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Nesta secção, vamos percorrer a estrutura celular do paramécio. A menos que mencionado, nos referimos ao Paramecium caudatum como um exemplo típico de uma paramecium cell.
Temos também 4 séries de posts no blog sobre paramecium:
Parte I. A Classificação Biológica do Paramecium – Nome, História e Evolução
Parte II. A Estrutura do Paramecium cell
Parte III. Reprodução, Fisiologia e Comportamentos do Paramécio
Parte IV. A Habitação Natural e Cultivo do Paramecium – Encontre o Paramecium for Your Microscopic Project

A anatomia do paramecium

O diagrama rotulado mostrando a anatomia de uma célula do Paramecium.
Cada estrutura/organela e sua função será explicada neste artigo.

O paramécio usa uma armadura macia, chamada pelicular

O corpo da célula paramécio é fechado por uma membrana rígida mas elástica, chamada pelicular. A película é constituída por uma substância fina e gelatinosa produzida pela célula. A camada da película dá ao paramécio uma forma definida e uma boa protecção do seu conteúdo celular. A película também é elástica por natureza, o que permite ao paramécio alterar ligeiramente a sua forma.

A pele do paramécio é coberta por muitos pêlos minúsculos, chamados cílios

Cobrindo a película estão muitos pêlos minúsculos, chamados cílios (cílio singular). Os cílios são projecções distribuídas por toda a célula. Uma célula de P. caudatum pode ter 5000-6000 cílios.
Cílios são estruturas muito pequenas – aproximadamente 0,25 μm de diâmetro e até 20 μm de comprimento. Podemos ver apenas o movimento global dos cílios nas células, mas é difícil vê-los claramente sob um microscópio de luz regular.

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Movimento de cílios paramécio sob um microscópio.

Existem dois tipos de cílios presentes nas células de paramecia: cílios orais e cílios corporais. Os cílios orais estão presentes na superfície da ranhura oral. Elas ajudam a recolher os materiais alimentares. Os cílios corporais estão presentes na superfície do corpo e facilitam a sua locomoção. Agem como remos microscópicos para mover o organismo em uma direção.
Cílios corporais estão dispostos em filas longitudinais (ao longo do eixo da cabeça à cauda) com um comprimento bastante uniforme em toda a célula. Há também alguns cílios mais longos presentes na extremidade posterior da célula (bastante óbvio em P. caudatum). Estes formam o tufo caudal de cílios (daí o nome caudatum).

Diferentes tipos de cílios em paramecium cell – oral cilia, body cilia, and caudal tuft.

A visão microscópica de cílios

Os cientistas gastaram muito tempo e esforço estudando paramecium cilia. Porque?
É porque os cílios não são exclusivos dos microorganismos, como a paramecia ou ciliados. Na verdade, nós também temos cílios em nossas células. Por exemplo, cílios móveis são encontrados no epitélio respiratório que reveste o trato respiratório onde eles limpam nossos pulmões varrendo muco e sujeira para fora.
A microscopia avançada é poderosa neste tipo de pesquisa de biologia celular. Por exemplo, o microscópio electrónico de varrimento (SEM) permite-nos ver a morfologia, orientação e densidade dos cílios do paramécio. Com um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), podemos ver a ultraestrutura dos cílios em uma seção transversal. Com a ajuda da coloração imunofluorescente baseada em anticorpos, os cientistas podem até ver que tipos de proteínas contribuem para a estrutura, movimento e crescimento de cílios.

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Os cientistas usaram microscópios avançados para responder suas perguntas sobre cílios do paramécio. Esquerda: SEM mostra-nos a morfologia dos cílios (Crédito: Judith L. Van Houten). Meio: TEM dá-nos a imagem da secção transversal de cilia em detalhe (Credito: Richard Allen). Direita: O microscópio de fluorescência mostra-nos como cílios ancoram na superfície da célula.

