Como os neurônios se comunicam uns com os outros pelas sinapses. Sinapse química versus sinapse elétrica.

Principais pontos

  • Os neurônios se comunicam uns com os outros em pontos de contato chamados sinapses. Em uma sinapse, um neurônio envia uma mensagem para um neurônio alvo - uma outra célula.
  • A maioria das sinapses são químicas; nestas sinapses a comunicação é feita usando mensageiros químicos. Outras sinapses são elétricas; nestas sinapses ocorre um fluxo direto de íons entre as células.
  • Em uma sinapse química, um potencial de ação faz com que o neurônio pré-sináptico libere neurotransmissores. Estas moléculas ligam-se aos receptores na célula pós-sináptica e a tornam mais ou menos propensa a desencadear um potencial de ação.

Introdução

Um neurônio único, ou uma célula nervosa, pode fazer muita coisa! Ele pode manter um potencial de repouso— tensão através da membrana. Ele pode disparar impulsos nervosos, ou potenciais de ação. E ele pode realizar os processos metabólicos necessários para permanecer vivo.
A sinalização de um neurônio, no entanto, é muito mais excitante - sem trocadilhos! - quando consideramos suas interações com outros neurônios. Neurônios individuais fazem conexões com neurônios alvo e estimulam ou inibem suas atividades, formando circuitos que podem processar informações recebidas e realizar uma resposta.
Como os neurônios "falam" um com o outro? A ação acontece na sinapse, o ponto de comunicação entre dois neurônios ou entre um neurônio e a célula alvo, como um músculo ou uma glândula. Na sinapse, o disparo de um potencial de ação em um neurônio—o pré-sináptico—gera a transmissão de um sinal para outro neurônio—o pós-sináptico, —tornando mais ou menos provável que o neurônio pós-sináptico dispare seu próprio potencial de ação.
Esquema da transmissão sináptica. Um potencial de ação viaja pelo axônio da célula - transmissora - pré-sináptica e chega ao axônio terminal. O axônio terminal é adjacente ao dendrito da célula - receptora - pós-sináptica. Esse ponto de conexão próxima entre axônio e dendrito é a sinapse.
Neste artigo, olharemos mais de perto a sinapse e os mecanismos que os neurônios utilizam para enviar sinais através dela. Para aproveitar melhor este artigo, você pode querer aprender primeiro sobre a estrutura do neurônio e sobre os potenciais de ação.

Transmissão elétrica ou química?

No final do século XIX e começo do século XX, havia muita controvérsia sobre se a transmissão sináptica era elétrica ou química.
  • Algumas pessoas achavam que a sinalização através de uma sinapse envolvia o fluxo de íons diretamente de um neurônio para outro - uma transmissão elétrica.
  • Outras pessoas achavam que isso dependia da liberação de uma substância química por um neurônio, causando uma resposta no neurônio receptor - uma transmissão química.
Sabemos agora que a transmissão sináptica pode ser tanto elétrica quanto química - em alguns casos ambas na mesma sinapse!
A transmissão química é mais comum, e mais complicada, que a transmissão elétrica. Então, vamos dar uma olhada primeiro na transmissão química.

