Biofísica
Sistema nervoso, neurônios e
sinapses
Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.
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BIOFÍSICA
Resumo
 Sistema nervoso
 Neurônio
 Aspectos estruturais dos neurônios
 Células gliais e de Schwann
 Junção neuromuscular
 Neurotransmissores
 Sinapses
 Sinapses excitatórias e inibitórias
 Sinapses elétricas
 Receptores
 Referências
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BIOFÍSICA
Sistema Nervoso
Animais multicelulares apresentam células especializadas chamadas neurônios, que
possuem as seguintes funções: recebimento, codificação e transmissão para outras
células de informação.
Essas informações são captadas por células sensoriais, também chamadas de células
receptoras, que a transformam em sinais elétricos que podem ser transmitidos e
processados pelos neurônios. Os sinais dos neurônios podem ser transmitidos para
células especializadas, que darão a resposta fisiológica ou comportamental, essas
células são chamadas de efetores, como os músculos e glândulas. O diagrama
esquemático abaixo mostra uma rede simples de comunicação da célula sensorial
com o efetor.
Células
sensoriais
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Neurônios
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Efetores
BIOFÍSICA
Cérebro Humano
O cérebro humano é o centro de um
sistema complexo, formado até 1011
neurônios, cada um desses neurônios
podem formar mais de 10.000 conexões,
ou sinapses, assim o cérebro humano
pode apresentar até 1014 sinapses. O
cérebro é dividido em redes de trabalho,
ou redes neuronais, que funcionam em
paralelo. Essas redes são responsáveis
por funções específicas e podem
envolver até milhares de neurônios.
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BIOFÍSICA
Computador x Cérebro
Com o desenvolvimento da computação surgiu uma analogia entre o cérebro e os
computadores, analogia essa intensivamente explorada pela ficção científica.
Contudo, as diferenças são tão acentuadas, que as analogias são sempre fracas e
distantes. A tabela abaixo mostra algumas das características dos dois sistemas
(Barone, 2003). Sem considerarmos aspectos sobre a constituição física dos dois
sistemas, computador e cérebro, vemos que a informação e forma de operação são
totalmente distintas.
Cérebro
Computador
Tempo de processamento de 1 informação: 1ms
~0,01 ms
Número de unidades de processamento:
1014
1-1000
Tipo de controle
Distribuído
Centralizado
Forma de processamento:
paralelo
serial
Representação do conhecimento
Empírico
Teórico
Adaptativo
Renovável
Topológico
Simbólico
Fonte: Barone, D. Sociedades Artificiais. A Nova Fronteira da Inteligência nas Máquinas. Porto Alegre, Bookman, 2003 (pg. 124)
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BIOFÍSICA
Neurônio, Sinapse e Comunicação
A complexidade dos pensamentos e do tráfego de sinais no organismo humano são
resultados da interação entre neurônios conectados. O impressionante número de
conexões entre os neurônios cria um sistema altamente complexo envolvendo 1014
sinapses. Os resultados da ação deste sistema vemos a cada segundo de nossas
vidas, pensando, criando e aprendendo... As interações, que geram padrões
complexos, são resultados das sinapses entre as células. Iremos ver as principais
características dos neurônios e das sinapses.
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BIOFÍSICA
Neurônio
Corpo celular
O neurônio é uma célula nucleada,
apresenta diversos dendritos que
possibilita sua conexão com outros
neurônios, apresenta um terminal
único e longo, chamado axônio,
responsável pela transmissão do
impulso nervoso para células póssináptica. O neurônio apresenta um
estrutura característica no corpo
celular,
chamada
cone
de
implantação, que é responsável pela
soma dos impulsos nervosos e pelo
disparo de uma resposta, chamada
potencial de ação. O potencial de
ação propaga-se ao longo do axônio
até os terminais axonais.
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Dendritos
Núcleo
Axônio
Cone de implantação
Terminais axonais
Direção do
impulso
BIOFÍSICA
Aspectos Estruturais dos
Neurônios
Os neurônios podem apresentar uma diversidade de formas e tamanhos, conforme
sua localização e função, contudo, todos os neurônios apresentam corpo celular,
também chamado de soma, localizado normalmente no centro da célula. Todos os
neurônios apresentam, também, diversas ramificações, que chegam ao corpo celular,
chamadas dendritos e um único terminal de saída, chamado axônio.
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BIOFÍSICA
Aspectos Estruturais dos
Neurônios
Variabilidade dos neurônios. A maioria dos
neurônios apresenta 4 estruturas básicas:
corpo celular, dendritos, um axônio e
terminais
axonais,
como
já
descrito
anteriormente.
Contudo,
os
neurônios
apresentam amplo espectro de formas. Os
axônios funcionam como linhas telefônicas do
sistema nervoso. O sinal recebido pelos
dendritos pode levar o corpo celular a gerar
um impulso nervoso, chamado potencial de
ação, que é conduzido ao longo do axônio
para a célula alvo, ou célula pós-sináptica.
