NEUROFISIOLOGIA ORGANIZAÇÃO GERAL:

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1 NEUROFISIOLOGIA O Sistema Nervoso (SN) e o Sistema Endócrino (hormonal) desempenham a maioria das funções de controle do organismo - O SN controla atividades RÁPIDAS: contração muscular, eventos viscerais que variam rapidamente, velocidade de secreção de algumas glândulas. - O S. Endócrino controla funções metabólicas. ORGANIZAÇÃO GERAL: A Unidade Funcional básica do sistema nervoso é o NEURÔNIO. Atuam tipicamente em grandes conjuntos de células associadas entre si (redes ou circuitos) e não isoladamente. Produzem e emitem pequenos sinais elétricos que codificam informações do ambiente interno e externo, além das informações geradas no próprio SN. Esses sinais elétricos são chamados de impulsos nervosos e estes nada mais são do que potenciais de ação que se propagam pela membrana do neurônio. Pode-se afirmar então que neurônios geram e emitem potenciais de ação e através desses potenciais codificam informações específicas. Apesar de possuírem as mesmas características básicas de outras células, os neurônios podem ser de morfologia bastante variada. Legenda: Tipos básicos de neurônios Bipolar (interneurônio); Unipolar (n. sensorial); Multipolar (n. motor); Célula Piramidal Nos circuitos neurais os neurônios recebem informações vindas de outros neurônios aos quais está associado através de ramificações do corpo celular chamadas dendritos. Um grande número de dendritos permite que o neurônio receba uma vasta variedade de informações vindas de células diferentes. Um dos prolongamentos do corpo celular é mais longo e fino, com poucas ramificações a não ser na sua extremidade (terminal nervoso). Esse é o axônio também chamado de fibra nervosa. Cada neurônio tem um único axônio e é por ele que o neurônio envia informações para outras células. A região de contato do terminal nervoso de um neurônio com os dendritos ou corpo (raramente com axônios) de outros neurônios é chamada de sinapse e é fundamental para o processamento da informação no SN. Entretanto, usaremos o termo sinapse como sinônimo de processo fisiológico de transmissão do impulso nervoso de um neurônio para uma outra célula. Ao analisar-se o SN de um vertebrado a olho nu notam-se partes dentro do crânio e da coluna vertebral e partes distribuídas por todo o organismo. As porções que ficam no crânio e coluna formam o Sistema Nervoso Central (SNC) e as demais formam o Sistema Nervoso Periférico (SNP). SISTEMA NERVOSO PERIFÉRICO (SNP): A maior parte das células nervosas encontra-se no SNC e o SNP contém menos células, mas possui um grande número de prolongamentos (fibras nervosas) agrupados em filetes chamados nervos. Os nervos são os principais componentes do SNP e uma de suas extremidades termina em um órgão e a outra está inserida no SNC, servindo como conexão entre os SNC e os órgãos. A organização morfológica do SNP é complexa e característica de cada espécie. 1

2 Legenda (de cima para baixo): SNC; cérebro; Medula espinhal; SNP; nervo periférico Didaticamente podemos subdividir o SNP em dois: a DIVISÃO SENSORIAL e a DIVISÃO MOTORA. A divisão sensorial é a porção do SNP encarregada de captar informações em diferentes partes do ambiente interno e externo ao organismo e enviálas o SNC, onde serão processadas. Tais informações são captadas por neurônios especiais denominados receptores sensoriais. Os receptores sensoriais captam sinais diferentes, transformam em impulso nervoso e enviam a informação, agora codificada, para o SNC. Como nas fibras nervosas da divisão sensorial a informação trafega da periferia (diferentes partes do organismo) em direção ao SNC elas são chamadas de vias aferentes. A divisão motora é a parte do SNP que coleta informações já processadas pelo SNC e as envia para diferentes partes do organismo para que o controle sobre os órgãos/sistemas e a manutenção da homeostasia sejam possíveis. As partes do organismo que recebem e executam um a ordem dada pelo SNC (conduzida pela divisão motora) são chamadas de efetores. Os efetores podem ser células musculares (cardíacas, esqueléticas ou lisas) ou glândulas (endócrinas ou exócrinas). Portanto, as únicas ordens que o SNC pode mandar executar são contração muscular e secreção glandular. Como nas fibras nervosas da divisão motora a informação trafega do SNC em direção aos diferentes efetores elas são chamadas de vias eferentes. Os neurônios que enviam impulsos do SNC para músculos esqueléticos são denominados neurônios motores. Os neurônios da