Visão geral da transmissão em sinapses químicas

A transmissão química envolve a liberação de mensageiros químicos conhecidos como neurotransmissores. Neurotransmissores carregam informação do neurônio pré-sináptico para o pós-sináptico.
Como você deve lembrar do artigo função e estrutura do neurônio, as sinapses geralmente são formadas entre terminais nervosos - terminais dos axônios - do neurônio transmissor e o corpo celular ou dendritos do neurônio receptor.
Esquema de transmissão sináptica. Um potencial de ação percorre o axônio da célula pré-sináptica — transmissora — e chega a vários axônios terminais, ramificando-se a partir do axônio. O axônio terminal é adjacente ao dendrito da célula pós-sináptica — receptora. Este ponto de estreita conexão entre o axônio e o dendrito é a sinapse.
Um único axônio pode ter várias ramificações, permitindo-lhe fazer sinapses em várias células pós-sinápticas. Da mesma forma, um único neurônio pode receber milhares de entradas sinápticas de muitos neurônios pré-sinápticos — transmissores — diferentes.
Dentro do terminal do axônio de uma célula transmissora há muitas vesículas sinápticas. Elas são esferas ligadas a membrana e repletas de moléculas de neurotransmissor. Há um pequeno espaço entre o terminal do axônio do neurônio pré-sináptico e a membrana da célula pós-sináptica, e este espaço é chamado de fenda sináptica.
Imagem mostrando o terminal do axônio da célula pré-sináptica contendo vesículas sinápticas com neurotransmissores. Canais de cálcio dependentes de voltagem estão na superfície exterior do terminal do axônio. Do outro lado da fenda sináptica, há a superfície da célula pós-sináptica, coberta de receptores (canais iônicos ligante) para o neurotransmissor.
Quando um potencial de ação, ou impulso nervoso, chega ao terminal do axônio, ele ativa canais de cálcio voltagem-dependentes na membrana da célula. O Ca2+\text{Ca}^{2+}, que está presente em uma concentração muito maior fora do neurônio do que dentro dele, invade a célula. O Ca2+\text{Ca}^{2+} permite que as vesículas sinápticas se fundam com a membrana do axônio terminal, liberando o neurotransmissor dentro da fenda sináptica.
Imagem mostrando o que acontece quando o potencial de ação chega ao terminal do axônio, causando fluxo de íons e despolarização da célula-alvo. Passo a passo: 1. Potencial de ação atinge o terminal do axônio e despolariza a membrana. 2. Canais de cálcio voltagem-dependentes são abertos e íons de cálcio entram 3 Entrada de de íons cálcio faz com que as vesículas sinápticas liberarem neurotransmissores. 4. Neurotransmissores ligam-se aos receptores na célula-alvo (no caso, fazendo com que íons positivos entrem).
As moléculas de neurotransmissor se difundem através da fenda sináptica e se ligam às proteínas receptoras na célula pós-sináptica. A ativação de receptores pós-sinápticos leva à abertura ou fechamento de canais iônicos na membrana celular. Isto pode ser despolarização — tornar o interior da célula mais positivo — ou hiperpolarização — tornar o interior da célula mais negativo — dependendo dos íons envolvidos.
Em alguns casos, estes efeitos sobre o comportamento do canal são diretos: o receptor é um receptor ionotrópico, como no diagrama acima. Em outros casos, o receptor não é um canal iônico em si mas ativa canais iônicos através de uma via de sinalização. Consulte o artigo sobre neurotransmissores e receptores para mais informações.

Potenciais pós-sinápticos excitatórios e inibitórios.

Quando um neurotransmissor se liga ao seu receptor em uma célula receptora, ele faz com que canais iônicos se abram ou se fechem. Isto pode produzir uma mudança localizada no potencial da membrana— a tensão através da membrana — da célula receptora.
  • Em alguns casos, a alteração torna a célula alvo mais propensa a disparar seu próprio potencial de ação. Neste caso, a mudança no potencial de membrana é chamada de potencial excitatório pós-sináptico, ou PEPS.
  • Em outros casos, a mudança torna a célula alvo menos propensa a disparar um potencial de ação e é chamada de potencial inibitório pós-sináptico, ou PIPS.
Um PEPS é despolarizante: torna o interior da célula mais positivo, trazendo o potencial de membrana mais perto de seu limite para disparar um potencial de ação. Às vezes, um único PEPS não é grande o suficiente para trazer o neurônio ao limite, mas ele pode se somar a outros PEPSs para desencadear um potencial de ação.
Os PIPSs têm o efeito oposto. Ou seja, eles tendem a manter o potencial de membrana do neurônio pós-sináptico abaixo do limiar de disparo de um potencial de ação. PIPSs são importantes porque podem neutralizar, ou anular, o efeito excitatório dos PEPSs.

