Citoesqueleto: Estrutura e Função

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CITOESQUELETO
Além de manter a forma das células, o citoesqueleto é responsável pela capacidade das células se deslocarem no meio em que vivem, seja através da emissão de projeções, como as amebas e as células do tecido conjuntivo, seja por cílios e flagelos, como vários protozoários ou os espermatozoides. Mesmo as células que permanecem fixas, como os neurônios, estão constantemente emitindo finas projeções de membrana em sua superfície para fazer ou desfazer contatos com as células vizinhas. O citoesqueleto determina a distribuição das estruturas intracelulares e impede que as células desabem sob seu próprio peso. As células musculares são especializadas em contrair-se num determinado sentido e mesmo nas células que nos parecem “imóveis” há um intenso tráfego citoplasmático de organelas e vesículas.
· Os componentes do citoesqueleto:
A maioria das células animais possuem três tipos de filamentos do citoesqueleto responsáveis por sua organização espacial e propriedades mecânicas 
- Filamentos intermediários (proporcionam resistência mecânica);
São proteínas fibrosas de natureza diversa e são os mais estáveis e conferem à célula resistência mecânica.
- Microtúbulos (determinam o posicionamento de organelas delimitadas por membrana e direcionam o transporte intracelular);
Formados pela proteína tubulina e são muito mais rígidos que os microfilamentos. Partem sempre de uma região definida do citoplasma: o centrossomo ou centro organizador de microtúbulos (COMt). 
- Filamentos de actina (determinam a forma da superfície celular e são necessários à locomoção da célula como um todo). 
São formados pela proteína actina, são os mais finos e flexíveis e formam feixes paralelos ou redes na parte mais periférica da célula, embora se distribuam por todo o citoplasma. 
Obs.: os filamentos do citoesqueleto seriam absolutamente ineficientes sem a presença de centenas de moléculas acessórias que tanto interligam os filamentos entre si quanto os conectam aos outros componentes celulares. Este grupo de ptns acessórias é essencial ao controle da montagem dos filamentos do citoesqueleto em locais definidos e inclui as proteínas motoras. 
· Os filamentos do citoesqueleto são dinâmicos:
Os sistemas do citoesqueleto são dinâmicos e adaptáveis. Grandes estruturas citoesqueléticas podem persistir ou sofrer modificações de acordo comas necessidades, podendo apresentar uma duração que varia de menos de um minuto ao período total de vida da célula. No entanto, os componentes macromoleculares individuais que compõem estas estruturas encontram-se sob um fluxo constante. 
A regulação do comportamento dinâmico e a montagem dos filamentos do citoesqueleto permitem que a célula eucariótica construa uma enorme variedade de estruturas a partir dos 3 sistemas básicos de filamentos. 
Um exemplo de rápida reorganização do citoesqueleto ocorre durante a divisão celular. Após a replicação dos cromossomos, o arranjo de microtúbulos da interfase, que se estende através do citoplasma, é reconfigurado em fuso mitótico bipolar, que desempenha o papel essencial de segregar para os núcleos das células-filhas, de forma exta, as duas cópias de cada cromossomo replicado. Quando a divisão está completa, os citoesqueletos se organizam em arranjo de interfase e convertem as duas células filhas em versões menores da mãe. 
Então, o citoesqueleto é montado e desmontado para que uma célula exerça uma função ou que haja remodelamento da estrutura
· Cada filamento é construído a partir de subunidades menores:
Os filamentos intermediários são formados a partir de subunidades que são, por si próprias, fibrosas e longas, ao passo que os filamentos de actina e os microtúbulos são compostos por subunidades globulares e compactadas.
Sendo assim, são polímeros formados por monômeros, que é mantida por interações não-covalentes fracas, o que significa que sua associação e dissociação podem ocorrer rapidamente. 
· Filamentos de Actina: 
São polímeros helicoidais de fita dupla da proteína actina. Eles se apresentam sob a forma de estruturas flexíveis, podendo estar organizados sob uma ampla variedade de feixes lineares, redes bidimensionais e géis tridimensionais. 
Os filamentos de actina dão a morfologia da célula, ficam na região mais periférica (MP interna), auxiliam a montar estruturas muito específicas como as microvilosidades, dando sustentação a elas. 
A actina no seu estado monomérico é chamada de actina G (de globular) e, quando incorporada ao microfilamento, de actina F (de filamentosa). Dois monômeros de actina só se encaixam em uma determinada posição. O resultado disso é que o filamento de actina se torna polarizado, isto é, as extremidades são diferentes. Quando o filamento é polarizado ele possui uma direção.
