Citoesqueleto - Cytoskeleton

Biologia Celular
Diagrama de célula animal
Animal Cell.svg
Componentes de uma célula animal típica:
  1. Nucléolo
  2. Núcleo
  3. Ribossomo (pontos como parte de 5)
  4. Vesícula
  5. Retículo endoplasmatico rugoso
  6. Aparelho de Golgi (ou corpo de Golgi)
  7. Citoesqueleto
  8. Retículo endoplasmático liso
  9. Mitocôndria
  10. Vacúolo
  11. Citosol (fluido que contém organelas ; com o qual, compreende o citoplasma )
  12. Lisossoma
  13. Centrossoma
  14. Membrana celular
O citoesqueleto eucariótico . Os filamentos de actina são mostrados em vermelho e os microtúbulos compostos de beta tubulina estão em verde.

O citoesqueleto é uma rede complexa e dinâmica de filamentos protéicos interligados presentes no citoplasma de todas as células , incluindo bactérias e arquéias . Estende-se desde o núcleo da célula até a membrana celular e é composta por proteínas semelhantes em vários organismos. Em eucariotos , é composto de três componentes principais, microfilamentos , filamentos intermediários e microtúbulos , e todos eles são capazes de crescimento rápido ou desmontagem dependendo das necessidades da célula.

Uma infinidade de funções pode ser realizada pelo citoesqueleto. Sua função primária é dar à célula sua forma e resistência mecânica à deformação e, por meio da associação com o tecido conjuntivo extracelular e outras células, estabiliza tecidos inteiros. O citoesqueleto também pode se contrair, deformando assim a célula e o ambiente celular e permitindo que as células migrem . Além disso, está envolvida em muitas vias de sinalização celular e na captação de material extracelular ( endocitose ), na segregação de cromossomos durante a divisão celular , no estágio de citocinese da divisão celular, como um arcabouço para organizar o conteúdo da célula no espaço e no intracelular transporte (por exemplo, o movimento de vesículas e organelas dentro da célula) e pode ser um modelo para a construção de uma parede celular . Além disso, pode formar estruturas especializadas, tais como flagelos , cílios , lamelipios e podosomes . A estrutura, função e comportamento dinâmico do citoesqueleto podem ser muito diferentes, dependendo do organismo e do tipo de célula. Mesmo dentro de uma célula, o citoesqueleto pode mudar por meio da associação com outras proteínas e da história anterior da rede.

Um exemplo em grande escala de uma ação realizada pelo citoesqueleto é a contração muscular . Isso é realizado por grupos de células altamente especializadas trabalhando juntas. Um componente principal do citoesqueleto que ajuda a mostrar a verdadeira função dessa contração muscular é o microfilamento . Os microfilamentos são compostos da proteína celular mais abundante conhecida como actina. Durante a contração de um músculo , dentro de cada célula muscular, os motores moleculares da miosina exercem coletivamente forças sobre os filamentos de actina paralelos . A contração muscular começa a partir de impulsos nervosos que, então, fazem com que maiores quantidades de cálcio sejam liberadas do retículo sarcoplasmático . O aumento do cálcio no citosol permite que a contração muscular comece com a ajuda de duas proteínas, a tropomiosina e a troponina . A tropomiosina inibe a interação entre a actina e a miosina, enquanto a troponina detecta o aumento do cálcio e libera a inibição. Essa ação contrai a célula muscular e, por meio do processo sincronizado em muitas células musculares, todo o músculo.

História

Em 1903, Nikolai K. Koltsov propôs que a forma das células era determinada por uma rede de túbulos que ele denominou citoesqueleto. O conceito de um mosaico de proteínas que coordena dinamicamente a bioquímica citoplasmática foi proposto por Rudolph Peters em 1929, enquanto o termo ( cytosquelette , em francês) foi introduzido pela primeira vez pelo embriologista francês Paul Wintrebert em 1931.

