Citoesqueleto: Componentes e Funções

Prévia do material em texto

5 – Citoesqueleto: Componentes e Funções Estruturais
	O citosol é o principal local de metabolismo celular e contém um grande número de diferentes enzimas. As proteínas constituem cerca de 20 a 30% do citosol em peso, e de um quarto à metade do conteúdo de proteína total da célula encontra-se no citosol. Estima-se que a concentração de proteínas no citosol varia de 200 a 400 mg/mL. Devido à alta concentração das proteínas citosólicas podem ser formados complexos protéicos, mesmo com pouca energia para sua estabilização. Acredita-se que o citosol é altamente organizado, com a maioria das proteínas solúveis ligadas a filamentos ou localizadas em regiões especificas. 
	O citosol de uma célula eucariótica contém três tipos de filamentos que podem ser distinguidos de acordo com seu diâmetro, tipo de subunidade e arranjo da subunidade. 
	O citoesqueleto é construído a partir de uma base composta por três tipos de filamentos protéicos: filamentos intermediários, microtúbulos e filamentos de actina. Cada tipo de filamento apresenta propriedades mecânicas distintas e é formado por subunidades protéicas diferentes. Uma família de proteínas fibrosas forma os filamentos intermediários; a tubulina é a subunidade dos microtúbulos, e a actina é a subunidade dos filamentos de actina. Em cada caso, milhares de subunidades se organizam, formando uma trama de proteínas que algumas vezes se estende por toda célula. 
	Os filamentos de actina, também denominados de microfilamentos, apresentam de 8 a 9 nm de diâmetro e uma estrutura de duas fitas torcidas. Os microtúbulos são estruturas como tubos, ocas, de 24 nm de diâmetro, cujas paredes são formadas por protofilamentos adjacentes. Os filamentos intermediários são estruturados como cordas de 10 nm de diâmetro (figura 5A).
O citoesqueleto é responsável pelos constantes movimentos no interior das células, fornecendo a maquinaria para movimentos intracelulares como o transporte de organelas, a segregação de cromossomos nas duas células filhas durante a mitose. 
A célula eucariótica, como uma fábrica geradora de produtos complexos, possui um interior altamente organizado no qual, máquinas específicas concentradas em áreas distintas estão conectadas por meio de sistemas de transporte. O citoesqueleto controla o posicionamento das organelas que desempenham essas funções especializadas e também providencia o transporte que deve ocorrer entre elas. 
Figura 5A: Comparação dos três tipos de filamentos que formam o citoesqueleto, mostrando o diagrama básico de um filamento de actina (AF), filamentos intermediários (IF) e microtúbulos (MT). A estrutura em forma de colar de pérolas do filamento de actina mostra o empacotamento das subunidades de actina. As subunidades dos filamentos intermediários organizam-se para formar cordas nas quais as subunidades individuais ficam difíceis de distinguir. As paredes dos microtúbulos são formadas por subunidades de protofilamentos de tubulina. 
5.1 Filamentos intermediários
	Os filamentos intermediários apresentam uma grande resistência à tensão, e sua função principal é permitir que as células resistam ao estresse mecânico ocasionado quando estas são distendidas. Esses filamentos são denominados intermediários, pois seu diâmetro (aproximadamente 10 nm) encontra-se entre o diâmetro dos delgados filamentos que contêm actina e aqueles dos espessos filamentos de miosina. Os filamentos intermediários são os mais resistentes e duráveis dos três tipos de filamentos. 
	Os filamentos intermediários são encontrados no citoplasma da maioria das células. Eles caracteristicamente formam uma rede através do citoplasma, envolvendo o núcleo e estendendo-se para fora, ruma à periferia da célula. Os filamentos intermediários são também encontrados no interior do núcleo; uma trama de filamentos intermediários, a lâmina nuclear, reveste e fortalece o envelope nuclear em todas as células eucarióticas.
	Os filamentos intermediários são semelhantes a cordas, com várias longas fitas enroladas entre si para fornecer resistência à tensão. Os filamentos intermediários estão particularmente presentes no citoplasma de células que são submetidas a estresses mecânicos. 
	Os filamentos intermediários que revestem e fortalecem a superfície interior da membrana nuclear interna estão organizados sob a forma de uma rede bidimensional (figura 5B). 
Figura 5B: Micrografia de fluorescência de uma célula corada para mostrar os filamentos intermediários. Uma rede de filamentos cruza a célula do núcleo até a membrana plasmática. 
