SINAPSIS Y NEUROTRANSMISORES PDF

SINAPSIS Y NEUROTRANSMISORES Autor: MVZ Jesús Ángel Aguirre Pineda El autor agradece la colaboración de la Dra. Ma. Del Carmen Frías Domínguez...

SINAPSIS Y NEUROTRANSMISORES Autor: MVZ Jesús Ángel Aguirre Pineda El autor agradece la colaboración de la Dra. Ma. Del Carmen Frías Domínguez en la elaboración de este apunte Una sinapsis es una unión funcional entre una porción de una neurona (generalmente el axón) y una porción de otra célula, pudiendo esta última ser otra neurona, una célula muscular o una célula glandular. Las sinapsis permiten la transmisión de información entre las células implicadas; tal transmisión sináptica es una de las bases del funcionamiento del sistema nervioso y de la regulación que este sistema ejerce sobre la actividad de múltiples células efectoras. Las sinapsis se clasifican de acuerdo con varios criterios. Según las estructuras histológicas que las integran, las sinapsis pueden ser: a) Neuronales → aquellas establecidas entre dos neuronas. A su vez pueden ser axodendríticas (entre un axón y una dendrita), axosomáticas (entre un axón y un soma o cuerpo neuronal) o axoaxonales (entre dos axones). b) Neuromusculares → aquellas establecidas entre una neurona y una célula muscular c) Neuroglandulares → aquellas establecidas entre una neurona y una célula glandular De acuerdo con su localización, las sinapsis neuronales se clasifican en: a) Centrales → se localizan dentro del sistema nervioso central b) Periféricas → se localizan fuera del sistema nervioso central Finalmente, de acuerdo con el tipo de transmisión, las sinapsis pueden ser: a) Eléctricas → la comunicación se da a través del flujo de iones de una célula a otra (flujo de corriente eléctrica). b) Químicas → la comunicación es a través de mediadores químicos llamados neurotransmisores; este tipo de sinapsis es el más común. c) Mixtas → la comunicación es a través de los dos procesos anteriores. Sinapsis eléctricas En este tipo de sinapsis las membranas de ambas neuronas se encuentran muy cercanas entre sí y existen canales que conducen electricidad directamente desde una célula a la siguiente. Estos canales son estructuras proteicas llamadas uniones en hendidura que funcionan como puentes de baja resistencia eléctrica que permiten el paso de iones desde una célula hacia la otra. Una característica muy importante de las sinapsis eléctricas es que permiten el flujo bidireccional de la información. Es decir, el potencial de acción podría propagarse de la neurona A a la neurona B, pero en otro momento también podría propagarse de la neurona B a la neurona A. Sinapsis químicas En este tipo de sinapsis, una de las dos células secreta una sustancia llamada neurotransmisor, el cual se une a proteínas receptoras localizadas en la membrana de la otra célula. Una característica importante de las sinapsis químicas es el hecho de que, en general, transmiten la información en una sola dirección: esto es, de la neurona que secreta el neurotransmisor (célula presináptica) a la célula que tiene los receptores para ese neurotransmisor (célula postsináptica). Esta característica es fundamental para la organización y la dirección de las señales nerviosas. La mayoría de las sinapsis en el organismo son químicas. En los siguientes párrafos se aborda el funcionamiento de las sinapsis químicas establecidas entre neuronas. Al final de este apunte se describe la sinapsis neuromuscular, uno de los ejemplos mejor conocidos de sinapsis química. Anatomía fisiológica de la sinapsis Generalmente, una terminal presináptica es la parte final del axón de una neurona y constituye el elemento presináptico en una sinapsis. Una neurona determinada recibe estimulación de muchas terminales presinápticas (desde unas cuantas hasta varios miles); por lo tanto, muchas células (en este caso presinápticas) establecen sinapsis con una célula postsináptica, participando en el control de esta última. Estas sinapsis se establecen principalmente a nivel de las dendritas de la neurona postsináptica, aunque algunas también lo hacen sobre el soma. Las terminales presinápticas también reciben el nombre de botones terminales o botones sinápticos. Muchas de ellas son excitatorias (liberan un neurotransmisor que, por ejemplo, despolariza la membrana de la célula postsináptica), mientras que otras son inhibitorias (liberan un neurotransmisor que, por ejemplo, hiperpolariza la membrana de la célula postsináptica). Cada