Origem celular: principais teorias (procarióticas e eucarióticas)

A origem da célula remonta a mais de 3,5 bilhões de anos. A maneira pela qual essas unidades funcionais se originaram despertou a curiosidade dos cientistas por vários séculos.

A origem da vida em si foi acompanhada pela origem das células. Em um ambiente primitivo, as condições ambientais eram muito diferentes daquelas que observamos hoje. A concentração de oxigênio era praticamente nula e outra composição de gás dominava a atmosfera.

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Fonte: pixabay.com

Diferentes experiências em laboratório comprovaram que, nas condições ambientais iniciais da Terra, é possível polimerizar várias biomoléculas características dos sistemas orgânicos, a saber: aminoácidos, açúcares etc.

Uma molécula com capacidade catalítica e para se replicar (potencialmente um RNA) poderia ser encerrada em uma membrana fosfolipídica, formando as primeiras células procarióticas primitivas, que evoluíram de acordo com os princípios darwinianos.

Além disso, a origem da célula eucariótica é geralmente explicada usando a teoria endossimbiótica. Essa idéia sustenta que uma bactéria grande engoliu uma menor e, com o tempo, originou as organelas que conhecemos hoje (cloroplastos e mitocôndrias).

Teoria celular

Célula é um termo que vem da celula da raiz latina , que significa oco. Estas são as unidades funcionais e estruturais dos seres vivos. O termo foi usado pela primeira vez no século XVII pelo pesquisador Robert Hooke, quando examinava uma folha de cortiça sob a luz do microscópio e observava um tipo de célula.

Com essa descoberta, mais cientistas – destacando as contribuições de Theodor Schwann e Matthias Schleiden – se interessaram pela estrutura microscópica da matéria viva. Assim, nasce um dos pilares mais importantes da biologia: a teoria das células.

A teoria sustenta que: (a) todos os seres orgânicos são compostos de células; (b) células são a unidade da vida; (c) as reações químicas que sustentam a vida ocorrem dentro dos limites da célula e (d) toda a vida vem de vida pré-existente.

Este último postulado está resumido na famosa frase de Rudolf Virchow: ” omnis cellula e cellula ” – todas as células derivam de outras células existentes. Mas de onde veio a primeira célula? A seguir, descreveremos as principais teorias que buscam explicar a origem das primeiras estruturas celulares.

Evolução da célula procariótica

A origem da vida é um fenômeno intimamente ligado à origem das células. Na Terra, existem duas formas de vida celular: procariontes e eucariotos.

Ambas as linhagens diferem basicamente em termos de complexidade e estrutura, sendo os eucariotos organismos maiores e mais complexos. Isso não significa que os procariontes sejam simples – um único organismo procariótico é uma aglomeração organizada e intrincada de vários complexos moleculares.

A evolução dos dois ramos da vida é uma das questões mais empolgantes do mundo da biologia.

Cronologicamente, estima-se que a vida tenha entre 3.500 e 3.800 milhões de anos. Isso apareceu aproximadamente 750 milhões de anos após a formação da Terra.

Evolução das primeiras formas de vida: experimentos de Miller

No início dos anos 20, começou a ser tratada a ideia de que as macromoléculas orgânicas poderiam polimerizar espontaneamente sob condições ambientais de uma atmosfera primitiva – com baixas concentrações de oxigênio e altas concentrações de CO 2 e N 2 , além de uma série gases, tais como H 2 , H 2 S, e CO.

Supõe-se que a atmosfera primitiva hipotética proporcionasse um ambiente redutor que, juntamente com uma fonte de energia (como luz solar ou descargas elétricas), estabelecesse as condições favoráveis ​​à polimerização de moléculas orgânicas.

Essa teoria foi confirmada experimentalmente em 1950 pelo pesquisador Stanley Miller durante seus estudos de pós-graduação.

Necessidade de uma molécula com propriedades de auto-replicação e catálise: o mundo do RNA

Depois de especificar as condições necessárias para a formação das moléculas que encontramos em todos os seres vivos, é necessário propor uma molécula primitiva com a capacidade de armazenar informações e se replicar – as células atuais armazenam informações genéticas em uma linguagem de quatro nucleotídeos na molécula de DNA.

Até o momento, o melhor candidato para essa molécula é o RNA. Não foi até 1980, quando os pesquisadores Sid Altman e Tom Cech descobriram as capacidades catalíticas desse ácido nucleico, incluindo a polimerização de nucleotídeos – um passo crítico na evolução da vida e das células.

Por essas razões, acredita-se que a vida começou a usar o RNA como material genético, e não o DNA, como a grande maioria das formas atuais.

Limitando as barreiras da vida: fosfolipídios

Uma vez obtidas as macromoléculas e a molécula capaz de armazenar informações e se replicar, é necessária a existência de uma membrana biológica que determina os limites entre o ambiente vivo e o ambiente extracelular. Evolutivamente, este passo marcou a origem das primeiras células.

