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AULA 07 2. MEMBRANAS E ULTRAESTRUTURAS CELULARES 2.4 MATRIZ EXTRACELULAR E CITOESQUELETO ARA0007 – BASES DE BIOLOGIA CELULAR E GENÉTICA Como as organelas microtubulares se relacionam com o citoesqueleto? Citosol Se conseguíssemos retirar a membrana plasmática de uma célula eucariótica e então remover todas as suas organelas delimitadas por membranas, incluindo o núcleo, o RE, o aparelho de Golgi, as mitocôndrias e os cloroplastos, ficaríamos com o citosol. Em outras palavras, o citosol é a parte do citoplasma que não é contida por membranas intracelulares. Citosol Na maioria das células, o citosol é o maior compartimento único, contendo um grande número de moléculas grandes e pequenas, associadas tão intimamente que ele se comporta mais como um gel à base de água do que como uma solução líquida. Ele é o local de várias reações químicas fundamentais para a existência da célula, como as etapas iniciais da quebra das moléculas nutrientes e a produção da maioria das proteínas pelos ribossomos. O citoplasma não é apenas uma sopa desorganizada de compostos e organelas. Sob o microscópio eletrônico, pode-se ver que nas células eucarióticas o citosol é cruzado por filamentos longos e finos -> citoesqueleto. A capacidade de as células eucarióticas adotarem diversas formas, organizarem os vários componentes em seu interior, interagirem mecanicamente com o ambiente e realizarem movimentos coordenados é dependente do citoesqueleto – uma intrincada rede de filamentos proteicos que se estende pelo citoplasma. Citoesqueleto Apesar de alguns componentes do citoesqueleto estarem presentes em bactérias, é mais evidente nas células eucarióticas. microtúbulos (verde) e os filamentos de actina (vermelho) O citoesqueleto é uma estrutura altamente dinâmica que está sob contínua reorganização. O citoesqueleto controla o posicionamento das organelas e fornece a maquinaria de transporte entre elas. Ele também é responsável pela segregação dos cromossomos nas duas células-filhas durante a divisão celular e pela separação dessas duas novas células no final da divisão. Citoesqueleto O citoesqueleto é construído a partir de uma estrutura composta por três tipos de filamentos proteicos: filamentos intermediários, microtúbulos e filamentos de actina. Filamentos intermediários são fibras semelhantes a cabos com um diâmetro de aproximadamente 10 nm; eles são compostos por proteínas fibrosas de filamentos intermediários. Um determinado tipo de filamento intermediário forma uma trama denominada lâmina nuclear logo abaixo da membrana nuclear interna. Outros tipos se estendem ao longo do citoplasma, conferindo resistência mecânica às células e distribuindo os estresses mecânicos pelo tecido epitelial via conexões que se estendem pelo citoplasma unindo as junções célula-célula. Os filamentos intermediários são bastante flexíveis e apresentam grande resistência à tensão. Eles deformam-se sob tensão, mas não se rompem. Citoesqueleto Microtúbulos são longos cilindros ocos formados pela proteína tubulina. Eles são longos e retos e em geral possuem uma das extremidades conectadas a um centro organizador denominado centrossomo. Apresentando um diâmetro externo de 25 nm, os microtúbulos são mais rígidos do que os filamentos de actina ou os filamentos intermediários e se rompem quando submetidos a estiramento. Citoesqueleto Filamentos de actina (também conhecidos como microfilamentos) são polímeros helicoidais da proteína actina. Eles se apresentam sob a forma de estruturas flexíveis, com diâmetro de aproximadamente 7 nm, e estão organizados em uma ampla variedade de feixes lineares, redes bidimensionais e géis tridimensionais. Apesar de os filamentos de actina estarem dispersos por toda a célula, eles se encontram em maior concentração no córtex, a camada do citoplasma localizada logo abaixo da membrana plasmática. Citoesqueleto Os filamentos intermediários apresentam uma grande resistência à tensão, e sua função principal é permitir que as células resistam ao estresse mecânico ocasionado quando são distendidas. São encontrados no citoplasma da maioria das células animais. Formam