Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
A capacidade de as células eucarióticas adotarem diversas formas, organiza- rem os vários componentes em seu interior, interagirem mecanicamente com o ambiente e realizarem movimentos coordenados é dependente do citoesquele- to – uma intrincada rede de filamentos proteicos que se estende pelo citoplasma (Figura 17-1). Essa arquitetura de filamentos ajuda a sustentar o grande volume do citoplasma, uma função que tem especial importância em células de animais, que não possuem parede celular. Apesar de alguns componentes do citoesquele- to estarem presentes em bactérias, o citoesqueleto é mais evidente nas grandes e estruturalmente complexas células eucarióticas. Diferentemente de nosso esqueleto ósseo, no entanto, o citoesqueleto é uma estrutura altamente dinâmica que está sob contínua reorganização, conforme as células alteram suas formas, dividem-se e respondem ao ambiente. O cito- esqueleto não funciona apenas como os “ossos” de uma célula, mas também como seus “músculos”, sendo diretamente responsável por movimentos em larga escala, incluindo o deslizamento de células sobre uma superfície, a contração das células musculares e as alterações no formato celular que ocorrem ao longo do desenvolvimento de um embrião. Sem o citoesqueleto, as feridas nunca cica- trizariam, os músculos não contrairiam, e os espermatozoides jamais encontra- riam o óvulo. Como qualquer fábrica de um produto complexo, a célula eucariótica apre- senta um compartimento interno altamente organizado, em que organelas que realizam funções especializadas estão concentradas em diferentes áreas e são conectadas por sistemas de transporte (discutidos no Capítulo 15). O citoesquele- to controla o posicionamento das organelas e fornece a maquinaria de transpor- te entre elas. Ele também é responsável pela segregação dos cromossomos nas duas células-filhas durante a divisão celular e pela separação dessas duas novas células no final da divisão, como discutimos no Capítulo 18. O citoesqueleto é construído a partir de uma estrutura composta por três ti- pos de filamentos proteicos: filamentos intermediários, microtúbulos e filamentos de actina. Cada tipo de filamento apresenta propriedades mecânicas distintas e é formado por subunidades proteicas diferentes. Uma família de proteínas fibrosas forma os filamentos intermediários; subunidades de tubulina globular formam os microtúbulos; e subunidades de actina globular formam os filamentos de actina (Figura 17-2). Em cada caso, milhares de subunidades se organizam, agregando-se em finas redes de proteínas que, em alguns casos, se estendem por toda a célula. Neste capítulo, consideramos a estrutura e a função de cada uma dessas redes de filamentos proteicos. Iniciamos com os filamentos intermediários, que fornecem resistência mecânica às células. Consideramos, então, como os micro- túbulos organizam o citoplasma das células eucarióticas e formam os apêndices móveis semelhantes a pelos, que permitem que células como protozoários e es- 17 O citoesqueleto FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS MICROTÚBULOS FILAMENTOS DE ACTINA CONTRAÇÃO MUSCULAR Alberts_17.indd 565Alberts_17.indd 565 16/01/2017 11:16:2516/01/2017 11:16:25 566 Fundamentos da Biologia Celular permatozoides possam nadar. A seguir, consideramos como o citoesqueleto de actina sustenta a superfície celular e permite que os fibroblastos e outras células movimentem-se por deslizamento. Por fim, discutimos como o citoesqueleto de actina permite a contração muscular. FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS Os filamentos intermediários apresentam uma grande resistência à tensão, e sua função principal é permitir que as células resistam ao estresse mecânico ocasionado quando são distendidas. Esses filamentos são denominados “inter- mediários” porque, nas células musculares lisas, as células nas quais foram ori- ginalmente identificados, seu diâmetro (cerca de 10 nm) está entre o diâmetro dos filamentos delgados de actina e aquele dos espessos filamentos de miosina. Os filamentos intermediários são os mais resistentes e duráveis dos filamentos 10 μm MICROTÚBULOS 25 nm FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS 25 nm FILAMENTOS DE ACTINA 25 nm 25 μm 25 μm 25 μm Filamentos intermediários são fibras semelhantes a cabos com um diâmetro de aproximadamente 10 nm; eles são compostos por proteínas fibrosas de filamentos intermediários. Um determinado tipo de filamento intermediário forma uma trama denominada lâmina nuclear logo abaixo da membrana nuclear interna. Outros tipos se estendem ao longo do citoplasma, conferindo resistência mecânica às células e distribuindo os estresses mecânicos pelo tecido epitelial via conexões que se estendem pelo citoplasma unindo as junções célula-célula. Os filamentos intermediários são bastante flexíveis e apresentam grande resistência à tensão. Eles deformam-se sob tensão, mas não se rompem. (Micrografia cortesia de Roy Quinlan.) Microtúbulos são longos cilindros ocos formados pela proteína tubulina. Eles são longos e retos e em geral possuem uma das extremidades conectadas a um centro organizador denominado centrossomo. Apresentando um diâmetro externo de 25 nm, os microtúbulos são mais rígidos do que os filamentos de actina ou os filamentos intermediários, e se rompem quando submetidos a estiramento. (Micrografia cortesia de Richard Wade.) Filamentos de actina (também conhecidos como microfilamentos) são polímeros helicoidais da proteína actina. Eles se apresentam sob a forma de estruturas flexíveis, com diâmetro de aproximadamente 7 nm, e estão organizados em uma ampla variedade de feixes lineares, redes bidimensionais e géis tridimensionais. Apesar de os filamentos de actina estarem dispersos por toda a célula, eles se encontram em maior concentração no córtex, a camada do citoplasma localizada logo abaixo da membrana plasmática. (Micrografia cortesia de Roger Craig.) Figura 17-1 O citoesqueleto dá à célula sua forma e permite que ela or- ganize seus componentes internos e se mova. Uma célula animal em cultu- ra foi marcada para mostrar dois de seus principais sistemas citoesqueléticos, os microtúbulos (verde) e os filamentos de actina (vermelho). Onde os dois filamentos se sobrepõem há o aparecimento de coloração amarela. O DNA no núcleo está marcado em azul. (Cortesia de Albert Tousson.) Figura 17-2 Os três tipos de filamentos de proteínas que formam o citoesque- leto diferem com relação a composição, propriedades mecânicas e funções no in- terior da célula. Eles estão aqui represen- tados em células epiteliais, mas estão pre- sentes em quase todas as células animais. Alberts_17.indd 566Alberts_17.indd 566 16/01/2017 11:16:2616/01/2017 11:16:26 Capítulo 17 • O citoesqueleto 567 do citoesqueleto: quando as células são tratadas com soluções salinas concen- tradas e detergentes não iônicos, os filamentos intermediários permanecem in- tactos, ao passo que a maior parte restante do citoesqueleto é destruída. Os filamentos intermediários são encontrados no citoplasma da maioria das células animais. Eles formam caracteristicamente uma rede no citoplasma, en- volvendo o núcleo e se estendendo rumo à periferia da célula. Na periferia, eles costumam estar ancorados na membrana plasmática em junções célula-célula chamadas de desmossomos (discutidos no Capítulo 20), onde a membrana plas- mática está conectada à membrana de outra célula (Figura 17-3). Os filamentos intermediários também são encontrados no interior do núcleo de todas as células eucarióticas. Nesse compartimento eles formam uma rede denominada de lâmi- na nuclear, que está subjacente ao envelope nuclear e o fortalece. Nesta seção, consideramos como a estrutura e a associação dos filamentos intermediários os tornam particularmente adequados para reforçar as células, protegendo-as con- tra rupturase forças de estiramento. Os filamentos intermediários são resistentes e semelhantes a cordas Um filamento intermediário assemelha-se a uma corda, ou cabo, em que muitos fios longos são trançados para proporcionar resistência à tração (Animação 17.1). Os fios desse cabo são compostos de proteínas de filamentos intermediários, su- bunidades fibrosas contendo, cada uma, um domínio central em haste, alongado, com diferentes domínios não estruturados em cada uma das extremidades (Figura 17-4A). O domínio em haste consiste em uma região α-hélice estendida que per- mite que o pareamento de proteínas de filamentos intermediários forme dímeros estáveis por meio do enrolamento de um dímero sobre o outro, sob uma configu- ração supertorcida ou superenrolada (Figura 17-4B), como descrito no Capítulo 4. Dois desses dímeros supertorcidos, posicionados em sentidos opostos, associam- Feixes de filamentos intermediários Desmossomo conectando duas células (B) 5 μm 10 μm (A) Figura 17-3 Os filamentos intermediários formam uma rede resistente e durável no citoplasma da célula. (A) Micrografia de imunofluorescência de uma camada de células epiteliais em cultura, coradas para mostrar a rede de filamentos intermediários de queratina (verde) que envolve os núcleos e se estende ao longo do citoplasma das células. Os filamentos de cada célula estão indire- tamente conectados aos das células adjacentes pelos desmossomos, estabelecendo uma ligação mecânica contínua entre as células, por meio da camada epitelial. Uma segunda proteína (azul) foi corada para revelar a localização dos limites celulares. (B) Esquema a partir de micrografia eletrônica de uma secção de uma célula cutânea, mostrando os feixes de filamentos intermediários que atra- vessam o citoplasma e que estão inseridos nos desmossomos. (A, cortesia