Aula 21 - Sebenta Bqii

Aula 21 - PARTE III: Organização e Funcionamento Subcelular Bases bioquímicas do funcionamento da célula nervosa ESTRUTURA E FUNCIONAMENTO DAS CÉLULAS NERVOSAS O sistema nervoso é o principal responsável pela regulação das funções do nosso organismo. Existem milhares de neurónios que recebem a informação do ambiente externo e interno, e transmitem essa mesma informação a outras células nervosas para processamento e armazenamento. Por exemplo, a contracção dos músculos e a secreção de hormonas é regulada por milhares de neurónios. O cérebro humano contém cerca de 1012 neurónios interligados que, deste modo, comunicam a informação através de impulsos eléctricos (dentro da célula) e através de sinais químicos (entre células). Para além de neurónios, o sistema nervoso é também formado por células gliais (ou neuróglia) que preenchem os espaços entre os neurónios fornecendo-lhes assim um suporte físico e metabólico. Além disso, podem ser responsáveis pela modulação da própria função neuronal. Um exemplo de neuróglia é o oligodendrócito que é responsável pela mielinização dos axónios do sistema nervoso central. As células nervosas são as células do organismo mais estudadas, cuja estrutura e função se conhecem em maior detalhe. Os neurónios comunicam a informação por sinais eléctricos (intracelulares) e sinais químicos (intercelulares - entre as células). Um neurónio é formado por 4 regiões diferentes que desempenham funções igualmente diferentes: • •

•

•

Corpo celular: Contém o núcleo e lisossomas (importantes para a síntese proteica e sua eliminação). Todas as proteínas neuronais são sintetizadas nesta região; Dendrites: Convertem os sinais químicos em pequenos impulsos eléctricos e transmitem-nos ao corpo celular. Se o distúrbio eléctrico é suficientemente eficaz, então é gerado um potencial de acção que é dirigido ao axónio. Algumas proteínas são sintetizadas nas dendrites; Axónio: É a estrutura especializada para a condução de um tipo particular de impulso eléctrico que provém do corpo celular – o potencial de acção. Nesta estrutura não são sintetizadas quaisquer proteínas; Terminais axónicos: São pequenas ramificações do axónio que formam sinapses ou conexões com outras células.

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TIPOS DE NEURÓNIOS

Fig.1: Tipos de neurónios e sua estrutura: as setas indicam a direcção da condução dos potenciais de acção no axónio (vermelho)

a) Interneurónios Multipolares Cada um tem várias dendrites que recebem sinais de sinapses com outros neurónios; têm também um longo axónio que se ramifica lateralmente e na extremidade. a) Neurónio motor Inerva uma célula muscular. Tipicamente, estes neurónios têm apenas um longo axónio que se estende desde o corpo celular até à célula efectora. Nos mamíferos, estes neurónios são geralmente revestidos por uma bainha de mielina que é descontínua nos chamados nódulos de Ranvier e nas terminações axónicas. b) Neurónio sensorial As ramificações periféricas transportam os impulsos nervosos desde o receptor até ao corpo celular, que está situado perto da espinalmedula; o ramo central transporta o impulso desde o corpo celular até à espinal-medula ou até ao cérebro. Ambas as ramificações são axónios.

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DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SISTEMA NERVOSO (FIG. 2): O sistema nervoso central (SNC) compreende o cérebro e a espinalmedula. Ele recebe inputs sensoriais vindos dos olhos, ouvidos, nariz e língua. O sistema nervoso periférico (SNP) compreende 3 grupos de neurónios: a) Neurónios sensoriais somáticos e viscerais, que transportam informação para o SNC a partir de receptores nos órgãos somáticos e internos. b) Neurónios motores somáticos, que inervam o músculo-esquelético. c) Neurónios motores autónomos, que inervam o músculo cardíaco, o músculo liso que rodeia o estômago e o intestino, e glândulas, bem como o fígado e o pâncreas. Os neurónios motores do sistema simpático e parassimpático têm geralmente efeitos opostos nos órgãos internos. Nota: Os corpos celulares de neurónios motores somáticos estão dentro do sistema nervoso central.

