Passeio dentro de uma célula: animal, vegetal e bactéria

Onde você está

Uma célula é pequena demais para imaginar. O desenho de sempre do livro escolar põe o núcleo, algumas mitocôndrias e umas linhas onduladas de retículo dentro de um círculo, tudo mais ou menos do mesmo tamanho e flutuando num espaço vazio. Esta exposição pega uma célula animal, amplia um milhão de vezes e deixa você andar dentro dela na altura normal dos olhos. Tudo foi desenhado nos tamanhos medidos em células reais, então uma mitocôndria é uma cápsula em que você poderia se sentar e um ribossomo é uma conta escura do tamanho de uma bola de gude grande.

A célula tem a forma de uma célula espalhada numa placa de vidro: uma cúpula baixa com 30 µm de comprimento, 24 µm de largura e 8 µm de altura no meio. Você começa no chão dela, que é a parte da membrana plasmática grudada no vidro. O núcleo ocupa o meio, com o retículo rugoso envolvendo o lado esquerdo e a pilha do Golgi à direita. Mitocôndrias e lisossomos estão espalhados em volta, os microtúbulos saem em leque de um ponto ao lado do núcleo e pequenas vesículas viajam por eles até a borda da célula.

Por que o modelo é um milhão de vezes maior

O mais óbvio seria ampliar a célula só o suficiente para o seu corpo caber dentro dela. Uma ampliação de 100.000 vezes não basta. Nessa escala, uma célula de 20 µm vira uma bolha de 2 m, e o núcleo seria menor que a sua cabeça. Uma pessoa de 1,6 m de altura equivaleria a 16 µm, mais alta que a célula inteira.

Com uma ampliação de 1.000.000 vezes, os números ficam fáceis de ler. Um metro no modelo é um micrômetro na célula, e um milímetro é um nanômetro. Seus olhos, a 1,6 m do chão, representam 1,6 µm. A caixa de escala no canto superior esquerdo mostra isso, e a barra dela é redesenhada para o que estiver bem à sua frente. Se você olhar para uma parede a 3 m, a barra mostra o comprimento de 1 µm naquela distância.

Tamanhos no modelo

Estas são as partes principais e os tamanhos em que foram construídas. Os valores reais são faixas, porque as células variam de um tipo para outro.

O volume da célula dá cerca de 3000 µm³. O Cell Biology by the Numbers usa 2000 µm³ como regra prática para uma célula humana, com a maioria entre 500 e 4000 µm³, e usa 3000 µm³ para uma célula típica de mamífero nos exemplos resolvidos. Células HeLa espalhadas numa lâmina chegam a cerca de 40 µm de largura com só alguns micrômetros de altura, e é por isso que o modelo é uma cúpula baixa e não uma bola.

Confira alguns números você mesmo

Fique ao lado da mitocôndria aberta perto do início. Ela tem 1 m de largura, então o topo fica um pouco abaixo dos seus olhos. Na célula real isso é 1 µm, mais ou menos um centésimo da espessura de um fio de cabelo.

A membrana é a parte mais difícil de ver. Com 4 a 10 nm de espessura, no modelo ela tem 4 a 10 mm, a grossura de um lápis, envolvendo uma sala de 30 m de comprimento. O Cell Biology by the Numbers compara a membrana ao revestimento de um avião diante da largura da fuselagem. Por isso um trecho da parede direita foi desenhado 20 vezes mais grosso que o resto. Nesse trecho, cada cabeça de lipídio tem 16 mm em vez de 0,8 mm, e dá para contar as duas camadas.

O DNA do núcleo é o número que não cabe de jeito nenhum. Uma célula humana carrega cerca de 2 m de DNA (duas cópias de um genoma de cerca de 3 bilhões de pares de bases, a 0,3 nm por par de bases). No modelo isso seriam 2000 km de fio enfiados numa bola de 9 m de comprimento. Os fios roxos que você vê pela janela são uma pequena amostra desenhada para mostrar a textura.