de Kathleen Green e Evangeline Amargo; B, de R.V. Krstic´, Ultrastructure of the Mammalian Cell: An Atlas. Berlin: Springer, 1979. Com permissão de Springer-Verlag.) Alberts_17.indd 567Alberts_17.indd 567 16/01/2017 11:16:2616/01/2017 11:16:26 568 Fundamentos da Biologia Celular -se para formar um tetrâmero alternado (Figura 17-4C). Esses dímeros e tetrâ- meros são as subunidades solúveis dos filamentos intermediários. Os tetrâmeros associam-se uns aos outros lado a lado (Figura 17-4D) e em seguida reúnem-se para gerar o filamento intermediário final, semelhante a um cabo (Figura 17-4E). Visto que os dois dímeros apontam em direções opostas, as duas extremidades do tetrâmero são iguais, o mesmo aplicando-se às duas extremidades dos filamen- tos intermediários associados; como vamos ver, tal característica diferencia esses filamentos dos microtúbulos e dos filamentos de actina, cuja polaridade estrutural é essencial para seu funcionamento. Todas as interações entre as proteínas dos filamentos intermediários dependem exclusivamente de ligações não covalentes; é a força combinada das interações laterais sobrepostas, ao longo do comprimento das proteínas, que dá aos filamentos intermediários sua grande resistência à tração. Os domínios centrais em haste das diferentes proteínas dos filamentos in- termediários são similares tanto em tamanho quanto em sequência de aminoá- cidos, de tal modo que, quando empacotados em conjunto, sempre formam fila- mentos de diâmetro e estrutura interna semelhantes. Já os domínios terminais variam bastante em tamanho e sequência de aminoácidos de um tipo de proteína do filamento intermediário para outro. Esses domínios não estruturados estão expostos na superfície do filamento, permitindo a interação com componentes específicos no citoplasma. 48 nm NH2 Região α-hélice do monômero COOH NH2 COOH COOHNH2 Dímero supertorcido NH2 NH2 NH2 NH2 COOH COOH Tetrâmero alternado de dois dímeros supertorcidos (A) (B) (C) (D) (E) COOH COOH0,1 μm Associação lateral de 8 tetrâmeros Adição de 8 tetrâmeros ao filamento crescente Figura 17-4 Filamentos intermediários são estruturas semelhantes a cabos formadas por longas fitas proteicas enrola- das. O monômero de um filamento intermediário consiste em um domínio central em haste α-helicoidal (A), com regiões não estruturadas em ambas as extremidades (não ilustradas). Pares de monômeros se associam para a formação de um dímero (B), e dois dímeros se alinham para formar um tetrâmero antiparalelo alternado (C). Os tetrâmeros podem se unir em um arranjo helicoidal contendo oito fitas de tetrâmeros (D), que por sua vez se associam, formando o filamento intermediário final seme- lhante a um cabo (E). Uma micrografia eletrônica de filamentos intermediários é mostrada na parte superior esquerda. (Micro- grafia cortesia de Roy Quinlan.) Alberts_17.indd 568Alberts_17.indd 568 16/01/2017 11:16:2616/01/2017 11:16:26 Capítulo 17 • O citoesqueleto 569 Os filamentos intermediários reforçam as células contra estresses mecânicos Os filamentos intermediários são particularmente proeminentes no citoplasma das células que são submetidas a estresses mecânicos. Eles estão presentes em grande número, por exemplo, ao longo do comprimento dos axônios das células nervosas, fornecendo um reforço interno essencial para essas extensões celula- res extremamente finas e longas. Eles também são encontrados em abundância em células musculares e em células epiteliais, como as células da pele. Em todas essas células, os filamentos intermediários distribuem o efeito de forças aplica- das localmente, evitando assim que as células e suas membranas rompam-se ou rasguem em resposta a uma tensão mecânica. Um princípio semelhante é utili- zado para o fortalecimento de materiais compostos, como o concreto armado ou a fibra de vidro, nos quais elementos lineares de sustentação de tensão, como fibras de carbono (na fibra de vidro), ou barras de aço (no concreto), são inseridos em uma matriz de preenchimento para dar resistência ao material. Os filamentos intermediários podem ser agrupados em quatro classes: (1) fi- lamentos de queratina em células epiteliais; (2) filamentos de vimentina e relacio- nados à vimentina em células do tecido conectivo, células musculares e células de sustentação do sistema nervoso (células da neuroglia); (3) neurofilamentos em neurônios; e (4) laminas nucleares, que fortalecem o envelope nuclear. Os três pri- meiros tipos de filamentos são encontrados no citoplasma, e o quarto tipo, no nú- cleo celular (Figura 17-5). Os filamentos de cada uma dessas classes são formados pela polimerização de suas respectivas subunidades de filamentos intermediários. A mais diversificada classe de filamentos intermediários são os filamentos de queratina. Cada tipo de epitélio no corpo de um vertebrado – seja na língua, na córnea ou no revestimento do intestino – possui sua própria e distinta mistura de proteínas queratinas. Queratinas especializadas também ocorrem nos pelos, nas penas e nas unhas. Em cada caso, os filamentos de queratina são formados por uma mistura de diferentes subunidades de queratina. Os filamentos de que- ratina em geral se encontram no interior das células epiteliais, avançando de um lado ao outro da célula, estando os filamentos em células epiteliais adjacentes indiretamente ligados por meio de desmossomos (ver Figura 17-3B). As extremi- dades dos filamentos de queratina estão ancoradas nos desmossomos, e os fila- mentos associam-se lateralmente com outros componentes celulares por meio dos domínios da cabeça globular e da cauda que se projetam de sua superfície. Essa fiação de alta resistência à tensão, formada pelos filamentos ao longo da camada epitelial, distribui o estresse que ocorre quando a pele é esticada. A im- portância dessa função é ilustrada por uma rara doença genética em humanos, denominada epidermólise bolhosa simples, na qual mutações em genes da que- ratina interferem na formaçãodos filamentos de queratina da epiderme. Como consequência, a pele fica extremamente vulnerável a lesões mecânicas, e mesmo uma pressão leve pode levar à ruptura de células e à formação de bolhas na pele. A doença pode ser reproduzida em camundongos transgênicos que expressam um gene mutante de queratina na pele (Figura 17-6). Filamentos de queratina Filamentos de vimentina e relacionados à vimentina Neurofilamentos Laminas nucleares FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS CITOPLASMÁTICOS NUCLEARES Em células epiteliais Em células de tecidos conectivos, musculares e gliais Em células nervosas Em todas as células animais Figura 17-5 Os filamentos intermediá- rios são divididos em quatro classes prin- cipais. Essas classes podem incluir vários subtipos. Os humanos, por exemplo, têm mais de 50 genes de queratina. Alberts_17.indd 569Alberts_17.indd 569 16/01/2017 11:16:2616/01/2017 11:16:26 570 Fundamentos da Biologia Celular Vários filamentos intermediários são adicionalmente estabilizados e refor- çados por proteínas acessórias, como a plectina, que interliga os filamentos em feixes e liga-os aos microtúbulos, aos filamentos de actina e a estruturas aderen- tes nos desmossomos (Figura 17-7). Mutações no gene da plectina levam a uma doença terrível em humanos que combina as características da epidermólise bo- lhosa simples (causada pela ruptura da queratina da pele), da distrofia muscular (causada pela disrupção dos filamentos intermediários nos músculos) e da neuro- degeneração (causada pela ruptura de neurofilamentos). Camundongos que não possuem um gene funcional de plectina morrem poucos dias após seu nascimen- to, apresentando a pele enrugada, com bolhas e alterações da musculatura esque- lética e cardíaca. Assim, apesar de a plectina não ser necessária para a formação inicial dos filamentos intermediários, sua ação de interligação é essencial para fornecer às células a resistência necessária para enfrentar o estresse mecânico. O envelope nuclear é sustentado por uma rede de filamentos intermediários Enquanto os filamentos intermediários citoplasmáticos formam estruturas seme- lhantes a cabos ou cordas, os filamentos intermediários que revestem e reforçam a superfície da membrana nuclear interna são organizados como uma rede bidi- mensional (Figura 17-8). Como mencionado antes, os filamentos intermediários que compõem essa forte lâmina nuclear são formados a partir de uma classe de proteínas de filamentos intermediários denominadas laminas (não confundir com laminina, que é uma proteína da matriz extracelular). A lâmina nuclear se dis- socia e se reagrupa a cada divisão celular, quando o envelope nuclear é dissociado durante a mitose e reorganizado em cada célula-filha (discutido no Capítulo 18). Os filamentos intermediários citoplasmáticos também são dissociados na mitose. A dissociação e a reorganização da lâmina nuclear são controladas pela fosforilação e desfosforilação das laminas. Quando as laminas são fosforiladas por proteínas-cinase (discutidas no Capítulo 4), as alterações conformacionais resultantes enfraquecem a ligação entre os tetrâmeros de laminas e causam a (B)(A) 40 μm 0,5 μm Figura 17-6 Uma forma mutante de que- ratina torna a pele mais propensa à for- mação de bolhas. Um gene mutante que codifica uma proteína de queratina trun- cada foi introduzido em um camundongo. A proteína defeituosa associa-se às quera- tinas normais e assim interrompe a rede de filamentos de queratina na pele. (A) Micro- grafia óptica de um corte transversal de pele normal, que é resistente a pressão me- cânica. (B) Um corte transversal da pele do camundongo mutante mostra a formação de uma bolha, resultante da ruptura de cé- lulas na camada basal da epiderme mutante (seta vermelha curta). (De P.A. Coulombe et al., J. Cell Biol. 115:1661–1674, 1991. Com permissão de The Rockefeller University Press.) Figura 17-7 A plectina auxilia a forma- ção de feixes de filamentos intermediá- rios e conecta esses filamentos a outras redes proteicas do citoesqueleto. Nesta micrografia eletrônica de varredura da rede proteica do citoesqueleto de fibroblastos em cultura, os filamentos de actina foram removidos, e a plectina, os filamentos intermediários e os microtúbulos foram corados artificialmente. Observe como a plectina (verde) liga um filamento interme- diário (azul) a três microtúbulos (vermelho). Os pontos amarelos são partículas de ouro ligadas a anticorpos que reconhecem a plectina. (De T.M. Svitkina and G.G. Borisy, J. Cell Biol. 135:991–1007, 1996. Com per- missão de The Rockefeller University Press.) QUESTÃO 17-1 Quais dos seguintes tipos de células você esperaria que contivessem a maior densidade de filamentos intermediários em seu citoplasma? Explique sua resposta. A. Amoeba proteus (uma ameba de vida livre) B. Célula epitelial da pele C. Célula da musculatura lisa no tra- to digestório D. Escherichia coli E. Célula nervosa da medula espinal F. Espermatozoide G. Célula vegetal Alberts_17.indd 570Alberts_17.indd 570 16/01/2017 11:16:2616/01/2017 11:16:26 Capítulo 17 • O citoesqueleto 571 dissociação dos filamentos. A defosforilação por proteínas-fosfatase que ocorre no final da mitose promove a reassociação das laminas (ver Figura 18-30). Defeitos em um tipo específico de lamina nuclear estão associados a certos tipos de progéria – doenças raras que levam os indivíduos afetados a apresentar envelhecimento prematuro. Crianças com progéria têm pele enrugada, perdem os dentes e cabelos e frequentemente desenvolvem doenças cardiovasculares gra- ves ainda na adolescência (Figura 17-9). Ainda não se sabe como a perda de uma lamina nuclear pode resultar em uma condição tão devastadora, mas acredita-se que a instabilidade nuclear resultante leve a defeitos na divisão celular, morte celular aumentada, uma capacidade diminuída para a reparação de tecidos, ou mesmo alguma combinação desses efeitos. MICROTÚBULOS Os microtúbulos desempenham um papel essencial na organização de todas as cé- lulas eucarióticas. Esses tubos proteicos longos, ocos e relativamente rígidos podem rapidamente sofrer dissociação em um determinado local e reassociação em outro. Em uma célula animal típica, os microtúbulos crescem a partir de uma pequena es- trutura posicionada próximo ao centro da célula, denominada centrossomo (Figura 17-10A e B). Ao se estenderem para a periferia celular, os microtúbulos criam um sistema de vias dentro da célula ao longo do qual vesículas, organelas e outros com- ponentes celulares podem ser transportados. Esses microtúbulos citoplasmáticos são a principal parte do citoesqueleto responsável pelo transporte e posicionamento de organelas delimitadas por membrana dentro da célula e pela organização do transporte intracelular de diversas macromoléculas citosólicas. Quando uma célula entra em mitose, os microtúbulos citoplasmáticos se dis- sociam e a seguir se reassociam sob a forma de uma intrincada estrutura deno- minada fuso mitótico. Como discutimos no Capítulo 18, o fuso mitótico fornece a maquinaria que irá segregar os cromossomos igualmente entre as duas células- -filhas momentos antes da divisão celular (Figura 17-10C). Os microtúbulos também podem gerar estruturas estáveis, como os cílios e os flagelos com seus batimentos ritmados (Figura 17-10D). Essas estruturas semelhantes a pelos se estendem a partir da superfície de diversos tipos de células eucarióticas, que as utilizam para loco- moção ou para impulsionar líquidos sobre a sua superfície. A região central de um cílio ou flagelo eucariótico consiste em um feixe estável de microtúbulos altamente organizado. (Os flagelos bacterianos possuem uma estrutura completamente dife- rente e permitem que as células se movimentem por um mecanismo muito distinto.)Nesta seção, consideramos primeiro a estrutura e a associação dos micro- túbulos. A seguir, discutimos o seu papel na organização do citoplasma – uma habilidade que depende de sua associação a proteínas acessórias, em especial a proteínas motoras, que impulsionam organelas ao longo dos caminhos feitos pelo (B) CITOSOL Lâmina nuclear Poro nuclear Cromatina Envelope nuclear NÚCLEO (A) 1 μm Figura 17-8 Filamentos intermediários sustentam e dão resistência ao envelope nuclear. (A) Corte transversal esquemático do envelope nuclear. Os filamentos intermediários da lâmina nuclear revestem a face interna do envelope nuclear e potencialmente fornecem sítios de ancoragem para os cromossomos. (B) Micrografia eletrônica de uma porção de lâmina nuclear de um ovo de rã. A lâmina forma um padrão quadriculado de filamentos intermediários compostos de laminas. (A lâmina nuclear em outros tipos celula- res nem sempre apresenta um padrão tão regular e organizado como o aqui ilustrado.) (B, cortesia de Ueli Aebi.) Figura 17-9 Defeitos em uma lamina nuclear podem causar uma classe rara de doenças de envelhecimento prematuro chamada progéria. As crianças com pro- géria começam a mostrar características de envelhecimento avançado entre 18 e 24 meses de idade. (Cortesia de Progeria Re- search Foundation.) Alberts_17.indd 571Alberts_17.indd 571 16/01/2017 11:16:2616/01/2017 11:16:26 572 Fundamentos da Biologia Celular citoesqueleto. Por fim, discutimos a estrutura e a função dos cílios e flagelos, nos quais os microtúbulos estão estavelmente associados a proteínas motoras, responsáveis pelo batimento desses apêndices móveis. Os microtúbulos são tubos ocos com extremidades estruturalmente distintas Os microtúbulos são formados a partir de subunidades – moléculas de tubulina, cada uma delas composta por um dímero de proteínas globulares semelhantes denominadas α-tubulina e β-tubulina, ligadas fortemente entre si por interações não covalentes. Os dímeros de tubulina, por sua vez, unem-se entre si também por meio de ligações não covalentes, para a formação da parede de um microtú- bulo cilíndrico oco. Essa estrutura semelhante a um cano é um cilindro composto por 13 protofilamentos paralelos, cada um deles composto por uma cadeia linear de dímeros de tubulina com α-tubulina e β-tubulina alternadas longitudinalmente (Figura 17-11). Cada protofilamento apresenta uma polaridade estrutural, com a α-tubulina exposta em uma extremidade, e a β-tubulina exposta na extremi- (B) CÉLULA QUE NÃO ESTÁ EM DIVISÃO (C) CÉLULA EM DIVISÃO (D) CÉLULA CILIADA Centrossomo Polos do fuso mitótico Corpo basal Cílio (A) Figura 17-10 Os microtúbulos geralmen- te crescem a partir de um centro orga- nizador. (A) Micrografia de fluorescência de um arranjo citoplasmático de microtú- bulos em um fibroblasto em cultura. Ao contrário dos filamentos intermediários, os microtúbulos (verde-escuro) crescem a partir de centros organizadores, como (B) um centrossomo, (C) os dois polos de um fuso mitótico, ou (D) o corpo basal de um cílio. Eles também podem crescer a partir de fragmentos de microtúbulos já existen- tes (não ilustrado). (A, cortesia de Michael Davidson e The Florida State University Research Foundation.) Heterodímero de tubulina (=subunidade do microtúbulo) Extremidade mais (+) Extremidade menos (-) Protofilamento Microtúbulo Lúmen (C)(A) 50 nm (E) (D)(B) 25 nm β α 25 nm Figura 17-11 Os microtúbulos são tubos ocos feitos de subunidades de tubulina globular. (A) Uma subunidade de tubulina (um dímero αβ) e um protofilamento estão representados esquematicamente, junto com suas posições na parede de um mi- crotúbulo. Observe que os dímeros de tubulina estão todos arranjados no protofila- mento sob a mesma orientação. (B e C) Diagramas esquemáticos de um microtúbulo ilustrando como os dímeros de tubulina se encontram empacotados e agrupados na parede do microtúbulo. Na parte superior, 13 moléculas de β-tubulina são ilustradas em corte transversal. Abaixo delas, uma vista lateral de uma pequena secção de um microtúbulo mostra como os dímeros estão alinhados na mesma orientação em todos os protofilamentos; isso faz os microtúbulos apresentarem uma polaridade estrutural definida, com extremidades designadas como mais (+) e menos (-). (D) Micrografia eletrônica de uma secção transversal de um microtúbulo com seu anel de 13 subu- nidades distintas, cada uma das quais correspondendo a um dímero de tubulina. (E) Micrografia eletrônica de um microtúbulo visualizado longitudinalmente. (D, cortesia de Richard Linck; E, cortesia de Richard Wade.) Alberts_17.indd 572Alberts_17.indd 572 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 Capítulo 17 • O citoesqueleto 573 dade oposta, e essa polaridade – a direcionalidade intrínseca da estrutura – é a mesma em todos os protofilamentos, o que resulta em uma polaridade estrutural geral no microtúbulo. Uma extremidade do microtúbulo, potencialmente a extre- midade β-tubulina, é denominada extremidade mais (+), e a outra, a extremida- de α-tubulina, é denominada extremidade menos (-). Em uma solução concentrada de tubulina pura em um tubo de ensaio, díme- ros de tubulina serão adicionados a ambas as extremidades de um microtúbulo em crescimento. No entanto, eles são adicionados mais rapidamente à extremi- dade mais (+) do que à extremidade menos (-), razão pela qual as extremidades foram originalmente assim denominadas – e não por serem carregadas eletri- camente. A polaridade do microtúbulo – o fato de sua estrutura ter uma direção definida, com duas extremidades química e funcionalmente distintas – é crucial tanto para a associação dos microtúbulos como para a sua função após terem sido associados. Se