Teoria Endossimbiótica

O que é

A Teoria Endossimbiótica é a explicação científica segundo a qual as mitocôndrias e os cloroplastos se originaram de bactérias que passaram a viver dentro de outras células e, ao longo da evolução, se tornaram partes integradas delas. Essas estruturas são organelas, compartimentos celulares com funções específicas. As mitocôndrias participam da respiração celular; os cloroplastos realizam a fotossíntese em plantas e em muitas algas. A teoria explica a origem dessas organelas e uma etapa da formação das células eucarióticas, que possuem o material genético nuclear envolvido por uma membrana.

O termo endossimbiose designa uma associação na qual um organismo vive no interior de outro. No caso estudado pela teoria, a convivência atravessou muitas gerações e envolveu mudanças genéticas. Os descendentes das bactérias incorporadas perderam a capacidade de viver de forma independente e passaram a depender da célula hospedeira.

As células envolvidas nessa história evolutiva

Os biólogos distinguem dois tipos de organização celular. Nas células procarióticas, o DNA não fica dentro de um núcleo delimitado por membrana. Bactérias e arqueias possuem essa organização, embora pertençam a grupos evolutivos distintos. Nas células eucarióticas, há um núcleo delimitado, além de compartimentos internos associados a atividades celulares.

Animais e fungos possuem células eucarióticas, assim como as plantas. Uma célula de uma folha, por exemplo, pode conter cloroplastos e mitocôndrias. Portanto, as células vegetais realizam fotossíntese e também respiram. Nas células humanas, as mitocôndrias participam do aproveitamento da energia dos nutrientes, enquanto os cloroplastos estão ausentes.

A construção da teoria

Pesquisadores já discutiam a origem simbiótica de estruturas celulares antes do século XX. Em 1905, o botânico Konstantin Mereschkowsky formulou uma proposta sobre a origem dos plastídios, grupo de organelas ao qual pertencem os cloroplastos. Décadas depois, o estudo da organização celular e do material genético forneceu novos recursos para testar essas ideias.

Em 1967, a bióloga Lynn Margulis, que assinava Lynn Sagan, publicou o artigo “On the origin of mitosing cells”. Ela reuniu argumentos sobre a participação de associações simbióticas na evolução das células eucarióticas. A origem bacteriana das mitocôndrias e dos plastídios recebeu apoio de pesquisas posteriores, sobretudo das comparações genéticas.

Em ciência, uma teoria reúne explicações testáveis e evidências obtidas por métodos de investigação. Os pesquisadores podem revisar seus detalhes quando encontram novos dados. Na endossimbiose, o debate atual envolve aspectos da associação ancestral, como as características da hospedeira e as trocas entre os parceiros.

A origem das mitocôndrias

As mitocôndrias descendem de uma linhagem bacteriana próxima das alfaproteobactérias. Seus ancestrais participaram de uma associação duradoura com outra célula. Os estudos sobre a evolução dos eucariotos apoiam uma contribuição ancestral das arqueias para a hospedeira, mas os pesquisadores ainda discutem sua organização e o modo pelo qual a bactéria passou a viver em seu interior.

Nos esquemas escolares, costuma aparecer uma célula englobando uma bactéria que escapa da digestão. Esse desenho facilita a visualização da endossimbiose, porém simplifica um processo cujo início ainda é investigado. A sequência de mudanças que produziu o núcleo e outras estruturas da hospedeira também permanece em debate.

Ao longo das gerações, os parceiros passaram a compartilhar recursos e funções. Na respiração aeróbia, as mitocôndrias atuais usam oxigênio em uma cadeia de reações que permite produzir ATP, molécula que as células utilizam para fornecer energia a suas atividades. As trocas metabólicas da associação ancestral podem ter diferido das que observamos nas organelas atuais.

Os biólogos inferem que o último ancestral comum dos eucariotos atuais já possuía mitocôndrias. Em algumas linhagens, elas se modificaram e perderam a função respiratória típica. Por isso, a ausência de mitocôndrias com aparência convencional em um organismo não basta para classificá-lo como descendente de uma etapa anterior à endossimbiose.

