Citoesqueleto

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CITOESQUELETO
Existem três tipos básicos de filamentos do citoesqueleto: os filamentos intermediários (que proporcionam resistência mecânica), os microtúbulos (que determinam o posicionamento de organelas delimitadas por membrana e que organizam o transporte intracelular) e os filamentos de actina (que determinam a forma da superfície celular e são necessários para a movimentação da célula).
As proteínas motoras convertem a energia da hidrólise do ATP em força mecânica que pode movimentar as organelas sobre os filamentos ou movimentar os filamentos em si.
Os microtúbulos que frequentemente se encontram em forma de arranjo de estrela no centro da célula mitótica formam um fuso mitótico bipolar, que tem a função de segregar exatamente os cromossomos duplicados entre as células filhas. Também podem formar estruturas de locomoção na superfície das células chamadas cílios e flagelos,ou estruturas empacotadas em feixes que direcionam o transporte no axônio neural. Nas células vegetais conjuntos de microtúbulos ajudam a direcionar o padrão de síntese na divisão celular.
Filamentos de actina revestem a face interna da membrana plasmática das células animais, conferindo resistência e força à bicamada. Também formam projeções na superfície das células, como lamelipódios e filipódios, usados pela célula para explorar o território e impulsionar a célula pelo mesmo. O anel contrátil baseado em actina se organiza transientemente para auxiliar na divisão celular, e em conformações mais estáveis permite que a célula se fixe em um local e auxilia nas contrações musculares.
Filamentos intermediários revestem a face interna do envelope nuclear, formando uma espécie de gaiola protetora para o DNA. No citosol se trançam em forma de fortes cabos que mantém a camada de células epiteliais unidas ou que aumentam a extensão dos axônios. Também podem formar alguns apêndices resistentes, como pêlos e unhas.
Os microtúbulos que frequentemente se encontram em forma de arranjo de estrela no centro da célula mitótica formam um fuso mitótico bipolar, que tem a função de segregar exatamente os cromossomos duplicados entre as células filhas. Estruturas especializadas de actina que conferiam mobilidade ao fibroblasto se dissociam, fazendo a célula perder capacidade de movimento e adquirir um formato mais arredondado. A actina e sua proteína motora, a miosina, formam um anel contrátil ao redor da região central da célula, que sofre constrição e separa a célula em duas. Quando a divisão se completa os citoesqueletos das células-filhas se organizam em arranjo de interfase e transformam as células-filhas em versãoes menores das células-mãe, achatadas e com capacidade de deslizamento. Em um fibroblasto essa sequência se completa em uma hora, em um embrião de Drosophila em cinco minutos.
Algumas células necessitam de rearranjos mesmo durante a interfase. Neutrófilos, que se movem pela emissão de estruturas e protrusões na borda anterior, onde há filamentos de actina sintetizados recentemente, podem reorganizar suas estruturas protrusivas em segundos.
Actina (microfilamentos): polímeros helicoidais de fita dupla. Entre 5 e 9 nm. Podem estar organizados em diversos feixes lineares, redes bidimensionais e geis tridimensionais. Dispersos por toda a membrana, mas principalmente no córtex.
Microtúbulos: cilindros ocos formados pela proteína tubalina. 25 nm. Bem mais rígidos que actina. Longos e retílineos. Uma das extremidades ligadas a um centro organizador de microtúbulos (MTOC), denominado centrossomo.
Filamentos intermediários: fibras semelhantes a cabos. 25 nm. Compostos por proteínas de filamentos intermediários diversas. Um tipo forma uma trama chamada lâmina nuclear abaixo da membrana nuclear interna. Outros estendem redes no citoplasma, conferindo resistência mecânica. Nos tecidos epiteliais se estendem de uma junção célula-célula a outra, fortalecendo o epitélio.
Em células com morfologia diferenciada e estável (neurônios, epiteliais maduras), o citoesqueleto precisa formar grandes estruturas estáveis. Em células epiteliais estáveis nos pulmões e intestinos estruturas como microvilosidades e cílios podem se manter durante todo o tempo de vida da célula. Nos feixes de actina da região central das microvilosidades do intestino esse processo pode levar poucos dias, mas feixes de actina da região central dos estereocílios do ouvido interno duram a vida inteira do animal, já que essas céulas não se repõem. Filamentos individuais de actina podem ser remodelados e substituídos a cada 48 horas.
O citoesqueleto é responsável pela polarização geral das células. A informação referente à polarização deve ser mantida por toda a vida da célula. Células epiteliais do intestino usam arranjos especializados de filamentos de actina, intermediários e microtúbulos para manter diferenças entre a superfície apical e a superfície basolateral.
Mesmo células pequenas como as da levedura Saccharomyces cerevisiae precisam de um sistema de polarização. Essas células são notavelmente assimétricas, e em sua divisão há uma célula-mãe grande e uma célula-filha pequena. Nessas células a divisão é feita a partir de um único ponto. Duas estruturas podem ser distinguidas: cabos de actina (longos feixes de filamentos de actina) e manchas de actina (pequenos arranjos de filamentos associados a regiões de endocitose por actina). No processo sa manchas de actina se concentram na região apical e os cabos de actina se orientam em direção a elas. As manchas se organizam no ponto do broto de crescimento da célula filha.
As subunidades do citoesqueleto podem se difundir rapidamente pelo citoplasma, habilidade inexistente em filamentos já associados. Isso permite à célula uma reorganização estrutural rápida pela dissociação de filamentos em uma região e sua reassociação em outra região afastada.
Os filamentos intermediários são formados por subunidades fibrosas e longas. Filamentos de actina e e microtúbulos são constituídos por subunidades globulares e compactas (subunidades de actina e subunidades de tubalina). Esses três tipos de filamento formam arranjos helicoidais de subnunidades que se associam através da combinação de contatos proteicos entre as extremidades ou lateralmente.
Muitos polímeros biológicos são mantidos por interações covalentes entre as subunidades. Os três tipos de “polímeros” do citoesqueleto são mantidos por interações não-covalentes fracas.
Centenas de proteínas acessórias associadas ao citoesqueleto regulam a distribuição e o comportamento dos filamentos, convertendo as informações recebidas através de vias de sinalização em ações do citoesqueleto. Essas proteínas se ligam aos filamentos para determinar os locais de montagem de novos filamentos, regular a distribuição de proteínas poliméricas entre formas de filamento ou subunidade, modificar a cinética de montagem e dissociação dos filamentos, concentrar a energia para gerar força e para ligar os filamentos uns aos outros ou a estruturas.
Os polímeros do citoesqueleto combinam resistência e velocidade de dissociação porque são constituídos por protofilamentos (longas fitas lineares de subunidades unidas pelas extremidades) que se associam lateralmente. Os protofilamentos formam uma estrutura helicoidal.
As subunidades dos protofilamentos são mantidas por interações hidrofóbicas e ligações não-covalentes fracas. Os filamentos intermediários são montados pela formação de contatos entre hélices alfa supertorcidas que ocorrem ao longo da quase totalidade de cada subunidade fibrosa adicionada. Microtúbulos são formados por subunidades globulares unidos por ligações longitudinais.
Pequenos oligômeros se organizam espontaneamente, porém se dissociam facilmente, já que cada monômero está ligado a poucos outros. Para formar um novo grande filamento as subunidades devem se agrupar num agregado inicial, que será estabilizado pelo contato entre suas subunidades, e então pode crescer pelo agrupamento de subunidades novas. Essa é a chamada nucleação do filamento.
Quando a polimerização é iniciadaem um tubo de ensaio contendo uma solução de subunidades individuais puras (por aumento de temperatura ou por aumento de concentração salina) há uma fase inicial de retardo onde não são observados filamentos. Alguns agregados, depois, conseguem passar de uma forma instável para uma fase mais estável, então após a fase de retardo ocorre a fase de crescimento acelerado, com subunidades sendo rapidamente adicionadas. Após, o sistema se aproxima de uma taxa de repouso onde o número de subunidades associadas é o mesmo do de subunidades dissociadas. A concentração de subunidades livres nesse momento é chamada de concentração crítica, calculada por C=Koff/Kon.
A fase de retardo é eliminada se são adicionados núcleos pré-existentes no início da polimerização. A célula utiliza proteínas especiais para catalisar a nucleação de filamentos em regiões específicas.
Os microtúbulos são formados por subunidades proteicas de tubalina, heterodímeros de duas proteínas globulares (alfa e beta tubalinas) fortemente relacionads e associadas por ligações não-covalentes. Cada um dos monômeros possui um sítio de ligação a uma molécula de GTP. O GTP ligado ao monômero de alfa-tubalina encontra-se preso à interface do dímero e nunca é hidrolisado ou trocado, podendo ser considerado parte integrante de sua estrutura. Já o nucleotídeo ligado à beta-tubalina pode estar na forma de GTP ou GDP, e essa situação é intercambiável.
Um microtúbulo é uma estrutura cilíndrica oca e firme, constituída por 13 protofilamentos paralelos, cada um composto por moléculas alternadas de alfa e beta-tubalinas. O topo de uma molécula de beta-tubalina pode interagir com a base de uma molécula de alfa-tubalina adjacente ao longo do eixo longitudinal. Essa interface se assemelha à que mantém os monômeros alfa e beta unidos e apresenta forte energia de ligação. Podem ser formados também contatos perpendiculares entre unidades alfa-alfa e beta-beta entre protofilamentos vizinhos. A adição ou perda de subunidades se dá quase exclusivamente na extremidade dos microtúbulos. Todos esses contatos tornam os microtúbulos rígidos e difíceis de sofrerem dobramento. A rigidez de um filamento é medida pelo comprimento de persistência (comprimento máximo até que flutuações térmicas aleatórias o rompam). O dos microtúbulos é de vários milímetros.
O microtúbulo sempre apresentará uma polaridade estrutural distinta, com alfa-tubalinas e beta-tubalinas expostas em extremidades opostas.
A subunidade de actina é um monômero. Cada subunidade de actina apresenta um sítio de ligação a um ATP (ou ADP). As subunidades de actina se associam em oposição de cabeça e de cauda para formar filamentos com uma polaridade estrutural evidente. O filamento de actina pode ser considerado composto por dois protofilamentos paralelos enrolados um sobre o outro em uma hélice dextrógira com uma volta completa a cada 36 nm. Os filamentos de actina são relativamente flexíveis e fáceis de serem curvados se comparados aos microtúbulos, com um comprimento de persistência de poucas dezenas de micrômetros. Porém, em células vivas, proteínas acessórias interligam os filamentos formando feixes, tornando essas grandes estruturas muito mais fortes que filamentos de actina individuais.
A polartidade estrutural dos filamentos de actina e dos microtúbulos é formada pela orientação paralela e regular de suas subunidades.As duas extremidades do polímero serão diferentes entre si. Na ausência de hidrólise de ATP e em uma concentração subcrítica o coeficiente Kon/Koff é o mesmo para as duas extremidades, mesmo que os seus valores absolutos sejam bem diferentes. A extremidade mais dinâmica do filamento é denomida extremidade (+) e a menos dinâmica é denomidada extremidade (-). Em microtúbulos as subunidades alfa encontram-se na extremidade (-) e as subunidades beta encontram-se na extremidade (+). Em filamentos de actina a fenda de ATP aponta para a extremidade (-) (neles as extremidades + podem ser chamadas de “da pena” e as extremidades – de “da ponta”).
O crescimento dos filamentos ocorre espontaneamente quando o equilíbrio de energia livre para a adição de subunidades é menor que zero, como quando se está acima da concentração crítica. A despolimerização ocorre espontaneamente quando o equilíbrio de energia livre é maior que zero. Processos energeticamente desfavoráveis podem ser aplicados a estes processos espontâneos. Microtúbulos em crescimento podem puxar uma área da membrana para fora e o encurtamento de microtúbulos pode ajudar a puxar e separar as cromátides irmãs durante a anáfase na mitose.
As subunidades de actina e tubalina podem catalisar a hidrólise de ATP e GDP, repectivamente. Isso ocorre lentamente quando estão livres mas de forma acelerada quando estão incorporadas aos filamentos. A hidrólise dos nucleotídeos ocorre logo após a incorporação da subunidade ao filamento, com o grupo fosfato sendo liberado mas o difosfato permanecendo preso. Dois tipos diferentes de estrutura de filamento podem existir, um sob a forma T, com o nucleotídeo não-hidrolisado, e um sob a forma D, com o nucleotídeo hidrolisado.
Com a hidrólise do nucleotídeo muito da energia livre resultante da clivagem da ligação fosfato-fosfato de alta energia é estocada no arranjo do polímero. Isso causa um maior equilíbrio de energia livre de dissociação na forma D que na forma T. Consequentemente, a concentração crítica (razão Kon/Koff) da forma D é maior que a da forma T. Para determinadas concentrações polímeros da forma D sofrerão encurtamento, enquanto os polímeros T sofrerão crescimento.
Nas células vivas a maioria das subunidades encontra-se sob a forma T. Quanto mais tempo uma subunidade permanecer no arranjo polimérico maior a chance de ela ser hidrolisada. Se a taxa de adição de subunidades é alta é grande a chance que uma nova subunidade seja adicionada ao filamento antes que o nucleotídeo da subunidade anteriormente adicionada possa sofrer hidrólise. Assim, a tendência seria a manutenção da forma T na extremidade do polímero, formando capas de ATP ou GDP. Caso a taxa de adição de novas subunidades seja pequena a extremidade se apresentará na forma D.
