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Estrutura procarionte

Visão geral de procariontes (bactérias e arqueas). Características estruturais das células procariontes.

Pontos Principais:

Os procariontes são organismos unicelulares pertencentes aos domínios Bacteria e Archaea.
As células procarióticas são muito menores que as células eucarióticas, não apresentam núcleo, e carecem de organelas.
Todas as células procarióticas são envoltas por uma parede celular. Muitas também apresentam uma cápsula ou camada viscosa constituída de polissacarídeos.
Os procariontes têm frequentemente apêndices (protusões) em sua superfície. Os flagelos e alguns pili são utilizados para locomoção, as fímbrias auxiliam a célula a aderir a superfícies, e os pili sexuais são utilizados para troca de DNA.
A maioria das células procarióticas apresenta um único cromossomo circular. Elas também podem ter fragmentos menores de DNA circular, denominados plasmídeos.

Introdução

As bactérias apresentam, muitas vezes, uma má reputação: elas são descritas como micróbios perigosos que causam doenças. Apesar de alguns tipos de bactérias causarem doenças (como você mesmo sabe, se já teve prescrição de antibióticos), muitos outros são inofensivos, ou até mesmo benéficos.

As bactérias são classificadas como procariontes, juntamente com outro grupo de organismos unicelulares, as arqueas. Os procariontes são minúsculos, mas num sentido muito real, eles dominam a Terra. Eles vivem em praticamente qualquer lugar – em todas superfícies, na terra ou na água, e até mesmo dentro dos nossos corpos.

Para enfatizar este último ponto: você provavelmente tem aproximadamente tantas células procarióticas no seu corpo quanto células humanas

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! Isso pode soar nojento mas muitos dos nossos "auxiliares" procarióticos desempenham papéis importantes para nos manter saudáveis.

Neste artigo, vamos examinar o que são os procariontes e o que exatamente os torna diferentes dos eucariontes (como você, uma planta de interior, ou um fungo). Em seguida, examinaremos de maneira mais aprofundada as estruturas que estes pequenos organismos eficientes e onipresentes utilizam para sobreviver.

O que são procariontes?

Os procariontes são organismos microscópicos pertencentes aos domínios da Bacteria e Archaea, que são dois dos três maiores domínios dos seres vivos (o terceiro domínio é da Eukaria, que contém todos os eucariontes, incluindo os animais, plantas e fungos). As bactérias e arqueas são unicelulares, enquanto que a maioria dos eucariontes é pluricelular.

Os fósseis mostram que os procariontes já estavam aqui na Terra

3.5

bilhões de anos atrás, e os cientistas acreditam que os ancestrais procarióticos deram origem a todas as formas de vida existentes na Terra hoje

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Procariontes vs. eucariontes

Procariontes e eucariontes são similares em alguns aspectos fundamentais, refletindo sua ancestralidade evolutiva comum. Por exemplo, tanto você quanto a bactéria presente em seu intestino expressam genes sob forma de proteínas por transcrição e tradução. Da mesma forma, tanto você quanto os seus habitantes procariontes passam a informação genética para os seus descendentes sob a forma de DNA.

Em outros aspectos, os procariontes e os eucariontes são completamente diferentes. Isso se torna óbvio ao compararmos os humanos com as bactérias. Mas, para mim pelo menos, é menos óbvio quando comparamos uma bactéria com uma levedura (a qual é pequena e unicelular, mas é eucariótica). O que de fato separa essas categorias de organismos?

As diferenças mais fundamentais entre procariontes e eucariontes estão relacionadas em como as suas células são formadas. Especificamente:

Células eucarióticas têm um núcleo, uma câmara delimitada por membrana onde o DNA é armazenado, enquanto as células procarióticas não o têm. Essa é a característica que separa formalmente os dois grupos.
Eucariontes geralmente apresentam outras organelas membranosas além do núcleo, enquanto os procariontes não as apresentam.
Células são geralmente pequenas, mas células procaróticas são realmente pequenas. Células procarióticas típicas variam entre $0, 2$ ‍ $-$ ‍ $2$ ‍ $μm$ ‍ de diâmetro, enquanto células eucarióticas típicas variam entre $10$ ‍ $-$ ‍ $100$ ‍ $μm$ ‍ de diâmetro $^{4}$ ‍.

