Citoesqueleto: Estrutura e Funções

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Citoesqueleto 
Biologia Molecular e Celular II - 2014 
Citoesqueleto 
• Organização dos componentes celulares 
• Interação mecânica com o ambiente 
• Movimentos coordenados 
• Direcionamento do trânsito intracelular 
• Separação cromossômica na mitose 
 
 Ações dependentes do citoesqueleto 
“ossos e músculos” celulares 
Micrografia de fluorescência de uma célula de fibroblasto 
corada para evidenciar filamentos intermediários de 
queratina 
Componentes do citoesqueleto: 
filamentos protéicos 
MT = microtúbulos 
IF = filamentos intermediários 
AF = filamentos de actina 
Distribuição dos filamentos do citoesqueleto em 
células eucarióticas epiteliais do intestino 
Filamentos do Citoesqueleto 
• Formados por subunidades pequenas 
– associação e distribuição rápidas 
 
• Mantidos por interações fracas; 
 
• Associam-se com proteínas acessórias 
– estas regulam sua distribuição espacial e 
comportamento dinâmico. 
Estabilidade térmica de filamentos do citoesqueleto com extremidades dinâmicas. 
(Fonte: Alberts et al.) 
Filamentos intermediários 
• Não são polarizados e“intermediários” em referência ao diâmetro; 
 
• Encontrados no citoplasma em céls. de alguns animais 
(vertebrados, moluscos e nematódeos) e lâmina nuclear em eucariotos 
em geral (metazoários, mas não em plantas e unicelulares) 
 
 No citoplasma: dão resistência mecânica à tensão; 
 Estendem-se à periferia da célula, ancorando junções cél-cél.; 
 
 Formam uma rede que reveste a membrana interna do núcleo: a 
lâmina nuclear, ancorando cromossomos e poros nucleares. 
From: Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010 November; 2(11): a000547. 
doi: 10.1101/cshperspect.a000547 
The nuclear lamins form a meshwork of filaments within the lamina. (A) Spread nuclear 
envelope from Xenopus oocytes after detergent extraction and preparation for 
transmission electron microscopy by freeze-drying/unidirectional metal shadowing. The 
micrograph shows the nuclear lamina meshwork partially studded with nuclear pore 
complexes. (Inset) Higher-magnification view of a particularly well-preserved area 
clearly shows the near-tetragonal lamina meshwork. Bars, 1 µm. Reprinted from 
Stuurman et al. (1998) 
Desmossomo 
 Filamentos de queratina em células epiteliais 
 
Micrografia de 
imunofluorescência de uma rede 
de filamentos de queratina 
(verde) em células epiteliais em 
cultura. 
 
Os filamentos em cada célula 
estão indiretamente conectados 
as células vizinhas pelos 
desmossomos. 
 
 
 
Alberts B. et al. Molecular 
Biology of the Cell. 
Dímero de filamento intermediário com caudas 
globulares e domínio central -helicoidal conservado. 
Estrutura das proteínas que formam os filamentos 
intermediários 
cabeça bastão cauda 
N-terminal C-terminal 
Filamentos intermediários 
Filamentos intermediários 
Particularmente presentes no citosol de células que 
sofrem estresse mecânico 
As células permanecem 
intactas e unidas 
Ruptura das células 
Camada de células epiteliais sendo distendida 
Proteínas acessórias 
• Interligam os feixes de 
filamentos intermediários (FI) 
formando arranjos fortes e 
estáveis. 
 Ex. plectina 
 
 mantém os feixes de FI unidos 
e os conecta a microtúbulos, 
filamentos de actina e 
desmossomos Micrografia eletrônica de um fibroblasto. Em 
vermelho, os microtúbulos; 
em azul, os filamentos intermediários; e 
em verde, fibras de conexão de plectina 
e, em amarelo partículas de ouro ligadas a 
anticorpos que reconhecem a plectina 
Microtúbulos 
• Papel essencial na organização das 
céls. eucarióticas 
 
• Tubos protéicos longos e ocos 
 
• Sofrem dissociação e reassociação 
 
• Criam vias de transporte para 
vesículas e organelas 
 
• Ancoram organelas e membrana 
plasmática 
 
• Formam o fuso mitótico, cílio e flagelo 
 Microtúbulos geralmente se estendem para 
fora da estrutura organizadora 
Estrutura das subunidades de tubulina e sua organização 
nos microtúbulos 
heterodímero 
Arranjo dos protofilamentos em microtúbulos 
simples, duplos e triplos 
Estágios na montagem dos microtúbulos 
Montagem do 
protofilamento 
Montagem da 
folha 
Elongação do 
microtúbulo 
Tubulina  
Tubulina  
Extremidade (+) 
Extremidade (-) 
Há polaridade... 
Centros organizadores de microtúbulos 
• Número, posicionamento e orientação no citoplasma 
são controlados 
• Em células animais = o centrossomo é o principal centro 
organizador de microtúbulos (MTOC) 
-tubulina é o sítio de nucleação 
 
