1 - Citoesqueleto

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07/06/2011
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BIOLOGIA CELULAR
Citoesqueleto
Angel Roberto Barchuk –Instituto de Ciências Biomédicas
Ramal 1300 - Email: barchuk@unifal-mg.edu.br
 Forma celular
 Posição de organelas
 Organização geral do citoplasma
 Movimento celular
Citoesqueleto 
Componente intracelular dinâmico responsável por
Citoesqueleto 
Componente intracelular dinâmico constituído por
 Três tipos fundamentais de filamentos 
protéicos
Filamentos de actina
Filamentos intermédios
Microtúbulos
 Proteínas acessórias
Filamentos de actina
7nm 
diâmetro
Moléculas de actina G (globular) polimerizam 
para formar filamentos de actina
Actina G
Actina F
7nm 
diâmetro
Extremidade 
(-)
Extremidade 
(+)
Nucleação
Monômero de actina (G) e sua 
polimerização em filamentos
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Modelo espacial da 
organização da actina F
Os 14 monômeros de actina G estão representados em cores diferentes
Polimerização reversível de 
filamentos de actina
O equilíbrio entre 
associação e dissociação 
de subunidades de actina 
no filamento é alcançado 
quando Kd= Cc x Ka
Os monômeros de actina-ATP se associam mais rapidamente à 
extremidade mais dos filamentos que os de actina-ADP à 
extremidade menos. O processo de dissociação segue um padrão 
inverso, o qual permite a ocorrência do fenômeno de treadmilling
Extremidade 
(-)
Extremidade 
(+)
Ao redor de 20 proteínas acessórias regulam 
a organização dos filamentos de actina
Estabilização de filamentos
Quebra de filamentos
União de filamentos ou cross-links
Proteínas de polimerização e despolimerização
Proteínas de intercâmbio de nucleotídeos
A actina e sua 
relação com outros 
componentes e 
processos celulares
O início da polimerização de moléculas 
de actina G num filamento (nucleação) 
é promovido por um dímero da proteína 
formina
Nucleação
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Os Complexos Arp2/3 possibilitam a 
nucleação ramificante
Extremidade 
(-)
Extremidade 
(+)
Resumindo as três vias de nucleação para 
a polimerização de actina globular
Goode and Eck (2007) Annu. Rev. Biochem.
A proteína cofilina (da família das actin depolymerizing 
factors) pode atuar na despolimerização de filamentos 
de actina e também ...
Extremidade 
(-)
Extremidade 
(+)
... na quebra de filamentos de actina
Extremidade 
(-)
Extremidade 
(+)
A 
organização 
dos 
filamentos 
de actina
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A polimerização de actina 
pode formar feixes e redes, 
o que dá origem a 
estruturas tridimensionais 
complexas
Filamentos de actina
Proteína de 
união
Isolada primeiramente 
a partir das 
microvilosidades das 
células absortivas do 
intestino, a fimbrina, 
uma proteína com 3 
domínios 
fundamentais, é um 
exemplo de proteína 
de união a actina q 
forma feixes de 
espaçamento curto
A proteína alfa-actinina, 
por outro lado, é uma 
proteína de união a actina 
que possibilita a formação 
de feixes de espaçamento 
longo, no caso, permitindo 
a contração celular
Dímeros de 
filamina
possibilitam a 
formação de redes 
de actina, as que 
normalmente se 
encontram sob a 
membrana 
plasmática, dando 
suporte celular
Domínio de 
dimerização
Domínio de 
união a actina
Domínio 
espaçador tipo 
folha-beta 
pregueada
Mediante os chamados 
contatos focais, 
regiões da membrana 
plasmática ancoram-se 
na matriz extracelular 
com a participação de 
feixes de actina (fibras 
de estresse) no lado 
citosólico e das 
proteínas de 
membrana integrinas
Feixes de 
filamentos de 
actina
A união das fibras de estresse à membrana 
plasmática nos contatos focais
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Nas junções de adesão, as células interagem mediante a participação de 
proteínas transmembrana denominadas caderinas, que se ligam 
intracelularmente a filamentos de actina através de proteínas acessórias como 
cateninas e vinculinas
As microvilosidades de 
células absortivas como 
as intestinais possuem 
esqueleto de filamentos 
de actina entrelaçados por 
proteínas acessórias 
como a vilina e a fimbrina.
