Citoesqueleto: Estrutura e Função

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CITOESQUELETO
1) O QUE É CITOESQUELETO?
Para que as células funcionem adequadamente, elas devem se organizar no espaço e interagir mecanicamente com o ambiente ao seu redor. Elas devem apresentar uma conformação correta, ser fisicamente robustas e estar estruturadas de forma adequada internamente. Muitas células devem também ser capazes de modificar sua forma e migrar para outros locais. Além disso, toda célula deve ser capaz de reorganizar seus componentes internos como decorrência dos processos de crescimento, divisão e/ou adaptação a mudanças no ambiente. Todas essas funções estruturais e mecânicas apresentam-se altamente desenvolvidas em células eucarióticas, sendo dependentes de um extraordinário sistema de filamentos denominado citoesqueleto.
2) DO QUE ELE É FORMADO?
A maioria das células animais possui três tipos de filamentos do citoesqueleto responsáveis por sua organização espacial e propriedades mecânicas. Os filamentos intermediários proporcionam resistência mecânica. Os microtúbulos determinam o posicionamento de organelas delimitadas por membrana e direcionam o transporte intracelular. Os filamentos de actina determinam a forma da superfície celular e são necessários à locomoção da célula como um todo. Entretanto, estes filamentos do citoesqueleto seriam absolutamente ineficientes sem a presença de centenas de moléculas acessórias que tanto interligam os filamentos entre si quanto os conectam aos outros componentes celulares. Este grande grupo de proteínas acessórias é essencial ao controle da montagem dos filamentos do citoesqueleto em locais definidos e inclui as proteínas motoras, impressionantes máquinas moleculares que convertem a energia da hidrólise de ATP em força mecânica que pode tanto mover organelas sobre os filamentos quanto movimentar os filamentos propriamente ditos.
3) PARA QUE SERVE?
O citoesqueleto separa os cromossomos durante a mitose e a seguir divide a célula em duas; também guia e direciona o tráfego intracelular de organelas, transportando materiais de uma região à outra das células. O citoesqueleto dá suporte à frágil membrana plasmática e proporciona as ligações mecânicas que fazem com que esta célula resista a estresses e esforços sem que seja rasgada ou destruída quando ocorrem mudanças ou alterações no ambiente. O citoesqueleto permite que células como os espermatozoides possam nadar e que outras, como os fibroblastos e os leucócitos, possam deslizar sobre superfícies. Ele proporciona a maquinaria necessária à contração das células musculares e permite aos neurônios que estendam • seus axônios e dendritos. E o citoesqueleto que guia o crescimento da parede celular vegetal e controla a impressionante diversidade de formas das células eucarióticas.
OS FILAMENTOS DO CITOESQUELETO SÃO DINÂMICOS E CAPAZES DE ADAPTAÇÃO
Subunidades proteicas unidas por ligações não covalentes dinamismo 
A regulação do comportamento dinâmico e a montagem dos filamentos do citoesqueleto permitem que a célula eucariótica construa uma enorme variedade de estruturas a partir dos três sistemas básicos de filamentos. Os microtúbulos, que se encontram frequentemente estruturados em um arranjo citoplasmático em forma de estrela, com origem no centro da célula interfásica, podem rapidamente reorganizar-se para a formação de um fuso mitótico bipolar durante a divisão celular. Eles podem também formar estruturas de locomoção denominadas cílios e flagelos na superfície das células, ou estruturas fortemente empacotadas em feixes que servem como trilhos para o transporte de materiais ao longo dos axônios neuronais.