5.2 Microtúbulos 
	Os microtúbulos desempenham um papel essencial na organização de todas as células eucarióticas. Eles são tubos protéicos longos e ocos relativamente rígidos que podem rapidamente sofrer dissociação em um determinado local e reassociação em outro. Quando os microtúbulos estendem-se rumo à periferia celular, esses criam um sistema de vias dentro da célula ao longo do qual vesículas, organelas e outros componentes celulares serão transportados. Essas vias, além de outros sistemas de microtúbulos citoplasmáticos, são a principal porção do citoesqueleto responsável pelo ancoramento de organelas delimitadas por membranas dentro da célula e pela condução do transporte intracelular (figura 5C).
	Quando uma célula entra em mitose, os microtúbulos citoplasmáticos se dissociam e, a seguir, se reassociam a forma de uma intricada estrutura denominada fuso mitótico. O fuso mitótico é quem fornece a maquinaria que irá segregar os cromossomos igualmente entre duas células filhas momentos antes da divisão celular.
	Os microtúbulos são formados a partir de subunidades, moléculas de tubulina, cada uma das quais composta por um dímero de proteínas globulares semelhantes denominadas α-tubulina e β-tubulina ligadas fortemente entre si pelas ligações 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 dos quais representado por uma cadeia linear de dímeros de tubulina com α-tubulina e β-tubulina alternados longitudinalmente. Cada protofilamento apresenta uma polaridade estrutural, com a α-tubulina exposta em uma extremidade e a β-tubulina exposta na extremidade oposta, e essa polaridade, a direcionalidade intrínseca da estrutura, é a mesma em todos os protofilamentos, dando uma polaridade estrutural ao microtúbulo como um todo. Uma extremidade do microtúbulo, potencialmente a extremidade β-tubulina, é denominada extremidade mais (+), e a outra, a extremidade α-tubulina, é denominada extremidade menos (-). 
Figura 5C: Micrografia de fluorescência de uma célula corada para mostrar os microtúbulos. Para essa situação é utilizado anticorpo específico para tubulina.
	Os microtúbulos crescem em direção à periferia, a partir de um centro organizador, pela adição de subunidades, durante vários minutos. A seguir, sem prévio aviso, o microtúbulo repentinamente sofre uma transição que provoca seu rápido encurtamento por meio da perda de subunidades em sua extremidade livre. O microtúbulo pode encurtar apenas parcialmente e então, não menos repentinamente, retornar o crescimento ou então pode desaparecer completamente, sendo substituído por um novo microtúbulo. 
	Esse comportamento, denominado instabilidade dinâmica, é controlado pela capacidade intrínseca que as moléculas de tubulina possuem de hidrolisar GTP. 
	 A relativa instabilidade dos microtúbulos permite que eles passem por uma remodelação rápida e contínua; esse fenômeno é essencial para o funcionamento dos microtúbulos, como pode ser demonstrado pelo efeito de drogas que impedem a polimerização ou a despolimerização da tubulina. Considere o fuso mitótico, o conjunto de microtúbulos que guia os cromossomos durante a mitose. Se uma célula em mitose é exposta à droga colchicina, que se liga fortemente à tubulina livre e evita queesta se polimerize para a formação de microtúbulos, o fuso mitótico rapidamente desaparece e a célula fica bloqueada no meio da mitose, incapaz de separar seus cromossomos em dois grupos. Isso mostra que o fuso mitótico é normalmente mantido por um balanço entre adição e a perda de subunidades de tubulina; quando a adição é bloqueada pela colchicina, a perda de tubulina continua até que o fuso desapareça.
	A droga taxol apresenta atuação em nível molecular oposta. Ela se liga fortemente aos microtúbulos e evita que eles percam subunidades. Visto que novas subunidades ainda podem ser adicionadas, os microtúbulos podem crescer, mas não podem sofrer encurtamento. No entanto, apesar das diferenças em nível molecular, o taxol terá o mesmo efeito geral que a colchicina sobre a célula: ele também bloqueia as células em divisão na mitose. Assim, podemos aprender a partir dessas informações que para o funcionamento do fuso, os microtúbulos devem ser capazes não somente de se associarem como também de se dissociarem. 
	A inativação ou destruição do fuso mitótico eventualmente mata a célula em divisão. Células cancerosas, que estão se dividindo sob um menor controle que outras células do organismo, podem ser preferencialmente mortas por drogas antimitóticas estabilizadoras ou desestabilizadoras de microtúbulos. Assim, drogas derivadas tanto da colchicina quanto do taxol são usadas para o tratamento clínico de câncer. 
