IMPULSO NERVOSO E SINAPSE

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<p>Neurônios, Sinapses e Sinalização CONCEITOS-CHAVE 48.1 A estrutura e a organização dos neurônios refletem sua função na transferência de Figura 48.1 o que torna este caracol um predador tão mortal? informações 48.2 As bombas de e os ca- nais ionicos estabelecem Rotas de comunicação potencial de repouso de um neurônio O tropical caracol-cone (Conus geographus) na Figura 48.1 é pequeno, movimenta-se devagar e, mesmo assim, é um perigoso caçador. Carnívo- 48.3 Os potenciais de ação são ro, esse caracol marinho caça, mata e alimenta-se de peixes. Injetando vene- os sinais conduzidos por no com uma estrutura oca, um dente semelhante a um arpão, o caracol-cone axônios paralisa, em segundos, sua presa de nado livre. O veneno é tão potente que, 48.4 Os neurônios comunicam-se infelizmente, mergulhadores já morreram com uma só picada. O que faz o com outras células por meio veneno do caracol-cone agir tão rápido e ser letal? A resposta é a mistura de de sinapses moléculas de toxina, cada qual com um mecanismo específico de inativação de neurônios, as células nervosas que transferem informações dentro do corpo. O veneno inativa quase instantaneamente o controle neuronal da locomoção e da respiração; por isso, um animal atacado pelo caracol-cone não consegue escapar, defender-se e, muito menos, sobreviver. A comunicação por meio de neurônios consiste em sinais elétricos de longa distância e sinais químicos de curta distância. A estrutura especializada permite aos neurônios usar pulsos de corrente elétrica para receber, transmi- tir e regular o fluxo de informações em longas distâncias dentro do corpo. Na transferência de informações de uma célula para outra, os neurônios, às vezes, dependem de sinais químicos que atuam em distâncias muito curtas. A mistura de moléculas no veneno do caracol-cone é particularmente potente A Modelo de fita de um exem- porque interfere na sinalização elétrica e química dos neurônios. plo de tóxico do ve- Todos os neurônios transmitem sinais elétricos dentro da célula de ma- neno do caracol-cone neira idêntica. Assim, um neurônio que transmite entradas sensoriais codifica informações do mesmo modo que um neurônio que processa informações ou desencadeia um movimento. As conexões particulares feitas pelos neurônios ativos distinguem o tipo de informação transmitida. Por sua vez, os impulsos</p><p>1062 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON nervosos de interpretação envolvem diversas rotas neuro- Estrutura e função do neurônio nais e conexões. Nos animais mais complexos, esse proces- A habilidade do neurônio de receber e transmitir as infor- é muito exercido em grupos de neurônios organizados mações baseia-se em sua organização celular altamente dentro do cérebro ou dentro de agrupamentos mais sim- especializada (Figura 48.2). A maioria das organelas dos ples chamados de gânglios. neurônios, incluindo seu núcleo, está localizada no corpo Neste capítulo, examinaremos a estrutura do neurônio celular. O neurônio típico tem numerosas extensões alta- e exploraremos as moléculas e os princípios físicos que go- mente ramificadas chamadas de dendritos (do grego, den- vernam a sinalização dos neurônios. Nos outros capítulos dron, árvore). Junto ao corpo celular, os dendritos recebem desta unidade, examinaremos o sistema nervoso, o proces- sinais de outros neurônios. O neurônio também tem um samento informacional e os sistemas que detectam estí- único axônio, extensão que transmite sinais para outras mulos e respondem a esses estímulos. A unidade encerra células. Em geral, os axônios são muito mais longos que com um olhar sobre como essas funções estão integradas os dendritos, e alguns, como aqueles que ligam a medula na reprodução do comportamento. espinal de uma girafa às células do músculo da pata, têm mais de um metro. É no cone de implantação, a base em formato de cone, que os sinais do axônio são gerados. Pró- CONCEITO 48.1 ximo da outra extremidade, o axônio normalmente tem muitas ramificações. A organização e a estrutura dos neurônios Cada extremidade ramificada de um axônio transmite refletem sua função na transferência de informações para outra célula na junção chamada de si- informações napse (ver Figura 48.2). A parte de cada ramificação que forma essa junção especializada é o terminal sináptico. Nosso ponto de partida para exploração do sistema ner- Na maioria das sinapses, mensageiros químicos chamados voso é o neurônio, um tipo celular que exemplifica o bom de neurotransmissores passam informações do neurônio ajuste entre forma e função que, muitas vezes, surge ao transmissor para a célula receptora. Ao descrever uma si- longo da evolução. napse, nos referimos ao neurônio transmissor como célula pré-sináptica e ao neurônio, músculo ou à glândula que re- cebe esses sinais como célula pós-sináptica. Os neurônios de vertebrados e da maioria dos inver- tebrados necessitam de células de suporte chamadas de células gliais, ou glia (do grego, "cola") (Figura 48.3). A glia nutre os neurônios, isola os axônios neurais e re- gula o líquido extracelular ao redor dos neurônios. Além Dendritos disso, a glia, algumas vezes, funciona na recomposição de alguns grupos de neurônios e na transmissão das informa- ções (como discutiremos mais tarde neste capítulo e no Capítulo 49). Geralmente, o número de glias no cérebro de mamíferos excede o número de neurônios de 10 a 50 vezes. Núcleo Cone de implantação do axônio Corpo Célula celular pré-sináptica Figura 48.2 Estrutura do neurônio. As setas ilustram o fluxo de sinais para dentro, ao longo, entre e para fora dos Axônio neurônios. Sinapse Terminais sinápticos Terminais sinápticos Neurotransmissor Célula pós-sináptica</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1063 Os neurônios sensoriais, como àqueles no sifão do caracol, transmitem informações sobre estímulos ex- ternos como a luz, o toque e o cheiro, ou condições internas como pressão sanguínea ou tensão muscular. Os neurônios no cérebro ou gânglios integram (anali- sam e interpretam) o estímulo sensorial, levando em 80 um Glia Corpos celulares dos neurônios conta o contexto imediato e a experiência do animal. A grande maioria dos neurônios no cérebro é de inter- Figura 48.3 Glia no cérebro de Esta micro- grafia (imagem confocal de laser marcado fluorescentemente) mos- neurônios, que formam o circuito local conectando os tra uma região do cérebro de rato repleta de glia e interneurônios. neurônios no cérebro. A glia está marcada de vermelho, DNA no núcleo está marcado de Os neurônios que se estendem para fora do centro de azul, e os dendritos do neurônio estão marcados de verde. processamento desencadeiam a resposta muscular ou a atividade glandular. Por exemplo, os neurônios mo- tores transmitem sinais às células musculares, levan- do à contração. Introdução ao processamento das informações Em muitos animais, os neurônios responsáveis pela in- O processamento das informações pelo sistema nervo- tegração estão organizados em um sistema nervoso cen- SO ocorre em três estágios: estímulo sensorial, integração tral (SNC). Os neurônios que carregam a informação para e resposta motora. Como exemplo, vamos considerar o dentro e para fora do SNC constituem o sistema nervoso caracol-cone discutido anteriormente, focalizando os pas- periférico (SNP). Quando estão juntos, os axônios dos SOS envolvidos na identificação da presa e no ataque a ela neurônios formam os nervos. (Figura 48.4). Para gerar um estímulo sensorial ao sistema Dependendo do seu papel no processamento das in- nervoso, o caracol inspeciona o ambiente com o seu tubo formações, o formato do neurônio pode variar de simples a em forma de sifão, amostrando odores que podem revelar bastante complexo (Figura 48.5). Os neurônios que trans- um peixe nas proximidades. mitem informação para muitas células-alvo fazem isso por Durante o estágio de integração, o sistema nervoso meio de axônios extremamente ramificados. De maneira processa o estímulo para determinar se um peixe está de semelhante, os neurônios com dendritos altamente rami- fato ali e, caso esteja, onde o peixe está localizado. A res- ficados podem receber estímulos por meio de dezenas de posta motora ocorre do centro de processamento e, en- milhares de sinapses em alguns interneurônios. tão, o ataque inicia-se, ativando neurônios que desenca- deiam a liberação do dente em forma de arpão em direção à presa. Em todos os animais, exceto nos mais simples, popu- Corpo lações especializadas de neurônios lidam com cada estágio celular Dendritos do processamento das informações. Axônio Neurônio sensorial Sifão Estímulo sensorial Integração Sensor Interneurônio Resposta motora Probóscide Centro de processamento Efetor Figura 48.4 Resumo do processamento das informa- Neurônio motor ções. O sifão do caracol-cone age como sensor, transferindo infor- mações ao circuito de neurônios na cabeça do caracol. Se uma presa Figura 48.5 Diversidade estrutural dos neurônios. é detectada, esse circuito emite comandos motores, desencadeando Nestes desenhos de neurônios, os corpos celulares e os dendritos a liberação do dente tipo arpão da probóscide. estão em preto e os axônios em vermelho.