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Bases moleculares do citoesqueleto e dos movimentos celulares O citoesqueleto A capacidade que as células eucarióticas tem de organizar interiormente seus componentes, de adotar uma variedade de formas e de realizar movimentos coordenados depende do citoesqueleto – uma rede intrincada de filamentos protéicos que se estende por todo o citoplasma. Este rede auxilia na sustentação do grande volume de citoplasma de uma célula eucariótica, função essa particularmente importante nas células animais por não possuírem parede celular. Célula de fibroblasto corada com azul de Coomassie, um corante geral para proteína • O citoesqueleto consiste de uma estrutura altamente dinâmica, reorganizando-se continuamente à medida que a célula altera a sua forma. • O citoesqueleto parece ser uma invenção eucariótica: está ausente nos procariotos e pode ter sido um fator crucial na evolução das grandes e estruturalmentecrucial na evolução das grandes e estruturalmente complexas células eucarióticas. • O citoesqueleto é construído a partir de uma estrutura formada por três tipos de filamentos protéicos: filamentos intermediários (10 nm de diâmetro), microtúbulos (25 nm) e filamentos de actina (7 nm). MicrotúbulosFilamentos de actina Filamentos intermediários FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS • Os filamentos intermediários tem uma grande resistência à tração e sua função principal é capacitar as células a suportar tensão mecânica gerada quando as células sofrem estiramento. • São chamados “intermediários” porque o seu diâmetro (10 nm) está entre o dos filamentos finos de actina e o dos filamentos grossos de miosina das células musculares lisas, onde foram identificados pela primeira vez. • Os filamentos intermediários são os mais resistentes e mais duráveis dentre os três tipos de filamentos protéicos do citoesqueleto.dentre os três tipos de filamentos protéicos do citoesqueleto. • Os filamentos intermediários são encontrados no citoplasma da maioria das células animais (organismos multicelulares). São também encontrados dentro do núcleo de todas as células formando a lâmina nuclear que reveste internamente o envoltório nuclear e o reforça. • Eles formam uma rede por todo o citoplasma, circundando o núcleo e se estendendo para a periferia da célula. • Eles estão, com freqüência, ancorados à membrana plasmática nas junções célula-célula onde a face externa da membrana está conectada com a célula vizinha. Rede de filamentos intermediários: (A) micrografia imunofluorescente de um grupo de células epidérmicas em cultivo coradas mostrando a rede citoplasmática de filamentos intermediários. Os filamentos de uma célula estão conectados indiretamente, com os das células vizinhas por meio dos desmossomos. (B) esboço baseado em micrografia eletrônica de um corte de epiderme, mostrando os feixes de filamentos intermediários atravessando o citoplasma e se inserindo nos desmossomos. • Os filamentos intermediários (próximo slide) – são proteínas fibrilares de cadeia longa, cada uma delas composta por uma cabeça N terminal globular, uma cauda C terminal também globular e um domínio central alongado em forma de bastão (A). • O domínio em bastão consiste de uma região α-hélice estendida que permite a formação de dímeros estáveis pelo enrolamento de pares de filamentos intermediários sobre si mesmos (B). • Dois desses dímeros enrolados se associam, por ligação não-covalente,• Dois desses dímeros enrolados se associam, por ligação não-covalente, formando um tetrâmero (C). • Os tetrâmeros se ligam uns aos outros pelas extremidades e também lateralmente, de forma não-covalente, gerando o filamento intermediário na sua conformação final em α-hélice semelhante a um cabo (D e E). • Em cima a esquerda do slide está uma micrografia eletrônica do filamento completo com 10 nm de diâmetro. • Os domínios centrais em bastão das diferentes proteínas que formam os filamentos intermediários são similares em tamanho e seqüência de aminoácidos, de modo que a sua reunião sempre forma filamentos com diâmetro e estrutura interna semelhantes. Em contraste, as regiões globulares da cabeça e da cauda, que estão expostas na superfície do filamento, estão envolvidas principalmente em