Considerando que os neurônios são considerados a unidade morfofuncional fundamental para a transmissão de informação dentro do corpo, percebe-se que eles não devem operar de forma isolada, mas através de uma associação de conjuntos. Tal união é conhecida como circuitos ou redes neurais. Como exemplo a esta afirmação é interessante lembrar das células nervosas da retina. Tais estruturas, que recebem as imagens fabricadas a partir da luz ambiente, apenas pos- sibilitam que a visão ocorra se os sinais elétricos criados como resposta à incidência desta luz forem conduzidos a outros neurônios na própria retina e, na sequência, ao cérebro. Em outras palavras, cada informação é transmitida pelos neurônios e entre eles e as células-alvo por meio de sinais elétricos e químicos.
A partir desta situação, é possível perceber que cada neurônio efetua uma parte da ativi- dade cooperativa, a qual, após todo a transmissão e processamento, permite que a pessoa con- siga leia um livro, por exemplo.
Certamente seria incorreto afirmar que a membrana celular é o componente de maior importância nos neurônios. Esta estrutura apresenta diversas outras estruturas que desempe- nham papel significativo para o funcionamento da célula nervosa e, consequentemente, para transmissão e processamento de informação através do corpo. De qualquer forma, é conveniente dizer que ela exibe propriedades únicas que a diferencia das demais células existentes. Sua carac- terística mais significativa neste ponto é a excitabilidade, uma vez que, devido a ela, a membrana consegue gerar, enviar e transmitir a outros neurônios ou músculos os sinais elétricos para que determinada ação ocorra no corpo do indivíduo em questão.
No século XIX, o fisiologista Emil DuBois-Reymond percebeu este importante atributo, isto é, a capacidade dos neurônios de produzir sinais elétricos. Inclusive, esta descoberta ocorreu an- tes da comunidade científica saber que eles existiam. Embora o conhecimento sobre os mecanis- mos bioquímicos implícitos no processo de transmissão dos sinais elétricos somente tenha ocor- rido um século após esta data, desde então já se defendia a ideia de que a bioeletrogênese não resulta da atividade de elétrons, como ocorre nos circuitos elétricos comuns. De fato, ela está ligada ao movimento de íons, moléculas eletricamente carregadas (positiva e negativamente) e que aparecem na superfície das regiões interna e externa da membrana das células neurais.
Além disso, provou-se também que as correntes iônicas correm pelas membranas neuro- nais. Contudo, isto induz novos questionamentos, já que os íons presentes no meio são forte- mente hidrofílicos e, dessa forma, seria bastante complicado para eles atravessarem a mem- brana, uma estrutura lipídica que atua como uma barreira à sua difusão. Para tanto, deveria haver poros ou canais através dela para que esta situação possa ser considerada razoável. Assim, par- tindo-se desta ideia, todos os íons deveriam conseguir transpor a membrana, mas, na realidade, apenas uma pequena porção deles age dessa forma. A partir disso, foi verificado que os canais iônicos não permitem a passagem destes íons livremente, mas atuam de forma seletiva, como um filtro. Alguns fazem o caminho interno-externo, enquanto outros fazem o trajeto contrário e os demais são mantidos em um dos dois compartimentos (KANDEL et al., 2014).
Com o passar do tempo, a teoria envolvendo estes canais iônicos tem avançado, e mos- trou que eles estão diretamente relacionados aos mecanismos moleculares que permitem a sina- lização dos neurônios.
Conforme já introduzido anteriormente, os canais iônicos são proteínas altamente espe- cíficas inseridas na bicamada lipídica. Eles permitem o transporte de íons seletivamente (tais como sódio (Na+), potássio (K+), cálcio (Ca2+), e cloreto (Cl-)) e isto pode ocorrer de forma contínua
(canais abertos, de repouso) ou como resposta a estímulos específicos (canais controlados por comportas). Dentro deste último grupo, há os canais que são abertos a partir de estímulos: (a) elétricos (canais dependentes de tensão), pela modificação da tensão elétrica que há na
membrana entre as regiões interna e externa da célula, (b) químicos (canais dependentes de li- gantes)5, dependendo da presença de substâncias específicas, os ligantes, como neurotransmis-
sores, neuromoduladores e hormônios, e (c) mecânicos, os quais podem ser abertos após aplica- ção de alguns tipos de energia mecânica na membrana, como estiramento, ou radiante, como calor.