A estrutura da película e cílios

Com a ajuda de microscopia avançada, os cientistas agora sabem como os cílios crescem e se movem em detalhe. Como pode ver na ilustração abaixo, a camada de película não é lisa. Em vez disso, existem muitas saliências (chamadas alvéolos) com uma depressão na película. Um cório sai pelo orifício central de cada depressão com a âncora no corpo basal.

A estrutura detalhada dos cílios e películas.

Os cientistas também descobriram o que está dentro de cada cílio capilar. Um cório é composto por feixes de microtubos. Os microtubulos são fibras proteicas dentro das células com múltiplas funções. Os microtubos podem servir como auto-estrada intercelular para o transporte de moléculas e organelas. Durante a divisão celular, as fibras dos microtubos projetados a partir de dois centrosomas afastam os cromossomos em novos núcleos.

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A organização do cório.
Cada cório contém nove pares de microtubos formando o exterior de um anel e dois microtubos centrais. Esta estrutura é conhecida como axoneme. Os microtubos são mantidos juntos por proteínas reticuladas. Existem proteínas motoras, chamadas dynein, que se ajustam através de cada microtubular emparelhado.
Foto crédito: LadyofHats no wiki.

As proteínas motoras (dynein) usam ATP como energia para rastejar ao longo dos microtubules. Quando as proteínas da dynein se movem para cima de um lado mas para baixo do outro, o cório se dobra. A repetição dos ciclos de curvatura-relaxamento faz os cílios agirem como remos, batendo para frente e para trás para criar movimento.

Veja como os cílios fazem a onda

Se os cílios apenas agitam para frente e para trás da mesma forma, as células não podem ir a lugar algum. Os movimentos para frente e para trás têm que estar em fases diferentes para criar uma força propulsora significativa.
Os cientistas usaram um microscópio com uma câmera de vídeo de alta velocidade para capturar como os cílios batem para impulsionar todo o corpo de paramecium. Eles parecem bastante inteligentes!

O movimento de cílios exibe uma bela coordenação metacrônica em forma de onda, onde uma diferença de fase constante é mantida entre cílios adjacentes.

Ao analisar o vídeo de alta velocidade quadro a quadro, os cientistas descobriram que o paramecium nada de forma semelhante à forma como nadamos no traçado frontal do cílios.
Traçado eficaz (para a frente): Durante o curso efetivo, o cório se estende diretamente para cima (a fim de envolver mais água) e bate contra a água, trazendo assim o corpo para frente e enviando a água para trás.
Curso de recuperação (para trás): Durante o curso de recuperação, o cório volta à posição original pelo seu movimento para trás. O cório tende a dobrar e ficar mais próximo da superfície celular para minimizar a resistência.

Padrão de cílios em um Paramecium.
O movimento de cílios pode ser dividido em curso Efetivo (para frente) e Curso de Recuperação (para trás). Dois tipos de traços repetem-se alternadamente para impulsionar o corpo do paramecium enquanto nadamos no estilo crawl frontal.

Não como nós que só temos dois braços, uma célula paramecium tem milhares de cílios. Para nadar eficientemente, todos os cílios não se movem de cada vez. Cílios em dois tipos de ritmos coordenados.
Ritmo sincrônico – Cílios de fila transversal movem-se ao mesmo tempo.
Ritmoetacrônico – Cílios de fila longitudinal batem um após o outro. Isto cria ondas metacrónicas passando da extremidade anterior para a posterior.

Cilia de ritmo metacrónico para criar uma força propulsiva.

Outro comportamento interessante é a forma de fuga do paramecium. Se um paramécio se deparar com um obstáculo, a batida dos cílios pára e se inverte. Isto faz com que o paramécio nade para trás para se afastar do obstáculo ou dos predadores.

Quão rápido pode um paramécio mover-se?

