Biofísica dos sistemas integradores

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1 Biofísica dos sistemas integradores Prof. Romildo Nogueira 1. As células nervosas e musculares Os elementos celulares do sistema nervoso são as células gliais e os neurônios. Embora seja dada atenção quase exclusivamente aos neurônios, as células gliais existem em maior número (são, numa estimativa grosseira, células gliais para neurônios). As células gliais não conduzem potencial de ação nem formam sinapses funcionais com outras células, embora possam ser polarizadas passivamente pela atividade neural adjacente. As funções dessas células são complexas e não totalmente compreendidas. Em geral, fornecem uma sustentação aos neurônios. É provável que as células gliais desempenhem funções metabólicas e nutritivas. Essas células podem: contribuir na regulação do fluxo sanguíneo cerebral; atuar como escoadouro (sink) ou fonte (source) de íons; isolar eletricamente os axônios e as sinapses e fagocitar fragmentos neurais após lesão. Um desses tipos de células, os oligodendrócitos, formam a bainha de mielina, ao se enrolarem várias vezes em torno de um axônio. Essa bainha não apenas isola os axônios uns dos outros, porém principalmente limita o fluxo de corrente através do axolema, exceto nos nodos de Ranvier. Como a corrente flui efetivamente através da membrana apenas nos nodos de Ranvier, o potencial de ação é conduzido em saltos. Essa condução é muita mais veloz do que se não existisse a mielina. Os oligodendrócitos são encontrados sobretudo entre os axônios mielinizados do cérebro e da medula espinhal. As células de Schwann formam as bainhas de mielina, de maneira muito parecida, nos nervos periféricos. Além dos oligodendrócitos existem mais quatro tipos de células gliais, são eles: astrócitos; células ependimais; micróglia e células de Schwann. Os astrócitos, abundantes em todo cérebro e medula espinhal, tem seus múltiplos prolongamentos circundando os neurônios e seus axônios, e com freqüência, terminam nas paredes de vasos sanguíneos. É provável que essas células desempenhem funções metabólicas e nutritivas para os neurônios, além de formarem o arcabouço mecânico. Além disso, muitas sinapses são envolvidas por prolongamentos astrocitários que separam e, talvez, isolem eletricamente as sinapses uma das outras. As células ependimais revestem as superfícies dos ventrículos cerebrais e o canal da

2 medula espinhal, mas sua função não é bem conhecida. As micróglias, atuam fagocitando e eliminando fragmentos do tecido cerebral quando lesado. Os neurônios são as células responsáveis pelo processamento e transmissão de informação no sistema nervoso. Com a exceção de determinados interneurônios que não tem axônios longos, os neurônios possuem axônios que conduzem potenciais de ação por distâncias consideráveis. Os neurônios se comunicam entre si por meio de sinapses. Um neurônio típico é composto de: soma (ou corpo celular), prolongamentos dendríticos e do axônio. O corpo celular é a usina metabólica do neurônio. Muitos dendritos brotam do soma, porém apenas um axônio sai dele. A bainha de mielina, quando existente, começa perto do soma, logo após o cone axônico. No final do axônio a bainha de mielina termina e se originam ramos desmielinizados que vão formar sinapses com outros neurônios, fibras musculares, etc. Em alguns neurônios, o soma e os dendritos e, possivelmente, as porções préterminais do axônio não são excitáveis eletricamente. Nesses casos, a excitabilidade elétrica e a capacidade de propagar potencial de ação são propriedades limitadas ao axônio. Os dendritos e o soma comportam-se como cabos elétricos passivos, caracterizados pela baixa resistência do axoplasma e meio extracelular e pelo circuito RC de membrana, onde R é a alta resistência da membrana e C a sua capacitância. Nesses neurônios, as sinapses aferentes mesmo quando ocorre em dendritos mais periféricos não distam mais que uma constante de espaço do segmento inicial do axônio, e desta forma todas as sinapses podem influenciar a freqüência da atividade da célula pós-sináptica. Assim, os potencias eletrotônicos excitatórios (PPSEs) e inibitórios (PPSIs) ao se propagarem, e serem somados algebricamente no segmento inicial do axônio, podem (ou não) (dependendo desse estimulo ser (ou não) supralimiar) disparar no axônio um potencial de ação. Embora o potencial de ação, possivelmente, cesse antes de invadir os ramos axônicos pré-terminais, a despolarização resultante desloca-se eletrotonicamente para as sinapses, onde vai liberar o transmissor. Em muitos neurônios soma e dendritos sofrem alterações de condutância dependentes de voltagem a íons específicos, e isso representa uma reação ativa e não linear aos sinais elétricos, bastante diferentes da reação passiva e linear de um cabo passivo. Da mesma forma, tem-se percebido que nem toda transferência de informações entre as sinapses e o segmento inicial do axônio precisa ser conduzida de forma eletrotônica. O músculo A contração muscular é o mais familiar e o mais conhecido de todos os tipos de movimento dos animais. Nos vertebrados, por exemplo, movimentos como correr, caminhar, nadar e voar, dependem da contração rápida da musculatura esquelética sobre o seu suporte ósseo. Movimentos voluntários, tais como batimento cardíaco e peristaltismo intestinal, por outro lado, dependem, respectivamente, da contração da musculatura cardíaca e lisa.

