Atlas de histologia vegetal e animal

Microtubos são componentes de citoesqueleto com funções importantes na fisiologia celular. O andaime microtubular do citoplasma é altamente plástico graças à capacidade de polimerização e despolimerização dos microtubulos. No entanto, nem todos os microtubos celulares estão sob esta fase de contração ou crescimento. Cílios, flagelos e centríolos/ corpos basais são estruturas celulares contendo microtubos muito estáveis (número e comprimento) e altamente organizados. Nesta página estamos lidando com cílios e flagelos.

1. Cilium

Cilia são protuberâncias celulares finas e longas de cerca de 0,25 µm de diâmetro e cerca de 10 a 15 µm de comprimento, que podem ser encontradas em células animais e algumas espécies eucarióticas unicelulares. São geralmente bem compactadas na superfície livre das células epiteliais (Figuras 1 e 2), tais como o epitélio das vias respiratórias, epitélio dos canais reprodutivos, brânquias de peixes e bivalves, etc. Os cílios são estruturas móveis e a sua principal função é mover o líquido circundante, como o muco da superfície das vias respiratórias, a água em torno do epitélio das guelras, mas também o oócito no ducto de Falópio fêmea. Muitos organismos unicelulares podem mover-se impulsionados por cílios, e outros podem utilizá-los para gerar o turbilhão de água para apanhar alimentos. Os cílios nodais embrionários têm sido implicados na iniciação do eixo esquerdo-direito durante o desenvolvimento embrionário dos vertebrados. O movimento ciliar é como bater, que impulsiona o líquido paralelamente à superfície celular.

Figure 1. Imagens de microscopia eletrônica de varredura mostrando o canal central de uma medula espinhal lampreia. Muitos cílios podem ser observados (com maior ampliação em B) e pequenos microfilhos no domínio apical das células ependimais.

Figure 2. Imagens de microscopia electrónica de transmissão do epitélio respiratório. Células com citoplasma claro mostram muitos cílios em sua superfície apical.

Existem cílios que não se podem mover, e portanto não são destinados à movimentação de líquidos. Estes cílios são conhecidos como cílios primários. A maioria das células estudadas até agora (exceto os glóbulos vermelhos) contém cílios primários: células oviduídas, neurônios, condrócitos, células ectodérmicas, células mesenquimais, células epiteliais urinárias, hepatócitos, e até mesmo células cultivadas. Inicialmente, os cílios primários eram considerados como cílios não funcionais. No entanto, muitos tipos de receptores e canais de íons foram encontrados na membrana ciliar, então eles foram considerados como estruturas sensoriais celulares. Por exemplo, receptores olfatórios são encontrados em cílios de seus dendritos, e os segmentos externos das hastes e cones da retina são na verdade cílios modificados. Alguns receptores são mais altamente embalados na membrana ciliar do que em outros domínios da membrana plasmática. Além disso, há uma grande variedade de moléculas no interior dos cílios envolvidos nas funções de transdução de sinal. A maior relação superfície/volume de um cílio torna as respostas moleculares intraciliares mais intensas e eficientes do que se estivessem fora do cílio. Além do sinal químico, os cílios primários podem detectar movimento de fluido fora da célula e trabalhar como mecanorreceptores.

2. Flagelum

Flagella são semelhantes aos cílios, mas são muito mais longos, cerca de 150 µm de comprimento, e ligeiramente mais espessos. Eles são bem menos numerosos que cílios em células. A principal função do flagelo é mover a célula. O movimento do flagelo é diferente do do cílio porque a direção do movimento é perpendicular à superfície da célula (não paralela), ou seja, a direção do eixo longitudinal do flagelo. O flagelo pode ser frequentemente observado em células móveis como organismos unicelulares e esperma.

Estrutura

Cilia e flagelo são estruturas complexas contendo mais de 250 proteínas diferentes. Ambos compartilham a mesma organização central do microtubo e outras proteínas associadas, conhecidas como axoneme, e limitadas pela membrana plasmática (Figura 3). Além do axoneme, existem muitas moléculas solúveis dentro da cilia/flagella que constituem a matriz. Axoneme é composto por 9 pares de microtubos ao redor de outro par central de microtubos. Esta organização pode ser escrita como (9 x 2) + 2. Os cílios primários não possuem par central de microtubulos. Cada microtubular do par central é composto por 13 protofilamentos, mas os microtubos dos pares periféricos compartilham alguns protofilamentos entre si. Assim, um par periférico é formado por microtúbulos A e B. O microtubo A contém 13 protofilamentos e o microtubo B contém 10 ou 11 protofilamentos, partilhando 2 ou 3 com o microtubo A.

Figure 3. Principais componentes moleculares de cílios e flagelos. Em cílios primários, o par central está ausente.