terminal presináptica está separada de la superficie de la neurona postsináptica por un estrecho espacio denominado hendidura sináptica, que contiene líquido extracelular. Con un microscopio óptico, es posible observar las vesículas con neurotransmisor localizadas en el interior de los botones terminales. Liberación del neurotransmisor Cuando el potencial de acción se propaga hasta la terminal presináptica, se desencadenala apertura de canales de calcio dependientes de voltaje localizados en la membrana de dicha terminal. Esto permite el movimiento de iones calcio desde el líquido extracelular al interior de la terminal presináptica. La entrada de calcio provoca que una pequeña cantidad de vesículas con neurotransmisor se fusionen con la membrana celular y se liberen moléculas de neurotransmisor a la hendidura sináptica. A este proceso se le denomina exocitosis de neurotransmisor. Las moléculas de neurotransmisor se unen a los receptores ubicados en la membrana de la célula postsináptica. Receptores de neurotransmisores La membrana de la célula postsináptica contiene un gran número de receptores para el neurotransmisor, que son proteínas transmembranales particulares. Una característica muy importante de los receptores es su especificidad: no cualquier neurotransmisor puede unirse a ellos, sino que son específicos para un tipo de neurotransmisor. Efectos en la célula postsináptica La unión del neurotransmisor con su receptor provoca cambios en la actividad de la célula postsináptica. Algunos de los mecanismos más importantes por los que un neurotransmisor modifica la actividad de la célula postsináptica son los siguientes:  Apertura de canales iónicos Muchos neurotransmisores, al unirse a su receptor, provocan apertura de canales iónicos específicos (por ejemplo canales de sodio, de calcio, de potasio o de cloruro) localizados en la membrana de la célula postsináptica. Esto genera flujos iónicos a través de la membrana, que dan como resultado cambios inmediatos en el potencial de la membrana postsináptica.  Activación de segundos mensajeros Muchos neurotransmisores, al unirse a su receptor, modifican la formación o activación de segundos mensajeros en el interior de las neuronas postsinápticas. Así, la unión del neurotransmisor con su receptor puede inducir la formación de un segundo mensajero, el cual puede 1) activar enzimas intracelulares, 2) activar la transcripción de genes específicos, 3) modificar la actividad metabólica de la célula postsináptica, 4) provocar una apertura prolongada de canales iónicos, 5) modificar a largo plazo la estructura celular, etc… Excitación e inhibición La activación de algunos receptores favorece la excitación de la neurona postsináptica, mientras que la activación de otros causa inhibición. Dicho de otra forma, algunos neurotransmisores tienen efectos excitadores, mientras que otros ejercen efectos inhibidores sobre la célula postsináptica. Excitación Algunos de los mecanismos de acción de los neurotransmisores excitadores son los siguientes: 1. Provocar apertura de canales de sodio en la membrana de la célula postsináptica Esta acción permite la entrada de sodio (cagas positivas) a la célula postináptica a favor de su gradiente, lo que genera que el potencial de membrana adquiera un valor menos negativo y se aproxime al umbral de excitación. 2. Provocar cierre de canales de cloruro Esta acción disminuye la entrada de iones cloruro (cargas negativas) a la célula postsináptica. Como resultado, el potencial en el interior de la membrana se vuelve menos negativo. 3. Provocar cierre de canales de potasio Esta acción limita la salida de iones potasio (cargas positivas) de la célula postsináptica. Al igual que en los casos anteriores, el resultado es un potencial menos negativo en el interior de la membrana, que se aproxima al umbral de excitación 4. Otros o Cambios en el metabolismo de la célula postsináptica  o Aumento del número de receptores involucrados en efectos excitadores. o Disminución del número de receptores involucrados en efectos inhibidores. Inhibición Los mecanismos de acción de los neurotransmisores inhibidores en general son los mecanismos opuestos a los de los neurotransmisores excitadores. Ejemplos de mecanismos inhibitorios son los siguientes: 1. Provocar apertura de canales de cloruro Este efecto favorece la entrada de iones cloruro (carga negativa) al interior de la membrana en favor de su gradiente, lo que provoca que el potencial de membrana adquiera un valor más negativo y se aleje de su valor umbral. 