 
O crescimento 
do microtúbulo 
 é orientado. 
Micrografia eletrônica do centrossomo (centro organizador de 
microtúbulos) em uma célula animal. 
Polimerização da tubulina 
nucleada pelos complexos de γ-
tubulina 
(A) Modelo para a nucleação do 
crescimento do microtúbulo pela γ-
TuRC. 
 (B) Micrografia eletrônica de 
complexos de anéis γ-tubulina 
purificados (acima) e microtúbulos 
individuais nucleados a partir dos 
complexos de anéis de γ-tubulina 
(meio e abaixo). 
 
(A, modified from M. Moritz et al., Nature 
Cell Biol. 2:365–370, 2000; B, courtesy of Y. 
Zheng et al., Nature 378:578–583, 1994.) 
 
 
Instabilidade dinâmica 
dos microtúbulos 
• Crescimento e 
encurtamento do 
microtúbulo de forma 
dinâmica. 
 
• Deve-se a capacidade da 
tubulina de hidrolisar GTP 
 
Observação direta da instabilidade dinâmica de 
microtúbulos numa célula viva 
Microtúbulos em uma célula epitelial do pulmão de salamandra observados após a 
cél. ter sido injetada com uma pequena quantidade de tubulina marcada com 
rodamina. Quatro microtúbulos estão destacados para facilitar a observação. 
Microscopia 
crioeletrônica permite 
a observação de 
microtúbulos 
Extremidades desalinhadas 
Desmontagem (encurtamento) 
Montagem (alongamento) 
Balanço entre montagem e dissociação 
• Há uma remodelação rápida e contínua dos 
microtúbulos no citosol. 
 
 Colchicina X Taxol no fuso mitótico 
 (desestabiliza MT) x (estabiliza MT) 
 
 
 
 Drogas antimitóticas 
 
A tubulina pode ser estabilizada, evitando a despolimerazação 
atendendo às necessidades da célula. 
Efeito do taxol a organização de microtúbulos 
Microscopia de imunofluorescência mostrando a organização dos 
microtúbulos numa célula epitelial do fígado antes da adição do taxol 
(B) e depois (C). (D) Taxus, a fonte natural de taxol. 
Dinâmica dos microtúbulos 
Fonte: Lodish et al. 
Tau x microtúbulos 
Nature Reviews Drug Discovery 6, 464-
479 (June 2007) | doi:10.1038/nrd2111 
Os microtúbulos organizam a célula 
• Contribuem para a polarização das células animais; 
• Auxiliam no posicionamento das organelas e “guiam” o trânsito 
entre os diversos compartimentos celulares. 
Componentes do citoesqueleto: 
filamentos protéicos 
MT = microtúbulos 
IF = filamentos intermediários 
AF = filamentos de actina 
Filamentos de actina 
• Encontrados em todas as células eucarióticas 
• Essenciais para seu movimento: 
– Migração, fagocitose, divisão celular 
• Assim como os microtúbulos, podem formar estruturas estáveis nas 
células; 
• Subunidade é extremamente conservada entre eucariotos (~90%) 
• Diferentes proteínas de ligação à actina conferem diferentes 
funções 
A actina entre diferentes vias 
Molecular Biology of the 
Cell. Alberts B, Johnson 
A, Lewis J, et al.,2002. 
Os filamentos de actina são finos e flexíveis 
 (7nmde diâmetro) 
Há polaridade estrutural no filamento; 
Associação e dissociação ocorrem 
Polimerização da actina in vitro 
As subunidades de actina podem 
“viajar”pelo filamento 
Actina concentra-se no córtex celular 
• Os filamentos de actina são frequentemente nucleados 
na membrana citoplasmática, regulados por sinais ext. 
 
• proteínas de ligação à actina conectam os 
microfilamentos, formando uma trama de sustentação 
(Arps) ou feixes não ramificados (forminas); 
- Revisão em: K. G. Campellone & M. D. Welch. A nucleator arms 
race: cellular control of actin assembly.Nature Reviews 
Molecular Cell Biology 11, 237-251 (April 2010); 
doi:10.1038/nrm2867 
• Essa trama coordena morfologia e propriedades 
mecânicas da membrana plasmática e superfície da 
célula 
 
Rede de microfilamentos na base de um queratinócito: filamentos de 
actina ramificados com complexo Arp 2/3 nos pontos de ramificação 
(Arp= proteína relacionada à actina, catalisa a nucleação de actina) 
Estruturas de Arp 2 e Arp 3, comparadas à actina 
e modelo de nucleação do complexo Arp 
Molecular Biology of the Cell. 5th edition. 
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.; 2002. 
Phenotypes of wild-type and brk2 (Arp) mutant leaves. 
Frank M J et al. Development 2003;130:753-762 
The Major Mechanisms of Actin Nucleation in Cells and Some of their 
Accessory Proteins Both the Arp2/3 complex and formins use actin 
monomers to polymerize actin filaments. 
Robert H. Insall , Laura M. Machesky 
Actin Dynamics at the Leading Edge: From Simple Machinery to Complex Networks 
Developmental Cell Volume 17, Issue 3 2009 310 - 322 
http://dx.doi.org/10.1016/j.devcel.2009.08.012 
Filamentos de actina 
• Cerca de 5% da proteína total de 
uma célula animal é actina. 
 