A origem dos cloroplastos

Os cloroplastos descendem de cianobactérias, bactérias capazes de realizar fotossíntese com liberação de oxigênio. Na origem dos plastídios das plantas e de vários grupos de algas, uma célula eucariótica que já possuía mitocôndrias incorporou uma dessas bactérias. A associação originou uma linhagem de organismos com capacidade fotossintética.

Durante a fotossíntese, os cloroplastos captam energia luminosa por meio de pigmentos, como a clorofila. Com essa energia, as células produzem compostos orgânicos a partir do gás carbônico. A água participa do processo, e o oxigênio liberado deriva de sua transformação.

Uma planta utiliza os compostos produzidos na fotossíntese para crescer e para abastecer a respiração celular. Suas células continuam dependendo das mitocôndrias, inclusive quando há luz. Nas raízes, muitas células possuem plastídios com outras funções, como o armazenamento de amido, em vez de cloroplastos desenvolvidos.

Evidências da origem bacteriana

Os pesquisadores sustentam a teoria por meio da comparação de características celulares e de sequências genéticas. Entre as evidências estão:

• Material genético próprio: mitocôndrias e cloroplastos conservam parte de um genoma de origem bacteriana, separado do DNA nuclear. Em muitos organismos, esse DNA tem organização circular, embora existam variações, sobretudo entre mitocôndrias.

• Parentesco genético: ao comparar genes e moléculas de RNA, os pesquisadores encontram relações entre mitocôndrias e o grupo das alfaproteobactérias. Nos cloroplastos, encontram parentesco com as cianobactérias.

• Produção de proteínas: ambas as organelas possuem ribossomos, estruturas que participam da fabricação de proteínas. Os ribossomos dos cloroplastos conservam características bacterianas; os mitocondriais sofreram alterações que variam entre os organismos.

• Divisão de organelas preexistentes: novas mitocôndrias e novos cloroplastos surgem a partir de estruturas que já estavam na célula. Sua multiplicação conserva aspectos relacionados à divisão bacteriana, embora dependa também de proteínas produzidas pela hospedeira.

• Organização das membranas: mitocôndrias e cloroplastos possuem um envoltório com duas membranas. Os pesquisadores analisam sua composição e suas proteínas para reconstruir a história dessas estruturas.

O tamanho semelhante ao de certas bactérias também integra essas comparações, mas oferece pouca segurança quando considerado sozinho. O parentesco entre sequências genéticas permite testar a ancestralidade com mais precisão. A dupla membrana, isolada das demais evidências, tampouco basta para estabelecer uma origem endossimbiótica.

Da bactéria à organela

A presença de uma bactéria dentro de uma célula pode ocorrer sem que ela se torne uma organela. Na origem das mitocôndrias e dos cloroplastos, houve integração hereditária: a hospedeira transmitiu essas estruturas às células descendentes, e os parceiros passaram a depender de funções compartilhadas.

Durante esse processo, muitos genes do endossimbionte foram perdidos. Outros passaram para o DNA nuclear da hospedeira, em um processo chamado transferência endossimbiótica de genes. Hoje, o núcleo contém instruções para a produção de grande parte das proteínas utilizadas por essas organelas.

Após a fabricação no citoplasma, região celular externa ao núcleo, muitas dessas proteínas atravessam as membranas da organela com auxílio de sistemas de transporte. Entre elas estão enzimas necessárias ao seu funcionamento. Por essa dependência, os biólogos descrevem mitocôndrias e cloroplastos como semiautônomos: conservam parte da maquinaria genética, mas precisam da célula para funcionar e se multiplicar.

Endossimbiose primária e secundária

Na endossimbiose primária que originou os plastídios das plantas e de grupos de algas aparentados, a hospedeira incorporou uma cianobactéria. Na endossimbiose secundária, uma célula eucariótica incorporou outra célula eucariótica fotossintetizante, que já possuía um plastídio. A hospedeira adquiriu, assim, uma estrutura cuja origem bacteriana era mais antiga.

Os ancestrais das euglenas fotossintetizantes adquiriram plastídios por uma associação com algas verdes. Em outras linhagens de algas, os plastídios derivam de algas vermelhas incorporadas. Os plastídios secundários costumam apresentar membranas adicionais, relacionadas às etapas de incorporação.

