Evolução da Vida e Níveis de Organização Biológica

A História da Vida: Do Big Bang à Célula

Somos mamíferos, mas a nossa história biológica começou há muito mais do que milhões de anos.

O Início do Universo

• O Big Bang: há cerca de 20 bilhões de anos.
• Formação de galáxias e planetas.
• Cem mil anos para "arrefecer" após muitas explosões!

Nossa casa, a Terra, tem aproximadamente 4 bilhões de anos.

O Surgimento das Moléculas Orgânicas

Moléculas inorgânicas interagiram umas com as outras. Gás, água, raios, sólidos e tempestades aceleraram reações químicas com sua energia, dando origem às moléculas orgânicas. Apenas 30 seriam os ancestrais da vida, dos quais:

• 20 são aminoácidos, os blocos de construção das proteínas.
• Alguns ácidos graxos muito básicos.
• A glicose (açúcar).
• A base da colina, elemento básico da acetilcolina, um neurotransmissor importante em todos os seres vivos com sistema nervoso.

As águas do oceano, fonte molecular orgânica da vida, estavam em constante mudança. Há 3 bilhões de anos, as moléculas levaram um tempo considerável (bilhões de anos) para se unirem e multiplicarem. Moléculas "inteligentes", como as proteínas que aceleram reações químicas (catalisadores), surgiram, capazes de se autorregular e gerir a síntese proteica.

As moléculas organizaram-se em membranas em camadas, formando a primeira estrutura que precisava ser dobrada e selada para reter outras moléculas de proteína, água e sal. Assim, surge a primeira célula!

Monera (Bactérias) e Células Procarióticas

Assim, os Monera (bactérias) apareceram no mar primitivo, com uma estrutura muito básica: uma membrana celular de lipoproteína, citoplasma ou citosol com proteínas e sais, e uma pequena molécula de DNA de apenas um milímetro de comprimento, formando um único cromossomo com poucos genes. (O DNA humano de cada célula, se "esticado", atinge mais de 1 metro de comprimento!).

Esses seres minúsculos, não maiores que 1 mícron (milésimo de um milímetro) de diâmetro, continham a informação correta para se autorrenovarem e se dividirem, criando milhares de milhões de seres vivos.

Revisão do Sistema Métrico

Para ter uma ideia de quão pequeno é esse mundo, vamos rever o sistema métrico, dividindo 10 por 10:

• 1 Å (Angstrom) é 1.000 vezes menor do que o mícron e 1 milhão de vezes menor do que um ponto em um papel (que mede um décimo de milímetro!).
• Um mícron (µm) é o diâmetro aproximado de uma bactéria.

A Evolução para Células Eucarióticas

A natureza levou de milhares a 2 bilhões de anos para transformar essa célula básica, sem núcleo e com DNA disperso no citoplasma (células procarióticas: Pro = antes, Carion = núcleo), em uma célula maior e mais complexa, com um núcleo definido e cromossomos mais longos, multiplicando o número de genes.

As células eucarióticas (Eu = verdadeiro, Carion = núcleo) surgiram. Inicialmente, existiam sozinhas (os protistas), mas depois agruparam-se para formar tecidos, órgãos e sistemas, dando origem à grande diversidade dos novos reinos: o dos fungos (cogumelos), das plantas e dos animais.

Classificação dos Reinos (Whittaker)

Os cinco reinos de Whittaker são:

1. Monera
2. Protistas
3. Fungi
4. Plantas (Plantae)
5. Animais (Animalia)

No entanto, existem dois grandes Domínios (ou Impérios): Procariotas e Eucariotas.

A Teoria da Endossimbiose

Descobriu-se que certas bactérias (as Arqueobactérias, encontradas no fundo do mar) não se enquadravam totalmente nas condições de eucariontes ou procariontes, sendo um intermediário. Isso levou a uma reavaliação das classificações, e hoje se fala em três Domínios: Eukaryota, Archaea e Procariontes.

A teoria mais aceita sobre a origem dos eucariotos é a proposta por Lynn Margulis, baseada no DNA encontrado nas mitocôndrias (organelas intracelulares localizadas no citoplasma).