os microtúbulos não apresentassem polaridade, eles não po- deriam, por exemplo, realizar o transporte intracelular direcionado. O centrossomo é o principal centro organizador de microtúbulos em células animais No interior das células, os microtúbulos crescem a partir de centros organizadores especializados que controlam o posicionamento, o número e a orientação dos mi- crotúbulos. Em células animais, por exemplo, o centrossomo – que costuma estar nas proximidades do núcleo celular quando a célula não se encontra em mitose – organiza um arranjo de microtúbulos que se irradia em direção à periferia, pelo citoplasma (ver Figura 17-10B). O centrossomo consiste em um par de centríolos circundado por uma matriz proteica. A matriz do centrossomo inclui centenas de estruturas em forma de anel geradas a partir de um tipo especial de tubulina, cha- mado γ-tubulina, e cada complexo do anel de γ-tubulina atua como o ponto de par- tida, ou sítio de nucleação, para o crescimento de um microtúbulo (Figura 17-12A). Os dímeros αβ-tubulina são adicionados a cada complexo do anel de γ-tubulina em uma orientação específica, de tal maneira que a extremidade menos (-) de cada um dos microtúbulos está inserida no centrossomo e o crescimento ocorre apenas na extremidade mais (+), que se estende em direção ao citoplasma (Figura 17-12B e C). Os centríolos pareados no centro do centrossomo de uma célula animal são estruturas curiosas; cada centríolo, posicionado perpendicularmente ao seu par- ceiro, é feito de um arranjo cilíndrico de microtúbulos curtos. Apesar da loca- lização, os centríolos não desempenham qualquer papel na nucleação dos mi- crotúbulos a partir do centrossomo (o complexo do anel de γ-tubulina per se é suficiente), e sua função permanece um mistério, sobretudo considerando sua inexistência em células vegetais. No entanto, os centríolos atuam como os cen- tros organizadores dos microtúbulos em cílios e flagelos, onde são denominados corpos basais (ver Figura 17-10D), como discutimos adiante. + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + Sítios de nucleação (complexos do anel de γ-tubulina) Par de centríolos (A) (B) (C) Microtúbulos crescem em suas extremidades mais (+), a partir de complexos do anel de γ-tubulina do centrossomo Matriz do centrossomo Complexos do anel de γ-tubulina (vermelho) Figura 17-12 A tubulina polimeriza a partir de sítios de nucleação de um centrossomo. (A) Desenho esquemático mostrando que o centrossomo de uma cé- lula animal consiste em uma matriz amorfa de várias proteínas, incluindo os anéis de γ-tubulina (vermelho) que promovem a nu- cleação do crescimento dos microtúbulos, envolvendo um par de centríolos orientado em ângulos retos entre si. Cada membro do par de centríolos é constituído por um arranjo cilíndrico de microtúbulos curtos. (B) Diagrama de um centrossomo com microtú- bulos associados. A extremidade menos (-) de cada um dos microtúbulos está inserida no centrossomo, tendo crescido a partir de um complexo do anel de γ-tubulina, enquanto a extremidade mais (+) de cada microtúbulo se estende para dentro do citoplasma. (C) Uma imagem reconstruída de um centrossomo de uma célula de C. elegans mostrando um denso conjunto de microtúbulos que emanam de complexos do anel de γ-tubulina. Um par de centríolos (azul) pode ser visto no centro desta estru- tura. (C, de E.T. O’Toole et al., J. Cell Biol. 163:451–456, 2003. Com permissão de The Rockefeller University Press.) Alberts_17.indd 573Alberts_17.indd 573 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 574 Fundamentos da Biologia Celular Por que os microtúbulos precisam de sítios de nucleação, como os forne- cidos pelos anéis de γ-tubulina no centrossomo? A resposta é que é muito mais difícil iniciar um novo microtúbulo a partir do zero, associando inicialmente um anel de dímeros de αβ-tubulina, do que adicionar dímeros a um complexo de anel de γ-tubulina preexistente. Embora dímeros puros de αβ-tubulina em uma concentração elevada sejam capazes de polimerizar espontaneamente em mi- crotúbulos in vitro, em uma célula viva, a concentração de αβ-tubulina livre é demasiadamente baixa para permitir a execução deste difícil passo de associa- ção do anel inicial de um novo microtúbulo. Ao fornecer centros organizadores em locais específicos, e mantendo uma baixa concentração de dímeros livres de αβ-tubulina, as células podem controlar o local de formação dos microtúbulos. Os microtúbulos em crescimento apresentam instabilidade dinâmica Após a nucleação de um microtúbulo, ele costuma crescer em direção ao exterior a partir do centro organizador durante vários minutos pela adição de dímeros αβ- tubulina à sua extremidade mais (+). Então, sem aviso prévio, o microtúbulo pode repentinamente sofrer uma transição que provoca seu rápido encolhimento pela perda de dímeros de tubulina de sua extremidade mais (+) livre (Animação 17.2). Ele pode encurtar parcialmente e, não menos abruptamente, recomeçar a crescer, ou pode desaparecer completamente, para ser substituído por um novo microtú- bulo que cresce a partir do mesmo complexo do anel de γ-tubulina (Figura 17-13). Este incrível comportamento de alternância entre polimerização e despoli- merização é conhecido como instabilidade dinâmica. Ele permite que os mi- crotúbulos sofram uma rápida remodelação e é essencial para a função dessas estruturas. Em uma célula normal, o centrossomo (ou outro centro organizador) está continuamente emitindo novos microtúbulos em diferentes direções, de for- ma exploratória, muitos dos quais se retrairão. Um microtúbulo em crescimento a partir de um centrossomo pode, no entanto, ser impedido de sofrer dissociação se sua extremidade mais (+) estiver estabilizada pela ligação a outra molécula ou estrutura celular que bloqueie a sua despolimerização. Se houver uma estabiliza- ção pela ligação a outra estrutura existente em uma região mais distante da célu- la, o microtúbulo estabelecerá uma ponte relativamente estável, conectando essa estrutura ao centrossomo (Figura 17-14). O centrossomo pode ser comparado a um pescador que lança sua linha: se a isca não é fisgada, o pescador rapidamen- te recolhe a linha e torna a lançá-la; contudo, se um peixe morder a isca, a linha permanecerá estendida, unindo o pescador e sua presa. A estratégia simples de exploração aleatória e de estabilização seletiva permite que o centrossomo e outros centros nucleadores estabeleçam um sistema altamente organizado de microtúbulos em regiões específicas da célula. A mesma estratégia é utilizada para posicionar as organelas umas em relação às outras. A instabilidade dinâmica é controlada por hidrólise de GTP A instabilidade dinâmica dos microtúbulos deriva da capacidade intrínseca dos dímeros de tubulina de hidrolisar GTP. Cada dímero de tubulina livre contém uma molécula de GTP firmemente ligada à β-tubulina, que hidrolisa o GTP em GDP (A) (B) (C) (D) Núcleo Centrossomo Proteína de capeamento de microtúbulo Microtúbulo em crescimento Microtúbulos estáveis Microtúbulos instáveis Figura 17-13 Cada microtúbulo cresce e encurta de forma independente dos microtúbulos adjacentes. O arranjo de mi- crotúbulos ancorado em um centrossomo está em constante alteração, conforme no- vos microtúbulos crescem (setas vermelhas) e microtúbulos antigos sofrem encurtamen- to (setas azuis). Figura 17-14 A estabilização seletiva de microtúbulos pode polarizar uma célula. Um microtúbulo recém-formado so- mente persistirá se suas duas extremidades estiverem protegidas contra a despolimeri- zação. Nas células, as extremidades menos (-) dos microtúbulos costumam estar prote- gidas pelos centros organizadores a partir dos quais esses microtúbulos crescem. As extremidades mais (+) estão inicialmente livres, mas podem ser estabilizadas por liga- ção a proteínas específicas. Aqui, por exem- plo, uma célula não polarizada é ilustrada em (A), com novos microtúbulos crescendo a partir de um centrossomo em diferentes direções antes de sofrerem encurtamento aleatoriamente. Se uma extremidade mais (+) encontrar uma proteína (proteína de capeamento) em uma região específica do córtex celular, ela será estabilizada (B). A es- tabilização seletiva em uma extremidade da célula irá polarizar a orientação do arranjo de microtúbulos (C) e, em última instância, irá converter a célula a uma forma forte- mente polarizada (D). Alberts_17.indd 574Alberts_17.indd 574 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 Capítulo 17 • O citoesqueleto 575 logo após a adição do dímero a um microtúbulo em crescimento. Esse GDP per- manece firmemente ligado à β-tubulina. Quando a polimerização está ocorrendo rapidamente, os dímeros da tubulina são adicionados à extremidade do micro- túbulo de maneira mais rápida do que a hidrólise do GTP a que estão ligados. Em consequência, a extremidade de um microtúbulo em rápido crescimento é composta inteiramente de dímeros de tubulina-GTP, que formam uma “capa de GTP”. Dímeros associados ao GTP ligam-se mais fortemente a seus vizinhos no microtúbulo do que dímeros ligados ao GDP, e eles formam feixes de um modo mais eficiente. Assim, o microtúbulo continuará a crescer (Figura 17-15A). Devido à aleatoriedade dos processos químicos, no entanto, ocasionalmente os dímeros de tubulina na extremidade livre do microtúbulo hidrolisarão seu GTP antes da adição dos dímeros seguintes, de tal forma que as extremidades livres dos protofilamentos estarão então compostas por tubulina-GDP. Esses dímeros com GDP associam-se mais fracamente, desequilibrando a balança a favor da despolimerização (Figura 17-15B). Considerando-se que o restante do microtú- bulo é composto por tubulina-GDP, uma vez iniciada a