A membrana em corte

Um fosfolipídio tem uma cabeça que se mistura com a água e duas caudas que não se misturam. Na água, as caudas se escondem dela alinhando-se cauda com cauda, o que forma duas camadas com cabeças nas duas faces externas. Cada camada tem cerca de 2 nm de profundidade, então o miolo da bicamada tem cerca de 4 nm de espessura. As proteínas ficam nessa película. O barril azul no trecho ampliado é um canal que atravessa as duas camadas, e a proteína com contas verdes do lado de fora carrega uma cadeia de açúcares.

A membrana é fluida. Os lipídios deslizam para os lados passando pelos vizinhos o tempo todo, mas muito raramente pulam de uma camada para a outra, por isso as duas camadas podem manter misturas de lipídios diferentes. O modelo os mantém parados.

O núcleo e seus poros

O envoltório nuclear são duas membranas, uma interna e uma externa, com um espaço de algumas dezenas de nanômetros entre elas. A janela aberta na frente do núcleo mostra as duas bordas, a cerca de 4 cm uma da outra no modelo. A membrana externa continua no retículo rugoso, e é por isso que as lâminas do retículo no modelo começam logo ao lado do núcleo.

Os poros nucleares atravessam as duas membranas de uma vez. Cada um é um anel de proteínas de cerca de 120 nm com um canal no meio, e o núcleo de um vertebrado tem cerca de 2000 deles. O RNA mensageiro e as subunidades dos ribossomos saem pelos poros, e as proteínas necessárias dentro do núcleo entram. O modelo mostra de 300 a 1100 poros, dependendo do seu aparelho.

Lá dentro, o nucléolo é uma região densa sem membrana em volta, desenhada com 2 µm no modelo. Ele se forma em torno dos genes do RNA ribossômico, e as duas metades do ribossomo são montadas ali antes de serem exportadas.

Onde as proteínas são feitas e embaladas

Um ribossomo lê o RNA mensageiro e une aminoácidos numa cadeia. Ribossomos soltos no citosol fazem proteínas que ficam no citosol. Quando o começo de uma proteína nova carrega um sinal do retículo, o ribossomo se prende ao retículo e passa a cadeia em crescimento através da membrana para dentro do saco, e é isso que dá ao retículo a aparência rugosa. O retículo liso não tem ribossomos. É uma rede de túbulos de 30 a 100 nm de largura que produz lipídios e armazena cálcio.

Do retículo, as proteínas viajam em pequenas vesículas até o complexo golgiense. Uma célula de mamífero tem de 40 a 100 pilhas de Golgi, geralmente reunidas perto do centrossomo, e cada pilha tem de quatro a oito cisternas. O modelo mostra uma pilha de seis. As proteínas entram pela face cis, a mais próxima do retículo, têm açúcares aparados e acrescentados enquanto avançam e saem pela face trans em vesículas que vão para a membrana, para os lisossomos ou para outros compartimentos.

A cinesina andando num microtúbulo

Os microtúbulos são tubos ocos com cerca de 25 nm de largura, em geral formados por 13 fileiras de tubulina. Cada fileira é uma cadeia de pares de tubulina alfa e beta que se repete a cada 8 nm. A maioria dos microtúbulos começa no centrossomo, ao lado do núcleo, e vai até a borda da célula. Eles são rígidos e quase retos nas distâncias que existem dentro de uma célula.

A cinesina-1 tem duas cabeças motoras ligadas por uma haste longa e enrolada, e uma cauda que segura a carga. Ela anda mão sobre mão, como descreve o PDB-101. Uma cabeça continua presa ao microtúbulo enquanto a outra se solta, passa à frente balançando e se prende 16 nm adiante. Cada passo move a carga 8 nm e gasta um ATP. O Cell Biology by the Numbers dá cerca de 800 nm por segundo para a cinesina convencional no tubo de ensaio, com cerca de 100 passos antes de ela se soltar.

