O NASCIMENTO DE CÉLULAS COMPLEXAS

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O NASCIMENTO DE CÉLULAS COMPLEXAS 
Duve de, C. The birth of complex cells. Sientific American, Abril, 1996, p.50-
57. 
Tradução: Barbosa, L.V. 
Revisão: Silva, T.R.M. 
 
Há cerca de 3,7 bilhões de anos, surgiram os primeiros organismos vivos na 
Terra. Eram organismos pequenos, unicelulares, não muito diferentes de 
algumas bactérias dos dias atuais. Células desse tipo são classificadas como 
procariontes porque não possuem núcleo (Karyon em grego), um 
compartimento que guarda a sua maquinaria genética. Os procariotos são 
seres extremamente bem sucedidos. Graças a sua notável habilidade em 
desenvolver-se e adaptar-se, geraram uma grande variedade de espécies, 
invadindo cada hábitat terrestre. 
A camada viva do nosso planeta ainda seria composta exclusivamente de 
procariotos não fosse um acontecimento extraordinário que deu surgimento a 
um tipo de célula muito diferente chamada de eucariótica, por possuir um 
núcleo verdadeiro (prefixo eu é derivado da palavra grega que significa “bom“). 
Esse evento trouxe conseqüências verdadeiramente decisivas. Hoje, todos os 
organismos multicelulares consistem de células eucarióticas, as quais são 
infinitamente mais complexas que as procarióticas. Sem a emergência das 
células eucarióticas toda a variada vida vegetal e animal não existiria e não 
haveria nenhum humano para desfrutar dessa diversidade e penetrar seus 
segredos. 
As células eucarióticas são muito maiores que as procarióticas (normalmente, 
cerca de 10.000 vezes maiores em volume) e o seu repositório de informação 
genética é muito mais organizado: a maior parte do DNA está contida em 
cromossomos mais estruturados, agrupados em um invólucro central bem 
definido - o núcleo. Enquanto que nos procariotos todo o material genético 
consiste de um único cromossomo circular, composto de DNA, que fica em 
contato direto com o interior da célula. Nas células eucarióticas, além do 
núcleo, existem outros compartimentos delimitados por membranas que 
desempenham inúmeras funções. Elementos esqueléticos no interior do 
citoplasma dão suporte estrutural interno às células eucarióticas. Com a ajuda 
de minúsculos motores moleculares, esses elementos também permitem 
misturar seus conteúdos e promovem movimentos internos e de deslocamento 
celular. 
A maior parte das células eucarióticas se distingue, ainda, dos procariotos por 
possuir em seu citoplasma alguns milhares de estruturas especializadas do 
tamanho (aproximado) de uma célula procariótica. As mais importantes dessas 
estruturas (ou organelas) são os peroxissomos (que exercem várias funções 
metabólicas), mitocôndrias (fábricas de força da célula) e, nas algas e células 
vegetais, os plastídios (sítios da fotossíntese). De fato, com suas muitas 
organelas e intrincadas estruturas internas, mesmo eucariotos unicelulares 
como as amebas e leveduras mostram-se organismos imensamente 
complexos. 
As células eucarióticas provavelmente se desenvolveram a partir de ancestrais 
procarióticos. Apesar de não existir nenhum organismo intermediário ou fóssil 
que forneça pistas diretas dessa transição, o parentesco entre células 
eucarióticas e procarióticas foi revelado por pesquisadores que, utilizando 
ferramentas da biologia moderna, descobriram muitas características comuns 
entre elas. 
A grande similaridade genética entre elas permitiu até mesmo estabelecer a 
época aproximada em que o ramo eucariótico da árvore evolutiva da vida 
começou a divergir do tronco procariótico. Essa divergência começou num 
passado remoto, provavelmente há mais de três bilhões de anos. Eventos 
subseqüentes no desenvolvimento dos eucariotos, que podem ter levado um 
bilhão de anos ou mais, ainda estariam envoltos em mistério não fosse por uma 
pista iluminadora que veio da análise das numerosas organelas presentes no 
citoplasma. 