Sistema Nervoso Central (SNC) Olhos (fotorreceptores)

Ouvidos (receptores sonoros)

Nariz (receptor do olfacto)

Língua (receptor do gosto)

Sistema Nervoso Periférico (motor) Contrai o músculoesquelético Inibe (relaxa) o músculo liso em vários órgãos; estimula o coração Estimula (contrai) o músculo liso em vários órgãos; relaxa o coração

Sistema Nervoso Periférico (sensorial)

Neurónios somáticos motores

Neurónios somáticos sensoriais

Neurónios autónomos motores: simpático

Neurónios

Neurónios autónomos motores: parassimpático

viscerais sensoriais

Pele (mecanorreceptor)

Receptor da dor

Receptores nos órgãos internos

Gânglios espinais

Fig.2: Esquema do sistema nervoso.

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POTENCIAL DE ACÇÃO E TRANSMISSÃO SINÁPTICA O potencial de acção é uma despolarização repentina e transitória da membrana seguida de repolarização para o potencial de repouso, que se situa por volta dos -60mV. O interior é negativo relativamente ao exterior. Alterações do potencial são geradas e propagadas pela abertura e fecho de canais iónicos específicos na membrana plasmática dos neurónios. O gráfico apresentado do potencial de membrana axonal no neurónio pré-sináptico (ao lado) demonstra que a cada 4 milissegundos é gerado um potencial de acção.

Fig.3: Representação do potencial de membrana axonal do neurónio pré-sináptico

Os potenciais de acção movem-se ao longo do axónio a uma velocidade máxima de 100m/s. A sua chegada à sinapse causa a libertação de neurotransmissores, que se associam a receptores na célula pós-sináptica, geralmente despolarizando a membrana (fazendo com que o potencial seja menos negativo) e tendem a induzir um potencial de acção nessa mesma célula. O potencial de membrana ao longo da membrana plasmática do neurónio pré-sináptico pode ser medido através de um pequeno eléctrodo aí inserido.

Fig.4: Medição do potencial de membrana

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CANAIS IÓNICOS NAS MEMBRANAS DOS NEURÓNIOS

Fig.5: Canais iónicos na membrana plasmática

Cada tipo de canal tem funções específicas na actividade eléctrica dos neurónios: a) Canais de K+ em repouso: geram o potencial de repouso ao longo da membrana. b) Canais voltagem-dependentes: propagam potenciais de acção ao longo da membrana axonal. Dois tipos de canais nas dendrites e nos corpos celulares, que geram sinais eléctricos nas células pós-sinápticas: c) Canais ligando-dependentes: têm um sítio de ligação para um neurotransmissor extracelular específico (•). Estão abertos ou fechados transitoriamente. d) Canais sinal-dependentes: estão acoplados a um receptor do neurotransmissor, o qual está ligado a uma proteína G; esta responde a sinais intracelulares (•) induzidos pela associação ao neurotransmissor para separar uma proteína receptora. Os sinais que activam os diferentes canais são Ca2+, GMPc, e as subunidades Gβγ. SINAPSE QUÍMICA Sinapses são locais especializados, onde os neurónios comunicam com outras células ou com outros neurónios. Existem sinapses químicas (as mais comuns no Homem) e sinapses eléctricas (menos comuns e cujas membranas plasmáticas de ambas as células estão ligadas por junções GAP).

Fig.6: Sinapse

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Uma estreita região – a fenda sináptica – separa a membrana plasmática das células pré-sináptica e pós-sináptica. A transmissão dos impulsos eléctricos requer a libertação do neurotransmissor pela célula pré-sináptica para a membrana plasmática da célula pós-sináptica. Na região sináptica, a membrana plasmática da célula pré-sináptica é especializada em vesículas de exocitose; as vesículas sinápticas, que contêm o neurotransmissor, encontram-se agrupadas nessas regiões. A membrana oposta da célula pós-sináptica contém receptores para o neurotransmissor. ORGANIZAÇÃO DOS NEURÓNIOS EM CIRCUITOS (não é necessário saber os circuitos)

Fig.7: Circuitos de neurónios

Os circuitos sinalizados são constituídos por dois ou mais neurónios, que respondem a estímulos ambientais específicos. Um exemplo deste tipo de circuitos é o arco reflexo, cujos interneurónios conectam múltiplos neurónios sensoriais e motores, permitindo que um neurónio sensorial afecte vários neurónios motores e que um neurónio motor seja afectado por vários neurónios sensoriais. Estes circuitos permitem ao organismo responder a um input sensorial pela acção coordenada de um conjunto de músculos que juntos atingem um único objectivo.

