Citoesqueleto

1.  COMPOSIÇÃO E FUNÇÃO DO CITOESQUELETO

FUNÇÃO:

O citoesqueleto dá forma, estável ou mutante, as células em função da interação de filamentos e proteínas. Embora seus componentes sejam essencialmente os mesmos em quase todas as células, suas funções podem ser bastante distintas. Além de dar forma (estável ou dinâmica)  e mobilidade à célula, o citoesqueleto tem um papel importante em garantir a união entre células e destas à matriz extracelular, participando portanto na estabilidade dos tecidos .

COMPONENTES:

•          Filamentos: intermediários, microtúbulos e filamentos de actina;

•           Proteínas acessórias: reguladoras, ligadoras e motoras.

As proteínas reguladoras controlam o nascimento, alongamento o encurtamento e o desaparecimento dos três filamentos principais do citoesqueleto;

•          As proteínas ligadoras conectam os filamentos entre si ou com outros componentes da célula;

•          As proteínas transportadoras servem para transladar proteínas e organelas de um ponto a outro do citoplasma.

A figura abaixo sintetiza os componentes do citoesqueleto.

Figura 1: Os três filamentos que compõem o citoesqueleto e suas subdivisões funcionais.

Através de técnicas específicas de coloração e de microscopia é possível visualizar cada um destes componentes principais numa célula em cultura. A imagem a seguir mostra a disposição dos filamentos de actina (também conhecidos como mcirofilamentos) e os microtúbulos numa célula em cultura. Mais tarde veremos a disposição específica destes dois componentes do citoesqueleto, como também dos filamentos intermediários.

Figura 2. Microscopia ótica de células em cultura. Os filamentos de actina  estão mostrados em vermelho, os microtúbulos em verde,e os núcleos em azul. Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Cytoskeleton#mediaviewer/File:FluorescentCells.jpg

 

2. FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS

Formação do filamento a partir de monômeros

•          Espessura de 10 nm, maior do que os de actina (8 nm) e menor do que os microtúbulos (24 nm) – daí o nome filamento intermediário... Para comparação, lembrar que uma bactéria tem 2.000 nm de comprimento;

•          A unidade primária é um monômero com uma sucessão de sequências idênticas de sete aminoácidos (...abcdefgabcdefgabcdefg....) que permite que se associem lado a lado formando dímeros; os aminoácidos desta sequência podem variar muito dependendo do tipo de tecido; Antes e depois destas sequências há dois domínios globulares (C-terninal e N-ternimal) que forma a cabeça e a cauda do monômero.

•          Os dímeros se associam formando tetrâmeros, que se conectam por suas extremidades formando estruturas cilíndricas alongadas que são os protofilamentos;

•          Os filamentos intermediários são quatro pares de protofilamentos que se aderem e formam a estrutura da fibrila.

Este arranjo pode ser observado na figura 3 a seguir:

Figura 3: Forma como os monômeros de filamentos intermediários se organizam para formar o filamento final. Ao alto está representada a estrutura de aminoácidos repetidos que compõe a haste do monômero e que permitirá que esta se enrole sobre outra igual, formando o dímero.  O pareamento dos dois monômeros para a formação do dímero está representado em 3(a). O pareamento de dois dímeros formando o tetrâmero está mostrado em 3 (b).  A parte (c) da figura mostra como os tetrâmeros formam o protofilamento que se enrola com três outros formando o filamento intermediário.

Os filamentos intermediários formam uma rede contínua entre a membrana plasmática e o envoltório nuclear; Contribuem, como os outros filamentos que serão apresentados mais abaixo,  para a manutenção da forma celular e para o estabelecimento das posições das organelas no interior da célula (Figura 4)

Figura 4. (A) Distribuição esquemática dos filamentos intermediários. (B) e (C) Micrografias óticas de fluorescência de uma célula tratada com anticorpos fluorescentes anti-tubulina. Todos os microtúbulos citoplasmáticos nascem na matriz centrossõmica que, além disso, contém o par de centríolos denominado diplossomo.

São agrupados em tipos de acordo com a morfologia, tipo de célula e propriedade:

2.1. Laminofilamentos

Em todas as células na parte interna do envoltório nuclear. São os únicos não localizados no citosol. São responsáveis pela forma e resistência do envoltório nuclear.