Uma refeição predestinada 
Os biólogos há muito suspeitam que as mitocôndrias e os plastídios 
descendem de bactérias que foram adotadas como endossimbiontes (palavra 
de raízes no grego, que significa “vivendo dentro junto”) por alguma célula 
hospedeira ancestral. 
A evidência mais convincente é a presença, no interior dessas organelas, de 
vestígios de um sistema genético ainda em funcionamento. Esse sistema inclui 
genes baseados em DNA, meios para replicar esse DNA e todas as 
ferramentas moleculares para construir proteínas a partir de cópias da 
informação genética contida na molécula de DNA. Certas propriedades 
caracterizam claramente esse aparato genético como do tipo procariótico e o 
distingue do tipo genético eucariótico. 
A adoção endossimbiôntica resulta freqüentemente de algum tipo de encontro 
(predação agressiva, invasão pacífica, associação mutuamente benéfica ou 
fusão) entre dois procariotos típicos. A explicação mais plausível para essa 
teoria é baseada no processo alimentar dos organismos: os endossimbiontes 
teriam sido originalmente tomados por uma célula hospedeira de tamanho fora 
do comum, a qual já tinha adquirido muitas propriedades hoje associadas às 
células eucarióticas. 
Muitas células eucarióticas atuais – células brancas sanguíneas, por exemplo – 
aprisionam os procariotos. Geralmente, os microorganismos são mortos e 
fragmentados. Mas, eventualmente escapam da destruição, lesionando ou 
destruindo seus captores. Em raras ocasiões, tanto o captor (fagócito) quanto a 
“vítima” (célula aprisionada) sobrevivem num estado de mútua tolerância, que 
pode, mais tarde, tornar-se mútua assistência e, eventualmente, dependência. 
Mitocôndrias e plastídios podem ter sido, portanto, hóspedes permanentes de 
uma célula hospedeira. Se essa hipótese for verdadeira, revela muita coisa 
acerca dos primórdios evolutivos da hospedeira. A adoção de endossimbiontes 
deve ter ocorrido depois de algum ancestral procariótico dos eucariotos ter 
evoluído para um fagócito primitivo (do grego, “célula comedora”), uma célula 
capaz de engolfar corpos volumosos como as bactérias. E se essa célula 
ancestral era de alguma forma semelhante aos modernos fagócitos, deve ter 
sido muito maior que a sua presa e circundada por uma membrana flexível, 
capaz de envolver elementos extracelulares de grande tamanho. O fagócito 
primitivo deve ter possuído também uma rede interna de compartimentos 
conectada à membrana exterior e especializada em processar materiais 
ingeridos. Deve ter possuído, também, um esqueleto interno ou algo que o 
provesse com suporte estrutural. Continha, provavelmente, a maquinaria 
molecular para flexionar a membrana externa e movimentar seus conteúdos. 
O desenvolvimento de tais estruturas celulares representa a essência da 
transição procarioto-eucarioto. O problema principal, então, é delinear um 
modelo plausível para a formação gradual dessas características, de modo que 
possam ser explicadas pela pressão da seleção natural. Cada pequena 
mudança na célula deve ter aumentado sua chance de sobrevivência e 
reprodução (vantagem seletiva) de modo que a nova característica tornar-se-ia 
cada vez mais disseminada na população. 
Gênese de uma “célula comedora” 
Que forças poderiam conduzir um procarioto primitivo a evoluir na direção de 
uma célula eucariótica moderna? 
Uma suposição é a de que o organismo tenha perdido a capacidade de 
manufaturar uma parede celular- a casca rígida que circunda a maioria dos 
procariotos e lhes dá suporte estrutural e proteção contra danos. Esse 
organismo ancestral se apresentaria como uma massa amorfa, flexível e chata, 
capaz de mudar de forma em contato íntimo com seu alimento. Uma célula 
assim prosperaria e cresceria mais rápido do que seus parentes possuidores 
de parede celular. O crescimento, contudo, não precisa ser efetuado por meio 
da divisão celular como faz a maioria das células. Um comportamento 
alternativo seria a expansão e o dobramento da membrana circundante 
aumentando assim a superfície disponívelà ingestão de nutrientes e excreção 
– fatores limitantes ao crescimento de qualquer célula. A capacidade de criar 
uma superfície que se desdobra permitiria ao organismo expandir-se para 
muito além do tamanho dos procariotos comuns. Assim, uma propriedade 
eucariótica – grande tamanho – pode ser explicada de maneira bastante 
simples. 
