Autoassociação e estrutura dinâmica dos filamentos do citoesqueleto

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BIOCEL – CITOESQUELETO
Autoassociação e estrutura dinâmica dos filamentos do citoesqueleto
Uma extensa rede de três filamentos compõem a organização espacial da célula e sua
propriedades mecânicas. Os filamentos intermediários garantem a resistência mecânica. Os
filamentos de actina determinam a forma da superficie celular e são necessarios à locomoção da
celula como um todo. Os microtúbulos determinam o posicionamento de organelas delimitadas por
membrana e direcionam o transporte intracelular. Todavia, esses filamentos por si só não garantem
o funcionamento das atividades celulares e, por isso, precisam estar conectadas com proteínas
acessórias, que interligam estes filamentos entre si ou os conectam aos outros componentes
celulares.
Os microtúbulos, com origem no centro da célula interfásica, podem rapidamente organizar-se
para a formação de um fuso mitótico bipolar durante a divisão celular. Eles podem também formar
estruturas de locomoção, como os cilios e flagelos na superfície das células; ou ainda mesmo
estruturas fortemente empacotadas em feixes que servem como trilhos para o transporte de
materiais ao longo dos axônios neurais.
Filamentos de actina revestem a face interna da membrana plasmática de células animais,
conferindo resistência e forma a bicamada lipídica. Eles também formam projeções, como os
lamelipódios e os fiopódios, que servem para explorar o território e impulsar a própria célula.
Outras estruturas também são formadas por esses filamentos, como o anel contrátil (actina+miosina;
citocinese- divisão da célula), estereocílio e as microvilosidades.
Filamentos intermediários revestem a face interna do envelope nuclear; no citosol, estes
filamentos estão unidos às estruturas de junção célula-célula e célula- matriz extracelular; nas
células neuronais, auxiliam a extensão dos longos e fortes axônios.
O citoesqueleto também é responsável pela polarização das células, como as que revestem a o
intestino. Estas, usam arranjos organizados de microtúbulos, filamentos de actina e filamentos
intermediários para manter diferenças funcionais entre a superfície apical e a superfície basolateral.
Cada tipo de filamento do citoesqueleto é composto por diferentes tipos de subunidades
proteicas menores. Estas subunidades, por serem pequenas, podem difundir-se rapidamente pelo
citoplasma, capacidade inexistente em filamento já associados. Assim, as células podem promover
uma reorganização estrutural mais rápida e eficaz, mesmo em regiões mais afastadas da célula.
Os filamentos intermediários são formados por subunidades que são, por si próprias, fibrosas
e longas, ao passo que os filamentos de actina e os microtúbulos são compostos por subunidades
globulares e compactas de actina e tubulina, respectivamente. Essas estruturas são mantidas por
interações não-covalentes fracas (ligação de hidrogênio, interações hidrofóbicas, van der Walls e
interações iônicas), o que significa que sua associação e dissociação podem ocorrer rapidamente.
Vale lembrar, todavia, que, apesar de serem interações fracas, elas são numerosas, garantindo uma
boa estabilidade.
No interior da célula, centenas de proteínas acessórias diferentes associadas ao citoesqueleto
regulam a distribuição espacial e o comportamento dinâmico dos filamentos. Ou seja, as proteínas
acessórias mantêm a estrutura do citoesqueleto sob o controle de sinais intra e extracelulares, entre
os quais incluem aqueles que determinam drásticas trasnformações que o citoesqueleto sofre
durante cada uma das etapas do ciclo celular.
Filamento formados a partir de múltiplos protofilamentos -longas fitas lineares de
subunidades unidas pelas extremidades- apresentam vantagens. Os polímeros do citoesqueleto
combinam resistência e capacidade de adaptação, pois são constituídos a partir de múltipos
protofilamentos que se associam uns aos outros lateralmente. Em geral e como característica, os
protofilamentos enrolam-se uns aos outros formando uma estrutura helicoidal.
Os filamentos intermediários, por exemplo, são montados pela formação de contatos laterais
fortes entre hélices alfa supertorcidas, as quais ocorrem ao longo de quase totalidade de cada
subunidade fibrosa adicionada. Os microtúbulos, em contraste, são construídos a partir de
subunidades globures unidas entre si principalmente por ligações longitudinais, sendo
comparativamente fracas as ligações laterais que unem o conjunto de 13 protofilamentos.
Para que um novo grande filamento seja formado, as subunidades devem associar-se em um
agregado inicial, ou núcleo, o qual será estabilizado por vários contatos subunidade-subunidade, e
somente então poderá sofrer um rápido crescimento pela adição de novas subunidades. Este
processo é chamado de nucleação. A célula tira grande proveito dessa necessidade de nucleação:
ela utiliza proteínas especiais para catalisar a nucleação de filamentos em regiões específicas, desse
modo determinando a localização onde novos filamentos do citoesqueleto deverão ser formados.
