Citoesqueleto: Componentes e Funções

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Citoesqueleto
Giulia Magno Rocha
Os componentes do citoesqueleto vão garantir algumas funções importantes para a célula.
Divididos em 3 estruturas diferentes que têm funções semelhantes e outras exclusivas de cada.
De uma maneira geral vai garantir o formato e posição dos componentes dentro da célula.
Os componentes são:
● Filamentos de actina e miosina: são filamentos curtos, mas dão uma característica importante para as células,
estão mais próximos da membrana da célula. Os de actina tem em todas as células, mas a miosina (só nas
células musculares) não. A actina vai se associar a diferentes proteínas, na muscular se associa a miosina.
● Filamentos intermediários: não se fala de uma proteína específica, se fala de uma família de proteínas, que
tem como característica em comum ser uma proteína que forma um cordão. Vai ser uma proteína com
estrutura rígida. E depende do tipo de célula. Proporciona resistência mecânica.
● Microtúbulos: estrutura oca que tem função de dar forma e de fornecer mobilidade para as substâncias
produzidas na célula. Filamentos ocos e longos (tubulina).
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Os filamentos de actina (também chamados de microfilamentos) estão aderidos próximo à membrana fazendo interação;
os microtúbulos estão na parte central da célula se projetando e ajudando no formato; os filamentos intermediários
estão posicionando os componentes no lugar.
Os filamentos de actina vão garantir as projeções da célula, garantem suporte e estrutura para a mesma, transporte
intracelular de moléculas; os filamentos de actina também formam as espículas dos dendritos.
Os microtúbulos formam a estrutura que vai levar o conteúdo do corpo celular para o terminal axônico, então nessa
célula o neurônio tem a função de formar rota para o neurotransmissor. Na célula em divisão, os microtúbulos vão
ajudar na separação das cromátides-irmãs.
Filamentos de actina
“Determinam a forma da superfície da célula e são necessários para a locomoção das células como um todo; eles também
conduzem a divisão de uma célula em duas.” (ALBERTS)
Vai formar os microfilamentos, está bem abaixo da membrana plasmática e está associada a mesma, garante interação
da membrana com componentes da matriz extracelular.
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Será importante a relação desse componente estrutural que vai garantir a interação além do formato da célula.
● Polímeros helicoidais de duas cadeias;
● Flexíveis;
● Feixes lineares, redes bidimensionais, géis tridimensionais;
● Mais concentrado no córtex (abaixo da MP).
Microtúbulos
São mais longos e ocos, vai partir de uma região próxima ao núcleo (que são os centríolos) e se projeta para as
extremidades da célula. Garante estrutura, mas tem funcionalidade relacionada ao núcleo e transporte de moléculas
sintetizadas no núcleo e complexo de Golgi.
● Filamentos longos e ocos (tubulina).
● Rígidos.
● Extremidade ligada ao centrossomo.
● Organização primária.
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.” (ALBERTS)
“Os filamentos intermediários são encontrados no citoplasma da maioria das células animais. Eles formam
caracteristicamente uma rede no citoplasma, envolvendo 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,
onde a membrana plasmática está conectada à membrana de outra célula. Nesse compartimento eles formam uma rede
denominada de lâmina nuclear, que está subjacente ao envelope nuclear e o fortalece.” (ALBERTS)
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Os filamentos intermediários formam uma rede resistente e durável no citoplasma da célula. (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 indiretamente
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) Secção de uma célula cutânea, mostrando os
feixes de filamentos intermediários que atravessam o citoplasma e que estão inseridos nos desmossomos.
São fibras que formam uma corda e, garantem zonas de tensão.
São compostos por proteínas diferentes e garantem a posição das organelas dentro da célula e, também a capacidade
de células como do epitélio, neurônio e células musculares.
Passam por tensão sem se desconstruir.
● Fibras em forma de cordão.
● Grande família de proteínas heterogêneas.
● Lâmina nuclear.
● Força/tensão mecânica - tecido epitelial.
