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LIA D’AFONSÊCA PEDREIRA DE MIRANDA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS CURSO: CIÊNCIAS BIOLÓGICAS CITOESQUELETO Formas e motilidade Permite que as células organizem seus componentes, adotem uma grande vaiedade de formas e realizem movimentos coordenados CITOESQUELETO Filamentos intermediários Microtúbulos (Tubulina) Microfilamentos de actina ELEMENTOS DO CITOESQUELETO 1. Filamentos ELEMENTOS DO CITOESQUELETO 2. Proteínas Associadas • Proteínas reguladoras • Proteínas de associação • Proteínas motoras Filamentos Intermediários Filamentos Intermediários Ocorrência: em quase todos os animais Função: • promover a resistência física de células e tecidos Características . mesma organização estrutural • estabilidade • não se ligam a nucleotídeos e sua montagem não envolve a hidrólise de ATP e GTP. Localização na célula: • distribuídos no citoplasma • núcleo ESTRUTURA Unidade estrutural - proteínas fibrosas de cadeia longa • Cabeça aminoterminal • Cauda carboxiterminal • Domínio central em α hélice ESTRUTURA Filamentos citoplasmáticos Filamentos nucleares malha bidimensional Tipos Principais filamentos intermediários em mamíferos Classificação de acordo com a distribuição em tecidos específicos 1. Queratinas (tonofilamentos) Ocorrência: citoplasma de células epiteliais Características: Heteropolímeros (30 tipos diferentes) Classe I – citoqueratinas ácidas Classe II – citoqueratinas neutras e básicas Proteína de ligação: filagrina Importância na oncologia Doenças provocadas por alterações nos genes de queratina Tipos 2. Vimetina (vimetus = ondulado) Ocorrência: citoplasma de células embrionárias células de origem mesodérmica (organismos desenvolvidos) • Fibroblastos, células endoteliais e sanguíneas Características: Homo e heteropolímeros Proteína de ligação: plactina Origem e conservação Tipos 3. Desmina Ocorrência: citoplasma de células musculares Características: Homo e heteropolímeros Proteína de ligação: sinamina Filamentos intermediários tipo 3 Manutenção da integridade do músculo Sem participação na contração muscular Sarcômero (Lodish et al 2004) Tipos 4. Neurofilamentos Ocorrência: citoplasma de células nervosas principais elementos estruturais dos dentritos e axônios Características: Homo e heteropolímeros Classes: NF-L (67KDa) NF-M (150 KDa) NF-H (200 KDa) α internexina 5. Filamentos gliais Ocorrência: citoplasma de astrócitos e algumas células de Schwann Lâmina nuclear (lâmina A + lâmina C) Lâmina B (ligação com a membrana) B Tipos 6. Laminofilamentos (lâmina nuclear) Ocorrência : núcleo de todos os tipos celulares Função: forma e resistência do envoltório nuclear Classes de monômeros: três tipos A, B e C Características: • domínios fibrosos mais longos que os dos filamentos citoplasmáticos • forma uma malha lisa bidimensional Dinâmica filamentos intermediários no núcleo Ação de proteíno-quinases na lâmina nuclear durante a mitose - fosforilação FRAGMENTAÇÃO DA LÂMINA Ação de fosfatases específicas – remoção dos fosfatos RECOMPOSIÇÃO DA LÂMINA NUCLEAR NÚCLEO EM INTERFASE TELÓFASE INICIAL PRÓFASE TELÓFASE FINAL Fosforilação das lâminas Desfosforilação das lâminas (Alberts et al 2004) Microtúbulo MICROTÚBULOS Elemento do citoesqueleto presente em quase todas as células eucarióticas Organização - Estruturas tubulares rígidas - Diâmetro 25 nm - Comprimento variável (de fração a centrenas de μm) Tubulina (Microscopia de fluorescência) Estrutura Blocos de construção – dímero de tubulina α e β Protofilamentos (13 + frequente) (Lodish et al 2004) A guanina ligada a tubulina modula a adição de subunidades ao microtúbulo A tubulina é uma GTPase (dímeros organizados e livres) (Lodish et al 2004) Dinâmica dos microtúbulos Polimerização - etapas 1. Dímeros livres de αβ- tubulina se associam para formar protofilamentos 2.Protofilamentos se associam em folhetos que formam o microtúbulo (Lodish et al 2004) 3.Alongamento (2x mais rápida na extremidade +). Polaridade (importância) Montagem do protofilamento Montagem da folheto Alongamento do microtúbulo Túbulos simples