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13.2: Origens Eucarióticas - Biologia

13.2: Origens Eucarióticas - Biologia


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O registro fóssil e a evidência genética sugerem que as células procarióticas foram os primeiros organismos na Terra. Essas células se originaram há cerca de 3,5 bilhões de anos, cerca de 1 bilhão de anos após a formação da Terra, e eram as únicas formas de vida no planeta até o surgimento das células eucarióticas há aproximadamente 2,1 bilhões de anos. Durante o reinado procariótico, os procariotos fotossintéticos evoluíram, sendo capazes de aplicar a energia da luz solar para sintetizar materiais orgânicos (como carboidratos) a partir do dióxido de carbono e uma fonte de elétrons (como hidrogênio, sulfeto de hidrogênio ou água).

A fotossíntese usando água como um doador de elétrons consome dióxido de carbono e libera oxigênio molecular (O2) como um subproduto. O funcionamento das bactérias fotossintéticas ao longo de milhões de anos saturou progressivamente a água da Terra com oxigênio e, em seguida, oxigenou a atmosfera, que anteriormente continha concentrações muito maiores de dióxido de carbono e concentrações muito menores de oxigênio. Os procariotos anaeróbicos mais antigos da época não podiam funcionar em seu novo ambiente aeróbio. Algumas espécies morreram, enquanto outras sobreviveram nos ambientes anaeróbicos remanescentes deixados na Terra. Ainda outros procariontes primitivos desenvolveram mecanismos, como a respiração aeróbica, para explorar a atmosfera oxigenada usando oxigênio para armazenar a energia contida nas moléculas orgânicas. A respiração aeróbia é uma forma mais eficiente de obtenção de energia de moléculas orgânicas, o que contribuiu para o sucesso dessas espécies (conforme evidenciado pela quantidade e diversidade de organismos aeróbicos que vivem hoje na Terra). A evolução dos procariotos aeróbicos foi um passo importante em direção à evolução do primeiro eucarioto, mas várias outras características distintivas também tiveram que evoluir.

Endossimbiose

A origem das células eucarióticas era em grande parte um mistério, até que uma hipótese revolucionária foi exaustivamente examinada na década de 1960 por Lynn Margulis. A teoria endossimbiótica afirma que os eucariotos são o produto de uma célula procariótica envolvendo outra, uma vivendo dentro da outra, e evoluindo juntas ao longo do tempo até que as células separadas não fossem mais reconhecíveis como tais. Essa hipótese antes revolucionária teve poder de persuasão imediata e agora é amplamente aceita, com o trabalho progredindo na descoberta das etapas envolvidas nesse processo evolutivo, bem como dos principais participantes. Ficou claro que muitos genes eucarióticos nucleares e o maquinário molecular responsável por replicar e expressar esses genes parecem intimamente relacionados ao Archaea. Por outro lado, as organelas metabólicas e os genes responsáveis ​​por muitos processos de captação de energia tiveram sua origem nas bactérias. Ainda há muito a ser esclarecido sobre como essa relação ocorreu; este continua a ser um campo excitante de descobertas na biologia. Vários eventos endossimbióticos provavelmente contribuíram para a origem da célula eucariótica.

Mitocôndria

As células eucarióticas podem conter de um a vários milhares de mitocôndrias, dependendo do nível de consumo de energia da célula. Cada mitocôndria mede de 1 a 10 micrômetros de comprimento e existe na célula como um esferóide oblongo em movimento, fusão e divisão (Figura 13.2.1). No entanto, as mitocôndrias não podem sobreviver fora da célula. Como a atmosfera foi oxigenada pela fotossíntese e como procariotos aeróbicos bem-sucedidos evoluíram, as evidências sugerem que uma célula ancestral engolfou e manteve vivo um procarioto aeróbio de vida livre. Isso deu à célula hospedeira a capacidade de usar o oxigênio para liberar a energia armazenada nos nutrientes. Várias linhas de evidência apóiam que as mitocôndrias são derivadas desse evento endossimbiótico. As mitocôndrias têm a forma de um grupo específico de bactérias e são circundadas por duas membranas, o que resultaria quando um organismo delimitado por membrana fosse engolfado por outro organismo delimitado por membrana. A membrana mitocondrial interna envolve grandes dobras ou cristas que se assemelham à superfície externa texturizada de certas bactérias.