Estes dois grandes grupos de canais iônicos desempenham diferentes funções na sinaliza- ção neuronal. O primeiro tipo, canais de repouso, são os responsáveis pela manutenção do po- tencial de repouso da membrana, que consiste no potencial elétrico através desta membrana quando inexiste sinalização na mesma. Alguns deles permanecem abertos, independentemente de variações na tensão da membrana, e outros funcionam de maneira oposta. Abrem em função da tensão presente neste local, e abrem quando há potencial de repouso (negativo) nos neurô- nios. No entanto, grande parte deste último tipo de canal fica fechado quando a membrana está em repouso e somente irão abrir quando houver um estímulo suficiente para desencadear tal movimento (KANDEL et al., 2014).
Inicialmente, pensava-se que os íons passassem pelos canais iônicos em função de suas dimensões. De acordo com este pensamento, o íon de sódio (0,095 nm de diâmetro), por exem- plo, é capaz de atravessar o canal sensível a este íon facilmente, enquanto o íon de potássio (0,133 nm de diâmetro) não teria sucesso ao tentar realizar a mesma ação. Apesar deste resultado ser razoável, o inverso não é verdadeiro. Quer dizer, ao considerar o canal sensível ao potássio, o íon de sódio, que é menor, não consegue cruzar esta região. Partindo-se deste pressuposto, os pes- quisadores descobriram que os cátions, quando em solução, tornam-se hidratados (envolvidos por moléculas de água, presas por força eletrostática). Como consequência, o diâmetro dos íons de sódio aumenta e fica maior que o diâmetro dos íons de potássio.
Isto explica a seletividade dos canais de potássio, embora ainda existam dúvidas com re- lação aos canais de sódio, dado que eles permitem que o potássio atravesse a membrana. Para tanto, a proposta atual diz que o cada canal permite apenas a passagem do próprio íon pois deve haver interações específicas entre íon em questão e os radicais contidos na parede do canal.
5 Quando comparado com os canais dependentes de tensão, possuem menor nível de especificidade para os íons que passam por eles (LENT, 2010).
Assim, na região central desta estrutura existe um “filtro molecular”, que identifica e permite o movimento de uma região para outra somente para uma única espécie de íon pelo canal.
Considerando que a concentração iônica no citoplasma neuronal é significativamente di- ferente da concentração iônica dos mesmos íons na região extracelular, o gradiente eletroquí- mico atua como a força motriz que permite o deslocamento de cada íon através da membrana neuronal. No repouso, a superfície da membrana voltada para o meio extracelular exibe excesso de carga positiva, e o meio interno é rico em cargas negativas. Em função disso, são estes gradi- entes químicos os agentes impulsionadores que geram a energia potencial para o transporte de íons do local mais concentrado para o menos concentrado.
Outra característica dos canais é que o seu comportamento dinâmico pode ser dividido em três fases: (a) estado de repouso, momento no qual ele permanece fechado, mas pode ser aberto, (b) estado ativo, durante o qual ele é ativado e permite o fluxo de íons entre as duas regiões, e (c) estado refratário, que consiste no período que o mesmo encontra-se fechado e não é possível abri-lo.
Entretanto, dado que há maior quantidade de íons sódio e cloreto do lado externo da membrana, e mais íons potássio e ânions orgânicos (principalmente aminoácidos e proteínas) no citosol (ver Erro! Fonte de referência não encontrada.4), o transporte dos íons pela membrana não é idêntico. Isto acaba ocasionando uma diferença de potencial elétrico através da membrana, gerando o denominado potencial de repouso.
Tabela 4 - Concentração e potencial de equilíbrio (quando não há fluxo das espécies pela membrana) para os prin- cipais íons encontrados através da membrana neuronal quando em repouso para axônio gigante de lula, cujo gradi-
ente de concentração é próximo àquele observado para neurônios de vertebrados, embora este exiba valor abso- luto de concentração de 2 a 3 vezes inferior. Adaptado de KANDEL et. al. (2014).
Íons Concentração no meio interno (mM) Concentração no meio externo (mM) Potencial de equilí- brio (mV) Potássio 400 20 -75 Sódio 50 440 +55 Cloreto 52 560 -60 Ânions orgânicos 385 - -
3.2.1 O potencial de repouso (KANDEL et al., 2014; LENT, 2010)
A separação de cargas através desta membrana gera uma diferença de potencial elétrico, conhecido como potencial de membrana (VM), o qual é definido como mostra a Equação 2:
𝑉 = 𝑉 − 𝑉 (2)
Com Vint e Vext representando os potenciais elétricos nas regiões interna e externa da membrana
neuronais, respectivamente.