ou agrupados (Lodish et al 2004) Instabilidade dinâmica dos microtúbulos (Lodish et al 2004) Estável Instável Dinâmica dos microtúbulos Temperatura Resfriamento até 4oC DESPOLIMERIZA Aquecimento até 37oC POLIMERIZA Fatores que afetam a montagem e estabilidade Resfriamento até 4oC Aquecimento até 37oC Despolimerização de microtúbulos Polimerização de αβ tubulina Concentração crítica ( Cc ) Dinâmica dos microtúbulos O estado de equilíbrio é atangido quando a permuta entre as unidades na extremidade dos microtúbulos não provoca mudança na massa total de filamentos. A concentração crítica é a concentração do pool de monômeros livres quando o estado de equilíbrio é atingido Acima da Cc → ocorre polimerização Abaixo da Cc → ocorre despolimerização MTOCs (microtubule-organizing centere (Centro Organizador de Microtúbulos) Qualquer estrutura usada para nuclear microtúbulos Centrossomo apesar da aparência amorfa, contém várias proteínas ordenadas capazes de iniciar a montagem Centríolos podem ou não estar presentes Micrografia eletrônica de um centrossoma animal PC –matriz pericentriolar C e C’ – centríolos MT - microtúbulos (Lodish et al 2004) MTOCs (centro organizador de microtúbulos) Microtúbulo crescendo a partir anel de γ tubulina (sítio de nucleação) no centrossom Micrografia mostrando os microtúbulos crescendo a partir do centrossomo (Alberts et al 2004) Polaridade: extremidade ( - ) sempre próxima ao MTOC MTOCs (centro organizador de microtúbulos) extremidade extremidade extremidade A organização dos microtúbulos no citoplasma Polaridade: extremidade ( - ) sempre próxima ao MTOC Célula animal em interfase: extremidade menos próxima ao MTOC ou ao corpúsculo basal nos cílios e flagelos Célula animal em mitose: as extremidades menos do fuso mitótico estão próximas a um dos MTOC nos polos celulares (Lodish et al 2004) Drogas que interrompem a dinâmica dos microtúbulos Ferramentas importantes para testar a atividade dos microtúbulos Colchicina / Taxol Se ligam somente a αβ-tubulina As concentrações nas células são facilmente controladas CITOGENÉTICA (sincronização do ciclo celular) Tipos de microtúbulos INSTÁVEIS: Fuso mitótico Rede citosólica de microtúbulos ESTÁVEIS: Feixe central dos cílios e flagelos Microtúbulos dos axônios dosneurônios Microtúbulos da banda marginal da membrana de eritrócitos e plaquetas Proteínas associadas aos microtúbulos (MAPs) Estabilizadoras Domínios: Básicos → ligação (neutraliza a repulsão de cargas entre as subunidades dentro do microtúbulo, estabilizando, assim, o polímero) Ácidos → projeção (promove a ligação com as membranas, os filamentos intermediários e regula o afastamento entre os microtúbulos) Identificadas por técnicas de purificação e imunofluorescência microtubule-associated proteins O espaçamento dos microtúbulos depende do domínio de projeção de proteínas associadas ao microtúbulo Figura experimental – células de inseto transfectadas DNA que expressa as proteínas MAP2 e Tau Proteínas que modulam a dinâmica dos microtúbulos (Lodish et al 2004) Desestabilizadoras Catanina – corta microtúbulos no citosol, liberando microtúbulos para o MTOC OP18 ou statnina – aumenta a frequência da desmontagem rápida no ciclo mitótico. Pode agir ligando dímeros de tubulina, reduzindo o número de dímeros livres disponíveis. A fosforilação inativa a OP18 e inibe o seu efeito desestabilizador Proteínas associadas aos microtúbulos (MAPs) Microtúbulos estáveis nos neurônios Polaridade nos neurônios: Axônio - extremidade (-) voltada para a base do axônio Dendritos – extremidade (-) orientada em ambas as direções Proteínas estabilizadoras Dendritos – MAP2 Axônio – tau Os microtúbulos funcionam como trilhos a proteínas motoras CINESINA e DINEÍNA medeiam o tansporte intracelular Movimentos intracelulares trânsito intracelular de vesículas e organelas movimento de cílios e flagelos Transporte através do axônio Anterógrado – do corpo celular para o terminal sinaptico Retrógrado – retorno do material a ser degradado * Proteínas motoras CINESINAS – geralmentese deslocam em direção a extremidade (+) Pescoço Haste