Neurociências - 4ªEd. - Dale Purves
(Parte 2 de 11)
Os estudos histológicos de Cajal, de Golgi e de muitos sucessores levaram ao consenso de que as células do sistema nervoso podem ser divididas em duas amplas categorias: células nervosas (ou neurónios) e células de suporte ou sustentação chamadas de células neurogliais (ou simplesmente glia). As células nervosas são especializadas na sinalização elétrica em longas distâncias. Compreender esse processo representa uma das histórias de sucesso mais impressionantes da biologia moderna, sendo o tema da Parte I. As células gliais, ao contrário, não são capazes de sinalização elétrica significativa. Elas possuem, no entanto, funções essenciais nos encéfalos em desenvolvimento e no adulto, bem como contribuem para a regeneração do sistema nervoso lesionado - em alguns casos, promovendo novo crescimento de neurónios lesionados e, em outros, impedindo essa regeneração (veja Parte IV).
Neurónios e glia compartilham das mesmas organelas presentes em todas as células, incluindo retículo endoplasmático, aparelho de Golgi, mitocôndrias e uma variedade de estruturas vesiculares. Em neurónios, entretanto, essas organelas muitas vezes são mais evidentes em algumas regiões. Mitocôndrias, por exemplo, tendem a se concentrar nas sinapses, enquanto organelas de síntese proteica, como o retículo endoplasmático, estão quase que ausentes em axônios e dendritos. Em adição à distribuição de organelas e componentes subcelulares, neurónios e glia são, em certa medida, diferentes de outras células quanto às proteínas tubulares ou fibrilares especializadas que constituem o citoesqueleto (veja Figura 1.4). Apesar de muitas dessas proteínas - isoformas de actina, tubulina, miosina e várias outras - serem encontradas em outras células, sua organização diferenciada nos neurónios é fundamental para a estabilidade e a função dos processos neuronais e das junções sinápticas. Os diversos filamentos, túbulos, motores subcelulares e proteínas de arcabouço do citoesqueleto neuronal regem numerosas funções, incluindo o crescimento de axônios e dendritos; o tráfego e o posicionamento apropriado de componentes de membrana, organelas e vesículas, e os processos ativos de exocitose e endocitose subjacentes à comunicação sináptica. Compreender as formas como os componentes moleculares são usados para garantir o desenvolvimento apropriado e as funções de neurónios e células gliais ainda permanece como foco principal da neurobiologia moderna.
Neurónios
Neurónios são claramente diferenciados por serem especializados em comunicação intercelular. Esse atributo é evidente em sua morfologia geral, na organização específica de seus componentes de membrana para a sinalização elétrica e nas complexidades funcional e estrutural dos contatos sinápticos entre neurónios (Figura 1.3). O mais óbvio sinal morfológico de especialização para comunicação através de sinais elétricos é a intensa ramificação dos neurónios. O aspecto mais saliente dessa ramificação por células nervosas típicas é a elaborada arborização dos dendritos que emergem do corpo celular neuronal na forma de ramos dendríticos (ou processos dendríticos; veja Figura 1.3E). Dendritos são o alvo primário de sinais de entradas sinápticos oriundos de outros neurónios, diferenciando-se por seu alto conteúdo de ribossomos, bem como de proteínas específicas do citoesqueleto.
O espectro de geometrias neuronais inclui desde uma pequena minoria de células que não possuem dendritos até neurónios com ramos dendríticos que rivalizam com a complexidade de uma árvore madura de verdade (veja Figura 1.2).
6 Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia, McNamara & White (A) (B) Axônio (C) Terminais sinápticos (botões terminais)
Figura 1.3 Principais características de neurónios em microscopia óptica e microscopia eletrônica. (A) Diagrama de células nervosas e suas partes componentes. (ES) Segmento inicial do axônio (azul) entrando na bainha de mielina (bronze). (C) Botões terminais (azul) carregados com vesículas sinápticas (cabeças de setas) formando sinapses (setas) com um dendrito (púrpura). (D) Secção transversal de axônios (azul) embainhados pelos processos dos oligodendrócitos (dourado). (E) Dendritos apicais (púrpura) de células piramidais corticais. (F) Corpos de células nervosas (púrpura) ocupados por grandes núcleos redondos. (G) Porção de um axônio mielmizado (azul) ilustrando os intervalos entre segmentos adjacentes de mielina (dourado) referidos como nodos de Ranvier (setas). (Micrografias de Peters et ai, 1991.)
O número de entradas que um neurônio recebe depende da complexidade de sua arborização dendrítica; células nervosas que não possuem dendritos são inervadas por poucas, senão por uma única célula nervosa, enquanto neurónios com ramos dendríticos muito elaborados podem ser inervados por um número muito maior de neurónios. O número de entradas para um único neurônio reflete o grau de convergência, enquanto o número de alvos inervados por um dado neurônio representa sua divergência.