O CITOESQUELETO TAMBÉM PODE FORMAR ESTRUTURAS ESTÁVEIS
Em células que adquiriram uma morfologia diferenciada e estável, como é o caso de neurônios ou células epiteliais maduras, os elementos dinâmicos do citoesqueleto também devem prover estruturas grandes e estáveis à organização celular. Em células epiteliais especializadas que revestem tecidos do intestino e dos pulmões, protrusões da superfície celular com base no citoesqueleto, como as microvilosidades e os cílios, são capazes de manter posicionamento, comprimento e diâmetro constantes ao longo de todo o tempo de vida da célula. No caso dos feixes de actina da região central das microvilosidades de células epiteliais intestinais, esse período se restringe a uns poucos dias. No entanto, feixes de actina da região central dos estereocílios de células do ouvido interno mantêm sua organização estável durante toda a vida do animal, tendo em vista que estas células não sofrem reposição. Entretanto, filamentos de actina individuais continuam a apresentar comportamento altamente dinâmico e estão continuamente sendo remodelados e substituídos, em um período médio de a cada 48 horas, mesmo dentro destas estruturas de superfície celular estáveis que podem persistir por décadas. 
Além de formar protrusões estáveis na superfície de células especializadas, o citoesqueleto também é responsável pela polarização geral das células, permitindo que elas apresentem diferenças entre suas regiões superiores e inferiores ou anteriores e posteriores. A informação referente à polarização geral codificada pela organização do citoesqueleto também deve ser frequentemente mantida durante todo o período de vida da célula. Células epiteliais polarizadas, como as que revestem o intestino, por exemplo, usam arranjos organizados de microtúbulos, filamentos de actina e filamentos intermediários para manter diferenças funcionais críticas entre a superfície apical que absorve os nutrientes, a partir do lúmen do intestino onde encontram-se os alimentos, e a superficie basolateral, onde as células transferem os nutrientes, através da membrana plasmática, para a corrente sanguínea. As células também devem manter fortes contatos adesivos entre si para permitir que esta camada única de células atue eficientemente como barreira física
MICROTÚBULOS
Os microtúbulos são longos cilindros ocos formados pela proteína tubulina. Apresentando um diâmetro externo de 25 nm, eles são bem mais rígidos do que os filamentos de actina. Os microtúbulos são longos e retilíneos e caracteristicamente apresentam uma das extremidades ligada a um centro organizador de microtúbulos (MTOC) único, denominado centrossomo.
Os microtúbulos são formados por subunidades proteicas de tubulina. A subunidade de tubulina é, ela própria, um heterodimero formado de duas proteínas globulares bastante relacionadas denominadas alfa-tubulina e beta-tubulina, fortemente associadas por ligações não-covalentes. Estas duas proteínas tubulina são encontradas apenas neste heterodímero. Cada um dos monômeros a e 13 possui um sítio de ligação a uma molécula de GTP. O GTP que se liga ao monômero de a-tubulina encontra-se fisicamente preso à interface do dímero e nunca é hidrolisado ou trocado; ele pode, portanto, ser considerado como parte integrante da estrutura do heterodímero de tubulina. Contrariamente, o nucleotídeo que se liga à l3-tubulina pode estar ou sob a forma de GTP ou de GDP, e essa situação é intercambiável. Como poderemos ver, a hidrólise de GTP neste sítio, produzindo GDP, tem um importante efeito na dinâmica do microtúbulo.
A tubulina primeiro se polimeriza de uma forma linear, formando uma estrutura chamada de protofilamento. Um microtúbulo é uma estrutura cilíndrica oca e firme, construída a partir de 13 protofilamentos paralelos, cada um deles composto de moléculas alternadas de a-tubulina e beta-tubulína. Quando os heterodímeros de tubulina são organizados para formar a estrutura cilíndrica oca do microtúbulo, eles dão origem a dois novos tipos de contatos proteína-proteína. Ao longo do eixo longitudinal do microtúbulo, o "topo" de uma molécula de beta-tubulina forma uma interface com a "base" de uma molécula de a-tubulina da subunidade heterodimérica adjacente. Esta interface assemelha-se bastante à interface que mantém os monômeros a e 13 unidos na subunidade dimérica e apresenta uma forte energia de ligação. Perpendicularmente a essas interações, são formados contatos laterais entre protofIlamentosvizinhos. Nesta dimensão, os principais contatos laterais ocorrem entre monômeros de mesmo tipo (a-a e b-b). Ambos os contatos laterais e longitudinais são repetidos no arranjo helicoidal regular do microtúbulo. Visto que múltiplos contatos nesse arranjo mantêm em união a maior parte das subunidades de um microtúbulo, a adição ou a perda de subunidades ocorre quase que exclusivamente nas extremidades do microtúbulo. Esses contatos múltiplos entre subunidades fazem com que os rnicrotúbulos sejam rígidos e difíceis de sofrer dobramento. A rigidez de um fIlamento pode ser caracterizada pelo seu comprimento de persistência, uma propriedade do filamento que descreve quão longo ele pode ser sem que flutuações térmicas aleatórias provoquem sua quebra. O comprimento de persistência de um microtúbulo é de vários milímetros, o que os torna os elementos estruturais mais rijos e resistentes encontrados na maioria das células animais.
