Biologia Celular: O Estudo das Células

A Biologia celular ou citologia (derivada do grego kytos, célula, e logos, estudo) é o estudo das células. Uma célula é a menor unidade viva de um organismo, servindo para diferenciar um ser vivo de um ser não-vivo, sendo a unidade básica de formação de seres vivos. Alguns são dotados de apenas uma célula, denominados unicelulares (como bactérias, protozoários e alguns tipos de algas e fungos) e outros, a maioria, possuem diversas células, denominados pluricelulares (nesta categoria entram os animais, plantas e outros tipos de algas e fungos).

Com a criação dos microscópios, necessários para a observação das células, tornou-se possível a criação da Teoria Celular, que possui algumas premissas básicas, sendo as principais:

  1. Todo ser vivo é formado por células
  2. A célula é a menor unidade de vida
  3. Uma célula pode apenas se originar de outra já existente
  4. É no interior da célula que acontecem atividades essenciais para a vida

Uma prova para a Teoria Celular seria a existência dos vírus. Vírus são criaturas acelulares, ou seja, não possuem células. Mas, para realização de suas atividades vitais eles precisam hospedar-se dentro das células de outros seres vivos, sendo parasitas obrigatórios. Isso prova o ponto 4 citado acima.

Várias células se reproduzindo
A célula é a menor unidade viva de um organismo

Do que uma Célula é Composta?

A célula é composta por diversas substâncias orgânicas e inorgânicas. Em sua maioria, cerca de 80% da célula é composta por água. E para que ela serve? A água tem várias funções dentro da célula, entre elas transporte de substâncias dentro e fora da célula, regulação térmica, atua como solvente de substâncias, e é onde ocorrem as reações químicas e o metabolismo celular. 

A outra substância inorgânica das células são os sais minerais. Como a célula é um meio aquoso (composto em sua maioria por água), os sais minerais estão presentes na forma de íons (cátions e ânions), como sódio (Na+), potássio (K+), cálcio (Ca+2), magnésio (Mg+2), fosfato (PO4-3), cloreto (Cl-), entre outros.

Apesar de estarem disponíveis nas células, o ser vivo não consegue produzir esses sais minerais, sendo preciso retirá-los dos alimentos. Os sais minerais atuam diretamente no metabolismo celular, sendo responsáveis por diversas funções, sendo as principais:

  • Cálcio: o cálcio é o mineral em maior quantidade nos organismos, atuando na formação de ossos e tecidos, além da coagulação do sangue, contração muscular, liberação de hormônios e controla a permeabilidade da membrana. A principal fonte de cálcio é o leite;
  • Ferro (Fe+2 e Fe+3): O ferro também é indispensável e participa do processo de respiração celular, sendo parte da formação da hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigênio, também atua na síntese de DNA e no metabolismo energético. As principais fontes de ferro são as carnes vermelhas, vegetais verdes (principalmente os verde escuros) e leguminosas (principalmente o feijão);
  • Fósforo (P+ e PO4-3): Junto ao cálcio, o fósforo atua na formação dos ossos, além de compor a estrutura da ATP, para liberação de energia, e os fosfolipídios (que compõem a membrana plasmática). As principais fontes de fósforo são carnes, peixes, ovos, leite e grãos;
  • Iodo (I-): o Iodo é essencial na composição dos hormônios da tireoide (T3 e T4), fonte de crescimento físico e neurológico. As principais fontes de iodo são os alimentos de origem marinha. 
  • Sódio/Potássio: atuam na transmissão de impulsos nervosos, e contração muscular. Além disso, o potássio também contribui no metabolismo, regulação de água e produção de proteínas. As principais fontes de potássio são bananas, batata doce e abacate. A principal fonte de sódio é o sal de cozinha. 

Nas plantas, ainda faz-se essencial o Magnésio, por compor a clorofila.

Indo para as substâncias orgânicas que compõem uma célula, estão os carboidratos, lipídios, vitaminas, proteínas e ácidos nucleicos. 

