El encéfalo humano contiene alrededor de 86 mil millones de neuronas, cada una con la capacidad de influir en muchas otras células. Sin duda, se requieren mecanismos complejos y altamente eficientes para hacer posible la comunicación entre este número astronómico de elementos. Esta comunicación se logra a través de las sinapsis, que son los contactos funcionales de las neuronas. Es posible distinguir dos tipos diferentes de sinapsis; las eléctricas (de menor proporción) y las químicas (las más comunes) sobre la base de su mecanismo de de transmisión. En las sinapsis eléctricas, la corriente fluye a través de las uniones en hendidura, que son canales de membrana especializados en donde se conectan dos células nerviosas. En cambio, la sinapsis química permite la comunicación intercelular a través de la secresión de neurotransmisores; estos agentes químicos liberados por las neuronas presinápticas producen flujo de corriente en las neuronas postsinapticas al activar moléculas receptoras específicas. El número total de neurotransmisores no se conoce, pero es muy superior a 100. Casi todos los neurotransmisores sufren un ciclo similar de uso; síntesis y empaquetamiento en vesículas sinápticas; liberación desde la célula presinaptica; fijación a receptores postsinápticos y, por el último, una rápida eliminación degradación o ambas. La secresión de neurotransmisores es desencadena por el influjo de CA2+ a través de los canales con puerta de voltaje, que dan origen a un aumento transitorio en la concentración de CA2+ en el interior de la terminación presinaptica. La elevación en la concentración de CA2+ hace que las vesículas presinapticas se fusionen con la membrana plasmática presináptica y liberen su contenido en el espacio entre las células presinapticas y postsinapticas. Si bien aún no se conoce exactamente de que modo el CA2+ desencadena la exocitosis, las proteínas sobre la superficie de las vesículas sinapticas y en otros sitios de la terminación presinaptica mediante este proceso. Los neurotransmisores provocan respuestas eléctricas postsinapticas al fijarse a miembros de un grupo diverso de receptores de neurotransmisores. Existen dos clases principales de receptores: aquellos en los cuales la molécula receptora también es un canal iónico, y aquellos en los cuales receptor y canal iónico son moléculas separadas. Estos receptores dan origen a señales eléctricas por la aperutura o el cierre de los canales iónicos inducidos por los neurotransmisores. El hecho de las acciones postsinapticas de un neurotransmisor particular sean exitadoras o inhibidoras está determinado por la permeabilidad iónica del canal iónico afectado por el transmisor y por el gradiente electroquímico para los iones permeables.

Aunque existen muchos tipos de sinapsis en el interior del encéfalo humano pueden dividirse en dos clases generales sinopsis eléctricas y sinapsis químicas. Si bien constituyen una minoría definida, las sinapsis eléctricas se encuentran en todos los sistemas nerviosos y permiten el flujo pasivo y directo de corriente eléctrica de una neurona a otra. La estructura de una sinapsis eléctrica de una neurona a otra. La estructura de una sinapsis eléctrica se muestra esquemáticamente en la figura 1. La neurona que se encuentra “corriente arriba” (proximal), origen de la corriente, se denomina elemento presináptico, y la neurona que se encuentra “corriente abajo” (distal) hacia la cual fluye esta corriente se denomina postsináptica. Las membranas de las dos neuronas comunicantes se aproximan mucho en la sinapsis y en realidad se conectan por una especialización intercelular llamada unión en hendidura o unión gap. Las uniones en hendidura contienen canales apareados y alineados con precisión, denominados conexones, que se presentan en la membrana de las neuronas presinápticas y postsinápticas: seis conexinas presinápticas se alinean con seis conexinas postsinápticas para formar un poro (Figura 1 C). El poro de un canal conexón es mucho mas grande que el poro de los canales iónicos con la puerta de voltaje descritos en el capitulo anterior. En consecuencia, distintas sustancias pueden difundir simplemente entre el citoplasma de las neuronas presinápticas y postsinápticas. Además de los iones, las sustancias que difunden a través de los poros de la unión en la hendidura incluyen moléculas con pesos moleculares de hasta varios cientos de daltons. Esto permite que ATP y los metabolitos intracelulares importantes, como los segundos mensajeros, sean transferidos entre las neuronas. Los conexones están compuestos por una familia especial de proteínas de canales iónicos, las conexinas (Figura 1D). Existen varios tipos diferentes de conexinas, halladas en distintos tipos celulares y que proporcionan uniones en hendidura con diversas propiedades fisiológicas.

Figura 1. A) En las sinapsis eléctricas, ocurren uniones e hendidura entre las membranas presináptica y postsináptica. B) Las uniones en hendudura consisten en canales intercelulares que permiten que la corriente fluya pasivamente desde la célula presinaptica a la postsináptica. C) Las uniones en hendidura consisten en complejos hexaméricos formados por la unión de subunidades denominadas conexones que están presentes tanto en la membrana presináptica  como en la postsináptica. Los poros de los canales se conectan y crean una continuidad eléctrica entre las dos células. D) Los conexones consisten en la proteína integral de la membrana conexina.

Las sinapsis eléctricas funcionan así permitiendo que la corriente iónica fluya pasivamente a través de los poros de la unión en hendidura desde una neurona a la otra. La fuente habitual de corriente es la diferencia de potencial generada localmente por el potencial de acción . Esta disposición tiene algunas consecuencias interesantes. Una es que la transmisión puede ser bidireccional; esto es, la corriente puede fluir en cualquier dirección a través de la unión en hendidura, dependiendo de que miembro de la pareja acoplada sea invadido por el potencial de acción (aunque algunos tipos de uniones en hendidura tienen características especiales que hacen su transmisión unidireccional). Otro rasgo importante de sinapsis eléctrica es que la transmisión es extraordinariamente rápida: dado que el flujo pasivo de corriente a través de la unión en hendidura es casi instantáneo. La comunicación puede ocurrir sin la demora característica de las sinapsis químicas.

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Estas características son evidentes en la operación de la primera sinapsis eléctrica descubierta, localiza en el sistema nervioso del cangrejo de río. Se observa una señal eléctrica postsináptica en esta sinapsis en una fracción de milisegundo después de la generación de un potencial de acción presináptico (Figura 2 A). De hecho, al menos parte de esta breve demora sináptica es causada por la propagación del potencial de acción en la terminación presináptica, de modo que esencialmente es posible que no exista ninguna demora en la transmisión de señales eléctricas a través de la sinapsis. Estas sinapsis interconectan muchas de las neuronas en el circuito que permite el cangrejo de río escapar de sus depredadores, y minimizan así el tiempo entre la presencia de un estimulo amenazante y una respuesta motora que tal vez le salve la vida.

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Un propósito más general de las sinapsis eléctricas es sincronizar la actividad eléctrica entre poblaciones de neuronas. Por ejemplo, las neuronas del tronco encefálico que generan la actividad eléctrica rítmica que subyace a la respiración están sincronizadas por sinapsis eléctricas, al igual que las poblaciones de interneuronas en la corteza cerebral, tálamo, cerebelo y otras regiones encefálicas (Figura 2 B) La transmisión eléctrica entre ciertas neuronas hormonosecretantes del hipotálamo de los mamíferos asegura que todas las células disparen potenciales de acción aproximadamente al mismo tiempo y faciliten así una explosión de secreción hormonal en la circulación. El hecho de que los poros de la unión en hendiduras sean los suficientemente grandes como para permitir que moléculas como ATP y segundos mensajeros difundan hacia el interior de las células también permite que las sinapsis eléctricas coordinen la señalización intracelular y el metabolismo de las células acopladas. Esta propiedad puede ser de particular importancia apara las células gliales, que forman grandes redes de señalización intracelular a través de sus uniones en hendidura.

Figura 2. Función de las uniones en hendiduras en las sinapsis eléctricas. A) Transmisión rápida de señales en una sinapsis eléctrica en el cangrejo de río. Un potencial de acción en la neurona presináptica hace que la neuroba postsináptica se despolarice en la fracción de un milisegundo. B) Las sinapsis eléctricas permiten la sincronización de la actividad eléctrica en las interneuronas del hipocampo. En un par de interneuronas conectadas por sinapsis eléctricas, la generación de un potencial de acción en una neurona, a menudo conduce a la descarga sincronizada de un potencial de acción en otra neurona.

TRANSMISIÓN DE SEÑALES EN LAS SINAPSIS QUÍMICAS

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La estructura general de una sinapsis química se muestra en la forma esquemática en la Figura 3. El espacio entre las neuronas presinápticas es sustancialmente mayor en la sinapsis química que en las eléctricas y se denomina hendidura sináptica. Sin embargo, la característica clave de todas las sinapsis químicas es la presencia de pequeños orgánulos limitados por membranas llamados vesículas sinápticas en el interior de la terminación presináptica. Estos orgánulos esféricos están llenos de uno o mas neurotransmisores, las señales químicas secretadas desde la neurona presináptica, y son estos agentes químicos que actúan como mensajeros entre las neuronas comunicantes los que proporcionan su nombre a este tipo de sinapsis.

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La transmisión en las sinapsis químicas se basa en la secuencia de acontecimientos que se detalla en Figura 3. El proceso se inicia cuando un potencial de acción invade la terminación de la neurona presináptica. El cambio en el potencial de membrana causado por la llegada del potencial de acción produce la apertura de los canales del calcio con puerta de voltaje en la membrana presináptica. Debido al acentuado gradiente de concentración de Ca²+a través de la membrana presináptica (la concentración externa de Ca²+   es aproximadamente 10 – 3M, mientras la concentración interna Ca²+   es alrededor de   10 – 7M), la apertura de estos canales produce un influjo rápido de Ca²+ en la terminación presináptica, con el resultado de que la concentración Ca²+ del citoplasma en la terminación se eleva transitoriamente hasta un valor mucho mas alto. La elevación de la concentración presináptica Ca²+ permite que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana plasmática de la neurona presinápticas. La fusión Ca²+ -dependiendo de las vesículas sinápticas con la membrana de la terminación hace que su contenido, principalmente los neurotransmisores, sea liberado en la hendidura sináptica.

Figura 3. Secuencia de acontecimientos involucrados en la transmisión en una sinapsis química típica

Tras la exocitosis, los transmisores difunden a través de la hendidura sináptica y se unen a receptores, la sobre la membrana de la neurona postsináptica. La fijación del neurotransmisor a los receptores abre los canales de la membrana postsináptica (o a veces los cierra), lo que altera así la capacidad de los iones de ingresar (o salir) en las células postsinápticas. El flujo de corriente resultante inducido por el neurotransmisor altera la conductancia y (habitualmente)el potencial de membrana de la neurona postsináptica, lo cual aumenta o disminuye la probabilidad de que la neurona dispare un potencial de acción. De esta forma, la información es transmitida de una neurona a otra.

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PROPIEDADES DE LOS NEUROTRANSMISORES

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La idea de que la información eléctrica puede transmitirse de una neurona a la siguiente por medio de señales químicas fue el tema de un intenso debate durante la primera mitad del siglo XX. Un experimentó clave que apoyo esta idea fue realizado en 1926 por el fisiólogo alemán Otto Leowi. Trabajando sobre la idea que presuntamente se le presento en la mitad de la noche, Loewi probó que la estimulación eléctrica del nervio vago retarda el latido cardiaco al liberar una señal química. El científico aisló y perfundió los corazones de dos ranas, controlando las frecuencias con las que latían (Figura 4). Cuando se estimulo el nervio vago del primer corazón, el latido de este corazón se hizo mas lente. Notablemente, aun cuando el nervio vago del segundo corazón no había sido estimulado, su latido también se hizo más lento cuando estuvo expuesto al liquido de perfusión del primer corazón. Este resultado mostro que el nervio vago regula la frecuencia cardiaca al liberar una sustancia química que se acumula en el perfundido. Denominada originariamente “sustancia del vago”, más tarde se demostró que la sustancia era acetilcolina (ACh). En la actualidad, se sabe que la ACh es un neurotransmisor en el que no solo actúa sobre el corazón, sino en distintas dianas postsinápticas en los sistemas nervioso central y periférico, predominante en la unión neuromuscular de los músculos estriados y en el sistema motor visceral.

Figura 4. Experimento de Loewi que demuestra la neurotransmisión química. A) Disposición experimental de Loewi. B) En el lugar en que se estimulaba el nervio vago del corazón aislado de la rana, la frecuencia cardíaca disminuía (panel superior). Si se transfería el líquido de perfusión del corazón estimulado a un segundo corazón, su frecuencia disminuía tambipen (panel inferior).

Con los años, fueron surgiendo algunos criterios formales que identifican de forma definitiva a una sustancia como neurotransmisor (Recuadro A). Es tos criterios condujeron a la identificación de mas de 100 neurotransmisores diferentes, los que pueden clasificarse en dos categorías amplias: neurotransmisores de molécula pequeña y neuropéptidos. Contar con mas de un transmisor diversifica el repertorio fisiológico de las sinapsis. Múltiples neurotransmisores pueden producir diferentes tipos de respuestas en las células postsinápticas individuales. Por ejemplo, una neurona puede ser excitada por un tipo de neurotransmisores e inhibida por otro. La velocidad de las respuestas postsinápticas producidas por diferentes transmisores también difiere, lo que permite el control de la señalización eléctrica en distintas escalas temporales. En general, los neurotransmisores de molécula pequeña median acciones sinápticas rápidas, mientras que los neuropéptidos tienden a modular funciones sinápticas en curso y más lentas.

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Hasta hace relativamente poco, se pensaba que una neurona especifica producía solo un único tipo de neurotransmisor. Sin embargo, ahora esta claro que muchos tipos de neuronas sintetizan y liberan dos o más neurotransmisores diferentes. Cuando se presenta mas de un neurotransmisor en el interior de una terminación nerviosa, las moléculas se denominan cotransmisores. Como diferentes tipos de transmisores pueden ser empaquetados en distintas poblaciones de vesículas sinápticas, los contransmisores no necesariamente son liberados de manera simultánea. Cuando los neurotransmisores peptídicos y de molécula pequeña actúan como cotransmisores en la misma sinapsis, son liberados de modo diferente según el patrón de actividad sináptica: a menudo, la actividad de baja frecuencia solo libera neurotransmisores pequeños, mientras que la actividad de alta frecuencia es necesaria para liberar neuropéptidos de las mismas terminaciones presinápticas. En consecuencia, las propiedades señalización química de estas sinapsis cambian según la velocidad de la actividad.

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Una transmisión sináptica eficaz requiere un control riguroso de la concentración de neurotransmisores en el interior de la hendidura sináptica. Por lo tanto, las neuronas han desarrollado una capacidad muy compleja de regular la síntesis, el empaquetamiento, la liberación y la degradación (o eliminación) de neurotransmisores para lograr los niveles deseados de moléculas de transmisor. La síntesis de neurotransmisores de molécula pequeña ocurre localmente en el interior de las terminaciones sinápticas (Figura 5 A). Las enzimas necesarias para sintetizar estos transmisores se producen en el cuerpo de las neuronas y son transportadas hasta el citoplasma de la terminación nerviosa a una velocidad de 0,5-5,0 milímetros por día por un mecanismo denominado transporte axónico lento. Habitualmente, las moléculas precursoras necesarias para formar nuevas moléculas de neurotransmisor son captadas en la terminación nerviosa por transportadores que se encuentran en la membrana plasmática de la terminación. Las enzimas sintetizan neurotransmisores en el citoplasma de la terminación presináptica y luego los transmisores son cargados en vesículas sinápticas mediante transportadores en la membrana vesicula. Para algunos neurotransmisores de molécula pequeña, los pasos finales de la síntesis ocurren en el interior de las vesículas sinápticas. La mayoría de los neurotransmisores de molécula pequeña son empaquetados en vesículas de 40 a 60 nm de diámetro. Cuyos centros parecen claros en micrografías electrónicas: en consecuencia, estas vesículas se denominan vesículas pequeñas de centro claro (Figura 5B). Los neuropéptidos son sintetizados en el cuerpo celular de una neurona, lo que significa que el péptido es producido en un lugar distante de un sitio de secreción (Figura 5C). Para resolver este problema, vesículas llenas de péptidos son transportadas a lo largo de un axón y por la terminación sináptica mediante el transporte axónico rápido. Este proceso lleva las vesículas a velocidades de hasta 400 mm/día a lo largo de elementos del citoesqueleto llamados microtúbulos (al contrario del transporte axónico lento de enzimas que sintetizan transmisores de molécula pequeña). Los microtúbulos son filamentos cilíndricos largos de 25 mm de diámetro, presentes en todas las neuronas y otras células. Las vesículas que contienen péptidos son movilizadas a lo largo de estas “pistas” de microtúbulos por proteínas “motores” que requieren ATP como cinesina. Los neuropéptidos son empaquetados en vesículas sinápticas de un diámetro que varia entre 90 y 250 mm. Estas vesículas son electrodensas en las electromiografías, de ahí que se las denomine vesículas grandes de centro denso (Figura 5 D). Una vez que un neurotransmisor ha sido secretado en la hendidura sináptica, debe ser eliminado para permitir que la célula postsináptica participe en otro ciclo de transmisión sináptica. La eliminación de los neurotransmisores comprende la difusión lejos de los receptores postsinápticos, combinada con recapacitación en las terminaciones nerviosas o las células gliales circundantes, degradación por enzimas especificas o una combinación de estos mecanismos. Las proteínas transportadoras especificas eliminadas la mayor parte de los neurotransmisores de molécula pequeña (o sus metabolitos) de la hendidura sináptica, y finalmente vuelven a entregarlos a la terminación presináptica para su reutilización.

Figura 5. Metabolismo de los transmisores de molécula pequeña y los transmisores peptídicos. (A) Los neurotransmisores de molécula pequeña son sintetizados en las terminaciones nerviosas. Las enzimas necesarias para la síntesis de los neurotransmisores se forman en el cuerpo celular de la célula presináptica (1) y son transportadas por el axón a través  del transporte axónico lento (2). Los precursores  son captados en las terminaciones por transportadores específicos, y la síntesis y el empaquetamiento de los neurotransmisores tiene lugar en el interior de las terminaciones nerviosas (3). Después de la fusión y la liberación de las vesículas  (4), el neurotransmisor puede ser degradado por vía enzimática. 

