Biologia

O citoesqueleto é uma estrutura altamente dinâmica, que se encontra especialmente presente nas grandes e complexas células eucarióticas, apesar de alguns componentes citoesqueléticos simples terem sido identificados em bactérias. O citoesqueleto pode ser comparado ao sistema locomotor humano, constituído na sua maior parte por ossos e por músculos, uma vez que é responsável pela sustentação dos componentes celulares e por movimentos em larga escala, como a migração de células sobre uma superfície ou os movimentos intracelulares como o transporte de organelos, a segregação dos cromossomas nas duas células-filhas durante a mitose e a separação das células no final da divisão celular. Assim, na ausência desta estrutura complexa a célula seria incapaz de realizar a sua divisão, a fagocitose, locomover-se (no caso dos espermatozóides, por exemplo) ou fornecer um meio de transporte para os organelos celulares que a constituem, entre outras funções.

O citoesqueleto é constituído a partir de uma base composta por três tipos de fibras proteicas: os microtúbulos, os filamentos de actina (também designados de microfilamentos) e os filamentos intermédios. As funções do citoesqueleto são muito variadas e dependem não só das características dos seus componentes, mas também das propriedades das suas proteínas associadas.

Os microtúbulos são estruturas tubulares com cerca de 25nm de diâmetro, constituídas pela polimerização de um heterodímero das proteínas globulares α-tubulina e a β-tubulina. Estão envolvidos no tráfego intracitoplasmático de vesículas e organelos durante a interfase, na construção do fuso mitótico e movimento dos cromossomas e ainda na criação e manutenção de domínios citoplasmáticos.

Os filamentos de actina são filamentos de aproximadamente 7nm de diâmetro, apresentando-se sob a forma de feixes paralelos ou redes anastomosadas, participando na mobilidade celular, transporte de vesículas, projecções celulares, contracção muscular, entre outras funções.

Os filamentos intermédios são constituídos por proteínas fibrosas e constituem elementos essenciais para a estabilidade mecânica das células e tecidos no seu ambiente de organização tridimensional.

Filamentos de Actina

Os filamentos de actina são estruturas que estão presentes sobretudo ao nível do córtex celular, em estreita associação com a membrana, sob a forma de feixes de filamentos paralelos ou de redes de filamentos anastomosados.

A base estrutural de um microfilamento é a actina, existindo na forma de monómeros designados por actina G, que se polimerizam para formar filamentos - actina F. A formação dos filamentos de actina pode ser estudada in vitro regulando as forças iónicas em soluções de actina. Em soluções com baixa força iónica, os microfilamentos despolimerizam-se, no entanto, se as forças iónicas aumentarem até aos níveis fisiológicos, verifica-se a polimerização espontânea da actina.

A polimerização da actina consiste na formação de dímeros e trímeros de actina (nucleação) que crescem pela adição de monómeros em ambas as extremidades (alongamento). Como todos os monómeros de actina são orientados na mesma direcção, os filamentos de actina apresentam polaridades diferentes nas suas extremidades, conferindo características distintas para cada uma delas. Verifica-se que a extremidade mais cresce 5 a 10 vezes mais rapidamente do que a extremidade menos.

A actina pode estar ligada a ATP que favorece a polimerização dos filamentos, sendo posteriormente hidrolisado, formando proteínas de actina ligadas a ADP, que enfraquece a ligação química e leva à despolimerização. A ligação e a hidrólise do ATP desempenham um papel importante na regulação do arranjo e comportamento dinâmico dos microfilamentos. Segundo COOPER, “existe, um equilíbrio aparente entre os monómeros e os filamentos de actina, o qual é dependente da concentração dos monómeros livres. A taxa pela qual os monómeros livres são incorporados aos filamentos é proporcional às suas concentrações, de modo que existe uma concentração crítica de monómeros na qual a sua taxa de polimerização em filamentos é idêntica á taxa de despolimerização”. Este fenómeno de aparente equilíbrio é designado por treadmilling, existindo perda de monómeros na extremidade negativa, balanceada pela adição de monómeros na extremidade positiva.

