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Neurotransmissores Nossa atual compreensão é de que os principais neurotransmissores estão dentro de uma de três categorias químicas: (1) aminoácidos, (2) aminas e (3) peptídeos. Os neurotransmissores aminoácidos e aminas são pequenas moléculas orgânicas contendo pelo menos um átomo de nitrogênio, os quais são armazenados em vesículas sinápticas e delas liberados. Os neurotransmissores peptídicos são moléculas grandes – cadeias de aminoácidos – armazenadas e liberadas de grânulos secretores. Grânulos secretores e vesículas sinápticas são frequentemente observados nos mesmos terminais axonais. Consistentemente com essa observação, é comum encontrarmos peptídeos nos mesmos terminais axonais que contêm neurotransmissores aminas ou aminoácidos. Diferentes neurônios no SNC liberam diferentes neurotransmissores. A velocidade da transmissão varia amplamente. Formas rápidas de transmissão duram de 10 a 100 ms e, em sua maioria, são mediadas no SNC pelos aminoácidos glutamato (Glu), ácido γ-aminobutírico (GABA) ou glicina (Gli). A amina acetilcolina (ACh) medeia a transmissão sináptica rápida em todas as junções neuromusculares. Formas mais lentas de transmissão sináptica podem durar de centenas de milissegundos a minutos; elas podem ocorrer no SNC e na periferia, sendo mediadas por neurotransmissores de todas as três categorias. Síntese e Armazenamento de Neurotransmissores A transmissão sináptica química requer que neurotransmissores sejam sintetizados e estejam prontos para liberação. Diferentes neurotransmissores são sintetizados de diferentes maneiras. Por exemplo, o glutamato e a glicina estão entre os 20 aminoácidos que são os blocos de construção utilizados na síntese proteica (ver Figura 3.4b); consequentemente, eles são abundantes em todas as células do corpo, incluindo os neurônios. Em contrapartida, o GABA e as aminas são produzidos apenas pelos neurônios que os liberam. Esses neurônios contêm enzimas específicas que os sintetizam a partir de vários precursores metabólicos. As enzimas envolvidas na síntese de ambos os neurotransmissores, aminoácidos e aminas, são transportadas até o terminal axonal, e, nesse local, elas rapidamente promovem a síntese de neurotransmissores. Uma vez sintetizados no citosol do terminal axonal, os neurotransmissores aminoácidos e aminas devem ser captados pelas vesículas sinápticas. Concentrar esses neurotransmissores dentro da vesícula é o trabalho dos transportadores, proteínas especiais embutidas na membrana vesicular. Mecanismos bastante distintos são usados para sintetizar e armazenar peptídeos nos grânulos secretores. Os peptídeos são formados quando aminoácidos são polimerizados nos ribossomos do corpo celular. No caso dos neurotransmissores peptídicos, isso ocorre no retículo endoplasmático (RE) rugoso. Em geral, os peptídeos longos, sintetizados no retículo endoplasmático rugoso, são clivados no aparelho de Golgi, produzindo fragmentos menores, sendo um deles o neurotransmissor ativo. Os grânulos secretores contendo os peptídeos processados no aparelho de Golgi desprendem-se dessa organela e são transportados ao terminal axonal por transporte axoplasmático. Diferenças da síntese e o armazenamento dos neurotransmissores aminoácidos e aminas, e os neurotransmissores peptídicos: Liberação de Neurotransmissores A liberação de neurotransmissores é desencadeada pela chegada de um potencial de ação ao terminal axonal. A despolarização da membrana do terminal causa a abertura de canais de cálcio dependentes de voltagem nas zonas ativas. Esses canais de membrana são muito similares aos canais de sódio, exceto que eles são permeáveis ao Ca2+, em vez de ao Na+. Há uma grande força condutora impulsionando o Ca2+ para o interior. A concentração interna de cálcio – [Ca2+] – em repouso é muita baixa, apenas 0,0002 mM; portanto, o Ca2+ inundará o citoplasma dos terminais axonais assim que os canais sejam abertos. A elevação resultante na [Ca2+] é o sinal que