</p><p>1064 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON REVISÃO DO CONCEITO 48.1 Tabela 48.1 As concentrações dentro e fora dos neurônios de mamíferos 1. Compare e contraste a estrutura e a função dos axônios e dos dendritos. Concentração intracelular 2. Descreva a rota básica do fluxo de informações por meio dos Concentração (mM) extracelular (mM) neurônios que lhe fazem virar a cabeça quando alguém chama seu nome. Potássio (K+) 140 5 3. E SE...? Como aumento da ramificação de um axônio Sódio (Na+) 15 150 pode auxiliar a coordenar respostas a sinais comunicados Cloreto (CI) 10 120 pelo sistema nervoso? Ânions grandes como 100 (não aplicável) proteínas, dentro da célula Ver respostas sugeridas no Apêndice A. Apesar de o bombeamento gerar um fluxo de exportação CONCEITO 48.2 de cargas positivas, a diferença de voltagem resultante é apenas poucos milivolts. Por que então existe uma dife- As bombas de íons e os canais rença de voltagem de 60 a 80 mV em um neurônio em re- estabelecem potencial de repouso de um pouso? A resposta está no movimento de íons pelos canais neurônio poros formados por agrupamentos de proteínas especializadas que abrangem a membrana. Os canais Agora vamos abordar o papel essencial dos íons na sinali- nicos permitem que os íons difundam para dentro e para zação neuronal. Nos neurônios, como em outras células, os íons são distribuídos de modo desigual entre o interior das células e do líquido circundante (ver Capítulo 7). Por isso, o interior da célula é carregado negativamente em relação ao exterior. Como a atração de cargas opostas através da mem- brana plasmática é uma fonte de energia potencial, essa di- ferença de carga, ou voltagem, é chamada de potencial de membrana. Para um neurônio em repouso aquele que não está enviando nenhum sinal o potencial de membra- na, chamado de potencial de repouso, normalmente está FORA DA CÉLULA entre -60 e -80 mV (milivolts). Os estímulos de outros neurônios ou estímulos especí- ficos causam mudanças na carga do potencial de membra- na do neurônio que agem como sinais, transmitindo a in- formação. Basicamente, mudanças rápidas no potencial de + + + + membrana são o que nos permite ver a estrutura intrigante de uma teia de aranha, ouvir um som ou andar de bicicleta. Assim, para entender como os neurônios funcionam, pre- cisamos examinar como as forças químicas e elétricas for- mam, mantêm e alteram os potenciais de membrana. Formação do potencial de repouso DENTRO DA CÉLULA Os íons potássio (K*) e de sódio (Na*) desempenham um papel essencial na formação do potencial de repouso. Legenda Esses íons apresentam gradiente de concentração através Na+ Bomba de da membrana plasmática de um neurônio (Tabela 48.1). sódio e Canal de Canal de Na maioria dos neurônios, a concentração de K+ é maior K+ potássio potássio sódio dentro da célula, enquanto a concentração de é maior fora da célula. Os gradientes de e Na são mantidos pela Figura 48.6 As bases do potencial de membrana. A bomba de sódio e potássio gera e mantém os gradientes ioni- bomba de sódio e potássio (ver Capítulo 7). Essa bomba COS de Na+ e K+ mostrados na Tabela 48.1. (Muitas destas moléculas usa a energia da hidrólise de ATP para fazer o transporte de bomba estão situadas na membrana plasmática de cada célu- ativo do para fora da célula e do para dentro da célula la.) Apesar de existir uma substancial concentração de gradiente de (Figura 48.6). (Também existem gradientes de concentra- sódio através da membrana, ocorre pouca difusão líquida de Na+ ção para os íons cloro e outros íons, como mostrado na porque existem poucos canais de sódio abertos. Em contrapartida, Tabela 48.1, mas por enquanto podemos ignorá-los.) os muitos canais de potássio abertos permitem uma saída significa- tiva de Como a membrana é fracamente permeável para os íons A bomba de sódio e potássio transporta três Na para cloro e outros ânions, essa saída de K+ resulta em uma carga líquida fora da célula para cada dois K+ transportados para dentro. negativa dentro da célula.</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1065 fora através da membrana. À medida que os íons se difun- essas duas forças contribuem com o potencial de repou- dem por meio de canais, eles carregam consigo unidades em neurônios de mamíferos? Considere um modelo de cargas elétricas. Qualquer movimento líquido resultan- simples consistindo em duas câmaras separadas por uma te de cargas negativas ou positivas gerará um potencial de membrana artificial (Figura 48.7a). Para começar, imagine membrana, ou voltagem através da membrana. que a membrana contenha muitos canais abertos e Os gradientes de concentração de íons através da que todos eles permitam apenas a difusão do Para pro- membrana plasmática representam uma forma química duzir um gradiente de concentração de K+ como aquele do da energia de potencial que podem ser aproveitados para neurônio de mamífero, colocamos uma solução de 140 mM os processos celulares (ver Figura 44.17). Os canais cloreto de potássio na câmara mais interna e 5 mM de que convertem essa energia de potencial químico à ener- na câmara mais externa. O gradiente de concentração gia de potencial elétrico conseguem fazer isso porque têm de K+ se difundirá para a câmara externa. Contudo, como permeabilidade seletiva, permitindo apenas a passagem os íons cloro não podem passar pela membrana, have- de determinados íons. Por exemplo, um canal de potássio rá excesso de carga negativa no lado interno. permite ao K+ difundir livremente através da membrana, Quando o nosso modelo de neurônio alcança o equilí- mas não outros íons, como o ou o brio, o gradiente elétrico irá balancear exatamente o gradien- A difusão do K pelos canais de potássio que estão sem- te químico, e então nenhuma difusão líquida de K+ ocorre pre abertos (às vezes, chamados de canais de vazamento) através da membrana. A magnitude da voltagem de mem- é crucial para o estabelecimento do potencial de repouso. brana em equilíbrio para um íon em particular é chamada de A concentração de é 140 mM dentro da célula, mas apenas potencial de equilíbrio ionico (Eion). Para uma membrana 5 mM fora. Assim, a concentração química gradiente favore- permeável a um único tipo de íon, o pode ser calculado ce a saída líquida de Além disso, um neurônio em repou- usando a fórmula chamada de Equação de Nerst. À tempera- SO tem muitos canais de potássio abertos, mas pouquíssimos tura do corpo humano e para um íon com carga líqui- canais de sódio abertos (ver Figura 48.6). Pelo fato de o da de 1+, como o K+ ou o a Equação de Nerst é e outros íons não conseguirem atravessar a membrana pron- tamente, a saída de K+ resulta em carga negativa líquida den- tro da célula. Essa formação de carga negativa dentro de um neurônio é a maior fonte do potencial de membrana. O que cessa a formação de carga negativa? O excesso A adição das concentrações de K+ na Equação de Nerst de carga negativa dentro da célula exerce uma força atra- revela que o potencial de equilíbrio para o K+ é de tiva que se opõe ao fluxo adicional de íons potássio