O arranjo e a desorganização dos microfilamentos, as interligações entre os feixes e as redes e as suas associações com outras estruturas celulares são regulados pela ligação a uma variedade de proteínas de associação com a actina (ABP- actin binding proteins) das quais se destacam:

• Monomer- binding proteins que podem induzir a polimerização ou, de modo contrário, a despolimerização. Como exemplos podemos destacar a profilina que estimula a polimerização da actina ao hidrolisar o ATP em ADP e a timosina β4 que é uma proteína sequestradora dos monómeros de actina G, retardando a sua associação;

• Severing e capping proteins: proteínas reguladoras da actina que se ligam à extremidade dos microfilamentos impedindo, a sua polimerização ou despolimerização – como por exemplo a gelsolina e a fragmina;

• Proteínas cross-linking: responsáveis pela organização espacial dos microfilamentos;

• Proteínas motoras (miosinas): ao se associarem à actina participam na contractilidade em células musculares e não musculares;

• ARP 2/3: pode ligar-se à extremidade positiva dos microfilamentos ou induzir a polimerização de uma ramificação formando redes em forma de malha;

• ERM: proteínas responsáveis pela ligação das proteínas transmembranares da membrana plasmática aos filamentos de actina, fundamentais na manutenção da estrutura e função celular;

• ADF/cofilina: por um lado actua como um factor de despolimerização ao ligar-se à extremidade positiva dos microfilamentos; por outro lado pode quebrar os microfilamentos formando mais extremidades positivas, induzindo assim a polimerização;

• Formina: responsável pela iniciação da polimerização dos microfilamentos.

No que diz respeito à regulação estrutural dos microfilamentos, deve realçar-se que as moléculas que intervêm na organização tridimensional dos feixes e redes de actina F têm dimensões diferentes, o que permite a formação de estruturas mais compactas ou menos compactas.

Existem dois tipos de feixes de actina, que se distinguem pelas proteínas a eles associados:

• Feixes paralelos: compostos por filamentos de actina alinhados paralelamente próximos uns dos outros, suportando as projecções da membrana plasmática, como as microvilosidades; todos os filamentos têm a mesma polaridade, apresentando as suas extremidades mais orientadas para a membrana celular. A proteína envolvida na formação destas estruturas é a fimbrina, que liga fortemente os filamentos.

• Feixes contrácteis: compostos por filamentos com espaçamento mais amplo interligados entre si pela proteína α-actinina. O aumento de espaço entre os filamentos permite que a miosina (proteína motora) interaja com os filamentos de actina desses feixes, o que possibilita a contracção dos mesmos. Os filamentos de actina organizados em redes, por sua vez, são interligados ortogonalmente pela filamina, originando um arranjo tridimensional junto à membrana plasmática.

O citoesqueleto de actina participa em muitos processos celulares, para além da sua importante função a nível estrutural. Encontra-se relacionado com processos de fagocitose/endocitose; no tráfego intracelular; na adesão e movimento celular; na contracção muscular; na sinalização intracelular e comunicação entre células e também no fenómeno da citocinese.

A fagocitose e endocitose, que são, respectivamente, prolongamentos ou invaginações da membrana plasmática, ocorrem devido à polimerização ou despolimerização dos filamentos de actina.

Durante a contracção muscular os microfilamentos estão associados à proteína miosina II, que converte energia química (ATP) em energia mecânica, produzindo força e movimento. No entanto, as interacções entre a actina e a miosina são responsáveis não somente pela contracção muscular, mas também por uma variedade de movimentos não-musculares, incluindo a divisão celular com a formação do anel contráctil. Além disso, o citoesqueleto de actina e as suas interacções com esta proteína são também responsáveis pela migração de células sobre uma superfície. Os músculos esqueléticos (responsáveis por todos os movimentos voluntários) são feixes de fibras musculares, células longas únicas, cujo citoplasma é constituído, principalmente, por miofibrilhas, que são feixes cilíndricos com dois tipos de filamentos: filamentos espessos de miosina e filamentos finos de actina. A contracção muscular resulta da interacção entre estes dois tipos de filamentos, na qual a miosina desempenha a sua função motora e provoca o deslizamento dos filamentos e consequente movimento contráctil.