interações com componentes do citoplasma. Essas regiões apresentam grande variação entre as diferentes proteínas, tanto em tamanho como emvariação entre as diferentes proteínas, tanto em tamanho como em seqüência de aminoácidos. • Os filamentos intermediários estão presentes em grande número ao longo do comprimento dos axônios das células nervosas, proporcionando um reforço interno essencial para esses prolongamentos celulares extremamente longos e finos. São também abundantes nas células musculares e nas epiteliais que são particularmente sujeitas ao estresse mecânico. Os filamentos intermediários reforçam as células animais (1) Filamentos de queratina nas células epiteliais; (2) Vimentina e filamentos relacionados a vimentina em células do tecido conjuntivo, células musculares e células de sustentação dos neurônios (células neurogliais); (3) Neurofilamentos nas células nervosas. (4) Laminas nucleares. Cada classe de filamentos é formada pela polimerização das suas • Os filamentos intermediários podem ser agrupados em quatro classes : os citoplasmáticos (1,2 e 3) e o nuclear (4). Cada classe de filamentos é formada pela polimerização das suas subunidades protéicas correspondentes. • Enquanto os filamentos intermediários citoplasmáticos tem aspecto de corda, os que revestem e reforçam a superfície interna da membrana nuclear interna estão organizados na forma de uma malha. Os filamentos intermediários, dentro dessa lâmina nuclear resistente, são formados por uma classe de proteínas chamadas laminas. Contrastando com os filamentos intermediários extremamente estáveis encontrados em muitas células, os da lâmina nuclear se desagregam a cada divisão celular, quando o envelope nuclear é fraturado durante a mitose e se reagrega nas células-filhas. Filamentos intermediários revestindo a membrana nuclear (A). Micrografia eletrônica de parte da lâmina nuclear do ovócito de rã (B). Laminas nucleares MICROTÚBULOS • Os microtúbulos têm uma função organizacional crucial em todas as células eucarióticas. São tubos longos, ocos e relativamente rígidos, formados por proteínas que podemrelativamente rígidos, formados por proteínas que podem desagregar-se rapidamente em um local específico da célula e se reagregar em outro. • Em uma célula animal típica os microtúbulos crescem a partir do centrossomo, uma pequena estrutura situada próxima do centro da célula. Estendendo-se para a periferia, eles criam um sistema de trilhos no interior da célula sobre os quais vesículas, organelas e outros componentes celulares podem locomover-se (A). • Quando a célula inicia a mitose, ocorre a desagregação dos microtúbulos citoplasmáticos e em seguida o seu rearranjo formando uma estrutura complexa chamada fuso mitótico, permitindo a célula segregar os cromossomos uniformemente para as células-filhas antes da divisão celular (B). (B) • Os microtúbulos podem também formar estruturas permanentes, exemplificadas pelos cílios e flagelos, estruturas filiformes de movimentos rítmicos (C). • Os microtúbulos são formados por subunidades – moléculas de tubulina – que são dímeros compostos por duas proteínas globulares muito semelhantes, chamadas α-tubulina e β-tubulina, firmemente unidas por ligações não-covalentes. • As subunidades reunidas formam a parede de um cilindro oco, o microtúbulo. O cilindro é formado por 13 protofilamentos paralelos, cada um deles possuindo uma cadeia linear de subunidades de α e β-tubulina dispostas alternadamente ao longo do comprimento.dispostas alternadamente ao longo do comprimento. • Os protofilamentospossuem uma polaridade estrutural, com α-tubulina exposta em uma extremidade e β-tubulina na outra. Esta polaridade é a mesma para todos os protofilamentos, conferindo assim, polaridade estrutural para todo o feixe de microtúbulos. A extremidade com β-tubulina é chamada de extremidade “mais” e a que possui α-tubulina é chamada de extremidade “menos”. • O crescimento de um microtúbulo é feito a partir de um anel inicial de 13 moléculas de tubulinas; os dímeros são adicionados individualmente, construindo gradualmente a estrutura do tubo oco. • In vitro, em uma solução concentrada de tubulina purificada, os dímeros são adicionados em ambas as extremidades, sendo incorporados mais rapidamente na extremidade “mais” do que na “menos”. (daí a origem da denominação).denominação). • A polaridade de um microtúbulo – o fato de sua estrutura ter uma direção definida, com as duas extremidades química e funcionalmente diferentes – é crucial, tanto para a montagem dos microtúbulos quanto para sua função. Se não tivessem polaridade, não poderiam, por exemplo, direcionar o transporte intracelular. Estrutura de um microtúbulo • Os microtúbulos são mantidos pelo equilíbrio entre sua montagem e desmontagem. Uma célula viva contém uma mistura de microtúbulos e subunidades de tubulinas livres. A instabilidade relativa dos microtúbulos dá a eles a possibilidade de sofrer um remodelamento rápido e contínuo. • Quando tratados com drogas como a colchicina, uma droga que se liga firmemente a tubulina livre e impede a sua polimerização, o fuso mitótico de células em divisão desaparece rapidamente e a célula para no meio da mitose. Uma outra droga, o taxol, impede a despolimerização dos microtúbulos se ligando firmemente a essa estrutura permitindo somente o crescimento do microtúbulo, ambas as drogas fazem com que as célulascrescimento do microtúbulo, ambas as drogas fazem com que as células em divisão parem em mitose. Essas drogas são portanto, utilizadas no tratamento do câncer. • Os microtúbulos formam-se a partir de centros organizadores especializados que controlam seu número, sua localização e sua orientação no citoplasma. Nas células animais, por exemplo, o centrossomo, localizado ao lado do núcleo quando a célula não está em mitose, organiza os microtúbulos que se irradiam, a partir dele, para todo o citoplasma. • Os centrossomos possuem centenas de estruturas em forma de anel formados por outro tipo de tubulina, denominada γ-tubulina e, cada anel funciona como ponto de partida ou sítio de nucleação para o crescimento dos microtúbulos. • Os dímeros de αβ-tubulina são adicionados ao anel de γ-tubulina em uma orientação tal que a extremidade “menos” de cada microtúbulo fica encaixada no centrossomo e o crescimento é feito somente na extremidade “mais’, isto é, naquela voltada para fora do centrossomo.“mais’, isto é, naquela voltada para fora do centrossomo. • Os centríolos, estruturas formadas por microtúbulos curtos (nove triplex de microtúbulos) e proteínas associadas de forma cilíndrica, fazem parte do centrossomo da maioria das células animais. Os centríolos não estão relacionados com a nucleação dos microtúbulos no centrossomo e sua função ainda é um mistério, essas estruturas não estão presentes em células vegetais. Os centríolos são muito semelhantes, se não a mesma estrutura, dos corpúsculos basais que formam os centros organizadores de microtúbulos de cílios e flagelos. Polimerização de tubulina no centrossomo • Os microtúbulos em crescimento apresentam instabilidade dinâmica. Logo que um microtúbulo tenha sido nucleado, sua extremidade “mais” cresce por muitos minutos a partir do centro organizador, por adição de subunidades. Inesperadamente, então, ele sofre uma transição súbita na qual sua extremidade livre perde subunidades e o microtúbulo retrai rapidamente. Ele pode retrair-se parcialmente e então subitamente voltar a crescer ou pode desaparecer completamente, sendo substituído por um novo microtúbulo originado do mesmo anel de γ-tubulina. • A instabilidade dinâmica dos microtúbulos origina-se da capacidade intrínseca que as moléculas de tubulina possuem de hidrolisar GTP. Cada dímero livre de tubulina possui uma moléculas de GTP firmemente ligada, que é hidrolisada a GDP (ainda firmemente ligada) logo que a subunidade é adicionada ao microtúbulo em crescimento. • As moléculas de tubulina associadas ao GTP unem-se eficientemente umas às outras na parede do microtúbulo, enquanto as que estão associadas a GDP apresentam uma conformação diferente, ligando-se menos firmemente umas às outras. A alternância entre os estados de tubulina associada a GTP na extremidade dos microtúbulos favorece a polimerização e o de tubulina associada a GDP favorece a despolimerização dos microtúbulos.associada a GDP favorece a despolimerização dos microtúbulos. • Como conseqüência da instabilidade dinâmica, o centrossomo (ou outro centro organizador) projeta e retrai, continuamente, novos microtúbulos em diferentes direções