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UMA SINAPSE EM TRÊS DIMENSÕES: Como os neurônios conversam entre si

UMA SINAPSE EM TRÊS DIMENSÕES: Como os neurônios conversam entre si

Mauro Cunha Xavier Pinto 1, 2, Rodrigo R. Resende2

1 Laboratório de Neurociência, Departamento de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade de São Paulo.

2 Laboratório de Sinalização Celular e Nanotecnologia, Departamento de Bioquímica, Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais

Edição Vol. 2, N. 03, 11 de Novembro de 2014

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.11.10.003

Já se perguntou como um único órgão é capaz de controlar todas as suas funções corporais e seus movimentos, expressar suas emoções, planejar o futuro e ainda se lembrar de comprar o leite na padaria? A resposta para estas questões está em como os neurônios interagem dentro do seu cérebro.

Os neurônios são células capazes de converter sinais elétricos em sinais químicos, utilizando estruturas chamadas de sinapses para transmitir informações entre si. As sinapses são formadas por um terminal pré-sináptico de um neurônio e por um terminal pós-sináptico de outro neurônio. Entre eles há um espaço denominado fenda sináptica, por onde os neurotransmissores do neurônio pré-sináptico passam até à membrana do neurônio pós-sináptico. As sinapses são a chave para a comunicação dentro do cérebro. Essas fendas sinápticas são microscópicas. Seu cérebro tem trilhões deles. Agora, os cientistas criaram um retrato 3-D de uma única sinapse em detalhes moleculares sem precedentes. Basicamente, quando um sinal elétrico chega ao terminal pré-sináptico ele aciona mecanismos para que as vesículas sinápticas liberem os neurotransmissores nas fendas sinápticas. As sinapses são construídas a partir de milhares de proteínas e cada tipo de proteína faz um trabalho específico para ajudar nessa comunicação interneurônios sem problemas. Os neurotransmissores atravessam a fenda sináptica e ativam proteínas nos terminais pós-sinápticos onde desencadeiam um novo sinal elétrico, transmitindo assim a informação entre dois neurônios (1) (veja mais em http://www.nanocell.org.br/novos-medicamentos-revertem-os-efeitos-da-doenca-de-alzheimer-em-camundongos/). As sinapses são estruturas bem pequenas e complexas e entender como elas funcionam é um grande desafio.

Os cientistas da Universidade de Göttingen, na Alemanha, aceitaram este desafio. Usando uma abordagem que combina diferentes técnicas para identificar proteínas e microscópios de última geração, os cientistas mediram o número e localização das proteínas que compõem as sinapses e fizeram um mapeamento destes terminais. Com base nestes dados, os cientistas construíram um modelo em três dimensões de uma sinapse com 62 tipos diferentes de proteínas, que estão presentes em 300.000 cópias (Figura 1) (2). O modelo das sinapses exibe o número incrível de 300.000 proteínas nos mínimos detalhes. Este modelo mostra que proteínas envolvidas na liberação de neurotransmissores são muito abundantes nas sinapses (aproximadamente 27.000 cópias por sinapse), enquanto proteínas envolvidas na reciclagem de vesículas têm entre 1.000 a 4.000 cópias, mostrando que as células produzem mais vesículas do que reciclam nos terminais sinápticos (2).

sinapse_tres_dimensoes

Figure 1: A imagem é parte de uma animação de vídeo impressionante que mostra um terminal sináptico que foi criado a partir de dados experimentais e indica 60 proteínas envolvidas no ciclo de liberação de neurotransmissores (https://www.youtube.com/watch?v=1myoSGVyZj8). Imagem: Benjamin et al, 2014.

No vídeo acima, as cores diferentes correspondentes a diferentes tipos de proteínas. A animação começa com uma visão externa da sinapse, do lado que faz o envio dos neurotransmissores, ou seja, a membrana pré-sináptica; áreas vermelhas correspondem às “zonas ativas”, onde os neurotransmissores são liberados. Em seguida, por volta dos 00:55 segundos, a perspectiva muda para dentro da célula, onde você pode ver as vesículas sinápticas esféricas (que contêm os neurotransmissores) e a incrível máquina de complexos de proteínas em torno delas (o que é ainda mais surpreendente considerando-se que tudo isso está dentro de um espaço de cerca de 40 nanômetros _ 1 nanômetro é igual a bilionésima parte do metro _, ou cerca de 2.500 vezes menor do que a espessura de uma folha de papel padrão de impressão).

Este novo modelo esclarece uma importante questão sobre a comunicação entre dois neurônios. Aparentemente, as sinapses mantêm um elevado número de cópias das proteínas relacionadas à liberação de neurotransmissores, assegurando uma máxima eficiência no processo. Os números de proteínas envolvidas na reciclagem são muito mais baixos do que o esperado, no entanto. Eles dão ao terminal a capacidade de reciclar apenas 10% do número total de suas vesículas, por isso parece que a reciclagem ocorre lentamente, nos segundos após a fusão da vesícula, e assim não contribui quando várias vesículas se fundem em uma rápida sucessão. A vantagem é que a célula não precisa produzir um grande número de proteínas de reciclagem, o que economiza energia.

O modelo revela também que as proteínas envolvidas nos mesmos passos do ciclo de vesículas estão presentes em quantidades aproximadamente iguais dentro do terminal, levantando a questão de como a sua síntese é regulada de tal modo que cada conjunto de proteínas está presente na concentração correta. Como isso ocorre, ainda não foi esclarecido, mas abre uma nova área de pesquisa.

O estudo é um verdadeiro avanço técnico que nos permite ter uma ideia de como o terminal das células nervosas parece do lado de dentro. Porém, há limitações. Existem diversos tipos de sinapses no cérebro, que diferem em tamanho, forma e os neurotransmissores que elas contêm. A preparação contém todos os tipos de neurotransmissores, mas os terminais excitatórios e inibitórios diferem em sua estrutura, sendo assim, a imagem fornecida pelo estudo é a média de um terminal sináptico, sem se levar em conta seu neurotransmissor.

Este estudo é uma façanha para o campo da neurociência e indica que em poucos anos poderemos ter um modelo em três dimensões de um neurônio inteiro. Estes estudos sobre o microcosmo cerebral poderão, no futuro, contribuir para a identificação de anormalidades nos neurônios e nas sinapses e novos tratamentos para doenças do cérebro poderão ser produzidos.

Referências

1. Resende RR. NOVOS MEDICAMENTOS REVERTEM OS EFEITOS DA DOENÇA DE ALZHEIMER EM CAMUNDONGOS. Nanocell News. 2014 08/26/2014;1(16). Epub 08/26/2014.

2. Wilhelm BG, Mandad S, Truckenbrodt S, Krohnert K, Schafer C, Rammner B, et al. Composition of isolated synaptic boutons reveals the amounts of vesicle trafficking proteins. Science. 2014 May 30;344(6187):1023-8. PubMed PMID: ISI:000336495800044. English.

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