Árvores em uma floresta, peixes em um rio, lêmures na selva, canas em um lago, vermes no solo – todas estas plantas e animais são feitas dos blocos de construção que chamamos de células. Como estes exemplos, muitos seres vivos consistem em um grande número de células que trabalham em conjunto umas com as outras. Outras formas de vida, entretanto, são feitas de uma única célula, como as muitas espécies de bactérias e protozoários. As células, quer vivendo sozinhas ou como parte de um organismo multicelular, são geralmente pequenas demais para serem vistas sem um microscópio.
As células compartilham muitas características comuns, mas podem parecer muito diferentes. De fato, as células se adaptaram durante bilhões de anos a uma grande variedade de ambientes e papéis funcionais. As células nervosas, por exemplo, têm extensões longas e finas que podem chegar a metros e servir para transmitir sinais rapidamente. As células de plantas em forma de tijolo, de encaixe estreito, têm uma camada externa rígida que ajuda a fornecer o suporte estrutural que as árvores e outras plantas necessitam. As células musculares longas e afiladas têm uma elasticidade intrínseca que lhes permite mudar de comprimento dentro dos bíceps de contração e relaxamento.
Ainda assim, por mais diferentes que estas células sejam, todas elas contam com as mesmas estratégias básicas para manter o exterior fora, permitir a entrada de substâncias necessárias e permitir que outros saiam, manter sua saúde e se reproduzam. Na verdade, estas características são precisamente o que faz de uma célula uma célula.
O que define uma célula?
Uma membrana de plasma é permeável a moléculas específicas que uma célula necessita. As proteínas de transporte na membrana celular permitem a passagem seletiva de moléculas específicas a partir do ambiente externo. Cada proteína de transporte é específica para uma molécula cerciana (indicada pelas cores correspondentes). https://www.nature.com/
As células são consideradas as unidades básicas da vida em parte porque vêm em embalagens discretas e facilmente reconhecíveis. Isso porque todas as células são cercadas por uma estrutura chamada membrana celular – que, assim como as paredes de uma casa, serve como uma clara fronteira entre o ambiente interno e externo da célula. A membrana da célula é às vezes também chamada de membrana de plasma.
As membranas celulares são baseadas em uma estrutura de moléculas à base de gordura chamada fosfolípidos, que fisicamente impedem a entrada ou a fuga de substâncias que amam a água ou hidrofílicas da célula. Estas membranas também são cravejadas com proteínas que servem a várias funções. Algumas dessas proteínas atuam como guardiãs, determinando quais substâncias podem e não podem atravessar a membrana. Outras funcionam como marcadores, identificando a célula como parte de um mesmo organismo ou como estranha. Outras ainda funcionam como fixadores, unindo as células para que elas possam funcionar como uma unidade. Ainda outras proteínas de membrana servem como comunicadores, enviando e recebendo sinais de células vizinhas e do ambiente – sejam elas amigáveis ou alarmantes (Figura 1).
Dentro desta membrana, o ambiente interior de uma célula é à base de água. Chamado de citoplasma, este ambiente líquido é embalado cheio de máquinas celulares e elementos estruturais. Na verdade, as concentrações de proteínas dentro de uma célula superam em muito as do exterior – quer o exterior seja água do oceano (como no caso de uma alga unicelular) ou soro sanguíneo (como no caso de um glóbulo vermelho). Embora as membranas celulares formem barreiras naturais em ambientes aquosos, uma célula deve, no entanto, gastar bastante energia para manter as altas concentrações de constituintes intracelulares necessárias para sua sobrevivência. De fato, as células podem usar até 30% de sua energia apenas para manter a composição de seu citoplasma.
Que outros componentes as células têm?
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 – imagine-os como ferramentas, aparelhos e salas internas da célula. As principais classes de moléculas orgânicas intracelulares incluem ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos e lipídios, todos essenciais para as funções da célula.
Os ácidos nucleicos são as moléculas que contêm e ajudam a expressar o código genético de uma célula. Existem duas classes principais de ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA). O DNA é a molécula que contém todas as informações necessárias para construir e manter a célula; o RNA tem vários papéis associados à expressão das informações armazenadas no DNA. Naturalmente, os ácidos nucléicos por si só não são responsáveis pela preservação e expressão do material genético: As células também utilizam proteínas para ajudar a replicar o genoma e realizar as profundas mudanças estruturais que estão na base da divisão celular.
As proteínas são um segundo tipo de molécula orgânica intracelular. Estas substâncias são feitas de cadeias de moléculas menores chamadas aminoácidos, e servem a uma variedade de funções na célula, tanto catalíticas quanto estruturais. Por exemplo, proteínas chamadas enzimas convertem moléculas celulares (sejam proteínas, carboidratos, lipídios ou ácidos nucléicos) em outras formas que podem ajudar uma célula a satisfazer suas necessidades energéticas, construir estruturas de suporte ou bombear resíduos.
Os carboidratos, os amidos e açúcares nas células, são outro tipo importante de molécula orgânica. Carboidratos simples são utilizados para as demandas energéticas imediatas da célula, enquanto os carboidratos complexos servem como armazéns de energia intracelular. Os carboidratos complexos também são encontrados na superfície de uma célula, onde desempenham um papel crucial no reconhecimento da célula.