Microtúbulos

Os microtúbulos desempenham um papel essencial na organização de todas as células eucarióticas. São constituídos por cilindros proteicos ocos, longos e rígidos que estão em constante processo de arranjo e desorganização dentro das células. Numa célula animal típica, os microtúbulos crescem a partir de uma região estabilizadora denominada centro organizador de microtúbulos (MTOC-microtubule organizing center) correspondente, na maioria das vezes, ao centrossoma. Os centrossomas contêm centenas de estruturas em forma de anel construídas a partir de um outro tipo de tubulina, a γ-tubulina, e cada anel funciona como um ponto de partida, ou sítio de nucleação, para o crescimento de um microtúbulo. Ao estenderem-se rumo à periferia celular, os microtúbulos criam um sistema de vias dentro da célula ao longo do qual vesículas, organelos e outros componentes celulares são transportados.

Os microtúbulos são polímeros constituídos por subunidades globulares de uma proteína designada tubulina. Cada subunidade de tubulina é composta por dois monómeros, α-tubulina e β-tubulina, formando assim um heterodímero. Estes por sua vez polimerizam para formar os microtúbulos, os quais são constituídos por 13 protofilamentos lineares, alinhados paralelamente. Nos protofilamentos a α e β tubulina, dispõem-se alternadamente. Os microtúbulos apresentam polaridade, uma vez que uma das suas extremidades (extremidade mais) é capaz de crescimento mais rápido do que a extremidade oposta (extremidade menos). Esta polaridade é uma característica importante, pois interfere na determinação da direcção do movimento através dos microtúbulos, da mesma forma como a polaridade dos filamentos de actina definem a direcção do movimento de miosina.

Uma característica dos microtúbulos é a instabilidade dinâmica (constante polimerização e despolimerização). Este incrível comportamento é controlado pela capacidade intrínseca que as moléculas de tubulina possuem de ligar-se e hidrolisar GTP (trifosfato de guanosina). Segundo COOPER “particularmente, o GTP ligado à β-tubulina é hidrolisado em GDP durante, ou logo após, a polimerização. Essa hidrólise do GTP enfraquece a afinidade da ligação da tubulina às moléculas adjacentes, favorecendo assim a despolimerização e resultando no comportamento dinâmico dos microtúbulos.” Assim, o crescimento ou o encolhimento de um microtúbulo é determinado, em parte, pela relação da taxa de adição de tubulinas em relação à taxa de hidrólise do GTP. À medida que novas moléculas de tubulina ligadas ao GTP são adicionadas mais rapidamente do que o GTP é hidrolisado, os microtúbulos retêm um cap de GTP na sua extremidade mais, e os microtúbulos crescem continuamente. No entanto, se a taxa de polimerização diminui, o GTP ligado à tubulina na extremidade positiva será hidrolisado, originado GDP (difosfato de guanosina), provocando uma rápida despolimerização e um encurtamento do microtúbulo. Este processo dinâmico, já referido, é conhecido por treadmilling.

A rápida renovação dos microtúbulos é particularmente importante para a remodelação do citoesqueleto que ocorre durante a mitose. Devido a este facto, drogas que afectam o arranjo dos microtúbulos são úteis não somente como ferramentas experimentais mas também para o tratamento do cancro. A colchicina é uma droga que inibe in vitro a polimerização da tubulina e provoca in vivo a dissociação dos microtúbulos citoplasmáticos. Outras drogas semelhantes (a vincristina e a vimblastina) são utilizadas na quimioterapia contra o cancro, pois inibem selectivamente células com altas taxas de divisão. O taxol é, também, útil para bloquear a divisão celular, estabilizando os microtúbulos. Segundo AZEVEDO, “esta droga [taxol] baixa a concentração crítica de tubulina necessária á polimerização, promovendo-a mesmo em condições desfavoráveis (ausência de proteínas estabilizadoras e GTP, ou baixas temperaturas).”