3 As fibras musculares longas e finas da musculatura esquelética são células gigantes formadas, durante o desenvolvimento, pela fusão de muitas células isoladas. Todos os núcleos foram mantidos logo abaixo da membrana plasmática. A massa do citoplasma (dois terços do peso seco da célula) é formado por miofibrilas, que são os elementos contráteis da célula muscular. São estruturas cilíndricas com 1 a 2 m de diâmetro, tendo, freqüentemente, o mesmo comprimento da célula. Cada miofibrila consiste de uma cadeia de unidades contráteis finas, ou sarcômeros, cada um com 2,2 m de comprimento, o que confere a aparência estriada as miofibrilas dos vertebrados. Em cada sarcômero pode ser vista, em maior aumento, uma série de bandas largas claras e escuras; uma linha densa no centro de cada banda clara separa um sarcômero do seguinte, sendo conhecida como linha Z ou disco Z. Cada sarcômero compreende uma unidade altamente organizada, de filamentos paralelos e parcialmente sobrepostos. Os filamentos finos, compostos por actina com proteínas associadas, estão ligadas ao disco Z nas duas extremidades do sarcômero, estendendo-se até a sua parte mediana, onde se sobrepõem aos filamentos grossos, formados por isoformas musculares específicas de miosina-ii. Um corte transversal da região de sobreposição (em microscopia eletrônica) mostra que os filamentos de miosina estão organizados numa trama regular hexagonal, com filamentos de actina distribuídos regularmente entre eles. A contração acontece quando os filamentos de actina e de miosina deslizam uns pelos outros. O encurtamento do sarcômero é resultante do deslizamento dos filamentos de miosina pelos filamentos de actina sem mudança no seu comprimento. Neste modelo do filamento deslizante quando o músculo se contrai, os filamentos de actina e de miosina são puxados uns sobre os outros pelas pontes transversais (cabeças de miosinas) que atuam ciclicamente, como uma série de finos remos. Energeticamente, a contração muscular é dirigida pela interação entre as cabeças de miosina_ii e os filamentos de actina adjacentes, e isto ocorre com a hidrólise do ATP. Esta hidrolise seguida da dissociação dos seus produtos (ADP e Pi) produz uma série ordenada de alterações alostéricas na conformação da miosina. Como resultado, parte da energia liberada é acoplada a produção de movimento. Além do músculo esquelético, dois outros estão presentes nos vertebrados, são eles os músculos cardíaco e liso. O músculo cardíaco tem uma alta atividade contrátil, contraindo-se cerca de 3 bilhões de vezes durante uma vida média humana e, o músculo liso, produz as contrações lentas e prolongadas características de órgãos como os intestinos. Os mecanismos moleculares envolvidos nas contrações desses três diferentes músculos são semelhantes, em todos eles a contração ocorre devido ao deslizamento dos filamentos de actina sobre os da miosina-ii. As células do músculo cardíaco, ao contrário do esquelético, não são sinciciais, possuindo núcleos individuais. São unidas pelas extremidades por meio de estruturas especiais chamadas discos intercalares, que possuem, pelo menos três funções: (1) Unem as células adjacentes pelos desmossomos. (2) Conectam os filamentos de actina das miofibrilas de células adjacentes (realizando uma função análoga a dos discos Z). (3) Contém junções espaçadas que permitem a propagação rápida do potencial de ação de uma célula para seguinte, sincronizando as contrações do músculo cardíaco.

4 O músculo liso forma as partes contráteis do estômago, do intestino, do útero, das paredes das artérias e de muitas outras estruturas nas quais é necessária uma contração lenta e mantida. Esse músculo é formado por camadas de células mononucleadas, bastante alongadas e em forma de fuso. As células contêm filamentos de actina e miosina-ii, mas estes não estão estruturados de acordo com o padrão ordenado encontrado nos músculos estriados e não formam miofibrilas características. Ao invés disso, os filamentos formam uma maquinaria contrátil com uma estrutura mais frouxa, mais ou menos alinhada com o eixo mais longo da célula. Essa estrutura contrátil fixa-se obliquamente a membrana plasmática por junções semelhantes a discos que conectam células adjacentes. 2. Geração e condução da informação elétrica nas células nervosas: os potenciais eletrotônico e de ação. Uma característica encontrada no sistema nervoso das diferentes espécies animais é a sua capacidade de conduzir informação com rapidez e eficiência. No homem, por exemplo, o sistema nervoso funciona como uma rede de comunicação entre o sistema nervoso central e as várias partes do organismo. Estas informações são codificadas, através da modulação em freqüência de um sinal elétrico que é o impulso nervoso propagado. Este sinal propagado no nervo se caracteriza do ponto de vista elétrico por uma abrupta alteração do potencial de repouso celular. Esta alteração rápida do potencial transmembrana é denominado de potencial de ação e as correntes iônicas transmembrana que dão origem a esta variação do potencial são as correntes de ação. As formas de potenciais de ação encontradas nos diferentes tecidos excitáveis (motoneurônio e músculos esquelético e cardíaco), podem ser registrados com microeletródios intracelulares. Os eventos que iniciam um potencial de ação nas células excitáveis são denominados de estímulos. Estes estímulos podem ser de origem elétrica, hormonal, térmica, mecânica, eletromagnética, química e outros. Contudo, seja qual for a origem dos estímulos, todos eles sofrem um processo de transdução nos receptores para um sinal elétrico. Este sinal elétrico é o agente responsável pelo disparo da atividade elétrica nos tecidos excitáveis. Assim, estímulos que são capazes de disparar potenciais de ação propagados são aqueles cuja intensidade e duração estão acima de um certo valor denominado de limiar de excitabilidade celular. Os estímulos com essas características são denominados de estímulos supralimiar e aqueles com intensidade e duração insuficientes para produzir um potencial de ação são denominados de sublimiares.

5 O limiar de excitabilidade permite a célula funcionar como um discriminador de sinal elétrico. Assim, apenas estímulos com intensidade e duração que permitam disparar um potencial de ação produzem transferência de informação nas células excitáveis. Os estímulos sublimiares apesar de não iniciar um potencial de ação induzem alterações no potencial de membrana que são denominados de respostas locais ou sublimiares. Estas respostas elétricas locais, denominadas eletrotônicas, são dependentes da intensidade do estímulo que a gerou e depende das propriedades resistiva e capacitiva da membrana e resistiva do fluido celular. Este tipo de resposta- que é uma propriedade das células em geral e não unicamente daquelas que são excitáveis- se atenuam à medida que se propaga ao longo de uma fibra de maneira semelhante a um cabo elétrico, e daí a denominação de propriedades de cabo das células. O potencial de ação, ao contrário, é do tipo tudo ou nada, isto quer dizer que o estímulo ou é suficiente para atingir o limiar de excitabilidade e disparar um potencial de ação que se propaga ao longo da fibra excitável sem variação da forma de onda e com velocidade constante (tudo) ou então o estímulo é sublimiar e neste caso, não dispara um potencial de ação (nada). A codificação da intensidade e duração do estímulo supralimiar é realizada através do intervalo de tempo entre os potenciais de ação, uma vez que os potenciais de ação têm amplitude constante. Assim, a transferência de informação no sistema nervoso se faz por modulação em freqüência e não em amplitude. Os receptores, por sua vez, funcionam como transdutores de amplitude para freqüência. Os estímulos sublimiares apesar de não produzirem potenciais de ação podem sofrer somação com um outro estímulo sublimiar e atingir o limiar de excitabilidade da célula e, com isto, disparar um potencial de ação. Uma característica interessante das células excitáveis é a sua incapacidade de responder a novos estímulos durante a fase inicial do potencial de ação. O intervalo de tempo no qual este fenômeno ocorre, é denominado de período refratário absoluto. Após este período, um potencial de ação pode ser deflagrado,porém em resposta a estímulos muito intensos. Este período é denominado de período refratário relativo. Quais os íons responsáveis pelo fenômeno do potencial de ação?

