Citoesqueleto Vegetal: Filamentos e Proteínas

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE - ICS 
DEPARTAMENTO DE BIOFUNÇÃO – ICS A080 
 
Biologia Celular Vegetal 
CITOESQUELETO 
Renato Delmondez de Castro 
Salvador-BA, 2013 
CITOESQUELETO VEGETAL: 
filamentos intermédios, 
microfilamentos e microtúbulos 
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA - UFBA 
INSTITUTO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE - ICS 
DEPARTAMENTO DE BIOFUNÇÃO - BIOQUÍMICA 
 
Ponto nº 5 
COMPARTIMENTOS DE CÉLULAS VEGETAIS 
CITOESQUELETO 
CITOESQUELETO VEGETAL 
Nature Reviews on 
Molecular Cell Biology, 2001 
 Introdução 
 Definição 
 Filamentos intermediários 
 Microfilamentos e Microtúbulos 
 (actinas e tubulinas) 
 Proteínas Acessórias Citoesqueleto 
 Microtúbulos - Organização 
 Dinâmica do Citoesqueleto 
 Citoesqueleto e Divisão Celular 
 
Introdução 
 Células eucariotas animais x plantas 
 Evolução: conservação x especificidades
 
 Estrutura e mobilidade celular (citosol) 
 Rede ´dinâmica´: Proteínas filamentosas 
 Organização espacial 
 Ciclo celular, organelas e outros componentes… 
 Classificação (3 famílias de proteínas) 
 - Filamentos intermediários 
 - Microfilamentos (MAs) …actinas 
 - Microtúbulos (MTs) …tubulinas 
Introdução 
Célula Animal 
Prófase 
Prometáfase 
Metáfase 
Anáfase 
Telófase 
Citocinese 
Célula Vegetal 
Prófase 
Prometáfase 
Metáfase 
Anáfase 
Telófase 
Citocinese 
Introdução 
Prófase 
Prometáfase 
Metáfase 
Anáfase 
Telófase 
Citocinese 
G1 
G2 
S 
Definição: ‘ Rede filamentosa dinâmica ’ 
Visualização: 
 Célula: 1ª denominação - Robert Hooke (1663) 
 Observações de estrutura “cortiça”  espaços vazios ! 
 * parede celular 
‘ Técnicas modernas de visualização ’ 
Complexidade ? 
Funcionalidades 
Estrutura, mobilidade, informação, polaridade 
 *complexidade / funcionalidade 
 celular 
 
 milhares de proteínas e reações 
 ( biosíntese / degradação ) 
 
- Poucas proteínas são de cadeias simples 
- Há complexos com milhares de subunidades 
- Complexos também não funcionam isoladamente 
- Produtos de reações fluem dentre complexos 
Funcionalidades 
 Complexidade celular: 
“ Maquinário miniaturizado x Mobilidade Browniana ” 
 Robert Brown (1773-1858) 
 - 1ª denominação do “ núcleo ” 
 
 - Fluxo ou Corrente Citoplasmática 
 ‘ bombardeamento moléculas ’ 
 (proteínas x solutos) 
 
 
 CÉLULAS: 
 - Funcionalidade fisiológica* (25 ºC) 
Funcionalidade fisiológica 
 Adaptação do conteúdo interno 
 - Variações térmicas e produtos 
 - Facilitar reações… 
 ‘ progressivamente cada vez mais longas e complexas ’ 
 
1. COMPARTIMENTOS DE MEMBRANAS 
 
 (sequestro e concentração de componentes celulares) 
 
2. CITOESQUELETO 
 Adaptações… 
…Plantas ! 
Funcionalidades …mobilidade, informação 
 Rotas bioquímicas / fluxos de informação 
 (do exterior… para citoplasma… para núcleo)
 
Funcionalidades …mobilidade, informação 
… Rotas bioquímicas / fluxos de informação 
 (do exterior… para citoplasma… para núcleo) 
 