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O POTENCIAL DE ACÇÃO E A CONDUÇÃO DE IMPULSOS ELÉCTRICOS Medida do potencial eléctrico ao longo da membrana axonal: Um microeléctrodo, construído por um tubo de vidro de diâmetro extremamente pequeno, preenchido com um fluído condutor (como o KCl), é inserido dentro de um axónio, de modo a que a superfície da membrana se sela a si própria envolvendo o eléctrodo; um eléctrodo de referência é colocado na solução que circunda o axónio. Um potenciómetro que Fig.8: Medição do potencial eléctrico ao longo da membrana axonal conecta os dois eléctrodos regista o potencial. A diferença de potencial mantida ao longo da membrana celular na ausência de estímulo é designada de potencial de repouso, e neste caso é de -60mV (ou, mais precisamente, -53 mV). ORIGEM DO POTENCIAL DE REPOUSO NUM NEURÓNIO TÍPICO DOS VERTEBRADOS O potencial de repouso é devido principalmente aos canais abertos de potássio (K+). A composição iónica do citosol é diferente da composição iónica do fluído extracelular envolvente. A carga negativa das proteínas neutraliza a excessiva carga positiva originada pelos iões Na+ e K+. No neurónio em repouso há cerca de dez vezes mais canais abertos de K+ do que de Na+ e Cl-; como consequência, os iões K+ carregados mais

Fig.9: Canais iónicos e potencial de repouso

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positivamente, saem da célula enquanto os iões Na+ e Cl- entram. Assim o exterior da membrana plasmática adquire uma carga positiva em relação ao interior da mesma. Nota: devido à grande quantidade de canais de potássio, há muitos mais iões K+ a sair do que iões Na+ e Cl- a entrar, e assim se justifica que o potencial de repouso seja -60 mV (próximo do potencial do potássio).

EFEITOS DA ALTERAÇÃO DA PERMEABILIDADE NO POTENCIAL DA MEMBRANA

Fig.10: Alterações do potencial de membrana

A abertura e fecho dos canais (canais em repouso e canais voltagemdependentes) origina alterações específicas e previsíveis do potencial da membrana. • • • •

O potencial de repouso da membrana é de -53 mV. A abertura dos canais K+ causa a hiperpolarização (↑ Pk). A abertura dos canais Na+ causa despolarização (↑ Na). A abertura dos canais Cl- causa hiperpolarização (↑ PCl), embora diferente da hiperpolarização causada por iões K+).

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PROPAGAÇÃO PASSIVA DA DESPOLARIZAÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICA NEURONAL

Fig. 11: Propagação da despolarização de membrana

A propagação da despolarização da membrana ocorre unicamente a curtas distâncias, se esta ocorrer sem a abertura dos canais de catiões voltagem-dependentes. À medida que nos afastamos do ponto inicial da despolarização, esta vai diminuindo de intensidade. CINÉTICA DAS ALTERAÇÕES DO POTENCIAL DE MEMBRANA E DA PERMEABILIDADE DOS IÕES

Fig. 12: A abertura dos canais de Na+ voltagem-dependentes despolariza a membrana do nervo durante a condução do potencial de acção, e ocorre antes da abertura dos canais de K+ voltagem-dependentes, resultando num efluxo de iões de K+ (hiperpolarização).

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CONDUÇÃO UNIDIRECCIONAL DO POTENCIAL DE ACÇÃO No tempo zero, um potencial de acção (roxo) está na posição 2mm do axónio. A propagação da despolarização da membrana é passiva em ambas as direcções ao longo do axónio. Uma vez que os canais de Na+ (localizados na posição 1mm) ainda estão inactivos (verde), eles ainda não podem responder à pequena despolarização causada pela propagação passiva. Cada região da membrana do axónio é refractária (inactiva) durante poucos minutos após o potencial de acção ter passado. Deste modo, a despolarização no local 2mm (tempo zero) acciona o potencial de acção unicamente na zona a jusante; a 1ms o potencial de acção passa para o local 3mm; e a 2ms o potencial de acção é passado para o local 4mm. Conclusão: a condução de um P.A. é unidireccional devido ao período refractário, no Fig.13: Canais voltagem-depensentes qual os canais ainda estão fechados.

