Tubulina e Microtúbulos: Estrutura e Função

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Introdução 
A tubulina é uma proteína globular com um peso molecular aproximadamente de 55 kDa e é encontrada em quase todas as células eucariotas. Existem 5 tipos de tubulina, designados por α-tubulina, β-tubulina, γ- tubulina, δ-tubulina e ε-tubulina, mas a α- e a β-tubulina são de longe as formas de tubulina mais comuns. 
O conjunto de uma unidade de α-tubulina e outra unidade de β-tubulina forma um heterodímero. Este dímero é o monómero que compõe os microtúbulos. Os dímeros de tubulina, através da hidrólise de moléculas de guanosina trifosfato (GTP), se polimerizam formando os microtúbulos, ou seja, polímeros cilíndricos e ocos com um diâmetro de 25 nm. A polimerização dos microtúbulos é dinâmica e polarizada, isto é, uma das duas extremidades dos microtúbulos, a extremidade mais, polimeriza-se mais rapidamente.
Tubulina
A tubulina é a subunidade que compõe os microtúbulos que, por sua vez, constituem uma parte integrante do citosqueleto com funções essenciais no transporte de componentes celulares dentro da célula e na própria divisão celular. Desde há muito se julgava que a tubulina era específica dos eucariotas. No entanto, foi demonstrado recentemente que a proteína FtsZ que participa no processo de divisão celular procariótico tem relação evolutiva com a tubulina.
Tubulina AB heterodimer, Bos taurus.
Desde há muito se julgava que a tubulina era específica dos eucariotas. No entanto, foi demonstrado recentemente que a proteína FtsZ que participa no processo de divisão celular procariótico tem relação evolutiva com a tubulina.
Algumas drogas como a colchicina ou a placlitaxel actuam sobre a tubulina, afectando a estrutura dos microtúbulos. A colchicina inibe a polimerização dos microtúbulos e a placlitaxel, pelo contrário, impede a despolimerização dos microtúbulos ao estabilizar o polímero que constitui o microtúbulo.
A γ- tubulina parece ser um componente essencial na nucleação dos microtúbulos, ou seja, na síntese de novo dos microtúbulos e é encontrado nos polos dos fusos mitóticos e nos centrossomas. A δ-tubulina é encontrada em associação com os centríolos, enquanto que a ε-tubulina se localiza no material pericentriolar e parece ser necessário para a duplicação dos centríolos.
α-tubulina e β-tubulina
Para se formarem os microtúbulos, os dímeros de α- e β-tubulina ligam-se ao GTP e agregam-se na extremidade (+) dos microtúbulos, enquanto ainda ligados ao GTP. Após a incorporação, a molécula de GTP é hidrolisada em GDP
Apesar de ambas as subunidades se ligarem as GTP, apenas a subunidade β tem actividade de GTPase, isto é, a β-tubulina pode hidrolisar o GTP em GDP, enquanto que a α-tubulina não o consegue fazer. O facto de a β-tubulina estar ligada ao GTP ou ao GDP, influencia a estabilidade do dímero no microtúbulo.
Os dímeros ligados ao GTP tendem a agregar-se em microtúbulos, enquanto que dímeros ligados ao GDP tendem a se desagregar. Por este motivo, este ciclo é essencial para a instabilidade dinâmica na formação dos microtúbulos.
γ-tubulina
γ-tubulina, outro dos membros da família das tubulinas, constitui estruturas em formato de anéis localizado no centrossomo. Cada anel serve como sítio de nucleação para o crescimento de um microtúbulo .
δ e ε tubulina
A delta (δ) e a ípsilon (ε) tubulina localizam-se nos centríolos e poderão desempenhar um papel na formação do aparelho mitótico, durante a mitose. Estas duas variantes de tubulina não são tão estudadas com as variantes α-tubulina e β-tubulina.
Farmacologia
As tubulinas são alvo do taxol (droga anticancerígena) e de outras drogas como a vimblastina e a vincristina. A colchicina, droga anti-reumática, liga-se à tubulina, inibindo desta forma a formação dos microtúbulos, dificultando a motilidade dos neutrófilos e assim diminuindo as inflamações.
Microtúbulo
Microtúbulos são estruturas proteicas que fazem parte do citoesqueleto nas células. São filamentos com diâmetro de, aproximadamente, 24 nm e comprimentos variados, de vários micrometros até alguns milímetros nos axônios das células nervosas. Microtúbulos são formados pela polimerização das proteínas tubulina e almetralopina.
Organização
As extremidades de um microtúbulo são designadas como (+) (a que se polimeriza mais rapidamente) e (-) (a que se polimeriza mais vagarosamente).
Os microtúbulos são pequenas estruturas cilíndricas e ocas formadas por proteínas chamada Tubulinas. Existem 2 tipos de Tubulinas que se associam formando dímeros ,a α (alfa) e a β (beta); estes se polimerizam formando protofilamentos. São necessários 13 protofilamentos para se formar o microtúbulo.
São polimerizados a partir de um centrossomo que geralmente fica no centro do citoplasma celular. Além da função estrutural, os microtúbulos têm outras funções. Eles formam um substrato onde proteínas motoras celulares (Dineínas e Cinesínas) podem interagir e assim, são usados no transporte intracelular. As Dineínas e Cinesinas são dímeros, que interagem com o microtúbulo para transportar moléculas dentro da célula, estas proteínas "andam" em sentidos opostos sobre o microtúbulo.
Citoesqueleto
O Citoesqueleto é responsável por manter a forma da célula e as junções celulares, auxiliando nos movimentos celulares. É constituído por proteínas bastante estáveis filamentosas ou tubulares que são os filamentos intermediários, filamentos de actina e os microtubulos e pelas proteínas motoras: dineína, miosina e cinesina.