Ao estudar essa história, os pesquisadores comparam separadamente a evolução da hospedeira e a do plastídio. Organismos com parentesco distante podem possuir plastídios aparentados porque seus ancestrais participaram de associações com algas de uma mesma linhagem.

O alcance da explicação endossimbiótica

A teoria se concentra na origem de certas organelas e em sua integração à célula. Para explicar o surgimento da primeira vida, os pesquisadores investigam outros processos, anteriores à formação das células eucarióticas. Também estudam a origem do núcleo e do sistema de membranas internas por meio de hipóteses que precisam ser avaliadas com evidências próprias.

A endossimbiose se articula com a evolução por seleção natural. Ao longo das gerações, associações hereditárias que favoreciam a sobrevivência e a reprodução podiam se manter nas populações. As trocas de genes e a dependência entre os parceiros alteraram as características sobre as quais a seleção atuava.

Você Sabia?

• A ameba Paulinella chromatophora possui organelas fotossintéticas chamadas cromatóforos, adquiridas em uma endossimbiose independente daquela que originou os plastídios das plantas. Os pesquisadores estudam esse caso para investigar etapas da integração entre uma hospedeira e um descendente de cianobactéria.

• Algumas algas com plastídios secundários conservam um nucleomorfo, um vestígio reduzido do núcleo da alga incorporada. Os cientistas identificam nesse compartimento uma parte do material genético do antigo parceiro eucariótico.

Glossário

• DNA: ácido desoxirribonucleico, molécula na qual os organismos celulares armazenam informações hereditárias.

• RNA: ácido ribonucleico, molécula que participa da expressão das informações genéticas e da estrutura dos ribossomos, entre outras funções.

• Gene: trecho do material genético cuja informação permite produzir um RNA funcional; em muitos casos, esse RNA participa da produção de uma proteína.

• Genoma: conjunto do material genético de um organismo ou de uma organela.

• Linhagem: sequência de populações ou organismos ligados por relações de ancestralidade e descendência.

• Metabolismo: conjunto das reações químicas que ocorrem nas células.

• Enzima: catalisador biológico, em geral uma proteína, que acelera reações químicas sem ser consumido nelas.

• Pigmento: substância que absorve determinadas faixas da luz e que pode conferir cor a uma estrutura.

• Proteína: molécula formada por uma ou mais cadeias de aminoácidos, com funções que dependem de sua composição e de sua estrutura.

• Seleção natural: processo pelo qual diferenças hereditárias associadas ao sucesso de sobrevivência e reprodução alteram a composição das populações ao longo das gerações.

Infografico didático sobre a teoria Endossimbiotica

Resumo

• Ideia central

  - Mitocôndrias e cloroplastos descendem de bactérias incorporadas por outras células.
  - A convivência hereditária envolveu integração genética e perda de independência.

• Origem das organelas

  - Mitocôndrias: ancestral bacteriano próximo das alfaproteobactérias.
  - Cloroplastos: ancestral pertencente às cianobactérias.

• Funções celulares

  - Mitocôndrias participam da respiração e da produção de ATP.
  - Cloroplastos captam luz para a fotossíntese; células vegetais também possuem mitocôndrias.

• Evidências:

  - DNA e sistemas de produção de proteínas conservam características relacionadas à ancestralidade bacteriana.
  - Divisão de estruturas preexistentes e características das membranas completam as comparações genéticas.

• Integração à hospedeira

  - Parte dos genes ancestrais foi perdida; outra parte passou ao núcleo.
  - As organelas dependem de proteínas produzidas com instruções do DNA nuclear.

• Modalidades de endossimbiose dos plastídios

  - Primária: incorporação de uma cianobactéria.
  - Secundária: incorporação de uma alga eucariótica que já possuía plastídio.

• Alcance e questões em estudo

  - A teoria explica a origem das organelas citadas e parte da evolução eucariótica.
  - Pesquisadores ainda investigam a organização da hospedeira ancestral e o início da associação mitocondrial.

Por Tânia Cabral - Professora de Biologia e Ciências do Ensino Fundamental e Médio - graduada na Unesp, 2001.

Publicado em 16/10/2026