	As células são capazes de modificar a instabilidade dinâmica de seus microtúbulos visando aos objetivos específicos. Conforme uma célula entra em mitose, por exemplo, os microtúbulos de tornam inicialmente mais dinâmicos, intercalando entre crescimento e encurtamento com muito mais freqüência do que normalmente os microtúbulos citoplasmáticos o fariam. Isto permite que eles se dissociem rapidamente e então reassociem para a formação do fuso mitótico. Por outro lado, após a diferenciação em um tipo celular especializado e a adoção de uma estrutura fixa definida, a instabilidade dinâmica dos microtúbulos de uma célula é freqüentemente suprimida por proteínas que se ligam às extremidades dos microtúbulos ou ao longo destes e os estabilizam contra a dissociação. Os microtúbulos assim estabilizados funcionam na manutenção da organização celular.
	Se uma célula viva é observada sob microscopia, seu citoplasma apresenta-se em constante movimento. As mitocôndrias, as vesículas e as organelas menores delimitadas por membrana se movem lentamente. Esses movimentos são gerados por proteínas motoras, que se ligam aos filamentos de actina e aos microtúbulos e utilizam energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise de ATP para viajar constantemente ao longo dos filamentos de actina e dos microtúbulos em uma única direção. Simultaneamente, essas proteínas motoras também se ligam a outros componentes celulares e, dessa forma, transportam sua carga através dos filamentos. 
	Os microtúbulos e as suas proteínas motoras associadas desempenham um importante papel no posicionamento de organelas delimitadas por membrana no interior de uma célula eucariótica. Nas células, os túbulos do reticulo endoplasmático alcançam praticamente os limites da célula, ao passo que o aparelho de golgi se localiza no interior da célula. Tanto o retículo endoplasmático quanto o aparelho de golgi dependem dos microtúbulos para seu posicionamento e alinhamento. As membranas do retículo endoplasmático se estendem a partir de seus pontos de conexão com o envelope nuclear, alinhadas com microtúbulos que se estendem a partir do centro da célula em direção à membrana plasmática. 
	Quando as células são tratadas com drogas como a colchicina, que provocam à dissociação dos microtúbulos, ambas as organelas anteriormente citadas sofrem alterações dramáticas em seu posicionamento. O retículo endoplasmático, que possui conexões com o envelope nuclear, colapsa para o centro da célula, ao passo que o aparelho de golgi, que não se encontra ligado a qualquer outra organela, se fragmenta dando origem a pequenas vesículas, as quais se dispersam pelo citoplasma. Quando a droga é removida, as organelas retornam às suas posições originais, impulsionadas por proteínas motoras que se movem sobre os microtúbulos reorganizados. 
5.3 Filamentos de Actina 
	Os filamentos de actina são encontrados em todas as células eucarióticas e são essenciais para muitos dos seus movimentos, principalmente aqueles que envolvem a superfície celular (figura 5D).
	Os filamentos de actina são visualizados sob microscopia eletrônica como fitas de aproximadamente 7 nm de diâmetro. Cada filamento é composto por uma cadeia espiralada de moléculas idênticas de actina globular. Assim, do mesmo modo que um microtúbulo, um filamento de actina apresenta uma polaridade estrutural, com uma extremidade de mais e uma extremidade menos.
Figura 5D: Representação geral do citoesqueleto e dos filamentos de actina
	Os filamentos de actina são mais delgados e flexíveis e, geralmente, menores que os microtúbulos. No entanto, existem muito mais filamentos individuais de atina do que microtúbulos em uma célula; desse modo, o comprimento total dos filamentos de actina de uma célula é pelo menos 30 vezes superior ao comprimento total de todos os microtúbulos. Os filamentos de actina raramente ocorrem isoladamente nas células: eles são geralmente encontrados em feixes interligados e redes, as quais apresentam uma resistência muito superior se comparadas a filamentos individuais.
	Os filamentos de actina podem crescer pela adição de monômeros de actina em ambas as extremidades; no entanto, a velocidade de crescimento é maior na extremidade de mais que na extremidade menos. A capacidade de associação e dissociação é necessária para muitas das atividades desempenhadas pelos filamentos de actina, por exemplo, para a sua atuação como locomoção celular. O desempenho dos filamentos de actina pode se perturbado experimentalmente por determinadas drogas produzidas por fungos. Os filamentos de actina também podem estar associados a proteínas motoras para a formação de feixes contrateis frequentemente formando vias pelas quais as proteínas motoras transportam organelas, uma função especifica em células vegetais. 
 	Apesar de a actina ser encontrada em todo o citoplasma de uma célula eucariótica, na maioria das células ela se encontra concentrada em uma camada que existe exatamente abaixo da membrana plasmática. Nessa região, denominada córtex celular, filamentos de actina estão conectados por intermédio de proteínas de ligação à actina, formando uma rede que sustenta a superfície da célula, conferindo resistência mecânica a esta. Essa rede de actina cortical organiza a morfologia e as propriedades mecânicas da membrana plasmática, de forma que rearranjos da actina dentro do córtex fornecem a base molecular para alterações morfológicas e de movimentos celulares. 
