Transmissão Sináptica

Transmissão Sináptica Objetivos: Rever conhecimentos relacionados ao potencial de ação. Aprender o uso do programa HHsim para simular potencial de ação. Apresentar as bases moleculares para o entendimento da transmissão sináptica. Daremos destaque a duas proteínas que participam da sinapse química: canal de sódio dependente de voltagem e o receptor de acetilcolina. Discutiremos, também, a ação dos anestésicos locais e a produção de potenciais elétricos por eletrócitos. Materiais: 1. Computador imac; 2. Programa HHSim. Procedimento: Simularemos o potencial de ação. Clique no ícone do programa HHsim. Clique no clear na tela gráfica. Nas janelas localizadas na parte inferior (amarela (m), verde (h) e azul (n)) escolha a opção blank. Clique em Stim1. Esta opção simula o estímulo da membrana além do potencial limiar, o que leva ao disparo de um potencial de ação. O eixo y indica o potencial de membrana em mv, o eixo x indica o tempo em ms. A linha vermelha da tela gráfica indica a variação do potencial de membrana. 1) Faça um esboço do gráfico (linha vermelha) da tela e indique cada uma das fases do potencial de ação. Descreva cada fase do potencial de ação. Clique em clear na tela gráfica. Clique na janela amarela (primeira à esquerda) na opção g_na e na janela verde na opção g_k, deixe a janela azul na opção blank. As opções g_na e g_k indicam as condutâncias ao Na e K, respectivamente. As condutâncias são medidas em Siemens (S), e representam o inverso da resistência elétrica. No programa temos as condutâncias em ps (picosiemens, 10-12 S). Clique em Stim1. 2) Faça um esboço do gráfico das condutâncias (g_na e g_k). A condutância pode ser analisada como o equivalente da permeabilidade iônica (facilidade com as quais os íons atravessam a membrana), quanto mais alta a condutância para um dado íon maior a permeabilidade deste íon. Por que as condutâncias apresentam diferentes comportamentos durante o potencial de ação? 1

Potencial limiar Procedimento: Volte ao menu principal e clique em clear. Clique na janela de estímulos (Stimuli) na janela principal (terceiro quadrado branco na parte de cima). O gráfico mostra a corrente elétrica aplicada (linha roxa) em função do tempo. Vamos variar a amplitude (altura) do estímulo. Coloque a amplitude do estímulo 1 (Stim 1) em 2 na ( 1 na = 10-9 A), movendo a barra vertical da esquerda. Volte ao menu principal e clique em clear. Clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha). Aumente o estímulo para 3 na. Volte ao menu principal e clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha). 3) Aumente o estímulo para 4 na. Volte ao menu principal e clique em Stim1. Observe o potencial de membrana (linha vermelha). Há disparo do potencial de ação? Por quê? Período Refratário Procedimento: Clique no clear na tela gráfica. Clique na janela de estímulos (Stimuli) na janela principal (terceiro quadrado branco na parte de cima). Aumente o estímulo para 10 na. Este gráfico mostra a corrente elétrica aplicada (linha roxa) em função do tempo. Volte à janela principal do HHsim. Nas janelas amarela, verde e azul clique na opção blank. Na janela de estímulos (Stimuli) altere a corrente do segundo pulso de corrente (Pulse 2 height) no estímulo 1 (Stim1). Aumente a corrente até o valor de 10 na, deverá aparecer um segundo pulso de corrente no gráfico. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Observe o gráfico do potencial contra o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 1 ms após o primeiro pulso. Aumente o intervalo de tempo entre os dois pulsos de corrente elétrica na janela de estímulos, para o estímulo 1 (stim1). Passe o intervalo de tempo para 2 ms, clicando em inter-pulse interval. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Observe o gráfico do potencial contra o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 2 ms após o primeiro pulso 4) Repita o procedimento aumentado o intervalo de tempo para 8 ms. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Faça o gráfico do potencial contra o tempo. O segundo pulso de corrente foi disparado 8 ms após o primeiro pulso. Há disparo de um segundo potencial de ação? Por quê? 2