Cada um dos protofIlamentos de um microtúbulo é montado a partir de subunidades que apontam para a mesma direção, sendo os protofilamentos, eles próprios, alinhados paralelamente. Desse modo, o microtúbulo apresentará uma polaridade estrutural distinta, onde as a -tubulinas estarão expostas em uma extremidade e as b-tubulinas estarão expostas na extremidade oposta.
POLIMERIZAÇÃO DOS MICROTÚBULOS OCORRE EM TRÊS ETAPAS
1) Fase de nucleação
Fase inicial e lenta
Nesta fase, os pequenos oligômeros formados dissociam-se rapidamente (ligações mais facilmente desfeitas)
2) Fase de Alongamento
Aumento acentuado na quantidade de microtúbulos
Polimerização leva a uma redução progressiva na concentração de dímeros de tubulina no pool citoplasmático
3) Fase de Platô
Concentração crítica (Cc) de dímeros de tubulina
Para cada dímero de tubulina adicionado, outro é removido SEM CRESCIMENTO REAL DOS MICROTÚBULOS.
Tanto a tubulina alfa quanto a beta possuem sítio de ligação para GTP. A molécula de GTP no monômero de a-tubulina está tão fortemente associada que pode ser considerada como parte integrante da proteína. A molécula de GTP no monômero de b-tubulina, no entanto, apresenta uma associação menos intensa e desempenha papel importante na dinâmica do filamento, haja vista que o GTP da parte beta é hidrolisado a GDP, há uma mudança conformacional, perdendo-se, assim, a afinidade entre essas moléculas (entre os dímeros), causando a despolarização.
TREADMILLING
É a capacidade do microtúbulo de se polimerizar ou se despolimerizar relacionada ao GTP. Se a tubulina está ligada ao GTP, ela vai se polimerizar. A partir do momento em que esse GTP é hidrolisado a GDP perde afinidade entre as ligações, ocorrendo a despolimerização.
Portanto, o tempo inteiro há uma dinâmica em que o microtúbulo cresce e diminui. Então, para que um microtúbulo cresça efetivamente, há a necessidade de que a velocidade de adição de tubulina ligada ao GTP seja mais rápida do que a capacidade da célula em hidrolisar esse GTP.
CAPAS GTP A taxa de adição de subunidades em um filamento de microtúbulo em crescimento pode ser mais rápida do que a taxa na qual seus nucleotídeos associados são hidrolisados. Sob estas condições, a extremidade possuirá uma "capa" de subunidades contendo o trifosfato de nucleosídeo - uma capa de GTP no caso de microtúbulos. indicação de que o microtúbulo está crescendo.
INSTABILIDADE DINÂMICA
Um microtúbulo pode estar com a capa de GTP- indicativo de que ele está crescendo- e, de repente, o microtúbulo sofre o processo de catástrofe, começando a despolimerizar, mesmo com a capa de GTP. Ai ele vai diminuindo o tamanho, e, de repente, do mesmo jeito que ele estava crescendo e começou a diminuir, ele volta a crescer de novo.
Processos de treadmilling e instabilidade dinâmica auxiliam na rápida reorganização do citesqueleto.
ONDE OCORRE A NUCLEAÇÃO?
Os microtúbulos geralmente são nucleados em uma região intracelular específica conhecida como centro organizador de microtúbulos (MTOC, microtubule-organizing center).