Como a maioria dos canais de repouso na parte externa da membrana são permeáveis apenas ao potássio, este íon tende a se difundir para fora da célula, devido ao seu gradiente de concentração química. Como resultado, este local adquire uma carga líquida negativa, pelo ex- cesso de K+, enquanto o citosol fica com carga líquida negativa, pela falta de K+ e pequeno acú-
mulo de ânions. Dado que íon possui carga positiva, este potencial negativo criado se coloca como um obstáculo para um novo efluxo de potássio. Com isso, o fluxo deste íon começa a diminuir até que alcançar um equilíbrio.
No momento em que a difusão do potássio atinge um ponto no qual a saída deste íon, dada per seu gradiente de concentração, se iguala à entrada dele na célula, propiciada pela dife- rença de tensão através da bicamada lipídica, o potencial elétrico resultante no citosol se torna negativo com relação ao exterior e é conhecido como potencial de equilíbrio do potássio (aproxi- madamente - 75 mV).
É possível obter o valor deste potencial de equilíbrio, assim como para os demais íons que permeiam a membrana neuronal, através da relação matemática a partir dos princípios termodi- nâmicos básicos proposta pelo físico-químico Walther Nerst (Equação 3):
𝐸 = 𝑅𝑇 𝑧𝐹ln
[𝑋] [𝑋]
Com R representando a constante dos gases, T a temperatura, em graus Kelvin, z a valência do íon, F a constante de Faraday, e [X]d e [X]f as concentrações iônicas do íon em questão dentro e
fora da célula neural, respectivamente.
Considerando que a constante RT/F vale 25 mV na temperatura de 25ºC e constante de conversão de logaritmo natural para logaritmo na base 10 sendo 2,3 e os dados contidos na Ta- bela 4, é possível encontrar os potenciais de equilíbrio para todos os íons tratados neste capítulo:
𝐸 = (58 𝑚𝑉) log 20 400= −75 𝑚𝑉 (4) 𝐸 = (58 𝑚𝑉) log440 50 = 55 𝑚𝑉 (5) 𝐸 = (58 𝑚𝑉) log560 52 = −60 𝑚𝑉 (6)
Onde EK, ENa e ECl são os potenciais de equilíbrio para o potássio, sódio e cloreto, respectivamente.
Quando a célula neural se encontra em repouso, seu potencial de membrana é denomi- nado potencial de repouso (VR). Por convenção, a tensão elétrica no meio externo é definida como
0 V e, assim, o potencial de repouso será o valor do potencial da parte interna da célula, atingindo geralmente a amplitude de -60 mV a -70 mV.
Portanto, a amplitude do potencial de repouso no neurônio não coincide exatamente com o valor do potencial de equilíbrio do potássio. Consequentemente, acredita-se que ele deve ser produzido não apenas pelo movimento de íons de potássio, mas também pela influência dos ou- tros íons, que varia conforme a concentração e a permeabilidade de cada um.
Conforme já discutido anteriormente, a membrana também apresenta canais de sódio e cloreto. Logo, também é permeável a estes íons. Por meio do gradiente químico, cria-se um in- fluxo deles na célula, já que estão em maior concentração na região extracelular. Com isso, um gradiente elétrico de sentido oposto ao observado para o íon de potássio surge, o que faz com que a passagem de tais espécies pela membrana diminua cada vez mais, até atingir os seus po- tenciais de equilíbrio. Os valores calculados para estes potenciais de equilíbrio são -75 mV, +55 mV e -60 mV para o K+, Na+ e Cl-, respectivamente (veja Equações 4-6).
Uma forma de mensurar a facilidade com a qual cada íon consegue atravessar a mem- brana é através da sua permeabilidade para o dado íon. A partir desta variável, juntamente com os níveis de concentração de cada íon presente nos meios, pode-se obter o valor do potencial de membrana, quando constante. A relação matemática que permite calcular esta dependência é conhecida como a equação de Goldman e é exibida na Equação 7 abaixo:
𝑉 = 𝑅𝑇 𝐹 ln
𝑃 [𝐾 ] + 𝑃 [𝑁𝑎 ] + 𝑃 [𝐶𝑙 ] 𝑃 [𝐾 ] + 𝑃 [𝑁𝑎 ] + 𝑃 [𝐶𝑙 ]
(7)
De acordo com a ela, verifica-se que quanto maior for a concentração iônica e a permea- bilidade de um certo íon, maior será a sua contribuição na formação do potencial de membrana.
