O que é célula? Quais são suas características essenciais? Tudo sobre as células

Este é o primeiro de uma série de posts com base no ebook "Essentials of Cell Biology" escrito por Clare O'Connor (Ph.D), Jill U. Adams (Ph.D) e Jennifer E. Fairman, para o site de educação da revista Nature.

1. O QUE É CÉLULA? QUAIS SÃO SUAS CARACTERÍSTICAS ESSENCIAIS?

O que são essas unidades vivas chamadas células? As células têm todos os equipamentos e conhecimentos necessários para o desempenho das funções da vida. Uma célula pode se alimentar, crescer e mudar. Ela pode realizar a manutenção necessária, reciclar peças e eliminar resíduos. Ele pode se adaptar às mudanças em seu ambiente (de acordo com as pressões evolutivas e seleção natural) e pode até mesmo se replicar.

Apesar destas semelhanças, todas as células não são iguais. Alguns são verdadeiramente auto-sustentáveis, como acontece com as bactérias unicelulares ou leveduras, enquanto outras vivem em comunidade, às vezes como parte de organismos multicelulares complexos. As células também diferem em tamanho. Embora as células possam ser muito grandes - considere um ovo de sapo, por exemplo - a maioria são pequenas demais para serem vistas a olho nu. Como efeito disso, o desenvolvimento da microscopia de luz foi essencial para a descoberta das células.

Proteínas transportadores na membrana celular
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Não se iluda por desenhos esquemáticos familiares de células ovais. Células reais são tridimensionais, é claro, e existem em uma variedade de formas intrincadas e notáveis​​. Por exemplo, uma única célula nervosa humana pode ter mais de um metro de comprimento, estendendo-se desde a sua espinha dorsal até o seu dedão do pé. Compare isso com as células que revestem o intestino delgado, que tem dezenas de pequenas projeções digitiformes, para maximizar a área de superfície através da qual os nutrientes podem passar.

1.1. AS CÉLULAS SÃO AS UNIDADES BÁSICAS DE ORGANISMOS VIVOS

Árvores em uma floresta, peixes em um rio, mutucas em uma fazenda, lêmures na selva, juncos em uma lagoa, vermes no solo - todas essas plantas e animais são feitos de blocos de construção que chamamos de células. Tal como estes exemplos, muitos seres vivos consistem em um grande número de células, em conjunto com um outras. Outras formas de vida, no entanto, são feitas de uma única célula, tais como as muitas espécies de bactérias e protozoários. As células, vivendo por conta própria ou como parte de um organismo multicelular, geralmente são muito pequenas para serem vistas sem um microscópio de luz.

Composição de uma célula bacteriana
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Células compartilham muitas características comuns, mas podem ser totalmente diferente. Na verdade, os processos evolutivos fizeram, ao longo de bilhões de anos, com que surgissem diversas células que ocorrem em uma grande variedade de "ambientes", possuindo diferentes funções. As células nervosas, por exemplo, têm, extensões longas e finas que podem chegar até várias outras células, possuindo uma função especial, que é a capacidade de transmitir sinais rapidamente. Células vegetais podem atuar como "tijolos" de uma construção, constituindo uma camada externa rígida que ajuda a fornecer o suporte estrutural que as árvores e outras plantas necessitam. Células musculares cônicas longas têm uma elasticidade intrínseca que lhes permitem alterar o comprimento e o relaxamento dos músculos.

Ainda assim, tão diferentes como estas células são, todas eles contam com as mesmas estratégias básicas para manter o exterior para fora, permitindo que as substâncias necessárias entrem e que outras saiam, mantendo a saúde, e se replicando. Na verdade, essas características são precisamente o que fazem uma célula ser uma célula, são as características essenciais.

1.2. O QUE DEFINE UMA CÉLULA?

A membrana plasmática é permeável, possibilitando a entrada de moléculas específicas que uma célula precisa. Proteínas de transporte na membrana celular atuam permitindo a passagem seletiva de moléculas específicas a partir do ambiente externo. Cada proteína de transporte, ou também chamada de proteínas transportadoras, é específico para uma molécula, e geralmente nos esquemas didáticos, elas são indicadas por cores diferentes.

As células são consideradas as unidades básicas da vida, em parte porque elas são complexas e facilmente reconhecíveis. Isso porque todas as células estão rodeadas por uma estrutura chamada membrana celular,  ou membrana plasmática, que, assim como as paredes de uma casa, serve como uma clara fronteira entre o ambiente interno e externo da célula.

As membranas celulares são baseadas em uma estrutura de moléculas à base de gordura chamadas de fosfolipídios, que impedem fisicamente substâncias hidrofílicas, que tem afinidade com a água, de entrar ou escapar da célula. Estas membranas também são ornamentados com proteínas que possuem várias funções. Algumas destas proteínas atuam como porteiras, determinando quais as substâncias podem e não podem atravessar a membrana . Outras funcionam como marcadores, identificando as moléculas que fazem parte do mesmo organismo ou como exterior. Outras ainda funcionam como elementos de fixação, fazendo com que as células se unam para que possam funcionar como uma unidade. No entanto, outras proteínas da membrana servem como comunicadores, fazendo o envio e a recepção de sinais a partir de células vizinhas e ao meio externo - seja amigável ou alarmante.