As mitocôndrias se dividem por conta própria por um processo que se assemelha à fissão binária em procariotos. As mitocôndrias têm seu próprio cromossomo de DNA circular que carrega genes semelhantes aos expressos por bactérias. As mitocôndrias também têm ribossomos especiais e RNAs de transferência que se assemelham a esses componentes dos procariotos. Todas essas características confirmam que as mitocôndrias já foram procariontes de vida livre.

Cloroplastos

Os cloroplastos são um tipo de plastídio, um grupo de organelas relacionadas em células vegetais que estão envolvidas no armazenamento de amidos, gorduras, proteínas e pigmentos. Os cloroplastos contêm o pigmento verde clorofila e desempenham um papel na fotossíntese. Estudos genéticos e morfológicos sugerem que os plastídeos evoluíram a partir da endossimbiose de uma célula ancestral que engolfou uma cianobactéria fotossintética. Os plastídeos são semelhantes em tamanho e forma às cianobactérias e são envolvidos por duas ou mais membranas, correspondendo às membranas interna e externa das cianobactérias. Como as mitocôndrias, os plastídios também contêm genomas circulares e se dividem por um processo que lembra a divisão celular procariótica. Os cloroplastos das algas vermelhas e verdes exibem sequências de DNA intimamente relacionadas às cianobactérias fotossintéticas, sugerindo que as algas vermelhas e verdes são descendentes diretos desse evento endossimbiótico.

As mitocôndrias provavelmente evoluíram antes dos plastídios porque todos os eucariotos têm mitocôndrias funcionais ou organelas semelhantes às mitocôndrias. Em contraste, os plastídeos são encontrados apenas em um subconjunto de eucariotos, como plantas terrestres e algas. Uma hipótese das etapas evolutivas que levam ao primeiro eucarioto está resumida na Figura 13.2.2.

As etapas exatas que levam à primeira célula eucariótica só podem ser hipotetizadas, e existe alguma controvérsia a respeito de quais eventos realmente ocorreram e em que ordem. Foi levantada a hipótese de que a bactéria espiroqueta deu origem a microtúbulos, e um procarioto flagelado pode ter contribuído com a matéria-prima para flagelos e cílios eucarióticos. Outros cientistas sugerem que a proliferação e compartimentação da membrana, e não eventos endossimbióticos, levaram ao desenvolvimento de mitocôndrias e plastídios. No entanto, a grande maioria dos estudos apóia a hipótese endossimbiótica da evolução eucariótica.

Os primeiros eucariotos eram unicelulares como a maioria dos protistas hoje, mas à medida que os eucariotos se tornaram mais complexos, a evolução da multicelularidade permitiu que as células permanecessem pequenas, embora exibindo funções especializadas. Acredita-se que os ancestrais dos eucariotos multicelulares de hoje tenham evoluído cerca de 1,5 bilhão de anos atrás.

Resumo da Seção

Os primeiros eucariotos evoluíram de procariotos ancestrais por um processo que envolveu a proliferação da membrana, a perda de uma parede celular, a evolução de um citoesqueleto e a aquisição e evolução de organelas. Os genes eucarióticos nucleares parecem ter tido origem na arquéia, enquanto a maquinaria energética das células eucarióticas parece ter origem bacteriana. As mitocôndrias e os plastídios se originaram de eventos endossimbióticos quando células ancestrais engolfaram uma bactéria aeróbia (no caso das mitocôndrias) e uma bactéria fotossintética (no caso dos cloroplastos). A evolução das mitocôndrias provavelmente precedeu a evolução dos cloroplastos. Há evidências de eventos endossimbióticos secundários nos quais os plastídeos parecem ser o resultado de endossimbiose após um evento endossimbiótico anterior.

Múltipla escolha

Que evento acredita-se que tenha contribuído para a evolução dos eucariotos?

A. aquecimento global
B. glaciação
C. atividade vulcânica
D. oxigenação da atmosfera

D

As mitocôndrias provavelmente evoluíram de _____________.

A. uma cianobactéria fotossintética
B. elementos do citoesqueleto
C. bactéria aeróbia
D. proliferação de membrana

C

Resposta livre

Descreva as etapas hipotéticas na origem das células eucariotas.