6 Durante a fase inicial do potencial de ação, denominada de despolarização, são observados primeiro um aumento da permeabilidade da membrana ao íon sódio e posteriormente uma redução desse parâmetro. Desta forma, o fenômeno do ponto de vista iônico, caracteriza-se pelo fluxo rápido de sódio para o interior da célula. Esta corrente de sódio para o interior celular ocorre através de canais iônicos dependentes de voltagem, que se encontram na membrana plasmática e são conhecidos como canais de sódio. Uma característica desses canais é que eles são ativados e posteriormente inativados durante o processo de despolarização da célula. O resultado final desse processo é uma mudança de polaridade através da membrana. A fase final do potencial de ação, denominada de repolarização, é caracterizada pelo retorno do potencial transmembrana ao seu valor de repouso. Isto ocorre devido ao aumento da permeabilidade da membrana ao íon potássio. Este aumento da permeabilidade ao potássio ocorre devido à abertura de canais de potássio dependentes de voltagem na membrana plasmática. Através dessas vias a corrente de potássio repolariza a membrana. Esta corrente de potássio para o exterior da célula cessa devido o fechamento dos canais de potássio em valores de voltagem próximos ao potencial de repouso. Um modelo para o controle da permeabilidade através de vias especializadas na membrana para o transporte dos íons sódio e potássio foi proposta por Hodgkin & Huxley, em Neste modelo os autores sugeriram que partículas n, m e h controlariam a condutância da membrana aos íons sódio e potássio. Assim, no caso da condutância ao potássio a partícula carregada n sentiria a voltagem da membrana e se deslocaria de uma posição a outra do canal, permitindo a sua abertura. Quanto à condutância ao íon sódio, pode-se imaginar que a partícula m, ao sentir voltagem, desloca-se no interior da membrana e abre uma via condutiva ao íon sódio. A partícula de inativação h também sensível à voltagem, ao contrário, age inativando os canais de sódio e inibindo a passagem deste íon através da via hidrofílica. A inativação do canal só ocorre depois de passado um intervalo de tempo em relação a sua ativação. Isto se deve ao fato de que as partículas h apesar de também sentirem voltagem, se movem mais lentamente que as partículas de ativação m.

7 Sódio Transporte de íons de Potássio Transporte de íons de Estes dois processos atuando, simultaneamente, na membrana permitem o aumento abrupto da sua condutância, seguido de um decréscimo para um valor igual aquele que a membrana tinha em repouso, como observado durante o fenômeno do potencial de ação. O potencial de ação se propaga como uma onda que se desloca com velocidade constante a partir do local do estímulo para as regiões adjacentes da membrana. Isto ocorre porque no local do estímulo, gera-se uma despolarização e, em virtude da diferença de potencial entre este ponto e os pontos adjacentes da membrana, ocorrem fluxos de íons que vão despolarizar aquelas regiões. Além dessas correntes longitudinais, tem-se a corrente através da membrana, fechando o circuito que denominamos de circuitos locais de corrente. 3. Transmissão sináptica A sinapse é o local onde um impulso é transmitido de uma célula a outra. Há dois tipos de sinapse: elétrica e química. Na sinapse elétrica as células excitáveis se comunicam através da passagem direta da corrente elétrica entre elas e essa é a transmissão eletrotônica. As junções abertas (gap junctions) ligam células acoplando-as eletricamente, devido à presença, nessas junções, de vias de baixa resistência elétrica entre essas células. Há poucos exemplos bem estudados de transmissão eletrotônica no sistema nervoso central (SNC) de vertebrados. Com maior freqüência, a informação é transferida entre as células excitáveis por meio de sinapses químicas. Na sinapse química, um potencial de ação provoca a liberação de substância transmissora pelo neurônio pré-sináptico. O transmissor se difunde, através da fenda sináptica extracelular, e liga-se a receptores na membrana da célula pós-sináptica, provocando alteração de suas propriedades elétricas. A junção neuromuscular é uma sinapse química de vertebrados que melhor se conhece. Por esta razão, será iniciado o estudo das sinapses químicas pela junção neuromuscular.

8 Junções neuromusculares As sinapses entre os axônios dos motoneurônios e as fibras musculares esqueléticas são denominadas junções neuromusculares, junções mioneurais ou placa motora. A estrutura da junção neuromuscular Próximo à junção neuromuscular, o nervo motor perde sua bainha de mielina, dividindo-se em delicados ramos terminais. Esses ramos terminais do axônio penetram nas depressões sinápticas, na superfície das células musculares. A membrana plasmática da célula muscular, que reveste a depressão, forma numerosas pregas juncionais. Nas terminações axônicas encontram-se muitas vesículas sinápticas, com cerca de 400 A de diâmetro, contendo acetilcolina. A terminação axônica e a célula muscular são separadas por uma fenda sináptica. As moléculas receptoras de acetilcolina concentram-se perto das aberturas das pregas juncionais. A acetilcolinesterase (enzima que hidrolisa a acetilcolina) parece estar distribuída, de modo regular, por toda a superfície externa da membrana pós-sináptica. As etapas da transmissão neuromuscular: 1. O potencial de ação é conduzido pelo axônio motor em direção às terminações axônicas pré-sinápticas. 2. Despolarização da membrana plasmática da terminação axônica pré-sináptica. 3. Aumento transitório da condutância aos íons cálcio e entrada de cálcio, ao longo do seu gradiente eletroquímico, para dentro das terminações axônicas. 4. Influxo do íon cálcio faz com que as vesículas se fundam com a membrana plasmática e liberem a acetilcolina para fenda sináptica por exocitose. 5. A acetilcolina se difunde através da fenda sináptica e combina-se com o receptor colinérgico (uma proteína receptora específica para acetilcolina) na superfície externa da membrana plasmática muscular da placa motora. 6. A combinação da acetilcolina ao seu receptor produz um aumento transitório da condutância da membrana pós-juncional aos íons sódio e potássio.

