A Neurociência molecular é um ramo da neurociência que utiliza conceitos da biologia molecular aplicada ao sistema nervoso dos animais. O âmbito desta área se refere principalmente a uma visão reducionista da neurociência, considerando temas como neuroanatomia molecular, mecanismos de sinalização molecular no sistema nervoso, os efeitos da genética no desenvolvimento neuronal e as bases moleculares da neuroplasticidade e doenças neurodegenerativas.Molecular Neuroscience. Assim como a biologia molecular, a neurociência molecular é um campo relativamente novo e consideravelmente dinâmico.
Localização de neurotransmissores Na biologia molecular, a comunicação entre neurônios ocorre tipicamente através de transmissões químicas entre os espaços celulares chamados Sinapses. Os transmissores químicos, chamados de neurotransmissores, regulam uma fração significativa das funções vitais do corpo."What are Neurotransmitters?" É possível localizar anatomicamente neurotransmissores através de técnicas de marcação. É possível identificar quimicamente certos neurotransmissores como as catecolaminas através da fixação de secções de tecido neuronal com formaldeído. Isto pode dar origem a uma fluorescência induzida por forlamdeído, quando exposto a luz ultravioleta. A Dopamina, uma catecolamina, foi identificada no nemátodo C. elegans utilizando-se esta técnica Riddle, Donald (1998). A imunocitoquímica, que envolve criar anticorpos contra alvos químicos ou biológicos, inclui algumas outras técnicas de interesse. Um neurotransmissor alvo poderia ser especificamente marcado por anticorpos primários ou secundários, com marcação radioativa, a fim de identificar o neurotransmissor por autoradiografia. A presença de neurotransmissores (embora não necessariamente a localização), pode ser observada em imuno-histoquímicas ou ELISA em que nos ensaios enzimáticos de ligação ao substrato podem induzir precipitados, fluoróforos, ou quimioluminescência. Caso os neurotransmissores não possam ser identificados histoquimicamente,um método alternativo é localizá-los pelos mecanismos de captação neuronal.Molecular Neuroscience.
Canais iônicos dependentes de voltagem thumb|Estrutura de canais de potássio dependentes de voltagem em eucariontes As células excitáveis em organismos vivos têm canais iônicos dependentes de voltagem. Estes podem ser observadas em todo o sistema nervoso de neurônios. Os primeiros canais iônicos a serem caracterizados foram os canais de íons de sódio e potássio por Alan Hodgkin e Andrew Huxley nos anos 1950, quando estudavam o axônio gigante da Loligo, um gênero de lula. Suas pesquisas demonstraram a permeabilidade seletiva das membranas celulares, dependente das condições fisiológicas, e os efeitos elétricos que resultam dessas permeabilidades para produzir potenciais de ação.Hodgkin, Allan L.; Andrew F. Huxley (1952).
Canais iônicos de sódio Os canais iônicos de sódio foram os primeiros canais iônicos dependentes de voltagem a serem isolados em 1984 da enguia Electrophorus electricus por Shosaku Numa. A tetrodotoxina (TTX),toxina do peixe fugu japonês ou baiacu, um bloqueador dos canais de sódio, foi utilizada para isolar a proteína do canal de sódio ligando-os através da técnica de cromatografia em coluna para a separação química. A sequência de aminoácidos foi analisada pela degradação de Edman e usada para construir uma biblioteca de DNAc, que pode ser utilizada para clonar a proteína do canal. A clonagem do próprio canal permitiu aplicações tais como a identificação dos mesmos canais em outros animais.Molecular Neuroscience. Os canais de sódio são conhecidos por trabalharem em conjunto com os canais de potássio durante o desenvolvimento de potenciais graduados e potenciais de ação. Os canais de sódio permitem um influxo de íons Na+ resultando em uma despolarização do potencial de membrana em repouso de um neurônio levando a um potencial graduado ou potencial de ação, dependendo do grau de despolarização.