carre- -90 mV (ver Figura 48.7a). O sinal de menos indica que o gados positivamente para fora da célula. A separação de K+ está em equilíbrio quando o interior da membrana esti- carga (voltagem) resulta então em gradiente elétrico, que ver 90 mV mais negativo do que o lado exterior. contrabalanceia a concentração química gradiente de Enquanto o potencial de equilíbrio para o K+ é -90 mV, o potencial de repouso de um neurônio de ma- mífero é um pouco menos negativo. Essa diferença refle- Explicando o potencial de repouso te o pequeno, mas constante, movimento de pelos O fluxo líquido de K+ fora do neurônio ocorre até que as poucos canais de sódio abertos em um neurônio em re- forças químicas e elétricas estejam em equilíbrio. O quanto pouso. O gradiente de concentração do tem direção Figura 48.7 Modelo de um neu- Lado -90 mV Lado Lado Lado rônio de Cada recipiente é interno externo interno externo dividido em duas câmaras por uma mem- brana artificial. Os canais permitem + livre difusão de íons específicos, resultando 150 mM KCI no fluxo de íons representado por setas. KCI (a) A presença de canais de potássio abertos torna a membrana seletivamente permeável + ao K+, e lado interno contém uma quanti- dade 28 vezes maior de K+ do que o lado ex- K+ Na+ terno; em equilíbrio, o interior da membrana mV em relação ao exterior. (b) A mem- Canal de Canal potássio de sódio brana é seletivamente permeável ao Na+, e Membrana do lado interno contém uma concentração artificial dez vezes menor de Na+ do que o lado exter- no; em equilíbrio, o interior da membrana é de +62 mV em relação ao exterior. (a) Membrana seletivamente permeável ao K+ (b) Membrana seletivamente permeável ao Na+ Considere o efeito de adicionar Equação de Nerst para o potencial de Equação de Nerst para o potencial de equilíbrio do K+ a 37°C: equilíbrio do Na+ a 37°C: canais de potássio ou de cloro à membra- na em (b). Como afetaria potencial de mV membrana em cada caso?</p><p>1066 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON oposta ao do (ver Tabela 48.1). O difunde-se para Figura 48.8 dentro da célula, tornando o interior dela menos nega- Pesquisa tivo. Se representarmos uma membrana em que os úni- Registro intracelular cos canais abertos são seletivamente permeáveis ao Na+, veremos que uma concentração dez vezes maior de Aplicação Eletrofisiólogos utilizam método de regresso in- na câmara externa resulta em um potencial de equilíbrio tracelular para medir potencial de membrana dos neurônios de +62 mV (Figura 48.7b). Em um neurônio real, o e outras potencial de repouso (-60 a -80 mV) é muito mais pró- Técnica Um microeletrodo é feito de um tubo de vidro capilar ximo do que do porque existem muitos canais de preenchido com uma solução salina Uma ex- potássio abertos mas apenas um pequeno número de ca- tremidade do tubo é reduzida a uma ponta extremamente fina nais de sódio aberto. (diâmetro < Enquanto observa pelo microscópio, pes- Como nem o K+ nem o Na estão em equilíbrio em um quisador usa um microposicionador para inserir uma ponta do neurônio em repouso, existe um fluxo líquido de cada íon microeletrodo dentro da célula. Um registrador de voltagem (uma corrente) pela membrana. O potencial de repouso (normalmente um osciloscópio ou um sistema computadorizado) permanece constante, ou seja, as correntes de e são mede a voltagem entre a ponta do microeletrodo dentro da célula iguais e opostas. As concentrações em ambos os e eletrodo de referência posicionado na solução fora da célula. lados da membrana também permanecem constantes. Por quê? O potencial de repouso surge do movimento líquido Microeletrodo de muito menos íons que seriam necessários para alterar Registrador os gradientes de concentração. de voltagem Sob condições que permitem o Na a atravessar a membrana mais prontamente, o potencial de membrana irá em direção ao e se distanciará do Como você Eletrodo de verá na próxima seção, é exatamente isso que ocorre du- referência rante a geração de um impulso nervoso. REVISÃO DO CONCEITO 48.2 Hiperpolarização e despolarização 1. Sob quais circunstâncias os íons poderiam fluir por um canal Quando os canais dependentes são estimulados a de uma região de uma concentração menor abrir, os íons fluem através da membrana, alterando o poten- para uma região de concentração maior? cial de membrana (Figura 48.9). Por exemplo, a abertura dos 2. SE...? Suponha que um potencial de membrana celular canais de potássio dependentes em um neurônio em repouso mude de -70 mV para -50 mV. Quais mudanças na per- aumenta a permeabilidade da membrana ao K+ A difusão meabilidade celular para K+ ou Na+ poderia causar essa mudança? quida de para fora do neurônio aumenta, alterando o po- tencial de membrana em direção ao (-90 mV a 37°C). Esse 3. FAÇA CONEXOES Reveja a Figura 7.10, que ilustra a di- fusão de moléculas de corante através da membrana. A di- aumento na magnitude do potencial de membrana, chamado fusão pode eliminar gradiente de concentração de um de hiperpolarização, torna o interior da membrana mais corante que tem carga líquida? negativo (Figura 48.10a). Em um neurônio em repouso, a hiperpolarização resulta de qualquer estímulo que aumenta a Ver respostas sugeridas no Apêndice A. saída de íons positivos ou a entrada de íons negativos. CONCEITO 48.3 Alteração no Os potenciais de ação são os sinais potencial de membrana conduzidos por axônios (voltagem) Quando o neurônio responde a estímulos, como o cheiro do peixe detectado por um caracol-cone caçador, o poten- cial de membrana altera. Usando a técnica de gravação in- tracelular, os pesquisadores podem gravar essas mudanças Canal em função do tempo (Figura 48.8). Mudanças no poten- cial de membrana ocorrem porque os neurônios contêm Canal fechado: Sem fluxo Canal aberto: Fluxo canais ionicos dependentes, os canais ionicos que se na membrana. no canal. abrem ou fecham em resposta a estímulos. A abertura ou Figura 48.9 Canal voltagem-dependente Uma o fechamento dos canais dependentes altera a per- alteração no potencial de membrana em uma direção (indicada pela meabilidade da membrana a íons específicos, que por sua seta direcionada para a direita) abre o canal vez alteram o potencial de membrana. A carga oposta (seta direcionada para a esquerda) fecha o canal.</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1067 Estímulo Estímulo Forte estímulo despolarizante +50 +50 +50 Potencial de ação 0 0 0 de de de -50 Limiar -50 Limiar -50 Limiar Potencial Potencial Potencial de repouso de repouso de repouso Hiperpolarizações Despolarizações -100 -100 -100 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 Tempo (ms) Tempo (ms) Tempo (ms) (a) Hiperpolarizações graduadas (b) Despolarizações graduadas produzidas (c) Potencial de ação desencadeado pela produzidas por dois estímulos que por dois estímulos que aumentam a despolarização que atinge o limiar. aumentam a permeabilidade da permeabilidade da membrana ao Na+ membrana ao maior estímulo maior estímulo produz a maior produz a maior hiperpolarização. despolarização. Figura 48.10 Potenciais graduados e potenciais de ação em um neurônio. DESENHE Redesenhe o gráfico (c), estendendo o eixo y. Depois marque as posições de e Apesar de a abertura dos canais de potássio em um podem espalhar-se ao longo dos axônios, posicionando-os neurônio em repouso causar a hiperpolarização, a aber- para transmitir um sinal por longas distâncias. tura de alguns outros tipos de canais ionicos tem efeito Os potenciais de ação surgem porque alguns dos ca- oposto, tornando o interior da membrana menos negativo nais ionicos nos neurônios são canais ionicos voltagem- (Figura 48.10b). Uma redução da magnitude do potencial -dependentes, abrindo e fechando quando o potencial de de membrana é a despolarização. Nos neurônios, a despo- membrana passa um nível em particular (ver Figura 48.9). larização algumas vezes envolve os canais sódio-dependente. Se uma despolarização abre canais de sódio voltagem-de- Se um estímulo leva à abertura dos canais sódio-dependen- pendentes, o fluxo resultante de Na para dentro do neurô- te, a permeabilidade da membrana ao Na aumenta. O nio resulta em uma