Todas as células são excitáveis ou irritáveis. Resulta desse facto que todos os organismos são sensíveis a alterações ambientais e a estímulos de diversas fontes. Devido à complexidade dos estímulos, internos e externos, que recebe, um animal necessita de um sistema nervoso, para perceber, transmitir a todo o corpo e efectuar respostas adequadas a esses mesmos estímulos. Este sistema funciona igualmente como coordenador e integrador as funções das células, tecidos, órgãos e aparelhos, de modo a que se obtenha um todo que funcione como uma unidade.

O sistema nervoso é o mais complexo de todos os sistemas do corpo de um animal. As suas unidades básicas continuam a ser células, mas neste caso estão organizadas em redes e circuitos que processão informação. Nestes circuitos reside não apenas a capacidade de gerar respostas imediatas a estímulos, mas também a capacidade de recordar esses estímulos e respostas, bem como de os relacionar com outras experiências e de aprender com elas.

Um animal simples e que permaneça fixo ao substrato, como um cnidário, processa informação através de uma rede neural simples, com ligações directas entre células sensoriais e efectoras e pouco mais. Com ela apenas consegue detectar presas ou perigo, reagindo com a extensão ou retracção do corpo e tentáculos, respectivamente.

Animais mais complexos ( mesmo que sejam apenas vermes achatados), que se deslocam sobre o substrato, necessitam de perseguir presas ou parceiros sexuais, necessitam de recolher e processar uma maior quantidade de informação. Essa necessidade é compensada pelo surgimento de grupos de neurónios designados gânglios. De acordo com a sua função, estes gânglios encontram-se espalhados pelo corpo do animal, como num anelídeo ou num cefalópode. Se um desses gânglios, ou par de gânglios, é maior que os restantes toma, então, a designação de cérebro.

 Nos vertebrados, a grande maioria das células nervosas é encontrada no cérebro e restantes estruturas localizadas na cabeça do animal - encéfalo - e na medula espinal, ou seja, no chamado sistema nervoso central (S.N.C.). Neste caso, a informação é transmitida das células sensoriais para o S.N.C. e deste para as células efectoras através de neurónios que estendem para além ou estão mesmo fora do S.N.C., designados (juntamente com as suas células glia de apoio) sistema nervoso periférico (S.N.P.).

Apesar de ser comum a todos os vertebrados um S.N.C. altamente desenvolvido, estes animais variam grandemente em relação às suas capacidades fisiológicas e complexidade de comportamentos.

As células nervosas designam-se neurónios, especializadas na recepção, condução e codificação de informação a outras células. Juntamente com células especializadas de suporte, formam as redes neurais dos animais, sejam eles seres humanos, lulas ou anémonas.

A informação sensorial é transformada em sinais eléctricos pelas células receptoras ou sensoriais, podendo assim ser conduzida e processada pelos neurónios. De seguida a resposta é comunicada às células efectoras ou motoras, sejam estas musculares ou glandulares. Assim, qualquer sistema nervoso apenas funcionará se as suas células funcionarem em conjunto e passarem entre si o impulso nervoso.

Como se forma e transmite o impulso nervoso num neurónio?

Estudos revelaram que o interior dos neurónios é carregado negativamente, em relação ao exterior. A diferença de cargas através da membrana plasmática do neurónio designa-se potencial de membrana. Este, num neurónio não estimulado ou em repouso, corresponde ao potencial de repouso. 

Este estado permite ao neurónio responder a estímulos pois estas células são sensíveis a factores físico-químicos que alterem o potencial de repouso numa zona da sua membrana. A alteração mais drástica do potencial de membrana corresponde ao impulso nervoso, que não é mais que uma inversão brusca das cargas através da membrana plasmática do neurónio. O impulso nervoso é, por esse motivo, designado potencial de acção, revelando o contraste com o potencial de repouso.

Nos neurónios as cargas eléctricas deslocam-se como iões e não como electrões. Esses iões são principalmente sódio (Na⁺), cloro (Cl^-), potássio (K⁺) e cálcio (Ca²⁺) e deslocam-se através de canais proteicos e bombas de iões, inseridas na bicamada fosfolipídica da membrana plasmática do neurónio. 

