CITOESQUELETO

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CURSO BACHARELADO EM ENFERMAGEM 
 
 
 
SIMONE MONTEIRO BENATHAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
CITOESQUELETO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BELÉM - PARÁ 
2018 
 
 
 
SIMONE MONTEIRO BENATHAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CITOESQUELETO 
 
 
Trabalho de Pesquisa de Curso de 
graduação, apresentado à disciplina 
Citologia e Histologia, do curso de 
Enfermagem da Escola Superior da 
Amazônia – ESAMAZ, como requisito 
parcial de avaliação. 
 
Orientadora: Prof ª. Esp. Elizângela Fonseca de Mendonça 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BELÉM - PARÁ 
2018 
 
 
 
SIMONE MONTEIRO BENATHAR 
 
 
 
CITOESQUELETO 
 
 
Trabalho de Pesquisa de Curso de graduação, apresentado à disciplina 
Citologia e Histologia, do curso de Enfermagem da Escola Superior da 
Amazônia – ESAMAZ, como requisito parcial de avaliação. 
 
Belém, ....... / ....... / ....... 
 
 
 
 
EXAMINADORA 
 
_____________________________________ 
Prof ª. Esp. Elizângela Fonseca de Mendonça 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BELÉM - PARÁ 
2018 
 
 
 
RESUMO 
 
O citoplasma das células eucarióticas é organizado espacialmente em uma 
rede de proteínas filamentosas conhecida como citoesqueleto. Essa rede 
contém três tipos principais de filamentos: filamentos de actina, microtúbulos e 
filamentos intermediários. Todos esses três tipos de filamentos se organizam 
em arranjos helicoidais a partir de subunidades que se autoassociam usando 
uma combinação de contatos proteicos extremidade-extremidade e laterais-
laterais. As diferenças na estrutura das subunidades e na maneira pela qual 
elas se autoassociam conferem aos diferentes filamentos propriedades 
mecânicas diversas. A dissociação e associação das subunidades remodelam 
constantemente todos os três tipos de filamentos do citoesqueleto. A actina e a 
tubulina (as subunidades dos filamentos de actina e dos microtúbulos, 
respectivamente) ligam e hidrolisam nucleosídeos trifosfato (ATP e GTP 
respectivamente) e se organizam cabeça-cauda formando filamentos 
polarizados capazes de gerar força. Em células vivas, as proteínas acessórias 
modulam a dinâmica e a organização dos filamentos do citoesqueleto, 
resultando em eventos complexos como a divisão ou a migração celular, e 
dando origem a uma elaborada arquitetura celular para a formação de tecidos 
polarizados como os epitélios. 
A actina é uma proteína do citoesqueleto altamente conservada que está 
presente em altas concentrações em quase todas as células eucarióticas, cuja, 
a dinâmica dos filamentos de actina é regulada a cada etapa, e as diversas 
formas e funções da actina dependem de um repertório versátil de proteínas 
acessórias. A indução da polimerização dos filamentos de actina na sua 
superfície permite que patógenos intracelulares sequestrem o citoesqueleto da 
célula hospedeira, utilizando-o para movimentar-se dentro da célula. 
Quanto aos microtúbulos, que são polímeros rígidos de moléculas de tubulina, 
eles se organizam pela adição de subunidades de tubulina ligadas a GTP à 
extremidade livre de outro, com uma extremidade mas (+) crescendo, dessa 
forma, mais rapidamente do que a outra. Os centros organizadores desses 
polímeros, como os centrossomos, protegem as extremidades menos (-) dos 
microtúbulos e continuamente promovem a nucleação da formação de novos 
 
 
 
microtúbulos. A cinesina usa, assim como a dineína, a energia da hidrólise de 
ATP para se mover unidirecionalmente sobre os microtúbulos. O motor de 
dineína move-se em direção à extremidade menos (-) dos microtúbulos, e seu 
deslizamento nos microtúbulos axonemais é responsável pela batida dos cílios 
e dos flagelos. Os cílios primários são órgãos sensoriais não móveis 
encontrados em muitos tipos de células. 
Apesar de a tubulina e a actina serem altamente conservadas em termos 
evolutivos, as proteínas dos filamentos intermediários são muito diversas. 
Existe uma grande variedade de formas tecido-específicas de filamentos 
intermediários no citoplasma de células animais, entre elas os filamentos de 
queratina das células epiteliais, os neurofilamentos das células nervosas e os 
filamentos de desmina das células musculares. A principal função desses 
filamentos consiste em proporcionar resistência mecânica. As septinas 
compreendem um sistema adicional de filamentos que organiza os 
compartimentos no interior das células. 
A contração muscular é estimulada pelo cálcio, que provoca o movimento da 
proteína tropomiosina associada ao filamento de actina, revelando sítios de 
ligação à miosina e permitindo que os filamentos deslizem uns sobre os outros. 
O músculo liso e as células não musculares possuem feixes contráteis de 
actina e miosina menos organizados, que são regulados por fosforilação da 
cadeia leve da miosina. A miosina V transporta cargas se deslocando sobre os 
filamentos de actina. 
 
Palavras chaves: Citoesqueleto, Forma da célula, Organização geral do 
citoplasma, Movimentação das células. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
The cytoplasm of eukaryotic cells is spatially organized in a network of 
filamentous proteins known as the cytoskeleton. This network contains three 
main types of filaments: actin filaments, microtubules and intermediate 
filaments. All three types of filaments are arranged in helical arrangements from 
self-associating subunits using a combination of end-to-end and side-to-side 
protein contacts. Differences in the structure of the subunits and in the manner 
in which they are self-associating give different filaments different mechanical 
properties. The dissociation and association of the subunits constantly reshape 
all three types of filaments of the cytoskeleton. Actin and tubulin (the subunits of 
actin filaments and microtubules, respectively) bind and hydrolyse nucleoside 
triphosphates (ATP and GTP respectively) and organize head-tail into polarized 
filaments capable of generating force. In living cells, accessory proteins 
modulate the dynamics and organization of cytoskeletal filaments, resulting in 
complex events such as cell division or migration, and giving rise to elaborate 
cellular architecture for the formation of polarized tissues such as epithelia. 
Actin is a highly conserved cytoskeletal protein that is present in high 
concentrations in almost all eukaryotic cells, whose dynamics of actin filaments 
is regulated at each step, and the various forms and functions of actin depend 
on a versatile repertoire of accessory proteins. Induction of the polymerization 
of actin filaments on its surface allows intracellular pathogens to sequestrate the 
host cell cytoskeleton by using it to move within the cell. 
As for microtubules, which are rigid polymers of tubulin molecules, they are 
organized by the addition of tubulin subunits bound to GTP to the free end of 
another, with one but (+) end growing in this way faster than the other. The 
organizing centers of these polymers, such as centrosomes, protect the minus 
(-) ends of the microtubules and continually promote the nucleation of the 
formation of new microtubules. Kinesin uses, like dynein, the ATP hydrolysis 
energy to move unidirectionally over the microtubules. The dynein motor moves 
toward the minus (-) end of the microtubules, and its slip in the axoneal 
microtubules is responsible for the striking of the cilia and flagella. Primary 
 
 
 
eyelashes are non-mobile sensory organs found in many types of cells. 
Although tubulin and actinare highly conserved in evolutionary terms, the 
proteins of the intermediate filaments are very diverse. There is a wide variety 
of tissue-specific forms of intermediate filaments in the cytoplasm of animal 
cells, among them keratin filaments of epithelial cells, neurofilaments of nerve 
cells and desmin filaments of muscle cells. The main function of these filaments 
is to provide mechanical strength. The septins comprise an additional filament 
system which organizes the compartments within the cells. 
Muscle contraction is stimulated by calcium, which causes the movement of the 
tropomyosin protein associated with the actin filament, revealing myosin binding 
sites and allowing the filaments to slide over each other. Smooth muscle and 
non-muscle cells have less organized contractile beams of actin and myosin, 
which are regulated by phosphorylation of the myosin light chain. Myosin V 
carries charges moving on the actin filaments. 
 