Devido à instabilidade dinâmica, a maioria dos microtúbulos é frequentemente desorganizada dentro da célula. Este comportamento pode, no entanto, ser modificado pelas interacções dos microtúbulos com proteínas que se ligam directamente à tubulina. Genericamente, estas proteínas denominam-se proteínas associadas aos microtúbulos ou MAP (microtubule associated proteins). Segundo AZEVEDO “estas proteínas podem interferir com a ligação dos microtúbulos a outras estruturas celulares ou com a dinâmica de polimerização e despolimerização permitindo, deste modo, a modulação das suas funções.” Dentro deste grupo, existem proteínas que estão envolvidas na produção de movimento vectorial ao longo da rede de microtúbulos, conferindo, assim, movimento intracelular a vesículas e organitos. As cabeças destas proteínas ligam-se ao microtúbulo e à molécula de ATP e a cauda ao organelo a transportar. Tais MAP designam-se por motores moleculares, sendo enzimas que associam a energia libertada pela hidrólise de ATP à produção de movimento. Definem-se duas grandes famílias de motores associados aos microtúbulos: as dineínas, que possibilitam o movimento em direcção à extremidade menos, ou seja, em termos gerais, da periferia da célula param a região mais central do MTOC; e as cinesinas, que possibilitam o movimento oposto descrito anteriormente.

O movimento ciliar e flagelar de certas células eucarióticas, está adaptado ao meio líquido e é executado por pequenos apêndices, especialmente diferenciados, que variam em tamanho e número. São chamados flagelos se forem em pequeno número e compridos e cílios se forem curtos e numerosos. A estrutura fundamental destas projecções é o axonema, composto por microtúbulos e proteínas associadas. Os microtúbulos encontram-se dispostos num padrão característico de 9+2, onde o par central de microtúbulos é circundado por nove dupletos microtubulares externos. Cada dupla externa é constituída por microtúbulos distintos: um deles (túbulo A) é completo uma vez que é constituído por 13 protofilamentos e outro (túbulo B) é incompleto, contendo apenas 10 a 11 protofilamentos fusionados ao túbulo A. Os pares externos estão interligados entre si através da proteína nexina e cada um deles estabelece ligações radiais com o par central. As extremidades negativas dos microtúbulos ciliares e flagelares estão ancorados no corpo basal, uma estrutura similar ao centríolos, e que tem como função organizar os microtúbulos nos axonemas. O corpo basal contém nove tripletos de microtúbulos e cada microtúbulo do par exterior do axonema é iniciado pela extensão de dois microtúbulos presentes de cada tripleto. Os corpos basais servem, assim, para dar início ao crescimento dos microtúbulos do axonema e ancorar os cílios e os flagelos à superfície celular. O movimento ciliar e flagelar resulta do deslizamento de um par de microtúbulos externo em relação a outros pares, sendo este movimento dirigido pela actividade motora da dineína axonemal presente nesses pares. As bases das dineínas ligam-se aos túbulos A, enquanto os grupos da cabeça ligam-se ao túbulo B do par adjacente. O movimento do grupo cabeça de dineína em direcção à extremidade menos provoca o deslocamento do túbulo A do par exterior em direcção à porção basal do túbulo B adjacente. Como os microtúbulos dos pares no axonema estão interligados, o deslizamento de uma dupla exterior sobre outra origina a curvatura, ou flexão, que é a base do movimento de batimento dos cílios e dos flagelos.

Filamentos Intermédios

Os filamentos intermédios constituem outro componente do citoesqueleto. O seu nome é derivado do seu diâmetro (10 nm), que é intermédio entre o dos filamentos de actina e o dos microtúbulos. São pequenos feixes compactos e estáveis, constituídos por proteínas fibrosas que, ao contrário dos outros constituintes, não participam na mobilidade celular, mas possuem, no entanto, funções essenciais na estrutura e estabilidade mecânica das células e tecidos.

Enquanto os filamentos de actina e os microtúbulos são polímeros de um único tipo de proteína, os filamentos intermédios são compostos por uma variedade de proteínas que são expressas em diferentes tipos celulares. Mais de 50 proteínas diferentes de filamentos intermédios têm sido identificadas e classificadas com base na semelhança entre as suas sequências de aminoácidos, conforme a Tabela 1.