causa a liberação dos neurotransmissores da vesícula sináptica. As vesículas liberam seus conteúdos por um processo denominado exocitose. A membrana da vesícula sináptica funde-se com a membrana pré-sináptica nas zonas ativas, permitindo que o conteúdo da vesícula seja derramado na fenda sináptica. A exocitose é rápida porque o Ca2+ entra precisamente nas zonas ativas, onde as sinapses estão prontas e esperando para liberar seus conteúdos. Neste “microdomínio” local que cerca a zona ativa, o cálcio pode alcançar concentrações relativamente altas (maiores que 0,01 mM). Na presença de aumento da [Ca2+], essas proteínas alteram suas conformações, de modo que as bicamadas lipídicas das membranas vesicular e pré-sináptica se fundam, formando um poro que permite que o neurotransmissor escape para a fenda sináptica. A abertura desse poro de fusão exocítica continua a se expandir até que a membrana vesicular esteja completamente incorporada à membrana pré- sináptica. A membrana vesicular é posteriormente recuperada por um processo de endocitose, e a vesícula reciclada é recarregada com neurotransmissor. Durante os períodos de estimulação prolongada, as vesículas são mobilizadas a partir de um estoque de vesículas que está ligado ao citoesqueleto do terminal axonal. A liberação dessas vesículas do citoesqueleto e seu ancoramento às zonas ativas também são dependentes da elevação da [Ca2+]. Os grânulos secretores também liberam neurotransmissores peptídicos por exocitose, de uma maneira dependente de cálcio, mas comumente fora das zonas ativas. Como os sítios de exocitose dos grânulos localizam-se à distância dos sítios de influxo de Ca2+, os neurotransmissores peptídicos normalmente não são liberados em resposta a cada potencial de ação que chega ao terminal. Em vez disso, a liberação de peptídeos geralmente requer uma série de alta frequência de potenciais de ação, de forma que a [Ca2+] através do terminal possa atingir os níveis exigidos para a liberação longe das zonas ativas. Diferentemente da liberação rápida de neurotransmissores como os aminoácidos e as aminas, a liberação dos peptídeos é um processo vagaroso, levando 50 ms ou mais. Receptores para Neurotransmissores e seus Sistemas Efetores Os neurotransmissores liberados dentro da fenda sináptica afetam os neurônios pós-sinápticos por se ligarem a proteínas receptoras específicas que estão embutidas nas densidades pós-sinápticas. A ligação do neurotransmissor ao receptor é como inserir uma chave em uma fechadura: isso causa uma mudança conformacional na proteína, e esta, então, pode funcionar diferentemente. Embora haja bem mais de 100 diferentes receptores para neurotransmissores, eles podem ser divididos em dois tipos: canais iônicos ativados por neurotransmissores e receptores acoplados a proteínas G. ➢ Canais Iônicos Ativados por Transmissores Receptores conhecidos como canais iônicos ativados por transmissores são proteínas transmembrana, compostas por quatro ou cinco subunidades, que, juntas, formam um poro entre elas. Na ausência do neurotransmissor, o poro do receptor está frequentemente fechado. Quando o neurotransmissor se liga a sítios específicos na região extracelular do canal, ele induz uma mudança conformacional – uma delicada torção das subunidades –, a qual, em microssegundos, causa a abertura do poro. A consequência funcional depende de quais íons podem atravessar o poro. Os canais iônicos ativados por transmissores geralmente não apresentam o mesmo grau de seletividade iônica que os canais iônicos dependentes de voltagem. Por exemplo, os canais iônicos regulados por ACh na junção neuromuscular são permeáveis a ambos Na+ e K+. Ainda assim, como regra, se os canais abertos forem permeáveis ao Na+, o efeito resultante seráa despolarização da membrana da célula pós-sináptica, que deixa de estar no potencial de repouso. Uma vez que isso tende a trazer o potencial de membrana para o limiar de geração do potencial de ação, o efeito é denominado excitatório. A despolarização