2.2. Filamentos de queratina (ceratina) ou tonofilamentos

Encontrados nas células epiteliais das mucosas, glândulas, epiderme e derivados (pelos, unhas, etc).

•            Os monômeros de citoqueratina dividem-se em duas classes: classe I (ácidos) e classe II (neutros ou básicos)

•            Os filamentos de queratina associam-se aos desmossomos e hemidesmossomos compondo uma trama contínua por todo o epitélio que dá resistência mecânica ao tecido (veja Figura 5 abaixo). Assim, o citoesqueleto participa de fato na estruturação dos epitélios;

Figura 5: (Esquerda) Representação esquemática das várias formas pelas quais as células se unem entre si. (direita) Filamentos de queratina se ligam, pelo lado citosólico no desmossomo e no hemidesmossomo.

•            A filagrina une os filamentos de queratina nos pontos de cruzamento;

•            Cada célula epitelial produz queratina distinta o que permite diagnosticar a origem dos tumores e de suas metástases (disseminações).

Como dito acima e mostrado na Figura 5, os filamentos intermediários de queratina se inserem na placa dos desmossomos e se aprofundam no interior da célula. Os desmossomos são locais onde o citoesqueleto se prende à membrana celular devido às proteínas denominadas caderinas (desmogleínas e desmocolinas), que prendem as membranas na altura das placas ;

Os hemidesmossomos contêm desmoplaquinas, mas não desmogleína, aderindo-se à lâmina basal por meio de moléculas protéicas chamadas integrinas.

2.3 Filamentos de vimentina: têm um aspecto ondulado e são comum nas células embrionárias. Nas células desenvolvidas  (maduras) são encontradas nos fibroblastos, células endotelias e células sanguíneas (origem mesodérmica).

A plactina é a proteína ligadora.

2.4 Neurofilamentos: são encontrados nos dendritos, axônios e neurônios.

2.5 Filamentos gliais: encontrados no citosol dos astrócitos e de algumas células de Schwann. São compostos de filamentos ácidos.

2.6 Filamentos de desmina: encontrados nas células musculares estriadas (voluntárias e cardíacas) ou lisas.

·         Nas células estriadas ligam as miofibrilas por seus lados;

·         Nas cardíacas associam-se aos desmossomos dos discos intercalares;

·         Nas musculares lisas associam-se aos filamentos de actina.

Os monômeros de todos estes filamentos guardam grande semelhança estrutural, como mostrado na figura 6 abaixo:

Figura 6. Comparação dos vários polipetídeos que formam os monômeros de quatro filamentos intermediários. Observem a semelhança da disposição dos domínios nas quatro proteínas.

3.       MICROTÚBULOS

3.1 Características dos microtúbulos

·         Espessura de 25 nm;

·         São tubulares, retilíneos e uniformes;

3.2 Classificação

Classificam-se em:

·         Citoplasmáticos: presente na célula em interfase;

·         Mitóticos: corresponde às fibras do fuso mitótico;

·         Centriolares: pertencem aos corpúsculos basais e aos centríolos.

As proteínas reguladoras recebem o nome de MAP (Microtubule-associated protein).

3.3 Microtúbulos citoplasmáticos

Origem - Originam-se no núcleo, mais especificamente no centrossomo, e estendem-se por todo o citoplasma fixando-se à membrana plasmática; o centrossomo é composto por um par de centríolos (diplossomos) e pela matriz centrossômica, composta por fibras e proteínas reguladoras denominadas g-tubulinas;

Função

·         Os microtúbulos são necessários para o transporte de macromoléculas e organelas pelo citosol;

·         Contribuem para estabelecer a forma celular;

·         Mantém o retículo endoplsmático e o complexo de golgi em suas posições no citoplasma, determinando a polaridade celular.

A figura abaixo mostra esquematicamente a origem dos microtúbulos citoplasmáticos  (A), a imagem em fluorescência da rede de microtúbulos de uma célula em cultura (B) e um diagrama mostrando a participação dos vários tipos de filamentos no posicionamento das organelas e definição da forma celular.