½ associada a filamentos e ½ 
monomérica no citosol 
 
 
[alta], por que não se associam todas? 
 
Monômeros estão ligados a outras 
proteínas no citosol (timosina) 
 
Ou há proteínas de ligação ao 
filamento... 
Profilina 
timosina 
Fonte: Lodish et al. 
Uma microvilosidase. (A) um feixe de filamentos de actina paralelos 
ligados pelas proteínas vilina e fimbrina. As extremidades + dos 
filamentos estão na ponta do microvilus (B) Micrografia eletrônica de 
crio-fratura da superfície apical de uma célula do epitélio intestinal (C) 
Micrografia eletrônica de uma fina secção de uma microvilosidase. 
A migração celular depende da actina: ex. de um fibroblasto 
Forças produzidas pela montagem 
da rede de actina 
Alteração do formato das plaquetas durante a coagulação: 
resultado de rearranjo de actina interligada à membrana plasmática. 
em repouso exposta a agentes expandida 
 coagulantes 
Adesão 
• Quando lamelipódios e filopódios fazem contato com 
uma superfície favorável, eles ADEREM. 
 
Integrinas = proteínas transmembrana de adesão 
 
Pontos de acoramento p/ a actina e 
Ponto de apoio externamente (MEC ou céls.) 
Adesão 
Adesão focal 
extensão 
adesão 
translocação 
desadesão 
Adesão antiga 
Movimento do 
corpo celular 
Nova adesão 
lamelipódio 
Direção do movimento 
Proteínas motoras: motores moleculares 
• Proteínas motoras usam a energia da hidrólise de ATP para o 
transporte de organelas, vesículas e outros; 
 
• As vias citoplasmáticas são providas de microtúbulos (MT) e 
filamentos de actina; 
 
• O movimento é saltatório 
 
• As proteínas motoras: 
 
– Ligam-se aos MT ou aos filamentos de actina 
– Diferem quanto ao tipo de filamento ao qual se ligam e direção 
– Para os MT, pertencem à 2 famílias: cinesinas 
(preferencialmente +) e dineínas (-) 
– Possuem cabeças globulares de ligação à ATP e uma cauda 
(liga o cargo) 
Modelo de transporte no microtúbulo 
catalisado pela cinesina 
Estrutura da cinesina 
haste 
pescoço 
Cadeia 
leve 
cauda 
cabeça 
cabeça 
pescoço 
Sítios de 
ligação 
 ao MT 
A maioria das cinesinas é orientada para as extremidades mais. 
http://www.youtube.com/watch?v=YAva4g3Pk6k 
 
As cabeças globulares têm atividade ATPásica 
Cílios e flagelos 
• Microtúbulos estáveis sustentam cílio e flagelo 
• O padrão desses microtúbulos é peculiar (9+2) em 
eucariotos; 
 
Deslizamento controlado 
dos microtúbulos duplos 
externos levam aos 
batimentos ciliares e 
flagelares. 
O movimento da dineína levando à 
curvatura do flagelo 
Actina + miosina = estrutura contrátil 
• Miosina = proteína motora dependente de actina 
Hidrólise de ATP = energia p/ movimento 
 
 
cabeça de miosina 
Microfilamento de actina 
Domínio cabeça: interação com actina 
Funções do domínio cauda da miosina 
Miosina V 
Miosina I 
Miosina II: associação pelo domínio cauda 
Caudas de miosina II 
cabeças de miosina II 
Zona lisa 
O modelo do filamento deslizante na contração do músculo estriado 
http://www.youtube.com/watch?v=RmQzIS9IGUE&feature=plcp 
 
The titin-nebulin filament system stabilizes the 
alignment of thick and thin filaments in skeletal 
muscle. 
Figure 18-30, Lodish 4th edition. 
A molécula de 
miosina caminha ao 
longo do filamento de 
actina sofrendo um 
ciclo de mudanças 
estruturais. 
- + 
+ - 
- + 
+ - 
Estrutura cristalográfica das cabeças de 
miosina e cinesina: 
 indicação de origem comum 
T tubules and the sarcoplasmic reticulum. 
(Figure 16-73, Molecular Biology of the Cell, 4th edition)