Muitas células procarióticas apresentam formas de esfera, bastão ou em espiral (como mostrado abaixo). Nas seções a seguir, nós iremos observar mais detalhadamente as estruturas da célula procariótica, começando da parte externa e avançando para o interior da célula.

A cápsula

Muitos procariontes possuem uma camada pegajosa e mais externa denominada de cápsula que é, geralmente, constituída de polissacarídeos (polímeros de açúcar).

A cápsula ajuda os procariontes a se ligarem uns aos outros e a diversas superfícies no ambiente, e também ajuda a prevenir a dessecação da célula. No caso de procariontes patógenos que tenham colonizado um organismo hospedeiro, a cápsula ou camada de muco também pode proteger o patógeno do sistema imunológico do hospedeiro.

Lembra do experimento de Griffith, o qual demonstrou a existência de um "princípio de transformação" (DNA) que poderia tornar bactérias rugosas e inofensivas, em bactérias lisas e patogênicas? As bactérias lisas eram lisas (e capazes de causar doença) porque elas tinham uma cápsula!

A parede celular

Todas as células procarióticas possuem uma rígida parede celular localizada abaixo da cápsula (caso ela exista). Essa estrutura mantém o formato da célula, protege seu interior e impede que ela estoure caso absorva água.

A parede celular da maioria das bactérias contém peptidoglicano, um polímero de açúcares associados e polipeptídeos. O peptidoglicano é incomum por conter não apenas aminoácidos L, o tipo normalmente utilizado para fazer proteínas, mas também aminoácidos D ("imagem espelho" dos aminoácidos L). As paredes celulares das arqueas não apresentam peptidoglicanos, mas algumas incluem uma molécula similar chamada pseudopeptidoglicano, enquanto outras são compostas por proteínas ou outros tipos de polímeros

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Alguns eucariontes, como plantas e fungos, também possuem paredes celulares, mas ela são feitas de componentes diferentes daqueles dos procariontes. As paredes celulares das plantas são feitas principalmente de celulose, e as paredes de células de fungos são feitas de um polissacarídeo modificado chamado quitina. Você pode aprender mais sobre celulose e quitina no artigo sobre carboidratos.

Alguns antibióticos utilizados no tratamento de infecções bacterianas em humanos e outros animais atuam "atacando" a parede celular bacteriana. Por exemplo, alguns antibióticos possuem D-aminoácidos similares aos que são utilizados na síntese do peptídeoglicano, enganando as enzimas que constroem a parede celular bacteriana (mas sem afetar as células humanas já que elas não possuem parede celular ou utilizam D-aminoácidos para sintetizar polipeptídeos)

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Coloração de Gram

Embora a maioria das paredes de células bacterianas contenha peptidioglicano, elas diferem de outras maneiras. Na verdade, essas diferenças são usadas para classificar as bactérias usando uma técnica chamada coloração de Gram. Desenvolvida pelo médico dinamarquês do século XIX Christian Gram , esta técnica separa as cepas de bactérias em um dos dois grupos: gram-positivas ou gram-negativas.

O processo de coloração envolve a aplicação de dois corantes em uma amostra de bactérias. Primeiro, são aplicados um corante violeta e o iodo que se unem e formam uma molécula volumosa nas paredes celulares das bactérias. O álcool é usado para lavar a amostra, removendo as sobras do corante violeta e iodo ou a parte do corante que se ligou fracamente na parede celular, e um corante vermelho é aplicado na amostra.

A estrutura da parede celular da bactéria determina qual corante é visível no final do procedimento. Bactérias gram-positivas têm uma parede celular espessa de peptidioglicano , que prende as moléculas volumosas do corante violeta-iodo. (O corante vermelho também se liga, mas o corante violeta é predominante). Bactérias Gram-negativas, por outro lado, têm uma fina camada de peptidioglicano e uma membrana externa adicional (veja imagem abaixo). A camada de peptidioglicano fina só retém o corante vermelho, dando um tom rosado às bactérias gram-negativas.