Essa teoria sugere que procariotos indefesos foram colonizados por procariotos maiores. Eles aprenderam a viver em simbiose, cedendo parte de seu DNA ao hospedeiro, que assim alcançou um cromossomo mais longo. Assim, começou uma estrutura nuclear típica de eucariotos, e as bactérias menores se tornaram as mitocôndrias.

Esta é a Teoria dos Endossimbiontes, que explica dois bilhões de anos de desenvolvimento no início do nosso corpo.

Nível Atómico-Molecular

As moléculas que compõem as nossas células e seus componentes são feitas de átomos simples, pequenos e muito funcionais. Talvez esta seja a chave para a grande versatilidade e potencial de rápida mudança e adaptação dos seres vivos.

O Carbono é um deles. Embora não seja o mais abundante, a sua estrutura espacial (orbitais de elétrons semelhantes a uma pirâmide com quatro vértices) permite-lhe combinar-se facilmente, inclusive com outros átomos de carbono, formando um esqueleto molecular muito adequado para longas cadeias ou anéis fechados e resistentes no espaço.

O Oxigénio, tão versátil e fácil de combinar com outros átomos para formar oxigénio molecular (essencial para a vida de organismos aeróbios), é o elemento mais abundante na Terra, na sua atmosfera e na biosfera.

O Hidrogénio, o átomo mais simples da criação, é o mais ágil a transferir a energia contida no seu único elétron orbital e combina-se com o oxigénio para nos dar a água, "o elemento vital".

Adicionamos um condimento à química orgânica: o Nitrogénio, um elemento-chave em moléculas estruturais (as proteínas) e na memória ancestral dos genes (ácidos nucleicos). Também está presente nas baterias que armazenam energia: o ATP.

Mas átomos de moléculas inorgânicas como cloro, sódio, ferro, potássio, cobre, cobalto, níquel, cádmio, fósforo e enxofre também intervêm nos organismos vivos.

Quanto menores esses átomos, menores as moléculas resultantes, que podem mover-se livremente, formar ligações covalentes com a água e entre si, e dissolver-se. Se a necessidade é de manutenção, a sabedoria da natureza fará com que ganhem ou percam elétrons, dissociando-se em processos redox. Moléculas gordurosas e insolúveis não passarão através das membranas celulares, mas as solúveis em água poderão deixar os corpos, sendo renovadas após a entrada de outras moléculas que podem ter vindo de outros organismos e milhões de outras espécies de anos antes. Nada se perde, apenas se transforma!

Alguns átomos de hidrogénio, ao perderem o elétron orbital, ficam no estado de prótons. A disposição destes em certas moléculas pode tornar-se um perigo para algumas e não para outras. Referimo-nos à acidose e alcalose que os organismos devem monitorizar para não morrerem ou se extinguirem.

Organização: Membranas e Células

Mencionamos, ao descrever os átomos e moléculas, as suas diferentes complexidades. Existem moléculas pequenas cujo diâmetro total não excede 10 Angstroms (Å). Geralmente, são compostas por dois, três, quatro e não mais de 1 ou 2 dezenas de átomos. Estas moléculas, que geralmente formam cristaloides, são facilmente compatíveis com a água (que se comporta como um dipolo elétrico) através do mecanismo de difusão, formando soluções verdadeiras.

Isto também lhes confere a capacidade de atravessar membranas celulares através de poros de não mais de 8 Å, entrando e saindo das células. Estes poros são formados por moléculas muito maiores (mais de 10 Å e geralmente não maiores que 100), que são proteínas. Estas são geralmente compatíveis com a água, mas devido ao seu tamanho, são mais instáveis e formam soluções que são verdadeiras, mas falsas. Estas moléculas são coloides, e exemplos incluem a albumina e as globulinas.

A albumina é responsável pelo poder de atração da água, chamado osmose, e as globulinas são os nossos "mísseis de ataque" na defesa do corpo (imunidade), chamados anticorpos, que reagem a moléculas estranhas.

Existem corpos, ou mesmo moléculas maiores (tendem a ter mais de 100 Å), cuja estrutura, dependendo da parte da sua arquitetura, pode ser polar ou apolar. São parcial ou totalmente incompatíveis com a água e deixam passar substâncias semelhantes a elas. São os lípidos, vulgarmente chamados de "gorduras", que não podem formar soluções com a água (nem verdadeiras nem falsas), mas formam pequenas gotículas que flutuam nela.

