FUNDAMENTOS

DE NEUROCIENCIA

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CONTENIDO DE LA UNIDAD

  • Texto explicativo

  • ImĆ”genes

  • Cuadros de resumen

  • Interacción

  • Actividades de aprendizaje

  • Evaluación

NEUROTRANSMISORES

PARTE 1

OBJETIVO GENERAL:

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  • Conocer los principales mecanismos de conexión sinĆ”ptica y su clasificación.

  • Distinguir entre sinapsis quĆ­micas y elĆ©ctricas.

  • ​Conocer los criterios que permiten identificar a una sustancia como neurotransmisor.

  • Enumerar los distintos tipos de neurotransmisores conocidos, sus funciones e incidencia, asĆ­ como otras sustancias que participan en el proceso sinĆ”ptico.

INTRODUCCIƓN. TRANSMISIƓN SINƁPTICA.  ASPECTOS GENERALES

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 mÔs 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 presinÔpticas 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 sinÔpticas; liberación desde la célula presinaptica; fijación a receptores postsinÔpticos y, por el último, una rÔpida 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 plasmÔtica presinÔptica 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 estÔ determinado por la permeabilidad iónica del canal iónico afectado por el transmisor y por el gradiente electroquímico para los iones permeables.

SINAPSIS ELƉCTRICAS

Aunque existen muchos tipos de sinapsis en el interior del encĆ©falo humano pueden dividirse en dos clases generales sinopsis elĆ©ctricas y sinapsis quĆ­micas. Si bien constituyen una minorĆ­a definida, las sinapsis elĆ©ctricas se encuentran en todos los sistemas nerviosos y permiten el flujo pasivo y directo de corriente elĆ©ctrica de una neurona a otra. La estructura de una sinapsis elĆ©ctrica de una neurona a otra. La estructura de una sinapsis elĆ©ctrica se muestra esquemĆ”ticamente en la figura 1. La neurona que se encuentra ā€œcorriente arribaā€ (proximal), origen de la corriente, se denomina elemento presinĆ”ptico, y la neurona que se encuentra ā€œcorriente abajoā€ (distal) hacia la cual fluye esta corriente se denomina postsinĆ”ptica. 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 presinĆ”pticas y postsinĆ”pticas: seis conexinas presinĆ”pticas se alinean con seis conexinas postsinĆ”pticas 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 presinĆ”pticas y postsinĆ”pticas. AdemĆ”s de los iones, las sustancias que difunden a travĆ©s de los poros de la unión en la hendidura incluyen molĆ©culas 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 estĆ”n compuestos por una familia especial de proteĆ­nas 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 elĆ©ctricas, ocurren uniones e hendidura entre las membranas presinĆ”ptica y postsinĆ”ptica. B) Las uniones en hendudura consisten en canales intercelulares que permiten que la corriente fluya pasivamente desde la cĆ©lula presinaptica a la postsinĆ”ptica. C) Las uniones en hendidura consisten en complejos hexamĆ©ricos formados por la unión de subunidades denominadas conexones que estĆ”n presentes tanto en la membrana presinĆ”ptica  como en la postsinĆ”ptica. Los poros de los canales se conectan y crean una continuidad elĆ©ctrica entre las dos cĆ©lulas. D) Los conexones consisten en la proteĆ­na 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 rÔpida: dado que el flujo pasivo de corriente a través de la unión en hendidura es casi instantÔneo. 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 postsinÔptica en esta sinapsis en una fracción de milisegundo después de la generación de un potencial de acción presinÔptico (Figura 2 A). De hecho, al menos parte de esta breve demora sinÔptica es causada por la propagación del potencial de acción en la terminación presinÔptica, 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 mÔs general de las sinapsis eléctricas es sincronizar la actividad eléctrica entre poblaciones de neuronas. Por ejemplo, las neuronas del tronco encefÔlico que generan la actividad eléctrica rítmica que subyace a la respiración estÔn sincronizadas por sinapsis eléctricas, al igual que las poblaciones de interneuronas en la corteza cerebral, tÔlamo, cerebelo y otras regiones encefÔlicas (Figura 2 B) La transmisión eléctrica entre ciertas neuronas hormonosecretantes del hipotÔlamo 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 rÔpida de señales en una sinapsis eléctrica en el cangrejo de río. Un potencial de acción en la neurona presinÔptica hace que la neuroba postsinÔptica 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.

TRANSMISIƓN DE SEƑALES EN LAS SINAPSIS QUƍMICAS

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La estructura general de una sinapsis química se muestra en la forma esquemÔtica en la Figura 3. El espacio entre las neuronas presinÔpticas es sustancialmente mayor en la sinapsis química que en las eléctricas y se denomina hendidura sinÔptica. Sin embargo, la característica clave de todas las sinapsis químicas es la presencia de pequeños orgÔnulos limitados por membranas llamados vesículas sinÔpticas en el interior de la terminación presinÔptica. Estos orgÔnulos esféricos estÔn llenos de uno o mas neurotransmisores, las señales químicas secretadas desde la neurona presinÔptica, 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 quĆ­micas 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 presinĆ”ptica. 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 presinĆ”ptica. Debido al acentuado gradiente de concentración de Ca²+a travĆ©s de la membrana presinĆ”ptica (la concentración externa de Ca²+   es aproximadamente 10 ā€“ 3M, mientras la concentración interna Ca²+   es alrededor de   10 ā€“ 7M), la apertura de estos canales produce un influjo rĆ”pido de Ca²+ en la terminación presinĆ”ptica, 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 presinĆ”ptica Ca²+ permite que las vesĆ­culas sinĆ”pticas se fusionen con la membrana plasmĆ”tica de la neurona presinĆ”pticas. La fusión Ca²+ -dependiendo de las vesĆ­culas sinĆ”pticas con la membrana de la terminación hace que su contenido, principalmente los neurotransmisores, sea liberado en la hendidura sinĆ”ptica.

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 sinÔptica y se unen a receptores, la sobre la membrana de la neurona postsinÔptica. La fijación del neurotransmisor a los receptores abre los canales de la membrana postsinÔptica (o a veces los cierra), lo que altera así la capacidad de los iones de ingresar (o salir) en las células postsinÔpticas. El flujo de corriente resultante inducido por el neurotransmisor altera la conductancia y (habitualmente)el potencial de membrana de la neurona postsinÔptica, 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 elĆ©ctrica puede transmitirse de una neurona a la siguiente por medio de seƱales quĆ­micas 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 alemĆ”n Otto Leowi. Trabajando sobre la idea que presuntamente se le presento en la mitad de la noche, Loewi probó que la estimulación elĆ©ctrica del nervio vago retarda el latido cardiaco al liberar una seƱal quĆ­mica. El cientĆ­fico aisló y perfundió los corazones de dos ranas, controlando las frecuencias con las que latĆ­an (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 habĆ­a sido estimulado, su latido tambiĆ©n se hizo mĆ”s 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 quĆ­mica que se acumula en el perfundido. Denominada originariamente ā€œsustancia del vagoā€, mĆ”s 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 actĆŗa sobre el corazón, sino en distintas dianas postsinĆ”pticas en los sistemas nervioso central y perifĆ©rico, predominante en la unión neuromuscular de los mĆŗsculos estriados y en el sistema motor visceral.

Figura 4. Experimento de Loewi que demuestra la neurotransmisión quĆ­mica. A) Disposición experimental de Loewi. B) En el lugar en que se estimulaba el nervio vago del corazón aislado de la rana, la frecuencia cardĆ­aca disminuĆ­a (panel superior). Si se transferĆ­a el lĆ­quido de perfusión del corazón estimulado a un segundo corazón, su frecuencia disminuĆ­a 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 postsinÔpticas individuales. Por ejemplo, una neurona puede ser excitada por un tipo de neurotransmisores e inhibida por otro. La velocidad de las respuestas postsinÔpticas 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 sinÔpticas rÔpidas, mientras que los neuropéptidos tienden a modular funciones sinÔpticas en curso y mÔs 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 mÔs 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 sinÔpticas, los contransmisores no necesariamente son liberados de manera simultÔnea. 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 sinÔptica: 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 presinÔpticas. En consecuencia, las propiedades señalización química de estas sinapsis cambian según la velocidad de la actividad.

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Una transmisión sinĆ”ptica eficaz requiere un control riguroso de la concentración de neurotransmisores en el interior de la hendidura sinĆ”ptica. Por lo tanto, las neuronas han desarrollado una capacidad muy compleja de regular la sĆ­ntesis, el empaquetamiento, la liberación y la degradación (o eliminación) de neurotransmisores para lograr los niveles deseados de molĆ©culas de transmisor. La sĆ­ntesis de neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa ocurre localmente en el interior de las terminaciones sinĆ”pticas (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 milĆ­metros por dĆ­a por un mecanismo denominado transporte axónico lento. Habitualmente, las molĆ©culas precursoras necesarias para formar nuevas molĆ©culas de neurotransmisor son captadas en la terminación nerviosa por transportadores que se encuentran en la membrana plasmĆ”tica de la terminación. Las enzimas sintetizan neurotransmisores en el citoplasma de la terminación presinĆ”ptica y luego los transmisores son cargados en vesĆ­culas sinĆ”pticas mediante transportadores en la membrana vesicula. Para algunos neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa, los pasos finales de la sĆ­ntesis ocurren en el interior de las vesĆ­culas sinĆ”pticas. La mayorĆ­a de los neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa son empaquetados en vesĆ­culas de 40 a 60 nm de diĆ”metro. Cuyos centros parecen claros en micrografĆ­as electrónicas: en consecuencia, estas vesĆ­culas se denominan vesĆ­culas pequeƱas de centro claro (Figura 5B). Los neuropĆ©ptidos son sintetizados en el cuerpo celular de una neurona, lo que significa que el pĆ©ptido es producido en un lugar distante de un sitio de secreción (Figura 5C). Para resolver este problema, vesĆ­culas llenas de pĆ©ptidos son transportadas a lo largo de un axón y por la terminación sinĆ”ptica mediante el transporte axónico rĆ”pido. Este proceso lleva las vesĆ­culas a velocidades de hasta 400 mm/dĆ­a a lo largo de elementos del citoesqueleto llamados microtĆŗbulos (al contrario del transporte axónico lento de enzimas que sintetizan transmisores de molĆ©cula pequeƱa). Los microtĆŗbulos son filamentos cilĆ­ndricos largos de 25 mm de diĆ”metro, presentes en todas las neuronas y otras cĆ©lulas. Las vesĆ­culas que contienen pĆ©ptidos son movilizadas a lo largo de estas ā€œpistasā€ de microtĆŗbulos por proteĆ­nas ā€œmotoresā€ que requieren ATP como cinesina. Los neuropĆ©ptidos son empaquetados en vesĆ­culas sinĆ”pticas de un diĆ”metro que varia entre 90 y 250 mm. Estas vesĆ­culas son electrodensas en las electromiografĆ­as, de ahĆ­ que se las denomine vesĆ­culas grandes de centro denso (Figura 5 D). Una vez que un neurotransmisor ha sido secretado en la hendidura sinĆ”ptica, debe ser eliminado para permitir que la cĆ©lula postsinĆ”ptica participe en otro ciclo de transmisión sinĆ”ptica. La eliminación de los neurotransmisores comprende la difusión lejos de los receptores postsinĆ”pticos, combinada con recapacitación en las terminaciones nerviosas o las cĆ©lulas gliales circundantes, degradación por enzimas especificas o una combinación de estos mecanismos. Las proteĆ­nas transportadoras especificas eliminadas la mayor parte de los neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa (o sus metabolitos) de la hendidura sinĆ”ptica, y finalmente vuelven a entregarlos a la terminación presinĆ”ptica para su reutilización.

Figura 5. Metabolismo de los transmisores de molĆ©cula pequeƱa y los transmisores peptĆ­dicos. (A) Los neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa son sintetizados en las terminaciones nerviosas. Las enzimas necesarias para la sĆ­ntesis de los neurotransmisores se forman en el cuerpo celular de la cĆ©lula presinĆ”ptica (1) y son transportadas por el axón a travĆ©s  del transporte axónico lento (2). Los precursores  son captados en las terminaciones por transportadores especĆ­ficos, y la sĆ­ntesis y el empaquetamiento de los neurotransmisores tiene lugar en el interior de las terminaciones nerviosas (3). DespuĆ©s de la fusión y la liberación de las vesĆ­culas  (4), el neurotransmisor puede ser degradado por vĆ­a enzimĆ”tica. 

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 presinÔptica 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 rÔpido de estas vesículas hasta las terminaciones nerviosas (2), las enzimas modifican los propéptidos para producir uno o mÔs péptidos neurotransmisores (3). Después de la fusión y la exocitosis de las vesículas, los péptidos difunden alejÔndose 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)

Para confirmar que una molécula actúa como neurotransmisor en una sinapsis química determinada se utilizan tres criterios primarios:

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1.- La sustancia debe estar presente en el interior de la neurona presinaptica. Indudablemente, una sustancia quĆ­mica no puede ser secretada  desde una neurona presinaptica a menos que estĆ© presente ahĆ­. Dado que se necesitan vĆ­as bioquĆ­micas complejas para producir neurotransmisores, la demostración de que las enzimas y los precursores necesarios para sintetizar la sustancia estĆ”n presentes en las neuronas presinapticas brinda pruebas adicionales de que la sustancia es utilizada como neurotransmisor. Sin embargo obsĆ©rvese que, como los transmisores glutamato, glicina y asparato tambiĆ©n son necesarios para la sĆ­ntesis proteĆ­ca y otras reacciones metabólicas en todas las neuronas, su presencia no es prueba suficiente para establecerlos como neurotransmisores.

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2.- La sustancia debe ser liberada en respuesta a la despolarización presinÔptica, la cual debe ocurrir en forma Ca2+-dependiente. Otro criterio esencial para identificar a un neurotransmisor es demostrar que es liberado de la neurona presinaptica en respuesta a la actividad presinaptica y que esta liberación exige el influjo de CA2+ en la terminación presinaptica.

Cumplir este criterio es un desafƭo tƩcnico, no solo porque puede ser difƭcil estimular selectivamente las neuronas presinapticas, sino tambiƩn porque las enzimas y los transportadores eliminan eficientemente los transmisores secretados.