Dentro dessa membrana, o ambiente interior de uma célula é à base de água. Chamado citoplasma, este ambiente líquido está cheio de maquinaria celular e elementos estruturais. De fato, as concentrações de proteínas no interior de uma célula superam as de fora - se o lado de fora é água do mar (como no caso de uma alga unicelular) ou soro do sangue (tal como no caso de um glóbulo vermelho do sangue). Embora as membranas celulares constituem barreiras naturais em ambientes aquáticos, uma célula deve, contudo, gastar um pouco de energia para manter as altas concentrações de constituintes intracelulares necessários para a sua sobrevivência. Com efeito, as células podem utilizar até 30 por cento da sua energia apenas para manter a composição do seu citoplasma .

1.3. QUAIS SÃO OS COMPONENTES CELULARES?

Como mencionado anteriormente, o citoplasma de uma célula é o lar de numerosos elementos funcionais e estruturais. Estes elementos existem na forma de moléculas e organelas - e podemos visualizá-los como ferramentas, dispositivos, e salas interiores da célula. As principais classes de moléculas orgânicas intracelulares incluem ácidos nucleicos, proteínas, hidratos de carbono e lípidos, todos os quais são essenciais para as funções da célula.

Ácidos nucleicos são as moléculas que contêm e ajudam a expressar código genético de uma célula. Existem duas classes principais de ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (ADN ou DNA) e ácido ribonucleico (ARN ou RNA). DNA é a molécula que contém todas as informações necessárias para construir e manter a célula e o RNA tem várias funções associadas com a expressão da informação armazenada no DNA. Claro, os ácidos nucleicos por si só não são responsáveis ​​pela manutenção e a expressão de material genético: as células também utilizam proteínas para ajudar a replicar o genoma e realizar as profundas mudanças estruturais que estão subjacentes a divisão celular.

As proteínas são um segundo tipo de moléculas biológicas intracelulares. Estas substâncias são feitas a partir de cadeias de moléculas mais pequenas chamadas aminoácidos, e que realizam uma variedade de funções na célula, tanto catalítica quanto estrutural. Por exemplo, as proteínas chamadas de enzimas convertem moléculas celulares (carboidratos, lipídios, ácidos nucléicos) em outras formas que podem ajudar uma célula a satisfazer as suas necessidades de energia, construção de estruturas, ou na bomba que joga fora os resíduos.

Os hidratos de carbono, os amidos e açúcares nas células, são outros importantes tipos de moléculas orgânicas. Os carboidratos simples são utilizados para a demanda de energia imediatas da célula, enquanto carboidratos complexos servem como reservas de energia intracelulares. Hidratos de carbono complexos são também encontrados na superfície de uma célula, onde desempenham um papel crucial no reconhecimento celular.

Finalmente, as moléculas de lípidos ou gorduras são componentes das membranas celulares - tanto a membrana plasmática e várias membranas intracelulares. Eles também estão envolvidos em armazenamento de energia, bem como a transmissão de sinais dentro das células e a partir da corrente sanguínea para o interior de uma célula.

Exemplo de organelas de uma célula eucariótica. Fonte: Divulgação.

Algumas células também apresentam arranjos ordenados de moléculas chamadas organelas. Similar aos quartos em uma casa, essas estruturas são divididas fora do resto do interior da célula por sua própria membrana intracelular, como os lisossomos, complexo de Golgi, retículo endoplasmático liso e o rugoso, etc. Organelas contem equipamento altamente técnico necessário para trabalhos específicos dentro da célula. Um exemplo é a mitocôndria - vulgarmente conhecida como a "usina de energia" da célula - que é a organela que possui e mantém o maquinário envolvido nas reações químicas de produção de energia.

Mais de 70% de uma célula uma célula é água. Os restantes 30% contém proporções variadas de moléculas estruturais e funcionais.

As células podem variar entre 1 micrómetro (um) e centenas de micrómetros de diâmetro. Dentro de uma célula, uma hélice dupla de ADN possui aproximadamente 10 nanómetros (nm) de largura, enquanto que a organela celular chamada de núcleo que abrange este ADN, pode ser aproximadamente 1000 vezes maior (cerca de 10 um). Veja como é uma célula comparada ao longo de um eixo de escala relativa com outras moléculas, tecidos e estruturas biológicas (seta azul na parte inferior ). Note-se que um micrometro (um) é também conhecido como um micron.

Escala relativa das células e seus elementos.
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1.4. QUAIS SÃO AS DIFERENTES CATEGORIAS DE CÉLULAS?