Para que possam "misturar-se" com a água (não dissolver-se), precisam da ajuda de outras substâncias chamadas "detergentes", formando assim pequenas microgotas intercaladas entre as moléculas de água. Os lípidos têm uma grande força de atração entre as moléculas (tensão superficial) e são responsáveis pela formação de duas (2) camadas de moléculas, que partilham "canais" de proteína, baixo teor de açúcar e uma estrutura complexa que funciona como o "muro" que separa a célula do ambiente, ou seja, o comportamento intracelular do extracelular.

Assim, definimos:

• Moléculas pequenas, polarizadas ou ionizadas, solúveis, entram ou saem pelos "poros" ou "canais" de proteína, muitas vezes através de uma "bomba" (a famosa "bomba" de sódio-potássio-cálcio-cloreto das células, inativa durante a extensão do nervo elétrico).
• Moléculas grandes não passam, a menos que "colem" à membrana e esta se invagine (afunde) à sua volta, incorporando-a na célula para ser usada, se for útil, ou destruída, se for estranha ao organismo.

O mecanismo acima é chamado pinocitose (se a partícula for líquida) ou fagocitose (se for sólida).

Como podemos ver, 3 dos 4 químicos orgânicos compõem as membranas celulares de todos os seres vivos: bactérias, fungos, plantas e animais. A quarta substância são os ácidos nucleicos: DNA e RNA, as moléculas "inteligentes" capazes de se autorreproduzir.

Organelas ou organelos celulares (pequenas estruturas moleculares responsáveis por funções específicas) são, em muitos casos, compostos por membranas. Até mesmo o núcleo da célula, que abriga os ácidos nucleicos, é cercado, na célula eucariótica, por uma membrana nuclear muito semelhante à celular ou citoplasmática.

O Citoplasma e as Organelas

Uma vez delimitada a célula pela sua membrana, o que temos dentro é o citoplasma ou citosol, uma "geleia" que é sessenta por cento água e contém as "organelas". Embora a célula pareça uma "bola de gelatina" ou um "balão de água pesada", ela possui um esqueleto fibroso interno, filamentos de uma proteína chamada actina (a mesma que faz parte do aparelho contrátil das células musculares), que se estendem em todas as direções, como o eixo da Terra de polo a polo.

Flutuando neste mar de água e proteína estão as organelas, cada uma com funções específicas:

Mitocôndrias: A Central Energética

As Mitocôndrias são estruturas que podem ser milhares por célula, responsáveis pela "transformação" de combustíveis (gorduras, açúcares e proteínas). Elas "quebram" os átomos em moléculas e "libertam" energia, a força vital que atrai os elétrons em órbita para o núcleo dos átomos. Essa energia é então armazenada em "baterias" moleculares: ATP (Adenosina Trifosfato) e PC (Fosfato de Creatina), moléculas ricas em fosfato.

Infelizmente, esses acumuladores só podem "libertar" energia por alguns segundos (10" e não mais de 30") durante atividade celular intensa. Após esse tempo, será necessário catabolizar (o catabolismo é a parte exergónica do metabolismo, que liberta energia pela quebra molecular) os combustíveis para poder anabolizar (o anabolismo é a síntese com armazenamento de energia, a parte endergónica do metabolismo celular).

As membranas mitocondriais consistem em duas (2) camadas, externa e interna. A interna é "dobrada", formando "sulcos" que suportam os citocromos, que são enzimas respiratórias.

Estas enzimas são proteínas que aceleram reações químicas (na sua ausência, processos que durariam horas duram segundos), atuando como catalisadores biológicos. Elas agem na presença de oxigénio (processos aeróbicos). O oxigénio é um poderoso "recetor" de hidrogénio e elétrons, após estes terem libertado a sua energia (são aceitadores de prótons).

Se não houver oxigénio, são usados processos químicos anaeróbicos, que ocorrem fora das mitocôndrias, no citoplasma. Aqui, as enzimas (muitas delas "dobradas" para o interior da membrana celular) libertam energia para catabolizar combustíveis, como a glicose, mas com uma eficiência energética muito menor. A vida celular anabólica não irá além de 5 minutos (excecionalmente 7-10).