Filamentos intermediários
Os filamentos intermediários recebem esse nome porque 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, e também porque eles não podem aumentar ou diminuir de tamanho, quando se formam adquirem um tamanho e é desse tamanho que permanecerão. Ao contrario do microtúbulos e dos filamentos de actina, que quando necessário aumentam e diminuem seu tamanho.
O filamento intermediário possui uma estrutura em α-hélice central e domínios globulares em cada extremidade. A organização desses filamentos, as ligações a outros filamentos e a sua função de sustentação dependem de proteínas associadas aos filamentos intermediários (IFAP). As redes de filamentos intermediários formam a lâmina nuclear, ao longo da superfície interna da membrana nuclear, e estão firmemente ligados as junções celulares, desmossomos e hemidesmossomos.
Tem como função ancorar as estruturas celulares, formar os desmossomos (junção intercelular) e absorver impactos.
Proteínas motoras
As proteínas motoras se dividem em três grupos: as cinesinas e dineínas e as miosinas.
As cinesinas e dineínas se diferem em apenas um ponto, a direção em que se locomovem. Más têm a mesma forma e função, que é de transportar estruturas de um lugar da célula para outro. Elas não formam filamentos, ou seja, trabalham sempre sozinhas e sobre os microtúbulos, ou seja, elas interagem quimicamente com os microtúbulos, de forma que gastam ATP para se locomover. Já as miosinas formam pequenos filamentos mas também dependem de outros para trabalhar, no caso os filamentos de actina. A miosina utiliza, assim como as dineínas e as cinesinas, esse outro filamento como um trem utiliza os trilhos para se mover, interagindo com eles. Vale ressaltar que as cinesinas participam da atividade microrreprodutiva dos gametas femininos.
Justificativa do interesse na proteína
Presença em todas as Eucariotas
Formação dos microtúbulos, que são partes do citoesqueleto e, por sua vez, são essenciais para o transporte intracelular e a divisão celular
Ser alvo de drogas que atacam a estrutura celular, tal qual o anticancerígeno Paclitaxel
Descrição da proteína
A Tubulina é uma das proteínas pertencentes da família das proteínas globulares.
Membros mais comuns α-tubulina e a β-tubulina, que formam os micro-túbulos.
Peso molecular de aproximadamente 55kDal.
Encontrada em todas as células Eucariotas.
Descrição da estrutura
A Tubulina é um heterodímero, ou seja, écomposta por um par de cadeias polipeptídicas, os monômeros. O modelo apresentado por Nogales,Wolf e Downing mostra que cada monômero da tubulina - alfa e beta - é um estrutura molecular compacta com três grupos funcionais ou domínios: um que liga aos nucleotídeos, outra que liga a drogas, como o taxol e a que que parece ser um ponto de ligação para outras proteínas
A interação entre os domínios é bem estreita, assim os efeitos que os nucleotídeos,drogas e outras proteínas tem na tubulina estão fortemente ligados.
As subunidades alfa e beta tubulina são levemente ácidas, com um pontos isoelétrico entre 5,2 e 5,8.
Relação da estrutura com seu papel biológico
A tubulina forma os microtúbulos, um componente do citoesqueleto,e são polímeros cilíndricos de tubulina que podem ter até 25 µm e são altamente dinâmicas. O diâmetro externo é de aproximadamente 25 nm. Microtúbulos são importantes para a manutenção da estrutura celular, provendo plataformas para transporte intracelular, formando vários processos celulares.
A formação dos microtúbulos tem como primeiro estágio a união do alfa e beta tubulina para a formação de um heterodímero. Então estes se unem a outros dímeros formando oligômeros que se elongam para formar protofilamentos. Cada dímero carrega duas moléculas de Guanosina-trifosfato(GTP), mas um destes se liga a beta-tubulina. Quando uma molécula de tubulina se une ao microtúbulo, o GTP é hidrolizado em Guanosina-difosfato(GDP). Eventualmente os oligômeros irão se unir formando um microtúbulo anelado.
Implicações práticas do conhecimento da estrutura
As tubulinas são alvo de várias drogas, sendo a principal o anticancerígeno Paclitaxel.
O paclitaxel combate suas funções hiper-sensibilizando essas estrutura. tornando a célula incapaz de usar seu citoesqueleto de maneira flexível. Mais especificamente, o paclitaxel se liga à proteína tubulina dos microtúbulos e os fixa no lugar. O complexo resultante microtúbulo/paclitaxel não pode ser desfeito. Isso afeta a célula de maneira adversa porque a gordura e o comprimento dos microtúbulos (a chamada instabilidade dinâmica) são necessários para sua função como rodovia de transporte para a célula. Os cromossomos, por exemplo, baseiam-se nesta propriedade dos microtúbulos durante a mitose.
Diagrama de fita do dímero da tubulina mostrando alfa-tubulina com ligação GTP e beta-tubulina contendo GDP
Formação de Microtúbulos por tubulinas alfa ebeta
Conclusão
A tubulina é um dos vários membros de uma pequena família de proteínas globulares. Os membros mais usuais da família da tubulina são a α-tubulina e a β-tubulina, que são as proteínas que compõem os microtúbulos. Cada uma delas tem um peso molecular de aproximadamente 55 kDa. Os microtúbulos são formados por dímeros de α- e β-tubulin. Estas subunidades são ligeiramente acídicas, com um ponto isoeléctrico entre 5,2 e 5,8.
Referências
http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1 tub;
http://www.nature.com/nature/journal/v391/n6663/full/391 199a0.html;
http://pt.wikipedia.org/wiki/Taxol;
http://www.lbl.gov/Science-Articles/Archive/3D-
tubulin.html;
http://en.wikipedia.org/wiki/Tubulin;
http://en.wikipedia.org/wiki/Microtubule;