Ao invés de agrupar células por seu tamanho ou forma, os cientistas normalmente as categorizam pela forma como o seu material genético está empacotado. Se o ADN dentro de uma célula não é separado do citoplasma, ou seja, se ele está disperso no citoplasma, dizem que a célula é procariota. Todos os procariotas conhecidos, tais como bactérias e archaea, são células isoladas, únicas. Em contraste, se o ADN é dissociado na sua própria sala isolado por uma membrana, temos uma organela chamada de núcleo, e então, diz-se que a célula é eucariota. Esta membrana é também chamada de carioteca, e só as células eucariotas tem, pois ela envolve o núcleo.

Alguns eucariontes, como as amebas, são de vida livre, entidades unicelulares. Outras células eucarióticas são parte de organismos multicelulares. Por exemplo, todas as plantas e animais são feitos de células eucarióticas - às vezes até trilhões delas.

Célula eucarionte à esquerda, note a presença do núcleo, DNA e organelas. Célula procarionte à direita, observe a ausência de organelas complexas e o DNA disperso sem membrana ou núcleo.
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Uma célula eucariótica (esquerda) tem de ADN delimitado por uma membrana, que forma uma estrutura chamada de núcleo (localizado no centro da célula eucariótica, observe o ADN roxo fechado no núcleo, de rosa). Uma célula eucariótica típica também tem organelas envolvidas por membranas adicionais de diferentes formas e tamanhos. Em contraste, uma célula procariótica (à direita) não têm o ADN isolado por uma membrana e também carece de outras organelas com membrana.

1.5. COMO AS CÉLULAS SE ORIGINARAM?

Pesquisadores tem uma hipótese de que todos os organismos na Terra de hoje, se originaram através de uma única célula que existia alguns 3,5-3.800.000.000 anos atrás. Esta célula original era provavelmente pouco mais que um saco de pequenas moléculas orgânicas e material como RNA, que tinham funções tanto de informação quanto catalíticas. Com o tempo, a molécula de DNA mais estável evoluiu assumindo a função de armazenamento de informação, enquanto que as proteínas, com uma maior variedade de estruturas e ácidos nucléicos , assumiram as funções catalíticas.

Conforme descrito na seção anterior, a ausência ou a presença de um núcleo - e, na verdade, de todas as organelas ligada à membrana - é importante o suficiente para ser uma característica definidora pelo qual as células são categorizadas como procariontes ou eucariontes. Os cientistas acreditam que a aparência de núcleos independentes e outras organelas representam um avanço importante na evolução das células. Mas de onde é que essas estruturas vêm? Mais de um bilhão de anos atrás, algumas células "comeram" por  acaso, alguns objetos que flutuavam no meio líquido em que existiam. Em seguida, de acordo com algumas teorias da evolução celular, uma das células primeiras células eucarióticas engoliu uma procariota, e em conjunto as duas células formaram uma relação simbiótica. Em particular, a célula engolida começou a funcionar como uma organela dentro da célula eucariótica maior, que a havia consumido. Ambos os cloroplastos e as mitocôndrias, que existem em células eucarióticas modernas e ainda mantêm seus próprios genomas, são pensados ​​que podem ter surgido dessa maneira.

As mitocôndrias e cloroplastos provavelmente evoluíram a partir de procariontes engolidos que viviam como organismos independentes. Em algum momento, uma célula eucariótica engoliu um procarionte aeróbico, que então formaram uma relação endossimbiótica com o eucarionte hospedeiro, desenvolvendo-se gradualmente em uma mitocôndria. As células eucarióticas contendo mitocôndrias então engoliram procariontes fotossintéticos, que evoluiu se tornando organelas cloroplastos especializados.

Esquema da origem das mitrocôndrias e cloroplastos
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Naturalmente, as células procariotas continuaram a evoluir. Diferentes espécies de bactérias e archaea se adaptaram a ambientes específicos, e esses procariontes não apenas sobreviveram, mas prosperaram sem ter seu material genético em seu próprio compartimento. Por exemplo, certas espécies de bactérias que vivem em fontes hidrotermais ao longo do fundo do oceano podem suportar temperaturas mais elevadas do que quaisquer outros organismos na Terra.

CONCLUSÃO

As células são o menor denominador comum da vida. Algumas células são organismos em si mesmos; outros são parte de organismos multicelulares. Todas as células são feitas a partir das mesmas classes principais de moléculas orgânicas: ácidos nucleicos, proteínas, hidratos de carbono e lípidos. Além disso, as células podem ser colocadas em duas categorias principais, como resultado de eventos evolutivos antigos: procariotas, com os seus genomas citoplasmáticos, e eucariotas, com o seu genoma nuclear encaixado e outras organelas isoladas por membrana. Embora sejam pequenas, as células têm evoluído em uma grande variedade de formas e tamanhos. Juntas, elas formam os tecidos, que formam os órgãos, que formam os sistemas e por vez constituem vários organismos "complexos".

Fonte: Ebook Content of Essentials of Cell Biology, Nature Education.