Células procariontes e eucariontes e Composição química das células

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Células procariontes e eucariontes e composição química das células
Introdução
A vida como a conhecemos em nosso planeta encontra-se presente em toda parte, sendo que nós mesmos somos integrantes desse grupo de seres vivos tão diversificados, que se estendem pelo mundo, se adaptando aos mais diferentes ambientes, desde aos mais propícios à sua sobrevivência, até aos mais inóspitos. A sua extraordinária capacidade de crescerem, se desenvolverem, reproduzirem, e alterarem o ambiente circundante, gerando complexidade não criada por seres não vivos, desperta nossa curiosidade por compreendermos os mecanismos pelos quais a vida existe e se perpetua, e nos leva a questionarmos o que significa ser um ser vivo. Essas perguntas são de extrema importância para o ser humano, visto que estão intrinsecamente relacionados a nossa própria existência, e a nossa posição na história da vida e do próprio universo. Não obstante, a expansão do conhecimento humano sobre a vida permite que sejamos capazes de contribuirmos para preservação da mesma, e para a criação de tecnologias e tomada de atitudes que visem utilizar recursos vivos de maneira respeitosa e sustentável para a satisfação das necessidades humanas.
O presente trabalho tem por objetivo discursar acerca da menor unidade estrutural da vida, que compõe todos os seres vivos que conhecemos: a célula. Descoberta por Robert Hooke, que comunicou sua existência a Royal Society em 1665, ela apresenta grande diversidade, e pode ser dividida em dois grupos menores com base na sua estrutura, que são as células procariontes e as células eucariontes; e é formada por compostos químicos que desempenham diferentes funções dentro da célula, aspectos estes que serão abordados neste trabalho.
Células procarionte e eucarionte
A célula procarionte
As células procariontes (a partir de pro, significando “antes”), também chamadas de procarióticas, possuem um conjunto de características que, juntas, as diferem de outros grupos de células. Uma das características mais conhecidas é o fato de não possuírem o seu conteúdo genético individualizado em um compartimento delimitado por membranas, como é o caso das células eucariontes. Nos procariontes, o seu DNA apresenta-se disperso pelo citosol, compartilhando o mesmo espaço com os demais componentes químicos internos da célula (Fig. 1).
Os procariotos frequentemente apresentam uma parede celular, cobertura resistente que serve como proteção para a célula. Eles possuem formas variadas, dentre os quais menciona-se formas esféricas, formas semelhantes a um bastão, ou a um saca-rolhas (Fig. 2). Quando observadas através do microscópio eletrônico, não apresentam nenhuma estrutura interna organizada, sendo que o que se observa é uma matriz de texturas variáveis.
FIGURA 1
FIGURA 2
A reprodução dos procariotos ocorre através da divisão de uma célula em outras duas, divisão esta que ocorre rapidamente. Quando os nutrientes são abundantes, uma célula pode duplicar-se a cada 20 minutos, de forma que, em 11 horas, uma única célula poderia dar origem a 8 bilhões de descendentes. Além disso, os procariotos podem trocar partes de seu DNA uns com os outros por um processo semelhante ao sexo. Assim, a soma da sua alta velocidade de reprodução com sua capacidade de ter seus genes alterados lhes confere a capacidade de se desenvolverem de forma rápida, tornando-se resistentes a antibióticos e adquirindo a capacidade de se alimentarem de novas fontes de alimento.
A diversidade dos procariotos
Embora a maior parte dos procariotos vivam como organismos unicelulares, existem casos de procariotos que se unem para formarem grupos, cadeias e outras estruturas organizadas. Esses agrupamentos são muito diversos em termos químicos, o que permite a sua ocorrência nos mais diferentes habitats, que variam desde poças quentes de lama vulcânica, até o interior de outras células vivas.
Os procariotos podem ser aeróbios, isto é, utilizarem o oxigênio para oxidarem moléculas de alimento; ou anaeróbios, significando que não necessitam de oxigênio para crescerem, e o mesmo pode matá-los.
Praticamente qualquer tipo de material orgânico pode servir de alimento para uma ou outra bactéria, e ainda existem casos de procariotos cuja alimentação é composta apenas de substâncias inorgânicas, em que obtêm seu carbono a partir do CO2 atmosférico, o seu nitrogênio a partir do N2 da atmosfera, e seu enxofre, fósforo, oxigênio e hidrogênio a partir da água, do ar, e de minerais inorgânicos. Alguns procariotos obtêm energia através da luz solar, no processo de fotossíntese, enquanto outros o fazem pela reação de substâncias inorgânicas do meio.
Enfim, esses procariotos, dada a sua capacidade de produzirem substâncias químicas diversas resultantes de seu metabolismo, permitem que outras formas de vida na Terra possam sobreviver a partir dos compostos químicos que produzem. Até mesmo os cloroplastos, organelas de células eucariontes que conferem às mesmas a capacidade de produzirem alimento, quase certamente se originaram de bactérias fotossintetizantes que foram englobadas por eucariotos, o que reforça a importância que os procariotos tiveram e ainda têm para os demais seres vivos.