Essa célula alvo pode ser outro neurônio, uma
célula muscular ou uma célula glandular.
Fonte: Purves et al., Vida A ciência da Biologia. 6a. Ed.
Artmed editora, 2002 (pg. 775).
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BIOFÍSICA
Células Gliais
Células de Schwann: São células que se
enrolam ao redor dos axônios neuronais,
cobrindo-os com camadas de uma membrana
plasmática isolante. Localizam-se no SNP.
Oligodentrócitos: Possuem função similar às
células de Schwann mas localizam-se no
SNC. A camada envoltória produzida pelos
oligodentrócitos e pelas células de Schwann é
chamada mielina. Essa camada possui uma
aparência branca brilhante.
Astrócitos (Barreira hematoenfecálica):
Essas células, em formato de estrela,
contribuem para a barreira hematoenfefálica,
que fornece proteção ao cérebro contra
toxinas encontradas na corrente sangüínea.
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BIOFÍSICA
Células de Schwann
Célula da Schwann
Bainha de mielina
Neurilema
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Nodo de Ranvier
Axônio
BIOFÍSICA
Sinapses e Comunicação
Sinapses: São junções estruturalmente especializadas, em que uma célula pode
influenciar uma outra célula, diretamente por meio do envio de sinal químico ou
elétrico. A forma mais comum de sinapse é a sinapse química. Na sinapse temos a
participação das células pré-sináptica e pós-sináptica.
Célula pré-sináptica: É a célula que envia o sinal nervoso.
Célula pós-sináptica: É a célula que recebe o sinal da célula pré-sináptica.
Membrana pré-sináptica
Vesícula de acetilcolina
Autoreceptor
Neurotransmissor
Canal de
cálcio
Membrana pós-sináptica
Fenda sináptica
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Receptor
BIOFÍSICA
Junção Neuromuscular
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BIOFÍSICA
Neurotransmissores
Fonte: Purves et al., Vida A ciência da Biologia. 6a. Ed. Artmed editora, 2002 (pg. 787).
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BIOFÍSICA
Acetilcolina
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BIOFÍSICA
Receptor de Acetilcolina
Subunidades
Acetilcolina
Membrana
celular
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BIOFÍSICA
Junção Neuromuscular
Terminal
axônico
Terminal
axônico
Membrana pós-sináptica
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BIOFÍSICA
Sinapses
Fonte: Purves et al., Vida. A
ciência da Biologia. 6a. Ed.
Artmed editora, 2002 (pg. 787).
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BIOFÍSICA
Sinapses Excitatórias e Inibitórias
Sinapses excitatórias: São sinapses onde a membrana pós-sináptica é
despolarizada, como por exemplo as sinapses entre neurônios motores e o músculo
esquelético.
Sinapses inibitórias: São sinapses onde há hiperpolarização da membrana póssináptica. Os neurotransmissores mais comuns em sinapses inibitórias de vertebrados
são o ácido -aminobutírico (GABA) e glicina. As células pós-sinápticas das sinapses
inibitórias apresentam canais de cloro dependentes ligantes. Quando esses canais
são ativados por um neurotransmissor, eles podem hiperpolarizar a membrana póssináptica. Assim há uma probabilidade menor de lançamento de um potencial de ação.
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BIOFÍSICA
PPSE e PPSI
Os neurotransmissores que despolarizam a membrana pós-sináptica são excitatórios.
Eles executam um potencial pós-sináptico excitatório (PPSE). Os neurotransmissores
que hiperpolarizam a membrana pós-sináptica são inibitórios, eles executam um
potencial pós-sináptico inibitório (PPSI).
O neurônio realiza a soma dos potenciais pos-sinápticos inibitórios (PPSIs) e dos
extatórios (PPSEs), caso a soma ultrapasse o potencial limiar, há lançamento de um
potencial de ação. Esse somatório é realizado no cone de implantação. A membrana
plasmática na região do cone de implantação não é coberta por células gliais e
apresenta alta densidade de canais dependentes de voltagem.
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BIOFÍSICA
Soma de Estímulos
I1 + I2 + I3+ I4+....
Fonte: Purves et al.,
Vida A ciência da Biologia. 6a. Ed.
Artmed editora, 2002 (pg. 788).
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BIOFÍSICA
Soma de Estímulos
Se a soma dos impulsos (I) (I1 + I2 + I3 + I4 +.....) for maior que o potencial limiar, temos
a geração de um potencial de ação a partir do cone de implantação.
Caso contrário, não temos potencial de ação. Expressando matematicamente esta
afirmação:
Se  Ij=I1 + I2 + I3 + I4 +.... > potencial limiar então: temos potencial de ação.
Senão: Não temos potencial de ação.