A ancoragem dos 
filamentos de actina à 
membrana plasmática 
está mediada por miosina 
I e calmodulina.
Membrana plasmática
Filamentos de actina
Complexo miosina I e 
calmodulina
Vilina e fimbrina
Rede terminal
Organização 
de uma 
micro-
vilosidade
Nas células epiteliais do 
intestino delgado de 
mamíferos, as 
microvilosidades se 
manifestam citologicamente 
na forma de uma borda 
estriada
Pseudopódios, lamelipódios e 
filopódios são estruturas 
celulares dinâmicas formadas 
com esqueleto de filamentos de 
actina
Actina, miosina e 
movimento celular
A proteína miosina é um motor 
molecular, capaz de converter 
energia química, na forma de 
ATP, em energia mecânica, 
gerando força e movimento
A contração 
das células 
musculares
está determinada pela 
interação entre os 
componentes de um 
complexo protéico, entre 
os que se encontram a 
actina e a miosina
Sarcômero
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Estrutura das células musculares As proteínas acessórias titina e nebulina
 A titina é uma molécula gigante de ~3.000kDa que estabiliza 
a movimentação dos complexos de miosina durante os ciclos 
de contração-relaxação
 A nebulina regula a polimerização dos filamentos de actina
CapZ-α-actinina
A base da contração muscular se encontra 
nos movimentos do complexo sarcomérico
Fechando a cortina
A miosina II forma um complexo protéico 
constituído por cadeias leves e pesadas
Cadeia leve 
essencial
Cadeia leve 
reguladora
Cadeia 
pesada
Cabeça 
globular
Hélice de duas caudas 
de alfa hélices
A organização dos filamentos 
grossos de miosina
Modelo de ação 
da miosina II na 
contração 
muscular
Proposto com base em resultados 
de experimentos in vitro e da 
determinação da estrutura 
tridimensional da miosina feitos por 
Spudich e Sheetz e Rayment et al.
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Sítios de união a 
miosina 
expostos
O Ca++ liberado do retículo sarcoplásmico se liga à troponina C induzindo 
mudanças conformacionais no complexo troponina-tropomiosina que finalizam 
na interação da cabeça de miosina com as moléculas de actina As células não musculares 
se contraem usando também
a interação actina-miosina
A citocinese é 
um processo que 
também depende 
da interação de 
moléculas de 
actina e miosina 
durante a ação 
do anel contrátil
Miosinas não 
musculares
Além da miosina II, que está organizada em tetrâmeros com 
duas cabeças, existem ~13 tipos de miosinas.