Conforme já discutido anteriormente, durante o repouso da célula, o efluxo de potássio balanceia o influxo do sódio, ambos por meio dos canais abertos da membrana. Entretanto, se esta permanente troca iônica fosse afetada somente pelos canais abertos, esta situação não per- maneceria por muito tempo sem causar a modificação das concentrações relativas (nos meios intra e extracelular) com eventual queda no gradiente eletroquímico e diminuição do potencial de repouso da membrana e isto não condiz com a realidade.
Até o momento neste capítulo, o potencial de repouso foi definido apenas como resul- tante de mecanismos passivos, que não exigem o gasto de energia celular para efetuarem suas atividades. Todavia, ele também sofre influência da ATPase de Na+/K+ (ou bomba de Na+/K+), que
é o agente responsável por transportar estes dois íons contra seus gradientes eletroquímicos. Ela consiste em uma molécula da membrana que pode ser classificada como transportadora ativa e, como o seu nome indica, necessita de energia para agir, a qual é conseguida pela hidrólise do ATP (Adenosina Trifosfato).
Portanto, o potencial de repouso da membrana neuronal não está em estado de equilí- brio, mas em um estado estacionário. A constante saída passiva de potássio e entrada de sódio é compensada pela bomba de Na+/K+, apesar desta última permitir o movimento das espécies de
forma bem mais lenta (cerca de 10.000 vezes menor que os canais abertos).
Ela é composta por duas regiões: (a) catalítica (subunidade α), que possui com sítios intra- celulares de ligação para Na+ e ATP na superfície intracelular, e (b) glicoproteica reguladora
(subunidade β), com sítios de ligação extracelulares específicas para o K+. A cada ciclo, uma mo-
lécula de ATP é gerada e transfere fosfato para a subunidade α na presença destes dois íons: sódio no lado interno e potássio no lado externo. A energia resultante dessa reação de fosforilação retira três íons de sódio do neurônio e introduzir dois íons de potássio.
Como a movimentação dos íons através dessa estrutura é diferente, surge uma corrente iônica externa líquida e isto torna o potencial de repouso alguns milivolts mais negativos, quando comparado com a situação na qual este momento seja movido apenas pelo fluxo difusão iônica por meios passivos.
Quando há acentuada atividade neuronal, a entrada de sódio na célula cresce e isto induz a uma elevação na ação da bomba de Na+/K+, criando uma corrente externa aumentada com
consequente potencial de pós-hiperpolarização prolongado também e que pode permanecer por muitos minutos, até a concentração de sódio voltar ao estado normal.
Outro íon que exerce papel significativo no funcionamento do neurônio é o cálcio. Nor- malmente, ele está presente em pequena concentração interna nas células (entre 50 e 100 nM), que tem uma diferença de cerca de quatro ordens de grandeza se comparado com sua concen- tração externa (~ 2 mM).
Dentro do grupo das ATPases tipo P, que inclui a bomba de Na+/K+, também há a bomba
de Ca2+. Para esta bomba, para cada molécula de ATP hidrolisada, dois íons de cálcio são movidos
pela membrana, com dois prótons deslocando-se na direção oposta.
No entanto, existe apenas um pequeno número de bombas de Ca2+ na membrana plas-
mática. Para suprir a necessidade celular de troca de cálcio, então, a maioria ocorre via trocador Na+-Ca2+ (antiportador), que não se trata de uma ATPase, mas sim um co-transportador. Ao con-
trário da bomba, o trocador é capaz de transportar um determinado tipo de íon contra o seu gradiente eletroquímico utilizando a energia estocada no gradiente eletroquímico de um segundo íon. No caso específico do trocador Na+-Ca2+, a saída do cálcio é provocada pelo gradiente eletro-
químico do sódio. Assim, ele gera o influxo de três ou quatro íons de sódio para cada íon de cálcio retirado da célula (contra o seu gradiente eletroquímico). Para tanto, a energia empregada neste momento, armazenada no gradiente de sódio, é a resultante da hidrólise de ATP pela bomba de
Na+/K+. Por isso, o fluxo iônico originado pelos co-transportadores é muitas vezes chamado de
transporte ativo secundário.
