1. Ficha 1
Delegacao de Niassa
Curso de Quimica
Biologia Celular e Molecular (BCM)
Unidade temática: I
Introdução ao estudo da Biologia Celular e Molecular
A Biologia Celular e Molecular constitui uma área do conhecimento científico interdisciplinar, em
rápido crescimento, que proporciona uma integração entre disciplinas básicas que contribuem para a
compreensão da estrutura e função da célula ao nível molecular sob diferentes perspectivas.
O estudo do mundo vivo mostra que a evolução produziu uma imensa variedade de formas. Existem
em torno de quatro milhões de espécies diferentes de bactérias, protozoários, vegetais e animais, que
diferem em sua morfologia, função e comportamento. Entretanto sabe-se agora que, quando os organismos
vivos são estudados a nível celular e molecular, observa-se um plano único principal de organização.
O objectivo da biologia celular e molecular é precisamente este plano unificado de organização –
isto é, a análise das células e moléculas que constituem as unidades estruturais de todas as formas de vida.
Há muito tempo atrás observou-se que uma única célula poderia constituir um organismo inteiro,
como no caso dos protozoários, ou ser uma das muitas, agrupadas e diferenciadas em tecidos e órgãos, para
formar um organismo multicelular.
Assim sendo, a célula é a unidade estrutural e funcional básica dos organismos vivos, da mesma
forma que o átomo é a unidade fundamental das estruturas químicas.
1.1. Desenvolvimento histórico da Biologia Celular e Molecular
Os antigos filósofos e naturalistas, especialmente Aristóteles na Antiguidade e Paracelso no
Renascimento, chegaram à conclusão de que “todos os animais e vegetais, por mais complicados que
sejam, estão constituídos por uns poucos elementos que se repetem em cada um deles”. Referiam-se às
estruturas macroscópicas de um organismo, como as raízes, folhas e flores comuns aos diferentes vegetais e
aos segmentos ou órgãos que se repetem no reino animal. Muitos séculos mais tarde, é que foi descoberto
que atrás desta estrutura macroscópica existe todo um mundo de dimensões microscópicas.
A Citologia (actualmente, denominada de Biologia Celular) é um dos ramos das ciências naturais.
Sua história está intimamente relacionada com o desenvolvimento das lentes ópticas e à combinação destas
para construir o microscópio composto (do grego mikros, pequeno; skopein, ato de ver, examinar).
O nome célula (do grego kytos, célula; do latim cella, espaço vazio) foi empregado pela primeira
vez, pelo cientista inglês Robert Hooke em 1665, ao observar a textura da cortiça utilizando lentes de
aumento.
Estas observações, repetidas por Grew e Malpighi em diversos vegetais, foram examinadas somente
as cavidades, “utrículos” ou “vesículas”, constituídas pela parede celulósica. No mesmo século e no início
do seguinte, Leeuwenhoek (1674) observou a existência de várias células livres, tais como
espermatozóides, eritrócitos, etc.
Teoria Celular
Quase dois séculos depois, o enunciado da Teoria celular (Schwann, 1839), a mais ampla e
fundamental de todas as generalizações biológicas, está directamente relacionado com a origem da Biologia
celular. Estabelece que os seres vivos, animais, vegetais ou protozoários são constituídos, sem excepção,
por células e produtos celulares. Essa teoria resultou de numerosas pesquisas iniciadas no princípio do
século XIX e, conduziram ao botânico Schleiden em 1838 e ao zoólogo Schwann em 1939 a estabelecê-la
definitivamente.
A Teoria celular estabeleceu que cada célula se forma por divisão de outra célula. Com o progresso
da Bioquímica, foi demonstrado que existem semelhanças fundamentais na composição química e
actividades metabólicas de todas as células. Também foi reconhecido que o funcionamento de um
organismo como um todo resulta da soma de actividades e inteirações das unidades celulares.
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Virchow (1958) aplicou a Teoria celular à Patologia e Kölliker a estendeu à Embriologia depois que
foi demonstrado que o espermatozóide e o óvulo eram células de cuja fusão se desenvolve o organismo.
