© 2015 Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
Transmissão Sináptica
Objetivos: Rever conhecimentos relacionados ao potencial de ação. Aprender o uso do
programa HHsim para simular potencial de ação. Apresentar as bases moleculares para o
entendimento da transmissão sináptica. Daremos destaque a duas proteínas que
participam da sinapse química: canal de sódio dependente de voltagem e o receptor de
acetilcolina. Discutiremos, também, a ação dos anestésicos locais e a produção de
potenciais elétricos por eletrócitos.
Materiais:
1. Computador iMac;
2. Programa HHSim.
Procedimento: Simularemos o potencial de ação. Clique no ícone do programa HHsim.
Clique no clear na tela gráfica. Nas janelas localizadas na parte inferior (amarela (m),
verde (h) e azul (n)) escolha a opção blank. Clique em Stim1. Esta opção simula o
estímulo da membrana além do potencial limiar, o que leva ao disparo de um potencial de
ação. O eixo y indica o potencial de membrana em mV, o eixo x indica o tempo em ms. A
linha vermelha da tela gráfica indica a variação do potencial de membrana.
1) Faça um esboço do gráfico (linha vermelha) da tela e indique cada uma das fases
do potencial de ação. Descreva cada fase do potencial de ação.
Clique em clear na tela gráfica. Clique na janela amarela (primeira à esquerda) na opção
g_Na e na janela verde na opção g_K, deixe a janela azul na opção blank. As opções
g_Na e g_K indicam as condutâncias ao Na e K, respectivamente. As condutâncias são
medidas em Siemens (S), e representam o inverso da resistência elétrica. No programa
temos as condutâncias em pS (picoSiemens, 10-12 S). Clique em Stim1.
2) Faça um esboço do gráfico das condutâncias (g_Na e g_K). A condutância pode
ser analisada como o equivalente da permeabilidade iônica (facilidade com as
quais os íons atravessam a membrana), quanto mais alta a condutância para um
dado íon maior a permeabilidade deste íon. Por que as condutâncias
apresentam diferentes comportamentos durante o potencial de ação?
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Potencial limiar
Procedimento:
Volte ao menu principal e clique em clear. Clique na janela de estímulos (Stimuli) na
janela principal (terceiro quadrado branco na parte de cima). O gráfico mostra a corrente
elétrica aplicada (linha roxa) em função do tempo.
Vamos variar a amplitude (altura) do estímulo. Coloque a amplitude do estímulo 1 (Stim 1)
em 2 nA ( 1 nA = 10-9 A), movendo a barra vertical da esquerda. Volte ao menu principal e
clique em clear. Clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha).
Aumente o estímulo para 3 nA. Volte ao menu principal e clique em Stim1. Observe o
potencial de membrana (linha vermelha).
3) Aumente o estímulo para 4 nA. Volte ao menu principal e clique em Stim1.
Observe o potencial de membrana (linha vermelha). Há disparo do potencial de
ação? Por quê?
Período Refratário
Procedimento: Clique no clear na tela gráfica. Clique na janela de estímulos (Stimuli) na
janela principal (terceiro quadrado branco na parte de cima). Aumente o estímulo para 10
nA.
Este gráfico mostra a corrente elétrica aplicada (linha roxa) em função do tempo.
Volte à janela principal do HHsim. Nas janelas amarela, verde e azul clique na opção
blank. Na janela de estímulos (Stimuli) altere a corrente do segundo pulso de corrente
(Pulse 2 height) no estímulo 1 (Stim1).
Aumente a corrente até o valor de 10 nA, deverá aparecer um segundo pulso de corrente
no gráfico.
Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Observe o gráfico do potencial contra
o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 1 ms após o primeiro pulso.
Aumente o intervalo de tempo entre os dois pulsos de corrente elétrica na janela de
estímulos, para o estímulo 1 (stim1). Passe o intervalo de tempo para 2 ms, clicando em
inter-pulse interval.
Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Observe o gráfico do potencial contra
o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 2 ms após o primeiro pulso
4) Repita o procedimento aumentado o intervalo de tempo para 8 ms. Volte à janela
principal do HHsim. Clique em Stim1. Faça o gráfico do potencial contra o
tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 8 ms após o primeiro
pulso. Há disparo de um segundo potencial de ação? Por quê?