Potencial de Ação (Teste farmacológico) Procedimento: Na janela stimuli clique reset. Feche a janela Stimuli. Na janela principal clique clear. Nas janelas amarela, verde e azul clique na opção blank. Clique na janela drugs (quarta janela branca da parte de cima). No HHsim podemos testar o efeito de 3 drogas: tetrodoxina (TTX), tetraetilamônio (TEA) e pronase. TTX bloqueia canais de Sódio, TEA bloqueia canais de Potássio e a pronase é uma enzima que catalisa a clivagem do portão de inativação do canal de Sódio. Teste da TTX A TTX causa paralisia por meio de interferência na junção neuromuscular. Sua estrutura molecular está representada na figura 1. A TTX apresenta origem não proteica, ou seja, não é uma proteína ou peptídeo. Na natureza a TTX é encontrada na pele, ovário, fígado e intestino de certos peixes, como o baiacu. Figura 1. Estrutura molecular da TTX encontrada no peixe baiacu. No HHsim, coloque a inibição da TTX em 100 % na janela drugs e clique Enter. Volte à janela principal do HHsim. Clique em Stim1. Faça um esboço do gráfico do potencial com relação ao tempo. 3

Teste da TEA. A estrutura do tetraetilamonium está mostrada na figura 2. O TEA é usado como agente anti-arritmia e vasodilatador. Figura 2. Estrutura do tetraetilamonium (TEA). No HHsim, clique clear na janela principal. Clique na janela drugs. Clique em reset. Na janela principal clique em clear. Coloque a inibição da TEA em 100 % na janela drugs e clique enter. Volte à janela principal do HHsim. Faça um esboço do gráfico do potencial com relação ao tempo. 4

Teste da pronase Clique na janela drugs. Clique em reset. Na janela principal clique em clear. Clique na opção pronase na janela drugs. Na janela principal clique em Stim1. Faça um esboço do gráfico do potencial com relação ao tempo. A pronase é uma enzima que catalisa a degradação do portão de inativação do canal de Sódio dependente de voltagem. 5) A partir da análise dos 3 gráficos anteriores discuta o efeito de cada droga no potencial de ação, compare estes gráficos com o gráfico do potencial de ação sem efeito de drogas. 5

Receptor de Acetilcolina Os neurônios são capazes de enviar mensagens para células pós-sinápticas de forma relativamente rápida, da ordem de milisegundos (ms). Neurônios pré-sinápticos apresentam vesículas com neurotransmissores, que liberam seu conteúdo na fenda sináptica. Os neurotransmissores liberados sofrem rápida difusão, ligando-se a receptores específicos na célula pós-sináptica. A ligação do neurotransmissor ao receptor na célula pós-sináptica promove sua abertura, permitindo a entrada de íons na célula pós-sináptica, conforme ilustrado na figura 3. Os receptores abrem em um tempo de milisegundos, após a liberação do neurotransmissor na fenda sináptica e fecham-se de forma rápida também, após a queda da concentração de neurotransmissor na fenda. Figura 3. Diagrama esquemático da sinapse química. Modificado a partir da figura disponível em: < http://www.sciencephoto.com/media/415719/enlarge >. Acesso em 15 de abril de 2015. Um dos neurotransmissores mais estudados é a acetilcolina, que está envolvida em sinapses do sistema nervoso central e em junções neuromusculares. Receptores de acetilcolina são encontrados em fibras musculares e em neurônios do sistema nervoso central. A estrutura do receptor de acetilcolina tem o formato típico de canais iônicos, como mostrado na figura 4. O receptor de acetilcolina é uma proteína transmembranar composta por 5 cadeias polipeptídicas (pentâmero), sendo duas cadeias alfa, uma beta, gama e delta. 6

