Funções e Estruturas do Citoesqueleto

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CITOESQUELETO
FUNÇÕES: conformação correta da célula, ser fisicamente robustas e estar estruturadas de
forma adequada internamente. Modificar a forma da célula e migração para outros locais.
Reorganização do componentes internos da célula como decorrência dos processos de
crescimento, divisão e/ou adaptação a mudanças no ambiente
3 PRINCIPAIS SISTEMAS DE FILAMENTOS DO CITOESQUELETO: Filamentos de actina,
microtúbulos e filamentos intermediários.
Os filamentos de actina determinam a forma da superfície da célula e são necessários para
a locomoção das células como um todo; eles também conduzem a divisão de uma célula em
duas. Os microtúbulos determinam o posicionamento das organelas delimitadas por
membrana, promovem o transporte intracelular e formam o fuso mitótico que segrega os
cromossomos durante a divisão celular. Os filamentos intermediários proporcionam
resistência mecânica.
Todos esses filamentos do citoesqueleto interagem com centenas de proteínas acessórias
que regulam e ligam os filamentos uns aos outros e a outros componentes da célula. As
proteínas acessórias são essenciais para a polimerização controlada dos filamentos do
citoesqueleto em locais específicos, e incluem as proteínas motoras, incríveis máquinas
moleculares que convertem a energia da hidrólise de ATP em força mecânica e que podem
mover organelas ao longo dos filamentos ou mover os próprios filamentos
FILAMENTOS DO CITOESQUELETO ADAPTAM-SE PARA FORMAR ESTRUTURAS
ESTÁVEIS OU DINÂMICAS
-Os sistemas do citoesqueleto são dinâmicos e adaptáveis
-A regulação do comportamento dinâmico e a polimerização dos filamentos do citoesqueleto
permitem que a célula eucariótica construa uma enorme variedade de estruturas a partir dos
três sistemas básicos de filamentos
- Os filamentos de actina revestem a face interna da membrana plasmática de células
animais, conferindo resistência e forma a essa fina bicapa lipídica. Eles também formam
diversos tipos de projeções na superfície das células.
-Os microtúbulos, que são frequentemente encontrados em arranjos citoplasmáticos que se
estendem para a periferia da célula, podem rapidamente reorganizar-se para formar um fuso
mitótico bipolar durante a divisão celular. Podem também formar cílios, que funcionam como
chicotes de impulsão ou dispositivos sensoriais na superfície das células, ou feixes
firmemente alinhados que servem como pistas para o transporte de materiais sobre longos
axônios neuronais.
-Os filamentos intermediários revestem a face interna do envelope nuclear, formando uma
espécie de gaiola protetora para o DNA da célula; no citosol, esses 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.
-EXEMPLO DE REORGANIZAÇÃO DO CITOESQUELETO: fuso mitótico e anel contrátil.
O CITOESQUELETO DETERMINA A ORGANIZAÇÃO E A POLARIDADE CELULAR
Nas células que adquiriram uma morfologia diferenciada e estável, os elementos dinâmicos
do citoesqueleto também devem prover estruturas grandes e estáveis para a organização
celular. Nas células epiteliais especializadas que revestem órgãos como o intestino e os
pulmões, as protrusões da superfície celular formadas pelo citoesqueleto, como as
microvilosidades e os cílios, são capazes de manter o posicionamento, o comprimento e o
diâmetro constantes ao longo de todo o tempo de vida da célula
Além de formar protrusões estáveis na superfície das células especializadas, 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.
ACTINA E PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO À ACTINA
Subunidades de actina se associam em um arranjo tipo cabeça-cauda para criar filamentos
polares flexíveis
● As subunidades de actina unem-se em um arranjo tipo cabeça-cauda para formar
uma hélice rígida, destrógira, chamada actina F ou actina filamentosa
● Visto que todas as subunidades assimétricas de actina de um filamento apontam na
mesma direção, os filamentos são polares e possuem extremidades estruturalmente
diferentes: uma extremidade menos (-) de crescimento lento e uma extremidade mais
(+) de crescimento mais rápido. A extremidade menos (-) também é referida como a
“extremidade da ponta”, e a extremidade mais (+), como a “extremidade da pena
● Dentro do filamento, as subunidades estão posicionadas com sua fenda de ligação a
nucleotídeos direcionada para a extremidade menos (-).