Figura 7: (A) Representação esquemática da origem dos microtúbulos citoplasmáticos – centrossoma e diplossomas; (B) a imagem em fluorescência da rede de microtúbulos de uma célula em cultura e (C) um diagrama mostrando a participação dos vários tipos de filamentos no posicionamento das organelas e definição da forma celular. (Fonte: http://sun.menloschool.org/~dspence/biology/chapter6/chapt6_15.html)

Em algumas células os microtúbulos têm um papel importantíssimo na determinação da forma e função. É o caso dos neurônios, onde microtúbulos empurram a membrana plasmática para formar dentritos e axônios (veja figura 8 abaixo).

Figura 8: Representação da distribuição dos microtúbulos num neurônio. Na parte de baixo da figura estão representadas também as MAPs (proteínas associadas aos microtúbulos) que ligam microtúbulos entre si.

A unidade do microtúbulo é formada de proteínas denominadas tubulinas. A unidad é um heterodímero (com unidades de α e b-tubulina);

A α e a b -tubulinas são sempre combinadas entre si;

Polímeros da α e b -tubulinas combinam-se formando uma estrutura tubular.

Em função da organização do protofilamento, a tubulina fica polarizada, com uma extremidade composta pela α- tubulina e a outra pela b -tubulina, permitindo que a molécula se alongue ou encurte, sendo uma das extremidades + e a outra.

A figura abaixo mostra um modelo em fitas das duas subunidades ligadas uma a outra e ancorando uma molécula de ATP. O s´tio de ligação do taxol, uma droga antitumoral, está também representado.

  

Figura 9. (A) Modelo de fita das alfa e beta-tubulinas, ligadas entre si e mostrando os sítios de ligação de GTP e GDP.  Está mostrado também o sítio de ligação do taxol, uma droga anti-tumoral. Acredita-se que a droga bloqueia a progressão do ciclo celular na mitose pela sua ligação aos microtúbulos, resultado numa estabilização. Existe um sítio único sítio de ligação do taxol  ao heterodímero de tubulina e está localizado na subunidade beta (para maior detalhes veja http://www.pnas.org/content/98/9/5312.full ). (B)  os protofilamentos se agrupam em cascas que aos poucos se fecham na forma de tubos. Os tubos podem ser alongados ou encurtados por adição ou retirada de dímeros da extremidade (+).

Os microtúbulos são dinâmicos, com a extremidade – localizada no centrossomo, onde o processo de despolimerização está bloqueado pela beta-tubulina;

O alongamento ocorre a partir da extremidade + por adição de tubulinas provenientes do citosol;

As sub-unidades b contêm um GDP. Ele é trocado por um GTP quando elas são atraídas pela extremidade + em crescimento e se unem à elas. (ver figura seguinte).

Figura 10: Montagem e desmontagem dos microtúbulos. Os protofilamentos se agrupam em capas ou cascas que se unem formando os tubos. A extremidade (+) pode será alongada e

Os microtúbulos usam as proteínas motoras cinesina e dineína para realizar o transporte das moléculas e organelas; quando carregadas com o material a ser transportado, a cinesina desliza para o polo + e a dineína para o polo  – do microtúbulo.

Para que estas moléculas trasportadoras se movam ao longo dos microtúbulos, elas têm que encontrar nas membranas das organelas (e vesículas) as proteínas cinectina e dinactina, respectivamente. A consequência é a ligação da vesícula ou organela a ser transportada e posicionada no citosol ao microtúbulo. A figura abaixo ilustra este mecanismo e mostra vesículas ligadas a um microtúbulo. (ver a animação https://www.youtube.com/watch?v=gbycQf1TbM0 )

Figura 11. Esquema representando o transporte de vesículas por moléculas motoras ligadas aos microtúbulos. As vesículas, carregadas com macromoléculas ou outros agregados moleculares, precisam estar ligadas às proteínas ligadoras das proteínas motoras. Se a vesícula deve ser transportada para o polo + do microtúbulo (em geral em direção ao centro – ou núcleo - da célula), ela deve se ligar à dinactina, que se liga à dineína, que então desliza sobre o microtúbulo para o polo negativo do microtúbulo  (A). Na situação inversa, isto é, movimento para o polo positivo, as proteínas cinectina e cinesina têm o mesmo papel  que a dinactina e a dineína, respectivamente (B). Em (C) se mostra por microscopia eletrônica vesículas ligadas ao microtúbulo.