Procariotos: os domínios Bacteria e Archaea
Embora não tenha sido sempre assim, o grupo dos procariotos é atualmente dividido em dois domínios distintos, a saber, o Bacteria e o Archaea.
O domínio Bacteria reúne a maioria dos microrganismos procariotos que estão presentes em nosso dia a dia. Alguns exemplos disso são as bactérias que podem ser encontradas em nosso corpo, ajudando-o a realizar suas funções vitais ou adoecendo-o, e as bactérias que estão presentes no solo.
Os integrantes do domínio Archaea, por sua vez, não se situam apenas nesses ambientes familiares, mas podem ser encontrados em meios hostis para a maioria das outras células, como em água salgada concentrada, em sedimentos marinhos das profundezas, onde a concentração de oxigênio é baixa, em poças congeladas da Antártida, no meio ácido do estomago de vacas, em fontes quentes e ácidas de origem vulcânica, e em borras provenientes de tratamentos de esgotos industriais.
A célula eucariótica
As células eucarióticas geralmente apresentam tamanho e complexidade maiores quando comparadas com os procariotos. Algumas delas levam uma vida independente como organismos unicelulares, como a ameba e as leveduras; enquanto outras vivem juntas, compondo indivíduos multicelulares complexos, que são classificados como algas, animais, plantas ou fungos.
Além do núcleo celular, os eucariotos ainda apresentam outras organelas que desempenham variadas funções dentro da célula, e que são igualmente comuns a todos os organismos eucariontes. A seguir veremos quais são essas organelas, assim como suas principais funções.
O núcleo celular
O núcleo celular é a organela da célula responsável por armazenar o material genético da mesma, o DNA, que são polímeros extremamente longos que contém as informações necessárias para a produção de proteínas, e, consequentemente, para a realização de diversos trabalhos dentro das células e pelas células dentro do organismo multicelular. Antes da ocorrência de uma divisão celular, o DNA organiza-se de forma a se apresentar “enrolado” em forma de cromossomos, estruturas compactas visíveis ao microscópio de luz. O DNA é envolvido por duas membranas concêntricas que constituem o envelope nuclear (Fig. 3).
FIGURA 3
As mitocôndrias
As mitocôndrias são organelas que, quando observadas ao microscópio, apresentam-se em forma de salsicha. Seus componentes químicos internos são delimitados por duas camadas de membranas, de forma que a camada interna apresenta dobras que se projetam para o interior da organela. As mitocôndrias possuem seu próprio DNA, e se multiplicam dividindo-se em duas.
Devido ao fato das mitocôndrias compartilharem características com bactérias, como possuir seu próprio material genético, e ser responsável pela sua própria reprodução, é suposto que as mesmastenha se originado quando um ancestral das células eucarióticas englobou uma bactéria, o que teria criado uma relação simbiótica entre ambas as células, o que as beneficiava.
Através de estudos realizados com mitocôndrias obtidas através do processo de centrifugação, em que diferentes componentes celulares são separados com base em seu tamanho, sua densidade e sua forma; descobriu-se que elas têm por função oxidarem moléculas de alimento, como os açúcares, para produzirem o trifosfato de adenosina, ou ATP – molécula básica que energiza a maioria das atividades celulares. Dado o fato das mitocôndrias consumirem oxigênio e liberarem gás carbônico durante a sua atividade, o processo recebe o nome de respiração celular.
A membrana interna das mitocôndrias é bastante convoluta (Fig. 4), o que possui papel fundamental no aumento da superfície interna das mesmas, visto que no interior das mitocôndrias estão contidas as proteínas responsáveis pela realização da respiração celular.
FIGURA 4
As mitocôndrias são essenciais na vida dos animais, dos fungos e das plantas, porque elas permitem que esses organismos sejam capazes de liberarem energia a partir das moléculas de alimento com mais eficiência, desde que tenham acesso a quantidades suficientes de oxigênio. Se não fosse pelas mitocôndrias, tais seres vivos não apenas seriam menos eficientes na extração de energia, como morreriam na presença de oxigênio.
Nem todos os eucariontes, contudo, possuem mitocôndrias, como é o caso da Giardia, parasita intestinal anaeróbio que vive apenas em meios com pouco oxigênio.
Os cloroplastos
Os cloroplastos são organelas que apresentam uma coloração verde, em decorrência do pigmento verde clorofila que possuem. Esse pigmento se situa em pilhas de membranas que ficam dentro da organela. Eles, assim como as mitocôndrias, possuem DNA e se multiplicam dividindo-se em duas outras organelas. O conteúdo dos cloroplastos, por sua vez, é delimitado por duas membranas que as envolvem.
FIGURA 5
Semelhantemente às mitocôndrias, supõe-se que os cloroplastos tenham surgido quando uma célula eucarionte que já continha mitocôndrias, ancestral das algas e das plantas, englobou um procarioto fotossintetizante, e estabilizou uma relação simbiótica com a célula englobada.