2. Apertura de canales de potasio Esta acción favorece la salida de potasio (carga positiva), lo que, al igual que el caso anterior, provoca que el potencial de membrana adquiera un valor más negativo. 3. Otros  Cambios en el metabolismo de la célula postsináptica  Aumento del número de receptores involucrados en efectos inhibidores.  Disminución del número de receptores involucrados en efectos excitadores. Neurotransmisores Se han descrito más de 50 sustancias que funcionan como neurotransmisores. Entre los más conocidos se encuentran: acetilcolina, adrenalina, noradrenalina, dopamina, serotonina, histamina, glutamato, glicina, ácido gamma amino butírico (GABA) y óxido nítrico. Además, diversos péptidos como endorfinas, encefalinas, somatostatina, sustancia P, péptido intestinal vasoactivo, prolactina, tirotropina, etc… Acetilcolina Las neuronas que sintetizan, almacenan y liberan el neurotransmisor acetilcolina se denominan colinérgicas. La acetilcolina liberada por estas neuronas actúa sobre receptores colinérgicos localizados en la membrana de las células postsinápticas. La acetilcolina se sintetiza dentro en las terminales presinápticas a partir de acetil coenzima A y colina, por acción de la enzima acetiltransferasa de colina. Después de ser liberada, es degradada a acetato y colina por la enzima acetilcolinesterasa, localizada en el espacio sináptico. La colina producida mediante esta reacción es transportada de manera activa hacia la terminal presináptica, en donde es reutilizada para sintetizar acetilcolina nuevamente. En muchos casos, la acetilcolina ejerce un efecto excitador. No obstante, también ejerce efectos inhibidores al ser liberada por algunas terminaciones nerviosas. Por ejemplo, las neuronas parasimpáticas que inervan el corazón liberan acetilcolina y ésta, al actuar sobre receptores colinérgicos localizados en las células musculares cardiacas, ejerce efectos inhibidores. Aminas Las aminas son la adrenalina, noradrenalina, dopamina, serotonina e histamina. La adrenalina y la noradrenalina son catecolaminas y actúan sobre receptores adrenérgicos. Muchas de sus acciones son excitadoras, pero algunas son inhibidoras. La dopamina actúa sobre receptores dopaminérgicos y su efecto es generalmente inhibitorio. La serotonina actúa sobre receptores serotoninérgicos y actúa, por ejemplo, inhibiendo neuronas involucradas en la transmisión de señales del dolor; su papel es importante en la regulación del estado de ánimo. Aminoácidos El ácido gamma-aminobutírico (GABA) y la glicina son dos ejemplos de neurotransmisores que casi siempre tienen efectos inhibidores. El glutamato, en cambio, es un neurotransmisor con efectos predominantemente excitadores. Péptidos A diferencia de otros neurotransmisores, que se sintetizan en la propia terminal presináptica, los neuropéptidos se producen en el soma neuronal y son transportados lentamente a lo largo de los axones hasta alcanzar las terminales nerviosas en donde serán liberados. Los neuropéptidos generalmente provocan acciones más prolongadas al actuar sobre las células postsinápticas. Potencial postsináptico El cambio provocado en el potencial de la membrana postsináptica como consecuencia de la liberación de neurotransmisor por la(s) célula(s) presináptica(s) se denomina potencial postsináptico. Potencial postsináptico excitatorio Si varias terminales presinápticas liberan un neurotransmisor excitatorio sobre el soma de la neurona postsináptica, el potencial de membrana en esta última sufrirá un cambio notable, hacia un valor menos negativo. Por ejemplo, podría cambiar de -60 mV a -50 mV. Este cambio del potencial de membrana hacia un valor menos negativo es una despolarización y, puesto que en este caso es consecuencia de la actividad sináptica, se denomina potencial postsináptico excitatorio (PPSE). El nombre PPSE hace referencia al hecho de que, si el cambio hacia un valor menos negativo es de una magnitud suficiente, alcanzará el nivel umbral y provocará un potencial de acción en la neurona postsináptica, por lo tanto la excitará. Generalmente, la liberación de neurotransmisor por una sola terminal presináptica puede provocar un cambio despolarizante pequeño en la membrana postsináptica (es decir un PPSE), pero no un potencial de acción. Para que se genere un potencial de acción en la neurona postsináptica, se requiere que varias