Você pode se perguntar a que velocidade o paramécio pode se mover? Eles se movem mais rápido que os medalhistas olímpicos de ouro!
A maioria dos ciliados como a paramecia são nadadores incríveis. Por que cílios? Quando você tem menos de um milímetro de corpo, a água é como um xarope pegajoso. Nadar como um peixe não seria muito eficiente! Se você quer nadar rápido e ser capaz de manobrar, os cílios são a melhor escolha.
Os cílios de paramecium movem-se como muitos remos minúsculos, impulsionando o organismo através da água a um ritmo que é “quatro vezes o seu comprimento corporal por segundo”. Para um P. caudatum de 300 micrómetros (µm) de comprimento, ele pode nadar a uma taxa de 1200 µm por segundo (igual a 0,0027 milhas por hora). Se Michael Phelps (6 pés 4 in ou 1,93 m) nadar como um paramecium, ele nadará a uma taxa de 7,72 metros por segundo e terminará um percurso de 100 metros em 12,95 segundos. Isso é quatro vezes mais rápido que o recorde mundial em natação!

Três formas de locomoção para protozoários.
Cilia – coordenadamente batida para nadar. Pseudopod – rastejar na superfície, alterando a forma celular. Flagellum – nadar girando como uma hélice.
Foto crédito: Lumen.

Como é que um paramecium come?

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Ranhura oral

Paramecia come outros microorganismos como bactérias, leveduras ou algas. Eles comem através de um sistema que funciona de forma semelhante ao nosso esófago bucal – estômago. Existe uma grande depressão oblíqua superficial, chamada sulco oral, no lado ventro-lateral do corpo do paramécio. Esta ranhura oral dá um aspecto assimétrico ao animal.
A ranhura oral serve como a entrada de materiais alimentares na célula. Existem cílios orais cobrindo a superfície da ranhura oral. Estes cílios orais batem para criar uma corrente de água e trazer o alimento para a ranhura oral.

A visão mais próxima do sistema de alimentação do paramécio.
Pode seguir as setas vermelhas para seguir o caminho dos alimentos que passam pelo sistema de alimentação do paramécio. Primeiro, as partículas dos alimentos são recolhidas na ranhura oral pelo movimento de cílios orais. Os materiais alimentares viajam do citótomo para a citofaringe, e depois para os vacúolos alimentares por fagocitose. As enzimas digestivas dentro dos vacúolos dos alimentos decompõem os alimentos em pequenas moléculas nutritivas. Depois dos nutrientes serem absorvidos pelo citoplasma pela célula, os resíduos indigestíveis são descarregados do poro anal.

Citoestoma, Citofaringe e Vacuole alimentar

A extremidade da ranhura oral liga-se a uma estrutura semelhante a um funil, chamada citoestoma ou boca celular. A cilia oral também cobre o lúmen do citótomo para levar a partícula alimentar até o fundo do funil do citoestoma, que se estende até a citofaringe.
A citofaringe é uma estrutura em forma de tubo (como o nosso esófago) que leva aos vacúolos alimentares. Os vacúolos alimentares formam-se através do brotar da extremidade posterior da citofaringe. Os vacúolos alimentares funcionam como o nosso estômago e contêm enzimas de digestão para decompor os materiais alimentares em moléculas nutritivas.
O processo de alimentação através de vacúolos alimentares, chamado fagocitose, é comum em microrganismos unicelulares, como a ameba. No entanto, apenas os membros das famílias de ciliados e Euglena desenvolvem o sistema especial de citostome-citofaringe.

O paramecium faz cocó?

Poro Anal

A resposta é Sim. A paramecia tem a sua forma de excreção. Após os nutrientes dos alimentos digeridos terem sido absorvidos pelo citoplasma, ainda há resíduos indigestíveis dentro dos vacúolos alimentares. Os resíduos serão expelidos de uma estrutura chamada poro anal ou citoplasma.
Vários eucariotas unicelulares têm o poro anal. O poro anal de um paramécio é uma região da película que não está coberta por cristas e cílios. A película fina permite a fusão de vacúolos na superfície celular e o esvaziamento.