La recaptación del neurotransmisor (o sus metabolitos) comienza otro ciclo de síntesis empaquetamiento, liberación y eliminación (5). B) Vesículas pequeñas de centro claro entre una terminación presináptica y una espina dendrítica en el sistema nervioso central. (c). Los neurotransmisores peptídicos y las enzimas que modifican sus precursores, son sintetizados en el cuerpo celular (1). Las enzimas y los propéptidos son empaquetados en vesículas en el aparato de Golgi. Durante el transporte axónico rápido de estas vesículas hasta las terminaciones nerviosas (2), las enzimas modifican los propéptidos para producir uno o más péptidos neurotransmisores (3). Después de la fusión y la exocitosis de las vesículas, los péptidos difunden alejándose y son degradados por enzimas proteolíticas (4). (D) Vesículas grandes de centro denso en una terminación presinaptica central que hacen sinapsis en una dendrita. En los casos típicos estas vesículas contienen neuropéptidos o, en ocasiones, aminas biógenas (B y D, de Peters, Palay y Webster, 1991)

Liberación cuántica de los neurotransmisores

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Gran parte de las pruebas que condujeron al conocimiento actual de la transmisión en las sinapsis químicas se obtuvo de experimentos que examinaron la liberación de Ach en las uniones neuromusculares. Estas sinapsis entre las neuronas motoras espinales y las células del musculo esquelético son sencillas, grandes y de localización periférica, lo que las hace particularmente indicadas para el análisis experimental. Estas sinapsis ocurren en una de las zonas especializadas llamadas placas terminales por el aspecto de platillo que presenta las zonas de fibra muscular en donde el axón presináptico proyecta sus terminaciones (Figura 6 A). La mayor parte de las primeras investigaciones sobre la transmision neuromuscular fue realizado por Bernard Katz y cols. En el University College, Londres durante las décadas de 1950 y 1960, y alcanzando Katz un gran reconocimiento sus notables contribuciones en el conocimiento de la transmisión sináptica. Aunque este autor investigo fundamentalmente la unión neuromuscular de la rana, muchos experimentos posteriores han confirmado la aplicabilidad de sus observaciones la transmision de todas las sinapsis químicas.

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Cuando se utiliza microelectrodo intracelular para registrar el potencial de membrana de una célula muscular, es posible observar que un potencial de acción en la neurona motora presináptica provoca una despolarización transitoria de la fibra muscular postsináptica. Este cambio en el potencial de membrana, llamado potencial de placa terminal (PPT), por lo habitual suficientemente grande como para elevar el potencial de membrana de la fibra muscular muy por encima del umbral para producir un potencial de acción postsináptico (Figura 6 B). El potencial de acción postsináptico desencadenado por el PPT hace que la fibra muscular se contraiga. Al contrario de las sinapsis eléctricas, existe una demora acentuada entre el momento en que la neurona motora presináptica es estimulada y el momento en que ocurre el PPT en la célula muscular postsináptica.  Esta demora es característica de todas las sinapsis químicas.

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Uno de los hallazgos fundamentales de Karts, en estudios que realizo de manera conjunta con Paul Fatt en 1951, fue en que los cambios espontáneos en el potencial de membrana de la célula muscular ocurren incluso en ausencia de estimulación de la neurona motora presináptica (Figura 6C). Estos cambios tienen la misma forma que los PPT, pero son mucho más pequeños (típicamente, una amplitud inferior a 1mV, comparada con el PPT de más de 50 Mv). Tanto los PPT como estos fenómenos espontáneos pequeños son sensibles a los agentes farmacológicos que bloquean los receptores colinérgicos postsinápticos, como el curare. Este paralelismo y otros entre los PPT y las despolarizaciones espontaneas condujeron a Kartz y cols. A denominar los hechos espontáneos potencial de placa terminal en miniatura o PPTM.

Figura 6. Transmisión sináptica en la unión neuromuscular. (A) Disposición experimental: el axón de la neurona motora que inerva la fibra muscular es estimulado con un electrodo extracelular, mientras se inserta un microelectrodo intracelular en la célula muscular postsináptica para registrar sus respuestas eléctricas. (B) Los potenciales de placa terminal (PPT) provocados por la estimulación de una neurona motora se encuentran normalmente por encima del umbral y, por lo tanto, producen un potencial de acción en la célula muscular postsináptica. (C) Los PPT en miniatura (PPTM) espontáneos se desarrollan en ausencia de estimulación presináptica. (D) Cuando la unión neuromuscular es bañada en una solución que tiene baja concentración de Ca2+, la estimulación de la neurona motora evoca PPT cuyas amplitudes están reducidas hasta el tamaño aproximado de los PPTM. (De Fatt y Katz, 1952.)

La relación entre el potencial de placa terminal completo y los PPTM fue aclarada mediante un análisis cuidadoso de los PPT. La magnitud de los PPT proporciona un ensayo eléctrico conveniente de la secreción de los neurotransmisores desde la terminación de la neurona motora; sin embargo, medirlo es complicado por la necesidad de evitar que la contracción muscular desaloje el microelectrodo. El método habitual para eliminar las contracciones musculares es reducir la concentración de Ca2+ en el medio extracelular o bloquear parcialmente los receptores colinérgicos postsinápticos con el agente curare. Como es esperar a partir del esquema que se muestra en la (Figura 3), la rección de la concentración de Ca2+ reduce la secreción del neurotransmisor y desciende así la magnitud de PPT por debajo del umbral para la producción del potencial de acción postsináptico, lo que permite medirlo con mayor precisión. En estas condiciones, la estimulación de la neurona motora produce PPT muy pequeños que fluctúan en amplitud de un ensayo a otro (Figura 6 D). Estas fluctuaciones brindan un conocimiento considerable acerca de los mecanismos responsables de la liberación del neurotransmisor. En particular, la respuesta provocada con bajo Ca2+ parece ser el resultado de la liberación de cantidades unitarias de ACh por la terminación nerviosa presináptica. Por lo tanto, la amplitud de la respuesta provocada más pequeña es notablemente similar al tamaño de los PPTM aislados (comparece Figura 6 C y D). De acuerdo con esta similitud, los incrementos en la respuesta del PPT (Figura 7 A) ocurren en unidades que tienen aproximadamente el tamaño de PPTM aislados (Figura 7 B). Estas fluctuaciones “cuánticas” en la amplitud de los PPT indicaron Katz y a su colaborador José del Castillo que estos estaban formados por unidades individuales, cada una equivalente a un PPTM.

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La idea de que los PPT representan la liberación simultanea de muchas unidades similares a PPTM puedes ser evaluada estadísticamente. Un método de análisis estadístico basado en la ocurrencia independiente de eventos unitarios (llamado estadístico de Poisson) predice que la distribución de las amplitudes de los PPT debe ser similar durante gran cantidad de ensayos de estimulación de la neurona motora, bajo la presunción de que los PPT están formados por eventos unitarios como PPTM (Véase fig. 7B). La distribución de las amplitudes de los PPT determinada de manera experimental es compatible con lo esperado si la liberación del transmisor de la neurona motora es efectivamente cuántica (la curva roja en Fig. 7 A). Estos análisis confirmaron la idea de que la liberación de acetilcolina ocurre en paquetes separados, cada uno equivalente a un PPTM. Por lo tanto, un potencial de acción presináptico produce un PPT postsináptico porque sincroniza la liberación de muchos cuantos de transmisor.

FIGURA 7 Distribución en cuantos de las amplitudes de los PPT provocados en una solución con baja concentración de Ca2+. Los picos de las amplitudes de los PPT (A) tienden a desarrollarse en múltiplos enteros de la amplitud media de PPTM, cuya distribución de amplitudes se muestra en (B). La barra más a la izquierda en la distribución de las amplitudes en los PPT muestra ensayos en los cuales la estimulación presináptica no pudo obtener un PPT en la célula muscular. La curva roja indica la predicción de un modelo estadístico basado en la presunción de que los PPT son el resultado de la liberación independiente de múltiples cuantos similares a PPTM. La equiparación observada, que incluye el número predicho de fracasos, apoya esta interpretación. (De Boyad y Martin, 1955).

LIBERACIÓN DE TRANSMISORES DE LAS VESÍCULAS SINÁPTICAS

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El descubrimiento de la liberación cuántica de paquetes de neurotransmisor planteo inmediatamente el interrogante de como se forman esos cuantos y como se descargan en la hendidura sináptica. Aproximadamente en la época en que Katz y Cols. Descubrían la liberación cuántica de neurotransmisor, la microscopía electrónica puso en evidencia, por primera vez, la presencia de vesículas sinápticas en las terminaciones presinápticas. Uniendo estos dos descubrimientos, Kartz y otros dos autores propusieron que las vesículas sinápticas cargadas con neurotransmisor  constituían la fuente de los cuantos. Algunos estudios bioquímicos posteriores mostraron que las vesículas sinápticas eran los repositorios de los transmisores. Estos estudios han mostrado que la acetilcolina esta altamente concentrada en las vesículas sinópticas de las neuronas motoras, donde se presenta en una concentración de unos 100 Mm. Dado el diámetro de una vesícula sináptica pequeña de centro claro (-50nm)), una vesícula sináptica contiene aproximadamente 10 000moleculas de neurotransmisor. Este numero se corresponde muy bien con la cantidad de ACh que debe aplicarse en una unión neuromuscular para imitar PPTM, lo que proporciona otro apoyo a la idea de que los cuantos surgen de la descarga del contenido de una sola vesícula sináptica. Para probar que los cuanto son causados por la fusión de vesículas sinápticas individuales con la membrana plasmática, es necesario mostrar que cada vesícula fusionada produce el registro postsináptico de un único evento cuántico. Este desafío fue logrado afines de la década de 1970, cuando John Heuser, Tom Reese y Cols, correlacionaron las mediciones de la fusión vesicular con el contenido cuántico de los PPT en la unión neuromuscular. Estos autores utilizaron la microscopia electrónica para determinar el número de vesículas que fusionaron con la membrana plasmática presináptica en las terminaciones que habían sido tratadas con una droga (4-aminopiridina, o 4-AP) que aumentaba la cantidad de eventos de fusión de vesícula producidos por los potenciales de acción aislados (Figura 8 A). Se efectuaron mediciones eléctricas paralelas de contenido cuántico de los PPT así obtenidos. La comparación de la cantidad de fusiones de vesículas sinápticas observadas con microscopia electrónica y la cantidad de cuantos liberados en la sinapsis mostro que la correlación entre las dos medidas era buena (Figura 8 B). Estos resultados aun son una de las líneas mas firmes de apoyo para la idea de que un cuanto de liberación de transmisor se debe a la fusión de una vesícula sináptica con la membrana presináptica. La evidencia posterior, basada sobre otro método para medir la fusión de las vesículas, no ha dejado ninguna duda acerca de la validez de esta interpretación general de la transmision de las sinapsis químicas. Investigaciones muy recientes han identificado estructuras en el interior de la terminación presináptica que conectan las vesículas con la membrana plasmática y pueden estar involucradas en la fusión de la membrana (Figura 8C).

FIGURA 8. Relación entre la exocitosis de vesículas sinápticas y la liberación cuántica de transmisores. (A) Se utilizó una técnica especial de microscopia electrónica denominada microscopia de criofractura para visualizar la función de vesículas sinápticas en las terminaciones presinápticas de neuronas motoras de rana. Izquierda: imagen de la membrana plasmática de una terminación presináptica no estimulada. Derecha: imagen de la membrana plasmática de una terminación estimulada por un potencial de acción; la estimulación produce la aparición de estructuras similares a hoyuelos que representan la fusión de vesículas sinápticas con la membrana presináptica.

La imagen es como si se observaran sobre los sitios de liberación desde el exterior de la terminación presináptica. (B) Comparación del número de fusiones de vesículas observadas con el número de cuantos liberados por un potencial de acción presináptico. Se varió la liberación del transmisor utilizando una droga (4-AP) que afecta la duración del potencial de acción presináptico, cambiando así la cantidad de calcio que ingresa durante el potencial de acción. La línea diagonal es la relación 1:1 esperada si cada vesícula que se abriera liberara un único cuanto de transmisor. (C) Estructura fina de los sitios de fusión de las vesículas de las terminaciones presinápticas de la rana. Las vesículas sinápticas están dispuestas en hileras y están conectadas entre sí y con la membrana plasmática por distintas estructuras proteináceas (azul). Se cree que las estructuras verdes en la membrana presináptica, que corresponden a las hileras de partículas observadas en (A), son canales del Ca2+. (A y B, de Heuser y cols., 1979; C, de Harlow y cols., 2001.)

RECICLADO LOCAL DE LAS VESÍCULAS SINÁPTICAS

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La fusión de las vesículas sinápticas hace que se agregue nueva membrana plasmática de la terminación presináptica, pero el agregado no es permanente. Si bien una tanda de exocitosis puede aumentar espectacularmente el área de superficie de las terminaciones presinápticas, esta membrana en exceso es eliminada en algunos minutos. Heuser y Reese realizaron otro conjunto importante de experimentos que mostraron que la membrana de la vesícula fusionada es recuperada y captada nuevamente en el citoplasma de la terminación nerviosa (proceso denominado endocitosis). Los experimentos, que volvieron a realizarse en la unión neuromuscular de la rana, se basaron en el llenado de la hendidura sináptica con peroxidasa de rábano picante (PRP). Una enzima que produce un producto de reacción denso que puede observarse con el microscopio electrónico. En condiciones experimentales apropiadas, es posible visualizar la endocitosis por la captación de la peroxidasa en la terminación nerviosas (Figura 9). Para activar endocitosis, se estimuló la terminación presináptica con un tren de potenciales de acción y se siguió el destino posterior de la PRP mediante microscopia electrónica. Inmediatamente después de la estimulación, se encontró peroxidasa de rábano picante en orgánulos endocitosicos especiales denominados vesículas con cubierta (Figura 9 A, B). Sin embargo, algunos minutos mas tarde, las vesículas con cubierta habían desaparecido y la PRP se encontraba en un orgánulo diferente, el endosoma (Figura 9C). Por último, aproximadamente una hora después de estimular la terminación, apareció el producto de reacción de la PRP en el interior de las vesículas sinápticas (Figura 9D). Estas observaciones indican que la membrana de las vesículas sinápticas es reciclada en el interior de la terminación presináptica a través de la secuencia resumida de la (Figura 9E). En este proceso, llamado ciclo de las vesículas sinápticas, la membrana vesicular reciclada atraviesa diversos compartimientos intracelulares -vesiculas con cubiertas y endosomas- y finalmente es utilizada para formar nuevas vesiculas sinápticas. Las vesiculas recién formadas se almacenan en un pool de reserva, anclado en la membrana plasmática presináptica, y son preparados para participar nuevamente en la liberación de un neurotransmisor. Algunos experimentos mas recientes, que emplearon un marcador fluorescente en lugar de PRP, han determinado el curso temporal del reciclado de las vesiculas sinápticas. Estos estudios indican que la totalidad del ciclo vesicular requiere aproximadamente 1 minuto, y la gemación de la membrana durante la endocitosis requiere 10-20 segundos. Como puede observarse partir de la demora de 1 milisegundo en la transmision que siguió a la excitación de la terminación presináptica (véase Fig. 6B) la fusión de la membrana durante la exocitosis es mucho más rápida que la gemación durante la endocitosis. Por lo tanto, todos los pasos de reciclado interpuestos entre la gemación de la membrana y la refusión posterior de una vesícula se completan en menos de un minuto. Los precursores de la vesiculas sinápticas se producen originariamente en el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi el cuerpo de las células neuronales. Debido la larga distancia entre el cuerpo celular y la terminación presináptica en la mayoría de las neuronas, el transporte de las vesiculas desde el soma no permitiría el rápido relleno de las vesiculas sinápticas durante la actividad neural continua. Por lo tanto, el reciclado local es muy apropiado para la anatomía peculiar de las neuronas, lo que brinda a las terminaciones nerviosas el medio para proporcionar el aporte continuo de vesiculas sinápticas.

FIGURA 9 Reciclado local de vesículas sinápticas en las terminaciones presinápticas. (A) La peroxidasa de rábano picante (PRP) introducida en la hendidura sináptica fue utilizada para seguir el destino de la membrana recuperada desde la membrana plasmática presináptica. La estimulación de endocitosis por potenciales de acción presinápticos hace que la PRP sea captada en las terminaciones presinápticas a través de una vía que incluye (B) vesículas con cubierta y (C) endosomas. (D) Finalmente, la PRP se encuentra en las vesículas sinápticas recién formadas. (E) Interpretación de los resultados que se muestran en A-D. La fusión de las vesículas con la membrana presináptica regulada por el calcio es seguida por la recuperación endocitósica de la membrana vesicular a través de las vesículas con cubierta y los endosomas, y la nueva formación posterior de nuevas vesículas sinápticas. (De Heuser y Reese, 1973.)

PAPEL DEL CALCIO EN LA SECRECIÓN DE TRANSMISORES

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Como se observo en los experimentos de Katz y otros descritos en las secciones precedentes, la reducción de la concentración de Ca2+ en el exterior de una terminación nerviosas motora presináptica reduce el tamaño de PPT (compárense las Figuras 6 B y D). Además, la medición de la cantidad de cuantos de transmisores liberados en esas condiciones muestra que la razón para que el PPT se haga ms pequeño es que la reducción de la concentración de Ca2+ disminuye la cantidad de vesiculas que se fusionan con la membrana plasmática de la terminación. Un paso importante en el conocimiento acerca de cómo el Ca2+ regula la fusión de las vesiculas sinápticas fue el descubrimiento de que las terminaciones presinápticas tienen canales del Ca2+ con puerta de voltaje en sus membranas.

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La primera indicación de los canales del Ca2+ presinápticos derivo de Kartz y Ricardo Miledi. Estos autores observaron que las terminaciones presinápticas tratadas con tetrodoxina (que bloquea los canales del Na+) podían seguir produciendo un potencial de acción. La explicación para este hallazgo sorprendente fue que la corriente seguía fluyendo través de los canales del Ca2+, que sustituían la corriente transportada comúnmente por los canales del Na+ bloqueados. Los experimentos posteriores de pinzamiento del voltaje, realizados por Rodolfo Llinas y otros autores en una terminación presináptica gigante de calamar (Figura 10 A), confirmaron la presencia de canales del Ca2+ con puerta de voltaje en la terminación presináptica (Figura 10 B). estos experimentos mostraron que la cantidad de neurotransmisor liberada es muy sensible a la cantidad exacta de Ca2+ que ingresa. Además, el bloqueo de estos canales del Ca2+ con fármacos también inhibe la liberación de transmisores (Figura 10 B). Todas estas observaciones confirman que los canales del Ca2+ con puerta de voltaje están involucrados directamente en la neurotransmisión. Por lo tanto, los potenciales de acción presinápticos abren los canales del Ca2+ con puerta de voltaje, con un influjo de Ca2+ resultante.