Além disso, devido ao processo de nucleação, a formação de polímeros possui três fases
distintas. A primeira é a fase de retardo, que corresponde ao tempo necessário à nucleação; a
segunda é a fase de crescimento, que ocorre logo ápos a nucleação e é marcada por um rápido
estiramento dos filamentos; a terceira é a fase de equilíbio, que é marcada pela contínua
polimerização e despolimerização em iguais quantidades.
As subunidades de actina e tubulina associam-se à cabeça e à cauda em oposição, gerando
filamentos polarizados. Os microtúbulos são formados por tubulinas. A subunidade dos
microtúbulos, são, necessariamente, um heterodímero formado por duas proteínas globulares
denominadas alfa-tubulina e beta-tubulina, fortemente associadas por ligações não-covalentes. Cada
um dos monômeros possui um sítio de ligação a uma molécula de GTP. O GTP que se liga ao
monômero de alfa-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 beta-tubulina pode estar ou
sob a forma de GTP ou de GDP, e essa situação é intercambiável. A hidrolise de GTP nesse sítio,
produzindo GDP, tem um importante efeito na dinâmica do microtúbulo.
Um microtúbulo é uma estrutura cilíndrica, oca e firma, construída por 13 protofilamentos
paralelos, cada um deles composto de moléculas alternadas de alfa-tubulina e beta-tubulina.
Perpendicularmente a essas interações, são formados contatos laterais entre protofilamento
vizinhos. Nesta dimensão, os principais contatos laterais ocorrem entre monômeros de mesmo tipo
(alfa-alfa e beta-beta). Esses contatos múltiplos entre subunidades fazem com que os microtúbulos
sejam rígidos e difícies de sofrer dobramento.
A construção dos microtúbulos seguem uma estrutura específica, sendo a alfa-tubulina
posicionada para baixo e a beta-tubulina, para cima. Desse modo, o microtúbulo apresentará uma
polaridade estrutural distinta, onde as alfa-tubulinas estarão expostas em uma extremidade e as
beta-tubulidas para cima.
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 quando na forma globular e um
ADP, na forma polimerizada. A composiçõa do filamento de actina pode ser considerada como
consistindo em dois protofilamentos paralelos enrolados um sobre o outro em uma hélice
dextrógira.
Filamentos de actina e microtúbulos possuem duas extremidades distintas com diferentes
taxas de crescimento. A mais dinâmica das duas extremidades de um filamento, onde tanto o
crescimento quanto a dissociação ocorrem mais rapidamente, é denominada extremidade mais (+),
e a outra extremidade é chamada de extremidade menos(-). Em microtúbulos, subunidades alfa
estão expostas na extremidade menos e subunidades beta estão expostas na extremidade mais. Nocaso de filamentos de actina, a fenda de ligação ao ATP no monômero aponta para a extremidade
menos(-).
Treadmilling: Uma consequência da hidrólise de nucleotídeos que acompanha a formação do
polímero é a mudança da concentração crítica em ambas as extremidades do polímero. Desse modo,
se ambas as extremidades de um polímero estão expostas (sem capa de ATP), em um estado de
repouso, as subunidades estarão sendo, na média, associadas à extremidade + e, na média,
dissociadas da extremidade – sob taxas idênticas. O polímeor manterá um tamanho constante,
mesmo considerando-se que existe um fluxo médio de subunidades através do polimero,
denominado treadmilling (mais comum com filamentos de actina).
Instabilidade dinâmica: Os microtúbulos despolimerizam aproximadamente 100 vezes mais
rápido extremidades que contêm tubulina GDP do que extremidades que contêm tubulina GTP.
Uma capa de GTP favorece o crescimento, mas se for perdida, ocorrerá despolimerização.
Microtúbulos isolados podem, portanto, alternar períodos de lento crescimento e períodos de rápida
dissociação, um processo conhecido como instabilidade dinâmica.
A estrutura dos filamentos intermediários depende do empacotamento lateral e do
enrolamento da supertorção. Estes filamentos estão proximamente relacionados a seus ancestrais, as
laminas nucleares, as quais são muito mais amplamente distribuídas. As laminas nucleares são
proteínas de filamentos intermediários que formam uma rede que reveste a membrana interna do
envelope nuclear de eucariotos, onde proporcionam sítios de ancoramento para cromossomos e
poros nucleares.
Os polipetídeos individuais dos filamentos intermediários são moléculas alongadas com um
domínio central estendido de hélice alfa que forma uma estrutura paralela supertorcida com outro
monômero. Diferentemente da actina e da tubulina, as subunidades do filamento intermediário não
possuem sítios de ligação para trifosfatos de nucleosídeos.
O filamento intermediário não aprensenta uma estrutura polarizada, a qual é tão importante
para os filamentos de actinas e microtúbulos. Os tretâmeros são empacotados lateralmente e
mantidos unidos por interações hidrofóbicas, formando um filamento que agrega oito
protofilamentos paralelos, feitos a partir destes tetrâmeros. Cada FI apresenta uma secção
transversal de 32 hélices alfa enroladas. São as estruturas mais resistentes, sendo difícil rompê-las.