Assim, entendemos a urgência das equipas de socorro médico, em caso de paragem cardiorrespiratória, em ressuscitar a vítima para retomar a alimentação aeróbica, em vez da anaeróbica, que apenas a manteria "viva e vegetando" enquanto o coração e os pulmões parassem de respirar.

As mitocôndrias representam um grande passo na evolução da vida, que levou um bilhão de anos para passar de uma célula procariótica (bactéria) capaz de viver sem ou com muito pouco oxigénio, para uma célula eucariótica.

Ribossomos

Os Ribossomos são evolutivamente tão antigos quanto as mitocôndrias e são encontrados no reino Monera (bactérias), mas são menores.

Sistema Reticular (Retículo Endoplasmático)

São organelas "tubulares" ligadas entre si como uma rede (retículo) que armazena as proteínas sintetizadas nos ribossomos. Existem ribossomos presos à parede ou membrana tubular, e então a rede é chamada de Retículo Endoplasmático Granular. Na rede nua, sem ribossomos, é o Retículo Endoplasmático Agranular.

São os "armazéns" dos produtos fabricados pela célula: mensageiros químicos que, em alguns casos, são chamados de citocinas e, noutros, hormonas que viajam pelo sangue; muco nas células que o produzem (mucosas); ou enzimas digestivas produzidas, como no trato digestivo para decompor alimentos, ou em glândulas acessórias como o fígado e o pâncreas.

Este sistema de tubulação está geralmente relacionado com os poros da membrana nuclear para que a operação de fabrico celular seja mais rápida: a "ordem" do "centro de design" no núcleo vai para a "fábrica de montagem" (rede ribossomal) e para o armazenamento.

Complexo de Golgi

O Complexo de Golgi (não confundir com o sistema de Golgi do tendão) é também um sistema de membranas tubulares, mas um pouco maiores e mais rasas, que armazena as moléculas de secreção de grande porte, muitas vezes lipoproteínas (exceto hormonas cujo núcleo químico é o colesterol).

Vacúolos de Gordura (Lipossomas)

Dentro do citoplasma de uma célula, vesículas semelhantes aos fagossomos e lisossomos, com um envelope de membrana lipoproteica (como a própria membrana celular), armazenam microgotas de lípidos (gorduras). Estas são moléculas grandes e não muito pesadas, ou de baixa densidade (relação massa/volume), menor do que a água, o que as faz flutuar.

Estas moléculas, que consistem em longas cadeias de carbono, como os triglicerídeos, são as que, ao serem catabolizadas, libertam mais energia do que todas as outras (açúcares/carboidratos e proteínas), e só podem fazê-lo na presença de oxigénio dentro da mitocôndria.

No corpo, as gorduras agem como gasóleo num camião: não é rápido, mas é um combustível lento que pode fornecer energia por longas distâncias no tempo e no espaço.

Grânulos de Glicogénio de Reserva

No citoplasma, sobretudo em miócitos ou células musculares, é armazenado outro combustível de glicose, mas não em grande quantidade (não mais de 400-500 gramas em todo o corpo humano). É um carboidrato (açúcar) polimerizado em grânulos de 300-400 Å, pois como monómero de 6 carbonos "escaparia" pelos poros tubulares na membrana da célula.

Este é o combustível rápido, como a nafta, mas dá menos energia e esgota-se em um minuto e meio de trabalho muito intenso. Quando esgotado, é responsável pelo cansaço ou fadiga que experimentamos regularmente.

Centríolos e Divisão Celular (Mitose)

Os Centríolos são organelas que aparecem apenas no momento da divisão celular. Estão em pares e localizados cada um num polo da célula.

Aparecem microfilamentos que se estendem de um para o outro "como um fuso", e sobre esses filamentos, como "molas de roupa numa competição", movem-se os cromossomos, que são fragmentos de DNA responsáveis pela hereditariedade transmitida de célula para célula.