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3.- Se deben presentar receptores específicos para la sustancia en la célula postsinÔptica. Un neurotransmisor no puede actuar sobre su diana a menos que presenten receptores específicos para el transmisor en la membrana postsinÔptica. Una forma de probar que estÔn los receptores es mostrando que la aplicación del transmisor exógeno imita el efecto postsinÔptico de la estimulación presinÔptica. Otra forma mÔs rigurosa de hacerlo es demostrar que los agonistas y los antagonistas que alteran la respuesta postsinÔptica normal tienen el mismo efecto cuando la sustancia en cuestión se aplica exógenamente . También se pueden utilizar métodos histológicos de alta resolución para mostrar que los receptores específicos estÔn presentes en la membrana postsinÔptica (por detección de anticuerpos receptores marcados radiactivamente, por ejemplo).

El cumplimiento de estos criterios establece inequívocamente que una sustancia dada es utilizada como transmisor en una sinapsis. Sin embargo, algunas dificultades prÔcticas han impedido la aplicación de estos estÔndares en muchos tipos de sinapsis. Por esta razón, tantas sustancias deben ser denominadas neurotransmisores "putativos".

Liberación cuÔntica 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 anÔlisis 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 presinÔptico 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 sinÔptica. 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 cĆ©lula muscular, es posible observar que un potencial de acción en la neurona motora presinĆ”ptica provoca una despolarización transitoria de la fibra muscular postsinĆ”ptica. 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 postsinĆ”ptico (Figura 6 B). El potencial de acción postsinĆ”ptico desencadenado por el PPT hace que la fibra muscular se contraiga. Al contrario de las sinapsis elĆ©ctricas, existe una demora acentuada entre el momento en que la neurona motora presinĆ”ptica es estimulada y el momento en que ocurre el PPT en la cĆ©lula muscular postsinĆ”ptica.  Esta demora es caracterĆ­stica de todas las sinapsis quĆ­micas.

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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 espontÔneos en el potencial de membrana de la célula muscular ocurren incluso en ausencia de estimulación de la neurona motora presinÔptica (Figura 6C). Estos cambios tienen la misma forma que los PPT, pero son mucho mÔs pequeños (típicamente, una amplitud inferior a 1mV, comparada con el PPT de mÔs de 50 Mv). Tanto los PPT como estos fenómenos espontÔneos pequeños son sensibles a los agentes farmacológicos que bloquean los receptores colinérgicos postsinÔpticos, como el curare. Este paralelismo y otros entre los PPT y las despolarizaciones espontaneas condujeron a Kartz y cols. A denominar los hechos espontÔneos potencial de placa terminal en miniatura o PPTM.

Figura 6. Transmisión sinÔptica 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 postsinÔptica 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 postsinÔptica. (C) Los PPT en miniatura (PPTM) espontÔneos se desarrollan en ausencia de estimulación presinÔptica. (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 estÔn 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 anĆ”lisis cuidadoso de los PPT. La magnitud de los PPT proporciona un ensayo elĆ©ctrico 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 mĆ©todo habitual para eliminar las contracciones musculares es reducir la concentración de Ca2+ en el medio extracelular o bloquear parcialmente los receptores colinĆ©rgicos postsinĆ”pticos 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 asĆ­ la magnitud de PPT por debajo del umbral para la producción del potencial de acción postsinĆ”ptico, lo que permite medirlo con mayor precisión. En estas condiciones, la estimulación de la neurona motora produce PPT muy pequeƱos que fluctĆŗan 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 presinĆ”ptica. Por lo tanto, la amplitud de la respuesta provocada mĆ”s pequeƱa es notablemente similar al tamaƱo 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 tamaƱo de PPTM aislados (Figura 7 B). Estas fluctuaciones ā€œcuĆ”nticasā€ en la amplitud de los PPT indicaron Katz y a su colaborador JosĆ© 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 anÔlisis 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 estÔn 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 cuÔntica (la curva roja en Fig. 7 A). Estos anÔlisis 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 presinÔptico produce un PPT postsinÔptico 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 mÔs a la izquierda en la distribución de las amplitudes en los PPT muestra ensayos en los cuales la estimulación presinÔptica 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).

LIBERACIƓN DE TRANSMISORES DE LAS VESƍCULAS SINƁPTICAS

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El descubrimiento de la liberación cuĆ”ntica de paquetes de neurotransmisor planteo inmediatamente el interrogante de como se forman esos cuantos y como se descargan en la hendidura sinĆ”ptica. Aproximadamente en la Ć©poca en que Katz y Cols. DescubrĆ­an la liberación cuĆ”ntica de neurotransmisor, la microscopĆ­a electrónica puso en evidencia, por primera vez, la presencia de vesĆ­culas sinĆ”pticas en las terminaciones presinĆ”pticas. Uniendo estos dos descubrimientos, Kartz y otros dos autores propusieron que las vesĆ­culas sinĆ”pticas cargadas con neurotransmisor  constituĆ­an la fuente de los cuantos. Algunos estudios bioquĆ­micos posteriores mostraron que las vesĆ­culas sinĆ”pticas eran los repositorios de los transmisores. Estos estudios han mostrado que la acetilcolina esta altamente concentrada en las vesĆ­culas sinópticas de las neuronas motoras, donde se presenta en una concentración de unos 100 Mm. Dado el diĆ”metro de una vesĆ­cula sinĆ”ptica pequeƱa de centro claro (-50nm)), una vesĆ­cula sinĆ”ptica 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 vesĆ­cula sinĆ”ptica. Para probar que los cuanto son causados por la fusión de vesĆ­culas sinĆ”pticas individuales con la membrana plasmĆ”tica, es necesario mostrar que cada vesĆ­cula fusionada produce el registro postsinĆ”ptico de un Ćŗnico evento cuĆ”ntico. Este desafĆ­o fue logrado afines de la dĆ©cada de 1970, cuando John Heuser, Tom Reese y Cols, correlacionaron las mediciones de la fusión vesicular con el contenido cuĆ”ntico de los PPT en la unión neuromuscular. Estos autores utilizaron la microscopia electrónica para determinar el nĆŗmero de vesĆ­culas que fusionaron con la membrana plasmĆ”tica presinĆ”ptica en las terminaciones que habĆ­an sido tratadas con una droga (4-aminopiridina, o 4-AP) que aumentaba la cantidad de eventos de fusión de vesĆ­cula producidos por los potenciales de acción aislados (Figura 8 A). Se efectuaron mediciones elĆ©ctricas paralelas de contenido cuĆ”ntico de los PPT asĆ­ obtenidos. La comparación de la cantidad de fusiones de vesĆ­culas sinĆ”pticas 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 lĆ­neas mas firmes de apoyo para la idea de que un cuanto de liberación de transmisor se debe a la fusión de una vesĆ­cula sinĆ”ptica con la membrana presinĆ”ptica. La evidencia posterior, basada sobre otro mĆ©todo para medir la fusión de las vesĆ­culas, no ha dejado ninguna duda acerca de la validez de esta interpretación general de la transmision de las sinapsis quĆ­micas. Investigaciones muy recientes han identificado estructuras en el interior de la terminación presinĆ”ptica que conectan las vesĆ­culas con la membrana plasmĆ”tica y pueden estar involucradas en la fusión de la membrana (Figura 8C).

FIGURA 8. Relación entre la exocitosis de vesículas sinÔpticas y la liberación cuÔntica de transmisores. (A) Se utilizó una técnica especial de microscopia electrónica denominada microscopia de criofractura para visualizar la función de vesículas sinÔpticas en las terminaciones presinÔpticas de neuronas motoras de rana. Izquierda: imagen de la membrana plasmÔtica de una terminación presinÔptica no estimulada. Derecha: imagen de la membrana plasmÔtica 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 sinÔpticas con la membrana presinÔptica.

La imagen es como si se observaran sobre los sitios de liberación desde el exterior de la terminación presinÔptica. (B) Comparación del número de fusiones de vesículas observadas con el número de cuantos liberados por un potencial de acción presinÔptico. Se varió la liberación del transmisor utilizando una droga (4-AP) que afecta la duración del potencial de acción presinÔptico, 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 presinÔpticas de la rana. Las vesículas sinÔpticas estÔn dispuestas en hileras y estÔn conectadas entre sí y con la membrana plasmÔtica por distintas estructuras proteinÔceas (azul). Se cree que las estructuras verdes en la membrana presinÔptica, 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 VESƍCULAS SINƁPTICAS

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La fusión de las vesículas sinÔpticas hace que se agregue nueva membrana plasmÔtica de la terminación presinÔptica, pero el agregado no es permanente. Si bien una tanda de exocitosis puede aumentar espectacularmente el Ôrea de superficie de las terminaciones presinÔpticas, 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 sinÔptica con peroxidasa de rÔbano 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 presinÔptica 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 rÔbano picante en orgÔnulos 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 orgÔnulo 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 sinÔpticas (Figura 9D). Estas observaciones indican que la membrana de las vesículas sinÔpticas es reciclada en el interior de la terminación presinÔptica a través de la secuencia resumida de la (Figura 9E). En este proceso, llamado ciclo de las vesículas sinÔpticas, la membrana vesicular reciclada atraviesa diversos compartimientos intracelulares -vesiculas con cubiertas y endosomas- y finalmente es utilizada para formar nuevas vesiculas sinÔpticas. Las vesiculas recién formadas se almacenan en un pool de reserva, anclado en la membrana plasmÔtica presinÔptica, 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 sinÔpticas. 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 presinÔptica (véase Fig. 6B) la fusión de la membrana durante la exocitosis es mucho mÔs rÔpida 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 sinÔpticas se producen originariamente en el retículo endoplasmÔtico y el aparato de Golgi el cuerpo de las células neuronales. Debido la larga distancia entre el cuerpo celular y la terminación presinÔptica en la mayoría de las neuronas, el transporte de las vesiculas desde el soma no permitiría el rÔpido relleno de las vesiculas sinÔpticas 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 sinÔpticas.

FIGURA 9 Reciclado local de vesículas sinÔpticas en las terminaciones presinÔpticas. (A) La peroxidasa de rÔbano picante (PRP) introducida en la hendidura sinÔptica fue utilizada para seguir el destino de la membrana recuperada desde la membrana plasmÔtica presinÔptica. La estimulación de endocitosis por potenciales de acción presinÔpticos hace que la PRP sea captada en las terminaciones presinÔpticas a través de una vía que incluye (B) vesículas con cubierta y (C) endosomas. (D) Finalmente, la PRP se encuentra en las vesículas sinÔpticas recién formadas. (E) Interpretación de los resultados que se muestran en A-D. La fusión de las vesículas con la membrana presinÔptica 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 sinÔpticas. (De Heuser y Reese, 1973.)

PAPEL DEL CALCIO EN LA SECRECIƓN 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 presinÔptica reduce el tamaño de PPT (compÔrense las Figuras 6 B y D). AdemÔs, 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 plasmÔtica de la terminación. Un paso importante en el conocimiento acerca de cómo el Ca2+ regula la fusión de las vesiculas sinÔpticas fue el descubrimiento de que las terminaciones presinÔpticas tienen canales del Ca2+ con puerta de voltaje en sus membranas.

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La primera indicación de los canales del Ca2+ presinÔpticos derivo de Kartz y Ricardo Miledi. Estos autores observaron que las terminaciones presinÔpticas 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 presinÔptica gigante de calamar (Figura 10 A), confirmaron la presencia de canales del Ca2+ con puerta de voltaje en la terminación presinÔptica (Figura 10 B). estos experimentos mostraron que la cantidad de neurotransmisor liberada es muy sensible a la cantidad exacta de Ca2+ que ingresa. AdemÔs, el bloqueo de estos canales del Ca2+ con fÔrmacos también inhibe la liberación de transmisores (Figura 10 B). Todas estas observaciones confirman que los canales del Ca2+ con puerta de voltaje estÔn involucrados directamente en la neurotransmisión. Por lo tanto, los potenciales de acción presinÔpticos 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 presinĆ”pticas eleve la concentración de Ca2+ dentro de la terminación ha sido documentado mediante imĆ”genes microscópicas de terminaciones llenas con colorantes fluorescentes sensibles al Ca2+ (Figura 11 A—9. Las consecuencias de que se eleve la concentración presinĆ”ptica de Ca2+ para la liberación de los neurotransmisores se ha demostrado de dos modos. Primero, la microinyección de Ca2+ en las terminaciones presinĆ”pticas desencadenada la liberación de transmisores en ausencia de potenciales de acción presinĆ”pticos (Figura 11 B) Segundo, L microinyección presinĆ”ptica de quelantes del calcio (sustancias quĆ­micas que fijan Ca2+ y mantienen amortiguada su concentración en bajos niveles) impide que los potenciales de acción presinĆ”pticos produzcan secreción del transmisor (Figura 11 C). Sin duda alguna, estos resultados prueban que una elevación en la concentración presinĆ”ptica de Ca2+ es necesaria y suficiente para la liberación de los neurotransmisores. Por lo tanto, como sucede con muchas otras formas de seƱalización neuronal (vĆ©ase Cap.7), el Ca2+ sirve como segundo mensajero durante la liberación del transmisor. Aunque el Ca2+ es un desencadĆ©nate 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 (vĆ©ase Fig. 6), la liberación de neuropĆ©ptidos 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+ presinĆ”pticos. Tal vez esto sea mas evidente en los casos en que las molĆ©culas pequeƱas y los pĆ©ptidos sirven como cotransmisores (Figura 12). Aunque tĆ­picamente las vesiculas pequeƱas de centro claro que contienen transmisores de molĆ©cula pequeƱa se encuentran acopladas en la membrana plasmĆ”tica antes del ingreso de Ca2+, las vesiculas grandes de centro denso que contienen transmisores peptĆ­dicos estĆ”n mas alejadas de la membrana plasmĆ”tica (vĆ©ase Fig. 5 D). Con bajas frecuencias de descarga, la concentración de Ca2+ puede aumentar solo de modo local en la membrana plasmĆ”tica presinĆ”ptica, en la vecindad de los canales del Ca2+ abiertos, lo que limita la liberación a transmisores de molĆ©cula pequeƱa desde las pequeƱas vesiculas del centro claro acopladas. La estimulación prolongada de alta frecuencia aumenta la concentración de Ca2+ en toda la terminación presinĆ”ptica, lo que induce la liberación mĆ”s lenta de neuropĆ©ptidos.