A bomba de iões mais importante nas membranas dos neurónios é a chamada bomba sódio-potássio, que, como qualquer outra bomba de iões, desloca iões contra o seu gradiente de concentração com gasto de energia (no caso, retira sódio da célula e introduz potássio).

Os canais proteicos são poros revestidos por proteínas que permitem a difusão, sem gasto de energia portanto, de moléculas entre o interior e o exterior da célula. Estes canais são geralmente específicos de um dado tipo de ião e, no caso dos neurónios, podem ser "abertos" ou "fechados", quer pela passagem de corrente eléctrica pela membrana, quer quimicamente (ligação de uma outra molécula reguladora às proteínas do canal). 

No neurónio em repouso, os canais abertos de potássio são os mais comuns, tornando a membrana muito mais permeável a este ião que a qualquer outro. Este facto permite perceber o potencial de repouso, pois o potássio (cuja concentração elevada é mantida com gasto de energia pela bomba sódio-potássio) tende a difundir-se para fora do neurónio pelos canais de potássio. Esta saída contínua de iões positivos deixa para trás um excesso de iões negativos, causando uma diferença de potencial de cerca de -60 mV.

Se forem os canais de sódio a abrir, ocorrerá uma entrada maciça destes iões e uma alteração da posição das cargas, que se invertem em relação ao estado de repouso - despolarização. Se, pelo contrário, forem os canais de cloro a abrir, ocorrerá um aumento da diferença de potencial, ou seja o interior do neurónio tornar-se-á ainda mais negativo - hiperpolarização. 

Torna-se aparente que a abertura e o fecho de canais de iões, com as consequentes alterações de polaridade da membrana, é a chave da resposta dos neurónios aos

 estímulos mas estes fenómenos são de pouca duração no tempo e no espaço. Para transmitir informação mais eficientemente, os neurónios utilizam os chamados potenciais de acção. 

O potencial de acção é uma alteração brusca e intensa do potencial de membrana, durando apenas cerca de 1 ou 2 milissegundos. Deslocam-se ao longo do axónio a velocidades que atingem os 100 m/s.

Os canais proteicos de sódio, regulados electricamente, são os principais responsáveis pela formação do potencial de acção. Quando a membrana está em repouso estes canais estão fechados, na sua grande maioria. Quando o potencial de membrana atinge um dado valor (cerca de 5 a 10 mV mais positivo que o potencial de repouso), abrem muito rapidamente, durante menos de 1 milissegundo. No entanto, este período de tempo é suficiente para que entre uma enorme quantidade de iões sódio, cuja concentração externa é mantida artificialmente alta pela bomba sódio-potássio. Assim, ocorre uma despolarização da membrana do axónio pois os iões positivos não só anulam o excesso de cargas negativas, como as ultrapassam largamente atingindo-se uma diferença de potencial de + 50 mV.

Após a despolarização é necessário que o neurónio volte ao seu estado de repouso, ou seja, deve ocorrer uma repolarização da membrana. Novamente, são os canais de sódio os principais responsáveis pela repolarização, pois rapidamente voltam a fechar, permitindo que a bomba sódio-potássio reponha as concentrações e a diferença de potencial de repouso. Alguns neurónios também têm canais de potássio sensíveis à passagem de corrente, que abrem e fecham mais lentamente que os de sódio, fazendo com que a saída de potássio acelere a retirada das cargas positivas em excesso na célula.

Os canais de sódio são igualmente responsáveis pelo chamado período refractário do neurónio, ou seja, um breve momento de cerca de 1-2 milissegundos em que não se pode gerar potencial de acção. Este facto decorre de os canais permanecerem fechados durante esse período, antes de se abrirem de novo, espontaneamente. Por esse motivo, durante um breve período, a membrana está hiperpolarizada. Assim, o potencial de acção apenas se pode deslocar num sentido, nunca retrocedendo na membrana do neurónio.

