I -ORIGEM E EVOLUÇÃO DA COMPARTIMENTALIZAÇÃO CELULAR

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1 I -ORIGEM E EVOLUÇÃO DA COMPARTIMENTALIZAÇÃO CELULAR Que propriedades distinguem as células vivas da matéria inanimada? Historicamente, o termo célula surgiu com o desenvolvimento dos primeiros microscópios. Robert Hooke, em 1665 cunhou o termo células ou poros para referir-se às repartições vistas em um pedaço de cortiça. No entanto, Hooke não tinha o conceito de célula, como o entendemos hoje. Ele pensou nestas repartições como canais para passagem de fluídos na planta. A teoria celular foi lentamente se construindo ao longo de quase dois séculos, limitada pela existência de microscópios rudimentares, enfrentavam o desafio de minimizar as aberrações cromáticas. Em 1838, Matthias Jakob Schleiden ( ) sugeriu que todos os elementos estruturais das plantas eram compostos de células e seus produtos e, em 1939, Theodor Schwann ( ) afirmou que as partes elementares de todos os tecidos são formados por células e que há um princípio universal para o desenvolvimento das partes elementares de todos os organismos e este princípio é a formação de células (Consultar: Paolo Mazzarello, A unifying concept: the history of cell theory. Nature Cell Biology, v.1: E13 E15, 1999). As células são uma entidade finita delimitada pela membrana plasmática. A membrana plasmática separa o meio interno do meio extracelular e ao mesmo tempo permite a passagem de moléculas específicas e a interação da célula com o meio e com outras células. As células usam o material que se encontra em seu redor para crescer e se reproduzir. Em virtude da importância das interações e trocas que realiza com o meio, as células são pequenas (procarióticas, 1-2 µm de comprimento; eucarióticas µm de diâmetro), o que faz com que a área de superfície exposta seja relativamente grande em comparação com o volume total ocupado pela célula, para as células menores. No entanto, essa relação claramente diminui quanto maior o volume da célula. Em geral, a célula eucariota é 10 a 30 vezes maior em dimensão linear e 1000 a vezes maior em volume que uma E. coli. Para minimizar as limitações geradas por aumento de volume, não só na interação com o meio, mas na quantidade de membranas para realizar funções especializadas dependentes de membranas, células eucarióticas evolveram estruturas especializadas em sua superfície e uma profusão de organelas membranosas intracelulares. Prolongamentos de variados tamanhos e espessuras, e dilatações, que ampliam consideravelmente a superfície de interação com o meio, as trocas ou reações químicas, e restringem macromoléculas a microdomínios específicos podem ser apreciadas nas mais variadas células. Sobretudo, uma elaborada rede de organelas membranosas intracelulares é responsável por manter contato direto com a superfície celular e o meio externo e ampliar grandemente a superfície de membranas, vindo a solucionar obstáculos impostos pelo aumento do tamanho celular. Além disso, quando as células se diferenciam e se especializam, elas podem desenvolver tremendamente um determinado compartimento necessário para sua função especializada. Embora a célula eucariótica chame a atenção pela exuberância e variedade de compartimentos subcelulares, obviamente, a compartimentalização subcelular não é exclusiva de células eucarióticas. Células procarióticas e mesmo os vírus também são formados por estruturas supramoleculares elaboradas formando nano e microcompartimentos especializados e posicionados em locais específicos. Compartimentos subcelulares são essenciais à vida da célula, pois eles concentram macro e micromoléculas específicas e delimitam, espacial e temporalmente, processos metabólicos e funções. Tornam possível, dessa forma, a coexistência de reações químicas antagônicas que de outra maneira seriam mutuamente incompatíveis, como, por exemplo, biossíntese e hidrólise de uma mesma macromolécula. Portanto, a compartimentalização é inerente a todas as formas de vida (Sugestão para consulta: Silhavy, Dahene and Walker, The bacterial cell envelope, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 2:1-16, 2010; Yoan DIEKMANN and José B. PEREIRA-LEAL, Evolution of intracellular compartmentalization. Biochem. J., 449, , 2013). 1

2 Exercício 1) A células procarióticas têm uma estrutura geral relativamente simples comparadas à células eucarióticas, mas mesmo assim podemos distinguir nelas subcompartimentos estruturados e elaborados. Ilustrar os subcompartimentos do envelope de bactérias (E. coli e S. aureus) e outros compartimentos intracelulares encontrados em bactérias. Com base na estrutura do envelope, dê uma explicação plausível para a classificação dessas espécies como Gram positiva ou Gram negativa. Exercício 2) Uma das inovações importantes na evolução de eucariotos foi a internalização da membrana para formar organelas intracelulares, aumentando consideravelmente a superfície de membranas e de compartimentos subcelulares, sem gerar um aumento proporcional no volume celular total. Uma vez que tais organelas mantiveram mecanismos (vias) de conexões com a membrana plasmática, elas suprem a constante necessidade de componentes para manutenção e renovação desta membrana e para comunicação com o meio extracelular. Tais organelas formam o sistema de endomembranas que delimitam numerosos compartimentos intracelulares envoltos por uma (simples) ou duas (dupla) membranas. O mais notável desses compartimentos é o núcleo celular que contém o material genético. Ilustrar esquematicamente o modelo mais aceito para explicar a formação de organelas intracelulares a partir da internalização da membrana plasmática. 2

