Citoesqueleto: Estrutura e Funções

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Citoesqueleto 
Introdução
 O citoesqueleto é o esqueleto da 
célula, formado por: 
 Filamentos intermediários; 
 Filamentos de actina; 
 Microtúbulos. 
Funções 
 Controla a organização interna da 
célula; 
 Estrutura e sustentação; 
 Formato da célula; 
 Absorver os choques mecânicos a 
que os tecidos estão sujeitos e 
evitar que uma célula se desgrude 
da outra; 
 Ancorados em desmossomos 
(filamentos intermediários de 
queratina). Evitar que a célula se 
desgrude do tecido conjuntivo 
adjacente (hemidesmossomos); 
 Separar seus componentes 
internos em duas células-filhas na 
divisão celular; 
 Promovem e guiam os 
movimentos celulares (dobra, 
estica, nada ou arrasta livremente); 
 As proteínas motoras se deslocam 
ao longo dessas trilhas e cabos, 
carregando organelas e proteínas 
pelo citoplasma da célula 
eucariótica. 
 
Histologia 
No músculo, os miofilamentos 
contráteis permitem com que a célula se 
contraia. No interior dessa célula, há 
filamentos do citoesqueleto (actina) e 
proteínas motoras (miosina) que 
promovem deslizamento dos filamentos, 
conferindo a contração muscular. 
Um neurônio possui prolongamentos 
chamados axônios que permitem que eles 
mantenham seu formato alongado. O 
citoesqueleto possui, nesse caso, função 
estrutural e de transporte de 
neurotransmissores. 
 
Classificação 
O citoesqueleto é uma estrutura 
altamente dinâmica que está sob 
contínua reorganização. Essa rede de 
filamentos proteicos que cruza o 
citoplasma de células eucarióticas será 
classificada de acordo com o diâmetro de 
seus filamentos. 
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. 
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. 
Filamentos intermediários 
 
 Fibras semelhantes a cabos com 
um diâmetro de aproximadamente 
10 nm; 
 Apresentam uma grande 
resistência à tensão; 
 Permite que as células resistam ao 
estresse mecânico ocasionado 
quando são distendidas; 
 São os mais resistentes e duráveis; 
 Formam caracteristicamente uma 
rede no citoplasma, envolvendo o 
núcleo (laminas nucleares) e se 
estendendo rumo à periferia da 
célula. 
 Na periferia, eles costumam estar 
ancorados na membrana plasmática 
em junções célula-célula 
(desmossomos) onde a membrana 
plasmática está conectada à 
membrana de outra célula; 
 
Compostos de proteínas de filamentos 
intermediários, subunidades fibrosas 
contendo, cada uma, um domínio central 
em haste, alongado, com diferentes 
domínios não estruturados em cada uma 
das extremidades. 
O domínio em haste consiste em uma 
região α-hélice estendida que permite 
que o pareamento de proteínas de 
filamentos intermediários forme dímeros 
estáveis por meio do enrolamento de um 
dímero sobre o outro, sob uma 
configuração supertorcida ou 
superenrolada. Dois desses dímeros 
supertorcidos, posicionados em sentidos 
opostos, associam-se para formar um 
tetrâmero alternado. Pontas N e C 
terminais formam pontas globulares 
alternadas. 
Esses dímeros e tetrâmeros são as 
subunidades solúveis dos filamentos 
intermediários. Os tetrâmeros associam-
se uns aos outros lado a lado e em 
seguida reúnem se para gerar o filamento 
intermediário final, semelhante a um 
cabo. 
 Subunidades livres no citosol; 
 Energia e sítio de nucleação 
(apoio); 
 Sinal para a polimerização; 
 Formação de um filamento ou 
um protofilamento; 
 Sinal para despolarização. 
Esses filamentos são denominados 
“intermediários” porque, nas células 
musculares lisas, as células nas quais 
foram originalmente identificados, seu 
diâmetro (cerca de 10 nm) está entre o 
diâmetro dos filamentos delgados de 
actina e aquele dos espessos filamentos 
de miosina. 
 
Instabilidade dinâmica 
O citoesqueleto pode se encontrar, 
então, em dois estados dentro da célula, 
a depender da presença de energia e 
sítios de nucleação: 
 Polimerizados = filamentos; 
 Despolimerizados = subunidades 
livres no citosol. 
 