 Este mecanismo parece necessitar de um enorme volume de iões em deslocação quase instantânea através da membrana do neurónio mas tal não é real, basta a deslocação de um em cada 10 milhões de iões presentes na célula para gerar o potencial de acção, significando que é bastante fácil para a bomba sódio-potássio manter esta "bateria" iónica sempre carregada, mesmo em neurónios que geram potenciais de acção centenas de vezes por minuto.

A velocidade a que o potencial de acção se desloca num neurónio varia, sendo tanto maior quanto maior for o diâmetro do axónio. Em animais invertebrados esta é uma das maneiras de regular a velocidade de resposta do animal, com alguns axónios de resposta rápida (como os de comando dos tentáculos predadores de uma lula) a atingir 1 mm de diâmetro.

A importância dos canais de sódio e potássio na excitação dos neurónios levou a que numerosos organismos tenham desenvolvido toxinas poderosas que atacam especificamente essas estruturas celulares, tanto como mecanismos de defesa como de ataque. Destas substâncias, a mais conhecida é tetrodotoxina, produzida por certos tipos de peixe balão e alguns outros animais, que bloqueia os canais de sódio, impedindo a geração de potencial de acção e paralisando os organismos que a ingerem.

 A saxitoxina, um homólogo químico da tetrodotoxina, é produzida por dinoflagelados e os seus efeitos são semelhantes. É esta a causa de perigo, quando em presença das chamadas marés vermelhas, da ingestão de bivalves (que se alimentam de dinoflagelados).

Os escorpiões paralisam as suas vítimas injectando uma potente mistura de toxinas pépticas que também afectam os canais iónicos dos neurónios, entre elas as alfa-toxinas, que prolongam o potencial de acção, confundindo o S.N.C. das suas vítimas prestes a ser devoradas. Outro tipo de substância do veneno de escorpião, as beta-toxinas, alteração os valores de diferença de potencial a que os canais de sódio abrem, fazendo com que abram a valores muito mais baixos do que os esperados e descoordenando o sistema nervoso da vítima.

Outros animais produzem substâncias que combinam essas duas acções, como a batracotoxina, produzida por algumas espécies de rãs tropicais sul-americanas. Esta poderosa toxina alcalóide é usada por tribos sul-americanas para as suas setas envenenadas.

Este tipo de arma neurológica anti-canais de sódio não é exclusiva dos animais, pois numerosas plantas produzem substâncias semelhantes, como a aconitina (jarros), veratridina (género Lilium) e numerosas toxinas insecticidas produzidas por crisântemos e rododendros.

Os canais de potássio também são alvos de toxinas, como por exemplo a dendrotoxina produzida por vespas, apamina por abelhas, caribdotoxina ainda outro tipo de toxina produzida por escorpiões, entre outras. Todas estas têm como acção principal o bloqueio dos canais de potássio no neurónio.

O potencial de acção pode deslocar-se a longas distâncias sem perda de sinal, o que é fundamental na sua função no animal. O potencial de acção pode ser descrito como um acontecimento do tipo tudo ou nada, que se auto-regenera, pois depende apenas de os canais de sódio estarem ou não abertos e por criar diferenças de cargas que provocam a abertura de novos canais mais à frente na membrana (a entrada de iões positivos torna o citoplasma menos negativo e assim atinge-se o potencial crítico que inicia a abertura dos canais de sódio). Assim, se existe um potencial de acção numa parte da membrana, haverá um estímulo para as regiões adjacentes gerarem potencial de acção e assim sucessivamente.

Em sistemas nervosos mais complexos, não é possível regular a velocidade de deslocação do potencial de acção fazendo variar o diâmetro do axónio, devido ao número de células que são necessárias (cada olho de mamífero, por exemplo, tem mais de um milhão de axónios a ele associados).

Já foram referidas as células de Schwann, células da Glia especializadas, que emitem prolongamentos membranares que envolvem os axónios. Estas capas de mielina não são contínuas mas deixam zonas nuas de axónio designadas nódulos de Ranvier. A mielina é uma substância isolante, ou seja, não permite a passagem de iões através da membrana. Para além desse facto, foi notado que os canais iónicos se encontram agrupados nos nódulos de Ranvier em axónios mielinizados.

