3.2: Fundamentos da Teoria Celular Moderna

Objetivos de

• Explique os pontos-chave da teoria celular e as contribuições individuais de Hooke, Schleiden, Schwann, Remak e Virchow
• Explique os pontos-chave da teoria endossimbiótica e cite as evidências que apóiam esse conceito.
• Explique as contribuições de Semmelweis, Snow, Pasteur, Lister e Koch para o desenvolvimento da teoria dos germes

Enquanto alguns cientistas discutiam sobre a teoria da geração espontânea, outros cientistas estavam fazendo descobertas que levavam a uma melhor compreensão do que hoje chamamos de teoria celular. A teoria celular moderna tem dois princípios básicos:

• Todas as células vêm apenas de outras células (o princípio da biogênese).
• As células são as unidades fundamentais dos organismos.

Hoje, esses princípios são fundamentais para nossa compreensão da vida na Terra. No entanto, a teoria celular moderna surgiu do trabalho coletivo de muitos cientistas.

As origens da teoria celular

O cientista inglês Robert Hooke usou pela primeira vez o termo “células” em 1665 para descrever as pequenas câmaras dentro da cortiça que ele observou sob um microscópio de seu próprio design. Para Hooke, seções finas de cortiça pareciam “favo de mel” ou “pequenas caixas ou bexigas de ar”. Ele observou que cada “caverna, bolha ou célula” era distinta das outras (Figura\(\PageIndex{1}\)). Na época, Hooke não sabia que as células de cortiça estavam mortas há muito tempo e, portanto, não tinham as estruturas internas encontradas nas células vivas.

Figura\(\PageIndex{1}\): Robert Hooke (1635—1703) foi o primeiro a descrever células com base em suas observações microscópicas da cortiça. Esta ilustração foi publicada em seu trabalho Micrographia.

Apesar da descrição inicial de Hooke sobre as células, seu significado como unidade fundamental da vida ainda não foi reconhecido. Quase 200 anos depois, em 1838, Matthias Schleiden (1804-1881), um botânico alemão que fez extensas observações microscópicas dos tecidos vegetais, descreveu-os como sendo compostos de células. A visualização das células vegetais foi relativamente fácil porque as células vegetais estão claramente separadas por suas paredes celulares espessas. Schleiden acreditava que as células se formavam por cristalização, em vez de divisão celular.

Theodor Schwann (1810—1882), um notável fisiologista alemão, fez observações microscópicas similares de tecidos animais. Em 1839, após uma conversa com Schleiden, Schwann percebeu que existiam semelhanças entre tecidos vegetais e animais. Isso lançou as bases para a ideia de que as células são os componentes fundamentais das plantas e dos animais.

Na década de 1850, dois cientistas poloneses que moravam na Alemanha impulsionaram essa ideia, culminando no que reconhecemos hoje como a teoria celular moderna. Em 1852, Robert Remak (1815—1865), um proeminente neurologista e embriologista, publicou evidências convincentes de que as células são derivadas de outras células como resultado da divisão celular. No entanto, essa ideia foi questionada por muitos na comunidade científica. Três anos depois, Rudolf Virchow (1821—1902), um respeitado patologista, publicou um ensaio editorial intitulado “Patologia celular”, que popularizou o conceito de teoria celular usando a frase latina omnis cellula a cellula (“todas as células surgem das células”), que é essencialmente o segundo princípio da teoria celular moderna. ¹ Dada a semelhança do trabalho de Virchow com o de Remak, há alguma controvérsia sobre qual cientista deve receber crédito por articular a teoria celular. Consulte o seguinte artigo Eye on Ethics para saber mais sobre essa controvérsia.