Os cloroplastos estão presentes nas células de vegetais e algas, e são responsáveis por conferirem a esses seres vivos a capacidade de produzirem o seu próprio alimento através da absorção da energia luminosa solar, realizada pela clorofila. Por conta disso, eles desempenham um papel fundamental na absorção e transmissão de energia através das cadeias alimentares do nosso planeta, visto que produzem açúcares, moléculas altamente energéticas que podem ser consumidas pelas próprias células de algas e vegetais, ou pelas células de outros seres vivos, como animais, por exemplo. Não obstante, o processo de fotossíntese também transforma gás carbônico em oxigênio, molécula esta que é essencial no processo de extração de energia de moléculas pelas mitocôndrias.
Membranas internas das células eucariontes
As células eucariontes possuem diversas organelas envolvidas por membranas, que atuam estabelecendo uma divisão entre a composição química das respectivas organelas e o citosol. Enquanto o núcleo, as mitocôndrias e os cloroplastos apresentam membranas complexas, existem ainda várias outras organelas que apresentam membranas simples. Essas organelas, em sua maioria, desempenham funções ligadas à exportação de substâncias manufaturadas e produtos úteis, e à importação de matéria-prima. Abaixo serão descritas a estrutura, a função e o modo de atuação de algumas dessas organelas.
O retículo endoplasmático
Uma dessas organelas é chamada de retículo endoplasmático (RE). Ele apresenta-se como um labirinto de espaços conectados uns com os outros, espaços estes que envolvem o núcleo celular, e que, nas regiões mais internas do retículo, compartilham a mesma membrana com o envelope nuclear. Espalhadas pela membrana do retículo endoplasmático encontram-se presentes moléculas chamadas ribossomos, que são especializadas na síntese proteica. Essas moléculas, quando dispersas em uma determinada região do retículo endoplasmático, conferem à mesma o nome de retículo endoplasmático rugoso, uma referência à sua aparência quando coberto por ribossomos.
O retículo endoplasmático, por possuir ribossomos, tem a função de atuar na síntese de diversos materiais destinados à exportação da célula.
O aparelho de Golgi
A estrutura do aparelho de Golgi, em termos simples, pode ser descrita como sendo semelhante a uma pilha de sacos achatados envolvidos por membranas. Essa organela tem por função receber, e, muitas vezes, modificar quimicamente as moléculas produzidas no RE, para que sejam subsequentemente direcionadas para o exterior da célula ou para outras organelas da célula.
Os lisossomos
Os lisossomos são vesículas de formato irregular, que apresentam em seu interior enzimas especializadas na realização da digestão intracelular, e que têm a função de digerir moléculas de alimento, fornecendo nutrientes à célula, ou de digerir moléculas indesejáveis para a reciclagem ou excreção.
Os peroxissomos
Os peroxissomos são vesículas pequenas, delimitadas por membranas, dentro das quais ocorrem reações químicas que envolvem a geração e a degradação do peróxido de hidrogênio (H2O2), composto químico de reatividade perigosa.
A ocorrência de compartimentos internos delimitados por membranas não ocorre apenas na forma de organelas. Dentro da célula, constantemente são transportadas diversas substâncias de uma organela a outra, da membrana celular até organelas, e vice-versa. Esse transporte ocorre através de pequenas vesículas envolvidas por uma membrana, que se formam quando a membrana de uma organela, ou até mesmo a membrana celular, se dobram, mantendo em seu interior moléculas ou partículas que serão subsequentemente transportadas para uma organela, caso estejam partindo da membrana celular ou de outra organela; ou para o meio exterior à célula, caso sejam provenientes de uma organela. 
Um exemplo disso é a endocitose celular, que se inicia quando porções da membrana plasmática se dobram ou formam canais, e consequentemente envolvem completamente partículas líquidas ou sólidas por membranas. Uma vez separadas da membrana celular, essas vesículas contendo alimento se fusionam aos endossomos, que por sua vez maturam em lisossomos, onde a partícula é digerida.
Além de atuarem na absorção e digestão de alimentos pelas células, os compartimentos membranosos também participam no transporte de substâncias que devem ser excretadas pela célula, num processo que recebe o nome de exocitose. Através da exocitose, as células de animais podem secretar hormônios, moléculas de sinalização, neurotransmissores, e outras substâncias vitais para o harmonioso funcionamento dos organismos pluricelulares dos quais fazem parte.
O citosol e sua composição química
O citosol celular compreende todos os componentes do interior da célula que não são envolvidos por uma membrana, e constitui o maior compartimento único dentro da maioria das células. Sua composição química se resume a um amontoado de moléculas grandes e pequenas que, juntas, conferem ao citosol um comportamento mais semelhante à de um gel à base de água do que à de uma solução líquida.
Em meio ao citosol ocorrem diversas reações químicas essenciais à célula, como, por exemplo, a quebra de nutrientes, e a realização de processos de síntese, dos quais, a saber, participam ribossomos – moléculas especializadas na produção de proteínas.