Os filamento de actina
São formados por monômeros (uma unidade) e cada unidade da actina é uma proteína tridimensional. O filamento de
actina vai se construindo formando um dímero, trímero e uma estrutura filamentar que vai formar duas estruturas que vão
se associar formando uma hélice. Apesar de formar um pequeno filamento, ele é tridimensional, porque cada unidade da
proteína é globular.
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Quando ela vai se constituindo essa estrutura filamentar da actina tem uma extremidade que é positiva e outra é
negativa. Quando se fala da estrutura filamentar não se fala de uma estrutura fixa, mas sim dinâmica nas células.
A actina pode se projetar a depender da célula e da funcionalidade das mesmas e necessidade de comunicação com o
meio externo.
Os filamentos de actina tem uma estrutura dinâmica que significa que eles podem se associar ao ATP e usar a
fosforilação do ATP para se alongar e, assim, alongando a célula, mudando o formato e garantindo projeções
como microvilosidades e espículas dendríticas, por exemplo e também pode garantir invaginação da célula
durante o processo de divisão celular. Quem faz a fragmentação das membranas para de fato dividir uma célula em
outra são os filamentos de actina.
Como é a dinâmica da estrutura da actina? A extremidade positiva (é chamado assim, porque é onde se tem as
unidades de actina ligadas ao ATP), a extremidade negativa é quando já houve fosforilação. Quando há a fosforilação vai
desconstruir o filamento para as unidades de actina ligadas ao ADP e vai alongar a estrutura proteica a partir das
estruturas ligadas ao ATP. Sempre cresce para o lado positivo que é o que está ligado ao ATP.
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Associação com a membrana:
Tem as proteínas transmembrana que são componentes estruturais e funcionais da membrana e essas proteínas são
receptores de hormônios, de neurotransmissores e estão associadas aos filamentos de actina. O filamento de
actina está associado a uma rede de proteínas que podem ser filamentos intermediários. Quando têm um
neurotransmissor, por exemplo, o hormônio que se liga ao seu receptor é capaz de alterar a funcionalidade da célula e isso
não é aleatório, tem uma conexão entre as moléculas. O que acontece no meio extracelular é sinalizado pelas
proteínas transmembrana que estão ligadas à actina. A actina está logo abaixo da membrana plasmática, por isso
ela tem interação com a matriz extracelular.
Na imagem, mostra o “avesso” da membrana plasmática. A actina está ajudando a conectar essa rede, tem uma proteína
chamada de espectrina que está presente na maioria das células e forma a rede, e quem faz a conexão da rede é a
actina.
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Adesão à matriz extracelular
Tem proteína transmembrana (integrina) e tem várias outras proteínas que vão estar associadas constituindo o
microfilamento de actina do citoesqueleto.
Junções de adesão
Uma característica importante do microfilamento de actina é que forma a especialidade da membrana chamada de
junção de adesão (é mais superficial em relação às de oclusão).
As junções de adesão são garantidas pelos filamentos de actina,tem proteína transmembrana (em azul), a caderina que
está no espaço extracelular, quem garante a adesão e mantém as células posicionadas são os microfilamentos de actina,
garantindo a constituição tecidual.
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Microvilosidades
São estruturadas pelo citoesqueleto. Tem a microvilosidade em determinada célula por conta das projeções
dinâmicas para extremidade positiva da actina, vai se projetar acima da célula.
Exemplo: microvilosidades intestinais aumentam a superfície de contato dos alimentos que passam pelo lúmen intestinal
com as células, as microvilosidades intestinais são o local de maior síntese de enzimas digestivas; o filamento de actina
está estruturando para que haja uma rede de comunicação para que as moléculas sejam produzidas dentro da célula e
sejam direcionadas.
Também se tem outro exemplo que seriam os dendritos.
Essas projeções podem ser:
a) Microespículas: protusões finas e pontiagudas (movimento).
b) Lamelipódios: expansões semelhantes a folhas (movimento). *Em alguns tecidos as microvilosidades pegam a
membrana inteira, há uma expansão.
c) Invaginações da superfície (feixe contrátil - divisão celular). *Por exemplo, tem os túbulos T onde se intensifica a
geração do potencial de ação nas células musculares.