caracteristicamente uma rede no citoplasma, envolvendo o núcleo e se estendendo rumo à periferia da célula. Na periferia, eles costumam estar ancorados na membrana plasmática em desmossomos. Os filamentos intermediários também são encontrados no interior do núcleo de todas as células eucarióticas. Filamentos intermediários Um filamento intermediário assemelha-se a uma corda, ou cabo, em que muitos fios longos são trançados para proporcionar resistência à tração. Os fios desse cabo são compostos de proteínas de filamentos intermediários, subunidades fibrosas contendo, cada uma, um domínio central em haste, alongado, com diferentes domínios não estruturados em cada uma das extremidades. Filamentos intermediários Os filamentos intermediários são particularmente proeminentes no citoplasma das células que são submetidas a estresses mecânicos. Eles estão presentes em grande número ao longo do comprimento dos axônios das células nervosas e são encontrados em abundância em células musculares e em células epiteliais, como as células da pele. Filamentos intermediários Filamentos intermediários Os microtúbulos desempenham um papel essencial na organização de todas as células eucarióticas. Esses tubos proteicos longos, ocos e relativamente rígidos podem rapidamente sofrer dissociação em um determinado local e reassociação em outro. Em uma célula animal típica, os microtúbulos crescem a partir de uma pequena estrutura posicionada próximo ao centro da célula, denominada centrossomo. Ao se estenderem para a periferia celular, os microtúbulos criam um sistema de vias dentro da célula ao longo do qual vesículas, organelas e outros componentes celulares podem ser transportados. Microtúbulos Microtúbulos Também pode gerar os flagelos Os microtúbulos são formados a partir de subunidades – moléculas de tubulina, cada uma delas composta por um dímero de proteínas globulares semelhantes denominadas α-tubulina e β-tubulina, ligadas fortemente entre si por interações não covalentes. Os dímeros de tubulina, por sua vez, unem-se entre si também por meio de ligações não covalentes, para a formação da parede de um microtúbulo cilíndrico oco. Essa estrutura semelhante a um cano é um cilindro composto por 13 protofilamentos paralelos, cada um deles composto por uma cadeia linear de dímeros de tubulina com α-tubulina e β-tubulina alternadas longitudinalmente. Cada protofilamento apresenta uma polaridade estrutural, com a α- tubulina exposta em uma extremidade e a β-tubulina exposta na extremidade oposta. Microtúbulos Microtúbulos Uma extremidade do microtúbulo, potencialmente a extremidade β- tubulina, é denominada extremidade mais (+), e a outra, a extremidade α-tubulina, é denominada extremidade menos (-). Em uma solução concentrada de tubulina pura em um tubo de ensaio, dímeros de tubulina serão adicionados a ambas as extremidades de um microtúbulo em crescimento. No entanto, eles são adicionados mais rapidamente à extremidade mais (+). Microtúbulos No interior das células, os microtúbulos crescem a partir de centros organizadores especializados que controlam o posicionamento, o número e a orientação dos microtúbulos. Em células animais, por exemplo, o centrossomo organiza um arranjo de microtúbulos que se irradia em direção à periferia, pelo citoplasma. O centrossomo consiste em um par de centríolos circundado por uma matriz proteica. Microtúbulos Cada microtúbulo cresce e encurta de forma independente dos microtúbulos adjacentes -> instabilidade dinâmica. Um microtúbulo em crescimento a partir de um centrossomo pode ser impedido de sofrer dissociação se sua extremidade mais (+) estiver estabilizada pela ligação a outra molécula ou estruturacelular que bloqueie a sua despolimerização. A instabilidade dinâmica é controlada por hidrólise de GTP. Microtúbulos Microtúbulos • Formação do fuso mitótico; • Ajudam a posicionar as organelas; • A polaridade da célula é um reflexo dos sistemas polarizados de microtúbulos em seu interior, que ajudam a posicionar as organelas nas regiões onde elas são necessárias e a orientar as vias de trânsito vesicular e macromolecular que existem entre os diferentes compartimentos da célula. Os microtúbulos