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El hecho de que el ingreso de Ca2+ en las terminaciones presinápticas eleve la concentración de Ca2+ dentro de la terminación ha sido documentado mediante imágenes microscópicas de terminaciones llenas con colorantes fluorescentes sensibles al Ca2+ (Figura 11 A—9. Las consecuencias de que se eleve la concentración presináptica de Ca2+ para la liberación de los neurotransmisores se ha demostrado de dos modos. Primero, la microinyección de Ca2+ en las terminaciones presinápticas desencadenada la liberación de transmisores en ausencia de potenciales de acción presinápticos (Figura 11 B) Segundo, L microinyección presináptica de quelantes del calcio (sustancias químicas que fijan Ca2+ y mantienen amortiguada su concentración en bajos niveles) impide que los potenciales de acción presinápticos produzcan secreción del transmisor (Figura 11 C). Sin duda alguna, estos resultados prueban que una elevación en la concentración presináptica de Ca2+ es necesaria y suficiente para la liberación de los neurotransmisores. Por lo tanto, como sucede con muchas otras formas de señalización neuronal (véase Cap.7), el Ca2+ sirve como segundo mensajero durante la liberación del transmisor. Aunque el Ca2+ es un desencadénate universal para la liberación de transmisores, no todos los transmisores son liberados con la misma velocidad. Por ejemplo, aunque la secreción de ACh de las neuronas motoras sol requiere una fracción de un milisegundo (véase Fig. 6), la liberación de neuropéptidos requiere descargas de alta frecuencia de potenciales de acción durante muchos segundos. Estas diferencias en la velocidad de liberación probablemente surgen de diferencias en la disposición espacial de las vesiculas en relación con los canales del Ca2+ presinápticos. Tal vez esto sea mas evidente en los casos en que las moléculas pequeñas y los péptidos sirven como cotransmisores (Figura 12). Aunque típicamente las vesiculas pequeñas de centro claro que contienen transmisores de molécula pequeña se encuentran acopladas en la membrana plasmática antes del ingreso de Ca2+, las vesiculas grandes de centro denso que contienen transmisores peptídicos están mas alejadas de la membrana plasmática (véase Fig. 5 D). Con bajas frecuencias de descarga, la concentración de Ca2+ puede aumentar solo de modo local en la membrana plasmática presináptica, en la vecindad de los canales del Ca2+ abiertos, lo que limita la liberación a transmisores de molécula pequeña desde las pequeñas vesiculas del centro claro acopladas. La estimulación prolongada de alta frecuencia aumenta la concentración de Ca2+ en toda la terminación presináptica, lo que induce la liberación más lenta de neuropéptidos.

FIGURA 10 La entrada de Ca2+ a través de los canales del calcio con puerta de voltaje presináptica produce la liberación del transmisor. (A) Disposición experimental que utiliza una sinapsis extraordinariamente grande del calamar. El método de pinzamiento de voltaje detecta corrientes que fluyen a través de la membrana presináptica cuando el potencial de membrana es despolarizado. (B) Los agentes farmacológicos que bloquean las corrientes que fluyen a través de los canales del Na+ y del K+ ponen en evidencia una corriente remanente hacia el interior que fluye a través de los canales del Ca2+. Este influjo de calcio desencadena la secreción del transmisor, según lo que indica un cambio en el potencial de membrana postsináptico. El tratamiento del mismo terminal presináptico con cadmio, un bloqueante de los canales del calcio, elimina tanto la corriente presináptica de calcio como la respuesta postsináptica. (De Augustine y Eckert, 1984.)

FIGURA 11 Prueba de que una elevación en la concentración presináptica de Ca2+ desencadena la liberación del transmisor de las terminaciones presinápticas. (A) Mediciones con microscopia de fluorescencia de la concentración presináptica de Ca2+en la sinapsis gigante del calamar (véase Fig. 5.10A). Un tren de potenciales de acción presinápticos produce una elevación en la concentración de Ca2+, según lo demuestra un colorante (denominado fura-2) que da fluorescencia muy intensa cuando aumenta la concentración de Ca2+. (B) La microinyección de Ca2+ en la terminación presináptica gigante del calamar desencadena la liberación del transmisor, medida como una despolarización del potencial de membrana postsináptico. (C) La microinyección de BAPTA, un quelante del Ca2+, en una terminación presináptica gigante de calamar impide la liberación del transmisor. (A, de Smith y cols., 1993; B, de Miledi, 1971; C, de Adler y cols., 1991.)

FIGURA 12 Liberación diferencial de cotransmisores neuropeptídicos y de molécula pequeña. La estimulación de baja frecuencia eleva preferentemente la concentración de Ca2+ cerca de la membrana, lo que favorece la liberación del transmisor de las vesículas pequeñas de centro claro acopladas a especializaciones presinápticas. La estimulación de alta frecuencia conduce a un aumento más general en el Ca2+ que produce la liberación de neurotransmisores peptídicos desde vesículas grandes de centro denso, y neurotransmisores de molécula pequeña desde vesículas pequeñas de centro claro.

MECANISMOS MOLECULARES DEL CICLO DE LAS VESICULAS SINÁPTICAS

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No se sabe exactamente como un aumento en la concentración presináptica de Ca2+ continua hasta desencadenar la fusión e las vesiculas y la liberación del neurotransmisor. Sin embargo, se han obtenido muchos indicios importantes de estudios moleculares que han identificado y caracterizado las proteínas que se encuentran en las vesículas sinápticas (Figura 13) y sus patrones de fijación sobre la membrana plasmática presináptica y el citoplasma. La mayoría de estas proteínas, sino todas ellas, actúan en uno o mas pasos en el ciclo de las vesiculas sinápticas. Aunque falta todavía un cuadro molecular completo de la liberación de los neurotransmisores, se han deducido los papeles de varias proteínas involucradas en el ciclo de las vesículas (Figura 13B).

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Varias líneas de evidencia indican que la proteína sinapsina, que se une de forma reversible a las vesiculas sinápticas, puede mantener fijadas estas vesiculas dentro del pool de reserva uniendo a las vesiculas con enlaces cruzados entre si y a filamentos de actina en el citoesqueleto. La movilización de estas vesiculas desde el pool de reserva es causada por la fosforilación de la sinapsina por proteincinasas, principalmente la proteincinasa dependiente de Ca2+/calmodulina, tipo II que permite que la sinapsina se disocie de las vesiculas. Una vez que las vesiculas se encuentran libres de sus fijaciones del pool de reserva, se dirigen hacia la membrana plasmática y se fijan luego a esta membrana mediante reacciones de anclaje poco conocidas. Una serie de reacciones de impresión prepara entonces las membranas vesicular y plasmática para la fusión. Una gran cantidad de proteínas participan en la preparación e incluyen a algunas que también participan en otros tipos de acontecimientos de fusión de la membrana comunes a todas ellas (véase Fig. 13 B). Por ejemplo, dos proteínas originariamente consideradas importantes para la fusión de las vesiculas con la membrana del aparato de Golgi, la ATPasaNFS (NEM-sensitive fusión protein, proteína de fusión sensible al NEM) y SNAP (soluble NFS-attachment proteins, proteínas solubles de fijación al NFS) también participan en la preparación de las vesiculas sinápticas para la fusión. Estas dos proteínas funcionan regulando la reunión de otras proteínas que se denominan SNARE (SNAPreceptores, receptores del SNAP). Muchas de las otras proteínas que participan en la preparación- como munc-13, nSec-1, complexina, snapina, sintafilina y tomosina- también interactuando con los SNARE.

FIGURA 13 Proteínas presinápticas y sus funciones en el ciclo de las vesículas sinápticas. (A) Modelo de la organización molecular de una vesícula sináptica. La superficie citoplasmática de la membrana vesicular se encuentra densamente cubierta por proteínas, de las cuales sólo se muestra aquí el 70%. (B) El ciclo del tráfico de vesículas que se muestra en la Figura 5.9E se sabe ahora que está mediado por algunas proteínas presinápticas, que incluyen algunas de las que se muestran en (A), y diferentes proteínas participan en diferentes reacciones. (A, de Takamori y cols., 2006.)

Uno de los propósitos principales de la preparación parece ser organizar las proteínas SNARE en la conformación correcta para la fusión de la membrana. Una de las proteínas SNARE, la sinaptobrevina, se encuentra en la membrana de las vesiculas, mientras que tras do proteínas SNARE llamadas sintaxina y SNAP-25 se encuentran fundamentalmente en la membrana plasmática. Estas proteínas SNARE pueden formar un complejo macromolecular que se extiende por las dos membranas clocándolas en estrecha aposición (Figura 14 A). Esta disposición es muy apropiada para promover la fusión de las dos membranas, y según varias líneas de evidencia es lo que ocurre realmente. Una observación importante es que las toxinas que separan las proteínas SNARE bloquean la liberación de neurotransmisor. Además, colocar las proteínas SNARE en membranas lipídicas artificiales y permitir que estas proteínas formen complejos entre ellas hace que las membranas se fusionen.

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Como las proteínas SNARE no fijan Ca2+, otras moléculas deben ser responsables de la regulación de la liberación de los neurotransmisores. Varias proteínas presinápticas, que incluyen calmodulina, CAPS y munc-1 3. Son capaces de fijar Ca2+. Sin embargo, el candidato principal para regular la liberación de neurotransmisores por el Ca23+parece ser la sinaptotagmina, proteína hallada en la membrana de las vesiculas sinápticas (véase Fig. 14 A). La sinaptotagmina se une al Ca2+ en concentraciones similares a las requeridas para desencadenar la fusión vesicular en el interior de la terminación presináptica y esta propiedad le permite a la sinaptotagmina actuar como sensor del Ca2+ señalando la elevación del Ca2+ en el interior de la elevación para desencadenar así la fusión vesicular. En apoyo de esta idea, la interrupción de la sinaptotagmina en las terminaciones presinápticas de ratones, moscas de la fruta, calamar y otros animales de experimentación deteriora la liberación de neurotransmisores Ca2+ -dependiente. De hecho, la deleción de solo uno de los 19 genes de sinaptotagmina de los ratones en una mutación letal, que hace que los ratones mueran poco después del nacimiento. No está claro el modo en que la fijación del Ca2+ la sinaptotagmina podría conducir a exocitosis. Se sabe que el Ca2+ cambia las propiedades químicas de la sinaptotagmina y permite que se inserte en las membranas y se una a tras proteínas SNARE. Un modelo admisible es que las proteínas SNARE aproximan mucho las dos membranas y que los cambios inducidos por el Ca2+ en la sinaptotagmina producen entonces la fusión final de estas membranas (Figura 14B).

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Aun otras proteínas parecen participar en los pasos posterior del ciclo de las vesiculas sinápticas (Figura 15). La proteína mas impórtate involucrada en la gemación endocitosica de vesiculas desde la membrana plasmática es la clatrina. Esta proteína tiene una estructura singular denominada trisquelia porque tiene un aspecto de tres patas (Figura 15 A). Durante la endocitosis, las trisquelias de la clatrina se unen a la membrana vesicular que va a ser recuperada (Figura 15 B). Algunas proteínas como AP2 y AP180, conectan la clatrina a las proteínas y los lípidos de la membrana. Estas proteínas adaptadoras, así como otras proteínas como la anfifisina, la epssina y Eps-15, ayudan a reunir las trisquelias individuales en estructuras que se asemejan a cupulas geodésicas (Véase Figura 15 A). Estas estructuras cupuliformes forman fositas con cubierta que inician la gemación de la membrana y aumentan la curvatura de la membrana en gemacin hasta que forma una estructura similar a una vesícula con cubierta. Otra proteína, llamada dinamina, produce la separación final de la membrana, que completa la producción de las vesiculas con cubierta. Las cubiertas de la clatrina son eliminados entonces por una ATPasa, Hsc70, con otra proteína llamada auxilina, que sirve como cofactor que recluta Hsc70 para la vesícula con cubierta. Otras proteínas, como sinaptojanina, también son importantes para la perdida de revestimiento de las vesiculas. Las vesiculas sin cubierta pueden continuar entonces su viaje a través del proceso de reciclado, para ser rellenadas finalmente con neurotransmisor debido a las acciones de los transportadores de neurotransmisores en la membrana vesicular. Estos transportadores intercambian protones en el interior de la vesícula por neurotransmisor; el interior acido de la vesícula es producid por la bomba de protones que también se localiza en la membrana vesicular.

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En resumen, una cascada compleja de proteínas que actúan en un orden temporal y espacial definido permite que las neuronas secreten transmisores. Aunque los mecanismos moleculares responsables de la secreción de transmisores no están completamente claros, en la actualidad se ha identificado a la mayoría de las proteínas involucradas en este proceso.

FIGURA 5.14 Mecanismos moleculares de exocitosis durante la liberación del neurotransmisor. (A) Estructura del complejo SNARE. El SNARE vesicular, la sinaptobrevina (azul), forma un complejo helicoidal con los SNARE de la membrana plasmática sintaxina (rojo) y SNAP-25 (verde). Se muestra también la estructura de la sinaptotagmina, una proteína vesicular fijadora de Ca2+, con el Ca2+ ligado indicado por esferas. (B) Modelo para la fusión vesicular desencadenada por Ca2+. Las proteínas SNARE sobre la vesícula sináptica y la membrana plasmática forman un complejo (como sucede en A) que aproxima las dos membranas. El Ca2+ se une entonces a sinaptotagmina, lo que hace que la región citoplasmática de esta proteína catalice la fusión de la membrana al unirse a SNARE e insertarlos en la membrana plasmática. (A, de Chapman, 2002.)

FIGURA 15 Mecanismos moleculares de endocitosis que siguen a la liberación de neurotransmisores. (A) Las trisquelias individuales de clatrina (izquierda) se reúnen para formar cubiertas de membrana (derecha) que participan en la gemación de la membrana durante la endocitosis. (B) Modelo de la gemación de la membrana durante la endocitosis. Después del agregado de la membrana de la vesícula sináptica durante la exocitosis, las trisquelias de clatrina se unen a la membrana vesicular. Proteínas adaptadoras, como AP-2 y AP180, ayudan a su fijación. La polimerización de la clatrina hace que la membrana se curve, lo que permite que la dinamina separe la vesícula con cubierta. La pérdida posterior de la cubierta de la vesícula, por Hsc-70 y auxilina, da una vesícula sináptica. (A, de Marsh y McMahon, 1999.)

RECEPTORES DE NEUROTRANSMISORES

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La generación de señales eléctricas postsinápticas también se conoce en considerable profundidad. Estos estudios comenzaron en 1907, cuando el fisiólogo británico John N. Langley introdujo el concepto de moléculas receptoras para explicar las acciones especificas y potentes de ciertas sustancias químicas sobre las células musculares y nerviosas. En la actualidad, sabemos que los receptores de los neurotransmisores son proteínas introducidas en la membrana plasmática de las células postsinápticas y tienen un sitio fijador para los neurotransmisores en la hendidura sináptica.

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Existen dos familias amplias de proteínas receptoras que difieren en su mecanismo de traducir la unión de los transmisores en las respuestas postsinápticas. Los receptores de una familia contienen un dominio que atraviesa la membrana y forma un canal iónico (Figura 16 A). Estos receptores combinan funciones de unión a transmisores y canales en una sola entidad molecular y, por lo tanto, se denominan receptores inotrópicos (el griego tropos significa moverse en respuesta a un estímulo) o canales iónicos con puerta de ligando.

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La segunda familia de receptores de neurotransmisores son los receptores metabotrópicos, denominados así porque el movimiento eventual de los iones a través de un canal depende de los pasos metabólicos interpuestos. Estos receptores no poseen canales iónicos como parte de su estructura: en cambio, tienen un dominio intracelular que afecta indirectamente los canales as través de la activación de moléculas intermedias denominadas proteínas G (Figura 16B). La unión del neurotransmisor a estos receptores activa proteínas G, las que entonces se disocian del receptor e interactúan directamente con los canales iónicos o se unen a otras proteínas efectoras, como las enzimas, para formar mensajeros intracelulares que abren o cierran canales iónicos. Por esta razón, los receptores metabotrópicos también son denominados receptores acoplados a la proteína G.

FIGURA 16 Dos tipos diferentes de receptor de neurotransmisores. (A) Los canales iónicos con puerta de ligando combinan las funciones de receptor y de canal en un único complejo proteico. (B) Los receptores metabotrópicos suelen activar proteínas G, que modulan los canales iónicos directa o indirectamente a través de enzimas efectoras intracelulares y segundos mensajeros.

Estas dos familias de receptores postsinápticos dan origen a acciones postsinápticas que verían desde menos de un milisegundo hasta minutos, horas o incluso días. Por lo general, los receptores ionotrópicos median efectos postsinápticos rápidos. Son ejemplos los PPT producidos en las sinapsis neuromusculares por la ACh (véase Fig. 6 B), así como las respuestas postsinápticas producidas en ciertas sinapsis glutaminérgicas y GABAergicas (véase Fig., 21 B). En estos casos, los potenciales postsinápticos se originan dentro del milisegundo o dos de un potencial de acción que invade la terminación presináptica y duran solo algunas decenas de milisegundos o menos, por el contrario, típicamente la activación de los receptores metabotrópicos produce respuestas mucho más lentas, que varían desde cientos milisegundos hasta minutos o incluso más. La lentitud comparativa de las acciones de los receptores metabotrópicos refleja el hecho de que es necesaria la unión de múltiples proteínas entre si de manera secuencial para producir la respuesta fisiológica final. Es importa señalar que un transmisor dado pueda activar tanto receptores ionotrópicos como metabotrópicos para producir potenciales postsinápticos rápidos y lentos en la misma sinapsis.

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Cambios en la permeabilidad de la membrana postsináptica durante la membrana postsináptica durante la transmision sináptica.

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Al igual que los estudios de la sinapsis neuromuscular marcaron el camino para conocer los mecanismos de liberación de los neurotransmisores, esta sinapsis periférica ha sido igualmente útil para conocer los mecanismos que permiten que los receptores de neurotransmisores generen señales postsinápticas. La unión de ACh a los receptores postsinápticos abre los canales iónicos en la membrana de la fibra muscular. Este efecto puede ser demostrado directamente utilizado el método de pinzamiento zonal de membrana para medir las corrientes postsinápticas diminutas que fluyen cuando las dos moléculas de la ACh individual se unen en receptores, como Erwin Ehner y Bert Sakmann hicieron por primera vez en 1976. La exposición de la superficie extracelular de un parche de membrana postsináptica a ACh ocasiona que fluyan corrientes de canal único durante algunos milisegundos (Figura 17 A) esto muestra que la unión de ACh a sus receptores abre canales iónicos con puerta de ligando, de forma muy similar a la manera en que los cambios en el potencial de membrana abren los canales iónicos con puerta de voltaje.