A seleção natural tende a favorecer a expansão mais do que a divisão porque 
dobras profundas aumentariam a capacidade da célula em obter alimento pela 
criação de áreas parcialmente confinadas – pequenas invaginações ao longo 
da borda celular enrugada – no interior das quais altas concentrações de 
enzimas digestivas quebrariam o alimento de maneira mais eficiente. Aqui, um 
desenvolvimento crucial pode ter ocorrido: dada a propensão das membranas 
biológicas se auto-selarem, não é necessário nenhuma grande invaginação 
para ver como as dobras poderiam se destacar para formar sacos 
intracelulares. Uma vez que esse processo começasse, com um efeito lateral 
mais ou menos aleatório da expansão da membrana, qualquer mudança 
genética que promovesse seu desenvolvimento seria altamente favorecida pela 
seleção natural. As invaginações teriam se transformado em vesículas 
confinadas internamente, nas quais o aumento seria, agora, retido junto com as 
enzimas que o digerem. 
Células capazes de apanhar e processar alimentos dessa maneira aumentaria 
enormemente sua capacidade de explorar o meio ambiente e o impulso 
resultante para a sobrevivência e potencial reprodutivo seriam gigantescos. 
Tais células teriam adquirido as características fundamentais da fagocitose: 
engolfamento de objetos extracelulares por meio dos dobramentos da 
membrana celular (fagocitose), seguido pela quebra dos materiais capturados 
no interior das vesículas digestivas intracelulares (lisossomos). Tudo o que 
aconteceu depois pode ser visto como acabamento evolutivo, importante e útil, 
mas não essencial. As vesículas intracelulares primitivas gradualmente deram 
surgimento a muitas subseções especializadas, formando o que é conhecido 
como sistema de endomembranas, característico de todas as células 
eucarióticas modernas. Um forte apoio a esse modelo vem da observação de 
que muitos sistemas presentes na membrana celular dos procariotos são 
encontrados em várias partes do sistema de endomembranas dos eucariotos. 
De maneira interessante, a gênese do núcleo – marca registrada das células 
eucarióticas – pode ser explicada, pelo menos esquematicamente, como 
resultante da internalização de parte da membrana exterior da célula. Nos 
procariotos, o cromossomo circular está ligado à membrana celular. A 
invaginação desse segmento particular da membrana celular criaria uma bolsa 
intracelular que carregaria o cromossomo na sua superfície. Essa estrutura 
pode ter sido a semente do núcleo eucariótico, o qual é circundado por uma 
dupla membrana formada de partes achatadas do sistema intracelular das 
membranas que se fundem em um envelope esférico. 
O cenário proposto explica como um pequeno eucarioto pode ter evoluído em 
uma célula gigante que manifesta algumas das principais propriedades das 
células eucarióticas, incluindo um DNA cercado pela membrana nuclear, uma 
vasta rede de membranas internas e a capacidade de apanhar alimento e 
digeri-lo internamente. Esse progresso pode ter acontecido por meio de um 
grande número de etapas quase imperceptíveis, cada uma das quais estimulou 
a autonomia das células e proporcionou uma vantagem no processo de 
seleção natural. 
Havia, porém, uma condição. Tendo perdido a proteção de uma parede externa 
rígida, a célula precisava de suportes internos para seu crescente volume. 
As células eucarióticas modernas são reforçadas por estruturas fibrosas e 
tubulares, freqüentemente associadas a pequenos sistemas motores que 
permitem às células locomoverem-se e impulsionar o tráfego interno – o 
citoesqueleto. Nenhuma semelhança das proteínas que formaram esses 
sistemas é encontrada nos procariotos. Assim sendo, o desenvolvimento do 
citoesqueleto deve ter requerido um grande número de inovações autênticas. 