Somatórios espacial e temporal

Como PEPSs e PIPSs interagem? Basicamente, um neurônio pós-sináptico adiciona, ou integra, todas as entradas excitatórias e inibitórias que ele recebe e "decide" se dispara um potencial de ação.
  • A integração de potenciais pós-sinápticos que ocorrem em locais diferentes — mas ao mesmo tempo — é conhecida como somatório espacial.
  • A integração de potenciais pós-sinápticos que ocorrem no mesmo lugar — mas em momentos ligeiramente diferentes — é chamada de somatório temporal.
Por exemplo, vamos supor que as sinapses excitatórias são feitas em dois dendritos diferentes do mesmo neurônio pós-sináptico, como mostrado abaixo. Nenhuma das sinapses pode produzir um PEPS grande o suficiente para trazer o potencial de membrana ao limiar na extremidade do axônio — lugar onde o potencial de ação é desencadeado, imagem abaixo. Se ambos PEPSs abaixo do limite ocorreram ao mesmo tempo, no entanto, eles poderiam se unir, ou somar, para trazer o potencial de membrana ao limiar.
Ilustração do somatório espacial. Um neurônio tem duas sinapses em dois dendritos diferentes, ambos excitatórios. Nenhuma das sinapses produz um potencial excitatório pós-sináptico (PEPS) suficiente, quando sinaliza para gerar um potencial de ação no local onde o axônio se junta ao corpo celular e onde o potencial de ação é iniciado. No entanto, quando as sinapses disparam quase ao mesmo tempo, os PEPS se somam para produzir uma despolarização acima do limiar, disparando um potencial de ação.
Esse processo é mostrado em um gráfico de voltagem em milivolts x tempo em milissegundos. O gráfico monitora o potencial de membrana - voltagem - no limite do axônio. Inicialmente, ele fica em -70 mV, o potencial de repouso. Então, uma sinapse dispara, resultando em uma despolarização pequena para quase -60 mV. Isso não é suficiente para alcançar o limiar de -55 mV. No entanto, apenas um pouco depois, outra sinapse dispara, e "soma" com a primeira despolarização, resultando em total despolarização, que alcança -55 mV e dispara um potencial de ação - despolarização até +40 mV, seguido de uma repolarização e hiperpolarização abaixo de -90 mV, e então uma recuperação gradual de -70 mV, o potencial de repouso da membrana.
Crédito da imagem: modificado de Communication between neurons: Figure 2 by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0 e Action potential by tiZom, CC BY-SA 3.0; a imagem modificada é licenciada sob a licença CC BY-SA 3.0
Por outro lado, se um PIPS ocorre juntamente com os dois PEPS, ele pode não deixar que o potencial de membrana alcance o limiar e faz com que o neurônio não dispare um potencial de ação. Esses são exemplos de somatório espacial.
E sobre o somatório temporal? Um ponto chave é que os potenciais pós-sinápticos não são instantâneos: em vez disso, eles duram por um pouco mais antes de se dissiparem. Se um neurônio pré-sináptico dispara rapidamente duas vezes seguidas, causando dois PEPS, o segundo PEPS pode chegar antes do primeiro ter se dissipado, deixando o potencial de membrana acima do limiar. Esse é um exemplo de somatório temporal.

Término de sinais

Uma sinapse apenas pode funcionar efetivamente se há alguma maneira de "desligar" o sinal uma vez que ele foi enviado. A terminação do sinal deixa que a célula pós-sináptica retorne ao seu potencial de repouso normal, pronta para a chegada de novos potenciais de ação.
Do sinal ao final, a fenda sináptica deve ser liberada de neurotransmissores. Há algumas maneiras diferentes de fazer isso. O neurotransmissor pode ser quebrado por uma enzima, reabsorvido pelo neurônio pré-sináptico, ou pode simplesmente se difundir. Em alguns casos, o neurotransmissor pode ser também "limpado" pelas células gliais próximas - não mostradas no diagrama abaixo.
Recaptação pelo neurônio pré-sináptico, a enzima de degradação e difusão da sinapse reduzem os níveis de neurotransmissores, terminando o sinal.
Crédito de imagem: modificado de Sistema Nervoso: Imagem 9 by OpenStax College, Biology, adaptado by Robert Bear and David Rintoul, CC BY 4.0
Qualquer coisa que interfira no processo que encerram o sinal sináptico pode ter efeitos fisiológicos significantes. Por exemplo, alguns inseticidas matam insetos por inibir uma enzima que quebra o neurotransmissor acetilcolina. Em um exemplo mais positivo, drogas que interferem com a recaptação do neurotransmissor serotonina no cérebro humano são usados como antidepressivos, por exemplo, Prozac.1^1

Sinapses químicas são flexíveis

Se você aprendeu sobre potenciais de ação, você deve lembrar que o potencial de ação é uma resposta ou tudo ou nada. Isto é, ou acontece com força total, ou não acontece nada.
A sinalização sináptica por outro lado, é muito mais flexível. Por exemplo, um neurônio transmissor pode regular, para mais ou para menos, a quantidade de neurotransmissor que liberará em resposta à chegada do potencial de ação. Similarmente, uma célula receptora pode alterar o número de receptores que coloca em suas membranas e quão prontamente responderá à ativação desses receptores. Essas mudanças podem fortalecer ou enfraquecer a comunicação em uma sinapse em particular.
Células pré-sinápticas e pós-sinápticas podem mudar dinamicamente seu comportamento de sinalização baseadas em seu estado interno ou nas pistas que recebem de outras células. Esse tipo de plasticidade, ou capacidade de mudança faz da sinapse um local chave para alterar a força de circuitos neuronais e tem um papel no aprendizado e memória. A plasticidade sináptica está também envolvida no vício.
Adicionalmente, diferentes células pré-sinápticas e pós-sinápticas produzem neurotransmissores e receptores de neurotransmissores diferentes, com diferentes interações e diferentes efeitos na célula pós-sináptica. Para mais informações, veja o artigo neurotransmissores e receptores.