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Las acciones eléctricas de la ACh se multiplican cundo un potencial de acción en una neurona motora presináptica produce la liberación de millones de moléculas de ACh en la hendidura sinápticas. En este caso más fisiológico, las moléculas transmisoras se unen a muchos miles de receptores de ACh empaquetados en un denso conjunto sobre l membrana postsináptica, que abren transitoriamente una cantidad muy grande de canales iónicos postsinápticos. Aunque los receptores de ACh individuales solo se abren brevemente, la apertura de una gran cantidad de canales esta sincronizada por la breve duración durante la cual se secreta ACh desde las terminaciones presinápticas. La corriente macroscópica resultante de la apertura sumada de muchos canales iónicos se denomina corriente de placa terminal. Como el flujo de corriente durante la corriente de placa terminal normalmente es hacia el interior, el potencial de la membrana postsináptico se despolariza. Este cambio despolarizante en el potencial es el PPT, el cual se manera típica desencadena un potencial de acción postsináptico al abrir canales de Na+ y del K+ con puerta de voltaje (véase Fig. 6B).

FIGURA 17 Activación de los receptores colinérgicos en las sinapsis neuromusculares. (A) Medición de corrientes de receptor colinérgico único con el método de pinzamiento zonal extracelular de una porción de membrana extraída de la célula muscular postsináptica. Cuando se aplica ACh a la superficie extracelular de la membrana pinzada en voltajes negativos, la apertura breve repetida de un único canal puede observarse como corrientes hacia el interior (es decir, iones positivos que fluyen en la célula). (B) Apertura sincronizada de muchos canales activados por ACh en una sinapsis con pinzamiento de voltajes negativos. (1) Si se examina un solo canal durante la liberación de ACh desde la terminación presináptica, el canal se abre transitoriamente. (2) Si se examinan juntos algunos canales, la liberación de ACh abre los canales casi sincrónicamente. (3) La apertura de muchos canales postsinápticos se suma para producir una corriente de placa terminal macroscópica. (C) En una célula muscular normal (es decir, sin pinzamiento de voltaje), la corriente de placa terminal hacia dentro despolariza la célula muscular postsináptica y da origen a un PPT. En el caso típico, esta despolarización genera un potencial de acción (no se muestra).

La identidad de iones que fluyen durante la corriente de placa terminal puede determinarse mediante los mismos enfoques utilizados para identificar los papeles de los flujos e Na+ y K+ en las corrientes subyacentes a los potenciales de acción. La clave para este análisis es la identificación del potencial de membrana en el cual no fluye ninguna corriente durante la acción de los transmisores. Cuando el potencial de la célula muscular postsináptica se controla mediante el método de pinzamiento de voltaje (Figura 18 A), la magnitud del potencial de membrana afecta claramente la amplitud y la polaridad de las corrientes de placa terminal. Por lo tanto, cuando el potencial de membrana postsináptico se vuelve mas negativo que el potencial de reposo, la amplitud de la corriente de placa terminal se vuelve más grande, mientras que la corriente esta reducida cuando el potencial de membrana se vuelve mas positivo. Aproximadamente de 0 mV, no se detecta ningún corriente de placa terminal, e incluso con potenciales mas positivos, la corriente invierte su polaridad y se vuelve hacia el exterior en lugar de hacerlo hacia el interior. El potencial donde la corriente de placa terminal se invierte se denomina potencial de reversión.

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Como sucedió con las corrientes que fluían a través de los canales iónicos con puerta de, la magnitud de la corriente de placa terminal en cualquier potencial de membrana esta dada por el producto de la conductancia iónica activada por ACh (gACh) y la fuerza impulsora electroquímica sobre los iones que fluyen a través de canales con puerta de ligando. Por lo tanto, el valor de la corriente de placa terminal esta dado por la relación donde Erev es la potencial de reversión para la corriente de placa terminal. Esta relación predice que la placa terminal será una corriente hacia el interior con potenciales más negativos que Erev porque la fuerza impulsora electroquímica. Vm – Erev, es un numero negativo.

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                                                                                                                                             CPT= gACh (Vm– Erev )

FIGURA 18 Influencia del potencial de membrana postsináptico sobre las corrientes de placa terminal. (A) Se realiza un pinzamiento de voltaje en una fibra muscular postsináptica mediante utilización de dos electrodos, mientras que la neurona presináptica es estimulada eléctricamente para producir la liberación de ACh de las terminaciones presinápticas. Esta disposición experimental permite el registro de las corrientes de placa terminal producidas por la ACh. (B) La amplitud y el curso temporal de las corrientes de placa terminal generadas por la estimulación de la neurona motora presináptica mientras se realiza el pinzamiento zonal de voltaje de la célula postsináptica en cuatro potenciales de membrana diferentes. (C) La relación entre la amplitud pico de las corrientes de placa terminal y el potencial de membrana postsináptico es casi lineal, con un potencial de reversión (voltaje en el cual la dirección de la corriente cambia de dentro hacia fuera) próximo a 0 mV. Sobre este gráfico también están indicados los potenciales de equilibrio de los iones Na+, K+ y Cl−. (D) La identidad de los iones permeables a los receptores postsinápticos se pone en evidencia por el potencial invertido (Erev). La activación de los canales postsinápticos que sólo son permeables K+ (negro) conduce a corrientes que se revierten en Ek, cerca de −100 mV, mientras que la activación de los canales del Na+ postsinápticos conduce a corrientes que se revierten en ENa, cerca de +70 mV (rojo). Las corrientes selectivas al Cl− se revierten en Ecl, cerca de −50 mV (amarillo). (A-C, de Takeuchi y Takeuchi, 1960.)

Además, la corriente de placa terminal se hace mas pequeña con potenciales que se aproximan a Erev porque la fuerza impulsora se reduce. Con potenciales mas potenciales mas positivos que Erev la corriente de placa terminal es hacia fuera porque la fuerza impulsora tiene una dirección invertida (es decir, positiva). Dado que los canales abiertos para la ACh no son sensibles al voltaje de la membrana, gACh debe depender solo de la cantidad de canales abiertos por la ACh, lo cual depende a su vez de la concentración de ACh en la hendidura sináptica. Por lo tanto, la magnitud y polaridad del potencial de membrana postsináptica determinan la dirección y la amplitud de la corriente de placa terminal solo al alterar la fuerza impulsora sobre los iones que fluyen a través de los canales receptores abiertos por la ACh.

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Cuando Vm esta en el potencial de reversión, Vm – Erev  es igual a 0 y no existe ninguna fuerza impulsora neta sobre los iones que pueden atravesar el canal activado por el receptor. En consecuencia, la identidad de los iones que fluyen durante la corriente de placa terminal puede deducirle observando el modo en que el potencial de equilibrio para distintas especies de iones (Figura 18D). Por ejemplo, si la ACh fuera abrir un canal solo permeable al K+, entonces el potencial de reversión de la corriente de placa terminal estaría en el potencial de equilibrio para el K+, el cual para una célula muscular esta próximo a -100 mV. Si los canales activados por la ACh fueran permeables solo al Na+, el potencial de reversión de la corriente seria aproximadamente de +70 mV, el potencial de equilibrio del Na+ de las células musculares; si estos canales fueran permeables solo al C1-, entonces el potencial de reversión seria aproximadamente de -50 mV. Port este razonamiento, los canales activados por la ACh no pueden ser permeables solo a uno de estos iones, porque el potencial de reversión de la corriente de la placa terminal no esta cerca del potencial de equilibrio para ninguno de ellos (véase Fig. 18C). Sin embargo, si estos canales fueron aproximadamente permeables a Na+ y K+ entonces el potencial de inversión de la corriente de placa terminal estaría entre +70 mV y -100 mV.

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Por lo tanto, el hecho de que las corrientes de placa terminal se inviertan aproximadamente a 0 mV es compatible con la idea de que los canales iónicos activados por la ACh son permeables tanto al Na+ como al K+.  Esta implicación ha sido evaluada en 1960 por el equipo de esposos de Akira y Noriko Takeuchi mediante experimentos en los cuales alteraron la concentración extracelular de estos iones. Como se esperaba, la magnitud y el potencial de reversión de la corriente de placa terminal se modificaron al alterar el gradiente de concentración de cada ion. La reducción de la concentración externa de Na+, lo cual vuelve más negativo el Erev, produjo un desplazamiento negativo en el Erev (Figura 19 A) mientras que la elevación de la concentración externa de K+, que hace positivo el Ek hace que el Erev se desplace hacia un potencial positivo (Figura 19B). Estos experimentos confirman que los canales iónicos activados por ACh son, de hecho, permeables tanto al Na+ como el K+, la corriente de placa terminal es generada fundamentalmente por el influjo de Na+ porque en este potencial no existe ninguna fuerza impulsora sobre K+ (Figura 5.20). Si el potencial de membrana se mantiene en Ek , la corriente de placa terminal surge totalmente de un influjo de Na+ porque en este potencial no existe ninguna fuerza impulsora sobre K+ (Figura 5.20 A). En el potencial de membrana de reposo habitual de las fibras musculares de -90 mV, existe una fuerza impulsora pequeña sobre el K+ pero una mucho mayor sobre Na+. Por lo tanto, durante la corriente de placa terminal fluye mucho más Na+ hacia la célula muscular que K+ hacia afuera (Figura 5.20B) a; este influjo neto de Na+ cargado positivamente constituye la corriente hacia el interior medida como corriente de placa terminal. En el potencial de reversión de 0mV, el influjo de Na+ y el eflujo de K+ están exactamente equilibrados, de modo que no fluye corriente durante la apertura de los canales por la fijación de ACh (Figura 5.20D). Con potenciales más positivos que el Erev  el equilibrio se invierte; por ejemplo, en el ENa no hay influjo de Na+ y existe un gran eflujo de K+ debido a la fuerza impulsora sobre el K+ (Figura 20D). Potenciales aun mas positivos producen eflujo de Na+ y genera una corriente de placa terminal hacia el exterior mas grande.

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Si fuera posible medir PPT al mismo tiempo que la corriente de placa terminal (por supuesto, la técnica de pinzamiento de voltaje impide mantener constante el potencial de membrana), se vería que el PPT varia en forma paralela a la amplitud y a la polaridad de la corriente de placa terminal (Figura 5. 20E, F) en el potencial de membrana de reposo postsináptico habitual de -90 mV la gran corriente de la placa terminar hacia el interior hace que el potencial de membrana se torne más despolarizado (véase Fig. 20F). Sin embargo, en 0mV, el PPT revierte su polaridad y, con potenciales mas positivos, el PPT es hiperpolarizante. Por lo tanto, polaridad y la magnitud de la corriente de placa terminal depende de la fuerza impulsora electroquímica que determina la polaridad y la magnitud del PPT. Los PPT se despolarizarán cuando el potencial de membran sea mas positivo que el Erev.

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Entonces, la regla general es que la acción de un transmisor impulsa el potencial de membrana postsináptica hacia el Erev para que se activen los canales únicos particulares. Si bien la explicación se ha focalizado sobre la unión neuromuscular, mecanismos similares generan respuestas postsinápticas en todas las sinapsis. Un principio general que surge es que la fijación del transmisor a los receptores postsinápticos produce un cambio de la conductancia postsináptica a medida  esta aumentada si (como sucede en la unión neuromuscular ) los canales están abiertos y esta disminuida si los canales están cerrados En los casos típicos, esta cambio de conductancia genera una corriente eléctrica, la corriente postsináptica (CPS), la cual, Por su parte modifica el potencial de membrana postsináptico para producir un potencial postsináptico (PSP). Como en el caso especifico del PPT en la unión neuromuscular, los potenciales postsinápticos serán despolarizantes si su potencial de reversión es mas positivo que el potencial de membrana postsináptico e hiperpolarizantes si su potencial de reversión es más negativo.

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Los cambios de la conductancia y los potenciales postsinápticos que característicamente los acompañan son el resultado final de la mayor parte de la transmision sináptica química, y concluyen una secuencia de acontecimientos eléctricos y químicos que comienza con la invasión de un potencial de acción en las terminaciones de una neurona postsinápticas. De muchas formas, los acontecimientos que producen potenciales postsinápticos en la sinapsis son similares a los que generan potenciales de acción en los axones; en ambos casos, los cambios de la constancia producidos por los canales iónicos conducen al flujo de corriente iónica que modifica el potencial de membrana.

FIGURA 19 El potencial de reversión de la corriente de placa terminal cambia cuando cambian los gradientes iónicos. (A) La reducción de la concentración externa de Na+ hace que las corrientes de placa terminal se reviertan con potenciales más negativos. (B) La elevación de la concentración externa de K+ hace que el potencial de reversión sea más positivo. (De Takeuchi y Takeuchi, 1960).

FIGURA 20. Movimientos de Na+y de K+ durante las corrientes de placa terminal y los PPT. (A-D) Cada uno de los potenciales postsinápticos (Vpost) indicados a la izquierda produce diferentes flujos relativos de Na+ y de K+ (flujos iónicos). Estos flujos iónicos determinan la amplitud y la polaridad de las corrientes de placa terminal, las cuales a su vez determinan los PPT. Obsérvese que aproximadamente a 0 mV el flujo de Na+ es equilibrado exactamente por un flujo opuesto de K+, lo que lleva a la ausencia de flujo neto de corriente y, por ello, no hay cambios en el potencial de membrana. (E) Las corrientes de placa terminal son corrientes hacia el interior con potenciales más negativos que Erevy corrientes hacia el exterior con potenciales más positivos que Erev. (F) Los PPT despolarizan a la célula postsináptica en potenciales más negativos que Erev. A potenciales más positivos que Erev, los PPT hiperpolarizan la célula.

POTENCIALES PRESINÁPTICOS EXCITADORES E INHIBIDORES

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Los potenciales post sinápticos alteran finalmente la probabilidad de que un potencial de acción se produzca en la célula postsináptica. En la unión neuromuscular, la acción sináptica solo aumenta la probabilidad de que un potencial de que un potencial de acción se desarrolle en la célula muscular postsináptica; en efecto, la gran amplitud del PPT asegura que siempre se dispare un potencial de acción. En muchas otras sinapsis, los potenciales postsinápticos aumentan de modo similar la probabilidad de que se dispare un potencial de acción postsinápticos, Sin embargo, aun otras sinapsis realmente reducirán la probabilidad de que la célula postsináptica genere un potencial de acción. Los potenciales postsinápticos excitadores (PPSE) aumentan la probabilidad de que se desarrolle un potencial de acción postsináptico. Los potenciales postsinápticos inhibidores (PPSI) disminuyen esta probabilidad. Dado que la mayoría de las neuronas reciben aferencias tanto de sinapsis excitadoras como inhibidoras, es importante conocer con mayor precisión los mecanismos   que determinan si una sinapsis particular excita o inhibe a su compañera postsináptica.

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Los principios de la excitación para la unión neuromuscular que acabamos de describir son pertinentes a todas las sinapsis excitadoras. Los principales de la inhibición postsináptica son muy parecidos a los de la excitación, y también son muy generales. En ambos casos, los neurotransmisores que se fijan a los receptores abren casos, los neurotransmisores que se fijan a los receptores abren o cierran canales iónicos en la célula postsináptica, El hecho de que una respuesta postsináptica sea un PPSE o un PPSI depende del tipo de canal que este acoplado con el receptor y de la concentración de los iones permeables en el interior y exterior de la célula. De hecho, la única distinción entre la excitación inhibición postsináptica es el potencial de reversión del potencial postsináptico respecto del voltaje umbral para general potenciales de acción en la célula postsináptica.

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Consideremos, por ejemplo, una sinapsis neuronal que utiliza glutamato como transmisor. Muchas de estas sinapsis tienen receptores que, al igual que los receptores para ACh en las uniones neuromusculares, abren canales iónicos que no son selectivamente permeables a los cationes. Cuando estos receptores para el glutamato son activados, fluye tanto Na+ como K+ a través de la membrana postsináptica, lo que arroja un Erev de alrededor de 0 mV para la corriente postsináptica es de – 60 mV el PPSE resultante despolarizara el potencial de membrana posináptico y llevara hasta 0 mV. En la neurona hipotética que se muestra en la Figura 21 A, el voltaje umbral del potencial de acción es de – 40mV. Por lo tanto, el PPSE aumenta la probabilidad de que esta neurona produzca un potencial de acción y define a la sinapsis como excitadora.

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Como ejemplo de acción postsináptica inhibidora, consideremos una sinapsis neuronal que utiliza GABA como transmisor. En estas sinapsis, los receptores para el GABA como transmisor. En estas sinapsis, los receptores para el GABA abren canales que son efectivamente permeables al C1- y la acción del GABA hace que C1- fluya a través de la membrana postsináptica, Consideremos en caso en el que el EC1 es de -70 mV, como es típico para La mayoría de las neuronas de modo que el potencial de reposo postsináptico de 60 m V en menos negativo que el Ecr. La fuerza impulsora electroquímica positiva resultante (Vm-Erev) hace que el CI- con carga negativa fluya hacia la célula, lo que genera una PPSI hiperpolarizante (Figura 21B). Este PPSI hiperpolarizante aleja a la membrana postsináptica del umbral para el potencial de acción de -40 mV y claramente inhibe a la célula postsináptica.

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Sorprendentemente, no todas las sinapsis inhibidoras producen PPSI hiperpolarizantes. Por ejemplo, si el Ecl fuera de 50mV en lugar de -70mV, entonces la fuerza impulsora electroquímica negativa negativa haría que el C1-fluyera hacia afuera de la célula y produciría un PPSI despolarizante (Figura 21C). sin embargo, la sinapsis sería aún inhibidora: dado que el potencial de acción (-40 mV), el PPSI despolarizante es aún más negativo que el umbral para iniciación del potencial de acción. Otra forma de pensar en esta situación peculiar es que si otra aferencia excitadora sobre esta neurona llevara el potencial de membrana hasta -41 mV, inmediatamente por debajo del umbral para disparar un potencial de acción, entonces el PPSI hiperbolizaría el potencial de membrana hasta -50 mV y alejaría el potencial del umbral del potencial de acción. Por lo tanto, mientras los PPSE siempre despolarizan a la célula postsináptica, los PPSI pueden hiperpolarizada o despolarizada; en realidad, un cambio de potencial en absoluto y ejerce aún un efecto inhibidor al hacer que sea más difícil para un PPSE provocar un potencial de acción en la célula postsináptica.

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Si bien las particularidades de la acción postsináptica pueden ser complejas, una regla simple distingue la excitación postsináptica de la inhibición: un PPSE tiene un potencial de reversión más positivo que el umbral del potencial de acción mientras que un PPSI tiene un potencial de reversión más negativo que el umbral (figura 5.21D). Intuitivamente, esta regla puede comprenderse reconociendo que un PPSE tiende a despolarizar el potencial de membrana de modo que excede el umbral, mientras que un PPSI siempre actúa manteniendo el potencial de membrana más negativo que el potencial umbral.

