Microtúbulo - Microtubule

Infográfico de métricas de tubulina e microtúbulo
Métricas de microtúbulo e tubulina

Microtúbulos são polímeros de tubulina que fazem parte do citoesqueleto e fornecem estrutura e forma às células eucarióticas . Os microtúbulos podem crescer até 50  micrômetros e são altamente dinâmicos. O diâmetro externo de um microtúbulo está entre 23 e 27  nm, enquanto o diâmetro interno está entre 11 e 15 nm. Eles são formados pela polimerização de um dímero de duas proteínas globulares , alfa e beta tubulina em protofilamentos que podem então se associar lateralmente para formar um tubo oco, o microtúbulo. A forma mais comum de um microtúbulo consiste em 13 protofilamentos no arranjo tubular.

Os microtúbulos são um dos sistemas de filamentos do citoesqueleto nas células eucarióticas. O citoesqueleto do microtúbulo está envolvido no transporte de material dentro das células, realizado por proteínas motoras que se movem na superfície do microtúbulo.

Os microtúbulos são muito importantes em vários processos celulares . Eles estão envolvidos na manutenção da estrutura da célula e, junto com microfilamentos e filamentos intermediários , eles formam o citoesqueleto . Eles também compõem a estrutura interna dos cílios e flagelos . Eles fornecem plataformas para o transporte intracelular e estão envolvidos em uma variedade de processos celulares, incluindo o movimento de vesículas secretoras , organelas e conjuntos macromoleculares intracelulares (ver entradas para dineína e cinesina ). Eles também estão envolvidos na divisão celular (por mitose e meiose ) e são os principais constituintes dos fusos mitóticos , que são usados ​​para separar os cromossomos eucarióticos .

Os microtúbulos são nucleados e organizados por centros organizadores de microtúbulos (MTOCs), como o centrossoma encontrado no centro de muitas células animais ou os corpos basais encontrados nos cílios e flagelos, ou os corpos polares fusiformes encontrados na maioria dos fungos.

Existem muitas proteínas que se ligam aos microtúbulos, incluindo as proteínas motoras cinesina e dineína , proteínas separadoras de microtúbulos como a catanina e outras proteínas importantes para regular a dinâmica dos microtúbulos. Recentemente, uma actina-proteína semelhante foi encontrado em uma bactéria gram-positiva bactéria Bacillus thuringiensis , que forma um dos microtúbulos semelhante estrutura chamada nanotubule, envolvido em plasmídeo de segregação. Outros microtúbulos bacterianos têm um anel de cinco protofilamentos.

História

Os processos mediados pela tubulina e pelos microtúbulos, como a locomoção celular, foram observados pelos primeiros microscopistas, como Leeuwenhoek (1677). No entanto, a natureza fibrosa dos flagelos e outras estruturas foram descobertas dois séculos depois, com microscópios de luz aprimorados , e confirmadas no século 20 com o microscópio eletrônico e estudos bioquímicos.

Ensaios de microtúbulos in vitro para proteínas motoras, como dineína e cinesina, são pesquisados ​​marcando fluorescentemente um microtúbulo e fixando os microtúbulos ou proteínas motoras em uma lâmina de microscópio, em seguida, visualizando a lâmina com microscopia aprimorada por vídeo para registrar a viagem das proteínas motoras dos microtúbulos. Isso permite o movimento das proteínas motoras ao longo do microtúbulo ou o microtúbulo movendo-se através das proteínas motoras. Consequentemente, alguns processos de microtúbulos podem ser determinados por quimografia .

Estrutura

Representação dos desenhos animados da estrutura do heterodímero α (amarelo) / β (vermelho) -tubulina, GTP e PIB.

Nos eucariotos, os microtúbulos são cilindros longos e ocos constituídos por dímeros de tubulina α e β polimerizados . O espaço interno dos cilindros de microtúbulos ocos é denominado lúmen. As subunidades α e β-tubulina são idênticas no nível de aminoácidos e cada uma tem um peso molecular de aproximadamente 50 kDa.

Estes dímeros de tubulina α / β polimerizam ponta a ponta em protofilamentos lineares que se associam lateralmente para formar um único microtúbulo, que pode então ser estendido pela adição de mais dímeros de tubulina α / β. Normalmente, os microtúbulos são formados pela associação paralela de treze protofilamentos, embora microtúbulos compostos por menos ou mais protofilamentos tenham sido observados em várias espécies, bem como in vitro .

