Transmissão dos Impulsos das Terminações Nervosas para as Fibras Musculares Esqueléticas: a Junção Neuromuscular

CAPÍTULO 7

 

Excitação do Músculo

 

Esquelético: Transmissão

 

Neuromuscular e Acoplamento

 

Excitação-Contração

 

TRANSMISSÃO DOS IMPULSOS DAS TERMINAÇÕES

NERVOSAS PARA AS FIBRAS MUSCULARES

ESQUELÉTICAS: A JUNÇÃO NEUROMUSCULAR

 

As fibras musculares esqueléticas são inervadas por grandes fibras nervosas

mielinizadas, que se originam nos grandes neurônios motores nos cornos

anteriores da medula espinal. Como discutido no Capítulo 6, cada fibra

nervosa, depois de penetrar no feixe muscular, normalmente se ramifica e

estimula de três a várias centenas de fibras musculares esqueléticas. Cada

terminação nervosa faz uma junção, chamada junção neuromuscular, com a fibra muscular próxima de sua porção média. O potencial de ação, iniciado

na fibra muscular pelo sinal nervoso, viaja em ambas as direções até as

extremidades da fibra muscular. Com exceção de cerca de 2% das fibras

musculares, existe apenas uma dessas junções por fibra muscular.

 

ANATOMIA FISIOLÓGICA DA JUNÇÃO

NEUROMUSCULAR – A PLACA MOTORA

A Figura 7-1A e B mostra a junção neuromuscular de grande fibra nervosa

mielinizada com uma fibra muscular esquelética. A fibra nervosa forma

complexo de terminais nervosos ramificados, que se invaginam na

superfície extracelular da fibra muscular. Toda a estrutura é chamada placa

motora. Ela é recoberta por uma ou mais células de Schwann, que a isolam

dos líquidos circunjacentes.

A Figura 7-1C mostra a junção entre um terminal de um axônio e a

membrana da fibra muscular. A membrana invaginada é chamada goteira

sináptica ou canaleta sináptica, e o espaço entre o terminal e a membrana

da fibra é chamado espaço sináptico ou fenda sináptica. Esse espaço tem de

20 a 30 nanômetros de largura. No fundo da goteira encontram-se inúmeras

pequenas dobras da membrana muscular, chamadas fendas subneurais, que

aumentam em muito a área de superfície na qual o transmissor sináptico

pode agir.

No terminal axonal há muitas mitocôndrias que fornecem trifosfato de

adenosina (ATP), a fonte de energia que é usada para a síntese de um

transmissor excitatório, a acetilcolina. A acetilcolina, por sua vez, excita a

membrana da fibra muscular. A acetilcolina é sintetizada no citoplasma do

terminal, mas é absorvida rapidamente por muitas pequenas vesículas

sinápticas, cerca de 300.000, as quais se encontram normalmente nos

terminais de uma única placa motora. No espaço sináptico há grandes quantidades da enzima acetilcolinesterase, que destrói a aceticolina alguns

milissegundos depois que ela foi liberada das vesículas sinápticas.

 

Figura 7-1. Diferentes perspectivas da placa motora. A, Corte longitudinal através da placa motora. B, Visão da superfície da placa motora. C, Aspecto na micrografia eletrônica do ponto de contato entre um terminal isolado de um axônio e a membrana da fibra muscular. (Modificada de Fawcett DW, conforme modificação de Couteaux R, in Bloom W, Fawcett DW: A Textbook of Histology. Philadelphia: WB Saunders, 1986.)

 

SECREÇÃO DE ACETILCOLINA PELOS TERMINAIS

NERVOSOS

 

Quando um impulso nervoso atinge a junção neuromuscular, cerca de 125

vesículas de acetilcolina são liberadas dos terminais no espaço sináptico.

Alguns dos detalhes desse mecanismo podem ser vistos na Figura 7-2, que

mostra uma imagem expandida de um espaço sináptico, com a membrana

neural acima e a membrana muscular e suas fendas subneurais abaixo.

Na superfície interna da membrana neural estão as barras densas lineares,

mostradas em corte transversal na Figura 7-2. Nos dois lados de cada barra

densa estão partículas proteicas, que penetram na membrana neural; são os

canais de cálcio controlados por voltagem. Quando o potencial de ação se

propaga para o terminal, esses canais se abrem e permitem que os íons

cálcio se difundam do espaço sináptico para o interior do terminal nervoso.