A um milhão de vezes o tamanho real, 800 nm por segundo viram 0,8 m por segundo, o ritmo de uma caminhada lenta. Mas as cabeças dão cerca de 100 passos por segundo, rápido demais para acompanhar na tela. Por isso a etapa do guia sobre a cinesina liga a câmera lenta a 1/20 da velocidade real, para você ver cada cabeça passar à frente da outra.

Mitocôndrias e lisossomos

As mitocôndrias têm duas membranas. A externa é lisa. A interna se dobra em cristas, que dão a ela uma grande superfície para as proteínas que fazem ATP. O Cell Biology by the Numbers descreve uma mitocôndria típica como uma cápsula de cerca de 2 µm de comprimento e 1 µm de diâmetro, embora em muitas células elas se juntem em redes ramificadas com dezenas de micrômetros. O modelo usa dez cápsulas separadas e abre uma para você ver as cristas.

Os lisossomos são bolsas com mais de 60 tipos de enzimas digestivas, e uma célula costuma ter centenas deles. O modelo mostra seis. O interior é mantido em pH 4,5 a 5, e as enzimas funcionam melhor nessa acidez. O citosol em volta fica em cerca de pH 7,2, onde as enzimas não funcionam direito, então um lisossomo que vaza não digere o resto da célula.

Encolher dez e cem vezes

A um milhão de vezes o tamanho real é fácil andar pela célula, mas qualquer coisa menor que cerca de 20 nm é um farelo aos seus pés. Um ribossomo tem o tamanho de uma bola de gude e um canal de potássio mede 8 mm. Para ver moléculas você precisa de um segundo degrau de ampliação, e os botões "Tamanho" no canto superior direito dão mais dois: ×10 e ×100.

Os botões não reconstroem a célula. Eles encolhem você. Em ×10 a escala é de 10.000.000 para 1, um metro à sua frente é 100 nm e seus olhos ficam a 160 nm do chão. Em ×100 a escala é de 100.000.000 para 1, um metro é 10 nm e você tem 16 nm de altura, mais ou menos a altura de um proteassomo. A caixa no canto superior esquerdo sempre mostra a ampliação atual, o que um metro representa e a sua altura real, então os números continuam honestos em qualquer degrau. A célula em si não muda. Uma mitocôndria que tinha o tamanho de um sofá vira um prédio de 100 m de comprimento, e passar ao lado dela em ×100 levaria minutos.

Moléculas no tamanho real

As moléculas são desenhadas como modelos de contas, com uma conta para cada parte dobrada de uma proteína, no estilo das ilustrações do RCSB PDB-101. Elas foram construídas no tamanho real e colocadas onde trabalham, e ficam escondidas até você chegar perto o bastante para que apareçam. Do outro lado da célula, não custam nada para desenhar.

Na célula animal há quatro lugares para encontrá-las:

• Na membrana do chão, perto da frente à direita. Canais de potássio, bombas de sódio e potássio, receptores e aquaporinas ficam num trecho de membrana calçado com cabeças de lipídios a 0,8 nm umas das outras. Uma depressão revestida de clatrina, uma gaiola de cerca de 100 nm, puxa um broto de membrana para dentro. Filamentos de actina de 7 nm atravessam o chão, com um motor de miosina V andando sobre um deles, e um filamento intermediário que parece uma corda está ali perto.
• Na multidão ao lado. Uma caixa de 100 nm de lado está cheia de proteínas na densidade do citosol real, cerca de 3 milhões por micrômetro cúbico. Em ×100 ela é um muro de moléculas em que você pode se enfiar. Na borda ficam um proteassomo, uma chaperona Hsp90, um grânulo de glicogênio e um colar de ribossomos lendo o mesmo RNA mensageiro.
• No núcleo. Um trecho de DNA enrolado em nucleossomos, com a RNA polimerase II fazendo um fio de RNA, e um complexo do poro nuclear com todos os detalhes no envoltório.
• Nas organelas. Um ribossomo preso ao retículo rugoso pelo canal Sec61, uma fileira de ATP sintases na borda cortada da mitocôndria aberta e um motor de dineína embaixo do trilho da cinesina.