Novos monômeros podem ser adicionados (ou removidos) de qualquer uma das extremidades do filamento, desde que na posição correta, mas existe maior probabilidade de incorporação de novos monômeros a uma das extremidades, que é chamada de positiva, ou plus. Esta extremidade de crescimento está, em geral, voltada para a membrana plasmática. 
Cada molécula de actina G possui um sítio de ligação em seu interior, no qual ligará uma molécula de ATP. Ela é importante para a manutenção da estrutura da molécula. Sem o ATP em seu interior, a actina se desnatura (perde a forma característica da molécula) rapidamente. Quando a actina G se incorpora ao filamento, hidrolisa o ATP, formando ADP, que fica “aprisionado” no filamento. 
As subunidades de actina associam-se em oposição de cabeça e de cauda para compor filamentos com polaridade estrutural evidente. a cabeça recebe o nome de ‘extremidade +’ e a cauda de ‘extremidade (-)’, logo ela é assim ética.
Para formar o filamento, a extremidade + se encaixa na -, com isso o filamento também tem sentido.
Obs.: apesar do filamento ser descrito como uma hélice simples de monômeros, ele também pode ser imaginado como consistindo em dois protofilamentos que são mantidos unidos por contatos laterais e que se enroscam um ao outro como duas fitas paralelas de uma hélice, apresentando uma volta completa.
· Um monômero pode tanto entrar quanto sair pela ponta + ou pela ponta – (fenômeno reversível). A entrada de actina vai depender d quantidade de actinas livres, se tiver muitas elas entrarão mais rápido no filamento. Já se tiver poucas subunidades livres a tendência do filamento é PERDER actina, diminuindo de tamanho. Até encontrar o equilíbrio, e a mesma quantidade que entra é a que sai. (FLUCO DE ACTINA).
A tendência é sempre a actina entrar pela ponta + (ocorre mais rapidamente), é mais difícil de entrar pela ponta a -. E consequentemente, a ponta – perde unidades mais rápido que a ponta +. Em concentrações médias terá entrada pela ponta + ao mesmo tempo que sai pela ponta -.
· Efeito treadmilling (esteira):
Ocorre em um filamento de actina quando há entrada de actinas livres na Ponta + junto com a saída de actinas pela Ponta –
Esse efeito ocorre apenas quando a concentração está equilibrada, acarretando na entrada e saída simultâneas. Se a concentração estiver maior de actinas livres entrará muita mais do que sairá, perdendo o efeito esteira.
Obs.: dá uma falsa impressão de que o filamento está andando, porem a posição dos monômeros não se alteram. 
· Organização dos filamentos de actina na célula:
Os filamentos de actina eles polimerizam empurram um trecho de membrana para frente. Essas projeções de membranas podem ser de dois tipos:
-filopódio (braço de membrana), é um feixe paralelo de actina bem compacto, empurrando o prolongamento de membrana.
-Lamelipódio: são ondas organizadas em redes dendríticas (grade) de actina (eles estão paralelos entre si)
Parte da célula que não “escorreu” ficou para trás e o que traz ela para frente também é a:
- Fibras de estresse ou contráteis: são junções de actina e miosina, que jogam a célula para frente por contração muscular.
- Córtex celular: acumulo de filamentos de actina na periferia da célula. Nele são polimerizados os filopódios e os lamelipódios. O córtex é um emaranhadode filamentos de actina (rede com estrutura em gel)
Esse é ciclo que a célula realiza para se movimentar através do filamento de actina. Os passos são PROTUSÃO – ADESÃO – TRAÇÃO.
Protusão – filopódios e lamelipódios empurrando a membrana para frente. (escorrega).
Adesão – onde a membrana escorregada adere ao substrato, se não houver esta adesão não tem como ocorrer a tração, pois ela precisa prender em alguma coisa. (junção célula matriz)
Tração – movimento do corpo celular para frente, que depende de actina e miosina (fibras de estresse).
As projeções de feixes pontiagudos como as microvilosidades ou os filopódios, projeções planas em véu chamadas de lamelipódios que auxiliam o movimento das células sobre substratos sólidos e as projeções fagocíticas dos macrófagos.
· Miosina – motor molecular dos filamentos de actina:
As proteínas motoras se ligam a um filamento polarizado do citoesqueleto e utilizam a energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise de ATP para se deslocarem uniformemente ao longo do filamento. Elas diferem em relação ao tipo de filamento, à direção para qual se movem e me relação a “carga” que transportam. Diversas proteínas motoras transportam organelas delimitadas por membrana rumo a sua posição adequada dentro da célula. 