	Para ocorrer os movimentos celulares, a actina se associa à miosina para formação de estruturas contrateis. Todas as proteínas motoras dependentes de actina pertencem à família da miosina. Elas se ligam à ATP hidrolisando-a, o que fornece energia para seu movimento sobre os filamentos de actina, da extremidade menos do filamento em direção à extremidade de mais. A miosina interage com o filamento de actina e possui atividade motora de hidrólise de ATP que permite seu movimento sobre o filamento por meio de ciclos de ligação, liberação e religação. Filamentos de actina ficam fixos e a miosina desliza sobre a actina gerando o movimento. 
5.4 Principais funções do citoesqueleto para as plantas
	O citoesqueleto encontra-se em todas as células vegetais, formando uma rede complexa de elementos protéicos, localizada, principalmente no citosol e também no núcleo. Os três tipos de elementos que compõe o citoesqueleto são de grande importância para a sobrevivência e manutenção celular. 
	Os microtúbulos atuam no crescimento e diferenciação das células. No citoplasma, sob a membrana plasmática, controlam o alinhamento dasmicrofibrilas de celulose. Atuam também no direcionamento das vesículas secretoras originadas da rede trans-Golgi, as quais contêm polissacarídeos não-celulósicos para a formação da parede celular.
	Durante a mitose, na pré-prófase, os microtúbulos organizam-se circundando o núcleo na região equatorial da célula, formando a banda pré-prófase (figura 5E (B)), sendo responsável pelo estabelecimento do plano da divisão celular. Os microtúbulos participam da formação das fibras do fuso mitótico na metáfase e do fragmoplasto na telófase (figuras 5E, (C e D). Os microtúbulos são componentes dos flagelos dos gametas masculinos moveis de briófitas, pteridófitas e algumas gimnospermas.
Figura 5E: Esquema da formação da parede celular durante a divisão da célula. Estão representadas apenas algumas etapas da divisão celular. A – célula mãe. B – Formação da banda da pré-prófase. C – Formação do fragmoplasto e da placa celular na telófase. D – Placa celular já formada na citocinese. E – Células filhas com a parede primária recém formada e a lamela mediana. F – Célula filha com a parede expandida.
	Os filamentos de actina ou microfilamentos são responsáveis pelo movimento de organelas citoplasmáticas (figura 5 F – 1 e 2), e a força geradora vem da interação dos filamentos de actina com a miosina, proteína motora que tem atividade de hidrólise de ATP. Usando essa energia do ATP, a miosina move-se ao longo do microfilamento, à qual, aparentemente, as organelas estão ligadas, movendo-se em função do seu deslocamento.
	Os microfilamentos participam do crescimento e diferenciação das células e me geral se orientam paralelamente ao plano de alongamento dela. Em células do coleóptilo de cevada, por exemplo, é possível observar os microfilamentos dispostos na mesma direção do alongamento celular. Também se nota a presença de microfilamentos na parte terminal do tubo polínico de tabaco (Nicotina tabacum) em crescimento e no tricoma do caule de tomateiros (Solnum lycopersicum). Os microfilamentos parecem participar, juntamente com os microtúbulos, da formação do fragmoplasto durante a divisão celular, na telófase. 
 (1)
 (2)
Figura 5 F: (1) Disposição dos microfilamentos durante o movimento das organelas na corrente citoplasmática. Os microfilamentos localizam-se na região subcortical do citosol. As organelas são “arrastadas” por estarem ligadas à moléculas de miosina, proteínas que usam energia provenientes do ATP para “caminhar” sobre os filamentos de actina (microfilamento). (2) Células de tricomas de trapoeraba (Tradescantia zebrina), onde se observam os cordões citoplasmáticos (setas), que se formam durante a ciclose.
	Os filamentos intermediários, embora pouco estudados em vegetais, parecem ter como nas células animais, importante papel na manutenção da estrutura do núcleo e da célula. Estão envolvidos na reorganização do envoltório nuclear durante a divisão celular. Em células de tabaco, por exemplo, verificaram-se os filamentos intermediários conectando a superfície do núcleo à periferia da célula e envolvendo os pólos do fuso. Filamentos de queratina foram observados em células de cotilédones de ervilha. As lâminas, componentes da lamina nuclear (figura 5G) têm sido detectadas em várias plantas, como nas células epidérmicas de cebola. 
Figura 5G: Esquema do núcleo. O envoltório nuclear é constituído por duas membranas com poros. O envoltório externo é contínuo com o reticulo endoplasmático; junto à membrana interna localiza-se a lâmina nuclear. No interior do núcleo está o nucleoplasma que contém o nucléolo, com numerosos ribossomos.