Nesta mesma época, Brown (18331) estabeleceu que o núcleo é um componente fundamental e
constante da célula. Outros investigadores, como Purkinje, von Mohl concentraram-se na descrição do
conteúdo celular denominado de protoplasma. Assim, o conceito primitivo de célula transformou-se no de
“uma massa de protoplasma, limitado no espaço por uma membrana celular e que possui um núcleo”.
A partir de então, o progresso do conhecimento citológico foi extremamente rápido. Podemos citar,
entre tantas descobertas, o fenómeno da mitose (Flemming, 1880), os filamentos nucleares ou
cromossomas na mitose (Waldeyer, 1890), a fertilização do óvulo e a fusão dos dois pronúcleos (O.
Hertwig, 1875), o centro celular (van Beneden, Boveri), as mitocôndrias (Altmann, 1894; Benda, 1897) e o
aparelho reticular (ou de Golgi) (Golgi, 1897). O. Hertwig, em 1892 relatou, em sua monografia “Die Zelle
und das Gewebe”, estudos baseados estritamente nas características da célula, sua estrutura e função, e
tratou de resumir, de forma geral, os fenómenos biológicos. Deste modo, surgiu a Citologia como um ramo
separado da Biologia.
Seguindo a história da Biologia celular neste século, observa-se que o conhecimento citológico
progrediu em função de dois factores: 1. o aumento do poder de resolução dos instrumentos de análises, e o
desenvolvimento de novas tecnologias, e; 2. a convergência da citologia com outros ramos de investigações
biológicas, como a Genética (Citogenética), Fisiologia (Fisiologia celular), Bioquímica (Citoquímica) e a
Imunologia (Imunocitoquímica), etc. Assim, dois novos e modernos campos de investigações surgiram: a
ultra-estrutura e a Biologia molecular.
O conhecimento da organização submicroscópica ou ultra-estrutural da célula é de interesse
fundamental, pois praticamente todas as transformações funcionais e físico-químicas têm lugar na
arquitectura molecular da célula. Por outro lado, o descobrimento da estrutura de uma molécula protéica
(sequência de aminoácidos, estruturas e disposição tridimensional da molécula), os estudos sobre enzimas,
o modelo molecular do DNA, fizeram com que a Biologia molecular tornasse um dos ramos de estudos das
ciências biológicas mais importante, para a própria Genética, para a Bioquímica e, em particular, para a
Patologia, com o estabelecimento de enfermidades moleculares.
Hoje, podemos dizer que a Biologia celular estuda os problemas celulares em todos os seus níveis,
iniciando pela organização molecular. Os modernos biólogos celulares, sem perder de vista o estudo da
célula como unidade morfológica e funcional dentro do organismo, devem estar preparados para empregar
todos os métodos, técnicas e conceitos das outras ciências e estudar os fenómenos biológicos em todos os
níveis.
1.2. Métodos e técnicas de estudo da célula
As técnicas e os métodos empregues no estudo da célula tem evoluído e diversificado desde a
invenção do microscópio, no sec. XVII, por antoine Leeuwenhoek e Robert Hooke, antes mesmo, alias, de
ter sido estabelecido o conceito de célula, foi com efeito através da exploração das potencialidades deste
recém inventado aparelho óptico que diversos naturalistas convergiram para a concepção de que todos os
seres vivos, plantas e animais, são constituídos por unidades morfológicas e funcionais, que designaram por
células.
Á microscopia óptica, mais propriamente designada por microscopia fotónica, seguiu-se a invenção
de outras microscopias, nomeadamente da microscopia electrónica, e de técnicas complementares como a
Histologia, que permitiram prosseguir e aprofundar o estudo da arquitectura estrutural da célula quase ate
ao nível macromolecular, simultaneamente, foram surgindo outras técnicas analíticas, umas que fraccionam
a célula permitindo isolar por centrifugação alguns dos seus componentes; outras que descem ao nível
molecular e perscrutam a composição e o funcionamento da maquinaria química subjacente a vida.