Os microtúbulos são nucleados em sua extremidade menos (-), enquanto a extremidade mais (+) cresce a partir do MTOC, criando diferentes tipos de arranjos. Um complexo em anel de gama-tubulina é capaz de nuclear o crescimento de microtúbulos.
Na maioria das células animais, existe um MTOC único e bem-definido chamado de centrossomo, localizado próximo ao núcleo. A partir desse ponto focal, os microtúbulos citoplasmáticos emanam radialmente, em uma conformação em forma de estrela. Os microtúbulos são nucleados no centrossomo a partir de suas extremidades menos e, consequentemente, suas extremidades mais estão posicionadas para fora, crescendo em direção à periferia celular.
Centrossomo Geralmente único, ficando sempre próximo ao núcleo da célula. Ele é composto por organela chamada centríolos (formado por microtúbulos que se associam em 9 trincas (9x3) circulares que unem-se por proteínas estabilizadoras- MAPS), e um material amorfo chamado material pericentriolar, composto por várias proteínas diferentes.
Material pericentriolar rege o processo de nucleação. Há a presença de γ-tubulina, a qual forma um “anel” proteico que serve de base para que novos dímeros de tubulina sejam adicionados. Portanto, a γ-tubulina é importante para o crescimento do microtúbulo. Só é presente no centrossomo controle muito grande para célula de onde vai crescer os microtúbulos. A medida que eles crescem, sua extremidade vai se distanciando do centrossomo.
Corpúsculos basais regiões de inserção dos cílios, que possuem a mesma estrutura que os centríolos. também considerados um MTOC.
PROTEÍNAS MOTORAS ASSOCIADAS AO MICROTÚBULOS
Cinesínas (- +) e Dineínas (+-) carregam moléculas usando o citoesqueleto como “trilhos”.
*As proteínas motoras vão ter, obrigatoriamente, uma região para reconhecimento do microtúbulo, uma região onde se liga ao ATP, e ela tem a capacidade de hidrolisar esse ATP para que ela tenha energia para se movimentar, e ela também tem uma região em que ela reconhece a molécula a qual ela vai transportar. *
FILAMENTOS DE ACTINA
Os filamentos de actina (também conhecidos como microfilamentos) são polímeros helicoidais de fita dupla da proteína actina. Eles se apresentam sob a forma de estruturas flexíveis, com diâmetro entre 5 e 9 nm, podendo estar organizados sob uma ampla variedade de feixes lineares, redes bidimensionais e géis tridimensionais. Apesar de os filamentos de actina estarem dispersos por toda a célula, eles estão em maior concentração no córtex, logo abaixo da membrana plasmática.
A subunidade de actina é uma cadeia polipeptídica globular única, sendo portanto um monômero e não um dímero. Assim como a tubulina, cada subunidade de actina apresenta um sítio de ligação a um nucleotídeo, mas no caso da actina esse nucleotídeo será um ATP (ou ADP) ao invés de GTP (ou GDP). Assim como a tubulina, as subunidades de actina associam-se em oposição de cabeça e de cauda para compor filamentos com polaridade estrutural evidente. A composição do filamento de actina pode ser considerada como consistindo em dois protofilamentos paralelos enrolados um sobre o outro em uma hélice dextrógira. Os filamentos de actina são relativamente flexíveis e fáceis de ser curvados, se comparados aos cilindros ocos do microtúbulo, e apresentam um comprimento de persistência de apenas umas poucas dezenas de micrômetros. No entanto, em uma célula viva, proteínas acessórias interligam os filamentos formando feixes, tornando estas grandes estruturas muito mais fortes do que filamentos de actina individuais.
*Associação de dois protofilamentos para ficar mais estável Actina G polimeriza formando Actina F. *
Sempre a região de ligação ao ATP vai estar virada para baixo, sendo a extremidade -, e a região que não há o sítio de ATP exposto é a extremidade + (mais dinâmica).