Os microtúbulos têm uma polaridade distinta que é crítica para sua função biológica. A tubulina polimeriza de ponta a ponta, com as subunidades β de um dímero de tubulina em contato com as subunidades α do próximo dímero. Portanto, em um protofilamento, uma extremidade terá as subunidades α expostas, enquanto a outra extremidade terá as subunidades β expostas. Essas extremidades são designadas como extremidades (-) e (+), respectivamente. Os protofilamentos se agrupam paralelamente uns aos outros com a mesma polaridade, então, em um microtúbulo, há uma extremidade, a extremidade (+), com apenas subunidades β expostas, enquanto a outra extremidade, a extremidade (-), tem apenas α -subunidades expostas. Embora o alongamento dos microtúbulos possa ocorrer nas extremidades (+) e (-), é significativamente mais rápido na extremidade (+).

A associação lateral dos protofilamentos gera uma estrutura pseudo-helicoidal, com uma volta da hélice contendo 13 dímeros de tubulina, cada um de um protofilamento diferente. Na arquitetura "13-3" mais comum, o 13º dímero de tubulina interage com o próximo dímero de tubulina com um deslocamento vertical de 3 monômeros de tubulina devido à helicidade da volta. Existem outras arquiteturas alternativas, como 11-3, 12-3, 14-3, 15-4 ou 16-4, que foram detectadas em uma ocorrência muito menor. Os microtúbulos também podem se transformar em outras formas, como filamentos helicoidais, que são observados em organismos protistas como os foraminíferos . Existem dois tipos distintos de interações que podem ocorrer entre as subunidades dos protofilamentos laterais dentro do microtúbulo, denominadas redes tipo A e tipo B. Na rede tipo A, as associações laterais de protofilamentos ocorrem entre as subunidades α e β-tubulina adjacentes (ou seja, uma subunidade α-tubulina de um protofilamento interage com uma subunidade β-tubulina de um protofilamento adjacente). Na rede tipo B, as subunidades α e β-tubulina de um protofilamento interagem com as subunidades α e β-tubulina de um protofilamento adjacente, respectivamente. Estudos experimentais mostraram que a rede tipo B é o arranjo primário dentro dos microtúbulos. No entanto, na maioria dos microtúbulos há uma costura na qual as subunidades da tubulina interagem com α-β.

Algumas espécies de Prosthecobacter também contêm microtúbulos. A estrutura desses microtúbulos bacterianos é semelhante à dos microtúbulos eucarióticos, consistindo em um tubo oco de protofilamentos montados a partir de heterodímeros de tubulina A bacteriana (BtubA) e tubulina B bacteriana (BtubB). Tanto o BtubA quanto o BtubB compartilham características da α- e β- tubulina . Ao contrário dos microtúbulos eucarióticos, os microtúbulos bacterianos não requerem chaperones para dobrar. Em contraste com os 13 protofilamentos de microtúbulos eucarióticos, os microtúbulos bacterianos compreendem apenas cinco.

Organização intracelular

Os microtúbulos são parte do citoesqueleto , uma rede estrutural dentro do citoplasma da célula . As funções do citoesqueleto dos microtúbulos incluem suporte mecânico, organização do citoplasma, transporte, motilidade e segregação cromossômica. Nos neurônios em desenvolvimento, os microtúbulos são conhecidos como neurotúbulos e podem modular a dinâmica da actina , outro componente do citoesqueleto. Um microtúbulo é capaz de crescer e encolher para gerar força, e existem proteínas motoras que permitem que organelas e outros componentes celulares sejam transportados ao longo de um microtúbulo. Essa combinação de funções torna os microtúbulos importantes para organizar e mover os constituintes intracelulares.

A organização dos microtúbulos na célula é específica do tipo celular. No epitélio , as extremidades negativas do polímero do microtúbulo são ancoradas perto do local de contato célula-célula e organizadas ao longo do eixo apical-basal. Após a nucleação, as extremidades negativas são liberadas e, em seguida, ancoradas novamente na periferia por fatores como ninein e PLEKHA7 . Dessa forma, podem facilitar o transporte de proteínas, vesículas e organelas ao longo do eixo apical-basal da célula. Em fibroblastos e outros tipos de células mesenquimais, os microtúbulos são ancorados no centrossoma e irradiam com suas extremidades positivas para fora em direção à periferia da célula (como mostrado na primeira figura). Nessas células, os microtúbulos desempenham papéis importantes na migração celular. Além disso, a polaridade dos microtúbulos é influenciada por proteínas motoras, que organizam muitos componentes da célula, incluindo o retículo endoplasmático e o aparelho de Golgi .