O citoesqueleto e sua atuação na realização de movimentos celulares direcionados
Além de apresentar várias organelas e compostos químicos dispersos em seu interior, as células não são organismos sem estrutura. Elas possuem, em seu interior, filamentos longos e finos de proteínas, cujas extremidades podem ser vistas ancoradas na membrana ou no núcleo da célula. Esses filamentossão chamados de citoesqueleto.
Entre os tipos de filamentos que compõe o citoesqueleto, podemos citar os filamentos de actina, que, embora sejam encontradas em todas as células eucarióticas, apresentam-se em maior número em células musculares, onde atuam como parte da maquinaria responsável por gerar forças contráteis que promovem a movimentação dos tecidos musculares, e de outros tecidos a ele ligados.
Outro tipo de filamento são os microtúbulos. São mais grossos, e apresentam-se em forma de tubos ocos. Quando uma célula está em processo de divisão celular, seus microtúbulos se reorganizam e se dispõem em posições espetaculares enquanto auxiliam o processo de divisão puxando os cromossomos duplicados em direções opostas e realizando a distribuição deles igualmente entre as duas células filhas.
Além dos filamentos de actina e dos microtúbulos, existem filamentos que possuem espessura intermediária entre estes dois filamentos inicialmente citados. Eles recebem o nome de filamentos intermediários, e atuam no fortalecimento mecânico da célula.
Todos os filamentos acima citados, juntamente com proteínas que se unem a eles, constituem uma estrutura de cabos, vigas e motores que controlam o formato da célula, guiam seus movimentos, e reforçam a sua estrutura.
Dessa forma, o citoesqueleto tem papel fundamental no funcionamento das células eucarióticas. Como exemplo disso, pode-se citar células animais que realizam diversos movimentos, como se esticarem, dobrarem, nadarem ou arrastarem-se através do substrato. Outro exemplo são as células vegetais, nas quais as mitocôndrias são orientadas por uma constante corrente ao longo das trilhas citoesqueléticas. Além disso, as células eucarióticas, tanto vegetais quanto animais, dependem do citoesqueleto para poderem efetivamente dividir seus diversos componentes internos entre as futuras células filhas durante a divisão celular.
A movimentação dos componentes internos da célula
As diversas estruturas, organelas, vesículas e moléculas que se encontram no interior das células estão em constante movimento. O retículo endoplasmático e as moléculas livres, por exemplo, se encontram em constante agitação térmica, de forma que uma molécula pode viajar através do interior de uma célula e passar por cada canto da mesma em questão de segundos, colidindo com outras moléculas a todo momento. Os filamentos que compõe o citoesqueleto, por sua vez, se agrupam e depois desaparecem, e são amarrados e desamarrados uns aos outros constantemente, enquanto organelas e vesículas viajam através desses filamentos de um a outro lado da célula em segundos.
A origem das células eucarióticas
Em comparação com as células procarióticas, as células eucarióticas apresentam uma série de componentes internos que os primeiros não possuem, e são geralmente 10 vezes maiores em comprimento, e 1000 vezes maiores em volume do que os procariotos.
Assim, atualmente, ainda desconhecemos como surgiu a complexidade interna observada em células eucariontes, embora as evidências sugiram que suas características distintas foram sendo adquiridas em momentos diferentes.
Existe uma teoria que diz que a célula eucariótica ancestral das células eucarióticas das plantas, dos animais e dos fungos, era um predador que obtinha seu alimento a partir da captura de outras células, e que por isso, possuía um grande tamanho, e um DNA individualizado, separado do citosol por uma membrana que evitava que o material genético permanecesse em contato direto com o tumultuado citoplasma celular, e que promovia um controle mais delicado e complexo da maneira como o DNA era lido. A presença do citoesqueleto também se fez necessário, dada a necessidade da célula de se movimentar e capturar outras células.
Esse eucarioto predador primitivo teria, em um dado momento, englobado uma bactéria de vida livre que consumia oxigênio. Essa bactéria (ancestral das mitocôndrias) e a célula eucariótica teriam então estabelecido uma relação simbionte, dando origem ao primeiro eucarioto que realizava a respiração celular. Mas tarde, uma dessas células eucarióticas, ao englobar uma bactéria fotossintetizante, deu origem à primeira célula eucariótica que continha organelas capazes de produzirem alimento chamadas de cloroplastos.
FIGURA 6
Componentes Químicos das Células
Todos os seres vivos, sem exceção, são compostos por células, e estas, por sua vez, são formadas por componentes químicos. Desta forma, todos os diversos e complexos eventos que ocorrem no interior de cada ser vivo podem ser explicados pelas leis da química e da física, que fundamentam toda a realidade por nós conhecida.