despolimerização, esta tenderá a ter continuidade. O microtúbulo começaráa encurtar rápida e conti- nuamente, podendo, inclusive, desaparecer. A tubulina-GDP que é liberada durante a despolimerização dos microtúbulos é incorporada ao conjunto de tubulinas não polimerizadas já presente no citosol. Em um fibroblasto típico, por exemplo, em um momento qualquer, aproximada- mente metade da tubulina celular se encontra nos microtúbulos, ao passo que a outra metade se encontra livre no citosol, formando o conjunto de dímeros da tubulina disponíveis para o crescimento de microtúbulos. Os dímeros de tubulina incorporados ao conjunto de moléculas do citosol rapidamente substituem o GDP ligado por GTP, tornando-se, desse modo, novamente passíveis de serem adicio- nados a outro microtúbulo que se encontre em fase de crescimento. A dinâmica dos microtúbulos pode ser modificada por fármacos Fármacos que impedem a polimerização ou a despolimerização dos dímeros de tubulina podem ter um grande e rápido efeito sobre a organização dos microtú- bulos e, como consequência, sobre o comportamento da célula. Considere o fuso mitótico, a maquinaria baseada em microtúbulos que orienta os cromossomos durante a mitose (ver Figura 17-10C). Se uma célula em mitose é exposta ao fár- maco colchicina, que se liga fortemente a dímeros de tubulina livre e impede a sua polimerização nos microtúbulos, o fuso mitótico desaparece rapidamente, e as células ficam bloqueadas no meio da mitose, incapazes de dividir os cromos- somos em dois grupos. Essa descoberta, e outras semelhantes, mostraram que o fuso mitótico é normalmente mantido por um balanço entre a adição e a perda de subunidades de tubulina: quando a adição de tubulina é bloqueada pela colchici- na, a perda de tubulina continua até que o fuso desapareça. O fármaco paclitaxel provoca o efeito oposto. Ele se liga fortemente aos mi- crotúbulos, impedindo que estes percam subunidades. Visto que novas subuni- dades ainda podem ser adicionadas, os microtúbulos podem crescer, mas não Dímero de tubulina com GTP ligado (tubulina-GTP) Dímeros de tubulina-GTP adicionados à extremidade em crescimento do microtúbulo A adição ocorre mais rapidamente do que a hidrólise de GTP pelos dímeros Protofilamentos contendo tubulina-GDP soltam-se da parede do microtúbulo A tubulina-GDP é liberada no citosol Capa de GTP MICROTÚBULO EM CRESCIMENTO(A) MICROTÚBULO ENCURTANDO(B) Tubulina-GDP Figura 17-15 A hidrólise de GTP controla a instabilidade dinâmica dos microtúbulos. (A) Dímeros de tubulina ligados a GTP (vermelho) se ligam mais fortemente uns aos outros do que dímeros de tubulina ligados a GDP (verde- -escuro). Portanto, as extremidades mais (+) dos microtúbulos, com rápido crescimento, e que contêm dímeros de tubulina com GTP ligado recém-adi- cionados, tendem a continuar crescendo. (B) De vez em quando, no entanto, sobretudo se o crescimento dos microtúbulos for lento, os dímeros nesta capa protetora de GTP hidrolisarão o GTP em GDP antes que novos dímeros ligados ao GTP tenham sido adicionados. A capa de GTP será, então, perdida. Visto que os dímeros ligados ao GDP ligam-se menos firmemente ao polímero, os protofilamentos “desfiam” na extremidade mais (+), e os dímeros são libera- dos, provocando o encurtamento do microtúbulo (Animação 17.3). QUESTÃO 17-2 Por que você acha que é muito mais fácil adicionar tubulina a microtúbu- los preexistentes do que dar início a um microtúbulo inteiramente novo a partir do zero? Explique como a γ-tubulina no centrossomo ajuda a superar essa dificuldade. Alberts_17.indd 575Alberts_17.indd 575 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 576 Fundamentos da Biologia Celular podem sofrer encurtamento. Entretanto, apesar dessa diferença no mecanismo de ação, o paclitaxel tem o mesmo efeito da colchicina, bloqueando a divisão das células em mitose. Tais experimentos mostram que, para o funcionamento do fuso mitótico, os microtúbulos devem ser capazes de fazer a associação e a dissociação de suas subunidades. Discutimos o comportamento do fuso em mais detalhes no Capítulo 18, ao estudarmos a mitose. A inativação ou a destruição do fuso mitótico leva à morte da célula em divisão. Como as células cancerosas se dividem de forma menos controlada do que as células normais do corpo, elas podem às vezes ser mortas preferencial- mente por fármacos antimitóticos estabilizadores ou desestabilizadores de mi- crotúbulos. Entre esses fármacos estão a colchicina, o paclitaxel, a vincristina e a vimblastina – todos utilizados no tratamento do câncer em humanos (Tabela 17-1). Como discutimos em breve, também existem fármacos estabilizadores ou desestabilizadores dos filamentos de actina. Os microtúbulos organizam o interior das células As células são capazes de modificar a instabilidade dinâmica de seus microtúbu- los para alcançar objetivos específicos. Quando uma célula entra em mitose, por exemplo, os microtúbulos se tornam inicialmente mais dinâmicos, intercalando crescimento e encurtamento com mais frequência do que normalmente o fariam os microtúbulos citoplasmáticos. Essa mudança permite que os microtúbulos se dissociem rapidamente e então se reassociem para a formação do fuso mitótico. Por outro lado, quando a célula se diferencia em um tipo celular especializado, a instabilidade dinâmica dos seus microtúbulos costuma ser suprimida por proteí- nas que se ligam a qualquer das extremidades, ou lateralmente aos microtúbu- los, estabilizando-os contra a dissociação. Os microtúbulos assim estabilizados mantêm a organização da célula diferenciada. A maioria das células animais diferenciadas apresenta polarização; ou seja, uma extremidade da célula é estrutural ou funcionalmente diferente da outra. As células nervosas, por exemplo, estendem um axônio a partir de uma extremidade da célula e dendritos a partir da outra (ver Figura 12-29). Células especializadas para secreção têm o seu aparelho de Golgi posicionado em direção ao local de secreção, e assim por diante. A polaridade da célula é um reflexo dos sistemas polarizados de microtúbulos em seu interior, que ajudam a posicionar as organe- las nas regiões onde elas são necessárias e a orientar as vias de trânsito vesicu- + +– – Corpo celular neuronal Microtúbulo Axônio Terminal do axônio Transporte inverso (em direção ao corpo celular) Transporte rumo ao terminal do axônio TABELA 17-1 Fármacos que afetam os microtúbulos Fármacos específicos para microtúbulos Ação Paclitaxel Liga-se aos microtúbulos e os estabiliza Colchicina, colcemida Liga-se a dímeros de tubulina e impede sua polimerização Vimblastina, vincristina Liga-se a dímeros de tubulina e impede sua polimerização Figura 17-16 Os microtúbulos orientam o transporte de organelas, vesículas e macromoléculas em ambos os sentidos ao longo de um axônio neuronal. Todos os microtúbulos de um axônio estão orien- tados na mesma direção, com suas extremi- dades mais (+) direcionadas para o terminal do axônio. Os microtúbulos orientados fun- cionam como uma via para o transporte di- recionado de materiais sintetizados no cor- po celular, porém necessários no terminal do axônio. No caso de um axônio que vai da medula espinal para, por exemplo, um músculo do ombro, a duração do percurso é de aproximadamente dois dias. Além des- se transporte para o exterior (círculos ver- melhos), que é promovido por um conjunto de proteínas motoras, existe um transporte no sentido inverso (círculos azuis), dirigido por outro conjunto de proteínas motoras. O transporte inverso carregará mitocôn- drias que apresentam desgastes e materiais ingeridos pelo terminal do axônio. Alberts_17.indd 576Alberts_17.indd 576 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 Capítulo 17 • O citoesqueleto 577 lar e macromolecular que existem entre os diferentes compartimentos da célu- la. Noneurônio, por exemplo, todos os microtúbulos no axônio apontam para a mesma direção, com as suas extremidades mais (+) rumo ao terminal do axônio; ao longo dessas rotas orientadas, a célula é capaz de transportar organelas, vesí- culas delimitadas por membrana e macromoléculas, seja a partir do corpo celular rumo ao terminal do axônio ou na direção oposta (Figura 17-16). Parte do tráfego ao longo dos axônios ocorre em velocidades que excedem 10 cm por dia (Figura 17-17), ou seja, ainda é necessária uma semana ou mais para que certos materiais alcancem a extremidade de um longo axônio em gran- des animais. No entanto, o movimento orientado por microtúbulos é incomen- suravelmente mais rápido e mais eficiente do que o movimento dependente da difusão livre. Uma molécula proteica se movimentando por difusão livre poderia levar anos para alcançar a extremidade de um longo axônio, isso considerando que ela completasse o percurso (ver Questão 17-12). Os microtúbulos nas células vivas não atuam isoladamente. O seu funcio- namento, assim como o de outros filamentos do citoesqueleto, depende de uma ampla variedade de proteínas acessórias, as quais se ligam a eles. Algumas des- sas proteínas associadas aos microtúbulos, por exemplo, estabilizam tais es- truturas contra a dissociação, ao passo que outras conectam os microtúbulos a outros componentes celulares, incluindo-se aqui outros filamentos do citoesque- leto (ver Figura 17-7). Outras ainda são proteínas motoras que transportam ativa- mente organelas, vesículas e outras macromoléculas ao longo dos microtúbulos. Proteínas motoras direcionam o transporte intracelular Se uma célula viva é observada sob microscopia óptica, seu citoplasma se apre- senta em constante movimento. As mitocôndrias e as pequenas vesículas e or- ganelas delimitadas por membranas movimentam-se em passos pequenos e ir- regulares – movendo-se por um curto período de tempo, parando e, em seguida, movendo-se novamente. Esse movimento saltatório é muito mais sustentado e direcional do que os pequenos e contínuos movimentos brownianos causados por alterações térmicas aleatórias. Os movimentos saltatórios podem ocorrer tanto nos microtúbulos como nos filamentos de actina. Em ambos os casos, os movimentos são direcionados por proteínas motoras, que usam a energia deri- vada de ciclos repetidos de hidrólise de ATP para viajar continuamente ao longo do microtúbulo ou dos filamentos de actina em um sentido determinado (ver Figura 4-46). Uma vez que as proteínas motoras também se ligam a outros com- ponentes celulares, elas podem transportar essa carga ao longo dos filamentos. Existem dezenas de proteínas motoras diferentes; elas diferem em relação ao tipo de filamento ao qual se ligam, à direção na qual se movimentam ao longo do filamento e à carga transportada. As proteínas motoras que se movem ao longo dos microtúbulos citoplasmá- ticos, como os de um axônio de uma célula nervosa, pertencem a duas famílias: as cinesinas em geral se movem rumo à extremidade mais (+) de um microtú- 5 μm Mitocôndria QUESTÃO 17-3 A instabilidade dinâmica faz os microtúbulos crescerem ou encur- tarem rapidamente. Considere um microtúbulo individual que está em sua fase de encurtamento. A. O que deve acontecer na extre- midade do microtúbulo para que ele pare de encurtar e dê início ao crescimento? B. Como uma alteração nas concen- trações de tubulina afetaria essa mudança? C. O que aconteceria se apenas o GDP estivesse presente na solu- ção, estando o GTP ausente? D. O que aconteceria se a solução contivesse um análogo de GTP que não pudesse ser hidrolisado? Figura 17-17 As organelas podem mover-se rápida e unidirecionalmente no axônio de uma célula nervosa. Nesta série de imagens de vídeo feitas a partir de uma região aplainada de um axônio neu- ronal de um invertebrado, numerosas vesí- culas delimitadas por membranas e mito- côndrias estão presentes, muitas das quais podem ser vistas em movimento. O círculo branco fornece uma referência fixa. Essas imagens foram realizadas em intervalos de 400 milissegundos. As duas vesículas no círculo estão se movendo para fora, com os microtúbulos, em direção ao terminal do axônio. (Cortesia de P. Forscher.) Alberts_17.indd 577Alberts_17.indd 577 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 578 Fundamentos da Biologia Celular bulo (rumo à periferia da célula na Figura 17-16); e as dineínas se movem em direção à extremidade menos (-) (rumo ao corpo celular na Figura 17-16). Tan- to as cinesinas como as dineínas são geralmente dímeros que têm duas cabe- ças globulares de ligação a ATP e uma cauda única (Figura 17-18A). As cabeças interagem com os microtúbulos de maneira estereoespecífica, de modo que a proteína motora se conecte a um microtúbulo em um único sentido. A cauda de uma proteína motora costuma ligar-se de modo estável a algum componente celular, como uma vesícula ou uma organela, e, assim, determina o tipo de carga que a proteína motora pode transportar (Figura 17-19). As cabeças globulares das cinesinas e dineínas são enzimas com atividade de hidrólise de ATP (ATPa- se). Essa reação fornece a energia para a condução de uma série controlada de alterações conformacionais na cabeça, que permitem que ela se mova ao longo do microtúbulo por ciclos de ligação, liberação e religação a essa estrutura (ver Figura 17-18B e Figura 4-46). Para uma discussão sobre a descoberta e o estudo das proteínas motoras, ver Como Sabemos, p. 580-581. Microtúbulos e proteínas motoras posicionam as organelas no citoplasma Os microtúbulos e as proteínas motoras desempenham um papel importante no posicionamento das organelas no interior de uma célula eucariótica. Na maioria das células animais, por exemplo, os túbulos do retículo endoplasmático (RE) praticamente atingem os limites da célula (Animação 17.4), enquanto o apare- lho de Golgi está localizado no interior da célula, perto do centrossomo (Figura 17-20A). O RE se estende a partir dos seus pontos de conexão com o envelope nuclear ao longo dos microtúbulos, que avançam do centrossomo, posicionado centralmente, até a membrana plasmática. Conforme uma célula cresce, cinesi- (A) Dineína CinesinaCabeça globular Cauda 10 nm Microtúbulo Extremidade menos (-) Extremidade mais (+) (B) Extremidade menos (-) Extremidade mais (+) CINESINAS DINEÍNAS Carga Microtúbulo Cauda Cabeça globular Cabeça globular Cauda Carga Figura 17-18 Tanto as cinesinas como as dineínas movem-se sobre os microtú- bulos usando suas cabeças globulares. (A) Cinesinas e dineínas citoplasmáticas são proteínas motoras de microtúbulos que geralmente se movem em sentidos opostos sobre esse suporte. Cada uma des- sas proteínas (aqui desenhadas em escala aproximada) é um dímero composto por duas subunidades idênticas. Cada dímero possui duas cabeças globulares em uma extremidade, que se ligam e hidrolisam ATP e interagem com os microtúbulos, e uma cauda única, na outra extremidade, a qual interage com a carga (não representada). (B) Diagrama esquemático de uma proteína motora genérica “caminhando” ao longo de um filamento; essas proteínas utilizam a energia da hidrólise do ATP para se mover unidirecionalmente ao longo do filamento, como ilustrado na Figura 4-46. (Ver também Figura 17-22B.) Figura 17-19 Diferentes proteínas moto- ras transportam diferentes tipos de car- gas ao longo dos microtúbulos. A maior parte das cinesinas se move em direção à extremidade mais (+) de um microtúbulo, ao passo que as dineínas se movem rumo à extremidade menos (-) (Animação 17.5). Ambos os tipos de proteínas motoras de microtúbulos ocorrem sob diferentes for- mas, que supostamente são responsáveis pelo transporte de diferentes tipos de cargas. A cauda de uma proteínamotora determina a carga que será transportada. Alberts_17.indd 578Alberts_17.indd 578 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 Capítulo 17 • O citoesqueleto 579 nas ligadas à face externa da membrana do RE (via proteínas receptoras) impul- sionam o RE para fora, ao longo dos microtúbulos, esticando-o como uma rede (Figura 17-20B). Dineínas citoplasmáticas ligadas às membranas do Golgi puxam o aparelho de Golgi sobre os microtúbulos na direção oposta, rumo ao núcleo (Figura 17-20C). Desse modo, são criadas e mantidas diferenças regionais – es- senciais para suas funções específicas – nestas membranas internas. Quando as células são tratadas com colchicina, um fármaco que provoca a dissociação dos microtúbulos, tanto o RE quanto o aparelho de Golgi têm a sua localização drasticamente alterada. O RE, que está conectado ao envelope nuclear, colapsa em torno do núcleo; o aparelho de Golgi, que não está ligado a qualquer outra organela, sofre fragmentação em pequenas vesículas que se dispersam por todo o citoplasma. Quando a colchicina é removida, as organelas retornam às suas posições originais, impulsionadas por proteínas motoras que se movem ao longo dos microtúbulos reorganizados. Os cílios e os flagelos contêm microtúbulos estáveis movimentados pela dineína Mencionamos antes que diversos microtúbulos celulares estão estabilizados por meio de sua associação a outras proteínas e, consequentemente, não apresen- tam instabilidade dinâmica. As células usam esses microtúbulos estáveis como suportes rígidos na construção de uma ampla variedade de estruturas polariza- das, incluindo cílios e flagelos móveis. Os cílios são estruturas semelhantes a pelos, com cerca de 0,25 μm de diâmetro, cobertos por membrana plasmática, que se estendem a partir da superfície de diversos tipos de células eucarióticas; cada cílio contém um núcleo de microtúbulos estáveis dispostos em um feixe, que crescem a partir de um corpo basal citoplasmático, que atua como um centro organizador (ver Figura 17-10D). (A) (B) 10 μm (C) Figura 17-20 Os microtúbulos ajudam a posicionar as organelas em uma célula eucariótica. (A) Diagrama esquemático de uma célula mostrando o arranjo típico de microtúbulos citoplasmáticos (verde-escuro), o retículo endoplasmático (azul) e o apare- lho de Golgi (amarelo). O núcleo está ilustrado em marrom, e o centrossomo, em verde-claro. (B) Uma porção de uma célula em cultura corada com anticorpos dirigidos contra o retículo endoplasmático (azul, painel superior) e contra os microtúbulos (verde, painel inferior). Proteínas motoras cinesinas impulsionam o retículo endoplasmático para fora ao longo dos microtúbulos. (C) Uma célula diferente em cultura, corada com anticorpos contra o aparelho de Golgi (amarelo, painel superior) e contra os microtúbulos (verde, painel inferior). Neste caso, dineínas citoplasmáticas empurram o aparelho de Golgi para o interior da célula, ao longo dos microtúbulos, rumo à sua posição perto do centrossomo, que não está visível mas se localiza, em relação ao núcleo, no mesmo lado do Golgi. (B, cortesia de Mark Terasaki, Lan Bo Chen e Keigi Fujiwara; C, cortesia de Viki Allan e Thomas Kreis.) Alberts_17.indd 579Alberts_17.indd 579 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 580 COMO SABEMOS PERSEGUINDO PROTEÍNAS MOTORAS ASSOCIADAS AO MICROTÚBULO O movimento das organelas ao longo do citoplasma de uma célula tem sido observado e medido e tem fornecido material para especulações desde a metade do século XIX. No entanto, apenas na metade da década de 1980 é que os biólogos foram capazes de identificar as moléculas que direcionam esse movi- mento de organelas e vesículas de uma região para outra den- tro da célula. Qual o motivo desse intervalo entre a observação e a com- preensão? O problema estava nas proteínas – ou, mais precisa- mente, na dificuldade