A taxa de adição de subunidades às extremidades é produto da concentração de subunidades livress e da taxa constante Kon. A Kon é muito mais rápida para a extremidade + do filamento que para a extremidade -. Em concentrações intermediárias de subunidades (maior que a concentração crítica para a forma T e menor que a para a forma D) ocorre a adição de filamentos na extremidade + e a perda na extremidade -. Isso leva a uma propriedade do filamento chamada treadmilling.
Durante o treadmilling subunidades T são recrutadas para a extremidade (+) e subunidades D se desprendem da extremidade (-). Esse processo é impulsionado pelas hidrólises de ATP ou GTP e a perda de subunidades que tornam possível a diferença de energia livre das reações de associação e dissociação entre as extremidades (+) e (-) que possibilita o treadmilling. Em uma concentração intermediária particular o crescimento da extremidade (+) é exatamente balenceado pelas dissociações na extremidade (-). Nesse ponto as células alternam rapidamente entre os estados livre ou filamento, enquanto o comprimento total do filamento permanece inalterado. Esse ponto de “treadmilling de repouso” requer o gasto de energia constante na forma de hidrólise dos trifosfatos de nucleosídeos.
Se a taxa de adição de subunidades em uma extremidade é similar à taxa de hidrólise há uma chance finita de que a extremidade comece sobre a forma T e que a hidrólise a transforme em forma D. Essa transformação ocorre de forma repentina e aleatória.
Suponha que a concentração de subunidades livres é intermediária, na faixa em que ocorre o treadmilling. Nessas condições qualquer extremidade T sofre crescimento e qualquer unidade D sofre dissociação e enurtamento. Uma extremidade pode, então, ao alternar entre a forma T e D, sofrendo sucessivos processos de crescimento e encurtamento, mesmo que a concentração seja mantida. A issose dá o nome de instabilidade dinâmica. A mudança para o estado de encurtamento chama-se catástrofe, e a para o estado de crescimento chama-se resgate.
Em uma população de microtúbulos algumas extremidades estão sob a forma T e outras sobre a forma D devido a diferenças na concentração de subunidades e na taxa de hidrólise. Há uma marcante diferença estrutural entre as formas T e D. Subunidades de tubalina que contém GTP ligado ao monômero beta formam filamentos retos que interagem entre si por contatos laterais fortes e regulares. Ao hidrolisar o GDP a proteína sofre uma discreta alteração conformacional, provocando flexão nos protofilamentos e enfraquecendo as ligações no polímero, facilitando sua dissociação. Em um microtúbulo em rápido crescimento a capa de ATP restringe a curvatura dos protofilamentos, e as extremidades parecem retas. Quando as extremidades têm seus nucleotídeos hidrolisados essa restrição é abolida e os protofilamentos curvos sofrem separação. Essa liberação cooperativa da energia de hidrólise armazenada no arranjo de microtúbulos resulta em rápida desmontagem dos protofilamentos curvos.
Os filamentos de actina também apresentam flutuações de comprimento, mas em estado de repouso seu comprimento não varia mais que um micrômetro em vários minutos. Na maioria das células eucarióticas acredita-se que a instabilidade dinâmica ocorra principalmente nos microtúbulos e o treadmilling nos filamentos de actina.
Um microtúbulo alterna entre crescimento e encurtamento num espaço de poucos minutos. Filamentos individuais de actina persistem por perídos não superiores a algumas dezenas de segundos ou poucos minutos.
A vantagem do comportamento dinâmico dos filamentos reside na flexibilidade espacial e temporal inerente a um sistema estrutural com turnover constante. Subunidades individuais se difundem rapidamente, podendo se difundir o diâmetro de uma célula eucariótica típica em poucos segundos. A etapa limitante da taxa de formação de um novo filamento é a nucleação. Essas subunidades de rápida difusão tendem a se associar a extremidades já existentes de filamentos ou em regiões onde a nucleação esteja sendo catalisada por proteínas específicas. Em qualquer um desses casos os novos filamentos são altamente dinâmicos e precisam ser estabilizados para não desaparecerem.
A célula controla o posicionamento de seus sistemas de filamentos e sua estrutura através do controle das regiões de nucleação e da estabilização seletiva. A célula constantemente testa uma enorme variedade de estruturas internas e mantém apenas as que se tornam úteis. Quando as condições externas se alteram ou na presença de novos sinais internos (como durante as transições do ciclo celular) a célula deve modificar rapidamente sua estrutura.
A actina e tubulina evoluíram independentemente seus processos de hidrólise de trifosfatos de nucleosídeo. As duas proteínas são totalmente distintas em sequências de aminoácidos: a actina é distantemente relacionada à enzima glicolítica hexocinase, e a tubulina é distantemente relacionada à grande família de GTPases que inclui as proteínas G heterotrimétricas e as GTPases monoméricas, como a Ras.
Em algumas estruturas especializadas, porções do citoesqueleto tornam-se menos dinâmicas. Em uma célula em estado de diferenciação terminal, como um neurônio, é desejável uma estrutura consistente e estável, então os filamentos são estabilizados por associação a outras proteínas. Quando novas conexões são feitas no cérebro mesmo um neurônio pode promover o crescimento e extensão de novos processos para fazer novas sinapses.
Taxas de adição (Kon): dadas em M-1seg-1
Taxas de remoção (Koff): dadas em unidades de seg-1
Concentração crítica: concentração onde a taxa de adição de subunidades se iguala à taxa de perda de subunidades. (Koff/Kon)
A tubulina ocorre em todas as céulas eucarióticas. Em mamíferos existem pelo menos seis formas de alfa-tubulina e um número similar de formas de beta-tubulina, cada uma delas codificada por um gene diferente. As diferentes formas de tubulina são bastantes similares, no entanto apresentam posicionamento celular distinto e realizam tarefas relativamente diferentes.
A actina é encontrada em todas as células eucarióticas, a maioria dos organismos possui múltiplos genes que codificam a actina, os humanos possuem seis. Pequenas variações na sequência de aminoácidos de actina geram diferenças funcionais significativas. Em vertebrados existem três isoformas levemente diferentes de actina, que diferem ligeiramente em suas sequências de aminoácidos. A alfa-actina ocorre apenas em células musculares, as beta e gama-actinas são encontradas em conjunto em praticamente todas as células não-musculares.
A actina e a tubulina são conservadas durante a evolução devido à sua necessidade de interação com muitas outras proteínas, onde a alteração para uma interação mais favorável com uma pode alterar desfavoravelmente sua interação com várias outras proteínas.
Os filamentos intermediários formam filamentos citoplasmáticos apenas em alguns metazoários, como os vertebrados, os nematódeos e os moluscos. Mesmo nestes organismos os filamentos intermediários não são necessários no citoplasma de todos os tipos celulares. Por exemplo, eles não estão presentes nos oligodentrócitos.
Os filamentos intermediários estão particularmente presentes no citoplasma de células sujeitas a estresse mecânico e geralmente não são encontrados em animais que possuem exoesqueletos rígidos. Aparentemente conferem resistência mecânica em animais que possuem tecidos moles.
Os filamentos intermediários citoplasmáticos estão proximamente relacionados a seus acentrais, as laminas nucleares, muito mais amplamente distribuídas. As laminas nucleares são proteínas de filamentos intermediários que formam uma rede que reveste a membrana interna do envelope nuclear, promovendo sítios de ancoramento para cromossomos e poros nucleares.
Os polipepitídeos individuais dos filamentos intermediários são moléculas alongadas com um domínio central estendido de hélice alfa que forma uma estrutura paralela supertorcida com outro monômero. Um par de dímeros se associa de forma anti-paralela formando um tetrâmero, a unidade solúvel dos filamentos intermediários. Estes não contêm sítios de ligação para trifosfatos de nucleosídeos.
As duas extremidades das subunidades tetraméricas são idênticas, portanto sua estrutura não é polarizada. Os tetrâmeros são empacotados lateralmente, formando um filamento que agrega oito protofilamentos paralelos, a partir desses tetrâmeros. Cada filamento intermediário apresenta, portante, uma secção transversal de 32 hélices alfa enroladas. Esse grande número de polipeptídeos organizados e mantidos por meio de interações hidrofóbicas laterais fortes confere aos filamentos intermediários uma estrutura semelhante a um cabo, podendo ser faculmente flexionados mas dificilmente rompidos.
Alguns tipos de filamentos intermediários, como a vimentina, formam estruturas altamente dinâmicas em células, como os fibroblastos.
	TIPOS DE FI
	COMPONENTES POLIPEPTÍDICOS
	LOCALIZAÇÃO
	Nuclear
	Laminas A, B e C
	Lâmina nuclear (revestimento interno do envelope nuclear)
	Semelhantes à vimentina
	Vimentina
	Diversas células de origem mesenquimal
	
	Desmina
	Músculo
	
	Proteína ácida glial fibrilar
	Células gliais (astrócitos e algumas células de Schwann)
	
	Periferina
	Alguns neurônios
	Epitelial
	Queratinas tipo I (ácidas)
	Células epiteliais e seus derivados (cabelos e unhas)
	
	Queratinas tipo II (básicas)
	
	Axonal
	Proteínas de neurofilamento (NF-L, NF-M e NF-H)
	Neurônios
Um domínio central hélice alfa de filamento intermediário contém mais ou menos 40 sequências de heptâmero repetidas que formam uma extensão supertorcida. Domínios globulares N e C-terminais podem apresentar grande variabilidade.
Devem existir aproximadamente 50 queratinas distintas. Cada filamento de queratina é feito a partir de uma mistura equitativa de queratinas tipo I etipo II, que formam heterodímeros que se unem para formar a unidade tetramérica. Redes de queratina interligadas, unidas por ligações dissulfeto, podem sobreviver à morte de suas células, formando coberturas resistentes para animais, como ocorre nas camadas externas da pele e nos cabelos, unhas, garras e escamas.
Uma única célula epitelial pode produzir diferentes tipos de queratina que podem copolimerizar, formando uma rede única. Os filamentos de queratina conferem resistência mecânica a tecidos epiteliais, em parte pelo ancoramento de filamentos intermediários a regiões de contato célula-célula, denominadas desmossomos, ou de contato célula-matriz, denominadas hemodesmossomos.
Mutações nos genes de queratina são a causa de diferentes doenças genéticas humanas. A epidermólise bulosa simples ocorre quando queratinas defeituosas ocorrem em células da camada basal da epiderme, formando bolhas na pele mesmo com estresses mecânicos muito leves, que rompem as células basais. Outros tipos de doenças que causam formação de bolhas são causadas por mutações em diferentes tipos de queratina específicos para os tecidos. Todas essas doenças apresentam como característica a ruptura das células em consequência de trauma mecânico e a desorganização ou o acúmulo do cito-esqueleto de filamentos de queratina. Muitas das mutações que causam essas doenças aferam as extremidades do domínio central em bastão.
Os neurofilamentos são encontrados em alta concentração nos neurônios dos vertebrados. Três tipos de neurofilamentos (NF-L, NF-M e NF-H) se associam formando heteropolímeros que contém NF-L mais uma das outras duas formas. NF-H e NF-M apresentam domínios C-terminais compridos que se ligam aos filamentos adjacentes dando origem a arranjos com espaço interfilamentar uniforme. Durante o crescimento do axônio novas subunidades de neurofilamentos são incorporadas em um processo dinâmico que envolve a adição longitudinalmente e às extremidades. Após um axônio ter sido conectado à célula-alvo o seu diâmetro pode aumentar em até cinco vezes. O nível de expressão do gene do neurofilamento parece controlar diretamente o diâmetro do axônio, que influencia a velocidade de transporte dos sinais elétricos do axônio.
A esclerose lateral amiotrófica (doença de Lou-Gehrig) está associada à montagem anormal de neurofilamentos no corpo celular e no axônio de neurônios motores, que podem interferir com o transporte axonal normal. Leva à fraqueza muscular e atrofia. A superexpressão de NF-L ou NF-H humana em camundongos dá origem a animais que apresentam uma doença muito semelhante à ALS.
Os filamentos semelhantes à vimentina são uma terceira família de filamentos intermediários. A desmina é expressa em músculo esquelético, cardíaco e liso. Sua deficiência em camundongos adultos causa grande anormalidade em células musculares, inclusive com problemas de alinhamento das fibras musculares.
Já que a sobrevivência de uma célula eucariótica depende de um equilíbrio entre a associação e dissociação de filamentos citoesqueléticos de actina e tubalina estes filamentos são frequentes alvos do ataque de toxinas naturais. Essas toxinas, de modo geral, perturbam as reações de polimerização dos filamentos e são produzidas por plantas, fungos ou esponjas para sua própria defesa. A toxina se liga fortemente ao filamento ou à subunidade livre, direcionando a reação de associação para favorecer a forma à qual se liga. A latrunculina, extraída da esponja marinha Latrunculia magnifica, liga-se aos monômeros de actina e evita sua organização so a forma de filamentos, o que promove a despolimerização efetiva dos mesmos. A faloidina, produzida pelo fungo Amanita phalloides, liga-se aos filamentos de actina, estabilizando-os e aumentando a polimerização de actina. Qualquer alteração nos filamentos de actina pe altamente tóxica para as células. A colchicina, obtida do açafrão do campo, liga-se à tubulina livre, estabilizando-a e provocando a despolimerização dos microtúbulos. Em contraste o taxol, extraído da casca de um espécie rara de conífera, liga-se e estabiliza microtúbulos, aumentando a polimerização da tubulina.
Fármacos despolimerizadores e polimerizadores de microtúbulos provocam a morte de céulas que se encontram em divisão, pois a associação e dissociação de microtúbulos são essenciais para a formação do fuso mitótico. Esses fármacos matam eficientemente alguns tipos de células tumorais em pacientes humanos, apesar de apresentarem um certo grau de toxicidade para células que apresentam alta taxa de divisão, como células da medula óssea, intestino e folículos pilosos. O taxol tem sido amplamente usado para o tratamento de câncer de mama e de pulmão.