transitória do potencial da membrana pós-sináptica causada pela liberação de neurotransmissor é denominada potencial excitatório pós-sináptico (PEPS). Se os canais ativados por transmissores são permeáveis ao Cl–, o efeito final será de hiperpolarização da célula pós-sináptica (uma vez que o potencial de equilíbrio do cloreto é comumente negativo). Como a hiperpolarização tende a levar o potencial de membrana para longe do limiar de geração do potencial de ação, o efeito é denominado inibitório. A hiperpolarização transitória do potencial de membrana pós-sináptico causada pela liberação de neurotransmissor pela pré-sinapse é denominada potencial inibitório pós-sináptico (PIPS). A ativação sináptica de canais iônicos abertos por glicina ou GABA causa um PIPS. ➢ Receptores Acoplados a Proteínas G A transmissão rápida nas sinapses químicas é mediada por neurotransmissores aminoácidos ou aminas agindo diretamente em canais iônicos. Entretanto, todos os três tipos de neurotransmissores, agindo em receptores acoplados a proteínas G, podem gerar ações pós-sinápticas mais lentas, mais duradouras e muito mais diversificadas. Esse tipo de ação do neurotransmissor envolve três passos: 1. O neurotransmissor liga-se ao receptor na membrana pós- sináptica. 2. O receptor proteico ativa pequenas proteínas, denominadas proteínas G, as quais se movem livremente ao longo da face intracelular da membrana pós-sináptica. 3. As proteínas G ativadas, por sua vez, ativam proteínas efetoras. As proteínas efetoras podem ser canais iônicos (ativados por proteínas G) presentes na membrana, ou podem ser enzimas que sintetizam moléculas, denominadas segundos mensageiros, que se difundem para o citosol. Os segundos mensageiros podem ativar enzimas adicionais no citosol que, por sua vez, podem regular canais iônicos e alterar o metabolismo celular. O mesmo neurotransmissor pode ter diferentes ações pós-sinápticas, dependendo de qual receptor ele vai ativar. Um exemplo é o efeito da acetilcolina no coração e nos músculos esqueléticos. A acetilcolina diminui as contrações rítmicas do coração por causar uma lenta hiperpolarização das células musculares cardíacas. Em contrapartida, no músculo esquelético, a acetilcolina induz a contração por causar uma rápida despolarização das fibras musculares. Essas diferentes ações são explicadas pelos diferentes receptores envolvidos. No coração, o receptor metabotrópico da acetilcolina é acoplado, por uma proteína G, a um canal de potássio. A abertura do canal de potássio hiperpolariza a fibra muscular cardíaca e reduz a taxa de disparo dos potenciais de ação. No músculo esquelético, o receptor é um canal iônico ativado pela acetilcolina e permeável ao Na+. A abertura desse canal despolariza as fibras musculares e as torna mais excitáveis. ➢ Autorreceptores Os receptores pré-sinápticos que são sensíveis aos neurotransmissores liberados no próprio terminal pré- sináptico são denominados autorreceptores. São receptores acoplados a proteínas G que estimulam a formação de segundos mensageiros. As consequências da ativação desses receptores variam, mas um efeito comum é a inibição da liberação de neurotransmissores e, em alguns casos, da síntese de neurotransmissores. Isso permite que o terminal pré-sináptico regule a si próprio. Reciclagem e Degradação de Neurotransmissores Uma vez que os neurotransmissores liberados tenham interagido com receptores pós-sinápticos, eles devem ser removidos da fenda sináptica para permitir um novo ciclo de transmissão sináptica. Um maneira de isso acontecer é por simples difusão das moléculas de neurotransmissor através do líquido extracelular para longe das sinapses. Entretanto, para a maioria dos neurotransmissores dos tipos aminoácidos e aminas, a difusão é auxiliada por sua recaptação para dentro do terminal pré-sináptico. A recaptação ocorre por ação de transportadores proteicos específicos para neurotransmissores presentes na membrana pré-sináptica. Uma vez dentro do citosol do terminal, os