nas células não atuam isoladamente -> proteínas associadas aos microtúbulos. Microtúbulos Proteínas motoras Microtúbulos Os cílios são estruturas semelhantes a pelos, com cerca de 0,25 μm de diâmetro, cobertos por membrana plasmática, que se estendem a partir da superfície de diversos tipos de células eucarióticas. Cada cílio contém um núcleo de microtúbulos estáveis dispostos em um feixe, que crescem a partir de um corpo basal citoplasmático, que atua como um centro organizador. Os cílios batem como chicotes, impulsionando líquidos sobre a superfície de uma célula ou impelindo células individuais por meio de um líquido. Microtúbulos Cílios em células do trato respiratório Um cílio bate efetuando ciclos repetitivos de movimentos que consistem em um movimento de potência seguido por um movimento de recuperação. Os flagelos que impulsionam os espermatozoides e diversos tipos de protozoários são bastante semelhantes aos cílios no que diz respeito à sua estrutura interna, mas são muito mais longos. Eles foram concebidos para mover toda a célula, em vez de movimentar líquidos sobre a superfície da célula. Os flagelos propagam ondas regulares ao longo de seu comprimento, impulsionando a célula à qual estão conectados. Os microtúbulos dos cílios e flagelos são ligeiramente diferentes daqueles encontrados no citoplasma (organização diferente). Microtúbulos https://youtu.be/HxtmgLSwXtY Microtúbulos Os filamentos de actina estão presentes em todas as células eucarióticas e são essenciais para vários movimentos celulares, especialmente aqueles que envolvem a superfície da célula. Sem os filamentos de actina, por exemplo, uma célula animal não poderia migrar (ou deslizar) sobre uma superfície, englobar uma partícula grande por fagocitose ou dividir-se em duas. Assim como os microtúbulos, diversos filamentos de actina apresentam instabilidade, mas, associando-se a outras proteínas, eles também podem formar estruturas estáveis nas células, como os complexos contráteis nas células musculares. Os filamentos de actina interagem com uma grande quantidade de proteínas de ligação à actina, o que permite que desempenhem uma ampla gama de atividades nas células. Filamentos de actina Filamentos de actina (A) microvilosidades; (B) feixes contráteis no citoplasma; (C) filopódios semelhantes a dedos que se projetam na borda anterior de uma célula em movimento; e (D) anel contrátil durante a divisão celular. Cada filamento é composto por uma cadeia espiralada de monômeros idênticos de actina globular, todos “apontando” para a mesma direção em relação ao eixo da cadeia. Do mesmo modo que um microtúbulo, um filamento de actina apresenta uma polaridade estrutural, com uma extremidade mais (+) e uma extremidade menos (-). Os filamentos de actina são mais delgados e flexíveis e, em geral, mais curtos do que os microtúbulos. Existem muito mais filamentos individuais de actina do que microtúbulos em uma célula. Os filamentos de actina raramente ocorrem de forma isolada nas células: eles costumam ser encontrados em feixes interligados e em redes – estruturas que apresentam uma resistência muito superior se comparadas a filamentos individuais. Filamentos de actina Filamentos de actina A subunidade de cada um dos filamentos de actina é um monômero de actina. Uma fenda no monômero gera um sítio de ligação para ATP ou ADP. Monômeros de actina livre estão firmemente ligados a um nucleosídeo-trifosfato, neste caso o ATP. O monômero de actina hidrolisa o ATP ligado gerando ADP logo após ter sido incorporado ao filamento. Tal como acontece com a hidrólise de GTP em GDP no microtúbulo, a hidrólise de ATP em ADP em um filamento de actina reduz a força de ligação entre os monômeros, diminuindo assim a estabilidade do polímero. Desse modo, em ambos os casos, a hidrólise de nucleotídeos promove despolimerização, ajudando a célula a dissociar seus microtúbulos e filamentos de actina quando necessário. Filamentos de actina Se a concentração de monômeros livres de actina for muito elevada, um filamento de actina vai crescer rapidamente, adicionando monômeros em ambas as extremidades. Em concentrações intermediárias de actina livre, monômeros de