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

FIGURA 11 Prueba de que una elevación en la concentración presinĆ”ptica de Ca2+ desencadena la liberación del transmisor de las terminaciones presinĆ”pticas. (A) Mediciones con microscopia de fluorescencia de la concentración presinĆ”ptica de Ca2+en la sinapsis gigante del calamar (vĆ©ase Fig. 5.10A). Un tren de potenciales de acción presinĆ”pticos produce una elevación en la concentración de Ca2+, segĆŗn 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 presinĆ”ptica gigante del calamar desencadena la liberación del transmisor, medida como una despolarización del potencial de membrana postsinĆ”ptico. (C) La microinyección de BAPTA, un quelante del Ca2+, en una terminación presinĆ”ptica 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 neuropeptĆ­dicos y de molĆ©cula pequeƱa. La estimulación de baja frecuencia eleva preferentemente la concentración de Ca2+ cerca de la membrana, lo que favorece la liberación del transmisor de las vesĆ­culas pequeƱas de centro claro acopladas a especializaciones presinĆ”pticas. La estimulación de alta frecuencia conduce a un aumento mĆ”s general en el Ca2+ que produce la liberación de neurotransmisores peptĆ­dicos desde vesĆ­culas grandes de centro denso, y neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa desde vesĆ­culas pequeƱas de centro claro.

MECANISMOS MOLECULARES DEL CICLO DE LAS VESICULAS SINƁPTICAS

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No se sabe exactamente como un aumento en la concentración presinÔptica 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 sinÔpticas (Figura 13) y sus patrones de fijación sobre la membrana plasmÔtica presinÔptica y el citoplasma. La mayoría de estas proteínas, sino todas ellas, actúan en uno o mas pasos en el ciclo de las vesiculas sinÔpticas. 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 sinÔpticas, 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 plasmÔtica 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 plasmÔtica 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 sinÔpticas 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 presinÔpticas y sus funciones en el ciclo de las vesículas sinÔpticas. (A) Modelo de la organización molecular de una vesícula sinÔptica. La superficie citoplasmÔtica de la membrana vesicular se encuentra densamente cubierta por proteínas, de las cuales sólo se muestra aquí el 70%. (B) El ciclo del trÔfico de vesículas que se muestra en la Figura 5.9E se sabe ahora que estÔ mediado por algunas proteínas presinÔpticas, 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 plasmÔtica. Estas proteínas SNARE pueden formar un complejo macromolecular que se extiende por las dos membranas clocÔndolas 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. AdemÔs, 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 presinÔpticas, 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 sinÔpticas (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 presinÔptica 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 presinÔpticas 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 estÔ 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 sinÔpticas (Figura 15). La proteína mas impórtate involucrada en la gemación endocitosica de vesiculas desde la membrana plasmÔtica 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 estÔn 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 plasmĆ”tica sintaxina (rojo) y SNAP-25 (verde). Se muestra tambiĆ©n la estructura de la sinaptotagmina, una proteĆ­na vesicular fijadora de Ca2+, con el Ca2+ ligado indicado por esferas. (B) Modelo para la fusión vesicular desencadenada por Ca2+. Las proteĆ­nas SNARE sobre la vesĆ­cula sinĆ”ptica y la membrana plasmĆ”tica 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 citoplasmĆ”tica de esta proteĆ­na catalice la fusión de la membrana al unirse a SNARE e insertarlos en la membrana plasmĆ”tica. (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 sinÔptica 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 sinÔptica. (A, de Marsh y McMahon, 1999.)

ENFERMEDADES QUE AFECTAN LA TERMINACIƓN PRESINƁPTICA

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Distintos pasos en la exocitosis y la endocitosis de las vesiculas sinÔpticas son puntos diana de algunas enfermedades neurológicas raras pero debilitantes.

Sƭndromes miastƩnicos

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En los síndromes miasténicos, la transmision anormal en las sinapsis neuromusculares conduce a debilidad y fatigabilidad de los músculos esqueléticos. Uno de los ejemplos mejor conocidos de estos trastornos es el síndrome miasteniforme de Eaton- Lambert, complicación ocasional de pacientes con ciertos tipos de cÔncer. Biopsias de tejido muscular tomadas de pacientes con síndrome miasteniforme de Eaton-Lamberte permiten efectuar registros intracelulares idénticos a los que muestran en la figura 5.6. Estos registros han demostrado que, cuando se estimula una neurona motora, se reduce mucho el numero de cuantos contenidos en los PPT individuales, aunque la amplitud de los PPTM espontÔneos es normal. Por lo tanto, el síndrome miasteniforme de Eaton-Lambert deteriora la liberación provocada por el neurotransmisor, pero no afecta el tamaño de los cuantos individuales. Varias líneas de evidencia indican que esta reducción en la liberación del neurotransmisor de debe a la perdida de canales del Ca2+ con puerta de voltaje en la terminación presinÔptica de las neuronas motoras, tal vez sean mÔs notables los estudios anatómicos que ponen en evidencia una densidad reducida de proteínas de los canales de Ca2+ en la membrana plasmÔtica presinÔptica.

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La perdida de canales del Ca2+ presinÔpticos en los pacientes con síndrome miasteniforme de Eaton-Lambert aparentemente surge por un trastorno autoinmunitario. La sangre de estos pacientes tiene una concentración muy alta de anticuerpos que se unen a los canales del Ca2+ y parece probable que estos anticuerpos sean la causa primaria del síndrome miasteniforme de Eaton-Lambert. por ejemplo, la eliminación de los anticuerpos contra los canales del Ca2+ de la sangre de pacientes con síndrome miasteniforme de Eaton-Lamberte mediante plasmaféresis reduce la debilidad muscular. Asimismo, los agentes inmunosupresores también pueden aliviar los síntomas del síndrome. Tal vez lo mÔs contundente sea que a inyección de estos anticuerpos en animales de experimentación produce debilidad muscular anormal. No esta claro porque el sistema inmunitario genera anticuerpos contra los canales del Ca2+. La mayoría de los pacientes con síndrome miasteniforme de Eaton-Lambert tienen un carcinoma de células pequeñas, una forma de cÔncer de pulmón que puede iniciar de algún modo la respuesta inmunitaria a los canales del Ca2+. Cualquiera sea el origen, la unión de los anticuerpos a los canales del Ca2+ produce una reducción en las corrientes de los canales del Ca2+. Es este defecto inducido por los anticuerpos en la entrada presinÔptica de Ca2+, lo que explica la debilidad muscular asociada con el síndrome miasteniforme de Eaton-Lambert.

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Los síndromes miasténicos congénitos son trastornos genéticos que, al igual que el síndrome miaseniforme de Eaton-Lambert, también produce debilidad muscular al afectar la transmisión neuromuscular. Algunos de estos síndromes afectan la acetilcolinesterasa que degrada la acetilcolina en la hendidura sinÔptica, mientras que otros surgen por el ataque autoinmunitario de los receptores colinérgicos. Sin embargo, algunos síndromes miasténicos congénitos surgen por defectos en la liberación de acetilcolina debido a una alteración del trafico de vesiculas sinÔpticas en el interior de la terminación de la neurona motora. Las sinapsis neuromusculares en algunos de estos pacientes tienen PPT con un contenido cuÔntico reducido, déficit especialmente prominente cuando la sinapsis es estimulada repetidas veces. La microscopia electrónica muestra que las terminaciones nerviosas motoras presinÔpticas tienen una cantidad muy reducida de vesiculas sinÔpticas. El defecto en l liberación de neurotransmisor evidentemente es el resultado de una cantidad insuficiente de vesiculas sinÔpticas disponibles para la liberación durante la actividad presinÔptica sostenida. Los orígenes de esta escasez de vesiculas no estÔn claros, pero podría ser un resultado de un deterioro en la endocitosis en la terminación nerviosa o por un aporte reducido de vesiculas desde el cuerpo celular de una neurona motora. Otros pacientes que padecen miastenia familiar del lactante parecen tener una debilidad neuromuscular que surge por reducciones en el tamaño de los cuantos individuales, mas que en l cantidad de cuantos liberados. Las terminaciones nerviosas motoras de estos pacientes tienen vesiculas sinÔpticas en cantidad normal, pero de tamaño mas pequeño. Este hallazgo sugiere un tipo diferente de lesión genética que altera de alguna forma la formación de nuevas vesiculas sinÔpticas tras la endocitosis y deja así menos acetilcolina en cada vesícula.

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Botulismo y tƩtanos

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El deterioro de la liberación sinÔptica del transmisor es el resultado del envenenamiento por bacterias anaerobias Clostridium. Este genero de macroorganismos produce algunas de las toxinas mas potentes conocidas, que incluyen varias toxinas botulínicas y la toxina tetÔnica. Tanto el botulismo como el tétanos son trastornos potencialmente fatales.

El botulismo se puede desarrollar por consumir alimentos que contienen bacterias Clostridium o por la infección de heridas con las esporas de estos organismos ubicuos. En cualquier caso, la presencia toxina puede producir parÔlisis de las sinapsis neuromusculares periféricas debido a la abolición de la liberación de neurotransmisores. Esta interferencia con la transmisión neuromuscular hace que el musculo esquelético se debilite, y en los casos extremos produce parÔlisis del diafragma y otros músculos necesarios para la respiración. Las toxinas botulínicas también bloquean las sinapsis que inervan los músculos lisos de varios órganos y dan origen a disfunción motora visceral.

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En los casos típicos el tétanos es el resultado de la contaminación de heridas punzantes por bacterias Clostridium que producen toxina tetÔnica. Al contrario del botulismo, la intoxicación tetÔnica bloquea la liberación de transmisores inhibidores desde las interneuronas en la médula espinal. Este efecto produce una pérdida de inhibición sinÔptica sobre las neuronas motoras espinales, lo que genera hiperexcitación del musculo esquelético y contracciones tetÔnicas en los músculos afectados (de ahí el nombre de la enfermedad).

Aunque sus consecuencias clínicas son espectacularmente diferentes, las toxinas de los clostridios poseen un mecanismo de acción común: son proteasas altamente especificas que inhiben la liberación de neurotransmisores al dividir las proteínas SNARE que participan en la fusión de las vesículas sinÔpticas con la membrana plasmÔtica presinÔptica. La toxina tetÔnica y las toxinas del botulismo tipos B, D, F y G dividen específicamente SNARE sinaptobrevina de las vesículas. Otras toxinas botulínicas dividen a la sintaxina (Tipo C) Y SNAP-25 (tipos A y E), proteínas SNARE halladas sobre la membrana plasmÔtica presinÔptica. La destrucción de estas proteínas presinÔpticas es la base para las acciones inhibidoras de las toxinas de los clostridios sobre la liberación de los neurotransmisores.

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En apariencia, las diferentes acciones de estas toxinas sobre la transmisión sinÔptica en las sinapsis motoras excitadoras versus inhibidoras es el resultado del hecho de que estas toxinas son captadas por diferentes tipos de neuronas; mientras las toxinas botulínicas son captadas por neuronas motoras, la toxina tetÔnica esta dirigida preferencialmente hacia las interneuronas. Se presume que la capacitación diferencial de las toxinas surge de la presencia de diferentes tipos de receptores de toxina sobre dos tipos de neuronas.

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Conocimientos a partir de la α-latroxina

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El lactrodectismo se refiere al dolor musculas intenso y los calambres experimentados por los pacientes mordidos por la araña viuda negra, Latrodectus. Estos síntomas surgen por una neurotoxina presinÔptica llamada α-latrotoxina, presente en el veneno de la raña viuda negra; esta toxina produce una descarga masiva de neurotransmisor desde la terminación presinÔpticas. Aunque la liberación de los neurotransmisores habitualmente requiere Ca2+, la α-latrotoxina es capaz de liberar neurotransmisor incluso cuando el Ca2+ esta ausente del medio extracelular. Aunque aún no estÔ claro el modo en que la toxina desencadena la exocitosis independiente de Ca2+, sabemos que la α-latrotoxina se une a dos tipos diferentes de proteínas presinÔpticas que pueden mediar sus acciones. Un grupo de compañeros de unión para la α-latrotoxina son las neurexinas, grupo de proteínas de la membrana hallado en las terminaciones presinÔpticas. La neurexinas se unen a las sinaptotagmina, el sensor presinÔptico de Ca2+ y esta interacción puede permitir a la α-latrotoxina evitar el requerimiento habitual de Ca2+ para desencadenar la fusión de las vesículas. Otro tipo de proteína presinÔptica que puede unirse a la α-latrotoxina se denomina CL1 (sobre la base de sus nombres anteriores, receptor independiente Ca2+ para latrotoxina y latrofilina-1). CL1 es un pariente de los receptores acoplados a la proteína G que median las acciones de los neurotransmisores y otras señales químicas, extracelulares. Por lo tanto, la unión de α-latrotoxina a CL1 podrían activar una cascada de transducción de señales intracelulares involucrada en las acciones Ca2+ independientes de la α-latrotoxina. Aunque se necesitan tras investigaciones para establecer los papeles definitivos de las neurexinas y CL1 en la acción de α-latrotoxina, es probable que estas dos proteínas constituyan la base para la ponente actividad presinÔptica de la toxina.

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AdemÔs de su posible papel en el lactrodectismo, las neurexinas han sido vinculadas a distintos trastornos cognitivos. Se han identificado mutaciones en el gen de la neurexina en algunos pacientes que padecen esquizofrénica, una enfermedad psiquiÔtrica que produce delirios, alucinaciones y perdida de expresión emocional. También se sabe que las neurexinas desempeñan un papel importante en la señalización a través de la hendidura sinÔptica al unirse a una familia de proteínas de membranas postsinÔpticas denominadas neuroliginas. Es importante señalar que mutaciones en las neuroliginas se han asociado con autismo, distintos trastornos psiquiÔtricos caracterizados por deterioro de la interacción social, problemas de la comunicación y otros trastornos de la conducta. Aunque no se ha establecido aun una conexión directa entre neurexinas/neuroliginas y estos trastornos psiquiÔtricos, parece probable que defectos en estos patrones de señalización transinÔptica puedan servir como mecanismos centras subyacente a algunos trastornos de conducta.

En resumen, no solo la investigación sobre el trÔfico de vesículas sinÔpticas ilumina las causas de algunos trastornos neurológicos y psiquiÔtricos, sino que a su vez la investigación sobre estas enfermedades ha proporcionado herramientas, como las toxinas de los clostridios y la α-latrotoxina, que han probado ser útiles para dilucidar los mecanismos bÔsicos de trafico de vesículas sinÔpticas.

RECEPTORES DE NEUROTRANSMISORES

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La generación de señales eléctricas postsinÔpticas también se conoce en considerable profundidad. Estos estudios comenzaron en 1907, cuando el fisiólogo britÔnico 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 plasmÔtica de las células postsinÔpticas y tienen un sitio fijador para los neurotransmisores en la hendidura sinÔptica.

