Context
En algunes primeres cèl·lules procariotes, la capacitat d’usar la llum solar com a font d’energia per a la formació de les seves pròpies molècules orgàniques (la fotosíntesi) va permetre la utilització directa de CO₂ i H₂O i l’alliberament d’oxigen a l’atmosfera. En el procés evolutiu, algun d’aquests procariotes s’introduí en altres cèl·lules procariotes convertint-se en els cloroplasts que avui trobem en les actuals cèl·lules vegetals. Els cloroplasts posseeixen la maquinària molecular per aprofitar l’energia dels fotons solars. Així mateix, alguns procariotes es van adaptar per usar l’oxigen atmosfèric alliberat en la fotosíntesi per extreure més energia dels aliments. Es creu també que un bacteri que ja utilitzava oxigen, infectà una cèl·lula procariota més gran, replicant-se en l’interior per convertir-se més endavant en els mitocondris que trobem en totes les cèl·lules eucariotes animals i vegetals. En aquest capítol també es fa una breu descripció de l’estructura d’aquestes cèl·lules eucariotes.
Les protocèl·lules o cèl·lules inicials utilitzarien les molècules orgàniques del seu entorn com a matèria primera per, en trencar-les, obtenir energia i també construir les seves estructures. Un pas endavant en l’evolució permetria usar la llum solar com a font d’energia fa uns 3.000 milions d’anys (3 x 109). Amb la fotosíntesi es podia usar diòxid de carboni i aigua com a matèries primeres i, produir molècules orgàniques energètiques com els carbohidrats (vegeu més endavant, capítol 16). A més, la fotosíntesi deixava anar oxigen com a residu, afavorint l’oxidació de minerals superficials com el ferro i el calci. Capes senceres de l’escorça terrestre superficial riques en òxids de ferro corresponen a aquest període. L’oxigen començà finalment a acumular-se a l’atmosfera terrestre, el que ha estat el treball de moltes petites cèl·lules.
Una part de l’oxigen es transformà en ozó en l’atmosfera externa per la radiació ultraviolada del Sol i, en absorbir aquesta radiació l’ozó (això encara passa ara, afortunadament) va evitar el bombardeig continu de radiació ultraviolada que hauria causat un nivell insostenible de mutacions, en les primeres cèl·lules, pel trencament de les molècules genètiques de l’ADN. Els canvis i mutacions atzarosos en les molècules genètiques, des del primer moment i ara encara, permet la formació de noves molècules amb les seves expressions funcionals en els organismes, i l’adaptació, millor o pitjor al medi de la descendència que hereta aquests canvis. Nivells alts i continus de mutacions, però, acabarien impedint la consolidació dels canvis evolutius.
Amb la presència d’oxigen en l’atmosfera, algunes cèl·lules, varen acabar adaptant-se a la nova situació desenvolupant la capacitat d’usar l’oxigen per extreure més energia dels aliments. Els bacteris, els procariotes, serien els primers éssers similars als actuals com ja hem dit, i fa uns 2.000 milions d’anys (2 x 109) van aparèixer els eucariotes més complexos que els procariotes (figura 11). Es creu que un bacteri que ja utilitzava oxigen, infectà una cèl·lula procariota més gran. El bacteri es replicà dins la gran, i aviat s’hi desenvolupà una relació simbiòtica estable de manera que els dos tipus d’organismes es tornaren interdependents com un únic organisme, un eucariota. Aquells bacteris infectants esdevindrien més endavant els mitocondris dels eucariotes. Així mateix, es creu que cianobacteris fotosintètics també s’introduïren en (infectarien si es pot dir així), cèl·lules procariotes convertint-se en els cloroplasts i donant lloc més endavant al conjunt de les primeres cèl·lules vegetals eucariotes.
Al voltant de fa uns 1.000 milions d’anys, un virus amb ADN podria haver donat lloc al nucli cel·lular (amb l’ADN confinat) de les cèl·lules ucariotes.
Figura 11. Cèl·lula eucariota animal. Imatge del llibre “Per què les neurones” de J. Tomàs, Edicions de la Universitat de Barcelona, Col·lecció Catàlisi, 2024.
Descripció de les cèl·lules eucariotes
La importància evolutiva de les cèl·lules eucariotes radica en la capacitat adquirida per associar-se i formar els organismes pluricel·lulars, amb una més alta capacitat de desenvolupar-se amb autonomia i anar adquirint avantatges evolutius en un context de complexificació progressiva de la matèria biològica.
Totes les cèl·lules tenen una estructura bàsica per sobreviure, organitzar-se, relacionar-se, i reproduir-se. El fluid on viuen les cèl·lules és el mitjà extracel·lular per on arriben nutrients i missatgers d’altres cèl·lules, i també el lloc per on s’envien, els productes que elaboren. La comunicació química entre cèl·lules es manifesta aviat en l’evolució. Les cèl·lules estan embolcallades per l’esmentada capa de base lipídica, la membrana cel·lular, que els dona individualitat. Posseeix òrgans dels sentits que són proteïnes que actuen com a receptors de molècules senyalitzadores provinents de l’exterior. Així mateix, posseeix transportadors de molècules dirigits cap a l’interior i cap a l’exterior, així com canals iònics que permeten l’establiment de gradients dels ions entre dintre i fora de la membrana. La membrana cel·lular és la interfase entre dintre i fora que separa els dos compartiments i regula el que pot entrar i sortir.
En l’interior cel·lular hi ha un laberint de tubs ramificats (reticle) amb la seva pròpia membrana, amb seccions especialitzades per produir, emmagatzemar o transportar molècules. Els tubs es poden fragmentar en vesícules plenes de molècules que en fusionar-se amb la membrana externa vessen el seu contingut. També poden formar-se de nou vesícules per un pinçament en la membrana externa i que poden acabar passant cap a l’interior portant les molècules captades directament de l’exterior.
Uns orgànuls importants són els mitocondris, que representen una de les formes més eficaces d’obtenció d’energia, la fosforilació oxidativa, que veurem més endavant (vegeu capítol 14). Les cèl·lules també tenen filaments, formats per diferents molècules primes i llargues que, en relliscar les unes entre les altres, escurcen els filaments (citoesquelet contràctil). Aquest escurçament molecular permet, de retruc, el moviment de la cèl·lula perquè els filaments també estan enganxats a la membrana plasmàtica i a la membrana dels orgànuls interiors, i en moure aquestes estructures es pot moure la cèl·lula. Les cèl·lules, així mateix, tenen alguns filaments més gruixuts que no rellisquen i fan de tensors, bigues i columnes per mantenir i recuperar la forma de la cèl·lula (citoesquelet estructural).
Finalment, prop del centre de les cèl·lules hi ha el nucli envoltat per tubs amb forats que comuniquen amb els espais interiors de la cèl·lula. Dintre del nucli hi ha les molècules que controlen tota l’organització (els àcids nucleics ADN i ARN), ja que porten en la seva estructura la informació necessària (el genoma) a partir de la qual es copien o es construeixen totes les altres molècules pròpies de cada cèl·lula.