despolarização posterior. Como os ca- difunde para dentro da célula ao longo do seu gradiente de nais de sódio são voltagem-dependentes, a despolarização concentração, causando a despolarização assim que o poten- aumentada abre mais canais de sódio, levando a uma cor- cial de membrana muda em direção ao (+62 mV a 37°C). rente de fluxo ainda maior. resultado é um processo de retroalimentação positiva que desencadeia a abertura mui- to rápida de muitos canais de sódio voltagem-dependentes Potenciais graduados e potenciais de ação e a mudança temporária marcada no potencial de mem- Algumas vezes, a resposta à hiperpolarização ou despolari- brana que define um potencial de ação (Figura 48.10c). zação é simplesmente uma mudança no potencial de mem- Os potenciais de ação ocorrem sempre que a despola- brana. Essa mudança, chamada de potencial graduado, rização aumenta a voltagem da membrana a um valor em tem uma magnitude que varia com a força dos estímulos: particular, chamado de limiar. Para muitos neurônios de o maior estímulo causa uma mudança maior no potencial mamíferos, o limiar é um potencial de membrana de cer- de membrana (ver Figura 48.10a e b). Os potenciais gra- ca de -55 mV. Uma vez iniciado, o potencial de ação tem duados induzem uma corrente elétrica pequena que sai do uma magnitude independente de sua força do estímulo neurônio logo que ela flui ao longo da membrana. Os po- Como os potenciais de ação ocorrem com- tenciais graduados então decaem com o tempo e com a pletamente ou não ocorrem, eles representam uma respos- distância a partir de sua origem. ta tudo ou nada ao estímulo. Essa propriedade "tudo ou Se uma despolarização muda o potencial de membra- nada" reflete o fato de que a despolarização abre os canais na suficientemente, o resultado é uma mudança na de sódio voltagem-dependentes, levando a uma despola- voltagem da membrana, chamada de potencial de ação. rização posterior. Esse ciclo de retroalimentação positiva Ao contrário dos potenciais graduados, os potenciais de da abertura e despolarização de um canal desencadeia um ação têm magnitude constante e podem regenerar-se em potencial de ação sempre que o potencial de membrana al- regiões adjacentes da membrana. Os potenciais de ação cança o limiar.</p><p>1068 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON A descoberta sobre como os potenciais de ação são de sódio e potássio voltagem-dependentes (Figura 48.11). gerados resultou do trabalho dos cientistas britânicos A despolarização abre ambos os tipos de canais, mas eles Andrew Huxley e Alan Hodgkin nos anos 1940 e 1950. respondem de forma independente e sequencial. Os canais Como as técnicas estavam disponíveis para estudar even- de sódio abrem primeiro, iniciando o potencial de ação. tos elétricos em pequenas células, eles usaram as gravações Assim que o potencial de ação ocorre, os canais de sódio elétricas de neurônios gigantes de lula. Os experimentos tornam-se inativados: uma alça da proteína de canal move- deles levaram ao modelo apresentado na próxima seção, -se, bloqueando o fluxo ionico pela abertura. Os canais de que lhes valeu o Prêmio Nobel. sódio permanecem inativados até que a membrana volte ao potencial de repouso e os canais fechem-se. Em contrapar- Geração de potenciais de ação: uma visão mais tida, os canais de potássio abrem mais lentamente que os canais de sódio, mas permanecem abertos e funcionais até aprofundada o final do potencial de ação. A forma característica de um gráfico representando um Para entender como os canais dependentes de volta- potencial de ação reflete em mudanças no potencial de gem moldam o potencial de ação, considere o processo de membrana que resultam do movimento ionico pelos canais uma série de estados, conforme a Figura 48.11. 1 Quan- Legenda Na+ K+ + + 3 Fase ascendente do potencial de ação A despolarização abre a maioria dos canais de sódio, enquanto os canais de potássio 4 Fase descendente do potencial de ação permanecem fechados. A entrada de A maioria dos canais de sódio Na+ torna o interior da membrana +50 torna-se inativada, positivo em relação ao exterior. Potencial bloqueando a entrada de de ação Na+ A maioria dos canais de potássio abre-se, 3 permitindo a saída de de 0 que torna interior + + + + Y + + da célula negativo 2 4 novamente. Limiar -50 1 1 5 Potencial de repouso 2 Despolarização Um estímulo abre alguns -100 canais de sódio. A entrada de Na+ por esses Tempo canais despolariza a membrana. Se a despolarização alcança o limiar, isso desencadeia um potencial de ação. + + FORA DA CÉLULA Canal de Canal de sódio potássio + + 5 Pós-potencial hiperpolarizante Os canais de DENTRO DA CÉLULA sódio fecham-se, mas alguns canais de potássio Alça de inativação ainda estão abertos. Assim que os canais de potássio fecham-se e os canais de sódio tornam-se desbloqueados, a membrana retorna 1 Estado de repouso Os canais dependentes de Na+ e K+ estão ao seu estado de repouso. fechados. Os canais não dependentes (não mostrados) mantêm o potencial de repouso. Figura 48.11 o papel dos canais voltagem-dependentes na ge- ração do potencial de ação. Os números circulados no gráfico no centro e as cores das fases do potencial de ação para os cinco diagramas mostram os canais de sódio e po- tássio voltagem-dependentes na membrana plasmática do (Os canais não dependentes não estão ilustrados.)</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1069 do a membrana do axônio está no potencial de repouso, a maioria dos canais de sódio voltagem-dependentes está fechada. Alguns canais de potássio estão abertos, mas a maioria dos canais de potássio voltagem-dependentes está fechada. 2 Quando um estímulo despolariza a membra- Axônio na, alguns canais de sódio voltagem-dependentes abrem- -se, permitindo que mais Na se difunda para dentro da célula. A entrada de causa a despolarização posterior, Membrana Potencial que abre ainda mais canais de sódio voltagem-dependen- plasmática de ação + + + + + + tes, permitindo a difusão de ainda mais para dentro da célula. 3 Uma vez que o limiar é ultrapassado, o ciclo de - - - - - Citosol retroalimentação positiva rapidamente deixa o potencial - - de membrana próximo do Esse estado do potencial + + + + + + de ação é chamado de fase ascendente. 4 Dois eventos impedem que o potencial de membrana atinja realmente Um potencial de ação é gerado conforme o Na+ entra pela membrana em certa região. o os canais de sódio voltagem-dependentes são inati- vados pouco tempo após sua abertura, parando a entrada de e a maioria dos canais de potássio voltagem-de- Potencial pendentes abre-se, levando a rápida saída de Ambos K+ de ação + + + + os eventos levam o potencial de membrana rapidamente a - - - - aproximar-se do Esse estado é chamado de fase descen- Na+ dente. 5 Na fase final de um potencial de ação, chamado - - de potencial hiperpolarizante, a permeabilidade da mem- + + + + brana ao K+ é maior que no repouso, logo o potencial de K+ membrana está mais próximo do do que quando está A despolarização de um potencial de ação espalha-se para a no potencial de repouso. Por fim, os canais potássio-de- região vizinha da membrana, reiniciando o potencial de ação À esquerda dessa região, a membrana repolariza à medida pendentes fecham-se, e o potencial de membrana volta ao que K+ flui para fora. potencial de repouso. Os canais de sódio permanecem inativos durante a fase descendente e a fase inicial do pós-potencial hiperpo- Potencial larizante. Por isso, se um segundo estímulo despolarizante K+ de ação + + + + + + ocorre durante esse período, ele não estará permitido a de- - - - - sencadear um potencial de ação. O período "ocioso" quan- Na+ do um segundo potencial de ação não pode ser iniciado - - é chamado de período refratário. Uma consequência do período refratário é limitar a frequência máxima em que K+ os potenciais de ação podem ser gerados. Como será dis- O processo de é repetido na região seguinte da membrana. Nesse sentido, correntes locais cutido sucintamente, o período refratário também garante de íons através da membrana plasmática levam potencial de que todos os sinais em um axônio viajem em uma única ação a ser propagado ao longo