Destes factos resulta que um axónio mielinizado pode gerar potencial de acção num nódulo de Ranvier mas este não se pode propagar às zonas adjacentes devido à mielina. No entanto, as cargas positivas que se deslocaram para o interior do axónio podem!! Assim, quando essas cargas se difundem pelo citoplasma até ao nódulo de Ranvier seguinte vão gerar um novo potencial de acção nesse local e assim sucessivamente. 

Deste modo, o potencial de acção não é contínuo mas "salta" de nódulo de Ranvier para nódulo de Ranvier, deslocando-se muito mais rapidamente, sem aumento de diâmetro celular. Este aumento de velocidade decorre de as cargas se espalharem pelo citoplasma muito mais rápido que os canais iónicos demorariam a abrir e fechar (devido ao período refractário).

As capacidades mais espantosas dos sistemas nervosos derivam directamente da interacção entre neurónios, permitindo regular comportamentos complexos, aprender e recordar, entre outras. Estas capacidades dependem, portanto, de ligações entre neurónios designadas sinapses.

As sinapses são junções celulares especializadas, em que uma das células influencia a outra através da passagem de mensagens químicas. A célula que envia a mensagem designa-se pré-sináptica e a que a recebe pós-sináptica. A separar as suas células, que nunca se tocam fisicamente, existe a chamada fenda sináptica, com cerca de 20 a 40 nm de largura.

Na zona terminal do axónio, em cada ramificação das telodendrites vai existir uma zona em forma de botão, contendo numerosas vesículas com moléculas químicas designadas neurotransmissores. Estas moléculas podem ser muito variadas e podem ser sintetizadas no corpo celular ou no axónio, sendo depois "embaladas" nas vesículas pelo aparelho de Golgi. 

A libertação do neurotransmissor ocorre por exocitose, após a chegada do potencial de acção à membrana pré-sináptica, pois esta apresenta canais iónicos de cálcio, activados pela corrente eléctrica. Este tipo de canal não existe em nenhum outro local do neurónio, apenas na zona sináptica. Dado que a concentração de cálcio é superior no exterior do neurónio, a abertura dos canais provoca a sua entrada brusca para o citoplasma da telodendrite. Este é o sinal para as vesículas de neurotransmissor se fundirem com a membrana pré-sináptica, libertando o seu conteúdo para a fenda sináptica. 

A membrana pós-sinaptica contém receptores específicos para a molécula neurotransmissora libertada, cuja ligação vai provocar a abertura momentânea dos canais de sódio e a formação do já familiar potencial de acção, que se propaga ao longo no neurónio pós-sináptico da forma já referida.

Na fenda sináptica existem geralmente enzimas hidrolíticas específicas para o neurotransmissor libertado. Assim, a actividade da sinapse depende do equilíbrio entre a libertação de neurotransmissor e a sua destruição enzimática. Os resíduos de neurotransmissor são reabsorvidos e reciclados para o fabrico, na membrana pré-sináptica, de novas moléculas neurotransmissoras.

Este último passo é fundamental, pois se o excesso de neurotransmissores na fenda sináptica não fosse removido, a membrana pós-sináptica permaneceria sempre despolarizada ou hiperpolarizada, incapaz de receber novo estímulo num espaço de tempo relativamente longo. Dado que a eficiência de um sistema nervoso depende da sua capacidade de transmitir o máximo de mensagens num mínimo de tempo, o neurotransmissor tem que ser removido rapidamente.

Existem vários mecanismos para terminar a acção do neurotransmissor:

• enzimas específicas degradam a molécula no neurotransmissor;

• neurotransmissor difunde-se para fora da fenda sináptica;

• neurotransmissor é transportado activamente para o interior das células vizinhas - Prozac, a "droga maravilha" anti-depressiva, actua a este nível, retardando a reabsorção do neurotransmissor serotonina e, portanto, aumentando o seu efeito na sinapse.   