de estudá-las isoladamente fora das cé- lulas. Para investigar a atividade de uma enzima, por exemplo, os bioquímicos em primeiro lugar purificam o polipeptídeo: eles rompem as células ou tecidos e separam a proteína de interesse dos demais componentes moleculares (ver Painéis 4-4 e 4-5, p. 166-167). Eles podem, em seguida, estudar a proteína em um tubo de ensaio (in vitro), controlando a sua exposição a subs- tratos, inibidores, ATP, e assim por diante. Infelizmente, essa abordagem não parece funcionar para estudos que envolvem a maquinaria de motilidade associada ao transporte intracelular. Não é possível romper uma célula e recuperar um sistema de transporte intacto completamente ativo, livre de materiais con- taminantes, que mantenha a capacidade de transportar mito- côndrias e vesículas de um lugar a outro. Esse problema foi resolvido por avanços técnicos em duas áreas distintas. No início, melhorias na microscopia permiti- ram aos biólogos compreender que um sistema de transpor- te operacional (com material extrínseco ainda ligado a ele) poderia ser obtido a partir do material espremido de um tipo adequado de célula viva. Simultaneamente, os bioquímicos perceberam que poderiam formar um sistema de transporte funcional começando do zero – usando filamentos do cito- esqueleto, motores e cargas purificados – fora da célula. Tais descobertas tiveram início com uma lula. Um citoplasma borbulhante Neurocientistas interessados nas propriedades elétricas das membranas de células nervosas estudaram amplamente o axônio gigante de lula (ver Como Sabemos, p. 406-407). Em razão do seu grande tamanho, os pesquisadores observaram que era possível espremer o citoplasma de um axônio como se fosse um tubo de pasta de dentes e então estudar como os íons se moviam para dentro e para fora pelos diversos canais da membrana plasmática vazia que se assemelhava a um tubo (ver Figura 12-33). Os fisiologistas simplesmente descartavam o citoplasma gelatinoso, tendo em vista sua aparência inerte (e, como consequência, sem interesse) quando examinado sob microscopia óptica padrão. Então surgiu a videomicroscopia. Este tipo de microsco- pia, desenvolvido por Shinya Inoué, Robert Allen e outros, per- mite detectar estruturas de tamanho inferior ao poder de reso- lução de microscópios ópticos padrão, que é apenas de cerca de 0,2 μm, ou 200 nm (ver Painel 1-1, p. 10-11). Imagens amos- trais são capturadas por uma câmera de vídeo e depois au- mentadas por processamento computadorizado para redução da interferência e realce do contraste. Quando os pesquisado- res, no início da década de 1980, aplicaram essa nova técnica a preparações de citoplasma de axônio de lula (axoplasma), eles observaram, pela primeira vez, o movimento de vesículas e outras organelas ao longo de filamentos do citoesqueleto. Sob a videomicroscopia, o axoplasma que sofreu extrusão parece borbulhar com minúsculas partículas – de vesículas de 30 a 50 nm de diâmetro a mitocôndrias com cerca de 5.000 nm de comprimento, movendo-se em todas as direções ao longo do citoesqueleto a velocidades de até 5 μm por segundo. Se o axoplasma for espalhado em uma espessura suficientemente fina, os filamentos individuais podem ser observados. O movimento permanece por horas, permitindo que os pesquisadores manipulem a preparação e estudem os efei- tos dessas manipulações. Ray Lasek e Scott Brady descobri- ram, por exemplo, que o movimento de organelas requer ATP. A substituição por análogos de ATP, como AMP-PNP, que se assemelham ao ATP, mas não podem ser hidrolisados (e, por- tanto, não fornecem energia), inibe a translocação. Tubos serpenteantes Foi necessário mais trabalho para a identificação dos compo- nentes individuais que controlam o sistema de transporte nos axônios de lula. Que tipo de filamentos daria suporte a este movimento? Quais são os motores moleculares que transpor- tam as vesículas e as organelas ao longo desses filamentos? A identificação dosfilamentos foi relativamente fácil: o uso de anticorpos contra a tubulina revelou que eles são microtú- bulos. E em relação às proteínas motoras? Com o objetivo de identificá-las, Ron Vale, Thomas Reese e Michael Sheetz de- senvolveram um sistema por meio do qual seria possível “pes- car” as proteínas que impulsionam o movimento de organelas. Sua estratégia era simples, mas elegante: colocar em um mesmo local microtúbulos e organelas e então procurar por moléculas que induzissem movimento. Eles usaram microtú- bulos purificados de encéfalo de lula, acrescentaram organe- las isoladas de axônios de lula e mostraram que poderia ser desencadeado o movimento das organelas pela adição de um extrato de axoplasma de lula. Nessa preparação, os pesqui- sadores puderam tanto observar as organelas transitando ao longo dos microtúbulos como assistir ao serpentear de micro- túbulos deslizando sobre a superfície de uma lamínula de vi- dro previamente revestida com um extrato de axoplasma (ver Questão 17-18). Seu desafio era isolar a proteína responsável pelo movimento nesse sistema reconstituído. Para isso, Vale e seus colegas aproveitaram o trabalho an- terior com o análogo de ATP, AMP-PNP. Embora esse análogo iniba o movimento de vesículas ao longo dos microtúbulos, ele ainda permite que as organelas se liguem aos filamentos dos microtúbulos. Assim, os pesquisadores incubaram o extrato de axoplasma com microtúbulos e organelas na presença de AMP-PNP; a seguir, purificaram os microtúbulos associados a Alberts_17.indd 580Alberts_17.indd 580 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 Capítulo 17 • O citoesqueleto 581 1 μm 0 1 2 Tempo (s) (A) (B) 1 2 3 1 μm 16 nm Extre- midade menos (-) Microtúbulo Extremidade mais (+) 1 2 3 4 5 Cauda da cinesina Cabeças da cinesina moléculas que talvez fossem as proteínas motoras esperadas. Em seguida, Vale e sua equipe adicionaram ATP para liberar as proteínas ligadas e encontraram um polipeptídeo de 110 quilo- dáltons que podia estimular o deslizamento de microtúbulos sobre uma lamínula de vidro (Figura 17-21). Eles denominaram essa molécula cinesina (do grego kinein, “mover”). Ensaios de motilidade in vitro similares foram funda- mentais para o estudo de outras proteínas motoras, como as miosinas, que se movem ao longo de filamentos de actina, como discutimos adiante. Estudos subsequentes mostraram que as cinesinas se movem ao longo dos microtúbulos a par- tir da extremidade menos (-) rumo à extremidade mais (+); eles também identificaram muitas outras proteínas motoras da família da cinesina. Luzes, câmera, ação Combinando esses ensaios com técnicas de microscopia cada vez mais refinadas, os pesquisadores podem, atualmente, mo- nitorar o movimento de proteínas motoras individuais ao lon- go de um microtúbulo isolado, mesmo em células vivas. A observação de moléculas de cinesina acopladas à pro- teína verde fluorescente (GFP) revelou que essa proteína motora move-se de forma processiva ao longo dos microtúbulos, isto é, cada molécula dá vários “passos” ao longo do filamento (100 ou mais) antes de desconectar-se. O comprimento de cada passo equivale a 8 nm, o que corresponde ao espaçamento dos díme- ros de tubulina individuais ao longo do microtúbulo. A com- binação dessas observações com ensaios de hidrólise de ATP permitiu aos investigadores confirmarem que uma molécula de ATP é hidrolisada a cada passo. A cinesina pode mover-se de modo processivo porque possui duas cabeças. Isso lhe permite caminhar rumo à extremidade mais (+) dos microtúbulos em um sistema “pé ante pé”, cada cabeça repetidamente ligando-se ao filamento e sendo liberada do filamento conforme ultrapas- sa a cabeça ligada à sua frente (Figura 17-22). Tais estudos ago- ra nos permitem seguir os passos dessas proteínas fascinantes e trabalhadoras – um passo molecular de cada vez. Figura 17-21 A cinesina provoca o deslizamento dos micro- túbulos in vitro. Em um ensaio de motilidade in vitro, cinesina purificada é misturada com microtúbulos na presença de ATP. Quando uma gota dessa mistura é colocada sobre uma lâmina de vidro e observada por videomicroscopia, microtúbulos indivi- duais podem ser vistos deslizando sobre a lâmina. Eles são movi- dos por moléculas de cinesina, que se ligam à lamínula de vidro pelas suas caudas. As imagens foram obtidas em intervalos de 1 segundo. Os microtúbulos artificialmente corados moveram-se a cerca de 1 a 2 μm/s. (Cortesia de Nick Carter e Rob Cross.) Figura 17-22 Uma molécula indi- vidual de cinesina que se move ao longo de um microtúbulo. (A) Três quadros, separados por intervalos de 1 segundo, mostram o movimento de uma molécula individual de cinesina- -GFP (vermelho) ao longo de um dos microtúbulos (verde); a cinesina mar- cada move-se a uma velocidade de 0,3 μm/s. (B) Uma série de modelos moleculares das duas cabeças de uma molécula de cinesina, mostrando como se acredita que elas caminhem progres- sivamente ao longo de um microtúbulo, em uma série de passos de 8 nm, com as cabeças ultrapassando uma à outra (Animação 17.6). (A e B, cortesia de Ron Vale.) Alberts_17.indd 581Alberts_17.indd 581 16/01/2017 11:16:2716/01/2017 11:16:27 582 Fundamentos da Biologia Celular Os cílios batem como chicotes, impulsionando líquidos sobre a superfície de uma célula ou impelindo células individuais por meio de um líquido. Alguns pro- tozoários, por exemplo, utilizam cílios para a coleta de partículas de alimento, e outros os utilizam para a locomoção. Nas células epiteliais que revestem o trato respiratório humano (Figura 17-23), um grande número de cílios motores (mais de um bilhão por centímetro quadrado) varre camadas de muco contendo partículas de poeira e células mortas em direção à garganta, para que esse