Componentes do citoesqueleto eucariótico . Os filamentos de actina são mostrados em vermelho, os microtúbulos em verde e os núcleos em azul. O cistoesqueleto fornece à célula uma estrutura interna e permite que ela se mova e mude de forma.

Polimerização de microtúbulos

Nucleação

Nucleação é o evento que inicia a formação de microtúbulos a partir do dímero de tubulina. Os microtúbulos são tipicamente nucleados e organizados por organelas chamadas centros organizadores de microtúbulos (MTOCs). Contido no MTOC está outro tipo de tubulina, a γ-tubulina, que é distinta das subunidades α e β dos próprios microtúbulos. A γ-tubulina se combina com várias outras proteínas associadas para formar uma estrutura semelhante a uma arruela de bloqueio, conhecida como "complexo de anel γ-tubulina" (γ-TuRC). Este complexo atua como um modelo para dímeros de α / β-tubulina para iniciar a polimerização; ele atua como uma tampa da extremidade (-) enquanto o crescimento dos microtúbulos continua longe do MTOC na direção (+).

O centrossoma é o MTOC primário da maioria dos tipos de células. No entanto, os microtúbulos também podem ser nucleados de outros locais. Por exemplo, cílios e flagelos têm MTOCs em seus corpos basais denominados de base . Além disso, trabalhos do grupo Kaverina em Vanderbilt, assim como outros, sugerem que o aparelho de Golgi pode servir como uma plataforma importante para a nucleação de microtúbulos. Como a nucleação do centrossoma é inerentemente simétrica, a nucleação de microtúbulos associada a Golgi pode permitir que a célula estabeleça assimetria na rede de microtúbulos. Em estudos recentes, o grupo Vale da UCSF identificou o complexo proteico augmin como um fator crítico para a geração de microtúbulos baseados em fuso, dependentes do centrossoma. Foi demonstrado que ele interage com o γ-TuRC e aumenta a densidade dos microtúbulos em torno da origem do fuso mitótico.

Alguns tipos de células, como células vegetais, não contêm MTOCs bem definidos. Nessas células, os microtúbulos são nucleados a partir de locais discretos no citoplasma. Outros tipos de células, como parasitas tripanossomatídeos , têm um MTOC, mas ele é encontrado permanentemente na base de um flagelo. Aqui, a nucleação de microtúbulos para funções estruturais e para a geração do fuso mitótico não é de um MTOC semelhante a um centríolo canônico.

Polimerização

Após o evento de nucleação inicial, monômeros de tubulina devem ser adicionados ao polímero em crescimento. O processo de adição ou remoção de monômeros depende da concentração de dímeros de αβ-tubulina em solução em relação à concentração crítica, que é a concentração em estado estacionário de dímeros em que não há mais nenhuma montagem ou desmontagem no final do microtúbulo . Se a concentração de dímero for maior do que a concentração crítica, o microtúbulo polimerizará e crescerá. Se a concentração for menor que a concentração crítica, o comprimento do microtúbulo diminuirá.

Dinâmica de microtúbulos

Instabilidade dinâmica

Animação da instabilidade dinâmica dos microtúbulos. Dímeros de tubulina ligados ao GTP (vermelho) se ligam à extremidade crescente de um microtúbulo e, subsequentemente, hidrolisam o GTP em GDP (azul).

A instabilidade dinâmica se refere à coexistência de montagem e desmontagem nas extremidades de um microtúbulo. O microtúbulo pode alternar dinamicamente entre as fases de crescimento e encolhimento nesta região. Dímeros de tubulina podem ligar duas moléculas de GTP, uma das quais pode ser hidrolisada após a montagem. Durante a polimerização, os dímeros de tubulina estão no estado ligado ao GTP . O GTP ligado à α-tubulina é estável e desempenha uma função estrutural neste estado ligado. No entanto, o GTP ligado à β-tubulina pode ser hidrolisado para GDP logo após a montagem. As propriedades de montagem da GDP-tubulina são diferentes daquelas da GTP-tubulina, pois a GDP-tubulina é mais propensa à despolimerização. Uma subunidade de tubulina ligada a GDP na ponta de um microtúbulo tende a cair, embora uma tubulina ligada a GDP no meio de um microtúbulo não possa sair espontaneamente do polímero. Uma vez que a tubulina se adiciona à extremidade do microtúbulo no estado ligado ao GTP, é proposta a existência de uma capa de tubulina ligada ao GTP na ponta do microtúbulo, protegendo-o da desmontagem. Quando a hidrólise atinge a ponta do microtúbulo, ela começa uma rápida despolimerização e encolhimento. Essa mudança de crescimento para encolhimento é chamada de catástrofe. A tubulina ligada ao GTP pode começar a se adicionar à ponta do microtúbulo novamente, fornecendo uma nova capa e protegendo o microtúbulo de encolher. Isso é conhecido como "resgate".