3 Exercício 3) O núcleo é delimitado por um envoltório constituído de dupla membrana, na qual a membrana externa é contínua com o retículo endoplasmático e a interna liga-se e se apoia a uma lâmina de proteínas filamentosas que fornece o arcabouço estrutural. A lâmina nuclear conecta-se diretamente à cromatina e serve para restringir domínios específicos da cromatina a locais definidos. O envelope nuclear contém numerosos complexos proteicos altamente organizados, que formam poros através da dupla membrana e estão distribuídos por toda a extensão da membrana. Desta maneira a membrana nuclear é uma barreira seletiva que determina o que pode entrar ou sair do núcleo, proporcionando uma fina regulação da expressão gênica. Ilustre esquematicamente e nomeie as estruturas que correspondam à descrição apresentada acima sobre o núcleo. Exercício 4) As organelas citoplasmáticas comuns à maioria das células eucarióticas são mitocôndrias; todo o sistema de endomembranas, incluindo o retículo endoplasmático (liso e rugoso), o complexo de Golgi, formado por um conjunto de cisternas empilhadas e vesículas relativamente simples; lisossomos, endossomos e autofagossomos; além dos peroxissomos, cujos lipídeos são originários do retículo endoplasmático. Eucariotos unicelulares, fungos e células vegetais contêm vacúolos digestivos. Células vegetais contêm ainda cloroplastos. Em média, as organelas envoltas por membrana ocupam metade do volume total de uma célula. Para se ter uma ideia da dimensão das endomembranas, em algumas células, como nas células pancreáticas e hepatócitos, o retículo endoplasmático ocupa uma área de superfície de 12 e 25 vezes, respectivamente, a superfície da membrana plasmática. Em torno da metade da área total de membrana de uma célula eucariótica consiste em membrana do retículo endoplasmático. Esquematize as organelas citadas acima e nomeie suas principais partes e componentes. Atente-se para a existência de uma ou duas membranas envolvendo a organela. 3

4 Exercício 5) Como dito acima, a existência das organelas envoltas por membranas resolve um impasse fundamental de compartimentalização das funções celulares, mas traz consigo o desafio de desenvolver mecanismos especializados para importar e exportar os constituintes desses compartimentos e materiais usados em reações químicas, através da membrana. Erros genéticos que rompem tais mecanismos estão na base de muitas doenças genéticas humanas. Portanto, estes e muitos outros mecanismos envolvendo o funcionamento das organelas encontram-se entre os temas centrais das pesquisas biológicas e biomédicas, sendo que muitas questões ainda estão por serem elucidadas. Entre as principais questões pesquisadas estão: Como as proteínas são distribuídas do citosol, onde são sintetizadas, para os compartimentos de destino? Como as organelas citoplasmáticas se conectam com a membrana plasmática e com o meio extracelular e vice-versa? Como as organelas são herdadas e como elas se dividem? Como o número e tamanho das organelas são regulados de maneira que correspondam às demandas fisiológicas diversificadas de uma célula? Dê exemplos de células especializadas em que um compartimento específico se expande realizar uma função específica. Como as organelas danificadas são eliminadas? Como a forma e distribuição das organelas se relacionam com a forma, polarização celular e as funções celulares? Qual o papel do citoesqueleto nestas funções? Sumarize o conhecimento mais aceito hoje para responder a cada uma das questões colocadas acima. Utilize esquemas, imagens e resultados experimentais para enriquecer sua resposta. 4

5 Exercício 6) Dê exemplos de doenças relacionadas a erros em processos tratados nas questões do exercício 5. Encontre uma pergunta interessante dentro de cada tópico que não lhe parece ter sido elucidada ainda. Além dos livros de Biologia Celular e artigos recomendados, consultem a literatura científica atualizada e os seguintes sites de ensino de biologia: ibioseminars apresentam uma excelente série de seminários com pesquisadores ilustres na área de Biologia Celular e inúmeras outras áreas das ciências biomédicas Cursos e tópicos espetaculares, incluindo maravilhosas descobertas, um vasto e aprofundado curso sobre todos os aspectos da microscopia coordenado por Ron Vale. ibiomagazine goes behind-the-scenes of scientific discoveries. Gabaldón!T!and!Pittis!AA.!Origin&and&evolution&of&metabolic&sub4cellular&compartmentalization&in& eukaryotes.!biochimie,!119:!262<268,!2015.! Mien-Chie Hung and Wolfgang Link. Protein localization in disease and therapy. Journal of Cell Science 124, , doi: /jcs