Biofísica da Sinapse: Potencial de Ação, Transmissão Elétrica e Química

Toda a informação do sistema nervoso viaja como eletricidade e química: potenciais de ação que percorrem axônios como corrente por um cabo, e sinapses que convertem esse sinal elétrico em sinal químico - ou o transmitem diretamente como corrente iônica. Entender essa biofísica é entender como agem anestésicos locais, anticonvulsivantes, toxinas do botulismo e do tétano, miastenia gravis e doenças desmielinizantes. Para a prova, o aluno precisa calcular potenciais de equilíbrio com a equação de Nernst, ordenar as fases do potencial de ação com seus canais iônicos, distinguir condução saltatória de contínua e comparar sinapse elétrica e química propriedade por propriedade.

01Fundamentos físicos: da rede elétrica à membrana neuronal

Assim como na rede elétrica, o que gera trabalho elétrico é a diferença de potencial (ddp), medida em volts: na rede, 127 V ou 220 V entre fase e neutro; no neurônio, cerca de 70 mV entre face interna e externa da membrana, com o interior negativo em relação ao exterior. A corrente (i, em ampères) é o fluxo de carga; nos fios, de elétrons; nos tecidos biológicos, de íons dissolvidos (Na+, K+, Cl-, Ca2+). A lei de Ohm (V = R x i, ou i = g x V, onde g é a condutância) vale para a membrana: quanto maior a condutância de um canal aberto, maior a corrente para uma mesma ddp. A membrana também se comporta como um capacitor: a bicamada lipídica (cerca de 5 nm) separa cargas e armazena energia, o que faz o potencial não mudar instantaneamente, mas com uma constante de tempo tau = R x C. Esse modelo de circuito RC é a base do potencial de repouso, da velocidade de resposta e da necessidade de maior calibre ou mielina para conduzir mais rápido.

• Diferença de potencial transmembrana (Vm): carga elétrica da face interna em relação à externa; no repouso, cerca de -70 mV.
• Força eletroquímica: soma do gradiente químico (difusão pelo gradiente de concentração) e do gradiente elétrico (atração de cargas opostas); é o que move cada íon.
• Canais iônicos: proteínas de membrana com seletividade (a seletividade por K+ do canal Kv é milhares de vezes maior que a por Na+) e com portas controladas por voltagem, ligantes ou mecânossensibilidade.
• Bomba Na+/K+-ATPase: exporta 3 Na+ e importa 2 K+ por ATP consumido; é eletrogênica (contribui com cerca de -5 a -10 mV) e mantém os gradientes iônicos, sendo o alvo da ouabaína e do digitálico.
• Homeostase osmótica e volume celular dependem desses mesmos gradientes - daí a letalidade do bloqueio da bomba na isquemia (ATP cai, a bomba para, a célula incha).

02Potencial de repouso e as equações de Nernst e Goldman

O potencial de repouso de um neurônio típico situa-se entre -65 e -70 mV e é determinado, sobretudo, pela alta permeabilidade da membrana em repouso ao K+. A equação de Nernst dá o potencial de equilíbrio de um íon (a ddp em que a força elétrica iguala o gradiente químico, com fluxo líquido nulo): E = 61,5/z x log([íon]fora / [íon]dentro), em mV, a 37 graus Celsius, com z a valência. Com as concentrações típicas do neurônio (Na+ 145 fora e 12-15 dentro; K+ 4 fora e 140 dentro; Cl- 110 fora e 5-10 dentro), obtém-se ENa em torno de +60 mV, EK em torno de -90 mV e ECl próximo de -65 a -70 mV. O potencial de repouso fica entre EK e ECl, puxado para EK, porque os canais de vazamento de K+ dominam a condutância de repouso.