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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 postsinÔpticas. 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 postsinÔpticos dan origen a acciones postsinÔpticas que verían desde menos de un milisegundo hasta minutos, horas o incluso días. Por lo general, los receptores ionotrópicos median efectos postsinÔpticos rÔpidos. Son ejemplos los PPT producidos en las sinapsis neuromusculares por la ACh (véase Fig. 6 B), así como las respuestas postsinÔpticas producidas en ciertas sinapsis glutaminérgicas y GABAergicas (véase Fig., 21 B). En estos casos, los potenciales postsinÔpticos se originan dentro del milisegundo o dos de un potencial de acción que invade la terminación presinÔptica y duran solo algunas decenas de milisegundos o menos, por el contrario, típicamente la activación de los receptores metabotrópicos produce respuestas mucho mÔs lentas, que varían desde cientos milisegundos hasta minutos o incluso mÔs. 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 postsinÔpticos rÔpidos y lentos en la misma sinapsis.

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Cambios en la permeabilidad de la membrana postsinƔptica durante la membrana postsinƔptica durante la transmision sinƔptica.

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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 postsinÔpticas. La unión de ACh a los receptores postsinÔpticos 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 postsinÔpticas 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 postsinÔptica 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 presinÔptica produce la liberación de millones de moléculas de ACh en la hendidura sinÔpticas. En este caso mÔs fisiológico, las moléculas transmisoras se unen a muchos miles de receptores de ACh empaquetados en un denso conjunto sobre l membrana postsinÔptica, que abren transitoriamente una cantidad muy grande de canales iónicos postsinÔpticos. 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 presinÔpticas. 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 postsinÔptico se despolariza. Este cambio despolarizante en el potencial es el PPT, el cual se manera típica desencadena un potencial de acción postsinÔptico 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 postsinÔptica. 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 presinÔptica, 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 postsinÔpticos 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 postsinÔptica 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 anÔlisis 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 postsinÔptica 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 postsinÔptico se vuelve mas negativo que el potencial de reposo, la amplitud de la corriente de placa terminal se vuelve mÔs 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 fluĆ­an a travĆ©s 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 electroquĆ­mica sobre los iones que fluyen a travĆ©s 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 serĆ” una corriente hacia el interior con potenciales mĆ”s negativos que Erev porque la fuerza impulsora electroquĆ­mica. Vm – Erev, es un numero negativo.

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                                                                                                                                             CPT= gACh (Vm– Erev )

FIGURA 18 Influencia del potencial de membrana postsinĆ”ptico sobre las corrientes de placa terminal. (A) Se realiza un pinzamiento de voltaje en una fibra muscular postsinĆ”ptica mediante utilización de dos electrodos, mientras que la neurona presinĆ”ptica es estimulada elĆ©ctricamente para producir la liberación de ACh de las terminaciones presinĆ”pticas. 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 presinĆ”ptica mientras se realiza el pinzamiento zonal de voltaje de la cĆ©lula postsinĆ”ptica en cuatro potenciales de membrana diferentes. (C) La relación entre la amplitud pico de las corrientes de placa terminal y el potencial de membrana postsinĆ”ptico 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 grĆ”fico tambiĆ©n estĆ”n indicados los potenciales de equilibrio de los iones Na+, K+ y Clāˆ’. (D) La identidad de los iones permeables a los receptores postsinĆ”pticos se pone en evidencia por el potencial invertido (Erev). La activación de los canales postsinĆ”pticos que sólo son permeables K+ (negro) conduce a corrientes que se revierten en Ek, cerca de āˆ’100 mV, mientras que la activación de los canales del Na+ postsinĆ”pticos conduce a corrientes que se revierten en ENa, cerca de +70 mV (rojo). Las corrientes selectivas al Clāˆ’ se revierten en Ecl, cerca de āˆ’50 mV (amarillo). (A-C, de Takeuchi y Takeuchi, 1960.)

AdemÔs, 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 sinÔptica. Por lo tanto, la magnitud y polaridad del potencial de membrana postsinÔptica 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 estarĆ­a en el potencial de equilibrio para el K+, el cual para una cĆ©lula 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 cĆ©lulas 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 (vĆ©ase 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 estarĆ­a 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 mĆ”s 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 pequeƱa sobre el K+ pero una mucho mayor sobre Na+. Por lo tanto, durante la corriente de placa terminal fluye mucho mĆ”s Na+ hacia la cĆ©lula 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+ estĆ”n exactamente equilibrados, de modo que no fluye corriente durante la apertura de los canales por la fijación de ACh (Figura 5.20D). Con potenciales mĆ”s 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 tƩcnica de pinzamiento de voltaje impide mantener constante el potencial de membrana), se verƭa 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 postsinƔptico habitual de -90 mV la gran corriente de la placa terminar hacia el interior hace que el potencial de membrana se torne mƔs despolarizado (vƩase 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 electroquƭmica que determina la polaridad y la magnitud del PPT. Los PPT se despolarizarƔn 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 postsinĆ”ptica hacia el Erev para que se activen los canales Ćŗnicos particulares. Si bien la explicación se ha focalizado sobre la unión neuromuscular, mecanismos similares generan respuestas postsinĆ”pticas en todas las sinapsis. Un principio general que surge es que la fijación del transmisor a los receptores postsinĆ”pticos produce un cambio de la conductancia postsinĆ”ptica a medida  esta aumentada si (como sucede en la unión neuromuscular ) los canales estĆ”n abiertos y esta disminuida si los canales estĆ”n cerrados En los casos tĆ­picos, esta cambio de conductancia genera una corriente elĆ©ctrica, la corriente postsinĆ”ptica (CPS), la cual, Por su parte modifica el potencial de membrana postsinĆ”ptico para producir un potencial postsinĆ”ptico (PSP). Como en el caso especifico del PPT en la unión neuromuscular, los potenciales postsinĆ”pticos serĆ”n despolarizantes si su potencial de reversión es mas positivo que el potencial de membrana postsinĆ”ptico e hiperpolarizantes si su potencial de reversión es mĆ”s negativo.

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Los cambios de la conductancia y los potenciales postsinÔpticos que característicamente los acompañan son el resultado final de la mayor parte de la transmision sinÔptica 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 postsinÔpticas. De muchas formas, los acontecimientos que producen potenciales postsinÔpticos 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 mĆ”s negativos. (B) La elevación de la concentración externa de K+ hace que el potencial de reversión sea mĆ”s 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 postsinĆ”pticos (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. ObsĆ©rvese 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 mĆ”s negativos que Erevy corrientes hacia el exterior con potenciales mĆ”s positivos que Erev. (F) Los PPT despolarizan a la cĆ©lula postsinĆ”ptica en potenciales mĆ”s negativos que Erev. A potenciales mĆ”s positivos que Erev, los PPT hiperpolarizan la cĆ©lula.

POTENCIALES PRESINƁPTICOS EXCITADORES E INHIBIDORES

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Los potenciales post sinĆ”pticos alteran finalmente la probabilidad de que un potencial de acción se produzca en la cĆ©lula postsinĆ”ptica. En la unión neuromuscular, la acción sinĆ”ptica solo aumenta la probabilidad de que un potencial de que un potencial de acción se desarrolle en la cĆ©lula muscular postsinĆ”ptica; en efecto, la gran amplitud del PPT asegura que siempre se dispare un potencial de acción. En muchas otras sinapsis, los potenciales postsinĆ”pticos aumentan de modo similar la probabilidad de que se dispare un potencial de acción postsinĆ”pticos, Sin embargo, aun otras sinapsis realmente reducirĆ”n la probabilidad de que la cĆ©lula postsinĆ”ptica genere un potencial de acción. Los potenciales postsinĆ”pticos excitadores (PPSE) aumentan la probabilidad de que se desarrolle un potencial de acción postsinĆ”ptico. Los potenciales postsinĆ”pticos inhibidores (PPSI) disminuyen esta probabilidad. Dado que la mayorĆ­a 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 compaƱera postsinĆ”ptica.

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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 postsinÔptica 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 postsinÔptica, El hecho de que una respuesta postsinÔptica 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 postsinÔptica es el potencial de reversión del potencial postsinÔptico respecto del voltaje umbral para general potenciales de acción en la célula postsinÔptica.

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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 travĆ©s de la membrana postsinĆ”ptica, lo que arroja un Erev de alrededor de 0 mV para la corriente postsinĆ”ptica es de – 60 mV el PPSE resultante despolarizara el potencial de membrana posinĆ”ptico y llevara hasta 0 mV. En la neurona hipotĆ©tica 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 postsinÔptica 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 postsinÔptica, 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 postsinÔptico 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 postsinÔptica del umbral para el potencial de acción de -40 mV y claramente inhibe a la célula postsinÔptica.

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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 mÔs 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 postsinÔptica, los PPSI pueden hiperpolarizada o despolarizada; en realidad, un cambio de potencial en absoluto y ejerce aún un efecto inhibidor al hacer que sea mÔs difícil para un PPSE provocar un potencial de acción en la célula postsinÔptica.

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Si bien las particularidades de la acción postsinÔptica pueden ser complejas, una regla simple distingue la excitación postsinÔptica de la inhibición: un PPSE tiene un potencial de reversión mÔs positivo que el umbral del potencial de acción mientras que un PPSI tiene un potencial de reversión mÔs 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 mÔs negativo que el potencial umbral.

FIGURA 21 Los potenciales de reversión y los potenciales umbral determinan la excitación y la inhibición postsinĆ”pticas. (A) Si el potencial de reversión para un potencial postsinĆ”ptico (0 mV) es mĆ”s positivo que el umbral del potencial de acción (āˆ’40 mV), el efecto de un transmisor es excitador y genera potenciales postsinĆ”pticos excitadores (PPSE). (B) Si el potencial de reversión para un potencial postsinĆ”ptico es mĆ”s negativo que el umbral del potencial de acción, el transmisor es inhibidor y genera PPSI. (C) No obstante, los PPSI pueden despolarizar la cĆ©lula postsinĆ”ptica 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 postsinĆ”ptica es: si el potencial de reversión es mĆ”s positivo que el umbral, se produce excitación; cuando el potencial de reversión es mĆ”s negativo que el umbral, se desarrolla inhibición.

SINAPSIS TRIPARTITA

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Hasta este punto, nuestra explicación ha considerado la señalización entre las neuronas presinÔpticas y sus dianas postsinÔpticos como un diÔlogo privado entre esas dos células. Sin embargo, algunas investigaciones recientes sugieren que esta conversación sinÔptica puede involucrar también a células gliales.

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Como mencionamos en el Capítulo 1, las células gliales sostienen de algunas formas a las neuronas. Por ejemplo, estÔ bien establecido que la glía regula el entorno extracelular al eliminar el K+ que se acumula durante la generación del potencial de acción y al eliminar los neurotransmisores al concluir la transmisión sinÔptica. De forma compatible con estos papeles, la glía parece ocupar casi todo el volumen no neuronal del encéfalo. Como resultad de esta disposición, la glía se encuentra en una asociación muy estrecha con las sinapsis (Fig. A): Una sinapsis dada típicamente no estÔ a mÔs de una fracción de micrómetro de una célula glía. Las células líales forman prolongaciones extremadamente finas que envuelven la sinapsis (Fig. B), asociación íntima que plantea la posibilidad de un papel de señalización para la glía en la sinapsis.

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El primer apoyo de este papel provino del descubrimiento de que las células gliales responden a la aplicación de neurotransmisores. La lista de los neurotransmisores que producen respuestas en la glía incluye ahora acetilcolina glutamato, GABA y muchos otros. Estas respuestas estÔn mediadas por los mismos tipos de receptores de neurotransmisores que se emplean en la señalización sinÔptica, principalmente los receptores metabotrópicos que se acoplan a las cascadas de señalización intracelular (véase Fig. 16B). En algunos casos, los neurotransmisores producen cambios transitorios en la concentración intracelular de calcio dentro de la célula glial. A menudo se observa que estas señales intracelulares de calcio desencadenan ondas de calcio que se propagan tanto dentro de una única célula glial, como también entre ellas (Fig. C).

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Estas elevaciones transitorias del calcio intracelular sirven como seƱales de segundo mensajero (vĆ©ase Cap. 7) que desencadenan algunas respuestas fisiológicas en la glĆ­a. La respuesta mĆ”s notable es la liberación de varias molĆ©culas, como glutamato, GABA y ATP. Consideradas tradicionalmente como neurotransmisores. La liberación de estos ā€œgliotransmisoresā€ ocurre tanto a travĆ©s de mecanismos de exocitosis desencadenados por el calcio empleado en las terminaciones presinĆ”pticas de las neuronas (vĆ©ase Fig. 5.3) como ir mecanismos no convencionales deliberación como la permeabilidad a travĆ©s de ciertos canales iónicos.

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La capacidad tanto de responder como de liberar neurotransmisores convierte a las cĆ©lulas gliales en participantes potenciales en la seƱalización sinĆ”ptica. En efecto, se ha observado que la liberación de ā€œgliotransmisoresā€ regula la transmisión en numerosas sinapsis (Fig. D). en algunos casos, la glĆ­a regula la transmisión de transmisores a partir de terminaciones presinĆ”pticas, mientras que en otros casos alteran la capacidad de respuesta postsinĆ”ptica.

Esta capacidad de la glía para participar en la señalización sinÔptica ha conducido un concepto de la sinapsis tripartita, una emisión de tres vías que involucra la terminación presinÔptica, la prolongación presinÔptica y las células gliales vecinas.

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Aunque se discute aún la importancia fisiológica de estas interacciones neuronas-glía, la capacidad recién descubierta de la glía para liberar neurotransmisores, similar a las terminaciones presinÔpticas, de responder de ellos, similar a las neuronas postsinÔpticas, promete modificar espectacularmente nuestro punto de vista sobre los mecanismos de señalización encefÔlica.

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A) Imagen de microscopía electrónica de una sinapsis entre una neurona presinÔptica terminal (pre) y una neurona postsinaptica (post) con una célula glial (astrocito, astro) inmediatamente adyacente a la sinapsis. B) Estructura tridimensional de contacto entre una célula glial (azul) rodeada de dendritas de cuatro neuronas postsinÔpticas (diferentes colores)

A)

6 s

C)

B)

12 s

18 s

24 s

200 mn

C) La aplicación de glutamato (en la flecha de la primera imagen) aumenta el Ca+ intracelular (blanco) en células gliales cultivadas. El examen de estas células en diferentes momentos indica que las señales de calcio se propagan como una onda a través de la glía vecina. D) La elevación transitoria de Ca+ en el interior de una única célula glial (flecha) aumenta la transmisión en una sinapsis excitadora en el hipocampo.