 As miosinas não musculares, como a miosina I, não 
possuem caudas longas e participam da ligação de filamentos 
de actina com a membrana plasmática (como nas 
microvilosidades) ou
 Participam no movimento de vesículas no interior celular
A miosina I transporta vesículas intracelulares 
interagindo com os filamentos de actina
A miosina V
também participa 
no transporte 
intracelular, por 
exemplo, de 
filamentos 
intermédios
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Formação de 
protrusões e 
movimento celular
Migração de células embrionárias
Invasão de tecidos por linfócitos
Migração celular na cicatrização
Metástase
Fagocitose
Extensão de projeções citoplásmicas no desenvolvimento 
do sistema nervoso
O processo de 
migração 
celular
 Protrusão
 Adesão ao 
substrato
 Contração traseira
Polimerização e ramificação 
de filamentos de actina
Despolimerização de 
filamentos de actinaRamificação de filamentos de actina na frente de protrusão
Most transcripts enriched in pseudopodia encode 
proteins with various functions, ranging from 
membrane traffic to cytoskeletal organization, 
signalling, microtubule-based transport and RNA 
metabolism, as well as a number of 
uncharacterized proteins
Filamentos intermédios
8-11nm 
diâmetro
Citoesqueleto 
Componente intracelular dinâmico constituído por
 Três tipos fundamentais de filamentos 
protéicos
Filamentos de actina (7nm)
Filamentos intermédios (8-11nm)
Microtúbulos (25nm)
 Proteínas acessórias
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As proteínas dos 
filamentos intermédios
Ao contrário dos filamentos de actina e dos microtúbulos, que estão formados 
somente por um tipo protéico, existem mais de 65 proteínas que formam 
filamentos intermédios
Organização geral das proteínas 
de filamento intermédio
Apesar da grande variedade, todas as proteínas do grupo 
possuem uma organização similar
Domínio central
Cabeça Cauda
Montagem de 
filamentos 
intermédios
Polipéptido
Dímero
Tetrâmero
Protofilamento
Filamento
Organização intracelular dos filamentos de queratina
Os desmossomos e hemi-
desmossomos são áreas 
de interação entre células 
e entre células e matriz 
extracelular com a 
participação de filamentos 
intermédios de tipo 
queratínico
queratina
Nos 
desmossomos, 
a queratina 
interage com 
proteínas de 
união que 
permitem uma 
forte ligação 
intercelular
Caderinas
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Nos hemi-
desmossomos, 
a queratina 
interage com 
proteínas de 
união que 
permitem ligar a 
célula à matriz 
extracelular
Filamentos 
intermédios e 
microtúbulos 
podem estar 
ligados por 
pontes de 
plectina
Filamento 
intermédio
Esclerose lateral amiotrófica (doença de Lou 
Gehrig), produto da acumulação anormal de 
neurofilamentos
Stephen Hawking’s website: http://www.hawking.org.uk/home/hindex.html
Citoesqueleto 
Componente intracelular dinâmico constituído por
 Três tipos fundamentais de filamentos 
protéicos
Filamentos de actina
Filamentos intermédios
Microtúbulos
 Proteínas acessórias
Microtúbulos
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Heterodímeros 
de tubulina α e 
β polimerizam 
em estruturas 
ocas 
denominadas 
microtúbulos
As subunidades de 
β tubulina ligam 
GTP, que, quando 
é hidrolisado muda 
a conformação da 
subunidade 
tornando mais 
fraca a união inter-
molecular, 
facilitando, assim, 
a despolimerização 
do microtúbulo
Assim como no caso dos filamentos de actina, nos 
microtúbulos também acontece o fenômeno de treadmilling, 
onde GTP-tubulina são associados à extremidade mais e 
GDP-tubulina dissociados da extremidade menos, gerando o 
estado de instabilidade dinâminca
Uma maior 
disponibilidade 
de GTP-
tubulina induz 
o crescimento 
do microtúbulo
Baixa disponibilidade 
de GTP-tubulina 
induz o encurtamento 
do microtúbulo, 
devido à 
despolimerização das 
GDP-tubulina na 
extremidade mais
As proteínas acessórias MAP, catastrofina e 
estatmina, regulam a polimerização dos 
microtúbulos
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Organização 
intracelular 
dos 
microtúbulos
Primeiramente 
descobertos por Theodor 
Boveri (1888), os 
centrossomos são os 
centros organizadores 
de microtúbulos em céls. 
animais
Os centrossomos possuem microtúbulos com 
suas extremidades mais dirigidas para a 
periferia permitindo a polimerização
Antes e... Depois ... 
