6.1 Synaptic Transmission in a Simple Reflex Circuit
Um dos comportamentos mais simples mediados pelo sistema nervoso central é o reflexo de estiramento ou de joelho. Em resposta ao martelo de um neurologista ao tendão patelar, há uma extensão reflexiva da perna. A Figura 6.1 ilustra o neurocircuito que controla essa resposta reflexa. O alongamento do tendão da patela estica o músculo extensor. Mais especificamente, ele estica um grupo de receptores específicos conhecidos como receptores do fuso muscular ou simplesmente receptores do estiramento.
Figure 6.1
O estiramento elica os potenciais de ação nos receptores do estiramento que então se propagam sobre as fibras aferentes do tipo 1A, cujos somatos estão localizados no gânglio raiz dorsal. Os processos desses neurônios sensoriais entram então na medula espinhal e fazem conexões sinápticas com dois tipos de células. Primeiro, uma conexão sináptica é formada com o neurônio motor extensor localizado no chifre ventral da medula espinhal. Como resultado da ativação sináptica deste neurônio motor, potenciais de ação são eliciados no neurônio motor e se propagam para fora das raízes ventrais, finalmente invadindo as regiões terminais do axônio motor (ou seja, a junção neuromuscular), causando liberação de acetilcolina, despolarização da célula muscular, formação de um potencial de ação na célula muscular, e uma subseqüente contração do músculo.
Os neurônios sensoriais também fazem conexões sinápticas com outro tipo de neurônio na medula espinhal chamado interneurônio. Os interneurônios são assim chamados porque são interpostos entre um tipo de neurônio e outro. O interneuron particular mostrado é um interneuron inibitório. Como resultado de sua ativação através do processo de transmissão sináptica, os potenciais de ação são eliciados no interneurônio. Um potencial de ação no neurônio inibitório leva à liberação de uma substância química transmissora que inibe o neurônio motor flexor, impedindo assim a ocorrência de um movimento inadequado. Este reflexo particular é conhecido como o reflexo de estiramento monossináptico porque este reflexo é mediado por um único relé sináptico excitatório no sistema nervoso central.
6.2 Mecanismos Iônicos dos EPSPs
Potenciais sinápticos
Figure 6.2
A figura à direita ilustra como é possível examinar experimentalmente alguns dos componentes da transmissão sináptica na via do reflexo que medeia o reflexo de estiramento. Normalmente, o neurônio sensorial é ativado por um estiramento no receptor de estiramento, mas este processo pode ser contornado injetando-se uma corrente despolarizante no neurônio sensorial. Esse estímulo inicia um potencial de ação no neurônio sensorial que leva a uma mudança no potencial do neurônio motor. Esse potencial é conhecido como potencial excitatório pós-sináptico (EPSP); excitatório porque tende a despolarizar a célula, tendendo assim a aumentar a probabilidade de disparar um potencial de ação no neurônio motor e pós-sináptico porque é um potencial registrado no lado pós-sináptico da sinapse.
Os mecanismos iônicos para o EPSP no neurônio motor espinhal são essencialmente idênticos aos mecanismos iônicos para o EPSP na junção neuromuscular. Especificamente, a substância transmissora se difunde através da fenda sináptica e se liga a receptores ionotrópicos específicos na membrana pós-sináptica, levando a um aumento simultâneo da permeabilidade ao sódio e ao potássio (ver Figura 4.10). Os mecanismos de liberação também são idênticos aos da junção neuromuscular. Um potencial de ação no terminal pré-sináptico leva à abertura de canais Ca2+ dependentes de tensão, e o influxo Ca2+ faz com que a substância transmissora seja liberada.
6.3 Diferenças entre o EPSP na junção neuromuscular esquelética e o EPSP no SNC
Há duas diferenças fundamentais entre o processo de transmissão sináptica na sinapse sensorimotora na medula espinhal e o processo de transmissão sináptica na junção neuromuscular. Primeiro, a substância transmissora liberada pelo neurônio sensorial não é o ACh, mas sim o aminoácido glutamato. Na verdade, existem muitos transmissores diferentes no sistema nervoso central – até 50 ou mais e a lista cresce a cada ano. Felizmente, essas 50 ou mais substâncias transmissoras podem ser convenientemente agrupadas em quatro categorias básicas: acetilcolina, monoaminas, peptídeos, e os aminoácidos. Segundo, em contraste com a amplitude de 50 mV do potencial sináptico na junção neuromuscular, a amplitude do potencial sináptico em um neurônio motor espinhal, como resultado de um potencial de ação em uma fibra aferente 1A, é de apenas cerca de 1 mV.
