Tecnologia Científica

De onde veio o cérebro?
Charles Darwin escreveu um livro chamado
Por John Hewitt - 15/02/2021


Crédito: F. Baluška et. al. Phil. Trans.

Charles Darwin escreveu um livro chamado "O Poder do Movimento nas Plantas" com seu filho Francis, no qual eles identificaram pela primeira vez o ápice da raiz como o centro de comando central das plantas. Em contraste com nossa própria orientação com respeito ao campo gravitacional da Terra, Darwin propôs que os ápices das raízes representavam o pólo cognitivo anterior da planta ou árvore, enquanto os ápices caulinares representavam o pólo posterior. Nesta visão, os ápices das raízes são os únicos responsáveis ​​por identificar e visar áreas do solo ricas em nutrientes e pobres em toxinas para crescer, enquanto os brotos geram o aparato sexual para a reprodução.

Outra comparação informativa cérebro / planta pode ser feita entre o córtex altamente polarizado e as árvores. Células piramidais estendem dendritos apicais altamente fraturados para dentro da lâmina cortical enquanto perfuram a substância branca abaixo com um axônio profundamente penetrante e propositalmente ramificado. Para entender por que árvores, sistemas nervosos ou neurônios individuais concentram recursos em certas regiões dentro de si mesmos e proliferam elaborações exclusivamente ramificadas em diferentes ambientes externos, precisamos identificar os parceiros químicos e as persuasões físicas que cada um busca e responde.

Na última edição especial de Philosophical Transactions of the Royal Society L. Moroz et al. rastreie as origens dos sistemas nervosos mais primitivos para descobrir como algumas das milhares de moléculas comuns sob controle celular foram finalmente transformadas em neurotransmissores. Embora muitas das ideias apresentadas neste artigo, bem como a questão mais ampla sobre as origens dos cérebros, ainda sejam hipotéticas, a verdade costuma ser mais prontamente aceita quando transmitida de surpresa. Portanto, o surgimento improvável, porém inevitável, de sistemas nervosos por meio dos requisitos simples da digestão extracelular em formas multicelulares em evolução é uma ideia que pode ser prontamente engolida uma vez que as ligações químicas apropriadas sejam descobertas.

Nesse caso, a narrativa convincente é que os neurotransmissores peptídicos ou de pequenas proteínas devem ter evoluído primeiro. O registro genético indica que enzimas digestivas proteolíticas secretadas e toxinas peptídicas com estruturas tridimensionais prontamente adaptáveis ​​foram os primeiros alvos moleculares nos quais a seleção natural operou produtivamente. Muitos peptídeos de sinalização, principalmente originários do aparelho de Golgi, são, por sua vez, gerados a partir de propeptídeos maiores por meio de etapas sucessivas de proteólise e modificação química. As clivagens ocorrem frequentemente em locais di- ou monobásicos (como lisina-arginina) por prohormone convertases seguidas por α-amidação C-terminal onde uma enzima bifuncional peptidilglicina α-amidadora monooxigenase (PAM) converte uma glicina C-terminal em uma amida.
 
Em um artigo separado, o autor Gáspár Jékely fornece alguns insights adicionais sobre como os mecanismos de sinalização peptidérgica surgiram pela primeira vez. Ele observa que o processamento do PAM é anterior ao sistema nervoso e está presente na alga verde Chlamydomonas reinhardtii. Está localizado nos cílios desses organismos, onde é necessário para sua formação adequada. A triagem por espectrometria de massa revelou que os substratos de PAM em Chlamydomonas incluem peptídeos quimioatraentes que são liberados em ectossomos ciliares para atrair gametas do tipo de acasalamento negativo. A presença deste aparelho de sinalização de célula para célula em algas verdes revela a ancestralidade evolutiva surpreendentemente profunda da linha de produção de neuropeptídeos amidados chave.

A hipótese do cérebro químico de Jékely postula que os neurotransmissores vieram antes das sinapses e neurites, ao contrário do contrário. Em outras palavras, os transmissores fazem o sistema nervoso. Ele sugere ainda que a evolução dos sistemas circulatórios e órgãos neurohaemais liberou as restrições impostas à sinalização peptidérgica por difusão. A chamada circulação hemocelar dentro da cavidade corporal primária dos invertebrados, aliada à liberação de peptídeos, garantiu a rápida condução dos sinais por um corpo cada vez mais grande. Embora intrigante, também é verdade que os sistemas nervosos primitivos, que são anteriores aos sistemas circulatórios modernos (com células oxigenantes e imunológicas), também distribuem nutrientes e metabólitos e podem ter evoluído originalmente para esse propósito.

O nutriente celular definitivo é a mitocôndria inteira. Muitos tipos de células, especialmente as células imunes , têm uma curiosa tendência para secretar DNA mitocondrial, e frequentemente mitocôndrias inteiras, dentro de diferentes tipos de invólucros de membrana. Eles estendem nanotubos para fins especiais (que lembram aqueles usados ​​em trocas de conjugação bacteriana) e protrusões filopodiais alimentadas por tubulina para conduzir e expelir essas organelas. Dependendo do estado atual da célula doadora e se o vizinho aceitador é amigo ou inimigo, eles são dotados ou agredidos com mitocôndrias de diferentes estados de saúde e oxidativos. Uma hipótese mais radical, mas de forma alguma absurda, é que os neurônios evoluíram para aumentar o alcance e a especificidade desses tipos de transferências mitocondriais.

