O citoesqueleto

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O citoesqueleto 
SLIDE 1 
Para que as células funcionem adequadamente, elas devem se organizar no espaço 
e interagir mecanicamente com o ambiente ao seu redor. Elas devem apresentar uma 
conformação correta, ser fisicamente robustas e estar estruturadas de forma adequada 
internamente. 
Muitas células devem também ser capazes de modificar sua forma e migrar para 
outros locais. Além disso, toda célula deve ser capaz de reorganizar seus componentes 
internos como decorrência dos processos de crescimento, divisão e/ou adaptação a 
mudanças no ambiente. 
Tudo isso só é possível por conta do citoesqueleto. 
O citoesqueleto separa os cromossomos durante a mitose e a seguir divide a célula 
em duas; também guia e direciona o tráfego intracelular de organelas, transportando 
materiais de uma região à outra das células. O citoesqueleto dá suporte à frágil membrana 
plasmática e proporciona as ligações mecânicas que fazem com que esta célula resista a 
estresses e esforços sem que seja rasgada ou destruída quando ocorrem mudanças ou 
alterações no ambiente. O citoesqueleto permite que células como os espermatozoides 
possam nadar e que outras, como os fibroblastos e os leucócitos, possam deslizar sobre 
superfícies. Ele proporciona a maquinaria necessária à contração das células musculares 
e permite aos neurônios que estendam seus axônios e dendritos. 
A maioria das células animais possui três tipos de filamentos: 
Os microtúbulos determinam o posicionamento de organelas delimitadas por 
membrana e direcionam o transporte intracelular. 
Os filamentos de actina determinam a forma da superfície celular e são necessários 
à locomoção da célula como um todo. 
Os filamentos intermediários proporcionam resistência mecânica. 
Existem também as proteínas acessórias que são essenciais no controle da 
montagem dos filamentos do citoesqueleto em locais definidos e inclui as proteínas 
motoras, impressionantes máquinas moleculares que convertem a energia da hidrólise de 
ATP em força mecânica que pode tanto mover organelas sobre os filamentos quanto 
movimentar os filamentos. 
 
SLIDE 2 
Um importante e dramático exemplo da rápida reorganização do citoesqueleto 
ocorre durante a divisão celular, como ilustrado na Figura 16-2, que mostra o crescimento 
de um fibroblasto em uma placa de cultura. Após a replicação dos cromossomos, o arranjo 
de microtúbulos da interfase, que se estende através do citoplasma, é reconfigurado em 
um fuso mitótico bipolar, que desempenha o papel essencial de segregar para os núcleos 
das células-filhas, de forma exata, as duas cópias de cada cromossomo replicado. 
Ao mesmo tempo, estruturas especializadas de actina que permitem ao fibroblasto 
deslizar sobre a superfície da placa sofrem dissociação, e a célula para de se mover e 
assume um formato mais esférico. A actina e sua proteína motora associada, miosina, 
formam uma cinta em torno da região central da célula, o anel contrátil, que sofre 
constrição como se fosse um minúsculo músculo e separa a célula em duas. Quando a 
divisão está completa, os citoesqueletos dos dois fibroblastos-filhos se organizam em 
arranjo de interfase e convertem as duas células-filhas arredondadas em versões menores 
da célula-mãe, achatadas e com capacidade de deslizamento. 
 
SLIDE 3 
 
Filamentos de actina revestem a face interna da membrana plasmática de células 
animais, conferindo resistência e forma a fina bicapa lipídica. Eles também formam 
diversos tipos de projeções na superfície das células. Algumas dessas projeções são 
estruturas dinâmicas, como os lamelipódios e os filopódios, usados pelas células para 
explorar o território e para impulsionar a própria célula através dele. Os feixes regulares 
do estereocílio na superfície de células do ouvido interno contêm feixes de filamentos de 
actina que vibram como hastes rígidas em resposta ao som, e as microvilosidades da 
superfície de células epiteliais intestinais apresentam arranjos semelhantes que aumentam 
bastante a área de superfície apical para aumentar a absorção de nutrientes. 
Os microtúbulos, que se encontram frequentemente estruturados em um arranjo 
citoplasmático em forma de estrela, com origem no centro da célula interfásica, podem 
rapidamente reorganizar-se para a formação de um fuso mitótico bipolar durante a divisão 
celular. Eles podem também formar estruturas de locomoção denominadas cílios e 
flagelos na superfície das células. 
 