	FÁRMACOS ACTINO-ESPECÍFICOS
	Faloidina
	Liga-se aos filamentos, estabilizando-os
	Citocalasina
	Promove o capeamento da extremidade (+) do filamento
	Swinholide
	Quebra os filamentos
	Latrunculina
	Liga-se à subunidade e evita sua polimerização
	FÁRMACOS MICROTÚBULO-ESPECÍFICOS
	Taxol
	Liga-se aos microtúbulos, estabilizando-os
	Colchicina, colcemida
	Liga-se às subunidades e evita sua polimerização
	Vimblastina, vincristina
	Liga-se às subunidades e evita sua polimerização
	Nocodazol
	Liga-se às subunidades e evita sua polimerização
Por muito pensou-se que a ausência de um citoesqueleto bacteriano seria uma das diferenças entre o reino dos eucariotos e o das bactérias. Essa crença persistiu até o início dos anos 1990, quando foi descoberto que todas as bactérias e diversas arqueobactérias contém um homólogo da tubulina, FtsZ, que pode polimerizar dando origem a filamentos e organizar-se em um anel (anel Z) na região em que é formado o septo durante a divisão celular.
A estrutura proteica tridimensional de FtsZ é semenlhante à das tubulinas alfa e beta, e a hidrólise de GTP também é promovida pela polimerização. Apesar de o anel Z persistir por vários minutos seus filamentos individuais persistem por cerca de 30 segundos. Conforme a bactéria se fivide o anel Z torna-se menor até se dissociar, e acredita-se que seu encurtamento possa contribuir para a invaginação da membrana. O anel Z também pode atuar como uma região para localização de enzimas especializadas na síntese da parede celular.
Mais recentemente descobriu-se que diversas bactérias também contém homólogos de actina. Dois desses homólogos, MreB e Mbl, são encontrados predominantemente em células em bastão ou espirais, e mutações que impedem sua expressão levam a anomalias extremas na forma celular e defeitos na segregação cromossômica.
Diversas moléculas relacionadas a MreB e Mbl desempenham funções especializadas. A ParM é codificada por certos plasmídios bacterianos e sofre dramático efeito de instabilidade dinâmica, e a forma como cresce ou se encurta é mais típica de microtúbulos que de filamentos de actina.
A evolução das proteínas motoras foi uma etapa essencial que permitiu a elaboração morfológica dos eucariotos.
A gama-tubulina está envolvida na nucleação do crescimento de microtúbulos em organismos tão variados como leveduras e humanos. Os microtúbulos geralmente são nucleados em uma região conhecida como MTOC (centro organizador de microtúbulos).
Os microtúbulos são nucleados na sua extremidade (-), enquanto a extremidade (+) cresce a partir do MTOC. Um complexo em anel de gama-tubulina (gama-TuRC) é capaz de nuclear o crescimento de microtúbulos. Duas proteínas ligam-se diretamente à gama-tubulina, juntamente a várias outras proteínas que auxiliam na formação de um anel de moléculas de gama-tubulina. Esse anel pode ser visto nas extremidades (-) de microtúbulos nucleados por gama-TuRC, e acredita-se que sirva como molde para gerar um microtúbulo com 13 protofilamentos.
Na maioria das células animais existe um MTOC único e bem-definido chamado centrossomo. A partir desse ponto os microtúbulos emanam em forma de estrela. Os microtúbulos nucleados no centrossomo sofrem crescimento e encurtamento contínuo por instabildade dinâmica, abarcando todo o volume tridimensional da célula.O centrossomo é formado por uma matriz centrossomal fibrosa, que contém mais de 50 cópias de gama-TuRC.
No seu interior encontram-se os centríolos, que se tornarão os corpos basais de cílios e flagelos em células móveis. Os centríolos organizam a matriz centrossomal, garantindo sua duplicação durante cada ciclo celular ao mesmo tempo em que os próprios centríolos são duplicados. O centrossomo duplica e separa-se em duas partes iguais durante a interfase. Esses dois centríolos-filhos de movem para lados opostos do núcleo no início da mitose e originam os dois polos do fuso mitótico. O centríolo consiste em um pequeno cilindro de microtúbulos com uma grande quantidade de moléculas acessórias.
O sistema de microtúbulos que irradia a partir do centrossomo atua como um aparelho que controla os limites celulares e posiciona o centrômero na região central da célula. Mesmo em um fragmento celular que não tem o centrossomo, microtúbulos dinâmicos organizam-se em um arranjo em forma de estrela com extremidades (-) na parte central. Essa capacidade que o citoesqueleto de microtúbulos possui de localizar o centro da célula estabelece um sistema geral coordenado, que é usado para posicionar diferentes organelas no interior da célula.
A nucleação dos filamentos de actina ocorre com mais frequência na membrana citoplasmática, portanto a maior densidade de filamentos de actina ocorre na periferia celular. A camada adjacente à membrana citoplasmática é denominada córtex celular, e os filamentos de actina ali presentes determinam o formato e o movimento da superfície celular. As estruturas de actina podem formar vários tipos extremamente diferentes de projeções na superfície celular. Entre essas projeções estão feixes pontiagudos como as microvilosidades e os filipódios, projeções planas chamadas de lamelipódios que auxiliam o movimento das células e as projeções fagocíticas dos macrófagos.
A nucleação de filamentos de actina em geral é regulada por sinais externos, o que permite que a célula modifique rapidamente sua conformação e consistência em resposta ao ambiente externo. Essa nucleacção pode ser catalisada por dois tipos diferentes de fatores regulados, o complexo ARP e as forminas. O primeiro desses fatores é um complexo de proteínas que inclui duas proteínas relacionadas à actina, cada uma apresentando 45% de similaridade à actina. Com função análoga à gama-TuRC, o complexo ARP (também conhecido como complexo Arp 2/3) provoca a nucleação do crescimento do filamento de actina a partir da extremidade (-). Esse complexo também pode se ligar à lateral de outro filamento de actina, ainda ligado à extremidade (-) que inicialmente nucleou, dando origem a filamentos individuais organizados em uma rede ramificada.
Em animais, o complexo ARP está associado a estruturas presentes na borda anterior de células com capacidade de migração. O complexo está localizado em regiões de rápido crescimento de filamentos de actina, como é o caso de lamelipódios, e sua atividade de nucleação é regulada por moléculas de sinalização é regulada por moléculas de sinalização intracelular e por componentes da fase citosólica da membrana citoplasmática.
	PROTEÍNAS ACESSÓRIAS DE SUBUNIDADES DE ACTINA
	Formina
	Promove a nucleação da montagem e permance associada à extremidade (+) em crescimento
	Complexo ARP
	Promove a nucleação da montagem para a formação de uma rede e permanece associado à extremidade (-)
	Timosina
	Liga-se às subunidades, evita a associação
	Profilina
	Liga-se às subunidades, acelera o crescimento
	PROTEÍNAS ACESSÓRIAS DE FILAMENTOS DE ACTINA
	Cofilina
	Liga-se a filamentos com ADP-actina. Acelera a dissociação
	Gelsolina
	Quebra os filamentos e liga-se à extremidade (+)
	Proteína de capeamento
	Evita a associação e a dissociação na extremidade (+)
	Tropimiosina
	Estabiliza o filamento
	Fimbrina
Alfa-actinina
Filamina
Espectrina
ERM
	Associação em feixes, interligação e ligação a membranas
	PROTEÍNAS ACESSÓRIAS DE DÍMEROS ALFA-BETA DE TUBULINA
	Centrossomo
	Gama-TuRC
	Promove a nucleação de montagem e permanece associado à extremidade (-)
	Estatmina
	Liga-se às subunidades, evita a associação
	PROTEÍNAS ACESSÓRIAS DE MICROTÚBULOS
	Cinesina 13
	Aumenta a dissociação catastrófica na extremidade (+)
	Catanina
	Quebra microtúbulos
	MAPs
	Estabilizam túbulos através de ligações laterais
	XMAP215
	Estabiliza extremidades (+) e acelera a associação
	+TIPs
	Permanece associado às extremidades (+) em crescimento e pode ligá-las a outras estruturas, como membranas
	Tau
MAP-2
Plectina
	Associação em feixes e interligação
Ligação a filamentos intermediários
A ativação regulada do complexo ARP em células animais tende a levar ao estabelecimento de grandes redes ramificadas de actina. No entanto, muitas das grandes estruturas de actina vistas nas células, como o sulco de clivagem encontrado na região central de uma célula em divisão e os cabos de actina que apontam rumo à região de crescimento do broto em leveduras são compostas por feixes paralelos de filamentos de actina não ramificados. A formação de vários destes feixes de actina é induzida por um grupo distindo de proteínas de nucleação, as forminas, que nucleiam o crescimento de filamentos retos e não-ramificados que podem ser inteligados pela atuação de outras proteínas para a formação de feixes paralelos.
As forminas pertencem a uma grande família de proteínas diméricas. Cada subunidade possui um sítio de ligação à actina monomérica, e o dímero de formina parece ser capaz de nuclear a polimerização de um filamento de actina pela captura de dois monômeros a partir da extremidade (+).
Na maioria das células não-musculares de vertebrados, aproximadamente 50% da actina está sob a forma de filamento e 50% sob a forma solúvel. A concentração de monômero está tipicamente de 2 a 8 vezes maior que a concentração crítica para polimerização, que é evitada porque o conjunto de subunidades contém proteínas que se ligam aos monômeros de actina, o que desfavorece a polimerização. A mais abundante dessas proteínas é a timosina, que impede que os monômeros de actina se associam tanto à extremidade (+) quanto à extremidade (-), não podendo hidrolisar ou modificar o nucleotídeo que contém.
A profilina, outra proteína ligada a monômeros, liga-se à face oposta à fenda de ligação do ATP, bloqueando a lateral do monômero que se associaria à extremidade (-) do filamento. O complexo profilina pode facilmente ser adicionado a uma extremidade (+) livre. Essa adição causa uma mudança conformacional na actina que reduz sua afinidade pela profilina, e a mesma é retirada do complexo. Já que a profilina compete com a timosina pela ligação aos monômeros, o resultado da ativação local de moléculas de profilina é o movimento de subunidades de actina do conjunto ligado à timosina rumo às extremidades (+) dos filamentos.
Vários mecanismos intracelulares regulam a atividade da profilina, entre eles a fosforilação da profilina e sua ligação com fosfolipídeos inusitol. A profilina está localizada na fase citosólica da membrana plasmática, pois pode se ligar a fosfolipídeos ácidos que lá se encontram. Neste ponto, sinais extracelulares podem ativar a profilina para produzir polimerização localizada de actina a taxas enormes, provocando também a extensão de estruturas de locomoção ricas em actina. A profilina também pode se ligar a várias outras proteínas intracelulares com domínios ricos em prolina.
O papel de inativação de dois heterodímeros de tubalina é realizado pela estatmina, impedindo que sejam adicionados aos microtúbulos. A estatmina também aumenta a possibilidade que um microtúbulo sofra transição catastrófica para encurtamento. A fosforilação da estatmina impede sua ligação à tubalina, aumentando a taxa de alongamento de microtúbulos e suprimindo a instabilidade dinâmica.
Em certas situações uma célula pode quebrar um filamento preexistente em vários filamentos menores. Isso dará origem a váriasfilamentos curtos, cada qual com sua extremidade (+) e (-). Sob condições intracelulares determinadas essas extremidades nuclearão o crescimento dos filamentos e, portanto, a quebra acelerará a montagem de novas estruturas de filamentos. Sob outras condições a quebra promoverá a despolimerização de filamentos antigos, acelerando a despolimerização em um fator de 10 ou mais. A quebra de filamentos altera as propriedades mecânicas e físicas do citoplasma: grandes feixes e redes rijas tornam-se mais fluidos quando ocorre a quebra de filamentos.
Para partir um microtúbulo 13 ligações longitudinais devem ser quebradas. A proteína catanina, composta por duas subunidades (uma menor, que hidrolisa ATP e desempenha ativamente a quebra, e uma maior, que direciona a catanina para o centrossomo) realiza essa tarefa. A catanina solta os microtúbulos de sua organização no MTOC, sendo sugerido que atua importantemente na rápida despolimerização de microtúbulos nos polos do fuso durante a meiose. Também pode estar envolvida na liberação e despolimerização de microtúbulos que ocorrem na interfase de céulas em proliferação e em células pós-mitóticas com os neurônios.
A quebra de filamentos de actina não exige gasto extra de enrgia. A maioria das proteínas envolvidas na quebra da actina faz parte da superfamília gelsolina, cuja ação de quebra é ativada por altos níveis de Ca2+ citosólico. A gelsolina possui domínios que se ligam a dois diferentes sítios na subunidade de actina, um exposto na superfície do filamento e um normalmente escondido na ligação longitudinal com a subunidade adjacente do protofilamento. Esta se liga à lateral do filamento de actina e espera até que flutuações de temperatura provoquem a formação de uma abertaura entre as subunidades adjacentes, onde insere seu subdomínio e quebra o filamento.
Diferentes proteínas associadas aos filamentos usam sua energia de ligação para diminuir ou aumentar a energia livre do polímero (estabílizá-lo ou desestabilizá-lo).