A membrana plasmática

Abaixo da parede celular encontra-se a membrana plasmática. A estrutura fundamental de construção da membrana plasmática é o fosfolipídio, um lipídio composto por uma molécula de glicerol ligada a uma cabeça de fosfato hidrofílica (afinidade pela água) e a duas caudas de ácidos graxos hidrofóbicas (repelem a água). Os fosfolipídios de uma membrana eucariótica ou bacteriana estão organizados em duas camadas, formando uma estrutura chamada de bicamada fosfolipídica.

As membranas plasmáticas das arqueas apresentam algumas propriedades únicas, diferentes daquelas vistas em bactérias e eucariontes. Por exemplo, em algumas espécies, as caudas de fosfolipídios opostos estão unidas em uma única cauda, formando uma monocamada, em vez de uma bicamada (como mostrado abaixo). Esta modificação pode estabilizar a membrana em altas temperaturas, permitindo que as arqueas vivam felizes em nascentes de água fervente.

A membrana plasmática das arqueas, além de consistir de uma única camada em alguns casos, se diferencia das membranas das bactérias e de eucariontes em outros aspectos. As três outras principais diferenças são mostradas abaixo

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Primeiro, arqueas possuem fosfolipídios com caudas isoprenóides ao invés de caudas de ácidos graxos. As caudas isoprenóides são ramificadas, enquanto as de ácidos graxos não são.
Segundo, a ligação que une a molécula de glicerol às caudas isoprenoides em arqueas é uma ligação éter. Em bactérias (e eucariontes), em contraste, o glicerol se liga à cadeia de ácido graxo por uma ligação éster, como mostrado abaixo.
Terceiro, as moléculas de glicerol usadas para formar os fosfolipídios das arqueas são imagens espelhadas daquelas usadas para formar os fosfolipídios de bactérias e eucariontes (quando se considera um espaço tridimensional). Essas formas do glicerol são enantiômeros uma da outra, e são designadas L-glicerol (encontrado em arqueas) e D-glicerol (encontrado em bactérias e eucariontes).

_Imagem modificada de "Archaea membrane," por Fransciscosp2 (domínio público)._

Apêndices

Frequentemente, as células procarióticas apresentam apêndices (saliências da superfície celular) que permitem à célula se colar em superfícies, se mover, ou transferir DNA para outras células.

Filamentos finos chamados fímbrias (singular: fímbria), como esses apresentados na figura abaixo, são usados para adesão—ou seja, eles ajudam as células a aderir a objetos e superfícies do ambiente.

Apêndices mais longos, chamados pili (singular: pilus), apresentam diversos tipos que possuem funções diferentes. Por exemplo, um pilus sexual é capaz de unir duas células bacterianas e permite a transferência de DNA entre elas, em um processo denominado conjugação. Uma outra classe de pili bacterianos, chamados de pili tipo IV, ajudam a bactéria a se mover pelo ambiente onde ela está

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Os apêndices mais comuns para a movimentação, no entanto, são os flagelos (singular: flagelo). Essas estruturas com aparência de uma cauda se movimentam ao redor como se fossem hélices para mover as células através de ambientes aquosos.

Cromossomo e plasmídeos

A maioria dos procariontes têm um único cromossomo circular e, portanto, uma única cópia de seu material genético. Eucariontes, como os seres humanos, em contraste, tendem a ter vários cromossomos em forma de haste e duas cópias de seu material genético (em cromossomos homólogos).

Além disso, os genomas procarióticos são geralmente muito menores do que os genomas eucarióticos. Por exemplo, o genoma de E. coli é menos da metade do tamanho do genoma de uma levedura (um eucarionte unicelular simples) e quase

700

vezes menor que o genoma humano

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Por definição, procariontes não apresentam um núcleo delimitado por membrana para guardar o cromossomo. Em vez disso, o cromossomo de um procarionte é encontrado em uma porção do citoplasma chamada de nucleoide.

Além do cromossomo, muitos procariontes têm plasmídeos , que são pequenos anéis de DNA extra-cromossômicos ("fora do cromossomo") de cadeia dupla. Os plasmídeos transportam um pequeno número de genes não essenciais, e são copiados dentro da célula, independentemente do cromossomo. Eles podem ser transferidos para outros procariontes de uma população, às vezes espalhando os genes que são benéficos para a sobrevivência.