Sítio de ligação ao MT Domínios: - Cabeça se liga ao MT e ao ATP → atividade motora -Cauda – ligação com as cargas (vesículas) -Pescoço – flexível Diferenças entre as cinesinas relacionada ao domínio cauda Pescoço Cabeça Cabeça Cauda Cadeia leve Grupos funcionais de cinesinas 1. Citosólicas - transporte de vesículas sinapticas no axônio - transporte de organelas (mitocôndrias) - vesículas secretoras para a membrana plasmática - membrana do RE - grânulos de pigmentos 2. Mitóticas - montagem do fuso mitótico - segregação dos cromossomos Proteínas motoras Modelo de transporte de vesícula Força suficiente para puxar uma vesícula via citoplasma viscoso Energia obtida a partir da hidrólise do ATP Tamanho do passo 8 nm – sugere a ligação apenas com a βtubulina Processividade propriedade da cinesina de se mover sem se desligar do MT – aumenta a eficiência no transporte de cargas Microtúbulo estacionário Vesícula Receptor de cunesina Cinesina Proteínas motoras DINEÍNA movimento orientado para a extremidade ( - ) transporte retrógrado do axônio transporte de vesículas do Golgi para o centrossomo Complexas (multiméricas) - Duas ou três cadeias pesadas - Número indefinido de cadeias leves e intermediárias - Necessita do complexo protéico dinactina para intermediar a ligação entre as cadeias leves de actina e as vesículas ou cromossomos Complexo dinactina: Proteína Glued – ligação com o microtúbulos e vesículas Arp 1 – ligação com a espectrina Dinamatina – interage com a dineína 1. Citosólicas - movimento de vesículas e cromossomos 2. Axonêmicas - responsáveis pelo batimento dos cílios e flagelos Grupos funcionais de dineínas Cooperação da miosina com a dineína no cortex celular Ocorre quando as vesículas devem atravessa regiões pobres em microtúbulos ENDOCITOSE EXOCITOSE Proteínas motoras Neste caso, no mínimo, duas proteínas motoras (cinesina e dineína) devem conduzir a mesma vesícula usando os microtúbulos ou microfilamentos Microtúbulos imóveis CÍLIOS e FLAGELOS... expansões flexíveis de membrana Estrutura Axonema: “9 + 2” Interligações protéicas: pontes periódicas, bainha central (par central) nexina, raios, braços de dineína Centro de nucleação: Corpúsculos basais Movimento dos cílios e flagelos Os braços de dineína se preojetam na par subjacente O avanço dos braços de dineína de um par que se estendem de um par em direção a extremidade (-) do par vizinho gera a força para o deslizamento no axonema. Dentro do cílio ou flagelo, essa força linear é convertida em curvatura por regiões que resitem ao deslizamento MICROTÚBULOS ISOLADOS: DINEÍNA PRODUZ DESLIZAMENTO NO FLAGELO: DINEÍNA CAUSA CURVATURA UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS CURSO: CIÊNCIAS BIOLÓGICAS CITOESQUELETO Formas e motilidade II Profa. Lia d’Afonsêca Pedreira de Miranda Baseado em Alberts et al, 2004; Lodish et al, 2004 e Cooper, 2000 Os microfilamentos de actina A actina: antiga abundante e altamente conservada • proteína intracelular mais abundante da maioria das células eucarióticas 1 a 5 % do peso das proteínas celulares (células musculares 10%) Células do fígado: 2 x 104 moléculas receptoras de insulina 2 x 108 moléculas de actina • origem / evolução originaram-se de uma proteína (MreB) de bactéria ancestral e evoluiram a medida que as células se especializaram Estrutura Unidade estrutural: monômero globular – actina G Molécula formada por IV subdomínios Fenda da ATPase - sítio de ligação para o ATP e Mg2+ Estados: Actina G ATP Actina G ADP Estrutura da actina G monomérica 2 lobos separados por fenda Modelo obtido por cristalografia por raio X Estrutura Polímero filamentoso: actina f Unidades estruturais: actina G Final do filamento extremidade ( -– ) Extremidade oposta ( + ) POLARIDADE ESTRUTURAL Todas as subunidade de actina apontam numa mesma direção Extremidade pontiaguda Extremidade farpada • Devido a torção os filamento se mostram alternadamente mais finos (Ø 7 nm) e mais grossos (Ø 9nm) Polimerização Polimerização da actina G em actina F é acompanhada por hidrólise do ATP Extremidade + Extremidade - Instabilidade dinâmica necessária