9 7. As correntes iônicas (Na + e K + ) resultam em despolarização momentânea da região da placa motora (potencial de placa motora - PPM). O PPM é transitório porque a atuação da acetilcolina termina com a sua hidrólise em colina e acetato. A hidrólise é catalisada pela enzima acetilcolinesterase, existente em altas concentrações na membrana pósjuncional. Como a transmissão do sinal elétrico para membrana pós-juncional induz a contração muscular? A membrana plasmática pós-juncional da junção neuromuscular não é excitável eletricamente e não gera potencial de ação. Após a despolarização da placa motora, as regiões adjacentes da membrana celular do músculo despolarizam-se por condução eletrotônica. Quando essas regiões atingem seu limiar, são gerados potencias de ação na célula muscular. Esses potenciais de ação propagam-se ao longo da fibra muscular, com alta velocidade e promovem a contração das células musculares. Na célula muscular o potencial de ação se espalha rapidamente por uma série de dobras membranosas, denominadas de túbulos transversos ou Túbulos T. Esses túbulos T se estendem da membrana plasmática para o interior do músculo envolvendo as miofibrilas. O sinal elétrico ao chegar próximo ao retículo sarcoplasmático induz a abertura de canais de cálcio no retículo. Esses canais são ativados, possivelmente, por acoplamento mecânico entre proteínas sensíveis a voltagem do túbulo T e proteínas do retículo. A liberação de íons cálcio do retículo induz a abertura de mais canais de cálcio amplificando a resposta. Essa entrada de íons cálcio no citoplasma inicia a contração das miofibrilas. Todas as miofibrilas se contraem ao mesmo tempo porque o sinal proveniente da membrana plasmática da célula muscular é transmitido, para cada sarcômero, num intervalo de milissegundos. O aumento da concentração de íon cálcio é transitória pois o íon é recaptado para o retículo sarcoplasmático pela Ca ++ -ATPase existente na membrana do retículo. Em 30 milissegundos a concentração do íon cálcio alcança níveis de repouso e as miofibrilas relaxam. Qual o mecanismo pelo qual o íon cálcio induz a contração?

10 A dependência do Ca ++ para a contração do músculo esquelético dos vertebrados e, portanto sua dependência dos comandos motores transmitidos via nervos, é inteiramente devida a um grupo de proteínas acessórias associadas aos filamentos de actina. Uma dessas proteínas é a tropomiosina, uma molécula em formato de bastão, que se liga no sulco da hélice de actina. Outra proteína acessória importante é a troponina, formada por um complexo de três polipeptídios troponinas T, I e C (assim denominadas devido a ligação a Tropomiosina, atividade Inibitória e de ligação ao Cálcio). O complexo da troponina apresenta uma forma alongada, na qual as subunidades C e I formam uma região globular e a T, uma longa calda. A calda da troponina T liga-se a tropomiosina e, imagina-se que seja a responsável pelo posicionamento do complexo no filamento fino. A troponina I ligase a actina e, em presença da troponina T e tropomiosina, forma um complexo que inibe a interação da actina com a miosina, mesmo em presença de Ca ++. A presença da troponina C completa o complexo tornando-o sensível ao Ca ++. A troponina C liga-se a quatro íons Ca ++, liberando, assim, a inibição da ligação da miosina a actina provocada pelos outros dois componentes da troponina. Esta proteína está intimamente relacionada com a calmodulina, que medeia as respostas dependentes de Ca ++ em todas as células, inclusive a ativação da miosina do músculo liso. A troponina C pode ser vista como uma forma especializada de calmodulina que desenvolveu sítios para ligação permanente das troponinas T e I, assegurando com isso, uma resposta extremamente rápida da miofibrila a um aumento na concentração do Ca ++. Em um filamento de actina existe somente um complexo de troponina para cada sete monômeros de actina. Estudos estruturais sugerem que a ligação da troponina I com a actina, num músculo em repouso, move a tropomiosina para uma posição sobre os filamentos de actina que é aquela ocupada pela cabeça de miosina num músculo em contração, porém mantem inibida a interação entre a actina e a miosina. Quando o nível de Ca ++ é aumentado, a troponina C promove a liberação da troponina I da actina, permitindo, com isso, uma leve mudança de posição da tropomiosina, favorecendo a ligação da cabeça da miosina ao filamento de actina. Síntese e liberação da acetilcolina Os motoneurônios sintetizam acetilcolina. A enzima colina-o-acetiltransferase do motoneurônio catalisa a condensação de acetil coenzima A com colina. A acetil coenzima A é produzida pelo neurônio, enquanto a colina, que não pode ser sintetizada por esse neurônio motor, é captada ativamente do líquido extracelular.