Por exemplo, alguns plasmídeos carregam genes que tornam as bactérias resistentes aos antibióticos. (Estes genes são chamados de genes R ). Quando os plasmídeos que apresentam os genes R são trocados em uma população, eles podem rapidamente tornar essa população resistente a drogas antibióticas. Enquanto esse fenômeno é benéfico para as bactérias, este processo pode tornar difícil para os médicos tratar infecções bacterianas nocivas.

Os antibióticos são vitais para o tratamento de infecções bacterianas severas, tais como pneumonia e tuberculose. No entanto, o uso extensivo de antibióticos fez com que algumas linhagens de bactérias patogênicas se tornassem resistentes. Como isto acontece?

Algumas bactérias carregam genes (ou versões específicas de genes) que conferem resistência a antibióticos. Estes genes podem permitir que a bactéria combata antibióticos naturais liberados por outros organismos em caso de competição ou defesa. Se bactérias resistentes ocorrerem em um ambiente que é exposto a antibióticos, elas sobreviverão e se reproduzirão mais do que as bactérias não resistentes (isto é, elas serão favorecidas pela seleção natural). Se os indivíduos resistentes carregarem seus genes de resistência a antibióticos nos plasmídeos, eles podem inclusive transmitir a resistência a outros indivíduos na população.

Através destes mecanismos, colônias de bactérias resistentes podem rapidamente se formar e pode ser muito difícil matá-las. Por esta razão, muitos cientistas insistem em precaução quanto ao uso indiscriminado de antibióticos.

Compartimentos internos

Os procariontes não "devem" apresentar compartimentos internos como as organelas dos eucariontes e, na maioria das vezes, não os apresentam. Contudo, as células procarióticass, às vezes, necessitam aumentar a área superficial da membrana para reações ou concentrar um substrato ao redor das sua enzima, assim como as células eucarióticas. Por causa disso, alguns procariontes apresentam dobras na membrana ou compartimentos funcionalmente semelhantes aos dos eucariontes.

Por exemplo, as bactérias fotossintéticas frequentemente apresentam extensas dobras de membrana para aumentar a área de superfície para reações dependentes de luz, semelhante às membranas tilacoides de uma célula vegetal. Essas bactérias também podem ter carboxissomos, compartimentos celulares circundados por proteínas onde o dióxido de carbono é concentrado para fixação no ciclo de Calvin

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Teste seu conhecimento

Você está olhando um organismo unicelular recentemente descoberto, utilizando um poderoso microscópio.
Como você pode determinar se o organismo é um procarionte ou um eucarionte?

Escolha 1 resposta:
(Escolha A)

É unicelular, portanto deve ser um procarionte
(Escolha B)
Se tem invaginações de membrana para a fotossíntese, deve ser um eucarionte
(Escolha C)
Se tem uma parede celular, deve ser um procarionte
(Escolha D)
Se tem um núcleo delimitado por membrana, deve ser um eucarionte.
Todas as células procarióticas têm uma parede celular rígida para proteção, mas algumas células eucariontes (como as de plantas, fungos e algas) possuem parede celular também. Isto significa que a presença de uma parede celular não pode, conclusivamente, distinguir um procarionte de uma eucarionte.
Enquanto todos procariontes são unicelulares (organismos unicelulares), alguns eucariontes também são unicelulares (por exemplo, amebas de água doce).
Determinados procariontes têm dobras especializadas em suas membranas que proporcionam uma maior superfície de contato para a realização de alguns processos, como a fotossíntese e outras funções metabólicas. (Eucariontes geralmente realizam a fotossíntese em organelas membranosas chamadas cloroplastos.)
O DNA de todos os eucariontes está protegido no interior de um núcleo delimitado por uma membrana. O DNA procariótico não está contido no interior de um núcleo, mas flutua em uma região do citoplasma, chamada de nucleoide.
A ausência de um núcleo é a caracterínstica fundamental de uma célula procariótica, e a presença de um núcleo é a característica que define uma célula eucariótica.

Este artigo está autorizado sob licença CC BY-NC-SA 4.0.

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