A “pele” especializada do corpo de células paramécio

Ectoplasma e endoplasma

ÀÀ semelhança dos organismos multicelulares que têm uma camada de células de pele dedicada como barreira protectora, o paramécio unicelular desenvolve uma “pele celular” para se proteger.
Como mencionado acima, a camada mais externa é a casca macia da película e cílios. Ligada à película é uma estreita camada periférica de citoplasma firme especializada, chamada ectoplasma. Abaixo do ectoplasma encontra-se um tipo de citoplasma mais fluido: o endoplasma. Esta região contém a maioria dos componentes celulares e organelas.

Uma visão mais próxima da estrutura da pele do parameplasma.
Nesta imagem de alta resolução da célula do paramécio, você pode ver duas camadas de citoplasma: o ectoplasma e o endoplasma. Os tricocistos são organelas protetoras embutidas na camada do ectoplasma. (Imagem modificada do trabalho de Michael Plewka)

Comparado ao resto do citoplasma (endoplasma), o ectoplasma forma uma camada externa fina, densa e clara contendo tricocistos e estruturas fibrilares. As raízes dos cílios também ancoram na camada do ectoplasma. Pellicle e ectoplasma juntos servem como a pele protectora da paramecia.

Trichocisto

Trichocisto (trick-o-sistente) é uma pequena organela fusiforme situada no ectoplasma com um minúsculo poro aberto na superfície da película. Os tricocistos são dispostos perpendicularmente ao ectoplasma. Os tricocistos são preenchidos com um fluido refractor denso contendo substâncias intumescidas. Quando as células recebem estímulos mecânicos, químicos ou eléctricos, os tricocistos descarregam o seu conteúdo e tornam-se em espigões longos, finos e picantes. Depois de serem descarregados, novos são gerados a partir de cinetosomas.
A função exata dos tricocistos não é muito clara, embora uma teoria popular seja que eles são importantes para a defesa contra os predadores. Os tricocistos também podem ajudar na adesão celular e suportar o corpo de células paramécio.

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Tricocistos de Paramecium.
Trichocistos são organelas semelhantes a fusos que podem descarregar filamentos de picadas como protecção contra os predadores. esquerda: Uma imagem TEM mostrando um tricócito embutido no ectoplasma. Ao receber estímulos externos, o núcleo do tricócito irá engolir e empurrar o espigão para fora da bainha. (Imagem: Bannister, J. Cell Sci. 11:899-929, 1972.) Direita: Imagem de contraste de fase altamente amplificada mostrando um paramecium disparou os seus tricocistos espinhosos para protecção. (Imagem: Walter Dawn, Encyclopædia Britannica)

O que está dentro do corpo celular de um paramécio?

Citoplasma e organelas

Como uma célula eucariótica normal, encerrada no interior da camada pelicular do paramécio é uma substância gelatinosa chamada citoplasma. O citoplasma inclui o citosol e todas as organelas. O citosol é como uma sopa condensada dentro da célula. É uma mistura complexa de todos os tipos de substâncias dissolvidas na água. Você pode encontrar pequenas moléculas como íons (sódio, potássio ou calcina), aminoácidos, nucleotídeos (as unidades básicas do DNA), lipídios, açúcares e grandes macromoléculas como proteínas e RNAs.
Um paramécio tem todas as organelas comuns das células eucarióticas (ligação com a biologia celular), incluindo mitocôndrias (as potências celulares), retículo endoplasmático e ribossomos (onde a síntese de proteínas), aparelho de Golgi (os correios dentro das células), lisossomos (o armazenamento de enzimas digestivas), peroxissomas (o laboratório de química dentro das células).
Células vegetais não semelhantes, o paramécio não tem cloroplastos.
Não parecido com as células eucarióticas normais, o paramécio tem dois núcleos, um grande e um pequeno. O paramécio também consiste em dois tipos de vacúolos: o vacúolo contrátil e o vacúolo alimentar, que não existem em células humanas.