As densidades são reais onde o guia diz (a caixa da multidão, o chão de lipídios) e mais ralas no resto, porque uma membrana real é tão cheia de proteínas que seria difícil distinguir os canais.

Uma célula vegetal na mesma escala

O botão "Célula" troca para uma célula de folha construída na mesma escala. Ela tem 40 µm de comprimento, 24 µm de largura e 20 µm de altura, dentro de uma parede de celulose. O Cell Biology by the Numbers descreve células vegetais desse tipo com a maior parte do volume ocupada por um vacúolo, e essa é a primeira coisa que você nota: um bloco translúcido enche o meio, e o resto da célula fica espremido numa camada fina em volta dele e numa sala em uma das pontas, onde fica o núcleo.

Os cloroplastos ficam no chão, embaixo do vacúolo, e encostados numa parede. Eles foram desenhados com 5 µm de comprimento, dentro da faixa de 4 a 6 µm dada para as plantas vasculares, e um está aberto para mostrar os grana, pilhas de sacos achatados de tilacoides, e um grão de amido. Na parede do fundo, um campo de pontuações com plasmodesmos, canais de cerca de 50 nm, liga esta célula à vizinha. Ao longo da parede mais próxima, as organelas circulam em volta de um circuito de cabos de actina a 4 µm por segundo, dentro da faixa de 1 a 100 µm por segundo medida para a ciclose. Em ×100, dentro do cloroplasto aberto, você encontra a Rubisco, a enzima que fixa o gás carbônico, e o fotossistema II, que quebra a água e libera oxigênio.

Uma bactéria na mesma escala

A terceira célula é a E. coli. O Cell Biology by the Numbers usa como regra prática cerca de 1 µm de largura, 2 µm de comprimento e 1 µm³ de volume, então a um milhão de vezes o tamanho real o organismo inteiro é uma cápsula de 2 m deitada na placa, do tamanho de uma das mitocôndrias da célula animal. Isso não é coincidência do modelo. As mitocôndrias descendem de bactérias engolidas por outra célula num passado distante, e ainda guardam um pequeno genoma próprio. A grade da placa é desenhada em quadrados de 1 µm.

Em ×1 você é grande demais para entrar, então o passeio começa em ×10. Lá dentro, os ribossomos ocupam quase todo o espaço em volta do nucleoide, o emaranhado do cromossomo no meio sem membrana em volta. O envelope acima de você tem três camadas: a membrana interna, uma rede fina de peptidoglicano e a membrana externa. Motores flagelares de cerca de 45 nm ficam no envelope, cada um girando um filamento em saca-rolhas cerca de 100 vezes por segundo, e uma rede de quimiorreceptores numa das pontas avisa os motores quando inverter o giro. Como não há núcleo no caminho, os ribossomos começam a ler o RNA mensageiro enquanto ele ainda está sendo feito, o que o modelo mostra em dois pontos perto do início.

O guia

O botão "Guia" abre uma lista de 78 coisas para visitar: 49 na célula animal, 14 na célula vegetal e 15 na bactéria. Você pode buscar pelo nome, filtrar por célula e por tipo (organelas, moléculas e processos) e ordenar por tamanho. Escolher uma delas troca a célula e o tamanho, se preciso, e leva você a um ponto na frente dela. Um cartão mostra então o tamanho real, quantas uma célula tem, uma descrição curta, as fontes e uma barra que compara o tamanho dela com uma proteína, um ribossomo, a E. coli, uma célula animal e a sua própria altura no tamanho atual.

Sete processos, as fases da mitose, o ciclo celular, a placa celular de uma célula vegetal se dividindo e a fissão binária das bactérias, não são encenados nas células 3D. Os cartões deles mostram um pequeno desenho no lugar.