com a finalidade exploratória. • Um mcrotúbulo crescendo a partir de um centrossomo pode, contudo, ser protegido da desagregação se sua extremidade “mais” estiver de alguma forma estabilizada pela ligação à outra molécula ou estrutura celular, que impeça, assim, a despolimerização da tubulina como, por exemplo, a proteínas de quepe. Este sistema é utilizado para posicionar organelas uma em relação a outra mantendo a organização da célula. Instabilidade dinâmica dos microtúbulos A estabilidade seletiva dos microtúbulos pode polarizar a célula • A maioria das células animais diferenciadas é polarizada: células nervosas, por exemplo, projetam um axônio de uma extremidade da célula e os dendritos da outra; células especializada em secreção têm seu aparelho de Golgi posicionado na direção do sítio de secreção e assim por diante. • A polaridade celular é um reflexo dos sistemas de microtúbulos polarizados no seu interior, os quais auxiliam o posicionamento das organelas na localização adequada dentro da célula e conduzem as correntes de tráfego entre diferentes partes da célula. • É importante conceber, também, que, nas células vivas, os microtúbulos não atuam sozinhos. Suas funções, assim como as dos outros filamentos donão atuam sozinhos. Suas funções, assim como as dos outros filamentos do citoesqueleto, dependem de uma grande variedade de proteínas acessórias que se ligam aos microtúbulos e desempenham várias funções. Por exemplo, as proteínas motoras usam a energia da hidrólise da ATP para transportar organelas, vesículas e outros materiais celulares no citoplasma, ao longo de trilhos formados por filamentos de actina e microtúbulos. • Em uma célula eucariótica viva o citoplasma está em constante movimento: as mitocôndrias e as organelas menores envolvidas por membranas, assim como as vesículas, movem-se em pequenos espasmos – isto é, movem-se por um período curto, param e começam novamente (movimento saltatório). • Nas células eucarióticas, tanto os microtúbulos como os filamentos de actina estão envolvidos nos movimentos saltatórios e outros movimentos orientados. Em ambos os casos, eles são gerados por proteínas motoras que se ligam aos filamentos de actina ou aos microtúbulos e usam a energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise da ATP para se deslocar ao longo dos filamentos, de forma estável e em uma única direção. • As proteínas motoras que se deslocam ao longo dos microtúbulos citoplasmáticos pertencem a duas famílias: as cinesinas (ou quinesinas), que se deslocam em direção e extremidade “mais” do microtúbulo (para longe do centrossomo), enquanto as dineínas se movem em direção dalonge do centrossomo), enquanto as dineínas se movem em direção da extremidade “menos” (na direção do centrossomo). As cinesinas e as dineínas possuem, cada uma, duas cabeças globulares que seligam ao ATP e uma cauda que se liga ao componente celular, como uma vesícula ou uma organela e, desta forma, determina o tipo de carga que a proteína pode transportar. As cabeças globulares da cinesina e da dineína são enzimas com atividade hidrolítica sobre a ATP (ATPases). Esta reação fornece energia para um ciclo de alterações conformacionais na cabeça da proteína, permitindo o seu deslocamento ao longo dos microtúbulos por meio de um ciclo de ligação, liberação e religação. Transporte ao longo dos microtúbulos no axônio de uma célula nervosa Proteínas motoras dos microtúbulos As proteínas motoras que transportam carga ao longo dos microtúbulos: ambos os tipos de proteínas motoras existem sob muitas formas e presume-se que cada uma delas transporte uma carga diferente. A cauda da proteína determina que tipo de carga será transportada. cinesinas • Os microtúbulos e suas proteínas motoras associadas desempenham um papel importante no posicionamento de organelas envolvidas por membranas de uma célula eucariótica. Na maioria das células animais, por exemplo, os túbulos do retículo endoplasmático chegam quase até a periferia da célula enquanto o aparelho de Golgi está localizado próximo ao centrossomo. O alinhamento e o posicionamento de ambas as organelas dependem dos microtúbulos. As cinesinas ligadas ao lado externo do retículo puxam-no para a periferia, ao longo dos microtúbulos,externo do retículo