divisão motora do SNP que enviam impulsos do SNC para músculo liso, cardíaco e glândulas fazem parte do Sistema Nervoso Autônomo (SNA). SISTEMA NERVOSO CENTRAL (SNC): Anatomicamente pode-se dividir o SNC em duas grandes partes: encéfalo (conjunto formado pelo cérebro, cerebelo e tronco encefálico) que se encontra na caixa craniana; e medula espinhal que se encontra no interior da coluna vertebral. Encéfalo de diferentes vertebrados (da esquerda para direita) peixe (tubarão); anfíbio (sapo); réptil (crocodilo); ave (ganso); mamífero (cavalo). A função principal do SNC é processar as informações que chegam até ele através da divisão sensorial do SNP, de maneira que ocorram respostas motoras apropriadas. Esse processo requer a seleção das informações relevantes e sabe-se hoje que mais de 99% de todas as informações sensoriais são descartadas pelo cérebro como irrelevantes. Por exemplo, em geral não são percebidas as partes do corpo em contato com as roupas, a pressão do acento quando se está sentado etc. Depois da informação sensorial ser selecionada ela é conduzida para regiões apropriadas do SNC (circuitos neurais) que terão o papel de processar essa informação e gerar a resposta desejada (quando necessário). Essa canalização da informação é chamada de FUNÇÃO INTEGRADORA do SNC. Em que local se encontram os circuitos neurais responsáveis por processar diferentes informações? Há 3 níveis principais de processamento da informação no SNC e cada um apresenta funções específicas: A. O nível da MEDULA ESPINHAL: A medula não atua somente como um condutor de sinais à partir da periferia do corpo para o cérebro (ou na direção oposta) - controla funções mais simples como reflexos. 2

3 Muitas vezes os níveis superiores do SN operam enviando sinais para a medula e não diretamente para a periferia do corpo B. O nível CEREBRAL INFERIOR: Muitas das atividades que chamamos de subconscientes do corpo são controladas nas áreas inferiores do encéfalo (tronco encefálico, hipotálamo, tálamo, cerebelo e gânglios da base). Ex.: o controle da pressão arterial (PA) e respiração, controle do equilíbrio, reflexos alimentares, padrões emocionais (raiva, excitação, resposta sexual etc) reação à dor etc. C. O nível CEREBRAL SUPERIOR ou CORTICAL: O CÓRTEX é um depósito extremamente grande de memória, nunca funciona sozinho sempre em associação com centros inferiores do SNC. Sem o córtex as funções do SNC inferior são muitas vezes imprecisas e, além disso, ele essencial à maioria dos processos de pensamento, mas também nesse sentido não funciona sozinho. Pode se dizer que cada porção do SN desempenha funções específicas mas é o CÓRTEX que abre o mundo para nossa mente. SINAPSES DO SISTEMA NERVOSO As informações são transmitidas no SN principalmente sob a forma de POTENCIAIS de AÇÃO NERVOSOS chamados de "IMPULSOS NERVOSOS" através de sucessões de neurônios. Os sinais nervosos são transmitidos de um neurônio para outro neurônio (ou outra célula) através de um processo chamado SINAPSE. Há dois tipos básicos de sinapses, as químicas e as elétricas. Nas sinapses elétricas o impulso nervoso é transmitido através da troca direta de íons entre as células envolvidas. Nas sinapses químicas a transmissão é feita com auxílio de um intermediário químico chamado neurotransmissor. A maioria das sinapses usadas para transmissão de sinais no SNC do ser humano são do tipo químico. SINAPSE QUÍMICA: Nesse tipo de sinapse o primeiro neurônio secreta uma substância química (neurotransmissor) na fenda sináptica e essa substância química age sobre proteínas receptoras presentes na membrana do próximo neurônio (ou célula) para excitá-lo ou inibí-lo (provoca alterações de voltagem). Muitas substâncias neurotransmissoras foram descobertas. Algumas das mais conhecidas são a acetilcolina, norepinefrina, histamina, ácido gama-aminobutírico (GABA), serotonina, dopamina, glutamato etc. As sinapses químicas têm uma característica muito importante: transmitem os sinais nervosos EM UMA SÓ DIREÇÃO, isto é, do neurônio que secreta o neurotransmissor (NEURÔNIO PRÉ-SINÁPTICO) para o neurônio (ou célula) sobre o qual age o transmissor (NEURÔNIO PÓS-SINÁPTICO). Esse é o chamado PRINCÍPIO da CONUDÇÃO em MÃO ÚNICA. CLASSIFICAÇÃO FUNCIONAL DAS SINAPSES QUÍMICAS: As sinapses químicas podem ser classificadas como EXCITATÓRIAS ou INIBITÓRIAS, de acordo com o tipo de alteração elétrica que provocam no neurônio pós-sináptico. Sinapse excitatória: A alteração elétrica torna o neurônio pós-sináptico excitado, ou seja, gera uma