Diferentemente dos microtúbulos, a nucleação dos filamentos de actina ocorre em sítios próximos à membrana plasmática. Da mesma forma que para os microtúbulos há a gama-tubulina ajudando na polimerização, na actina há o complexo de proteína relacionadaà actina (Complexo ARP) que promove a polimeração de filamentos organizados em rede, que contribui para a sustentação da célula. Além do ARP, há outra proteína chamada formina que é como uma “forma” para que a polimerização de actina aconteça, ocorrendo esta não em forma de rede com a ARP, mas de forma de feixes paralelos não ramificados, o que é importante, por exemplo, na formação de filopódios
FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS
Os filamentos intermediários são fibras semelhantes a cabos com um diâmetro de aproximadamente 10 nm; eles são compostos por proteínas de filamentos intermediários, as quais pertencem a uma grande e heterogênea família. Um tipo de filamento intermediário forma uma trama chamada de lâmina nuclear (formada por associação dos filamentos intermediários chamados lamina- únicos presentes no núcleo- são sustentação- muito importantes) logo abaixo da membrana nuclear interna. Outros tipos estendem redes através do citoplasma, conferindo resistência mecânica às células (são estáveis). Nos tecidos epiteliais, eles se estendem em todo o citoplasma, de uma junção célula-célula a outra, fortalecendo, dessa forma, o epitélio como um todo. 
Os filamentos intermediários, por exemplo, são montados pela formação de contatos laterais fortes entre hélices '" supertorcidas, as quais ocorrem ao longo da quase totalidade de cada subunidade fibrosa adicionada. Tendo em vista que as subunidades individuais estão intercaladas no fIlamento, os filamentos intermediários toleram a tração e a torção, formando estruturas fortes semelhantes a um cabo ou corda.
Os polipeptídeos individuais dos filamentos intermediários são moléculas alongadas com um domínio central estendido de hélice alfa que forma uma estrutura paralela supertorcida com outro monômero. Um par de dímeros paralelos associa-se de forma antiparalela produzindo um arranjo em tetrâmero. Este tetrâmero representa a subunidade solúvel que é análoga ao dímero de alfa beta-tubulina ou ao monômero de actina. Diferentemente da actina e da tubulina, as subunidades do filamento intermediário não contêm sítios de ligação para trifosfatos de nucleosídeo.
Tendo em vista que a subunidade tetramérica é composta de dois dímeros que apontam para direções opostas, suas duas extremidades são idênticas. Assim, o filamento intermediário organizado não apresenta uma estrutura polarizada, a qual é tão importante para os filamentos de actina e para os microtúbulos. Os tetrâmeros são empacotados lateralmente, formando um filamento que agrega oito protofllamentos paralelos, feitos a partir destes tetrâmeros. Cada filamento intermediário individual apresenta, consequentemente, uma secção transversal de 32 hélices a enroladas. Esse grande número de polipeptídeos organizados em conjunto e mantidos unidos por interações hidrofóbicas laterais fortes, típicas de proteínas supertorcidas, confere aos filamentos intermediários sua característica semelhante a um cabo. Eles podem ser facilmente flexionados, com um comprimento de persistência menor que um micrômetro (comparado a vários milímetros dos microtúbulos ou a aproximadamente dez micrômetros da actina), mas é extremamente difícil rompê-los.
Existem vário tipos e filamentos intermediários, entre eles a queratina. Sendo que, uma única célula epitelial pode produzir diferentes tipos de queratinas, e estas podem copolimerizar, formando uma rede única. Os filamentos de queratina conferem resistência mecânica a tecidos epiteliais, em parte pelo ancoramento dos filamentos intermediários a regiões de contato célula-célula, denominadas desmossomos, ou de contato célula-matriz, denominadas hemidesmossomos. 