Ciência e plágio

Rudolf Virchow, um proeminente cientista alemão nascido na Polônia, é frequentemente lembrado como o “Pai da Patologia”. Conhecido por abordagens inovadoras, ele foi um dos primeiros a determinar as causas de várias doenças examinando seus efeitos nos tecidos e órgãos. Ele também foi um dos primeiros a usar animais em suas pesquisas e, como resultado de seu trabalho, foi o primeiro a citar várias doenças e a criar muitos outros termos médicos. Ao longo de sua carreira, ele publicou mais de 2.000 artigos e dirigiu várias instalações médicas importantes, incluindo a Charité — Universitätsmedizin Berlin, um importante hospital e faculdade de medicina de Berlim. Mas ele é, talvez, mais lembrado por seu ensaio editorial de 1855 intitulado “Cellular Pathology”, publicado no Archiv für Pathologische Anatomie und Physiologie, uma revista que o próprio Virchow co-fundou e ainda existe hoje.

Apesar de seu significativo legado científico, há alguma controvérsia em relação a este ensaio, no qual Virchow propôs o princípio central da teoria celular moderna: que todas as células surgem de outras células. Robert Remak, ex-colega que trabalhou no mesmo laboratório de Virchow na Universidade de Berlim, havia publicado a mesma ideia três anos antes. Embora pareça que Virchow estava familiarizado com o trabalho de Remak, ele esqueceu de creditar as ideias de Remak em seu ensaio. Quando Remak escreveu uma carta para Virchow apontando semelhanças entre as ideias de Virchow e as suas, Virchow foi desdenhoso. Em 1858, no prefácio de um de seus livros, Virchow escreveu que sua publicação de 1855 era apenas uma peça editorial, não um artigo científico e, portanto, não havia necessidade de citar a obra de Remak.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) Rudolf Virchow (1821—1902) popularizou a teoria celular em um ensaio de 1855 intitulado “Patologia celular”. (b) A ideia de que todas as células se originam de outras células foi publicada pela primeira vez em 1852 por seu contemporâneo e ex-colega Robert Remak (1815—1865).

Pelos padrões atuais, a peça editorial de Virchow certamente seria considerada um ato de plágio, já que ele apresentou as ideias de Remak como suas. No entanto, no ^século 19, os padrões de integridade acadêmica eram muito menos claros. A forte reputação de Virchow, aliada ao fato de Remak ser judeu em um clima político um tanto antissemita, o protegeu de qualquer repercussão significativa. Hoje, o processo de revisão por pares e a facilidade de acesso à literatura científica ajudam a desencorajar o plágio. Embora os cientistas ainda estejam motivados a publicar ideias originais que promovam o conhecimento científico, aqueles que considerariam plagiar estão bem cientes das graves consequências.

Na academia, o plágio representa o roubo do pensamento individual e da pesquisa — uma ofensa que pode destruir reputações e acabar com carreiras. ^{2 3 4 5}

Exercício\(\PageIndex{1}\)

1. Quais são os pontos-chave da teoria celular?
2. Quais contribuições Rudolf Virchow e Robert Remak deram para o desenvolvimento da teoria celular?

Teoria endossimbiótica

À medida que os cientistas avançavam na compreensão do papel das células nos tecidos vegetais e animais, outros examinavam as estruturas dentro das próprias células. Em 1831, o botânico escocês Robert Brown (1773-1858) foi o primeiro a descrever observações de núcleos, que ele observou em células vegetais. Então, no início da década de 1880, o botânico alemão Andreas Schimper (1856-1901) foi o primeiro a descrever os cloroplastos das células vegetais, identificando seu papel na formação do amido durante a fotossíntese e observando que eles se dividiam independentemente do núcleo.

Com base na capacidade dos cloroplastos de se reproduzirem de forma independente, o botânico russo Konstantin Mereschkowski (1855-1921) sugeriu em 1905 que os cloroplastos podem ter se originado de bactérias fotossintéticas ancestrais que vivem simbioticamente dentro de uma célula eucariótica. Ele propôs uma origem similar para o núcleo das células vegetais. Essa foi a primeira articulação da hipótese endossimbiótica e explicaria como as células eucarióticas evoluíram a partir de bactérias ancestrais.