Keywords:, Cytoskeleton, Cell shape, General organization of the cytoplasm, 
Cell movement. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO 11 
2 FUNÇÃO E ORIGEM DO CITOESQUELETO 12 
2.1 Filamentos do citoesqueleto adaptam-se para formar estruturas 
estáveis ou dinâmicas 13 
2.2 O citoesqueleto determina a organização e a polaridade celular 17 
2.3 Filamentos são polimerizados a partir de subunidades proteicas que 
lhes conferem propriedades físicas e dinâmicas específicas 19 
2.4 Proteínas acessórias e motoras regulam os filamentos do 
citoesqueleto 22 
2.5 A organização e a divisão da célula bacteriana dependem de proteínas 
homólogas às proteínas do citoesqueleto eucarióticas 24 
3. ACTINA E PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO À ACTINA 28 
3.1 Subunidades de actina se associam em um arranjo tipo cabeça-cauda 
para criar filamentos polares flexíveis 28 
3.2 A nucleação é a etapa limitante na formação dos filamentos de actina 
 30 
3.3 Os filamentos de actina possuem duas extremidades distintas com 
diferentes taxas de crescimento 33 
3.4 A hidrólise de ATP nos filamentos de actina induz o comportamento 
de rolamento em estado estacionário 35 
3.5 As funções dos filamentos de actina são inibidas por químicos tanto 
estabilizadores quanto desestabilizadores do polímero 37 
3.6 Proteínas de ligação à actina influenciam a dinâmica e a organização 
dos filamentos 37 
3.7 A disponibilidade de monômeros controla a polimerização dos 
filamentos de actina 39 
3.8 Fatores de nucleação de actina aceleram a polimerização e geram 
filamentos lineares ou ramificados 40 
3.9 Proteínas de ligação ao filamento de actina alteram a dinâmica do 
filamento 43 
 
 
 
3.10 Proteínas de clivagem regulam a despolimerização do filamento de 
actina 45 
3.11 Arranjos de filamentos de actina de alta complexidade influenciam as 
propriedades mecânicas celulares e a sinalização 47 
4 MICROTÚBULOS 48 
4.1 Os microtúbulos são tubos ocos compostos a partir de 
protofilamentos 49 
4.2 Microtúbulos sofrem instabilidade dinâmica 51 
4.3 As funções dos microtúbulos são inibidas por fármacos 
estabilizadores e desestabilizadores dos polímeros 54 
4.4 Um complexo proteico contendo ɣ-tubulina promove a nucleação dos 
microtúbulos 55 
4.5 Os microtúbulos irradiam a partir do centrossomo nas células animais 
 56 
4.6 Dois tipos de proteínas motoras movem-se sobre os microtúbulos 59 
4.7 Microtúbulos e motores movem organelas e vesículas 63 
4.8 Cílios e flagelos motrizes são compostos por microtúbulos e dineínas 
 67 
4.9 Os cílios primários desempenham funções importantes de sinalização 
nas células animais 70 
5 FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS E SEPTINAS 72 
5.1 A estrutura dos filamentos intermediários depende do empacotamento 
lateral e do enrolamento da super-hélice 73 
5.2 Filamentos intermediários conferem estabilidade mecânica às células 
animais 75 
5.3 Proteínas de ligação conectam os filamentos do citoesqueleto e o 
envelope nuclear 79 
5.4 Septinas formam filamentos que regulam a polaridade celular 80 
6 PROTEINAS CONTRÁTEIS: MIOSINA E ACTINA 82 
6.1 Proteínas motoras baseadas em actina são membros da superfamília 
da miosina 83 
6.2 A miosina gera força pelo acoplamento da hidrólise de ATP a 
alterações conformacionais 85 
 
 
 
6.3 O deslizamento da miosina II ao longo dos filamentos de actina 
provoca a contração muscular 87 
6.4 A contração muscular é iniciada por uma súbita elevação da 
concentração citosólica de Ca2+ 91 
6.5 O músculo cardíaco é uma delicada peça de engenharia 96 
6.6 A actina e a miosina desempenham uma série de funções em células 
não musculares 97 
7 CONCLUSÃO 101 
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 103 
9 SITES CONSULTADOS 104 
 
11 
 
 
1 INTRODUÇÃOAs células são as unidades funcionais e estruturais dos seres vivos. Apesar 
da grande variedade de animais, plantas, fungos, protistas e bactérias, existem 
somente dois tipos básicos de células: as procariontes e as eucariontes 
(JUNQUEIRA, 2013). Entretanto, para que elas funcionem de forma adequada, é 
necessário que estejam organizadas no espaço e interajam mecanicamente uma 
com a outra e com o ambiente ao seu redor, além de apresentar uma conformação 
correta, ser fisicamente robustas e estar estruturadas de forma adequada 
internamente. 
 Segundo Bruce (2017), elas também devem ser capazes de modificar sua 
forma e migrar para outros locais. Além disso, toda célula deve ser capaz de 
reorganizar seus componentes internos como decorrência dos processos de 
crescimento, divisão e/ou adaptação a mudanças no ambiente. Essas funções 
espaciais e mecânicas dependem de um incrível sistema de filamentos chamado 
citoesqueleto (Figura 01). 
 O citoesqueleto é uma rede complexa de microtúbulos, filamentos de actina 
(microfilamentos) e filamentos intermediários. Essas proteínas estruturais influem na 
forma das células e, junto com as proteínas motoras, possibilitam os movimentos de 
organelas e vesículas citoplasmáticas. O citoesqueleto é responsável também pela 
contração celular e pela movimentação da célula inteira, como no movimento 
ameboide (JUNQUEIRA, 2013). 
Cada tipo de filamento possui funções biológicas, propriedades mecânicas e 
dinâmicas distintas; no entanto certas características fundamentais são comuns a 
todos eles. Da mesma forma que necessitamos da ação conjunta de nossos 
tendões, ossos e músculos, os três sistemas de filamentos do citoesqueleto devem 
atuar coletivamente para fornecer a uma determinada célula sua resistência, forma e 
capacidade de locomoção (BRUCE, 2017). 
Neste estudo, descrevemos a função e a conservação dos três principais 
sistemas de filamentos. Vamos explicar os princípios básicos subjacentes à 
associação e dissociação dos filamentos, e como outras proteínas interagem com os 
filamentos alterando a sua dinâmica, permitindo que a célula estabeleça e mantenha 
sua organização interna, para dar forma e remodelar a sua superfície e para mover 
12 
 
 
organelas de forma controlada de um lugar para outro. Finalmente, discutiremos 
como a integração e a regulação do citoesqueleto permite que uma célula mova-se 
para outros locais. 
 
2 FUNÇÃO E ORIGEM DO CITOESQUELETO 
 
Os três principais filamentos do citoesqueleto são responsáveis por 
diferentes aspectos da organização espacial e propriedades mecânicas da célula. 
Os filamentos de actina determinam a forma da superfície da célula e são 
necessários para a locomoção das células como um todo; eles também conduzem a 
divisão de uma célula em duas. Os microtúbulos determinam o posicionamento das 
organelas delimitadas por membrana, promovem o transporte intracelular e formam 
o fuso mitótico que segrega os cromossomos durante a divisão celular. Os 
filamentos intermediários proporcionam resistência mecânica (Figura 02). Todos 
esses filamentos do citoesqueleto interagem com centenas de proteínas acessórias 
que regulam e ligam os filamentos uns aos outros e a outros componentes da célula. 
As proteínas acessórias são essenciais para a polimerização controlada dos 
filamentos do citoesqueleto em locais específicos, e incluem as proteínas motoras, 
incríveis máquinas moleculares que convertem a energia da hidrólise de ATP em 
força mecânica e que podem mover organelas ao longo dos filamentos ou mover os 
próprios filamentos (BRUCE, 2017). 
 
 
Figura 01 O citoesqueleto. (A) Uma célula em cultura foi fixada e marcada para mostrar seus 
arranjos citoplasmáticos de microtúbulos (verde) e de filamentos de actina (vermelho). (B) Esta célula 
em divisão foi marcada para mostrar seus microtúbulos do fuso (verde) e a rede de filamentos 
intermediários (vermelho). O DNA de ambas as células está marcado em azul. (A, cortesia de Albert 
Tousson; B, cortesia de Conly Rieder.). 
 
13 
 
 
 
 
 
Figura 02 O citoesqueleto. (A) Citoesqueleto no citoplasma. (B) Representação da estrutura do 
citoesqueleto. (C) Imagem Citoesqueleto Copyright © 2001 by Harcout, Inc. All reserved. 
 
Nesta seção, discutiremos as características gerais das proteínas que 
formam os filamentos do citoesqueleto. Focaremos na sua capacidade para formar 
estruturas intrinsecamente polarizadas e auto-organizadas que são altamente 
dinâmicas, permitindo que a célula modifique rapidamente a estrutura e a função do 
citoesqueleto sob diferentes condições. 
 
2.1 Filamentos do citoesqueleto adaptam-se para formar estruturas estáveis ou 
dinâmicas 
 
Os sistemas do citoesqueleto são dinâmicos e adaptáveis, organizados de 
tal forma que podem ser melhor comparados a uma trilha de formigas do que a uma 
grande via expressa. Uma trilha de formigas pode persistir por várias horas do ninho 
até um delicioso local de piquenique, mas, considerando-se uma única formiga 
nessa trilha, teremos certamente que afirmar que ela não se encontra estática. Se as 
formigas de reconhecimento encontrarem uma nova e melhor fonte de alimento, ou 
se os turistas limparem o local e terminarem seu piquenique, a estrutura dinâmica 
adaptar-se-á a uma velocidade estonteante. De modo semelhante, grandes 
(A) 
(B) (C) 
14 
 