terminales excitatorias liberen su neurotransmisor al mismo tiempo (suma espacial), o bien, que las terminales liberen neurotransmisor no una, sino varias veces consecutivas en rápida sucesión (suma temporal). La facilitación neuronal es un término que se refiere a un estado en el cual el potencial postsináptico es excitatorio pero aún no ha alcanzado el umbral de excitación. En tal condición, una señal excitadora proveniente de alguna otra fuente podría fácilmente generar un potencial de acción. Potencial postsináptico inhibitorio (PPSI) En las sinapsis inhibitorias el elemento presináptico libera un neurotransmisor que con frecuencia actúa en la célula postsináptica abriendo canales de cloruro o de potasio. Esto favorece la difusión de tales iones a través de la membrana en favor de su gradiente (entrada en el caso del cloruro y salida en el caso del potasio). En ambos casos, el resultado es un cambio del potencial de membrana hacia un valor más negativo. El cambio del potencial de membrana hacia un valor más negativo se denomina hiperpolarización. En este caso, tal hiperpolarización se llama potencial postsináptico inhibitorio (PPSI) porque se presenta en la célula postsináptica y porque provoca que el potencial de membrana de esta célula se aleje del valor umbral, disminuyendo así la probabilidad de que se genere un potencial de acción. La inhibición de una célula postsináptica, causada por las sinapsis inhibitorias que actúan directamente sobre ella, se denomina inhibición postsináptica. También existe la inhibición presináptica, en la cual terminaciones presinápticas liberan un neurotransmisor inhibitorio (generalmente GABA, que abre canales aniónicos) que actúa sobre terminaciones presinápticas excitatorias, formando así sinapsis axoaxónicas que inhiben a esas terminaciones excitatorias. Suma de potenciales excitatorios e inhibitorios Si el efecto de los estímulos inhibidores que actúan sobre una neurona es considerablemente mayor que el efecto de los estímulos excitadores que actúan al mismo tiempo sobre esa neurona, la neurona no generará potenciales de acción (su frecuencia de disparo será igual a cero). Si a partir de ese punto se incrementa gradualmente la entrada de señales excitadoras (o se reduce la entrada de señales inhibidoras), el potencial de membrana de la neurona se hará menos negativo, hasta que se alcance el umbral y la neurona comience a generar potenciales de acción. Si la entrada de señales excitadoras se incrementa todavía más, la neurona generará potenciales de acción a una frecuencia progresivamente mayor. Por lo tanto, es fundamental comprender que el control de la actividad de una célula postsináptica NO consiste en excitarla por completo ni en inhibirla por completo. Más bien, es un fenómeno GRADUAL. El estado de excitación de una célula postsináptica es resultado de la suma de los numerosos estímulos excitadores e inhibidores que está recibiendo en un momento determinado. Debe entonces quedar claro que tanto los estímulos excitadores como los inhibidores juegan un papel importantísimo en la regulación de la actividad de la célula postsináptica. Retraso sináptico Durante la transmisión sináptica, se requiere cierto tiempo para: 1) la liberación del neurotransmisor por la neurona presináptica, 2) la difusión del neurotransmisor hasta la membrana postsináptica, 3) la activación de los receptores por parte del neurotransmisor, 4) la activación de los mecanismos que provocan el efecto en la célula postsináptica, por ejemplo la apertura de canales de sodio y 5) la difusión de iones sodio al interior de la membrana hasta que se alcance el nivel umbral y se genere un potencial de acción. Para que todos estos eventos se lleven a cabo se requiere un tiempo de al menos 0.5 milisegundos, el cual se denomina retraso sináptico y es una característica de las sinapsis químicas. La transmisión a través de las sinapsis eléctricas es más rápida porque en ese tipo de sinapsis el potencial de acción simplemente se propaga, de manera directa, de una neurona a la otra. Unión neuromuscular (sinapsis neuromuscular) Una de las sinapsis químicas mejor estudiadas es la que se produce entre una neurona motora y una célula muscular esquelética, que se conoce como sinapsis neuromuscular o unión neuromuscular. El soma de las neuronas motoras se localiza en el sistema nervioso central y sus axones, mielínicos y gruesos, transcurren a lo largo de los nervios periféricos