do comprimento do axônio. direção, do corpo celular aos terminais do axônio. Figura 48.12 Condução do potencial de ação. Esta Observe que o período refratário se dá devido à ina- figura mostra eventos em três momentos sucessivos em que o po- tivação dos canais de sódio, e não devido a uma mudança tencial de ação passa da esquerda para a direita. Em cada ponto ao de gradiente ionico na membrana plasmática. O fluxo de longo do axônio, os canais voltagem-dependentes passam partículas carregadas durante o potencial de ação envolve pelas mudanças mostradas na Figura 48.11. As cores da membrana poucos íons para mudar a concentração em ambos os lados correspondem às fases do potencial de ação na Figura 48.11. da membrana significativamente. DESENHE Para segmento de axônio mostrado, considere um ponto na terminação esquerda, um ponto no meio e um ponto na Condução do potencial de ação terminação direita. Desenhe um gráfico para cada ponto mostrando Após descrever os eventos de um único potencial de ação, a mudança no potencial de membrana no momento em que esse exploraremos a seguir como uma série de potenciais de ponto seja um único impulso nervoso movendo-se da esquerda para ação move um sinal ao longo do axônio. No local onde a direita ao longo do segmento. um potencial de ação é iniciado (normalmente no cone de implantação do axônio), a entrada de durante a fase ascendente cria uma corrente elétrica que despolariza a primento de um axônio. Como um potencial de ação é um região vizinha da membrana do axônio (Figura 48.12). evento tudo ou nada, a magnitude e a duração do potencial A despolarização é grande o suficiente para atingir o li- de ação são os mesmos em cada posição ao longo do axô- miar, causando um potencial de ação na região vizinha. nio. O resultado líquido é o movimento do impulso nervo- Esse processo é repetido muitas vezes ao longo do com- do corpo celular aos terminais simpáticos, movimento</p><p>1070 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON muito semelhante aos eventos em cascata desencadeados Adaptações evolutivas da estrutura do axônio ao se derrubar o primeiro dominó em linha. EVOLUÇÃO A taxa em que os axônios dentro dos ner- Um potencial de ação começa no cone de implantação vos conduzem os potenciais de ação governa o quão rá- do axônio e move-se ao longo do axônio somente em dire- pido o animal pode reagir ao perigo ou à oportunidade. ção aos terminais sinápticos. Por quê? Imediatamente atrás Em razão disso, a seleção natural, muitas vezes, resulta da zona de despolarização resultante do influxo de Na está em adaptações anatômicas que aumentam a velocidade a zona de repolarização resultante da saída de Na zona de condução. Uma dessas adaptações é o axônio espesso. de repolarização, os canais de sódio permanecem inativa- A espessura do axônio é importante devido à resistência dos. Assim, a corrente interna que despolariza a membrana ao fluxo de corrente elétrica que é inversamente propor- do axônio à frente do potencial de ação não pode produzir cional à área transversal-seccional do condutor (como um outro potencial de ação atrás dele. Isso evita que os poten- fio ou axônio). Da mesma forma que uma mangueira es- ciais de ação viajem de volta para o corpo celular. pessa oferece menos resistência ao fluxo de água do que Para a maioria dos neurônios, o intervalo entre o sur- uma mangueira estreita, o axônio espesso cria menos re- gimento de um potencial de ação e o começo do disparo é sistência à corrente associada com um potencial de ação apenas de 1 a 2 milissegundos (mseg). Devido ao fato de que um axônio estreito. os potenciais de ação serem tão breves, um neurônio con- Em invertebrados, a velocidade de condução varia de segue gerá-los no ritmo de centenas por segundo. Além muitos centímetros por segundo em axônios muito es- disso, a taxa em que os potenciais de ação são produzidos treitos a aproximadamente 30 m/seg em axônios gigantes transmite informação sobre a força do estímulo. Na audi- de alguns artrópodes e moluscos. Esses axônios gigantes ção, por exemplo, sons mais altos resultam em potenciais (mais de 1 mm de largura) funcionam em respostas rápidas de ação mais frequentes nos neurônios conectando a ore- comportamentais, como a contração muscular que impul- lha ao cérebro. De maneira semelhante, a frequência au- siona uma lula caçadora em direção à sua presa. mentada de potenciais de ação no neurônio que estimula o Os axônios de vertebrados têm diâmetros estreitos e tecido musculoesquelético aumentará a tensão no musculo mesmo assim podem conduzir potenciais de ação em altas contrátil. As diferenças no número de potenciais de ação velocidades. Como isso é possível? A adaptação evolutiva em dado período são de fato a única variável em como a que permite a condução rápida em axônio de vertebrados informação é codificada e transmitida ao longo do axônio. é o isolamento elétrico, análogo ao isolamento plástico que Os canais ionicos dependentes e os potenciais de ação envolve muitos fios elétricos. O isolamento leva a corrente têm um papel central na atividade do sistema nervoso. Por despolarizante associada ao potencial de ação a viajar mais conseguinte, as mutações nos genes que codificam as pro- longe no interior do axônio, trazendo mais cedo regiões teínas dos canais ionicos podem causar distúrbios afetan- mais distantes ao limiar. do os nervos ou o cérebro ou os músculos ou o coração, O isolamento elétrico que circunda os axônios dos ver- dependendo muito de em qual parte do corpo o gene para tebrados é chamado de bainha de mielina (Figura 48.13). aquela proteína de canal ionico é expresso. Por exemplo, as A bainha de mielina é produzida por dois tipos de glia: os mutações afetando os canais de sódio voltagem-dependen- oligodendrócitos no SNC e as células de Schwann no tes nas células do músculo esquelético podem causar mio- SNP. Durante o desenvolvimento, essa glia especializa- tomia, um espasmo periódico daqueles músculos. As muta- da envolve os axônios em muitas camadas de membrana. ções afetando os canais de sódio no cérebro podem causar As membranas formando essas camadas são, em sua maio- epilepsia, em que grupos de células nervosas disparam si- ria lipídeos, que são condutores fracos da corrente elétrica, multânea e excessivamente, produzindo convulsões. logo atuam como um bom isolante. 0,1 um Nódulo de Ranvier Camadas de mielina Axônio Célula de Schwann Células de Schwann Nódulos de Ranvier Núcleo da Axônio Bainha de mielina célula de Schwann Figura 48.13 Células de Schwann e bainha de mielina. No SNP, a glia chama- da célula de Schwann enrola-se em volta dos axônios formando a bainha de mielina. Falhas entre as células de Schwann adjacentes são chamadas de nódulos de Ranvier. A MET mostra uma secção transversal de um axônio mielinizado.</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1071 Figura 48.14 Condução saltató- Células de Schwann ria. Em um axônio mielinizado, a despo- larização ocorre durante um potencial de Região despolarizada ação de um nódulo de Ranvier e espalha- de Ranvier) -se ao longo do interior do axônio até o próximo nodo (setas azuis), onde os canais Corpo celular Bainha de sódio voltagem-dependentes permitem de que se reiniciem. Dessa forma, potencial mielina de ação parece saltar de nodo em nodo Axônio à medida que viaja ao longo do axônio (setas vermelhas). Em axônios mielinizados, os canais de sódio voltagem- -dependentes são restritos às falhas na bainha de mielina CONCEITO 48.4 chamadas de nódulos de Ranvier (ver Figura 48.13). Além disso, o líquido extracelular está em contato com a mem- Os neurônios comunicam-se com outras brana do axônio apenas nos nodos. Assim, os potenciais de células por meio de sinapses ação não são gerados nas regiões entre os nodos. Em vez disso, a corrente interna produzida durante a fase ascenden- Na maioria dos casos, os potenciais de ação não são transmi- te do potencial de ação no nodo viaja dentro do axônio por tidos dos neurônios para outras células. Entretanto, a infor- todo o trajeto até o próximo nodo. Lá, a corrente despolari- mação é transmitida, e essa transmissão ocorre nos termi- za a membrana