O paramécio é alimentado por uma CPU dual-core – Macronucleus e Micronucleus

A característica mais incomum da paramécia são os seus núcleos. Eles têm dois tipos de núcleos, que diferem em sua forma, conteúdo e função.

Macronúcleo (MA) e Micronúcleo (MI) em uma célula de P. putrinum. As setas brancas e pretas apontam bactérias simbióticas dentro do citoplasma.
Crédito fotográfico: MDPI

Micronúcleo

Os dois tipos de núcleos são o micronúcleo e o macronúcleo. O micronúcleo é diplóide, ou seja, contém duas cópias de cada cromossoma paramécio (o núcleo humano também é diplóide). O micronúcleo contém todo o DNA (chamado genoma) que está presente no organismo. Este DNA é passado de uma geração para outra durante a reprodução.

Macronúcleo

Por outro lado, o macronúcleo contém um subconjunto de DNA do micronúcleo. Estes fragmentos de DNA são copiados do micronúcleo para o macronúcleo porque eles carregam genes que são freqüentemente necessários pela célula paramécio. Os genes no macronúcleo são ativamente transcritos para o mRNA e depois traduzidos para proteínas. O macronúcleo é poliploide ou contém múltiplas cópias de cada cromossomo, às vezes até 800 cópias.

A função do Micronúcleo e Macronúcleo

Em outras palavras, a função do micronúcleo é manter a estabilidade genética e assegurar que os genes desejáveis sejam passados para a próxima geração. Também é chamado de linha germinal ou núcleo generativo. O macronúcleo desempenha um papel nas funções celulares não reprodutivas incluindo a expressão dos genes necessários para a função diária da célula. O macronúcleo também é chamado de núcleo vegetativo.
Se usarmos um computador como metáfora, o micronúcleo é o disco rígido que mantém uma cópia completa do programa da célula. O macronúcleo age como a memória de acesso aleatório (RAM) que armazena dados de trabalho e códigos de máquina. O computador só carrega programas atualmente em uso do disco rígido para a memória RAM. Em uma célula de paramécio, genes mais ativos (significando que a célula precisa de mais destas proteínas codificadas por estes genes) podem ter mais cópias no macronúcleo.
Outra razão para ter dois núcleos distintos é que é um mecanismo pelo qual a paramécia e outros ciliados podem evitar invasores genéticos (significando pedaços de DNA que se espiam no genoma, por exemplo, o DNA do vírus).
Por ter dois núcleos, se um pedaço de DNA estiver no micronúcleo mas não no macronúcleo, ele será removido durante a próxima rodada de divisão celular. Em outras palavras, se algo estranho entrasse no genoma micronuclear, então quando o próximo macronúcleo fosse feito, ele seria removido e não seria incluído na versão expressa do genoma. Este mecanismo funciona como um sistema imunológico de DNA primitivo; isto é, vigiando o genoma e tentando manter os elementos invasores fora.
Morfologicamente, o macronúcleo tem forma kidney-liked ou elipsoidal. O micronúcleo é encontrado próximo ao macronúcleo. É uma estrutura pequena e compacta, de forma esférica. Todas as espécies de paramécio têm um macronucleus. No entanto, o número de micronúcleos pode variar de acordo com a espécie. Por exemplo, P. aurelia tem dois micronúcleos e P. multimicronucleatum tem vários.

Dois tipos de vacúolos que são vitais para o paramecium

O nome de “vacuole” descreve estas organelas parecem transparentes e tendem a ser preenchidas com fluido. Os vacúolos assumem funções específicas em uma célula de paramécio. O paramécio tem dois tipos de vacúolos: vacúolos contráteis e vacúolos alimentares.