actina são adicionados à extremidade mais (+) a uma taxa mais rápida do que o ATP ligado pode ser hidrolisado, de modo que a extremidade mais (+) cresce. Já na extremidade menos (-), o ATP é hidrolisado mais rapidamente do que os monômeros podem ser adicionados. Pelo fato de monômeros individuais poderem ser acompanhados, movendo-se pelo filamento, da sua extremidade mais (+) até sua extremidade menos (-), esse comportamento é chamado treadmilling. Filamentos de actina Filamentos de actina Todas as proteínas motoras dependentes de actina pertencem à família da miosina. Elas se ligam ao ATP, hidrolisando-o, o que fornece energia para seu movimento ao longo dos filamentos de actina em direção à extremidade mais (+). A miosina, assim como a actina, foi inicialmente identificada em músculo esquelético. Existem vários tipos diferentes de miosina nas células, sendo as subfamílias da miosina-I e da miosina-II as mais abundantes. A miosina-I está presente em todos os tipos de células, ao passo que a miosina-II é uma forma especializada utilizada pelas células musculares. Filamentos de actina Filamentos de actina A miosina do músculo pertence à subfamília da miosina-II, na qual todos os membros são dímeros, com duas cabeças globulares ATPase em uma extremidade e uma cauda única supertorcida na outra. Grupos de moléculas de miosina-II se ligam uns aos outros por meio das suas caudas supertorcidas formando um filamento de miosina bipolar a partir do qual emergem as cabeças. Contração muscular Contração muscular Um pequeno filamento bipolar de miosina-II pode deslizar dois filamentos de actina de orientação oposta mútua. Este movimento de deslizamento medeia a contração dos filamentos de actina e miosina-II tanto em células musculares quanto em células não musculares. Como acontece com a miosina-I, as cabeças de miosina-II caminham em direção à extremidade mais (+) do filamento de actina com o qual interagem. A contração muscular é iniciada por um súbito aumento de Ca2+ que sinaliza para as miofibrilas via proteínas de ligação ao Ca2+ aos filamentos de actina. As fibras musculares esqueléticas são enormes células multinucleadas individuais formadas pela fusão de muitas pequenas células individuais. Os núcleos das células que contribuíram para sua formação permanecem retidos na fibra muscular e se posicionam exatamente abaixo da membrana plasmática. A maior parte do citoplasma é composta de miofibrilas, os elementos contráteis da célula muscular. Contração muscular Uma miofibrila consiste em uma cadeia de minúsculas unidades contráteis idênticas, ou sarcômeros. Os sarcômeros são arranjos altamente organizados de dois tipos de filamentos – filamentos de actina e filamentos de miosina compostos de uma forma músculo-específica de miosina-II. Os filamentos de miosina (filamentos espessos) se posicionam na região central do sarcômero, ao passo que os filamentos de actina, mais finos (filamentos delgados), estendem-se para o interior a partir de cada uma das extremidades do sarcômero, onde estão ancorados pelas suas extremidades mais (+) a uma estrutura denominada disco Z. Asextremidades menos (-) dos filamentos de actina se sobrepõem às extremidades dos filamentos de miosina. Contração muscular Contração muscular Discos Z em cada extremidade do sarcômero atuam como pontos de fixação para as extremidades mais (+) dos filamentos de actina. Os filamentos espessos localizados centralmente (verde) são compostos por muitas moléculas de miosina-II. A linha vertical fina, que ocorre de cima para baixo no centro do feixe de filamentos espessos em (A), corresponde às regiões lisas dos filamentos de miosina. Contração muscular A contração de uma célula muscular é causada por um encurtamento simultâneo de todos os sarcômeros da célula, provocado pelo deslizamento dos filamentos de actina em relação aos filamentos de miosina, sem que haja alteração no comprimento de qualquer um dos tipos de filamentos. O movimento de deslizamento é gerado pelas cabeças da miosina que se projetam lateralmente a partir do filamento de miosina e interagem com os filamentos adjacentes de actina. Quando um músculo é estimulado para a contração, as