FIGURA 21 Los potenciales de reversión y los potenciales umbral determinan la excitación y la inhibición postsinápticas. (A) Si el potencial de reversión para un potencial postsináptico (0 mV) es más positivo que el umbral del potencial de acción (−40 mV), el efecto de un transmisor es excitador y genera potenciales postsinápticos excitadores (PPSE). (B) Si el potencial de reversión para un potencial postsináptico es más negativo que el umbral del potencial de acción, el transmisor es inhibidor y genera PPSI. (C) No obstante, los PPSI pueden despolarizar la célula postsináptica si su potencial de reversión se encuentra entre el potencial de reposo y el umbral del potencial de acción. (D) La regla general de la acción postsináptica es: si el potencial de reversión es más positivo que el umbral, se produce excitación; cuando el potencial de reversión es más negativo que el umbral, se desarrolla inhibición.

SUMACIÓN DE POTENCIALES DE ACCIÓN

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Los potenciales postsinápticos en la mayoría de la sinapsis del encéfalo son muchos más pequeño que los de la unión neuromuscular; en efecto, los PPSE producidos por sinapsis excitatorias individuales pueden representar sólo una fracción de un milivoltio y suelen estar por muy debajo de del umbral para generar potenciales de acción postsinápticos ¿De qué modo entonces pueden estas sinapsis transmitir información si sus potenciales postsinápticos están por debajo del umbral? La respuesta es que, típicamente, las neuronas del sistema nervioso central se encuentran inervadas por miles de sinapsis, y los potenciales postsinápticos producidos por cada sinapsis activa pueden sumarse- en espacio y en tiempo- para determinar el comportamiento de la neurona postsináptica.

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Consideremos el caso sumamente simplificado de una neurona que es inervada por dos sinapsis excitadoras, y cada una de ellas genera un PPSE subumbral, y una sinapsis inhibitoria que produce un PPSI (figura 22A). Si bien la activación de cualquiera de estas dos sinapsis excitadoras solas (E1 o E2 en la Figura 22B) produce PPSE subumbral, la activación de ambas sinapsis excitadoras al mismo tiempo hace que se sumen dos PPSE. Si la suma de los dos PPSE (E1+E2) despolariza la neurona postsináptica lo suficiente como para alcanzar el potencial umbral, aparece un potencial de acción postsináptico.

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Por lo tanto, la sumación permite que los PPSE subumbrales influyan en la producción de potenciales de acción. Asimismo, un PPSI generado por una sinapsis inhibitoria (I) puede sumarse (hablando en términos algebraicos) con un PPSE subumbral para reducir su amplitud (E1 + I) o puede sumarse con un PPSE supraumbral para evitar que la neurona postsináptica alcance el umbral (E1 + I) o puede sumarse con un PPSE supraumbral para evitar que la neurona postsináptica alcance el umbral (E1 + I + E2).

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En resumen, la sumación de PPSE y PPSI por una neurona postsináptica permite que una neurona integre la información eléctrica provista por todas las sinapsis inhibitorias y excitadoras que actúan sobre ella en cualquier momento. El hecho de que la suma de las referencias sinápticas activas resulte en la producción de un potencial de acción depende del equilibrio entre excitación e inhibición. Si la suma de todos los PPSE y PPSI conduce a una despolarización de suficiente amplitud como para elevar el potencial de membrana por encima del umbral, entonces la célula postsináptica producirá un potencial de acción. Por el contrario, si prevalece la inhibición, la célula postsináptica se mantendrá silente. En condiciones normales, el equilibrio entre PPSE y PPSI cambia continuamente con el tiempo, dependiendo de la cantidad de sinapsis excitadoras e inhibidoras activasen un momento dado y de la magnitud de la corriente excitadoras e inhibidoras; el resultado de la batalla determina si una neurona postsináptica dispara o no un potencial de acción y, por lo tanto, si se convierte en un elemento activo en los circuitos nerviosos a los que pertenece (Figura 23). La investigación reciente sugiere que las células gliales también pueden contribuir a la señalización sináptica (Recuadro 5C)

Figura 22  Suma de los potenciales postsinápticos. (A) Un microelectrodo registra los potenciales postsinápticos producidos por la actividad de dos sinapsis excitadoras (E1 y E2) y una sinapsis inhibidora (I). (B) Respuestas eléctricas a la activación sináptica. La estimulación de cualquiera de las sinapsis excitadoras (E1 o E2) produce un PPSE subumbral, mientras que la estimulación de ambas sinapsis al mismo tiempo (E1 + E2) produce un PPSE supraliminal que provoca un potencial de acción postsináptico (que se muestra en azul). La activación de la sinapsis inhibidora aislada (I) produce un PPSI hiperpolarizante. La suma de este PPSI (línea roja rayada) con el PPSE (línea amarilla rayada) producidos por una sinapsis excitadora (E1 + I) reduce la amplitud del PPSE (línea naranja), mientras que la suma con el PPSE supraliminal producido por la activación de las sinapsis E1 y E2 mantiene a la neurona postsináptica por debajo del umbral, de modo que no se produce ningún potencial de acción.

FIGURA 23 Acontecimientos desde la liberación del neurotransmisor hasta la excitación o la inhibición postsináptica. La liberación del neurotransmisor en todas las terminaciones presinápticas sobre una célula conduce a la fijación al receptor, la cual produce la apertura o el cierre de canales iónicos específicos. El cambio de conductancia resultante hace que fluya la corriente, lo cual puede modificar el potencial de membrana. La célula postsináptica suma (o integra) todos los PPSE y los PPSI, lo que conduce a un control momento a momento de la generación del potencial de acción.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

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1.- Comprensión de lectura. En relación a la información expuesta en esta unidad y con el conocimiento adquirido en las unidades anteriores, responda el siguiente cuestionario interactivo, el cual deberá remitir por correo electrónico el 11 de noviembre.

1.- Comprensión de lectura. En relación a la información expuesta en esta unidad y con el conocimiento adquirido en las unidades anteriores, responda el siguiente cuestionario interactivo, el cual deberá remitir por correo electrónico el 11 de noviembre.

ASPECTOS GENERALES

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LAS NEURONAS DEL ENCEFALO HUMANO SE COMUNICAN entre sí, en su mayor parte, liberando mensajeros químicos denominados “neurotransmisores”. Se conoce actualmente una gran cantidad de neurotransmisores y aun quedan más por descubrir.

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El principal neurotransmisor excitador del encéfalo es el aminoácido glutamato, mientras que el principal neurotransmisor inhibidor es el ácido y-aminobutírico (GABA)- Los neurotransmisores provocan respuestas eléctricas sinápticas al unirse a los receptores de los neurotransmisores y activarlos. La mayoría de los neurotransmisores son capaces de activar varios receptores diferentes y de generar muchos modos posibles de señalización sinápticas. Después de activar sus receptores postsinápticos, los neurotransmisores son eliminados de la hendidura sináptica por los transportadores de los neurotransmisores o por las enzimas degradadoras. Las anomalías en la función de los sistemas de neurotransmisores contribuyen a un a amplia gama de trastornos neurológicos y psiquiátricos; por lo tanto, muchas terapias neuro farmacológicas se basan en fármacos que afectan a los neurotransmisores, a sus receptores o a los trasportadores responsables de eliminarlos de la hendidura sináptica.

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Categoría de neurotransmisores

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Se conocen más de 100 neurotransmisores diferentes. Esta gran cantidad de transmisores permite una gran diversidad en la señalización química entre dos neuronas. Es útil separar esta variedad de transmisores en dos categorías amplias basadas simplemente en el tamaño (Fig. 1). Los neuropéptidos son moléculas transmisoras relativamente grandes compuestas por 3 a 36 aminoácidos. Los aminoácidos individuales, como glutamato y el GABA, así como las transmisoras acetilcolina, serotonina e histamina, son muchos mas pequeños que los neuropéptidos y por lo tanto se los denomina neurotransmisores de moléculas pequeña. Dentro de la categoría de los neurotransmisores de molécula pequeña, las aminas biógenas (dopamina, noradrenalina, adrenalina, serotonina e histamina) se explican a menudo por separado debido a que sus propiedades químicas y sus acciones postsinápticas son similares. Las particularidades de síntesis, empaquetamiento, liberación y eliminación difieren para cada neurotransmisor. En este apartado, se describen algunas de las características principales de estos transmisores y sus receptores postsinápticos.

Figura 1 Ejemplos de neurotransmisores de molécula pequeña y de neurotransmisores peptídicos. Los neurotransmisores de molécula pequeña pueden subdividirse en acetilcolina, aminoácidos, purinas y aminas biógenas. Las catecolaminas, denominadas así porque todas comparten la porción catecol (es decir, un anillo benceno hidroxilado), forman un subgrupo distinto dentro de las aminas biógenas. La serotonina y la histamina contienen un anillo indol y un anillo imidazol, respectivamente. Las diferencias de tamaño entre los neurotransmisores peptídicos están indicadas por los modelos de esferas interpuestas para glicina, noradrenalina y metionina encefalina. (Los átomos de carbono están en negro; los átomos de hidrogeno, el blanco; los átomos de nitrógeno, en luz; y los átomos de oxígeno, en rojo).

ACETILCOLINA

La acetilcolina (ACh) fue la primera sustancia identificada como neurotransmisora. Además de la función de la ACh como neurotransmisor en las uniones neuromusculares esqueléticas así como la sinapsis neuromuscular entre el nervio vago y las fibras del musculo cardiaco, la ACh sirve como transmisor del sistema nervioso central en las sinapsis en los ganglios del sistema motor visceral y en distintos lugares dentro del sistema nervioso central. Aunque se sabe mucho sobre la función de la transmision colinérgica en las uniones neuromusculares y en las sinapsis ganglionares, no se conocen bien las acciones de la ACh en el sistema nervioso central.

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La acetilcolina es sintetizada en las terminaciones nerviosas de los precursores de la acetilcoenzima A (acetilCoA, que es sintetizada a partir de la glucosa) y colina, en una reacción catalizada por la colinaacetiltransferasa (CAT; Figura 2). La colina esta presente en el plasma en alta concentración (alrededor de 10mM) y es captada en las neuronas colinérgicas por un cotransportador de colina Na+- dependiente de alta afinidad. Después de la síntesis en el citoplasma de la neurona, un transportador vesicular de la ACh carga aproximadamente 10 000 moléculas de ACh en cada vesícula colinérgica.

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La energía necesaria para concentrar ACh dentro de la vesícula es provista por el pH acido de la luz vesicular, que permite al transportador vesicular de ACh intercambiar H+ por ACh. Al contrario de la mayoría de los neurotransmisores de molécula pequeña, las acciones postsinápticas de la ACh en muchas sinapsis colinérgicas (la unión neuromuscular en particular) no son terminadas por la recaptación, si no por la potente enzima hidrolítica, la acetilcolinesterasa (AChE). Esta enzima se encuentra muy concentrada en la hendidura sináptica, lo que asegura una rápida disminución de la concentración de ACh después de su liberación de la terminación presináptica. La AChE tiene una actividad catalítica muy alta (aproximadamente 5000 moléculas de ACh por molécula de AChE por segundo) e hidrolizada la ACh en acetato y colina. La colina producida por la hidrolisis de la ACh es reciclada al ser transportada nuevamente hacia las terminaciones nerviosas, donde es utilizada para sintetizar nuevamente el ACh.

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Entre los muchos fármacos interesantes que interactúan con enzimas colinérgicas están en los organofosforados. Este grupo incluye algunos potentes agentes de la guerra química. Uno de estos compuestos es el gas nervioso “sarín”, que adquirió notoriedad en 1995 después de que un grupo de terroristas libero este gas en el sistema de subterráneos de Tokio. Los organofosforados pueden ser letales porque inhiben la AChE y hacen que se acumulen acetilcolina en las sinapsis colinérgicas. Este aumento de la acetilcolina despolariza la célula postsináptica y la hace refractaria a la liberación posterior de ACh, y así provoca parálisis neuromuscular y otros efectos . La alta sensibilidad de los insectos a los inhibidores de la AChE convirtió a los organofosforados en insecticidas populares.

FIGURA 2 Metabolismo de la acetilcolina en las terminaciones nerviosas colinérgicas. La síntesis de la acetilcolina a partir de la colina y de la acetilCoA necesita de la colina acetiltransferasa. La acetilCoA deriva del piruvato generado por glucólisis, mientras que la colina es transportada en las terminaciones mediante un cotransportador Na+-dependiente (ChT). La acetilcolina es almacenada en vesículas sinápticas mediante un transportador vesicular (VAChT). Después de la liberación, la acetilcolina es metabolizada rápidamente por la acetilcolinesterasa y la colina es transportada nuevamente hasta la terminación mediante el cotransportador Na+-dependiente.

Muchas de las acciones postsinápticas de la acetilcolina están mediadas por el receptor colinérgico nicotínico (nAChR), denominado así porque la nicotina, un estimulante del SNC, también se une a estos receptores. El consumo de nicotina produce cierto grado de euforia, relajación y finalmente adicción, efectos que se cree están mediados por los nAChR. Como se describió en el capítulo 5, los nAChR son canales catiónicos no selectivos que generan respuestas postsinápticas excitadoras. Algunas toxinas se unen específicamente a los receptores nicotínicos y los bloquean. La disponibilidad de estos ligandos altamente específicos – en particular, un componente del veneno de víbora llamado “α-bungarotoxina”- ha proporcionado ionotrópico de receptores de neurotransmisores mejor estudiado, y el descubrimiento de su organización molecular proporciona conocimientos profundos sobre el funcionamiento de los receptores ionotrópicos.

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Los receptores nicotínicos son complejos proteicos grandes que consisten en cinco subunidades. En la unión neuromuscular, el nAChR contienen dos subunidades α, cada una de las cuales tiene un sitio de fijación que se une a una sola molécula de acetilcolina. Ambos sitios de fijación de la ACh deben estar ocupados por el receptor para ser activados, de modo que solo concentraciones relativamente altas de acetilcolina activan estos receptores. Estas subunidades también se unen a otros ligados, como la nicotina y la α-bungarotoxina. Las subunidades α se combinan hasta con otros cuatro tipos de subunidad: β, δ y γ o ε – en la relación 2α: 1 β: 1δ: 1γ/. Los nAChR neuronales difieren de los del musculo en que carecen de sensibilidad a α-bungarotoxina y solo comprenden dos tipos de subunidades de receptores (α- β), que están presentes en una relación 3α:2β.

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Cada subunidad del receptor contiene una región extracelular grande (que, en las subunidades α, contiene el sitio de fijación de la ACh) y cuatro dominios que atraviesan la membrana (Figura 3A). Los dominios transmembrana de las cinco subunidades individuales unidas forman un canal con un poro central que atraviesa la membrana (Figura 3B.C). El ancho de este poro (Figura 3D) es sustancialmente mas grande que el de los poros de los canales iónicos con puerta de voltaje (figura 3-II), lo que es compatible con la capacidad relativamente baja de los nAChR para discriminar entre diferentes cationes En el interior de este poro hay una constricción que puede representar la puerta del receptor. Se cree que la unión de la acetilcolina con las subunidades α produce un cambio de conformación que reorganiza los dominios transmembrana del receptor, que, de este modo, abren la puerta y permiten que los iones difundan a través del poro del canal (Figura 3E).

FIGURA 3 Estructura del receptor nACh. (A) Estructura de la subunidad α del receptor. Cada subunidad atraviesa cuatro veces la membrana; la subunidad α contiene además un sitio de fijación para la acetilcolina en su dominio extracelular. (B) Cinco subunidades se reúnen para formar un receptor colinérgico nicotínico (AChR) completo. (C) Vista del AChR desde la perspectiva de la hendidura sináptica. Se aprecia la disposición de las cinco subunidades, donde cada subunidad contribuye con una hélice transmembrana que forma el poro del canal. (D) Vista transversal del dominio transmembrana del AChR. Los orificios en cualquiera de los extremos del poro del canal son muy grandes, y el poro se estrecha en la puerta del canal. La esfera turquesa indica la dimensión de un ión sodio (0,3 nm de diámetro). (E) Modelo de la compuerta del AChR. La fijación de ACh a sus sitios fijadores sobre las dos subunidades α produce un cambio conformacional en parte del dominio extracelular, que hace que las hélices formadoras de poros se muevan y abran la puerta del poro. (F) Se reúnen distintas subunidades para formar receptores ionotrópicos de neurotransmisores. 

FIGURA 3-II Estructura de un canal del K+ bacteriano simple determinada por cristalografía. (A) Estructura de una subunidad del canal, que consiste en los dominios de expansión de la membrana y un asa del poro que se inserta en esta. (B) Disposición tridimensional de cuatro subunidades (cada una de un color diferente) en el interior del poro del canal. (C) La vía de permeabilidad del canal de K+ consiste en una cavidad acuosa grande conectada a un filtro de selectividad estrecho. Los dominios helicoidales del canal señalan cargas negativas (rojo) hacia esa cavidad, lo que permite que los iones K+ (verde) se deshidraten y luego atraviesen el filtro de selectividad. (De Doyle y cols., 1998).

En resumen, el nACh es un canal iónico con puerta de ligando. La intima asociación de los sitios de fijación de la ACh de este receptor con el poro del canal permite la rápida respuesta a la ACh características de estos receptores. Esta disposición general -varias subunidades receptoras que se reúnen para formar un canal iónico con puerta de ligando- es característica de todos los receptores ionotrópicos en las sinapsis de acción rápida, lo que al mismo tiempo explica su importancia en varias enfermedades neuromusculares. En la Figura 3F se resumen las subunidades utilizadas para formar otros tipos de receptores de neurotransmisores ionotrópicos.

Una segunda clase de receptores colinérgicos es activada por la muscarina: un alcaloide venenoso hallado en algunos hongos por lo tanto se denomina Estos receptores son metabotrópicos y median la mayor parte de los efectos de la ACh en el encéfalo. Al igual que otros receptores metabotrópicos, los mAChR tienen siete dominios helicoidales que atraviesan la membrana (Figura 4A). La ACh se une en un único sitio de fijación sobre la superficie extracelular del mAChR: este sitio de fijación esta formado por asas que conectan varias de las hélices transmembrana (Figura 4B). La unión de la acetilcolina en este sitio produce en cambio de conformación que permite a las proteínas G unirse al dominio citoplásmico del mAChR (Figura 4A).

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Se conocen cinco subtipos de mAChR (Figura 6.4C) que están acoplados a diferentes tipos de proteínas G, lo que produce así distintas respuestas postsinápticas lentas. Los receptores colinérgicos muscarínicos tienen una expresión importante en el estriado y en otras distintas regiones del encéfalo anterior, donde activan canales de K+ rectificadores hacia el interior o canales del K+ activados por el Ca2+, los cuales ejercen de este modo una influencia inhibidora sobre los efectos motores mediados por la dopamina. En otras partes del encéfalo, como en el hipocampo, los mAChR son excitadores y actúan cerrando los canales del K+ tipo KCNQ. Estos receptores también se encuentran en los ganglios del sistema nervioso periférico. Por último, los mAChR median las respuestas colinérgicas periféricas de los órganos efectores autónomos como el corazón, el musculo liso y las glándulas exocrinas, y son responsables de la inhibición de la frecuencia cardiaca por el nervio vago. Muchos fármacos actúan como agonistas o antagonistas de los mAChR; los bloqueantes de los receptores colinérgicos muscarínicos que son útiles desde el punto de vista terapéutico incluyen atropina (utilizada para dilatar la pupila), escopolamina (efectiva para prevenir la enfermedad del movimiento) e ipratropio (útil para el tratamiento contra el asma).