As proteínas são as substâncias orgânicas em maior quantidade em uma célula. São formadas por aminoácidos (constituídos por moléculas de carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio). Os aminoácidos se unem por meio de ligações chamadas peptídicas. 

Entre as principais funções das proteínas estão atuação como enzimas, transporte de oxigênio (hemoglobina), proteção do corpo como anticorpos, contração muscular (actina e miosina). As proteínas também são adquiridas através da alimentação.

As enzimas são tipos de proteínas que atuam para catalisar as reações químicas que ocorrem nos seres vivos, ou seja, atuam no aumento da velocidade e diminuem a energia de ativação, isso sem serem consumidas no processo. São mais de duas mil enzimas conhecidas, cada uma delas servindo para uma reação em particular.

Fatores que influenciam a atividade das enzimas: temperatura, pH, concentração, tempo e enzimas reguladoras. As enzimas normalmente são nomeadas de acordo com o substrato (composto) no qual ela age, como por exemplo, a lactase atua na hidrólise da lactose, e a amilase, na hidrólise do amido, as proteases, atuam em outras proteínas, e assim vai.  Existem outras, porém, que são nomeadas independentemente, como a pepsina, que quebra moléculas de proteínas no estômago. 

Os carboidratos ou glicídios são conhecidos popularmente como açúcares, são a principal fonte de energia das células, entretanto também estão relacionados à estrutura dos ácidos nucleicos, além de outras funções estruturais, como a celulose, componente da parede celular vegetal, e a quitina, componente da parede celular dos fungos e do exoesqueleto dos artrópodes.

São divididos em monossacarídeos (mais simples, dão origens a outros quando juntos), como glicose e frutose, dissacarídeos (formados por dois monossacarídeos), como sacarose e lactose, e polissacarídeos (formados por vários monossacarídeos), como a celulose e o amido. 

Os lipídios são conhecidos popularmente como gorduras, servem como reserva energética, isolante térmico, mantendo a temperatura corporal (ideal para animais que vivem em lugares frios), auxiliam na absorção de vitaminas, participam de processos do metabolismo e compõem as membranas celulares. Os lipídios não são solúveis em água, mas são solúveis em outras substâncias como álcool e acetona. 

As vitaminas são micronutrientes utilizados no processo de metabolismo de carboidratos, proteínas e lipídios. Podem ser solúveis em gorduras (lipossolúveis), como as vitaminas A, D, K e E, ou solúveis em água (hidrossolúveis), como as vitaminas C e o complexo B.

Os ácidos nucleicos são o DNA e o RNA, através dos quais são feitas a síntese de proteínas, multiplicação das células e transmissão de características hereditárias. São chamados assim por terem características ácidas e se localizarem no núcleo das células. 

O DNA, ou ácido desoxirribonucleico armazena as informações genéticas e funciona como molde para a síntese da molécula de RNA. O DNA é composto nucleotídeos, e cada um deles é composto por um carboidrato de cinco carbonos (pentose), um grupo fosfato ou mais e uma base nitrogenada. As bases nitrogenadas são classificadas em dois grupos, as pirimidinas (citosina, timina e uracila) e as purinas (adenina e guanina). Destas, a uracila não se apresenta no DNA.

A estrutura do DNA é formada por duas fitas compostas cada uma de uma cadeia de nucleotídeos. Elas são ligadas uma na outra através da ligação por pontes de hidrogênio entre as bases nitrogenadas complementares, sendo a adenina sempre ligada à timina e vice-versa, e a guanina sempre ligada à citosina e vice-versa.

Os principais processos realizados pelo DNA são a replicação e transcrição. Na replicação, as duas fitas do DNA (denominadas no processo de “fitas-mãe”) se separam e cada uma gera uma nova fita, se unindo a ela e formando duas cadeias idênticas à original. Esse processo ocorre na fase interfase do ciclo celular, Desta forma, a célula pode se dividir em duas novas células, que conterão a mesma informação genética da célula-mãe. É considerado um processo semiconservativo, pois parte da informação original se mantém, ligada a uma nova fita complementar.