Proteínas que se ligam lateralmente aos microtúbulos são coletivamente chamadas de MAPs. As MAPSs podem estabilizar os microtúbulos, evitando sua dissociação. Um subgrupo de MAPs, bastante presente em neurônios, pode mediar a interação de microtúbulos com outros componentes celulares. Essas MAPs apresentam ao menos um domínio de ligação à superfície do microtúbulo e outro que se projeta a partir do microtúbulo. O comprimento do domínio que se projeta pode determinar a distância de empacotamento de microtúbulos associados por MAPs. Células que superexpressam MAP2 formam feixes de microtúbulos estáveis com um amplo espaçamento, enquanto células que superexpressam tau formam feixes de microtúbulos empacotados de forma bem mais compacta.
As MAPs são alvo de várias proteína-cinases, e a desfosforilação de uma MAP pode desempenhar um papel primordial no controle de sua atividade e de sua localização dentro da célula. A atividade de MAP regula as alterações na dinâmica de microtúbulos que ocorrem conforme a célula reorganiza seu citoesqueleto de microtúbulos para a formação do fuso mitótico.
Presente em concentrações altas o bastante proteínas tau formam seus próprios filamentos helicoidais.
Filamentos de actina também são bastante afetados pela ligação de proteínas acessórias às suas laterais. Filamentos específicos são, na maioria das células, estabilizados com tropomiosina, uma proteína longa que se liga a sete unidades adjacentes de actina. A ligação da tropomiosina pode evitar a interação do filamentos com outras proteínas, sendo importante na contração muscular.
A cofilina (também conhecida como fator de despolarização da actina) está presente em todas as células eucarióticas e desestabiliza os filamentos de actina. A cofilina se liga tanto ao filamento quanto à subunidade livre. Ao se ligar sobre o filamento força uma torção um pouco mais compacta do mesmo, o que o torna mais quebradiço.
Além disso, a cofinilina facilita a dissociação de uma subunidade de ADP-actina da extremidade (-), o que acelera erm muito a dissociação do filamento. Os filamentos de actina podem ser protegidos da ação da cofilina ao se ligarem à tropomiosina.
A cofilina liga-se preferencialmente a filamentos contendo ADP. Já que geralmente a hidrólise de ATP é mais lenta que a adição ao filamento os filamentos mais recentes da célula geralmente contém ATP. Assim, a cofilina desmancha os filamentos mais velhos da célula.
Um filamento de actina pode ter sua extremidade (+) estabilizada por ligação com uma proteína de capeamento, que reduz bastante a taxa de crescimento e despolarização do filamento, por desativar essa extremidade. A maior parte dos filamentos de actina em uma célula apresenta a extremidade (+) capeada por proteínas como a CapZ. Um filamento de actina pode sofrer capeamento da extremidade (-) ao manter sua ligação com o complexo ARP.
Algumas proteínas que atuam nas extermidades de microtúbulos desempenham papeis essenciais, muito além os esperados por proteínas de capeamento. Membros de uma família de proteínas relacionadas à cinesina, conhecidos como fatores de catástrofe, aumentam significativamente a frequência de catástrofes. Essas proteínas são membros da família da cinesina-13. Eles se ligam às extremidades de microtúbulos e separam os protofilamentos por redução na barreira da energia de ativação normal, que evitaria que um microtúbulo se dissociasse apresentando a conformação curvada típica do estado de encurtamento. Em contraste existem as MAPs, como a XMAP125, que têm a capacidade de estabilizar as extremidades livres de microtúbulos e inibem seu encurtamento. A sua fosforilação durante a mitose inibe sua atividade e balanceia sua atividade com fatores de catástrofe, o que aumenta a instabilidade dinâmica, essencial para a boa construção do fuso mitótico.
Em muitas células as extremidades (-) dos microtúbulos estão establilizadas pela associação com o centrossomo, em outros locais estes servem como regiões de despolimerização dos microtúbulos. As extremidades (+) sondam e exploram o espaço celular. Proteínas associadas a microtúbulos denominadas +TIPs acumulam-se nessas extremidades, dissociando-se dos microtúbulos assim que começam a sofrer encurtamento.
Algumas +TIPs regulam o crescimento e o encurtamento da extremidade (+) do túbulo à qual estão ligadas. Outras controlam o posicionamento do microtúbulo em crescimento no local do córtex onde ocorrem proteínas-alvo específicas.
Para que os filamentos do citoesqueleto formem uma estrutura intracelular funcional que confira integridade mecânica à célula e determine sua forma, os filamentos individuais devem ser organizados em estruturas maiores. O centrossomo é um exemplo de organizador do citoesqueleto, pois além de promover a nucleação de crescimento dos microtúbulos os mantém sobre uma geometria definida.
Outro mecanismo usado para organizar os filamentos em grandes estruturas é a interligação de filamentos. Algumas MAPs podem organizar os microtúbulos em feixes. No citoesqueleto de actina as funções de estabilização e interligação estão separadas.
Cada filamento intermediário individual se apresenta como um longo feixe de subunidades tetraméricas. Vários filamentos intermediários se agregam por auto-associação, por exemplo, as proteínas de neurofilamento NF-M e NF-H contém um domínio C-terminal que se estende a partir da superfície de um arranjo organizado de filamentos intermediários e se liga ao filamento adjacente. Grupos de neurofilamentos formam fortes arranjos paralelos mantidos em união por múltiplos contatos laterais.
Outros tipos de feixes de filamentos intermediários são mantidos unidos por proteínas acessórias como a filagrina, que forma feixe de queratina em células epidérmicas em diferenciação e que serão responsáveis pela resistência das camadas mais externas da célula. A plectina, além de promover a formação de feixes de filamentos intermediários, os interliga a microtúbulos, feixes de filamentos de actina e filamentos da proteína motora miosina II, além de auxiliara ligação de feixes de filamentos intermediários a estruturas de adesão na membrana plasmática.
Os filamentos de actina estão organizados em dois tipos de arranjo: feixes e redes ou teias. Os longos e resistentes filamentos produzidos pelas forminas dão origem aos feixes, e o complexo ARP origina redes.As proteínas de interligação de filamentos de actina que auxiliam a estabilizar e manter essas duas estruturas estão divididas em proteínas de feixes e proteínas formadoras de redes. As proteínas de feixes interligam filamentos de actina em arranjos paralelos, e as proteínas formadoras de rede formam tramas frouxas. Ambos os tipos apresentam dois sítios similares de ligação com filamentos de actina,que podem integrar uma única cadeia peptídica ou podem ser o resultado da interação entre duas cadeias de polipetídeos sob a forma de um dímero.
Cada tipo de proteína de feixe determina que outras moléculas podem interagir com um filamento de actina. O empacotamento extremamente compacto dos filamentos de actina provocados pela proteína fimbrina exclui a miosina, então os filamentos unidos por ela não são contráteis, enquanto a alfa-actina permite a entrada de moléculas de miosina, criando fibras contráteis. Esses dois tipos de proteína de feixe são mutualmente excludentes.
A vilina, assim como a fimbrina, apresenta dois sítios de ligação com filamentos de actina bastante próximos um do outro e sobre a mesma cadeia polipeptídica. A vilina, novamente como a fimbrina, auxilia a interligação dos 20 a 30 filamentos de actina empacotados encontrados dentro das microvilosidades. Cada microvilosidade possui aproximadamente 0,08 micrômetros de largura e 1 micrômetro de comprimento, aumentando a área de absorção da superfície da célula em 20 vezes. Quando a vilina é introduzida em uma cultura de fibroblastos não só as estruturas desse tipo aumentam de tamanho e se estabilizam, como novas microvilosidades são induzidas. O centro do filamento de actina da microvilosidade está ligado à membrana plasmática por seus braços laterais compostos de miosina I, que possui um sítio de ligação com filamentos de activa em uma extremidade e um domínio que se liga a lipídios na outra. A remodelação de microvilosidades em resposta a determinados tipos de estresse ou redução de nutrientes é defeituosa em camindongos sem o gene da vilina.
As proteínas de interligação de activa que possuem conexões flexíveis ou conexões rígidas em ângulos entre seus domínios de ligação formam redes ou geis de filamentos de actina ao invés de feixes.
Qualquer proteína de interligação que possua seus dois domínios de ligação à actina unidos por uma ligação longa e flexível pode formar redes tridimensionais. A filamina promove a formação de uma rede frouxa e extremamente viscosa pela união de filamentos de actina em ânglulos retos praticamente exatos. Os geis de actina formados pela filamina são necessários para que a célula possa estender finas projeções planas de membrana chamadas de lamelipódios que a auxiliam a se mover sobre superfícies sólidas. A filamina está ausente em alguns tipos de células cancerosas, especialmente os melanomas.
A espectrina é uma proteína longa e flexível, composta de quatro cadeias polipeptídicas longas, organizadas de tal forma que seus sítios de ligação encontram a 200 nm uns dos outros, uma grande distância. Nos eritrócitos a espectrina está concentrada exatamente abaixo da membrana plasmática, onde forma uma rede que continua unida por curtos filamentos de actina. A espectrina conecta essa rede também à membrana plasmática, pois possui sítios de ligação a proteínas periféricas da membrana, que por sua vez estão posicionadas próximas à bicamada por proteínas integrais. A rede resultante cria um córtex celular rígido que pode prover suporte mecânico para a membrana que o envolve, e permite que a célula vermelha do sangue retorne à sua forma original após ser prensada em sua passagem através de um capilar.
A famíliam ERM contém membros necessários à manutencão da polaridade celular e estão envolvidos na endocitose e exocitose. O donínio C-terminal das ERM liga-se à lateral dos filamentos de actina. O domínio N-terminal liga-se à fase citoplasmática de uma ou mais glicoproteínas transmembrana.
As proteínas ERM podem ocorrer sob conformações duas conformações: uma ativa e estendida que oligomeriza e se liga tanto à actina quanto a uma proteína transmembrana, e uma conformação inativa dobrada, onde as regiões terminais são mantidas em contato por interações intramoleculares. A mudança para a conformação ativa pode ser causada por fosforilação ou pela ligação a PIP2, que pode ocorrer em resposta a sinais extra-celulares.
A perda de um dos membros da família ERM, denominado merlina, leva ao desenvolvimento da neurofibromatose, onde múltiplos tumores benignos se desenvolvem nos nervos auditivos e em outras partes do sistema nervoso.
As proteínas motores ligam-se a um filamento polarizado do citoesqueleto e utilizam a energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise de ATP para se deslocarem ao longo do filamento. Diversas proteínas motoras transportam organelas delimitadas por membrana – como mitocôndrias, pilhas de Golgi ou vesículas secretoras – rumo à sua posição adequada na célula. Outras proteínas motoram fazem com que os filamentos do citoesqueleto exerçam tensão ou deslizem uns sobre os outros, gerando a força necessária para fenômenos como a contração muscular.
As proteínas motoras do citoesqueleto que se movem unidirecionalmente sobre um caminho de polímeros orientados apresentam a capacidade de usar energia quiímica para sua propulsão sobre um caminho linear, a direção do caminho dependendo da polaridade estrutural do caminho.
As proteínas motoras do citoesqueleto se associam a seus caminhos de filamentos por um domínio motor, que se liga e hidrolisa ATP. As proteínas ciclam entre estados onde estão fortemente ligadas aos filamentos e estados onde estão desconectadas. Por meio de um ciclo mecanoquímico de ligação ao filamento, alteração da conformação, liberação do filamento, relaxamento conformacional e religação do filamento a proteína motora e sua carga associada movem-se, um passo por vem, ao longo do filamento. O domínio motor define a identidade do movimento e a cauda da proteína motora define a identidade da carga.
A primeira proteína motora identificada foi a miosina de músculo esquelético (a miosina II), que gera a força para a contração muscular. Essa é uma proteína longa formada por duas cadeias pesadas e duas cópias de cada uma das cadeias leves. As cadeias pesadas possuem um domínio globular em sua extremidade N-terminal que contém a maquinaria geradora de força, seguida por uma sequência de aminoácidos que forma uma extensão supertorcida que mediará a dimerização da cadeia pesada. As cadeias leves se ligam próximas ao domínio globular, e as caudas supertorcidas formam feixas se ligando às caudas de outras moléculas Essas interações levam à formação de um grande filamento espesso que apresenta várias centenas de cabeças de miosina, orientadas em direções opostas do filamento espesso.
Cada cabeça de miosina se liga a ATP e pode hidrolisá-lo, usando essa energia para caminhar rumo à extremidade (+) do filamento de actina. A orientação oposta das cabeças no filamento espesso torna eficiente o deslizamento de pares de filamentos de actina orientados de forma oposta. Na musculatura esquelética o deslizamento de filamentos de actina dirigido por ATP causa a contração muscular.
Quando a miosina muscular é digerida por quimiotropsina e papaína o domínio da cabeça é liberado sob a forma de um fragmento intacto (S1).
A miosina I possui apenas uma cabeça e é encontrada na ameba de água fresca Acanthamoeba castellani.
Muitos outros tipos de miosina foram descobertos. A cadeia pesada geralmente se inicia por um reconhecível domínio motor de miosina na região N-terminal e então diverge, apresentando uma ampla variedade de domínios de cauda C-terminal. Comparações entre as sequências de diversos eucariotosindicam que existem pelo menos 37 famílias distintas de miosina dentro dessa superfamília.
Algumas miosinas (a VIII e a XI) foram identificadas apenas em plantas e outras (a IX) foram identificadas apenas em vertebrados, mas a maioria está presente em todos os eucariotos. A levedura Saccharomyces cerevisae possui cinco miosinas, duas do tipo I, uma II e duas V, e pode se especular que esses três tipos de miosina são necessários para que uma célula eucariótica sobreviva e que as outras são especializadas. O genoma humano tem 40 genes de miosina. Nove das miosinas humanas se expressam exclusivamente nas células pilosas do ouvido interno, e mutações em cinco causam surdez hereditária.
