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 SNA