As células dividem-se para se multiplicar. Depois de copiar todo o seu material genético (DNA nuclear), um processo chamado "replicação" (na verdade, um espelho), a grande molécula de dupla fita ou dupla hélice é fragmentada em pedaços chamados cromossomos. Estes vão para ambos os polos celulares, guiados pelos centríolos e marchando nas "fibras do fuso". A célula divide-se em duas, criando duas novas células (na verdade, uma célula-tronco e uma célula-filha).

Se todos nós viemos da união do óvulo e do esperma (cada um com metade da informação genética), e nasce uma nova célula (que dará origem a um novo ser vivo), serão necessários milhões de divisões celulares, pois temos milhões de células, cada uma com a informação total.

O número de divisões celulares (mitoses) por dia é variável. É muito intenso durante a fase de crescimento (infância), "abranda" um pouco no final da adolescência e estabiliza-se na idade adulta. Mas, embora o número de mitoses seja permanente, a mitose não é permanente em cada célula. Há períodos em que uma célula não se divide, mas as suas vizinhas sim, o que cria um equilíbrio entre aquelas que morrem ou que nascem com defeito. Estas últimas são fagocitadas ou "engolidas" pelas células imunes.

Teoria Celular do Cancro

Se o "travão" na divisão celular falhar, haverá muitas células a mais e muito imaturas. Se o "esquadrão de limpeza" (imunidade) também falhar, pode produzir-se algo semelhante: células atípicas ou "deformadas" que não podem ser eliminadas do corpo.

Em ambos os casos, se estas células se acumularem em determinados órgãos, produzem um "caroço" ou "tumor". Se forem muito imaturas e/ou invadirem pequenos vasos sanguíneos, podem "colonizar" outros órgãos distantes, ou seja, o tumor fará metástase.

O que acabamos de descrever é a teoria celular e a teoria da imunidade do cancro. Compreendemos então por que, para tratá-lo, se anexa a terapia genética, medicamentos imunossupressores em certos setores, ou estimulantes da imunidade para o resto do corpo (tratamento médico), ou a remoção do tumor que ocupa espaço e "sufoca" as células normais, comprimindo os vasos sanguíneos e privando-as de nutrientes (tratamento cirúrgico).

A Medicina está cheia de exemplos de produtos químicos aos quais os seres humanos podem ser expostos e que causam "mudanças" nos seus genes, chamadas "mutações", que levam à produção de cancro. Há também a exposição a outras toxinas que deprimem a imunidade, causando infeções graves por germes "oportunistas" e cancro.

Embriologia: O Desenvolvimento do Ser

Passamos agora para o desenvolvimento de um novo ser a partir de uma "célula-tronco" (mãe e pai). A Embriologia ajuda-nos a entender o que acontece até ao nascimento.

Assim que ocorre a fertilização, as células filhas, netas, bisnetas e assim por diante serão selecionadas em três camadas:

1. Ectoderma: A camada mais superficial, que resulta na pele (epiderme) e no sistema nervoso central e periférico (ectoderma neural e ectoderma geral).
2. Mesoderma: A camada do meio que dá origem ao miocárdio, ossos, músculos esqueléticos, articulações, rins e gónadas.
3. Endoderma: A camada interior de "pele" que reveste as estruturas tubulares que ligam o ambiente dentro do corpo, ou seja, o epitélio respiratório e digestivo. Como as suas células produzem uma substância gelatinosa (muco) para aprisionar moléculas ou células estranhas e removê-las, chamamos a esta camada: mucosa respiratória e digestiva.

A Embriologia permite-nos compreender como substâncias tóxicas que alteram os genes destas três células e/ou a sua expressão (genótipo e fenótipo), e algumas delas usadas na indústria, podem causar doenças de pele e do sistema nervoso, ou reumatismo e doenças da pleura, pericárdio e peritónio. Se os sintomas ocorrerem durante o desenvolvimento embrionário (gravidez, por exemplo), falamos de "defeitos congénitos".

Como se pode ver, as células num organismo complexo como os mamíferos não estão sozinhas ou dispersas, mas estão agrupadas para formar tecidos.

Elas precisam de ser suspensas num compartimento que as envolve: o meio extracelular, cujo papel será de líquidos, semi-sólidos ou semi-sólidos, como geleia, e uma manta de fibras ou filamentos que serve como esqueleto e suporte para essas células. Assim, subimos a um novo nível de organização biológica.