PARTE I
Neurociência Celular
Capítulo 4
Os Chips Neurais
Processamento de
Informação e Transmissão
de Mensagens através das
Sinapses
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•
A primeira demonstração da existência das sinapses foi feita em 1959, utilizando o microscópio
eletrônico. A sinapse circulada é do tipo assimétrico (excitatória), enquanto a sinapse marcada com
a letra a é do tipo simétrico (inibitória) Principais abreviaturas: den = dendrito apical de um
neurônio cortical; pre = terminal pré-sináptico; post = elemento pós-sináptico.
As junções
comunicantes (A)
acoplam células elétrica
e metabolicamente,
através do alinhamento
de canais iônicos
(conexons) que formam
grandes poros (B).
O acoplamento elétrico
pode ser detectado
registrando a passagem
dos potenciais elétricos
de uma célula a outra
(C) com mínimo retardo
“sináptico”.
A ultraestrutura da sinapse pode ser visualizada ao microscópio eletrônico (A). Alguns dos
seus componentes aparecem na foto, e outros podem ser vistos no esquema em B.
O esquema não reproduz exatamente as proporções reais.
As sinapses (círculos
vermelhos) podem
apresentar diferentes tipos
morfofuncionais. As sinapses
assimétricas são excitatórias,
e as simétricas são inibitórias
(A). Tanto umas como as
outras, entretanto, podem
estar localizadas em
dendritos, no soma ou em
axônios (B).
A sinapse neuromuscular tem características estruturais especiais, visíveis ao microscópio
eletrônico. As mais evidentes são as dobras juncionais da membrana pós-sináptica
(muscular), e a presença da lâmina basal na fenda sináptica. Na foto em A, o terminal nervoso
está delineado em amarelo. Os filamentos contráteis da célula muscular são vistos à direita,
embaixo. Na foto em B a ampliação foi um pouco maior, tornando possível visualizar
mais detalhes. Neste caso, os filamentos contráteis foram cortados obliquamente.
A. Os neurotransmissores atravessam um ciclo que começa com a síntese de enzimas no citoplasma do neurônio. Segue-se o
transporte axônico dessas enzimas até o terminal, a síntese e o armazenamento dos neurotransmissores em vesículas, e a
liberação vinculada à chegada de potenciais de ação. O neurotransmissor então se difunde na fenda, pode ser aí desativado e
as moléculas assim formadas, recaptadas como precursores para dentro do terminal, diretamente ou através de astrócitos
posicionados ao redor das sinapses. B. Os neuropeptídeos são sintetizados a partir de proteínas precursoras, e transportados
dentro de grânulos até o terminal, onde são armazenados e liberados quando necessário. Após a ação sináptica difundem-se e
são depois inativados por degradação. C. Lipídios e gases são neuromediadores diferentes, porque não podem ser contidos
dentro de vesículas, já que se difundem livremente através das membranas. Por isso, logo após a síntese enzimática,
espalham-se em todas as direções, agindo sobre os elementos pós-sinápticos situados nas redondezas.
O glutamato e a glicina são sintetizados no citoplasma a partir de glicose ou de proteínas
degradadas. O ácido gama-aminobutírico (GABA) é sintetizado no terminal axônico a partir do
glutamato, por meio da enzima GAD, que retira uma de suas carboxilas.
A síntese da
acetilcolina é
realizada por uma só
enzima, a partir de
colina e
acetilcoenzima A
(acetil-CoA). B. A
síntese de serotonina
(5-HT) é realizada por
uma cadeia de duas
enzimas a partir do
aminoácido triptofano.
C. As catecolaminas
são sintetizadas por
uma cadeia de
enzimas (duas para a
dopamina, três para a
noradrenalina e
quatro para a
adrenalina).
Os neurônios
dopaminérgicos só
expressam as duas
primeiras enzimas, os
noradrenégicos, as
três primeiras, e os
adrenérgicos todas
elas.
As primeiras etapas da
transmissão sináptica
consistem na chegada do
potencial de ação ao
terminal axônico (A e B).
Segue-se a abertura dos
canais de Ca++
dependentes de voltagem
(C), e a grande entrada
de Ca++ que ocorre
provoca a ancoragem das
vesículas contendo
neurotransmissor nas
zonas ativas da
membrana pré-sináptica
(D). O resultado é a
liberação do
neurotransmissor na
fenda sináptica.
Neurônios e gliócitos da retina de embrião de galinha podem ser cultivados em laboratório, e
marcados por meio de anticorpos fluorescentes específicos que revelam as moléculas que essas
células possuem. Em A, vê-se um neurônio portador do receptor A2a de adenosina (em
vermelho), e em B, gliócitos da retina identificados por uma proteína específica (2M6, em verde),
além do receptor A2a em vermelho.
O neurotransmissor liberado na fenda sináptica difunde-se até os receptores situados na
membrana pós-sináptica (A). Como muitos receptores são ao mesmo tempo canais iônicos, a
reação do neurotransmissor com eles provoca a abertura dos canais e a entrada de cátions (B).
Resulta um potencial pós-sináptico (PPS).
Quando se registra o potencial de membrana do terminal axônico, sempre se obtém um
potencial de ação cuja forma de onda é semelhante em todos os neurônios (gráficos de cima
em A e B). Mas quando se registra o potencial pós-sináptico que ocorre como consequência da
transmissão sináptica, em alguns neurônios a resposta é despolarizante (gráfico de baixo em A)
e o potencial pós-sináptico é dito excitatório (PPSE), enquanto em outros é hiperpolarizante
(gráfico de baixo em B) e o potencial pós-sináptico é inibitório (PPSI). Isso resulta da
combinação do neurotransmissor específico com o receptor correspondente, que no primeiro
caso deixa passar cátions de fora para dentro da célula, e no segundo deixa passar Cl− (ou K+,
no sentido contrário).