A NUCLEAÇÃO É A ETAPA LIMITANTE NA FORMAÇÃO DOS FILAMENTOS DE ACTINA
A regulação da formação dos filamentos de actina é um importante mecanismo pelo qual as
células controlam sua forma e movimento. Pequenos oligômeros de subunidades de actina
podem formar arranjos de forma espontânea, mas eles são instáveis e se dissociam
facilmente, pois cada monômero é ligado a apenas um ou dois outros monômeros. Para que
um novo filamento de actina seja formado, as subunidades devem associar-se em um
agregado inicial, ou núcleo, o qual será estabilizado por vários contatos entre as
subunidades e, só então, poderá sofrer um rápido crescimento pela adição de novas
subunidades
● A instabilidade dos pequenos agregados de actina cria uma barreira cinética para a
nucleação, o que resulta numa fase de retardo. Durante essa fase de retardo, alguns
dos pequenos agregados instáveis conseguem fazer a transição para uma forma
mais estável que se assemelha a um filamento de actina. Isso leva a uma fase de
alongamento rápido do filamento, durante a qual subunidades são rapidamente
adicionadas às extremidades dos filamentos nucleados
● conforme a concentração de monômeros de actina diminui, o sistema se aproxima de
um estado estacionário no qual a taxa de adição de novas subunidades na
extremidade do filamento alcança um equilíbrio exato com a taxa de dissociação de
subunidades. A concentração de subunidades livres que permanece em solução
nesse momento é chamada de concentração crítica
● A fase de retardo no crescimento do filamento é eliminada se filamentos-base pre
existentes (como fragmentos de filamentos de actina que foram quimicamente
interligados) são adicionados à solução no início da reação de polimerização
A HIDRÓLISE DE ATP NOS FILAMENTOS DE ACTINA INDUZ O COMPORTAMENTO DE
ROLAMENTO EM ESTADO ESTACIONÁRIO
● A actina pode catalisar a hidrólise do nucleosídeo trifosfato ATP.
● Logo após ocorrer a hidrólise de ATP, o grupo fosfato livre é liberado de cada
subunidade, mas o ADP permanece preso na estrutura do filamento. Assim, dois
tipos diferentes de es truturas de filamento podem existir, um sob a “forma T”
referente ao nucleotídeo ligado (ATP) e outro sob a “forma D” também referente ao
nucleotídeo ligado (ADP).
● A velocidade de hidrólise em comparação com a velocidade de adição de
subunidades define se a subunidade em cada extremidade de um filamento estará
sob a forma T ou D.
PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO À ACTINA INFLUENCIAM A DINÂMICA E A ORGANIZAÇÃO
DOS FILAMENTOS
Dentro de uma célula, no entanto, o comportamento da actina é também regulado por
numerosas proteínas acessórias que se ligam aos monômeros ou filamentos da actina.
● As proteínas de ligação à actina alteram drasticamente a dinâmica e a organização
dos filamentos da actina por meio de controle espacial e temporal da disponibilidade
do monômero, da nucleação do filamento, do alongamento e da despolimerização.
A DISPONIBILIDADE DE MONÔMEROS CONTROLA A POLIMERIZAÇÃO DOS
FILAMENTOS DE ACTINA
Por que tão pouco da actina polimeriza em filamentos? A razão é que as células contêm
proteínas que se ligam aos monômeros de actina e tornam a polimerização muito menos
favorável (uma ação semelhante à droga latrunculina). A mais abundante dessas proteínas é
uma pequena proteína chamada de timosina. Os monômeros de actina ligados à timosina
estão em um estado de bloqueio, não podendo associar-se nem à extremidademais (1) nem
à extremidade menos (2) dos filamentos de actina, e não são capazes de hidrolisar ou
modificar o nucleotídeo ao qual estão ligados. Como, então, as células recrutam monômeros
de actina a partir desse conjunto bloqueado para utilizá-los para a polimerização? A
resposta depende de uma outra proteína de ligação a monômeros chamada de profilina. A
profilina liga-se à face do monômero de actina que é oposta à fenda de ligação ao ATP,
bloqueando a lateral do monômero que normalmente se associaria à extremidade menos (2)
do filamento, ao mesmo tempo em que deixa exposto o sítio do monômero que se liga à
extremidade mais (1)
● A profilina compete com a timo sina pela ligação a monômeros de actina individuais
● mecanismos regulam a atividade da profilina, entre eles a fosforilação da profilina e
sua ligação a fosfolipídeos inositol. Esses mecanismos podem definir as regiões
onde a profilina atuará.