Quando o citoesqueleto foi introduzido pela primeira vez, pensava-se que era uma substância semelhante a um gel desinteressante que ajudava as organelas a permanecer no lugar. Muitas pesquisas foram feitas para tentar entender a finalidade do citoesqueleto e seus componentes. Com a ajuda de Stuart Hameroff e Roger Penrose, foi descoberto que os microtúbulos vibram dentro dos neurônios do cérebro, sugerindo que as ondas cerebrais vêm de vibrações mais profundas dos microtúbulos. Essa descoberta demonstrou que o citoesqueleto não é apenas uma substância semelhante a um gel e que, na verdade, tem um propósito.

Inicialmente, pensava-se que o citoesqueleto era exclusivo dos eucariotos, mas em 1992 descobriu-se que também estava presente em procariotos. Essa descoberta veio após a constatação de que as bactérias possuem proteínas homólogas à tubulina e à actina; os principais componentes do citoesqueleto eucariótico.

Citoesqueleto eucariótico

As células eucarióticas contêm três tipos principais de filamentos do citoesqueleto: microfilamentos , microtúbulos e filamentos intermediários . Nos neurônios, os filamentos intermediários são conhecidos como neurofilamentos . Cada tipo é formado pela polimerização de um tipo distinto de subunidade de proteína e tem sua própria forma e distribuição intracelular características . Os microfilamentos são polímeros da proteína actina e têm 7 nm de diâmetro. Os microtúbulos são compostos de tubulina e têm 25 nm de diâmetro. Os filamentos intermediários são compostos por várias proteínas, dependendo do tipo de célula em que se encontram; eles têm normalmente 8-12 nm de diâmetro. O citoesqueleto fornece estrutura e forma à célula e, ao excluir macromoléculas de parte do citosol , aumenta o nível de aglomeração macromolecular neste compartimento. Os elementos do citoesqueleto interagem extensa e intimamente com as membranas celulares.

Investigação em doenças neurodegenerativas tais como doença de Parkinson , doença de Alzheimer , doença de Huntington , e esclerose lateral amiotrófica (ALS) indicam que o citoesqueleto é afectada nestas doenças. A doença de Parkinson é marcada pela degradação dos neurônios, resultando em tremores, rigidez e outros sintomas não motores. A pesquisa mostrou que a montagem e a estabilidade dos microtúbulos no citoesqueleto estão comprometidas, fazendo com que os neurônios se degradem com o tempo. Na doença de Alzheimer, as proteínas tau que estabilizam os microtúbulos funcionam mal na progressão da doença, causando uma patologia do citoesqueleto. O excesso de glutamina na proteína de Huntington envolvida na ligação de vesículas ao citoesqueleto também é proposto como um fator no desenvolvimento da doença de Huntington. A Esclerose Lateral Amiotrófica resulta em uma perda de movimento causada pela degradação dos neurônios motores e também envolve defeitos do citoesqueleto.

Proteínas acessórias, incluindo proteínas motoras, regulam e ligam os filamentos a outros compostos celulares e entre si e são essenciais para a montagem controlada dos filamentos do citoesqueleto em locais específicos.

Uma série de drogas do citoesqueleto de pequenas moléculas foram descobertas que interagem com a actina e os microtúbulos. Esses compostos têm se mostrado úteis no estudo do citoesqueleto, e vários têm aplicações clínicas.

Microfilamentos

Estrutura de um microfilamento
Citoesqueleto de actina de fibroblastos de embrião de camundongo , corado com faloidina

Microfilamentos, também conhecidos como filamentos de actina, são compostos de polímeros lineares de proteínas G-actina e geram força quando a extremidade crescente (positiva) do filamento empurra contra uma barreira, como a membrana celular. Eles também atuam como rastros para o movimento das moléculas de miosina que se fixam no microfilamento e "caminham" ao longo deles. Em geral, o principal componente ou proteína dos microfilamentos é a actina. O monômero G-actina se combina para formar um polímero que continua a formar o microfilamento (filamento de actina). Essas subunidades então se agrupam em duas cadeias que se entrelaçam nas chamadas cadeias de F-actina . A movimentação da miosina ao longo dos filamentos de F-actina gera forças contráteis nas chamadas fibras de actomiosina, tanto nos músculos quanto na maioria dos tipos de células não musculares. As estruturas de actina são controladas pela família Rho de pequenas proteínas de ligação ao GTP, como a própria Rho para filamentos de ato-miosina contráteis ("fibras de estresse"), Rac para lamelipódios e Cdc42 para filopódios.