 Neurofilamentos: organização do 
axônio. 
 Células musculares: organização 
dos sarcômeros e dos corpos 
densos. 
 Laminas nucleares: estrutura 
nuclear e organização; revestimento 
interno e suporte estrutural. 
Exemplo de célula do tecido epitelial: 
 
 Os filamentos intermediários 
permitem que as células epiteliais 
não se desprendam umas das 
outras. 
Epidermólise bolhosa 
Defeito genético nos filamentos de 
queratina, nas junções ou nas proteínas da 
matriz extracelular. É uma doença 
hereditária, que causa rupturas na pele, 
formando bolhas que são preenchidas por 
líquido. Uma das causas é quando os 
filamentos de queratina possuem um 
defeito genético e não têm a função de 
proteger contra choques mecânicos. 
 
Microtúbulos 
 Longos cilindros (tubos ocos) 
formados pela proteína tubulina; 
 São longos e retos; 
 Possuem uma das extremidades 
conectadas a um centro 
organizador (centrossomo); 
extremidades estruturalmente 
distintas; 
 Diâmetro externo de 25 nm; 
 Mais rígidos que os filamentos 
intermediários e os filamentos de 
actina; 
 Se rompem quando submetidos a 
um estiramento; 
 Filamentos que partem de uma 
região supranuclear que se 
irradiam; 
 Nos axônios, vários microtúbulos 
permitirão a sua estabilidade. 
 Dois tipos de microtúbulos: 
1. Estáveis: sempre 
polimerimizados; presentes 
nos axônios. 
2. Instáveis: instabilidade 
dinâmica; divisão do material 
genético no fuso mitótico. 
 Relacionados ao batimento de 
cílios e flagelos; 
 
 Relacionados ao transporte de 
organelas; 
 
 Relacionados à separação de 
cromossomos. Os centríolos não 
formam os fusos, mas sim os 
centrossomos os formam. 
 
 
 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 microtúbulo 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. 
Cada protofilamento apresenta uma 
polaridade estrutural, com a α-tubulina 
exposta em uma extremidade, e a β-
tubulina exposta na extremidade oposta. 
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 extremidade β-tubulina, 
é denominada extremidade mais (+), que 
ganha mais do que perde, e a outra, a 
extremidade α-tubulina, é denominada 
extremidade menos (-), que perde mais 
do que ganha ou que a perda e o ganho 
são iguais. 
 Perder = despolimerizar; 
 Ganhar = polimerizar. 
Essa beta tubulina vai possuir um sítio 
de ligação para uma molécula de energia 
na forma de GTP (guanosina trifosfato), 
que será necessário para a junção entre 
os heterodímeros de beta e alfa tubulinas. 
Esse GTP não é estável ou 
permanente, e com o passar do tempo 
pode ser clivada em GDP + Pi em um 
processo natural de hidrolisação. 
A hidrólise de GTP controla a 
instabilidade dinâmica dos microtúbulos. 
GTP → GDP + Pi 
 O GTP pertence à beta tubulina e 
essa proteína possui a capacidade de 
hidrolisar a molécula de GTP em GDP logo 
após a adição do dímero a um 
microtúbulo em crescimento. Esse GDP 
permanece firmemente ligado à β-
tubulina. 
A presença do GTP é importante 
para o processo depolimerização e o GDP 
para o processo de despolimerização. 
Quando a polimerização está 
ocorrendo rapidamente, os dímeros da 
tubulina são adicionados à extremidade 
do microtúbulo 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. 
Treadmiling = esteira 
 
Portanto, as extremidades mais (+) 
dos microtúbulos, com rápido 
crescimento, e que contêm dímeros de 
tubulina com GTP ligado recém-
adicionados, tendem a continuar 
crescendo. É quando a hidrólise do GTP é 
menor do que a adição de novas tubulinas 
(maior tempo de GTP na extremidade do 
polímero). 
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 
liberados, provocando o encurtamento do 
microtúbulo. Evento chamado de 
catástrofe, porque o processo de hidrólise 
do GTP é maior do que a adição de novas 
tubulinas. 
 
