CITOESQUELETO E MOTILIDADE CELULAR

CITOESQUELETO E MOTILIDADE CELULAR

Citoesqueleto consiste de uma rede de proteínas filamentosas que se extendem através do

citoplasma de todas as células eucarióticas.

Função do citoesqueleto

- Determina a forma da célula

- Organização geral do citoplasma

- Movimentação de células inteiras

- Transporte interno de organelas e outras estruturas (cromossomo durante divisão celular)

Nota. Embora o nome de citoesqueleto sugere uma estrutura rígida, ele representa uma

estrutura dinâmica que é continuamente reorganizado conforme a célula se move ou muda de

forma, por exemplo, durante divisão celular, fagocitose, endocitose, exocitose, etc.

COMPOSIÇÃO DO CITOESQUELETO

O citoesqueleto é composto por três tipos principais de proteínas e várias proteínas

acessórias:

- actina (forma filamentos de actina)

- filamentos intermediários

- tubulinas (forma microtúbulos)

- proteínas acessórias

As proteínas do citoesqueleto estão envolvidas, por exemplo:

- Manutenção da forma bicôncava de eritrócitos (hemáceas)

- Atividade fagocítica de macrófagos e neutrófilos

- Junção entre células enterociticas (intestinos)

- Formação de microvilosidades intestinais

- Adesão inter-celular (relação entre matrix extracelular, proteínas de membrana e elementos

do citoesqueleto, filamentos de actina e outras proteínas acessórias)

Polimerização e estrutura dos filamentos de actina

Actina monomérica (actina-G) polimeriza para formar os filamentos de actina (actina-F).

A primeira etapa é a formação de dímeros e trímeros chamado de nucleação. O terceiro monômero estabiliza o dímero e oferece condições para o crescimento do filamento chamado de elongação A elongação do filamento origina actina F.

Actina G (monômero) vão se orientando na mesma direção no microfilamento conferindo uma

polaridade ao complexo. Extremidade mais (+) e extremidade menos (-)

Actina 43 kDa (375 aminoácidos) Monômero - actina G (globular) Microfilamento - actina F

Elongação do filamento de actina - cresce pela adição de monômeros em ambas extremidades mais (+) e

menos (-).

A adição de monômero na extremidade mais (+) é 5 a 10 vezes mais rápido do que na menos (-).

Como ocorre essa polimerização?

Embora ATP não seja necessário para o processo de polimerização, a ligação de ATP-actina e depois sua hidrólise para ADP-actina tem papel importante na regulação dinâmica da polimerização e

despolimerização dos filamentos de actina.

A polimerização de filamento de actina pode ocorrer expontâneamente em condições de força iônica fisiológica. In vitro a baixa força iônica promove despolimerização dos filamentos.

Polimerização de actina é um processo reversível, na qual os

monômeros associam e dissociam em ambos lados do filamento de actina. Aparente equilibrio é estabelecido quando a concentração

crítica de monômeros é alcançada.

Actina-ATP associa-se na extremidade mais (+) Actina-ADP dissocia-se na extremidade menos (-)

Isto estabelece uma dinâmica para os filamentos de actina e assim eles podem ser regulados em seu tamanho.

A diferença na razão de crescimento é refletida pela concentração crítica de actina, pela adição de actina-G para os dois lados do filamento. Actina-ATP associa-se mais rápidamente extremidade mais (+), e ATP ligado a actina é hidrolisado para ADP.

Actina-ADP da extremidade menos (-) se dissocia na mesma razão que actina-ATP se associa ao lado mais (+), balanceando assim o tamanho do filamento de actina.

Actina - proteína mais abundante do citoesqueleto (5 a 10% da proteína total de células

eucarióticas)

Organização dos filamentos de actina

Polimerização de actina leva a formação de filamentos também chamados de microfilamentos

Microfilamentos estão organizados em:

- filamentos de actinas que estão disposto em paralelo unidos por proteínas acessórias

pequenas que estão associadas à actina não covalentemente.

- filamentos de actinas que estão dispostos em rede unidos por proteínas grandes e flexíveis

que estão associadas também não covalentemente, porém em posições ortogonais com actina

conferindo a forma de rede.

Os filamentos de actina apresentam característica de gel semi-sólido e estão próximo a

membrana plasmática providenciando suporte mecânico, forma e permitindo movimento

celular.

Associação de filamentos de actina com a membrana plasmática

Associação do citoesqueleto cortical de eritrócitos com a membrana plasmática.