para o desempenho de muitas funções pelos filamentos de actina Cooper et al., The Cell, 2thed. Dinâmica da montagem da actina (in vitro) Etapas: Nucleação – actina G agrega-se em oligômeros curtos e instáveis, ocorre a formação do núcleo de iniciação Alongamento – adição de monômeros em ambas as extremidades Estado de equilíbrio – ocorre permuta de monômeros em ambas as extremidades sem mudança da massa total de filamentos Unidades laranja e roxo – Actina ATP Unidade branca – Actina ADP Os monômeros de actina G se organizam em longos polímeros de actina F Nucleação Alongamento Estado de equilíbrio Proteínas ligadoras de actina: regulação da polimerização Cofilina → aumenta a taxa de dissociação Profilina → estimula a troca de ADP por ATP Arp 2/3 → nucleação de filamentos estimula a ramificação do filamento Profilina Cofilina Cooper et al., The Cell, 2thed. Concentração crítica da extremidade mais (+) é menorque a da extremidade menos (-) Quando o estado de equilíbrio é alcançado a concentração do pool de subunidades livres é chamada CONCENTRAÇÃO CRÍTICA (Cc) (Cc) da actina G abaixo da (Cc+) - para o crescimento Proteína bloqueadora Proteína bloqueadora Regulação da polimerização Inibição: Timosina β4 liga-se a actina G mantendo a Cc de actina no citososol Promoção: Profilina - atua como fator de troca de nucleotídeos - auxilia na adição de monômeros a extremidade (+) - participa da sinalização entre células, ligando-se a lipídios de membrana Modelo dos papeis complementares de profilina e (verde) timosina β4 (roxo) na regulação da polimerização da actina G Toxinas alteram o equilíbrio entre os mônomeros de actina e os filamentos 1. Impedem a formação dos filamentos: (aumento da actina G) - Citocalasina D (alcalóide de fungo) bloqueia a extremidade (+) → desaparecimento do citoesqueleto - Latrunculina (secretada por esponjas) → liga-se a actina G, impede a polimerização 2. Estabilização dos filamento ( aumento da actina F) - Faloidina (fungo) → liga-se a actina F, impede a despolimerização EFEITOS NAS CÉLULAS Estrutura Organização dos microfilamentos de actina - Depende da associação com uma proteína 1. Feixes • microfilamento arranjados paralelamente • proteína de ligação curta Fimbrina Filamento de actina Presentes em filipódios Cooper et al., The Cell, 2thed. Feixe Fimbrina Funções dos filamentos de actina e suas proteínas associadas Associação dos filamentos de actina com a membrana plasmática Cortex celular Associação do cortex com a membrana plasmática (eritrócito) Cooper et al., The Cell, 2thed. Locomoção celular Etapas do movimento de uma célula Filipódios – fibroblasto. Arranjos bimensionais da actina Pseudópodes – grossas projeções trimensionais preenchidas por um gel de filamentos de actina Lamelipódios – células epiteliais fibroblastos e alguns neurônios. Arranjos bidimensionais da actina Movimentos de protusão que envolvem polimerização e despolimerização de actina polimerização da actina na extremidade + estende o lamelipódio movimento da actina não polimerizada Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 4thed Modelo do mecanismo de protusão de um lamelipódio Cofilina ausente na borda anterior Rede de filamentos se separa atrás da extremidade principal Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 4thed Movimentos celulares Movimento celulares orientados pela polimerização de actina •Transmissão de infecções Bactérias e vírus podem passar de uma célula para outra via filamento de actina em polimerização (fagocitose) • Coagulação sanguínea – rearranjo do citoesqueleto de plaquetas Lodish et al., Molecular Cell Biology, 5thed Fibroblasto infectado por Listeria Microvilosidades: filamento de actina estáveis Comprimento médio 1 μm, Ø 0,8 μm Estabilização Conexões com a membrana plasmática Associação com outros filamentos do córtex celular Proteínas de interligação Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 4thed Proteínas cortadoras Controlam o comprimento do filamento de actina, quebrando-o em filamentos menores, gerando novas extremidades para polimerização Gelsolina – clivagem e