 Podemos ter 
microtúbulos sozinhos, 
em duplas, como nos 
cílios e nos flagelos ou 
em trios, como nos 
corpúsculos basais e 
nos centríolos. No caso dos cílios e dos 
flagelos, teremos uma estrutura de nove 
pares periféricos e um par central. 
 No caso dos microtúbulos, o sítio de 
nucleação é formado por uma estrutura 
de anéis de 13 𝛾-tubulina, que 
acontecerão próximas do núcleo, em uma 
região chamada de centro organizador de 
microtúbulos ou centrossomo. 
 
 
 Nuvem (esfera) com um par de 
centríolos dentro; 
 Anéis de gama tubulina a partir 
dos quais os microtúbulos se 
polimerizarão. 
 Extremidade mais (+) voltada para 
o citosol. 
 Extremidade menos (-) voltada 
para o anel de gama tubulina. 
Podemos mexer na temperatura para 
mexer na estrutura dos microtúbulos. Em 
uma temperatura de 4oC, os microtúbulos 
se despolimerizam. Em uma temperatura 
de 37 oC, eles se polimerizam. 
 O que faz com que os microtúbulos 
fiquem estáveis são proteínas que 
prendem esses heterodímeros, chamadas 
de proteínas MAPs (proteínas 
estabilizadoras de microtúbulos ou 
proteínas associadas a microtúbulos), 
impedindo que esses microtúbulos se 
despolimerizam. 
Existem vários tipos de proteínas 
estabilizadoras de microtúbulos, entre 
elas, a histamina. A histamina sequestra 
os dímeros de tubulina livres, impedindo 
o crescimento do microtúbulo. 
Obrigatoriamente, ele vai se 
depolimerizar. 
Outro tipo de proteína associada é 
a MAP. A MAP se estabiliza nas pontas 
dos microtúbulos, e por mais que eles 
percam o GTP em GDP, ela não se 
despolimerizará. 
Algumas proteínas, como a kinesina 
13, podem puxar as tubulinas, fazendo um 
evento de catástrofe. 
 Outra proteína estabilizadora 
é a chamada MAP2, que estabiliza 
um microtúbulo ligando-o a um 
microtúbulo vizinho. 
 
Outra proteína, chamada tau, nos 
axônios., estabilizam os microtúbulos de 
neurônios saudáveis. 
 
Se há algum defeito genético nas 
taus, os microtúbulos se despolimerizam 
e a estrutura do axônio do neurônio não é 
mantida. Assim, esse neurônio encurtará 
seu axônio e as sinapses são 
consequentemente perdidas. Há, então, a 
perda da conexão entre os neurônios. 
Alzheimer 
 Por defeito genético nas proteínas 
estabilizadoras de microtúbulos chamadas 
taus ou por sequestro dessas proteínas 
por corpos amiloides, os microtúbulos dos 
axônios dos neurônios se desestabilizam, 
encurtando-se. Assim, o axônio se encurta 
e consequentemente, se perde a conexão 
entre os neurônios (sinapses). 
Encurtamento do córtex cerebral. A região 
de substância cinzenta, nessa doença, é 
bem menor em comparação à de uma 
pessoa saudável. 
 
Proteínas motoras 
 São também heterodímeros. Estão 
sempre associadas aos microtúbulos. 
Possuem dois tipos: 
1. Dineína 
2. Kinesina/Quinesina 
Possuem uma região chamada de 
cabeça (globular), uma região filamentosa 
e uma cauda, que geralmente é mais leve. 
 
Tanto a quinesina quanto a dineína se 
movem-se sobre os microtúbulos 
utilizando suas cabeças globulares. A 
cauda está sempre em contato com o 
microtúbulo, enquanto a região da cabeça 
estará em contato com uma substância a 
se transportar – pode ser uma organela 
ou uma vesícula cheia de 
neurotransmissor. 
Elas possuem uma função de 
transporte de estruturas dentro da célula. 
A cauda entra em contato com o 
microtúbulo, a sua cabeça se liga ao ATP. 
Quando se liga ao ATP, há uma mudança 
na conformação da proteína que faz com 
que uma de suas cabeças (pezinhos) se 
propulse, indo para a frente. Ao mesmo 
tempo, ele hidrolise o ATP em ADP + Pi, 
perdendo energia e parando. Ele ganha 
novamente energia, o pezinho traseiro se 
propulsa também para a frente, há a 
hidrólise do ATP novamente e ele para. 
 