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Filamentos intermediários revestem a face interna do envelope nuclear, formando 
uma espécie de gaiola protetora para o DNA da célula; no citosol, estes filamentos são 
trançados sob a forma de fortes cabos que mantêm as camadas das células epiteliais 
unidas ou que auxiliam a extensão dos longos e fortes axônios das células neuronais. Eles 
também permitem a formação de determinados apêndices resistentes, como os pelos e as 
unhas. 
 
SLIDE 5 
Os filamentos intermediários estão particularmente presentes no citoplasma de 
células sujeitas a estresse mecânico. Os filamentos intermediários desempenham um 
papel importante conferindo resistência mecânica em animais que possuem tecidos moles 
ou maleáveis. 
Existem muitos tipos de filamentos intermediários. As diferentes famílias de 
filamentos intermediários são expressas em diferentes tipos celulares. A família de 
filamentos intermediários mais diversificados é a das queratinas: existem 
aproximadamente 20 queratinas encontradas em diferentes tipos de células epiteliais 
humanas, além de aproximadamente 10 outras que são específicas do cabelo e das unhas. 
Uma única célula epitelial pode produzir diferentes tipos de queratinas, e estas 
podem copolimerizar, formando uma rede única. 
 
SLIDE 6 
Mutações nos genes de queratina são a causa de diferentes doenças genéticas 
humanas. Por exemplo, a doença denominada epidermólise bolhosa simples ocorre 
quando queratinas defeituosas são expressas em células da camada basal da epiderme. 
Esta doença se caracteriza pela formação de bolhas na pele mesmo em resposta a estresses 
mecânicos muito leves, os quais conseguem romper as células basais. 
 
SLIDE 7 
O citoesqueleto também é responsável pela polarização geral das células, 
permitindo que elas apresentem diferenças entre suas regiões superiores e inferiores ou 
anteriores e posteriores. 
Um exemplo são as células epiteliais que revestem o intestino, que usam arranjos 
organizados de microtúbulos, filamentos de actina e filamentos intermediários para 
manter diferenças funcionais críticas entre a superfície apical que absorve os nutrientes, 
a partir do lúmen do intestino onde encontram-se os alimentos, e a superfície basolateral, 
onde as células transferem os nutrientes, através da membrana plasmática, para a corrente 
sanguínea. 
EXPLICANDO A IMAGEM 
Na parte apical temos feixes de filamentos de actina (em vermelho) formam 
microvilosidades que aumentam a área de superfície celular disponível para a absorção 
de nutrientes a partir dos alimentos. Exatamente abaixo das microvilosidades, uma banda 
circunférica de filamentos de actina contribui para a formação de junções célula-célula 
que evitam que o conteúdo do lúmen intestinal penetre o organismo. Filamentos 
intermediários (em azul) estão ancorados a outros tipos de estruturas adesivas, como 
desmossomos e hemidesmossomos, que conectam as células epiteliais em uma camada e 
as prendem à matriz extracelular subjacente, na extremidade basal da célula; estas 
importantes estruturas de adesão serão discutidas no Capítulo 19. Microtúbulos (em 
verde) projetam-se verticalmente do alto da célula até sua base e fornecem um sistema 
coordenado geral que permite à célula direcionar, para o local adequado, componentes 
recentemente sintetizados. 
 
SLIDE 8 
A célula é capaz de construir grandes estruturas pela associação de um grande 
número de PROTEINAS repetitivas. Essas subunidades, por serem pequenas, podemespalhar-se rapidamente pelo citoplasma. 
Assim, as células podem se reorganizar estruturalmenteᵝαγ, pela dissociação de 
filamentos em uma determinada região e reassociação em uma região bastante afastada. 
No interior de uma célula, centenas de proteínas acessórias diferentes associadas 
ao citoesqueleto regulam a distribuição espacial dos filamentos, convertendo informações 
recebidas através de vias de sinalização em ações do citoesqueleto. Essas proteínas 
acessórias ligam-se aos filamentos ou às suas subunidades para determinar o local de 
montagem de novos filamentos. Este processo é controlado por sinais intra e extra 
celulares. 
 