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Potencial de Ação (Teste farmacológico)
Procedimento:
Na janela stimuli clique reset. Feche a janela Stimuli. Na janela principal clique clear.
Nas janelas amarela, verde e azul clique na opção blank. Clique na janela drugs (quarta
janela branca da parte de cima). No HHsim podemos testar o efeito de 3 drogas:
tetrodoxina (TTX), tetraetilamônio (TEA) e pronase. TTX bloqueia canais de Sódio, TEA
bloqueia canais de Potássio e a pronase é uma enzima que catalisa a clivagem do portão
de inativação do canal de Sódio.
Teste da TTX
A TTX causa paralisia por meio de interferência na junção neuromuscular. Sua estrutura
molecular está representada na figura 1. A TTX apresenta origem não proteica, ou seja,
não é uma proteína ou peptídeo. Na natureza a TTX é encontrada na pele, ovário, fígado
e intestino de certos peixes, como o baiacu.
Figura 1. Estrutura molecular da TTX encontrada no peixe baiacu.
No HHsim, coloque a inibição da TTX em 100 % na janela drugs e clique Enter. Volte à
janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Faça um esboço do gráfico do potencial
com relação ao tempo.
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Teste da TEA.
A estrutura do tetraetilamonium está mostrada na figura 2. O TEA é usado como agente
anti-arritmia e vasodilatador.
Figura 2. Estrutura do tetraetilamonium (TEA).
No HHsim, clique clear na janela principal. Clique na janela drugs. Clique em reset. Na
janela principal clique em clear. Coloque a inibição da TEA em 100 % na janela drugs e
clique enter. Volte à janela principal do HHsim. Faça um esboço do gráfico do potencial
com relação ao tempo.
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Teste da pronase
Clique na janela drugs. Clique em reset. Na janela principal clique em clear. Clique na
opção pronase na janela drugs. Na janela principal clique em Stim1. Faça um esboço do
gráfico do potencial com relação ao tempo. A pronase é uma enzima que catalisa a
degradação do portão de inativação do canal de Sódio dependente de voltagem.
5) A partir da análise dos 3 gráficos anteriores discuta o efeito de cada droga no potencial
de ação, compare estes gráficos com o gráfico do potencial de ação sem efeito de drogas.
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Receptor de Acetilcolina
Os neurônios são capazes de enviar mensagens para células pós-sinápticas de forma
relativamente rápida, da ordem de milisegundos (ms). Neurônios pré-sinápticos
apresentam vesículas com neurotransmissores, que liberam seu conteúdo na fenda
sináptica. Os neurotransmissores liberados sofrem rápida difusão, ligando-se a receptores
específicos na célula pós-sináptica. A ligação do neurotransmissor ao receptor na célula
pós-sináptica promove sua abertura, permitindo a entrada de íons na célula pós-sináptica,
conforme ilustrado na figura 3. Os receptores abrem em um tempo de milisegundos, após
a liberação do neurotransmissor na fenda sináptica e fecham-se de forma rápida também,
após a queda da concentração de neurotransmissor na fenda.
Figura 3. Diagrama esquemático da sinapse química. Modificado a partir da figura
disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/415719/enlarge >. Acesso em 15 de
abril de 2015.
Um dos neurotransmissores mais estudados é a acetilcolina, que está envolvida em
sinapses do sistema nervoso central e em junções neuromusculares. Receptores de
acetilcolina são encontrados em fibras musculares e em neurônios do sistema nervoso
central. A estrutura do receptor de acetilcolina tem o formato típico de canais iônicos,
como mostrado na figura 4. O receptor de acetilcolina é uma proteína transmembranar
composta por 5 cadeias polipeptídicas (pentâmero), sendo duas cadeias alfa, uma beta,
gama e delta.
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Figura 4. Receptor de acetilcolina, vista lateral e vista superior. Disponível em: <
http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momID=71 >. Acesso em 21 set. 2014.