1.2.1. Microscopia fotónica
Em biologia a microscopia fotónica consiste num conjunto de técnicas sequencias e complementares
que visam não só a observação de células ou tecidos de seres vivos mas, também a preparação prévia
desses materiais, e ainda a captura de imagens para posterior observação.
O microscópio fotónico comum, também designado por microscópio de câmara clara, é um sistema
óptico capaz de fornecer, de um objecto, uma imagem ampliada, permitindo a observação de detalhes
invisíveis a olho nu. É constituído basicamente por dois conjuntos de lentes: o conjunto objectiva e o
conjunto ocular.
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1.2.1.1. Microscópio de contraste de fase
O microscópio de contraste de fase é uma variante do microscópio de fotónico, dotado de um sistema
óptico especial que transforma diferenças de fase dos raios luminosos em diferenças de intensidade. Deste
modo, acentuando pequenas diferenças de índice de refracção e de espessura existentes entre vários
componentes celulares, o microscópio de contraste de fase possibilita o estudo de materiais vivos e não
corados.
Este microscópio baseia-se no princípio de que a densidade de um corpo determina a velocidade com
que a luz o atravessa e, consequentemente, o seu índice de refracção.
O microscópio de contraste de fase é utilizado sobretudo para observar células vivas, nomeadamente
células cultivadas.
1.2.1.2. Microscópio de fluorescência
O microscópio de fluorescência permite estudar os constituintes celulares que manifestam
fluorescência, como por exemplo o caroteno, ou fluorescência secundária a eles transmitida por corantes
especiais (fluorocromos).
1.2.1.3. Microscópios estereoscópios
Os microscópios estereoscópios são habitualmente designados por lupas binoculares. Contrariamente
aos outros, estes não se encontram limitados a observar por transparência, não sendo todavia excluído que o
possam fazer. Recebem a luz reflectida pelo objecto e atingem geralmente ampliações da ordem de 30X.
1.2.2. Microscopia electrónica
A diferença básica entre estas duas modalidades de microscopia, consiste no facto de na primeira, a
imagem ser produzida por fotões e na segunda, põe electrões. Dai decorem necessariamente,
consequências, quer a nível de concepção física dos aparelhos, quer a nível da natureza da imagem e ou
ainda da performance da técnica.
1.2.2.1. Microscópio electrónico de transmissão (Transmission electron microscope)
Este é habitualmente designado abreviadamente pelas inicias do seu nome inglês TEM.
Visto que o princípio deste microscópio é observação de espécimes transparentes, estes devem
apresentarem-se extremamente delgados. Para o efeito, o material biológico sofre uma preparação
específica que compreende as seguintes etapas: fixação, corte, deposição em grelhas, contrastação.
Fixação
A fixação, como para a microscopia fotónica, é um processo através do qual se procura preservar as
estruturas celulares. Neste caso, porem, é necessário ter ainda em conta que as estruturas celulares deverão
ser preparadas para resistirem com um mínimo de distorções, às condições de observação totalmente secas,
como são aquelas que vigoram no interior do microscópio. Emprega-se para tal dois compostos: o
glutaraldeído, que consolida as estruturas proteicas, estabelecendo com elas ligações covalentes; o
tetróxido de ósmio que estabiliza as bicamadas lípidicas e também as estruturas proteicas.
Inclusão e corte
Porque os electrões têm um poder de penetração extremamente fraco, os objectos devem ser cortados
em fatias muito finas, da ordem de 50 a 100 nm de espessura. Designam-se por cortes ultra-finos. Para se
conseguir obter cortes tão delgados, os tecidos são embebidos (inclusão) em resinas que polimerizam sob
forma de um bloco de plástico. Os cortes são depois efectuados com recurso a facas de vidro ou de
diamante.
Os cortes são depositados em grelhas de cobre de 3mm de diâmetro.