SLIDE 9 
Os microtúbulos são formados por subunidades proteicas de tubulina. A tubulina 
é um heterodímero formado de duas proteínas globulares bastante relacionadas 
denominadas α -tubulina e β-tubulina, fortemente associadas por ligações não-covalentes. 
Cada um dos monômeros α e β possui um sítio de ligação a uma molécula de GTP. 
Contrariamente, o nucleotídeo que se liga à β-tubulina pode estar ou sob a forma de GTP 
ou de GDP. 
Um microtúbulo é uma estrutura cilíndrica oca e firme, construída a partir de 13 
protofilamentos paralelos, cada um deles composto de moléculas alternadas de α -
tubulina e β -tubulina. 
Quando os heterodímeros de tubulina são organizados para formar a estrutura 
cilíndrica oca do microtúbulo, eles dão origem a dois novos tipos de contatos proteína-
proteína. 
Ao longo do eixo longitudinal do microtúbulo, o “topo” de uma molécula é 
constituído de β -tubulina, seguindo de uma α -tubulina. Pendicularmente a essas 
interações, são formados contatos laterais entre protofilamentos vizinhos. Nesta 
dimensão, os principais contatos laterais ocorrem entre monômeros de mesmo tipo. 
Adição ou a perda de subunidades ocorre quase que exclusivamente nas 
extremidades do microtúbulo. Esses contatos múltiplos entre subunidades fazem com que 
os microtúbulos sejam rígidos e difíceis de sofrer dobramento. A rigidez de um filamento 
pode ser caracterizada pelo seu comprimento de persistência, uma propriedade do 
filamento que descreve quão longo ele pode ser sem que flutuações térmicas aleatórias 
provoquem sua quebra. 
Cada um dos protofilamentos de um microtúbulo é montado a partir de 
subunidades que apontam para a mesma direção, sendo os protofilamentos, eles próprios, 
alinhados paralelamente (na Figura 16-11, por exemplo, a α -tubulina está posicionada 
para baixo e β-tubulina está posicionada para cima em todos os heterodímeros). Desse 
modo, o microtúbulo apresentará uma polaridade estrutural distinta, onde as β-tubulina 
estarão expostas em uma extremidade e as α -tubulina estarão expostas na extremidade 
oposta. 
 
SLIDE 10 
A subunidade de actina é uma cadeia polipeptídica globular única, sendo, portanto, 
um monômero e não um dímero. Assim como a tubulina, cada subunidade de actina 
apresenta um sítio de ligação a um nucleotídeo, mas no caso da actina esse nucleotídeo 
será um ATP (ou ADP). 
A composição do filamento de actina pode ser considerada como consistindo em 
dois protofilamentos paralelos enrolados um sobre o outro em uma hélice. Os filamentos 
de actina são relativamente flexíveis e fáceis de ser curvados, se comparados aos cilindros 
ocos do microtúbulo, e apresentam um comprimento de persistência de apenas umas 
poucas dezenas de micrômetros. 
 
SLIDE 11 
Em uma célula viva, proteínas acessórias interligam os filamentos formando 
feixes, tornando estas grandes estruturas muito mais fortes do que filamentos de actina 
individuais. 
Algumas dessas proteínas acessórias e as suas funções estão descritas na imagem. 
 
SLIDE 12 
Os filamentos de actina em células animais estão organizados em dois tipos de 
arranjos: feixes e redes ou teias. 
Estas diferentes estruturas são inicialmente formadas a partir da ação de proteínas 
de nucleação distintas: os longos e resistentes filamentos produzidos pelas forminas dão 
origem aos feixes, e o complexo ARP origina redes. 
As proteínas de interligação de filamentos de actina que auxiliam a estabilizar e 
manter essas duas estruturas distintas estão divididas em duas classes: as proteínas de 
feixes e as proteínas formadoras de redes. 
As proteínas de feixes interligam filamentos de actina em arranjos paralelos. 
Cada tipo de proteína de feixe determina também que outras moléculas podem 
interagir com um filamento de actina. 
O empacotamento extremamente compacto dos filamentos de actina provocado 
pela pequena proteína de feixe monomérica fimbrina aparentemente exclui a miosina e, 
consequentemente, os filamentos paralelos de actina unidos pela fimbrina não são 
contráteis; 
Ao contrário, o empacotamento frouxo mediado pela grande proteína de feixe 
dimérica α-actinina permite a entrada de moléculas de miosina, fazendo com que as fibras 
de estresse possam apresentar capacidade de contração. 
 