Tipo Proteína Local de expressão

I Queratinas ácidas Células epiteliais

II Queratinas neutras ou básicas Células epiteliais

III Vimentina;

Desmina;

Proteínas ácidas do filamento glial;

Periferina Fibroblastos, glóbulos brancos,

Células musculares e gliais

Neurónios periféricos

IV Proteínas dos neurofilamentos (NF-L, NF-M, NF-H); α-internexina Neurónios

V Laminas nucleares Lâmina nuclear de todas as células

VI Nestina Células pluripotentes do sistema nervoso central

Tabela 1.Classificação dos vários tipos de proteínas dos filamentos intermédios.

Com excepção das laminas, que se encontram no compartimento nuclear de todas as células dos animais multicelulares, este sistema de filamentos difere dos outros dois constituintes, uma vez que a identidade molecular dos filamentos intermédios citoplasmáticos varia entre os diferentes tipos celulares. Esta especificidade é útil para a caracterização de tumores de origem desconhecida, em que o diagnóstico histológico convencional não é conclusivo. Apesar da considerável diversidade de tamanhos e sequências de aminoácidos, as várias proteínas de filamentos intermédios apresentam uma organização estrutural comum. Segundo COOPER, “todas as proteínas dos filamentos intermédios apresentam um domínio central com um bastão em α-hélice constituído por aproximadamente 310 aminoácidos.” A esse domínio central juntam-se duas porções globulares nas extremidades, de dimensão e composição variável, os quais lhe conferem as especificidades próprias de cada tipo de proteína. A organização dos filamentos intermédios começa com a formação de dímeros, onde os domínios centrais das moléculas envolvem-se, gerando uma estrutura de espiral enrolada. Posteriormente, os dímeros associam-se numa forma antiparalela para formar tetrâmeros, que podem combinar-se pelas terminações e formar os protofilamentos. A estrutura final do filamento intermédio contém aproximadamente oito protofilamentos enrolados uns sobre os outros, formando uma estrutura semelhante a uma corda. Por terem sido arranjados a partir de tetrâmeros antiparalelos, as duas extremidades dos filamentos intermédios são equivalentes e portanto, apolares.

Os filamentos intermédios formam uma rede elaborada no citoplasma da maioria das células, estendendo-se em forma de malha desde o núcleo até a membrana plasmática. Segundo COOPER, “tanto os filamentos de queratina como os de vimentina aderem ao envelope nuclear, aparentemente servindo como apoio para posicionar e ancorar a núcleo dentro da célula.” Além dessa função, os filamentos intermédios parecem associar-se não só com a membrana celular, mas também com outros elementos do citoesqueleto, como os filamentos de actina e os microtúbulos. Os filamentos intermédios fornecem assim uma estrutura de integração entre os componentes do citoesqueleto e organizam a estrutura interna das células. Constituem, também, como elementos importantes no reforço da membrana celular nos locais de contacto com outras células (desmossomas), ou com o substrato celular (hemidesmossomas). A rede citoplasmática de filamentos intermédios de determinadas células, como as células epiteliais, parece ancorar-se a um tipo particular de proteínas, as caderinas, encontradas nos desmossomas. Assim, a associação entre esses filamentos e os desmossomas contribui para a arquitectura e a estabilidade estrutural dessas células e tecidos. Os filamentos intermédios podem ancorar-se também, nos hemidesmossomas de modo morfologicamente semelhante aos dos desmossomas, emboras as moléculas de ligação envolvidas sejam as integrinas. Esta associação contribui também para a resistência mecânica entre epitélios e a membrana basal, contribuindo igualmente para a sua estabilidade.

Conclusão

Em resultado das diversas características que o citoesqueleto apresenta, esta estrutura constitui assim um elemento fundamental para o sucesso da vida celular. Na sua ausência, a célula não teria uma forma definida, não seria capaz de realizar qualquer tipo de movimento ou garantir a sua replicação. Por exemplo, sem o citoesqueleto, as feridas nunca cicatrizariam, os músculos seriam inúteis e os espermatozóides não seriam capazes de chegar ao seu destino. Além disso, sem o citoesqueleto, as células não poderiam formar tecidos pelo que a existência de seres multicelulares seria impossível. A coordenação dos vários fenómenos que ocorrem no interior da célula de