6.4 Soma temporal e espacial
Se a amplitude do potencial pós-sináptico é de apenas 1 mV, como um potencial de ação no neurônio motor pode ser acionado e a função reflexa? Note que um EPSP de 1 mV é improvável que seja suficiente para conduzir o potencial de membrana do neurônio motor ao limiar para disparar um pico. Se não houver um espigão, não haverá contração do músculo. A resposta é que o estiramento do músculo dispara múltiplos potenciais de ação em muitos receptores de estiramento diferentes. Na verdade, quanto maior o estiramento, maior é a probabilidade de ativar mais receptores de estiramento. Este processo é referido como recrutamento. Portanto, múltiplos aferentes 1A irão convergir para o neurônio motor espinhal e participarão de sua ativação. Esta não é, no entanto, a resposta completa. Lembre-se de que quanto maior a intensidade do estímulo, maior é o número de potenciais de ação desencadeados em um receptor sensorial. Quanto maior o estiramento, maior o número de potenciais de ação desencadeados em um único neurônio sensorial e maior o número de EPSPs produzidos no neurônio motor a partir daquele trem de potenciais de ação na célula sensorial. Os processos pelos quais os múltiplos EPSPs de neurônios pré-sinápticos somam no espaço e no tempo são chamados de soma temporal e espacial.
Figure 6.3
Soma por tempo. Um único potencial de ação no neurônio sensorial 1 produz um EPSP de 1-mV no neurônio motor. Agora considere as conseqüências de disparar dois potenciais de ação em sucessão rápida (Veja figura acima). Dois EPPs são eliciados, o segundo dos quais soma na borda de queda do primeiro. Como resultado de dois potenciais de ação, ocorre um potencial de soma de cerca de 2 mV em amplitude. Se houvesse três potenciais de ação pré-sinápticos, e eles ocorressem com rapidez suficiente, o potencial total seria de cerca de 3 mV, e assim por diante. A soma temporal é estritamente uma propriedade passiva das células nervosas. Não são necessários mecanismos condutivos iônicos especiais para explicá-la. Os potenciais somam devido às propriedades passivas da membrana da célula nervosa, especificamente a capacidade das membranas de armazenar carga. A membrana armazena temporariamente a carga do primeiro PSP e então a carga do segundo PSP é adicionada a ele para produzir um potencial duas vezes maior no início. Este processo de soma temporal é muito dependente da duração do potencial sináptico. O somatório temporal ocorre quando os potenciais de ação pré-sinápticos ocorrem em sucessão rápida. O período de tempo é dependente das propriedades passivas da membrana, especificamente da constante de tempo.
Soma espacial. Agora considere um neurônio motor que recebe duas entradas. Um potencial de ação produzido no neurônio sensorial 1 produz um EPSP 1-mV e um potencial de ação único no neurônio sensorial 2 também produz um EPSP 1-mV. Se os potenciais de ação são produzidos simultaneamente no neurônio sensorial 1 e no neurônio sensorial 2, os EPSPs somam para produzir um EPSP somado que é o dobro do EPSP individual. A soma espacial em células nervosas ocorre devido à constante espacial, a capacidade de uma carga produzida em uma região da célula de se espalhar para outras regiões da célula.
6,5 IPSPs
Se um neurônio dispara em resposta a um input sináptico depende de quantos potenciais de ação estão sendo disparados em qualquer input aferente, assim como quantos caminhos aferentes individuais são ativados.
A decisão de disparar também depende da presença de inputs sinápticos inibitórios. Despolarizar artificialmente o interneurônio para iniciar um potencial de ação produz uma hiperpolarização transitória do potencial de membrana do neurônio motor (Ver Figura 6.2). O curso temporal dessa hiperpolarização parece muito semelhante ao de um EPSP, mas é invertido em sinal. O potencial sináptico no neurônio motor é chamado de potencial pós-sináptico inibitório (IPSP) porque ele tende a afastar o potencial de membrana do limiar, diminuindo assim a probabilidade desse neurônio iniciar um potencial de ação.
