Citologia

A origem das Células Eucarióticas

A origem das Células Eucarióticas. O registro fóssil e a evidência genética sugerem que as células procarióticas foram os primeiros organismos na Terra. Essas células originaram-se há aproximadamente 3,5 bilhões de anos, cerca de 1 bilhão de anos após a formação da Terra, e eram as únicas formas de vida no planeta até que as células eucarióticas surgissem há aproximadamente 2,1 bilhões de anos.

Ao final desse artigo deveremos entender os seguintes tópicos:

  • Qual é a origem das células?
  • Como surgiu as primeiras células?
  • O que é uma célula eucariótica?
  • Como e quando teria surgido os seres multicelulares?

Durante o “reinado” procariótico, desenvolveram-se procariotas fotossintéticos capazes de aplicar a energia da luz solar para sintetizar materiais orgânicos (como os carboidratos) a partir do dióxido de carbono e de uma fonte de elétrons (como o hidrogênio, o sulfeto de hidrogênio ou a água).

Fotossíntese utilizando água como doador de elétrons consome dióxido de carbono e libera oxigênio molecular (O 2) como subproduto.

O funcionamento das bactérias fotossintéticas ao longo de milhões de anos saturou progressivamente a água da Terra com oxigênio e depois oxigenou a atmosfera, que anteriormente continha concentrações muito maiores de dióxido de carbono e concentrações muito menores de oxigênio.

Os procariontes anaeróbicos mais antigos da época não podiam funcionar em seu novo ambiente aeróbico. Algumas espécies morreram, enquanto outras sobreviveram nos ambientes anaeróbicos remanescentes na Terra.

Outros procariotos iniciais ainda desenvolveram mecanismos, como a respiração aeróbica, para explorar a atmosfera oxigenada usando oxigênio para armazenar energia contida em moléculas orgânicas.

A respiração aeróbica é uma maneira mais eficiente de obter energia a partir de moléculas orgânicas, o que contribuiu para o sucesso dessas espécies (como evidenciado pelo número e diversidade de organismos aeróbicos que vivem hoje na Terra).

A evolução dos procariontes aeróbicos foi um passo importante para a evolução do primeiro eucarioto, mas vários outros traços distintivos tiveram que evoluir também.

Endossimbiose

A origem das células eucarióticas foi em grande parte um mistério até que uma hipótese revolucionária foi exaustivamente examinada na década de 1960 por Lynn Margulis. A teoria endossimbiótica afirma que eucariontes são um produto de uma célula procariótica engolfando outra, uma vivendo dentro de outra, e evoluindo juntas ao longo do tempo até que as células separadas não fossem mais reconhecíveis como tais.

A ilustração mostra etapas que, de acordo com a teoria endossimbiótica, deram origem a organismos eucarióticos. No passo 1, os enrolamentos na membrana plasmática de um procariota ancestral deram origem a componentes da endomembrana, incluindo um núcleo e um retículo endoplasmático. Na etapa 2, ocorreu o primeiro evento endossimbiótico: o eucariotos ancestral consumiu bactérias aeróbicas que evoluíram para mitocôndrias. Em um segundo evento endossimbiótico, o eucarionte inicial consumiu bactérias fotossintéticas que evoluíram para cloroplastos.

Essa hipótese, outrora revolucionária, teve persuasão imediata e agora é amplamente aceita, com o trabalho progredindo na descoberta das etapas envolvidas nesse processo evolutivo, bem como nos principais participantes.

Tornou-se claro que muitos genes eucarióticos nucleares e o maquinário molecular responsável por replicar e expressar esses genes aparecem intimamente relacionados com a Archaea. Por outro lado, as organelas metabólicas e os genes responsáveis ​​por muitos processos de coleta de energia tiveram suas origens nas bactérias.

Ainda há muito a ser esclarecido sobre como essa relação ocorreu; isso continua sendo um campo excitante de descoberta em biologia.

Mitocôndria

As células eucarióticas podem conter de um a vários milhares de mitocôndrias, dependendo do nível de consumo de energia da célula.

Cada mitocôndria mede 1 a 10 micrômetros de comprimento e existe na célula como um esferoide oblongo em movimento, fusível e em divisão. No entanto, as mitocôndrias não podem sobreviver fora da célula.

Como a atmosfera foi oxigenada pela fotossíntese e à medida que os procariotas aeróbicos de sucesso evoluíram, evidências sugerem que uma célula ancestral engolfou e manteve vivo um procariota aeróbico de vida livre. Isso deu à célula hospedeira a capacidade de usar oxigênio para liberar energia armazenada em nutrientes.

Várias linhas de evidência sustentam que as mitocôndrias são derivadas desse evento endossimbiótico. A maioria das mitocôndrias tem a forma de um grupo específico de bactérias e é cercada por duas membranas.