 
 Esse transporte envolve a 
estabilização e união de outras proteínas 
(receptores e filamentos de actina). Não 
é um processo simples. 
 A dineína caminha do mais (+) para 
o menos (-), “DIMINUIU”. 
 A kinesina caminha do menos (-) 
para o mais (+). 
 Os microtúbulos ajudam a 
posicionar as organelas em uma célula 
eucariótica. 
 
 
 Verde = microtúbulos. 
 Azul = retículo endoplasmático. 
 Amarelo = aparelho de Golgi. 
Movimentação 
Os microtúbulos estão associados à 
movimentação dos cílios e dos flagelos 
em determinados organismos e células. 
Movimentação do organismo no meio 
(paramécio e epitélio da traquéia). 
Propulsão do organismo 
(espermatozoides). 
Essas especializações de membrana, 
chamadas cílios e flagelos, possuirão 
microtúbulos e proteínas motoras 
associadas. Forma-se nove pares de 
microtúbulos periféricos e dois pares de 
microtúbulos centrais – axonema (9x2 + 
2). O axonema parte de um corpúsculo 
basal (9x3), formado por nove triplas de 
microtúbulos, sem nada no centro. O 
corpúsculo basal é originado pelos 
centríolos. 
 Axonema. 
 
 Corpúsculo basal (suporte para 
o crescimento dos microtúbulos 
do axonema.). 
A dineína está associada aos 
axonemas para permitir movimentação. As 
proteínas nexinas conferem a estabilidade 
dos microtúbulos do axonema. 
Os braços da dineína permite o 
movimento dos cílios e dos flagelos. A 
cabeça das dineínas estão em um 
microtúbulo, e a suas caudas estão em 
outro microtúbulo vizinho. A dineína se 
desloca do mais para o menos, fazendo 
com que um se deslize sobre o outro. 
 
Só que nos cílios e nos flagelos há 
as proteínas estabilizadoras. Quando as 
dineínas se deslocam, provocando um 
pequeno deslizamento de microtúbulos, 
há um encurvamento dos microtúbulos. 
Ele volta para o seu estado de repouso 
(reto) quando acaba o ATP, ou seja, 
quando as proteínas motoras param de 
trabalhar. 
Os microtúbulos podem se 
movimentar para outro lado porque há, ao 
lado dos pares de microtúbulos que se 
envergaram, outro par de microtúbulos 
associados, que fazem com que haja 
movimento do outro lado, ao se 
deslizarem também. 
 
Isso garante o batimento dos cílios 
e o dos flagelos (batimento de chicote). 
 
 
 
Microtúbulos 
Filamentos de actina 
 
 Filamentos de menor diâmetro; 
 São polímeros helicoidais da 
proteína actina; 
 Estruturas flexíveis, com 
diâmetro de aproximadamente 7 
nm; 
 Se localizam na periferia da 
célula: nas microvilosidades, no 
córtex celular, nos anéis 
contráteis (que vão permitir a 
separação do citoplasma das 
células), nas filipódias (quando 
a célula está se locomovendo), 
lamelopódios (quando a célula 
está se locomovendo), nas fibras 
estressoras, nas zonas juncionais. 
 Estão organizadosem uma 
ampla variedade de feixes 
lineares, redes bidimensionais e 
géis tridimensionais. 
As subunidades do filamento de 
actina são chamadas de G-actina, uma 
actina globular). É necessário um sítio de 
nucleação e energia na forma de ATP. 
Uma G-actina se une a outra G-actina por 
uma fenda de ligação de ATP. Esse ATP, 
quando for hidrolisado em ADP + Pi, se 
torna instável, fazendo com que o 
filamento diminua. Há, assim, uma 
polarização desse filamento. 
Há um sítio de nucleação que 
permite a polimerização para a formação 
do filamento de actina até o estado firme. 
É possível, com proteínas Arp2 e 
Arp3, mudar a direção da polimerização, 
fazendo com que haja a formação de 
ramificações. Isso contribui para que haja 
uma rede de filamentos de actina, 
principalmente no córtex celular. 
 