 
estruturas citoesqueléticas podem persistir ou sofrer modificações de acordo com as 
necessidades, podendo apresentar uma duração que varia de menos de um minuto 
ao período total de vida da célula. No entanto, os componentes macromoleculares 
individuais que compõem estas estruturas encontram-se sob um fluxo constante. 
Assim, da mesma forma que ocorre quando existe uma alteração na trilha das 
formigas, o rearranjo estrutural em uma célula requer uma quantidade de energia 
extra relativamente pequena quando as condições sofrem alteração. 
A regulação do comportamento dinâmico e a polimerização dos filamentos 
do citoesqueleto permitem que a célula eucariótica construa uma enorme variedade 
de estruturas a partir dos três sistemas básicos de filamentos. As fotomicrografias do 
Painel 01 ilustram algumas dessas estruturas. 
Os filamentos de actina revestem a face interna da membrana plasmática de 
células animais, conferindo resistência e forma a essa fina bicapa lipídica. Eles 
também formam diversos tipos de projeções na superfície das células. Algumas 
dessas são estruturas dinâmicas, como os lamelipódios e os filopódios que as 
células usam para explorar o território e para se movimentarem. Arranjos mais 
estáveis permitem que as células fiquem aderidas a um substrato subjacente e 
permitem a contração dos músculos. Os feixes regulares do estereocílio na 
superfície de células do ouvido interno contêm feixes de filamentos de actina que 
vibram como hastes rígidas em resposta ao som, e as microvilosidades, organizadas 
de modo semelhante na superfície de células epiteliais intestinais, ampliam 
enormemente a área de superfície apical para aumentar a absorção de nutrientes. 
Em plantas, filamentos de actina promovem a rápida corrente de citoplasma no 
interior das células. 
Os microtúbulos, que são frequentemente encontrados em arranjos 
citoplasmáticos que se estendem para a periferia da célula, podem rapidamente 
reorganizar-se para formar um fuso mitótico bipolar durante a divisão celular. Eles 
podem também formar cílios, que funcionam como chicotes de impulsão ou 
dispositivos sensoriais na superfície das células, ou feixes firmemente alinhados que 
servem como pistas para o transporte de materiais sobre longos axônios neuronais. 
Em células vegetais, arranjos organizadosde microtúbulos ajudam a controlar o 
padrão da síntese da parede celular e, em muitos protozoários, eles formam a 
estrutura sobre a qual é construída toda a célula. 
15 
 
 
Os filamentos intermediários revestem a face interna do envelope nuclear, 
formando uma espécie de gaiola protetora para o DNA da célula; no citosol, esses 
filamentos são trançados sob a forma de fortes cabos que mantêm as camadas das 
células epiteliais unidas ou que auxiliam a extensão dos longos e fortes axônios das 
células neuronais. Eles também permitem a formação de determinados apêndices 
resistentes, como os pelos e as unhas. 
 
Painel 01 Os filamentos de actina, os microtúbulos e os filamentos intermediários 
 
 
 
 
16 
 
 
Um importante e dramático exemplo da rápida reorganização do 
citoesqueleto ocorre durante a divisão celular, como ilustrado na Figura 03, que 
mostra o crescimento de um fibroblasto em uma placa de cultura. Após a replicação 
dos cromossomos, o arranjo de microtúbulos da interfase que se espalha por todo o 
citoplasma é reconfigurado para formar o fuso mitótico bipolar, que segrega as duas 
cópias de cada cromossomo cada uma para um dos núcleos das células-filhas. Ao 
mesmo tempo, as estruturas especializadas de actina que permitem que o 
fibroblasto rasteje sobre a superfície da placa se reorganizam para que a célula pare 
de se mover e assuma uma forma mais esférica. A actina e sua proteína motora 
associada, miosina, formam uma faixa em torno da região central da célula, o anel 
contrátil, que sofre constrição como se fosse um minúsculo músculo e separa a 
célula em duas. Quando a divisão está completa, os citoesqueletos dos dois 
fibroblastos-filhos se organizam em estruturas de interfase e convertem as duas 
células-filhas arredondadas em versões menores da célula-mãe, achatadas e com 
capacidade de deslizamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diversas células requerem rápidos rearranjos para que funcionem mesmo 
durante o período de interfase. Por exemplo, os neutrófilos, um tipo de leucócito, 
perseguem e englobam células bacterianas e fungos que acidentalmente, por 
exemplo, através de cortes na pele, têm acesso a locais de nosso organismo que 
Figura 03 Diagrama das alterações na organização 
do citoesqueleto associadas à divisão celular. O 
fibroblasto rastejante representado tem um 
citoesqueleto dinâmico de actina polarizada 
(mostrado em vermelho) que reúne lamelipódios e 
filopódios para deslocar sua borda anterior para a 
direita. A polarização do citoesqueleto de actina é 
auxiliada pelos microtúbulos do citoesqueleto (verde), 
constituído por longos microtúbulos que emanam de 
um único centro de organização de microtúbulos, 
localizado na frente do núcleo. Quando a célula se 
divide, o arranjo polarizado de microtúbulos é 
reorganizado para a formação de um fuso mitótico 
bipolar, o qual é responsável pelo alinhamento e pela 
posterior segregação dos cromossomos duplicados 
(marrom). 
Os filamentos de actina formam um anel contrátil no centro da célula que divide a célula em duas 
após a segregação dos cromossomos. Após a completa divisão da célula, ambas as células-filhas 
reorganizam seus citoesqueletos de actina e de microtúbulos em versões menores daquelas que 
se encontravam na célula-mãe, permitindo que estas se arrastem em direções opostas. 
 
opostas. 
 
17 
 
 
normalmente deveriam ser estéreis. Como a maioria das células com locomoção, os 
neutrófilos avançam através da emissão de estruturas e protrusões, as quais estão 
repletas de filamentos de actina recentemente sintetizados. Quando uma possível 
presa bacteriana move-se para uma direção diferente, o neutrófilo é obrigado a 
reorganizar suas estruturas protrusivas polarizadas em uma questão de segundos 
(Figura 04). 
 
 
Figura 04: Um neutrófilo perseguindo uma bactéria. Nesta preparação de sangue humano, um 
agregado de bactérias (seta branca) está prestes a ser capturado por um neutrófilo. Conforme as 
bactérias se movimentam, o neutrófilo rapidamente reorganiza sua densa rede de actina na sua 
borda anterior (destacada em vermelho) para se movimentar em direção à bactéria (Animação 16.1). 
A rápida associação e dissociação do citoesqueleto de actina nesta célula permitem que ela altere a 
orientação e a direção de seu movimento em um intervalo de poucos minutos. (Obtida de um vídeo 
registrado por David Rogers). 
 
2.2 O citoesqueleto determina a organização e a polaridade celular 
 
Nas células que adquiriram uma morfologia diferenciada e estável, como é o 
caso dos neurônios ou das células epiteliais maduras, os elementos dinâmicos do 
citoesqueleto também devem prover estruturas grandes e estáveis para a 
organização celular. Nas células epiteliais especializadas que revestem orgãos 
como o intestino e os pulmões, as protrusões da superfície celular formadas pelo 
citoesqueleto, como as microvilosidades e os cílios, são capazes de manter o 
posicionamento, o comprimento e o diâmetro constantes ao longo de todo o tempo 
de vida da célula. No caso dos feixes de actina da região central das 
microvilosidades de células epiteliais intestinais, esse período se restringe a uns 
poucos dias. No entanto, feixes de actina da região central dos estereocílios de 
células do ouvido interno mantêm sua organização estável durante toda a vida do 
animal, tendo em vista que estas células não sofrem reposição. Não obstante, os 
filamentos de actina individuais permanecem extremamente dinâmicos e são 
continuamente remodelados, sendo substituídos a cada 48 horas, mesmo em 
estruturas de superfície celulares estáveis que persistem por décadas. 
18 
 
 
Além de formar protrusões estáveis na superfície das células especializadas, 
o citoesqueleto também é responsável pela polarização geral das células, permitindo 
que elas apresentem diferenças entre suas regiões superiores e inferiores ou 
anteriores e posteriores. A informação de polaridade em grande escala transmitida 
pela organização do citoesqueleto é muitas vezes mantida durante toda a vida útil da 
célula. As células epiteliais polarizadas usam arranjos organizados de microtúbulos, 
filamentos de actina e filamentos intermediários para manter as diferenças 
essenciais entre a superfície apical e a superfície basolateral. As células também 
devem manter uma forte aderência entre si para permitir que esta camada única de 
células atue de maneira eficiente como barreira física (Figura 05). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 05: Organização do citoesqueleto em células epiteliais polarizadas. Todos os 
componentes do citoesqueleto cooperarem para produzir as formas características de células 
especializadas, incluindo as células epiteliais que revestem o intestino delgado, aqui ilustradas. Na 
superfície apical (superior), que se volta para o lúmen do intestino, feixes de filamentos de actina (em 
vermelho) formam microvilosidades que aumentam a área de superfície celular disponível para a 
absorção de nutrientes a partir dos alimentos. Abaixo das microvilosidades, uma faixa ao longo da 
circunferência da célula composta por filamentos de actina é conectada às junções aderentes célula-
célula que ancoram as células umas às outras. Os filamentos intermediários (azul) estão ancorados a 
outros tipos de estruturas adesivas, como desmossomos e hemidesmossomos, que conectam as 
células epiteliais em uma camada rija e as conectam à matriz extracelular subjacente; estas 
estruturas são discutidas no Capítulo 19. Os microtúbulos (em verde) projetam-se verticalmente do 
alto da célula até sua base e fornecem um sistema coordenado geral que permite que a célula 
distribua componentes recém-sintetizadosaos seus locais adequados. 
 