Já a transcrição é a formação do RNA a partir de uma fita do DNA. A transcrição pode ser separada em três partes: o início, quando as duas fitas do DNA se separa e ocorre o reconhecimento da fita que será utilizada para o processo (a outra se manterá inativa), a elongação ou alongamento, quando os nucleotídeos se ligam à fita-molde a partir das bases nitrogenadas correspondentes – adenina para uracila, timina para adenina, citosina para guanina e guanina para citosina.

Por fim, o término, quando a fita de RNA estiver pronta, ela se desprende do molde e se desloca para o citoplasma. As fitas do DNA voltam a se ligar. O processo de transcrição é auxiliado por uma enzima chamada RNA-polimerase. 

O RNA, ou ácido ribonucleico, é formado no núcleo da célula por meio da transcrição e se desloca então para o citoplasma, onde cumpre sua principal função: síntese de proteínas. Apesar de ser formado do DNA, o RNA possui algumas diferenças em suas características, como a ausência da base nitrogenada timina, sendo substituída pela uracila, além de possuir apenas uma fita, contra duas do DNA, e os açúcares dos quais o RNA são formados são riboses, contra desoxirriboses do DNA.

Existem três tipos de RNA: RNAr, ou RNA Ribossômico, principal constituinte dos ribossomos, responsável pela síntese de proteínas (processo conhecido como tradução), RNAm, ou RNA Mensageiro, auxilia no processo de síntese de proteínas e é responsável por levar as informações recebidas do DNA do núcleo para o citoplasma, e o RNAt, ou RNA Transportador que, como o nome já sugere, é responsável pelo transporte das moléculas de aminoácidos usadas na formação das proteínas até o ribossomo, onde o processo da tradução ocorre.

Isso, claro, em organismos eucariontes. Em procariontes o processo é mais simples, pois não há um núcleo separando o DNA do resto da célula. Falando nisso, vamos à explicação sobre eucariontes e procariontes:

Tipos de célula

As células são classificadas em dois tipos, já citados anteriormente: eucariontes e procariontes

Uma célula procarionte não apresenta uma membrana que separa as informações do núcleo do resto da célula, o DNA e as informações genéticas ficam misturadas no citoplasma, em uma região que pode ser chamada de nucleoide, sem uma membrana.

Além disso, não possuem outras organelas além dos ribossomos, onde são feitas as sínteses de proteínas. As bactérias e cianobactérias (algas azuis) são os seres que apresentam essas características. 

Já as células eucariontes possuem um núcleo bem definido, onde fica armazenado o DNA com as informações genéticas, e envolvido por uma membrana chamada carioteca. Fora do núcleo, também, no citoplasma, existem diversas organelas espalhadas, e cada uma desempenha uma função diferente na célula. Todos os outros tipos de seres vivos, incluindo plantas e animais são eucariontes. 

Organelas

Uma célula é dividida em três partes: membrana plasmática, citoplasma e núcleo (este não presente nas células procariontes). A membrana plasmática é responsável por separar os meios intra (dentro) e extra (fora) celular, controlando o que entra e o que sai da célula (a chamada permeabilidade seletiva).

É formada por uma bicamada fosfolipídica, onde estão presentes proteínas, como sugerido pelo modelo chamado de mosaico fluido. Através dela, a célula recebe água, oxigênio e alimentos, bem como elimina resíduos de reações ocorridas em seu interior.

Imagem de uma célula com todas as organelas visíveis
Célula animal e as organelas | Fonte: Animal vetor criado por brgfx – br.freepik.com

No núcleo é onde está inserido o DNA com as informações genéticas. Onde estão presentes os cromossomos. Por meio dos genes, é no núcleo que é feita a coordenação de todas as atividades da célula.

O citoplasma, por sua vez, é um líquido viscoso, entre o núcleo e a membrana, onde estão localizadas as organelas, imprescindíveis para o funcionamento da célula, e, consequentemente, da vida.