Contrastação
Para aumentar o contraste, os cortes são submetidos a soluções de sais pesados, tais como o urânio ou
chumbo. Para este fim emprega-se correctamente o acetato de uranilo e o citrato de chumbo.
Microscópio electrónico de varrimento (Scanning electron microscope)
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Este designa-se habitualmente pela abreviatura do seu nome em inglês SEM. Emprega igualmente um
feixe de electrões, mas antes, em vez de atravessarem o espécime, colidem com a superfície deste,
previamente metalizada, e libertão electrões secundários. É a partir destes electrões, que se obtêm uma
imagem num monitor de vídeo.
1.3. Níveis de organização em Biologia. Limites e dimensões em Biologia Celular.
Na natureza podemos observar diversos níveis de organização biológica:
Átomo → Partícula constituinte da matéria, formada por prótons, neutrões e electrões.
Molécula → É a menor porção de uma substância, constituída por átomos do mesmo elemento químico ou
diferentes elementos.
Organela → Estruturas presentes no citoplasma de células eucariontes que desempenham funções
comparáveis às de “pequenos órgãos” celulares.
Célula → Unidade estrutural e funcional da vida, podem ser eucariontes ou procariontes.
Tecido → Grupo de células dos organismos multicelulares que apresentam estrutura e funções
fundamentalmente semelhantes.
Órgão → Conjunto de tecidos que interagem para execução de determinadas funções vitais.
Sistema → Conjunto de órgãos interconectados harmonicamente em benefício ao equilíbrio do
metabolismo.
Organismo → Conjunto de todos os sistemas, formando um ser vivo.
Espécie → Conjunto de organismos semelhantes capazes de se cruzar em condições naturais, produzindo
descendência fértil.
População → Conjunto de seres da mesma espécie que habitam determinada região geográfica.
Comunidade → Conjunto de seres vivos de diferentes espécies que coabitam em uma mesma região.
Ecossistema → Conjunto formado pelas comunidades biológicas em interacção com os factores abióticos
do meio.
Biosfera → Conjunto de regiões do planeta Terra capaz de abrigar formas de vida.
As células são tão minúsculas, que é impossível serem vistas a olho nu e é por isso que sabemos que
elas só foram descobertas quando foi inventado o microscópio.
Normalmente as células dos seres vivos atingem um tamanho de 10 a 50 µm (micrómetros). As
menores células já conhecidas são das bactérias que apresentam de 2 a 5 µm. Algumas células podem ser
vistas sem o uso de microscópio, como o óvulo humano, e o axónio.
A membrana celular, denominada também membrana plasmática ou citoplasmática, representa o
limite da célula com o exterior e constitui um lugar activo de intercâmbios selectivos entre o ambiente
exterior e o citoplasma.
1.4. Propriedades básicas da célula
A estrutura da célula resulta da combinação de moléculas organizadas em uma ordem muito precisa.
Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos (agua e minerais) e orgânicos (ácidos
nucléicos, carbohidratos, Lípidos e proteínas). Deste total, 75 a 85% corresponde a água, 2 a 3% sais
inorgânicos e o restante são compostos orgânicos, que representam as moléculas da vida. Uma grande parte
das estruturas celulares contêm Lípidos e moléculas grandes denominadas macromoléculas ou polímeros,
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formado a partir de monómeros ou unidades integradas (micromoléculas), que se prendem entre si por
ligações covalentes.
1.5. Aplicações práticas da Biologia Celular e Molecular
As aplicações da biologia celular e molecular para a saúde e o meio ambiente são: Terapia gênicas,
produção de produtos através da biotecnologia; uso da biologia molecular no diagnostico de doenças
(infectologia, oncologia e doenças hereditárias); alimentos transgénicos; uso da biotecnologia no meio
ambiente.
Essa disciplina correlaciona aspectos de biologia celular e molecular fazendo uma conexão entre as
áreas de saúde e biotecnologia através dos recentes aspectos da clonagem gênica. Faz também correlação
com a área de meio ambiente quando discute os alimentos e organismos transgénicos.
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