11 A liberação quântica da acetilcolina Mesmo quando o motoneurônio não é estimulado, pequenas despolarizações da célula muscular pós - juncional ocorrem espontaneamente. Estas pequenas despolarizações espontâneas são conhecidas como potenciais miniatura de placa motora (PMPM) e ocorrem aleatoriamente, com freqüência média em torno de 1 Hz (1 / 1s). Cada PMPM despolariza a membrana pós-juncional por apenas 0,4 mv em média, porém tem a mesma duração de um PPM produzido por um potencial de ação na terminação nervosa. A freqüência dos PMPM varia com o decorrer do tempo, porém suas amplitudes se mantem praticamente constante. O PMPM é causado pela liberação, provavelmente, de apenas uma vesícula de neurotransmissor na fenda sináptica. É necessária a presença de Ca++ extracelular para a liberação de neurotransmissor. Caso os níveis extracelulares de Ca ++ sejam reduzidos, a amplitude do PPM produzido pela estimulação do motoneurônio diminui bastante. Nessas condições, ocorrem variações espontâneas da amplitude dos PPM produzidos por uma mesma estimulação. A amplitude do PPM não varia de forma contínua, mas em pequenos degraus, que correspondem à amplitude de um único PMPM. O mecanismo iônico do PPM Os canais catiônicos, abertos pela acetilcolina na membrana pós-juncional, diferem dos canais catiônicos dos nervos e músculos pelo fato de exibirem uma discreta dependência de voltagem. Esses canais pós-juncionais são controlados pela ação da acetilcolina e não pelo potencial transmembrana. Os canais catiônicos acetilcolina dependentes são pouco seletivos em relação a pequenos cátions. Os íons Na +, K +, Rb + e NH + 4 passam por eles facilidade relativamente equivalente. O potencial da membrana da placa motora pode ser determinado pela média ponderada (pelos valores das condutâncias da membrana a cada um dos íons que contribuem para formação do potencial), dos potencias gerados pelos íons sódio e potássio. Formalmente, E m = (g K / (g K + g Na )) E K + ( g Na / ( g K + g Na )) E Na, Os parâmetros g K e g Na são as condutâncias do canal colinérgico aos íons sódio e potássio e E K e E Na são os valores dos potenciais de equilíbrio desses íons.

12 Mantendo-se fixada em diferentes valores a voltagem da membrana da placa motora, observa-se que a corrente de placa pode fluir para dentro ou para fora da célula muscular, dependendo do valor da voltagem transmembrana. O potencial de reversão (valor de voltagem para o qual a corrente é nula) da placa motora é cerca de 0 mv. O receptor de acetilcolina Experiências com g-bungarotoxina (uma sustância que se liga fortemente ao receptor colinérgico) sugerem a existência de 10 7 a 10 8 locais de ligação por placa motora. Nas junções neuromusculares de diafragma de camundongo, os locais de ligação a acetilcolina ficam concentrados perto das aberturas das pregas pós-juncionais e atingem densidade de aproximadamente / m 2. Isso sugere uma grande condensação dos receptores colinérgicos, pois a densidade máxima possível é cerca de / m 2. A proteína receptora para acetilcolina é uma proteína integral de membrana, profundamente embebida na matriz lipídica hidrofóbica da membrana pós-juncional. Esta proteína é constituída por cinco subunidades, duas idênticas, de modo que há quatro cadeias polipeptídicas distintas. A subunidade duplicada é a subunidade (peso molecular = ). Os locais de ligação com a acetilcolina situam-se nas unidades. As outras subunidades são a (50.000), a (60.000) e a (65.000). Em algumas espécies, o pentâmero 2 é a forma predominante do receptor para a acetilcolina. Em outras espécies, dois pentâmeros estão ligados por uma ponte dissulfídica, entre suas subunidades. A função dessas duas formas é aparentemente idêntica. Os genes de cada uma das subunidades já foram clonados e suas seqüências apresentam significativa homologia seqüencial. A análise da estrutura tridimensional do receptor de acetilcolina na membrana, revelou que as cinco unidades circundam um canal iônico central. Todas as subunidades atravessam a membrana, com a maior parte da molécula projetando-se para face extracelular da membrana. As subunidades se organizam de maneira a formar um canal em forma de funil com a boca maior voltada para o meio extracelular. Os dados experimentais sugerem que a ligação da acetilcolina provoca uma alteração da conformação da subunidade, que produz variações conformacionais das outras subunidades, abrindo o canal iônico. Sinapses entre neurônios As sinapses entre neurônios podem ser elétricas ou químicas. Nas sinapses elétricas, uma variação do potencial de membrana de uma célula é transmitida a outra célula pelo fluxo direto de corrente. Como a corrente flui diretamente entre as duas células, que formam uma

13 sinapse elétrica, não existe, praticamente, retardo sinaptico. As sinapses químicas apresentam tipicamente um retardo sinaptico de aproximadamente 0,5 ms. De modo geral, as sinapses elétricas permitem a condução em ambas às direções, ao contrário das químicas, que são obrigatoriamente unidirecionais. Determinadas sinapses elétricas conduzem mais facilmente numa direção do que em outra, propriedade esta denominada retificação. As células formadoras de sinapses elétricas são unidas por junções abertas, onde as membranas plasmáticas das células pareadas estão muito próximas (menos de 30 A) e podem ser identificadas proteínas intramembranosas dispostas regularmente. Essas proteínas consistem em seis subunidades que circundam um canal aquoso central. Essa disposição hexagonal é denominada conexon. Cada uma das seis subunidades é uma proteína simples denominada conexina (peso molecular = ). Na junção aberta, os conexons das células acopladas estão alinhados, formando canais. O canal que comunica as duas células acopladas são formados por doze conexinas. Os canais permitem a passagem de moléculas hidrossolúveis com pesos moleculares de até 1200 a 1500 de uma célula para outra e são as vias para o fluxo de corrente elétrica entre as células. Sinapse Elétrica As células eletricamente acopladas podem ser desacopladas pelo fechamento dos canais dos conexons. Esses canais podem fechar-se em resposta ao aumento do Ca ++ ou H + intracelular em uma das células ou em resposta a despolarização de uma ou ambas as células. Um modelo é proposto para o mecanismo de fechamento dos canais. Já foram descritas numerosas sinapses elétricas nos sistemas nervosos central e periféricos de vertebrados e invertebrados. As sinapses elétricas parecem ser particularmente úteis nas vias reflexas, onde é necessária a transmissão rápida entre as células (pequeno retardo sináptico), ou a resposta sincrônica de alguns neurônios. Entre as muitas células não-neuronais ligadas por junções abertas estão os hepatócitos, as células miocárdicas, as células da musculatura lisa intestinal e as células epiteliais do cristalino. As etapas da transmissão elétrica: 1. O potencial de ação na membrana pré-sináptica gera o estimulo elétrico. 2. Os canais das conexinas são abertos. 3. Gera-se circuito local de corrente entre as duas células acopladas. 4. Despolarização da membrana pós - sináptica.

