Características universais das células. Características das células procarióticas. Relação entre a área da superfície e o volume.

Introdução

Pare um pouco e preste atenção em você. Quantos organismos você vê? Sua primeira resposta deve ser que há apenas um: você mesmo. Entretanto, se você fosse olhar mais detalhadamente, na superfície de sua pele ou dentro do seu trato digestivo, você veria que, na verdade, há muitos organismos vivendo ali. Isso mesmo! Você é a casa de aproximadamente 100 trilhões de células bacterianas!
Isto significa que seu corpo é, na verdade, um ecossistema. E isso também quer dizer que você - para uma definição da palavra você - consiste dos principais tipos de células: procarióticas e eucarióticas.
Todas as células se encontram em uma dessas duas vastas categorias. Apenas os organismos unicelulares dos domínios Bacteria e Archaea são classificados como procarióticos - pro significa antes e kary significa núcleo. Animais, plantas, fungos e protistas são todos eucariontes - eu significa verdadeiro - e são constituídos de células eucarióticas. Frequentemente, no entanto - como no nosso caso, seres humanos - há alguns amigos procariontes ao nosso redor.

Componentes das células procarióticas

Existem alguns ingredientes-chave que uma célula precisa para ser uma célula, independentemente de ela ser procariótica ou eucariótica. Todas as células compartilham quatro componentes principais:
  1. A membrana plasmática é o revestimento externo que separa o interior da célula do ambiente ao seu redor.
  2. O Citoplasma consiste de um citosol gelatinoso no interior da célula, mais as estruturas celulares suspensas nele. Nos eucariontes, citoplasma significa especificamente a região fora do núcleo, mas dentro da membrana plasmática.
  3. O DNA é o material genético da célula.
  4. Os Ribossomos são máquinas moleculares que sintetizam as proteínas.
Apesar destas semelhanças, os procariontes e eucariontes diferem em várias maneiras importantes. Um procarionte é um organismo simples, unicelular, sem núcleo ou organelas limitadas por membrana. No próximo artigo sobre células eucarióticas falaremos mais sobre o núcleo e organelas. No momento é importante saber que as células procarióticas não são divididas internamente por paredes de membrana, elas consistem de um único espaço aberto.
A maior parte do DNA\text{DNA} dos procariontes encontra-se em uma região central da célula chamada nucleoide e normalmente consiste de um único grande laço chamado um cromossomo circular. O diagrama abaixo do corte de uma bactéria bastonete mostra o nucleoide e algumas outras características frequentemente observadas nos procariontes.
As bactérias possuem formas muito diversificadas, por isso nem todo tipo de bactéria apresentará todos os aspectos mostrados no diagrama.
Entretanto, a maioria das bactérias são circunscritas por uma parede celular rígida feita de peptidoglicano, um polímero composto de carboidratos ligados e pequenas proteínas. A parede celular fornece uma camada extra de proteção, ajuda a célula a manter sua forma e previne a desidratação. Muitas bactérias possuem também uma camada externa de carboidratos chamada de cápsula. A cápsula é pegajosa e ajuda a célula a se aderir às superfícies em seu meio.
Algumas bactérias também possuem estruturas especializadas encontradas na superfície da célula que ajudam-nas a se mover, aderir a superfícies ou mesmo trocar material genético com outras bactérias. Por exemplo, os flagelos são estruturas como um chicote que atuam como motores rotatórios que ajudam as bactérias a se mover.
As fímbrias são estruturas em forma de cabelo, numerosas, que são usadas para fixação nas células hospedeiras e outras superfícies. As bactérias também podem possuir estruturas em forma de bastão conhecidas como pili, que podem ser de diferentes tipos. Por exemplo, alguns tipos de pili permitem a transferência de moléculas de DNA\text{DNA} de uma bactéria para outra, enquanto que outros estão envolvidos na locomoção bacteriana — ajudando a bactéria se mover.
As arqueas também podem ter a maioria dessas características de superfície celular, mas suas versões de uma característica particular são tipicamente diferentes daquelas de uma bactéria. Por exemplo, apesar de as arqueas também terem uma parede celular, esta não é feita de peptidoglicano - apesar de conter carboidratos e proteínas.

Tamanho da célula

Ascélulas procarióticas típicas variam de 0,1 a 5,0 micrômetros (μm) de diâmetro e são significativamente menores do que as células eucarióticas, que normalmente têm diâmetros que variam de 10 a 100 μm.
A figura abaixo mostra o tamanho das células procariótica, bacteriana, eucariótica, vegetal e animal, bem como outras moléculas e organismos em uma escala logarítmica. Cada unidade de aumento em uma escala logarítmica representa um aumento de 10 vezes a quantidade que está sendo medida, então estamos falando de grandes diferenças de tamanho!
Com algumas poucas exceções interessantes - observe a alga unicelular Caulerpa - as células são relativamente pequenas, independentemente de serem procarióticas ou eucarióticas. Por que deve ser assim? A resposta básica é que conforme as células se tornam maiores, fica mais difícil para elas trocarem nutrientes e resíduos suficientes com o seu ambiente. Para saber como isto funciona, vamos ver a razão superfície-volume de uma célula.
Suponha, para facilitar, que nós temos uma célula com o formato de um cubo. Algumas células vegetais são, na verdade, cúbicas. Se o comprimento de um dos lados do cubo é ll, a área da superfície do cubo será 6l26l^2, e o volume do cubo será l3l^3. Isto significa que à medida que ll aumentar, a área da superfície aumentará rapidamente, uma vez que ela aumenta com o quadrado de ll. O volume, contudo, aumentará mais rapidamente ainda, pois ele se altera com o cubo de ll.
Portanto, à medida que uma célula cresce, sua proporção entre a área de superfície e o volume cai. Por exemplo, a célula cúbica à esquerda tem um volume de 1 mm3^3 e uma área de superfície de 6 mm2^2, com a proporção entre a área de superfície e o volume de seis para um, enquanto a célula cúbica à direita tem um volume de 8 mm3^3 e uma área de superfície de 24 mm2^2, com uma proporção entre a área de superfície e o volume de três para um.
A proporção entre a área de superfície e o volume é importante porque a membrana plasmática é a interface da célula com o ambiente. Se a célula precisa absorver nutrientes, deve fazê-lo através da membrana, e se ela precisa eliminar resíduos, a membrana é novamente sua única rota.
Cada porção de membrana pode trocar apenas uma determinada quantidade de uma dada substância em um dado período de tempo - por exemplo, porque contém um número limitado de canais. Se a célula cresce demais, sua membrana não terá capacidade de troca suficiente (área de superfície, função quadrada) para suportar a taxa de trocas requeridas por sua atividade metabólica aumentada (volume, função cúbica).
O problema área de superfície e volume é apenas um de um conjunto relacionado de dificuldades impostas por um grande tamanho celular. Conforme as células ficam maiores, também torna-se mais demorado o transporte de materiais para seus interiores. Estas considerações colocam um limite superior geral para o tamanho celular, com células eucarióticas sendo capazes de exceder as células procarióticas, graças às suas características estruturais e metabólicas - que exploraremos na próxima seção.
Algumas células também usam truques geométricos para resolver o problema da relação entre área de superfície e volume. Por exemplo, algumas são longas e finas ou têm muitos apêndices em sua superfície, elementos que aumentam a área de superfície em relação ao volume2^2.
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