Como a membrana em repouso é permeável a mais de um íon, o potencial real é melhor previsto pela equação de Goldman-Hodgkin-Katz, que pondera cada potencial de Nernst pela permeabilidade relativa da membrana a cada íon no momento. Dois corolários de prova: primeiro, o potencial de repouso não é igual ao EK porque há pequena permeabilidade ao Na+, que empurra Vm para valores menos negativos; segundo, a bomba Na+/K+ não cria o potencial (os gradientes de concentração criam), ela apenas os mantém contra a fuga contínua pelos canais de vazamento. Aplicações rápidas: hipercalemia (aumento do K+ externo) torna o EK menos negativo, despolariza a célula e, inicialmente, aumenta a excitabilidade - base das arritmias e da paralisia periódica; a ouabaína, ao inibir a bomba, eleva o Na+ intracelular e, indiretamente, o Ca2+ via trocador NCX - mecanismo dos cardiotônicos.

03Potencial de ação: fases, canais e períodos refratários

O potencial de ação (PA) é a variação regenerativa e estereotipada do potencial de membrana descrita por Hodgkin e Huxley em 1952 no axônio gigante da lula (Nobel de 1963), resultado do funcionamento coordenado de canais de Na+ e K+ dependentes de voltagem. Ao atingir o limiar (cerca de -55 mV, quando a entrada de Na+ supera a saída de K+), os canais de Na+ voltagem-dependentes abrem em cascata (feedback positivo: a despolarização abre mais canais, que despolarizam ainda mais) e o Vm dispara em direção a ENa. Em seguida, os mesmos canais inativam rapidamente (bola e corrente: a partícula de inativação oclui o poro) e os canais de K+ voltagem-dependentes, mais lentos, abrem e repolarizam a membrana; a lentidão do seu fechamento explica a hiperpolarização pós-potencial. É um evento do tipo tudo-ou-nada: abaixo do limiar não há resposta; acima, a amplitude é fixa e independente da força do estímulo - a intensidade do estímulo é codificada pela frequência de disparos e pelo número de neurônios recrutados, nunca pela amplitude de cada PA.

O período refratário absoluto (cerca de 1 ms) corresponde à inativação dos canais de Na+: nenhum estímulo, por mais forte que seja, gera novo PA - é o que limita a frequência máxima de disparo (até cerca de 1.000 Hz) e garante a propagação unidirecional do impulso. No período refratário relativo, durante a hiperpolarização, um estímulo supranormal consegue disparar um PA, mas com gasto maior. Esses conceitos explicam a farmacologia dos antiarrítmicos e anticonvulsivantes do tipo uso-dependente (lidocaína, fenitoína, carbamazepina), que preferem canais inativados de células disparando em alta frequência.

04Propagação: condução contínua e saltatória

No axônio amielínico, o PA se propaga por condução contínua: cada ponto despolarizado abre canais no segmento adjacente, com correntes locais que se espalham como onda - lento (0,5 a 2 m/s nas fibras C), porque cada trecho de membrana precisa despolarizar até o limiar. No axônio mielinizado do SNC e SNP, a bainha de mielina (oligodendrócitos no SNC; células de Schwann no SNP) isola a membrana e confina os canais de Na+ voltagem-dependentes aos nós de Ranvier (a cada 1-2 mm): a despolarização salta de nó a nó - condução saltatória -, com velocidades de 10 a 120 m/s e enorme economia de ATP, já que só os nós gastam Na+/K+-ATPase. Dois determinantes da velocidade: diâmetro (maior calibre, menor resistência axial, maior velocidade) e mielinação. É por isso que a desmielinização da esclerose múltipla (bloqueio de condução) e de Guillain-Barré causa déficit neurológico agudo, e que a neurite hanseniana compromete primeiro fibras finas (dor e temperatura). A classificação de Erlanger-Gasser organiza as fibras por calibre, mielina e função - tabela clássica de prova.