 Existem mais de 25 moléculas neurotransmissoras conhecidas mas certamente outras serão ainda descobertas. 

 O que define uma substância como neurotransmissor? Alguns critérios devem ser observados:

• a substância deve estar presente no interior do neurónio pré-sináptico - este critério deve ser utilizado com as devidas precauções pois, como se pode ver no quadro abaixo, algumas substâncias podem ter várias funções na célula, sendo utilizadas, por exemplo, para formar proteínas numa e como neurotransmissor noutra;

• a substância deve ser libertada em resposta a uma despolarização pré-sináptica, dependendo de movimentações iónicas através de canais de cálcio;

• receptores específicos para a substância devem estar presentes na membrana pós-sináptica. 

 O quadro seguinte resume algumas das mais importantes, bem como o seu modo de actuação.

No entanto, descobertas recentes mostram que os neurónios utilizam muitas moléculas comuns no corpo, mesmo quando não existem receptores específicos para elas nas membranas sinápticas. É este o caso dos gases monóxido de carbono e óxido nítrico. A toda esta complexidade de situações acresce o facto de cada neurotransmissor ter uma actuação diferente consoante o receptor a que se liga, e existem sempre numerosos disponíveis.

Novamente, a importância do neurotransmissor na transmissão química do impulso nervoso torna-o um alvo para organismos produtores de toxinas e numerosas descobertas importantes sobre o mecanismo de acção das sinapses derivam do estudo da acção de venenos.

Uma importante classe de neurotoxinas é a das toxinas clostridiais, proteínas bacterianas extremamente potentes cuja acção bloqueia a libertação de neurotransmissores a nível da sinapse. Estas proteínas são responsáveis pelo botulismo e pelo tétano, doenças humanas muito graves devidas ao crescimento de bactérias anaeróbias em alimentos ou tecidos infectados, respectivamente. Estas toxinas não são mais que proteases altamente específicas, que "cortam" proteínas membranares pré-sinápticas, aparentemente fundamentais para a fusão das vesículas contendo neurotransmissor com a membrana pré-sináptica.

Uma outra toxina que ataca a libertação de neurotransmissores é a alfa-latrotoxina, produzida pelas fêmeas de aranha viúva negra. Em presença deste veneno, dá-se uma descarga maciça de neurotransmissores, mesmo sem a acção dos canais de cálcio, pois o veneno liga-se à membrana pré-sináptica, facilitando a sua fusão com as vesículas.

Outras toxinas que afectam a taxa de libertação de neurotransmissores, produzidas por cobras, aranhas, gastrópodes e outros animais predadores, são conhecidas mas os seus alvos de acção não são conhecidos até ao momento.

 Como é referido no quadro anterior, a acetilcolina é o principal neurotransmissor que medeia a contracção muscular nas placas motoras. Assim, numerosos venenos naturais actuam sobre os receptores deste neurotransmissor. De facto, os dois principais grupos de receptores deste neurotransmissor, os nicotínicos e os muscarínicos, obtiveram-se precisamente pela sensibilidade que apresentam a alcalóides poderosos (nicotina produzida pela planta do tabaco e muscarina produzida pelo cogumelo venenoso Amanita muscaria). Ambas as substâncias são estimulantes poderosos, que causam náusea, vómitos, confusão mental e convulsões. O envenenamento por muscarina pode levar mesmo ao colapso circulatório, coma e morte.

O veneno alfa-bungarotoxina é um dos numerosos péptidos que compõem o veneno da cobra Bungarus multicinctus e bloqueia a libertação de acetilcolina na placa motora, sendo usado pela serpente para paralisar as suas presas. O péptido liga-se irreversivelmente aos receptores pós-sinápticos da acetilcolina, impedindo a abertura de canais iónicos pelo neurotransmissor e o controlo dos músculos esqueléticos.

Efeito semelhante tem o veneno da cobra capelo (alfa-neurotoxina) e de algumas espécies de serpentes marinhas (erabutoxina). O curare, uma mistura de toxinas vegetais, é usada pelos índios sul-americanos com efeitos e acção semelhante.