Na figura 4 vemos em vermelho o neurotransmissor ligado às duas unidades do receptor
(cadeias alfa). A ligação da acetilcolina promove mudanças leves na estrutura do
receptor, o que leva à formação de um canal no centro. Tal canal possibilita o influxo de
íons positivos. No caso da fibra muscular, o influxo de íons de sódio leva à contração
muscular. Quando relaxadas as fibras musculares estão constantemente bombeando
sódio para o meio extracelular, o que cria uma reserva de sódio. A abertura do canal leva
à mudança abrupta do potencial de membrana da fibra muscular, o que causa a
contração do músculo.
A estrutura cristalográfica do receptor de acetilcolina está disponível na base de dados
PDB (código de acesso: 2BG9). Tal estrutura é um interessante tópico de estudo. Esse
receptor pertence à raia elétrica (Torpedo marmorata) (figura 5). Esses animais
apresentam órgãos elétricos capazes de gerar descargas da ordem de centenas de Volts.
Os órgãos especializados da raia elétrica são constituídos de fibras musculares
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modificadas, que apresentam um formato achatado e empilham-se uns sobre os outros. A
pequena diferença de potencial, construída devido à alta densidade de receptores de
acetilcolina num dos lados da fibra muscular modificada, somam-se como pilhas em série,
o que leva à produção de uma descarga elétrica de centenas de Volts, capaz de atordoar
uma presa ou predador.
Figura 5. Foto da raia elétrica (Torpedo marmorata). Disponível em: <
http://www.fishbase.org/Photos/PicturesSummary.php?StartRow=0&ID=5132&what=speci
es&TotRec=6 >. Acesso em 15 de abril de 2015.
A figura 6 mostra um diagrama esquemático do órgão elétrico, com empilhamento de
eletrócitos, a fibra muscular modificada. Só temos inervação de um lado do eletrócito. No
repouso o potencial de membrana em ambos os lados do eletrócito é de
aproximadamente – 85 mV. A chegada do potencial de ação ao terminal axonal, leva à
despolarização. Devido à alta densidade de receptores de acetilcolina do lado inervado,
este passa para um potencial de + 65 mV, e o lado não inervado, continua com potencial
de – 85 mV. Assim, temos uma diferença de potencial entre os dois lados do eletrócito de
150 mV.
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Figura 6. Diagrama esquemático do órgão elétrico com empilhamento de eletrócitos,
modificado de BOGDANOV, K; Biology in Physics. Is Life Matter? San Diego: Academic
Press. 2000. 237 p.
Vamos olhar com um pouco mais de detalhe o processo de despolarização do eletrócito.
Na figura 7 temos o eletrócito nas situações de repouso e excitado. Na excitação temos
uma diferença de potencial de 150 mV entre os dois lados do eletrócito. O empilhamento
das células leva essas a uma situação onde estão de fases opostas próximas. Tal
configuração possibilita a soma do potencial, como destacado na figura 7B, com 3
eletrócitos em série. Fenômeno análogo à disposição de pilhas em série, que tem como
resultado a soma dos potenciais de cada pilha.
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Figura 7. Diagrama esquemático mostrando o eletrócito em repouso 7A (esquerda) e
excitado 7A (direita). Na figura 7B temos 3 eletrócitos em série. Disponível em: <
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1095643397004145 >. Acesso em 15 de
abril de 2015.
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Anestesia Local
A anestesia local realiza o impedimento da propagação do impulso nervoso. Tal bloqueio
determina a perda das sensações, contudo não levam à alteração do nível de
consciência. Anestésicos locais funcionam com o bloqueio do canal de sódio dependente
de voltagem. A lidocaína (xilocaína) funciona dessa forma. O bloqueio do canal de sódio
dependente de voltagem impede o disparo do potencial de ação e, consequentemente, a
transmissão do impulso nervoso da célula pré-sináptica para a célula pós-sináptica (figura
8). Praticamente todos os anestésicos locais agem com bloqueio reversível dos canais de
sódio dependentes de voltagem. Além da lidocaína, diversas drogas apresentam efeito
anestésico, abaixo segue a estrutura molecular de algumas que interferem com o canal
de sódio dependente de voltagem.
Figura 8. Diagrama ilustrando o bloqueio do canal de sódio dependente de voltagem por
anestésicos locais.
Referências:
PURVES, W. K., SADAVA, D., ORIANS, G. H. HELLER, H. G. Vida. A Ciência da
Biologia, 6a ed. Artmed editora.2002.
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