SLIDE 13 
As proteínas de interligação de actina que possuem conexões flexíveis ou 
conexões rígidas em ângulos entre seus dois domínios de ligação, formam redes ou géis 
de filamentos de actina ao invés de feixes. 
A filamina promove a formação de uma rede frouxa e extremamente viscosa pela 
união de dois filamentos de actina em ângulos retos praticamente exatos. Os géis de actina 
formados pela filamina são necessários para que a célula possa estender finas projeções 
planas de membrana chamadas de lamelipódios, os quais a auxiliam a se mover sobre 
superfícies sólidas. 
 
SLIDE 14 
O slide 14 fala sobre a capacidade dos microtúbulos crescerem ou encurtarem. 
Levando em consideração a presença de GTP no crescimento, e a hidrolise do mesmo em 
GDP causando o encurtamento. 
Um microtúbulo em crescimento possui subunidades com GTP em sua 
extremidade, formando uma proteção, ou capa, de GTP. Se a hidrólise de nucleotídeos 
ocorre mais rapidamente do que a adição de subunidades, essa proteção é perdida, e o 
microtúbulo começa a sofrer encurtamento, em um evento denominado “catástrofe”. 
No entanto, subunidades com GTP ainda podem ser adicionadas à extremidade 
que está sob encurtamento e, se inseridas subunidades suficientes para formar uma nova 
capa, o microtúbulo retoma o crescimento em um evento chamado de “resgate”. 
Modelo para as consequências estruturais da hidrólise de GTP no corpo do 
microtúbulo. A adição de subunidades de tubulina contendo GTP à extremidade de um 
protofilamento provoca o crescimento linear deste, que poderá facilmente empacotar sob 
a forma da parede cilíndrica do microtúbulo. 
A hidrólise de GTP, após a montagem, modifica a conformação das subunidades 
e tende a forçar o encurvamento do protofilamento, tornando-o menos eficiente na 
formação da parede do microtúbulo. A perda da capa de GTP, permite o relaxamento dos 
protofilamentos com GDP que adquirem a conformação mais recurvada. Isso leva a uma 
disrupção progressiva do microtúbulo. 
SLIDE 15 
 
Dois tipos de filamentos frequentemente são alvos do ataque de toxinas naturais. Estas 
toxinas, perturbam as reações de polimerização dos filamentos e são produzidas por 
plantas, fungos ou esponjas para sua própria defesa, pois tais organismos não desejam 
servir de alimento e não podem fugir de seus predadores. 
Qualquer alteração nos filamentos de actina é altamente tóxica para as células. Fármacos 
desse tipo provocam um rápido e intenso efeito sobre a organização do citoesqueleto de 
células vivas (Figura 16-23). 
Os fármacos listados na Tabela 16-2 têm sido úteis para os biólogos celulares na tentativa 
de estabelecimento das funções da actina e dos microtúbulos nos diversos processos 
celulares. Alguns deles também são empregados para o tratamento de câncer. 
Tanto fármacos despolimerizadores de microtúbulos (como a vimblastina) como 
fármacos polimerizadores de microtúbulos (como o taxol) provocam a morte de células 
que se encontram em divisão, pois a associaçãoe a dissociação são essenciais para um 
funcionamento adequado do fuso mitótico. 
Esses fármacos matam eficientemente certos tipos de células tumorais em pacientes 
humanos, apesar de apresentarem um certo grau de toxicidade para as células normais, 
como células da medula óssea, do intestino e de folículos pilosos. 
O taxol, especificamente, tem sido amplamente utilizado no tratamento de câncer de 
mama e de pulmão, com frequência atingindo sucesso no tratamento de tumores 
resistentes a outros agentes quimioterápicos. 
 
SLIDE 16 
Na estrutura básica de um microtúbulo existem duas subunidades proteicas responsáveis 
pela montagem do mesmo, porém existe outro tipo de proteína a γ-tubulina, que também 
faz parte do crescimento dos microtúbulos, essa γ-tubulina encontra-se no centrossomo e 
está envolvida na nucleação do crescimento do microtúbulo. Por isso os microtúbulos 
emergem do centrossomo, pois lá eles são nucleados pelas γ-tubulina. 
Os microtúbulos são nucleados no centrossomo a partir de suas extremidades menos e, 
consequentemente, suas extremidades mais estão posicionadas para fora, crescendo em 
direção à periferia celular. 
Os centríolos organizam a matriz centrossomal garantindo a sua duplicação durante cada 
ciclo celular ao mesmo tempo em que os próprios centríolos são duplicados o 
centrossomo duplica e separa-se em duas partes iguais durante a interfase, cada uma 
contendo um par de centríolos duplicados. 
O centríolo consiste em um pequeno cilindro de microtúbulos modificados, acrescido de 
uma grande quantidade de moléculas acessórias. 
O sistema de microtúbulos que irradia a partir do centrossomo atua como um aparelho 
que controla os limites celulares e posiciona o centrômero na região central da célula. 
 