Algumas vezes, toda esta corrente através da membrana neuronal gera modificações no potencial da membrana que são insuficientes para induzir a abertura de canais iônicos dependen- tes. Tal situação é conhecida como potencial eletrotônico. Entretanto, há situações nas quais o fluxo das espécies entre os meios interno e externo da membrana neuronal produz uma pertur- bação na distribuição de cargas, e isto acaba afetando o potencial elétrico na mesma.
Se esta variação no potencial torna esta região com sinal mais negativo (por aumentar a separação de cargas), resulta na hiperpolarização. Caso contrário, se houver uma diminuição da concentração de cargas e, portanto, a membrana se tornar menos negativa, acontecerá a cha- mada despolarização. Caso haja uma inversão destas cargas, a ponto de provocar um nível crítico de despolarização, isto é, atingir um limiar, a célula irá responder ativamente a este estímulo, abrindo os canais dependentes de tensão, o que origina o potencial de ação.
3.2.2 O potencial de ação
Como já discutido, as células nervosas são as estruturas especializadas na condução de sinais elétricos ao longo de grandes distâncias dentro do corpo. Isto somente é possível devido aos potenciais de ação que são transmitidos sem qualquer atenuação conforme ele “caminha” pelo axônio. Para efetuar a sinalização neuronal, os PAs exibem quatro principais características (KANDEL et al., 2014):
i. Limiar para disparo. O potencial de membrana varia dependendo da corrente de despola- rização. Conforme ela cresce, eventualmente o limiar de tensão é atingido (em aproxima- damente -50 mV) e, assim, o potencial de ação é provocado;
ii. Evento tudo-ou-nada. Tanto o formato quanto a amplitude de PAs são sempre os mesmos. Ou seja, todo PA produzido por grande corrente de despolarização ou através de corrente que apenas foi suficiente para superar o limiar de tensão de disparo dele é semelhante;
iii. Condução sem perdas. O sistema apresenta propriedade auto regenerativa que permite que a amplitude do sinal se mantenha fixa, mesmo para longas distâncias;
iv. Período refratário. Logo após a passagem de um PA, existe um curto período, conhecido como período refratário, que não permite que o neurônio dispare um novo potencial de ação. Nele, a frequência na qual o nervo pode produzir PAs é limitado, e isto controla a capacidade que o axônio tem de conduzir a informação.
Embora a presença de tais atributos tenha surpreendido os biologistas por quase cem anos após a primeira medida de PA em meados do ano de 1800, foi apenas entre as décadas de 1940 e 1950 que os pesquisadores britânicos Alan Hodgkin, Andrew Huxley e Bernard Katz conseguiram esclarecer a bioeletrogênese do impulso elétrico neuronal, pesquisa na qual os levou a receber o prêmio Nobel de fisiologia ou medicina no ano de 1963. Por meio de experimentos com axônio gigante de lula, mantido em uma cubeta com solução com íons e nutrientes, dois eletrodos de estimulação foram posicionados sobre um ponto do axônio, enquanto dois eletrodos de registro (sendo um deles de ponta bastante fina e, que, portanto, conseguia atravessar a membrana neu- ronal e entrar no axônio) foram colocados em uma região distante desta. Dessa maneira, a partir de seus experimentos, os pesquisadores produziram o primeiro estudo quantitativo acerca dos mecanismos que governam os PAs (KANDEL et al., 2014; LENT, 2010).
Howard Curtis e Kenneth Cole (1940), entretanto, foram os responsáveis pela primeira visão voltada para a criação dos PAs. Empegando o mesmo tipo de neurônios que os estudos anteriormente citados, eles descobriram que a condutância iônica da membrana aumenta dras- ticamente quando o potencial de ação ocorre. Com isso, foram os responsáveis pela primeira evidência de que o PA é um efeito das variações nos fluxos iônicos que atravessam os canais presentes na membrana. Também despertaram a discussão sobre quais são os íons responsáveis pela existência dos PAs e como a condutância através da membrana é controlada (KANDEL et al., 2014).
Isto apenas foi possível com as conclusões emitidas após os estudos de Hodgkin e Katz (1949). Eles verificaram que, após a aplicação de um estímulo sob condições de repouso, o po-