As organelas presentes nas células e suas respectivas funções são:

  • Mitocôndria: responsável pela geração de energia na forma de ATP através do processo de respiração celular;
  • Ribossomos: alguns especialistas não consideram os ribossomos como organelas por não serem membranosos assim como as outras organelas. Estão presentes tanto em células eucariontes como procariontes. São formados por RNAr e proteínas, e é onde ocorre a síntese de proteínas também conhecida como tradução;
  • Retículo endoplasmático liso: também chamado de agranular, ele se relaciona com a síntese de lipídios e carboidratos, com a desintoxicação e produção de esteroides;
  • Retículo endoplasmático rugoso: também chamado de granular, trata-se da mesma estrutura do RE liso, porém com a presença de ribossomos, auxiliando também na síntese de proteínas;
  • Lisossomo: responsável pela digestão intracelular;
  • Complexo golgiense: sua principal função é a secreção celular. Relaciona-se com “empacotamento” e distribuição de substâncias;
  • Centríolo: relaciona-se com a divisão celular, responsável pela distribuição dos cromossomos, constitui também cílios e flagelos. É formado por microtúbulos, que, por sua vez, são responsáveis pela formação do áster no processo de divisão celular, e do citoesqueleto;
  • Peroxissomo: realiza a oxidação de substâncias tóxicas.

Organelas exclusivas de células vegetais:

  • Cloroplasto/plastídios: os cloroplastos são os tipos mais conhecidos de plastídios (que também podem ser cromoplastos – ricos em carotenoides ou leucoplastos – não pigmentado, armazenam substâncias), estão relacionados ao processo da fotossíntese, sendo ricos em clorofila;
  • Vacúolo: envoltos por uma membrana, possuem em seu interior o chamado suco celular. Podem possuir diversas funções como digestão intracelular (semelhante aos lisossomos), controle de pH, armazenamento de substâncias do metabolismo e controle osmótico. Apesar de ser comumente referido como uma organela exclusiva de vegetais, alguns protozoários e animais também podem apresentar vacúolos. 

Outra característica que difere as células eucarióticas vegetais das animais é a presença da parede celular ou celulósica. A parede celular é externa à membrana plasmática e serve para dar rigidez e forma à célula, impedindo-a, por exemplo, de crescer demais e romper a membrana. Também serve como um mecanismo de defesa.

Endocitose

Através da membrana plasmática ocorre este processo chamado de endocitose. Trata-se da entrada de substâncias na célula por meio da absorção. Essa absorção é feita pelos endossomos, vesículas formadas através da invaginação desta mesma membrana. Esses endossomos englobam as novas substâncias e depois se separam da membrana, contendo o novo material.

A endocitose pode ser separada em:

  • Fagocitose:  este processo só pode ser realizado por alguns tipos de célula, como as do sistema imunológico. Trata-se do englobamento de partículas maiores, como bactérias. Funciona da seguinte maneira – ao ser detectado o antígeno, a membrana se aproxima e o engloba a partir da emissão de pseudópodes. A parte que contém o antígeno, então, se desprende, formando o chamado fagossomo. Uma vez dentro da célula, o fagossomo se dirige até os lisossomos, onde será feita a digestão, quebrando a bactéria em partes menores. Os restos são então descartados pelo processo da exocitose;
  • Endocitose mediada: é um processo similar à fagocitose, porém ocorre com substâncias que já se possui afinidade, e é auxiliado por proteínas receptoras na membrana. É considerado mais rápido e eficiente que a fagocitose, uma vez que já há afinidade;
  • Pinocitose: trata-se da endocitose relacionada à partículas líquidas. O processo é praticamente o mesmo, com a diferença de não haver a necessidade de emissão de pseudópodes para englobar a substância. Uma vez separada da membrana, a vesícula é chamada de pinossomo.

O processo contrário à endocitose é a exocitose, na qual partículas são eliminadas das células. Por exemplo, após o processo de digestão é preciso secretar os restos (chamado clasmcitose). No caso, o processo ocorre ao contrário da endocitose. A vesícula com os restos se aproxima da membrana plasmática e se funde a ela, depois eliminando-os e recompondo a membrana. 