A membrana plasmática é associada com uma rede de tetrâmeros de espectrina ligados a curtos filamentos de actina em associação com proteina banda 4.1.

A rede actina-espectrina é ligada para a membrana pela anquirina, a qual liga-se ambas espectrina e uma proteína abundante chamada banda 3.

Adicional ligação é providenciada pela ligação da proteína banda 4.1 para glicoforina.

Eritrócitos ou hemáceas são particularmente importante para o estudo de rede de filamento de actinas por não possuirem organelas internas e outros componentes do citoesqueleto como microtubulos e filamentos intermediários

.

JUNÇÕES ADERENTES

Fibras de actina ligadas a membrana plasmática nos pontos de adesão focal exemplo fibroblastos aderidos a placas de cultura (cultura de tecidos) via integrina (proteína transmembrana)

As adesões focais são mediadas por ligação com integrinas para proteínas da matrix extracelular. Filamentos de actinas (ligação cruzada com alfa-actinina, proteína acessória) estão interagindo com as integrinas

JUNÇÕES ADERENTES – CADERINAS

Interação Célula-Célula

Image of human epithelial cells with cadherin stained green and nucleus blue. The green staining cadherin is very widely distributed between these cells. This is why it appears that the plasma membrane is stained green. (courtesy of Louise Cramer, Laboratory for Molecular Cell Biology & Cell Biology Unit, University College London, UK and Vania Braga, Imperial College London, UK)

PAPEL DE FILAMENTOS DE ACTINA NA FORMAÇÃO DE PROJEÇÕES DA SUPERFÍCIE DAS CÉLULAS.

Organização da microvilosidades. Filamentos de actina das microvilosidades são interligados por

fimbrina e vilina (proteínas acessórias) em posições paralelas formando as projeções da superficie celular das células do epitélio intestinal envolvidos em processos de absorção de nutrientes. Isto aumenta a

MICROTUBULOS

- São o terceiro componente principal do citoesqueleto, se apresentam como bastões

cilíndricos de natureza rígida.

- Como filamentos de actina, os microtubulos também polimerizam e despolimerizam

contínuamente atuando como estruturas dinâmicas.

- Função

- Determina forma da célula

- Atua numa variedade de movimentos celulares (ex.locomoção)

- Transporte intracelular de organelas

- Separação dos cromossomos durante a divisão celular

- Composição

Dímeros de alfa e beta-tubulinas polimerizam para formar

microtubulos, os quais são compostos por 13 protofilamentos

montandos em núcleo cilindríco

Microtubulos

Como actina, microtubulos também tem uma polaridade. Extremidade mais (+) cresce mais rápido, enquanto a extremidade menos (-) cresce lentamente.

Tubulina-GTP é adicionado a + e rápidamente GTP é hidrolisado a GDP. A hidrólise para GDP enfraquece a interação da tubulina-GDP com moléculas adjacentes e então despolimerização acontece

O processo leva a elongação e encurtamento de microtubulos (instabilidade dinâmica) que é importante para a função destes elementos na célula,

Filamentos intermediários

Em contraste com filamentos de actina e microtubulos, os filamentos intermediários não estão envolvidos diretamente na motilidade celular, eles proporcionam resistência mecânica a células e tecidos.

Estão organizados em aproximadamente 8 protofilamentos a partir de tetrâmeros. Os filamentos

intermediários tem suas extremidades equivalentes e portanto não apresentam extremidades mais (+) ou menos (-) como em microtubulos e filamentos de actina.

polipeptídeo

dímero

protofilamento

filamento tetrâmero

Mais de 50 tipos diferentes de proteínas que compoem os

filamentos intermediários tem sido identificadas e foram

classificadas segundo similaridades em suas sequências de

aminoácidos.

Organização intracelular dos filamentos intermediários

rede no citoplasma de muitas células, estendendo-se da circunvizinhaça do núcleo para a periferia da membrana plasmática

Associam-se com os outros elementos do citoesqueleto promovendo a organização da estrutura interna da célula

amarelo-plectina

Azul-filamentos intermediários Vermelho-microtúbulos

Verde- fibras de conexão

Microscopia eletrônica de fibroblasto corado com anticorpo anti-plectina. Plectina liga-se a filamentos de actina, microtubulos e filamentos intermediários promovendo uma ligação entre esses componentes do citoesqueleto.

Estas interações estabilizam os componentes e aumentam a estabilidade mecânica da célula.