 (ver a animação https://www.youtube.com/watch?v=gbycQf1TbM0 )

3.4 Microtúbulos mitóticos

Nas células em mitose e meiose, os microtúbulos citoplasmáticos da interfase são substituídos pelos microtúbulos mitóticos, chamados de fuso mitótico. Eles se originam num diplossomo citoplasmático (Figura 12 abaixo). A vimblastina e a vincristina bloqueiam divisões celulares em células cancerígenas por impedirem a formação do microtúbulo mitótico. Em quase todos os demais aspectos os microtúbulos mitóticos são idênticos aos citoplasmáticos.

Figura 12. Esquema mostrando a formação do fuso mitótico durante a divisão celular.

 Na próxima figura mostramos como aparece o fuso mitótico na célula em metáfase.

Figura 13: Fuso mitótico da célula em metáfase.

3.5 Microtúbulos centriolares

Cílios e flagelos são encontrados em diferentes tipos celulares e são compostos por um eixo citosólico (matriz ciliar) envolto por um prolongamento da membrana plasmática; Neste eixo citosólico está o axonema do cílio ou do flagelo

Cada cílio ou flagelo inicia-se a partir de um corpúsculo basal ou cinetossoma, que é uma estrutura idêntica ao centríolo do diplossomo.

A figura 14 abaixo ilustra a estrutura do cílio ou do flagelo.

Figura 14: Os axonemas de cílios e flagelos surgem de corpúsculos basais denominados cinetossomas e empurram a membrana plasmática para fora, recobrindo o axonema.

O movimento ciliar é produzido pelo axonema, constituído por 9 pares de microtúbulos em círculo com mais dois microtúbulos centrais. As proteínas que ligam os microtúbulos do circo são as nexinas, enquanto as que ligam estes ao par central são as proteínas radiais.

A proteína motora é a dineína ciliar.

A figura a seguir esclarece a estrutura do axonema.

Figura 15: Esquema do axonema (esquerda) e aspecto na microscopia eletrônica.

2.       FILAMENTOS DE ACTINA (MICROFILAMENTOS)

São os filamentos mais finos de uma célula, com espessura de 8 nm. São mais flexíveis que os microtúbulos e estão associados em feixes e redes, raramente são vistos isolados;

Classificam-se em:

·         corticais: por baixo da membrana plasmática, constituíndo o componente citosólico mais importante;

·         transcelulares: atravessam o citoplasma em todas as direções;

Formam o esqueleto das microvilosidades, fazem parte da armação contrátil das células musculares e contribuem para o estabelecimento da forma celular (veja também Figura 7, à direita).

O filamento é formado por monômeros de 375 aminoácidos associado a um ADP ou ATP; como a estrutura terciária é globular, recebe a denominação de actina G. Mas não é necessário que se juntem a outros para formar o filamento de actina (não há um protofilamento de actina...)

Como as tubulinas, os microfilamentos também possuem uma extremidade + e outra –, pelas quais alongam-se e encurtam-se; para polimerização, há a necessidade de ATP: a polimerização depende de uma proteína ligadora (profilina) e a despolimerização de proteínas reguladoras (timosina e ADF – Actin-depolymerizing factor).

A figura a seguir mostra o monômero de actina, que é globular e a forma como o filamento é montado, iniciando por uma nucleação, seguida de alongamento, até que p filamento atinge o tamanho necessário, quando adições e retiradas de monômeros se equilibram.

Figura 16. Acima – estrutura globular do monômero de actina. Abaixo – esquema representativo da montagem do filamento de actina.

Nas células, os filamentos de actina transportam organelas auxiliados por proteínas motoras – as miosinas:  cauda da misoina se liga à membrana da organela e a cabeça se une ao filamento de actina; junções e disjunções alternadas fazem com que a miosina I deslize em direção a extremidade + do filamento de actina. As miosinas podem também movimentar filamentos de actina uns sobre os outros. A figura abaixo exemplifica estas várias possibilidades, cujo resultado final permite a mudança de forma da célula, seu movimento e o posicionamento de organelas, além do movimento de partículas e macromoléculas dentro de vesículas pelo interior da célula.

Figura 17.  Vários tipos de miosina se associam aos microfilamentos (filamentos de actina) e produzem uma multiplicidade de movimentos na célula.