Sinapses elétricas

Em todas as sinapses elétricas, diferentemente das sinapses químicas, na uma conexão física direta entre os neurônios pré e pós-sinápticos. Essa conexão assume a forma de um canal chamado de junção, que permite que uma corrente — íons — passe diretamente de uma célula para a outra.
Sinapse elétrica mostrando a célula pré-sináptica, a junção, célula pós sináptica e os movimentos de íons positivos da célula pré-sináptica para a célula pós-sináptica.
Credito de imagem: baseada em imagem similar em Pereda2^2, Figure 1
Sinapses elétricas transmitem sinais mais rapidamente que sinapses químicas. Algumas sinapses são tanto químicas quando elétricas. Nessas sinapses, a resposta elétrica ocorre antes da resposta química.
Quais os benefícios de sinapses elétricas? Por um lado, são mais rápidas - o que pode ser importante em circuitos que ajudam um organismo a escapar de um predador. Também, sinapses elétricas permitem atividades sincronizadas de grupos de células. Em muitos casos, elas podem carregar correntes em ambas as direções de forma que a despolarização de um neurônio pós-sináptico levará à despolarização de um neurônio pré-sináptico. Isso meio que vincula as definições de pré-sináptico e pós-sináptico.
Quais são as desvantagens das sinapses elétricas? Ao contrário das sinapses químicas, as sinapses elétricas não podem transformar um sinal excitatório de um neurônio em um sinal inibitório em outro. Mais amplamente, a falta de versatilidade, flexibilidade, e capacidade da modulação do sinal que vemos em sinapses químicas.
Este artigo está autorizado sob licença CC BY-NC-SA 4.0.

Trabalhos citados

  1. David E. Sadava, David M. Hillis, H. Craig Heller, and May Berenbaum, "How Do Neurons Communicate with Other Cells?" em Life: The Science of Biology, 9th ed. (Sunderland: Sinauer Associates, 2009), 961.
  2. Alberto E. Pereda, "Electrical Synapses and Their Functional Interactions with Chemical Synapses," Nature Reviews Neuroscience 15 (2014): 250-263, http://dx.doi.org/10.1038/nrn3708.

Referências

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Loewi, Otto. "Nobel Lecture: The Chemical Transmission of Nerve Action." NobelPrize.org. Acessado em 22 de março de 2016. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1936/loewi-lecture.html.
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Openstax College, Biology. "How Neurons Communicate." OpenStax CNX. Last modified February 29, 2016. http://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.4:cs_Pb-GW@5/How-Neurons-Communicate.
Pereda, Alberto E. "Electrical Synapses and Their Functional Interactions with Chemical Synapses." Nature Reviews Neuroscience 15 (2014): 250-263. http://dx.doi.org/10.1038/nrn3708.
Purves, D., G. J. Augustine, D. Fitzpatrick, L. C. Katz, A.-S. LaMantia, and J. O. McNamara. "Synaptic Transmission." In Neuroscience, 85-98. Sunderland: Sinauer Associates, 1997.
Reece, Jane B., Lisa A. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, and Robert B. Jackson. "Neurons Communicate with Other Cells at Synapses." In Campbell Biology, 1076. 10th ed. San Francisco: Pearson, 2011.
Sadava, David E., David M. Hillis, H. Craig Heller, and May Berenbaum. "How Do Neurons Communicate with Other Cells?" In Life: The Science of Biology, 956-962. 9th ed. Sunderland: Sinauer Associates, 2009.

Sugestões para leituras adicionais.

Dale, Henry. "Nobel Lecture: Some Recent Extensions of the Chemical Transmission of the Effects of Nerve Impulses." NobelPrize.org. Accessed March 22, 2016. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1936/dale-lecture.html.
Loewi, Otto. "Nobel Lecture: The Chemical Transmission of Nerve Action." NobelPrize.org. Acessado em 22 de março de 2016. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1936/loewi-lecture.html.
Sakmann, Bert. "Sir Bernard Katz. 26 March 1911 - 20 April 2003." Biogr. Mems Fell. R. Soc. 53 (2007): 185-202. http://dx.doi.org/10.1098/rsbm.2007.0013.
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