FIGURA 4 Receptores muscarínicos y otros receptores metabotrópicos. (A) Estructura prevista del mAChR M1 humano. Este receptor atraviesa 7 veces la membrana plasmática y tiene un dominio citoplasmático, que se une a las proteínas G y las activa, así como un dominio extracelular que se une a la acetilcolina. (B) Vista de la superficie extracelular del mAChR que muestra la acetilcolina (esferas coloreadas) unida a su sitio de fijación. (C) Variedades de receptores metabotrópicos de los neurotransmisores.

El glutamato es el transmisor mas importante para la función encefálica normal. Casi todas las neuronas excitadoras del sistema nervioso central son glutamatérgicas y se estima que mas del 50% de todas las sinapsis encefálicas libera este neurotransmisor. Durante el traumatismo encefálico, ocurre una liberación excesiva de glutamato que puede producir daño encefálico ¨excitotoxico¨ (Recuadro B).

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El glutamato es un aminoácido no esencial, que no atraviesa la barrera hematoencefálica y, por lo tanto, debe sintetizarse en las neuronas a partir de precursores locales. El precursor mas prevalente de la síntesis del glutamato es la glutamina, que es captada en las terminaciones presinápticas por el transportador 2 del sistema A (SAT2) y metabolizada luego a glutamato por la enzima mitocondrial glutaminasa (Figura 5). La glucosa metabolizada por las neuronas también puede ser utilizada para sintetizar glutamato por la transaminación de 2-oxoglutarato, intermediario del ciclo de los ácidos tricarboxilicos (Krebs). El glutamato sintetizado en el citoplasma presináptico es empaquetado en vesiculas sinápticas por los transportadores vesiculares del glutamato (VGLUT). Se han identificado por lo menos tres genes para estos transportadores y diferentes transportadores vesiculares de glutamato participan en el empaquetamiento de glutamato en las vesiculas en diferentes tipos e terminaciones sinápticas glutamatérgicas.

Figura 5 La síntesis del glutamato y el ciclo entre las neuronas y la glía. La acción del glutamato liberado en la hendidura sináptica es terminada por la captación en las células gliales (y las neuronas) circundantes a través de los transportadores de aminoácidos excitadores (EAAT). En el interior de las células gliales, el glutamato es convertido en glutamina por la glutamina sintetasa y liberado por las células gliales a través del transportadorSN1.

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La glutamina es captada en las terminaciones nerviosas a través de transportadores SAT2 y convertida nuevamente en glutamato es cargado en las vesiculas sinápticas a través de transportadores vesiculares de glutamato (VGLUT) para completar el ciclo.

Una vez liberado, el glutamato es eliminado de la hendidura sináptica por los transportadores de aminoácidos excitadores (EAATS). Estos transportadores representan una familia de cinco cotransportadores de glutamato Na+- dependientes diferentes. Algunos transportadores de aminoácidos excitadores están presentes en las células gliales y otros en las terminaciones presinápticas. El glutamato transportado en las células gliales por medio de los transportadores e aminoácidos excitadores es convertido en glutamina por las enzimas glutaminasintetasa. La glutamina es transportada luego hacia el exterior de las células gliales por un transportador diferente, el transportador 1 del sistema N (SN1), y transportado en las terminaciones nerviosas por medio del SAT2. Esta secuencia global de acontecimientos se denomina ciclo de glutamato-glutamina (véase la fig. 5). este ciclo permite que tanto células gliales como terminaciones presinápticas cooperen para mantener un aporte suficiente de glutamato para la transmision sináptica y terminar la acción postsináptica del glutamato.

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Existen varios tipos de receptores ionotrópicos de glutamato (véase Fig. 3F). Los receptores de AMPA, los receptores de NMDA y los receptores de cainato se denominan según los agonistas que los activan: AMPA (α-amino-3-hidroxil-5-metil-4-isoxazol-propionato), NMDA (N-metil-D-aspartato) y ácido cainato respectivamente. Todos estos receptores son canales catiónicos con puerta de glutamato que permiten el pasaje de Na+ y K+, de modo similar a los NAChR. Por ello, la activación de los receptores de AMPA, cainato y NMDA siempre produce respuestas postsinápticas excitadoras.

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La mayoría de las sinapsis centrales posee tanto receptores de AMPA como NMDA. A menudo, se utilizan fármacos antagonistas que bloquean selectivamente estos receptores para identificar las respuestas sinápticas mediadas por cada tipo de receptor. Estos experimentos muestran que los PPSE producidos por los receptores de NMDA son mas lentos y duran más que los producidos por los receptores de AMPA (Figura 6A). Los PPSE generados por los receptores de AMPA habitualmente son mucho mas grandes que los producidos por los otros tipos de receptores ionotrópicos del glutamato, de modo que los receptores de AMPA representan los mediadores primarios de la transmision excitadora en el encéfalo. Las funciones fisiológicas de los receptores del cainato no están tan bien definidas; en algunos casos, estos receptores se encuentran en las terminaciones presinápticas y sirven como mecanismos de retroalimentación para regular la liberación del glutamato. Cuando se encuentran sobre las células postsinápticas, los receptores del cainato generan PPSE, que se elevan rápidamente, pero disminuyen más lentamente que los mediados por los receptores de AMPA (Figura 6B).

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Los receptores NMDA tienen propiedades fisiológicas que los separan de los otros receptores ionotrópicos de glutamato. Tal vez el hecho más importante sea que el poro del canal del receptor de NMDA permite el ingreso de CA2+ además de Na+ y de NMDA aumentan la concentración de Ca2+ en el interior de la neurona postsináptica, y el Ca2+ actúa entonces como segundo mensajero para activar las cascadas de señalización intracelulares. Otra propiedad clave es que el Mg2+ fuera del poro (Figura 6). Esto implica una dependencia peculiar del voltaje al flujo desde la corriente a través del receptor (línea roja en la Figura 6D); la eliminación de MG2+ extra celular evita el comportamiento (línea azul), lo que demuestra que el MG2+ confiere la dependencia del voltaje a causa de esta propiedad, los receptores de NMDA dejan pasar cationes (principalmente Ca2+) solo cuando el potencial de la membrana postsináptico se encuentra despolarizado, como durante la activación de aferencias excitadoras fuentes o durante la descarga del potencial de acción en la célula postsináptica. En este requerimiento de la presencia coincidente tanto del glutamato como la de la despolarización postsináptica para abrir los receptores de NMDA es ampliamente considerado subyacente a ciertas formas de almacenamiento de la información sináptica, como la plasticidad sináptica a largo plazo. Otra característica poco habitual es que la apertura de la puerta de los receptores de NMDA requiere un coagonista: el aminoácido glicina, que esta presente en el medioambiente extracelular del encéfalo.

Al igual que otros ionotrópicos, los receptores de AMPA están compuestos por múltiples subunidades. Las cuatro subunidades diferentes del receptor de AMPA se designan de GluA1 a GluA4 (véase Fig. 3F). Cada subunidad tiene varios dominios diferentes, que incluye un dominio extracelular para fijar el ligando que es responsable de la fijación de ligando, y un dominio transmembrana que forma parte del canal iónico (Figura 7A). Estas subunidades están organizadas en la estructura tetramerica que se muestra en las Figuras 7B-D. Al contrario de los nAChR, la estructura extracelular de los receptores de AMP es asimétricas y, por lo tanto, se ve diferente cuando se visualiza desde las superficies frontal y lateral (Figura 7B, C). El receptor de AMPA tiene forma de Y (Figura 7B), y los dominios extracelulares grades de las subunidades se estrechan hacia abajo a medida que el receptor atraviesa la membrana plasmática (Figura 7D). Los dominios extracelulares para fijar el ligando tienen una forma característica en “concha de almeja”, donde el glutamato y otros ligados se unen en el interior de la apertura de la concha (circulo de la Figura 7C). El dominio transmembrana consiste en unas hélices que forman tanto el poro del canal como una puerta que ocluye el poro cuando el glutamato no esta unido al receptor. La unión del glutamato hace que la estructura de la concha se “cierre”; este movimiento hace entonces que las hélices el interior del dominio transmembrana se muevan y abran así el poro del canal (Figura 7E).

FIGURA 6 Respuestas postsinápticas mediadas por los receptores del glutamato ionotrópicos. (A) Contribuciones de los receptores del AMPA y del NMDA a los PPSE en una sinapsis entre una célula piramidal presináptica y una interneurona postsináptica en la corteza visual. El bloqueo de los receptores del NMDA pone en evidencia un PPSE grande y rápido mediado por los receptores del AMPA, mientras que el bloqueo de estos últimos pone en evidencia un componente más lento del PPSE mediado por los receptores del NMDA. (B) Contribuciones de los receptores del AMPA y del cainato a los PPSE en miniatura en las sinapsis excitadoras formadas entre las fibras musgosas y las células piramidales CA3 en el hipocampo. Los antagonistas farmacológicos muestran que el componente de los PPSE mediado por los receptores del AMPA es más grande y más rápido que el mediado por los receptores del cainato. (C) Bloqueo dependiente del voltaje del poro del receptor del NMDA por Mg2+. En potenciales hiperpolarizados, el Mg2+ reside en el interior del poro del canal y lo bloquea (izquierda). La despolarización del potencial de membrana empuja el Mg2+ fuera del poro, de modo que la corriente puede fluir a través de los receptores de los NMDA activados por glutamato. En presencia de Mg2+ (rojo), el bloqueo del Mg2+ del poro del canal impide el flujo de corriente en los potenciales de membrana hiperpolarizados. Si se elimina el Mg2+ extracelular, no hay bloqueo del poro del canal.

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FIGURA 7 Estructura del receptor del AMPA. (A) Estructura de dominio de una subunidad del receptor del AMPA. La parte más grande de cada subunidad es extracelular y consiste en dos dominios: el dominio aminoácido (ATD) y el dominio de fijación del ligando (LBD). Además, el dominio transmembrana (TMD) forma parte del poro del canal iónico, y un dominio carboxiterminal (CTD) conecta el receptor con las proteínas intracelulares. (B-D) Estructura cristalográfica del receptor del AMPA. Cada una de las cuatro subunidades está indicada en un color diferente. (B) Desde esta perspectiva, se aprecia la forma en Y del receptor del AMPA. (C) Después de rotar 90 grados el receptor, se observan las dimensiones asimétricas. Se aprecia un dominio de fijación del ligando que está ocupado por un fármaco antagonista (en círculos). (D) Las vistas transversales del receptor del AMPA en dos posiciones diferentes (flechas grises) muestran las relaciones espaciales entre las subunidades y también demuestran los cambios en la forma que ocurren a lo largo del receptor. (E) Modelo para la apertura con puerta del receptor del AMPA por el glutamato. Se muestra el dominio transmembrana (hélices azules) y parte del dominio fijador de ligando extracelular. La fijación del glutamato cierra la estructura en forma de concha de almeja del dominio fijador del ligando, lo que conduce al movimiento de las hélices de la puerta (flechas laterales) que abre el poro del canal. (F) Modelo de la estructura de un receptor del NMDA que consiste en las subunidades GluN1 y GluN2A. El dominio fijador de ligando de GluN2A se une al glutamato, mientras que el dominio fijador de ligando de GluN1 se une a la coagonista, la glicina. 

Los receptores de NMDA también son conjuntos tetraméricos de subunidades. Existen tres grupos de subunidades del receptor de NMDA (GluN1, GluN2 Y GluN3), con un total de siete tipos diferentes de subunidades (véase Fig., 6.3F). Mientras las subunidades GluN2 fijan el glutamato, las subunidades GluN1 y GluN3 fijan la glicina. Los tetrámeros del receptor de NMDA típicamente están compuestos por dos subunidades qué fijan glutamato (GñuN2) y dos subunidades que fijan glicina (GluN1). En algunos casos, la GluN3 reemplaza algunas subunidades GluN2. Esta mezcla de subunidades asegura que el receptor se una tanto al glutamato liberado de las terminaciones presinápticas como al coagonista glicina del ambiente. Se cree que las subunidades del receptor de NMDA forman una estructura que se asemeje mucho a los receptores de AMPA (Figura 7F).

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Además de estos receptores ionotrópicos del glutamato, hay tres tipos de receptores del glutamato metabotrópicos (mGluR) (véase Fig. 4C). Estos receptores, que modulan de manera indirecta los canales iónicos postsinápticos, difieren de los ionotrópicos en su acoplamiento a las vías de transducción de señales intracelulares y en su sensibilidad a los agentes farmacológicos. La activación de muchos de estos receptores conduce a la inhibición de los canales postsinápticos del Ca2+ y del Na+. A diferencia de los receptores glumatatergicos ionotrópicos excitadores, los mGluR producen respuestas postsinápticas ms lentas que pueden excitar o inhibir las células postsinápticas. En consecuencia, los papeles fisiológicos de los mGluR producen respuestas postsinápticas mas lentas que pueden excitar o inhibir las células postsinápticas. En consecuencia, los papeles fisiológicos de los MGluR son muy variados. Aunque no se conoce de modo completo la estructura de los mGluR, se sabe que sus dominios que fijan glutamato son muy similares a los dominios con forma de concha que fijan los ligados en los receptores ionotrópicos del glutamato. (véase la Figura 7 A,B). Se cree que la organización general de los mGluR es muy similar a la de otros receptores metabotrópicos, como el mAChR (véase la Figura 6.4A)-es decir, siete dominios helicoidales que atraviesan la membrana y conectan el dominio extracelular de fijación del ligando al dominio intracelular que activa las proteínas G-.

La mayoría de las sinapsis inhibitorias en el encéfalo o en la médula espinal emplea el ácido γ-aminobutírico o la glicina como neurotransmisores. Al igual que el glutamato, el GABA fue identificado en el tejido encefálico durante la década de 1950. Los detalles de su síntesis y degradación, fueron descubiertos poco después gracias a las investigaciones de Ernest Florey y Eugene Roberts. En la misma época, David Curtid y Jefrey Watkins mostraron por primera vez que el GABA puede inhibir la capacidad de las neuronas de los mamíferos para disparar potenciales de acción. Los resultados posteriores de Edward Kravitz y Cols, establecieron que el GABA es unneurotransmisor inhibidor en la sinapsis neuromusculares de la langosta. En la actualidad se sabe que hasta un tercio de las sinapsis del encéfalo, utiliza el GABA como neurotransmisor inhibidor. El GABA se halla  más comunmente en las interneuronas del circuito local, aunque las células de Purkinje del cerebro brindan un ejemplo de neuronas de proyección GABAérgicas.1

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El precursos predominante  en la síntesis del GABA es la glucosa, que es metabolizada a glutamato por las enzimas del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. (El piruvato y el gltamato también pueden actuar como precursosres del GABA.) La enzima acido glutámico descarboxilasa (GAD), la cual se encuentra casi exclusivamente en las neuronas GABAergicas, cataliza la conversión del glutamato a GABA (Figura 8A) Las enzimas requiere un cofactor, el fosfato de piridoxal, para realizar su actividad. Como el fosfato de piridoxal, para realizar su actividad. Como el fosfato de piridoxal deriva de la vitamina B6, una deficiencia de esta vitamina en la dieta puede conducir a una reducción de la síntesis del GABA. La importancia de este hecho quedo aclarada tras relacionar una trágica serie de muertes de lactantes con la omisión de vitamina B6 en las fórmulas para su alimentación. La falta de vitamina B6 redujo mucho el contenido de GABA del encéfalo, y la perdida posterior de inhibición sináptica produjo convulsiones que, en algunos casos, fueron fatales. Una vez sintetizado el GABA, es transportado hacia las vesiculas sinápticas a través del transportador vesicular de aminoácidos inhibidores (vesicular inhibitory amino acid transporter, VIAAT).

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El mecanismo de eliminación del GABA es similar al del glutamato: tanto las neuronas como las células gliales contienen cotransportadores de Na+- dependientes de alta afinidad para el GABA. Estos c0ontrasportadores se denominan “GAT”, y se han identificado varias formas. La mayor parte del GABA es convertida finalmente en succinato, el cual es metabolizado además en el ciclo de los ácidos tricarboxilicos, que media la sintesis del ATP celular. Se requieren dos enzimas mitocondriales para su degradación: la GABA transaminasa y la succínico semialdehido deshidrogenasa. También existen otras vías para la degradación del GABA, la mas notable de estas conduce a la producción de γ-hidoxibutirato, un derivado del GABA que fue utilizado como droga “date rape” (drogas que facilitan el abuso sexual en las citas). La administración oral de γ-hidroxibutirato puede producir euforia, déficit de memoria e incontinencia. Presumiblemente, estos efectos surgen por acción sobre las sinapsis GABAergicas en el sistema nervioso central.

FIGURA 8. Síntesis, liberación y recaptación de los neurotransmisores inhibidores del GABA y de la glicina.

(A) El GABA es sintetizado a partir del glutamato por la enzima acido glutámica descarboxilasa (GAT), la cual requiere fosfato de piridoxal. (B) La glicina puede ser sintetizada por algunas vías metabólicas; en el encéfalo, la principal precursora es la serina. Los transportadores de alta afinidad terminan las acciones de estos transmisores y devuelven GABA o glicina hacia las terminaciones sinápticas para reutilizarlos; ambos transmisores son cargados en las vesiculas sinápticas mediante el transportador vesicular de aminoácidos inhibidores (VIATT).

La inhibición de la degradación del GABA produce un aumento del contenido tisular de GABA y un incremento de la actividad inhibidora sináptica.

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La sinapsis GABAergicas emplean tres tipos de receptores postsinápticos denominados GABA, GABAB y GABAC. Los GABAA y GABAC son receptores ionotrópicos, mientras que el GABAB es metabotrópico. Al igual que otris receptores ionotrópicos, GABAA y GABAC son parámetros reunidos a partir de una combinación de muchos tipos de subunidades (véase Fig 3F). Como consecuencia de esta diversidad de subunidades, la composición y la función de los receptores del GABAA difieren mucho entre los tipos neuronales. Aunque aun no se ha resuelto la estructura de los receptores del GABAA, probable que su estructura sea similar a los nAChR (véase la Figura 3).