6,6 Mecanismos Iônicos para IPSPs
O potencial de membrana do neurônio motor flexor é de cerca de -65 mV, então pode-se prever que o IPSP seria devido a um aumento da permeabilidade ou da condutividade de um íon cujo potencial de equilíbrio é mais negativo que -65 mV. Uma possibilidade é o potássio. O potássio medeia alguns potenciais sinápticos inibitórios no sistema nervoso central, mas não na sinapse particular entre um interneurônio espinhal e um neurônio motor espinhal. Nesta sinapse em particular, o IPSP é devido a um aumento seletivo da permeabilidade ao cloro. Note que o potencial de equilíbrio para o cloreto é de cerca de -70 mV. O transmissor liberado pelo interneurônio espinhal liga-se a uma classe especial de receptores ionotrópicos que normalmente são fechados, mas abertos e tornam-se seletivamente permeáveis aos íons cloreto como resultado da ligação do transmissor. Como resultado do aumento da permeabilidade Cl-, o potencial da membrana move-se do seu valor de repouso de -65 mV para o potencial de equilíbrio Cl-. (Note que, em princípio, a diminuição da condutividade de repouso do Na+ também poderia produzir um IPSP).
6.7 Substância transmissora do neurônio inibitório espinhal
E quanto à substância transmissora que é liberada pelo interneurônio inibitório na medula espinhal? A substância transmissora é a glicina, um aminoácido que é usado frequentemente no sistema nervoso central como um transmissor que produz ações inibitórias. Não é a mais comum, no entanto. O transmissor mais comum com ações inibitórias é o ácido gama-amino butírico (GABA).
6.8 Respostas sinápticas metabólicas
Além das respostas mediadas por receptores ionotrópicos, existe uma classe completamente separada de potenciais sinápticos que têm durações com ordens de magnitude maiores do que as durações dos EPSPs clássicos. Estes são os chamados potenciais sinápticos lentos e são mediados por receptores metabótropicos. Potenciais sinápticos lentos não são observados em todos os neurônios pós-sinápticos, mas eles certamente são observados em muitos. A figura abaixo ilustra um neurônio pós-sináptico que recebe dois inputs. Um potencial de ação no neurônio 1 produz um potencial excitatório pós-sináptico ou EPSP na célula pós-sináptica cuja duração é de cerca de 20 msec. O Neurônio 2 também pode produzir um potencial pós-sináptico, mas sua duração é mais de três ordens de magnitude maior do que a do tipo convencional de potencial sináptico. O mecanismo destas lentas respostas sinápticas envolve mudanças no metabolismo da célula.
Figure 6.4
Figure 6.5
Um mecanismo para um potencial sináptico lento é mostrado na ilustração à esquerda (Figura 6.5) e na Figura 11.11. Em contraste com o receptor ionotrópico para o qual os receptores fazem realmente parte do complexo de canais, os canais que produzem os potenciais sinápticos lentos não estão diretamente acoplados aos receptores transmissores. Ao invés disso, os receptores são separados do canal. Estes receptores são conhecidos como metabótropicos porque envolvem mudanças no metabolismo da célula e, em geral, mudanças na ativação de sistemas específicos de segundos mensageiros. A figura à esquerda ilustra um exemplo de um tipo de resposta que envolve a cascata cíclica do AMP. Os PSPs lentos são em alguns casos mediados pelo AMP cíclico, mas também são mediados por outras quinases proteicas. Para a resposta na Figura 6.5, o transmissor ativa as proteínas G que levam ao aumento da síntese do AMP cíclico. O AMP cíclico então leva à ativação da quinase cíclica dependente do AMP (PKA), que fosforila uma proteína de canal ou um componente do canal e então produz uma mudança conformacional no canal e uma mudança na sua permeabilidade iônica. Em contraste com uma mudança conformacional direta produzida pela ligação de um transmissor ao complexo do canal receptor (visto em respostas mediadas por receptores ionotrópicos), a mudança conformacional é produzida pela fosforilação. O canal particular é aquele que é seletivamente permeável a K+ e é normalmente aberto. Como resultado da fosforilação do canal por PKA, o canal se fecha e se torna menos permeável a K+. Como o potencial normal de repouso é devido a um equilíbrio de Na+ e K+, a diminuição da condutância de K+ favorece os efeitos da condutância de Na+ e uma despolarização é produzida.
É interessante salientar que a ativação dos receptores metabótropicos pode produzir efeitos que são muito mais longos do que várias centenas de segundos. Por exemplo, a proteína quinase A pode se difundir no núcleo onde pode fosforilatar proteínas (ou seja, fatores de transcrição) que regulam a expressão gênica.
6.9 Tipos de transmissão sináptica
Este capítulo e os dois anteriores focalizaram-se na transmissão sináptica química. Como você já viu para sinapses químicas, há uma descontinuidade citoplasmática distinta que separa as membranas pré e pós-sinápticas (Fig. 6.6A).