FATORES DE NUCLEAÇÃO DE ACTINA ACELERAM A POLIMERIZAÇÃO E GERAM
FILAMENTOS LINEARES OU RAMIFICADOS
PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO AO FILAMENTO DE ACTINA ALTERAM A DINÂMICA DO
FILAMENTO
● O comportamento do filamento de actina é regulado por duas classes principais de
proteínas de ligação: aquelas que se ligam lateralmente a um filamento e aquelas
que se ligam às extremidades (ver Painel 16-3). Entre as proteínas que se ligam à
lateral do filamento, está a tropomiosina, uma proteína alongada que se liga
simultaneamente a seis ou sete subunidades de actina adjacentes, ao longo de cada
um dos dois sulcos do filamento helicoidal da actina. Além de estabilizar e enrijecer o
filamento, a ligação da tropomiosina pode impedir que o filamento de actina interaja
com outras proteínas; essa característica da tropomiosina é importante no controle
da contração muscular,
● tropomodulina, mais conhecida por sua função no capeamento dos filamentos de
actina que exibem uma vida-média excepcionalmente longa, nos músculos, liga-se
firmemente às extremidades menos (2) dos filamentos de actina que foram
revestidas e, assim, estabilizadas pela tropomiosina. Ela também pode capear
transitoriamente os filamentos de actina pura e significativamente reduzir sua
velocidade de alongamento e despolimerização
MIOSINA E ACTINA
Uma característica fundamental do citoesqueleto de actina é que ele pode formar estru turas
contráteis que se interligam promovem o deslizamento dos filamentos de actina, uns em
relação aos outros, através da ação da proteína motora miosina
Proteínas motoras baseadas em actina são membros da superfamília da miosina
● A primeira proteína motora identificada foi a miosina de músculo esquelético, que é
responsável pela geração da força para a contração muscular.
● Cada cabeça de miosina se liga a ATP e é capaz de hidrolisá-lo, usando a energia
dessa hidrólise para se deslocar rumo à extremidade mais (1) do filamento de actina
A MIOSINA GERA FORÇA PELO ACOPLAMENTO DA HIDRÓLISE DE ATP A
ALTERAÇÕES CONFORMACIONAIS
As proteínas motoras usam alterações estruturais em seus sítios de ligação ao ATP para
produzir interações cíclicas com um filamento do citoesqueleto. Cada ciclo de ligação de
ATP, hidrólise e liberação as impulsiona para frente em uma única direção em um novo sítio
de ligação sobre o filamento.
A CONTRAÇÃO MUSCULAR É INICIADA POR UMA SÚBITA ELEVAÇÃO DA
CONCENTRAÇÃO CITOSÓLICA DE CA2+
Dentro da fibra muscular, o cálcio se liga à troponina, uma proteína que faz parte do
complexo de proteínas contráteis no músculo. Esse complexo inclui actina, miosina
e troponina, entre outras proteínas. Quando o cálcio se liga à troponina, ocorre uma
mudança conformacional que permite que a miosina (ou "cabeça" da miosina) se
ligue à actina, iniciando o processo de contração muscular.