A miosina é uma proteína motora, na qual cada cabeça de miosina se liga a ATP e é capaz de hidrolisá-lo, usando a energia para caminhar ruma a extremidade mais (+) do filamento de actina. 
A orientação oposta das cabeças no filamento espesso torna eficiente o deslizamento de pares de filamentos de actina orientados de forma oposta, um sobre o outro. 
Primeiro a cabeça se liga ao filamento de actina, quando o ATP chega ela se solta e ao clivar o ATP em ADP o “pé” vai pra frente (outra cabeça).
Todas as miosinas possuem uma região da molécula conservada, é o chamado domínio motor. Trata-se de uma região globular onde a hidrólise do ATP a ADP e Pi é catalisada. A hidrólise do ATP provoca uma modificação na posição relativa entre a miosina e o microfilamento que lhe esteja próximo que leva à liberação do Pi. Deste ponto em diante, a ligação entre actina e miosina se fortalece, ao mesmo tempo que uma região flexível logo abaixo da cabeça globular da miosina se deforma, fazendo com que a miosina acabe por puxar o filamento de actina ao qual inicialmente havia se ligado.
· Fibras contrateis do tecido muscular esquelético:
O deslizamento da miosina II e de filamentos de actina provoca a contração muscular. Todas as formas de contração muscular dependem do deslizamento direcionado por ATP de um conjunto extremamente organizado de filamentos de actina sobre arranjos de filamentos de miosina II.
O encurtamento do sarcômero é provocado pelo deslizamento dos filamentos de miosina sobre os filamentos de actina, sem que ocorra modificação no tamanho de qualquer desses tipos de filamentos. Os filamentos bipolares espessos deslizam em direção à extremidade (+) de dois conjuntos de filamentos de orientação oposta. 
Proteínas de capeamento: se ligam nas pontas do filamento de actina impedindo que ele cresça ou diminua de tamanho. Isso ocorre porque o filamento na estrutura do sarcômero não pode polimerizar ou despolamerizar.
· Microtúbulos:
É uma estrutura rígida em formato de cilindro alongado e oco. Eles apresentam uma das extremidades ligada a um centro organizador de microtúbulos (MTOC) único, denominado centrossomo. 
90% ou mais de microtúbulos de uma célula emanam de um centrossomo, pois ele inicia a polimerização. 
Eles são importantes para formação dos cílios e flagelos de eucariotos. Sua principal função é servir de estrutura para a movimentação de organelas e vesículas. 
São formados por subunidades proteicas de tubulina. A subunidade de tubulinas é, ela própria, um heterodímero formado por duas ptns globulares bastante relacionadas (alfa-tubulina e beta-tubulina), fortemente associadas por ligações não-covalentes. Cada um dos monômeros possui um sítio de ligação a uma molécula de GTP. 
** A sigla GTP corresponde a guanosina trifosfato, uma molécula que, assim como o ATP (adenosina trifosfato), pode ser hidrolisada, gerando o guanosina difosfato, ou GDP, e liberando energia para algumas atividades celulares, como a dinâmica de polimerização dos microtúbulos. No entanto, a quantidade de energia liberada é bem menor que a da hidrólise do ATP. Por isso a hidrólise de GTP é usada muito mais frequentemente como um sinal do que como fonte de energia. Geralmente, a molécula associada a GTP está ativa e a associada a GDP está inativa. 
Os microtúbulos também possuem uma assimetria como a actina. Cad um dos protofilamentos de uma microtúbulo é montado a partir de subunidades que apontam para a mesma direção, sendo alinhados paralelamente. Desse modo, o microtúbulo apresentará uma polaridade estrutural distinta, onde as alfa-tubulinas estarão expostas em uma extremidade e as beta-tubulina estarão expostas na extremidade oposta. 
· O crescimento do microtúbulo ocorre na extremidade “mais”:
As subunidades alfas estão expostas na extremidade (-), quanto as betas na extremidade (+).
Assim, a disposição dos dímeros de α e β-tubulinas confere aos microtúbulos polaridade, isto é, as duas extremidades de um microtúbulo são diferentes. Uma consequência disso é que a incorporação de novos dímeros de tubulina ocorre preferencialmente em uma das extremidades do microtúbulo, enquanto a outra extremidade tende a liberar dímeros de tubulina com maior rapidez e facilidade. Essas propriedades conferem aos microtúbulos um sentido preferencial de crescimento e fazem deles estruturas muito dinâmicas, capazes de crescer ou encolher rapidamente. 