Rede de polímeros filamentosos 
Polímeros: peptídio x filamento ? 
Rede de polímeros filamentosos 
Polipeptídio 
Rede de polímeros filamentosos 
Polipeptídio - condensação 
Rede de polímeros filamentosos 
Filamentos 
Rede de polímeros filamentosos - FUNÇÕES 
 1- Estabilidade estrutural 
 - Citoplasma / organelas 
 - Suporte / ancoramento (docking) 
 …proteínas e macromoléculas …durante e após síntese
 
Rede de polímeros filamentosos - FUNÇÕES 
 2- Motilidade 
 - Interna e externa 
 - Componentes …corrente / fluxo citoplasmático 
 - Formato e movimento …em alguns tipos celulares 
Rede de polímeros filamentosos - FUNÇÕES 
 3 - Informação celular 
 - Geometria, …especificidade (célula / tecido) 
 - Convergência plasmática 
 …transreceptores de membranas 
Rede de polímeros filamentosos - FUNÇÕES 
 4- Polaridade 
 - Citoesqueleto, …sub-unidades assimétricas 
 …direcionamento, transporte, informação, estruturação
 
Filamentos Intermediários 
 Em células animais ossos do esqueleto vertebrado 
 
 1ª descoberta: constituíntes celulares removidos quando 
 células incubadas em soluções de ‘sais + detergente’ 
 10-15 nm diâmetro (+ grosso actinas; + fino microtubulos) 
 Proteínas quaternárias (força / resiliência) 
 
 Classes definidas por suas subunidades: 
laminas, queratinas, vimentinas, filamentos neurais 
Filamentos Intermediários 
 Características dos monômeros… 
 Domínios conservados: 
 - extremidades globulares 
 - domínio central longo 
 em espiral (α-hélice) 
 - 300 aminoácidos 
 
 Diferenças específicas 
 nos domínios NH2 (N) 
 amino terminal e carboxi- 
 terminal C00H (C) 
 (tamanho / sequência) 
 Proteínas filamentosas 
 com outros domínios 
 menores como ligantes 
Filamentos Intermediários 
 Formação dos filamentos… 
 Associação domínios 
 helicoidais: bobina / filamento 
 
 
 Células animais pelo menos 
 uma classe…, em geral 
 várias classes 
 
 Filamentos específicos: 
 (uma classe monômero) 
 
 Não possuem polaridade 
 intrínseca (≠ actinas e MTs) 
Filamentos Intermediários 
Classe de filamento mais conservado… 
 Laminas (lâmina nuclear) 
 
 Função: estabilizar o envelope nuclear 
 - manter forma 
 - ancoramento da cromatina 
 - reforçar estrutura complexos de poros nucleares 
 
 Lâmina contém muitos sítios fosforilação: 
 - substrato p/ ´cinases dependentes de ciclinas´ 
 - lâmina dissolve-se junto com o envelope nuclear 
 durante a mitose (prófase) por meio de 
 fosforilação reversível (metáfase/anáfase). 
Filamentos Intermediários 
Em plantas… 
 Funcionalidade inconclusiva ! 
 - Existem homólogos para laminas 
 
 - Mas evidências para demais classes 
 são apenas sugestivas 
 
 - Polimerização / depolimerização e 
 imunologicamente relacionadas a 
 células animais 
 
Filamentos Intermediários 
 Evidências apenas demonstram ‘ convergência funcional ’…
 
 Proteínas que se agregam helicoidalmente (cílios e flagelos) 
 Características imunológicas e bioquímicas semelhantes … 
 (também em miosinas, quinesinas, etc) 
Necessidade obter 
sequências dos genes 
para confirmação !!! 
Filamentos Intermediários 
 Em plantas … 
 Curiosamente co-localiza 
 com MTs 
 
 Muitas funções em animais 
 assumidas em plantas 
 pelas ‘paredes celulares’ 
 