Modelo de "busca e captura"

Em 1986, Marc Kirschner e Tim Mitchison propuseram que os microtúbulos usassem suas propriedades dinâmicas de crescimento e encolhimento em suas extremidades positivas para sondar o espaço tridimensional da célula. Extremidades positivas que encontram cinetóforos ou locais de polaridade são capturadas e não exibem mais crescimento ou encolhimento. Em contraste com os microtúbulos dinâmicos normais, que têm meia-vida de 5 a 10 minutos, os microtúbulos capturados podem durar horas. Essa ideia é comumente conhecida como o modelo de "busca e captura". Na verdade, o trabalho desde então validou amplamente essa ideia. No cinetocoro, uma variedade de complexos demonstrou capturar as extremidades (+) - dos microtúbulos. Além disso, uma atividade de terminação (+) - para microtúbulos de interfase também foi descrita. Esta última atividade é mediada por forminas , a proteína adenomatous polyposis coli , e EB1 , uma proteína que segue ao longo das extremidades positivas crescentes dos microtúbulos.

Regulação da dinâmica dos microtúbulos

Modificações pós-traducionais

Imagem de uma célula de fibroblasto contendo actina marcada com fluorescência (vermelho) e microtúbulos (verde).

Embora a maioria dos microtúbulos tenha meia-vida de 5 a 10 minutos, alguns microtúbulos podem permanecer estáveis ​​por horas. Esses microtúbulos estabilizados acumulam modificações pós-tradução em suas subunidades de tubulina pela ação de enzimas ligadas aos microtúbulos. No entanto, uma vez que o microtúbulo se despolimeriza, a maioria dessas modificações é rapidamente revertida por enzimas solúveis. Uma vez que a maioria das reações de modificação são lentas, enquanto suas reações reversas são rápidas, a tubulina modificada só é detectada em microtúbulos estáveis ​​de longa duração. A maioria dessas modificações ocorre na região C-terminal da alfa-tubulina. Esta região, que é rica em glutamato carregado negativamente, forma caudas relativamente não estruturadas que se projetam para fora do microtúbulo e formam contatos com os motores. Assim, acredita-se que as modificações da tubulina regulem a interação dos motores com o microtúbulo. Uma vez que esses microtúbulos modificados estáveis ​​são tipicamente orientados para o local da polaridade celular em células de interfase, este subconjunto de microtúbulos modificados fornece uma rota especializada que ajuda a entregar vesículas a essas zonas polarizadas. Essas modificações incluem:

  • Detirosinação : a remoção da tirosina C-terminal da alfa-tubulina. Esta reação expõe um glutamato no novo C-terminal. Como resultado, os microtúbulos que acumulam essa modificação são freqüentemente chamados de microtúbulos Glu. Embora a tubulina carboxipeptidase ainda não tenha sido identificada, a tubulina-tirosina ligase (TTL) é conhecida.
  • Delta2: a remoção dos dois últimos resíduos do terminal C da alfa-tubulina. Ao contrário da detirosinação, essa reação é considerada irreversível e só foi documentada em neurônios.
  • Acetilação : adição de um grupo acetil à lisina 40 da alfa-tubulina. Essa modificação ocorre em uma lisina que é acessível apenas a partir do interior do microtúbulo, e não está claro como as enzimas acessam o resíduo de lisina. A natureza da tubulina acetiltransferase permanece controversa, mas foi descoberto que em mamíferos a principal acetiltransferase é ATAT1 . no entanto, sabe-se que a reação reversa é catalisada por HDAC6 .
  • Poliglutamilação : a adição de um polímero de glutamato (normalmente com 4-6 resíduos de comprimento) ao grupo gama-carboxila de qualquer um dos cinco glutamatos encontrados próximo ao final da alfa-tubulina. Enzimas relacionadas ao TTL adicionam o glutamato ramificado inicial (TTL4,5 e 7), enquanto outras enzimas que pertencem à mesma família alongam a cadeia do poliglutamato (TTL6,11 e 13).
  • Poliglicilação : a adição de um polímero de glicina (2-10 resíduos de comprimento) ao grupo gama-carboxila de qualquer um dos cinco glutamatos encontrados próximo ao final da beta-tubulina. TTL3 e 8 adicionam a ramificação inicial da glicina, enquanto TTL10 alonga a cadeia de poliglicina.

A tubulina também é conhecida por ser fosforilada , ubiquitinada , sumoilada e palmitoilada .