SLIDE 17 
Os microtúbulos também possuem proteínas acessórias que apresentação diversas 
funções, estas estão citadas na imagem. 
 
SLIDE 18 
Proteínas que se ligam lateralmente aos microtúbulos são coletivamente chamadas de 
proteínas de associação a microtúbulos (MAPs). 
As MAPs podem estabilizar os microtúbulos, prevenindo sua dissociação. Um subgrupo 
de MAPs também pode mediar a interação de microtúbulos com outros componentes 
celulares. 
Células que superexpressam MAP2, a qual apresenta longos domínios projetados, 
formam feixes de microtúbulos estáveis com um amplo espaçamento, ao passo que 
células que superexpressam tau, uma MAP que apresenta domínios de projeção curtos, 
formam feixes de microtúbulos empacotados de forma muito mais compacta. 
A MAP em especial regula as alterações ocorridas nos microtúbulos no processo de 
divisão celular. 
 
SLIDE 19 
Algumas proteínas podem ter efeitos dramáticos sobre a instabilidade dinâmica dos 
microtúbulos. Estas proteínas podem influenciar a taxa na qual um microtúbulo muda de 
crescimento para um estado de encurtamento. 
Por exemplo, membros de uma família de proteínas relacionadas à cinesina, conhecidos 
como fatores de catástrofe se ligam especificamente às extremidades de microtúbulos e 
aparentemente separam os protofilamentos por redução na barreira de energia de ativação 
normal, a qual evitaria que um microtúbulo se dissociasse apresentando a conformação 
de protofilamentos curvados típica do estado de encurtamento. 
Com atuação oposta, existem as MAPs. Essa proteína possui capacidade especial de 
estabilizar as extremidades livres de microtúbulos e inibe seu encurtamento. 
 
SLIDE 20 
Por muito tempo acreditava-se que as bactérias não apresentavam citoesqueleto. 
Porém em 1990 foi descoberto um homologo da tubulina, FtsZ, que pode polimerizar 
dando origem a filamentos e organizar-se em um anel (denominado anel Z) na região em 
que é formado o septo, durante a divisão celular. 
Apesar de o anel Z persistir por vários minutos, os filamentos individuais que o 
compõem são extremamente dinâmicos, com uma meia-vida de cerca de 30 segundos. 
Conforme a bactéria sofre a divisão, o anel Z torna-se menor, até sua completa 
dissociação. Acredita-se que o encurtamento do anel Z possa contribuir para a 
invaginação da membrana, necessária ao processo de divisão celular. 
 
SLIDE 21 
Mais recentemente, descobriu-se que diversas bactérias também contêm 
homólogos de actina. Dois destes homólogos, MreB e Mbl, são encontrados 
predominantemente em células em bastão ou espirais. Filamentos de MreB e Mbl 
organizam-se in vivo, formando grandes espirais que se estendem por todo o 
comprimento da célula e que, aparentemente, contribuem para a determinação da forma 
celular, servindo como um molde que direciona a síntese de peptideoglicanos da parede 
célula. 
SLIDE 22 
Um homólogo de actina em bactérias particularmente intrigante é ParM, que é 
codificado por certos plasmídeos bacterianos que também contêm genes responsáveis por 
resistência a antibióticos e frequentemente levam à disseminação de resistência a 
múltiplos fármacos em epidemias. In vivo, ParM se organiza sob uma estrutura 
filamentosa que associa a cada extremidade uma cópia do plasmídeo que o codifica. O 
crescimento do filamento de ParM parece separar as cópias replicadas do plasmídeo, de 
forma semelhante ao reverso da operação de um fuso mitótico (Figura 16-27). 
Apesar de ParM ser um homólogo estrutural de actina, seus comportamentos 
dinâmicos diferem significativamente.