05A sinapse química passo a passo

A sinapse química converte o sinal elétrico em sinal químico. Anatomicamente, tem o terminal pré-sináptico (com vesículas sinápticas de 40-50 nm cheias de neurotransmissor), a fenda sináptica de 20 a 40 nm e a membrana pós-sináptica densa em receptores. A sequência canônica, cobrada como protocolo: 1) o PA chega ao terminal e despolariza-o; 2) canais de Ca2+ voltagem-dependentes (tipos N e P/Q) abrem e o Ca2+ entra - a concentração local sobe de ~100 nM para dezenas de µM; 3) o Ca2+ liga-se à sinaptotagmina, sensor do cálcio; 4) o complexo SNARE (sinaptobrevina/VAMP na vesícula + sintaxina e SNAP-25 na membrana) se enrosca e funde a vesícula à membrana; 5) o neurotransmissor é liberado por exocitose quantal - cada vesícula é um quantum, que gera um potencial pós-sináptico em miniatura de cerca de 0,5 mV, como demonstrado por Katz na junção neuromuscular; 6) o transmissor difunde-se e liga-se a receptores pós-sinápticos; 7) o sinal é encerrado por recaptação por transportadores (DAT, NET, SERT, EAAT) ou por degradação enzimática (acetilcolinesterase).

O potencial pós-sináptico excitatório (PPSE), gerado por abertura de canais não seletivos a cátions (ex.: receptor NMDA ou nicotínico), despolariza a membrana em cerca de 0,5 a 1 mV por sinapse ativa; como o limiar exige cerca de 15 a 20 mV de despolarização no segmento inicial do axônio, são necessárias somação espacial (PPSEs simultâneos em diferentes dendritos) e somação temporal (PPSEs sucessivos no mesmo dendrito). O potencial pós-sináptico inibitório (PPSI) hiperpolariza ou estabiliza o potencial: no receptor GABA-A e no receptor de glicina, abre-se canal de Cl- (o ECl é próximo ou mais negativo que o repouso), impedindo a despolarização; o GABA-B metabotrópico abre canais de K+. A integração de milhares de PPSEs e PPSIs no cone de implantação do axônio decide, a cada instante, se o neurônio dispara - conceito de neurônio integrador. A plasticidade sináptica, como a potenciação de longo prazo (LTP) hipocampal, depende do receptor NMDA: despolarização prévia remove o bloqueio por Mg2+ do canal, o Ca2+ entra e dispara cascatas de quinases que ampliam a sinapse - base celular da memória.

06Receptores ionotrópicos e metabotrópicos

O neurotransmissor mais comum do SNC é o glutamato (excitatório), seguido do GABA (inibitório principal) e da glicina (inibitória da medula e tronco - bloqueada pela estricnina, que produz convulsões). O receptor AMPA media o PPSE rápido; o NMDA, voltagem- e glutamato-dependente, permeável ao Ca2+ e bloqueado por Mg2+ em repouso, media componentes lentos e plasticidade; o receptor GABA-A é alvo dos benzodiazepínicos (potencialização alostérica; aumentam a frequência de abertura do canal de Cl-) e dos barbitúricos (aumentam o tempo de abertura) - daí o sinergismo perigoso com álcool. A acetilcolina atua na junção neuromuscular (nicotínico muscular, bloqueado pelo curare e atacado por anticorpos na miastenia gravis) e no SNC/SNA (muscarínico).

07Sinapse elétrica: junções comunicantes

A sinapse elétrica é uma junção comunicante (gap junction): um canal aquoso que atravessa as duas membranas e conecta os citoplasmas. Estrutura: cada célula contribui com um conexon (hemicanal) formado por 6 subunidades de conexinas (proteínas de 4 domínios transmembranares); dois conexons justapostos formam o poro, com diâmetro de cerca de 1,5 a 2 nm, grande o suficiente para íons e moléculas hidrofílicas de até 1,5 kDa - incluindo segundos mensageiros como cAMP, IP3 e ATP. No SNC de mamíferos, a conexina neuronal predominante é a Cx36 (interneurônios inibitórios do córtex, hipocampo e retina); astrócitos se acoplam maciçamente por Cx43, formando redes sinciciais que distribuem K+ e glutamato (gliotransmissão). Nas junções comunicantes não há neurotransmissor nem fenda a atravessar: a corrente iônica passa diretamente, com retardo sináptico praticamente nulo (menor que 0,1 ms, contra 0,3 a 5 ms da sinapse química).