neurotransmissores podem ser recarregados nas vesículas sinápticas ou degradados por enzimas, sendo seus produtos reciclados. A ação do neurotransmissor também pode ser terminada por degradação enzimática na própria fenda sináptica. Os princípios da integração sináptica A maioria dos neurônios do SNC recebe milhares de sinais sinápticos de entrada que ativam combinações diferentes de canais iônicos regulados por neurotransmissores e receptores acoplados a proteínas G. O neurônio pós- sináptico integra todo esse complexo de sinais iônicos e químicos para produzir uma simples forma de sinal de resposta ou saída: potenciais de ação. A transformação de muitos sinais sinápticos de entrada em um único sinal neuronal de saída constitui uma computação neural. A integração sináptica é o processo pelo qual múltiplos potenciais sinápticos se combinam em um neurônio pós- sináptico. A corrente de entrada através desses canais despolariza a membrana pós-sináptica, causando o PEPS. A membrana pós-sináptica de uma sinapse pode ter de algumas dezenas até diversos milhares de canais ativados por transmissores; a quantidade ativada durante a transmissão sináptica depende principalmente da quantidade de neurotransmissor que é liberada. ➢ Análise Quântica de PEPSs Cada vesícula contém aproximadamente o mesmo número de moléculas de transmissores (vários milhares); a quantidade total de transmissor liberado é algum múltiplo desse número. Consequentemente, a amplitude do PEPS pós- sináptico é algum múltiplo da resposta ao conteúdo de uma única vesícula. Dito de outra maneira, os PEPSs em uma determinada sinapse são quânticos; eles são múltiplos de uma unidade indivisível, o quantum, o qual reflete o número de moléculas neurotransmissoras em uma única vesícula sináptica e o número de receptores disponíveis na sinapse. Em muitas sinapses, a exocitose de vesículas ocorre em uma taxa muito reduzida mesmo na ausência de estimulação pré-sináptica. O tamanho da resposta pós- sináptica a essa liberação espontânea de neurotransmissores pode ser medido eletrofisiologicamente. Essa pequena resposta é um potencial pós-sináptico em miniatura, frequentemente chamado de mini. Cada mini é gerado pelo conteúdo de transmissor de uma vesícula. ➢ Somação de PEPS: A junção neuromuscular foi desenvolvida para ser infalível; ela deve funcionar sempre, e a melhor maneira de se assegurar isso é gerando um enorme PEPS. Por outro lado, se cada sinapse no SNC fosse, por si própria, capaz de desencadear um potencial de ação em sua célula pós-sináptica (como faz a junção neuromuscular), então um neurônio seria um pouco mais do que uma simples estação de retransmissão. Ao contrário, a maioria dos neurônios executa computações sofisticadas, requerendo que muitos PEPSs sejam adicionados para produzir uma significante despolarização pós-sináptica. Esse é o significado da integração dos PEPS. A somação dos PEPSs representa a mais simples forma de integração sináptica no SNC. Há dois tipos de somação: espacial e temporal. A somação espacial consiste em adicionar PEPSs gerados simultaneamente em muitas sinapses em um dendrito. A somação temporal consiste em adicionar PEPSs gerados na mesma sinapse e que ocorrem em uma rápida sucessão, dentro de intervalos de 1 a 15 ms. Contribuição das Propriedades Dendríticas à Integração Sináptica Mesmo com a somação de vários PEPSs em um dendrito, a despolarização provocada pode, ainda, não ser suficiente para levar o neurônio adisparar um potencial de ação. Antes que o potencial de ação possa ser gerado, a corrente que entra pelos sítios da região de contato sináptico deve se propagar ao longo do dendrito e através do corpo neuronal até causar, na zona de gatilho, uma despolarização além do limiar de excitação. A efetividade de uma sinapse excitatória em desencadear um potencial de ação depende, portanto, de quão longe a sinapse está da zona de gatilho e das propriedades de condução da membrana dendrítica. ➢ Propriedades dos Cabos Dendríticos Há dois caminhos que a