150

100

50

Respuesta sinaptica (porcentaje de control)

-60

0

60

120

SUMACIƓN DE POTENCIALES DE ACCIƓN

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Los potenciales postsinÔpticos en la mayoría de la sinapsis del encéfalo son muchos mÔs 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 postsinÔpticos ¿De qué modo entonces pueden estas sinapsis transmitir información si sus potenciales postsinÔpticos estÔn 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 postsinÔpticos producidos por cada sinapsis activa pueden sumarse- en espacio y en tiempo- para determinar el comportamiento de la neurona postsinÔptica.

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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 postsinÔptica lo suficiente como para alcanzar el potencial umbral, aparece un potencial de acción postsinÔptico.

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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 postsinÔptica alcance el umbral (E1 + I) o puede sumarse con un PPSE supraumbral para evitar que la neurona postsinÔptica alcance el umbral (E1 + I + E2).

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En resumen, la sumación de PPSE y PPSI por una neurona postsinÔptica 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 sinÔpticas 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 postsinÔptica producirÔ un potencial de acción. Por el contrario, si prevalece la inhibición, la célula postsinÔptica se mantendrÔ 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 postsinÔptica 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 sinÔptica (Recuadro 5C)

Figura 22  Suma de los potenciales postsinĆ”pticos. (A) Un microelectrodo registra los potenciales postsinĆ”pticos producidos por la actividad de dos sinapsis excitadoras (E1 y E2) y una sinapsis inhibidora (I). (B) Respuestas elĆ©ctricas a la activación sinĆ”ptica. 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 postsinĆ”ptico (que se muestra en azul). La activación de la sinapsis inhibidora aislada (I) produce un PPSI hiperpolarizante. La suma de este PPSI (lĆ­nea roja rayada) con el PPSE (lĆ­nea amarilla rayada) producidos por una sinapsis excitadora (E1 + I) reduce la amplitud del PPSE (lĆ­nea naranja), mientras que la suma con el PPSE supraliminal producido por la activación de las sinapsis E1 y E2 mantiene a la neurona postsinĆ”ptica por debajo del umbral, de modo que no se produce ningĆŗn potencial de acción.

FIGURA 23 Acontecimientos desde la liberación del neurotransmisor hasta la excitación o la inhibición postsinÔptica. La liberación del neurotransmisor en todas las terminaciones presinÔpticas 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 postsinÔptica 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.

RESUMEN

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Las sinapsis comunican la información transmitida por los potenciales de acción de una neurona ala siguiente en los circuitos nerviosos. Los mecanismos celulares que subyacen a la transmisión sinÔptica estÔn íntimamente relacionados con aquellos que generan otros tipos de señales eléctricas neuronales, es decir, el flujo de iones a través de los canales de la membrana. En el caso de las sinapsis eléctricas, estos canales son uniones en hendidura; el flujo directo pero pasivo de corriente a través de las uniones en hendidura es la base para la transmisión. En el caso de las sinapsis químicas, los canales con poros mÔs pequeños y selectivos son activados por la unión de los neurotransmisores a los receptores postsinÔpticos después de la liberación de los neurotransmisores en el sistema nervioso puede dividirse en dos clases amplia: transmisores de moléculas pequeñas y neuropéptidos. Los neurotransmisores son sintetizados a partir de precursores definidos por vías enzimÔticas reguladas, empaquetados en uno de varios tipos de vesículas sinÔpticas y liberados en la hendidura sinÔptica de una forma Ca2+ -dependiente. muchas sinapsis liberan mÔs de un tipo de neurotransmisor e incluso se `pueden empaquetar múltiples tipos de neurotransmisores dentro de la misma vesícula sinÔptica. Los agentes neurotransmisores son liberados en la terminación presinÔptica en unidades o cuantos, que reflejan su almacenamiento en el interior las vesículas sinÔpticas.

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 deberĆ” 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 deberĆ” remitir por correo electrónico el 11 de noviembre.

NEUROTRANSMISORES

PARTE II

OBJETIVO GENERAL:

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  • Conocer los principales mecanismos de conexión sinĆ”ptica y su clasificación.

  • Enumerar los distintos tipos de neurotransmisores conocidos, sus funciones e incidencia, asĆ­ como otras sustancias que participan en el proceso sinĆ”ptico.

NEUROTRANSMISORES Y SUS RECEPTORES

ASPECTOS GENERALES

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LAS NEURONAS DEL ENCEFALO HUMANO SE COMUNICAN entre sĆ­, en su mayor parte, liberando mensajeros quĆ­micos denominados ā€œneurotransmisoresā€. Se conoce actualmente una gran cantidad de neurotransmisores y aun quedan mĆ”s por descubrir.

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El principal neurotransmisor excitador del encéfalo es el aminoÔcido glutamato, mientras que el principal neurotransmisor inhibidor es el Ôcido y-aminobutírico (GABA)- Los neurotransmisores provocan respuestas eléctricas sinÔpticas 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 sinÔpticas. Después de activar sus receptores postsinÔpticos, los neurotransmisores son eliminados de la hendidura sinÔptica 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 psiquiÔtricos; por lo tanto, muchas terapias neuro farmacológicas se basan en fÔrmacos que afectan a los neurotransmisores, a sus receptores o a los trasportadores responsables de eliminarlos de la hendidura sinÔptica.

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CategorĆ­a de neurotransmisores

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Se conocen mÔs 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 aminoÔcidos. Los aminoÔcidos 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 postsinÔpticas 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 postsinÔpticos.

Figura 1 Ejemplos de neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa y de neurotransmisores peptĆ­dicos. Los neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa pueden subdividirse en acetilcolina, aminoĆ”cidos, purinas y aminas biógenas. Las catecolaminas, denominadas asĆ­ 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 tamaƱo entre los neurotransmisores peptĆ­dicos estĆ”n indicadas por los modelos de esferas interpuestas para glicina, noradrenalina y metionina encefalina. (Los Ć”tomos de carbono estĆ”n en negro; los Ć”tomos de hidrogeno, el blanco; los Ć”tomos de nitrógeno, en luz; y los Ć”tomos de oxĆ­geno, en rojo).

ACETILCOLINA

La acetilcolina (ACh) fue la primera sustancia identificada como neurotransmisora. AdemÔs 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 postsinÔpticas 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 sinÔptica, lo que asegura una rÔpida disminución de la concentración de ACh después de su liberación de la terminación presinÔptica. 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 fĆ”rmacos interesantes que interactĆŗan con enzimas colinĆ©rgicas estĆ”n en los organofosforados. Este grupo incluye algunos potentes agentes de la guerra quĆ­mica. Uno de estos compuestos es el gas nervioso ā€œsarĆ­nā€, que adquirió notoriedad en 1995 despuĆ©s de que un grupo de terroristas libero este gas en el sistema de subterrĆ”neos de Tokio. Los organofosforados pueden ser letales porque inhiben la AChE y hacen que se acumulen acetilcolina en las sinapsis colinĆ©rgicas. Este aumento de la acetilcolina despolariza la cĆ©lula postsinĆ”ptica y la hace refractaria a la liberación posterior de ACh, y asĆ­ provoca parĆ”lisis 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 sinÔpticas mediante un transportador vesicular (VAChT). Después de la liberación, la acetilcolina es metabolizada rÔpidamente por la acetilcolinesterasa y la colina es transportada nuevamente hasta la terminación mediante el cotransportador Na+-dependiente.

Muchas de las acciones postsinĆ”pticas de la acetilcolina estĆ”n mediadas por el receptor colinĆ©rgico nicotĆ­nico (nAChR), denominado asĆ­ porque la nicotina, un estimulante del SNC, tambiĆ©n se une a estos receptores. El consumo de nicotina produce cierto grado de euforia, relajación y finalmente adicción, efectos que se cree estĆ”n mediados por los nAChR. Como se describió en el capĆ­tulo 5, los nAChR son canales catiónicos no selectivos que generan respuestas postsinĆ”pticas excitadoras. Algunas toxinas se unen especĆ­ficamente a los receptores nicotĆ­nicos y los bloquean. La disponibilidad de estos ligandos altamente especĆ­ficos – en particular, un componente del veneno de vĆ­bora llamado ā€œĪ±-bungarotoxinaā€- 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 nicotĆ­nicos 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 molĆ©cula 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 tambiĆ©n 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, Ī“ y γ o ε – en la relación 2α: 1 β: 1Ī“: 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 estĆ”n 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 ademĆ”s un sitio de fijación para la acetilcolina en su dominio extracelular. (B) Cinco subunidades se reĆŗnen para formar un receptor colinĆ©rgico nicotĆ­nico (AChR) completo. (C) Vista del AChR desde la perspectiva de la hendidura sinĆ”ptica. Se aprecia la disposición de las cinco subunidades, donde cada subunidad contribuye con una hĆ©lice 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 diĆ”metro). (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 hĆ©lices formadoras de poros se muevan y abran la puerta del poro. (F) Se reĆŗnen distintas subunidades para formar receptores ionotrópicos de neurotransmisores. 

FIGURA 3-II Estructura de un canal del K+ bacteriano simple determinada por cristalografĆ­a. (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 vĆ­a de permeabilidad del canal de K+ consiste en una cavidad acuosa grande conectada a un filtro de selectividad estrecho. Los dominios helicoidales del canal seƱalan 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 rÔpida 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 rÔpida, 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.

NEUROTOXINAS QUE ACTÚAN SOBRE LOS RECEPTORES POSTSINÁPTICOS

Las plantas y los animales venenosos se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza. Las toxinas que sintetizan han sido utilizadas para distintos fines, que incluyen la caza, la curación, la alternación del sensorio y, de forma mÔs recientes, la investigación. Muchas de estas toxinas tienen una acción potente sobre el sistema nervioso y, a menudo, interfieren en la transmision sinÔptica al tener por diana los receptores de los neurotransmisores. Los venenos hallados en algunos organismos contienen un único tipo de toxina, mientras que otros contienen una mezcla de decenas o incluso centenas de toxinas. Dado el papel central de los receptores de la acetilcolina en la meditación de la contracción muscular en las uniones neuromusculares de muchas especies, no es sorprendente que gran cantidad de toxinas naturales interfieran en la transmision en esta sinapsis. De hecho, la clasificación de los receptores de la acetilcolina nicotínicos y muscarínicos e basa sobre la sensibilidad de estos receptores de la acetilcolina nicotínicos y muscarínicos, respectivamente. La nicotina deriva de las hojas desecadas de la planta de tabaco nicotina tabacum y la muscarina del hongo rojo venenosos Amanita muscaria. Ambas toxinas son estimulantes que producen nÔuseas, vómitos, confusión mental y convulsiones. La intoxicación con mascarina también puede conducir al colapso circulatorio, el coma y la muerte.

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El veneno α-bungarotoxina, uno de los muchos péptidos que en conjunto constituyen el veneno de la víbora krait rayada, (Figura A), bloquea la transmision en las uniones neuromusculares y es utilizado por la víbora para paralizar a su presa. Esta toxina de 74 aminoÔcidos bloquea la transmision neuromuscular al unirse de forma irreversible a los receptores de la acetilcolina nicotínicos, e impedir así que la ACh abra los canales iónicos postsinÔpticos. La parÔlisis se produce porque los músculos esqueléticos ya no pueden ser activados por las neuronas motoras.

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Como resultado de su especificidad y de su alta afinidad por los receptores nicotínicos, la α-bungarotoxina ha contribuido mucho al conocimiento de las moléculas del receptor de la acetilcolina. Otras toxinas de las víboras que bloquean los receptores nicóticos son la α-neurotoxina de la cobra y el péptido de la víbora de mar erabutoxina. La misma estrategia utilizada por estas víboras para paralizar a su presa fue adoptada por los aborígenes sudamericanos que empleaban curare, una mezcla de toxinas vegetales de Chondrodendron tomentosum, como veneno en la punta de las flechas para inmovilizar a sus presas. El curare también bloquea los receptores nicotínicos; el agente activo es el alcaloide Γ- tubocurarina.

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Otra clase interesante de toxinas animales que bloquean selectivamente los receptores de la acetilcolina y otros receptores incluye los pĆ©ptidos producidos por los caracoles cónicos marinos cazadores de peces (Figura B). Estos caracoles coloridos matan a los pequeƱos peces ā€œdisparĆ”ndolesā€ flechas envenenadas. El veneno contiene cientos de pĆ©ptidos, conocidos como ā€œconotoxinasā€, muchas de las cuales estĆ”n dirigidas contra proteĆ­nas importantes en la transmision sinĆ”ptica. Hay pĆ©ptidos de conotoxina que bloquen los canales de Ca2+ los canales de Na+, los receptores del glutamato y de la acetilcolina. El conjunto de respuestas fisiológicas producidos por estos pĆ©ptidos sirve para inmovilizar a cualquier presa que desafortunadamente se encuentre con el caracol cónico. Muchos otros organismos, incluidos moluscos, corales, gusanos, y ranas, tambiĆ©n utiliza toxinas que contienen bloqueantes especĆ­ficos de receptores de la acetilcolina.

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Otras toxinas naturales poseen efectos que alteran el sensorio o la conducta y, en algunos casos, han sido utilizadas durante miles de años por chamanes y, mas recientemente. Por los médicos. Dos ejemplos son las toxinas alcaloides vegetales que bloquean los receptores muscarínicos: la atropina de la belladona y la escopolamina del beleño. Dado que estas plantas crecen de forma salvaje en muchas partes del mundo, la exposición no es infrecuente y el envenenamiento con cualquiera de las toxinas también puede ser fatal.