Figura 4. Receptor de acetilcolina, vista lateral e vista superior. Disponível em: < http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momid=71 >. Acesso em 21 set. 2014. Na figura 4 vemos em vermelho o neurotransmissor ligado às duas unidades do receptor (cadeias alfa). A ligação da acetilcolina promove mudanças leves na estrutura do receptor, o que leva à formação de um canal no centro. Tal canal possibilita o influxo de íons positivos. No caso da fibra muscular, o influxo de íons de sódio leva à contração muscular. Quando relaxadas as fibras musculares estão constantemente bombeando sódio para o meio extracelular, o que cria uma reserva de sódio. A abertura do canal leva à mudança abrupta do potencial de membrana da fibra muscular, o que causa a contração do músculo. A estrutura cristalográfica do receptor de acetilcolina está disponível na base de dados PDB (código de acesso: 2BG9). Tal estrutura é um interessante tópico de estudo. Esse receptor pertence à raia elétrica (Torpedo marmorata) (figura 5). Esses animais apresentam órgãos elétricos capazes de gerar descargas da ordem de centenas de Volts. Os órgãos especializados da raia elétrica são constituídos de fibras musculares 7

modificadas, que apresentam um formato achatado e empilham-se uns sobre os outros. A pequena diferença de potencial, construída devido à alta densidade de receptores de acetilcolina num dos lados da fibra muscular modificada, somam-se como pilhas em série, o que leva à produção de uma descarga elétrica de centenas de Volts, capaz de atordoar uma presa ou predador. Figura 5. Foto da raia elétrica (Torpedo marmorata). Disponível em: < http://www.fishbase.org/photos/picturessummary.php?startrow=0&id=5132&what=speci es&totrec=6 >. Acesso em 15 de abril de 2015. A figura 6 mostra um diagrama esquemático do órgão elétrico, com empilhamento de eletrócitos, a fibra muscular modificada. Só temos inervação de um lado do eletrócito. No repouso o potencial de membrana em ambos os lados do eletrócito é de aproximadamente 85 mv. A chegada do potencial de ação ao terminal axonal, leva à despolarização. Devido à alta densidade de receptores de acetilcolina do lado inervado, este passa para um potencial de + 65 mv, e o lado não inervado, continua com potencial de 85 mv. Assim, temos uma diferença de potencial entre os dois lados do eletrócito de 150 mv. 8

Figura 6. Diagrama esquemático do órgão elétrico com empilhamento de eletrócitos, modificado de BOGDANOV, K; Biology in Physics. Is Life Matter? San Diego: Academic Press. 2000. 237 p. Vamos olhar com um pouco mais de detalhe o processo de despolarização do eletrócito. Na figura 7 temos o eletrócito nas situações de repouso e excitado. Na excitação temos uma diferença de potencial de 150 mv entre os dois lados do eletrócito. O empilhamento das células leva essas a uma situação onde estão de fases opostas próximas. Tal configuração possibilita a soma do potencial, como destacado na figura 7B, com 3 eletrócitos em série. Fenômeno análogo à disposição de pilhas em série, que tem como resultado a soma dos potenciais de cada pilha. 9

Figura 7. Diagrama esquemático mostrando o eletrócito em repouso 7A (esquerda) e excitado 7A (direita). Na figura 7B temos 3 eletrócitos em série. Disponível em: < http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1095643397004145 >. Acesso em 15 de abril de 2015. 10

Anestesia Local A anestesia local realiza o impedimento da propagação do impulso nervoso. Tal bloqueio determina a perda das sensações, contudo não levam à alteração do nível de consciência. Anestésicos locais funcionam com o bloqueio do canal de sódio dependente de voltagem. A lidocaína (xilocaína) funciona dessa forma. O bloqueio do canal de sódio dependente de voltagem impede o disparo do potencial de ação e, consequentemente, a transmissão do impulso nervoso da célula pré-sináptica para a célula pós-sináptica (figura 8). Praticamente todos os anestésicos locais agem com bloqueio reversível dos canais de sódio dependentes de voltagem. Além da lidocaína, diversas drogas apresentam efeito anestésico, abaixo segue a estrutura molecular de algumas que interferem com o canal de sódio dependente de voltagem. Figura 8. Diagrama ilustrando o bloqueio do canal de sódio dependente de voltagem por anestésicos locais. Referências: PURVES, W. K., SADAVA, D., ORIANS, G. H. HELLER, H. G. Vida. A Ciência da Biologia, 6a ed. Artmed editora.2002. 11