cabeças de miosina começam uma caminhada ao longo do filamento de actina por meio de ciclos repetidos de ligação e liberação. Durante cada ciclo, uma cabeça de miosina liga e hidrolisa uma molécula de ATP. As cabeças de miosina tensionam o filamento de actina, fazendo-o deslizar ao longo do filamento de miosina. A ação conjunta de muitas cabeças de miosina tensionando os filamentos de actina e de miosina uns contra os outros leva à contração do sarcômero. Contração muscular (A) Os filamentos de miosina e actina de um sarcômero se sobrepõem com a mesma polaridade relativa em ambos os lados de uma linha mediana. Lembre-se de que os filamentos de actina estão ancorados por suas extremidades mais (+) ao disco Z e os filamentos de miosina são bipolares. (B) Durante a contração, os filamentos de actina e miosina deslizam uns sobre os outros sem que eles próprios sofram encurtamento. O movimento de deslizamento é conduzido pela caminhada das cabeças de miosina rumo à extremidade mais (+) dos filamentos de actina adjacentes Vamos exercitar? Questão 1: (Brasil Escola) No citoplasma está presente o chamado citoesqueleto, o qual é formado por três tipos de filamentos: a) filamentos de actina, filamentos de miosina e filamentos elásticos. b) filamentos elásticos, filamentos reticulares e microtúbulos. c) filamentos colágenos, filamentos intermediários e filamentos de miosina. d) filamentos de actina, filamentos de miosina e filamentos colágenos. e) filamentos de actina, microtúbulos e filamentos intermediários. Relembrando... Matriz extracelular Nas plantas, a matriz de sustentação é denominada parede celular, uma estrutura em formato de caixa que circunda, protege e restringe a forma de cada célula. As próprias células vegetais é que sintetizam, secretam e controlam a composição dessa matriz extracelular. Uma parede celular pode ser espessa e dura, como a madeira, ou delgada e flexível, como as folhas. celulose em azul (principal molécula orgânica da parede) pectina em verde Matriz extracelular São distinguidos quatro principais tipos de tecidos animais: o conectivo, o epitelial, o nervoso e o muscular. No tecido conectivo, a matriz extracelular é abundante e suporta a força mecânica. Nos outros tecidos, como o epitelial, a matriz extracelular é escassa, e as células são unidas diretamente umas às outras, sendo que elas mesmas suportam a força mecânica. Os tecidos conectivos animais são consideravelmente variáveis. Eles podem ser rígidos e flexíveis, como os tendões ou a derme, duros e densos, como os ossos, elásticos e com capacidade de absorver choques, como a cartilagem, ou macios e transparentes, como a gelatina que preenche o interior dos olhos. A maior parte do tecido é ocupada pela matriz extracelular e as células que produzem a matriz estão espalhadas em seu interior como “passas em um pudim”. Matriz extracelular A resistência elástica é conferida por uma proteína fibrosa, o colágeno. Os vários tipos de tecido conectivo devem suas características específicas ao tipo de colágeno que contêm, à sua quantidade e, mais importante, a outras moléculas que estão entrelaçadas em proporções variáveis. Estas incluem a elastina, uma proteína elástica que confere às paredes das artérias a resiliência aos pulsos sanguíneos, bem como acomoda moléculas polissacarídicas especializadas. Matriz extracelular O colágeno é uma proteína encontrada em todos os animais e tem muitas variedades. Os colágenos são as proteínas mais importantes no osso, no tendão e na pele e constituem 25% do total da massa proteica dos mamíferos, mais do que qualquer outro tipo de proteína. Matriz extracelular As células do tecido conectivo que produzem e habitam a matriz extracelular recebem vários nomes de acordo com o tecido: na pele, no tendão e em outros tecidos conectivos elas são denominadas fibroblastos; no osso, elas são denominadas osteoblastos. Elas produzem tanto o colágeno quanto outras macromoléculas da matriz. As células nos tecidos devem ser capazes de degradar a matriz, bem como produzi-la. Isso é essencial para o crescimento, a renovação e o reparo do tecido. Matriz extracelular Para realizarem suas funções, as fibrilas de