14 As etapas envolvidas nas sinapses químicas entre neurônios são bastante semelhantes àquelas descritas para junção neuromuscular, e podem enumeradas como segue: 1. Despolarização pré-sináptica 2. Aberturas de canais de Ca ++ na membrana pré-sináptica. 3. Fusão das vesículas de neurotransmissores induzida pelo Ca ++ - e conseqüente liberação do neurotransmissor para dentro da fenda sináptica. 4. Moléculas do neurotransmissor difunde-se através da fenda sináptica e ligam-se as moléculas receptoras específicas na membrana pós-sináptica. 5. O complexo transmissor-receptor abre canais iônicos na membrana pós-sináptica, através dos quais a membrana pós-juncional pode ser hiperpolarizada (PPSI) ou despolarizada (PPSE). 6. Este potencial na membrana pós-sináptica, gera correntes que podem disparar ou inibir a propagação de um potencial de ação na célula pós-sináptica. Sinapse Química Mecanismos iônicos dos potenciais pós-sinápticos nos motoneurônios espinhais O PPSE no motoneurônio espinhal do gato é provocado pelo aumento transitório da condutância da membrana pós-sináptica aos íons sódio e potássio. A influxo de sódio e o efluxo de potássio na célula pós-sináptica gera o PPSE. O valor do potencial resultante da passagem dessas correntes iônicas na membrana pós-sináptica é controlado pelo aumento transitório da condutância a esses íons. O PPSI em motoneurônios espinhais de gato é provocado pelo aumento da condutância ao cloreto na membrana pós-juncional. O valor deste potencial hiperpolarizante é controlado pelo aumento transitório da permeabilidade da membrana pós-juncional ao cloreto. Em alguns tipos de sinapses o PPSI é provocado pelo aumento da condutância ao potássio. Transmissores no sistema nervoso Várias substâncias agem como neurotransmissores no sistema nervoso central. A acetilcolina, como já descrito, é o transmissor utilizado por todos os axônios motores oriundos da medula espinhal. A acetilcolina tem papel central no sistema nervoso autonômico, sendo o transmissor

15 de todos os neurônios pré-ganglionares e também das fibras pós-ganglionares parassimpáticas. A acetilcolina é o transmissor de grande número de vias centrais. Uma outra classe de neurotransmissores são as aminas biogênicas entre elas estão a norepinefrina, a epinefrina, a dopamina, a serotonina e a histamina. Dopamina, norepinefrina e epinefrina são catecolaminas. Os neurônios que contém alto teor de dopamina são abundantes nas regiões mesencefálicas, conhecidas como substâncias negra e tegmento ventral. Alguns dos axônios desses neurônios vão para o prosencéfalo, onde participam das respostas emocionais. Outros axônios dopaminérgicos terminam no corpo estrido, onde são tidos como importantes no controle dos movimentos complexos. Norepinefrina é o transmissor principal dos neurônios pós-ganglionares simpáticos. No cérebro, os corpos celulares que contêm norepinefrina são encontrados no lócus cerulens. Os neurônios do lócus cerulens se projetam para o córtex, o hipotálamo, o cerebelo e a medula espinhal. Os neurônios adrenérgicos do cérebro estariam envolvidos na ativação, na regulação do humor e nos sonhos. Os neurônios que contêm serotonina são abundantes nos núcleos da rafe (localizados na linha média do tronco cerebral) e se projetam para muitas regiões do cérebro e da medula espinhal. Os neurônios serotonérgicos estariam envolvidos na regulação da temperatura, na percepção sensorial, no início do sono e no controle do humor e a histamina é encontrada em determinados neurônios do hipotálamo. Alguns aminoácidos agem como neurotransmissores. A glicina é um neurotransmissor inibitório liberado por determinados interneurônios espinhais. O glutamato e o aspartato tem fortes efeitos excitatórios sobre muitos neurônios cerebrais. Talvez sejam os transmissores excitatórios mais prevalentes no cérebro. O ácido -aminobutírico (GABA) não é incorporado as proteínas, nem é encontrado em todas as células (como ocorre com os outros aminoácidos naturais). O GABA é produzido por uma descarboxilase especícica, encontrada apenas no sistema nervoso central. Entre as células que contém GABA estão algumas células dos gânglios da base, as células de Purkinje cerebelares e determinados interneurônios espinhais. Em todos os casos conhecidos, o GABA atua como transmissor inibitório. Trata-se do transmissor mais comum no cérebro e até um terço das sinapses cerebrais o tem como seu neurotransmissor. O GABA parece ser importante em muitas vias distintas de controle central.o GABA também estaria envolvido no controle do humor e das emoções. Além desses transmissores clássicos tem sido observado que determinadas células liberam peptídios, que atuam em concentrações baixas, para excitar ou inibir neurônios. 4. Lógica da organização do sistema nervoso nos diferentes tipos de animais O sistema nervoso central (SNC) no homem e nos outros vertebrados pode ser encarado como um sistema integrador que analisa os sinais provenientes das vias sensoriais e utiliza essas informações para gerar sinais de comando, transmitidos pelas vias motoras até os músculos ou efetores. Assim, o sistema nervoso percebe e avalia o meio ambiente de modo a gerar uma resposta adequada ao ambiente. Todas essas interações com o meio ambiente precisam passar pelas unidades periféricas, que são os receptores sensoriais ou transdutores e unidades motoras. São elas as interfaces entre o sistema nervosos e o meio ambiente.