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BIOFÍSICA
Receptores Ionotrópicos
São canais iônicos, a ligação de um neurotransmissor a esse tipo de receptor gera
mudança no movimento iônico na célula pós-sináptica. O receptor de acetilcolina
(ACh) é um receptor ionotrópico, esse receptor é também conhecido como receptor
nicotínico de acetilcolina, pois liga-se também à nicotina. Esse receptor é uma
proteína transmembrana formada por cinco subunidades. Essas subunidades formam
um pentâmero que quando inseridos na membrana podem permitir a entrada de sódio
na célula pós-sináptica. A estrutura tridimensional do receptor de acetilcolina foi
resolvida por cristalografia de difração de raios X. A conformação do pentâmero é
mostrada nos próximos slides.
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BIOFÍSICA
Receptor de Acetilcolina
Código pdb: 1BG9
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BIOFÍSICA
Receptor de Acetilcolina
Código pdb: 1BG9
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BIOFÍSICA
Receptores Metabotrópicos
Esses receptores induzem mudanças na célula pós-sináptica, que podem levar a
abertura de canais iônicos. Os receptores metabotrópicos não são canais iônicos,
contudo podem contribuir para a abertura dos canais iônicos por meio de um
mecanismo mais complexo, e, geralmente, mais lento do que a resposta dos canais
ionotrópicos. Os receptores metabotrópicos também são proteínas transmembranas e
estão acopladas a uma outra proteína trimérica chamada proteína G. O receptor
muscarínico de ACh é um exemplo de canal metabotrópico. Esse receptor liga-se
tanto a ACh quanto a muscarina, uma toxina encontrada em cogumelos. Os
receptores muscarínicos estão presentes no músculo cardíaco, e quando ativados
causam a abertura de canais de potássio que reduzem a freqüência cardíaca.
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BIOFÍSICA
Receptores Metabotrópicos
Fonte: Purves et al.,
Vida A ciência da Biologia. 6a. Ed.
Artmed editora, 2002 (pg. 789).
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BIOFÍSICA
Sinapses Elétricas
As sinapses elétricas têm participação minoritária no sistema nervoso, contudo estão
presentes inclusive no cérebro de mamíferos. São diferentes das sinapses químicas
porque acoplam neurônios eletricamente. Nesse tipo de sinapse as membranas das
células pré-sináptica e pós-sináptica estão separadas por 2 a 3 nm.
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Sinapses Elétricas
As membranas dos dois neurônios pré e pós-sinápticos estão bem próximas, e estão
conectados por uma junção comunicante (gap junction). Essas junções apresentam
pares canais precisamente alinhados nos neurônios pré e pós-sinápticos, de forma
que cada par forma um poro, conforme o diagrama abaixo. Esse poros são maiores
que os poros dos canais dependentes de voltagem. Proteínas específicas de
membrana, chamadas conexons ligam os dois neurônios, formando um túnel
molecular entre as duas células. As sinapses elétricas funcionam permitindo o fluxo
passivo de corrente iônica através dos poros de um neurônio para outro. O arranjo da
sinapse elétrica permite que ela seja bidirecional.
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Sinapses Elétricas
O estudo da sinapse elétrica em crayfish determinou a rapidez da sinapse elétrica,
quando comparada com a sinapse química (Furshpan & Potter, 1959). Um sinal póssináptico é observado em uma fração de milisegundo, após a geração do potencial de
ação pré-sináptico. No caso do crayfish, as inteconecções das sinpases elétricas,
permitem uma rápida resposta ao ataque de um predador. Sinapses elétricas também
são usadas para sincronizar a atividade de populações de neurônios, como em
neurônios de secreção de hormônio localizados no hipotálamo de mamíferos.
Referência: Furshpan, E. J. & Potter, D. D. (1959). J. Physiol. 145:289-325.
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Tetrodoxina (TTX)
A toxina tetrodoxina (TTX) é encontrada
no peixe baiacu (puffy fish). Essa
toxina, de origem não protéica, tem a
capacidade de bloquear canais de
sódio e foi encontrada pela primeira vez
no peixe fugu no mar do Japão, onde é
servido como iguaria. Essa toxina
bloqueia os canais de sódio, como uma
rolha fecha uma garrafa, sendo um
veneno mortal, mil vezes mais potente
que
cianeto
de
potássio.
O
envenenamento por TTX causa parada
respiratória, há diversos relatos de
envenenamento acidental devido ao
consumo do fugu.
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BIOFÍSICA
Tetrodoxina (TTX)
A tetrodoxina apresenta uma estrutura molecular relativamente simples (C11H17O8N3).
A complementaridade de forma e carga, apresentada pela molécula de TTX com
relação ao canal de sódio dependente de voltagem, é responsável por uma forte
interação intermolecular, entre o canal de sódio e a TTX, bloqueando fortemente o
canal.
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BIOFÍSICA
Trabalho
1) Desenhe um diagrama de um neurônio e discuta a função de seus componentes.
2) Desenhe um diagrama esquemático de uma junção neuromuscular e discuta a
função de seus componentes.
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BIOFÍSICA
Referências
Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000.
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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BIOFÍSICA