Acredita-se que a primeira célula tenha surgido a partir de uma molécula de RNA que foi envolvida por uma membrana composta por fosfolipídios. As últimas são moléculas anfipáticas, o que significa que uma porção é hidrofílica (solúvel em água) e a restante é hidrofóbica (não solúvel em água).

Quando os fosfolipídios são dissolvidos em água, eles têm a capacidade de agregar espontaneamente e formar uma bicamada lipídica. As cabeças polares são agrupadas de frente para o ambiente aquoso e as caudas hidrofóbicas no interior, em contato umas com as outras.

Essa barreira é termodinamicamente estável e cria um compartimento que permite que a célula seja separada do ambiente extracelular.

Com o passar do tempo, o RNA fechado dentro da membrana lipídica continuou seu curso evolutivo seguindo mecanismos darwinianos – até apresentar processos complexos, como a síntese de proteínas.

Evolução do metabolismo

Uma vez que essas células primitivas foram formadas, começou o desenvolvimento das vias metabólicas que conhecemos hoje. O cenário mais plausível para a origem das primeiras células é o oceano, de modo que as primeiras células foram capazes de obter comida e energia diretamente do meio ambiente.

Quando os alimentos começaram a ser escassos, certas variantes celulares deveriam aparecer com métodos alternativos de obtenção de alimentos e geração de energia que lhes permitissem continuar com sua replicação.

A geração e controle do metabolismo celular são indispensáveis ​​para sua continuidade. De fato, as principais vias metabólicas são amplamente conservadas entre os organismos atuais. Por exemplo, uma bactéria e um mamífero realizam glicólise.

Foi proposto que a geração de energia evoluísse em três estágios, começando com a glicólise, seguida pela fotossíntese e terminando com o metabolismo oxidativo.

Como o ambiente primitivo carecia de oxigênio, é plausível que as primeiras reações metabólicas tenham sido dispensadas.

Evolução da célula eucariótica

As células eram apenas procarióticas até cerca de 1,5 bilhão de anos atrás. Nesta fase, apareceram as primeiras células com núcleo e organelas verdadeiras. A teoria mais proeminente na literatura que explica a evolução das organelas é a teoria endossimbiótica ( endo significa interno).

Os organismos não são isolados em seu ambiente. As comunidades biológicas têm múltiplas interações, antagônicas e sinérgicas. Um termo genérico usado para diferentes interações é simbiose – anteriormente usado apenas para relacionamentos mutualistas entre duas espécies.

As interações entre organismos têm importantes consequências evolutivas, e o exemplo mais dramático desse fato é a teoria endossimbiótica, proposta inicialmente pela pesquisadora americana Lynn Margulis na década de 1980.

Postulados da teoria endossimbiótica

De acordo com essa teoria, algumas organelas eucarióticas – como cloroplastos e mitocôndrias – eram inicialmente organismos procarióticos de vida livre. Em um certo ponto da evolução, um procarionte foi engolido por um maior, mas não foi digerido. Em vez disso, ele sobreviveu e ficou preso dentro do organismo maior.

Além da sobrevivência, os tempos de reprodução entre os dois organismos foram sincronizados, tendo sucesso em gerações sucessivas.

No caso dos cloroplastos, o organismo engolido exibia todo o mecanismo enzimático para realizar a fotossíntese, fornecendo ao maior organismo os produtos dessas reações químicas: os monossacarídeos. No caso das mitocôndrias, postula-se que o procariótico engolido possa ser uma α-proteobactéria ancestral.

No entanto, a identidade potencial do organismo hospedeiro maior é uma questão em aberto na literatura.

O organismo procariótico engolido perdeu sua parede celular e, ao longo da evolução, sofreu as modificações pertinentes que originaram as organelas modernas. Esta é, em essência, a teoria endossimbiótica.

Evidências da teoria endossimbiótica

Atualmente, existem vários fatos que apóiam a teoria da endossimbiose, a saber: (a) o tamanho das mitocôndrias e cloroplastos atuais é semelhante ao dos procariontes; (b) as referidas organelas têm seu próprio material genético e sintetizam parte das proteínas, embora não sejam completamente independentes do núcleo e (c) existem múltiplas semelhanças bioquímicas entre as duas entidades biológicas.

Vantagens de ser eucariótico

A evolução das células eucarióticas está associada a uma série de vantagens sobre os procariontes. O aumento no tamanho, complexidade e compartimentação permitiu a rápida evolução de novas funções bioquímicas.

Após a chegada da célula eucariótica, a multicelularidade chegou. Se uma célula “deseja” aproveitar os benefícios de um tamanho maior, não pode simplesmente crescer, pois a superfície da célula deve ser grande em relação ao seu volume.

Assim, organismos com mais de uma célula conseguiram aumentar seu tamanho e distribuir as tarefas entre as múltiplas células que as compõem.

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