Finalmente, lipídios ou moléculas de gordura são componentes das membranas celulares – tanto a membrana plasmática quanto várias membranas intracelulares. Elas também estão envolvidas no armazenamento de energia, assim como na transmissão de sinais dentro das células e da corrente sanguínea para o interior de uma célula (Figura 2).
Algumas células também apresentam arranjos ordenados de moléculas chamadas organelas. Semelhantes aos quartos de uma casa, estas estruturas são separadas do resto do interior de uma célula por sua própria membrana intracelular. As organelas contêm equipamento altamente técnico necessário para trabalhos específicos dentro da célula. Um exemplo é a mitocôndria – comumente conhecida como a “planta de energia” da célula – que é a organela que mantém e mantém as máquinas envolvidas nas reações químicas produtoras de energia (Figura 3).
A maior parte de uma célula é água (70%). Os 30% restantes contêm proporções variáveis de moléculas estruturais e funcionais. https://www.nature.com/
As células podem variar entre 1 micrômetro (μm) e centenas de micrômetros de diâmetro. Dentro de uma célula, uma hélice dupla de DNA tem aproximadamente 10 nanômetros (nm) de largura, enquanto a organela celular chamada núcleo que encerra este DNA pode ser aproximadamente 1000 vezes maior (cerca de 10 μm). Veja como as células se comparam ao longo de um eixo de escala relativa com outras moléculas, tecidos e estruturas biológicas (seta azul no fundo). Note que um micrômetro (μm) também é conhecido como um micrômetro. https://www.nature.com/
Quais são as diferentes categorias de células?
Ao invés de agrupar células por seu tamanho ou forma, os cientistas tipicamente as categorizam pela forma como seu material genético é embalado. Se o DNA dentro de uma célula não é separado do citoplasma, então essa célula é um procariote. Todos os procariotas conhecidos, tais como bactérias e arquebactérias, são células únicas. Em contraste, se o DNA for separado em sua própria sala ligada à membrana chamada núcleo, então essa célula é um eucariote. Alguns eucariotas, como as amebas, são entidades unicelulares e de vida livre. 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 (Figura 4).
Como se originaram as células?
Os pesquisadores supõem que todos os organismos da Terra de hoje têm origem em uma única célula que existia há cerca de 3,5 a 3,8 bilhões de anos. Esta célula original era provavelmente pouco mais do que um saco de pequenas moléculas orgânicas e material semelhante ao RNA que tinha funções tanto informativas quanto catalíticas. Com o tempo, a molécula de DNA mais estável evoluiu para assumir a função de armazenamento de informações, enquanto as proteínas, com uma maior variedade de estruturas do que os ácidos nucléicos, assumiram as funções catalíticas.
Como descrito na seção anterior, a ausência ou presença de um núcleo – e de fato, de todas as organelas ligadas a membranas – é suficientemente importante para ser uma característica definidora por meio da qual as células são categorizadas como procariotas ou eucariotas. Os cientistas acreditam que o aparecimento de núcleos autocontidos e outras organelas representa um grande avanço na evolução das células. Mas de onde vieram estas estruturas? Há mais de um bilhão de anos, algumas células “comiam” engolindo objetos que flutuavam no ambiente líquido em que existiam. Então, de acordo com algumas teorias da evolução celular, uma das primeiras células eucarióticas engoliu um procariote, e juntas as duas células formaram uma relação simbiótica. Em particular, a célula engolfada começou a funcionar como uma organela dentro da célula eucariótica maior que a consumia. Pensa-se que tanto os cloroplastos como as mitocôndrias, que existem nas células eucarióticas modernas e ainda retêm seus próprios genomas, surgiram desta forma (Figura 5).
Mitocôndrias e cloroplastos provavelmente evoluíram de prokariotas engolfados que uma vez viveram como organismos independentes. Em algum momento, uma célula eucariótica engolfou um procariote aeróbico, que então formou uma relação endosibiótica com o eucariote hospedeiro, desenvolvendo-se gradualmente em uma mitocôndria. Células eucarióticas contendo mitocôndrias então engoliram procariotas fotossintéticas, que evoluíram para se tornarem organelas cloroplásticas especializadas.
Naturalmente, as células procarióticas também continuaram a evoluir. Diferentes espécies de bactérias e arcaias adaptaram-se a ambientes específicos, e estes procariotas não só sobrevivem como prosperam sem ter seu material genético em seu próprio compartimento. Por exemplo, certas espécies de bactérias que vivem em respiradouros térmicos ao longo do fundo do oceano podem suportar temperaturas mais altas do que qualquer outro organismo na Terra.
Conclusão
As células são o menor denominador comum da vida. Algumas células são organismos para si mesmas; outras são parte de organismos multicelulares. Todas as células são feitas das mesmas classes principais de moléculas orgânicas: ácidos nucléicos, proteínas, carboidratos e lipídios. Além disso, as células podem ser colocadas em duas categorias principais como resultado de eventos evolutivos antigos: procariotas, com seus genomas citoplasmáticos, e eucariotas, com seus genomas nucleares e outras organelas ligadas a membranas. Embora sejam pequenas, as células evoluíram para uma grande variedade de formas e tamanhos. Juntas, elas formam tecidos que formam órgãos e, eventualmente, organismos inteiros.