MICROTÚBULOS

MICROTÚBULOS
Os microtúbulos (MT) são polímeros longos e rígidos que se estendem por
todo o citoplasma e coordenam a localização intracelular das organelas e de
outros componentes celulares.
Os MT são constituídos por moléculas de tubulina, cada uma delas sendo
um heterodímero composto de duas proteínas globulares de 55 Kd, muito
similares, denominadas a-tubulina e b-tubulina, fortemente ligadas por
ligações não covalentes.
Nos mamíferos, existem pelo menos, 6 formas de a-tubulinas e número
similar de b-tubulinas; embora muito similares, estas formas têm
localizações distintas na célula e realizam discretas funções diferentes.
ESTRUTURA DE UM MICROTÚBULO – vide Alberts, 2001.
MICROTÚBULOS E DROGAS ANTIMITÓTICAS
Muitos dos conjuntos de MTs celulares são lábeis e dependem desta
labilidade para suas funções. O fuso mitótico é um dos mais extraordinários
exemplos para o estudo dessa labilidade, sendo alvo de drogas
antimitóticas.
A droga colchicina, um alcalóide extraído da Colchicum autummale, liga-se
firmemente a uma molécula de tubulina, impedindo sua polimerização não
se ligando, no entanto, à tubulina já polimerizada, constituindo os MTs.
Expondo uma célula em divisão à colchicina ( ou colcemide), observa-se um
rápido desaparecimento do fuso mitótico indicando que o equilíbrio químico
é mantido através de uma troca contínua de subunidades entre os MTs do
fuso e o “pool” de tubulinas livres.
A droga taxol tem ação oposta a nível molecular; ela liga-se firmemente aos
MTs evitando a perda de subunidades de tubulinas. Entretanto, novas
subunidades de tubulinas podem ser adicionadas ao MTs que cresce, mas
não diminui em tamanho.
POLIMERIZAÇÃO DAS TUBULINAS: NUCLEAÇÃO E ALONGAMENTO
Vide Alberts et al., 2001
CRESCIMENTO DOS MICROTÚBULOS
A polaridade estrutural de um MT, que reflete a orientação regular das
subunidades de tubulinas, torna diferentes as duas extremidades do
polímero produzindo um grande efeito na sua velocidade de crescimento.
Se moléculas purificadas de tubulinas são colocadas em condições de
polimerizarem nas extremidades de um MT estável, por um curto período de
tempo, observa-se que uma das extremidades alonga com uma velocidade
3 vezes MAIOR do que a outra.
A extremidade que cresce mais rápido é definida como MAIS e a outra
extremidade é conhecida como MENOS.
Tem sido mostrado que as extremidades MAIS dos MTs se estendem na
células a partir de sítios de nucleação como o centrossomo, os polos do fuso
mitótico ou o corpúsculo basal dos cílios.
CENTROSSOMO – MAIOR CENTRO DE ORGANIZAÇÃO DE MTs.
Nas células animais, o centrossomo é o principal centro organizador de MTs.
Está localizado ao lado do núcleo, próximo da superfície externa do
envelope nuclear.
O centrossomo contém centenas de estruturas com formato de anéis,
constituídas por um outro tipo de tubulina – g-tubulina, com diâmetro de
25 a 28 nm - sendo que cada uma serve como sítio de nucleação para o
crescimento de um MT.
Os dímeros de ab-tubulinas adicionados ao anel de g-tubulina numa
orientação específica, tem como resultado: a embebição do terminal MENOS
de cada MT no centrossomo, e; o crescimento ocorrendo apenas no
terminal MAIS.
Na maioria das células animais, além dos anéis de g-tubulina, encontra-se
imerso no centrossomo, uma estrutura constituída por um curto arranjo
cilíndrico de MT, os centríolos.
Os centríolos não tem nenhuma função na nucleação dos MTs, mas,
estruturas similares - os corpúsculos basais - são os centros organizadores
de MTs, nos cílios e flagelos.
Centros de organização contendo sítios de nucleação e a manutenção de
baixas concentrações de subunidades de ab-tubulinas, possibilitam às
células controlar onde os MTs se formam.
Nem todo o centro organizador de MTs contém centríolos;
1. nas células mitóticas de plantas superiores, os MTs terminam numa
região elétron-densa pobremente definida e completamente desprovida de
centríolos.