A hipótese endossimbiótica de Mereschkowski foi reforçada pelo anatomista americano Ivan Wallin (1883-1969), que começou a examinar experimentalmente as semelhanças entre mitocôndrias, cloroplastos e bactérias, em outras palavras, para testar a hipótese endossimbiótica usando uma investigação objetiva. Wallin publicou uma série de artigos na década de 1920 apoiando a hipótese endossimbiótica, incluindo uma publicação de 1926 em coautoria com Mereschkowski. Wallin afirmou que poderia cultivar mitocôndrias fora de suas células hospedeiras eucarióticas. Muitos cientistas descartaram suas culturas de mitocôndrias como resultado da contaminação bacteriana. O trabalho moderno de sequenciamento do genoma apoia os cientistas dissidentes, mostrando que grande parte do genoma das mitocôndrias foi transferida para o núcleo da célula hospedeira, impedindo que as mitocôndrias pudessem viver sozinhas. ^{6 7}

As ideias de Wallin sobre a hipótese endossimbiótica foram amplamente ignoradas nos próximos 50 anos porque os cientistas não sabiam que essas organelas continham seu próprio DNA. No entanto, com a descoberta do DNA mitocondrial e do cloroplasto na década de 1960, a hipótese endossimbiótica foi ressuscitada. Lynn Margulis (1938—2011), geneticista americana, publicou suas ideias sobre a hipótese endossimbiótica das origens das mitocôndrias e dos cloroplastos em 1967. ⁸ Na década que antecedeu sua publicação, os avanços na microscopia permitiram aos cientistas diferenciar as células procarióticas das células eucarióticas. Em sua publicação, Margulis revisou a literatura e argumentou que as organelas eucarióticas, como mitocôndrias e cloroplastos, são de origem procariótica. Ela apresentou um conjunto crescente de dados microscópicos, genéticos, de biologia molecular, fósseis e geológicos para apoiar suas afirmações.

Novamente, essa hipótese não era inicialmente popular, mas a crescente evidência genética devido ao advento do sequenciamento de DNA apoiou a teoria endossimbiótica, que agora é definida como a teoria de que mitocôndrias e cloroplastos surgiram como resultado de células procarióticas estabelecendo uma relação simbiótica dentro de um hospedeiro eucariótico (Figura\(\PageIndex{3}\)). Com a teoria endossimbiótica inicial de Margulis ganhando ampla aceitação, ela expandiu a teoria em seu livro de 1981 Symbiosis in Cell Evolution. Nele, ela explica como a endossimbiose é um importante fator determinante na evolução dos organismos. O sequenciamento genético e a análise filogenética mais recentes mostram que o DNA mitocondrial e o DNA do cloroplasto estão altamente relacionados às suas contrapartes bacterianas, tanto na sequência do DNA quanto na estrutura dos cromossomos. No entanto, o DNA mitocondrial e o DNA do cloroplasto são reduzidos em comparação com o DNA nuclear porque muitos dos genes passaram das organelas para o núcleo da célula hospedeira. Além disso, os ribossomos mitocondriais e cloroplastos são estruturalmente semelhantes aos ribossomos bacterianos, e não aos ribossomos eucarióticos de seus hospedeiros. Por último, a fissão binária dessas organelas se assemelha fortemente à fissão binária de bactérias, em comparação com a mitose realizada por células eucarióticas. Desde a proposta original de Margulis, cientistas observaram vários exemplos de endossimbiontes bacterianos em células eucarióticas modernas. Exemplos incluem a bactéria endossimbiótica encontrada nas entranhas de certos insetos, como baratas, ⁹ e organelas fotossintéticas semelhantes a bactérias encontradas em protistas. ¹⁰

Figura\(\PageIndex{3}\): De acordo com a teoria endossimbiótica, as mitocôndrias e os cloroplastos são derivados da absorção de bactérias. Essas bactérias estabeleceram uma relação simbiótica com a célula hospedeira que acabou levando a bactéria a evoluir para mitocôndrias e cloroplastos.