e gera o potencial de ação (Figura 48.14). nais sinápticos, como mostrados na Figura 48.15. Os potenciais de ação propagam-se mais rapidamente Algumas sinapses, chamadas de sinapses elétricas, contêm nos axônios mielinizados porque o processo tempo-con- junções gap (ver Figura 6.30), que permitem à corrente elé- sumo da abertura e fechamento dos canais ocorre trica fluir diretamente de um neurônio para outro. Tanto apenas em um número limitado de posições ao longo do nos vertebrados quanto nos invertebrados, as sinapses elé- axônio. Esse mecanismo para a propagação dos poten- tricas sincronizam a atividade dos neurônios responsáveis ciais de ação é chamado de condução saltatória (do latim, por comportamentos rápidos e invariáveis. Por exemplo, saltare, saltar), porque os potenciais de ação parecem estar as sinapses elétricas associadas com os axônios gigantes de saltando ao longo do axônio de nodo em nodo. lulas e lagostas facilitam a rápida execução de respostas de A principal vantagem seletiva da mielinização é a sua fuga. Também existem muitas sinapses elétricas no cérebro de vertebrados. eficiência de espaço. Um axônio mielinizado de 20 um de diâmetro tem velocidade de condução maior que um axô- A maioria das sinapses consiste em sinapses químicas, nio gigante de lula com diâmetro 40 vezes maior. Por con- que envolvem a liberação de um neurotransmissor químico seguinte, mais de 2.000 desses axônios mielinizados cabem por um neurônio pré-sináptico. Em cada terminal, o neurô- no espaço ocupado por apenas um axônio gigante. nio pré-sináptico sintetiza o neurotransmissor e empacota Para qualquer axônio, mielinizado ou não, a condução em compartimentos de múltiplas camadas de membrana do potencial de ação ao terminal do axônio configura o está- chamados de vesículas sinápticas. A chegada do poten- gio para o próximo passo da sinalização neuronal a trans- cial de ação ao terminal sináptico despolariza a membrana ferência de informação para outra célula. Essa transmissão plasmática, abrindo os canais voltagem-dependentes que de informação ocorre nas sinapses, nosso próximo tópico. permitem que o difunda-se para dentro do terminal (Figura 48.16). O aumento da concentração de Ca2+ no ter- minal leva algumas das vesículas sinápticas a fundirem-se REVISÃO DO CONCEITO 48.3 na membrana do terminal, liberando o neurotransmissor 1. Como os potenciais de ação e os potenciais graduados di- ferem? 2. Na esclerose múltipla (do grego skleros, duro), a bainha de mielina endurece e deteriora. Como isso afetaria a função Neurônio Terminais pós-sináptico sinápticos do sistema nervoso? dos neurônios 3. Como as retroalimentações positivas e negativas contribuem pré-sinápticos para as mudanças no potencial de membrana durante potencial de ação? 4. SE...? Suponha que, devido a uma mutação, os canais sódio-dependentes permaneçam inativados por mais tem- po após um potencial de ação. Como isso afetaria a fre- quência em que os potenciais de ação poderiam ser gera- dos? Explique. Figura 48.15 Terminais sinápticos no corpo celular Ver respostas sugeridas no Apêndice A. de um neurônio pós-sináptico (MEV colorida).</p><p>1072 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON Uma vez liberado, o neurotransmissor difunde-se pela Geração de potenciais pós-sinápticos fenda sináptica, o estreito espaço que separa o neurônio Em muitas sinapses químicas, a proteína receptora que se pré-sináptico da célula pós-sináptica. O tempo de difusão é liga e responde aos neurotransmissores é um canal ionico muito curto porque o espaço é menor que 50 nm. Ao atin- ligante-dependente, algumas vezes chamado de receptor gir a membrana pós-sináptica, o neurotransmissor liga-se ionotrópico. Esses receptores estão agrupados na membra- ao receptor específico na membrana e ativa-o. na da célula pós-sináptica, em direção oposta ao terminal A transferência de informações é muito mais rapida- sináptico. A ligação do (o ligante do re- mente modificada nas sinapses químicas do que nas si- ceptor) a uma parte em particular do receptor abre o canal napses elétricas. Uma variedade de fatores pode afetar a e permite que íons específicos difundam-se pela membra- quantidade de neurotransmissores que será liberada ou a na pós-sináptica. O resultado é o potencial pós-sináptico, capacidade de resposta da célula pós-sináptica. Essas mo- um potencial graduado na célula pós-sináptica. dificações estão por trás da habilidade do animal de alterar Em algumas sinapses, o canal ionico ligante-depen- seu comportamento em resposta a mudanças e formam as dente é permeável tanto ao quando ao (ver Figura bases do aprendizado e da memória (como você aprenderá 48.16). Quando esses canais abrem, o potencial de mem- no Capítulo 49). brana despolariza em direção ao valor exato entre o e o Como essa despolarização traz o potencial de mem- brana em direção ao limiar, ela é chamada de potencial pós-sináptico excitatório (PPSE). Célula pré-sináptica Célula pós-sináptica Axônio Vesícula sináptica contendo Fenda neurotransmissor sináptica Membrana pós-sináptica Membrana pré-sináptica K+ Ca2+ Canal de Ca2+ Canais voltagem- ligante- Na+ -dependente -dependentes Um potencial 2 A despolarização 3 A concentração elevada de Ca2+ 4 neurotransmissor liga-se aos de ação chega, abre os canais leva as vesículas sinápticas a canais ligante-dependentes despolarizando voltagem-dependentes, fundirem-se com a membrana na membrana pós-sináptica. Neste a membrana desencadeando um pré-sináptica, liberando exemplo, a ligação desencadeia a pré-sináptica. influxo de neurotransmissor dentro da abertura, permitindo a difusão do fenda sináptica. Na+ do Figura 48.16 Sinapse química. Essa figura ilustra a sequência de eventos que transmite um sinal por sinapse química Em resposta à ligação do neurotransmissor, canais ionicos ligante-dependente na membrana pós-sináptico abrem-se (como mostrado aqui) ou, menos comumente, fecham-se. A transmissão sináptica termina quando neurotransmissor difunde-se para fora da fenda sináptica, é recaptado pelo terminal sináptico ou por outra célula, ou é degradado por uma enzima. E SE...? Se todo Ca2+ no líquido circundante de um neurônio fosse removido, como isso afetaria a transmissão da informação dentro dos e entre os neurônios?</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1073 Em outras sinapses, o canal ligante-dependente temporal e espacial, muitos PPSE podem combinar-se para é seletivamente permeável ao K+ e ao apenas. Quando despolarizar a membrana no cone de implantação do axô- um canal desses abre, a membrana pós-sináptica hiper- nio até o limiar, levando o neurônio pós-sináptico a pro- polariza. Uma hiperpolarização produzida dessa maneira duzir um potencial de ação. A somação aplica-se também é um potencial pós-sináptico inibitório (PPSI) porque para o PPSI ocorrendo praticamente de forma simultânea move o potencial de membrana para longe do limiar. nas sinapses na mesma região ou em rápidas sucessões na mesma sinapse, tendo um efeito maior que um único PPSI. Somação dos potenciais pós-sinápticos Pela somação, um PPSI também pode conter o efeito de um PPSE (Figura 48.17d). O corpo celular e os dendritos de um neurônio pós-sináp- A interface entre múltiplos estímulos excitatórios e tico devem receber estímulos de sinapses químicas forma- inibitórios é a essência da integração do sistema nervoso. das por centenas ou milhares de terminais sinápticos (ver O cone de implantação é o centro de integração do neu- Figura 48.15). Às vezes, alguns desses são excitatórios e rônio, a região onde o potencial de membrana a qualquer outros são inibitórios. instante representa o efeito somado de todos os PPSE e A magnitude do potencial pós-sináptico em qualquer PPSI. Sempre que o potencial de membrana no cone de sinapse depende de vários fatores, incluindo a quantidade implantação do axônio alcançar o limiar, um potencial de de liberada pelo neurônio pré-sináptico. ação será gerado e viajará ao longo do axônio até seu termi- Como um potencial graduado, o potencial pós-sináptico nal sináptico. Após o período refratário, o neurônio deve torna-se menor com a distância da sinapse. Portanto, no