 
 
 
19 
 
 
2.3 Filamentos são polimerizados a partir de subunidades proteicas que lhes 
conferem propriedades físicas e dinâmicas específicas 
 
Os filamentos do citoesqueleto podem se estender de uma extremidade da 
célula a outra, abrangendo dezenas ou mesmo centenas de micrômetros. No 
entanto, as moléculas individuais das proteínas que formam os filamentos possuem 
tamanho de apenas alguns nanômetros. A célula constrói os filamentos organizando 
um grande número dessas subunidades pequenas, como se fossem tijolos na 
construção de um enorme arranha-céu. Visto que essas subunidades são pequenas, 
elas podem difundir rapidamente pelo citosol, enquanto os filamentos organizados 
não podem. Assim, as células podem promover uma reorganização estrutural rápida, 
pela dissociação de filamentos em uma determinada região e reassociação em uma 
região bastante afastada. 
Os filamentos de actina e os microtúbulos são formados por subunidades 
compactas e globulares – subunidades de actina no caso dos filamentos de actina e 
subunidades de tubulina no caso dos microtúbulos –, enquanto os filamentos 
intermediários são formados a partir de subunidades menores que são elas próprias 
alongadas e fibrilares. Esses três tipos principais de filamentos do citoesqueleto 
formam arranjos helicoidais de subunidades que se autoassociam através da 
combinação de contatos proteicos entre extremidades ou lateralmente. As 
diferenças entre as estruturas destas subunidades e da resistência das forças de 
atração existente entre elas são as principais responsáveis pelas diferenças 
marcantes e características de estabilidade e propriedades mecânicas de cada tipo 
de filamento. Enquanto ligações covalentes entre suas subunidades mantêm coesa 
a cadeia principal de vários polímeros biológicos – como o DNA, o RNA e as 
proteínas – são interações não covalentes fracas que mantêm a estrutura dos três 
tipos de polímeros do citoesqueleto. Consequentemente, sua associação e 
dissociação podem ocorrer de forma rápida, sem que ligações covalentes sejam 
formadas ou quebradas. 
As subunidades dos filamentos de actina e microtúbulos são assimétricas e 
ligam-se umas às outras em um sistema cabeça-e-cauda, de tal forma que todas 
apontam para a mesma direção. Essa polaridade das subunidades confere aos 
filamentos uma polaridade estrutural ao longo de seu comprimento e faz as duas 
20 
 
 
extremidades de cada polímero terem comportamentos diferentes. Além disso, 
subunidades de actina e tubulina são ambas capazes de catalisar a hidrólise de um 
nucleosídeo trifosfato – ATP e GTP respectivamente. Como discutiremos adiante, a 
energia derivada da hidrólise de nucleotídeos permite que os filamentos sofram uma 
rápida remodelagem. Ao controlar quando e onde a actina e os microtúbulos são 
organizados, a célula vincula as propriedades polares e dinâmicas destes filamentos 
à geração de força em uma direção específica, para avançar a borda anterior de 
uma célula em migração, por exemplo, ou para segregar os cromossomos durante a 
divisão celular. Em contraste, as subunidades de filamentos intermediários são 
simétricas e, portanto, não formam filamentos polarizados com duas extremidades 
diferentes. As subunidades de filamentos intermediários também não catalisam a 
hidrólise de nucleotídeos. Não obstante, os filamentos intermediários podem se 
dissociar rapidamente quando necessário. Na mitose, por exemplo, cinases 
fosforilam as subunidades, levando à sua dissociação. 
Os filamentos do citoesqueleto nas células vivas não são formados 
simplesmente encadeando subunidades em fila única, uma atrás da outra. Por 
exemplo, 1.000 subunidades de tubulina alinhadas extremidade-a-extremidade 
ocupariam o equivalente ao diâmetro de uma célula eucariótica pequena, mas um 
filamento formado desta maneira não teria força para evitar a ruptura provocada pela 
energia térmica do ambiente, a menos que cada subunidade no filamento estivesse 
firmemente ligada às duas subunidades vizinhas adjacentes. Um sistema que 
utilizasse fortes associações entre as subunidades adjacentes limitaria a taxa de 
dissociação do filamento, fazendo o citoesqueleto ser uma estrutura estática e bem 
menos útil do que na realidade é. Para fornecer tanto força quanto adaptabilidade, 
os microtúbulos são constituídos por 13 protofilamentos – cadeias lineares de 
subunidades unidas extremidade-à-extremidade – que se associam umas às outras 
lateralmente para formar um cilindro oco. A adição ou perda de uma subunidade na 
extremidade final de um protofilamento forma ou rompe um número pequeno de 
ligações. Por outro lado, a perda de uma subunidade da região central do filamento 
requer o rompimento de muito mais ligações, enquanto a ruptura do filamento em 
dois requer o rompimento de múltiplas ligações dos protofilamentos ao mesmo 
tempo (Figura 06). A maior energia necessária para romper múltiplas ligações não 
covalentes simultaneamente permite aos microtúbulos resistir à ruptura térmica, ao 
21 
 
 
mesmo tempo em que permite a rápida adição e dissociação de subunidades nas 
extremidades do filamento. Os filamentos de actina helicoidais são muito mais finos 
e, portanto, requerem muito menos energia para serem rompidos. No entanto, 
múltiplos filamentos de actina muitas vezes estão agrupados em feixes no interior 
das células, proporcionando resistência mecânica, ao mesmo tempo em que 
permitem o comportamento dinâmico das extremidades dos filamentos. 
 
 
Figura 06 Estabilidade térmica de filamentos do citoesqueleto com extremidades dinâmicas. 
Um protofilamento consistindo de uma única fita de subunidades é termicamente instável, uma vez 
que o rompimento de uma única ligação entre as subunidades é suficiente para quebrar o filamento. 
Em contraste, a formação de um filamento do citoesqueleto a partir de mais de um protofilamento 
permite que as extremidades sejam dinâmicas, ao mesmo tempo em que permite que os filamentos 
sejam resistentes à ruptura térmica. Em um microtúbulo, por exemplo, a remoção de um único dímero 
de subunidades da extremidade do filamento exige o rompimento de ligações não covalentes entre 
um máximo de três outras subunidades, ao passo que a quebra do filamento ao meio requer o 
rompimento das ligações não covalentes em todos os 13 protofilamentos. 
 
Como ocorre em outras interações entre proteínas, as subunidades dos 
filamentos do citoesqueleto são mantidas unidas por um grande número de 
interações hidrofóbicas e ligações não covalentes. Os locais e tipos de contato entre 
as subunidades são diferentes para cada tipo de filamento. Os filamentos 
intermediários, por exemplo, unem-se formando fortes contatos laterais entre a-
hélices supertorcidas, que se estendem ao longo do comprimento quase total de 
cada subunidade fibrosa alongada. Visto que as subunidades individuais são 
justapostas no filamento, os filamentos intermediários formam estruturas fortes, 
semelhantes a uma corda (ou cabo) que toleram muito mais estiramento e 
dobramento do que os microtúbulos ou os filamentos de actina (Figura 07). 
22 
 
 
 
Figura 07 Flexibilidade e estiramento em um filamento intermediário. Os filamentos 
intermediários são formados a partir de subunidades fibrosas alongadas com fortes contatos laterais, 
o que resulta em resistência às forças de estiramento. Quando uma minúscula sonda mecânica é 
arrastada sobre um filamento intermediário, o filamento é esticado mais de três vezes o seu 
comprimento antes de se romper, como ilustrado pelos filamentos marcados com fluorescência 
nestas fotomicrografias. Essa técnica é denominada microscopia de força atômica (ver Figura 9-33). 
(Adaptadade L. Kreplak et al., J. Mol. Biol. 354:569–577, 2005. Com permissão de Elsevier). 
 
2.4 Proteínas acessórias e motoras regulam os filamentos do citoesqueleto 
 
A célula regula o comprimento e a estabilidade dos filamentos do 
citoesqueleto, regulando também a quantidade e a geometria deles. Esse controle é 
feito basicamente pela regulação das ligações que ocorrem entre os filamentos e 
entre os filamentos e outros componentes celulares, de tal maneira que a célula 
pode formar uma ampla variedade de estruturas macromoleculares. A modificação 
covalente direta das subunidades do filamento regula algumas propriedades do 
filamento, mas a maior parte da regulação é realizada por centenas de proteínas 
acessórias que determinam a distribuição espacial e o comportamento dinâmico dos 
filamentos, convertendo a informação recebida através de vias de sinalização em 
ações do citoesqueleto. Essas proteínas acessórias ligam-se aos filamentos ou às 
suas subunidades para determinar o local de polimerização de novos filamentos, 
para regular a distribuição das proteínas poliméricas entre as formas filamento ou 
subunidade, para modificar a cinética da polimerização e da dissociação dos 
filamentos, para acoplar a energia para gerar força e para ligar os filamentos uns aos 
outros ou a estruturas celulares, como as organelas ou a membrana plasmática. 
23 
 
 
Nesses processos, as proteínas acessórias mantêm a estrutura do citoesqueleto sob 
o controle de sinais intra e extracelulares, entre os quais se incluem aqueles que 
determinam as drásticas transformações que o citoesqueleto sofre durante cada 
uma das etapas do ciclo celular. Atuando de forma conjunta, as proteínas acessórias 
permitem que a célula eu-cariótica mantenha uma alta organização mesmo 
apresentando uma estrutura interna flexível, podendo, inclusive, em muitos casos, 
locomover-se. 
Entre as mais fascinantes proteínas que se associam ao citoesqueleto estão 
as proteínas motoras. Essas proteínas se ligam a um filamento polarizado do 
citoesqueleto e utilizam a energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise de ATP 
para se deslocarem ao longo do filamento. Dúzias de diferentes proteínas motoras 
coexistem em cada célula eucariótica. Elas diferem em relação ao tipo de filamento 
ao qual se ligam (actina ou microtúbulos), à direção para a qual se movem sobre o 
filamento e em relação à “carga” que transportam. Diversas proteínas motoras 
transportam organelas delimitadas por membrana – como mitocôndrias, vesículas do 
aparelho de Golgi ou vesículas secretoras – rumo a suas posições adequadas 
dentro da célula. Outras proteínas motoras fazem os filamentos do citoesqueleto 
exercerem tensão ou deslizarem uns sobre os outros, gerando a força necessária 
para fenômenos como a contração muscular, o batimento de cílios e a divisão 
celular. 
As proteínas motoras do citoesqueleto que se movem unidirecionalmente 
sobre um caminho de polímeros orientados lembram algumas outras proteínas e 
complexos proteicos discutidos em outros pontos deste livro, como as DNA e RNA-
polimerases, as helicases e os ribossomos. Todas essas proteínas apresentam a 
capacidade de usar energia química para sua propulsão sobre um caminho linear, a 
direção do deslizamento dependendo da polaridade estrutural do caminho. Todas 
elas geram movimento pelo acoplamento da hidrólise de nucleosídeos trifosfato a 
mudanças conformacionais em larga escala. 
 