Contudo, diferentemente de outros sistemas químicos presentes em corpos não vivos, a estrutura química dos seres vivos apresenta complexidade única. Ela é fundamentada basicamente em compostos de carbono, cujo estudo recebe o nome de química orgânica. Esses compostos de carbono, para reagirem uns com os outros da maneira como fazem nas células, necessitam estar em meio a soluções aquosas, em faixas de temperatura relativamente estreitas que são observadas na Terra. Além disso, a ordenação e coordenação de tais componentes químicos é realizada por cadeias muito grandes de moléculas poliméricas, que detém propriedades únicas que permitem o crescimento, reprodução, e a realização de outras atividades variadas pelas células. Finalmente, todos esses compostos químicos trabalham em conjunto, de maneira organizada e complexa, de forma que todos os eventos que devem ocorrer com uma ou mais células se dão no tempo e espaço corretos.
Portanto, dada a importância da química na compreensão da vida terrestre, abaixo falar-se-á sobre os principais tipos de moléculas que constituem as células, e sobre a função básica que desempenham dentro destas.
Água
70% da massa das células é constituída por água, e a maioria de suas reações ocorre em meio aquoso. Isso é explicado pelo fato da vida na Terra ter se iniciado nos oceanos, onde os primeiros seres vivos eram extremamente dependentes da água. Com o tempo, os seres vivos evoluíram a ponto de serem capazes de sobreviverem em ambientes muito áridos, através da redução dos meios pelos quais poderiam perder água de seus corpos para o ambiente circundante. Porém, isso não excluiu a necessidade das células de terem água em sua constituição para conseguirem realizar as mais diversas reações químicas.
A molécula de água e constituída por dois átomos de hidrogênio que se ligam a um átomo de oxigênio através de uma ligação covalente simples. O átomo de oxigênio, nesse caso, possui os orbitais “s” e “p” da sua camada de valência hibridizados na forma “sp3”. Estes quatro orbitais híbridos se posicionam de forma a se manterem tão afastados quanto possível uns dos outros, dado o fato de que os pares de elétrons emparelhados de cada um desses orbitais se repelem, por razões físicas que não convém serem explicadas neste trabalho. O importante é saber que o centro de cada um desses orbitais se orienta em direções correspondentes aos vértices de um hipotético tetraedro.
Por conta disso, os átomos de hidrogênio, ao se ligarem ao oxigênio, permanecem posicionados próximos um ao outro, formando um ângulo diferente de 180° um com o outro. Mas por que a ocorrência desse ângulo na molécula de água é importante?
Quando dois átomos de números atômicos diferentes se ligam, a diferença no número de prótons presentes no núcleo atômico de ambos, por razões variadas que não precisam ser aqui explicitadas, faz com que esses átomos apresentem valores de eletronegatividade diferentes um do outro. Essa diferença de eletronegatividade faz com que as nuvens eletrônicas da camada eletrônica mais externa do átomo menos eletronegativo permaneçam deslocadas na direção do átomo mais eletronegativo. Isso faz com que o átomo menos eletronegativo constitua um polo de carga elétrica positiva, enquanto o outro apresenta carga elétrica negativa.
No caso da molécula de água, os átomos de hidrogênio, por serem menos eletronegativos, constituempolos positivos, em oposição ao oxigênio, que constitui um polo negativo. Cada um dos hidrogênios, então, formam um dipolo com o oxigênio, ou seja, uma estrutura molécula que possui um polo positivo e outro negativo.
Em moléculas constituídas por mais de dois átomos de elementos diferentes, como a água e o gás carbônico, a soma dos vetores dos dipolos presentes naquela molécula determina se a mesma terá no final um momento dipolo igual ou diferente à zero. Se o momento dipolo for diferente de zero, a molécula será polar, ou seja, apresentará dois polos de cargas elétricas opostas. Contudo, se for igual a zero, será apolar, e não apresentará tais polos.
No caso do gás carbônico, por exemplo, embora os átomos de oxigênio constituam dipolos com o carbono ao centro, o ângulo formado pelos três átomos é de 180°, o que significa que os dipolos formados se opõem um ao outro, se cancelando (Fig. 7).
FIGURA 7
Já no caso da água, como a soma dos vetores dos dipolos resulta em um momento dipolo diferente de zero, a molécula de água é polar (Fig. 8).
FIGURA 8
A importância da polaridade das moléculas de água reside no fato da mesma ser responsável pela ocorrência de forças que atraem polos de cargas opostas de moléculas polares distintas. No caso da água, os átomos de hidrogênio de uma molécula de água são atraídos a átomos de oxigênio de outras moléculas de água, estabelecendo ligações fracas chamadas de ligações de hidrogênio. Essas ligações de oxigênio são inferiores às ligações covalentes, e podem ser facilmente rompidas pela energia cinética das moléculas. Contudo, elas são fortes o bastante para conferirem à água uma alta tensão superficial à temperatura ambiente, e um alto ponto de ebulição. Também, as ligações de hidrogênio têm a capacidade de estabelecerem forças de atração entre moléculas de água e substâncias polares, como a ureia, por exemplo. Essa atração permite que tais substâncias polares sejam rodeadas por água, e se dissolvam no meio aquoso.