Drogas que ligam a tubulina e efeitos químicos

Uma grande variedade de drogas é capaz de se ligar à tubulina e modificar suas propriedades de montagem. Essas drogas podem ter um efeito em concentrações intracelulares muito mais baixas do que a da tubulina. Essa interferência com a dinâmica dos microtúbulos pode ter o efeito de interromper o ciclo celular de uma célula e pode levar à morte celular programada ou apoptose . No entanto, existem dados que sugerem que a interferência da dinâmica dos microtúbulos é insuficiente para bloquear as células em mitose. Esses estudos demonstraram que a supressão da dinâmica ocorre em concentrações menores do que as necessárias para bloquear a mitose. A supressão da dinâmica dos microtúbulos por mutações da tubulina ou por tratamento com drogas demonstrou inibir a migração celular. Ambos os estabilizadores e desestabilizadores de microtúbulos podem suprimir a dinâmica dos microtúbulos.

Os medicamentos que podem alterar a dinâmica dos microtúbulos incluem:

  • A classe de drogas de taxano que combate o câncer ( paclitaxel (taxol) e docetaxel ) bloqueia a instabilidade dinâmica ao estabilizar a tubulina ligada ao GDP no microtúbulo. Assim, mesmo quando a hidrólise do GTP atinge a ponta do microtúbulo, não há despolimerização e o microtúbulo não encolhe.

Taxanos (sozinhos ou em combinação com derivados de platina (carboplatina) ou gencitabina) são usados ​​contra malignidades de mama e ginecológicas, carcinomas de células escamosas (câncer de cabeça e pescoço, alguns cânceres de pulmão), etc.

  • As epotilonas , por exemplo, a ixabepilona , funcionam de maneira semelhante aos taxanos.
  • Vinorelbina, Nocodazol , vincristina e colchicina têm efeito oposto, bloqueando a polimerização da tubulina em microtúbulos.
  • A eribulina liga-se à extremidade de crescimento (+) dos microtúbulos. A eribulina exerce seus efeitos anticâncer desencadeando a apoptose das células cancerosas após bloqueio mitótico prolongado e irreversível.

Foi relatado que a expressão de β3-tubulina altera as respostas celulares à supressão da dinâmica dos microtúbulos induzida por drogas. Em geral, a dinâmica é normalmente suprimida por baixas concentrações subtóxicas de microtúbulos que também inibem a migração celular. No entanto, a incorporação de β3-tubulina em microtúbulos aumenta a concentração de droga que é necessária para suprimir a dinâmica e inibir a migração celular. Assim, os tumores que expressam β3-tubulina não são apenas resistentes aos efeitos citotóxicos de drogas direcionadas aos microtúbulos, mas também à sua capacidade de suprimir metástases tumorais. Além disso, a expressão da β3-tubulina também neutraliza a capacidade dessas drogas de inibir a angiogênese, que normalmente é outra faceta importante de sua ação.

Os polímeros de microtúbulos são extremamente sensíveis a vários efeitos ambientais. Níveis muito baixos de cálcio livre podem desestabilizar os microtúbulos e isso impediu os primeiros pesquisadores de estudar o polímero in vitro. As baixas temperaturas também causam rápida despolimerização dos microtúbulos. Em contraste, a água pesada promove a estabilidade do polímero dos microtúbulos.

Proteínas que interagem com microtúbulos

Proteínas associadas a microtúbulos (MAPs)

MAPs demonstraram desempenhar um papel crucial na regulação da dinâmica dos microtúbulos in vivo . As taxas de polimerização, despolimerização e catástrofe dos microtúbulos variam dependendo de quais proteínas associadas aos microtúbulos (MAPs) estão presentes. Os MAPs originalmente identificados do tecido cerebral podem ser classificados em dois grupos com base em seu peso molecular. Esta primeira classe compreende MAPs com peso molecular abaixo de 55-62 kDa e são chamadas de proteínas τ (tau) . In-vitro , as proteínas tau demonstraram ligar diretamente os microtúbulos, promover a nucleação e evitar a desmontagem, além de induzir a formação de matrizes paralelas. Além disso, as proteínas tau também demonstraram estabilizar os microtúbulos nos axônios e foram implicadas na doença de Alzheimer. A segunda classe é composta por MAPs com peso molecular de 200-1000 kDa, dos quais existem quatro tipos conhecidos: MAP-1, MAP-2 , MAP-3 e MAP-4 . As proteínas MAP-1 consistem em um conjunto de três proteínas diferentes: A , B e C. A proteína C desempenha um papel importante no transporte retrógrado das vesículas e também é conhecida como dineína citoplasmática . As proteínas MAP-2 estão localizadas nos dendritos e no corpo dos neurônios, onde se ligam a outros filamentos do citoesqueleto. As proteínas MAP-4 são encontradas na maioria das células e estabilizam os microtúbulos. Além dos MAPs que têm um efeito estabilizador na estrutura dos microtúbulos, outros MAPs podem ter um efeito desestabilizador por clivagem ou por indução da despolimerização dos microtúbulos. Três proteínas chamado katanin , Spastin , e fidgetin foram observados para regular o número e comprimento dos microtúbulos através das suas actividades de desestabilização. Além disso, prevê-se que KIAA1211L esteja localizado nos microtúbulos.