hasta alcanzar las células musculares esqueléticas que inervan. Cada neurona motora establece sinapsis con varias fibras/células musculares (de tres a varios cientos de fibras musculares). En cambio, la actividad contráctil de cada fibra muscular esquelética es controlada por una sola neurona motora; sólo hay una unión neuromuscular por cada fibra muscular. Dicha unión se encuentra en la porción media de la célula muscular. Anatomía fisiológica de la sinapsis neuromuscular En una unión neuromuscular, la neurona motora origina varias terminales o botones sinápticos que hacen contacto con una célula muscular individual. Este grupo de botones sinápticos conforma la placa motora terminal, localizada sobre una región limitada de la fibra muscular. Cada botón sináptico cuenta con abundantes vesículas que contienen el neurotransmisor acetilcolina. En el espacio sináptico hay grandes cantidades de la enzima acetilcolinesterasa, que destruye a la acetilcolina pocos milisegundos después de que fue liberada desde las vesículas sinápticas. La zona de la membrana muscular localizada en la sinapsis presenta invaginaciones llamadas pliegues de unión, cuya función es aumentar la superficie donde se localizan los receptores de acetilcolina. Según algunos autores, esta región especializada de la membrana muscular es lo que se denomina placa motora terminal. Si atendemos este concepto, entonces existen varias placas motoras terminales en una unión neuromuscular. Liberación de acetilcolina y excitación de la membrana muscular La llegada de un potencial de acción a la terminal de la neurona motora provoca la liberación de cierta cantidad de acetilcolina hacia el espacio sináptico. Los receptores de acetilcolina localizados en la membrana muscular son receptores colinérgicos de tipo nicotínico, denominados así porque también son activados por la nicotina. La activación de estos receptores por la acetilcolina provoca la apertura de canales de sodio y con ello el inicio de un potencial de acción en la célula muscular. La cantidad de acetilcolina secretada por la generación de un potencial de acción en la neurona es más que la necesaria para provocar un potencial de acción en la célula muscular. Se dice entonces que la unión neuromuscular tiene un factor de seguridad alto. DIFERENCIAS ENTRE LA SINAPSIS NEUROMUSCULAR Y LAS SINAPSIS ENTRE NEURONAS UNIÓN NEUROMUSCULAR SINAPSIS ENTRE NEURONAS El neurotransmisor involucrado siempre es la Existe una gran variedad de neurotransmisores acetilcolina La liberación del neurotransmisor siempre produce La liberación del neurotransmisor causa excitación en excitación postsináptica. unos casos, inhibición en otros. Existe una gran variedad de receptores, cada uno El receptor de neurotransmisor es el receptor de específico para un tipo de neurotransmisor en acetilcolina de tipo nicotínico. particular. La actividad del neurotransmisor termina gracias a la La actividad del neurotransmisor termina gracias a la acción de diferentes mecanismos (recaptación por la acción de la acetilcolinesterasa terminal sináptica, degradación enzimática, etc…). Un solo potencial de acción en la neurona Un solo potencial de acción en la neurona motora es presináptica raramente produce un potencial de capaz de generar un potencial de acción en la célula acción en la neurona postsináptica; es necesario que muscular (factor de seguridad). haya suma para que se desarrolle un potencial de acción postsináptico. Sustancias que alteran la transmisión neuromuscular Activadores de la actividad muscular → Existen sustancias o fármacos que, al igual que la acetilcolina, pueden estimular a las células musculares esqueléticas. Algunas de estas sustancias actúan uniéndose y activando a los receptores nicotínicos de las células musculares; ejemplos son la nicotina y el carbacol. Otras sustancias actúan inhibiendo la actividad de la acetilcolinesterasa, con lo cual provocan que la acetilcolina actúe más tiempo sobre el músculo; ejemplos de esas sustancias incluyen a la neostigmina y la fisostigmina. Inhibidores de la transmisión neuromuscular → Por otro lado, también existen sustancias que bloquean la transmisión neuromuscular. Algunas de estas sustancias actúan uniéndose a los receptores de acetilcolina e impidiendo que esta última pueda activarlos; un ejemplo es el curare. Otras sustancias actúan inhibiendo la liberación de acetilcolina por las neuronas motoras; este grupo incluye a la toxina botulínica.