Figura 6.6A
Figura 6.6B
Esta descontinuidade é conhecida como a fenda sináptica. O terminal pré-sináptico de sinapses químicas contém uma alta concentração de mitocôndrias e vesículas sinápticas, e há um espessamento característico da membrana pós-sináptica. Como resultado de uma despolarização ou um potencial de ação no terminal pré-sináptico, os transmissores químicos são liberados do terminal pré-sináptico, que se difundem através da fenda sináptica e se ligam aos locais receptores na membrana pós-sináptica. Isto leva a uma mudança de permeabilidade que produz o potencial pós-sináptico. Para sinapses químicas, há um atraso (geralmente, aproximadamente 0.5-1 ms de duração) entre o início de um potencial de ação no terminal pré-sináptico e uma possível mudança na célula pós-sináptica. O atraso sináptico é devido ao tempo necessário para que o transmissor seja liberado, difuso através da fenda e se ligue com receptores na membrana pós-sináptica. A transmissão sináptica química é geralmente unidirecional. Uma mudança potencial na célula pré-sináptica libera um transmissor que produz um potencial pós-sináptico, mas uma despolarização na célula pós-sináptica não produz nenhum efeito na célula pré-sináptica porque nenhum transmissor é liberado da célula pós-sináptica na região sináptica. O tipo mais predominante de sinapse é a sinapse química, e por essa razão eles têm sido o foco desta e dos capítulos anteriores.
No entanto, outra categoria de sinapses são aquelas associadas à transmissão sináptica elétrica. A transmissão sináptica elétrica é mediada por estruturas especializadas conhecidas como gap junctions (Fig. 6.6B), que fornecem um caminho para a continuidade citoplasmática entre a pré-sináptica e as células pós-sinápticas. Consequentemente, uma despolarização (ou hiperpolarização) produzida no terminal pré-sináptico produz uma mudança no potencial do terminal pós-sináptico, que se deve à via iônica direta entre as células. Para sinapses elétricas, um atraso sináptico mínimo está presente; assim que uma mudança potencial é produzida no terminal pré-sináptico, um reflexo dessa mudança potencial é produzido na célula pós-sináptica. As junções eléctricas são encontradas tanto no sistema nervoso como entre outras membranas excitáveis, como as células musculares lisas e as células musculares cardíacas. Nessas células musculares, elas fornecem um importante caminho para a propagação dos potenciais de ação de uma célula muscular para outra.
6.10 Neurotoxinas
A descoberta de certas toxinas facilitou muito a análise da tensão e dos canais fechados quimicamente, assim como o processo de transmissão sináptica. A tabela seguinte ilustra algumas que têm sido particularmente úteis.
| Neurotoxinas importantes | |
| tetrodotoxina (TTX) | Toxina de peixe que bloqueia o poro dos canais de Na+ dependentes de tensão. |
| μ-conotoxina (μ-CTX) | Toxina de caracol cónico de caça ao peixe com propriedades semelhantes à TTX. |
| saxitoxina (STX) | Toxina de dinoflagelados marinhos com propriedades semelhantes à TTX. STX também é conhecido como veneno de marisco paralítico. |
| ω-conotoxina (ω-CTX) | Toxina de caracol cónico de caça ao peixe que bloqueia certos tipos de canais de Ca2+ dependentes de tensão. |
| Toxina de aranha de teia de funil (ω-Aga) | Toxina de aranha de teia de funil que bloqueia certos tipos de canais de Ca2+ dependentes de voltagem. |
| apamin | Toxina de veneno de abelha que bloqueia certos tipos de canais de Ca2+ activados por K+. |
| Carybdotoxin (ChTX) | Toxina do veneno da abelha que bloqueia os poros de alguns canais de K+ com Ca2+ activado e canais de K+ dependentes da tensão. |
| curare (d-tubocurarina) | Toxina vegetal que é um inibidor competitivo dos receptores ACh nicotínicos. |
| α-bungarotoxina | Toxina de serpente que é um inibidor competitivo e altamente irreversível dos receptores de ACh nicotínicos. |
| picrotoxina | Bloqueador de receptoresGABAA isolado da semente de Anamirta cocculus. |
| stricnina | Bloqueador receptor de glicina isolado da semente da árvore da Índia Oriental Strychnos nux-vomica. |
| toxina tetânica | Neurotoxina estilostridial com atividade protease dependente de zinco; Limpa as proteínas da vesícula sináptica no SNC e assim bloqueia a liberação de neurotransmissores. |
| toxina botulínica | Neurotoxina estilostridial com atividade protease dependente de zinco; Limpa as proteínas da vesícula sináptica na junção neuromuscular e com isso bloqueia a liberação de ACh. |