A membrana interna mitocondrial envolve enrolamentos ou criptas substanciais que se assemelham à superfície exterior texturizada de certas bactérias.

Nesta micrografia eletrônica de transmissão de mitocôndrias em uma célula pulmonar de mamíferos, as cristas, dobramentos da membrana interna mitocondrial, podem ser vistas em corte transversal.

As mitocôndrias se dividem por conta própria por um processo que se assemelha à fissão binária em procariontes. As mitocôndrias têm seu próprio cromossomo de DNA circular que transporta genes semelhantes aos expressos pelas bactérias.

As mitocôndrias também têm ribossomos especiais e transferem RNAs que se assemelham a esses componentes em procariotos. Todas essas características sustentam que as mitocôndrias já foram procariotos de vida livre.

Cloroplastos

Cloroplastos são um tipo de plastídeo, um grupo de organelas relacionadas em células vegetais que estão envolvidas no armazenamento de amidos, gorduras, proteínas e pigmentos. Cloroplastos contêm clorofila pigmento verde e desempenham um papel na fotossíntese.

Estudos genéticos e morfológicos sugerem que os plastídios evoluíram a partir da endossimbiose de uma célula ancestral que envolveu uma cianobactéria fotossintética.

Os plastídios são semelhantes em tamanho e forma às cianobactérias e são envolvidos por duas ou mais membranas, correspondendo às membranas interna e externa das cianobactérias.

Como as mitocôndrias, os plastídios também contêm genomas circulares e se dividem por um processo que lembra a divisão celular procariótica.

Os cloroplastos de algas vermelhas e verdes exibem sequências de DNA intimamente relacionadas às cianobactérias fotossintéticas, sugerindo que as algas vermelhas e verdes são descendentes diretos desse evento endossimbiótico.

As mitocôndrias provavelmente evoluíram antes dos plastídios, porque todos os eucariotos têm mitocôndrias funcionais ou organelas semelhantes a mitocôndrias.

Em contraste, os plastídios são encontrados apenas em um subconjunto de eucariotos, como plantas e algas terrestres.

O primeiro eucarioto pode ter se originado de um procariota ancestral que havia sofrido proliferação de membrana, compartimentalização da função celular (em um núcleo, lisossomos e um retículo endoplasmático), e o estabelecimento de relações endossimbióticas com um procarioto aeróbico e, em alguns casos, um procariontes fotossintéticos para formar mitocôndrias e cloroplastos, respectivamente.

Os passos exatos que levam à primeira célula eucariótica podem apenas ser hipotetizados, e existe alguma controvérsia sobre quais eventos realmente ocorreram e em que ordem.

Acredita-se que as bactérias espiroquetas tenham dado origem a microtúbulos, e um procariota flagelado pode ter contribuído com as matérias-primas para os flagelos e cílios eucarióticos.

Outros cientistas sugerem que a proliferação e compartimentalização da membrana, e não os eventos endossimbióticos, levaram ao desenvolvimento de mitocôndrias e plastídios. No entanto, a grande maioria dos estudos apoia a hipótese endossimbiótica da evolução eucariótica.

Os eucariotos primitivos eram unicelulares como a maioria dos protistas atuais, mas à medida que os eucariontes se tornam mais complexos, a evolução da multicelularidade permitiu que as células permanecessem pequenas enquanto ainda exibiam funções especializadas.

Acredita-se que os ancestrais dos eucariotos multicelulares de hoje tenham evoluído cerca de 1,5 bilhão de anos atrás.

Resumo

Os primeiros eucariotos evoluíram a partir de procariotos ancestrais por um processo que envolveu a proliferação de membranas, a perda de uma parede celular, a evolução de um citoesqueleto e a aquisição e evolução de organelas.

Os genes eucarióticos nucleares parecem ter tido uma origem na Archaea, enquanto a maquinaria energética das células eucarióticas parece ter origem bacteriana.

As mitocôndrias e plastídios se originaram de eventos endossimbióticos quando células ancestrais englobavam uma bactéria aeróbica (no caso das mitocôndrias) e uma bactéria fotossintética (no caso dos cloroplastos).

A evolução das mitocôndrias provavelmente precedeu a evolução dos cloroplastos. Há evidências de eventos endossimbióticos secundários nos quais os plastídios parecem ser o resultado de endossimbiose após um evento endossimbiótico prévio.

Glossário

endossimbiose

o engolfamento de uma célula por outra de tal forma que a célula englobada sobreviva e ambas as células se beneficiem; o processo responsável pela evolução das mitocôndrias e cloroplastos em eucariotos

plastideos

um de um grupo de organelas relacionadas em células vegetais envolvidas no armazenamento de amidos, gorduras, proteínas e pigmentos

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