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Filamentos intermediários
São uma família de proteínas que tem como característica principal ser uma proteína fibrosa, vão formar um “cabo
de aço”. Cada filamento intermediário é uma proteína e vão ter associações de cadeias peptídicas.
Exemplo: queratina (células epiteliais), neurofilamentos (células nervosas), desminas (células musculares), lamininas
(envoltório nuclear).
A proteína depende do tecido, a que forma o filamento intermediário do epitélio é a queratina. A que forma os filamentos
intermediários das células nervosas são os neurofilamentos; musculares é a desmina.
São proteínas fibrosas, alongadas, duras e resistentes e têm como principal função estar relacionada a células
que estão sujeitas a tensão mecânica (epiteliais, musculares, nervosas).
Se estendem do núcleo para a periferia e formam o envelope nuclear ou lâmina nuclear.
Tem a formação com: porção N terminal e C terminal.
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Monômero → dímero → tetrâmero antiparalelo → protofilamento →filamento (8 protofilamentos)
Arranjo dos filamentos intermediários: eles formam o que se chama de protofilamento que é o filamento com várias
moléculas da mesma proteína e se diferencia de acordo com o tipo de tecido que os compõem.
Os microtúbulos
“Determinam o posicionamento das organelas delimitadas por membrana, promovem o transporte intracelular e formam o
fuso mitótico que segrega os cromossomos durante a divisão celular.” (ALBERTS)
“Os microtúbulos desempenham um papel essencial na organização de todas as células eucarióticas. Esses tubos
proteicos longos, ocos e relativamente rígidos podem rapidamente sofrer dissociação em um determinado local e
reassociação em outro.” (ALBERTS)
São unidades de proteínas globulares chamadas de tubulina, é a mesma proteína em todas as células.
Está em duas isoformas: uma é a alfa-tubulina e beta-tubulina (é a mesma proteína, só a conformação estrutural da
cadeia que forma a alfa e beta).
A cada dímero (alfa e beta) vai constituindo um polímero que é circular, e é um tubo.
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Distribuição dos microtúbulos:
Os microtúbulos são distribuídos nas células a partir do centrossomo e, a partir do centrossomo ele irá se projetar, por isso
tem função tanto estrutural quanto de transporte.
● Formado por heterodímeros:
- α e β-tubulinas formam dímeros, chamados tubulinas; O dímero vai também ter a capacidade de se
desenvolver, de se projetar. É uma estrutura dinâmica semelhante aos filamentos de actina.
- Tubulinas se associam formando protofilamentos;
- TREZE protofilamentos compõem um microtúbulo;
● Há um equilíbrio dinâmico entre a tubulina polimerizada e a livre;
● Extremidade “+” é mais dinâmica do que a extremidade “-”.
“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.” (ALBERTS)
“Uma extremidade do microtúbulo, potencialmente a extremidade β-tubulina, é denominada extremidade mais (+), e a
outra, a extremidade α-tubulina, é denominada extremidade menos (-).” (ALBERTS)
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Dinâmica de polimerização:
A dinâmica da polimerização da tubulina é dada pela extremidade + (é a extremidade ligada ao GTP). O GTP vai
ajudar na construção dos microtúbulos e é uma estrutura dinâmica. O encurtamento é direcionado para a extremidade
negativa. A polimerização é da negativa para a positiva.
Temos proteínas associadas aos microtúbulos que são quem vão garantir esse encurtamento, que são as
proteínas motoras.
Os microtúbulos têm a mesma quantidade de tubulina polimerizada e livre.
Para o microtúbulo crescer não precisa se projetar, não precisa encurtar a extremidade negativa, pode apenas
aumentar de tamanho, por isso é capaz de mudar o formato da célula. Não precisa de tubulina sair do polímero
para ocorrer essa atividade, tem outras proteínas que vão se associar a capacidade de encurtamento (que são as
proteínas motoras).