As funções incluem:

Filamentos intermediários

Estrutura de um filamento intermediário
Microscopia de filamentos de queratina dentro das células

Os filamentos intermediários fazem parte do citoesqueleto de muitas células eucarióticas . Esses filamentos, com média de 10 nanômetros de diâmetro, são mais estáveis ​​(fortemente ligados) do que os microfilamentos e constituintes heterogêneos do citoesqueleto. Como os filamentos de actina , eles funcionam na manutenção da forma celular ao suportar a tensão (os microtúbulos , ao contrário, resistem à compressão, mas também podem suportar a tensão durante a mitose e durante o posicionamento do centrossoma). Filamentos intermediários organizam a estrutura tridimensional interna da célula, ancorando organelas e servindo como componentes estruturais da lâmina nuclear . Eles também participam de algumas junções célula-célula e célula-matriz. A lâmina nuclear existe em todos os animais e todos os tecidos. Alguns animais, como a mosca da fruta , não possuem filamentos intermediários citoplasmáticos. Naqueles animais que expressam filamentos intermediários citoplasmáticos, estes são específicos do tecido. Filamentos intermediários de queratina em células epiteliais fornecem proteção para diferentes tensões mecânicas que a pele pode suportar. Eles também fornecem proteção aos órgãos contra estresses metabólicos, oxidativos e químicos. O fortalecimento das células epiteliais com esses filamentos intermediários pode prevenir o início da apoptose , ou morte celular, reduzindo a probabilidade de estresse.

Os filamentos intermediários são mais comumente conhecidos como o sistema de suporte ou "andaime" para a célula e o núcleo, ao mesmo tempo que desempenham um papel em algumas funções celulares. Em combinação com proteínas e desmossomos , os filamentos intermediários formam conexões célula-célula e ancoram as junções célula-matriz que são usadas na mensagem entre as células, bem como nas funções vitais da célula. Essas conexões permitem que a célula se comunique através do desmossomo de várias células para ajustar as estruturas do tecido com base nos sinais do ambiente das células. Foi demonstrado que mutações nas proteínas IF causam problemas médicos sérios, como envelhecimento prematuro, mutações da desmina que comprometem os órgãos, doença de Alexander e distrofia muscular .

Diferentes filamentos intermediários são:

  • feito de vimentinas . Os filamentos intermediários de vimentina estão geralmente presentes nas células mesenquimais.
  • feito de queratina . A queratina está geralmente presente nas células epiteliais.
  • neurofilamentos de células neurais.
  • feito de lamina , dando suporte estrutural ao envelope nuclear.
  • feitos de desmina , desempenham um papel importante no suporte estrutural e mecânico das células musculares.

Microtúbulos

Estrutura de um microtúbulo
Microtúbulos em uma célula fixada em gel

Os microtúbulos são cilindros ocos com cerca de 23 nm de diâmetro (diâmetro do lúmen de aproximadamente 15 nm), mais comumente compreendendo 13 protofilamentos que, por sua vez, são polímeros de alfa e beta tubulina . Eles têm um comportamento muito dinâmico, ligando-se ao GTP para polimerização. Eles são comumente organizados pelo centrossoma .

Em nove conjuntos de trigêmeos (em forma de estrela), eles formam os centríolos , e em nove dupletos orientados sobre dois microtúbulos adicionais (em forma de roda), eles formam cílios e flagelos. A última formação é comumente referida como um arranjo "9 + 2", em que cada dupleto é conectado a outro pela proteína dineína . Como flagelos e cílios são componentes estruturais da célula e são mantidos por microtúbulos, eles podem ser considerados parte do citoesqueleto. Existem dois tipos de cílios: cílios móveis e não móveis. Os cílios são curtos e mais numerosos do que os flagelos. Os cílios móveis têm um movimento rítmico de ondulação ou pulsação em comparação com os cílios não móveis que recebem informações sensoriais para a célula; processamento de sinais de outras células ou dos fluidos ao seu redor. Além disso, os microtúbulos controlam o batimento (movimento) dos cílios e flagelos. Além disso, os braços de dineína ligados aos microtúbulos funcionam como motores moleculares. O movimento dos cílios e dos flagelos é criado pelos microtúbulos que deslizam uns sobre os outros, o que requer ATP. Eles desempenham papéis importantes em:

Além dos papéis descritos acima, Stuart Hameroff e Roger Penrose propuseram que os microtúbulos funcionam na consciência.