A extremidade onde preferencialmente incorporam-se novos dímeros é chamada positiva ou plus, enquanto a extremidade oposta é negativa ou minus. Ou seja, ele entra pela extremidade alfa e sai pela beta. 
· Microtúbulos emanam de Centrossomos:
Alguns filamentos de actina estão presos no centrossomo e crescem a partir dele. Eles estão presos a um tipo diferente de tubulina (gama-tubulina).
A γ-tubulina forma um complexo em anel de γtubulina que se acredita ser o molde a partir do qual os protofilamentos e a estrutura tubular são formados. Além de funcionarem como centro de nucleação para os microtúbulos, os anéis de γ-tubulina formam uma espécie de tampa, estabilizando a extremidade menos e impedindo a perda de subunidades.
Ao fechar a ponta menos, a gama-tubulina serve de suporte para a polimerização de um novo microtúbulo, já que não haverá perda pela ponta menos. E a taxa de perda pela ponta + é muito menor que o crescimento. 
· dinâmica de polimerização dos microtúbulos:
os microtúbulos também fazem o efeito esteira (treadmilling) numa concentração intermediária. (aqueles que não estão presos no centrossomo)
Os microtúbulos necessitam de uma capa de GTP para estabilização de sua ponta. A hidrólise de GTP para GDP está associada, no entanto, a uma discreta alteração conformacional na proteína, que provoca uma flexão nos protofilamentos. Apenas tubulinas ligadas ao GTP são capazes de entrar no filamento. 
A perda da capa de GTP permite o relaxamento dos protofilamentos com GDP que adquirem a conformação mais curvada. Isso leva a uma disrupção progressiva do microtúbulo. A tubilina só consegue sair pela extremidade, logo as tubulinas ligadas ao GDP no meio não tem problema. (cadarço novo)
Logo, para haver crescimento do microtúbulo é preciso que a entrada de tubulina seja mais rápida que a clivagem de GTP em GDP.
Os microtúbulos de uma célula típica estão constantemente se alongando e encurtando, num processo conhecido como instabilidade dinâmica. 
Instabilidade dinâmica: é ciclo de crescimento e catástrofe. Os microtúbulos despolimerizam aproximadamente 100 vezes mais rápido extremidades que contêm tubulina GDP do que extremidades que contêm GTP. Uma capa de GTP favorece o crescimento, mas se for perdida, ocorrerá despolimerização. 
** Processo de resgate e catástrofe podem ser regulados através de proteínas. 
Catástrofe: a hidrólise de GTP ocorremais rapidamente do que a adição de subunidades, a proteção é perdida e o microtúbulo sofre encurtamento.
Resgate: subunidades com GTP são adicionadas à extremidade que está encurtando até formar uma nova capa. 
· Proteínas motores de microtúbulos:
Existem dois tipos de proteínas motoras e elas são responsáveis pela locomoção de organelas e vesículas na célula, por exemplo.
- Superfamília das cinesinas:
As cinesinas formam uma superfamília de proteínas motoras e possuem vários pontos em comum com a miosina do tipo II. A cinesina também é uma molécula formada por duas cadeias pesadas e duas cadeias leves. Enquanto a região globular da molécula possui as propriedades motoras, é pela região em α-hélice da molécula que os dímeros são formados.
O domínio motor (gera o movimento) é o único elemento em comum da superfamília de cinesinas. A maioria delas causa movimentação em direção à extremidade + de microtúbulos, ou seja, tem uma direção – se afastando do centrossomo. 
Elas estão relacionadas na movimentação de organelas, vesículas e até diferentes microtúbulos na célula. E usam ATP para a realização da movimentação. 
- Elas quebram o ATP e jogam o pé pra gente, como se tivesse caminhando pelo microtúbulo, num processo muito rápido. 
- Dineínas:
Elas fazem o movimento reverso, pois são direcionadas para a extremidade (-) e não são relacionadas à superfamília das cinesinas. Elas são compostas por duas ou três cadeias pesadas e um grande e variado número de cadeias intermediárias e cadeias leves associadas. Elas têm duas ramificações principais, o ramo mais antigo contém as dineínas citoplasmáticas, as quais são tipicamente homodímeros de cadeia pesadas, com dois grandes domínios motores como cabeças. O outro ramo, chamado dineínas do axonema (CILIAR), incluem heterodímeros, com duas ou três cabeças de domínio motor. Elas são altamente especializadas para o rápido movimento de deslizamento dos microtúbulos que direciona o batimento de cílios e flagelos.
** as dineínas citoplasmáticas são importantes para o trânsito de vesículas e para o posicionamento do aparelho de Golgi próximo a região central da célula. 