16 Mesmos animais mais simples, não vertebrados, apresentam sistemas receptores sensoriais para interfacear a comunicação entre seu sistema nervoso com o seu meio ambiente. Esta é lógica comum usada pelos diferentes animais para sua integração com o meio em que vive. 5. Receptores sensoriais ou transdutores Para codificar o ambiente sensorial, a energia dos sinais ambientais (luz, calor, tato, etc.) precisa ser convertida em energia eletroquímica, que pode ser usada para gerar sinais neurais. Isso é feito por meio de transdutores. Cada transdutor é capaz de converter um determinado tipo de energia do estímulo do ambiente num potencial lento e graduado, denominado potencial gerador. Os transdutores apresentam alto grau de especificidade modal, ou seja, são relativamente sensíveis a um tipo de estímulo e não o são a outros. Todavia, essa especificidade é relativa. Um fotorreceptor na retina tem baixo limiar do potencial gerador para a energia fótica, mas também apresentará potenciais geradores à estímulos suficientemente intensos de outros tipos. A compressão do globo ocular, se intensa o bastante, excita esses fotorreceptores. Entre as várias classes de transdutores encontrados nos mamíferos estão os mecanorreceptores envolvidos nos sistemas somatossensorial, auditivo e vestibular; os fotorreceptores na visão; os termorreceptores para os estímulos envolvidos com a sensação de frio e quente; os quimiorreceptores usados no olfato e no paladar, assim como na percepção da composição do sangue; e os nociceptores envolvidos na dor. Os receptores sensoriais localizam-se na periferia ou perto dela, quase sempre em estruturas especializadas, como a retina ou o órgão de Corti. Alguns, entretanto, localizam-se profundamente, no tecido conjuntivo, nas articulações e nos principais vasos sanguíneos. Esses receptores podem ser porções especializadas das extremidades distais de neurônios aferentes primários ou células especializadas não-neurais que formam sinapses com os aferentes primários. Cada aferente primário está associado a um transdutor ou um número bem pequeno de transdutores de um mesmo tipo. O potencial gerador produzido pelo transdutor, se for grande, promove potenciais de ação nos aferentes primários. Um transdutor bastante bem estudado é corpúsculo de Pacini, um mecanorreceptor localizado na pele e nos tecidos profundos, e responsáveis pela sensação de pressão ou vibração. O corpúsculo de Pacini consiste de um corpo constituído por camadas concêntricas, semelhante a uma cebola, onde penetra a extremidade distal de uma fibra aferente primária. O soma dessa fibra aferente situa-se no gânglio da raiz dorsal da medula espinhal e seu axônio penetra na medula espinhal pela raiz dorsal. A pressão aplicada no corpo (cebola) gera um potencial gerador graduado no axônio. Sua amplitude aumenta de forma monotônica com o aumento da pressão e, se essa pressão for suficientemente intensa para ultrapassar o limiar do axônio, surge um potencial de ação. Quando o potencial gerador é sublimiar, um potencial eletrotônico é gerado porém decresce em amplitude à medida que se propaga, não levando informações a medula espinhal. A extremidade distal do axônio, e não o corpo, é o transdutor real, ou seja, quando o corpo é descascado, a força aplicada à terminação nervosa produz um potencial gerador. Quando a força é aplicada em qualquer outro local do axônio nenhum potencial gerador é disparado. Do ponto de vista iônico, é proposto que a distorção mecânica da membrana abre canais iônicos, sobretudo os de sódio. A pasagem desses íons, seguindo seus gradientes eletroquímicos, despolariza os axônios, o que produz o potencial gerador. Embora não seja o transdutor real, o corpo tem importante função mecânica de conferir ao corpúsculo de Pacini a sua característica de um transdutor fásico ou de adaptação rápida, ou seja, o potencial gerador retorna rapidamente à linha de base. Esse potencial só ocorre

17 durante as variações rápidas da pressão, como o início ou o término do estímulo. Todavia, se o corpo é retirado e a força é aplicada diretamente sobre a terminação nervosa, o potencial gerador passa a ser tônico ou de adaptação muito lenta, mantendo-se com uma lenta queda temporal enquanto atuar o estímulo. Aparentemente, o corpo por suas propriedades viscoelásticas, age como um filtro temporal de limiar alto para os estímulos mecânicos, transformando-os de tal forma que apenas alterações transitórias da pressão atingem a terminação nervosa. É interessante observar que os potenciais de ação só são gerados durante as alterações rápidas do potencial gerador, mesmo que o local onde a força é aplicada se mantenha despolarizado. As respostas fásicas, como as exemplificadas pelo corpúsculo de Pacini, têm papel importante no processamento sensorial. A atividade fásica é o indicador mais sensível das preparações temporais de um estímulo. Como uma resposta tônica ou um potencial gerador tônico aumenta ou diminui monotonicamente com a intensidade do estímulo, variações pequenas do estímulo seriam difíceis de serem detectadas nessas respostas. Os transdutores fásicos só geram um potencial quando ocorrem essas variações e, portanto assinalam mais dramaticamente essas alterações. Não obstante, as células fásicas são pouco adequadas à percepção quantitativa da magnitude dessas alterações. Essas células também são pouco adequadas para distinguir entre aumentos e diminuições das intensidades estímulos. Por esses motivos, são necessários transdutores tônicos ou de adaptação lenta. Um mecanorreceptor tônico é aquele a partir do qual o potencial gerador produzido é mantido enquanto durar o estímulo com adaptação apenas discreta. Se o potencial gerador exceder o limiar do axônio sensorial, surgirão potenciais de ação. Quanto mais o potencial gerador persistente ultrapassar esse limiar, mais cedo o limiar pode ser atingido de novo após um potencial de ação. Por conseguinte, quanto maior o potencial gerador, maior a freqüência dos potenciais de ação. Um código neural é gerado através da relação entre a intensidade do estímulo e a freqüência dos potenciais de ação gerados. Receptores auditivos O sentido da audição e da manutenção do equilíbrio (balance) podem ser classificados como mecanorreceptores. Esses sentidos são transduzidos pelas células de cabelo (hair cells) que se encontram na cóclea e no aparelho vestibular. As células de cabelo possuem uma superfície apical com feixes de estereocílios (stereocilia), arranjados de forma hexagonal e de comprimentos graduados. Os estereocílios são compostos de uma densa actina paracristalina e estão ligados entre si nas suas extremidades e fixados a uma base rígida de actina da matriz celular, conhecida como placa cuticular. Além desses estereocílios, as células também apresentam microtúbulos, contendo quinocílios (kinocilia) que se estendem diretamente da membrana plasmática. As células de cabelo liberam transmissor continuamente, porém a deflexão mecânica na direção do estereocílio maior abre canais iônicos na membrana plasmática, produzindo a despolarização (potencial gerador) e excitação das fibras aferentes que fazem sinapses com as células de cabelo. A deflexão na direção oposta resulta na hiperpolarização e decréscimo na liberação do transmissor (o glutamato). A deflexão do quinocílio não mostra nenhum efeito na transdução de informação nessas células. A deflexão no aparelho vestibular é causada pela inércia do fluído nos ductos quando o ouvido está sujeito a aceleração angular, enquanto na cóclea o estereocílio cada célula de cabelo ressona para uma determinada freqüência em função da sua posição na cóclea.