Canais iônicos de potássio Os canais de potássio vêm em uma variedade de formas, estão presentes na maioria das células eucariotas, e normalmente tendem a estabilizar a membrana da célula no potencial de equilíbrio de potássio. Tal como acontece com íons de sódio, os potenciais graduados e potenciais de ação também são dependentes de canais de potássio. Enquanto o influxo de íons sódio em um neurônio induz uma despolarização celular, o efluxo de íons de potássio para fora de um neurônio resulta na repolarização para o potencial de repouso. A ativação dos próprios canais de potássio são dependentes da despolarização, resultante do influxo de sódio durante um potencial de ação. Tal como acontece com os canais de sódio, os canais de potássio têm as suas próprias toxinas que bloqueiam a ação de proteínas de canais. Um exemplo de toxina é o tetraetilamónio (TEA), mas deve-se lembrar que a toxina não tem o mesmo mecanismo de ação em todos os canais de potássio, levando-se em conta a variedade de tipos de canais entre as espécies. A presença de canais de potássio foi identificado pela primeira vez em moscas mutantes Drosophila melanogaster , que tremiam incontrolavelmente após anestesia devido a problemas na repolarização celular que levaram a uma eletrofisiologia anormal em neurônios e músculos. Os canais de potássio foram primeiro identificados através da manipulação genética molecular (das moscas) em vez de efetuar a purificação de proteínas de canal, porque não eram conhecidos ligantes de afinidade elevada para os canais de potássio (tal como TEA), no momento da descoberta.Kamb, Alexander; Linda E. Iverson; Mark A. Tanouye (31 July 1987).
canais iônicos de cálcio Os canais de cálcio são importantes para determinadas cascatas de sinalização celular, bem como a liberação de neurotransmissores em terminais axônicos. Uma variedade de diferentes tipos de canais de iônicos de cálcio são encontrados nas células excitáveis. Tal como acontece com os canais de sódio, canais iônicos de cálcio têm sido isolados e clonados por técnicas de purificação cromatograficas. É notável, como no caso de liberação de neurotransmissor, que os canais de cálcio podem interagir com proteínas intracelulares e desempenhar um papel importante na sinalização, especialmente em locais tais como o retículo sarcoplasmático de células musculares.
Receptores Vários tipos de receptores podem ser usados para a sinalização e comunicação celular, incluindo receptores ionotrópicos e receptores metabotrópicos. Estes tipos de receptores de superfície das células são diferenciados pelo mecanismo e duração de ação com os receptores ionotrópicos sendo associados com os receptores de transmissão de sinais rápida e metabotrópicos sendo associados à transmissão de sinais lenta. Os receptores metabotrópicos englobam uma grande variedade de receptores de superfície celular com diferentes cascatas de sinalização.
Receptores ionotrópicos thumb|350x350px|Descrição prototípica de receptores ionotrópicos no caso de influxo de íons Ca2+ Receptores ionotrópicos, também conhecidos como canais iônicos dependentes de ligantes, são receptores de ação rápida que controlam as funções neuronais e fisiológicas pelo fluxo de íons através da ligação do ligante com o receptor. Receptores nicotínicos, GABA e glutamato estão entre alguns dos receptores de superfície de células reguladas pelo fluxo de canal iônico dependentes de ligantes. O GABA é o principal neurotransmissor inibitório do cérebro e o glutamato é o principal neurotransmissor excitatório do cérebro.