Os contatos sinápticos sobre dendritos (e, de modo menos frequente, sobre corpos celulares neuronais) consistem em uma elaboração especial do aparelho secretório encontrado na maioria das células epiteliais polarizadas. Em geral, o terminal pré-sináptico está imediatamente adjacente à especialização pós-sináptica da célula-alvo. Na maioria das sinapses, não há continuidade física entre esses elementos pré e pós-sinápticos. Outrossim, os componentes pré e pós-sinápticos comunicam-se pela secreção de moléculas a partir do terminal pré-sináptico, que se ligam a receptores na especialização pós-sináptica. Essas moléculas devem atravessar um intervalo de espaço extracelular entre os elementos pré e pós-sinápticos, chamado de fenda sináptica. A fenda sináptica, entretanto, não é somente um espaço vazio a ser atravessado; ela é o sítio de proteínas extracelulares que influenciam a difusão, ligação e degradação das moléculas secretadas pelo terminal pré-sináptico. O número de entradas sinápticas recebidas por cada célula do sistema nervoso humano varia de 1 a cerca de 100.0. Esse limite reflete o propósito fundamental das células nervosas, que é integrar informação de outros neurónios. O número de contatos sinápticos de diferentes neurónios pré-sinápticos sobre qualquer célula em particular é, portanto, um importante determinante da função neuronal.
A informação conduzida pelas sinapses sobre os dendritos neuronais é integrada e "lida" na origem do axônio, a porção da célula nervosa especializada em transmitir sinais elétricos (veja Figura 1.3B). O axônio é uma única extensão a partir do corpo celular do neurônio que pode viajar desde poucas centenas de micrômetros (pm, também chamados de mícrons) até muito além, dependendo do tipo de neurônio e do tamanho da espécie. Além disso, o axônio possui um citoesqueleto distinto cujos elementos são decisivos para sua integridade funcional (Figura 1.4). Muitas células nervosas do encéfalo humano possuem axônios com não mais do que poucos milímetros de comprimento, e alguns sequer possuem axônios.
Axônios relativamente curtos, no encéfalo, são uma característica de neurónios de circuito local, ou interneurônios. Os axônios de neurónios de projeção, entretanto, estendem-se para alvos distantes. Por exemplo, os axônios que vão da medula espinhal humana até os pés podem ter cerca de 1 m de comprimento. O evento que transporta sinais por tamanhas distâncias é uma onda de atividade elétrica autorregenerativa chamada de potencial de ação, que se propaga do ponto de iniciação no corpo celular (o cone de implantação) até o terminal axonal, onde acontecem os contatos sinápticos As células-alvo dos neurónios - sítios onde os axônios terminam, e as sinapses são feitas - incluem outras células nervosas do encéfalo, da medula espinhal e dos gânglios neurovegetativos, bem como células musculares e de glândulas por todo o corpo.
Os processos químicos e elétricos por meio dos quais a informação codificada por potenciais de ação é passada adiante nos contatos sinápticos para a célula seguinte constituem a chamada transmissão sináptica. Terminais pré-sinápticos (também denominadas terminações sinápticas, terminais axônicos ou botões terminais; veja Figura 1.3C) e suas especializações pós-sinápticas são geralmente sinapses químicas, o tipo de sinapse mais abundante no sistema nervoso. Outro tipo, a sinapse elétrica (facilitada pelas junções comunicantes já mencionadas), é muito mais raro (veja Capítulo 5).
As organelas secretórias no terminal pré-sináptico das sinapses químicas são as vesículas sinápticas, estruturas esféricas que contêm moléculas de neurotransmissores. O posicionamento das vesículas sinápticas na membrana pré-sináptica e sua fusão, que inicia a liberação de neurotransmissor, são regulados por um gru-
8 Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia, McNamara & White
Figura 1.4 Os arranjos distintos dos elementos do citoesqueleto de neurónios. (A) O corpo celular, axônios e dendritos são distinguidos pela distribuição de tubulina (verde por toda a célula) versus outros elementos citoesqueléticos - nesse caso, a proteína ligante do microtúbulo, tau (vermelho), que é encontrada somente em axônios. (B) A localização da actina (vermelho) nas extremidades em crescimento de processos dendríticos e axonais é aqui mostrada em neurónios do hipocampo cultivados.
(C) Por outro lado, em uma célula epitelial em cultura, a actina (vermelho) encontra-se distribuída em fibrilas que ocupam a maior parte do corpo celular. (D) Em células astrogliais em cultura, a actina (vermelho) é vista também em feixes fibrilares. (E) Tubulina (verde) pode ser vista no corpo celular e ao longo de dendritos neuronais. (F) Apesar de a tubulina ser um componente importante de dendritos e estender-se para os espinhos, a cabeça do espinho é rica em actina (vermelho). (G) A tubulina que compõe o citoesqueleto em células não neuronais distribui-se em redes filamentosas. (H-K) Sinapses possuem um arranjo distinto de elementos do citoesqueleto, receptores e proteínas de arcabouço. (H) Dois axônios (verde; tubulina) originários de neurónios motores são vistos emitindo dois ramos cada para quatro fibras musculares. O vermelho mostra o agrupamento de receptores pós-sinápticos (nesse caso, para o neurotransmissoracetilcolina). (I) Uma visão de alta resolução de sinapse de neurônio motor mostrando a relação entre o axônio (verde) e os receptores pós-sinápticos (vermelho). (J) Proteínas no espaço extracelular entre o axônio e seu músculo-alvo são marcadas em verde. (K) Proteínas de arcabouço (verde) localizam receptores (vermelho) e os conectam
a outros elementos do citoesqueleto. A proteína de arcabouço mostrada aqui é a distrofina, cuja estrutura e função estão comprometidas em muitas formas de distrofia muscular. (A é cortesia de Y N. Jan; B é cortesia de E. Dent e E Gertler; C é cortesia de D. Ameman e C. Otey; D é cortesia de A. Gonzales e R. Cheney; E, segundo Sheng, 2003; E segundo Matus, 2000; G é cortesia de T. Salmon et ai; H-K são cortesia de R. Sealock.)