18 Fotorreceptores Os seres humanos possuem dois tipos de fotorreceptores: os bastonetes e os cones. Os bastonetes são, mais sensíveis, para a visão em preto-e-branco e os cones são, menos sensíveis, para a visão de cores. Quando há pouca luz (iluminação escotópica), os cones não reagem e apenas os bastonetes atuam, daí não ser possível a percepção de cores em ambientes pouco iluminados. Na iluminação fotópica (luz clara e forte), os cones atuam e os bastonetes ficam saturados, daí ser possível a visão de cores. Em níveis médios de iluminação (iluminação mesópica), os cones e os bastonetes funcionam de forma associada. Esses fotorreceptores transformam a energia fótica em potenciais geradores que são transmitidos, por meio de sinapses, para os interneurônios retinianos. Os cones e os bastonetes têm características morfológicas semelhantes (Figura 14, 6.5 Berne & Levy). O segmento externo (cilíndrico nos bastonetes e cônico nos cones) está ligado a um segmento interno e ao resto da célula por um delicado pedículo. O segmento externo é ocupado por membranas paralelas empilhadas onde ficam os pigmentos fotossensíveis (fotopigmentos). Nos bastonetes, o fotopigmento é a rodopsina (formado pelo derivado da vitamina A, o retineno, ligado a uma proteína, a opsina). Quando um fóton atinge a rodopsina, ele muda a isomerização da fração retineno da molécula e isso acaba levando à degradação da rodopsina até o retineno ou vitamina A e opsina. Essa degradação é conhecida como descoramento e é reversível. O descoramento é o primeiro estágio de uma série que resulta no potencial gerador. Essas células têm a propriedade de ficar hiperpolarizadas pela luz. No escuro, os íons sódio fluem para o interior dos fotorreceptores. Essa é a corrente do escuro, que despolariza a célula. Em presença de luz, os canais de sódio são bloqueados, a corrente do escuro diminui e a célula hiperpolariza. Essa hiperpolarização assinala muito eficazmente a presença de luz para os neurônios retinianos. A absorção da luz nos segmentos externos dos cones e bastonetes hiperpolariza a membrana dessas células ( potencial gerador) e isto reduz a taxa espontânea de liberação de transmissor (possivelmente o glutamato) nas sinapses efetuadas entre essas células e as células nervosas bipolares e horizontais da retina. Como ocorre a fototransdução? A absorção do fóton pela rodopsina causa uma mudança conformacional nessa molécula que permite a transducina (uma proteína G trimérica) ligar-se ao GTP. O GTP- ativado pela transducina (T ) dissocia-se e ativa o cgmp fosfodiesterase (PDE). A hidrólise do c GMP causa o fechamento dos canais de cátions dependentes de c GMP na membrana plasmática dessas células. O decréscimo da entrada de Na + hiperpolariza a célula (potencial gerador) e com isto reduz a liberação espontânea do transmissor nas sinapses entre segmentos internos dos bastonetes e cones e as células neurais. A entrada dos íons cálcio através dos canais de cátions também fica inibida e isto abaixa a concentração de cálcio interno. Este abaixamento da concentração do íon cálcio ativa a guanilil ciclase (GC), que tem o papel de restaurar os níveis de c GMP nos cones e bastonetes. A ativação da guanilil ciclase é resultado da ligação da recoverina (rec) a GC. Duas outras enzimas, a arrestina e a rodopsina quinase, tem a propriedade de desensibilizar a rodopsina, durante a alta exposição à luz. Isto ocorre devido estas enzimas poderem dissociar a transducina da rodopsina. A Figura 15 (6.3 Nicholls) mostra esquematicamente todas reações descritas acima.

19 Receptores químicos. Os receptores químicos são responsáveis pelo cheiro e o sabor das substâncias da natureza. Neste texto trataremos somente dos receptores olfatórios, devido a melhor compreensão que se tem desse sistema. O sistema olfatório dos mamíferos pode distinguir entre milhares de odores e podem detectar um odor numa concentração tão baixa como 1 parte por trilhão. Os neurônios responsáveis pela recepção do odor apresentam um único dendrito que se projeta para a superfície apical do epitélio. Esse dendrito apresenta em seu terminal cílios que se projetam para dentro da cavidade nasal. Na outra extremidade esse neurônio projeta o seu axônio para o bulbo olfatório. Nos cílios os odores podem ativar o neurônio por duas vias. Numa delas uma proteína G olfatória é ativada por alguns odores e isto leva a ativação da Adenil Ciclase (AC). O c AMP resultante ativa canais de cátions não-específicos, permitindo a entrada de Na + e Ca ++ para dentro da célula. Outros odores atuam via receptores que ativam a fosfolipase C (PLC), resultando na formação do (1,4,5)-IP 3 que ativa canais de Ca ++, permitindo a entrada deste íon para interior celular. Pode também ocorrer o cruzamento entre as duas vias, por exemplo, via PKC ou Ca ++ / calmodulina ativando a adenil ciclase e abrindo os canais de cátios nãoespecíficos pela ação do c AMP. A Figura 16 mostra um esquema dessas possíveis vias. A desensibilização dos receptores de odores parecem ser mediadas por um mecanismo similar aquele observado na transdução visual associado a uma regulação -adrenérgica, realizada por fosforilação desse receptor por uma isoforma de - adrenoreceptor quinase e desacoplamento da ativação da proteína G mediado pela arrestina. É sugerido que o óxido nítrico (NO) e a NO-sintetase estejam envolvidos no mecanismo de desensibilização desses receptores. Receptores de temperatura O princípio básico envolvido na recepção da sensação de frio e quente segue a mesma lógica dos outros receptores que é a transdução do calor num potencial gerador, que possa excitar um nervo que conduz a informação ao cérebro. No entanto, os mecanismos moleculares que realizam esta transdução não estão ainda adequadamente elucidados na literatura científica.