corrente sináptica pode seguir: por dentro do dendrito ou através da membrana dendrítica. Na medida em que as correntes prosseguem para adiante no dendrito e para longe das sinapses, a amplitude do PEPS diminuirá, devido ao vazamento de corrente iônica através dos canais de membrana. Em alguma distância do local do influxo da corrente, a amplitude do PEPS pode se aproximar de zero. Os dendritos reais têm comprimentos finitos, ramificações, tendem a afunilar, e os PEPSs são transitórios – todos são fatores que afetam a propagação da corrente e, portanto, a eficiência dos potenciais sinápticos.) A constante de comprimento é um índice de quão longe a despolarização pode se difundir em um dendrito ou axônio. Quanto maior for a constante de comprimento, mais provável será que os PEPSs gerados em sinapses distantes despolarizarão a membrana no cone de implantação axonal (onde está a zona de gatilho). O valor de λ em nosso dendrito idealizado, eletricamente passivo, depende de dois fatores: (1) a resistência da corrente fluindo longitudinalmente ao longo do dendrito, chamada de resistência interna (ri); e (2) a resistência da corrente fluindo através da membrana, chamada de resistência da membrana (rm). A maior parte da corrente seguirá o caminho de menor resistência; portanto, o valor de λ aumentará à medida que a rm aumentar, porque mais corrente despolarizante fluirá pelo interior do dendrito e menos “vazará” para fora da membrana. O valor de λ irá decrescer quando a ri aumentar, porque mais corrente fluirá através da membrana. Assim como a água fluirá mais longe em uma mangueira larga com poucos vazamentos, a corrente sináptica fluirá até um sítio mais distante em um dendrito largo (baixo ri) com poucos canais de membrana abertos (alto rm). A resistência interna depende apenas do diâmetro do dendrito e das propriedades elétricas do citoplasma; como consequência, ela é relativamente constante em um neurônio maduro. Em contrapartida, a resistência da membrana depende do número de canais iônicos abertos, o que muda de um momento para outro, dependendo de quais outras sinapses estão ativas. A constante de comprimento dendrítico, portanto, não é, de forma alguma, constante. ➢ Dendritos Excitáveis A membrana dos dendritos é eletricamente passiva, o que significa que ela não teria canais iônicos dependentes de voltagem. Alguns dendritos no encéfalo têm membranas quase passivas e inexcitáveis, e, assim, obedecem às equações simples de cabos. Os dendritos dos neurônios motores espinhais, por exemplo, são bastante próximos desse modelo. Entretanto, a maioria dos dendritos, decididamente, não é passiva. Uma variedade de neurônios apresenta dendritos com um significativo número de canais de sódio, cálcio e potássio dependentes de voltagem. Os dendritos raramente têm canais iônicos suficientes para gerar potenciais de ação completamente propagáveis, como fazem os axônios. Contudo, os canais dependentes de voltagem nos dendritos podem atuar como importantes amplificadores de pequenos potenciais pós-sinápticos distantes gerados nos dendritos. PEPSs que diminuiriam até quase desaparecer em um dendrito longo e passivo podem, contudo, ser suficientemente grandes para desencadear a abertura de canais de sódio dependentes de voltagem, os quais, por sua vez, adicionam corrente para impulsionar o sinal sináptico em direção ao corpo celular. Inibição Um PEPS pode ou não contribuir para o potencial de ação propagado por um neurônio na dependência de vários fatores, inclusive do número de sinapses excitatórias ativas concomitantemente, da distância da sinapse à zona de gatilho e das propriedades da membrana dendrítica. Contudo, nem todas as sinapses no encéfalo são excitatórias. A ação de algumas sinapses é afastar o potencial de membrana do limiar do potencial de ação; essas são chamadas de sinapses inibitórias. As sinapses inibitórias exercem um poderoso controle sobre o sinal de saída de um neurônio. ➢ PIPSs e Inibição por Derivação Os receptores pós-sinápticos, na