Mutações nos genes de queratina são a causa de diferentes doenças genéticas humanas. Por exemplo, a doença denominada epiderm6lise bulosa simples ocorre quando queratinas defeituosas são expressas em células da camada basal da epiderme. Esta doença caracterizase pela formação de bolhas na pele mesmo em resposta a estresses mecânicos muito leves, os quais conseguem romper as células basais. Outros tipos de doenças com formação de bolhas, incluindo doenças do revestimento da boca e esofaringe e da córnea nos olhos, são causados por mutações em diferentes tipos de queratina cuja expressão é específica para estes tecidos. Todas essas doenças apresentam como característica a ruptura de células em consequência de trauma mecânico e a desorganização ou o acúmulo do citoesqueleto de filamentos de queratina. Muitas das mutações específicas que causam essas doenças alteram as extremidades do domínio central em bastão, ressaltando a importância desta porção particular da proteína para uma correta montagem do filamento.
Uma segunda família de filamentos intermediários, denominados neurofilamentos, é encontrada em altas concentrações nos axônios dos neurônios de vertebrados. Três tipos de proteinas de neurofllamentos (NF-L, NF-M e NF-H) coassociam-se in vivo, formando heteropolímeros que contêm NF-L mais uma das outras duas formas. As proteínas NF-H e NF-M apresentam domínios C-terminais compridos que se ligam aos filamentos adjacentes dando origem a arranjos com espaçamento interfilamentar uniforme. Durante o crescimento do axônio, novas subunidades de neurofllamentos são incorporadas ao axônio em um processo dinâmico que envolve tanto a adição de subunidades longitudinalmente ao comprimento do filamento quanto a adição de subunidades às extremidades do filamento. Após um axônio ter crescido e ter sido conectado à sua célula-alvo, o diâmetro do axônio poderá aumentar em até cinco vezes. O nível de expressão do gene de neurofllamento parece controlar diretamente o diâmetro do axônio, o qual, por sua vez, influencia a velocidade de transporte dos sinais elétricos pelo axônio. 
A doença neurodegenerativa esclerose lateral amiotrófica (ALS, amyotrophic lateral sclerosis), ou doença de Lou Gehrig, está associada ao acúmulo e à montagem anormal de neurofllamentos no corpo celular e axônios de neurônios motores, os quais podem interferir com o transporte axonal normal. A degeneração dos axônios leva à fraqueza muscular e atrofia, a qual frequentemente é fatal. A superexpressão de NF-L ou de NF-H humana em camundongos dá origem a animais que apresentam uma doença muito semelhante à ALS. Os filamentos semelhantes à vimentina correspondem a uma terceira família de filamentos intermediários. Um dos membros desta família, a desmina, é expresso em músculo esquelético, cardíaco e liso. Camundongos deficientes em desmina apresentam desenvolvimento muscular inicial normal, mas adultos desenvolvem uma grande variedade de anormalidades nas células musculares, inclusive com problemas de alinhamento das fibras musculares.
POR QUE CÍLIO TEM MOVIMENTO E MICROVILOS NÃO?
O movimento de um cílio ou de um flagelo é produzido pela flexão de sua porção central, a qual é denominada axonema. O axonema é composto por microtúbulos e por suas proteínas associadas, organizadas em um padrão regular e característico. Nove pares especiais de microtúbulos (consistindo em um microtúbulo completo e um parcial fusionados de forma a compartilhar uma parede tubular entre si) encontram-se organizados em um anel ao redor de um par simples de microtúbulos. Essa organização característica é encontrada em quase todas as formas de flagelos eucarióticos e cílios (de protozoários a humanos). Os microtúbulos estendem-se de forma contínua por todo o comprimento do axonema, o qual pode apresentar de 10 a 200f.Lm. Em intervalos regulares ao longo do comprimento dos microtúbulos, proteínas acessórias interligam os microtúbulos.
Moléculas de dineína ciliar formam pontes entre pares de microtúbulos adjacentes em toda a circunferência do axonema. Quando o domínio motor dessa díneína é ativado, as moléculas de díneína ligadas a um par de microtúbulos tentam movimentar-se sobre o par de microtúbulos adjacente, forçando o deslizamento de um sobre o outro de forma semelhante ao deslizamento dos filamentos delgados de actina durante a contração muscular. No entanto, a presença de outras conexões entre os paresde microtúbulos impede este deslizamento, e a força da dineína é convertida em um movimento de flexão.