Neurociências 9 po de proteínas localizadas dentro ou associadas às vesículas. Os neurotransmissores liberados pelas vesículas sinápticas modificam as propriedades elétricas da célula-alvo por meio da ligação a receptores de neurotransmissores, localizados principalmente na especialização pós-sináptica.
A intrincada e coordenada atividade de neurotransmissores, receptores, elementos do citoesqueleto e moléculas de transdução de sinais são a base da comunicação das células nervosas entre si e com as células efetoras em músculos e glândulas.
Células neurogliais
Células neurogliais - também chamadas de células gliais ou, simplesmente, glia - são muito diferentes das células nervosas. No encéfalo, células gliais estão em maior número do que neurónios, suplantando-os em uma razão provável de 3 para 1. Apesar de sua superioridade numérica, a glia não participa de modo direto nas interações sinápticas e na sinalização elétrica, ainda que, em suas funções de suporte, auxilie na definição de contatos sinápticos e na manutenção das habilidades sinalizadoras dos neurónios. Células gliais também possuem processos complexos estendendo-se a partir de seus corpos celulares, mas esses processos são, em geral, menos importantes do que os ramos neuronais e não servem aos mesmos propósitos de axônios e dendritos.
O termo glia (em grego, "cola") reflete o fato de se ter presumido, durante o século XIX, que essas células "mantinham o sistema nervoso unido" de alguma forma. A palavra sobreviveu apesar da ausência de qualquer evidência de que células gliais mantenham as células nervosas coesas. As funções gliais de fato bem estabelecidas incluem manter o ambiente iônico das células nervosas, modular a velocidade de propagação do sinal nervoso, modular a atividade sináptica por meio da captação de neurotransmissores na fenda sináptica ou próximos a ela, fornecer arcabouço estrutural durante alguns aspectos do desenvolvimento neural e auxiliar (e, às vezes, impedir) a regeneração neural após lesão.
No sistema nervoso central maduro, há três tipos de células gliais: astrócitos, oligodendrócitos e células microgliais (Figura 1.5). O astrócitos, restritos ao sistema nervoso central (i. e., encéfalo e medula espinhal), possuem processos locais
(A) Astrócito (B) Oligodendrócito (C) Célula microglial gliais
Figura 1.5 Variedades de células neurogliais. Desenhos de um astrócito (A), de um oligodendrócito (B) e de uma célula microglial (C) visualizados utilizando-se o método de Golgi. As imagens estão aproximadamente na mesma escala. (D) Astrócitos em cultura de tecido, marcados (vermelho) com um anticorpo contra uma proteína específica de astrócito. (E) Células oligodendrogliais (verde) em cultura, marcadas com um anticorpo contra uma proteína específica de oligodendrócito. (F) Axônios periféricos embainhados pela mielina (marcada em vermelho), exceto nos nodos de Ranvier (veja Figura 1.3G). A marcação verde indica canais iónicos concentrados no nodo; a marcação azul indica uma região molecular distinta chamada de paranodo. (G) Células microgliais da medula espinhal, marcadas com um anticorpo específico para o tipo celular. Em detalhe: imagem de alta amplificação de uma única célula microglial, identificada com marcador seletivo para macrófagos. (A-C conforme Jones e Cowan, 1983; D, E são cortesia de A.-S. LaMantia; F é cortesia M. Bhat; G é cortesia de A. Light; imagem em detalhe, cortesia de G. Matsushima.)
10 Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, LaMantia, McNamara & White elaborados que lhes dão uma aparência estrelada. Uma das principais funções dos astrócitos é manter, por diversos mecanismos, um ambiente químico propício à sinalização neuronal. Além disso, observações recentes sugerem que um subgrupo de astrócitos no encéfalo adulto pode conservar certas características de células- -tronco neurais - isto é, a capacidade de entrar em mitose e gerar todos os tipos celulares encontrados no sistema nervoso (veja Parte IV).
Os oligodendrócitos, que também são restritos ao sistema nervoso central, depositam um envoltório laminado, rico em lipídeos, chamado de mielina, em torno de muitos (mas não de todos) axônios (veja Figuras 1.3D,G). A mielina possui efeitos importantes sobre a velocidade de transmissão de sinais elétricos (veja Capítulo 3). No sistema nervoso periférico, a mielina é elaborada pelas denominadas células de Schwann.
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