Otra neurotoxina postsinĆ”ptica que, al igual que la nicotina, es utilizada como droga social, se encuentra en las semillas del betel, Area catechu (Figura C). El mascado del betel, si bien se desconoce en los Estados Unidos de AmĆ©rica, es practicado hasta por el 25% de la población de la India, Banglades, Sri Lanka, Malasia y las Filipinas. El Mascado de estas semillas produce euforia causada por la areocolina, un alcaloide agonista de los receptores nicotĆ­nicos. Al igual que la nicotina, la arecolina es un estimulante del sistema nervioso central que produce dicción. Muchas otras neurotoxinas alteran la transmision en las sinapsis no colinĆ©rgicas. Por ejemplo, los aminoĆ”cidos hallados en algunos hongos, algas, y semillas son potentes agonistas de los receptores del glutamato. Los aminoĆ”cidos excitotóxicos cainato, provenientes del alga roja Digenea simplex y quiscualato, de la semilla de Quisqualis indica son utilizados para separar dos familias de receptores del glutamato de NMDA (vĆ©ase el texto). Otros activadores aminoĆ”cidos neurotóxicos de los receptores de glutamato incluyen acido ibotĆ©nico y Ć”cido acromĆ©lico, hallados ambos en hongos y el domoato, el cual se desarrolla en algas de agua dulce, algas marinas y mejillones. Otro grupo grande de neurotoxinas peptĆ­dicas bloquea los receptores del glutamato. Estas incluyen las -agatoxinas de la araƱa de redā€ en embudoā€, la NSTX-3 de la araƱa tejedora de esferas, la jorotoxina de la araƱa Joro y la β- filantotoxina del veneno de la avispa, asĆ­ como muchas toxinas del caracol conico. Todas estas toxinas de las que nos ocupamos hasta ahora se dirigen contra las sinapsis excitadoras. Sin embargo, los receptores del GABA y de la glicina inhibidores no han sido pasados por alto por las exigencias de la supervivencia. La estricnina, un alcaloide extraĆ­do de las semillas de Strychnos nux-vomica, es la Ćŗnica droga conocida con acciones especificas sobre la transmision en las sinapsisi glicinergicas. Puesto qe l toxina bloquea los receptores de la glicina, el envenenamiento con estricnina produce hiperactividad en la medula espinal y en el tronco del encĆ©falo, y conduce convulsiones. La estricnina se utiliza desde hace mucho tiempo en el comercio como veneno contra roedores, aunque en la actualidad son mas populares otras alternativas como el anticoagulante cumadina porque son mas seguros para los seres humanos. Las neurotoxinas que bloquean los receptores del GABAA incluye los alcaloides vegetales como bicuculina de la dicentra (DutchmanĀ“sbreeches) ya la picrotoxina de Anamirta cocculus. El dieldrin, un insecticida comercial, tambiĆ©n bloquea espetos receptores. Al igual que la estricnina, estos agentes son estimulantes potentes del sistema nervioso central. El muscimol, una toxina de un hongo que es un potente depresor, asĆ­ como un alucinógeno, activa los receptores del GABAA. Un anĆ”logo sintĆ©tico del GABA, el baclofeno, es un agonista de los receptores del GABAB que reduce los PPSE en algunas neuronas del tronco del encĆ©falo, y es utilizado clĆ­nicamente para reducir la frecuencia y la gravedad de los espasmos musculares.

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La guerra quƭmica contra las especies ha dado origen asƭ a un conjunto enorme de molƩculas cuyo punto diana son las sinapsis de todo el sistema nervioso. Si bien estas toxinas estƔn ideadas para doblegar la transmision sinƔptica normal, tambiƩn proporcionan un conjunto de herramientas potentes para comprender los mecanismos postsinƔpticos.

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(A)Vibora krait rayada Bungarus multicinctus. (B) Un caracol cónico marino(especie de los Conus) utiliza dardos venenosos para matar a los peces pequeños. (C) Semila de betel, Areca catechu que crece en Malasia.

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 citoplÔsmico del mAChR (Figura 4A).

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Se conocen cinco subtipos de mAChR (Figura 6.4C) que estÔn acoplados a diferentes tipos de proteínas G, lo que produce así distintas respuestas postsinÔpticas 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 glÔndulas exocrinas, y son responsables de la inhibición de la frecuencia cardiaca por el nervio vago. Muchos fÔrmacos 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 plasmÔtica y tiene un dominio citoplasmÔtico, 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.

GLUTAMATO

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

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El glutamato es un aminoÔcido no esencial, que no atraviesa la barrera hematoencefÔlica 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 presinÔpticas 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 Ôcidos tricarboxilicos (Krebs). El glutamato sintetizado en el citoplasma presinÔptico es empaquetado en vesiculas sinÔpticas 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 sinÔpticas glutamatérgicas.

Figura 5 La síntesis del glutamato y el ciclo entre las neuronas y la glía. La acción del glutamato liberado en la hendidura sinÔptica es terminada por la captación en las células gliales (y las neuronas) circundantes a través de los transportadores de aminoÔcidos 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 travƩs de transportadores SAT2 y convertida nuevamente en glutamato es cargado en las vesiculas sinƔpticas a travƩs de transportadores vesiculares de glutamato (VGLUT) para completar el ciclo.

Una vez liberado, el glutamato es eliminado de la hendidura sinÔptica por los transportadores de aminoÔcidos excitadores (EAATS). Estos transportadores representan una familia de cinco cotransportadores de glutamato Na+- dependientes diferentes. Algunos transportadores de aminoÔcidos excitadores estÔn presentes en las células gliales y otros en las terminaciones presinÔpticas. El glutamato transportado en las células gliales por medio de los transportadores e aminoÔcidos 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 presinÔpticas cooperen para mantener un aporte suficiente de glutamato para la transmision sinÔptica y terminar la acción postsinÔptica 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 Ôcido 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 postsinÔpticas excitadoras.

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La mayoría de las sinapsis centrales posee tanto receptores de AMPA como NMDA. A menudo, se utilizan fÔrmacos antagonistas que bloquean selectivamente estos receptores para identificar las respuestas sinÔpticas mediadas por cada tipo de receptor. Estos experimentos muestran que los PPSE producidos por los receptores de NMDA son mas lentos y duran mÔs 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 estÔn tan bien definidas; en algunos casos, estos receptores se encuentran en las terminaciones presinÔpticas y sirven como mecanismos de retroalimentación para regular la liberación del glutamato. Cuando se encuentran sobre las células postsinÔpticas, los receptores del cainato generan PPSE, que se elevan rÔpidamente, pero disminuyen mÔs 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 mÔs importante sea que el poro del canal del receptor de NMDA permite el ingreso de CA2+ ademÔs de Na+ y de NMDA aumentan la concentración de Ca2+ en el interior de la neurona postsinÔptica, 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 postsinÔptico se encuentra despolarizado, como durante la activación de aferencias excitadoras fuentes o durante la descarga del potencial de acción en la célula postsinÔptica. En este requerimiento de la presencia coincidente tanto del glutamato como la de la despolarización postsinÔptica para abrir los receptores de NMDA es ampliamente considerado subyacente a ciertas formas de almacenamiento de la información sinÔptica, como la plasticidad sinÔptica a largo plazo. Otra característica poco habitual es que la apertura de la puerta de los receptores de NMDA requiere un coagonista: el aminoÔcido glicina, que esta presente en el medioambiente extracelular del encéfalo.

 

Al igual que otros ionotrópicos, los receptores de AMPA estĆ”n compuestos por mĆŗltiples subunidades. Las cuatro subunidades diferentes del receptor de AMPA se designan de GluA1 a GluA4 (vĆ©ase 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 estĆ”n 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 asimĆ©tricas 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 plasmĆ”tica (Figura 7D). Los dominios extracelulares para fijar el ligando tienen una forma caracterĆ­stica en ā€œconcha de almejaā€, 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 hĆ©lices 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 ā€œcierreā€; este movimiento hace entonces que las hĆ©lices el interior del dominio transmembrana se muevan y abran asĆ­ el poro del canal (Figura 7E).

FIGURA 6 Respuestas postsinĆ”pticas 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 cĆ©lula piramidal presinĆ”ptica y una interneurona postsinĆ”ptica en la corteza visual. El bloqueo de los receptores del NMDA pone en evidencia un PPSE grande y rĆ”pido mediado por los receptores del AMPA, mientras que el bloqueo de estos Ćŗltimos pone en evidencia un componente mĆ”s 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 cĆ©lulas piramidales CA3 en el hipocampo. Los antagonistas farmacológicos muestran que el componente de los PPSE mediado por los receptores del AMPA es mĆ”s grande y mĆ”s rĆ”pido 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 travĆ©s 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 mĆ”s grande de cada subunidad es extracelular y consiste en dos dominios: el dominio aminoĆ”cido (ATD) y el dominio de fijación del ligando (LBD). AdemĆ”s, el dominio transmembrana (TMD) forma parte del poro del canal iónico, y un dominio carboxiterminal (CTD) conecta el receptor con las proteĆ­nas intracelulares. (B-D) Estructura cristalogrĆ”fica del receptor del AMPA. Cada una de las cuatro subunidades estĆ” indicada en un color diferente. (B) Desde esta perspectiva, se aprecia la forma en Y del receptor del AMPA. (C) DespuĆ©s de rotar 90 grados el receptor, se observan las dimensiones asimĆ©tricas. Se aprecia un dominio de fijación del ligando que estĆ” ocupado por un fĆ”rmaco antagonista (en cĆ­rculos). (D) Las vistas transversales del receptor del AMPA en dos posiciones diferentes (flechas grises) muestran las relaciones espaciales entre las subunidades y tambiĆ©n 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 (hĆ©lices 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 hĆ©lices 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. 

Recuadro "B"                                   MIASTENIA GRAVE: UNA ENFERMEDAD AUTOINMUNITARIA DE LAS SINAPSIS NEUROMUISCULARES

 

La miastenia grave, enfermedad que interfiere en la transmision entre las neuronas motoras y las fibras del musculo esquelético, afecta aproximadamente a 1 de cada 200 000 personas. Descrita originalmente por Thomas Willis en 1685, la característica de esta enfermedad es la debilidad muscular, sobre todo, durante la actividad sostenida (Figura A). Si bien la evolución es variable, la miastenia afecta comúnmente los músculos que controlan los parpados (da por resultado la caída del parpado o ptosis) y los movimientos oculares (da por resultado la visión doble o la diplopía). Otros puntos diana frecuentes de la enfermedad son los músculos que controlan la expresión facial, la masticación, la deglución y la palabra.

Un indicio importante de la causa de la miastenia grave provino de la observación clínica de que la debilidad muscular mejora tras el tratamiento con inhibidores de la acetilcolinesterasa, la enzima que normalmente degrada la acetilcolina en la unión neuromuscular (véase la Fig. A). Algunos estudios del musculo obtenidos por biopsia de pacientes miasténicos mostraron que tanto los potenciales de la placa terminan (PPT) como los potenciales de la placa terminal en miniatura (PPTM) son muchos mÔs pequeños que normal (Figura B). Ya tanto la frecuencia de los PPTM como el contenido cuÔntico de los PPT SON NORMALES, AL PARECER LA MIASTENIA GRAVE COMPRENDE UN TRASTORNO DE LAS CELULAS musculares postsinÔpticas. En efecto, la microscopía electrónica muestra que la estructura de las uniones neuromusculares esta alterada; los cambios incluyen ensanchamiento de la hendidura sinÔptica y reducción aparente en la cantidad de receptores de la acetilcolina en la membrana postsinÔptica. Una observación fortuita condujo al descubrimiento de la causa subyacente de estos cambios a comienzos de la década de 1970. Jim Patrick y Jon Lindstrom, que trabajaban entonces en el Salk Institute, intentaban obtener anticuerpos contra los receptores de la acetilcolina nicotínicos inmunizando conejos con los receptores. Inesperadamente los conejos inmunizados desarrollaron debilidad muscular, que mejoro después del tratamiento con inhibidores de la acetilcolinesterasa. La investigación posterior mostro que la sangre de los pacientes miasténicos contiene anticuerpos dirigidos contra el receptor de la acetilcolina y que estos anticuerpos estÔn presentes en las sinapsis neuromusculares. La eliminación de los anticuerpos mediante plasmaféresis mejora la debilidad. Finalmente, la inyección de suero de pacientes miasténicos en ratones produce efectos miasténicos (porque el suero transporta anticuerpos circulantes).

Estos hallazgos indican que la miastenia grave es una enfermedad autoinmunitaria dirigida contra los receptores de la acetilcolina nicotínicos. La respuesta inmunitaria reduce la cantidad de receptores funcionales en la unión neuromuscular y, finalmente, los destruye disminuyendo la eficiencia de la transmision sinÔptica. La debilidad muscular se desarrolla por que las neuronas motoras son menos capaces de excitar a las células musculares postsinÔpticas. Esta secuencia causal también explica porque los inhibidores de la colinesterasa alivian los síntomas.

Los inhibidores aumentan la concentración de acetilcolina en la hendidura sinÔptica, los que permite una activación mÔs eficaz de los receptores postsinÔpticos que aún no han sido destruidos por el sistema inmunitario. A pesar de todos estos hallazgos, todavía no estÔ claro que es lo que lleva al sistema inmunitario a producir una respuesta autoinmunitaria contra los receptores de la acetilcolina.

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​La miastenia grave reduce la eficiencia la eficiencia de la transmision neuromuscular. (A) Los electromiogramas muestran respuestas musculares obtenidas por la estimulación de los nervios motores. En los individuos normales, cada estimulo de una sucesión provoca la misma respuesta contrĆ”ctil. Por el contrario, la transmision se fatiga rĆ”pidamente en los pacientes miastĆ©nicos, pero puede ser restablecida parcialmente administrando al inhibidor de la colinesterasa neostigmina. (8) Distribución de las amplitudes de los potenciales de la placa terminal en miniatura (PPTM) en las fibras musculares de los pacientes miastĆ©nicos y en controles. El tamaƱo mas pequeƱo de los PPTM en los miastĆ©nicos se debe a una cantidad disminuida de receptores postsinĆ”pticos.

Los receptores de NMDA tambiƩn son conjuntos tetramƩricos de subunidades. Existen tres grupos de subunidades del receptor de NMDA (GluN1, GluN2 Y GluN3), con un total de siete tipos diferentes de subunidades (vƩase Fig., 6.3F). Mientras las subunidades GluN2 fijan el glutamato, las subunidades GluN1 y GluN3 fijan la glicina. Los tetrƔmeros del receptor de NMDA tƭpicamente estƔn compuestos por dos subunidades quƩ fijan glutamato (GƱuN2) 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 presinƔpticas 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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AdemÔs 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 postsinÔpticos, 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 postsinÔpticos del Ca2+ y del Na+. A diferencia de los receptores glumatatergicos ionotrópicos excitadores, los mGluR producen respuestas postsinÔpticas ms lentas que pueden excitar o inhibir las células postsinÔpticas. En consecuencia, los papeles fisiológicos de los mGluR producen respuestas postsinÔpticas mas lentas que pueden excitar o inhibir las células postsinÔpticas. 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-.