Os vacúolos contráteis actuam como bombas de água para osmoregulação

Uma célula de paramécio tem dois vacúolos contráteis em forma de estrela sentados em cada extremidade do corpo. Eles são preenchidos com fluidos e estão presentes em posições fixas entre o endoplasma e o ectoplasma. Os vacúolos contráteis são responsáveis pela osmoregulação, ou a descarga do excesso de água da célula.
Como lidar com a “osmose” é um desafio universal para todos os seres vivos. Ela é especialmente crítica para microorganismos unicelulares como o paramécio.
Como sabemos, cada célula está rodeada por uma membrana celular. Esta membrana tem pequenos orifícios que permitem a passagem de pequenas moléculas (como a água), mas não de moléculas grandes (como o sal). Devido a esta natureza, a membrana da célula é parcialmente permeável. Osmose é o movimento das moléculas de água de uma área de alta concentração de água (solução diluída) para uma área de baixa concentração de água (solução concentrada) através de uma membrana parcialmente permeável.

As células animais (células vermelhas do sangue como exemplo neste gráfico) são sensíveis à pressão de osmose. Quando nossas células estão em um ambiente “isotônico” (como o nosso sangue), as moléculas que entram e saem da água são iguais, e as células são seguras. Se o ambiente se tornar “Hipotônico” significando menos solutos (minerais) do que Isotônico, a água se moverá para dentro das células para alcançar o equilíbrio. As células incharão e até explodirão (lyse) se o excesso de água não for removido da célula. Por outro lado, “Hipertónico” é devido a mais solutos no ambiente e pode causar a contracção das células.

Os vacúolos contráteis actuam para regular a quantidade de água no interior de uma célula. Na água doce, que é um ambiente hipotónico para o paramécio, a água flui para dentro da célula por osmose. Os vacúolos contráteis expulsam a água para fora da célula contraindo e impedem a célula de absorver demasiada água ou mesmo rebentar.

Como funcionam os vacúolos contráteis?

Cada vacúolo contractil está ligado a vários canais radicais (que formam a sua forma em estrela). O excesso de água é drenado de todo o corpo de paramécio e alimentado nos vacúolos contráteis através destes canais. A acumulação de água faz com que o vacúolo aumente de tamanho. Quando o reservatório atinge um limiar de contenção, o vacúolo contrátil contrai-se para descarregar o excesso de água através de um poro na película.
Dois vacúolos contráteis funcionam independentemente. O vacúolo contrátil posterior está próximo da citofaringe e, portanto, contrai-se mais rapidamente por causa da passagem de mais água. Quando o vacúolo contrátil cai, pode desaparecer periodicamente e por isso são chamados órgãos temporários.

Imagem de alta definição do Paramecium mostrando dois vacúolos contráteis em forma de estrela e um macronúcleo. Esta imagem foi tirada por Rogelio Moreno da Cidade do Panamá, Panamá, usando contraste de interferência diferencial (DIC) com ampliação de 40X. Esta imagem recebeu o 4º lugar no concurso Nikon Photomicrography Competition.

Aspúolos alimentares

Quando uma célula paramétrica recolhe alimentos através da ranhura oral e passa através do citótomo em direcção ao fundo da citofaringe, estes materiais alimentares são encapsulados em vacúolos alimentares. Os vacúolos alimentares fundem-se então com organelas chamadas lisossomas, cujas enzimas quebram as moléculas alimentares e conduzem a digestão.

Os vacúolos alimentares são não-contráteis e têm uma forma aproximadamente esférica. Eles servem como um compartimento isolado para permitir que as enzimas decomponham apenas as partículas dos alimentos, mas não outras organelas. Os tamanhos dos vacúolos alimentares variam em função da quantidade de alimentos e do progresso da digestão. Os resíduos indigestíveis serão ejectados de uma abertura na película, chamada poro anal ou citoprocto.