CITOESQUELETO E MOTILIDADE CELULAR

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1 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.

2 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)

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

4 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.

5 Moléculas de miosina sobre filamentos de actina 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.

6 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.

7 Associação de filamentos de actina com a membrana plasmática 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. 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.

8 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 alfaactinina, proteína acessória) estão interagindo com as integrinas

9 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)

10 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 superficie de contato destas células com seu ambiente.

11 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 - Proteína globular tubulina dímero de 55 kda (subunidades alfa e beta-tubulina)

12 Microtubulos Dímeros de alfa e betatubulinas polimerizam para formar microtubulos, os quais são compostos por 13 protofilamentos montandos em núcleo cilindríco 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, principalmente durante divisão celular.

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14 Filamentos intermediários polipeptídeo dímero tetrâmero protofilamento filamento 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.

15 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.

16 Organização intracelular dos filamentos intermediários Filamentos intermediários forma uma elaborada rede no citoplasma de muitas células, estendendose 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 Distribuição de queratina (anticorpo anti-queratina com fluoróforo vermelho) e lamina (azul) 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.

17 Motilidade celular e motores moleculares

18 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.

19 Proteínas motoras 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.

20 Proteínas motoras 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 (-) (-) (+) Transporte de vesículas ao longo dos microtubulos por cinesinas e dineínas. Note que cada uma transporta em uma direção no microtubulo.

21 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.

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

23 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.

24 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.

25 Miosinaactina 1 Miosinaactina 2

26 Microtubulos e transporte de organelas por dineina e quinesina Quinesina lado (+) Dineína lado (-)

27 Fagocitose Motilidade celular Lamelopódia Filopódia

28 Projeções da superfície celular envolvida em fagocitose e movimento de células A B C A) macrófago fagocitando uma célula tumoral B) Ameba com varias extensões de pseudópodes C) Lamelopódia (seta-branca) e filopódia (seta vermelha)

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30 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 dos cromossomos durante mitose e meiose.

31 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.

32 MOVIMENTO CELULAR EXTERNO POR CÍLIOS E FLAGELOS. 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.

33 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