Nada se sabe sobre esses eventos evolutivos primordiais. Acredita-se, no 
entanto, que tenham sido simultâneos ao aumento da célula e expansão da 
membrana. 
No final dessa longa estrada, está o fagócito primitivo: uma célula 
eficientemente organizada para alimentar-se de bactéria, um poderoso 
caçador, livre para percorrer o mundo e perseguir sua presa ativamente. Uma 
célula pronta para tornar-se hospedeira de endossimbiontes. 
Seria de se esperar que tais células, que ainda careciam de mitocôndrias e 
algumas outras organelas características dos eucariotos modernos, invadissem 
muitos nichos e os preenchessem com uma descendência adaptada ao meio 
por diversas formas. Assim, todos os eucariotos podem muito bem ter evoluído 
de fagócitos primitivos que incorporaram os precursores das mitocôndrias. 
Por que as mitocôndrias foram tão importantes no processo evolutivo? 
 
O holocausto pelo oxigênio 
A função primordial nas células hoje é a combustão de matéria nutriente com o 
oxigênio para montar a molécula rica em energia adenosina trifosfato (ATP). A 
vida depende crucialmente desse processo, que é o principal fornecedor de 
energia para a vasta maioria dos organismos dependentes de oxigênio 
(aeróbicos). E, no entanto, quando as primeiras células apareceram na Terra 
não havia oxigênio na célula. O oxigênio molecular livre é um produto da vida 
que começou a ser gerado quando certos microorganismos fotossintetizantes, 
chamados de cianobactérias, surgiram. Essas células exploram a energia da 
luz solar para extrair o hidrogênio presente nas moléculas de água, deixando 
como subproduto o oxigênio molecular. O oxigênio surgiu pela primeira vez na 
atmosfera cerca de 2 bilhões de anos atrás aumentando gradualmente até 
atingir um nível estático há 1,5 bilhões de anos. 
Antes do surgimento do oxigênio atmosférico, todas as formas de vida devem 
ter sido adaptadas a um meio ambiente anaeróbico. Presumivelmente, como os 
anaeróbicos de hoje, eram extremamente sensíveis ao oxigênio. Dentro das 
células, o oxigênio gera rapidamente vários grupos químicos básicos. Esses 
venenos celulares incluem o íon superóxido, o radical hidroxi e peróxido de 
hidrogênio. À medida que a concentração de oxigênio aumentava, há dois 
bilhões de anos, muitos dos pequenos organismos caíram vítimas do 
“holocausto do oxigênio”. Entre os sobreviventes estavam aquelas células que 
encontraram refúgio em algum local livre de oxigênio ou que desenvolveram 
outra proteção contra a toxicidade desse elemento. 
Esses fatos apontam para uma hipótese atraente. Talvez o predecessor 
fagocítico dos eucariotos fosse anaeróbico e tenha sido resgatado da crise do 
oxigênio por ancestrais aeróbicos das mitocôndrias; células que não apenas 
destruíam o perigoso oxigênio (convertendo-o em água inócua) como também 
transformavam-no em um aliado tremendamente útil. Essa teoria poderia ser 
uma bela explicação para o efeito salvador da ação das mitocôndrias e gozou 
de grande prestígio. 
Há, porém, um problema com essa idéia. É muito provável que a adaptação ao 
oxigênio tenha ocorrido gradualmente, começando com sistemas primitivos de 
desintoxicação de oxigênio. Deve ter sido necessário um tempo muito longo 
para alcançar a sofisticação atual das mitocôndrias modernas. Como os 
fagócitos anaeróbicos sobreviveram ao longo de todo o tempo que foi 
necessário à evolução dos ancestrais das mitocôndrias? 
Uma solução para esse quebra-cabeça é sugerida pelo fato de que as células 
eucarióticas contêm outras organelas que utilizam o oxigênio, tão disseminadas 
pelo mundo animal e vegetal quanto às mitocôndrias, mas muito mais 
primitivas em estrutura e composição. São os peroxissomos. Peroxissomos, 
como as mitocôndrias, realizam algumas reaçõesmetabólicas oxidantes. 