                                                                                                   EXITOTOXICIDAD EN LA LESIƓN  CEFƁLICA AGUDA

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La excitotoxicidad se refiere a la capacidad del glutamato y de los compuestos afines para destruir neuronas a través de la transmision sinÔptica prolongada. Normalmente, la concentración de glutamato liberado en la hendidura sinÔptica se elev hasta niveles altos (aproximadamente, 1 mM), pero se mantienen esta concentración solo durante algunos milisegundos. Si se acumulan concentraciones anormalmente elevadas en la hendidura, la activación excesiva de los receptores neuronales del glutamato puede, literalmente, excitar a las neuronas hasta producir la muerte.

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El fenómeno de la excitotocidad fue descubierto en 1957, cuando D.R. Lucas y J.P. Newhouse observaron de manera accidental que, si se alimenta a ratones lactantes con glutamato de sodio, se destruyen las neuronas de la retina. Alrededor de una dĆ©cada despuĆ©s, J. Olney en la Washington University amplio este descubrimiento al demostrar que, en el encĆ©falo, se desarrollan regiones de perdida neuronal inducida por el glutamato. El daƱo esta limitado evidentemente a las cĆ©lulas postsinĆ”pticas –las dendritas de las neuronas diana estaban groseramente tumefactas-, mientras que las terminaciones presinĆ”pticas estaban conservadas. Olney tambiĆ©n examino la potencia relativa de los anĆ”logos del glutamato y observo que sus acciones neurotóxicas corrĆ­an paralelas a su capacidad para activar los receptores postsinĆ”pticos del glutamato. AdemĆ”s, los antagonistas de los receptores del glutamato destruyen las neuronas por un mecanismo similar a la transmision en las sinapsis glutamatergicas excitadoras, y acuƱo el termino excito toxico para referirse a este efecto.

 

Las pruebas de que la excitotocidad es una causa importante de daño neuronal después de la lesión encefÔlica se obtuvieron fundamentalmente del estudio de las consecuencias de la reducción del flujo sanguíneo. La causa mÔs frecuente de reducción del flujo sanguíneo encefalico (isquemia) es la oclusión de un vaso sanguíneo cerebral (es decir, un accidente cerebrovascular; véase en Recuadro B del Apéndice). La idea de que la actividad sinÔptica excesiva contribuye a la lesión isquémica surgió de la observación de que as concentraciones del glutamato y aspartato en el espacio extracelular que rodea a las neuronas aumenta durante la isquemia. AdemÔs, la microinyección de antagonistas de los receptores de glutamato en animales de experimentación protege a las neuronas del daño inducido por la esquimia. En conjunto, estos hallazgos sugieren que la acumulación extracelular de glutamato durante la esquimia activa de manera excesiva los receptores de glutamato, y que, de alguna forma, esto desencadena una cadena de acontecimientos que conduce a la muerte neuronal. Presumiblemente, la disminución del aporte de oxígeno y glucosa eleva los niveles extracelulares de glutamato al hacer mÔs lenta la eliminación de glutamato dependiente de energía de la sinapsis.

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En la actualidad, los mecanismos excitotonicos han sido involucrados en otras formas agudas de lesión neuronal, que incluyen hipoglucemia, lesión traumÔtica y convulsiones intensas repetidas (denominadas estado de mal epiléptico). Por lo tanto, el conocimiento de la excitotoxicidad tiene importantes consecuencias en el tratamiento contra distintos trastornes neurológicos. Por ejemplo, el bloqueo de los receptores de glutamato podría, en principio, proteger a las neuronas del daño debido a un accidente cerebrovascular, traumatismo u otras causas. Lamentablemente, los ensayos clínicos de antagonistas de los receptores de glutamato no han permitido mejorar mucho el resultado del accidente cerebrovascular. Es probable que la ineficacia de este tratamiento muy lógico se deba a varios factores uno de los cuales es el desarrollo de una lesión de excitotoxicas sustancia muy poco después de la isquemia, antes de la iniciación típica de tratamiento. También es probable que la excitotoxica sea solamente uno de los varios mecanismos por los cuales la isquemia daña las neuronas; otra causa podría ser el daño secundario a la inflamación. Con todo, las intervenciones farmacológicas dirigidas contra todos estos mecanismos se muestran muy promisorias para minimizar la lesión encefÔlica después de un accidente cerebrovascular y otras causas.

EL GABA Y la glicina

La mayorĆ­a de las sinapsis inhibitorias en el encĆ©falo o en la mĆ©dula espinal emplea el Ć”cido γ-aminobutĆ­rico o la glicina como neurotransmisores. Al igual que el glutamato, el GABA fue identificado en el tejido encefĆ”lico durante la dĆ©cada de 1950. Los detalles de su sĆ­ntesis y degradación, fueron descubiertos poco despuĆ©s gracias a las investigaciones de Ernest Florey y Eugene Roberts. En la misma Ć©poca, David Curtid y Jefrey Watkins mostraron por primera vez que el GABA puede inhibir la capacidad de las neuronas de los mamĆ­feros 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 encĆ©falo, utiliza el GABA como neurotransmisor inhibidor. El GABA se halla  mĆ”s comunmente en las interneuronas del circuito local, aunque las cĆ©lulas de Purkinje del cerebro brindan un ejemplo de neuronas de proyección GABAĆ©rgicas.1

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El precursos predominante  en la sĆ­ntesis del GABA es la glucosa, que es metabolizada a glutamato por las enzimas del ciclo de los Ć”cidos tricarboxĆ­licos. (El piruvato y el gltamato tambiĆ©n pueden actuar como precursosres del GABA.) La enzima acido glutĆ”mico 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 sĆ­ntesis del GABA. La importancia de este hecho quedo aclarada tras relacionar una trĆ”gica 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 encĆ©falo, y la perdida posterior de inhibición sinĆ”ptica produjo convulsiones que, en algunos casos, fueron fatales. Una vez sintetizado el GABA, es transportado hacia las vesiculas sinĆ”pticas a travĆ©s del transportador vesicular de aminoĆ”cidos 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 cĆ©lulas gliales contienen cotransportadores de Na+- dependientes de alta afinidad para el GABA. Estos c0ontrasportadores se denominan ā€œGATā€, y se han identificado varias formas. La mayor parte del GABA es convertida finalmente en succinato, el cual es metabolizado ademĆ”s en el ciclo de los Ć”cidos tricarboxilicos, que media la sintesis del ATP celular. Se requieren dos enzimas mitocondriales para su degradación: la GABA transaminasa y la succĆ­nico semialdehido deshidrogenasa. TambiĆ©n existen otras vĆ­as 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 ā€œdate rapeā€ (drogas que facilitan el abuso sexual en las citas). La administración oral de γ-hidroxibutirato puede producir euforia, dĆ©ficit 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 glutÔmica 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 sinÔpticas para reutilizarlos; ambos transmisores son cargados en las vesiculas sinÔpticas mediante el transportador vesicular de aminoÔcidos inhibidores (VIATT).

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

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La sinapsis GABAergicas emplean tres tipos de receptores postsinÔpticos 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 parÔmetros 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 cĆ©lulas postsinĆ”pticas (Figura 9B). En los casos en que la concentración postsinĆ”ptica del CI- es elevada – por ejemplo, en las neuronas en desarrollo-, los receptores del GABA pueden excitar a sus puntos diana postsinĆ”pticos (Recuadro D).

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Los fĆ”rmacos que actĆŗan como agonistas o moduladores de los receptores del GABA, como los benzodiacepinas y los barbitĆŗricos, se utilizan clĆ­nicamente para tratamiento de la epilepsia y los sedantes y anestĆ©sicos eficaces. Todos los sitios de unión para el GABA, los barbitĆŗricos, los corticosteroides y la picrotoxina se encuentran en el interior del dominio del poro del canal (Figura 9B). Otro sitio, llamado ā€œsitio de fijación de las benzodiacepinasā€, se ubican en el exterior del poro y modula la actividad del canal. Las benzodiacepinas, como diazepam (Valium) y clordiazepoxido (Librium) son fĆ”rmacos 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 terapĆ©utico, 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 postsinÔpticas. 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 aminoĆ”cido 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 (vĆ©ase Fig. 8B) y es transportada hacia las vesiculas sinĆ”pticas por medio del mismo transportador vesicular de aminoĆ”cidos inhibidores que carga GABA en las vesiculas. Una vez liberada de la cĆ©lula presinĆ”ptica, la glicina es rĆ”pidamente eliminada de la hendidura sinĆ”ptica por los transportadores de glicina en la membrana plasmĆ”tica. 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 pentÔmeros 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 fĆ”rmacos y modulan estos receptores. Los iones cloruro (esferas verdes) fluyen a travĆ©s del poro formado en el centro del receptor; dependiendo del gradiente electroquĆ­mico del cloruro, el flujo neto de cloruro puede dirigirse hacia el interior o el exterior de la cĆ©lula. (B) La estimulación de una interneurona GABAĆ©rgica presinĆ”ptica, en el momento indicado por la flecha, produce una inhibición transitoria del disparo del potencial de acción en su blanco postsinĆ”ptico. Esta respuesta inhibidora es causada por la activación de los receptores postsinĆ”pticos del GABAA. 

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

Acciones excitadoras del GABA en el encƩfalo.

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Aunque el GABA normalmente funciona como un neurotransmisor excitador en el encĆ©falo maduro, en el encĆ©falo en desarrollo excita a sus cĆ©lulas diana. Esta inversión notable de la acción surge de los cambios evolutivos en la homeostasis del CI- intracelular. Los mecanismos involucrados en este cambio fueron estudiados mas extensamente en neuronas corticales. En las neuronas jóvenes, la concentración intracelular CI- esta controlada principalmente por el cotransportador de Na+/K+/CI-, que bombea cloro hacia el interior de las neuronas y produce una concentración intracelular elevada de CI- fuera de las neuronas y descienden su concentración intracelular. Estos desplazamientos en la homeostasis del CI- pueden hacer que su concentración intracelular caiga varias veces en la primera o dos primeras semanas de desarrollo posnatal. Como los receptores ionotrópicos del GABA son canales impermeables al CI-, el flujo de iones a travĆ©s de estos receptores varĆ­a segĆŗn la fuerza impulsora electromagnĆ©tica sobre el CI-. En las neuronas jóvenes, donde la concentración intracelular del CI- es alta, el ECI es mas positivo que el potencial de reposo. En consecuencia, el GABA despolariza estas neuronas. AdemĆ”s, el ECI a menudo es mas positivo que el umbral, de modo que el GABA puede excitar estas neuronas para que disparen potenciales de acción. Como se describe en el texto, la menor concentración intracelular del CI- de las neuronas maduras hace que el Eci sea mas negativo que el umbral del potencial de acción (y, a menudo, mas negativo que el potencial de reposo), lo que conduce a respuestas inhibidoras el Ć”cido γ-aminibutirico.

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¿Por qué sufre el GABA este cambio en sus acciones postsinÔpticas? Aunque la lógica de este fenómeno todavía no es completamente clara, al parecer las respuestas despolarizantes al GABA producen actividad eléctrica que controla la proliferación, migración crecimiento y maduración de las neuronas, y determina la conectividad sinÔptica. Una vez que estos procesos del desarrollo completaron, el circuito nervioso resultante requiere la transmision inhibidora que también puede ser provista por el acido γ-aminobutirico. Se necesitan nuevas investigaciones para apreciar el significado completo de las acciones excitadoras del GABA, así como para comprender los mecanismos subyacentes a la expresión del cotransportador K+/CI-, los cuales hacen finalizar la breve carrera del GABA como neurotransmisor excitador.

AMINAS BIƓGENAS

Los transmisores aminas biógenas regulan muchas funciones encefÔlicas y también se encuentran en estado activo en el sistema nervioso periférico. Como las animas biógenas estÔn implicadas en una gama tan amplia de comportamientos (que varían desde funciones homeostÔticas 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 psiquiÔtricos. La farmacobiología de las sinapsis aminergicas tiene una importancia critica para la psicoterapia, y los fÔrmacos 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 aminoÔcido 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 mÔs adelante.

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La dopamina esta presente en varias regiones encefĆ”licas (Figura 11A), aunque la principal Ć”rea del encĆ©falo que contiene dopamina es el cuerpo estriado, que recibe las principales aferencias de la sustancia nigra y desempeƱa un papel esencial en la coordinación de los movimientos corporales. En la enfermedad de Parkinson, por ejemplo, las neuronas dopaminĆ©rgicas de la sustancia nigra degeneran, lo que conduce a una disfunción motora caracterĆ­stica. TambiĆ©n se cree que la dopamina estĆ” involucrada en la motivación la recompensa y el refuerzo, y muchas drogas de abuso funcionan afectando las sinapsis dopaminĆ©rgicas en el SNC. AdemĆ”s de estas funciones en el SNC, la dopamina tambiĆ©n desempeƱa otras funciones poco conocidas en algunos ganglios simpĆ”ticos. 

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 (vĆ©ase Fig. 10). Tras sus sĆ­ntesis en el citoplasma de las terminaciones presinĆ”pticas, la dopamina es almacenada en las vesiculas de monoaminas (vesicular monoamine transporter, VMAT) La acción de la dopamina en la hendidura sinĆ”ptica concluye con la recaptación de dopamina en las terminaciones nerviosas o en las cĆ©lulas gliales circundantes por un cotransportador de dopamina Na+- dependiente, denominado ā€œDATā€. Al parecer, la cocaĆ­na produce sus efectos psicotrópicos uniĆ©ndose al DAT e inhibiĆ©ndolo, lo que arroja un aumento neto en la liberación de dopamina desde las Ć”reas encefĆ”licas especĆ­ficas. La anfetamina, otra droga adictiva, tambiĆ©n inhibe el DAT y el transportador para noradrenalina (vĆ©ase 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 glĆ­a contienen MAO mitocondrial y COMT citoplasmĆ”tica. Los inhibidores de estas enzimas, como fenelzina y tranilcipromina, son utilizados en la prĆ”ctica clĆ­nica 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 (tambiĆ©n llamada ā€œnorepinefrinaā€) es utilizada como neurotransmisora en el locus cerĆŗleo, un nĆŗcleo del tronco del encĆ©falo que se proyecta de forma difusa a distintos puntos diana o blanco del encĆ©falo anterior (Figura 11B) e influye en el sueƱo y la vigilia, en la atención y en la conducta alimentaria. Tal vez las neuronas noradrenĆ©rgicas mĆ”s sobresalientes en las cĆ©lulas ganglionares simpĆ”ticas, que emplean noradrenalina como principal transmisor perifĆ©rico en esta división del sistema motor visceral.