O Ciclo Celular

O ciclo celular é como se chamam os processos que ocorrem em uma célula desde seu surgimento até sua divisão. Ele é dividido em duas fases principais: interfase e mitose. 

A interfase é a maior parte do ciclo, sendo marcado por intensa atividade metabólica, além de crescimento celular. Pode ser dividida em três fases: G1, S e G2.

  • A fase G1 se inicia logo após o término da mitose. A letra G vem do inglês gap, que significa intervalo. É um período de crescimento celular. Aqui a célula também produz proteínas, RNA e organelas, sendo portanto um período bem intenso. Também é feito um tipo de checagem do material genético, conferindo se está tudo certo para a divisão, células com danificações no material genético são impedidas de continuar o processo;
  • A fase S, de síntese, é a fase mais longa da interfase, e também a mais importante, pois é quando acontece a replicação do DNA. Essa fase é extremamente importante porque garante que as células-filhas terão a mesma informação genética da célula-mãe;
  • Por fim, a fase G2, onde, assim como a fase G1, ocorre a síntese de proteínas e moléculas, ainda em uma preparação para a divisão. As organelas também são duplicadas e a célula cresce um pouco mais. Acontece mais uma checagem por quaisquer danos que tenham ficado pelo caminho, para que eles possam ser consertados ou ocorre a morte celular.

Após o fim da interfase, a célula já está pronta para a divisão. Começa então a fase da mitose. Como a célula já se duplicou na interfase, ela possui material suficiente para dar origem a duas células idênticas à original. 

Um ponto importante de se frisar é que a interfase acontece em células que vão passar pela divisão. Células que não precisam se dividir com frequência entram em um período conhecido como G0, quando continuam ativas, mas sem a preparação para a mitose.

A Mitose

Terminadas as preparações, a célula vai então para sua divisão propriamente dita. Como citado anteriormente, a célula está com todo o seu material duplicado, portanto após a mitose a célula-mãe terá dado origem à duas células-filhas de materiais idênticos à inicial.

Exemplificação de todas as fases da mitose
Fases da mitose

A mitose é separada em cinco fases: prófase, prometáfase, metáfase, anáfase e telófase. Segue a explicação de cada uma:

  • Prófase: trata-se da fase mais longa da mitose. Nela, os cromossomos se condensam e tornam-se visíveis, formados por dois filamentos denominados cromátides, o centríolo se duplica, eles então migram para os pólos da célula e começa a se formar o fuso mitótico, formado por fibras citoplasmáticas a partir dos centrossomos. Há também a formação do áster, fibras de microtúbulos que se prendem aos centríolos. O citoplasma cede água para o núcleo, o que causa o desaparecimento do nucléolo;
  • Prometáfase: a prometáfase é defendida por alguns especialistas e ignorada por outros, mas se trata da fase de desintegração da membrana nuclear, a carioteca, os cromossomos então passam para o citoplasma e se dirigem à região equatorial da célula, onde vão se prender às fibras do fuso mitótico, liberadas pelos centrômeros;
  • Metáfase: na metáfase os cromossomos presos ao fuso ficam parados na região equatorial (centro) da célula, e é a fase em que eles se encontram mais visíveis, utilizada para estudos cromossômicos. As organelas se movimentam para os polos, de forma igual;
  • Anáfase: nesta fase, rompem-se os centrômeros, e as fibras do fuso se encurtam, causando a migração das cromátides para lados opostos. É a fase mais rápida da mitose, e finaliza quando as cromátides atingirem os pólos;
  • Telófase: a telófase é o oposto da prófase. Nesta fase, o fuso mitótico desaparece, o nucléolo e a carioteca reaparecem, os cromossomos se descondensam e a mitose finaliza.