Outra propriedade da água é a de atrair íons positivos ou negativos através de suas porções negativa e positivamente carregadas, respectivamente. Mais uma vez, essa atração faz com que os íons sejam envolvidos por água e dissolvidos na mesma (Fig. 9).
FIGURA 9: Os átomos de hidrogênio da água são atraídos à íons negativos, enquanto os átomos de oxigênio são atraídos a íons positivos.
Em resumo, moléculas polares e íons dissolvem-se facilmente na água, e por isso, são chamadas de substâncias hidrofílicas (“gostam de água”) Alguns exemplos dessas substâncias são os açúcares, o DNA, o RNA e a maioria das proteínas.
Enquanto isso, moléculas apolares não carregadas, por formarem poucas ou nenhuma ligação de hidrogênio, não se dissolvem em água, e são chamadas de hidrofóbicas (“não gostam de água”). Um importante exemplo de moléculas hidrofóbicas são os hidrocarbonetos, que apresentam em sua estrutura átomos de hidrogênio ligados a átomos de carbono, em estruturas grandemente não polares.
A propriedade hidrofóbica dos hidrocarbonetos é importante, dada a existência de moléculas que, por conta de parte de sua estrutura ser hidrofóbica, podem se organizar de maneira a formarem membranas que separam diferentes meios aquosos, permitindo assim que células e organelas controlem a entrada e saída de substâncias variadas, e assim, mantenham uma composição química interna diferente do meio no qual estão inseridas.
Moléculas orgânicas
Além da água e de algumas poucas substâncias presentes dentro da célula, a maior parte de seus componentes químicos têm por base átomos de carbono.
O átomo de carbono possui uma capacidade incrível de formar moléculas grandes, dado o fato de que ele apresenta quatro elétrons em sua camada de valência que podem se emparelhar com até quatro elétrons de outro átomo, dependendo da configuração adquirida pelos orbitais híbridos do carbono; ele é capaz de formar estruturas bastante variadas.
O átomo de silício, embora faça parte da mesma família que o carbono, possui um tamanho grande demais, que o impede de apresentar a mesma versatilidade do carbono.
Dentro do ramo de estudos das moléculas orgânicas, é feita uma divisão entre moléculas orgânicas pequenas e macromoléculas poliméricas das células. Em termos simples, as moléculas orgânicas pequenas apresentam pesos moleculares na faixa entre 100 e 1000, contém até 30 ou mais átomos de carbono, e são os blocos de construção das macromoléculas, embora também atuem como fonte de energia em alguns casos.
Todas as macromoléculas, por sua vez, são sintetizadas e degradadas a partir de um mesmo conjunto de compostos simples, visto que os processos através dos quais as macromoléculas são produzidas ou degradadas possuem limites que determinam que os processos de construção e desconstrução dessas moléculas ocorra com base em unidades menores bem definidas.
Por conta disso, as macromoléculas podem ser relacionadas umas às outras com base nos “tijolos” que compõem sua estrutura.
Abaixo serão elucidados os diferentes grupos de moléculas pequenas e macromoléculas orgânicas.
Aminoácidos e proteínas
Os aminoácidos são moléculas orgânicas que são definidas por possuírem um grupo de ácido carboxílico e um grupo amino, ambos ligados a um átomo de carbono, que recebe o nome de carbono α.
As proteínas, por sua vez, são longas cadeias de aminoácidos ligados uns aos outros cabeça com cauda. Essa longa cadeia é enovelada, formando uma estrutura tridimensional única a cada proteína. Por conta de as ligações formadas entre os aminoácidos serem chamadas de ligações peptídicas, as proteínas também recebem o nome de polipeptídios.
As proteínas sempre possuem nas extremidades de sua estrutura um grupo carboxila (COOH), e em outra, um grupo amino (NH3).
Normalmente, encontra-se 20 aminoácidos diferentes nas proteínas dos seres vivos, sejam eles plantas, animais ou bactérias. Esses aminoácidos apresentam uma versatilidade tal que permite que as proteínas exerçam as mais variadas funções. Cinco desses vinte aminoácidos possuem cadeias laterais, que, quando inseridas em uma solução, podem formar íons e assim transportarem cargas. Também, alguns aminoácidos são polares e hidrofílicos, enquanto outros são apolares e hidrofóbicos.
As proteínas são responsáveis pela execução de milhares de funções dentro das células, dada a sua abundância e versatilidade. Algumas proteínas são enzimas que catalisam reações químicas celulares. Outras ainda produzem compostos, atuam nos motores celulares gerando força e movimento, etc. Abaixo estão listadas algumas proteínas juntamente com que as respectivas funções que desempenham:
Enzima ribulose bifosfato carboxilase: presente nos cloroplastos, é responsável pela conversão de CO2 em açúcares, gerando assim alimento para diversos seres vivos terrestre além das plantas;
Histonas: são proteínas que compactam o DNA nos cromossomos;
Miosina: se movimentam ao longo da actina, e, em presença de ATP, são responsáveis pela contração muscular.