 Função em plantas 
 puramente interna 
 - âncora núcleo 
Microfilamentos e Microtúbulos 
Actinas e tubulinas 
 Codificados por familías multi-gênicas 
 Microfilamentos de actina (MAs): 
 - polímeros simples de actina 
 
 Microtúbulos (MTs): 
 - polímeros heterodímeros de α- e -tubulinas 
 
 Existentes em todas células eucariótica, ou mesmo antes das 
 mesmas !!! 
 - Ex: gene FtsZ de E. coli …identificado como homólogo de tubulina 
Actinas e Tubulinas: Famílias Gênicas 
 Cópia única de genes 
 codificam eucariotos 
 inferiores 
 
 Eucariotos superiores: 
 - Tubulinas: 4 a 9 
 cópias em vertebrados 
 e plantas 
 - Actinas: 8 cópias 
 animais e dúzias de 
 cópias em plantas 
 
 80-90% 
 altamente conservadas 
Evolução Famílias Gênicas… 
 
Porque estas proteínas do citoesqueleto são 
codificadas por familias gênicas? 
 
 Todos os genes são expressos ! 
 - Não são pseudogenes 
 
 Padrão evolucionário de duplicação gênica- Duas cópias (isotipos)… 
 libera outra para outra função 
 - Aumenta por ciclos repetidos de 
 duplicação e seleção 
Modelos Propostos para Evolução 
Famílias Gênicas de Actinas e Tubulinas 
α-tubulina 
-tubulina 
Evolução Familias Gênicas… (cont.) 
Modelos de evolução propostos: co-evolutivos ! 
1- Divergência funcional entre isotipos: 
 - Citoesqueletos interagem em inúmeros processos  especifidade ! 
 
2- Flexibilidade regulatória: 
 - Requerida p/ diferentes tipos celulares em organismos superiores 
 - Alto nível de expressão e quantidades p/ funções requeridas 
 - Necessidade de controle preciso (característica de cada citoesqueleto) 
 
3- Acidente histórico: 
 - Duplicações acidentais e irreversíveis (mutações) 
 Ex: Arabidopsis (10 genes actina) / Petunia (> 100 genes actina) 
Especialização funcional de Tubulinas 
 Grande desafio…! 
 Função isotipo pode diferir: tipos celulares / configurações citoesqueleto 
 
 Além de modificações pós-traducionais (fosforilação, metilação, etc) 
 Isotipos genéticos  isotipos bioquímicos 
 
Ex: Macho estéril: D. melanogaster (Transgenia = tubulina 2 por 3) 
 Capacidade cambiável ???  ‘ flagelo do esperma não se forma ’ 
 
Especialização funcional de Tubulinas 
 Grande desafio … ainda maior em Plantas ??? 
 Mistura de isotipos em órgãos e tecidos 
 Expressão de único isotipo (α-tubulina) em gametófitos !!! 
 
Ex: Expressão GUS (glucoronidase) em pólem A. thaliana 
 ( transgene: promotor α-tubulina + GUS/bactéria ) 
 * não há ainda linhagem transgênica (isotipo) para comprovar função !!! 
 
Características de Actinas 
 Actinas se autopolimerizam em microfilamentos (MAs) 
- Polímeros helicoidais, finos (8 nm diâmetro) 
- G-actina_ATP (aberto) / F-actina_ADP (fechado) 
- 375 aminoácidos 
Características de Tubulinas 
 Tubulinas se polimerizam em microtubulos (MTs) 
- heterodímeros helicoidais de α- e -tubulinas (25 nm) 
- Dímeros-GTP (somente -tubulinas hidrolizam  GDP) 
- 375 aminoácidos 
Polimerização de Actinas e Tubulinas 
 Ligações covalentes 
 semelhante polímeros sintéticos …nylon 
 
 Polimeros biológicos  ligações covalentes subunidades moleculares 
 Ex: cadeias polipeptídios, fitas de ácidos nucléicos… 
 