O que um aumento de um milhão faz com velocidades e distâncias

Como 1 m no modelo é 1 µm na célula, qualquer comprimento se converte subindo a unidade seis degraus. Uma célula de 20 µm de largura tem 20 m, o comprimento de um ônibus e meio em fila. Um ribossomo de 25 nm tem 25 mm, ou seja, 2,5 cm, o tamanho de uma bola de gude grande. Uma proteína de 5 nm tem 5 mm, como um grão de arroz visto de ponta, e uma membrana de 5 nm de espessura tem 5 mm, uma camada que caberia entre dois dedos em volta de um salão de 30 m.

As velocidades mudam do mesmo jeito, porque o tempo não é esticado. A cinesina anda a cerca de 800 nm por segundo, que no modelo são 0,8 m por segundo. Uma proteína que se desloca alguns micrômetros em um segundo percorre alguns metros. Você anda a cerca de 1,4 m por segundo, que na célula real são 1,4 µm por segundo, um pouco mais rápido que uma cinesina. Atravessar os 30 m da célula leva cerca de 21 segundos. Em ×100 o mesmo passo é de 14 nm por segundo, e por isso o controle Andar tem um ajuste rápido.

As unidades escondem uma armadilha. Áreas mudam com o quadrado e volumes com o cubo. Uma mitocôndria de 1 µm³ é 1 m³ no modelo, um cubo de um metro de lado. A célula inteira, de cerca de 3000 µm³, são 3000 m³, um salão maior que uma piscina olímpica, que comporta cerca de 2500 m³. Os números da tabela acima são comprimentos. Quando este guia dá uma quantidade por célula, ele se refere a esses 3000 metros cúbicos.

Quantas moléculas existem e quanto tempo levam para atravessar

Segundo Cell Biology by the Numbers, há cerca de 3 milhões de proteínas em cada micrômetro cúbico de uma célula, de modo que uma célula humana de 2000 a 4000 µm³ contém da ordem de 10 bilhões (10¹⁰) de proteínas. Para os 3000 µm³ deste modelo, o cálculo dá 3000 × 3 milhões, cerca de 9 bilhões. No modelo, cada metro cúbico ao seu redor contém 3 milhões delas. A distância média entre proteínas vizinhas é a raiz cúbica de 1 µm³ dividido por 3 milhões, cerca de 0,007 µm ou 7 nm, que na tela são 7 mm. Uma proteína típica tem cerca de 5 nm, então elas quase se encostam. Essa é a densidade que a caixa da multidão reproduz. Todo o resto do modelo é muito mais vazio.

As moléculas de uma célula não viajam em linha reta. Elas são empurradas pelas moléculas de água, um movimento chamado difusão, e o tempo médio para cobrir uma distância x cresce com o quadrado dessa distância. Para uma partícula que se move em uma dimensão, t ≈ x² / 2D, em que D é a constante de difusão. Em três dimensões o 2 vira 6. O livro dá D em cerca de 100 µm²/s para uma proteína de tamanho médio na água e cerca de 10 µm²/s dentro de uma célula. Com esses números:

• Atravessar uma célula de E. coli, x = 1 µm: t ≈ 1 / 60, cerca de 0,02 s. O livro cita cerca de 0,01 s.
• Atravessar uma célula HeLa, x = 20 µm: t ≈ 400 / 60, cerca de 7 s. O livro cita cerca de 10 s.
• Ao longo de um axônio de 1 cm, x = 10.000 µm: t ≈ 10⁸ / 60, cerca de 1,7 milhão de s, quase três semanas. O livro diz cerca de duas semanas, porque arredonda D e o fator.

Um motor que avança a 1 µm por segundo levaria de 2 a 3 horas para percorrer 1 cm, e por isso os neurônios levam a carga pelos microtúbulos em vez de esperar que ela se difunda. Na escala de uma célula, porém, os dois métodos se parecem. A 20 µm um motor precisa de 20 s e a difusão de menos de 10 s, então uma célula pequena deixa as moléculas se difundirem e reserva os motores para cargas grandes ou que precisam chegar a um lugar certo.