Carboidratos
Os carboidratos são os açúcares e moléculas que são formados por monossacarídeos. Eles recebem essa denominação porque são compostos cuja fórmula geral, em sua maioria, é expressa pela fórmula empírica (CH2O)n. Os carboidratos mais simples recebem o nome de monossacarídeos.
Essas fórmulas, contudo, não são capazes de representar por completo uma substância, visto que o mesmo grupo de carbonos, hidrogênios e oxigênios podem se organizar de forma variada, dando origem a diferentes moléculas. Um exemplo disso são as moléculas de glicose, manose e galactose, que apresentam a fórmula geral C6H12O6, mas possuem estruturas diferentes.
Os monossacarídeos podem estar unidos por ligações covalentes, formando grandes carboidratos. Quando dois monossacarídeos estão unidos, eles formam juntos um dissacarídeo. Tendo-se vários monossacarídeos unidos, podemos falar em oligossacarídeos, que apresentam de 3 a aproximadamente 50 monômeros (monossacarídeos, nesse caso); ou podemos falar em polissacarídeos, quesão gigantescos carboidratos que são compostos por centenas ou até milhares de subunidades.
Através de reações de condensação, um açúcar pode se ligar a outro açúcar através da reação dos grupos –OH presentes nesses açúcares. A ligação ocorre quando, durante a reação dos grupos –OH, ocorre a formação de uma molécula de água, de forma que os átomos restantes se unem, ligando os açúcares. O processo oposto também pode ocorrer, onde moléculas de água são consumidas, num processo conhecido como hidrólise.
Por possuírem vários grupos hidroxila livres, os monossacarídeos podem se agrupar das mais variadas maneiras, o que permite a existência de uma grande diversidade de polissacarídeos. Portanto, determinar a o arranjo dos açúcares nos polissacarídeos vem a ser uma tarefa mais difícil do que determinar a sequência de nucleotídeos no DNA.
Funções
Os carboidratos possuem funções ligadas à produção e armazenamento de energia, e à constituição de certas estruturas. Essas funções estão listadas abaixo:
Armazenamento e produção de energia: através de uma série de reações química, o monossacarídeos glicose é quebrado, liberando energia para a realização de outros trabalhos pela célula. Enquanto isso, polissacarídeos simples compostos por glicose, atuam no armazenamento de energia. Nos animais, esse armazenamento se dá na forma de glicogênio, enquanto nas plantas, utiliza-se o amido;
Constituição de estruturas: existe um polissacarídeo de glicose chamado celulose, que é o constituinte da parede celular em vegetais. A quitina, por sua vez, é um polímero linear que está presente no exoesqueleto de insetos e na parede das células de fungos. Os açúcares também podem se apresentar ligados a proteínas, formando glicoproteínas, ou ligados a lipídeos, formando glicolipídeos. Ambas estruturas são encontradas nas membranas celulares.
Lipídeos
Os ácidos graxos são moléculas constituídas de duas regiões químicas com características distintas. Uma parte dessas moléculas é formada por uma longa cadeia hidrocarbonada, que possui pouca reatividade química, e é hidrofóbica. A outra parte é um grupo carboxila (–COOH), que se ioniza em solução aquosa (–COO-), sendo reativo e hidrofílico. Essas moléculas, por possuírem regiões tanto polares quanto apolares, recebem o nome de anfipáticas.
A cadeia hidrocarbonada dos ácidos graxos pode apresentar carbonos que realizam apenas ligações simples uns com os outros. Tais caudas apresentam o número máximo de átomos de hidrogênio que poderiam apresentar, e possuem uma estrutura geométrica linear. Existem caudas hidrocarbonadas, contudo, que apresentam carbonos que realizam ligações insaturadas uns com os outros. Essas insaturações são responsáveis por produzirem dobramentos das caudas (Fig. 10). Assim, quanto mais insaturações um ácido graxo apresentar, mais dobramentos suas caudas irão possuir, e por consequência, menor será o grau de empacotamento das moléculas.
FIGURA 10: (a) o ácido esteárico não apresenta insaturações. (b) Já o ácido oleico apresenta uma instauração, responsável pela “dobra” da molécula.
Outra característica importante dos ácidos graxos é o comprimento de suas caudas, pois caudas mais compridas aumentam o grau de empacotamento das moléculas.
O grau de empacotamento dos ácidos graxos, por sua vez, tem relação direta com a habilidade dessas moléculas de se movimentarem. Ácidos graxos que apresentam estruturas químicas que propiciam o empacotamento molecular tendem a permanecerem na fase sólida à temperatura ambiente, constituindo assim as chamadas gorduras saturadas (nome este faz referência à presença apenas de ligações saturadas entre os átomos de carbono das caudas). Já ácidos graxos que apresentam estruturas que desfavorecem o empacotamento molecular tendem a permanecerem na fase líquida à temperatura ambiente, constituindo as gorduras insaturadas (nome que fez referência à ocorrência de insaturações entre os carbonos das caudas das moléculas).