puxam-no para a periferia, ao longo dos microtúbulos, tencionando-os como uma rede. As dineínas tracionam o aparelho de Golgi no sentido oposto, para dentro, na direção do centro da célula. Presume-se que o posicionamento normal dessas organelas seja por proteínas receptoras presentes em suas membranas e que se ligam as proteínas motoras – às cinesinas, no caso do retículo endoplasmático, e às dineínas, no caso do aparelho de Golgi. A disposição das organelas pelos microtúbulos RE AG Microtúbulos Microtúbulos • Os cílios e flagelos possuem microtúbulos estáveis movidos pela dineína. Os flagelos, que propelem os espermatozóides e muitos protozoários, são muito semelhantes aos cílios na sua estrutura interna, mas são, muito mais longos. Os microtúbulos dos cílios e flagelos são ligeiramente diferentes dos citoplasmáticos; eles são organizados em um padrão curioso e característico com nove microtúbulos duplos organizados formando um anel ao redor de um par de microtúbulos simples. Este arranjo “ 9 + 2” é característico da maioria dos cílios e flagelos eucarióticos, desde os protozoários até os humanos. Os centros organizadores de cílios e flagelos são os corpúsculos basais. FILAMENTOS DE ACTINA • Os filamentos de actina são formados por duas cadeias em espiral de monômeros globosos da proteína actina G, que se polimerizam lembrando dois colares de pérolas enrolados, formando uma estrutura quaternária fibrosa (actina F). • Os filamentos de actina encontram-se em todas as células eucarióticas e são essenciais para muitos dos seus movimentos, especialmente aqueles envolvendo a superfície celular. Sem osespecialmente aqueles envolvendo a superfície celular. Sem os filamentos de actina, uma célula animal não poderia, por exemplo, rastejar sobre uma superfície, engolfar por fagocitose uma partícula grande, ou se dividir. A semelhança dos microtúbulos, muitos filamentos de actina são instáveis, mas podem também formar estruturas estáveis, como, por exemplo, o aparelho contrátil dos músculos. • Os filamentos de actina estão associados com um grande número de proteínas ligadoras de actina que lhes permite desempenhar uma variedade de funções nas células. • Dependendo da sua associação com proteínas diferentes, elas podem formar estruturas: - Rígidas e relativamente permanentes, como as microvilosidades das células com borda em escova que revestem o intestino (A). - Pequenos feixes contráteis no citoplasma que podem contrair e funcionar como os “músculos” de uma célula (B). - Estruturas temporárias como as protrusões formadas na borda anterior de um fibroblasto rastejante (C). - O anel contrátil que divide em dois o citoplasma de uma célula animal em divisão (D). • Os filamentos de actina são finos e flexíveis. Cada filamento é composto por duas cadeias espiraladas de moléculas idênticas de actina globular, todas apontando para a mesma direção em relação ao eixodireção em relação ao eixo da cadeia. Do mesmo modo que os microtúbulos um filamento de actina apresenta uma polaridade estrutural, com uma extremidade mais e uma extremidade menos. • 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 mais do que na menos. Um filamento de actina nu, assim como um microtúbulo sem suas proteínas associadas, é inerentemente instável e pode sofrer dissociação em ambas as extremidades. Cada monômero livre de actina carrega um ATP, o qual é hidrolisado a ADP momentos após a incorporação dohidrolisado a ADP momentos após a incorporação do monômero de actina ao filamento. A hidrólise do ATP promove a despolimerização, auxiliando a célula a dissociar seus filamentos após a sua formação. A capacidade de associação e dissociação é necessária para muitas atividades desempenhadas pelos filamentos de actina, por exemplo, para sua atuação na locomoção celular. DIVERSAS PROTEÍNAS SE LIGAM À ACTINA E MODIFICAM SUAS PROPRIEDADES (timosina e profilina) (por exemplo, gelsolina conferindo ao gel de (mantêm unidos os feixes paralelos nas microvilosidades, por exemplo, filaminas). conferindo ao gel de actina no córtex um estado mais fluido) (estabilizando o comprimento dos filamentos de actina, por exemplo, a tropomodulina) (por exemplo, a tropomiosina que estabiliza a estrutura dos microfilamentos facilitando a interação com outras