· Transporte de organelas e vesículas:
Um típico arranjo de microtúbulos em uma célula em interfase está orientado com suas extremidades menos próximas ao centro da célula, no centrossomo, e suas extremidades (+) estendendo-se para a periferia da célula. Assim, movimentos centrípetos de organelas ou vesículas em direção ao centro da célula necessitam da ação de proteínas motoras direcionadas à extremidades (-), como é o caso da dineína citoplasmática, ao passo que movimentos centrífugos em direção à periferia necessitam da ação de proteínas motoras direcionadas às extremidades mais, como é o caso das cinesinas.
Em direção a extremidade (+) --------- Cinesinas.
Em direção a extremidade (-) ---------- Dineína
· Cílios e flagelos:
Cílios e flagelos são estruturas motoras encontradas em protozoários (os ciliados e os flagelados) e também em células de organismos pluricelulares, como os espermatozoides (flagelo) e o epitélio ciliado das vias respiratórias (cílios). A estrutura interna de cílios e flagelos é idêntica. Mesmo assim, eles são prontamente diferenciados: os cílios costumam ser curtos e se dispor em fileiras que executam um movimento ondulatório sincronizado semelhante ao de um remo. Os flagelos são bem mais longos e em menor número (um no espermatozoide humano, oito na Giardia lamblia etc.). O movimento dos flagelos é ondulatório.
O movimento de um cílio ou de um flagelo é produzido pela flexão de sua porção central, denominada axonema. O qual é composto por microtúbulos e por suas ptns associadas, organizadas em um padrão regular e característico. Nove pares especiais de microtúbulos encontram-se organizados em um anel ao redor de um par simples de microtúbulos. Eles se estendem de forma contínua por todo axonema. 
- Dineína ciliar: formam pontes entre pares de microtúbulos adjacentes em toda a circunferência do axonema. Quando o domínio motor dessa dineína é ativado, as moléculas de dineína ligadas a um par de microtúbulos tentam movimentar-se sobre o par de microtúbulos adjacentes, forçando o deslizamento de um sobre o outro. No entanto, a presença de proteínas de ligação entre os pares de microtúbulos impede este deslizamento, e a força é convertida em um movimento de flexão (bater o flagelo). 
** a flexão depende dessa proteína.
· Microtúbulos e formação do fuso mitótico:
Na mitose inicial, ocorrem grandes alterações no comportamento dinâmico e no comprimento dos microtúbulos. Conforme os microtúbulos são montados sobre a cromatina condensada, em orientações aleatórias, a ação coordenada de diferentes proteínas motoras constrói um fuso bipolar coerente a partir da massa microtúbulos desorganizados. São usadas proteínas motoras para essa conformação. O resultado final é um fuso mitótico bipolar. 
Após montagem do fuso mitótico bipolar, este pode permanecer aparentemente estável. Em conjunto, o fuso mitótico representa um esforço conjunto que combina as propriedades dinâmicas dos microtúbulos às ações individuais de dúzias de motores moleculares e de outros componentes organizacionais. 
Os microtúbulos despolimerizam para separar o material genético. 
** a tubulina é fundamental para a separação do dna e da célula. 
· Filamentos intermediários: queratina
Resistência mecânica
São fibras semelhantes a cabos que são compostas por proteínas de filamentos intermediários, as quais pertencem a uma grande e heterogênea família. Um tipo de filamento intermediário forma uma trama chamada de lâmina nuclear logo abaixo da membrana nuclear interna. Outros tipos estendem redes através do citoplasma, conferindo resistência mecânica às células. 
Lâmina nuclear: ptns de filamentos intermediários que forma uma rede que reveste a membrana interna do envelope nuclear, onde proporciona sítios de ancoramento para cromossomos e poros nucleares. 
Os filamentos intermediários não são polarizados como os outros 
· Principais tipos de proteínas de filamentos intermediários:
Vimentina: se localiza em diversas células de origem mesenquimal (tecido conjuntivo) e sala proteína tem polipeptídicos de vimentina.
Desmina: presente nos músculos.
Proteína ácida glial fibrilar: Células gliais (células de Schwaan)
*** OS FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS SÃO BONS MARCDORES DE TIPOS CELULARES. 
· Epidermólise bolhosa: mutação em genes de queratina 
Ocorre quando queratinas defeituosas são expressas em células da camada basal da epiderme. Esta doença caracteriza-se pela formação de bolhas na pele mesmo em resposta a estresses mecânicos muito leves, os quais conseguem romper as células basais. É expressa em recém-nascidos.