Proteínas de rastreamento de extremidade positiva (+ TIPs)

As proteínas plus end tracking são proteínas MAP que se ligam às pontas dos microtúbulos em crescimento e desempenham um papel importante na regulação da dinâmica dos microtúbulos. Por exemplo, observou-se que + TIPs participam das interações dos microtúbulos com os cromossomos durante a mitose. O primeiro MAP a ser identificado como a + TIP foi CLIP170 (proteína ligante citoplasmática), que demonstrou desempenhar um papel em eventos de resgate de despolimerização de microtúbulos. Exemplos adicionais de + TIPs incluem EB1 , EB2 , EB3 , p150Glued , Dynamitin , Lis1 , CLIP115 , CLASP1 e CLASP2 .

Proteínas motoras

Motor dineína citoplasmático ligado a um microtúbulo.
Uma molécula de cinesina ligada a um microtúbulo.

Os microtúbulos podem atuar como substratos para proteínas motoras que estão envolvidas em importantes funções celulares, como tráfego de vesículas e divisão celular. Ao contrário de outras proteínas associadas aos microtúbulos, as proteínas motoras utilizam a energia da hidrólise do ATP para gerar trabalho mecânico que move a proteína ao longo do substrato. As principais proteínas motoras que interagem com os microtúbulos são a cinesina , que geralmente se move em direção à extremidade (+) do microtúbulo, e a dineína , que se move em direção à extremidade (-).

  • A dineína é composta por duas cadeias pesadas idênticas, que constituem dois grandes domínios de cabeça globular e um número variável de cadeias intermediárias e leves. O transporte mediado pela dineína ocorre da extremidade (+) em direção à extremidade (-) do microtúbulo. A hidrólise do ATP ocorre nos domínios da cabeça globular, que compartilham semelhanças com a família de proteínas AAA + (ATPase associada a várias atividades celulares). A hidrólise do ATP nestes domínios é acoplada ao movimento ao longo do microtúbulo através dos domínios de ligação ao microtúbulo. A dineína transporta vesículas e organelas por todo o citoplasma. Para fazer isso, as moléculas de dineína ligam-se às membranas das organelas por meio de um complexo de proteínas que contém vários elementos, incluindo dinactina .
  • Kinesin tem uma estrutura semelhante à dineína. Cinesina está envolvida no transporte de uma variedade de cargas intracelulares, incluindo vesículas, organelas, complexos de proteínas e mRNAs em direção à extremidade (+) do microtúbulo.

Alguns vírus (incluindo retrovírus , herpesvírus , parvovírus e adenovírus ) que requerem acesso ao núcleo para replicar seus genomas se ligam a proteínas motoras .

Mitose

Centrossomas

Um diagrama 3D de um centríolo. Cada círculo representa um microtúbulo. No total, são 27 microtúbulos organizados em 9 feixes de 3.

O centrossoma é o principal MTOC ( centro organizador dos microtúbulos ) da célula durante a mitose. Cada centrossoma é composto de dois cilindros chamados centríolos , orientados perpendicularmente um ao outro. O centríolo é formado por 9 microtúbulos principais, cada um com dois microtúbulos parciais ligados a ele. Cada centríolo tem aproximadamente 400 nm de comprimento e cerca de 200 nm de circunferência.

O centrossoma é crítico para a mitose, pois a maioria dos microtúbulos envolvidos no processo se origina do centrossoma. As extremidades menos de cada microtúbulo começam no centrossoma, enquanto as extremidades positivas se irradiam em todas as direções. Assim, o centrossoma também é importante para manter a polaridade dos microtúbulos durante a mitose.