A MIELINIZAÇÃO AUMENTA A VELOCIDADE DE CONDUÇÃO DO IMPULSO NERVOSO Fig.14: Formação e estrutura da bainha de mielina no sistema nervoso periférico

Uma única célula de Schwann (célula glial do Sistema Nervoso Periférico) pode formar uma bainha de mielina à volta de múltiplos axónios. A mielina aumenta a velocidade do potencial de acção de 1m/s para 100m/s. Como as células de Schwann se enrolam à volta do axónio, todo o espaço entre as membranas plasmáticas, tanto as citosólicas como as exocitoplasmáticas, é reduzido. Eventualmente, todo o citosol é forçado a

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sair e forma-se uma estrutura compacta de membranas plasmáticas empilhadas. A compactação destas membranas é principalmente gerada pela proteína PO, que é unicamente sintetizada em células de Schwann mielinizadas. O domínio exoplasmático do aminoácido-124 da proteína PO (dobrado como um domínio das imunoglobulinas) associa-se com domínios similares, provenientes da superfície oposta da membrana. Estas interacções zipper juntam a superfície das membranas, formando um exoplama oposto fechado. Nota: o potencial decai rapidamente num neurónio pequeno e/ou sem bainha de mielina.

ESTRUTURA DE UM AXÓNIO PERIFÉRICO MIELINIZADO PERTO DO NÓDULO DE RANVIER

Fig.15: Nódulo de Ranvier

Nódulo de Ranvier: • •

•

Fenda que separa as porções da bainha de mielina, formada por duas células de Schwann adjacentes. Estes nódulos são as únicas regiões ao longo de todo o axónio em que a membrana axonal entra em contacto directo com os fluidos extracelulares. A actividade eléctrica do axónio é confinada a estes nódulos, onde os iões podem fluir através da membrana do axónio. É o único local onde pode ocorrer condução e permuta de iões sódio, só havendo nova permuta (e nova despolarização) no nódulo seguinte. REGENERAÇÃO DO P.A. NOS NÓDULOS DE RANVIER 11

Fig.16: Potencial de acção nos nódulos de Ranvier

(a) O influxo de Na+ associado ao potencial de acção no nódulo de Ranvier

resulta da despolarização de uma região da membrana axonal. (b) Despolarização move-se rapidamente ao longo do axónio, porque o excesso de iões positivos não pode fluir à volta da porção mielinizada da membrana axonal. O acumulo destes catiões causa a despolarização do nódulo seguinte. (c) Esta despolarização induz o potencial de acção nesse nódulo. Este

mecanismo permite, então, que o potencial de acção salte de nódulo em nódulo ao longo de todo o axónio – condução saltatória.

LIMIAR DE EXCITAÇÃO PARA GERAR UM POTENCIAL DE ACÇÃO

Fig.17 e 18: Limiar de excitação

A chegada de cada potencial de acção à sinapse provoca uma pequena alteração no potencial da membrana do axónio da célula póssináptica, provocando uma despolarização de ≈5 mV, neste caso.

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Quando múltiplos estímulos atingem a membrana da célula póssináptica, o potencial da membrana vai aproximar-se do seu limiar (neste caso, aproximadamente, -40 mV), induzindo um potencial de acção. Logo, são necessários vários estímulos “somados” para que se atinja o patamar de excitação, até ao qual não ocorre despolarização.

PROPRIEDADES MOLECULARES DOS CANAIS IÓNICOS VOLTAGEM-DEPENDENTES Os canais iónicos voltagem-dependesntes possuem três propriedades importantes que permitem que as células nervosas possam realizar um impulso eléctrico. São elas: • Abertura do canal iónico em resposta às alterações do potencial da membrana (dependentes da voltagem); • Posterior fecho e inactivação do canal iónico; • Especificidade dos canais, pois só são permeáveis a determinado ião.