2. os centríolos estão ausentes no fuso meiótico dos ovócitos de
camundongos, embora mais tarde,
apareçam no embrião em
desenvolvimento.
Nos fungos e diatomáceas, o centro organizador de MTs consiste numa
placa denominada corpúsculo polar do fuso, imersa no envelope nuclear.
DESPOLIMERIZAÇÃO E REPOLIMERIZAÇÃO DOS MTs
A meia-vida de um MT individual é de aproximadamente 10 minutos,
enquanto que a vida média de uma molécula de tubulina, entre sua síntese
e degradação proteolítica é superior a 20 horas.
Assim, cada molécula de tubulina poderá participar na formação e
desagregação de muitos MTs, durante sua vida média.
Denomina-se Instabilidade Dinâmica às transições entre longos períodos de
polimerização e despolimerização de subunidades de tubulinas, sendo
fundamental no posicionamento dos MTs na célula.
CRESCIMENTO DO MT e a INSTABILIDADE DINÂMICA
A Instabilidade Dinâmica dos MTs necessita de entrada de energia para
alterar o balanço químico entre a polimerização e despolimerização –
energia esta que é fornecida pela hidrólise de GTP.
A molécula de GTP liga-se à subunidade da b-tubulina na molécula do
heterodímero e, quando a tubulina é adicionada à extremidade do MT, o
GTP é hidrolisado a GDP.
IMP – a a-tubulina também carrega GTP, mas este não pode ser hidrolisado,
de forma que podemos considerá-lo parte integrante da estrutura da
proteína.
A Instabilidade Dinâmica é uma conseqüência do retardamento da hidrólise
do GTP após a ligação da tubulina.
Quando um MT cresce rapidamente, moléculas de tubulina juntam-se à
extremidade do polímero mais rápidamente do que o GTP que é carregado
por eles, possa ser hidrolisado.
Isto resulta na presença de um “quepe” de GTP na extremidade do MT, o
que estimula a polimerização, uma vez que as moléculas de tubulina
contendo GTP ligam-se umas às outras com maior afinidade do que as
moléculas que contêm GDP.
Ao contrário, quando um MT perde seu “quepe” de GTP – por exemplo, se a
velocidade instantânea de polimerização diminui – ele começará a encurtar
e tenderá a continuar encolhendo.
As células podem modificar a instabilidade dinâmica de seus MTs, com
propósitos específicos; na Mitose, os MTs se agregam e se desagregam com
muita rapidez, ao passo que, numa célula com morfologia definida, a
Instabilidade Dinâmica é suprimida por proteínas que se ligam aos MTs,
estabilizando-os contra a despolimerização
ESTABILIZAÇÃO SELETIVA DOS MTs
x
POLARIZAÇÃO CELULAR
Vimos que tanto “in vivo” quanto “in vitro”, os MTs tendem a existir em dois
estados – crescimento estável e desagregação rápida e catastrófica.
Nas células animais os MTs tendem a irradiar em todas as direções, a partir
do centrossomo, onde estão ancoradas suas extremidades MENOS,
mudando continuamente, a medida que novos MTs crescem e substituem
aqueles que despolimerizam.
Um MT que cresce a partir do centrossomo pode ser estabilizado se sua
extremidade MAIS for bloqueada, prevenindo a despolimerização. Se o
bloqueio for feito por uma estrutura numa região específica da célula, será
estabelecida uma ligação estável entre esta estrutura e o centrossomo.
A POLARIDADE CELULAR seria determinada por estruturas ou fatores
localizados em regiões específicas do córtex celular que “capturam” as
extremidades MAIS dos MTs.
MODIFICAÇÕES PÓS-TRADUCIONAIS DA TUBULINA – MTs MADUROS
As subunidades de tubulina podem ser covalentemente modificadas após
sua polimerização.
Estas modificações ocorrem na a-tubulina, consistindo na acetilação de um
resíduo específico de lisina e na remoção do resíduo de tirosina da
extremidade carboxiterminal da proteína.
Ambas são reações enzimáticas lentas que ocorrem somente nos MTs e
NÃO nas moléculas de tubulina livres. Além disso, são rapidamente
reversíveis, tão logo a despolimerização aconteça, liberando as tubulinas.
Uma modificação completa demora várias horas; nos fibroblastos, onde a
reciclagem de MTS é relativamente rápida, poucos estarão modificados. Nos
axônios, a maioria dos MTs é estável e na sua maior parte estão
modificados.