● Os microtúbulos se polimerizam a partir de uma região no citosol próxima ao núcleo, chamado de Centro
Organizador de Microtúbulos (MTOC);
- Presença de centríolos e proteínas pericentriolares.
O microtúbulo vai se polimerizar da parte de uma região central próxima ao núcleo (onde tem a região chamada de
centrossoma ou centro organizador dos microtúbulos, onde terá a presença dos centríolos que vão garantir o processo de
divisão das células).
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Proteínas motoras associadas aos microtúbulos:
Proteínas motoras: Cinesina (extremidade “- “ para “+“); Dineína (extremidade “+” para “-”).
Além da tubulina alfa e beta que constrói o microtúbulo (que é oco por dentro), tem associação de proteínas chamadas de
proteínas motoras, é através delas que tem a expansão da cinesina ou a desconstrução da dineína dos
microtúbulos.
Para polimerizar, a tubulina utilizará o GTP e as proteínas motoras utilizam ATP. Então tem uma capacidade funcional
melhorada pela associação das proteínas motoras as unidades de tubulina.
As proteínas motoras usam ATP, então tem uma capacidade funcional melhorada pela associação dessas proteínas
motoras às unidades de tubulina, elas determinam o tráfego através dos microtúbulos (tráfego de vesículas) e isso
determina a velocidade correta da transmissão da informação. Se inibe essa associação não consegue fazer o transporte.
Uma mutação nessas proteínas pode não garantir a efetividade fisiológica, ou seja, transporta, mas não transporta na
velocidade correta, porque o tráfego não está constituído de maneira fisiológica.
Fusos mitóticos:
“Quando uma célula entra em mitose, os microtúbulos citoplasmáticos se dissociam e a seguir se reassociam sob a forma
de uma intrincada estrutura denominada fuso mitótico, o fuso mitótico fornece a maquinaria que irá segregar os
cromossomos igualmente entre as duas células-filhas momentos antes da divisão celular” (ALBERTS)
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- Rearranjo drástico do citoesqueleto de microtúbulos.
O microtúbulo também faz a projeção de polimerização para formar os fusos mitóticos (microtúbulos).
A formação do fuso mitótico vai depender da projeção do fuso em direção a extremidade positiva.Tem o núcleo na interfase, tem duplicação do cromossomo; na prófase tem projeção e distanciamento entre os centríolos
e a cromatina está frouxa e fica pronta para ser separada através da ligação das cromátides com o microtúbulo. Pode ter
microtúbulos diferentes. Cada projeção dessa vai dar uma funcionalidade diferente no fuso mitótico, tem os microtúbulos
cinetocoros (ligados às cromátides) e os polares que formam o polo de divisão na anáfase e os astrais que fazem a
expansão da célula. Está mudando de formato para conseguir ter duas células iguais e os polares que estão fazendo a
centralização de onde haverá a divisão celular.
Os polares - centralização de onde haverá divisão celular; astrais - fazem projeção e executam a modificação no formato
da célula; cinetocoros - ligados às cromátides irmãs.
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Ação dos microtúbulos na mitose:
Vai haver a projeção até que se tenha um tamanho de célula que garanta que na divisão marcada pelos microtúbulos
polares tenha duas células que foram projetadas pelos astrais com tamanhos iguais.
Os microtúbulos cinetocoros:
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Os cinetocoros fazem a separação das cromátides-irmãs através do encurtamento e vão ter proteína motora que
vai migrar em direção a extremidade negativa, desconstruindo e encurtando em direção ao centrossomo.
Cílios e flagelos:
“Os microtúbulos podem também formar cílios, que funcionam como chicotes de impulsão ou dispositivos
sensoriais na superfície das células, ou feixes firmemente alinhados que servem como pistas para o transporte de
materiais sobre longos axônios neuronais.” (ALBERTS)
Outra funcionalidade dos microtúbulos é se projetarem além da célula formando cílios e flagelos. Tem uma
estrutura diferenciada, eles dão movimentação. Os cílios não deixam acumular moléculas na superfície celular. O flagelo
dá mobilidade para a célula, por exemplo, o espermatozóide. Os movimentos dos cílios e flagelos têm coordenação de
movimento. Tem que avaliar se o flagelo está garantindo o movimento correto, qual o grau de motilidade e o tamanho
dele, esses são chamados de microtúbulos axonema (não é completamente oco).