Considera-se que os íons cálcio, por sua vez, ativem a proteína cinase

dependente da 2+ calmodulina-Ca que, por sua vez, fosforila as proteínas

sinapsina, que ancoram as vesículas de acetilcolina ao citoesqueleto do

terminal pré-sináptico. Esse processo libera as vesículas de acetilcolina do

citoesqueleto e permite que movam para a zona ativa da membrana neural

pré-sináptica adjacente às barras densas. As vesículas então se acoplam nos

pontos de liberação, se fundem com a membrana neural e lançam a

acetilcolina no espaço sináptico, pelo processo da exocitose.

Embora alguns dos detalhes previamente mencionados sejam

especulativos, sabe-se que o estímulo efetivo que causa a liberação da

acetilcolina das vesículas é a entrada dos íons cálcio e que a acetilcolina das

vesículas é esvaziada através da membrana neural adjacente às barras

densas.

Figura 7-2. Liberação de acetilcolina das vesículas sinápticas na membrana neural da junção neuromuscular. Observe a proximidade entre os locais de liberação na membrana neural para os receptores de acetilcolina na membrana muscular, nas aberturas das fendas subneurais.

 

A Acetilcolina Abre Canais Iônicos nas Membranas Pós-

sinápticas. A Figura 7-2 mostra também muitos receptores de

acetilcolina na membrana da fibra muscular; são os canais iônicos

controlados pela acetilcolina, e se localizam quase inteiramente próximos

às aberturas das fendas subneurais, situadas logo abaixo das áreas de barras

densas, onde a acetilcolina é lançada no espaço sináptico.

Cada receptor é um complexo proteico com peso molecular total de

aproximadamente 275.000. O complexo receptor de acetilcolina fetal é

composto por cinco subunidades proteicas, duas proteínas alfa e uma de

cada uma das proteínas beta, delta e gama. No adulto, uma proteína épsilon substitui a proteína gamma no seu receptor complexo. Essas moléculas

proteicas penetram por toda a extensão da membrana, situando-se lado a

lado em círculo para formar o canal tubular, ilustrado na Figura 7-3. O canal

mantém-se fechado, como mostrado na parte A da figura, até que duas

moléculas de acetilcolina se liguem às duas subunidades proteicas alfa.

Essa fixação provoca alteração conformacional que abre o canal, como

mostrado na parte B da figura.

O canal regulado pela acetilcolina tem diâmetro de cerca de 0,65

nanômetro, grande o suficiente para permitir que íons positivos importantes

— sódio (Na + + ++ ), potássio (K ) e cálcio (Ca) – se movimentem facilmente

pela abertura. Os estudos de patch-clamp demonstraram que um desses

canais, quando aberto pela acetilcolina, pode transmitir de 15.000 a 30.000

íons sódio em um milissegundo. Porém, íons negativos, tais como os íons

cloreto, não passam pelo canal devido às fortes cargas negativas na abertura

do canal que repelem esses íons negativos.

Na prática, muitos mais íons sódio fluem pelos canais regulados pela

acetilcolina do que quaisquer outros íons, por duas razões. Primeira,

existem apenas dois íons positivos em alta concentração: os íons sódio, no

líquido extracelular e os íons potássio, no líquido intracelular. Segunda, o

potencial muito negativo do lado de dentro da membrana muscular, −80 a

−90 milivolts, puxa os íons sódio com carga positiva para o interior da fibra

e, simultaneamente, se opõe ao efluxo dos íons potássio com carga positiva.

Como mostrado na Figura 7-3B, o principal efeito da abertura dos canais

controlados pela acetilcolina é permitir que grande número de íons sódio

entre na fibra, levando com eles grande número de cargas positivas. Essa

ação provoca alteração potencial local positiva, no lado interno da

membrana da fibra muscular, chamado de potencial da placa motora. Por

sua vez, esse potencial da placa motora inicia um potencial de ação que se

propaga ao longo da membrana muscular, causando a contração muscular.