IMP – Essas modificações são indicadores úteis para o estudo da
estabilidade dos MTs na célula. Acredita-se que sua função seja colocar à
disposição sítios para ligação de proteínas específicas que irão estabilizar os
MTs maduros.
PROTEÍNAS ASSOCIADAS AOS MICROTÚBULOS (MAPs)
A polaridade celular reflete a polarização dos sistemas de MTs em seu
interior. É importante ressaltar que os MTs não atuam sozinhos mas,
associam-se à uma grande variedade de proteínas acessórias para juntos,
exercerem as várias funções.
Enquanto as modificações pós-traducionais da tubulina caracterizam
determinados MTs como “maduros” e podem promover a sua estabilidade,
as modificações mais abrangentes e versáteis são aquelas obtidas pela
ligação com outras proteínas, as MAPs.
FUNÇÕES - As MAPS servem tanto para estabilizar os MTs contra a
desagregação como para mediar sua interação com outros componentes
celulares.
Dadas as diferentes funções dos MTs, existem muitos tipos de MAPs
algumas amplamente distribuídas na maioria das células, enquanto outras
são encontradas somente em tipos celulares específicos.
CLASSES de MAPs - isoladas do cérebro
1. proteínas HMV – com peso molecular de 200.000 a 300.00 ou mais, que
incluem MAP-1 e a MAP-2;
2. proteínas tau – com peso molecular entre 55.000 a 62.000.
IMP – 1. Ambas as classes possuem dois domínios; um deles se liga aos
MTs e o outro, auxilia na ligação do MT a outros componentes celulares;
2. as proteínas MAPs estabilizam os MTs por inibirem a liberação da
tubulina das suas extremidades
Além das citadas, muitas outras MAPs têm sido descritas, algumas
funcionando como componentes estruturais e outras, como proteínas
motoras.
Compartimentalização Citoplasmática das células nervosas – Participação
das MAPs
As células nervosas possuem dois tipos de prolongamentos:
1. axônio - apresentam diâmetro uniforme, podem ter muitos centrímetros
de comprimento e são responsáveis pela propagação dos sinais elétricos a
partir do corpo celular;
2. dendritos – são prolongamentos delgados, raramente excedendo 500
mm de comprimento, cuja função consiste em receber as informações
elétricas procedentes de outros neurônios e transmiti-las ao corpo celular.
A maioria das células nervosas possui vários dendritos mas somente um
axônio.
Tanto os axônios como os dendritos são carregados com MTs, em arranjos
diferentes.
Axônios – os MTs são muito longos e estão todos orientados com suas
extremidades MAIS no sentido oposto ao do corpo celular; apresentam
apenas a proteínas tau;
Dendritos – são mais curtos e sua polaridade é mista: alguns possuem suas
respectivas extremidades MAIS orientadas em direção ao corpo celular e
outros orientam-se na direção contrária. Apresentam a MAP-2 (presente
também no corpo celular).
PROTEÍNAS MOTORAS E O TRANSPORTE INTRACELULAR
Foram identificadas e isoladas duas classes de proteínas
dependentes de MTs – as cinesinas e as dineínas citoplasmáticas.
motoras
CINESINAS – apresentam maior diversidade do que as dineínas, e membros
de diferentes famílias estão envolvidos no transporte de organelas, na
mitose e meiose e no transporte de vesículas sinápticas ao longo dos
axônios.
São moléculas com cerca de 350 Kd, consistindo de 2 cadeias pesadas
(cerca de 110 Kd cada uma) e 2 cadeias leves (60 a 70 Kd).
As cadeias pesadas tem longas regiões a-helicoidal que se entrelaçam; a
cabeça globular amino-terminal são domínios motores da molécula, ligandose aos MTs e ATP, cuja hidrólise (atividade ATPase) fornece energia para o
movimento.
A porção da cauda consiste das cadeias leves associadas com cada um dos
domínios carboxi-terminal das cadeias pesadas. Esta parte é responsável
pela ligação a outros componentes celulares (vesículas membranosas,
organelas) que são transportadas ao longo dos MTs pela ação das
quinesinas.
DINEÍNAS – estão envolvidas com o transporte de organelas e com a
mitose, sendo relacionadas com as dineínas ciliares, proteínas motoras dos
cílios e flagelos.