maioria das sinapses inibitórias, são muito similares àqueles das sinapses excitatórias; eles são canais iônicos ativados por transmissores. As únicas diferenças importantes são que eles ligam diferentes neurotransmissores (GABA ou glicina) e que eles permitem que diferentes íons passem através de seus canais. Os canais ativados por neurotransmissores da maioria das sinapses inibitórias são permeáveis unicamente a um íon natural, o Cl–. A abertura do canal de cloreto permite que o Cl− atravesse a membrana no sentido que traz o potencial de membrana para o potencial de equilíbrio do cloreto, ECl, cerca de −65 mV. Se o potencial de membrana for menos negativo que −65 mV quando o neurotransmissor for liberado, a ativação desses canais causaria um PIPS hiperpolarizante. Se o potencial de repouso da membrana já fosse −65 mV, nenhum PIPS seria visível depois da ativação dos canais de cloreto, uma vez que o valor do potencial de membrana já seria igual ao ECl. Se não há PIPS visível, estará o neurônio realmente inibido? A resposta é sim. A ativação de uma sinapse excitatória conduz ao influxo de cargas positivas para o interior do dendrito. Essa corrente despolariza a membrana à medida que flui rumo ao corpo celular. No local da sinapse inibitória ativa, entretanto, o potencial de membrana é igual ao ECl, − 65 mV. Assim, nesse local, uma corrente positiva flui para fora através da membrana para trazer o Vm para − 65 mV. Essa sinapse age como um desvio elétrico, que impede que a corrente flua através do corpo celular até o cone de implantação axonal. Esse tipo de inibição é chamado de inibição por derivação. A verdadeira base da inibição por derivação é o movimento de entrada dos íons cloreto negativamente carregados, os quais formalmente equivalem a uma corrente positiva de saída. Assim, podemos notar que a ação das sinapses inibitórias também contribui para a integração sináptica. Os PIPS reduzem o tamanho dos PEPS, reduzindo a probabilidade de disparo de potenciais de ação pelo neurônio pós-sináptico. Além disso, a inibição por derivação age reduzindo drasticamente a rm e, consequentemente, a constante λ, permitindo, portanto, que a corrente positiva flua para fora através da membrana, em vez de fluir internamente no dendrito rumo à zona de gatilho. ➢ A Geometria das Sinapses Excitatórias e Inibitórias As sinapses inibitórias do encéfalo que utilizam GABA ou glicina como neurotransmissor apresentam sempre a característica morfológica das sinapses tipo II de Gray. Essa estrutura contrasta com as sinapses excitatórias que usam glutamato, as quais têm morfologia das sinapses tipo I de Gray. Essa correlação entre estrutura e função tem sido útil para a resolução das relações geométricas entre sinapses excitatórias e inibitórias em neurônios individuais. Além de estarem espalhadas sobre os dendritos, as sinapses inibitórias são encontradas, em muitos neurônios, agrupadas sobre o corpo celular e próximas ao cone de implantação axonal, onde estão em uma posição especialmente privilegiada para influenciar a atividade do neurônio pós-sináptico. Modulação Com certeza, as sinapses com canais iônicos ativados por transmissores transportamo grosso das informações específicas que são processadas pelo sistema nervoso. Entretanto, há muitas sinapses com receptores acoplados a proteínas G que não estão diretamente associadas a canais iônicos. A ativação sináptica desses receptores não evoca diretamente PEPSs e PIPSs, mas, em vez disso, modifica a eficiência dos PEPS gerados por outras sinapses com canais iônicos ativados por neurotransmissores. Esse tipo de efeito sobre a transmissão sináptica é denominado modulação. A ativação de qualquer desses receptores iniciará uma cascata distinta de reações bioquímicas no neurônio pós- sináptico, o que nem sempre inclui fosforilação e decréscimo da condutância da membrana. De fato, o AMPc, em um tipo diferente de célula, com diferentes enzimas, pode produzir mudanças funcionais opostas na excitabilidade celular.