produzir outro potencial de ação, e, assim, faz o potencial momento em que um único PPSE alcançar o cone de im- de membrana no cone de implantação do axônio atingir plantação do axônio, ele é normalmente muito pequeno outra vez o limiar. para desencadear um potencial de ação (Figura 48.17a). Em certas ocasiões, dois PPSE ocorrem em uma única sinapse em sucessões tão rápidas que o potencial de mem- Sinalização sináptica modulada brana do neurônio pós-sináptico ainda não voltou ao po- Até agora, destacamos as sinapses em que o neurotransmis- tencial de repouso quando o segundo PPSE chega. Quando sor liga-se diretamente a um canal causando a abertu- isso acontece, os PPSE formam em conjunto um efeito cha- ra do canal. Entretanto, também existem sinapses em que o mado de somação temporal (Figura 48.17b). Além disso, receptor para o neurotransmissor não faz parte de um canal os PPSE produzidos praticamente de maneira simultânea Nessas sinapses, o neurotransmissor liga-se a um re- por diferentes sinapses no mesmo neurônio pós-sináptico ceptor metabotrópico, chamado assim porque a abertura ou também podem adicionar, juntos, um efeito chamado so- fechamento resultante de um canal depende de um ou mação espacial (Figura 48.17c). Por meio da somação mais passos metabólicos. A ligação de um neurotransmissor Ramificação terminal do E E neurônio pré-sináptico E2 Neurônio Cone de pós-sináptico implantação do axônio 0 Limiar de um axônio de um neurônio Potencial Potencial pós-sináptico de ação de ação Potencial de repouso -70 E1+1 (a) Sublimiar, sem (b) Somação temporal (c) Somação espacial (d) Somação espacial de somação PPSE e PPSI Figura 48.17 Somação dos potenciais pós-sinápticos. Estes gráficos traçam as mudanças no potencial de membrana no cone de implantação do neurônio pós-sináptico. As setas indicam os momentos em que os potenciais pós-sinápticos ocorrem em duas si- napses excitatórias e em verde nos diagramas acima dos gráficos) e em uma sinapse inibitória (I, em vermelho). Como a maioria dos PPSE, aqueles produzidos em ou não alcançam limiar no cone de implantação do axônio sem a somação.</p><p>1074 REECE, URRY, CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON a um receptor metabotrópico ativa a rota de transdução de romuscular dos vertebrados, o local onde um neurônio motor sinal na célula pós-sináptica envolvendo segundos mensagei- forma a sinapse com a célula muscular esquelética. Quando a ros (ver Capítulo 11). Comparado ao potencial pós-sináptico acetilcolina liberada pelo neurônio motor liga-se ao receptor, produzido por canais ligante-dependentes, os efeitos desse o canal ionico abre-se, produzindo um PPSE. Essa ativida- sistema de segundos mensageiros tem uma evolução mais de excitatória é logo terminada pela acetilcolinesterase, uma lenta, porém mais duradoura (minutos ou até horas). Os se- enzima na fenda sináptica que hidrolisa o gundo mensageiros modulam a capacidade de resposta dos O receptor de acetilcolina ativo na junção neuromus- neurônios pós-sinápticos a estímulos de diversos modos, por cular também é encontrado em outros locais do SNP, bem exemplo, alterando o número de canais de potássio abertos. como no SNC. Lá esses canais ionotrópicos podem ligar-se Uma variedade de rotas de transdução de sinal desem- a nicotina, um componente químico encontrado no tabaco penha um papel na modulação da transmissão sináptica. e na fumaça do tabaco. Os efeitos da nicotina como esti- Uma das rotas mais bem estudadas envolve o AMP cíclico mulante psicológico e fisiológico resultam da sua ligação a (AMPc) como segundo mensageiro. Por exemplo, quando esses receptores. o neurotransmissor norepinefrina liga-se ao seu receptor Um receptor metabotrópico de acetilcolina é encontra- metabotrópico, o neurotransmissor, o complexo neuro- do em locais que incluem o SNC e o coração dos vertebrados. transmissor-receptor ativa a proteína G, que por sua vez ati- No músculo cardíaco, a acetilcolina liberada pelos neurônios va a adenilato-ciclase, enzima que converte o ATP a AMPc ativa uma rota de transdução de sinal. As proteínas G na rota (ver Figura 11.11). O AMP cíclico ativa a proteína-cinase inibem a adenilato-ciclase e abrem os canais de potássio na A, que fosforila proteínas de canais ionicos específicas na membrana celular do músculo. Ambos os efeitos reduzem a membrana pós-sináptica, causando sua abertura ou fecha- taxa de batimentos cardíacos. Assim, o efeito da acetilcolina mento. Devido ao efeito amplificado da rota de transdução no músculo cardíaco é inibitório em vez de excitatório. de sinal, a ligação de uma molécula neurotransmissora a um Um número de toxinas perturba a neurotransmissão receptor metabotrópico pode abrir ou fechar muitos canais. da acetilcolina. Por exemplo, o gás sarim inibe a acetilco- linesterase, levando ao acúmulo de acetilcolina a níveis que Neurotransmissores desencadeiam paralisia e morte. Em contrapartida, algu- A sinalização na sinapse remete sobre uma resposta que mas bactérias produzem uma toxina que inibe a liberação dependente tanto do neurotransmissor liberado da mem- pré-sináptica de acetilcolina. Essas toxinas causam uma brana pré-sináptica quanto do receptor produzido na forma rara, mas algumas vezes fatal, de intoxicação alimen- tar chamada de botulismo. O botulismo não tratado é fatal membrana pós-sináptica. Um único neurotransmissor deve ligar-se especificamente a mais de uma dúzia de dife- porque os músculos necessários para a respiração param de rentes receptores, incluindo os tipos ionotrópicos e meta- se contrair quando a liberação de acetilcolina é bloqueada. botrópicos. Mais precisamente, um neurotransmissor em particular pode excitar células pós-sinápticas expressando NEURÔNIO PRÉ-SINÁPTICO um receptor e inibir células pós-sinápticas expressando um receptor diferente. Neurotransmissor Como a sinalização por neurotransmissor é termina- da? A ativação do receptor e a resposta da célula pós-si- náptica cessam quando as moléculas neurotransmissoras são removidas da fenda sináptica. A remoção de um neu- Receptor de neurotransmissor rotransmissor pode ocorrer por difusão simples ou por ou- tros mecanismos. Por exemplo, alguns neurotransmissores são inativados por hidrólise enzimática (Figura 48.18a). NEURÔNIO PÓS-SINÁPTICO Enzima de inativação Outros neurotransmissores são recapturados no neurônio (a) Degradação enzimática de um neurotransmissor na fenda pré-sináptico (Figura 48.18b). Uma vez que essa recapta- sináptica ção ocorre, os neurotransmissores são empacotados outra vez nas vesículas sinápticas ou transferidos à glia para o metabolismo ou reciclagem dos neurônios. Com essas propriedades básicas dos neurotransmisso- res em mente, vamos agora examinar alguns exemplos espe- Neurotransmissor cíficos, começando com a acetilcolina, um neurotransmis- Canal de Receptor de sor comum tanto nos vertebrados quanto nos invertebrados. transporte de neurotransmissor neurotransmissor Acetilcolina A acetilcolina é vital para as funções do sistema nervoso que incluem a estimulação dos músculos, a formação de memó- (b) Recaptação de um neurotransmissor por um neurônio pré-sináptico ria, e o aprendizado. Nos vertebrados, existem duas classes principais de receptor de acetilcolina. Ums delas é um ca- Figura 48.18 Dois mecanismos de terminação da nal ionico ligante-dependente, que funciona na junção neu-</p><p>BIOLOGIA DE CAMPBELL 1075 Hoje em dia, injeções de toxina botulínica, conhecidas pelo (Valium), amplamente prescrito, reduz a ansiedade por nome da marca Botox, são usadas cosmeticamente para mi- meio da ligação a um local no receptor do GABA. nimizar rugas ao redor dos olhos ou da boca por meio do Um terceiro aminoácido, a glicina, age nas sinapses bloqueio da transmissão em sinapses que controlam certos inibitórias em partes do SNC que ficam na parte externa músculos faciais. do cérebro. Lá, a glicina liga-se a um receptor ionotrópico Apesar de a acetilcolina ter muitos papéis, ela é apenas que é inibido pela estricnina, um componente químico fre- um de mais de 100 neurotransmissores conhecidos. Como quentemente usado como veneno de rato. mostrado pelos exemplos na Tabela 