Comparação


Tipo de citoesqueleto
Diâmetro
( nm )
Estrutura Exemplos de subunidades
Microfilamentos 6 Dupla hélice Actin

Filamentos intermediários
10 Duas hélices / dímeros anti-paralelos , formando tetrâmeros
Microtúbulos 23 Protofilamentos , por sua vez, consistindo em subunidades de tubulina em complexo com a stathmin α- e β-tubulina

Septinas

Septinas são um grupo de proteínas de ligação a GTP altamente conservadas encontradas em eucariotos . Diferentes septinas formam complexos de proteínas entre si. Estes podem ser montados em filamentos e anéis. Portanto, as septinas podem ser consideradas parte do citoesqueleto. A função das septinas nas células inclui servir como um local de fixação localizado para outras proteínas e prevenir a difusão de certas moléculas de um compartimento celular para outro. Nas células de levedura, eles constroem um arcabouço para fornecer suporte estrutural durante a divisão celular e compartimentalizar partes da célula. Pesquisas recentes em células humanas sugerem que as septinas constroem gaiolas em torno de patógenos bacterianos, imobilizando os micróbios nocivos e evitando que invadam outras células.

Spectrin

Spectrin é uma proteína do citoesqueleto que reveste o lado intracelular da membrana plasmática nas células eucarióticas. A Spectrin forma arranjos pentagonais ou hexagonais, formando uma estrutura e desempenhando um papel importante na manutenção da integridade da membrana plasmática e da estrutura do citoesqueleto.

Citoesqueleto de levedura

Na levedura em brotamento (um organismo modelo importante ), a actina forma placas corticais, cabos de actina e um anel citocinético e a capa. Os adesivos corticais são corpos discretos de actina na membrana e são vitais para a endocitose , especialmente a reciclagem da glucano sintase, que é importante para a síntese da parede celular . Os cabos de actina são feixes de filamentos de actina e estão envolvidos no transporte de vesículas em direção à capa (que contém uma série de proteínas diferentes para polarizar o crescimento celular) e no posicionamento das mitocôndrias. O anel citocinético se forma e se contrai ao redor do local da divisão celular .

Citoesqueleto procariótico

Antes do trabalho de Jones et al., 2001, acreditava-se que a parede celular era o fator decisivo para muitas formas de células bacterianas, incluindo bastonetes e espirais. Quando estudadas, muitas bactérias deformadas apresentaram mutações relacionadas ao desenvolvimento de um envelope celular . O citoesqueleto era considerado uma característica apenas de células eucarióticas , mas homólogos a todas as proteínas principais do citoesqueleto eucariótico foram encontrados em procariotos . Harold Erickson observa que antes de 1992, acreditava-se que apenas os eucariotos tinham componentes do citoesqueleto. No entanto, pesquisas no início dos anos 90 sugeriram que bactérias e arqueas tinham homólogos de actina e tubulina, e que esses eram a base dos microtúbulos e microfilamentos eucarióticos. Embora as relações evolutivas sejam tão distantes que não sejam óbvias apenas nas comparações de sequências de proteínas, a semelhança de suas estruturas tridimensionais e funções semelhantes na manutenção da forma e polaridade das células fornecem fortes evidências de que os citoesqueletos eucarióticos e procarióticos são verdadeiramente homólogos. Três laboratórios descobriram independentemente que FtsZ, uma proteína já conhecida como um jogador chave na citocinese bacteriana, tinha a "sequência de assinatura da tubulina" presente em todas as tubulinas α, β e γ. No entanto, algumas estruturas no citoesqueleto bacteriano podem não ter sido identificadas ainda.

