Fig. 1 Citoesqueleto. O citoesqueleto, como mostrado na figura, é um importante constituinte da célula e possui diferentes tipos na sua formação. Os microtúbulos, os filamentos intermediários e os microfilamentos de actina são um verdadeiro esqueleto celular e cada um possui uma função, estrutura e subunidade específica (fig. 2).

 

Fig. 2.1 Microfilamento de actina. Na imagem, ressaltado por C e B, encontramos o microfilamento de actina, que é formado por subunidades globulares proteicas de actina com um sítio de ligação de ATP ou ADP mostrado em A. É uma estrutura altamente dinâmica (polimerização rápida dos microfilamentos de actina em determinada região), é responsável pela mobilidade celular (estão localizados geralmente próximos à membrana), participa da contração e da divisão celular.

 

Fig. 2.2 Microtúbulo. Os microtúbulos são compostos por subunidades globulares e compactas, cada uma formada pelos monômeros α e β tubulina como mostrado em A. Quando unidas as mesmas formam túbulos que apresentam um lúmen, chamados de microtúbulos, que atravessam completamente a célula e possuem dois polos e uma origem em comum: o centrossomo. Formam os cílios e flagelos, participam do transporte de organelas e vesículas juntamente com proteínas motoras e são responsáveis pela segregação do DNA na divisão celular. As tubulinas possuem sítios de ligação de GTP ou GDP, ou seja, ao contrário da actina, as tubulinas não utilizam ATP como fonte de energia.

 

Fig 2.3 Filamentos intermediários. Os filamentos intermediários são formados por subunidades longas e fibrosas, existem diferentes tipos de filamentos, cada um constituído de monômeros específicos. Formam uma rede de filamentos no citoplasma, e como mostrado na imagem, cada fibra interage com a fibra vizinha e assim sucessivamente até formar uma longa e extremamente resistente “corda”. Os filamentos proporcionam força mecânica através de uma teia e por isso são responsáveis pelo ancoramento do núcleo e organelas e compõe o envelope nuclear dentre outras estruturas.

 

Fig. 3 Proteína ARP. A proteína ARP é um tipo de proteína acessória dos microfilamentos de actina e como observamos na imagem, após ser ligada a um fator de ativação, promove a nucleação da montagem para a formação dos microfilamentos de actina. Estas proteínas conferem estabilidade ao microfilamentos de actina associadas à extremidade menos (-), obtendo uma nucleação mais acelerada e controladas das regiões desejadas.

 

Fig. 4 Exemplos de proteínas acessórias de ligação entre microfilamentos de actina. São necessárias para a formação de diferentes arranjos de actina na célula, auxiliando na formação de feixes, interligação e ligação a membranas. Suas estruturas variam de monômeros (como a fimbrina), dímeros (filamina) ou tetrâmeros (espectrina). Arranjos de actina e fimbrina, por exemplo, formam feixes paralelos longitudinais em microvilosidades, conferindo sua estrutura.

 

Fig. 5 Polimerização de filamentos. As duas extremidades dos filamentos de actina (no caso de microfilamentos de actina) ou de tubulina (no caso de microtúbulos) polimerizam, em diferentes taxas de constante de crescimento; são o Kon (constante de associação) e Koff (de dissociação). Nessas duas extremidades, a que cresce mais rápido é chamada de “+” e a mais devagar, de “-“; essa diferença de Kon ocorre devido à maior ou menor facilidade em que as subunidades alteram suas conformações. Assim que ligados a seu filamento, as subunidades com o grupo ATP (para actina) ou GTP (para tubulina) tem seus fosfatos hidrolisados em formas de ADP ou GDP; essas formas são chamadas de “forma T” ou “forma D”. A adição de novas formas T torna-se mais rápida quando sua concentração é maior do que as de suas formas D. A taxa de associação, então, mais rápida do que a de dissociação, garantindo muitas formas T em uma das extremidades, formando o “Cap” de ATP/GTP que reduz o Koff da extremidade “+” e favorece o crescimento do filamento. Quando a concentração de formas D é maior do que a de formas T, quer dizer que o Cap de ATP/GTP está hidrolisando mais rápido do que a adição de formas T; o Koff aumenta, levando ao processo de despolimerização do filamento (catástrofe). A hidrólise do nucleosídeo associado reduz a afinidade de ligação de uma subunidade pelas subunidades adjacentes, tornando a dissociação mais fácil e provável. Quando o Cap é reformado que a fibra volta a crescer (resgate ou recuperação).