Receptores GABA Os receptores GABAA e GABAC são conhecidos por serem ionotrópicos, enquanto o receptor GABAB é metabotrópico. Os receptores GABAA controlam as respostas inibitórias rápidas no sistema nervoso central e são encontrados em neurônios, células da glia e da medula adrenal. É responsável pelo influxo de íons Cl- para dentro das células, reduzindo a probabilidade de que ocorra a despolarização da membrana com a chegada de um potencial graduado ou um potencial de ação. Os receptores GABA podem também interagir com ligantes não endógenos influenciando a atividade. Por exemplo, o composto diazepam (comercializado como Valium) é um agonista alostérico que aumenta a afinidade do receptor para o GABA. O aumento dos efeitos fisiológicos inibitórios resultantes do aumento de ligação GABA faz com que o diazepam seja útil como tranquilizante ou anticonvulsivante (antiepilépticos). Por outro lado, os receptores GABA também podem ser alvo através da diminuição do influxo celular de Cl- sob o efeito de convulsivantes como a picrotoxina. O mecanismo de ação antagônica para este composto não é diretamente sobre o receptor GABA, mas existem outros compostos que são capazes de produzir uma inativação alostérica , incluindo o T-butilbicicloforotionato (TBPS) e o pentilenetetrazol (PZT). Comparado com o GABA do tipo A, os receptores GABA do tipo C tem uma maior afinidade para o GABA, que são susceptíveis de possuir maior duração de atividade, e as respostas são susceptíveis de serem geradas por concentrações de GABA inferiores.
Receptores de glutamato Receptores de glutamato do tipo ionotrópicos podem incluir NMDA, AMPA e receptores cainato. Estes receptores foram nomeados após a utilização de agonistas que facilitam a atividade glutamatérgica. receptores NMDA são conhecidos pelos seus mecanismos excitatórios que afetam a plasticidade neuronal na aprendizagem e memória, bem como neuropatologias como acidente cerebral vascular (AVC) e epilepsia. Receptores NMDA possuem diversos sítios de ligação como os receptores GABA e podem ser influenciados por co-agonistas como o neurotransmissor glicina e a fenciclidina(PCP). Os receptores NMDA permitem o fluxo de íons Ca2+ e podem ser bloqueados por íons Mg2+ extracelulares, dependendo das condições de voltagem e potencial de membrana. Este influxo de Ca2+ é aumentado por potenciais pós-sinápticos excitatórios (PPSE) produzidos pelos receptores NMDA, ativando cascatas de sinalização dependentes de Ca2+. Receptores AMPA produzem menores e maiores correntes pós sinápticas excitatórias em comparação a outros receptores ionotrópicos de glutamato.
Receptores nicotínicos (ACh) Receptores nicotínicos se une ao neurotransmissor acetilcolina (ACh) para produzir um fluxo de cátions não-seletivo pelo canal, que gera respostas pós-sinápticas excitatórias. A atividade deste receptor, que pode ser influenciada pela nicotina, produz sensação de euforia e relaxamento, caracterizando um alto índice de dependência química.
Receptores metabotrópicos thumb|350x350px|Cascata de sinalização de receptores acoplados à proteína G. Receptores metabotrópicos são receptores pós-sinápticos de resposta lenta. Estas respostas mais lentas são caracterizadas por mudanças mais elaboradas na bioquímica intracelular. Respostas da captação de neurotransmissores por receptores metabotrópicos podem resultar na ativação de enzimas intracelulares e cascatas envolvendo segundo mensageiros, como é o caso da receptores acoplados à proteína G. Vários receptores metabotrópicos podem incluir alguns tipos de receptores do glutamato, muscarínicos, GABAB e receptores da tirosina quinase.
Receptores acoplados à proteína G A cascata de sinalização da proteína G pode ampliar significativamente o sinal de determinado neurotransmissor para produzir centenas a milhares de segundos mensageiros dentro da célula. Os mecanismos pelos quais isto acontece estão descritos a seguir: O neurotransmissor se liga ao receptor O receptor sofre uma alteração conformacional para permitir a ligação do complexo da proteína G O GDP é trocado pelo GTP sobre o complexo ligação receptor-proteína A subunidade-α do complexo da proteína G ligada ao GTP separa-se e se liga à uma proteína alvo como por exemplo a adenilato ciclase A ligação com a proteína alvo aumenta ou diminui a taxa de produção de segundos mensageiros ( como por exemplo o AMP cíclico)