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Incrível: biólogos observam a reciclagem de vesículas contendo neurotransmissores

A imagem à esquerda mostra a exocitose. Partes de duas células nervosas de um rato são mostradas, acima e abaixo, aparecendo a sinapse entre elas na forma de linhas horizontais. A célula acima está repleta de pequenas bolhas — as vesículas. Uma das vesículas aparece na forma de um "U" invertido no meio da imagem, fundindo-se à membrana da célula para despejar neurotransmissores na célula abaixo. A imagem da direita mostra a endocitose, a reciclagem de uma vesícula. A vesícula reciclada em formação aparece como uma grande bolha no centro da foto. Crédito: Shigeki Watanabe

A imagem à esquerda mostra a exocitose. Partes de duas células nervosas de um rato são mostradas, acima e abaixo, aparecendo a sinapse entre elas na forma de linhas horizontais. A célula acima está repleta de pequenas bolhas — as vesículas. Uma das vesículas aparece na forma de um “U” invertido no meio da imagem, fundindo-se à membrana da célula para despejar neurotransmissores na célula abaixo. A imagem da direita mostra a endocitose, a reciclagem de uma vesícula. A vesícula reciclada em formação aparece como uma grande bolha no centro da foto. Crédito: Shigeki Watanabe

Biólogos da Universidade de Utah e da Charité – Universidade de Medicina de Berlim descobriram como as células nervosas reciclam minúsculas bolhas, ou “vesículas”, que enviam sinais nervosos químicos de uma célula para a seguinte. O processo é diferente dos últimos dois mecanismos propostos para a reciclagem, sendo também mais veloz.

Os pesquisadores fotografaram células do cérebro de um rato usando um microscópico eletrônico depois de submetê-las a um “congelamento de choque” no ato de dispararem sinais nervosos. Isso demonstrou que as pequenas vesículas são recicladas, e novas bolhas são formadas apenas um décimo de segundo depois de o conteúdo de neurotransmissores ser descarregado na fenda, ou sinapse, entre dois neurônios.

“Sem a reciclagem desses contêineres, ou ‘vesículas sinápticas’, cheios de neurotransmissores, você poderia se mover uma vez e parar, pensar um pensamento e parar, dar um passo e parar, e falar uma palavra e parar”, diz Erik Jorgensen, biólogo da Universidade de Utah, autor do estudo publicado na edição de 4 de dezembro da Nature.

“Um sistema nervoso rápido lhe permite pensar e se mover. Reciclar vesículas sinápticas permite ao seu cérebro e aos seus músculos se manterem funcionando por mais tempo do que alguns segundos”, afirma Jorgensen. “Este processo também pode proteger os neurônios de doenças degenerativas como a doença de Lou Gehrig e o Alzheimer. Então, compreender o processo pode, algum dia, nos dar ideias de tratamentos”.

Uma célula cerebral mantém um suprimento de 300 a 400 vesículas para enviar sinais nervosos químicos, utilizando até algumas centenas delas por segundo na liberação de neurotransmissores, de acordo com outro autor do estudo, Shigeki Watanabe.

A reciclagem de vesículas é chamada de endocitose. Jorgensen e Watanabe deram ao processo que observaram o nome “endocitose ultra-rápida“. Eles mostraram que leva apenas um décimo de segundo para que uma vesícula seja reciclada, fato que ocorre na borda de uma “zona ativa” — local  na extremidade do neurônio onde as vesículas despejam primeiramente os neurotransmissores que acabarão na sinapse entre as células nervosas. Nas palavras de Jorgensen: “uma vesícula desce (se funde e descarrega) e outra surge em algum outro lugar”.

O pesquisador acredita que a endocitose ultra-rápida é o método mais comum de reciclagem de vesículas, mas diz que o estudo não refuta as duas outras hipóteses correntes:

  • a primeira, que, supostamente, leva um segundo, consiste em uma vesícula “beijar” o interior da sua célula nervosa, descarregando seus neurotransmissores do lado de fora e “correndo”, separando-se para refazer uma vesícula reciclada na mesma parte da zona ativa.
  • a segunda, da endocitose mediada pela clatrina, que, alega-se, dura 20 segundos, ocorre longe da zona ativa, em um ponto no qual uma proteína denominada clatrina se transforma em um andaime no formato de bola de futebol e, então, forma uma nova vesícula.

No início do ano, Jorgensen, Watanabe e colegas publicaram um estudo no periódico eLife revelando que a endocitose ultra-rápida acontece em vermes nematódeos. Já o estudo de células do hipocampo de ratos “nos diz que os mamíferos — portanto, humanos — fazem o mesmo”, diz Jorgensen. “Juntos, os dois artigos identificam um processo nunca visto previamente — mais rápido do que já havia sido medido”.

Jorgensen e Watanabe conduziram o estudo com o apoio de M. Wayne Davis, professor assistente de Biologia da Universidade de Utah; Berit Söhl-Kielczynski, técnico, e Christian RosenmundBenjamin RostMarcial Camacho-Pérez, neurocientistas da Charité – Universidade de Medicina de Berlim.