alteração de voltagem que o deixa mais positivo do que era no repouso. Sinapse inibitória: A alteração elétrica gerada no neurônio pós-sináptico o torna inibido, ou seja, gera uma alteração de voltagem que o deixa mais negativo do que era no repouso. CLASSIFICAÇÃO FARMACOLÓGICA DAS SINAPSES QUÍMICAS: As sinapses químicas podem ser classificadas como IONOTRÓPICAS ou METABOTRÓPICAS, de acordo com o tipo de proteína receptora presente na célula pós-sináptica. Sinapse ionotrópica: A proteína receptora pós-sináptica é um canal regulado por comportas, seletivo para diferentes íons. A ativação desses canais depende de estímulo químico (neurotransmissor) que atuará abrindo a comporta do canal. Sinapse metabotrópica: A proteína receptora pós-sináptica é uma enzima que depende do neurotransmissor para ser ativada. 3

4 PROCESSOS FISIOLÓGICOS ENVOLVIDOS NA TRANSMISSÃO DO IMPULSO NERVOSO Há dois processos básicos envolvidos na transmissão sináptica: a secreção de neurotransmissor e a interação dessa molécula com as proteínas receptoras pós-sinápticas. 1- SECREÇÃO de NEUROTRANSMISSOR: A membrana plasmática na terminação pré-sináptica é rica em CANAIS PROTÉICOS de Ca +2 sensíveis a variações de voltagem (outras áreas da fibra nervosa têm poucos ou não tem tais canais). Quando um POTENCIAL de AÇÃO despolariza a terminação, uma grande quantidade de íons Ca +2 flui para dentro da terminação por esses canais. O Ca +2 estimula a liberação do neurotransmissor por EXOCITOSE. Assim, se a concentração de Ca +2 aumenta na terminação a secreção de neurotransmissor também aumenta. 2- AÇÃO DOS NEUROTRANSMISSORES: A membrana do neurônio pós-sináptico contém um grande número de proteínas receptoras pós-sinápticas. Cada proteína receptora tem dois componentes importantes: SÍTIO DE LIGAÇÃO: porção protéica que se projeta para a fenda sináptica e é específica para a ligação com um neurotransmissor. A ligação do neurotransmissor ao sítio da proteína receptora ativa essa proteína. COMPONENTE TRANSMEMBRANA: porção protéica que atravessa a membrana e projetam-se para o interior do neurônio pós-sináptico. Esse componente pode ser um canal que permite a passagem de íons específicos ou uma enzima que ativa a síntese de moléculas específicas no interior da célula pós. A interação da molécula de neurotransmissor com a proteína receptora sempre provoca alterações elétricas (de voltagem) na célula pós-sináptica. Tais alterações podem tornar a célula excitada ou inibida. Por serem geradas na célula pós-sináptica essas alterações de voltagem são chamadas de Potenciais Pós Sinápticos (PPS). As alterações de voltagem que deixam a célula mais positiva do que ela era no repouso são chamadas de Potenciais Pós Sinápticos Excitatórios (PPSE). Aquelas que deixam a célula mais negativa do que ela era no repouso são chamadas de Potenciais Pós Sinápticos Inibitórios (PPSI). Como os PPS são gerados? Justamente pela interação do neurotransmissor com as proteínas receptoras. São características específicas da proteína receptora que determinam se o PPS será excitatório ou inibitório. SINAPSES IONOTRÓPICAS Há proteínas receptoras que são canais regulados por comportas. Quando a célula está em repouso, esses canais estão inativos e somente um estímulo específico pode ativá-los. No caso das proteínas receptoras o estímulo é sempre químico, ou seja, o neurotransmissor. Ao se ligar no sítio de ligação da proteína receptora o neurotransmissor provoca a abertura das comportas, ativando o canal. Ao serem ativados os canais das proteínas receptoras permitirão a passagem de íons específicos para dentro ou para fora da célula, gerando com isso PPS s. Proteína receptora seletiva para Na+: Quando o neurotransmissor se liga ao sítio específico dessa proteína, ativa (abre as comportas) do canal que é seletivo para o Na+. Esse íon passará pelo canal ativo, entrando na célula em pequenas quantidades. Como o Na+ é um cátion provocará pequenas mudanças na voltagem da célula pós, tornando-a mais positiva do que ela era no repouso, ou seja, gera um PPSE. Considere, por exemplo, uma célula que em repouso apresenta voltagem de -70mV. Ao gerar-se um PPSE nessa célula ela se torna ligeiramente mais positiva (- 60mV). 4