moléculas) (miosinas) • 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 trama que sustenta a superfície externa da célula, conferindo resistência mecânica a esta. Essa trama de actina cortical governa a morfologia e as propriedades mecânicas da membrana plasmática e da superfície celular. • Rearranjos da actina dentro do córtex fornecem a base molecular para alterações morfológicas e da locomoção celular. Diferentes células se movem rastejando sobre superfícies. Amebas rastejam continuamente em busca de alimentos. O processo de locomoção envolve a actina em diferentes formas. A formação e o crescimento de filamentos ramificados de actina na borda anterior de uma célula são auxiliados por diferentes proteínas acessórias de ligação à actina (proteínas relacionadas a actina, ou ARPs). FORÇAS GERADAS NO CÓRTEX RICO EM ACTINA IMPULSIONAM UMA CÉLULA Contração Contém integrinas miosina II OS FILAMENTOS DE ACTINA PERMITEM QUE UMA CÉLULA MIGRE • A actina se associa a miosina para formação de estruturas contráteis. Todas as proteínas motoras dependentes de actina pertencem a família da miosina. Elas se ligam à ATP hidrolisando-a, o que fornece energia para seu movimento ao longo dos filamentos de actina. Existem vários tipos de miosinas diferentes nas células, sendo as subfamílias da miosina-I e da miosina-II as mais abundantes. A miosina-I é encontrada em todos os tipos de células. • As moléculas de miosina-I possuem apenas um domínio de cabeça e uma• As moléculas de miosina-I possuem apenas um domínio de cabeça e uma cauda. O domínio da cabeça interage com os filamentos de actina e possui atividade motora de hidrólise de ATP que permiteseu movimento sobre o filamento por meio de ciclos de ligação, liberação e religação. A cauda varia entre os diferentes tipos de miosina-I, e determina quais componentes celulares serão transportados pela proteína motora. O grupamento da cabeça da miosina sempre se movimenta em direção à extremidade mais do filamento de actina ao qual ele está conectado. • A cauda da miosina-I pode ligar-se a um tipo determinado de vesícula membranar e impulsioná-la através da célula ao longo das vias de filamentos de actina, ou pode ligar-se à membrana plasmática e movê-la em relação aos filamentos de actina corticais, fazendo com que a membrana adquira diferentes formas. ESTRUTURA DOS FILAMENTOS DE ACTINA E A CONTRAÇÃO MUSCULAR • Associação entre as proteínas actina, tropomiosina e troponina para formar os filamentos finos do músculo esquelético. Observe que cada molécula de tropomiosina se prende intimamente a sete monômeros da actina. A troponina liga a actina à tropomiosina. • O músculo estriado esquelético é formado por células alongadas, com numerosos núcleos ovalados, dispostos na periferia, ao longo da célula. Cada célula multinucleada, ou fibra muscular, apresenta muitas fibrilas, ao longo das quais as unidades contráteis (sarcômeros) se repetem linearmente. A seqüência de sarcômeros é formada por grupos de filamentos de actina associados à miosina. • As regiões de acúmulo de actina formam faixas claras (banda-I), enquanto que nas faixas escuras há superposição parcial de filamentos de actina e da miosina (bandas-A). Em uma banda-A, a região central, ocupada apenas por miosina, forma a banda-H. No centro da banda-H observa-se uma faixa mais densa (linha-M), resultante da interconexão da miosina. A interconexão entre os filamentos de actina forma a linha-Z, que divide a banda-I ao meio e representa o limite de cada sarcômero. • O processo da contração muscular inicia-se quando o cálcio (Ca2+) liberado do retículo endoplasmático liso prende-se a troponina que modifica sua forma, deslocando a tropomiosina e expondo as áreas receptoras da actina (em riscado), que, então, se ligam às cabeças globulares da miosina. Em uma segunda etapa, ocorre hidrólise de ATP a ADP, com liberação da energia utilizada para dobrar a molécula de miosina. O processo de dobramento da molécula da miosina, que gera o deslizamento da actina sobre a miosina, se processa em duas regiões da molécula. Conseqüentemente, os filamentos finos (actina) deslizam sobre os grossos (miosina), promovendo o encurtamento dos sarcômeros e a contração muscular.
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