muco seja engoli- do e, por fim, eliminado do corpo. Da mesma forma, cílios motores nas células da parede do oviduto criam uma corrente que ajuda a transportar os óvulos ao longo do oviduto. Cada cílio atua como um pequeno remo, batendo em um ciclo repetido que gera o movimento do líquido sobre a superfície celular (Figura 17-24). Os flagelos que impulsionam os espermatozoides e diversos tipos de proto- zoários são bastante semelhantes aos cílios no que diz respeito à sua estrutura interna, mas, em geral, são muito mais longos. Eles foram concebidos para mover toda a célula, em vez de movimentar líquidos sobre a superfície da célula. Os fla- gelos propagam ondas regulares ao longo de seu comprimento, impulsionando a célula à qual estão conectados (Figura 17-25). Os microtúbulos dos cílios e flagelos são ligeiramente diferentes daqueles encontrados no citoplasma; eles estão organizados em um padrão distinto e curioso, o qual foi uma das mais impressionantes revelações à época do surgi- mento da microscopia eletrônica. A secção transversal de um cílio mostra nove pares de microtúbulos organizados em anel, em torno de um único par de micro- túbulos isolados (Figura 17-26A). Este arranjo “9 + 2” é característico de pratica- mente todos os cílios e flagelos eucarióticos – de protozoários a humanos. O movimento de um cílio ou um flagelo é produzido pela flexão de sua região central, conforme os microtúbulos deslizam uns sobre os outros. Os microtúbulos estão associados a diversas proteínas acessórias (Figura 17-26B), que se projetam a intervalos regulares ao longo do comprimento do feixe de microtúbulos. Algu- mas dessas proteínas atuam como interligadoras para a manutenção da estrutura do feixe de microtúbulos, e outras geram a força que provoca a flexão do cílio. A mais importante das proteínas acessórias é a proteína motora dineína ci- liar, que gera o movimento de flexão na região central. Ela está intimamente re- lacionada à dineína citoplasmática e atua de modo muitosemelhante. A dineína ciliar está conectada por sua cauda a um microtúbulo, ao mesmo tempo em que suas duas cabeças interagem com um microtúbulo adjacente para gerar a força de deslizamento entre esses dois microtúbulos. Devido às múltiplas ligações que mantêm unidos os pares de microtúbulos adjacentes, a força de deslizamento entre microtúbulos adjacentes é convertida em um movimento de flexão no cílio (Figura 17-27). Em humanos, defeitos hereditários na dineína ciliar provocam a síndrome de Kartagener. Os homens com essa doença não são férteis em razão 5 μm Figura 17-23 Muitos cílios semelhantes a pelos projetam-se da superfície das células epiteliais que revestem o trato respiratório humano. Nesta micrografia eletrônica de varredura, tufos espessos de cílios podem ser vistos nestas células cilia- das, que estão intercaladas a células epite- liais não ciliadas com superfícies em forma de cúpula. (Reproduzida de R.G. Kessel e R.H. Karden, Tissues and Organs. San Fran- cisco: W.H. Freeman & Co., 1979.) Movimento de potência Figura 17-24 Um cílio bate efetuando ciclos repetitivos de movimentos que consistem em um movimento de potência seguido por um movimento de recupera- ção. No rápido movimento de potência, o cílio se encontra totalmente distendido, e o líquido é direcionado sobre a superfície da célula. No movimento de recuperação, mais lento, o cílio se recurva em uma posição que provoca o menor distúrbio possível no líquido adjacente. Cada ciclo requer em geral 0,1 a 0,2 segundos e gera uma força paralela à superfície da célula. Alberts_17.indd 582Alberts_17.indd 582 16/01/2017 11:16:2816/01/2017 11:16:28 Capítulo 17 • O citoesqueleto 583 da ausência de motilidade dos espermatozoides, e eles apresentam aumento na suscetibilidade a infecções brônquicas, pois os cílios que revestem seu trato res- piratório se encontram inativos e, portanto, incapazes de eliminar bactérias ou outros resíduos dos pulmões. Muitas células animais que não possuem cílios motores contêm um único cílio primário não móvel. Tal apêndice é muito mais curto do que um cílio motor e funciona como uma antena para a detecção de determinadas moléculas de sinalização extracelular. FILAMENTOS DE ACTINA Os filamentos de actina, os polímeros da proteína actina, estão presentes em todas as células eucarióticas e são essenciais para vários movimentos celulares, especialmente aqueles que envolvem a superfície da célula. Sem os filamentos de actina, por exemplo, uma célula animal não poderia migrar (ou deslizar) sobre uma superfície, englobar uma partícula grande por fagocitose ou dividir-se em duas. Assim como os microtúbulos, diversos filamentos de actina apresentam instabilidade, mas, associando-se a outras proteínas, eles também podem for- mar estruturas estáveis nas células, como os complexos contráteis nas células musculares. Os filamentos de actina interagem com uma grande quantidade de proteínas de ligação à actina, o que permite que desempenhem uma ampla gama de atividades nas células. Dependendo das proteínas associadas, os filamentos de actina podem formar estruturas rígidas e estáveis, como as microvilosidades nas células epiteliais que revestem o intestino (Figura 17-28A) ou os pequenos feixes contráteis que podem contrair e atuar como pequenos músculos na maio- ria das células animais (Figura 17-28B). Eles também podem formar estruturas temporárias, como as protrusões dinâmicas formadas na borda anterior de uma Figura 17-25 Os flagelos impulsionam uma célula ao longo de líquidos utilizando um movimento ondulatório repetitivo. O movimento de um úni- co flagelo em um espermatozoide de um invertebrado é visto em uma série de imagens captadas por iluminação estroboscópica com velocidade de 400 disparos por segundo. (Cortesia de Charles J. Brokaw.) (A) 100 nm Camada interna Microtúbulo central único Raio radial Braço externo de dineína Nexina Membrana plasmática Braço interno de dineína Microtúbulo A Par de microtúbulos externos (B) Microtúbulo B Figura 17-26 Os microtúbulos em um cílio ou flagelo estão organizados em um arranjo “9 + 2”. (A) Micrografia eletrônica de um flagelo da alga unicelular Chlamydomonas mostrado em secção transversal, ilustrando a organização 9 + 2 característica dos mi- crotúbulos. (B) Diagrama do corte transversal de um flagelo. Os nove microtúbulos externos (cada um deles uma estrutura pareada especial) apresentam duas colunas de moléculas de dineína. As cabeças de cada molécula de dineína aparecem nesta fotografia como braços que avançam em direção ao par de microtúbulos adjacente. Em cílios in vivo, essas cabeças de dineína fazem contato periodicamente com o par de microtúbulos adjacente e se movem ao longo dele, produzindo, assim, a força para o batimento ciliar. As diversas outras ligações e projeções ilustradas representam proteínas que servem para manter unido o feixe de microtúbulos e para converter a força de deslizamento produzida pelas dineínas em flexão, como ilustrado na Figura 17-27. (A, cortesia de Lewis Tilney.) Alberts_17.indd 583Alberts_17.indd 583 16/01/2017 11:16:2816/01/2017 11:16:28 584 Fundamentos da Biologia Celular célula que desliza (Figura 17-28C) ou o anel contrátil, que comprime o citoplasma separando-o em dois quando há divisão de uma célula animal (Figura 17-28D). Movimentos dependentes de actina em geral requerem a associação da actina a uma proteína motora denominada miosina. Nesta seção, consideramos como os arranjos de filamentos de actina em uma célula dependem dos diferentes tipos de proteínas de ligação à actina pre- sentes. Ainda que os filamentos de actina e microtúbulos sejam formados a partir de tipos não relacionados de subunidades proteicas, vamos ver que os princí- pios que ditam sua associação e dissociação, o controle da estrutura celular e o trabalho conjunto com proteínas motoras para a produção de movimento são incrivelmente semelhantes. Os filamentos de actina são finos e flexíveis Os filamentos de actina são visualizados sob microscopia eletrônica como fitas de cerca de 7 nm de diâmetro. Cada filamento é composto por uma cadeia es- piralada de monômeros idênticos de actina globular, todos “apontando” para a mesma direção em relação ao eixo da cadeia. Assim, do mesmo modo que um microtúbulo, um filamento de actina apresenta uma polaridade estrutural, com uma extremidade mais (+) e uma extremidade menos (-) (Figura 17-29). Os filamentos de actina são mais delgados e flexíveis e, em geral, mais curtos do que os microtúbulos. No entanto, existem muito mais filamentos individuais de actina do que microtúbulos em uma célula, de modo que o comprimento total dos filamentos de actina de uma célula é muitas vezes superior ao comprimento total dos microtúbulos. Diferentemente dos filamentos intermediários e dos microtúbu- los, os filamentos de actina raramente ocorrem de forma isolada nas células: eles costumam ser encontrados em feixes interligados e em redes – estruturas que apre- sentam uma resistência muito superior se comparadas a filamentos individuais. + + + + + + – – – – – – +ATP FLEXÃO Proteínas de ligação EM UM FLAGELO NORMAL: A DINEÍNA PROVOCA A FLEXÃO DOS MICROTÚBULOS (B)EM PARES ISOLADOS DE MICROTÚBULOS: A DINEÍNA PROVOCA O DESLIZAMENTO DOS MICROTÚBULOS (A) + + – – DESLIZA- MENTO (A) (B) (C) (D) Figura 17-27 O movimento da dineína provoca a flexão do flagelo. (A) Se os pares externos de microtúbulos e suas mo- léculas associadas de dineína são liberados dos outros componentes em um flagelo de um espermatozoide e a seguir são expostos ao ATP, ocorre o deslizamento linear de um par de microtúbulos sobre o outro, devido à ação repetida das dineínas a eles associa- das. (B) Em um flagelo intacto,
Compartilhar