 
 
 
24 
 
 
2.5 A organização e a divisão da célula bacteriana dependem de proteínas 
homólogas às proteínas do citoesqueleto eucarióticas 
 
Ao passo que as células eucarióticas geralmente são grandes e 
morfologicamente complexas, as células de bactérias em geral possuem um 
tamanho de poucos micrômetros e assumem uma morfologia simples, em forma de 
esferas ou bastões. As bactérias também não possuem redes elaboradas de 
organelas intracelulares delimitadas por membrana. Historicamente, os biólogos 
assumiram que um citoesqueleto não seria necessário em células assim tão simples. 
Agora sabemos, no entanto, que as bactérias contêm homólogos de todos os três 
tipos de filamentos do citoesqueleto eucariótico. Além disso, tubulinas e actinas 
bacterianas são mais diversificadas do que suas versões eucarióticas, tanto nos 
tipos de arranjos que formam quanto nas funções que desempenham. 
Quase todas as bactérias e diversas arqueobactérias contém um homólogo 
da tubulina, denominado FtsZ, que pode polimerizar em filamentos e organizar-se 
em um anel (denominado anel Z) na região em que é formado o septo, durante a 
divisão celular (Figura 08). Apesar de o anel Z persistir por muitos minutos, os 
filamentos individuais dentro dele são altamente dinâmicos, cada filamento 
apresenta uma meia-vida média de cerca de 30 segundos. Conforme a bactéria 
procede sua divisão, o anel Z torna-se menor até sua completa dissociação e 
desaparecimento. Acredita-se que os filamentos FtsZ no anel Z deem origem a uma 
força de flexão que impulsiona a invaginação da membrana necessária para que a 
divisão celular se complete. O anel Z pode também atuar como uma região para a 
localização das enzimas necessárias à construção do septo entre as duas células-
filhas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
 
 
 
Muitas bactérias também contêm homólogos da actina. Dois desses 
homólogos, MreB e Mbl, são encontrados principalmente em células de forma 
cilíndrica ou em forma espiral, onde eles se agrupam para formar regiões dinâmicas 
que se movem circunferencialmente ao longo do comprimento da célula (Figura 
09A). Essas proteínas contribuem para a determinação da forma celular, servindo 
como um molde que promove a síntese dos peptidoglicanos da parede celular, 
semelhantemente à forma como os microtúbulos auxiliam a organização da síntese 
da parede celular de celulose, nas células dos vegetais superiores (ver Figura 19-
65). Como acontece com FtsZ, os filamentos de MreB e Mbl são altamente 
dinâmicos, com meia-vida de alguns minutos, e a hidrólise de nucleotídeos 
acompanha o processo de polimerização. As mutações que interrompem a 
expressão de MreB ou Mbl causam anomalias extremas relativas à forma da célula e 
defeitos na segregação dos cromossomos (Figura 09B). 
 
 
 
Figura 08 A proteína bacteriana FtsZ, um 
homólogo da tubulina em procariotos. (A) 
Uma faixa de proteína FtsZ forma um anel em 
uma célula bacteriana em divisão. Este anel 
foi marcado pela fusão da proteína FtsZ à 
proteína verde fluorescente (GFP), o que 
permite a sua observação em células de E. 
coli vivas com microscópio de fluorescência. 
(B) Filamentos e círculos FtsZ, formados in 
vitro, visualizados por microscopia eletrônica 
(C) Cloroplastos de uma alga vermelha em 
divisão (vermelho) também se dividem usando 
um anel de proteína composto por FtsZ 
(amarelo). (A, de X. Ma, D.W. Ehrhardt e W. 
Margolin, Proc. Natl Acad. Sci. USA 
93:12998–13003, 1996; B, de H.P. Erickson et 
al., Proc. Natl Acad. Sci. USA 93:519–523, 
1996. Ambos com permissão de National 
Academy of Sciences; C, de S. Miyagishima et 
al., Plant Cell 13:2257–2268, 2001, com 
permissão de 1 _m American Society of Plant 
Biologists.) 
26 
 
 
 
Figura 09 Homólogos da actina determinam a forma das células em bactérias. (A) A proteína 
MreB forma diversas regiões compostas por filamentos lineares ou helicoidais curtos, entrelaçados, 
que são vistos movendo-se em círculos ao longo do comprimento da bactéria e estão associados 
com os locais de síntese de parede celular. (B) A bactéria comum do solo Bacillus subtilis 
normalmente forma células com forma regular em bastonete quando visualizada por microscopia 
eletrônica devarredura (esquerda). Em contraste, células de B. subtilis que não possuem o homólogo 
de actina MreB ou Mbl crescem sob formas irregulares ou torcidas e acabam por morrer (no centro e 
à direita). (A, de P. Vats e L. Rothfield, Proc. Natl Acad. Sci. USA 104:17795–17800, 2007. Com 
permissão de National Academy of Sciences; B, de A. Chastanet e R. Carballido-Lopez, Front. Biosci. 
4S:1582–1606, 2012. Com permissão de Frontiers in Bioscience.) 
 
As moléculas relacionadas a MreB e Mbl desempenham funções mais 
especializadas. Um homólogo da actina em bactérias particularmente intrigante é 
ParM, que é codificado por um gene em certos plasmídeos bacterianos que também 
contêm genes responsáveis por resistência a antibióticos e levam à disseminação de 
resistência a múltiplos fármacos em epidemias. Os plasmídeos bacterianos 
normalmente codificam todos os produtos gênicos necessários à sua própria 
segregação, presumivelmente como estratégia para garantir sua herança e 
propagação em hospedeiros bacterianos após a replicação do plasmídeo. ParM se 
organiza sob a forma de filamentos que, por sua vez, associam-se em cada 
extremidade com uma cópia do plasmídeo, e o crescimento do filamento ParM 
empurra as cópias replicadas do plasmídeo separando-as (Figura 10). Essa 
estrutura semelhante ao fuso aparentemente surge da estabilização seletiva de 
filamentos que se ligam a proteínas especializadas recrutadas para as origens de 
replicação dos plasmídeos. Um parente distante da tubulina e do FtsZ, chamado de 
TubZ, tem uma função similar em outras espécies bacterianas. 
 
27 
 
 
 
Figura 10 Papel do homólogo de actina ParM na segregação de plasmídeos em bactérias. (A) 
Alguns plasmídeos bacterianos de resistência a fármacos (em laranja) codificam um homólogo da 
actina, ParM, que sofre nucleação espontânea formando pequenos filamentos dinâmicos (em verde) 
no interior do citoplasma da bactéria. Uma segunda proteína codificada no plasmídeo chamada ParR 
(em azul) se liga a sequências específicas de DNA sobre o plasmídeo, além de estabilizar as 
extremidades dinâmicas dos filamentos de ParM. Quando o plasmídeo se duplica, ambas as 
extremidades dos filamentos ParM tornam-se estabilizadas, e os filamentos de ParM crescentes 
empurram os plasmídeos duplicados para extremidades opostas da célula. (B) Nestas células 
bacterianas, que possuem um plasmídeo de resistência a fármacos, os plasmídeos estão corados em 
vermelho, e a proteína ParM, em verde. À esquerda, um pequeno feixe de filamentos ParM conecta 
os plasmídeos-filhos logo após sua duplicação. À direita, filamentos ParM totalmente polimerizados 
empurram os plasmídeos duplicados para os pólos da célula. (A, adaptada de E.C. Garner, C.S. 
Campbell e R.D. Mullins, Science 306:1021–1025, 2004; B, de J. Møller-Jensen et al., Mol. Cell 
12:1477–1487, 2003. Com permissão de Elsevier.) 
 
Assim, a autoassociação de proteínas de ligação a nucleotídeos em 
filamentos dinâmicos é usada em todas as células, e as famílias da actina e da 
tubulina são muito antigas, pré-datando a separação entre o reinos eucariótico e as 
bactérias. 
Pelo menos uma espécie bacteriana, Caulobacter crescentus, parece conter 
uma proteína com similaridade estrutural significante com a última das três principais 
classes de filamentos do citoesqueleto encontradas em células animais, ou seja, 
com os filamentos intermediários. Uma proteína chamada crescentina forma uma 
estrutura filamentosa que influencia o incomum formato em semicírculo dessa 
espécie; quando o gene que codifica a crescentina é interrompido, as células de 
Caulobacter crescem como hastes retas (Figura 11). 
 