Com uma única exceção (a miosina VI) todas se movem em direção à extremidade (+) do filamento, embora com velocidades diferentes.
A miosina V está envolvida no transporte de vesículas e organelas. A miosina II está sempre associada à atividade contrátil e é também em geral necessária para a citocinese, bem como para a translocação, o impulso e o transporte do corpo celular durante a migração das células. A miosina I geralmente contém um segundo sítio de ligaão à actina ou um sítio de ligação à membrana em suas caudas, estando em geral envolvidas na organização intracelular (atividades como a protrusão de estruturas ricas em actina na superície celular, como as microvilosidades).
A cinesina é uma proteína motora que se move sobre microtúbulos. Foi identificada primeiramente em axônios gigantes de lula, onde transporta organelas delimitadas por membrana do corpo celular para aterminação axonal, percorrendo os microtúbulos em direção à extremidade (+). Ela tem uma estrutura similar à miosina II, com duas cadeias pesadas e duas cadeias leves com duas cabeças globulares. A cinesina faz parte de uma grande superfamília de proteínas onde o domínio motor é o único elemento em comum. A Saccharomyces cerevisae possui seis cinesinas, os humanos aproximadamente 45.
Existem pelo menos 14 famílias distintas de cinesinas. A maioria possui o domínio motor na região N-terminal e se move para a extremidade (+). Uma família possui o domínio motor na extremidade C-terminal e move-se para a extremidade (-). Algumas cadeias pesadas de cinesina não apresentam supertorção e funcionam como monômeros. Umas são homodímeros e outras heterodímeros. Membros da família cinesina-5 podem sofrer autoassociação por seu domínio de cauda, formando um motor bipolar que desliza microtúbulos com orientações opostas um sobre o outro. A maioria das cinesinas possui um sítio de ligação em sua cauda que pode ser usado para conectar a uma organela delimitada por membrana ou a um outro microtúbulo.
As dineínas representam uma família de microtúbulos direcionados para a extremidade (-). São compostas por duas ou três cadeias pesadas (onde se encontra o domínio motor) e um grande e variado número de cadeias intermediárias e cadeias leves associadas. A família das dineínas tem duas ramificações principais. As dineínas citoplasmáticas são tipicamente homodímeros de cadeia pesada com dois grandes domínios motores como cabeça. São provavelmente encontradas em todas as células eucarióticas, sendo importantes para o trânsito de vesículas e para o posicionamento do aparelho de Golgi próximo à região central da célula. As dineínas de axonema incluem heterodímeros e heterotrímeros com duas ou três cabeças de domínio motor. São altamente especializadas para o rápido e eficiente movimento de deslizamento dos microtúbulos que direciona o batimento dos cílios e flagelos.
As dineínas são os maiores motores moleculares conhecidos e também estão entre os mais rápidos.
O domínio motor das miosinas é substancialmente maior que o das cinesinas (850 a 350 aminoácidos), mas ambos são construpídos de núcleos praticamente idênticos. Apresentam em comum o sítio de ligação a ATP e a maquinaria necessária para transformar a hidrólise de ATP em uma alteração conformacional alostérica.
O núcleo motor também possui algumas semelhanças estruturais com o sítio de ligação a nucleotídeos das GTPases da superfamília Ras. Essas proteínas exibem uma conformação referente à sua ligação com GTP e uma referente à sua ligação com GDP. Alças móveis que funcionam como interruptores no sítio de ligação a nucleotídeos estão em íntimo contato com o fosfato gama no estado ligado a GTP e se movimentam quando esse fostato é liberado. Nas proteínas motoras o ATP é hidrolisado, e uma alteração estrutural pequena como a presença ou ausência de um fosfato terminal é amplificada para causar a rotação de uma parte diferente da proteína.
Na cinesina e na miosina uma alça interage exclusivamente com aquelas regiões da proteína que estão envolvidas na ligação com microtúbulos e actina, permitindo que transições estruturais provocadas pelo ciclo de hidrólise de ATP sejam transmitidas para a interface de ligação ao polímero. A comunicação das mudanças estruturais parece ocorrer em ambas as direções, visto que a atividade ATPase das proteínas motoras é fortemente ativadas pela sua ligação ao filamento correto.
Cada ciclo de ligação e liberação das proteínas motoras deve ser capaz de impulsioná-las em uma única direção sobre o filamento. A proteína deve utilizar a energia derivada da ligação e da hidrólise de ATP para forçar um grande movimento de uma porção de sua molécula. Na miosina cada passou é realizado pela rotação de uma hélice alfa de 8,5 nm chamada de braço de alavanca, estruturalmente estabilizada pela ligação a cadeias leves. Na base deste braço, próximo à cabeça, há uma hélice que conecta os movimentos da fenda de ligação de ATP na cabeça com pequenas rotações do domínio conversor. Alterações nesse ponto podem girar a hélice como uma alavanca, fazendo com que sua extremidade (+) mais distante mova-se 5 nm.
Essas alterações conformacionais da miosina estão acopladas a alterações em sua afinidade pela actina, permitindo que a cabeça de miosina seja liberada do ponto de adesão ao filamento de actina e seja capturada em outro ponto. Esse ciclo de ligação do nucleotídeo, hidrólise e liberação do fosfato produz o movimento de um único passo.
Na cinesina os pequenos movimentos da alça do interruptor no sítio de ligação ao nucleotídeo regulam o ancoramento e desligamento do domínio motor a uma longa região ligante, que conecta esta cabeça motora em uma extremidade ao domínio supertorcido de dimerização na outra extremidade. Quando a cabeça de cinesina anterior está ligada ao microtúbulo esta região ligante encontra-se não-estruturada. Quando o ATP se liga a essa cabeça a sua região ligante se posiciona lateralmente a ela, o que impulsiona a segunda cabeça para uma posição onde ela será capaz de adesão a um novo sítio sobre o protofilamento, 8 nm mais próximo da extremidade (+).
O domínio supertorcido parece ser responsável pela coordenação dos ciclos mecanoquímicos das duas cabeças (domínios motores) do dímero de cinesa e pela determinação da direcionalidade. As cabeças ligadas aos microtúbulos são essencialmente indistinguíveis, mas as cabeças não conectadas estavam orientadas de forma bastante distinta. Essa diferença de inclinação aparentemente seleciona o próximo sítio de ligação da segunda cabeça e determina a direção do movimento motor.
A dineína segue a regra geral do acoplamento de hidrólise de nucleotídeo com a ligação e o desligamento do microtúbulo e com alterações conformacionais geradoras de força. Uma cadeia pesada de mais de 5000 daltons forma a estrutura básica que gera o movimento. Sua porção N-terminal forma uma cauda que se liga a um conjunto de cadeias pesadas e se conecta a outras cadeias pesadas na molécula de dineína, e a porção principal da cadeia pesada forma uma elaborada cabeça em forma de anel. A cabeça consiste em um anel plano formado por seis domínios AAA e o domínio C-terminal da cadeia pesada. Uma região de ligação em gancha conecta a cauda da cadeia pesada ao domínio AAA que é mais ativo como ATPase. Entre os domínios de número quatro e cinco existe um domínio de cadeiapesada que forma uma haste torcida antiparalela. Esta haste se estende da parte superior do anel e possui em sua extremidade um sítio de ligação a microtúbulo regulado por hidrólise de ATP. O “movimento de potência” da dineína é ocasionado pela liberação de ADP e fosfato inorgânico e causa uma rotação do anel em relação à cauda.
A miosina sem qualquer nucleotídeo está fortemente ligada a seu caminho de actina, sob um estado denomidado “rigor”, sendo liberada dali pela associação com ATP. A cinesina forma uma forte associação quando o ATP se encontra ligado a ela, com a hidrólise do ATP promovendo a liberação da proteína motora e do filamento. O ciclo mecanoquímico da dineína é mais semelhante ao da miosina que o da cinesina, mas o fosfato inorgânico parece ser liberado ao mesmo tempo, enquanto na miosina o fosfato é liberado antes e o movimento só ocorre quando o ADP se dissocia.
Um único dímero de cinesina apresenta uma alta capacidade de progressão, viajando por centenas de ciclos de ATPase antes de se dissociar. A miosina II, em contraste, faz apenas um ou dois passos sobre o filamento antes de se dissociar. Essas diferenças são críticas para as várias funções biológicas das proteínas motoras. Um pequeno número de moléculas de cinesina-1 deve ser capaz de transportar uma organela ao longo o percurso de um axônio de célula neuronal, e precisa de um alto nível de progressividade. A miosina nunca opera isoladamente, mas sim numa agrupamento de miosina II, e nesse caso a progressividade iria inibir a função biológica, pois para uma contração muscular eficiente cada cabeça de miosina deve realizar seu movimento de potência e liberar o caminho.
Há duas razões para o alto grau de progressividade do movimento da cinesina I. Um deles é que os ciclos mecanoquímicos das duas cabeças de cinesina estão coordenados, de tal modo que uma cabeça de cinesina não se solta enquanto a outra não estiver próxima de se ligar. Essa coordenação permite que a proteína atue em um sistema passo a passo, nunca permitindo que a organela se desvie do caminho dos microtúbulos. Em comparação não existe coordenação aparente entre as cabeças de miosina no dímero de miosina II. A segunda razão para a alta progressividade da cinesina-1 é que esta despende uma fração relativamente grande do seu ciclo de ATPase enquanto fortemente associada ao microtúbulo. Tanto na cinesina-1 quanto na miosina II as alterações que causam o movimento de potência gerador da força de trabalho devem ocorrer com a proteína fortemente associada ao seu polímero, e o movimento de recuperação para o próximo passo deve ocorrer com a proteína dissociada dele. A miosina II passa apenas 5% do tempo de seu ciclo de ATPase em estado de forte ligação.
Em um arranjo onde muitas cabeças motoras interagem com o mesmo filamento de actina um grupo de miosinas ligado pode mover o filamento a uma distância de 20 passos num único ciclo, enquanto as cinesinas podem mover apenas dois passos. Assim, a miosina II pode conduzir o deslizamento do filamento muito mais rapidamente que a cinesina.
A velocidade de movimento dentro de uma mesma classe de proteínas varia bastante: de 0,2 a 60 micrômetros por segundo para as miosinas e de 0,02 a 2 micrômetros por segundo para as cinesinas. A velocidade de uma proteína pode ser diminuída pela diminuição da taxa de ATPase intrínseca da proteína motora e pelo aumento da proporção de tempo do ciclo que esta despende ligada ao filamento. A miosina V passa 90% do ciclo ligada fortemente ao filamento, por exemplo. Uma proteína pode evoluir para alterar o tamanho de cada passo tanto pela alteração do tamanho do braço de alavanca quanto pela alteração do ângulo.
Uma função primordial das proteínas motoras em células interfásicas é o transporte e o posicionamento de organelas delimitadas por membrana. A cinesina foi identificada pelo transporte veloz em axônio, pelo rápido movimento de mitocôndrias, precursores de vesículos sevretoras e diversos componentes sinápiticos ao longo do grande caminho de microtúbulos do axônio em direção ás distantes terminações nervosas. Movimentos em direção ao centro da célula necessitam de proteínas motoras direcionadas às extremidades (-), como a dineína, enquanto que movimentos em direção à periferia requeram proteínas direcionadas às extremidades (+), como a cinesina.
A rede de membranas tubulares do RE se alinha com microtúbulos e se estende quase que à borda da célula, e o aparelho de Golgi se localiza próximo aos centrossomos. Quando células são tratadas com substâncias que despolarizam microtúbulos, como a colchicina ou o nocozados, o RE colapsa para o centro da célula e o aparelho de Golgi sofre fragmentação e dispersão pelo citoplasma.
As diferentes caudas e suas cadeias leves associadas em algumas proteínas motoras permitem que estes motores se liguem à organela a ser carregada de forma específica. Receptores motores associados a membranas que são direcionadas para compartimentos delimitados por membrana específicos interagem direta ou indiretamente com as caudas dos membros apropriados da família das cinesinas. A proteína percursora amiloide (APP), que se liga diretamente à cadeia leve na cauda da cinesina-1 e foi proposta como um receptor transmembrana de proteínas motoras em axônios de células neuronais. O processamento anormal dessa proteína dá origem à doença de Alzheimar, pela alta produção de proteína estável que forma agregados nas células nervosas do cérebro. As proteínas que interagem com INKs são proteínas estruturais associadas à sinalização celular. Estes receptores de cinesina podem fornecer uma conexão entre o transporte e a sinalização celular.
Na dineína um grande arranjo macromolecular medeia a ligação a membranas. A dineína citoplasmática necessita da associação de um segundo grande complexo proteico conhecido como dinactina para a efetiva translocação de organelas. A dinactina inclui um curto filamento semelhante à actina formado a partir da proteína relacionada à actina Arp1. As membranas do aparelho de Golgi estão recobertas por ancrina e espectrina, que têm como função proposta a associação com o filamento Arp1 no complexo da dinactina para a formação de um arranjo plano do citoesqueleto. O arranjo de espectrina fornece estabilidade estrutural para a membrana de Golgi e – via filamento Arp1 – pode mediar a ligação regulada da dineína à organela. Em outras situações os motores de dineína citoplasmática devem interagir diretamente com suas cargas. A cauda citoplasmática da rodopsina liga-se diretamente a uma das cadeias leves da dineína, e essa interação é necessária ao transporte adequado da rodopsina no bastonete.