Outra interessante categoria de venenos que actuam a nível dos receptores de acetilcolina são os produzidos pelos caracóis marinhos ou búzios, designados no seu conjunto por conotoxinas. Existem conotoxinas para bloquear praticamente todas as etapas da formação do impulso nervoso, desde os canais de sódio, cálcio, até receptores de glutamato e de acetilcolina. O resultado final é apenas um: paralisar a presa, que foi injectada com um pequeno "dardo" venenoso, lançado pelo gastrópode.

Numerosas substâncias naturais têm sido usadas pelas diversas culturas ao longo da história, tal como a atropina produzida pela planta do género Belladona ou a scopolamina, que causam alterações da consciência, coma e morte.

Sinapses inibitórias como as que apresentam receptores de GABA ou glicina também são alvo de toxinas. A estricnina, um alcalóide retirado das sementes da planta Strychnos nux-vomica, é a única toxina conhecida com acção sobre as sinapses de glicina, causando hiperactividade, espasmos, convulsões e, eventualmente, a morte. É vendida comercialmente em grandes quantidade, como veneno para ratos e outros roedores domésticos.

As sinapses podem ser excitatórias ou inibitórias, controlando as reacções do corpo do animal em relação a um estímulo. Cada neurónio pode apresentar dezenas de dendrites, através das quais outros neurónios estabelecem centenas de sinapses. Cada um desses neurónios pré-sinápticos pode produzir um tipo diferente de neurotransmissor, tal como diferentes zonas do neurónio pós-sináptico podem apresentar diferentes receptores. 

 Pode-se, então, concluir que cada neurónio é capaz de receber uma grande variedade de mensagens químicas. Se a sua resposta a essa mensagem for uma despolarização da membrana, a sinapse é excitatória. Se, pelo contrário, a sua resposta for uma hiperpolarização da membrana, então a sinapse é inibitória.

Como funcionam as sinapses inibitórias e qual a sua importância?

Em vertebrados os neurotransmissores inibitórios mais comuns são o ácido gama-amino-butírico (GABA) e a glicina. Em sinapses inibitórias a membrana pós-sináptica possui canais iónicos de cloro, controlados quimicamente, que causam a hiperpolarização da membrana e diminuem a probabilidade desta gerar um potencial de acção.

Cada neurónio "decide" se irá ou não gerar um potencial de acção após somar todos os estímulos que recebe (excitatórios e inibitórios), e é este o mecanismo que permite a integração de informação que apenas o tecido nervoso consegue obter. Cada neurónio pode receber até 1000 estímulos sinápticos mas apenas produz uma resposta, um potencial de acção formado no seu axónio.

Na esmagadora maioria dos neurónios, a região de "tomada de decisão" está localizada no corpo celular, junto à base do axónio, local não isolado por células da Glia e extremamente rica em canais iónicos controlados electricamente. Assim, se a soma de todos os estímulos sinápticos recebidos pela célula atingirem este local e causarem uma diferença de potencial suficiente para causar a despolarização da membrana, o axónio dispara um potencial de acção.

Esta "soma" de estímulos pode ser espacial ou temporal: 

• soma espacial - resulta da adição de estímulos simultâneos de sinapses localizadas em diversos locais da célula pós-sináptica;

• soma temporal - resulta da adição de estímulos de uma mesma sinapse em rápida sequência.

 Uma doença autoimune incapacitante que afecta as sinapses motoras é a miastenia grave, que atinge cerca de 1 em cada 200000 pessoas. Os principais sintomas desta doença são a fraqueza muscular e a incapacidade de manter esforços físicos continuados. 

Estudos demonstraram que a doença afecta selectivamente as propriedades das células musculares pós-sinápticas e um aumento do espaço sináptico, bem como a redução do número de receptores de acetilcolina. Foi, ainda, observado que os pacientes continham anticorpos específicos para os receptores de acetilcolina em circulação no sangue. Assim, as sinapses não conseguem estimular as células musculares a contrair-se, originando a fraqueza característica da doença.

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