28 
 
 
 
Figura 11 Caulobacter e crescentina. A bactéria Caulobacter crescentus, que apresenta um formato 
de foice, expressa uma proteína, a crescentina, que possui uma série de domínios supertorcidos 
similares em tamanho e organização aos domínios dos filamentos intermediários eucarióticos. (A) A 
proteína crescentina forma uma fibra (vermelho) que se distribui ao longo da superfície interna da 
parede celular curva da bactéria. (B) Quando o gene é interrompido, as bactérias crescem como 
hastes retas (embaixo). (De N. Ausmees, J.R. Kuhn e C. Jacobs-Wagner, Cell 115:705–713, 2003. 
Com permissão de Elsevier.) 
 
3. ACTINA E PROTEÍNAS DE LIGAÇÃO À ACTINA 
 
O citoesqueleto de actina desempenha uma ampla gama de funções em 
diferentes tipos de células. Cada subunidade de actina, chamada às vezes de actina 
globular ou actina G, é um polipeptídeo de 375 aminoácidos firmemente associado a 
uma molécula de ATP ou ADP (Figura 12A). A actina é extraordinariamente 
conservada entre os eucariotos. As sequências de aminoácidos da actina de 
diferentes espécies de eucariotos geralmente têm similaridade na ordem de 90%. As 
pequenas variações na sequência de aminoácidos da actina podem gerar diferenças 
funcionais significativas. Nos vertebrados, por exemplo, existem três isoformas de 
actina, denominadas a, b, e g, que diferem ligeiramente em suas sequências de 
aminoácidos e têm funções distintas. A a-actina é expressa apenas nas células 
musculares, enquanto a b e a g-actina são encontradas, em conjunto, em quase 
todas as células não musculares. 
 
3.1 Subunidades de actina se associam em um arranjo tipo cabeça-cauda para 
criar filamentos polares flexíveis 
 
As subunidades de actina unem-se em um arranjo tipo cabeça-cauda para 
formar uma hélice rígida, destrógira, que forma uma estrutura de aproximadamente 
8 nm de largura chamada actina F ou actina filamentosa (Figura 12B e C). Visto que 
todas as subunidades assimétricas de actina de um filamento apontam na mesma 
direção, os filamentos são polares e possuem extremidades estruturalmente 
29 
 
 
diferentes: uma extremidade menos ( - ) de crescimento lento e uma extremidade 
mais ( + ) de crescimento mais rápido. A extremidade menos ( - ) também é referida 
como a “extremidade da ponta”, e a extremidade mais ( + ), como a “extremidade da 
pena” em uma alusão à aparência em “seta” do complexo formado pelos filamentos 
de actina e pela proteína motora miosina (Figura 13). Dentro do filamento, as 
subunidades estão posicionadas com sua fenda de ligação a nucleotídeos 
direcionada para a extremidade menos ( - ). 
 
 
Figura 12 Estruturas de um monômero de actina e de um filamento de actina. (A) O monômero 
de actina possui um nucleotídeo (ATP ou ADP) ligado a uma profunda fenda no centro da molécula. 
(B) Arranjo de monômeros em um filamento constituído por dois protofilamentos, mantidos juntos por 
contatos laterais, e que se enrolam um ao outro como duas fitas paralelas de uma hélice, com uma 
torção repetida a cada 37 nm. Todas as subunidades de um filamento apresentam a mesma 
orientação. (C) Fotomicrografia eletrônica de filamento de actina em coloração negativa. (C, cortesia 
de Roger Craig.) 
 
Os filamentos de actina individualmente são bastante flexíveis. A rigidez de 
um filamento pode ser caracterizada por seu comprimento de persistência, o 
comprimento mínimo do filamento no qual flutuações térmicas aleatórias são 
suscetíveis de provocar sua curvatura. O comprimento de persistência de um 
filamento de actina é de apenas algumas dezenas de micrômetros. Em uma célula 
viva, no entanto, as proteínas acessórias provocam interligações e agrupam os 
filamentos em feixes, originando estruturas de actina de maior escala que são muito 
mais rígidas do que os filamentos individuais de actina. 
 
30 
 
 
 
Figura 13 Polaridade estrutural do filamento de actina. (A) Esta fotomicrografia eletrônica mostra 
um filamento de actina polimerizado a partir de um filamento inicial curto de actina associado a 
domínios motores da miosina, resultandoem um padrão de seta. O filamento cresceu muito mais 
rapidamente na extremidade “pena” (+) que na extremidade “ponta” (–). (B) Imagem ampliada e 
modelo mostrando o padrão “seta”. (A, cortesia de Tom Pollard; B, adaptado de M. Whittaker, B.O. 
Carragher e K.A. Milligan, Ultramicro. 54:245–260, 1995.) 
 
3.2 A nucleação é a etapa limitante na formação dos filamentos de actina 
 
A regulação da formação dos filamentos de actina é um importante 
mecanismo pelo qual as células controlam sua forma e movimento. Pequenos 
oligômeros de subunidades de actina podem formar arranjos de forma espontânea, 
mas eles são instáveis e se dissociam facilmente, pois cada monômero é ligado a 
apenas um ou dois outros monômeros. Para que um novo filamento de actina seja 
formado, as subunidades devem associar-se em um agregado inicial, ou núcleo, o 
qual será estabilizado por vários contatos entre as subunidades e, só então, poderá 
sofrer um rápido crescimento pela adição de novas subunidades. Esse processo é 
chamado de nucleação do filamento. 
 
 
Figura 14 Curva de tempo da polimerização de actina em um tubo de ensaio. (A) A 
polimerização de subunidades de actina puras em filamentos ocorre após uma fase de retardo. (B) A 
31 
 
 
polimerização ocorre mais rapidamente na presença de fragmentos pré-formados de filamentos de 
actina, que atuam como núcleos para o crescimento do filamento. A porcentagem de subunidades 
livres após a polimerização reflete a concentração crítica (Cc), em que não há mudança líquida no 
polímero. A polimerização de actina é frequentemente estudada através da observação da mudança 
na emissão de luz de uma sonda fluorescente, chamada pireno, que foi covalentemente ligada à 
actina. O pireno-actina fluoresce mais intensamente quando está incorporado a filamentos de actina. 
 
Muitas características da nucleação e da polimerização de actina foram 
estudadas com actina purificada em tubos de ensaio (Figura 14). A instabilidade dos 
pequenos agregados de actina cria uma barreira cinética para a nucleação. Quando 
a polimerização é iniciada, essa barreira resulta em uma fase de retardo, durante a 
qual não são formados filamentos. Durante essa fase de retardo, no entanto, alguns 
dos pequenos agregados instáveis conseguem fazer a transição para uma forma 
mais estável que se assemelha a um filamento de actina. Isso leva a uma fase de 
alongamento rápido do filamento, durante a qual subunidades são rapidamente 
adicionadas às extremidades dos filamentos nucleados (Figura 14A). Finalmente, 
conforme a concentração de monômeros de actina diminui, o sistema se aproxima 
de um estado estacionário no qual a taxa de adição de novas subunidades na 
extremidade do filamento alcança um equilíbrio exato com a taxa de dissociação de 
subunidades. A concentração de subunidades livres que permanece em solução 
nesse momento é chamada de concentração crítica, Cc. Como explicado no Painel 
02, o valor da concentração crítica é igual à constante de velocidade para perda de 
subunidades dividida pela velocidade constante da adição de subunidades – ou seja, 
Cc 5 koff/kon, que é igual à constante de dissociação, Kd, e o inverso da constante de 
equilíbrio, K. Em um tubo de ensaio, a Cc para a polimerização de actina – ou seja, 
a concentração de monômeros de actina livres na qual a fração de actina no 
polímero para de aumentar – é de aproximadamente 0,2 mM. Dentro da célula, a 
concentração de actina não polimerizada é muito maior do que isso, e a célula 
desenvolveu mecanismos para impedir que a maioria dos seus monômeros de 
actina sejam arranjados em filamentos, como discutiremos mais tarde. 
A fase de retardo no crescimento do filamento é eliminada se filamentos-
base preexistentes (como fragmentos de filamentos de actina que foram 
quimicamente interligados) são adicionados à solução no início da reação de 
polimerização (Figura 14B). A célula tira grande proveito dessa necessidade de 
nucleação: ela utiliza proteínas especiais para catalisar a nucleação de filamentos 
32 
 
 
em regiões específicas, definindo, desse modo, onde novos filamentos de actina 
deverão ser formados. 
 