Exercício\(\PageIndex{2}\)

1. O que afirma a moderna teoria endossimbiótica?
2. Quais evidências apóiam a teoria endossimbiótica?

A Teoria Germinal da Doença

Antes da descoberta dos micróbios durante o ^século 17, outras teorias circularam sobre as origens das doenças. Por exemplo, os antigos gregos propuseram a teoria do miasma, que sustentava que a doença se originava de partículas emanadas de matéria em decomposição, como a de esgoto ou fossas. Essas partículas infectaram humanos nas proximidades do material podre. Acredita-se que doenças, incluindo a Peste Negra, que devastou a população da Europa durante a Idade Média, tenham se originado dessa forma.

Em 1546, o médico italiano Girolamo Fracastoro propôs, em seu ensaio De Contagione et Contagiosis Morbis, que esporos semelhantes a sementes podem ser transferidos entre indivíduos por meio de contato direto, exposição a roupas contaminadas ou pelo ar. Agora reconhecemos Fracastoro como um dos primeiros defensores da teoria da doença germinativa, que afirma que as doenças podem resultar de infecção microbiana. No entanto, no século XVI, as ideias de Fracastoro não foram amplamente aceitas e seriam amplamente esquecidas até o século XIX.

Em 1847, o obstetra húngaro Ignaz Semmelweis (Figura\(\PageIndex{4}\)) observou que mães que deram à luz em enfermarias hospitalares compostas por médicos e estudantes de medicina tinham maior probabilidade de sofrer e morrer de febre puerperal após o parto (taxa de mortalidade de 10% a 20%) do que mães em enfermarias compostas por parteiras ( 1% (taxa de mortalidade). Semmelweis observou estudantes de medicina realizando autópsias e, posteriormente, realizando exames vaginais em pacientes vivos sem lavar as mãos no meio. Ele suspeitava que os estudantes transportavam a doença das autópsias para os pacientes que examinaram. Suas suspeitas foram apoiadas pela morte prematura de um amigo, um médico que contraiu uma infecção fatal após um exame post-mortem de uma mulher que havia morrido de uma infecção puerperal. O ferimento do médico morto foi causado por um bisturi usado durante o exame, e sua doença e morte subsequentes eram muito parecidas com as do paciente morto.

Embora Semmelweis não soubesse a verdadeira causa da febre puerperal, ele propôs que os médicos estivessem de alguma forma transferindo o agente causador para seus pacientes. Ele sugeriu que o número de casos de febre puerperal poderia ser reduzido se médicos e estudantes de medicina simplesmente lavassem as mãos com água de cal clorada antes e depois de examinar cada paciente. Quando essa prática foi implementada, a taxa de mortalidade materna em mães atendidas por médicos caiu para a mesma taxa de mortalidade de 1% observada entre mães atendidas por parteiras. Isso demonstrou que lavar as mãos era um método muito eficaz para prevenir a transmissão de doenças. Apesar desse grande sucesso, muitos descontaram o trabalho de Semmelweis na época, e os médicos demoraram a adotar o procedimento simples de lavar as mãos para evitar infecções em seus pacientes, pois isso contradizia as normas estabelecidas para esse período.

Figura\(\PageIndex{4}\): Ignaz Semmelweis (1818—1865) foi um defensor da importância da lavagem das mãos para evitar a transferência de doenças entre pacientes pelos médicos.

Na mesma época em que Semmelweis estava promovendo a lavagem das mãos, em 1848, o médico britânico John Snow conduziu estudos para rastrear a origem dos surtos de cólera em Londres. Ao rastrear os surtos em duas fontes de água específicas, ambas contaminadas por esgoto, Snow finalmente demonstrou que a bactéria da cólera era transmitida pela água potável. O trabalho de Snow é influente, pois representa o primeiro estudo epidemiológico conhecido e resultou na primeira resposta conhecida da saúde pública a uma epidemia. O trabalho de Semmelweis e Snow claramente refutou a teoria do miasma vigente na época, mostrando que a doença não é transmitida apenas pelo ar, mas também por itens contaminados.