A organização do microtubo do axoneme é o resultado de um andaime de proteínas. Doze proteínas já foram encontradas como constituintes do axoneme envolvido na manutenção da organização do microtubo. Os pares de microtubos periféricos vizinhos estão ligados entre si por nexina. Em cada par, o microtubo A é conectado por raios de proteína a um anel central que contém o par central ou microtubos. Dinein é uma proteína motora associada aos microtubos periféricos envolvidos no movimento de cílios e flagelos.

Figure 4. Ultra-estrutura de um cílio de uma célula ependimal da medula espinhal. (9+2)x2 significa 9 pares periféricos e 1 par central de microtubulos.

Microtubulos são polimerizados a partir de corpos basais (Figuras 3 e 4). O corpo basal é constituído por 9 microtubos triplos formando um cilindro (semelhante aos centríolos). Falta-lhes um par central de microtubos, assim é (9×3)+0. Em cada trigêmeo, apenas um microtubo (Um microtubo) tem um conjunto completo de protofilamentos, enquanto que os microtubos B e C partilham alguns deles entre si. A partir do corpo basal, os microtubos A e B crescem e formam os microtubos periféricos do axoneme. Logo acima do corpo basal, existe uma região dos cílios conhecida como zona de transição que contém os 9 pares periféricos e nenhum par central. Imediatamente após a zona de transição, existe a placa basal, a partir da qual o par central de microtubulos é polimerizado para completar o axonêmico. Todos os microtubos têm a extremidade mais em direção à ponta do cílio/flagelo. A extremidade proximal do corpo basal (a extremidade interna, ou extremidade negativa dos microtubos) é ancorada ao citoesqueleto celular através de fibras proteicas longas chamadas radículas ciliares

Besides axoneme, cílios/flagelos têm outros compartimentos. A membrana contém muitos receptores e canais para a detecção do ambiente, especialmente em cílios primários. A fase fluida do interior é chamada de matriz, que ajuda a manter organizada toda a estrutura e é responsável pela transdução das informações coletadas pelos receptores de membrana. Outras áreas distintas são o corpo basal localizado na base e a parte apical do cílio/flagelo, que contém proteínas que estabilizam as extremidades positivas dos microgramas.

4. Movement

Figura 6. Modelos para o movimento do cílio e da flagela. Eles geram diferentes direcções de movimento de fluidos.

Quando o cório/flagelo são mecanicamente descolados da célula, eles continuam se movendo até que a loja ATP se esgote. Isto significa que o mecanismo do movimento é intrínseco (Figura 6). Na verdade, o movimento é produzido pelo deslizamento de um par periférico de microtubos sobre o vizinho. A Nexina e as proteínas do raio evitam a desorganização do axoneme, mas permitem estes movimentos. A dinina é a proteína motora responsável pelo movimento de deslizamento. A energia é fornecida pelo ATP. As jantares são ancoradas com sua parte globular ao microtubo A de um par periférico e com sua parte traseira ao microtubo B do par contíguo. O mecanismo molecular é semelhante ao das citosólicas dineínas, mas em vez de transportar uma carga, está movendo um microtubo. Para um movimento eficiente, é necessária uma coordenação das dinasinas do axoneme. Ondas de cálcio no interior do cílios/flagelos podem coordenar a ativação das dinasinas e mudar a freqüência do movimento quando necessário. É de notar que nem todas as jantares devem ser ativadas ao mesmo tempo, mas em sincronia.

5. Formação

Diferenciação duradoura, as células produzem todos os cílios e flagelos necessários para a sua fisiologia normal. Isso significa que todas elas devem ser geradas a partir do zero. Os microtubos Axoneme são nucleados a partir dos microtubos A e B dos corpos basais, portanto é necessário um corpo basal por cílio/flagelo. Como são formados os corpos basais múltiplos? Existem pelo menos três formas de produzir corpos basais: a) usando centríolos como modelos para nuclear corpos basais; b) a partir de material amorfo conhecido como deuterosoma; c) nas plantas, existem agregados proteicos distintos que podem nuclear corpos basais.

Númeras patologias humanas são consequência de falhas do cílio/flagelo. São conhecidas como ciliopatias, e incluem lateralidade aleatória, fechamento errado do tubo neural, polidactilia, patologias do rim cístico, fígado e pâncreas, degeneração da retina, obesidade e defeitos cognitivos.

Bibliografia

Marshall WF, Nonaka S. 2006. Cilia: tuning in to the cell’s antenna. Biologia atual. 16:R604-R614.

Satir P, Christensen ST. 2007. Visão geral da estrutura e função de cílios de mamíferos. Revisão anual da fisiologia. 69:377-400.