Painel 02 Taxas de adição e taxas de remoção, Nucleação, Concentração crítica, Curva de 
tempo da polimerização, Extremidades mais (+) e extremidades menos (–), Hidrólise de 
nucleotídeos, Capas ATP e capas GTP, Rolamento (ou movimento estacionário) e Instabilidade 
dinâmica 
 
 
33 
 
 
 
 
 
 
3.3 Os filamentos de actina possuem duas extremidades distintas com 
diferentes taxas de crescimento 
 
Devido à orientação uniforme das subunidades assimétricas de actina no 
filamento, as estruturas das duas extremidades são diferentes. Essa orientação faz 
as duas extremidades de cada polímero serem diferentes entre si, e estas diferenças 
refletirão nas taxas de crescimento do filamento. As constantes cinéticas de 
34 
 
 
velocidade para a associação e a dissociação de subunidades de actina – kon e koff, 
respectivamente – são muito maiores para a extremidade mais do que para a 
extremidade menos. Isso pode ser visto quando se permite o arranjo de uma 
solução extremamente concentrada de monômeros de actina purificados sobre 
filamentos marcados de acordo com a polaridade – a extremidade mais do filamento 
se alonga até dez vezes mais rápido. Se os filamentos são rapidamente diluídos, de 
tal modo que a concentração de subunidades livres venha a situar-se abaixo da 
concentração crítica, a extremidade mais (+) também sofrerá uma dissociação mais 
rápida. 
É importante observar, no entanto, que as duas extremidades de um 
filamento de actina têm a mesma afinidade líquida pelas subunidades de actina, se 
todas as subunidades estiverem no mesmo estado de nucleotídeo. A adição de uma 
subunidade a qualquer uma das extremidades de um filamento com n subunidades 
resultará em um filamento de n +1 subunidades. Então, a diferença de energia livre 
e, como consequência, a constante de equilíbrio (e a concentração crítica) devem 
ser as mesmas para a adição de subunidades em qualquer uma das duas 
extremidades do polímero. Nesse caso, a razão das constantes de velocidade, 
koff/kon, deve ser idêntica nas duas extremidades, mesmo que os valores absolutos 
das constantes de velocidade sejam muito diferentes em cada extremidade (ver 
Painel 02). 
A célula aproveita-se da dinâmica e da polaridade dos filamentos de actina 
para realizar trabalho mecânico. O crescimento do filamento ocorre de forma 
espontânea quando o equilíbrio de energia livre (DG) para a adição de subunidades 
solúveis é menor que zero. Esse é o caso quando a concentração de subunidades 
em solução excede a concentração crítica. Uma célula pode acoplar um processo 
energeticamente desfavorável a esse processo espontâneo; assim, a célula pode 
usar a energia livre liberada durante a polimerização espontânea do filamento para 
mover uma carga associada. Por exemplo, ao orientar as extremidades mais (+), de 
rápido crescimento, dos filamentos de actina em direção à sua borda anterior, uma 
célula com capacidade de movimento pode empurrar a sua membrana plasmática 
para a frente, como discutiremos mais tarde. 
 
35 
 
 
3.4 A hidrólise de ATP nos filamentos de actina induz o comportamento de 
rolamento em estado estacionário 
 
Até agora, em nossa discussão da dinâmica dos filamentos de actina, 
ignoramos o fato crítico que a actina pode catalisar a hidrólise do nucleosídeo 
trifosfato ATP. No caso das subunidades de actina livres, essa hidrólise ocorre de 
forma bastante lenta; no entanto o processo é acelerado quando as subunidades 
estão incorporadas nos filamentos. Logo após ocorrer a hidrólisede ATP, o grupo 
fosfato livre é liberado de cada subunidade, mas o ADP permanece preso na 
estrutura do filamento. Assim, dois tipos diferentes de estruturas de filamento podem 
existir, um sob a “forma T” referente ao nucleotídeo ligado (ATP) e outro sob a 
“forma D” também referente ao nucleotídeo ligado (ADP). 
Quando o nucleotídeo é hidrolisado, grande parte da energia livre liberada 
pela clivagem da ligação fosfato-fosfato é armazenada no polímero. Isso faz a 
alteração de energia livre para a dissociação de uma subunidade de polímero da 
forma D mais negativa que a alteração de energia livre para a dissociação de uma 
subunidade de polímero na forma T. Consequentemente, a razão de koff/kon para o 
polímero sob a forma D, que é numericamente igual à sua concentração crítica 
Cc(D), é maior do que a razão correspondente para o polímero sob a forma T. 
Dessa forma, Cc(D) é maior do que Cc(T). Em determinadas concentrações de 
subunidades livres, os polímeros de forma D sofrerão encurtamento, enquanto os 
polímeros de forma T estarão em crescimento. 
Em células vivas, a maioria das subunidades de actina solúveis está sob a 
forma T, visto que a concentração livre de ATP é aproximadamente dez vezes maior 
que a de ADP. No entanto, quanto mais tempo as subunidades estiverem nos 
filamentos de actina, mais provavelmente terão seu ATP hidrolisado. A velocidade 
de hidrólise em comparação com a velocidade de adição de subunidades define se a 
subunidade em cada extremidade de um filamento estará sob a forma T ou D. Se a 
concentração de monômeros de actina é maior que a concentração crítica para 
ambas as forma T e D do polímero, então serão adicionadas subunidades ao 
polímero em ambas as extremidades antes que os nucleotídeos nas subunidades 
adicionados anteriormente tenham sido hidrolisados; como resultado, as pontas dos 
filamentos de actina permanecerão sob a forma T. Por outro lado, se a concentração 
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de subunidades é menor do que as concentrações críticas para ambas as formas T 
e D do polímero, então a hidrólise poderá ocorrer antes que a próxima subunidade 
seja adicionada, e ambas as extremidades do filamento estarão sob a forma D e 
encurtarão. Sob concentrações intermediárias das subunidades de actina, é possível 
que a velocidade de adição de subunidades seja mais rápida do que a hidrólise de 
nucleotídeos na extremidade mais (+), porém mais lenta do que a hidrólise de 
nucleotídeos na extremidade menos (-). Nesse caso, a extremidade mais (+) do 
filamento permanecerá na conformação T, enquanto a extremidade menos (-) 
adotará a conformação D. O filamento, então, sofre uma adição líquida de 
subunidades na extremidade mais (+), enquanto simultaneamente perde 
subunidades na extremidade menos (-). Isso leva a uma propriedade característica 
do filamento denominada rolamento (Figura 15; ver Painel 02). 
Sob uma concentração intermediária particular de subunidades, o 
crescimento do filamento na extremidade mais (+) se encontra exatamente 
balanceado pela dissociação de subunidades da extremidade menos (-). Nessas 
condições, as subunidades alternam rapidamente entre os estados livre ou ligado ao 
filamento, enquanto o comprimento total do filamento permanece inalterado. Esse 
ponto de “rolamento de repouso” requer consumo constante de energia sob a forma 
de hidrólise de ATP. 
 
Figura 15 O rolamento de um filamento de actina é possível devido à hidrólise de ATP após a 
adição de subunidades. (A) Explicação para as diferentes concentrações críticas (Cc) nas 
extremidades mais (+) e menos (-). As subunidades com ATP ligado (subunidades na forma T) 
sofrem polimerização em ambas as extremidades do filamento crescente e, em seguida, passam por 
hidrólise de nucleotídeos dentro do filamento. Conforme o filamento cresce, o alongamento é mais 
rápido que a hidrólise na extremidade mais (+) neste exemplo, e as subunidades terminais desta 
extremidade estão, portanto, sempre sob a forma T. No entanto, a hidrólise é mais rápida do que o 
alongamento na extremidade menos (–), de tal forma que as subunidades terminais nesta 
extremidade estão sob a forma D. (B) O rolamento ocorre em concentrações intermediárias de 
subunidades livres. A concentração crítica para polimerização em uma extremidade do filamento sob 
a forma T é menor do que em uma extremidade do filamento sob a forma D. Se a concentração real 
de subunidades está em algum ponto entre esses dois valores, a extremidade mais (+) cresce, 
enquanto a extremidade menos (–) diminui, resultando no rolamento. 
37 
 
 
3.5 As funções dos filamentos de actina são inibidas por químicos tanto 
estabilizadores quanto desestabilizadores do polímero 
 
Compostos químicos que estabilizam ou desestabilizam os filamentos de 
actina são ferramentas importantes para o estudo do comportamento dinâmico dos 
filamentos e de suas funções nas células. As citocalasinas são produtos de fungos 
que impedem a polimerização da actina pela ligação à extremidade mais (+) dos 
filamentos de actina. A latrunculina impede a polimerização da actina pela sua 
ligação a subunidades de actina. As faloidinas são toxinas isoladas do cogumelo 
Amanita que se ligam firme e lateralmente aos filamentos da actina estabilizando-os 
e evitando a despolimerização. Todos esses compostos causam mudanças 
dramáticas no citoesqueleto de actina e são tóxicos para as células, indicando que a 
função dos filamentos de actina depende de um equilíbrio dinâmico entre os 
filamentos e os monômeros de actina (Tabela 1). 
 
 
 
3.6 Proteínas de ligação à actina influenciam a dinâmica e a organização dos 
filamentos 
 
Em um tubo de ensaio, a polimerização da actina é controlada simplesmente 
pela sua concentração, como descrito anteriormente, pelo pH e pela concentração 
de sais e ATP. Dentro de uma célula, no entanto, o comportamento da actina é 
também regulado por numerosas proteínas acessórias que se ligam aos monômeros 
ou filamentos da actina (resumido no Painel 03). No estado estacionário, in vitro, 
quando a concentração do monômero é igual a 0,2 mM, a meia-vida do filamento, 
uma medida referente a quanto tempo um monômero de actina individual gasta em 
38 
 
 
um filamento em rolamento, é de aproximadamente 30 minutos. Em uma célula não 
muscular de vertebrados, a meia-vida da actina nos filamentos é de apenas 30 
segundos, demonstrando que fatores celulares modificam o comportamento 
dinâmico dos filamentos de actina. As proteínas de ligação à actina alteram 
drasticamente a dinâmica e a organização dos filamentos da actina por meio de 
controle espacial e temporal da disponibilidade do monômero, da nucleação do 
filamento, do alongamento e da despolimerização. Nas seções a seguir, 
descreveremos como essas proteínas acessórias modificam a função da actina na 
célula. 
 
