Citoesqueleto: Estrutura e Funções

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Citoesqueleto
Estrutura dinâmica, organiza o espaço, tem capacidade de deformação e migrar, interage mecanicamente com o ambiente ao seu redor (desmossomos e proteínas se ligando aos microfilamentos), reorganiza seus componentes internos em decorrência de processos de crescimento e a mudanças no ambiente (mitose, meiose).
Proteínas motoras: se ligam a um filamento polarizado do citoesqueleto e utilizam a energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise de ATP para se deslocarem ao longo do filamento, se diferem em relação ao tipo de filamento ao qual se ligam (actina ou microtúbulos), à direção para a qual se movem sobre o filamento e em relação à “carga” que transportam. Todas essas proteínas apresentam a capacidade de usar energia química para sua propulsão sobre um caminho linear, a direção do deslizamento dependendo da polaridade estrutural do caminho. Todas elas geram movimento pelo acoplamento da hidrólise de nucleotídeos trifosfato a mudanças conformacionais em larga escala.
As proteínas acessórias são essenciais para a polimerização controlada dos filamentos do citoesqueleto em locais específicos, incluem proteínas motoras- máquinas moleculares que convertem a energia da hidrólise de ATP em força mecânica e que podem mover organelas ao longo dos filamentos.
A energia derivada da hidrólise de nucleotídeos permite que os filamentos sofram uma rápida remodelagem. 
Ao controlar quando e onde a actina e os microtúbulos são organizados, a célula vincula as propriedades polares e dinâmicas destes filamentos à geração de força em uma direção específica.
Filamentos intermediários são simétricos e, portanto, não formam filamentos polarizados com duas extremidades diferentes. As subunidades de filamentos intermediários também não catalisam a hidrólise de nucleotídeos. Não obstante, os filamentos intermediários podem se dissociar rapidamente quando necessário.
Estrutura e suporte – a célula é como se fosse um saco de lixo, e o balde é o citoesqueleto, porém ele está dentro.
 Ex: microvilosidades, terminação de axônio- há internamente microfilamentos de actina que dá sustentação há modificações membranares.
Transporte intracelular- vesículas trafegam pelo citoesqueleto e chegam ao seu destino. Sobre o microtúbulo as proteínas carregam as vesículas para seu transporte.
Contratilidade e mobilidade- associado a microfilamentos de actina, mais delgados por isso capacidade de adaptação grande. No fim da divisão celular a citocinese ocorre por estrangulamento pelo anel contrário de actina.
Organização espacial- filamento de actina se organiza e desorganiza de acordo com as necessidades da célula, após a citocinese os filamentos se desorganizam na zona de separação e se organizam no centro da célula.
Capacidade de desorganização e organização é muito rápida pois as ligações são fracas.
- Monômeros se conectam por ligações fracas, filamentos sujeitos a instabilidade térmica. Protocolarmente múltiplos da estabilidade térmica.
Protofilamento isolado tem instabilidade.
Ex: fagossomo “atrás” da bactéria.
Microtúbulo e microfilamento de actina 🡪 dinâmicos
Actina juntas em tubo de ensaio se condensam, nucleação- trímero de actina como Núcleo, em oligômeros- retardo, a partir daí começa o elongamento- crescimento – incorporação de novas actinas, exponencial, em determinado momento havia perda das subunidades numéricas e formação de novas em equilíbrio- estacionária, o microfilamento não cresce mais. Limite estabelecido pela membrana plasmática.
Obs 1: Adiciona uma unidade monomérica- temos K on. Se dissocia temos K off.
Obs 2:O tipo celular e momento celular definem a localização dos componentes do citoesqueleto e sua função.
Ex: microvilosidades são sustentadas por uma fita de actina do citoesqueleto, parte apical do intestino.
Microfilamento de actina- vermelho
Formado pela proteína actina- monômeros com sítio de ATP ou ADP, as subunidades de associam em oposição (cabeça de uma com cauda da outra).
Filamento de actina é formado a partir de dois protofilamentos paralelos enrolados um sobre o outro, são relativamente flexíveis e fáceis de serem curvados, entretanto em uma célula viva, proteínas acessórias interligam os filamentos formando feixes, tornando-se estas grandes estruturas muito mais fortes do que filamento de actina individual.
Existem 3 tipos de actina nos vertebrados: alfa-actina é expressa apenas nas células musculares, enquanto a beta e a gama-actina são encontradas, em conjunto, em quase todas as células não musculares.
 
Estrutura helicoidal devido a polarização da actina, possui extremidades distintas com diferentes taxas de crescimento- presença de ATP na extremidade mais positiva há maior dinâmica de crescimento, pois esta favorece a associação de monômeros – K on, do que a com ADP ou extremidade mais negativa há dinâmica de diminuição, pois esta favorece a dissociação de monômeros - K of. Dentro do filamento, as subunidades estão posicionadas com sua fenda de ligação a nucleotídeos direcionada para a extremidade menos.