“Metralhadoras” de reciclagem

O processo de fusão da vesícula à parede celular do neurônio, e a consequente liberação dos neurotransmissores na sinapse, é conhecido por exocitose. Analogamente, podemos pensar em uma bolha que surge na sopa fervendo e libera vapor. A porção líquida da bolha se funde com o líquido na sopa que, cedo ou tarde, assume a forma de outra bolha.

O Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina de 2013 foi dado a três cientistas (James E. RothmanRandy Schekman e Thomas Südhof) que descobriram aspectos fundamentais do transporte vesicular de cargas e da exocitose nas células: quais genes são necessários para o transporte vesicular, como as vesículas entregam o carregamento nos locais exatos, e como as vesículas das células cerebrais liberam neurotransmissores para enviarem sinais ao neurônio seguinte. Já os pesquisadores do estudo atual investigaram o próximo passo, a endocitose: como a membrana que forma as vesículas é reciclada para originar novas vesículas.

Para ilustrar os três possíveis mecanismos para a reciclagem de vesículas, Jorgensen compara-as ao uso de uma metralhadora. “Você está fundindo vesículas à membrana da célula nervosa e expelindo o conteúdo de neurotransmissores a taxas extremamente elevadas”, diz. “A sinapse usará sua ‘munição’ muito rapidamente a essas taxas, então a célula precisa recarregar os cartuchos vazios”.

A reciclagem mediada pela clatrina é como “refazer o cartucho praticamente do zero”, pondera, enquanto a endocitose “beijar-e-correr” é comparável a recolher cada cartucho e recarregá-los, um por um.

“A endocitose ultra-rápida permite à sinapse recolher todos os cartuchos vazios aos montes, enchê-los, e pô-los de volta no lugar a taxas incrivelmente altas, tal que a metralhadora nunca tem sua munição esgotada”, conclui Jorgensen.

Os biólogos Erik Jorgensen e Shigeki Watanabe, da Universidade de Utah, descobriram uma maneira ultra-rápida, na qual as células cerebrais levam apenas um décimo de segundo para reciclarem as vesículas, que transmitem neurotransmissores de uma célula nervosa a outra. Crédito: Lee J. Siegel

O congelamento das células em ação

Shigeki, Jorgensen e seu pares desenvolveram um método para fotografar as minúsculas vesículas dentro de uma célula nervosa enquanto as bolhas se moviam em direção à extremidade do neurônio, fundiam-se à membrana celular, descarregavam os neurotransmissores na sinapse, e eram recicladas, reaparecendo como novas bolhas dentro da célula.

“Descobrimos uma forma de olhar para este processo em uma escala temporal na qual ninguém havia olhado antes”, segundo Watanabe. Primeiro, os pesquisadores cultivaram centenas de células cerebrais do hipocampo do rato em discos de safira inseridos em discos de Petri contendo meios de cultura. Acrescentaram um gene encontrado em algas às células do rato, fazendo com que os neurônios produzissem um “canal iônico” — basicamente um interruptor — que é estimulado pela luz, ao invés da eletricidade. Então, as células cerebrais foram postas em uma câmara de alta pressão (2 mil vezes maior do que a atmosfera terrestre ao nível do mar) muito fria (310 graus abaixo de zero Fahrenheit).

É impossível instalar um cabo dentro da câmara, razão pela qual as células foram geneticamente programadas para serem estimuladas pela luz. Os pesquisadores lançaram luz azul sobre as células do rato, fazendo-as disparar neurotransmissores. Ao mesmo tempo, os neurônios ativos foram congelados com um sopro de nitrogênio líquido. Para capturar os neurônios em todas as etapas do disparo de neurotransmissores, as células foram congeladas diversas vezes após o estímulo de luz azul — 15, 30 e 100 milissegundos, e 1, 3 e 10 segundos.

“Nós construímos um novo aparelho para capturar os neurônios realizando comportamentos velozes”, explica Jorgensen. “Ele interrompe todo o movimento na célula — mesmo membranas no ato da fusão”.

A seguir, os discos de safira foram inseridos no epóxi líquido, que os endureceu. A partir daí, foram minuciosamente fatiados para que os neurônios pudessem ser fotografados sob o telescópio eletrônico. A formação ultra-rápida de vesículas recicladas ficou visível:

“Vê-se o contorno da membrana”, diz Jorgensen, que acrescenta ter sido possível “ver as bolhas, ou vesículas, em diferentes estágios de formação”.

Watanabe diz que cerca de 3 mil sinapses de células cerebrais do rato foram iluminadas, congeladas e analisadas durante o estudo. Cerca de 20% das células nervosas tinham sido ativadas e apresentaram sinais de que as vesículas nervosas estavam sendo recicladas.

Fonte: Phys.org

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This entry was posted on 4 de Dezembro de 2013 by in Biologia, Medicina and tagged , , , , , , , , .

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