de aplicar Colcemid às células
O início da polimerização de microtúbulos (nucleação) 
é promovido pela γ-tubulina e mais de outras 8
proteínas nos complexos em anel dos centrossomos
Os centrossomos estão constituídos por um par de 
centríolos e material pericentriolar
Os centríolos estão formados por 9 tripletes de microtúbulos, 
de maneira semelhante aos corpos basais de cílios e flagelos
A estrutura de um centríolo
Fibra de 
centrina
microtúbulo
microtúbulo
microtúbulo
Triplete de 
microtúbulos
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O comportamento dos microtúbulos é 
regulado também por proteínas 
acessórias, denominadas MAPs 
(proteínas associadas a microtúbulos)
 MAP 1
 MAP 2
 MAP 4
 tau
Microtúbulos e polaridade 
neural
Motores moleculares de microtúbulos
Extremidade 
+
Há 45 kinesinas 
em humanos
N-
C-
Ronald D. Vale, Thomas S. 
Reese and Michael P. 
Sheetz (1985) Identification 
of a novel force-generating 
protein, kinesin, involved in 
microtubule-based motility. 
Cell 42:39-50
O transporte de vesículas pelos 
microtúbulos e motores 
moleculares é altamente específico
 A kinesina I transporta mRNA de actina em fibroblastos
 A dineína transporta mRNAs específicos no embrião de Drosophila
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A organização intracelular de organelas 
membranosas é responsabilidade dos 
microtúbulos
RE Microtúbulos
Modelo de ligação 
de organela 
membranosa a 
microtúbulo
Os microtúbulos e a 
formação de 
cílios e 
flagelos
Os flagelos de 
espermatozóides 
têm eixo de 
microtúbulos
-Ouriço de mar-
Os cílios do Paramecium ...
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34.000xhttp://www.sciencemag.org/content/vol325/issue5944/cover.dtl
Cílios e 
microvilosidades
Corte transversal de um axonema
(cílio ou flagelo)
Raio
Túbulo A
Túbulo B
Nexina
Membrana 
plasmática
Par 
central
Braço de 
dineína
Camada 
interna
Os corpos basais
são estruturas 
organizadoras de 
axonema e 
possibilitam seu 
crescimento
O movimento de microtúbulos em 
cílios e flagelos
Os microtúbulos 
na divisão celular
Os microtúbulos 
do fuso se ligam 
aos 
cromossomos 
condensados na 
metáfase
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Formação do fuso 
mitótico
Os centrossomos se duplicam 
durante a interfase e migram 
na prófase, permitindo, após 
a desorganização do 
envelope nuclear, a 
ancoragem dos cromossomos 
na extremidade mais dos 
microtúbulos
Compostos que afetam a organização dos 
filamentos de actina e dos microtúbulos
Drogas que ligam actina
Phalloidin binds and stabilizes filaments
Cytochalasin caps filament plus ends
Swinholide severs filaments
Latrunculin binds subunits and prevents their 
polymerization
Drogas que ligam tubulina
Taxol binds and stabilizes microtubules
Colchicine, colcemid binds subunits and prevents their 
polymerization
Vinblastine, vincristine binds subunits and prevents their 
polymerization
Nocodazole binds subunits and prevents their 
polymerization
Figures from:
Alberts B. et al. (2002) Molecular Biology of the cell. 
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=mboc4.TOC&depth=2 (March 30, 2007)
Cooper GM and Hausman RE (2007) The Cell. A molecular approach. Sinauer 4th 
edition
Em células de músculo liso e em células não 
musculares a contração é também regulada 
por Ca++, mas, nestes casos este íon se une 
à calmodulina que forma assim um complexo 
com a kinase de cadeia leve de miosina, o 
qual fosforila à miosina permitindo a contração
Na anáfase A os 
cromossomos são 
separados pelo 
encurtamento dos 
microtúbulos cinetocóricos
e cromossômicos que 
despolimerizam
Na anáfase B, os 
microtúbulos polares
crescem e deslizam 
um sobre outros, 
permitindo a 
separação dos 
centrossomas e 
facilitando a posterior 
citoquinese. Os 
microtúbulos astrais
encurtam-se se 
ancorando na 
membrana 
plasmática, ajudando 
na separação dos 
polos