Principais tipos de proteínas de filamento intermediários me células de vertebrados
Filamentos intermediários conferem estabilidade mecânica às células animais. As diferentes
famílias de filamentos intermediários são expressas em diferentes tipos de celulares. A mais
diversificada dessas famílias é a das queratinas. Cada filamento de queratina é costituído a partir
de uma mistura equitativa de cadeias de queratina tipo I (ácidas) e tipo II ( neutras/básicas), que
formam heterodímeros. Redes de queratina interligadas, unidas por ligações dissulfeto, podem
sobreviver à morte de suas células, formando coberturas resistentes para animais, como pelos,
unhas, garras, escamas e até mesmo nas camadas externas da pele.
Os filamentos de queratina conferem resistência mecânica a tecidos epiteliais, em parte pelo
ancoramento dos filamentos intermediários a regiões de contato célula-célula (desmossomos), ou de
contato célula-matriz (hemidesmossomos).
Uma segunda família de FI, denominados neurofilamentos, é encontrada em altas
concentrações nos axônios dos neurônios de vertebrados. Três tipos de proteínas de neurofilamentos
(NF-L, NF-M e NF-H) coassociam-se formando heteropolímeros que contêm NF-L mais uma das
outras duas formas.
Os filamentos semelhantes à vimentina correspondem a uma terceira família de FI. Um dos
membros desta famólia, a desmina, é expresso em músculos esquelético, cardíaco e liso.
Camundongos deficientes em desmina apresentam desenvolvimento muscular inicial normal, mas
adultos desenvolvem uma grande variedade de anormalidades nas células musculares.
A polimerização de filamentos pode ser alterada por substâncias.
Como as células regulam seus filamentos do citoesqueleto
Um complexo proteico que contém gama-tubulina faz nucleação dos microtúbulos.
Ocorrendo em quantidades muito menores que as tubulinas alfa e beta, esta proteína está envolvida
na nucleação do crescimento de microtúbulos. Estes, normalmente são nucleados em uma região
intracelular específica conhecida como centro organizador de microtúbulos (MTOC).
Os microtúbulos são nucleados em suas extremidades menos, enquanto a extremidade mais
cresce a partir do MTOC, criando diferentes tipos de arranjos. O complexo em anel de
gama-tubulina (gama-TuRC), estrutura que é capaz de nuclear o crescimento de microtúbulos, pode
ser visto nas extremidades menos de microtúbulos nucleados por gama-TuRC, e acredita-se que
sirva como molde para gerar um microtúbulo com 13 protofilamentos.
Os microtúbulos irradiam a partir do centrossomos de células animais. Na maioria das células
animais, existe um MTOC único e bem-definido chamado de centrossomo, localizado próximo ao
núcleo. A paritr desse ponto focal, os microtúbulos citoplasmáticos emanam radialmente. Os
microtúbulos nucleados no centrossomo sofrem um contínuo crescimento e encurtamento por
instabilidade dinâmica, abarcando todo o volume tridimensional da célula.
Um par de estruturas cilíndricas, formando uma configuração semelhante a um L, encontra-se
inserido no centrossomo. Estes são os centríolos, os quais se tornarão os corpos basais de cílios e
flagelos em células móveis. Um centríolo consiste em um pequeno cilindro de microtúbulos
modificados, acrescido de uma grande quantidade de moléculas acessórias.
O sistema de microtúbulos que irradia a partir do centrossomo atua como um aparelho que
controla os limites celulares e posiciona o centrômero na região central da célula. Esse controle é
mantido mesmo em sistemas artificiais. Mesmo em um fragmento celular isolado que não possui
centrossomo, microtúbulos dinâmicos interagindo com organelas membranares organizam-se em
um arranjo em forma de estrela com as extremidades menos agrupadas na parte central, apesar de
esse processo envolver mais componentes do que o simples mecanismo de impulsão usado pelo
centrossomo isolado.
Os filamentos de actina frequentemente são nucleados na membrana plasmática. Em
contraste à nucleação dos microtúbulos, que ocorre principalmente em regiões bem internas do
citoplasma, próximo ao núcleo, a nucleação dos filamentos de actina ocorre com mais frequância na
membrana plasmática, ou próximo a ela. Consequentemente, na maioria das células, os filamentos
de actina encontram-se mais concentrado na periferia celular (cortéx celular), determinando o
formato e o movimento superficial da célula. Este fato torna possível alguns tipos extremamente
diferentes de projeções na superfície celular, com as microviosidades e os filopódios (pontiagos),
lamelipódios (projeções planas em véu) e as projeções fagocíticas dos macrófagos.
A nucleação dos filamentos de actina em geral é regulado por sinais externos. Essa nucleação
pode ser caalisado por dois tipos diferentes de fatores reguladores, o complexo ARP e as forminas.
O complexo ARP provoca a nucleação do crescimento do filamento de actina a partir da
extremidade menos, permitindo uma rápida extensão na extremidade mais. Já o dímero de formina
permanece associado à extremidade mais, de rápido crescimento, enquanto o filamento
recentemente nucleado cresce e, ao mesmo tempo, permite a ligação de novas subunidades a essa
extremidade para tornar o filamento menor