Mecanismo treadmilling – se ambas as extremidades de um polímero estão expostas, a polimerização prossegue até que a concentração do monômero livre alcance um valor que seja acima de Cc para a extremidade mais (+) e abaixo de Cc para a extremidade menos (–). Neste estado estacionário, as subunidades estarão sendo, na média, associadas à extremidade mais (+) e, na média, dissociadas da extremidade menos (–) sob taxas idênticas. O polímero manterá um tamanho constante, mesmo considerando-se que existe um fluxo líquido de subunidades através do polímero, denominado rolamento ou movimento estacionário.
A associação e dissociação de monômeros de actina define se polaridade mais negativa- difosfatado, ou positiva- trifosfatado. O ATP do início sofre hidrólise no meio e vira ADP, então à medida que os monômeros de actina migram no filamento ele vai perdendo actina, vai se transformando e mudando sua forma favorecendo o desencaixe. 
Os filamentos de actina helicoidais são muito mais finos e, portanto, requerem muito menos energia para serem rompidos. No entanto, múltiplos filamentos de actina muitas vezes estão agrupados em feixes no interior das células, proporcionando resistência mecânica.
Em células vivas, maioria das subunidades livres encontra se sob a forma T – concentrações de ATP e GTP livres é cerca de 10 vezes maior- assim a taxa de adição das unidades é alta, sendo provável que uma nova subunidade seja adicionada ao filamento antes que a subunidade aprimoramento adicionada tenha sofrido hidrólise, formando uma capa de ATP ou GTP.
Controle do crescimento – a depender do tipo celular a rede de actina deve ser apropriada para a função da célula.
Proteínas regulatórias/ proteínas acessórias- 
1. Formina: se liga a extremidade + do filamento, promovendo a nucleação da montagem em feixes paralelos.
2. Complexo arp : se liga a extremidade – do ligamento, promove um crescimento ramificado em forma de rede, uma conformação mais perpendicular.
3. Timosina : se liga às subunidades, diretamente as actinas. Evita a associação quando não é necessário.
4. Profilina: se liga às subunidades, diretamente as actinas, acelera o crescimento. Recebe sinal químico necessitando da montagem do filamento. Ex: resposta a invasão de micro-organismos sendo necessário emissão de pseudópodes.
5. Cofilina : liga- se a filamentos com ADP- actina, acelera a dissociação.
6. Geosilina : quebra os filamentos e se liga à extremidade (+).
7. Proteína de capeamento: evita a associação e a dissociação na extremidade (+).
8. Tropomiosina: se liga a letal do filamento o estabiliza e enrijece. impede que interaja com outras proteínas. Obs.- importante para contração muscular.
9. Fímbrina- mantém os feixes paralelos próximos, interligação, empacotamento compacto impede a participação da miosina II no feixe. Associação em feixes, interligação e ligação a membranas.
10. Alfa quitinina- feixe contrátil, o empacotamento frouxo permite a participação da miosina II no feixe. Associação em feixes, interligação eligação a membranas
11. Filamina -Associação em feixes, interligação e ligação a membranas.
12. Proteína do complexo ERM- Associação em feixes, interligação e ligação a membranas.
13. Espectrina -Associação em feixes, interligação e ligação a membranas.
 
Deformável associado a evaginação de pseudópodes e invaginações. As junções aderentes se unem a esse microfilamento- cadeirinas. Estão em maior concentração no córtex.
Se apresentam como estruturas flexíveis, mas podem ter estruturas mais ou menos flexíveis, pois são montadas de maneira distintas.
Feixes paralelos- microvilosidade.
Feixes perpendiculares- célula nervosa, fim do axônio.
Projeções transitórias da superfície celular: microespiculas (profusões finas e pontiagudas- movimento), lamelipódios (expansões semelhantes a folhas- movimento), invaginações da superfície (feixe contrátil- divisão celular).
Microtúbulos- verde
Longos cilindros ocos formados pela proteína tubulina.
Mais grossos e rígidos, formados pela proteína tubulina, que são unidas em volta de um eixo comum com espaço oco. Formam trilhos na célula para possibilitar o transporte e endereçamento de vesículas. 
Para fornecer tanto força quanto adaptabilidade, o microtúbulo é formado por 13 protofilamentos – cadeias lineares de subunidades unidas extremidade-à-extremidade – que se associam umas às outras lateralmente paralelos alternadas (alfa e beta tubulina). 
Formação heterodimerica de duas proteínas globulares associadas à beta covalentes. Sítio para GTP. Só tem atividade em uma extremidade, a +.