colágeno devem estar alinhadas corretamente. Na pele, elas são tecidas em um padrão entrelaçado ou em camadas alternadas com diferentes orientações para resistir às forças de estresse elástico em múltiplas direções. Nos tendões, que ligam os músculos aos ossos, elas estão alinhadas em feixes paralelos ao longo do principal eixo de tensão. As fibrilas de colágeno da pele estão organizadas em um padrão semelhante a um compensado. Matriz extracelular Se as células empurram e se arrastam sobre a matriz, elas devem ser capazes de se ligar a ela -> a fibronectina fornece essa ligação. Uma parte da molécula de fibronectina se liga ao colágeno, e a outra forma um sítio de ligação para a célula. As células se ligam à fibronectina por uma proteína receptora denominada integrina, que se estende na membrana plasmática celular. O domínio intracelular se liga a um filamento de actina do interior da célula. Matriz extracelular Glicosaminoglicanos (GAGs): cadeias de polissacarídeos carregadas negativamente formadas por unidades repetidas de dissacarídeos. Fornece a função de resistir à compressão. Os GAGs costumam estar covalentemente ligados a uma proteína central para formar os proteoglicanos, que são extremamente diversos em tamanho, forma e química. Os glicosaminoglicanos (GAGs) são formados por unidades repetidas de dissacarídeos. Aqui está representado o hialuronano. Matriz extracelular Nos tecidos conectivos densos e compactos, como os tendões e os ossos, a proporção de GAG é pequena, e a matriz é composta quase exclusivamente de colágeno (ou, no caso dos ossos, de colágeno e cristais de fosfato de cálcio). No outro extremo, a substância semelhante a um gel do interior dos olhos consiste quase exclusivamente em um tipo específico de GAG, mais água, com apenas uma pequena quantidade de colágeno. Os proteoglicanos desempenham muitas funções sofisticadas, além de fornecer um espaço hidratado ao redor das células. Eles podem formar géis e poros de tamanho e densidade de carga variados que atuam como filtros para regular a passagem de moléculas para o meio extracelular. Eles podem ligar fatores de crescimento secretados e outras proteínas que atuam como sinais extracelulares para as células. Também podem bloquear, apoiar ou guiar a migração celular pela matriz. Vamos exercitar? Questão 2: (FIOCRUZ) A matriz extracelular pode formar uma estrutura gelatinosa capaz de fornecer suporte mecânico aos tecidos, permitindo também a migração celular e a rápida difusão de moléculas hidrossolúveis. Esse gel hidratado pode-se formar na matriz extracelular principalmentepela presença de: a) colágeno b) elastina c) fibronectina d) laminina e) glicosaminoglicano Leia o artigo intitulado "A matriz extracelular e a parede celular", disponibilizado em: https://pt.khanacademy.org/science/ap-biology/cell- structure-and-function/membrane-permeability/a/the-extracellular-matrix- and-cell-wall O artigo aborda a matriz extracelular e a parede celular, bem como proteínas como colágeno, integrinas, fibronectina, celulose e pectina. Leitura Específica Aprenda + Assista aos vídeos: O vídeo intitulado "Matriz extracelular"; disponibilizado em: https://www.youtube.com/watch?v=YEU0rjzQE demonstra a composição da matriz extracelular. O vídeo intitulado "Citoesqueleto Microtúbulo"; disponibilizado em: https://www.youtube.com/watch?v=HxtmgLSwXtY, ilustra que os microtúbulos são estruturas proteicas que fazem parte do citoesqueleto nas células. O vídeo intitulado "Citologia Organelas citoplasmáticas 5 Citoesqueleto"; disponibilizado em: https://www.youtube.com/watch?v=g_xmFD5QCCM aborda os tipos de proteínas e estruturas as quais constituem o citoesqueleto. O vídeo intitulado "Miosina e actina"; disponibilizado em: https://www.youtube.com/watch?v=yN6YUMb0_kc destaca como as proteínas actina e miosina estão relacionadas com o movimento celular. O vídeo intitulado "O citoesqueleto | Estrutura celular"; disponibilizado em: https://www.youtube.com/watch?v=xzf7rKjD8Y explana sobre o citoesqueleto da célula, inclusive dos microfilamentos e microtúbulos (com breve menção aos filamentos intermediários).
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