Embora o trabalho de Semmelweis e Snow tenha mostrado com sucesso o papel do saneamento na prevenção de doenças infecciosas, a causa da doença não foi totalmente compreendida. O trabalho subsequente de Louis Pasteur, Robert Koch e Joseph Lister fundamentaria ainda mais a teoria da doença germinativa.

Enquanto estudava as causas da deterioração da cerveja e do vinho em 1856, Pasteur descobriu as propriedades da fermentação por microrganismos. Ele demonstrou com seus experimentos com frascos de pescoço de cisne (link) que micróbios transportados pelo ar, e não a geração espontânea, eram a causa da deterioração dos alimentos, e ele sugeriu que, se os micróbios fossem responsáveis pela deterioração e fermentação dos alimentos, eles também poderiam ser responsáveis por causar infecções. Essa foi a base para a teoria da doença germinativa.

Enquanto isso, o cirurgião britânico Joseph Lister (Figura\(\PageIndex{5}\)) estava tentando determinar as causas das infecções pós-cirúrgicas. Muitos médicos não deram crédito à ideia de que micróbios em suas mãos, em suas roupas ou no ar poderiam infectar as feridas cirúrgicas dos pacientes, apesar do fato de que 50% dos pacientes cirúrgicos, em média, estavam morrendo de infecções pós-cirúrgicas. ¹¹ Lister, no entanto, estava familiarizado com o trabalho de Semmelweis e Pasteur; portanto, ele insistiu na lavagem das mãos e na limpeza extrema durante a cirurgia. Em 1867, para diminuir ainda mais a incidência de infecções de feridas pós-cirúrgicas, Lister começou a usar desinfetante/antisséptico em spray de ácido carbólico (fenol) durante a cirurgia. Seus esforços extremamente bem-sucedidos para reduzir a infecção pós-cirúrgica fizeram com que suas técnicas se tornassem uma prática médica padrão.

Alguns anos depois, Robert Koch (Figura\(\PageIndex{5}\)) propôs uma série de postulados (postulados de Koch) com base na ideia de que a causa de uma doença específica poderia ser atribuída a um micróbio específico. Usando esses postulados, Koch e seus colegas conseguiram identificar definitivamente os patógenos causadores de doenças específicas, incluindo antraz, tuberculose e cólera. O conceito de “um micróbio, uma doença” de Koch foi o culminar da mudança de paradigma do século XIX da teoria do miasma para a teoria germinativa da doença. Os postulados de Koch são discutidos mais detalhadamente em Como os patógenos causam doenças.

Figura\(\PageIndex{5}\): (a) Joseph Lister desenvolveu procedimentos para o cuidado adequado de feridas cirúrgicas e a esterilização do equipamento cirúrgico. (b) Robert Koch estabeleceu um protocolo para determinar a causa da doença infecciosa. Ambos os cientistas contribuíram significativamente para a aceitação da teoria da doença germinativa.

Exercício\(\PageIndex{3}\)

1. Compare e contraste a teoria da doença do miasma com a teoria da doença germinativa.
2. Como o trabalho de Joseph Lister contribuiu para o debate entre a teoria do miasma e a teoria dos germes e como isso aumentou o sucesso dos procedimentos médicos?

Foco clínico: Parte 2

Depois de sofrer febre, congestão, tosse e aumento de dores por vários dias, Barbara suspeita que está gripada. Ela decide visitar o centro de saúde de sua universidade. O PA diz a Barbara que seus sintomas podem ser causados por uma série de doenças, como gripe, bronquite, pneumonia ou tuberculose.