A maioria das células tem apenas um centrossoma para a maior parte de seu ciclo celular, no entanto, logo antes da mitose, o centrossoma se duplica e a célula contém dois centrossomas. Alguns dos microtúbulos que irradiam do centrossomo crescem diretamente para longe do centrossomo irmão. Esses microtúbulos são chamados de microtúbulos astrais. Com a ajuda desses microtúbulos astrais, os centrossomas se afastam um do outro em direção a lados opostos da célula. Uma vez lá, outros tipos de microtúbulos necessários para a mitose, incluindo microtúbulos interpolares e fibras K podem começar a se formar.

Uma nota final importante sobre os centrossomas e microtúbulos durante a mitose é que, embora o centrossoma seja o MTOC para os microtúbulos necessários para a mitose, a pesquisa mostrou que, uma vez que os próprios microtúbulos são formados e no local correto, os centrossomas em si não são necessários para a mitose ocorrer.

Subclasses de microtúbulos

Este diagrama descreve a organização de um fuso mitótico típico encontrado em células animais. Aqui são mostrados os três principais tipos de microtúbulos durante a mitose e como eles são orientados na célula e no fuso mitótico.

Os microtúbulos astrais são uma subclasse de microtúbulos que só existem durante e perto da mitose. Eles se originam do centrossoma, mas não interagem com os cromossomos, cinetocoros ou com os microtúbulos originados do outro centrossoma. Em vez disso, seus microtúbulos irradiam em direção à membrana celular. Uma vez lá, eles interagem com proteínas motoras específicas que criam força que puxa os microtúbulos e, portanto, todo o centrossoma em direção à membrana celular. Como afirmado acima, isso ajuda os centrossomas a se orientarem para longe um do outro na célula. No entanto, esses microtúbulos astrais não interagem com o próprio fuso mitótico. Experimentos mostraram que sem esses microtúbulos astrais, o fuso mitótico pode se formar, porém sua orientação na célula nem sempre é correta e, portanto, a mitose não ocorre de forma tão eficaz. Outra função importante dos microtúbulos astrais é ajudar na citocinese. Os microtúbulos astrais interagem com proteínas motoras na membrana celular para separar o fuso e a célula inteira, uma vez que os cromossomos foram replicados.

Microtúbulos interpolares / polares são uma classe de microtúbulos que também se irradiam do centrossoma durante a mitose. Esses microtúbulos irradiam em direção ao fuso mitótico, ao contrário dos microtúbulos astrais. Os microtúbulos interpolares são a subclasse mais abundante e dinâmica de microtúbulos durante a mitose. Cerca de 95 por cento dos microtúbulos no fuso mitótico podem ser caracterizados como interpolares. Além disso, a meia-vida desses microtúbulos é extremamente curta, pois é inferior a um minuto. Os microtúbulos interpolares que não se ligam aos cinetocoros podem auxiliar na congregação dos cromossomos por meio da interação lateral com os cinetocoros.

Fibras K / microtúbulos Kinetochore são a terceira subclasse importante de microtúbulos mitóticos. Esses microtúbulos formam conexões diretas com os cinetocoros no fuso mitótico. Cada fibra K é composta por 20-40 microtúbulos paralelos, formando um tubo forte que é ligado em uma extremidade ao centrossoma e na outra ao cinetocoro, localizado no centro de cada cromossomo. Como cada centrossoma tem uma fibra K conectando-se a cada par de cromossomos, os cromossomos ficam presos no meio do fuso mitótico pelas fibras K. As fibras K têm meia-vida muito mais longa do que os microtúbulos interpolares, entre 4 e 8 minutos. Durante o final das mitoses, os microtúbulos que formam cada fibra K começam a se desassociar, causando um curto-circuito nas fibras K. À medida que as fibras K encurtam, os cromossomos do par são separados logo antes da citocinese. Anteriormente, alguns pesquisadores acreditavam que as fibras K se formavam em sua extremidade negativa originando-se do centrossoma, assim como outros microtúbulos; no entanto, uma nova pesquisa apontou para um mecanismo diferente. Nesse novo mecanismo, as fibras K são inicialmente estabilizadas em sua extremidade positiva pelos cinetocoros e crescem a partir daí. A extremidade negativa dessas fibras K eventualmente se conecta a um microtúbulo interpolar existente e, eventualmente, são conectadas ao centrossoma dessa maneira.