5 Proteína receptora seletiva para K+: Quando o neurotransmissor se liga ao sítio específico dessa proteína, ativa (abre as comportas) do canal que é seletivo para o K+. Esse íon passará pelo canal ativo, saindo na célula em pequenas quantidades. Como o K+ é um cátion provocará pequenas mudanças na voltagem da célula pós, tornandoa mais negativa do que ela era no repouso, ou seja, gera um PPSI. Considere, por exemplo, uma célula que em repouso apresenta voltagem de -70mV. Ao gerar-se um PPSI nessa célula ela se torna ligeiramente mais negativa (-80mV). Proteína receptora seletiva para Cl-: Quando o neurotransmissor se liga ao sítio específico dessa proteína, ativa (abre as comportas) do canal que é seletivo para o Cl-. Esse íon passará pelo canal ativo, entrando na célula em pequenas quantidades. Como o Cl- é um ânion provocará pequenas mudanças na voltagem da célula pós, tornando-a mais negativa do que ela era no repouso, ou seja, gera um PPSI. Considere, por exemplo, uma célula que em repouso apresenta voltagem de -90mV. Ao gerar-se um PPSI nessa célula ela se torna ligeiramente mais negativa (-100mV). ATENÇÃO: PPS s não são potenciais de ação, portanto, não são impulsos nervosos. O potencial de ação sempre ocorre em duas etapas (despolarização e repolarização). Os PPS são somente variações de voltagem geradas por causa da interação do neurotransmissor com uma proteína receptora. Os potenciais de ação duram mais tempo que os PPS e podem se propagar pela membrana do neurônio. Já os PSS não se propagam e podem desaparecer rapidamente. Contudo, um PPSE (nunca um PPSI) pode iniciar um potencial de ação (impulso nervoso) se a alteração de voltagem que ele provoca for grande o suficiente. SINAPSES METABOTRÓPICAS Há proteínas receptoras que têm função de enzima. Quando a célula está em repouso, a atividade enzimática da proteína está inativa e somente um estímulo específico pode ativá-la. No caso das proteínas receptoras o estímulo é sempre químico, ou seja, o neurotransmissor. Ao se ligar no sítio de ligação da proteína receptora o neurotransmissor provoca a ativação da enzima que passará a exercer sua função específica no interior da célula pós-sináptica. Ao serem ativadas as enzimas (das proteínas receptoras) provocarão eventos dentro da célula que acabarão culminando na produção de PPS s. A proteína desse tipo mais comum no sistema nervoso é a proteína G. A proteína G possui atividade de enzima. Ela atua, quando ativa, como uma adenilato ciclase (ou adenil ciclase). Essa categoria de enzimas provoca a quebra de moléculas de alta energia (ATP por exemplo) dentro da célula pós e liberam uma molécula chamada de AMPc (monofosfato cíclico de adenosina). A molécula de AMPc é chamada tipicamente de molécula de segundo mensageiro, já que foi produzida por causa do neurotransmissor (primeiro mensageiro) que ativou a enzima. O AMPc pode atuar realizando inúmeras funções no citoplasma das células em que é produzido. Quando o AMPc resulta da interação do neurotransmissor, ele provocará a ativação de proteínas de canal reguladas por comportas na membrana da célula pós. Vejamos: ATP AMPc AMPc ativa canais rápidos de Na+ na membrana da célula pós: Ao fazer isso o AMPc permite a entrada de Na+ na célula pós gerando PPSE. Ou seja, a célula que estava a -90mV fica mais positiva (- 75mV). Se o PPSE for grande o suficiente, iniciará um potencial de ação e a conseqüente transmissão do impulso nervoso. AMPc ativa canais lentos de K+ na membrana da célula pós: Ao fazer isso o AMPc permite a saída de K+ da célula pós gerando PPSI. Ou seja, a célula que estava a -90mV fica mais negativa (-95mV). O PPSI inibe a célula pós impedindo a transmissão do impulso nervoso. 5

6 3- REMOÇÃO DE NEUROTRANSMISSOR: Após interagirem com a proteína receptora o que ocorre com as moléculas de neurotransmissor que foram secretadas? Os neurotransmissores não permanecem muito tempo livres na fenda sináptica. As moléculas ligamse prontamente às ptn s receptoras ou então são removidas da fenda. Os neurotransmissores podem ser removidos por difusão, isto é, suas moléculas se difundem para tecidos vizinhos ou para o líquido extracelular circundante e assim são levados para fora da fenda sináptica. Outros podem ser removidos por mecanismos mais elaborados como a destruição enzimática ou a recaptação. 1. Por destruição enzimática (na própria fenda) existem enzimas específicas que são capazes de quebrar as moléculas de neurotransmissor que não se ligaram à proteína receptora do neurônio pós-sináptico 2. Por recaptação as moléculas, que não se ligaram à proteína receptora, são transportadas de volta para o interior da terminação pré-sináptica por proteínas transportadoras especiais. Leitura suplementar: Guyton e Hall. Tratado de fisiologia médica.- Capítulo 45 Roberto Lent. 100 bilhões de neurônios - Cápitulos 1 e 4 - edição