Em um artigo posterior, Detlev Arendt observa que, à medida que os animais multicelulares emergiam em um mundo de microbiota associada ao hospedeiro e provavelmente simbiótica, os organismos poderiam ter evoluído fenótipos neurais como mediadores imunológicos discriminando o eu do não-eu em suas cavidades entéricas. Ele observa que há muitas semelhanças entre os neurônios do tubo nervoso ventral e as células secretoras das ilhotas pancreáticas. Além da maquinaria sináptica semelhante para neuropeptídeo estimulado por potencial de ação e liberação de transmissor, a combinação de fatores de transcrição que especificam esses tipos de células está se sobrepondo.

Por exemplo, ambos usam os fatores de homeodomínio mnx, nk6, pax6 e Ilhota, e o fator de transcrição onecut hnf6 durante sua diferenciação inicial. Essas semelhanças entre o tubo neural ventral dos vertebrados e as células das ilhotas pancreáticas derivadas do intestino anterior podem ser derivados evolutivos de células neurossecretoras sensoriais em uma sola mucociliar digestiva . Até este ponto, a mesma assinatura geral do fator de transcrição também é compartilhada por neurônios selecionados e células intestinais no ouriço-do-mar, na célula neurossecretora derivada do ectoderma faríngeo no cnidário Nematostella e na demosponge Spongilla coanócitos digestivos secretores.

A transição gradual de transmissores de peptídeos em derivados de aminoácidos singulares ou outros pequenos produtos químicos centrados em apenas um punhado de jogadores-chave: glutamato, GABA, glicina, ATP, NO e prótons. Todos são relativamente baratos e fáceis de fazer em abundância em um curto período de tempo. Moroz et. al. explicar a preservação universal dessas moléculas particulares em operações de transdução de sinal em termos de uma resposta de lesão / regeneração. Comer pode ser uma proposta perigosa, especialmente se você for um organismo unicelular ou uma pequena colônia tentando se alimentar de algo comparável ao seu tamanho. A alimentação frequentemente inclui uma proteção imunológica inata contra patógenos potenciais completa com NO e implantação local de contra-toxinas. Todos os metabólitos acima são capazes de induzir respostas de expressão gênica bem coordenadas a lesões em organismos primitivos e em plantas e animais superiores. Um exemplo clássico é o papel do glutamato nas plantas em que uma ferida desencadeia uma resposta de longa distância à base de cálcio.

Os neurotransmissores modernos, incluindo as vias de neurotransmissores da serotonina, dopamina, noradrenalina, adrenalina, octopamina, tiramina, histamina e acetilcolina, não foram detectados de forma convincente na árvore filogenética inferior. Isso inclui organismos como ctenóforos, placozoários, esponjas e a maioria dos cnidários. Até o momento, a linhagem homológica mais distante de qualquer neurônio é provavelmente a metacélula cerebral (MCC). Esses interneurônios gigantes emparelhados contendo serotonina estão envolvidos na excitação alimentar e seus descendentes podem ser reconhecidos em toda a Eutineura (basicamente caracóis e lesmas). É um nível de subclasses de moluscos separadas por mais de 380 milhões de anos de evolução em cada direção e, portanto, de imensa importância na compreensão dos primeiros sistemas nervosos.

Muito do que sabemos hoje sobre transmissores vem do estudo genético de seus receptores e de suas enzimas de síntese. Este é um negócio complicado, porque os dois tipos de proteína são evolutivamente maleáveis ​​e aparentemente mudam de sequência e função na queda de um chapéu. Por exemplo, as hidroxilases de aminoácidos aromáticos de tirosina dependente de biopterina (TH) e triptofano (TPH) são as enzimas limitadoras de velocidade responsáveis ​​por fazer transmissores de catecolamina e serotonina, respectivamente. Uma única mutação em TH (e aspartato em valina em D425V) quase abole a atividade enzimática para a produção de L-DOPA, enquanto aumenta a especificidade para fenilalanina sobre tirosina em 80.000 vezes. Da mesma forma, os receptores acoplados à proteína G que uma vez foram otimizados para ligar e transduzir sinais baseados em peptídeos se transformaram em detectores de ligantes transmissores menores.

No polvo, a presença de receptores nicotínicos em seus sugadores costumava ser uma fonte de confusão, pois eles não eram sensíveis à acetilcolina. Reconhece-se agora que esses receptores são potencialmente ativados por muitos tipos de estímulos quimiossensoriais e não devem ser encaixados em seu homônimo original. À medida que a história do "que veio primeiro" para transmissores e receptores está agora se revelando rapidamente, as origens misteriosas dos sistemas nervosos que confundiam os imaginadores de Darwin pré-genéticos agora se tornam óbvias.

 

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