Podendo-se iniciar na anáfase, e terminando ao final da telófase ocorre a citocinese. Trata-se da divisão do citoplasma, formando, finalmente, as duas células-filhas. Na célula animal, a citocinese é chamada centrípeta, pois ocorre com o estrangulamento da célula de fora para dentro, obrigando-a a se separar em duas.

Na célula vegetal a separação ocorre de dentro para fora (centrífuga), a partir da formação da lamela média, que junta-se a partículas de celulose para formar uma nova parede celular.

Outra diferença da mitose entre células vegetais e animais é que em células vegetais não há centríolos nem a formação do áster.

Citoesqueleto

Vamos falar sobre mais uma parte importante das células eucariontes, o citoesqueleto. Através do citoesqueleto, é possível para as células adquirirem diversas formas e se movimentarem.

Funções principais do citoesqueleto:

  • Garantir a forma e sustentação da célula;
  • Possibilitar movimentação;
  • Promover a movimentação de organelas e vesículas citoplasmáticas;
  • Permitir a contração celular;
  • Ajudar na formação do fuso mitótico;
  • Possibilitar a endocitose e exocitose.

O citoesqueleto é formado por três estruturas: 

  • Os microtúbulos são filamentos compridos e ocos, formados por tubulina, eles podem aumentar e diminuir de tamanho de forma livre, a partir de adição ou perda de subunidades de tubulina. Os microtúbulos estão relacionados ao movimento celular, por formarem cílios e flagelos;
  • Os filamentos de actina ou microfilamentos são formados, exatamente, por actina, que forma duas fitas intercruzadas. Estão presentes em toda a célula, mas principalmente abaixo da membrana e relacionam-se ao formato da célula, contração celular, e permite movimentos ameboides;
  • Já os filamentos intermediários são chamados assim por conta de seu tamanho: são menores que os microtúbulos, mas maiores que os microfilamentos. Se constituem de filamentos enrolados em cabos.Mais de 50 tipos de proteínas formam estes filamentos. Relacionam-se com o formato celular, assim como na sustentação de algumas organelas.

Vale citar que os filamentos intermediários não podem ser encontrados em todas as células eucariontes, apenas em alguns animais. 

Teoria endossimbiótica

Para finalizar o texto, vamos falar sobre a teoria endossimbiótica. Ela trata das origens da mitocôndria e dos plastídios. Datada de 1981, por Lynn Margulis, ela afirma que as organelas citadas acima surgiram através de uma relação de simbiose entre pequenos organismos procariontes, que passaram a viver dentro de organismos maiores. 

A mitocôndria
A teoria endossimbiótica trata da origem das mitocôndrias

A palavra endossimbiose deriva das palavras endo (dentro) e simbiose, que significa uma relação a longo prazo entre dois organismos de espécies diferentes, sendo ela benéfica ou não, em outras palavras, trata-se de dois organismos vivendo juntos.

Ou seja, como explicado anteriormente, uma relação de simbiose onde um organismo vive dentro do outro. 

Segundo a teoria de Margulis, a célula eucariótica primitiva (anaeróbia) englobou, por fagocitose, uma bactéria aeróbia, e essa passou a viver em seu citoplasma. Com isso, a célula eucariótica passou a consumir oxigênio, enquanto oferecia proteção à outra. As duas passaram então a depender uma da outra para viver, e, com o tempo, acabaram transformando-se nas mitocôndrias.

No caso dos cloropastos ocorreu a mesma coisa, só que com um procarionte que produzia seu próprio alimento, que passou a produzir alimento para a célula eucariótica, enquanto esta oferecia proteção em troca.

Existem alguns fatores para provar esta teoria, que são:

  • Plastídios e mitocôndrias possuem DNA próprio e circular, assim como o das bactérias;
  • Mitocôndrias e plastídios são similares à bactérias em forma e tamanho;
  • Ambas possuem membranas duplas internas;
  • As duas organelas apresentam não só DNA próprio como também ribossomos;
  • O processo de divisão delas se assemelha ao processo de reprodução das bactérias 

Teste seus conhecimentos sobre células, respondendo a alguns exercícios.

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