As proteínas motoras também têm uma função importante no transporte de organelas ao longo dos filamentos de actina. Em camundongos e humanos, grânulos de pigementos delimitados por membrana, chamados de melanossomos, são sintetizados em células chamadas de melanócitos, localizadas debaixo da superfície da pele. Esses melanossomos movimentam-se para as extremidades dos processos dendríticos nos melanócitos, a partir dos quais são liberados para os queratinócitos adjacentes, que formam a pele. A miosina V está associada à superfície dos melanossomos e é capaz de mediar o movimento dessas estruturas. Outras miosinas, como a miosina I, estão associadas a endossomos e a uma ampla variedade de outras organelas.
Para concentrar proteínas em seus pontos de funcionamento, as células restringem a síntese de uma determinada proteína pelo posicionamento de suas moléculas de RNA em um processo que establelece assimetrias celulares. Essa situação é importante quando uma célula parental se divide para dar origem a duas células-filhas com destinos distintos. Diversos mRNAs codificadores de proteínas envolvidas na sinapse são especificamente posicionados próximos às sinapses, e o posicionamento e a regulação da tradução de mRNA em regiões de sinapse desempenha importantes papeis na regulação da memória a longo prazo e na plasticidade sináptica.
O oócito gigante de Drosophilaposiciona em sítios específicos um grande número de mRNAs codificados na antecipação dos rápidos eventos de especiação celular que ocorrem na embriogênese. Um grupo de mRNAs que codifica proteínas necessárias ao desenvolvimento posterior do embrião se encontra na parte posterior do oócito, por exemplo.
O oócito usa seu citoesqueleto polarizado, onde a maioria das extremidades (-) se encontra na região anterior da célula e das extremidades (+) na região posterior. O mRNA que codifica Bicoid, um fator de transcrição essencial para o desenvolvimento anterior, tem uma estrutura em 3’ UTR que se liga a uma proteína denominada Swallow, que se liga a uma cadeia leve de dineína citoplasmática, permitindo seu transporte rumo às extremidades (-) dos microtúbulos. Já o mRNA que codifica Oskar, uma proteína necessária ao desenvolvimento de células germinativas na região anteror do embrião, necessita de cinesina-1 para dirigir seu transporte rumo às extremidades (+) dos microtúbulos. O ancoramento dos mRNAs em seus locais adequados após a entrega envolve o citoesqueleto cortical de actina, com o mRNA que codifica Oskar ligando-se a uma proteína de ligação a actina da família ERM (moesina).
Em algumas células o transporte de mRNA e seu ancoramento depende de actina. A levedura-mãe e as células filhas vão apresentas identidades distintas. Muitas dessas diferenças são causadas por uma proteína reguladora de genes chamada Ash1. Tanto o mRNA quanto a proteína derivada de Ash1 estão localizadas apenas no broto de crescimento, então estão presentes apenas na célula-filha. Uma das duas miosinas V encontradas em levedura, Myop4, é necessária para essa distribuição assimétrica.
A célula pode regular a atividade das proteínas motoras e provocar alterações no posicionamento das organelas delimitadas por membrana e nos movimentos da céula como um todo. Os melanócitos de peixes contêm grandes grânulos de pigmentos que podem alterar sua localização em resposta a estímulos neuronais ou hormonais. Estes grânulos de pigmento se agregam ou dispersam movendo-se sobre uma ampla rede de microtúbulos.
O movimento em direção ao centro da célula é rápido e uniforme, enquanto o movimento em direção à periferia é bem mais irregular. Dineína, cinesina e miosina V estão associadas aos grânulos. O movimento com solavancos é o resultado de um cabo-de-guerra entre as duas proteínas motoras de microtúbulo, onde a cinesina é mais forte. Quando as cadeias leves da cinesina são fosforiladas após um sinal hormonal para a troca de pele a cinesina é inativada, deixando a dineína livre para carregar rapidamente os pigmentos para o centro da célula e alterar a coloração do peixe.
A célula também pode usar fosforilação para regular a atividade de miosina. Em células não-musculares a miosina II pode ser fosforilada em sítios tanto em suas cadeias pesadas quanto nas leves, o que afeta tanto a atividade motora quanto a montagem de filamentos espessos. Nessas células a miosina II pode ocorrer sob dois estados conformacionais diferentes, um estendido, que forma filamentos bipolares, e um curvado, onde o domínio da cauda parece interagir com a cabeça motora. A fosforilação da cadeia leve reguladora por uma cinase de cadeia leve de miosina (MLCK) dependente de cálcio faz com que a miosina II preferencialmente assuma o estado estendido, o que promove sua associação em um filamento bipolar e leva à contração celular. A MLCK também é ativada durante a mitose, fazendo a miosina II se organizar em anéis contráteis que dividem a célula mitótica. A fosforilação da miosina também é um importante componente no controle da contração em células musculares lisas.
As contrações musculares dependem do deslizamento direcionado por ATP de um conjunto extremamente organizado de filamentos de actina sobre arranjos de filamentos de miosina II.
As longas e finas fibras musculares da musculatura esquelética são na verdade grandes células individuais que se formam durante o desenvolvimento pela fusão de muitas células separadas. Os vários núcleos permanecem no interior dessa grande célula, posicionados abaixo da membrana citoplasmática. A maior parte do interior do citoplasma é composta por miofibrilas (elementos contráteis básicos da célula muscular, estruturas cilíndricas de 1 a 2 micrômetros de diâmetro). Essa estrutura consiste em uma longa cadeia repetida de pequenas unidades contráteis, os sarcômeros, com comprimento aproximado de 2,2 micrômetros, e que conferem a aparência estriada às miofibrilas.
Cada sarcômero é formado a partir de um pequeno arranjo exatamente ordenado paralelamente e parcialmente superposto de filamentos delgados e espessos. Os filamentos delgados são compostos por actina e proteínas associadas, sendo ligadas por suas extremidades (+) a um disco Z em cada extremidade do sarcômero. As extremidades (-) capeadas se estendem em direção ao centro do sarcômero, onde se sobrepõem aos filamentos espessos, arranjos bipolares formados a partir de isoformas musculares específicas de miosina II. Examinada em secção transversal por microscopia eletrônica os filamentos de miosina são vistos em um arranjo hexagonal com os filamentos de actina ordenadamente interpostos. Nas musculaturas cardíaca e lisa esse arranjo não é tão regular.
O encurtamento do sarcômero é provocado pelo deslizamento dos filamentos de miosina sobre os filamentos delgados de actina, sem que ocorra qualquer modificação em seus tamanos. Os filamentos bipolares espessos deslizam em direção às extremidades (+) dos filamentos delgados, dirigidos por dúzias de cabeças de miosina independentes posicionadas para interagir com cada um dos filamentos delgados. Já que não há coordenação entre os movimentos das cabeças de miosina eles devem operar sobre baixas taxas de progressividade, permanecendo fortemente ligados ao filamento de actina por um curto período de cada ciclo de ATPase para que não interfiram umas com as outras a ponto de provocar recuos. Cada filamento espessso possui aproximadamente 300 cabeças e cada cabeça cicla aproximadamente cinco vezes por segundo durante uma contração rápida, permitindo um movimento de ate 15 micrômetros por segundo e permitindo o encurtamento de 10% do sarcômero em 1/50 segundo. O rápido encurtamento sincronizado de milhares de sarcômeros alinhados entre si pelas extremidades em cada miofibrila dá uma capacidade de contração suficientemente rápida à musculatura esquelética.
As proteínas acessórias controlam a uniformidade da organização do filamento, do seu comprimento e espaçamento no sarcômero. As extremidades (+) do filamento estão ancoradas no disco Z, constituído de CapZ e alfa-actinina. O disco Z cobre os filamentos, evitando a despolarização, e os mantém associados em um feixe regularmente espaçado. O comprimento exato dos filamentos delgados é definido por uma proteína-molde denominada nebulina, que consiste quase que totalmente em repetições de um motivo de 35 aminoácidos que podem se ligar à actina e que se estende do disco Z até a extremidade (-), agindo como uma régua molecular. As extremidades (-) são capeadas e estabilizadas pela tropomodulina. Existe uma baixa taxa de troca de subunidades de actina em ambas as extremidades, o que faz com que os componentes do filamento tenham uma meia-vida de poucos dias, porém esta é muito estável comparada aos filamentos de actina de outros tipos celulares. Os filamentos espessos ficam a meio caminho entre os discos Z por pares opostos de uma proteína-molde chamada titina. A titina possui uma série de domínios que podem desenrolar-se um a um quando estresse é aplicado. Esse movimento “tipo mola” dos domínios mantém os filamentos espessos posicionados no centro do sarcômero e permite que a fibra muscular se reestruture após ser fortemente espichada.
A interação muscular geradora de força entre os filamentos ocorre apenas quando um sinal proveniente do nervo motor passa através do músculo esquelético. Imediatamente após a chegada do sinal a célula precisa ser capaz de sofrer contração pelo encurtamentosimultâneo de todos os seus sarcômeros. Duas características são necessárias para essa contração rápida. Primeiramente, as cabeças motoras de miosina gastam em cada filamento espesso apenas uma pequena fração do tempo do ciclo de ATP ligadas ao filamento e gerando força, permitindo a várias cabeças de miosina atuarem sucessivamente sem interferência sobre a outra. Segundo, um sistema especializado de membranas transfere o sinal que está chegando rapidamente através de toda a célula. O sinal do nervo gera um potencial de ação na membrana plasmática da célula muscular, e esta excitação se espalha através de uma série de dobramentos de membrana, os túbulos T, que se estendem internamente a partir da membrana citoplasmática ao redor de cada miofibrila. O sinal é transmitido por uma pequena abertura para o retículo sarcoplasmático, que consiste em RE modificado e que envolve cada miofibrila.
Quando o potencial de ação ativa um canal de Ca2+ na membrana do túbulo T um influxo de Ca2+ gera a abertura de canais de liberação de Ca2+ no retículo sarcoplasmático. O Ca2+ que flui para o citosol inicia a contração de cada miofibrila. Já que o sinal proveniente da membrana citoplasmática da célula muscular é transmitido em milissegundos para cada sarcômero, todas as miofibrilas da célula contraem ao mesmo tempo. A elevação da concentração de Ca2+ é termporária, já que o Ca2+ é rapidamente bombeado de volta para o retículo sarcoplasmático por uma bomba de Ca2+ dependente de ATP (Ca2+-ATPase). A concentração citoplasmática de Ca2+ é restaurada após 30ms, permitindo o relaxamento das miofibrilas.
A dependência de Ca2+ na contração muscular esquelética de vertebrados e sua dependência de comandos nervosos é resultado da existência de um grupo de proteínas acessórias especializadas intimemente associadas aos filamentos delgados. Uma é a forma muscular da tropomisina, molécula longa que se liga à fenda da hélice de actina. A outra é a troponina, um complexo de três polipeptídeos (troponinas T, I e C). A troponina I se liga tanto à actina quanto à troponina T. Em um músculo em repouso o complexo troponina I-T puxa a tropomiosina para fora da fenda normal de ligação, deixando-a em uma posição relativa ao filamento de actina que interfere com a ligação das cabeças de miosina, impedindo qualquer interação geradora de força. Quando o nível de Ca2+ se eleva a troponina C, que se liga a até quatro moléculas de Ca2+, faz com que a troponina I seja desconectada da actina. Isso permite o retorno da molécula de tropomiosina à sua posição normal e permite que as cabeças de miosina possam deslizar sobre os filamentos de actina. A troponina C é relacionada à calmodulina, que se liga a Ca2+, poendo ser considerada uma calmodulina que adquiriu sítios de ligação para troponina I e troponina T.
Nas células musculares lisas a contração também é provocada por um influxo de Ca2+, mas com mecanismos de regulação diferentes. O músculo liso forma a porção contrátil do estômago, intestino, útero, paredes das artérias e outras estruturas que necessitam de contrações lentas e sustentadas. O músculo liso é composto por camadas de células bastante longas e em forma de fuso, mononucleadas. As células musculares lisas não expressam troponinas. O influxo de íons cálcio regula a contração por dois mecanismos que dependem da proteína ubíqua de ligação a cálcio, calmodulina.
Inicialmente, a calmodulina ligada a Ca2+ se liga a uma proteína de ligação à actina, a caldesmona, que bloqueia os sítios de actina onde as cabeças de miosina poderiam se ligar. Isso faz com que a caldesmona seja excluída dos filamentos de actina, preparando os filamentos para a contração. A seguir uma das duas cadeias leves da miosina é fosforilada pela MLCK, permitindo à cabeça de miosina interagir com filamentos de actina e provocar a contração. Quando ela é desfosforilada as cabeças de miosina se dissociam da actina, se inativando. A MLCK necessita de Ca2+/calmodulina ligada para estar completamente ativa.
Moléculas externas de sinalização, como a adrenalina (epinefrina), também podem regular a atividade contrátil do músculo liso. A ligação da adrenalina a seu receptor de superfície celular acoplado à proteína G provoca um aumento dos níveis intracelulares de AMP cíclico, o que ativa a proteína cinase de AMP cíclico (PKA). A PKA fosforila e inativa a MCLK, relaxando as células musculares lisas.
Os eventos de fosforilação que regulam a contração das células musculares lisas ocorrem de forma relativamente lenta, com a contração máxima frequentemente requerindo quase um segundo. Porém uma rápida ativação não é necessária à musculatura lisa, já que sua miosina II hidrolisa ATP 10 vezes mais lentamente que a miosina de músculo esquelética.
Várias isoformas específicas de miosina muscular cardíaca e actina muscular cardíaca são expressas nas células do coração. Mesmo alterações sutis nas proteínas contráteis cardíacas podem ocasionar sérias doenças cardíacas.