A maior energia necessária para romper múltiplas ligações não covalentes simultaneamente permite aos microtúbulos resistir à ruptura térmica, ao mesmo tempo em que permite a rápida adição e dissociação de subunidades nas extremidades do filamento. 
Proteínas motoras carregam vesículas, a cinesina- levada – para a + e a dineína- da + para a-. Garante o transporte vesicular por gasto energético.
Ex: axonema – motilidade do espermatozoide, modificação celular específica.
 Fuso mitótico – prende os cromossomos durante a divisão. Mais visível na metáfase.
 
A migração celular é um processo complexo que depende do córtex rico em actina que existe abaixo da membrana plasmática. Três atividades distintas estão envolvidas nesse processo: 
Protrusão - na qual a membrana plasmática é empurrada para frente na face anterior da célula.
Ligação - na qual o citoesqueleto de actina liga-se através da membrana plasmática ao substrato.
Tração - na qual o citoplasma como um todo é puxado e impulsionado para frente.
Instabilidade dinâmica: controla o crescimento ou encurtamento do microtúbulo. Microtúbulos isolados podem, portanto, alternar períodos de lento crescimento e períodos de rápida dissociação. Funciona por GTP viabilizando crescimento e GDP viabilizando dissociação (oligômeros curvos de tubulina contendo GDP são vistos nessa extremidade), pois muda a conformação gerando uma curvatura. Se perdida uma capa de GTP ocorre despolimerização. Região com GTP são mais estáveis, pois estão lineares, se perdida a capa de GTP por hidrólise, os microtúbulos perdem essa restrição se curvam e promovam o afastamento.
Microtúbulos são nucleados em uma região conhecida como centro organizador de microtúbulos (MTOC)- em células eucariontes é chamado de centrossomo.
1- Gama TuRC (gama tubulina) – anel de gama tubulina promove nucleação da montagem e permanece associado a extremidade menos (-). Serve como molde para os 13 protofilamentos. Alta concentração no centrossomo.
2- Estatimina- se liga às subunidades, evita a associação.
3- + TIPs: permanece associado as extremidades mais (+) em crescimento e pode ligá-las a outras estruturas, como membranas. Esses fatores permitem que a célula aproveite a energia da polimerização dos microtúbulos para a geração de forças de impulso que podem ser usadas para o posicionamento do fuso, dos cromossomos ou das organelas.
4- Cinesina 13: aumenta a dissociação catastrófica na extremidade mais (+).
5- Grupo MAPs: estabiliza túmulos através de ligações laterais.
6- Catanina: quebra microtúbulos.
7- Tau: associação em feixes e interligação 
8- Map 2: associação em feixes e interligação 
9- Plectina: ligação e filamentos intermediários.
A extremidade nucleada é a negativa- recolhida no núcleo- e a extremidade positiva- aponta para a periferia da célula/ extremidade basal- sofre elongação e dissociação.
Colchichina- quimioterápico que bloqueia a mitose, é anti-inflamatório, e consequentemente bloqueia a progressão do tumor se em processo teratogênico. Provoca estabilização do filamento do citoesqueleto.
Há proteínas motoras associadas ao microtúbulo: carregam vesículas.
Dineína- extremidade negativa para positiva. Em pares isolados de microtúbulos provoca o deslizamento e em flagelos normais provoca a flexão. Transporte axonal retrógrado. o movimento centrípeto de organelas e vesículas, em direção ao centro da célula
Cinesina- extremidade positiva para negativa. Desempenham funções específicas na formação do fuso mitótico e na segregação dos cromossomos durante a divisão celular. Responsável pelo rápido movimento de mitocôndrias, de precursores de vesículas secretoras e diversos componentes sinápticos ao longo do grande caminho de microtúbulos do axônio em direção às distantes terminações nervosas. O movimento centrífugo para a periferia.
Ex: fuso mitótico- rearranjo drástico do citoesqueleto de microtúbulos.
 Cinetócoros: proteína motora que migra para a extremidade negativa, cinesina.
Proteínas que se ligam a extremidade mais (+)
1. Fator de catástrofe (cinesina-13): ligam-se às extremidades mais dos microtúbulos e parecem forçar a separação dos protofilamentos, diminuindo a barreira normal de energia de ativação que impede que um microtúbulo adquira a forma caracteristicamente curvada vista em protofilamentos que se encontram no estado de encurtamento.
2. a Nezha ou Patronina: protege as extremidades menos dos microtúbulos dos efeitos dos fatores de catástrofe
3. XMAP215: liga subunidades de tubulina livre e as entrega na extremidade mais, promovendo, assim, a polimerização dos microtúbulos e simultaneamente combatendo a atividade do fator de catástrofe.