Distribuição de queratina (anticorpo anti-queratina com fluoróforo vermelho) e lamina (azul)

Motilidade celular e motores

moleculares

Proteínas motoras

Miosina-II é um protótipo de um motor

molecular - uma proteína que converte energia

química na forma de ATP para energia mecânica,

então gerando força e movimento.

Miosina-V é uma miosina com duas cabeças e

cauda globular. É considerada uma miosina não convencional, está envolvida no transporte de organelas e outras cargas, por ex. Filamentos intermediários, em direção a extremidade + de filamentos de actina.

Miosina-I contém um grupo cabeça similar a miosina II, mas ela tem uma cauda relativamente

curta e não forma dímeros ou filamentos. Embora não possa induzir contração, miosina I

move-se ao longo de filamentos de actina (direção a extremidade +) e também está envolvida no transporte de organelas e outras cargas.

Kinesin uma proteína motora que se move ao longo de microtubulos em direção a extremidade mais (+) Dynein também uma proteína motora move-se ao longo de microtubulos em direção a extremidade menos (-)

Proteínas motoras

(-)

₍₊₎

Proteína EB1 liga-se ao lado + de

microtubulos, somente se o CAP-GTP

está presente. EB1 com fusão para GFP

(green fluorescent protein) demonstra o

crescimento de microtubulos do

centrossomo para a periferia.

Na segunda parte. Microtubulos que

perderam o CAP-GTP podem tanto

encurtar como elongar, assim o vídeo

mostra tubulina-GFP revelando esse

movimento.

Sarcômero. A unidade contráctil das células musculares são compostos por filamentos de actina e miosina interangindo entre si.

Estrutura do sarcômero

Banda I - filamentos de actina

Banda A - miosinas

Modelo de contração muscular.

Os filamentos de actina deslizam-se pelos filamentos de miosina em direção ao meio do sarcômero. O resultado é um encurtamento do sarcômero sem nenhuma mudança no comprimento dos filamentos.

Modelo de ação da miosina

- A cabeça da molécula de miosina liga filamentos de actina,

- Hidrólise do ATP providencia energia para o deslizamento sobre o filamento de actina.

- A tradução de energia química para movimento é mediada pela mudança na forma da miosina pela ligação de ATP.

- O modelo geralmente aceito é que hidrólise de ATP direciona repetidos ciclos de interação entre cabeça de miosina e actina.

- Durante cada ciclo, mudanças conformacionais de miosina resulta em movimento das cabeças de miosina ao longo do filamento de actina.

Miosina-actina 1

Miosina-actina 2

Microtubulos e transporte de organelas por dineina

e quinesina

Quinesina lado (+)

Dineína lado (-)

Motilidade celular

Fagocitose

Lamelopódia

A) macrófago fagocitando uma célula tumoral B) Ameba com varias extensões de pseudópodes

C) Lamelopódia (seta-branca) e filopódia (seta vermelha)

Projeções da superfície celular envolvida em fagocitose e movimento de células

MOVIMENTO INTERNO NA CÉLULA

Exemplos.

O citoesqueleto atua como um trilho na qual as células podem mover organelas, cromossomos e outros complexos.

- Movimento de organelas do interior para a superfície celular, frequentemente estudado em axônio gigante de lula.

- Movimentação interna no citoplasma

- Movimento de vesículas contendo pigmentos para mudanças de coloração com fins de proteção - Descarte de vesículas contendo água no processo de regulação em protozoários.

- Divisão celular - citocinese.

MOVIMENTO CELULAR EXTERNOS POR CÍLIOS E FLAGELOS. Cílios

Cílios são estruturas finas tipo “cabelo” que se movimentam em sincronia promovendo a movimentação de organismos unicelulares como por ex. Paramaecium

Cílios são também encontrado em orgãos especializados de eucariotos. Por exemplo, células da traquéia e do oviduto em mulheres.

Flagelos

São mais longos que os cílios, mas apresentam estrutura interna similar feita de microtubulos.

Ambos flagelo e cílios possuem um arranjo de 9/2 microtubulos. Este arranjo se refere a 9 pares de microtubulos com fusão de pares no lado externo do flagelo, e 2 microtubulos não fundidos no centro. Dineína anexada ao microtubulo serve como motor molecular. Defeitos na dineína causa infertilidade em homem.

Molecular Cell Biology Harvey Lodish Arnold Berk Lawrence S. Zipursky Paul Matsudaira David Baltimore James Darnell

Fourth EditionW. H. FREEMAN

Molecular Biology of the Cell

Fourth Edition

Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter

The Cell

A Molecular Approach

Geoffrey M. Cooper Boston University