Os principais receptores ionotrópicos do SNC são glutamatérgicos e GABAérgicos. A mostra
um receptor glutamatérgico do tipo NMDA, com seus sítios de ligação para os dois
cotransmissores (glutamato e glicina), e para o bloqueador Mg++. B mostra o receptor GABAA,
com seus sítios de ligação para o neurotransmissor e para alguns de seus agonistas
(esteroides, barbitúricos e benzodiazepínicos) e um antagonista (a picrotoxina).
Os receptores metabotrópicos •
atuam por meio de reações
químicas intracelulares. Muitos
empregam a proteína G para
colocar em comunicação o
receptor com a proteína efetora
(A). Neste caso, quando o
receptor é ativado pelo
neurotransmissor (B), uma das
subunidades da proteína G
desliza na membrana até
encontrar a proteína efetora
(C), ativando-a por fosforilação
(D). É a proteína efetora que irá
ativar canais iônicos ou outras
reações intracelulares.
A inervação colinérgica
do coração apresenta
um exemplo de receptor
metabotrópico cuja
proteína efetora é um
canal iônico. Neste caso
(A), o neurotransmissor
é a acetilcolina (ACh), o
receptor é do tipo
muscarínico e a proteína
efetora é um canal de
K+. O canal é ativado
(B) pela subunidade α
da proteína G ligada ao
receptor.
O experimento de Bernard Katz revelou que os potenciais pós-sinápticos são sempre múltiplos
de um valor mínimo – quantum – que presumivelmente representa o efeito da liberação do
conteúdo de uma única vesícula sináptica. Em A, oito registros de PPSs em uma sinapse
neuromuscular após estímulos elétricos aplicados na fibra nervosa (linha vermelha) mostram
potenciais múltiplos de um valor quântico (Q).
Em B, o número de observações de PPSs de diferentes amplitudes mostra maior incidência de
potenciais unitários (Q), duplos (2Q), triplos (3Q) etc.
Os axônios noradrenérgicos
apresentam exemplos de
receptores metabotrópicos, cujas
proteínas efetoras são canais
iônicos diferentes. A mostra a ação
da noradrenalina (NA) sobre os
receptores do tipo α2, presentes na
musculatura lisa dos vasos
sanguíneos. O efeito da
sinalização intracelular é a inibição
da adenililciclase, provocando
assim o fechamento de canais de
K+. Resultado: aumento da
duração dos PPSEs. B mostra o
exemplo oposto, em que a NA atua
sobre receptores ß, presentes no
coração e nas vias respiratórias. A
sinalização intracelular causa
abertura dos canais de Ca++,
resultando no aumento de
amplitude dos PPSEs.
Alguns receptores para serotonina (5-HT) empregam como segundo mensageiro o trifosfato de
inositol (ou IP3), que se difunde no citosol até encontrar e fosforilar canais de cálcio no retículo
endoplasmático liso, liberando Ca++, que então terá diversos efeitos metabólicos, inclusive a
ativação de canais iônicos.
Ratos submetidos ao estresse de imobilização forçada mostram um aumento significativo de
neurônios que expressam a enzima sintase do óxido nítrico (revelados aqui por uma técnica
histoquímica que tinge a enzima) na porção dorsolateral da grísea periaquedutal, uma “áreachave” na elaboração de respostas de medo.
Muitas vezes um
neurônio tem que
decidir se produzirá ou
não potenciais de ação
em sua zona de
disparo. Faz isso com
base nas informações
que recebe de cerca de
10 mil sinapses de
axônios aferentes
vindos de neurônios
longínquos ou de
interneurônios situados
nas proximidades,
algumas excitatórias,
outras inibitórias. A
integração sináptica é
justamente a
computação de toda
essa massa de
informação, para definir
como será a
informação de saída do
neurônio.
A coativação é uma das formas de integração sináptica. A mostra a chegada de poucos potenciais de ação na
fibra aferente (representados por apenas um PA), resultando na liberação de glutamato em pequena quantidade e
assim um potencial pós-sináptico excitatório (PPSE) de baixa amplitude, insuficiente para atingir o limiar da zona
de disparo. Em B ocorre a chegada de maior frequência de PAs, resultando na liberação de mais glutamato e
também do cotransmissor glicina, o que provoca a ativação dos receptores nNMDA e dos receptores NMDA.
Agora o PPSE é maior, e atinge o limiar da zona de disparo.
A integração sináptica pode-se dar por
somação temporal e espacial. Em A, o
potencial pós-sináptico excitatório
(PPSE) é insuficiente para atingir o
limiar da zona de disparo do neurônio.
Em B, como a frequência de PAs é
mais alta, os PPSEs somam-se e já
atingem o limiar: o PPSE final resulta
da soma algébrica dos PPSEs
subsequentes na mesma sinapse
(somação temporal). Em C, somam-se
os PPSEs de sinapses próximas,
produzindo um PPSE resultante de
amplitude superior ao limiar da zona de
diparo (somação espacial).
A integração de sinapses
excitatórias e inibitórias (A) produz
na zona de disparo do neurônio um
potencial pós-sináptico resultante
(B) que representa a soma
algébrica dos PPSEs e PPSIs
provocados pelas várias fibras
aferentes.