As extremidades menos os microtúbulos estão estabilizadas pela associação a uma proteína de capeamento ou ao centrossomo, ou então servem como locais de despolimerização dos microtúbulos.
Obs; um determinado fármaco foi desenhado para atuar na despolimerização de microtúbulos. Esse fármaco deverá:
Cada microtúbulo é um polímero formado, em sua maior parte, por tubulina, uma proteína composta por α e a β-tubulinas, que se associam a moléculas de GTP. Durante a polimerização, adicionam-se dímeros de tubulina na extremidade +; na despolimerização, há remoção do GTP destes dímeros na extremidade + (forma-se o GDP).
Obs: Apesar de serem derivados dos centríolos (que têm 9 grupos de 3 microtúbulos na composição), os cílios e flagelos possuem 9 grupos de 2 microtúbulos periféricos + 1 par de microtúbulos em posição central, não apresentando, portanto, a mesma estrutura.
Filamento intermediários- azul
Sustentam as organelas, sem proteína característica há nele cerca de 50 tipos de proteínas diferentes. Os desmossomos e hemidesmossomos se coligam a esses fixamente para exercer sua função-placoglobina e desmoplaquinas.
Não tem dinamismo, sem capacidade de fazer polarização e despolarização. São mais rígidas, não se partem, sustentam as células.
São polímeros fortes semelhantes a cabos alongados, constituídos de polipeptídios fibrosos que resistem ao estiramento e desempenham um papel estrutural na célula, mantendo sua integridade. Apresenta estrutura coesa com sustentação à tração mecânica, portanto, serve de alicerce para a estrutura celular. 
Pode formar uma lâmina nuclear logo abaixo da membrana nuclear interna, ou se estender em redes do citoplasma, conferindo resistência mecânica às células, nos tecidos epiteliais, se estendem ao longo do citoplasma de uma junção célula a célula fortalecendoo epitelial como um todo.
Os filamentos intermediários, por exemplo, unem-se formando fortes contatos laterais entre a-hélices supertorcidas, que se estendem ao longo do comprimento quase total de cada subunidade fibrosa alongada. Visto que as subunidades individuais são justapostas no filamento, os filamentos intermediários formam estruturas fortes, semelhantes a uma corda (ou cabo) que toleram muito mais estiramento e dobramento do que os microtúbulos ou os filamentos de actina. 
Associam-se com outros elementos do citoesqueleto, promovendo organização da estrutura interna da célula, localização de organelas delimitadas por membranas, promove o transporte intracelular e a formação do fuso mitótico. Não se associam, dessa forma, com mudanças na forma da célula.
Intermediário- tamanho entre os filamentos de actina e os microtúbulos.
1- Nuclear: proteína de lâminas A, B e C, localizada na lâmina nuclear, que é o revestimento interno do envelope nuclear, da rigidez ao núcleo, participam na regulação da transcrição.
2- Semelhante à vimentina : proteína vimentina- diversas células de origem mesenquimal/ proteína domina- músculo/ proteína ácida Goiás fibrilar- células gliais.
3- Epitelial: proteína periférica- alguns neurônios, queratinas I e II- células epiteliais e derivados.
4- Axonal: proteínas de neurofilamento- neurônios.
Ex: fibroblasto com microtúbulo e filamento de actina entrando em divisão celular, eles estão se reorganizando na intenção de formar o fuso mitótico. 
Encontrados em alguns animais, no citoplasma as células estão sujeitas ao estresse mecânico- Ex; bolo alimentar passando pelo esôfago- e, particularmente encontrados em. Animais com exoesqueletos rígidos não o possuem. Ele impede que o tecido conjunto seja exposto.
Células da glia em vertebrados não contém filamentos intermediários 
As subunidades não contêm sítios para ligação do trifosfato, e não possui estrutura polarizada, não existe lado + nem -.
Os grandes números de polipeptídios unidos por ligações hidrofóbicas laterais conferem uma resistência. Elas podem ser facilmente flexionadas, mas é extremamente difícil rompê- los.
Defeitos nessas estruturas podem causar problemas nas células epiteliais como Acantólise- desprendimento da célula do tecido em que ela faz parte.
Drogas que afetam a dinâmica dos microtúbulos: taxol, vincristina, vimblastina, colchicina, ou uso de quimioterápicas.
Fármacos que afetam os filamentos de actina e os microtúbulos
Filamentos de actina- ligar- se a eles e estabilizá- los, promover capeamento da extremidade +, quebrar os filamentos, ligar-se às subunidades e evitar sua polimerização.
Microtúbulos- ligar- se a eles e estabilizá-los, ligar a subunidades e evitar polimerização.
Júlia Furtado Brandão