Microtúbulo nuclear no fuso mitótico

A maioria dos microtúbulos que formam o fuso mitótico se origina do centrossoma. Originalmente, pensava-se que todos esses microtúbulos se originavam do centrossoma por meio de um método denominado busca e captura, descrito com mais detalhes em uma seção acima, no entanto, novas pesquisas mostraram que existem meios adicionais de nucleação de microtúbulos durante a mitose. Um dos mais importantes desses meios adicionais de nucleação de microtúbulos é a via RAN-GTP. RAN-GTP associa-se à cromatina durante a mitose para criar um gradiente que permite a nucleação local de microtúbulos próximos aos cromossomos. Além disso, uma segunda via conhecida como complexo augmin / HAUS (alguns organismos usam o complexo augmin mais estudado, enquanto outros, como os humanos, usam um complexo análogo chamado HAUS) atua como um meio adicional de nucleação de microtúbulos no fuso mitótico.

Funções

Migração celular

As extremidades dos microtúbulos plus são frequentemente localizadas em estruturas particulares. Em células em interfase polarizada , os microtúbulos são desproporcionalmente orientados do MTOC em direção ao local de polaridade, como a borda de ataque dos fibroblastos em migração . Acredita-se que essa configuração ajude a entregar vesículas ligadas aos microtúbulos do Golgi para o local de polaridade.

A instabilidade dinâmica dos microtúbulos também é necessária para a migração da maioria das células de mamíferos que rastejam. Os microtúbulos dinâmicos regulam os níveis das principais proteínas G , como RhoA e Rac1 , que regulam a contratilidade celular e a propagação celular. Os microtúbulos dinâmicos também são necessários para desencadear a desmontagem da adesão focal , que é necessária para a migração. Foi descoberto que os microtúbulos agem como “suportes” que neutralizam as forças contráteis que são necessárias para a retração da borda posterior durante o movimento celular. Quando os microtúbulos na borda posterior da célula são dinâmicos, eles são capazes de se remodelar para permitir a retração. Quando a dinâmica é suprimida, os microtúbulos não podem se remodelar e, portanto, se opor às forças contráteis. A morfologia das células com dinâmica de microtúbulos suprimida indica que as células podem estender a borda frontal (polarizada na direção do movimento), mas têm dificuldade em retrair sua borda posterior. Por outro lado, altas concentrações da droga, ou mutações de microtúbulos que despolimerizam os microtúbulos, podem restaurar a migração celular, mas há uma perda de direcionalidade. Pode-se concluir que os microtúbulos atuam tanto para restringir o movimento celular quanto para estabelecer a direcionalidade

Cilia e flagelos

Os microtúbulos têm um papel estrutural importante nos cílios e flagelos eucarióticos . Cílios e flagelos sempre se estendem diretamente de um MTOC, neste caso denominado corpo basal. A ação das proteínas motoras da dineína nos vários filamentos de microtúbulos que correm ao longo de um cílio ou flagelo permite que a organela se curve e gere força para nadar, mover o material extracelular e outras funções. Os procariontes possuem proteínas semelhantes à tubulina, incluindo FtsZ. No entanto, flagelos procarióticos são totalmente diferentes em estrutura dos flagelos eucarióticos e não contêm estruturas baseadas em microtúbulos.

Desenvolvimento

O citoesqueleto formado por microtúbulos é essencial para o processo morfogenético da de um organismo desenvolvimento . Por exemplo, uma rede de microtúbulos polarizados é necessária dentro do oócito de Drosophila melanogaster durante sua embriogênese para estabelecer o eixo do ovo. Sinais enviados entre as células foliculares e o oócito (como fatores semelhantes ao fator de crescimento epidérmico ) causam a reorganização dos microtúbulos de modo que suas (-) extremidades se localizem na parte inferior do oócito, polarizando a estrutura e levando ao aparecimento de um eixo anterior-posterior. Esse envolvimento na arquitetura do corpo também é visto em mamíferos .

Outra área em que os microtúbulos são essenciais é o desenvolvimento do sistema nervoso em vertebrados superiores , onde a dinâmica da tubulina e das proteínas associadas (como as proteínas associadas aos microtúbulos) é controlada minuciosamente durante o desenvolvimento do sistema nervoso .

Regulação do gene

O citoesqueleto celular é um sistema dinâmico que funciona em muitos níveis diferentes: além de dar à célula uma forma particular e apoiar o transporte de vesículas e organelas, ele também pode influenciar a expressão gênica . Os mecanismos de transdução de sinal envolvidos nesta comunicação são pouco conhecidos. No entanto, já foi descrita a relação entre a despolimerização de microtúbulos mediada por drogas e a expressão específica de fatores de transcrição , o que forneceu informações sobre a expressão diferencial dos genes em função da presença desses fatores. Essa comunicação entre o citoesqueleto e a regulação da resposta celular também está relacionada à ação dos fatores de crescimento : por exemplo, essa relação existe para o fator de crescimento do tecido conjuntivo .

Veja também

Referências

links externos