 

Fig. 6 Etapas de polimerização de filamentos de actina e treadmilling. O gráfico A mostra as 3 etapas da polimerização do filamento. Na fase de retardo, ou lag, as subunidades se organizam espontaneamente, mas são instáveis e rapidamente se dissociam por estarem ligadas a poucos monômeros. Para que o filamento seja formado elas devem formar um agregado inicial; durante a nucleação, uns poucos agregados instáveis conseguem fazer a transição para uma forma mais estável, formando o “núcleo”, estabilizado por vários contatos entre as subunidades, e somente então poderá sofrer um rápido crescimento pela adição de novas subunidades, entrando na fase de crescimento. Quando são colocados núcleos pré-formados em uma solução dentro de um tubo de ensaio, não há uma fase de retardo, e a polimerização se inicia a partir desses núcleos (ausência da fase de retardo é mostrada no gráfico B). A fase de equilíbrio ou treadmilling, ocorre quando há uma concentração intermediária de subunidades livres, ou seja, quando em uma extremidade “+” a taxa de associação é maior do que a de dissociação (logo, se apresentará sob forma de T), enquanto na outra extremidade “-“ a taxa é menor (logo, se apresentará sob a forma D). Isso quer dizer que a forma T tende para a associação e a forma D tende para a dissociação, na mesma velocidade, fazendo com que a concentração de formas D seja maior do que formas T. Esse efeito só ocorre devido à hidrólise de ATP/GTP na associação e a perda de subunidades nas duas extremidades. Logo, durante o treadmilling, formas T são recrutradas para a extremidade “+” do filamento, e ao mesmo tempo em que formas D se dissociam na extremidade “-“; as subunidades se alteram rapidamente entre estado livre e filamento, enquanto o comprimento total permanece sempre o mesmo, como mostrado nos gráficos e na figura C.

 

Fig 6.1 O citoesqueleto na locomoção de células de defesa. A seta branca indica um agregado de bactérias que será capturado por um neutrófilo, uma célula do sistema imunológico. A região em vermelho destaca a reorganização dos filamentos de actina, que se polimerizam rapidamente rumo à bactéria, permitindo a protusão da membrana e locomoção de toda a célula. A rápida associação do esqueleto de actina faz com que a célula seja capaz de alterar sua orientação em poucos segundos.

 

Fig. 6.2 O papel das forminas no alongamento do filamento de actina. A formina é uma proteína dimérica de nucleação dos feixes de actina. Nucleação é a formação de um agregado inicial de subunidades proteicas que, através de seus vários contatos entre si, estabilizam uma extremidade e permite seu crescimento. No caso da formina, uma de suas subunidades se liga a um monômero de actina exposto na extremidade (+), enquanto a outra permite a adição de um novo monômero, guiando o rápido crescimento de filamentos retos e não ramificados. Esses filamentos podem ser interligados pela ação de outras proteínas para a formação de feixes paralelos.

 

Fig. 7 Instabilidade dinâmica em microtúbulos. É a rápida despolimerização do filamento, seguida do seu crescimento, como uma alteração entre esses dois estados. Ocorre quando há concentração uniforme de subunidades livres. A figura A mostra um esquema da adição de formas T ao filamento, formando um Cap de ATP/GTP, seguida de uma lenta hidrólise. Na perda deste Cap, ou seja, na hidrólise de todo o filamento, este se encurta, em um processo denominado “catástrofe”, esquematizado na figura C. Depois as formas T serão recuperadas e o Cap crescerá novamente. Essa rápida dissociação auxilia na reorganização do citoesqueleto, deixando subunidades livres para formarem outra fibra em outro lugar da célula.

 

Fig. 8 Microtúbulo polimerizando (à esquerda) e sofrendo catástrofe (à direita). Esse mecanismo é melhor descrito na aula de citoesqueleto.

 

Fig. 9 A imagem demonstra como as células utilizam os microfilamentos de actina e suas proteínas acessórias para produzir movimento e sua locomoção. Sucessivos ciclos de nucleação e liberação das subunidades produzem prolongamentos na membrana (região em vermelho) que forçam a célula a acompanhar o sentido de nucleação. Isso mostra como esta estrutura é altamente dinâmica, possuindo a incrível capacidade de se polimerizar e despolimerizar rapidamente com o auxílio das proteínas acessórias.

 

Fig. 10 Proteínas do sarcômero e contração muscular. O sarcômero, menor unidade funcional dos músculos estriados, é composto pelos filamentos finos (constituídos da proteína actina e das acessórias troponina e tropomiosina) e filamentos espessos, feitos de miosina. A contração muscular ocorre com o encurtamento do sarcômero; a proteína troponina, ao sofrer uma mudança de conformação no filamento fino, acaba expondo o sítio de ligação da miosina nos filamentos de actina. Quando o ATP se liga à cabeça da miosina, ocorre uma mudança em sua conformação em que esta perde sua afinidade pela actina e, depois que o ATP é hidrolisado, a cabeça da miosina se eleva e liga-se a esse sítio ativo, tracionando o filamento espesso e fazendo o deslizar sobre a actina, sem que haja diminuição de seus tamanhos. A miosina é ancorada na linha Z através da proteína titina (proteína acessória, que age como uma mola e garante que o sarcômero volte à sua posição descontraída); a tropomiosina auxilia a manter a estrutura do filamento fino contorcida.