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Los receptores ionotrópicos del GABA son canales iónicos con puerta de GABA, y EL CI es el principal ion permeable bajo condiciones fisiológicas. El potencial de reversión para el CI es mas negativo que el umbral para la descarga neuronal debido a la acción del cotransportador K+/CI-. Por lo tanto, la activación de los receptores GABAergicos produce el influjo de CI- con carga negativa que inhibe las células postsinápticas (Figura 9B). En los casos en que la concentración postsináptica del CI- es elevada – por ejemplo, en las neuronas en desarrollo-, los receptores del GABA pueden excitar a sus puntos diana postsinápticos (Recuadro D).

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Los fármacos que actúan como agonistas o moduladores de los receptores del GABA, como los benzodiacepinas y los barbitúricos, se utilizan clínicamente para tratamiento de la epilepsia y los sedantes y anestésicos eficaces. Todos los sitios de unión para el GABA, los barbitúricos, los corticosteroides y la picrotoxina se encuentran en el interior del dominio del poro del canal (Figura 9B). Otro sitio, llamado “sitio de fijación de las benzodiacepinas”, se ubican en el exterior del poro y modula la actividad del canal. Las benzodiacepinas, como diazepam (Valium) y clordiazepoxido (Librium) son fármacos que reducen la ansiedad y aumentan la transmision GABAergica al unirse a las subunidades α y β de algunos receptores GABAergicos y se utilizan, desde el punto de vista terapéutico, para la anestesia y el control de la epilepsia. Otra sustancia que puede alterar la actividad de los circuitos inhibidores mediados por el GABA es el alcohol: al menos algunos aspectos del comportamiento del bebedor son causados por las alteraciones mediadas por el alcohol sobre los receptores ionotrópicos del GABA.

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Los receptores metabotrópicos del GABAB también se encuentran distribuidos de modo amplio en el encéfalo. Al igual que los receptores ionotrópicos del GABA, los receptores del GABAB se debe, a menudo, a la activación de los canales del K+. Un segundo mecanismo para la inhibición mediada por el GABAB es el bloqueo de los canales del Ca2+, que también hiperpolariza las células postsinápticas. Se cree que la estructura de los receptores del GABAB es similar a la de los otros receptores metabotrópicos, aunque los receptores del GABAB parecen reunirse como heterodímeros de subunidades B1 y B2.

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La distribución del aminoácido neutro glicina en el sistema nervioso central es mas localizada que la del GABA. Aproximadamente el 50% de las sinapsis inhibidoras en la medula espinal utiliza glicina; la mayor parte de las otras sinapsis inhibidoras utiliza GABA. La glicina es sintetizada a partir de la serina por la isoforma mitocondrial de serina hidroximetiltransferasa (véase Fig. 8B) y es transportada hacia las vesiculas sinápticas por medio del mismo transportador vesicular de aminoácidos inhibidores que carga GABA en las vesiculas. Una vez liberada de la célula presináptica, la glicina es rápidamente eliminada de la hendidura sináptica por los transportadores de glicina en la membrana plasmática. Las mutaciones en los genes que codifican algunas de estos transportadores conducen a hiperglicemia, enfermedad neonatal devastadora caracterizada por letargia, convulsiones y retardo mental.

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Los receptores de la glicina también son canales del CI- con puerta de ligando y su estructura general imita a la de los receptores del GABAA. Los receptores de glicina son pentámeros que consisten en mezclas de los cuatro tipos de subunidades α., junto con la subunidad β accesoria (véase Fig. 3F). La estricnina produce un bloqueo potente sobre los receptores de glicina, lo cual puede explicar las propiedades toxicas de ese alcaloide vegetal.

FIGURA 9 Receptores ionotrópicos del GABA. (A) Los receptores ionotrópicos del GABA contienen dos sitios de fijación para el GABA y muchos sitios que se unen a los fármacos y modulan estos receptores. Los iones cloruro (esferas verdes) fluyen a través del poro formado en el centro del receptor; dependiendo del gradiente electroquímico del cloruro, el flujo neto de cloruro puede dirigirse hacia el interior o el exterior de la célula. (B) La estimulación de una interneurona GABAérgica presináptica, en el momento indicado por la flecha, produce una inhibición transitoria del disparo del potencial de acción en su blanco postsináptico. Esta respuesta inhibidora es causada por la activación de los receptores postsinápticos del GABAA. 

FIGURA 10 Ruta biosintética para los neurotransmisores de las catecolaminas. El aminoácido tirosina es el precursor de las tres catecolaminas. El primer paso en esta vía de reacciones, catalizada por la tirosina hidroxilasa, es limitante de la velocidad.

Los transmisores aminas biógenas regulan muchas funciones encefálicas y también se encuentran en estado activo en el sistema nervioso periférico. Como las animas biógenas están implicadas en una gama tan amplia de comportamientos (que varían desde funciones homeostáticas centrales hasta fenómenos cognitivos como la atención), no es sorprendente que los defectos en la función de las aminas biógenas estén implicados en la mayoría de los trastornos psiquiátricos. La farmacobiología de las sinapsis aminergicas tiene una importancia critica para la psicoterapia, y los fármacos que afectan la síntesis, la unión a los receptores o el catabolismo de estos neurotransmisores son algunos de los agentes mas importantes en el arsenal con que cuenta la farmacología moderna. Muchas drogas de abuso también actúan sobre las vías de las animas biógenas.

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Existen cinco aminas biógenas neurotransmisoras bien definidas: las tres catecolaminas-dopamina, noradrenalina (norepinefrina) y adrenalina (epinefrina)-, histamina y serotonina (véase la fig. 1). Todas las catecolaminas (llamadas así porque comparten la porción catecol) derivan de un precursor común, el aminoácido tirosina (Figura 6.10). El primer paso en la síntesis de las catecolaminas es canalizado por la tirosina hidroxilasa en una reacción que requiere oxigeno como cosustrato y tetrahidrobiopterina como cofactor para sintetizar dihidroxifenilalanina (DOPA). La histamina y serotonina son sintetizadas a través de otras vías como se describe más adelante.

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La dopamina esta presente en varias regiones encefálicas (Figura 11A), aunque la principal área del encéfalo que contiene dopamina es el cuerpo estriado, que recibe las principales aferencias de la sustancia nigra y desempeña un papel esencial en la coordinación de los movimientos corporales. En la enfermedad de Parkinson, por ejemplo, las neuronas dopaminérgicas de la sustancia nigra degeneran, lo que conduce a una disfunción motora característica. También se cree que la dopamina está involucrada en la motivación la recompensa y el refuerzo, y muchas drogas de abuso funcionan afectando las sinapsis dopaminérgicas en el SNC. Además de estas funciones en el SNC, la dopamina también desempeña otras funciones poco conocidas en algunos ganglios simpáticos. 

Figura 11 Distribución en el encéfalo humano de las neuronas que contienen los neurotransmisores de las catecolaminas.

Se muestran las neuronas y sus proyecciones (flechas) que contienen los neurotransmisores de las catecolaminas. Las flechas curvas a lo largo del perímetro de la corteza indican la inervación de las regiones corticales laterales que se muestran en este plano medio sagital de corte.

La dopamina es producida por la acción de la DOPA descarboxilasa sobre la DOPA (véase Fig. 10). Tras sus síntesis en el citoplasma de las terminaciones presinápticas, la dopamina es almacenada en las vesiculas de monoaminas (vesicular monoamine transporter, VMAT) La acción de la dopamina en la hendidura sináptica concluye con la recaptación de dopamina en las terminaciones nerviosas o en las células gliales circundantes por un cotransportador de dopamina Na+- dependiente, denominado “DAT”. Al parecer, la cocaína produce sus efectos psicotrópicos uniéndose al DAT e inhibiéndolo, lo que arroja un aumento neto en la liberación de dopamina desde las áreas encefálicas específicas. La anfetamina, otra droga adictiva, también inhibe el DAT y el transportador para noradrenalina (véase mas adelante)- Las dos enzimas principales involucradas en el catabolismo de la dopamina son la monoaminooxidasa (MAO) y el catecol O-metil-transferasa (COMT). Tanto las neuronas como la glía contienen MAO mitocondrial y COMT citoplasmática. Los inhibidores de estas enzimas, como fenelzina y tranilcipromina, son utilizados en la práctica clínica como antidepresivos.

Una vez liberada la dopamina actúa exclusivamente activado los receptores acoplados a la proteína G. Uno de estos, el receptor dopaminérgico D3, se muestra en la figura 12A. La estructura de este receptor se asemeja mucho a la de otros receptores metabotrópicos, como el receptor se asemeja mucho a la de otros recpetores metabotrópicos, como el receptor mACh (véase la Figura 4A), excepto porque su sitio de fijación al ligando es optimizado por la fijación a la dopamina (véase Fig. 4C) actúa activando o inhibiendo la adenililciclasa. En general, la activación de estos receptores contribuye a comportamientos complejos: por ejemplo, la administración de agonistas de los receptores de dopamina produce hiperactividad y comportamiento estereotipado repetitivo en animales de laboratorio. La activación de otro tipo de receptor de dopamina en el bulbo raquídeo inhibe los vómitos. Por lo tanto, los antagonistas de estos receptores se utilizan como emético para inducir el vómito después del envenenamiento o de la sobredosis de una droga. Los antagonistas de los receptores de dopamina también pueden producir iniciar los movimientos motores voluntarios, lo que sugiere una base para esta característica presente en algunas psicosis.

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La noradrenalina (también llamada “norepinefrina”) es utilizada como neurotransmisora en el locus cerúleo, un núcleo del tronco del encéfalo que se proyecta de forma difusa a distintos puntos diana o blanco del encéfalo anterior (Figura 11B) e influye en el sueño y la vigilia, en la atención y en la conducta alimentaria. Tal vez las neuronas noradrenérgicas más sobresalientes en las células ganglionares simpáticas, que emplean noradrenalina como principal transmisor periférico en esta división del sistema motor visceral.

La síntesis de noradrenalina requiere dopamina β-hidroxilasa, la cual cataliza la producción de noradrenalina a partir de la dopamina (figura 10). La noradrenalina es almacenada luego en las vesículas sinápticas mediante el mismo VMAT que participa en el transporte vesicular de la dopamina. La noradrenalina es eliminada de la hendidura sináptica por el transportador de noradrenalina, un cotransportador Na+-dependiente que también es capaz de captar dopamina. El NET sirve como punto diana molecular de la anfetamina, la cual actúa como estimulante al producir un aumento neto en la liberación de noradrenalina y dopamina. Una mutación en el gen NET es una causa de intolerancia al ortostatismo, trastorno que produce mareos al incorporarse. Al igual que la dopamina, la noradrenalina es degradada por la MAO y la COMT.

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La noradrenalina, al igual que la adrenalina, actúa sobre los receptores α y β-adrenérgicos (véase figura 4C). Ambos tipos de receptores están acoplados a la proteína G; de hecho el receptor β-adrenérgico fue el primer receptor metabotrópico de neurotransmisores que se ha identificado. Como se muestra en la figura 12B, la estructura de este receptor es muy similar a la de otros receptores metabotrópicos (como el receptor de la dopamina de la figura 12A). La fijación de noradrenalina o de adrenalina produce pequeños cambios en la estructura de este receptor, lo que permite la unión de la proteína G (figura 12, derecha). Esto, a su vez, produce cambios mayores en la forma de subunidad α de la proteína G, el primer paso es una serie de reacciones que permiten la proteína G regular las cascadas de señalización intracelular.

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Actualmente, se han identificado dos subclases de receptores Alfa-adrenérgicos. En general, la activación de los receptores α1, produce una lenta despolarización relacionada con la inhibición de los canales de potasio, mientras que la activación de los receptores α 2, produce una lenta hiperpolarización debido a la activación de un tipo diferente de canal del potasio. Existen 3 subtipos de receptores β-adrenérgicos, dos de los cuales se expresan en muchos tipos de neuronas. Los agonistas y los antagonistas de los receptores adrenérgicos, como el betabloqueante propanolol (Inderol), son utilizados en la clínica para distintos trastornos que varían desde arritmias cardiacas hasta cefaleas migrañosas. Sin embargo, la mayor parte de las acciones de estos fármacos recae sobre los receptores del músculo liso, sobre todo, en los aparatos cardiovascular y respiratorio.

FIGURA 12 Receptores metabotrópicos para los neurotransmisores de las catecolaminas. (A) Estructura del receptor de la dopamina D3. Al igual que todos los receptores metabotrópicos, el receptor D3 atraviesa 7 veces la membrana plasmática y tiene un dominio citoplasmático que se une a las proteínas G y las activa, así como un dominio extracelular que se une a la dopamina. (B) Estructura del receptor adrenérgico β2 y de su proteína G asociada. (Izquierda) En ausencia de ligando, el dominio citoplasmático del receptor β2 no está unido a la proteína G (subunidades α, β y γ). (Derecha) La unión del ligando (agonista β indicado por las esferas de colores) al sitio de fijación extracelular para noradrenalina (NE) y adrenalina (Epi) hace que el receptor β2se una a la subunidad α de la proteína G, lo que a su vez induce un cambio espectacular en la estructura de esta subunidad.

La adrenalina (también denominada “epinefrina”), Se halla en el encéfalo en niveles mucho menores que cualquier otra catecolamina y también se presenta en menos neuronas encefálicas que otras catecolaminas. Las neuronas del sistema nervioso central que contienen adrenalina están principalmente en el sistema tegmental lateral y en el bulbo raquídeo, y proyectan hacia el hipotálamo y el tálamo (figura 11). No se conoce la función de estas neuronas que secretan adrenalina.

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La enzima qué sintetiza adrenalina, la feniletanolamina-N-metiltransferasa (véase figura 10), Sólo está presente en neuronas que secretan adrenalina. Por otra parte, el metabolismo de la adrenalina es muy similar al de la noradrenalina. La adrenalina es almacenada en vesículas a través del transportador vesicular de monoamínas. No se identificó ningún transportador de la membrana plasmática específico para adrenalina, aunque el NET es capaz de transportarla. Como se ha señalado, la adrenalina actúa tanto sobre los receptores α-adrenérgicos como los β-adrenérgicos.

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La histamina se encuentra en las neuronas del hipotálamo que envían proyecciones escasas pero difusas a casi todas las regiones del encéfalo y la médula espinal (figura 13A). Las proyecciones histamínico las centrales median el despertar y la atención, De modo similar a las proyecciones colinérgicas y noradrenérgicas centrales. La histamina también controla la reactividad del sistema vestibular. Las reacciones alérgicas o el daño tisular producen liberación de histamina de los mastocitos en el torrente sanguíneo. La estrecha proximidad de los mastocitos a los vasos sanguíneos junto con las acciones potentes de la histamina sobre los vasos sanguíneos también plantean la posibilidad de que la histamina pueda influir en el flujo sanguíneo encefálico.

FIGURA 13 Distribución en el encéfalo humano de las neuronas que contienen histamina o serotonina. Los diagramas muestran la distribución de neuronas y sus proyecciones (flechas) que contienen histamina 0 (A) o serotonina (B). Las flechas curvas a lo largo del perímetro de la corteza indican la inervación de las regiones corticales laterales que no se muestran en este plano mediosagital de corte.

La histamina es producida a partir del aminoácido histidina por una histidina descarboxilasa (figura 14) y es transportada en vesículas mediante el mismo VMAT que las catecolaminas. No se identificó aún ningún transportador de la membrana plasmática para la histamina. La histamina es degradada por las acciones combinadas de la histamina metiltransferasa y la monoaminooxidasa.

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Los 3 tipos conocidos de receptores de la histamina son todos receptores metabrotrópicos (véase figura 4C). Debido a la importancia de los receptores de la histamina en la mediación de las respuestas alérgicas, se desarrollaron muchos antagonistas de los receptores de la histamina como agentes antihistamínicos. Los antihistamínicos que atraviesan la barrera hematoencefálica, como la difenhidramina (Benadryl), actúan como sedantes al interferir en las funciones de la histamina sobre el despertar del sistema nervioso central. Los antagonistas del receptor H1 también se utilizan para prevenir la enfermedad del movimiento, tal vez debido al papel de la histamina para controlar la función vestibular. Los receptores H2 controlan la secreción de ácido gástrico en el sistema digestivo, lo que permite que los antagonistas de este receptor sean utilizados en el tratamiento contra distintos trastornos gastro intestinales (por ejemplo, úlceras pépticas).

FIGURA 14 Síntesis de histamina y de serotonina. (A) La histamina es sintetizada a partir del aminoácido histidina. (B) La serotonina deriva del aminoácido triptófano por un proceso de dos pasos que necesita las enzimas triptófano-5- hidroxilasa y una descarboxilasa.

La serotonina o 5-hidroxitriptamina (5HT), Fue inicialmente considerada una sustancia que aumentaba el tono vascular en virtud de su presencia en el suero (de ahí el nombre de “serotonina”). La serotonina se encuentra fundamentalmente en grupos de neuronas en la región del rafe de la protuberancia y del tronco del encéfalo superior, las cuales tienen amplias proyecciones con el encéfalo anterior (figura 13B) y regulan el sueño y la vigilia. La serotonina ocupa un lugar prominente en la neurofarmacología porque gran cantidad de agentes antipsicóticos que son útiles en el tratamiento contra la depresión y la ansiedad actúan sobre las vías serotoninérgicas.

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La 5-HT es sintetizada a partir del aminoácido triptófano, el cual es un requerimiento esencial de la dieta. El el triptófano es captado en las neuronas por un transportador de la membrana plasmática e hidroxilado  en una reacción catalizada por la enzima triptófano-5-hidroxilasa (figura 14B), el paso limitante de la velocidad para la síntesis de 5-hidroxiTRIPTAMINA. El almacenamiento de serotonina en las vesículas sinápticas es realizada por el VMAT, que también es responsable del almacén de otras monoaminas en las vesículas sinápticas. Los efecto sinápticos de la serotonina concluyen con el transporte retrógrado hacia las terminaciones nerviosas a través de un transportador específico de serotonina (SERT). Muchos agentes antidepresivos son inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS) qué inhiben el transporte de 5-ht mediante el transportador específico de serotonina. Tal vez el ejemplo mejor conocido del ISRS sea la fluoxetina (Prozac). La vía catabólica primaria para serotonina está mediada por la monoaminooxidasa.

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Se han identificado gran cantidad de receptores setoninérgicos. La gran mayoría de estos receptores son metabotrópicos (véase figura 4C). Estos fueron relacionados con determinados comportamientos que incluyen las emociones, el ritmo circadiano, la conducta motora y el estado de alerta mental. El deterioro de la función de estos receptores se consideran responsable de muchos trastornos psiquiátricos, como depresión, trastornos de ansiedad y esquizofrenia; y los fármacos que actúan sobre los receptores setoninérgicos constituyen tratamientos eficaces para algunos de estos trastornos. La activación de los receptores de la serotonina también media la saciedad y el menor consumo de alimento, razón por la cual algunos agentes a veces son útiles para el tratamiento de los trastornos de la conducta alimentaria.