A cardiomiopatia hipertrófica familiar causa morte súbita em atletas jovens. É uma condição genética dominante que afeta dois em cada mil indivíduos e está associada ao aumento do tamanho do coração, vasos coronários pequenos e distúrbios no ritmo cardíaco. Mais de 40 mutações pontuais simples que levam a essa condição foram descritas em genes que codificam a cadeia pesada da beta miosina cardíaca.
Cílios e flagelos são estruturas motrizes eficientes construídas a partir de microtúbulos e dineína. Os cílios e os flagelos são apêndices celulares que possuem um feixe de microtúbulos em seu interior. Os flagelos são encontrados em espermatozoides e em vários protozoários, que por um movimento ondulatório possibilitam que a célula nade através de meios líquidos. Os cílios são mais curtos que os flagelos e batem como um chicote. Os ciclos de cílios adjacentes apresentam sincronia, criando um padrão semelhante ao movimento de ondas. O batimento dos cílios pode propelir uma célula através de um fluido (como no protozoário Paramecium) quanto movimentar fluidos sobre a superfície de um grupo de células em um tecido. No corpo humano uma grande quantidade de cílios reveste o trato respiratório, varrendo camadas de muco, partículas de poeira e bactérias até a boca. Cílios ao longo do oviduto auxiliam o percurso dos óvulos em direção ao útero.
O movimento de um cílio ou flagelo é produzido pela flexão de sua porção central, o axonema. O axonema é composto por microtúbulos e por suas proteínas associadas, organizadas em um padrão regular e característico. Nove pares especiais de microtúbulos, um microtúbulo completo e um parcial fusionados para compartilhar uma parede tubular entre si, encontram-se organizados em um anel ao redos de um par simples de microtúbulos. Essa organização é encontrada em quase todos os flagelos eucarióticos e cílios. Os microtúbulos estendem-se de forma contínua por todo o comprimento do axonema, que pode apresentar de 10 a 200 micrômetros. Em intervalos regulares proteínas acessórias interligam os microtúbulos.
Moléculas de dineína ciliar formam pontes entre pares de microtúbulos adjacentes em toda a circunferência do axonema. Quando o domínio motor da dineína é ativado as suas moléculas ligadas a um par de microtúbulos tentam se movimentar sobre o par de microtúbulos adjacente, forçando o deslizamento de um sobre o outro. No entanto a presença de outras conexões entre os pares de microtúbulos impede este deslizamento, e a força da dineína se converte em movimento de flexão.
O comprimento do flagelo é cuidadosamente regulado. Se um dos flagelos de Chlamydomonas for amputado o flagelo remanescente sofre um encurtamento temporário e o flagelo que foi cortado cresce até que alcancem o mesmo tamanho. A seguir ambos crescem até que alcancem o mesmo comprimento de uma célula não alterada. Novos componentes como tubulina e dineína são incorporados em sua extremidade distal.
Nos humanos defeitos hereditários da dineína ciliar causam a síndrome de Kartagner. Esta síndrome é caracterizada por esterilidade masculinadevido a imobilidade dos espermatozoides, alta suscetibilidade a infecções pulmonares devido à paralisação dos cílios do trato respiratório e defeitos na determinação do eixo lateral do corpo durante o desenvolvimento embrionário.
As bactérias também podem se mover em meio líquido usando estruturas de superfície celular chamadas flagelos, mas estes não contém microtúbulos ou dineína e não ondulam ou batem. Em vez disso, flagelos bacterianos são filamentos helicoidais rígidos, longos, feitos de subunidades repetidas de flagelina. Os flagelos giram como propulsores, guiados por um motor rotatório especial inserido na parede celular bacteriana.
Os corpos basais enraízam firmemente os cílios e os flagelos eucarióticos à superfície celulas. Possuem a mesma forma dos centríolos, com nove grupos de tripletes de microtúbulos fusionados organizados em forma de roda de carreta. Em alguns organismos os corpos basais e centrômeros são funcionalmente intercambiáveis. Novos centríolos e corpos basais surgem por um processo no qual uma estrutura derivada menor é formada perpendicularmente à estrutura original por um mecanismo desconhecido.
Em células animais que não possuem cílios ou flagelos completamente desenvolvidos os centríolos frequentemente promovem a nucleação e o crescimento de uma projeção de superfície rica em microtúbulos e não motriz, o cílio primário. Os cílios primários geralmente possuem um comprimento de poucos micrômetros e não apresentam dineína. São encontrados na superfície de diferentes tipos de células, como fibroblastos, células epiteliais, neurônios, células ósseas e condrócitos. Várias proteínas de sinalização se concentram no cílio primário, como proteínas envolvidas na via de sinalização Hedgehog e receptores para neurotransmissores. Em células epiteliais renais os cílios primários agem como sensores de fluxo na detecção de movimento do fluido que atravessa os túbulos renais. Canais de cálcio mecanossensíveis são abertos quando o fluxo flexiona o cílio primário, regulando o crecimento e a proliferação celular renal. A perda do canal de cálcio ou de outros componentes estruturais do cílio primário em células renais causa a doença do rim policístico.
A maior parte dos movimentos celulares depende de estruturas lábeis que aparecem em estágios definidos do ciclo celular ou em resposta a sinais externos e desaparecem após cumprir suas funções, como o fuso mitótico e o anel contrátil.
Em uma rápida sequência de eventos que geralmente dura menos de uma hora em células animais o arranjo interfásico de microtúbulos é completamente dissociado e reorganizado para a formação da estrutura em fuso bipolar responsável pela segregação dos cromossomos duplicados em perfeita fidelidade para as duas células-filhas. A construção e o funcionamento do fuso mitótico apresentam um enorme grau de redundância.
Na mitose inicial ocorrem grandes alterações no comportamento dinâmico e no comprimento médio dos microtúbulos. Na interfase os arranjos de microtúbulos são longos e sofrem raras catástrofes, mas durante a mitose os microtúbulos são mais curtos e muito mais dinâmicos. A nucleação e montagem de microtúbulos está aumentada nas regiões adjacentes aos cromossomos condensados. Conforme os microtúbulos são montados sobre a cromatina condensada, em orientações aleatórias, a ação coordenada de diferentes proteínas motoras constrói um fuso bipolar coerente a partir da massa de microtúbulos desorganizados. Inicialmente a cinesina-5-bipolar promove a formação de feixes de microtúbulos em arranjos paralelos e desliza os microtúbulos orientados em sentidos opostos uns sobre os outros. A seguir a cinesina-4 direciona-se para as extremidades (+) dos microtúbulos associados aos cromossomos e impulsiona suas extremidades (-) para longe da massa do cromossomo. Motores de dineína citoplasmática e cinesina-14 direcionados para as extremidades (-) formam complexos oligoméricos com proteínas estruturais que agregam as extremidades (-) para a formação dos polos do fuso. Na maioria das células animais esses processos são dirigidos por um par de centríolos que auxiliam a nucleação e a organização das extremidades (-) dos microtúbulos.
Após a montagem o fuso mitótico bipolar pode permanecer estável e quiescente por longos períodos. Essa aparência é enganosa, pois o fuso é na verdade extremamente dinâmico. Por exemplo, vários microtúbulos do fuso exibem um comportamento denominado fluxo em direção ao polo, com uma adição média de subunidades de tubulina nas extremidades (+) balanceando uma perda média nas extremidades (-). O fluxo polar é conduzido pela ação de proteínas motoras direcionadas para a extremidades (-) no fuso polar, que estão constantemente circulando nos microtúbulos, e pelos motores bipolares de cinesina-5 direcionados para as extremidades (+) sobre os microtúbulos interpolares que estão constantemente mantendo-os espaçados.
Muitas células se movem arrastando-se sobre superfícies. As amebas predadoras rastejam em busca de comida. Em animais a maior parte da locomoção celular ocorre por rastejamento. Na embriogênese a estrutura de um animal é criada pela migração de células individuais para pontos-alvo específicos e pela ação coordenada de camadas epiteliais inteiras. Em invertebrados as células da crista neural partem do tubo neural e se dirigem a várias regiões no embrião. Deslocamentos a grandes distâncias são essenciais para a construção do sistema nervoso completo.
Macrófagos e neutrófilos encaminham-se para as regiões de infecção e englobam invasores estranhos como parte essencial da resposta imune inata. Osteoclastos formam canais no interior dos ossos que são preenchidos por osteoblatos. Fibroblastos podem migrar através do tecido conectivo, remodelando-o quando necesspário. As células do epitélio que reveste o intertino percorrem as laterais das vilosidades intestinais.
O movimento de deslizamento é um processo integrado extremamente complexo, dependente do córtex rico em actina. Estão envolvidas nele a protrusão, onde estruturas ricas em actina são impulsionadas para fora na face anterior da célula, ligação, onde o citoesqueleto de actina conecta-se através da membrana citoplasmática ao substrato, e tração, onde uma massa de citoplasma é arrastada e impulsionada para a frente. Em determinadas células deslizantes, como os queratócitos de epiderme dos peixes, estas atividades encontram-se untimamente coordenadas. Em outras células, como os fibroblastos, estas atividades são mais independentes e a locomoção ocorre em pulsos.
A protrusão parece apoiar-se em forças geradas pela polimerização de actina que impulsiona a membrana citoplasmática para a frente. Diferentes tipos celulares dão origem a diferentes tipos de estruturas protrusivas, como filopódios (microespículas), lamelipódios e pseudópodes. Todas essas são preenchidas por um núcleo denso de filamentos de actina, que exclui a presença de orgabelas delimitadas por membrana, e diferente pela forma de organização da actina.
Filopódios, formados por cones de crescimento em migração e alguns tipos de fibroblastos, são unidimensionais. Contém um núcleo de longos filamentos de actina em feixe. Lamelipódios, formados por células epiteliais, fibroblastos e alguns neurônios, são bidimensionais. Contém uma rede de filamentos de actina interligados ortoganelmente, a maioria em um plano paralelo ao substrato. Os pseudópodes, formados pelas amebas e neutrófilos, são grosssas projeções tridimensionais preenchidas por um gel de filamentos de actina.
Enquanto o lamelipódio se desloca para a frente, os filamentos de actina permanecem estacionários em relação ao substrato. A maioria dos filamentos de actina na rede encontra-se com a extremidade (+) para a frente. As extremidades (-) encontram-se frequentemente ligadas às laterais de outros filamentos de actina por complexos ARP auxiliando a formar a rede bidimensional. A rede como um todo parece estar sob o efeito de treadmilling. O treadmilling de uma rede dentrítica construída a partir de complexos ARPé uma das diversas formas que a célula pode usar filamentos dinâmicos de actina para protrudir uma borda anterior. Algumas células de lenta locomoção parecem usar um mecanismo que não depende dos complexos ARP, mas que permanece dependente da coordenação entre montagem e dissociação de filamentos de actina, provavelmente coordenada por forminas.
A manutenção de um movimento unidirecional pelo lamelipódio necessita da coordenação e integração de diversos fatores. A nucleação de filamentos está na borda anterior dessa estrutura, com o crescimento de filamentos novos de actina ocorrendo principalmente na região que impulsiona a membrana plasmática para a frente. A maior parte da despolimerização ocorre em regiões afastadas da borda anterior. A cofilina liga-se preferencialmente a filamentos de actina que contém ADP-actina, então os filamentos de forma T recém sintetizados na borda anterior devem ser resistentes à despolarização mediada por ela. Conforme o filamento envelhece e o ATP se hidrolisa a cofilina pode dissociar os filamentos mais antigos. Assim o treadmilling eficiente no lamelipódia parece ser baseado no retardo da hidrólise de ATP. Finalmente, os filamentos de miosina II bipolar se associam aos filamentos de actina e puxam-os para uma nova orientação, de quase perpendicular à borda anterior para uma orientação praticamente paralela a ela, evitando a protrusão e pinçando as laterais.
A polimerização na extremidade (+) impulsiona a membrana para a frente, ou pode impulsionar vesículas ou partículas através do citoplasma da célula, como na bactéria Listeria monocytogenes.
Os lamelipódios de todas as células compartilham um sistema básico e simples de organização dinâmica onde a montagem de filamentos de actina ocorre preferencialmente na borda anterior e a dissociação de filamentos na borda posterior, mas as interações entre a célula e seu ambiente físico tornam a situação mais complexa. De importância extrema é a íntima troca de informações entre o citoesqueleto e a maquinaria de adesão celular. As taxas de adesão e locomoção estão inversamente relacionadas.
À medida que o lamelipódio, o filipódio e o pseudopódio se estendem para se posicionar podem se formar novas regiões de adesão na região anterior da célula que permanecem estacionárias, persisistindo até que a porção posterior da células as alcance.
Os sítios de adesão na borda anterior funcionam como pontos de ancoragem, proporcionando à célula a possibilidade de geração de tração sobre o substrato e a consquente capacidade para impulsionar seu próprio corpo para a frente. Proteínas motoras de miosina, especialmente a miosina II, parecem gerar força de tração. A miosina II geralmente está concentrada na região posterior da célula onde auxiliam a empurrar o corpo celular para a frente. A contração do córtex rico em actina na região posterior também pode seletivamente enfraquecer antigas interações adesivas que tendem a puxar a célula para trás. A miosina II também podem transportar componentes do corpo celular para a frente através de um feixe polarizado de filamentos de actina.
Em um animal vivo a maioria das células se movimenta ao longo de um substrato semiflexível composto pela matriz extracelular. Tensão mecânica ou de estiramento aplicada extrenamente a uma célula provocará uma organização de fibras de estresse e adesões focais.