OBS: A miosina V transporta cargas e organelas ao longo dos filamentos de actina,
neste exemplo, ela está transportando uma mitocôndria para o broto em
crescimento de uma célula de levedura. FIGURA 16-41
MICROTÚBULOS
Os microtúbulos são polímeros da proteína tubulina. A subunidade de tubulina é, em
si, um heterodímero formado por duas proteínas globulares intimamente
relacionadas chamadas a-tubulina e b-tubulina, cada uma composta por 445 a 450
aminoácidos, sendo as subunidades firmemente unidas por ligações não covalentes
OS MICROTÚBULOS SÃO TUBOS OCOS COMPOSTOS A PARTIR DE
PROTOFILAMENTOS
Um microtúbulo é uma estrutura cilíndrica oca construída a partir de 13 protofilamentos
paralelos, cada um composto de heterodímeros de ab-tubulina empilhados cabeça à cauda
e enoveladas em forma de um tubo
MICROTÚBULOS SOFREM INSTABILIDADE DINÂMICA
A dinâmica dos microtúbulos, como a dos filamentos de actina, é profundamente
influenciada pela ligação e hidrólise de nucleotídeos – neste caso, GTP
OS MICROTÚBULOS IRRADIAM A PARTIR DO CENTROSSOMO NAS CÉLULAS
ANIMAIS
Muitas células animais têm um único e bem definido MTOC, chamado centrossomo, que
está localizado próximo ao núcleo, e a partir do qual os microtúbulos são nucleados nas
suas extremidades menos (-), enquanto as extremidades mais (+) apontam para fora e
continuamente sofrem aumento e encurtamento, sondando o volume tridimensional
completo da célula
PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO AOS MICROTÚBULOS MODULAM A DINÂMICA E A
ORGANIZAÇÃO DOS FILAMENTOS
As proteínas que se ligam aos microtúbulos são coletivamente chamadas de proteínas de
associação a microtúbulos (MAPs; do inglês, microtubule-associated proteins). Algumas
MAPs podem estabilizar os microtúbulos evitando sua dissociação. Um subgrupo de MAPs
também pode mediar a interação de microtúbulos com outros componentes celulares.
PROTEÍNAS DE SEQUESTRO DA TUBULINA E PROTEÍNAS DE QUEBRA (OU FISSÃO)
DOS MICROTÚBULOS DESESTABILIZAM OS MICROTÚBULOS
Uma molécula da pequena proteína estatmina (também chamada Op18) liga-se a dois
heterodímeros de tubulina e impede sua adição às extremidades dos microtúbulos (Figura
16-54). Assim, a estatmina diminui a concentração efetiva das subunidades de tubulina que
estão disponíveis para a polimerização (uma ação análoga ao do fármaco colchicina) e
aumenta a probabilidade de que um microtúbulo altere seu estado de crescimento para
encurtamento. A fosforilação de estatmina inibe sua ligação à tubulina e, assim, sinais que
causam a fosforilação de estatmina podem aumentar a taxa de alongamento de
microtúbulos e suprimir a instabilidade dinâmica. A estatmina foi relacionada à regulação
tanto da proliferação celular quanto da morte celular
DOIS TIPOS DE PROTEÍNAS MOTORAS MOVEM-SE SOBRE OS MICROTÚBULOS
os microtúbulos também usam proteínas motoras para o transporte de carga e para
executarem uma série de outras funções no in terior da célula. Existem duas classes
principais de motores baseados em microtúbulos, as cinesinas e as dineínas
● cinesina faz parte de uma grande superfamília de proteínas na qual o elemento em
comum é o domínio motor
● As dineínas são uma família de proteínas motoras de microtúbulo direcionadas para
a extremidade menos (2) e não relacionadas às cinesinas.
● Ela é usada para o transporte de organelas e de mRNA, para o posicionamento do
núcleo e do centrossomo durante a migração celular, e para a construção do fuso de
microtú bulos na mitose e na meiose. A dineína citoplasmática 2 só é encontrada em
organismos eucarióticos que possuem cílios e é utilizada para transportar material da
extremidade para a base dos cílios, em um processo denominado transporte
intraflagelar. são altamente especializadas para o rápido e eficiente movimento de
deslizamento dos microtúbulos que direciona o batimento de cílios e flagelos
(discutido mais adiante)
FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS
Estão particularmente presentes no citoplasma de células sujeitas a estresse mecânico, que
conferem resistência mecânica em animais que possuem tecidos moles ou maleáveis.
POLARIZAÇÃO E MIGRAÇÃO CELULAR
O processo de migração celular, resulta da aplicação coordenada dos componentes e
processos que foram explorados neste capítulo: a associação e dissociação dinâmica dos
polímeros do citoesqueleto, a regulação e a modificaçãode suas estruturas por proteínas
associadas aos polímeros e a ação das proteínas motoras que se deslocam sobre os
polímeros ou que exercem tensão contra eles. Como a célula coordena todas essas
atividades para definir a sua polaridade e capacitá-la ao deslocamento por rastejamento?
● A contração da miosina e a adesão celular permitem que as células se impulsionem
para frente, As forças geradas pela polimerização dos filamentos de actina na face
anterior de uma célula em migração são transmitidas ao substrato subjacente para
induzir o movimento celular.
●