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Solo un grupo de receptores de la serotonina, denominados “receptores 5-HT”, son canales iónicos con puerta del ligando. Se trata de canales catiónicos no selectivos y, por lo tanto, median respuestas postsinápticas excitadoras. Su estructura general, con canales funcionales formados por la Unión de múltiples subunidades, es similar a la de otros receptores ionotrópicos antes descritos. Se conocen dos tipos de subunidades 5-HT3 y forman canales funcionales al unirse como un heteromultímero. Los receptores serotoninérgicos son puntos diana para una amplia variedad de agentes terapéuticos que incluyen ondandan setrón (Zofran) y granisetrón (Kytril), Utilizados en la prevención de náuseas posoperatorias y emesis inducida por quimioterapia.

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El ATP y otras purinas

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Todas las vesículas contienen ATP, qué es liberado junto con uno más neurotransmisores “clásicos” Esta observación plantea la posibilidad de que el ATP actúe como como compromiso cotransmisor. Desde la década de 1920, se sabe que la ampliación extracelular de ATP (o sus productos de degradación AMP y adenosina) pueden producir respuestas eléctricas en las neuronas. La idea de qué algunas “purinas” (denominadas así debido al anillo purínico; véase figura 1) también son neurotransmisoras ha recibido ahora considerable respaldo experimental. El ATP actúa como neurotransmisor excitador en las neuronas motoras de la médula espinal, y en los ganglios sensitivos y autónomos. También se demostraron acciones postsinápticas del ATP en el sistema nervioso central, específicamente, en las neuronas del asta dorsal y en un subgrupo de neuronas del hipocampo. Las enzimas extracelulares degradan el ATP liberando a adenosina, que posee su propio conjunto de acciones de señalización. Por lo tanto, la adenosina no puede ser considerada un neurotransmisor clásico porque no es almacenada en vesículas sinápticas ni liberado en la forma de CA2+-dependiente. Algunas enzimas, como la aspirasa y la exto-5 nucleotidasa, Así como los transportadores de nucleósidos participan en el rápido catabolismo y en la eliminación de las purinas de las localizaciones extracelulares.

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Los receptores de ATP y adenosina se encuentran ampliamente distribuidos en el sistema nervioso y en muchos otros tejidos. Actualmente, se conocen 3 clases de estos receptores purinérgicos. Una de estas clases consisten receptores ionotrópicos denominados receptores P2X (véase figura 3F). La estructura de estos receptores es algo singular entre los receptores ionotrópicos porque cada subunidad tiene solo dos dominios transmembrana (figura 15A). Además, Sólo se requieren 3 de estas subunidades para formar un receptor trimérico (figura 15B). Al igual que todos los receptores ionotrópicos, un poro se localiza en el centro del receptor P2X y forma un canal catiónico no selectivo. Por lo tanto, los receptores P2X median respuestas postsinápticas excitadoras. Los receptores purinérgicos ionotrópicos se encuentran ampliamente distribuidos en las neuronas centrales y periféricas. En los nervios sensitivos, desempeñan evidentemente un papel en la mecanosensibilidad y en el dolor; sin embargo, no se conoce su función en la mayoría de las otras células.

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Las otras dos clases de receptores purinérgicos son receptores metabotrópicos acoplados a la proteína G (véase figura 4C). Las dos clases difieren en su sensibilidad de los agonistas: un tipo estimulado preferencialmente por la adenosina, mientras que el otro es activado preferencialmente por el ATP. En la figura 15D se muestra un ejemplo del primero: el receptor de la adenosina A2A. Ambos tipos de receptores se encuentran en todo el encéfalo, y en los tejidos periféricos como el del corazón, del tejido adiposo y del riñón. Las xantinas como la cafeína y la teofilina bloquean los receptores de la adenosina y, se considera que esta actividad es responsable de los efectos estimulantes de estos agentes.

FIGURA 15 Receptores purinérgicos. (A) Subunidad de un receptor ionotrópico P2X4. Cada subunidad tiene un dominio transmembrana que consiste en dos estructuras helicoidales que forman parte de un canal, así como un dominio extracelular grande que incluye el sitio de fijación del ATP. La forma de la subunidad recuerda a un delfín, con las estructuras codificadas por color como se indica en el recuadro. (B) Vista lateral de un receptor P2X4; este receptor es un trímero de tres subunidades, y cada subunidad se muestra con un color diferente. Se propone que el sitio de fijación del ATP está en el centro del dominio extracelular. (C) Vista superior del receptor P2X4, que indica el poro del canal de localización central. (D) Estructura de un receptor metabotrópico A2A de adenosina. Este receptor tiene la estructura de dominio que atraviesa 7 veces la membrana característica de los receptores metabotrópicos y se muestra con un agente antagonista ocupando el sitio de fijación de la adenosina.

NEUROTRANSMISORES PÉPTIDOS

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Muchos péptidos conocidos como hormonas también actúan como neurotransmisores. Algunos transmisores peptídicos han sido involucrados en la modulación de las emociones, otros, como la sustancia P y los péptidos opioides, participan en la percepción del dolor. Otros péptidos, como las hormonas melanocitoestimulante, adrenocorticotrofina y beta-Endorfina, regulan respuestas complejas al estrés.

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Los mecanismos responsables de la síntesis y del empaquetamiento de los transmisores peptídicos son fundamentalmente diferentes de los utilizados para los neurotransmisores de molécula pequeña y son muy similares a las síntesis de proteínas secretadas desde células distintas de las neuronas (enzimas pancreáticas, por ejemplo). Las neuronas que secretan péptidos generalmente sintetizan polipéptidos que son mucho más grandes que el péptido “maduro” final. El procesamiento de estos polipéptidos, que se denominan prepropéptidos (o preproproteínas), Tiene lugar por una secuencia de reacciones en varios orgánulos intracelulares. Los prepropéptidos son sintetizados en el retículo endoplasmático rugoso, donde se elimina la secuencia señal de aminoácidos, es decir, la secuencia que indica que el péptido va a ser secretado. El polipéptido restante, denominado propéptido (o proproteína), atraviesa luego el aparato de Golgi y es empaquetado en vesículas en la red trans-Golgi.

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Los estadios finales del procesamiento de los neurotransmisores peptídicos se desarrollan después del empaquetamiento en vesículas y comprenden la división proteolítica, la modificación de los extremos del péptido, la glucosilación, la fosforilación y la formación de enlaces disulfuro.

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Los precursores propéptidos son típicamente más grandes que sus productos peptídicos activos y pueden dar origen a más de una especie de neuropéptido (figura 16). Eso significa que se pueden liberar múltiples péptidos neuro activos de una única vesícula. Además, los neuropéptidos a menudo son liberados de forma conjunta con los neurotransmisores de molécula pequeña.

FIGURA 16 Procesamiento proteolítico de los prepropéptidos. Se muestra acá la preproopiomelanocortina (A) y la preproencefalina A (B). Por cada prepropéptido, la secuencia señal está indicada en color naranja a la izquierda; las localizaciones de los productos peptídicos activos están indicadas por diferentes colores. La maduración de los prepropéptidos comprende la división de la secuencia señal y otro procesamiento proteolítico. Este procesamiento puede producir algunos péptidos neuroactivos diferentes como ACTH, γ-lipotropina y β-endorfina (A) o múltiples copias del mismo péptido, como met-encefalina (B).

La actividad biológica de los neurotransmisores peptídicos depende de su secuencia de aminoácidos (figura 17). Sobre la base de sus secuencias de aminoácidos, los transmisores neuropéptidos han sido agrupados de manera no muy estricta en cinco categorías: péptidos del encéfalo/intestino; péptidos opioides; péptidos hipofisarios, Hormonas liberadoras hipotalámicas y una categoría general que contiene otros péptidos que no se clasifican con facilidad.

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El estudio de los neuropéptidos comenzó hace más de 60 años con el descubrimiento accidental de la sustancia P (figura 17 A); un agente hipotensor potente y un ejemplo de la primera categoría de péptido (el nombre peculiar deriva del hecho de que esta molécula era un componente no identificado de extractos secos en polvo del encéfalo e intestino). Este péptido de 11 aminoácidos, está presente en altas concentraciones en el hipocampo, en la neo corteza y también en el tracto gastrointestinal; de ahí su clasificación como péptido de encéfalo/intestino.

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La sustancia P es un neurotransmisor sensitivo de la médula espinal, donde su liberación puede ser inhibida por péptidos opioides que provienen de las Inter neuronas de la médula espinal lo que conduce a la supresión del dolor. La diversidad de los neuropéptidos es destacada por el hallazgo de que el gen que codifica la sustancia P codifica algunos otros péptidos neuro activos que incluyen la neurocinina α, el neuropéptido K y el neuropéptido γ.

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Una categoría especialmente importante de neurotransmisores péptidos es la familia de los opioides (figura 17 B). Estos péptidos se denominan así porque se unen a los mismos receptores postsinápticos activados por el opio. La amapola del opio es cultivada por lo menos desde hace 5000 años y sus derivados se utilizan como analgésicos, al menos desde el renacimiento. Los ingredientes activos del opio son una variedad de alcaloides vegetales, predominantemente morfina. La morfina denominada así en “honor” a Morfeo, Dios griego de los sueños, sigue siendo uno de los analgésicos más eficaces en uso actualmente a pesar de su potencial adictivo. Los opioides sintéticos como meperidina y metadona también se usan como analgésicos y, el fentanilo, droga como una potencia analgésica 80 veces superior a la de la morfina, es utilizado ampliamente en la anestesiología clínica.

FIGURA 7 Secuencia de aminoácidos de los neuropéptidos. Los neuroendopéptidos tienen longitud variable, pero habitualmente contienen entre 3 y 36 aminoácidos. La secuencia de aminoácidos determina la actividad biológica de cada péptido.

Los péptidos opioides fueron descubiertos en la década de 1970 durante la búsqueda de endorfinas, compuestos endógenos que imitan las acciones de la morfina. Se tenía la esperanza de que estos compuestos fueron analgésicos y de que su comportamiento arrojará luz sobre la adicción a las drogas. En la actualidad, se han identificado los ligandos endógenos de los receptores de opioides como una familia de más de 20 péptidos opioides agrupados en 3 clases: las endorfinas, las encefalinas y las dinorfinas. Cada una de estas clases se libera a partir de un prepropéptido inactivo (preproopiomelanocortína, preproencefalina A y preprodinorfina), Derivado de los distintos genes (véase figura 16). El procesamiento de los precursores opioides es efectuado por enzimas procesadoras específicas de los tejidos que son empaquetadas en vesículas junto con el péptido precursor, en el aparato de Golgi.

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Los péptidos opioides están ampliamente distribuidos en todo el encéfalo y a menudo se localizan junto con otros neurotransmisores de molécula pequeña como el GABA y la 5-hidroxitriptamina. En general, estos péptidos tienden a ser depresores.

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Cuando celos inyecta de forma intracerebral en animales de experimentación, actúan como analgésicos; sobre la base de esta prueba y de otras, es probable, que estén involucrados en los mecanismos que subyacen a la analgesia inducida por la acupuntura. Los opioides también participan en comportamientos complejos como la atracción sexual y en las conductas agresivas sumisas. Asimismo, tendrían un papel en algunos trastornos psiquiátricos como la esquizofrenia y el autismo, aunque las pruebas de ello son temas de debate. Lamentablemente, la administración repetida de opioides conduce a la tolerancia y a la adicción.

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Casi todos los neuropéptidos inician sus efectos activando receptores acoplados a las proteínas G. El estudio de estos receptores metabotrópicos de péptidos en el encéfalo ha sido difícil porque se conocen pocos agonistas y antagonistas específicos. Los péptidos activan a sus receptores con bajas concentraciones en comparación con las concentraciones requeridas para activar los receptores de los neurotransmisores de molécula pequeña. Estas propiedades permiten a los puntos diana postsinápticos de los péptidos localizarse alejados de las terminaciones presinápticas y modular las propiedades eléctricas de las neuronas que simplemente se encuentran en la vecindad del sitio de liberación del péptido. La activación de los receptores de los neuropéptidos es especialmente importante para regular la eferencia posganglionar desde los ganglios simpáticos y la actividad del intestino.

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Los receptores de neuropéptidos -sobre todo, el receptor del neuropéptido Y - También están involucrados en la iniciación y en el mantenimiento de la conducta alimentaria que conduce a la saciedad o la obesidad.

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Otros comportamientos adjudicados a la activación de los receptores de péptidos incluyen la ansiedad y las crisis de angustia, y los antagonistas de los receptores de la colecistocinina son útiles desdeel.de vista clínico en el tratamiento de estas afecciones. Se han desarrollado otros fármacos útiles que tienen como diana los receptores opioides. Tres sub tipos bien definidos de receptores de opioides (μ, δ y κ (mi, delta y Kappa)) Desempeñan un papel en los mecanismos de recompensa y adicción. El receptor de opioides μ ha sido identificado específicamente como sitio primario para la recompensa de la droga mediada por las drogas opioides.

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NEUROTRANSMISORES NO CONVENCIONALES

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Además de los neurotransmisores convencionales ya descritos, también se utiliza en algunas moléculas poco comunes para la señalización entre las neuronas y sus puntos diana. Estas señales químicas pueden considerarse neurotransmisores debido a sus funciones en la señalización interneuronal y porque su liberación desde las neuronas está regulada por el Ca2+. Sin embargo, en comparación con otros neurotransmisores, no son convencionales, porque no son almacenados en vesículas sinápticas ni son liberados de las terminaciones presinápticas a través de mecanismos de exocitosis. De hecho, estos neurotransmisores no convencionales no necesitan ser liberados desde las terminaciones presinápticas y, a menudo, se asocian con señalización retrógrada, (es decir, desde las células postsinápticas nuevamente hacia las terminaciones presinápticas).

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Los endocannabinoides constituyen una familia de señales endógenas relacionadas que interactúan con los receptores de cannabinoides. Estos receptores son las dianas moleculares del Δ (delta)-tetrahidrocannabinol, El componente psicoactivo de la planta de mariguana. Cannabis. Aunque no fueron definidos aún, algunos miembros de este grupo emergente de señales químicas, la anandamina y el 2-araquidonilglicerol (2-AG) son considerados endocannabinoides. Estas señales son grupos de ácidos grasos no saturados con cabeza polar y se producen por la degradación enzimática de los lípidos de membrana (figura 18 A,B). La producción de endocannabinoides es estimulada por una señal de 2º mensajero en el interior de las neuronas postsinápticas.

FIGURA 18 Señales de endocannabinoides involucradas en la transmisión sináptica. Posible mecanismo de producción de los endocannabinoides. (A) anandamida y (B) 2-AG. (C) Estructura del agonista del receptor de endocannabinoides WIN 55,212-2 y el antagonista rimonabante. 

Los endocannabinoides participan en varias formas de regulación sináptica. La acción mejor documentada de estos agentes es la inhibición de la comunicación entre las células diana postsinápticas y sus aferencias presinápticas. En el hipocampo y el cerebelo, además de otras regiones encefálicas los endocannabinoides sirven como señales retrógradas para regular la liberación del GABA en ciertas terminaciones inhibidoras. En estás sinapsis, La despolarización de la neurona postsináptica produce una reducción transitoria en la respuestas postsinápticas inhibidoras (figura 19). La despolarización reduce la transmisión sináptica al elevar la concentración de Ca2+ en el interior de la neurona postsináptica.

FIGURA 19 Control retrógrado de la liberación del GABA mediado por endocannabinoides. (A) Disposición experimental. La estimulación de una interneurona presináptica produce liberación de GABA en una neurona piramidal postsináptica. (B) Las corrientes postsinápticas inhibidoras (CPSI) producidas por la sinapsis inhibidora (control) tienen una amplitud reducida tras una despolarización breve de la neurona postsináptica. Esta reducción en la corriente postsináptica inhibidora se debe a que se libera menos GABA desde la neurona presináptica. (C) La reducción en la amplitud de la corriente postsináptica inhibidora producida por la despolarización postsináptica dura algunos segundos y está mediada por endocannabinoides, porque es impedida por el antagonista de los receptores de endocannabinoides rimonabante. 

El óxido nítrico (NO) es una señal química poco común pero especialmente interesante. El NO es un gas producido por la acción del óxido nítrico sintasa, enzima que convierte el aminoácido arginina en un metabolito (citrulina) y simultáneamente genera NO. (figura 20). En el interior de las neuronas, la NO sintasa neuronal está regulada por la Unión del Ca2+ a la proteína sensora de Ca2+ calmodulina. Una vez producido, el NO puede atravesar la membrana plasmática, lo que indica que el NO generado en el interior de una célula puede viajar a través del medio extracelular y actuar en el interior de células cercanas. Por lo tanto, esta señal gaseosa tiene una gama de influencias que se extiende mucho más allá de la célula de origen y difunde algunas decenas de micrómetros de su sitio de producción antes de ser degradada. Esta propiedad convierte al NO en un agente potencialmente útil para coordinar las actividades de múltiples células en una región muy localizada y puede mediar ciertas formas de plasticidad sináptica que se propagan en el interior de pequeñas redes de neuronas.

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Todas las acciones conocidas del NO están mediadas en el interior de sus células diana, por esta razón, a menudo se lo considera un segundo mensajero más que un neurotransmisor.

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El NO se degrada espontáneamente al reaccionar con oxígeno para producir óxido de nitrógeno inactivos. Como resultado, las señales de NO duran sólo un periodo breve, del orden de segundos o menos. La señalización del NO evidentemente regula distintas sinapsis que también emplean neurotransmisores convencionales; hasta ahora, las terminaciones presinápticas que liberan glutamato constituyen el punto diana mejor estudiado del NO en el sistema nervioso central. El NO también puede estar involucrado en algunas enfermedades neurológicas, por ejemplo, se ha propuesto que el desequilibrio entre la generación de óxido nítrico y superóxido subyace algunas enfermedades neurodegenerativas.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.

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1.- Comprensión de lectura.

Prepárate un café y comienza a desarrollar el siguiente cuestionario en relación a la información antes analizada.

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2.- Mapa conceptual.

Elabora un mapa conceptual que puede contener dibujos si así lo elijes (entre mayor animación, mayor puntuación) que contenga lo siguiente:

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a).- Representación del metabolismo de la acetilcolina en las terminaciones nerviosas colinérgicas.

b).- Representación de la síntesis del glutamato y el ciclo entre las neuronas y la glía.

c).- Representación de la síntesis, liberación y recaptación de los neurotransmisores inhibidores del GABA y la glicina.

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Estas actividades deberán compartirse en el foro de discusión el día  11 de noviembre

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