FtsZ

FtsZ foi a primeira proteína do citoesqueleto procariótico a ser identificada. Como a tubulina, o FtsZ forma filamentos na presença de trifosfato de guanosina (GTP), mas esses filamentos não se agrupam em túbulos. Durante a divisão celular , FtsZ é a primeira proteína a se mover para o local da divisão e é essencial para recrutar outras proteínas que sintetizam a nova parede celular entre as células em divisão.

MreB e ParM

Proteínas semelhantes à actina procarióticas, como MreB , estão envolvidas na manutenção da forma celular. Todas as bactérias não esféricas têm genes que codificam proteínas semelhantes à actina, e essas proteínas formam uma rede helicoidal sob a membrana celular que orienta as proteínas envolvidas na biossíntese da parede celular .

Alguns plasmídeos codificam um sistema separado que envolve uma proteína semelhante à actina ParM . Os filamentos de ParM exibem instabilidade dinâmica e podem particionar o DNA do plasmídeo nas células-filhas em divisão por um mecanismo análogo ao usado pelos microtúbulos durante a mitose eucariótica .

Crescentin

A bactéria Caulobacter crescentus contém uma terceira proteína, a crescentina , que está relacionada aos filamentos intermediários das células eucarióticas. Crescentin também está envolvido na manutenção da forma celular, como formas de bactérias helicoidais e vibrióides , mas o mecanismo pelo qual faz isso ainda não está claro. Além disso, a curvatura poderia ser descrita pelo deslocamento dos filamentos em crescente, após a interrupção da síntese do peptidoglicano.

Características comuns e diferenças entre procariontes e eucariontes

Por definição, o citoesqueleto é composto de proteínas que podem formar arranjos longitudinais (fibras) em todos os organismos. Estas proteínas formadoras de filamentos foram classificadas em 4 classes. Tubulina -like, actina -like, ATPases Walker A citoesqueleto (waca-proteínas), e filamentos intermédios .

Proteínas semelhantes à tubulina são tubulina em eucariotos e FtsZ , TubZ, RepX em procariotos. Proteínas semelhantes à actina são actinas em eucariotos e MreB , FtsA em procariotos. Um exemplo de proteínas WACA, que são encontradas principalmente em procariotos, é a MinD . Exemplos de filamentos intermediários, que foram encontrados quase exclusivamente em animais (isto é, eucariotos) são as laminas , queratinas , vimentina , neurofilamentos e desmina .

Embora as proteínas semelhantes à tubulina compartilhem alguma semelhança na sequência de aminoácidos , sua equivalência na dobra protéica e a semelhança no local de ligação do GTP são mais impressionantes. O mesmo é verdadeiro para as proteínas semelhantes à actina e sua estrutura e domínio de ligação de ATP .

As proteínas do citoesqueleto são geralmente correlacionadas com a forma celular, segregação de DNA e divisão celular em procariotos e eucariotos. Quais proteínas cumprem cada tarefa é muito diferente. Por exemplo, a segregação de DNA em todos os eucariotos ocorre por meio do uso de tubulina, mas em procariotos podem ser usadas proteínas WACA, proteínas semelhantes à actina ou semelhantes à tubulina. A divisão celular é mediada em eucariotos pela actina, mas em procariotos geralmente por proteínas semelhantes à tubulina (frequentemente anel FtsZ) e às vezes ( Crenarchaeota ) ESCRT-III , que em eucariotos ainda tem um papel na última etapa da divisão.

Streaming citoplasmático

O fluxo citoplasmático , também conhecido como ciclosis, é o movimento ativo do conteúdo de uma célula ao longo dos componentes do citoesqueleto. Embora sejam vistos principalmente em plantas, todos os tipos de células usam esse processo para o transporte de resíduos, nutrientes e organelas para outras partes da célula. As células de plantas e algas são geralmente maiores do que muitas outras células; portanto, o fluxo citoplasmático é importante nesses tipos de células. Isso ocorre porque o volume extra da célula requer fluxo citoplasmático para mover organelas por toda a célula. As organelas se movem ao longo dos microfilamentos no citoesqueleto impulsionadas pelos motores da miosina que se ligam e empurram os feixes de filamentos de actina

Veja também

Referências

links externos