O grau de empacotamento dos ácidos graxos desempenha um papel importantes nas membranas celulares, que, a saber, são constituídas por duas camadas de ácidos graxos que mantém suas cabeças polares voltadas para o exterior e interior da célula, e as suas caudas para a região interna da membrana. Quanto mais gorduras saturadas uma membrana celular possuir, menor será a fluidez da mesma, enquanto que a presença de gorduras insaturadas favorece a fluidez da membrana.
A função mais proeminente desempenhada pelos ácidos graxos nas células é a de constituírem membranas que atuam como delimitadores de meios aquoso diferentes, sejam eles o citosol e o meio extracelular, ou o citosol e o interior de diferentes organelas. Dos ácidos graxos, os mais comumente encontrados nas membranas são os fosfolipídeos. Eles apresentam um glicerol ligado a duas cadeias de ácidos graxos, e a um grupo fosfato, que por sua vez está unido a um composto hidrofílico pequeno, como a colina.
Ácidos nucleicos
Tanto o DNA quanto o RNA possuem por subunidades os nucleotídeos. A constituição química dos nucleotídeos pode ser explicada falando-se primeiro sobre os nucleosídeos.
Nucleosídeos são moléculas que têm um anel contendo nitrogênio ligado a um açúcar de cinco carbonos, açúcar este que pode tanto ser uma ribose quanto uma desoxirribose. Estes nucleosídeos, quando possuem um ou mais grupos fosfato ligados ao açúcar, recebem o nome de nucleotídeos. Os nucleotídeos que contém ribose são chamados de ribonucleotídeos, enquanto os que contém desoxirribose são chamados de desoxirribonucleotídeos.
Nos nucleotídeos, os anéis contendo o átomo de nitrogênio, quando dispostos em solução aquosa, podem ligar-se a um íon H+, aumentando assim a concentração de íons OH-. Por esse motivo, eles recebem o nome de bases.
Existem cinco tipos de bases, a saber, a citosina (C), a timina (T), a guanina (G), a adenina (A), e a uracila (U) (Fig. 11). Essas bases apresentam semelhanças entre si. A guanina e adenina apresentam um anel de cinco membros ligado a um anel de seis átomos, e a citosina, a timina, e a uracila, são derivadas do anel da pirimidina, e por isso são chamadas de pirimidinas.
FIGURA 11
Entre as funções dos nucleotídeos, pode-se citar a sua atuação como carreadores de energia, e a transferência de certos grupos químicos. A função mais proeminente dos nucleotídeos, contudo, é a de serem as unidades constituintes dos ácidos nucleicos, armazenando e disponibilizando a informação biológica responsável por determinar a formação de diversas proteínas, o que, por sua vez, tem o potencial de dar origem a uma série de mecanismos químicos que podem culminar no surgimento e desenvolvimentos de complexos organismos, pluricelulares ou não.
Conclusão
Neste trabalho, foram abordados vários assuntos relacionados à estrutura básica das células, assim como alguns aspectos de seu funcionamento, e algumas das diversas funções desempenhadas pelos seus componentes químicos. A compreensão desses assuntos é fundamental para a continuidade de qualquer estudo ligado à biologia celular, tendo-se em vista que a célula pode ser descrita, em termos simples, como um complexo maquinário, onde diferentes substâncias químicas constantemente reagem uns com os outros, permitindo que a vida exista e ocorra da maneira como a observamos em nosso dia-a-dia. Compreender o funcionamento das células implica em prestar atenção aos mínimos detalhes, e a conhecer cada um dos componentes deste maquinário, pois, somente assim poderemos controlar e manipular a base de todas as formas de vida conhecidas pelo homem na Terra: a célula.
Referências Bibliográficas
ALBERTS, B. et al. Fundamentos da biologia celular. 3ed. – Porto Alegre. Artmed, 2011.
Fontes das Imagens
FIGURA 1: http://ocogumelo.blogspot.com.br/2011/03/celula-bacteriana_23.html
FIGURA 2: https://pt.wikipedia.org/wiki/Bact%C3%A9ria
FIGURA 3: https://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAcleo_celular
FIGURA 4: http://www.seara.ufc.br/donafifi/mitocondrias/mitocondrias04.htm
FIGURA 5: http://blogdoenem.com.br/introducao-fotossintese/FIGURA 6: http://www.ib.usp.br/evosite/history/endosym.shtml
FIGURA 7: http://la-mecanica-cuantica.blogspot.com.br/2009/08/la-hibridacion-de-orbitales-atomicos.html
FIGURA 8: http://la-mecanica-cuantica.blogspot.com.br/2009/08/la-hibridacion-de-orbitales-atomicos.html
FIGURA 9: http://socratic.org/questions/how-can-ionic-compounds-dissolve-in-water
FIGURA 10: http://wikiciencias.casadasciencias.org/wiki/index.php/%c3%81cidos_Gor dos
FIGURA 11: http://ocw.innova.uned.es/biologia/contenidos/bio/bio7_01.html