Diferentemente das mitocôndrias, porém, não utilizam a energia liberada por 
essas reações para sintetizar ATP, desperdiçando-a sob a forma de calor. No 
processo, convertem oxigênio em peróxido de hidrogênio, mas depois 
destroem esse perigoso composto com o auxílio de uma enzima chamada 
catalase. Os peroxissomos também contêm uma enzima que remove o íon 
superóxido. 
Assim, parece razoável afirmar que todas as três organelas começaram como 
endossimbiontes, com os peroxissomos tendo sido adotados antes das 
mitocôndrias e cloroplastos, e, portanto, as primeiras estruturas orgânicas com 
capacidade de salvar os fagócitos anaeróbicos da toxicidade do oxigênio. 
Estes desintoxicadores primitivos podem ter protegido suas células 
hospedeiras ao longo do tempo necessário para que os ancestrais das 
mitocôndrias alcançassem a alta eficiência que possuíam quando foram 
adotados. Até o momento, os pesquisadores não obtiveram nenhuma evidência 
sólida para apoiar essa hipótese ou para descartá-la. Diferentemente das 
mitocôndrias e plastídios, os peroxissomos não contêm remanescentes de um 
sistema genético. Apesar disso, essa observação permanece compatível com a 
teoria de que os peroxissomos desenvolveram-se a partir de um 
endossimbionte. As mitocôndrias e os plastídios perderam a maior parte de 
seus genes originais para o núcleo e os peroxissomos, mais antigos, poderiam 
àquela altura, ter perdido todo o seu DNA. 
Qualquer que tenha sido a maneira como foram adquiridos, é bem provável 
que os peroxissomos tenham possibilitado aos primeiros eucariotos enfrentar a 
“crise do oxigênio”. A sua presença em células eucarióticas estaria, assim, 
explicada. O enorme ganho em recuperação de energia possibilitado pela 
junção da formação de ATP à utilização do oxigênio explicaria a adoção 
subseqüente das mitocôndrias, organelas que possuem a vantagem adicional 
de manter o oxigênio em seu meio circundante num nível muito mais baixo do 
que os peroxissomos poderiam manter. 
Por que, então, os peroxissomos não desapareceram com o advento das 
mitocôndrias? Na época em que as células eucarióticas adquiriram as 
mitocôndrias, algumas atividades peroxissômicas (por exemplo, o metabolismo 
de certos ácidos graxos) devem ter se tornado tão vitais que essas primitivas 
organelas não podiam ser eliminadas por seleção natural. Por isso, os 
peroxissomos e as mitocôndrias são ambos encontrados na maior parte das 
células eucarióticas modernas. 
As outras organelas importantes de origem endossimbiôntica são os plastídios, 
cujos representantes principais são os cloroplastos, as organelas 
fotossintetizantes das algas unicelulares e das plantas multicelulares. Os 
plastídios derivam das cianobactérias, os procariotos responsáveis pela “crise 
do oxigênio”. Sua adoção como endossimbiontes seguiu-se provavelmente 
àquela das mitocôndrias. As vantagens seletivas que favoreciam a adoção de 
endossimbiontes fotossintetizantes são óbvias. Células que antes 
necessitavam de um suprimento constante de alimento prosperavam, dali em 
diante, com nada mais que ar, água, uns poucos minerais dissolvidos e luz. De 
fato, existe evidência de que as células eucarióticas adquiriram os plastídios 
em pelo menos três épocas distintas, dando surgimento às algas verdes, 
vermelhas e marrons. Espécimes do primeiro desses grupos formaram, mais 
tarde, as plantas multicelulares. 
A adoção teve, indubitavelmente, um papel fundamental no nascimento dos 
eucariotos. Contudo, este não foi o evento principal. Mais significativo (e 
exigindo um número maior de inovações evolutivas) foi o longo e misterioso 
processo que tornou possível essa aquisição: a lenta conversão, ao longo de 
um bilhão de anos ou mais, de um ancestral procariótico em um grande 
micróbio fagocítico, com a maior parte dos atributos das células eucarióticas 
modernas. A ciência está começando a levantar o véu que obscurece essa 
momentosa transformação, sem a qual a maior parte do mundo vivo, incluindo 
os seres humanos, não existiria.