Durante seu exame físico, o PA observa que a frequência cardíaca de Barbara está ligeiramente elevada. Usando um oxímetro de pulso, um pequeno dispositivo que se prende em seu dedo, ele descobre que Barbara tem hipoxemia - um nível de oxigênio no sangue abaixo do normal. Usando um estetoscópio, o PA escuta sons anormais emitidos pelo coração, pulmões e sistema digestivo de Barbara. Enquanto Barbara respira, o PA ouve um som crepitante e nota uma leve falta de ar. Ele coleta uma amostra de escarro, observando a cor esverdeada do muco, e solicita uma radiografia de tórax, que mostra uma “sombra” no pulmão esquerdo. Todos esses sinais são sugestivos de pneumonia, uma condição na qual os pulmões se enchem de muco (Figura\(\PageIndex{6}\)).

Figura\(\PageIndex{6}\): Esta é uma radiografia de tórax típica de pneumonia. Como as imagens de raio-X são imagens negativas, uma “sombra” é vista como uma área branca dentro do pulmão que, de outra forma, deveria ser preta. Nesse caso, o pulmão esquerdo mostra uma sombra como resultado de bolsas no pulmão que ficaram cheias de líquido. (crédito restante: modificação da obra de “Christaras A” /Wikimedia Commons)

Exercício\(\PageIndex{4}\)

Que tipos de agentes infecciosos são conhecidos por causar pneumonia?

Figura\(\PageIndex{7}\): (crédito “frasco de pescoço de cisne”: modificação do trabalho da Wellcome Images)

Conceitos principais e resumo

• Embora as células tenham sido observadas pela primeira vez na década de 1660 por Robert Hooke, a teoria celular não foi bem aceita por mais 200 anos. O trabalho de cientistas como Schleiden, Schwann, Remak e Virchow contribuiu para sua aceitação.
• A teoria endossimbiótica afirma que as mitocôndrias e os cloroplastos, organelas encontradas em muitos tipos de organismos, têm suas origens em bactérias. Informações estruturais e genéticas significativas apoiam essa teoria.
• A teoria da doença do miasma foi amplamente aceita até o século XIX, quando foi substituída pela teoria da doença germinativa, graças ao trabalho de Semmelweis, Snow, Pasteur, Lister e Koch, entre outros.

Notas de pé

1. 1 Sr. Schultz. “Rudolph Virchow”. Doenças infecciosas emergentes 14 no. 9 (2008) :1480—1481.
2. 2 B. Kisch. “Líderes esquecidos na medicina moderna, Valentin, Gouby, Remak, Auerbach.” Transações da Sociedade Filosófica Americana 44 (1954) :139—317.
3. 3 H. Harris. O nascimento da célula. New Haven, CT: Imprensa da Universidade de Yale, 2000:133.
4. 4 C. Webster (ed.). Biologia, Medicina e Sociedade 1840-1940. Cambridge, Reino Unido; Cambridge University Press, 1981:118 —119.
5. 5 C. Zuchora-Walske. Principais descobertas nas ciências da vida. Minneapolis, MN: Lerner Publishing, 2015:12 —13.
6. 6 T. Embley, W. Martin. “Evolução, mudanças e desafios eucarióticos”. Nature Vol. 440 (2006) :623—630.
7. 7 O.G. Berg, C.G. Kurland. “Por que os genes mitocondriais são mais frequentemente encontrados nos núcleos”. Biologia Molecular e Evolução 17 no. 6 (2000) :951—961.
8. 8 L. Sagan. “Sobre a origem das células mitosantes.” Jornal de Biologia Teórica 14 no. 3 (1967) :225—274.
9. 9 A.E. Douglas. “A dimensão microbiana na ecologia nutricional de insetos”. Ecologia funcional 23 (2009) :38—47.
10. 10 J. M. Jaynes, L.P. Vernon. “A cianela de Cyanophora paradoxa: quase um cloroplasto cianobacteriano.” Tendências em Ciências Bioquímicas 7 no. 1 (1982) :22—24.
11. 11 Alexander, J. Wesley. “As contribuições do controle de infecções para um século de progresso” Annals of Surgery 201:423-428, 1985.