Mal-entendidos comuns

• "As organelas flutuam longe umas das outras em água vazia." Numa célula real o citosol é um gel apinhado e as organelas ficam muito próximas, com o retículo endoplasmático se estendendo quase por toda parte. O espaço aberto por onde você anda no modelo é uma simplificação para que você possa se mover.
• "As moléculas sabem para onde ir." A maioria encontra seu par por acaso, por difusão, e só reage se se encontrar na orientação certa. Motores como a cinesina são a exceção, pois seguem trilhos, mas a carga também precisa achar o trilho.
• "A cinesina anda como uma pessoa." Na animação parece, mas as cabeças são tão pequenas que a água ao redor as empurra o tempo todo. O passo é uma catraca em que cada ATP faz uma cabeça avançar e se prender, e assim a agitação vira passos em uma só direção.
• "O núcleo é o cérebro da célula e controla tudo diretamente." O núcleo guarda e copia o genoma e produz RNA, mas as proteínas são feitas no citosol e no retículo, e muitas decisões da célula vêm de sinais que chegam à membrana. As mitocôndrias até mantêm um pequeno genoma próprio.
• "Todas as células parecem o desenho do livro didático." O modelo mostra um só tipo de célula espalhada sobre vidro, com os tamanhos das mais estudadas. Uma hemácia não tem núcleo e uma fibra muscular tem vários, e o volume das células varia por várias ordens de grandeza.

Em que o modelo difere de uma célula real

• O citosol aqui está quase vazio. Uma célula real tem cerca de 3 milhões de proteínas em cada micrômetro cúbico. Os pontinhos que flutuam à sua volta são no máximo alguns milhares, e derivam devagar em vez de se trombarem em alta velocidade.
• Os ribossomos foram reduzidos. O modelo desenha alguns milhares. Uma célula real tem muito mais, tão apertados no retículo rugoso que as lâminas parecem cravejadas.
• A actina e os filamentos intermediários são poucos. Feixes de actina atravessam o chão e alguns filamentos intermediários envolvem o núcleo, mas a malha densa de actina embaixo da membrana ficou de fora para manter os caminhos livres.
• As moléculas ficam escondidas de longe. Os modelos de moléculas só aparecem quando você está perto o bastante para vê-los, e ficam parados em vez de rolar.
• A maioria das organelas fica parada. Numa célula viva, as mitocôndrias se movem, se dividem e se fundem, e o retículo muda de forma de um minuto para o outro.
• O núcleo tem uma janela. Um envoltório real é fechado, a não ser pelos poros.
• As cores são inventadas. Neste tamanho as organelas não têm cor própria. Os microscópios eletrônicos as mostram em cinza, e as imagens de fluorescência usam corantes.

Como se mover

No computador, use WASD ou as setas para andar e arraste com o mouse para olhar em volta. R faz você subir e F deixa você descer de novo. Shift faz você andar mais rápido. Clicar no chão leva você até lá. No celular, a metade esquerda da tela é um joystick e a metade direita gira a sua visão. As duas setas da direita sobem ou descem você.

O painel à direita do palco tem três linhas. "Célula" troca entre a célula animal, a célula vegetal e a bactéria. "Tamanho" encolhe você para ×10 ou ×100 e volta. "Passo" ajusta seu ritmo para devagar, normal ou rápido, o que ajuda em ×100, onde o passo normal cobre só 13 nm por segundo. O pequeno mapa no canto superior esquerdo mostra de cima onde você está; clique nele para andar até aquele ponto.

As etiquetas com nomes aparecem quando você chega perto de algo, e em ×100 elas nomeiam moléculas isoladas. O controle "Todas as etiquetas" mostra mais delas ao mesmo tempo. A lista de "Peças" e o "Guia" levam você direto ao que escolher.