 Polímeros de citoesqueleto  inúmeras ligações / macromoléculas 
 (…estruturas quaternárias) 
 MAs e MTs são: 
 - dinâmicos 
 - polimerizam / depolimerizam  em resposta a fatores que governam 
 as interações ‘ proteínas x proteínas ’ 
 * Polimerização espontânea: facilita análises laboratoriais 
 ( fácil manipulação / condições apropriadas ) 
Cinética Trifásica 
 3 Fases de Polimerização: 
: 
F1 – Nucleação  molde (trímero) …fase mais lenta 
F2 – Elongação  crescimento …subunidades adicionadas extremidade 
F3 – Estável*  balanço entre ‘taxa’ adição e perda  Taxa = k S 
*Concentração crítica CC: 
 S < CC - sem polimerização 
 S > CC - polimerização 
Polaridade intrínseca 
 MAs e MTs são polares  ‘subunidades assimétricas’ 
– Alinhamento  orientação uniforme 
– Extremidades com características ‘bioquímicas específicas’ 
 
 (-)  k Soff --------------  k Son
 (+) 
(+) (-) 
Polaridade intrínseca 
 MAs e MTs  proteínas solúveis 
 – Alta afinidade por Nucleosideo Trifosfato (NTP) 
 kon S-NTP >> koff S-NDP 
 
 – Uma vez polimerizado  NTP é hidrolizado p/ NDP  depolimerização 
Actina–ATP 
Tubulina–GTP 
Características intrínsecas: 
 Taxa polimerização 
Extremidades (+) (-) 
Extremidades NTP ou NDP 
Dímeros ligam-se: 
- ponta a ponta* 
- lateralmente 
 (protofilamento) 
- Helicoidal (deslocamento) 
Polimerização 
e 
Depolimerização 
 
Crescendo Encolhendo 
Polimerização Depolimerização 
 
Hídrolise GTP  GDP: 
 kon = koff 
( Mantém mesmo tamanho ) 
Instabilidade 
dinâmica de MTs 
Efeito Esteira 
( treadmilling ) 
Polimerização / Depolimerização 
Proteínas Acessórias de Citoesqueleto 
MAs e MTs  ‘estrutura mecano-química celular’ 
 PROTEÍNAS ACESSÓRIAS:  junção/ligação, motora/movimento, 
 modificação estrutural 
 
 – Enzimas mecano-químicas: energia  trabalho (ATP – fonte energia) 
 
 – Classificadas conforme função: 
 3 Superfamílias  …Miosinas* … Dineínas … Quinesinas 
 
 – Domínio globular  produção força + Cadeia longa  calda carga 
 * Diferenciam-se conforme: 
 (1) Tipo filamento que irão aderir; (2) Tipo de carga que irão transportar 
 (3) Rota bioquímica p/ conversão de energia  trabalho mecânico 
Proteínas Acessórias Miosinas 
 * Miosinas I e II não são encontradas em plantas 
Proteínas Acessórias Dineínas e Quinesinas 
Não são homólogas mas 
compartilham estruturas 
semelhantes 
 
- Extremidade globular adere 
 ao MT (sítio ligação ATP) 
Proteínas Acessórias …outras 
Influem nas funções do citoesqueleto: 
- Fluxo citoplasmático, secreção* 
- Ancoragem organelas (cloroplasto*, núcleo, etc.) 
- Transdução de sinais*, suporte, estabilidade, etc. 
Proteínas Acessórias …outras 
 Movimento cloroplastos… 
Proteínas Acessórias …outras 
 Secreção 
 
 
 Tubo polínico 
 (pólem) 
Microtubulos …Organização 
 Expansão Celular  orientação por MTs Corticais 
 Geralmente envolvendo citosol… podendo ter contato membrana (200 nm) 
 
 Parece estrutura única, mas são filamentos 10 m (microg. Eletrônicas) 
 
 Arranjos perpendiculares 
 à expansão 
 
 Paralelos, oblíquos a 
 depender do momento e 
 função ou tipo celular 
 
 
Microtúbulos …Organização 
 Polaridade  em arranjos mitóticos e citocinese 
 
 Fuso 
 Mitótico 
 
 
 
 Fragmoplasto 
 - polaridade ( ganchos ) 
Microtúbulos …Organização 
 Estruturas de organização  inexistentes em plantas! 
 