A Dineína é uma molécula extremamente grande (acima de 2.000 Kd),
consistindo de 2 ou 3 cadeias pesadas (cada uma com 500 Kd)
complexadas com um número variável de polipeptídeos (cadeias) leves e
intermediários (14 a 120 Kd).
As cadeias pesadas formam domínios globulares motores que se ligam ao
ATP (com atividade ATPase) e são responsáveis pelo movimento ao longo
dos MTs e a porção basal, que se liga a outras estruturas tais como
vesículas e organelas.
DIREÇÃO DO MOVIMENTO AO LONGO DOS MTs
A maioria das proteínas motoras conhecidas deslocam-se somente numa
direção ao longo dos MTs – as QUINESINAS para a extremidade MAIS e as
DINEÍNAS para a extremidade MENOS.
Uma exceção é a quinesina da Drosophila chamada Ncd, necessária na
meiose; ela difere da quinesina axonal tanto na direção quanto na
velocidade de deslocamento: a axonal dirige-se para a extremidade MAIS a
2 mm/Seg e a Ncd, se desloca para a extremidade MENOS a 0,1 mm/Seg.
RELAÇÃO:
MTs e ORGANELAS (Aparelho de Golgi, RE e Vesículas)
RELAÇÃO:
MTS e MITOSE
MTs - CÍLIOS E FLAGELOS
Muitos MTs nas células estão estabilizados através de suas associações com
outras proteínas, e por conseqüência, mostram instabilidade dinâmica.
Os MTs estáveis são empregados pelas células como rígidos suportes
(vigas) para construírem uma variedade de estruturas polarizadas, como os
cílios e os flagelos.
CÍLIOS - são apêndices finos, semelhantes aos cabelos, com 0,25 mm de
diâmetro e 10 mm de comprimento, contendo no seu interior um feixe de
MTs; estendem-se a partir da superfície de muitos tipos de células.
A função primária dos cílios consiste em movimentar fluido sobre a
superfície celular ou deslocar células isoladas através de um fluido.
Nas células epiteliais que revestem o trato respiratório humano, os cílios
(109/cm2 ou mais) limpam as camadas de muco contendo partículas de
poeira e células mortas em direção à boca, onde serão engolidas e
eliminadas.
Os cílios também auxiliam no deslocamento do óvulo pelo oviduto.
FLAGELOS - dos espermatozóides e de muitos protozoários são muito
semelhantes aos cílios na sua estrutura interna, mas normalmente são
muito mais longos, 200 mm de comprimento.
As células normalmente possuem um ou dois flagelos. Os flagelos das
bactérias são completamente diferentes daqueles presentes nas células
eucariontes.
AXONEMA – ESTRUTURA FUNDAMENTAL DOS CÍLIOS E FLAGELOS
MOVIMENTO dos Cílios e Flagelos
Os MTs de um axonema estão associados com numerosas proteínas,
algumas estruturais, outras geradoras de força (motora), sendo que, dessas
proteínas, a mais importante é a Dineína Ciliar.
A Dineína Ciliar é um grande complexo protéico (2.000 Kd), composta por 9
a 12 cadeias polipeptídicas (a maior, uma cadeia pesada com 512 Kd); as
cadeias pesadas formariam a porção principal das cabeças globulares e os
domínios das hastes e, muitas cadeias leves estariam agrupadas ao redor
da base das hastes.
A base da molécula se liga firmemente ao microtúbulo A, de forma
independente de ATP e, as cabeças globulares possuem um sítio,
dependente de ATP, para ligação ao microtúbulo B.
CORPÚSCULOS BASAIS – são estruturas cilíndricas, com 0,2 um de largura
e 0,4um de comprimento. Nove grupos de 3 MTs, fundidos em tripletes
formam a parede do corpúsculo e cada um inclina-se para dentro, como
lâminas de uma turbina
Cada par de MTs do Axonema dos cílios se origina a partir de dois MTs do
triplete do corpúsculo basal; não se sabe como o par central se forma.
Assim, o Corpúsculo Basal serve para iniciar o crescimento dos MTs axonais,
bem como, ancorar os cílios e flagelos na superfície das células.
Por autoradiografia, sugere-se que a adição de tubulinas e de outras
proteínas tem lugar na região distal da estrutura, extremidade MAIS do MT.