Estrutura do axonema:
Se cortar um flagelo ou cílio a microscopia eletrônica fica igual a A. Cada duas bolinhas são um dímero de alfa e beta
tubulina e os espaços entre elas é uma proteína motora (que não foi marcada na revelação). No desenho esquemático
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tem-se uma proteína motora a cada dímero para ter mobilidade, seja no cílio ou flagelo, tem que ter a proteína motora que
garante a hidrólise do ATP, porque a tubulina não consegue ligar-se ao ATP.
O que garante que o flagelo não se desconstrua cada vez que ele se movimenta? Porque tem um dímero central, tem
uma polimerização central de tubulina.
O microtúbulo que está dentro das células que é oco está na parte central do cílio ou do flagelo. E assim está ligado a
proteína efetora que faz um revestimento. É um microtúbulo alternado com proteínas motoras revestindo um microtúbulo
completamente oco.
O movimento dos cílios e flagelos:
Se só tivesse o túbulo central, não haveria essa funcionalidade para cílios e flagelos.
Filamentos intermediários x microtúbulo/actina
Filamentos intermediários Microtúbulos/microfilamentos
Constituição proteica Família de proteínas Tubulina/actina
Tipos de subunidades Filamentosas Globulares
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Dinâmico de pol/despol Inexistente Direcionada a extremidade +
Função geral Sustentação Transporte e sustentação
Nucleotídeos fosfatados Inexistente GTP e ATP
Polaridade - -
Adição de subunidades Qualquer extremidade lateral Extremidade positiva
Resistência x Flexibilidade Alta resistência e flexibilidade Baixa resistência e flexibilidade
variável
Aplicação do conceito
Drogas que afetam a dinâmica de microtúbulos:
● Algumas drogas afetam a dinâmica de polimerização e despolimerização dos microtúbulos.
- Exemplo: taxol, vincristina, vinblastina, colchicina;
- Utilizado como quimioterápico.
● Câncer: os agentes quimioterápicos alcalóides são mais potentes (taxol, vincristina, vinblastina, colchicina), mas
também são tóxicos. Eles não diferenciam apenas as células mutantes, mas também destroem algumas células
normais. Se ligam a tubulina ou a proteínas motoras e impedem a polimerização positiva. Só o fato de impedir a
polimerização pela extremidade positiva já começa a fazer com que a célula não se divida. E assim não forma o
fuso mitótico
● Gota (acúmulo de ácido úrico): a gota é que os cristais de ácido úrico são fagocitados pelos macrófagos e os
microtúbulos são fundamentais para o desenvolvimento da doença (quando os cristais se movimentam através
dos microtúbulos dentro dos macrófagos, eles vão promover uma reação no macrófago inflamatória). A colchicina
vai e desconstrói os microtúbulos e quando isso ocorre, os cristais não são transportados através dos macrófagos
e não geram a resposta inflamatória, essa droga controla a dor e a morte celular porque não há o transporte.
● Doença relacionada aos filamentos intermediários: epidermólise bolhosa. A pessoa não tem ou está
enfraquecido o filamento intermediário da epiderme (creatina), a própria roupa ao encostar pode ser o suficiente
para gerar uma tensão nas células do epitélio e gerar lesões. “Na epidermólise bolhosa simples, na qual mutações
em genes da queratina interferem na formação dos 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.” (ALBERTS)
● A epilepsia do lobo temporal, as displasias corticais e a esquizofrenia são exemplos de patologias que
apresentam algum tipo de envolvimento com as alterações que ocorrem na formação citoesquelética.
Referências:
O papel das proteínas do citoesqueleto na fisiologia celular normal e em condições patológicas
ALBERTS et al. Biologia Molecular da Célula. 5 ed. Porto Alegre: Artmed, 2009. Cap 16