Nas células do tecido conjuntivo, os filamentos de actina são chamados fibras de tensão e estão associadas a uma proteína ligadora, a α-actinina; da mesma forma que nas células epiteliais, as fibras de tensão servem como vias para transportar organelas pelo citoplasma com intervenção da miosina I e V.

A actina se liga com uma proteína transmembrana chamada integrina, por meio das proteínas ligadoras talina, α-actinina, paxilina e vinculina; pelolado externo, a integrina se liga a uma proteína da matriz extracelular, fibronectina, e esta a uma fibra de colágeno. O processo permite ancorar a célula na matriz extracelular. A figura abaixo representa esta ancoragem.

Figura 18: Ancoragem de uma célula na matriz extracelular. A extremidade de um microfilamento se liga,através de três proteínas auxiliares, à talina, e esta à integrina, proteína dintegraç de membrana . Do lado externo, a integrina se une a fibronectina, e esta ao colágeno.

Nas células locomotoras (as células que podem se mover pela produção de pseudópodos e lamelipódios)  o citoesqueleto é dinâmico, por polimerização e despolimerização da actina. Lâminas citoplasmáticas horizontais (lamelipódios) formam-se na extremidade da célula de onde partem prolongamentos digitiformes (filopódios) que se alternam em processos de alongamento e encurtamento, permitindo a mobilidade da célula;

O alongamento dos lamelipódios é em função da proteína reguladora Arp2/3 (Actin-related protein), que faz com que os filamentos se ramifiquem o que, com colaboração da profilina, faz com que novas actinas G se agreguem as extremidades; o encurtamento do lamelipódio é devido ao desmonte da armação anterior, causado pelas proteínas reguladoras timosina e ADF e pela gelsolina; a gelsolina é uma proteína dependente de Ca+ que fragmenta os filamentos de actina. Filopódios e lamelipódios estãomostrados na figura a seguir.

Figura 19: Formação de filopódios e lamelipódios (centro e direita) em células que, em condições de repouso, são quase esféricas e lisas.

4.1 O citoesqueleto das hemácias

As hemácias têm um formato bicôncavo, muito particular, e que lhes permite atravessar os capilares formando pacotes alinhados de hemácias, umas encaixadas nas outras, em “fila indiana”. A particularidade desta forma se deve ao arranjo de espectrinas por baixo da membrana plasmática.

•          Os dímeros de espectrina se conectam pelas pontas e formam-se tetrâmeros cujas extremidades se unem a filamentos de actina curtos.

•          A proteína ligadora (espectrina-actina) é a aducina.

•          Os filamentos de actina liga-se à glicoforina, tropomodulina e a tropomiosina.

•          A membrana é permeável a ânions,como o Cl^- e o HCO3^- , mas é impermeável a cátions, como o Na+ e o K+, que penetram na mesma via bomba de Na+/K+ . O Ca2+ também é bombeado por transporte ativo pela enzima Ca2+ ATPase.

•          A proteína banda 3 é cotransportadora de Cl^- e o HCO3^-

•          A anquirina liga a banda 3 aos filamentos de espectrina

A figura 20 ilustra a rede de espectrina sobre a membrana plasmática da hemácia de mamíferos.

Figura 20: Espectrina e outras moléculas na vizinhança da membrana plasmática da hemácia de mamíferos.

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Uma animação interessante e muito ilustrativa pode ser encontrada aqui: https://www.youtube.com/watch?v=297HcgDxb7k

Embora inicie com aspectos relacionados a células da resposta imune, mais adiante a animação ilustra como filamentos de actina e microtúbulos são montados e se distribuem nas células

Mas a animação também mostra muitos outros aspectos da biologia celular e molecular que foram vistos ao longo das aulas, como a síntese de proteínas no citoplasma e no retículo, a fusão das vesículas que vêmdo Golgi para a membrana e muitos outros aspectos.

Imperdível! (mas, cuidado, há pequenos erros em imprecisões, como sempre)

3.       Referências online para consulta e aprofundamento (tudo em inglês):

http://en.wikipedia.org/wiki/Cytoskeleton está muito bom para uma visão geral

http://kc.njnu.edu.cn/swxbx/shuangyu/6.htm Citoesqueleto e movimento celular

http://www.cytochemistry.net/cell-biology/intermediate_filaments.htm para filamentos intermediários

http://en.wikipedia.org/wiki/Keratin para queratina em geral