 

Fig. 10.1 Papel da troponina no controle da contração da musculatura esquelética. A troponina é um complexo de 3 polipeptídeos, que são as subunidades I, C e T. A subunidade C se liga à íons Ca++, a subunidade I é inibitória e a subunidade T se liga à tropomiosina. Em um músculo em repouso, o complexo troponina I-T puxa a tropomiosina, a deixando em uma posição que impede a interação da actina com a miosina. Quando íons Ca++ liberados pelo retículo sarcoplasmático no processo de contração muscular se ligam à troponina, ocorre a sua mudança de conformação no espaço, com a liberação do sítio de ligação da actina à cabeça da miosina, permitindo que ocorra a contração. Para que ocorra o relaxamento, os canais de Ca++ voltagem-dependentes se fecham, e Ca++ - ATPases sequestram ativamente os íons de volta para o retículo sarcoplasmático. Sem os íons de Ca++ disponíveis para se ligar à troponina, a tropomiosina volta a impedir a ligação da actina com a miosina, promovendo o relaxamento muscular.

 

Fig. 11 Estrutura da miosina II. Subunidades de miosina II formam um filamento composto por duas cadeias, a pesada composta por duas caudas supertorcidas e suas “cabeças”, na extremidade N terminal,  as quais formam a maquinaria geradora de força, capazes de hidrolisar o ATP (figura A).  Várias miosinas, então, formam um filamento polarizado, unindo-se pelas caudas e projetando suas cabeças para a parte externa do filamento (figura B), e com uma zona exposta central formada apenas das caudas. A miosina II atuará na contração muscular, tracionando o filamento de actina e causando o encurtamento do sarcômero. A figura C destaca uma única molécula de miosina II entre uma seção do filamento.

 

Fig. 12 Batimento de flagelos. Várias unidades de microtúbulos unidos compõe cílios e flagelos; no caso de flagelos, são 2 microtúbulos centrais e 9 dímeros de microtúbulos unidos por dineínas, envoltos pela membrana plasmática, como mostra a figura à esquerda. Os microtúbulos são capazes de se movimentar entre si, com o auxílio das dineínas e gasto de ATP, levando ao deslizamento do microtúbulo, como visto na figura A. Como este está preso através de proteínas de ligação, quando ocorre o movimento de deslizamento, o filamento tende a se torcer.

 

Fig. 13 Cinesina. As cinesinas são proteínas motoras formadas por duas cabeças, que são núcleos catalíticos de ATP (ATPases) que podem acoplar a microtúbulos, e outras duas cadeias, que formam uma cauda que pode se ligar a estruturas que serão transportadas. A hidrólise de ATP em ADP + P causa uma alteração conformacional  nas cabeças da cinesina, produzindo um movimento semelhante ao caminhar humano, uma cabeça por vez, alternadamente, produzindo a locomoção das vesículas. As cinesinas geralmente são direcionadas da extremidade - para a +, ou seja,  do centrossomo para as extremidades da célula.

 

Fig. 14 Dineína. As dineínas são proteínas motoras que podem ser de dois tipos: Aquelas que atuam no citoplasma, na movimentação e organização de vesículas e organelas e aquelas que atuam nos cílios e flagelos. As dineínas através da hidrólise do ATP em ADP + P mudam sua conformação, causando o movimento das estruturas acopladas a ela. Ao contrário da cinesina, as dineínas movem-se da região + para a região - do microtúbulo, ou seja, da extremidade da célula para o centrossomo.

 

Fig. 14.1 Filamentos intermediários formados a partir de fibras alongadas com contatos laterais. Os filamentos intermediários são formados por diversas subunidades filamentares lineares, que formam uma estrutura tipo corda com fortes contatos laterais. Esses contatos laterais e a capacidade dos filamentos de se deformarem facilmente, garantem que eles resistam a forças de tensão que levariam ao rompimento da célula.

 

Fig. 15 Filamentos intermediários de queratina. A queratina é um tipo específico de filamento intermediário de grande importância para algumas células. É sintetizada pelos queratinócitos, células diferenciadas do tecido epitelial, e devido a sua estrutura tridimensional, essa proteína possui propriedades particulares. Como impermeabilidade à água, alto nível de resistência e elasticidade. Essa proteína forma uma camada que envolve as células da epiderme (camada mais externa da pele), evitando perdas desnecessárias de água e, também, protegem o organismo contra agressões externas, tais como choques mecânicos, radiação solar, ventos e chuvas. Mutações no gene de queratina podem levar a uma patologia denominada epidermólise bolhosa, como mostrado na figura em B e C onde os filamentos formados por essa proteína são menos resistentes e mais propícios a lesão.