Há casos em que as bactérias 
utilizam dessa polimerização para 
invadirem as células. A bactéria possui 
algumas proteínas que conseguem mudar 
a direção das proteínas para que elas 
possam ocupar todos os lugares da célula. 
Aqui, também temos proteínas 
estabilizadoras ou associadas aos 
filamentos de actina. CapZ se associa na 
extremidade mais (+). Tropomodulina se 
associa à extremidade menos (-). 
 
 A fibrina unirá os filamentos de 
actina e são encontrados no microvili, 
filopodia e adesões locais. A alfa-actina 
une dois filamentos de actina e está 
presente na linha Z do músculo. 
 
 A espectrina é uma proteína 
estabilizadora que tem a função de 
estabilizar os filamentos de actina em 
uma rede de filamentos que está 
presente no córtex celular. A filamina une 
os filamentos de actina formando uma 
rede; podemos a encontrar nas fibras 
estressoras, na filopódia e nos propulsores 
de célula. 
 A distrofina, proteína estabilizadora, 
une um filamento de actina à membrana 
plasmática da célula, porque todos os 
filamentos de actina devem estar 
ancorados em alguma coisa. Defeitos 
genéticos nessa proteína podem causar a 
distrofia muscular de Duchenne (distrofia 
da musculatura esquelética). 
 
 As proteínas ezrinas prendem os 
filamentos de actina a proteínas da 
membrana celular, especificamente nas 
microvilosidades. 
Proteínas motoras 
 As proteínas motoras se associam 
aos filamentos de actina. Existe uma 
família de proteínas motoras, as miosinas 
(classe 1, classe 2, classe 5). 
Proteínas da classe 1 formam 
apenas um monômero e ligam o filamento 
de actina à membrana da célula.; ela se 
movimenta da extremidade menos (-) 
para o mais (+). Isso é importante no 
processo da endocitose. 
Proteínas da classe 2 estão 
presentes nas células musculares, no 
sarcômero permitindo a contração 
muscular. Elas se associam à outras 
(banda A) e se locomove do mais (+) para 
o menos (-), deslizando entre os 
filamentos de actina. 
 
As proteínas CapZ formam a linha 
Z dos sarcômeros. O espaço delimitado 
por duas linhas Z é denominado 
sarcômero. A banda H consiste no espaço 
entre as extremidades de tropomodulina 
dos filamentos de actina. A banda M 
consiste na porção lisa da miosina 2. 
 
Contração muscular 
 Os miofilamentos de actina são 
revestidos por tropomiosina (proteína 
mais filamentosa) e troponina (proteína 
com três subunidades). A miosina entra 
em contato com o filamento de actina. 
 A miosina, para deslizar 
os filamentos de actina, 
precisam que a cabeça dela 
entre em contato com o 
filamento de actina. Isso 
não acontece normalmente 
porque a troponina está 
impedindo que a miosina encoste no 
microfilamento. 
 Essa contração ocorre porque o 
cálcio citoplasmático, ao se ligar na 
troponina, há uma mudança 
conformacional. Assim, a tropomiosina é 
empurrada para baixo. Quando isso ocorre, 
a miosina pode interagir com o filamento 
de actina. 
Ocorre o gasto de um ATP em ADP 
+ Pi, e a cabeça da miosina tem uma 
mudança conformacional. Acabou o ATP, 
parou. Outra molécula de ATP permite que 
outra unidade da miosina se movimente. 
Esse movimento permite que o músculo 
se contraia. 
 
 
 Os filamentos de actina se deslizam 
uns sobre os outros, encurtando o 
sarcômero. Esse processo acaba quando o 
cálcio é sequestrado. Quando o cálcio 
sequestrado, há o relaxamento do 
sarcômero, aumentando sua extensão. 
Movimentação 
 Geralmente, as células possuem 
adesões focais, que envolvem filamentos 
de actina, se locomovendo em direção ao 
sinal (que pode ser um nutriente). 
 A célula polimeriza fibras 
estressoras em extensão, fazendo com 
que a parte dianteira da célula solte uma 
adesão focal, formando um lamelipódio. A 
célula se locomove para frente. Há a 
formação de uma nova adesão focal e a 
adesão focal traseira se solta. 
 
Nos filipódios, temos as fibras todas 
em um mesmo sentido. Nas fibras 
estressoras, temos as fibras em sentidos 
contrários. No córtex celular, temos uma 
rede de filamentos de actina. 
 
 
Contração muscular 
Filamentos de actina