bloqueio extremidade (+) Cofilina – dissociação a partir da extremidade (-) Movimentos ameboides (modificação do estado sólido /gel) Citocinese Miosina: proteína motora Estrutura: 1. Várias cadeias leves 2. Uma ou duas cadeias pesadas - Domínio cabeça tem atividade ATPase - Domínio pescoço relacionado ao movimento - Domínio cauda define o papel da miosina A molécula de miosina Única proteína motora que se associa com a actina Miosinas I, II e V – presentes em todas as células eucarióticas Cabeça Pescoço Cauda Cadeias regulatórias Cadeias pesadas Cadeias leves Movimentos celulares gerados pela miosina Tráfego de vesículas (miosinas I, V e VI) Cooper et al., The Cell, 2thed. Movimentos celulares gerados pela miosina Corrente citoplasmática (miosina XI) algas Nitella e Chara Anel contrátil formado por por filamentos de actina e miosina II Os filamentos de actina e a citocinese de células animais Proteínas bloqueadoras Cap Z – liga-se a extremidade (+) impede a plimerização Tropomodulina – bloqueia a extremidade (-) Sarcômero Lodish et al., Molecular Cell Biology, 5thed Filamento grosso de miosina Filamento de actina Tropomodulina UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS CURSO: CIÊNCIAS BIOLÓGICAS Contração Muscular Profa. Lia d’Afonsêca Pedreira de Miranda A célula muscular esquelética Responsáveis por quase todos os movimentos voluntários Fibra muscular - Formada pela fusão de mioblastos - Núcleos deslocados para periferia da célula - Contem muitas fibrilas formadas por unidades denominadas sarcômeros Estrutura do sarcômero (2,5 μm) Filamentos finos – actina e proteínas associadas Filamentos grossos – miosina Disco Z – sítios de ligação para a extremidade (+) dos filamentos de actina Linha M – proteínas que ligam os filamentos de miosina II adjacentes Estrutura do sarcômero Organização das proteínas acessórias nebulina Extrem (+) Extrem (-) filamento de actina filamento de miosina tropomodulina tintina Modelo dos filamentos deslizantes da contração muscular A contração muscular ocorre quando todos os sarcômeros se encurtam simultâneamente Deslizamento do filamento Alteração no tamanho do sarcômero 3 μm O papel do cálcio na contração muscular Túbulos T e retículo sarcoplasmático Canais de cálcio na membrana do retículo sarcoplasmático LIGADO a cabeça da miosina está presa a um filamento de actina Ciclo de mudanças pelas quais uma molécula de miosina “caminha” ao longo do filamento de actina DESLIGADO adição de ATP na parte posterior da cabeça da miosina, mudança no sítio ligador de actina, permitindo o movimento ENGATILHADO a hidrólise do ATP gera mudanças na conformação, promovendo o deslocamento da cabeça GERADOR DE FORÇA a ligação fraca da cabeça de miosina com o filamento de actina provoca a liberação do Pi, gerando o movimento de potência LIGADO a cabeça da miosina é presa novamente ao filamento de actina CONTRAÇÃO DO MÚSCULO ESQUELÉTICO ESTIMULAÇÃO 1. Despolarização do sitema T 2. Despolarização do sarcolema 3. Liberação do Ca2+ do retículo sarcoplasmático 4. Difusão do Ca2+ para o filamento fino CONTRAÇÃO 5. Ligação do Ca2+ a troponina 6. Remoção do bloqueio exercido pela tropomiosina 7. Formação de pontes cruzadas entre as cabeças do filamento grosso e o filamento de actina 8. Hidrólise do ATP com indução de alterações conformacionais na cabeça, causando o movimento de rotação das pontes cruzadas RELAXAMENTO 9. Sequestro do Ca2+ do filamento fino, pelo retículo sarcoplasmático 10. Liberação do Ca2+ do complexo troponina- Ca2+ 11.A troponina permite que a tropomiosina retorne a sua posição de bloqueio 12. Quebra das pontes cruzadas miosina-actina 13. Reedição do complexo ATP-miosina nas cabeças do filamento grosso •As células musculares lisas geram força para contrair os vasos sanguíneos, musculatura do tubo digestivo,útero • Pode ser regulada por sinais externos Contração no músculo liso Regulação Variação da miosina II entre os estados ligado e desligado Nível de cálcio intracelular em resposta a várias moléculas sinalizadoras Contração no músculo liso
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