respiração aeróbia (feita pela mitocôndria) ou que a fotossíntese (feita pelo cloroplasto).

É geralmente aceite que as mitocôndrias e os cloroplastos tenham evoluído de organismos procariotas internalizados por outra célula, até porque eles têm o seu próprio genoma e replicam-se independentemente da célula. Sendo benéfica para a célula, estabeleceu-se uma relação de simbiose (endossimbiose, “endo”=dentro), em que o percursor da mitocôndria ou do cloroplasto produzia energia para a célula eucariótica e esta lhe fornecia nutrientes.

Aparelho de Golgi

É o organelo responsável pela modificação, empacotamento e distribuição das proteínas para diferentes partes da célula, incluindo para o exterior da mesma, dentro de vesículas (pequenas bolsas) de membrana.

Lisossomas e peroxissomas

Basicamente são vesículas membranares que contêm vários tipos de proteínas responsáveis por diversas reações químicas. Nos lisossomas as reações são de degradação do que se encontra dentro deles, ou seja, são “organelos digestivos”.

Os peroxissomas foram identificados inicialmente como organelos responsáveis por reações de oxidação, resultando em peroxido de hidrogénio. Agora sabe-se que também estão envolvidos na biossíntese de lípidos e que contêm, pelo menos, 50 enzimas diferentes no seu interior, que catalisam uma série de reações diferentes.

Se estás a pensar que as células são complexas, imagina agora que um ser humano é constituído por  milhões de células eucarióticas e contém dentro de si organismos procarioticos e eucarióticos que sobrevivem dentro de nós e até podem ser benéficos [1920].

Para unidades básicas, são bem complexas não achas? Mas ainda há muito para saber sobre elas. =)

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Referências

  1. Alberts, B., et al., Eggs, in Molecular Biology of the Cell. 4th edition. 2002, Garland Science: New York.
  2. Karp, G., Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments. 7th ed. 2013, United States of America: John Wiley and Sons.
  3. Araújo, J. Células Procarióticas. Biologia I 2002 [cited 2016.
  4. Ryan, K. Organization of the Human Body Lecture Notes: Outcomes 1.3 and 1.6. 2015 [cited 2016; Available from: http://slideplayer.com/slide/6374053/.
  5. Caldwell, R. Understanding evolution: From procaryotes to eukaryotes. 2008; Available from: http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/_0/endosymbiosis_03.
  6. Cooper, G.M., The Origin and Evolution of Cells, in The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. 2000.
  7. Taxonomic rank. 2016 [cited 2016; Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/Taxonomic_rank.
  8. Dendroaspis Polylepis: The Black Mamba – Classification. 2007; Available from: bioweb.uwlax.edu.
  9. Gould, S.E., Bacteria with bodies – multicellular prokaryotes, in Lab Rat2011, Scientific American.
  10. Shmoop Editorial Team. Prokaryotic Cell Structure And Function. 2008; Available from: http://www.shmoop.com/biology-cells/prokaryotic-cells.html.
  11. Yaeger, R.G., Protozoa: Structure, Classification, Growth, and Development, in Medical Microbiology, S. Baron, Editor. 1996: Galveston (TX).
  12. Gordon, D., Kingdom Chromista in New Zealand. Water & Atmosphere, 2007. 15(4).
  13. Macrocystis Pyrifera Extract. Available from: https://www.truthinaging.com/ingredients/macrocystis-pyrifera-extract.
  14. Lodish, H., et al., Organelles of the Eukaryotic Cell, in Molecular Cell Biology.
  15. Ciliopathy Alliance. Structure and Function of Cilia: What are cilia? 2014 [cited 2016; Available from: http://www.ciliopathyalliance.org/cilia/structure-and-function-of-cilia.html.
  16. Biological membrane. 2013; Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/Biological_membrane.
  17. Pass My Exam. DNA – DeoxyriboNucleic Acid. Biology 2016; Available from: http://www.passmyexams.co.uk/GCSE/biology/structure-of-dna-molecule.html.
  18. Swafford, A.L. Karyotype: Definition, Disorders & Analysis. Available from: http://study.com/academy/lesson/karyotype-definition-disorders-analysis.html.
  19. Gonzalez, B. THIS COULD HAPPEN! 2010; Available from: https://oddboxcomics.com/2010/12/27/useful-scientific-discoveries/.
  20. Alberts, B., et al., The Endoplasmic Reticulum, in Molecular Biology of the Cell. 4th edition. 2002, Garland Science: New York. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26841/.

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