ESQUEMA DA TÉCNICA DE “PATCH-CLAMPING” A Patch clamps permite a medição dos movimentos dos iões através das bombas Na+ e K+ existentes na membrana plasmática de uma célula viva. O

eléctrodo de patch, preenchido com uma solução salina, é aplicado, com uma ligeira sucção, à membrana plasmática. A ponta do Fig.19: Técnica de patch clamping eléctrodo, com 0,5μm de diâmetro, abrange uma região que contêm apenas um ou alguns canais iónicos. O segundo eléctrodo é inserido no citosol. Só se registam as medidas da corrente através dos canais patch existentes na membrana plasmática. DIFERENTES CONFIGURAÇÕES PATCH-CLAMPING

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Os efeitos de diferentes concentrações de iões e outras substâncias (dentro e fora das células) provocados pelo fluxo dos canais podem ser medidos em células intactas ou patches isolados (a, b, d). Em toda a configuração da célula (c), a porção da membrana no patch é rebentada, permitindo a medição do fluxo corrente através de todos os canais iónicos. O efeito de diferentes solutos nos canais é mais fácil de estudar isoladamente, patches isolados (b, d).

Fig.20: Configurações patch clamping

PATCH CLAMPING DE CÉLULAS MUSCULARES (a) Dois patches da membarana são despolarizados aos 10 mV e bloqueados nesse valor. Os pulsos transitórios da corrente eléctrica em picoAmperes (pA), registados como grandes desvios descendentes (setas), indicam a abertura dos canais de Na+ e o movimento de iões Na+ através da membrana em direcção ao interior da célula. (b) Patches da membrana são bloqueados a três potenciais diferentes, +50, + 20 e -10 mV. Os desvios ascendentes da corrente

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indicam a abertura dos canais K+ e o movimento destes iões através da membrana para o exterior da célula. Aumentando o grau de despolarização da membrana de -10 mV para + 50 mV, aumenta a probabilidade de o canal ser aberto, aumenta o tempo de abertura desses canais, e aumenta a quantidade de corrente eléctrica (número de iões) que passa através dele. Fig.21: Patch clamping de células musculares

ESTRUTURAS TRANSMEMBRANARES DE CANAIS IÓNICOS

de

(a) K+

Fig.22.a): Canais iónicos (estrutura)

Canais

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voltagem-dependentes: é um canal tetrámero, com 4 subunidades, uma com 6 hélices α transmembranares (algarismos). A Hélice castanho) actua como um sensor de voltagem e vai determinar se voltagem é suficiente para que haja ou não resposta; o segmento P helicoidal entre 5 e 6 (zona azul) actua como poro iónico, por passam os iões.

cada 4 (a essa nãoonde

(b) Canais iónicos dependentes do AMPc ou do GMPc: também contêm 4 subunidades. Visto que nenhuma das hélices α transmembranares funciona como sensor de voltagem, estes canais não são voltagem-dependentes. Em vez disso, a abertura destes canais é desencadeada pela ligação de AMPc ou GMPc a um segmento citosólico. Estes canais são abundantes nas células sensitivas do sistema visual e olfactivo. (c, d) Canais de Na+ e Ca2+ voltagem-dependentes: são polipeptídos monoméricos organizados em 4 domínios homólogos transmembranares (numeração romanos), cada um com uma sequência e estrutura semelhante à dos canais de K+. Estes canais possuem ainda subunidades reguladoras essenciais, que não estão aqui representadas.

Fig.22.b): Canais iónicos (estrutura)

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POTENCIAIS DE ACÇÃO NOS AXÓNIOS DE DROSOPHILA WILD-TYPE E MUTANTES SHAKER

Fig.23: Diferença de potenciais de acção em wild-type e mutante.

O shaker mutant apresenta um potencial de acção anormalmente prolongado devido a um defeito nos canais de K+ sensíveis à voltagem, que são necessários para a repolarização normal da membrana.

MODELO ESTRUTURAL PROPOSTO DAS SUBUNIDADES QUE COMPÕEM O CANAL K+ VOLTAGEM-DEPENDENTE DA DROSOPHILA

Fig.24: Modelo das subunidades do canal de potássio

• Cada uma das 4 subunidades que constituem este canal está preparada para conter 6 hélices α que envolvam a membrana, S1-S6. • S4 contém vários aminoácidos positivamente carregados e a hélice α é sensível à voltagem. • O segmento P do canal iónico situa-se entre S5 e S6. • O N-terminal do polipéptido, localizado no citosol, contém um domínio globular essencial para a inactivação do canal aberto (ausente no canal mutante).

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