Figura 7-3. Canal colinérgico. A, Estado fechado. B, Depois que a acetilcolina (Ach) se ligou e uma alteração de conformação abriu o canal, permitindo que íons sódio penetrassem na fibra muscular e estimulassem a contração. Observe as cargas negativas na abertura do canal que impedem a passagem de íons negativos como o cloreto. Destruição da Acetilcolina Liberada pela Acetilco-linesterase. A

 

acetilcolina, uma vez liberada no espaço sináptico, continua a ativar os

receptores de acetilcolina enquanto esta persistir nesse espaço. Entretanto,

ela é removida rapidamente por dois modos: (1) a maior parte da

acetilcolina é destruída pela enzima aceticolinesterase, que está ligada

principalmente à camada esponjosa do tecido conjuntivo fino que preenche

o espaço sináptico, entre o terminal nervoso pré-sináptico e a membrana

muscular pós-sináptica; e (2) uma pequena quantidade de acetilcolina se

difunde para fora do espaço sináptico, e assim deixa de estar disponível

para agir sobre a membrana da fibra muscular.

O tempo reduzido em que a acetilcolina se mantém no espaço sináptico —

alguns milissegundos, se tanto — é normalmente suficiente para excitar a

fibra muscular. A rápida remoção da acetilcolina evita a reexcitação

continuada do músculo, depois que a fibra muscular se recuperou de seu

potencial de ação inicial.

 

Potencial da Placa Motora e Excitação da Fibra Muscular

Esquelética. O influxo de íons sódio para a fibra muscular, quando os

canais colinérgicos se abrem, causa variação do potencial elétrico no

interior da fibra, no local da placa motora, para aumentar na direção

positiva, por 50 a 75 milivolts, criando um potencial local chamado

potencial da placa motora. Relembre, do Capítulo 5, que aumento súbito no

potencial da membrana nervosa de mais de 20 a 30 milivolts é normalmente

suficiente para iniciar a abertura de mais e mais canais de sódio, iniciando,

assim, um potencial de ação na membrana da fibra muscular.

A Figura 7-4 mostra o princípio pelo qual um potencial da placa motora

inicia o potencial de ação. Essa figura mostra três potenciais da placa

motora. Os potenciais da placa motora A e C são muito fracos para

desencadear um potencial de ação; porém, produzem fracas alterações

locais de voltagem na placa motora, como registrados na figura. Em contraste, o potencial da placa motora B é de amplitude maior e faz com

que número suficiente de canais de sódio se abra, de forma que o efeito

autorregenerativo de mais e mais íons sódio, fluindo para o interior da fibra,

inicie um potencial de ação. A baixa amplitude do potencial da placa

motora no ponto A foi causada por envenenamento da fibra muscular com

curare, fármaco que bloqueia o efeito controlador da acetilcolina sobre os

canais colinérgicos competindo pelos receptores da acetilcolina. A baixa

amplitude do potencial da placa motora no ponto C resultou do efeito da

toxina botulínica, veneno bacteriano que diminui a quantidade de

acetilcolina liberada pelos terminais nervosos.

 

Figura 7-4. Potenciais de placa motora (em milivolts). A, Potencial de placa motora de pequena amplitude, registrado em um músculo curarizado, que é insuficiente para desencadear um potencial de ação. B, Potencial de placa motora normal, desencadeando um potencial de ação muscular. C, Potencial de placa motora reduzido em amplitude pela toxina botulínica, que diminui a liberação de acetilcolina na placa motora; o potencial é insuficiente para desencadear um potencial de ação muscular.

 

Fator de Segurança para a Transmissão na Junção

Neuromuscular; Fadiga da Junção. Ordinariamente, cada impulso

que chega à junção neuromuscular provoca potencial da placa motora de

amplitude três vezes maior que o necessário para estimular a fibra muscular. Portanto, a junção neuromuscular normal tem alto fator de segurança. No

entanto, a estimulação da fibra nervosa com frequências maiores que 100

vezes por segundo, por vários minutos, muitas vezes diminui tanto o

número de vesículas de acetilcolina que os impulsos não são mais

transmitidos à fibra muscular. Essa situação é chamada fadiga da junção

neuromuscular, e é o mesmo efeito que causa a fadiga no sistema nervoso

central quando as sinapses são superexcitadas. Em condições normais de

funcionamento, raramente ocorre fadiga mensurável da junção

neuromuscular e mesmo assim apenas nos níveis mais exaustivos de

atividade muscular.