 - centríolos em animais - Nova classe: -tubulina 
 
Células guarda Extremidades MTs Extremidades MTs 
Microtúbulos e Transdução de Sinais 
 MTs Corticais  Orientação. 
 …processo de transdução de sinais ...3 passos: 
 
 1- Sinalização  sinal para orientação dos MTs 
 2- Percepção  sinal percebido e transferido aos MTs 
 3- Resposta  MTs orientam-se em resposta 
1- Sinal 
- Direção / polaridade 
- Elétrico, mecânico ou químico 
 MT cortical + inibidor de cinases 
MTs Corticais e Transdução de sinais 
2- Percepção / transdução 
 - Proteínas ou complexos protéicos ‘ transmembranares ’ 
 domínios extracelulares  domínio citosólico  MTs
 
3- Resposta / comportamento MTs …ajustados por 
 - Proteínas motoras  rotação / alinhamento correto / estabilidade
 - Componentes celulares  quinases, camodulina, etc 
MTs corticais 
 
- Alinhamento e deposição de 
 microfibrilas de celulose 
MTs Corticais e Transdução de sinais 
Orientação, 
sinalização ... 
Dinâmica do Citoesqueleto 
1- Microinjeção: ‘ actinas / tubulinas marcadas c/ fluoróforos ’ 
Técnicas de estudo da ‘ Dinâmica / instabilidade ’ 
 - Percepção inicial: sistema estático ! 
 - Primeiras evidências  1950s (microscopia luz polarizada) 
 - Evidências conclusivas  MAs e MTs em células vivas (microinjeção) 
 …fluorescent analog cytochemistry 
Dinâmica do Citoesqueleto 
 …Microinjeção Microscopia fluorescente e confocal 
 
 Em Plantas: 
 
- Microinjeção tubulina bovina 
 ( compatibilidade ) 
 
- Células vegetais 
 + resistentes aos danos da luz 
 
- Actinas de músculos 
 danos às células vegetais 
 ( incompatibilidade ) 
Dinâmica do Citoesqueleto 
 Em Plantas… Microscopia fluorescente e confocal 
 
2- GFP (green fluorescent protein) 
 - Proteínas de fluorescência verde 
 ( gene isolado ‘água viva’ ) 
 
 - Gene fundido a proteínas motoras 
 
3- Imuno-citoquímica (fixação) 
 - Anticorpos conjugados fluoróforos 
 
Citoesqueleto e Divisão Celular 
 Mecânica do processo de divisão em Plantas 
Mitose 
 - Estádio do ciclo celular cromossomos duplicados 
 estão separados em 2 novos núcleos (fuso mitótico) 
 
 
Citocinese 
 - Separação de 1 célula em 
 2 células novas (…fragmoplasto) 
 
 1- Como as estruturas do citoesqueleto são montadas ? 
 2- Como são exercidas as forças que movem os cromossos ? 
Citoesqueleto e Mitose 
Diferenças entre as estruturas / regiões polares em 
células animais e vegetais 
Fuso mitótico 
 - Centenas / milhares MTs 
 - Filamentos actina 
 - Proteínas associadas 
 - Organelas derivadas RE 
 
 - Polaridade (+) (-) 
 
Bipolaridade organizacional 
 migração cromossomos 
 MTs de ‘ cinetocoros ’ 
 
Instabilidade dinâmica: meia vida = 1 min 
Citoesqueleto e Mitose 
Células animais: polos / centrossomo 
Centrossomo / centríolos 
 
 - Estrutura rica em proteínas 
 - -tubulina (-) 
 - Sítio de nucleação MTs 
 - Direcionamento cromossomos 
 