Painel 03 Filamentos de Actina 
 
39 
 
 
3.7 A disponibilidade de monômeros controla a polimerização dos filamentos 
de actina 
 
Na maioria das células não musculares dos vertebrados, aproximadamente 
50% da actina estão em filamentos, e 50%, em solução – e, mesmo assim, a 
concentração do monômero em solução é de 50 a 200 mM, bem acima da 
concentração crítica. Por que tão pouco da actina polimeriza em filamentos? A razão 
é que as células contêm proteínas que se ligam aos monômeros de actina e tornam 
a polimerização muito menos favorável (uma ação semelhante à droga latrunculina). 
A mais abundante dessas proteínas é uma pequena proteína chamada de timosina. 
Os monômeros de actina ligados à timosina estão em um estado de bloqueio, não 
podendo associar-se nem à extremidade mais (+) nem à extremidade menos (-) dos 
filamentos de actina, e não são capazesde hidrolisar ou modificar o nucleotídeo ao 
qual estão ligados. 
Como, então, as células recrutam monômeros de actina a partir desse 
conjunto bloqueado para utilizá-los para a polimerização? A resposta depende de 
uma outra proteína de ligação a monômeros chamada de profilina. A profilina liga-se 
à face do monômero de actina que é oposta à fenda de ligação ao ATP, bloqueando 
a lateral do monômero que normalmente se associaria à extremidade menos (-) do 
filamento, ao mesmo tempo em que deixa exposto o sítio do monômero que se liga à 
extremidade mais (+) (Figura 16). Quando o complexo de profilina-actina liga-se a 
uma extremidade mais (+) livre, uma mudança conformacional na actina reduz a sua 
afinidade pela profilina e ela é liberada, tornando o filamento de actina uma 
subunidade mais longa. A profilina compete com a timosina pela ligação a 
monômeros de actina individuais. Assim, regulando a atividade local da profilina, as 
células podem controlar o movimento de subunidades de actina sequestradas 
ligadas à timosina para as extremidades mais (+) dos filamentos. 
Vários mecanismos regulam a atividade da profilina, entre eles a fosforilação 
da profilina e sua ligação a fosfolipídeos inositol. Esses mecanismos podem definir 
as regiões onde a profilina atuará. Por exemplo, a profilina é necessária para a 
polimerização do filamento na membrana plasmática, onde ela é recrutada por uma 
interação com fosfolipídeos acídicos da membrana. Nesse ponto, sinais 
extracelulares podem ativar a profilina de modo a produzir polimerização localizada 
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de actina, provocando também a extensão de estruturas de locomoção ricas em 
actina como filopódios e lamelipódios. 
 
 
Figura 16 Efeitos da timosina e da profilina na polimerização da actina. Um monômero de actina 
ligado à timosina é estericamente impedido de ligar-se e alongar a extremidade mais (+) de um 
filamento de actina (esquerda). Um monômero de actina ligado à profilina, por outro lado, é capaz de 
prolongar um filamento (direita). A timosina e a profilina não podem, ambas, ligarem-se a um único 
monômero de actina ao mesmo tempo. Em uma célula na qual a maioria dos monômeros de actina 
está ligado à timosina, a ativação de uma pequena quantidade de profilina pode produzir uma rápida 
organização dos filamentos. Como indicado (imagem inferior), a profilina se liga a monômeros de 
actina que são transitoriamente liberados do conjunto de monômeros ligados à timosina, encaminha-
os para as extremidades mais (+) dos filamentos de actina, e é então liberada e reciclada para novos 
ciclos de alongamento do filamento. 
 
3.8 Fatores de nucleação de actina aceleram a polimerização e geram 
filamentos lineares ou ramificados 
 
Além da disponibilidade de subunidades de actina ativas, um segundo pré-
requisito para a polimerização da actina celular é a nucleação do filamento. As 
proteínas que contêm motivos de ligação a monômeros de actina ligados em 
sequência medeiam o mais simples dos mecanismos de nucleação do filamento. 
Essas proteínas de nucleação de actina aproximam várias subunidades de actina 
para formar um ponto de nucleação. Na maioria dos casos, a nucleação da actina é 
catalisada por um de dois tipos diferentes de fatores: pelo complexo Arp 2/3 ou pelas 
forminas. O primeiro desses fatores é um complexo de proteínas que inclui duas 
41 
 
 
proteínas relacionadas à actina (ARPs, actin-related proteins), cada uma 
apresentando aproximadamente 45% de similaridade com a actina. O complexo 
Arp 2/3 provoca a nucleação do crescimento do filamento de actina na extremidade 
menos (-), permitindo rápido alongamento na extremidade mais (+) (Figura 17A e 
B). Esse complexo pode se ligar lateralmente a um outro filamento de actina, ainda 
permanecendo ligado à extremidade menos (-) do filamento que inicialmente 
nucleou, dessa forma dando origem a filamentos individuais organizados em uma 
rede ramificada (Figura 17C e D). 
 
 
Figura 17 Nucleação e formação da rede de actina pelo complexo Arp 2/3. (A) As estruturas de 
Arp2 e Arp3, comparadas à estrutura da actina. Apesar de a face da molécula equivalente à 
extremidade mais (+) (superior) tanto em Arp2 quanto em Arp3 ser bastante similar à extremidade 
mais (+) da actina, as diferenças nas laterais e na extremidade menos (-) evitam que essas proteínas 
relacionadas à actina possam formar filamentos associando-se entre si ou coassociando-se no 
interior dos filamentos à actina. (B) Um modelo para a nucleação do filamento de actina pelo 
complexo Arp 2/3. Na ausência de um fator de ativação, Arp2 e Arp3 são posicionadas por suas 
proteínas acessórias em uma orientação que evita induzirem a nucleação de um novo filamento de 
actina. Quando um fator de ativação (indicado pelo triângulo azul) liga-se ao complexo, Arp2 e Arp3 
são posicionadas em uma nova conformação, a qual se assemelha à extremidade mais (+) de um 
filamento de actina. As subunidades de actina podem, então, ser adicionadas sobre esta estrutura, o 
que supera a etapa limitante da nucleação do filamento. (C) O complexo Arp 2/3 promove a 
nucleação de filamentos de maneira mais eficiente quando este se liga à lateral de um filamento de 
actina preexistente. O resultado é uma ramificação que cresce em angulo de 70° em relação ao 
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filamento original. Ciclos repetidos de nucleação ramificada geram uma rede ramificada de filamentos 
de actina. (D) Em cima, fotomicrografias eletrônicas de filamentos de actina ramificados formados a 
partir da mistura de subunidades purificadas de actina com complexos Arp 2/3 purificados. Embaixo, 
imagem reconstruída de uma ramificação onde a estrutura cristalizada da actina (rosa) e do complexo 
Arp 2/3 foram sobrepostas à densidade eletrônica. O filamento-mãe está direcionado de cima para 
baixo, e o filamento-filho se ramifica à direta, no ponto em que o complexo Arp 2/3 se liga a três 
subunidades de actina sobre o filamento-mãe. (D, superior, de R.D. Mullins ET al., Proc. Natl Acad. 
Sci. USA 95:6181–6186, 1998, com permissão de National Academy of Sciences; inferior, de N. 
Volkmann et al., Science 293:2456–2459, 2001, com permissão de AAAS.) 
 
As forminas são proteínas diméricas que promovem a nucleação do 
crescimento de filamentos não ramificados, lineares, que podem ser interligados a 
outras proteínas para formar feixes paralelos. Cada subunidade de formina possui 
um sítio de ligação à actina monomérica, e o dímero de formina parece ser capaz de 
nuclear a polimerização de um filamento de actina pela captura de dois monômeros. 
Enquanto ocorre o crescimento do filamento recém-nucleado, o dímero de formina 
permanece associado à extremidade mais (+), de rápido crescimento e, ao mesmo 
tempo, permite a adição de novas subunidades a essa extremidade (Figura 18). 
Esse mecanismo de polimerização do filamento é nitidamente diferente daquele 
usado pelo complexo Arp 2/3, que permanece estavelmente ligado à extremidade 
menos (-) do filamento, impedindo a adição ou a perda de subunidades nessa 
extremidade. O crescimento do filamento de actina dependente de formina é 
fortemente reforçado pela associação dos monômeros de actina com a profilina 
(Figura 19). 
Assim como no caso da ativação pela profilina, a nucleação dos filamentos 
de actina por complexos Arp 2/3 e forminas ocorre principalmente na membrana 
plasmática, e a maior densidade de filamentos de actina na maioria das células está 
presente na periferia da célula. A camada logo abaixo da membrana plasmática é 
denominada córtex celular, e os filamentos de actina nessa região determinam a 
forma e o movimento da superfície celular, permitindo que a célula altere sua 
conformação e rigidez rapidamente em resposta a mudanças no seu ambiente 
externo.