• Velocidade: transmissão quase instantânea, sem atraso sináptico - essencial em circuitos de fuga e no sincronismo de redes geradoras de ritmo.
• Bidirecionalidade: a maioria das junções comunicantes permite corrente nos dois sentidos (sinapses elétricas retificadoras, assimétricas, também existem e dependem de conexinas diferentes em cada lado).
• Acoplamento elétrico e metabólico: além de íons, passam moléculas até 1,5 kDa, coordenando metabolicamente células vizinhas.
• Sincronização: redes de interneurônios acoplados por Cx36 disparam em conjunto (oscilações gama), e o acoplamento elétrico do complexo olivar inferior sincroniza o ritmo cerebelar.
• Filtro passa-baixa: as junções comunicantes atenuam sinais muito rápidos, favorecendo componentes lentos do sinal.
• Modulação: pH ácido fecha o canal (acoplamento cai na acidose e em crises isquêmicas), o Ca2+ intracelular elevado fecha, e a fosforilação por proteínas quinases (por dopamina, por exemplo) regula a condutância - a sinapse elétrica é plástica, e não um fio rígido.
• Desenvolvimento: abundantes no encéfalo imaturo, coordenando ondas de atividade antes de as sinapses químicas amadurecerem.

As junções comunicantes não são exclusividade do SNC: no coração, os discos intercalares conectam miócitos por Cx43 (e Cx40 no sistema de condução), garantindo a propagação do potencial de ação que contrai os átrios e ventrículos como um sincício funcional - é o mesmo princípio biofísico da sinapse elétrica neural. No músculo liso visceral (útero, intestino, bexiga), as gap junctions coordenam ondas de contração. Essa universalidade explica por que mutações de conexinas produzem doenças de múltiplos órgãos: mutações da GJB2 (Cx26) são a causa mais comum de surdez congênita não sindrômica; mutações da GJB1 (Cx32) causam a neuropatia de Charcot-Marie-Tooth tipo X; Cx46 e Cx50 (cristalino) causam catarata congênita; e a redução da Cx43 cardíaca favorece arritmias e cicatrização prejudicada pós-infarto.

08Comparativo direto: sinapse elétrica versus química

Muitas regiões do SNC têm sinapses mistas: no terminal de Mauthner de peixes e no núcleo vestibular de mamíferos, um mesmo terminal faz contato elétrico e químico com o mesmo neurônio pós-sináptico, combinando a velocidade da transmissão elétrica com o ganho e a modulação da química - e as duas formas dialogam, porque a ativação química pode modular a condutância da gap junction próxima (interação funcional descrita por Pereda).

09Aplicações clínicas da biofísica sináptica

• Miastenia gravis: anticorpos contra o receptor nicotínico de ACh (e contra a MuSK) reduzem a transmissão neuromuscular - fraqueza e ptose que pioram ao fim do dia; melhora com anticolinesterásicos (piridostigmina).
• Síndrome de Lambert-Eaton: anticorpos contra canais de Ca2+ P/Q pré-sinápticos reduzem a liberação de ACh; fraqueza proximal que melhora com o exercício (facilitação pós-tetânica), associada a câncer de pulmão de pequenas células.
• Botulismo (bloqueio de liberação de ACh: paralisia flácida descendente, midríase) versus tétano (bloqueio de liberação de inibitórios: espasmos, trismus) - mesma família de toxinas, alvos sinápticos diferentes.
• Esclerose múltipla: desmielinização de axônios centrais bloqueia a condução saltatória; sintomas pioram com o calor (fenômeno de Uhthoff) porque a temperatura acelera a inativação dos canais de Na+.
• Anestésicos locais: bloqueio de canais de Na+ voltagem-dependentes, uso-dependente; iniciam nas fibras finas (dor primeiro) e a acidose do tecido inflamado aumenta a fração ionizada do fármaco e retarda o início do bloqueio.
• Anticonvulsivantes: fenitoína e carbamazepina (bloqueio uso-dependente de Na+), gabapentina e pregabalina (ligam subunidade alfa-2-delta de canais de Ca2+, reduzindo liberação de transmissor), benzodiazepínicos (potencializam GABA-A).
• Surdez congênita por mutação da GJB2 (Cx26): falha do acoplamento elétrico na cóclea - exemplo clínico direto de doença de junção comunicante.

10Pontos de prova e erros comuns