 
 
 
 Drosofila melanogaster 
Citoesqueleto e Mitose 
Células animais: ciclo centrossomal 
Citoesqueleto e Mitose 
Células Vegetais: ciclo celular 
 
Citoesqueleto e Mitose 
Células Vegetais …fuso mitótico 
 
Citoesqueleto e Mitose 
Células Vegetais: cinetocoro / centromêros 
 Cinetocoro – Placa rica em proteínas, extremidade (+), centenas MT 
 Ligações dinâmicas com MTs 
Citoesqueleto e Mitose 
Movimento dos cromossomos no fuso. 
 
- Similar entre células 
 animais e vegetais 
 
- Várias hipóteses 
Proteína Motora no 
cinetocoro 
Depolimerização no 
cinetocoro 
Depolimerização 
nos polos 
Proteína Motora ou 
elementos contráteis 
na matrix do fuso 
Proteína Motora no 
cinetocoro 
Citoesqueleto e Mitose 
 Dinâmica dos MTs 
 - controlam o movimento dos braços de cromossomos 
 e outros componentes celulares… 
Citoesqueleto e Mitose 
 Dinâmica dos MTs… 
- Controlada por componentes: Calcio (depolimerizador MTs) 
 
 Taxa depolimerização MTs x Taxa movimento cromossomos 
10 M 1 M 
Citoesqueleto e Citocinese 
 Citocinese  nova parede celular 
 - Plano de divisão: banda pré-prófase / fragmossomo (fragmoplasto) 
 
1- Fragmossomo: MTs e MAs 
  células vacuoladas  migração núcleo p/ plano central  fase-S 
 
Citoesqueleto e Citocinese 
 2- Banda pré-prófase: MTs e MAs 
  Forma-se na prófase 
  Anel de MTs e MAs logo abaixo da membrana 
 ( local de união da futura parede celular ) MTs 
Largo + citosol Estreito 
MAs MTs 
Citoesqueleto e Citocinese 
 Actinas - MAs: 
 Durante a degradação do envelope nuclear 
 
  Banda pré-prófase de MAs é toda degradada durante metafase 
 
  MAs permanecem do cortex 
Citoesqueleto e Citocinese 
 Microtúbulos - MTs: 
 Durante a reconstituição do evelope nuclear : 
  metáfase  anáfase  telófase 
 
  Banda pré-prófase de MTs é degrada durante metáfase 
  Forma-se o fuso mitótico 
  Forma-se o fragmoplasto durante anáfase / telófase 
 Nova “ parede celular ”  citocinese 
Citoesqueleto e Citocinese 
Citoesqueleto e Citocinese 
 Citocinese: animal x vegetal 
 anel contrátil x fragmoplasto 
 actina + miosina x actina + miosina + MTs 
 contrai / estrangula x cresce centro  periferia 
Citoesqueleto e Citocinese 
 Citocinese:  fragmoplasmo 
 
  Guia expansão da nova parede para as extremidades 
  Contribui na sua formação (???) 
  Porto p/ vesículas (Golgi)  acúmulo de carboidratos 
 (ex: glucose, xylose) 
 
Carboidratos marcados 
com radioisótopos 
Células tabaco Células tabaco 
Citocinese e Parede celular 
 Sistemas para estudo das rotas bioquímicas e de biologia 
 celular da formação da parede celular: 
 
 - Células em suspensão 
 - (imuno-)fluorescência, etc 
 
 - Advento novas técnicas de 
 criofixação sob alta pressão 
 Fixação química 
 Crio-fixação 
Parede celular 
 Mecanismo de formação ? 
 ‘ criofixação sob alta pressão ’ 
 Rede Vesículo-tubular 
Parede celular 
 Rede Vesículo-tubular 
Ciclo Celular 
G1 S G2 prófase 
 metáfase  telófase 
G1
G2
S
Referências: 
 
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