Durante uma migração direcionada é importante que a extremidade anterior da célula permaneça estrutural e funcionalmente distinta da extremidade posterior. O citoesqueleto é responsável pela coordenação da morfologia celular, pela organização e por propriedades mecânicas em toda a extensão da célula. Muitas vezes a coordenação citoesquelética se apresenta por uma polarização celular, onde a célula constroi estruturas com componentes molecuras distintos em suas regiões. Processos de polarização celular controlados também são necessários às divisões celulares orientadas e à formação de uma estrutura molecular coerente e organizada.
No citoesqueleto de actina diferentes receptores de superfície celular induzem rearanjos estruturais globais em resposta a sinais externos. Todos esses sinais parecem convergir em um grupo de GTPases monoméricas da família da proteína Rho – Cdc42,Rac e Rho.
Essas proteínas agem como interruptores moleculares controlando estados ativos ligados a GTP e inativos ligados a GDP. A ativação de Cdc42 na membrana plasmática induz a polimerização de actina e o empacotamento para a formação de filipódios ou microespículas. A ativação da Rac promove a polimerização de actina na periferia celular, levando à formação de lamelipódios planos e ondulações na membrana. A ativação de Rho promove tanto a produção de feixes de filamentos de actina com filamentos de miosina II sob a forma de fibras de estresse quanto o agrupamento de integrinas e proteínas associadas para a formação de contatos focais.
Alguns alvos-chave de Cdc42 ativado são membros da família de proteínas WASp. Sua deficiência causa a síndrome de Wiskott-Aldrich, onde plaquetas não são adequadamente formadas. A WASp só é expressa em células sanguíneas e imunes, mas outros membros são ubiquamente expressos. As proteínas WASp podem ocorrer sob uma conformação dobrada inativa ou sobre uma conformação aberta ativada. A associação com Cdc42-GTP estabiliza a forma aberta, permitindo que se ligue ao complexo ARP, o que aumenta a atividade desse complexo de nucleação, levando a um aumento da nucleação de actina.
A Rac-GTP também ativa membros da família WASp, tanto ativando a atividade de interligação da proteína formadora de gel filamina quanto inibindo a atividade contrária da miosina II, estabilizando o lamelipódio quando inibindo a formação de fibras de estresse.
A Rho-GTP possui um conjunto de alvos bastante distinto. Em vez de ativar o complexo ARP para construir redes de actina a Rho-GTP direciona as forminas para a construção de feixes paralelos de actina. Ao mesmo tempo ativa uma proteína-cinase que inibe diretamente a atividade da cofilina, estabilizando o filamento de actina. A mesma proteína-cinase inibe uma fosfatase, atuando sobre as cadeias leves da miosina. O aumento na fosforilação leva a um aumento da atividade contrátil da miosina, aumentando a formação de estruturas dependentes de tensão, como é o caso das fibras de estresse.
Em alguns tipos de células a Rac-GTP ativa Rho, com uma cinética lenta se comparada à ativação do complexo ARP mediada por Rac. Isso érmite que a célula use a via Rac para construir uma nova via de actina e, subsequentemente, ativa a via Rho para induzir a contrabilidade que gera tensão. Isso ocorre durante a formação e maturação de contatos célula-célula.
A ativação das GTPases monoméricas Rho, Rac e Cdc-42 ocorre pela troca de um GTP por uma molécula GTP fortemente ligada, catalisada por fatores de troca de nucleotídeos guanina (GEFs). Dos 85 GEFs identiicados no genoma humano, alguns são específicos para um membro da família Rho de GTPases, e outros parecem atuar nos três membros da família. Diferentes GEFs estão restritos a tecidos específicos ou a posições subcelulares especídicos, e esses fatores também são sensíveis a diferentes tipos de sinais. Diferentes receptores de superfície celular ativam os GEFs. Um é o receptor tirosina-cinase Eph envolvido no direcionamento do cone de crescimento do neurito.
As GTPases da família Rho também são determinantes primárias da polaridade celular no brotamento de leveduras. Em deficiência de alimento as leveduras esporulam, e a esporulação só pode ocorrer em células diplóides. Então, um indivíduo haplóide deve localizar um companheiro que possua tipo oposto de acasalamento, acasalar e esporular. As células de levedura devem chegar ao companheiro por crescimento polarizado. A célula haploide apresenta dois tipos distintos para acasalamento que secretam seus respectivos fatores – a e alfa – que agem por sua ligação a receptores de superfícia celular que pertencem à superfamília de receptores acoplados à proteína G. Ao fator alfa se ligar aseu receptor a célula recipiente se polariza, adotando uma forma conhecida como “shmoo”. Na presença de um gradiente de fator alfa a porção superior de um shmoo de célula a se direciona rumo à concentração maior.
Este crescimento requer o alinhamento do citoesqueleto de actina em resposta ao sinal do fator de acasalamento. Quando o sinal liga-se a seu receptor o receptor ativa Cdc-42, que induz a associação de filamentos de actina na região próxima à fonte do sinal. A ativação local de Cdc-42 é potencializada por uma alça de retroalimentação positiva, que necessita de transporte dependente de actina do próprio Cdc42 e também de GEF e outros componentes de sinalização, em conjunto com as estruturas de actina recentemente sintetizadas, para o local do sinal. Os cabos de actina atuarão como caminhos para o direcionamento do transporte e a exocitose do material para a parede celular da nova célula, o que resulta no crecimento polarizado da extremidade do shmoo.
As células haploides de levedura usam essa mesma maquinaria de polarização durante o crescimento vegetativo. Para formar o broto que dará origem à célula-filha a levedura deve direcionar material para a nova membrana plasmática e para a nova parece celular. Como acontece na formação do shmoo, esse processo requer uma polaridade citoesquelética inicial, com a maior parte das manchas de actina situadas na região de crescimento do broto, e cabos de actina orientados sobre o eixo do broto. Nas células haploides uma nova região de brotamento é sempre constituída imediatamente adjacente ao sítio anterior de brotamento. Nesse caso as dicas espaciais que definem a polaridade do citoesqueleto são intrísecas à célula, tendo sido deixadas pelos ciclos de divisão anteriores. O Cdc42 está mais uma vez envolvido na transdução de sinal do sítio de destino do brotamento para o citoesqueleto, e a maioria das proteínas envolvidas nas vias tanto acima da cascata quanto abaixo foi identificada.
Quimiotaxia é o movimento celular em um sentido controlado por um gradiente químico difusível. Essa é uma situação onde sinais externos induzem proteínas da família Rho a estabelecer uma polarização celular em larga escala pela organização do aparato necessário para a motricidade celular. Um exemplo é o movimento quimiotáxico dos neutrófilos em direção a uma fonte de infecção bacteriana. Proteínas receptoras na superfície dos neutrófilos permitem que detectem concentrações extremamente baixos de peptídeos N-formilados, que são derivados de proteínas bacterianas. Usando esses receptores os neutrófilos são guiados em direção aos alvos bacterianos, comparando o ambiente em ambos os lados da célula por sua capacidade de identificar uma diferença de apenas 1% na concentração desses peptídeos.
Uma polimerização localizada de actina próximo aos receptores é estimulada quando o receptor encontra seu ligante. Isso depende das GTPases da família Rho. A célula responsiva estende uma protuberância em direção ao sinal. Nas células quimiotáxicas a ligação do ligante quimioatrator a seu receptor acoplado à proteína G ativa cinases 3’ fosfoinositídeos (PI3Ks), que geram uma molécula de sinalização com base em lipídio (PI[3,4,5]P3), que por sua vez ativa a GTPase Rac.A seguir Rac ativa o complexo ARP, resultando na formação de lamelipódios. Por um mecanismo desconhecido, o acúmulo da rede de actina polarizada na borda anterior potencializa o aumento de atividade de PI3K em retroalimentação positiva, reforçando a indução de uma protrusão. A molécula (PI[3,4,5]P3) que ativa Rac não pode difundir de seu sítio de síntese, pois é reconvertida em PIP2 por uma fosfatase de lipídios. Simultaneamente, a ligação do ligante quimiotrator a seu receptor ativa outra via que, por sua vez, ativa Rho e aumenta a contratibilidade com base em miosina. Os dois processos se inibem direta e reciprocamente, fazendo a ativação de Rac dominar na região da célula e a de Rho na região posterior, permitindo a manutenção da polaridade.
Sinais químicos não-difusíveis também podem interferir no direcionamento da migração celular.
Para auxiliar na organização de um movimento persistente em uma direção determinada as células utilizam seus microtúbulos em conjunto aos filamentos de actina. Em várias células em locomação a posição do centrossomo (anterior ao núcleo) é influenciada pela localização da polimerização protrusiva da actina, e há evidências da ação da Cdc42 nesse mecanismo. Acredita-se que a ativação de receptores numa extremidade da célula pode não apenas estimular a polimerização local de actina mas também ativar localmente proteínas motoras semelhantes à dineína que movimentam o centrossomo por interação a seus microtúbulos. Diversas proteínas efetoras abaixo da Rac e da Rho na cascata de ativação modulam diretamente a dinâmixa dos microtúbulos. Uma proteína-cinase ativada por Rac pode inibir a estatmina, desestabilizando os microtúbulos, estabilizados pela Rho.
A dinâmica dos microtúbulos influencia os rearranjos de actina. O centrossomo promove a nucleação de vários microtúbulos dinâmicos, e seu reposicionamento indica que muitos microtúbulos apresentarão suas extremidades (+) estendidas para o interior da região protrusiva da célula. As extremidades (+) podem indiretamente modular a adesão local e ativar a Rac para potencializar a polimerização de actina pela liberação de Rac-GEFs que se ligam aos +TIPs que viajam sobre as extremidades dos microtúbulos em crescimento. A concentração aumentada de microtúbulos poderá encorajar outras protrusões, que permite a persistência do movimento por um período prolongado.
Quando uma célula T entra em contato com uma célula infectada por vírus e seus receptores reconhecem os antígenos virais na superfície da célula-alvo a mesma maquinaria de polarização é engajada de forma distinta, para facilitar a morte da célula alvo. Rac é ativada no ponto de contato entre as células e provoca a polimerização de actina, criando uma região especializada no córtex. Essa região induz a reorientação do centrossomo, movendo-o com seus microtúbulos para a zona de contato célula-T/célula-alvo. Os microtúbulos posicionam o aparelho de Golgi exatamente sob a zona de contato, facilitando a maquinaria de morte.
Os neurônios iniciam sob a forma de células comuns, com motricidade com base em actina até chegar em locais específicos. Ao chegar, no entanto, emitem uma série de longos processos especializados que irão ou receber sinais elétricos (dendritos) ou transmitir esses sinais (axônios). Tanto axônios quanto dendritos (coletivamente denominados neuritos) estão preenchidos por feixes de microtúbulos.
Em axônios todos os microtúbulos estão orientados na mesma direção, as extremidades (-) para o interior do corpo celular e as extremidades (+) rumo às terminações do axônio. Os microtúbulos não consegum cobrir individualmente a distância entre o corpo celular e as terminações do axônio, mas formam um grande arranjo. Esse caminho perfeitamente alinhado funciona como uma auto-estrada para o transporte de proteínas específicas, vesículas contendo proteínas e mRNAs para as terminações do axônio, onde as sinapses devem ser estabelecidas e mantidas.
As mitocôndrias, um grande número de proteínas específicas para o transporte de vesículas e os precursores de vesículas sinápticas fazem uma jornada em direção à extremidade anterógrada da célula, sendo transportadas por proteínas da família da cinesina direcionadas à extremidade (+) que podem movê-las um metro em dois ou três dias. Vários membros da família das cinesinas contribuem para esse transporte axonal anterógrado, a maioria transportando ao longo dos microtúbulos sub-grupos específicos de organelas delimitadas por membranas. As cinesinas estão envolvidas tanto no direcionamento das cargas para estruturas específicas quanto no movimento das cargas. Componentes velhos ou desnecessários presentes nos terminais do axônio são transportados para o corpo celular para degradação e reciclagem por um transporte axonal retrógrado pela dineína.
Osfilamentos de actina revestem o córtex do axônio e as proteínas motoras com base em actina, como a miosina V, também são abundantes, provavelmente com o intuito de movimentação de materiais. Os neurofilamentos fornecem o suporte estrutural.
A construção da elaborada arquitetura ramificada de neurônios depende da motricidade com base em actina. A s extremidades de neuritos estendem-se por intermédio de cones de crescimento. A maioria dos cones de crescimento produz filipódios, e alguns produzem lamelipódios. Tanto a projeção quanto a estabilização dos cones são sensíveis a sinais do ambiente. Algumas células secretam proteínas solúveis, como a netrina, para atrair ou repelir os cones, modulando a estrutura e a motricidade do citoesqueleto do cone por modificação do equilíbrio entre Rac e Rho. Há também marcadores de direcionamentro fixos. Quando um filopódio encontra um destes marcadores forma contatos adescivos por um colapso na rede de actina na porção não-estabilizada do cone, ocasionando um desvio do axônio em direção à placa.
Uma combinação de sinais positivos e negativos solúveis e insolúveis guia o cone ao seu destino final. Os microtúbulos reforçam as decisões das estruturas protrusivas de actina. Microtúbulos do arranjo paralelo axonal localizados atrás do cone constantemente crescem e encurtam devido à instabilidade dinâmica.
Os dendritos são projeções geralmente bem mais curtas que os axônios. Neles os microtúbulos se organizam paralelamente aos outros e com suas polaridades misturadas.
Apesar de neurônios serem células de longa duração não significa que são estáticas. As sinapses estão constantemente sendo criadas, reforçadas, enfraquecidas ou eliminadas, conforme o cérebro aprende, avalia e esquece. A morfologia neuronal está sob constante rearranjo.