 

Biologia Molecular da Formação e da Liberação de Acetilcolina

A formação e a liberação da acetilcolina na junção neuromuscular ocorrem nos

seguintes estágios:

1. Pequenas vesículas, com tamanho de cerca de 40 nanômetros, são formadas

pelo complexo golgiense no corpo celular do neurônio motor, na medula espinal. Essas vesículas são então transportadas pelo axoplasma, que “flui” pelo interior

do axônio, desde o corpo celular, na medula espinal, até a junção

neuromuscular, nas terminações das fibras nervosas periféricas. Cerca de

300.000 dessas pequenas vesículas se acumulam nos terminais nervosos da única placa motora do músculo esquelético.

2. A acetilcolina é sintetizada no citosol do terminal da fibra nervosa e é

imediatamente transportada através das membranas das vesículas para seu interior, onde é armazenada em forma altamente concentrada, com cerca de 10.000 moléculas de acetilcolina em cada vesícula.

3. Quando um potencial de ação chega ao terminal nervoso, ele abre muitos

canais de cálcio na membrana do terminal nervoso, uma vez que esse terminal tem canais de cálcio controlados por voltagem. Como resultado, a concentração do íon cálcio, no interior do terminal, aumenta por cerca de 100 vezes, o que

por sua vez aumenta a velocidade de fusão das vesículas de acetilcolina com a membrana do terminal por cerca de 10.000 vezes. Essa fusão faz com que

muitas das vesículas se rompam, permitindo a exocitose da acetilcolina para espaço sináptico. Cerca de 125 vesículas são submetidas à exocitose a cada

potencial de ação. Depois de alguns milissegundos, a acetilcolina é clivada pela acetilcolinesterase em íon acetato e em colina, e a colina é reabsorvida

ativamente pelo terminal neural e usada para formar nova acetilcolina. Essa sequência de eventos ocorre em período de 5 a 10 milissegundos.

4. O número de vesículas disponíveis na terminação nervosa é suficiente para

permitir a transmissão de apenas algumas centenas de impulsos do nervo para

o músculo. Portanto, para a função contínua da junção neuromuscular, novas vesículas precisam ser reformadas rapidamente. Em alguns segundos após

cada potencial de ação ter terminado, “pequenas invaginações” aparecem na membrana do terminal nervoso, causadas por proteínas contráteis na terminação nervosa, especialmente a proteína clatrina; essa proteína está

associada à membrana nas áreas de fusão das vesículas originais. Em cerca de

20 segundos, as proteínas se contraem e formam as invaginações, que se separam para o lado interior da membrana, e se transformam então em novas vesículas. Em poucos segundos mais, a acetilcolina é transportada para o

interior dessas vesículas e elas estão prontas para um novo ciclo de liberação

de acetilcolina.

Fármacos que Reforçam ou Bloqueiam a Transmissão na Junção

Neuromuscular

Fármacos que Estimulam a Fibra Muscular por Ação Semelhante à da

Acetilcolina. Várias substâncias, incluindo a metacolina, o carbacol e a nicotina, têm quase o mesmo efeito que a acetilcolina sobre o músculo. A diferença entre

esses fármacos e a acetilcolina é que elas não são destruídas pela colinesterase

ou são destruídas tão lentamente que sua ação frequentemente persiste por muitos minutos ou várias horas. Os fármacos atuam provocando áreas localizadas de despolarização da membrana da fibra muscular na placa motora, onde estão

localizados os receptores de acetilcolina. Assim, a cada vez que a fibra muscular se recupera de uma contração, essas áreas despolarizadas em virtude do

vazamento de íons iniciam novo potencial de ação, levando dessa forma a estado de espasmo muscular.

Fármacos que Estimulam a Junção Neuromuscular, Inativando a

Acetilcolinesterase. Três fármacos, particularmente bem conhecidos,

neostigmina, fisostigmina e fluorofosfato de di-isopropil, inativam a acetilcolinesterase nas sinapses, de modo que ela não mais hidrolisa a acetilcolina. Dessa maneira, a cada impulso nervoso sucessivo, mais acetilcolina

se acumula e estimula repetidamente a fibra muscular. Essa atividade provoca

espasmo muscular, mesmo quando poucos impulsos nervosos alcançam o músculo. Infelizmente, isso também pode causar morte por espasmo da laringe

que sufoca o indivíduo.