48.2, os outros neu- rotransmissores encaixam-se nas quatro classes: aminoáci- Aminas biogênicas dos, aminas biogênicas, e gases. Os neurotransmissores agrupados como aminas biogêni- cas são sintetizados a partir de aminoácidos e incluem a Aminoácidos norepinefrina, que é feita da tirosina. A norepinefrina é O glutamato é um dos vários aminoácidos que podem um neurotransmissor excitatório no sistema nervoso autô- agir como um neurotransmissor. Nos invertebrados, o glu- nomo, uma ramificação do SNP. Fora do sistema nervoso, tamato, em vez da acetilcolina, é o neurotransmissor na a norepinefrina tem distintas, mas relatadas funções como junção neuromuscular. Nos vertebrados, o glutamato é o hormônio, bem como a epinefrina, uma amina biogênica neurotransmissor mais comum no SNC. As sinapses em quimicamente semelhante (ver Capítulo 45). que o glutamato é o neurotransmissor têm um papel-chave A amina biogênica dopamina, feita da tirosina, e a sero- na formação da memória de longo prazo (como discutire- tonina, feira do triptofano, são liberadas em muitos locais no mos no Capítulo 49). cérebro e afetam o sono, o humor, a atenção e o aprendizado. O aminoácido ácido-gama-aminobutírico (GABA) Algumas drogas psicoativas, como o LSD e a mescalina, apa- é o neurotransmissor na maioria das sinapses inibitórias rentemente produzem seus efeitos alucinatórios pela ligação no cérebro. A ligação do GABA aos receptores nas células a receptores cerebrais para esses neurotransmissores. pós-sinápticas aumenta a permeabilidade da membrana As aminas biogênicas têm um papel central no nú- ao resultando em um PPSI. O medicamento diazepam mero e no tratamento de distúrbios do sistema nervoso (ver Capítulo 49). O distúrbio degenerativo da doença de Parkinson está associado com a falta de dopamina no cére- bro. Além disso, a depressão com frequência é tratada com Tabela 48.2 Principais neurotransmissores medicamentos que aumentam as concentrações cerebrais Neurotransmissores Estrutura de aminas biogênicas. O Prozac, por exemplo, garante o Acetilcolina efeito da serotonina por meio da inibição da sua recapta- ção após sua liberação. CH3 Aminoácidos Muitos cadeias relativamente curtas de Glutamato COOH aminoácidos, atuam como neurotransmissores que ope- GABA (ácido gama-amino- ram por meio de receptores metabotrópicos. Em geral, es- butírico) ses peptídeos são produzidos pela clivagem de proteínas Glicina H2N COOH precursoras muito maiores. O neuropeptídeo chamado Aminas biogênicas HO de substância P é um neurotransmissor excitatório-chave Norepinefrina que controla nossa percepção à dor, enquanto outros neu- HO ropeptídeos, chamados de endorfinas, funcionam como OH analgésicos naturais, diminuindo a percepção à dor. Dopamina HO As endorfinas são produzidas no cérebro durante os momentos de estresse físico e emocional, como no parto. HO Além do alívio da dor, elas reduzem a excreção de urina, Serotonina HO diminuem a respiração, e produzem euforia, bem como ou- tros efeitos emocionais. Como os opiáceos (medicamentos CH como a morfina e a heroína) ligam-se às mesmas proteínas H de receptor que as endorfinas, eles mimetizam as endor- Neuropeptideos (grupo muito diverso, apenas dois deles estão finas e produzem muitos dos mesmos efeitos fisiológicos mostrados aqui) (ver Figura 2.16). No Exercício de Habilidades Científicas, Substância P você pode interpretar dados de um experimento desenhado para buscar os receptores de opiáceos no cérebro. Met-encefalina (endorfina) Gly Gly Phe Met Gases Gases Alguns neurônios de vertebrados liberam gases dissolvi- Óxido nítrico N=O dos como neurotransmissores. Nos homens, por exemplo,</p><p>1076 CAIN, WASSERMAN, MINORSKY & JACKSON EXERCÍCIO DE HABILIDADES CIENTÍFICAS Interpretando os valores dos dados expressos na anotação científica o cérebro tem um receptor proteico específico para Dados do experimento opioides? Uma equipe de pesquisadores buscava receptores opioides no cérebro de mamíferos. Sabendo que medicamento Menor concentração que naloxona bloqueia os efeitos analgésicos dos opioides, eles hipoteti- Medicamento Opiáceo bloqueou a ligação da naloxona zaram que a naloxona age por meio da forte ligação aos receptores Morfina Sim 6 M opioides sem ativá-los. Neste exercício, você interpretará os resul- Metadona Sim 2 M tados de um experimento que os pesquisadores conduziram para Levorfano Sim M testar a Fenobarbita Não Sem efeito a 10-4 M Como o experimento foi realizado Os pesquisadores adi- Atropina Não Sem efeito a 10-4 M cionaram naloxona radioativa a uma mistura proteica preparada a Serotonina Não Sem efeito a 10-4 M partir de cérebro de roedores. Se a mistura contivesse receptores opioides ou outras proteínas com potencial de se ligar à naloxona Interprete os dados a radioatividade ficaria estável na mistura. Para determinar se a ligação ocorreu devido aos receptores opioides específicos, eles tes- 1. Os dados acima são expressos em notação científica: um taram outros medicamentos, opiáceos e não opiáceos, quanto à sua fator numérico vezes a potência de 10. Lembre-se que uma capacidade para bloquear a ligação da potência negativa de 10 significa um número menor do que 1. Por exemplo, M (molar), também pode ser escrito como Naloxona 0,1 M. Faça as concentrações na tabela acima para a morfina e radioativa atropina neste formato alternativo. A naloxona 2. Compare as concentrações listadas na tabela para a metadona radioativa e e para fenobarbital. Que concentração é maior? Por qual medicamento teste Medicamento diferença? estão incubados 3. fenobarbital, a atropina ou a serotonina teriam bloqueado com a mistura a ligação da naloxona a uma concentração de 10-5 M? Sim ou proteica. não? Explique. 4. Que medicamentos bloqueiam a ligação da naloxona neste perimento? que esses resultados indicam sobre os receptores cerebrais para naloxona? As proteínas são presas 5. em vez de os pesquisadores utilizassem tecido de em um filtro. A naloxona músculos intestinais e não encontrassem nenhuma ligação da ligada é detectada pela naloxona, que isso sugeriria sobre os receptores opiáceos em medição da músculos de mamíferos? Fonte: Pert e Opiate receptor: demonstration in ner- vous tissue. Science 179:1011-1014 certos neurônios liberam óxido nítrico (NO) dentro dos No SNP, ele age como um tecidos eréteis do pênis durante a relação sexual. O rela- inibitório que hiperpolariza a membrana plasmática das xamento resultante do músculo liso das paredes dos vasos células do músculo liso do intestino. sanguíneos dos tecidos esponjosos eréteis permite que o No próximo capítulo, consideraremos como os mecanis- tecido se encha de sangue, produzindo a ereção. O medica- mos celulares e bioquímicos que discutimos contribuem para mento para disfunção erétil, Viagra, funciona pela inibição o funcionamento do sistema nervoso em nível sistêmico. de uma enzima que acaba com a ação do NO. Ao contrário da maioria dos neurotransmissores o NO não é estocado nas vesículas citoplasmáticas; em vez REVISÃO DO CONCEITO 48.4 disso, é sintetizado de acordo com a demanda. O NO di- 1. Como é possível para um neurotransmissor em particular funde-se para as células-alvo vizinhas, produz mudanças, produzir efeitos opostos em diferentes tecidos? e degradado tudo dentro de poucos segundos. Em mui- 2. Os agroquímicos organofosforados funcionam inibindo a tos dos seus alvos, incluindo as células de músculo o acetilcolinesterase, a enzima que degrada neurotransmis- NO funciona como muitos hormônios, estimulando uma sor acetilcolina. Explique como essas toxinas afetariam os enzima a sintetizar um segundo mensageiro que afeta dire- PPSE produzidos pela acetilcolina. tamente o metabolismo celular. 3. FACA CONEXÕES Nomeie uma ou mais atividades da Apesar de a inalação do gás monóxido de carbono membrana que ocorrem tanto na fertilização do óvulo (CO) poder levar ao óbito, o corpo dos vertebrados usa quanto na neurotransmissão por meio de uma sinapse a enzima heme-oxigenase para produzir quantidades pe- (ver Figura 47.3). quenas de CO, parte do qual atua como neurotransmissor Ver respostas sugeridas no Apêndice A. No cérebro, o CO regula a liberação de hormônios hipo-</p>