As células eucariotas surgiram por meio de eventos endossimbióticos que deram origem a organelas produtoras de energia dentro das células eucarióticas, como mitocôndrias e plastídeos. O genoma nuclear dos eucariotos está mais relacionado ao Archaea, então pode ter sido um dos primeiros arqueanos que engolfou uma célula bacteriana que evoluiu para uma mitocôndria. As mitocôndrias parecem ter se originado de uma alfa-proteobactéria, enquanto os cloroplastos se originaram de uma cianobactéria. Também há evidências de eventos endossimbióticos secundários. Outros componentes celulares podem ter resultado de eventos endossimbióticos.

Glossário

endossimbiose
o envolvimento de uma célula por outra de modo que a célula envolvida sobreviva e ambas as células se beneficiam; o processo responsável pela evolução das mitocôndrias e cloroplastos em eucariotos

Origem dos Eucariotos por Gautam Dey, Buzz Baum, David A. Baum

Grande parte do mundo vivo visível ao nosso redor é caracterizado por células que contêm um núcleo envolvendo o material genético, uma rede altamente especializada de compartimentos de membrana interconectados dinâmicos, mitocôndrias produtoras de energia e uma malha citoesquelética que pode produzir uma variedade estonteante de formas celulares. Essas células "eucarióticas", que representam apenas uma pequena fração da diversidade celular total na Terra, têm uma organização interna que é notavelmente diferente daquela dos "procariotos", que não possuem núcleos ou quaisquer compartimentos internos ligados à membrana. Dado o grande abismo estrutural entre esses tipos de células, a questão das origens eucarióticas é um dos mistérios mais duradouros da biologia moderna. Ao longo do século 20, os avanços na citologia, a caracterização do DNA como o material genético universal e o trabalho pioneiro nas filogenias do RNA ribossômico combinaram-se para estabelecer uma origem comum para toda a vida e identificou uma profunda divisão no mundo procariótico entre os domínios das archaea (antes chamadas de Archaebacteria) e das bactérias (antes chamadas de Eubacteria). No final do século 20, os dados filogenéticos foram usados ​​para apoiar a visão de três domínios da vida (Bactérias monofiléticas, Archaea e Eukarya) ou um modelo competitivo de dois domínios, que apresenta um grau de arqueia parafilético a partir do qual os eucariotos emergiu. Essas duas visões concorrentes são relevantes para a origem dos eucariotos, uma vez que cada uma sugere características diferentes do progenitor eucariótico. Além da demonstração convincente de que os plastídios, dos quais os cloroplastos são os mais familiares, e as mitocôndrias são derivados de bactérias endossimbióticas, o campo das origens eucarióticas permanece cheio de incertezas e controvérsias. Argumentos biológicos celulares têm sido usados ​​para apoiar uma variedade desconcertante de modelos para as origens do núcleo e outros aspectos da organização celular eucariótica. Estudos da amplitude da diversidade eucariótica ajudam a pintar um quadro convincente de um último ancestral comum eucariótico possuidor de mitocôndrias, um citoesqueleto completo e maquinaria de tráfico. Paralelamente, os genomas bacterianos e arqueanos recentemente sequenciados revelaram homólogos procarióticos para muitos genes originalmente considerados "invenções" eucarióticas, reduzindo a lacuna percebida entre a complexidade procariótica e eucariótica. Os últimos anos, em particular, geraram muita empolgação, já que genomas de archaeal recém-descobertos, que incluem um genoma completo do recém-cultivado archaeon de Asgard. Prometheoarchaeum syntrophicum, mudaram o consenso de forma constante em direção a modelos de eucariotos emergentes da simbiose de um hospedeiro arqueano semelhante a Asgard e uma célula bacteriana protomitocondrial. Avanços recentes em microscopia de super-resolução, meta-genômica e técnicas de edição de genes significam que arqueas e bactérias podem ser estudadas em maiores detalhes celulares e ecológicos do que nunca, aumentando a esperança de que os insights da biologia celular comparativa nos ajudem a distinguir entre modelos concorrentes de eucariogênese em um futuro próximo.


Assista o vídeo: Bio - Abiogenesis and Endosymbiosis (Julho 2022).


Comentários:

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