Las aminas biógenas neurotransmisoras y los trastornos psiquiÔtricos.

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La regulación de los neurotransmisores del tipo aminas biógenas esta alterada en distintos trastornos psiquiÔtricos. En efecto, la mayoría de los agentes psicotrópicos (definidos como los fÔrmacos que alteran el comportamiento, el estado de Ônimo o la percepción) afecta de manera selectiva uno o mas pasoso en la síntesis, el empaquetamiento o la degradación de las aminas biógenas. Determinan cómo funcionan estos fÔrmacos ha sido extremadamente útil para comenzar a comprender los mecanismos moleculares que subyacen a algunas de estas enfermedades.

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Sobre la base de sus efectos en los seres humanos, los agentes psicoterapéuticos pueden ser divididos en varias categorías amplias: antipsicóticos, ansiolíticos, antidepresivos y estimulantes. El primer agente antipsicótico utilizado para mejorar trastornos como la esquizofrenia fue la reserpina, que se desarrolló en la década de 1950 y fue utilizada inicialmente como agente antihipertensivo: la reserpoina bloquea la captación de la noradrenalina en las vesiculas sinÔpticas y, por lo tanto, produce la depleción del transmisor en las terminaciones aminergicas y la disminución de la capacidad de la división simpÔtica del sistema motor visceral para producir la vaso construcción. A partir de un efecto colateral importante em los pacientes hipertensos tratados con reserpina, la depresión, surgió la posibilidad de utilizarlo como agente antipsicóticos en pacientes con agitación y ansiedad patológica( su capacidad para producir depresión en individuaos mentales sanos también surgió que los transmisores aminergicos estÔn involucrados en los trastornos del estado de Ônimo. Sin bien la reserpina ya no se utiliza como agente antipsicótico, su éxito inicial estimulo el desarrollo de los agentes antipsicóticos como clorpromazina, haloperidol y benperidol, los cuales, en las ultimas décadas, han cambiado radicalmente el enfoque del tratamiento contra los trastornos psicóticos. Antes del descubrimiento de estos fÔrmacos, los pacientes psicóticos eran hospitalizados durante periodos prolongados y, a veces, indefinidamente, y, la década de 1940, eran sometidos a medidas extremas como la lobotomía frontal.

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Ahora, los agentes antipsicóticos modernos permiten que la mayoría de los pacientes sean tratados de forma ambulatoria después de una breve estancia hospitalaria. Es importante señalar que la eficacia clínica de estos fÔrmacos se correlaciona con su capacidad para bloquear los receptores de la dopamina encefÔlicos, lo que implica que la activación de los receptores de la dopamina encefÔlicos, lo que implica que la activación de los receptores de la dopamina contribuye a ciertos tipos de enfermedad psicótica. Se siguen realizando muchos esfuerzos para desarrollar agentes antipsicóticos con menos efectos colaterales y para descubrir el mecanismo y el sitio de acción de estas medicaciones. La segunda categoría de fÔrmacos psicoterapéuticos es la de los agentes ansiolíticos. Se estima que los trastornos de ansiedad afectan del 10 al 35% de la población, lo cual los convierte en los trastornos psiquiÔtricos mÔs frecuentes. Las dos formas principales de ansiedad patológica- las crisis de angustia y el trastorno de ansiedad generalizada- responde a los fÔrmacos que afectan la transmision aminérgica. Los agentes utilizados para tratar los trastornos de angustia incluyen (1) los inhibidores de la enzima monoaminooxidasa (inhibidores de la MAO o IMAO) necesarios para el catabolismo de las aminas neurotransmisoras, y (2) los bloqueantes de los receptores de la serotonina. Los agentes mas eficaces par el tratamiento contra el trastorno de l ansiedad generalizada han sido las benzodiacepinas, como clordiazepoxido (Librium) y diazepam (Valium). Al contrario de la mayoría de los otros agentes psicoterapéuticos, estos agentes aumentan la eficacia de la transmision en las sinapsis de GABAA, en lugar de actuar en las sinapsis aminérgica.

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Los antidepresivos y los estimulantes tambiĆ©n afectan la transmision aminĆ©rgica. Gran cantidad de fĆ”rmacos se utilizan clĆ­nicamente para tratar los trastornos depresivos. Las tres clases de antidepresivos – inhibidores de la MAO, antidepresivos tricĆ­clicos y bloqueantes de la recaptación de la serotonina, como fluoxetina (Prozac) y trazodona- influyen en distintos aspectos de la transmision aminĆ©rgica. Los inhibidores de la Mao, como l fenelzina, bloquean la degradación de las aminas, mientras que los antidepresivos tricĆ­clicos, como despraminalina y de otras aminas. El antidepresivo extraordinariamente popular fluoxetina (Prozac) bloquea de manera selectiva la recaptación de las catecolaminas. TambiĆ©n se han utilizado estimulantes como la anfetamina para tratar algunos trastornos depresivos. La anfetamina estimula la liberación de noradrenalina de las terminaciones nerviosas del consumo anfetamina puede reflejar el opuesto emocional de la depresión que sigue a veces a la depleción de la noradrenalina inducida por la reserpina.

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A pesar de la cantidad relativamente pequeña de neuronas aminérgica en el encéfalo, esta larga enumeración de las acciones farmacológicas destaca la importancia critica de estas neuronas en el mantenimiento de la salud mental.

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 sinÔpticas mediante el mismo VMAT que participa en el transporte vesicular de la dopamina. La noradrenalina es eliminada de la hendidura sinÔptica 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 estÔn 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 fÔrmacos 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 plasmĆ”tica y tiene un dominio citoplasmĆ”tico que se une a las proteĆ­nas G y las activa, asĆ­ como un dominio extracelular que se une a la dopamina. (B) Estructura del receptor adrenĆ©rgico β2 y de su proteĆ­na G asociada. (Izquierda) En ausencia de ligando, el dominio citoplasmĆ”tico del receptor β2 no estĆ” unido a la proteĆ­na 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 proteĆ­na G, lo que a su vez induce un cambio espectacular en la estructura de esta subunidad.

La adrenalina (tambiĆ©n denominada ā€œepinefrinaā€), Se halla en el encĆ©falo en niveles mucho menores que cualquier otra catecolamina y tambiĆ©n se presenta en menos neuronas encefĆ”licas que otras catecolaminas. Las neuronas del sistema nervioso central que contienen adrenalina estĆ”n principalmente en el sistema tegmental lateral y en el bulbo raquĆ­deo, y proyectan hacia el hipotĆ”lamo y el tĆ”lamo (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 estÔ 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 plasmÔtica 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 hipotÔlamo 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 encefÔlico.

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 aminoÔcido 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 plasmÔtica 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 hematoencefÔlica, 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 Ôcido gÔstrico 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 aminoÔcido histidina. (B) La serotonina deriva del aminoÔcido 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 ahĆ­ el nombre de ā€œserotoninaā€). La serotonina se encuentra fundamentalmente en grupos de neuronas en la región del rafe de la protuberancia y del tronco del encĆ©falo superior, las cuales tienen amplias proyecciones con el encĆ©falo anterior (figura 13B) y regulan el sueƱo y la vigilia. La serotonina ocupa un lugar prominente en la neurofarmacologĆ­a porque gran cantidad de agentes antipsicóticos que son Ćŗtiles en el tratamiento contra la depresión y la ansiedad actĆŗan sobre las vĆ­as serotoninĆ©rgicas.

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La 5-HT es sintetizada a partir del aminoĆ”cido triptófano, el cual es un requerimiento esencial de la dieta. El el triptófano es captado en las neuronas por un transportador de la membrana plasmĆ”tica e hidroxilado  en una reacción catalizada por la enzima triptófano-5-hidroxilasa (figura 14B), el paso limitante de la velocidad para la sĆ­ntesis de 5-hidroxiTRIPTAMINA. El almacenamiento de serotonina en las vesĆ­culas sinĆ”pticas es realizada por el VMAT, que tambiĆ©n es responsable del almacĆ©n de otras monoaminas en las vesĆ­culas sinĆ”pticas. Los efecto sinĆ”pticos de la serotonina concluyen con el transporte retrógrado hacia las terminaciones nerviosas a travĆ©s de un transportador especĆ­fico de serotonina (SERT). Muchos agentes antidepresivos son inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina (ISRS) quĆ© inhiben el transporte de 5-ht mediante el transportador especĆ­fico de serotonina. Tal vez el ejemplo mejor conocido del ISRS sea la fluoxetina (Prozac). La vĆ­a catabólica primaria para serotonina estĆ” 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 psiquiÔtricos, como depresión, trastornos de ansiedad y esquizofrenia; y los fÔrmacos 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 ā€œreceptores 5-HTā€, son canales iónicos con puerta del ligando. Se trata de canales catiónicos no selectivos y, por lo tanto, median respuestas postsinĆ”pticas excitadoras. Su estructura general, con canales funcionales formados por la Unión de mĆŗltiples 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 heteromultĆ­mero. Los receptores serotoninĆ©rgicos son puntos diana para una amplia variedad de agentes terapĆ©uticos que incluyen ondandan setrón (Zofran) y granisetrón (Kytril), Utilizados en la prevención de nĆ”useas posoperatorias y emesis inducida por quimioterapia.

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El ATP y otras purinas

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Todas las vesĆ­culas contienen ATP, quĆ© es liberado junto con uno mĆ”s neurotransmisores ā€œclĆ”sicosā€ Esta observación plantea la posibilidad de que el ATP actĆŗe como como compromiso cotransmisor. Desde la dĆ©cada de 1920, se sabe que la ampliación extracelular de ATP (o sus productos de degradación AMP y adenosina) pueden producir respuestas elĆ©ctricas en las neuronas. La idea de quĆ© algunas ā€œpurinasā€ (denominadas asĆ­ debido al anillo purĆ­nico; vĆ©ase figura 1) tambiĆ©n son neurotransmisoras ha recibido ahora considerable respaldo experimental. El ATP actĆŗa como neurotransmisor excitador en las neuronas motoras de la mĆ©dula espinal, y en los ganglios sensitivos y autónomos. TambiĆ©n se demostraron acciones postsinĆ”pticas del ATP en el sistema nervioso central, especĆ­ficamente, 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 seƱalización. Por lo tanto, la adenosina no puede ser considerada un neurotransmisor clĆ”sico porque no es almacenada en vesĆ­culas sinĆ”pticas ni liberado en la forma de CA2+-dependiente. Algunas enzimas, como la aspirasa y la exto-5 nucleotidasa, AsĆ­ como los transportadores de nucleósidos participan en el rĆ”pido 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). AdemÔs, 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 postsinÔpticas 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 purinĆ©rgicos. (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, asĆ­ como un dominio extracelular grande que incluye el sitio de fijación del ATP. La forma de la subunidad recuerda a un delfĆ­n, con las estructuras codificadas por color como se indica en el recuadro. (B) Vista lateral de un receptor P2X4; este receptor es un trĆ­mero de tres subunidades, y cada subunidad se muestra con un color diferente. Se propone que el sitio de fijación del ATP estĆ” 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 caracterĆ­stica de los receptores metabotrópicos y se muestra con un agente antagonista ocupando el sitio de fijación de la adenosina.

NEUROTRANSMISORES PƉPTIDOS

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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 sĆ­ntesis y del empaquetamiento de los transmisores peptĆ­dicos son fundamentalmente diferentes de los utilizados para los neurotransmisores de molĆ©cula pequeƱa y son muy similares a las sĆ­ntesis de proteĆ­nas secretadas desde cĆ©lulas distintas de las neuronas (enzimas pancreĆ”ticas, por ejemplo). Las neuronas que secretan pĆ©ptidos generalmente sintetizan polipĆ©ptidos que son mucho mĆ”s grandes que el pĆ©ptido ā€œmaduroā€ final. El procesamiento de estos polipĆ©ptidos, que se denominan prepropĆ©ptidos (o preproproteĆ­nas), Tiene lugar por una secuencia de reacciones en varios orgĆ”nulos intracelulares. Los prepropĆ©ptidos son sintetizados en el retĆ­culo endoplasmĆ”tico rugoso, donde se elimina la secuencia seƱal de aminoĆ”cidos, es decir, la secuencia que indica que el pĆ©ptido va a ser secretado. El polipĆ©ptido restante, denominado propĆ©ptido (o proproteĆ­na), atraviesa luego el aparato de Golgi y es empaquetado en vesĆ­culas 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 mÔs grandes que sus productos peptídicos activos y pueden dar origen a mÔs de una especie de neuropéptido (figura 16). Eso significa que se pueden liberar múltiples péptidos neuro activos de una única vesícula. AdemÔs, los neuropéptidos a menudo son liberados de forma conjunta con los neurotransmisores de molécula pequeña.

FIGURA 16 Procesamiento proteolítico de los prepropéptidos. Se muestra acÔ la preproopiomelanocortina (A) y la preproencefalina A (B). Por cada prepropéptido, la secuencia señal estÔ indicada en color naranja a la izquierda; las localizaciones de los productos peptídicos activos estÔn 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 aminoÔcidos (figura 17). Sobre la base de sus secuencias de aminoÔcidos, los transmisores neuropéptidos han sido agrupados de manera no muy estricta en cinco categorías: péptidos del encéfalo/intestino; péptidos opioides; péptidos hipofisarios, Hormonas liberadoras hipotalÔmicas 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 mÔs 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 aminoÔcidos, estÔ 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 categorĆ­a especialmente importante de neurotransmisores pĆ©ptidos es la familia de los opioides (figura 17 B). Estos pĆ©ptidos se denominan asĆ­ porque se unen a los mismos receptores postsinĆ”pticos activados por el opio. La amapola del opio es cultivada por lo menos desde hace 5000 aƱos y sus derivados se utilizan como analgĆ©sicos, al menos desde el renacimiento. Los ingredientes activos del opio son una variedad de alcaloides vegetales, predominantemente morfina. La morfina denominada asĆ­ en ā€œhonorā€ a Morfeo, Dios griego de los sueƱos, sigue siendo uno de los analgĆ©sicos mĆ”s eficaces en uso actualmente a pesar de su potencial adictivo. Los opioides sintĆ©ticos como meperidina y metadona tambiĆ©n se usan como analgĆ©sicos y, el fentanilo, droga como una potencia analgĆ©sica 80 veces superior a la de la morfina, es utilizado ampliamente en la anestesiologĆ­a clĆ­nica.

FIGURA 7 Secuencia de aminoÔcidos de los neuropéptidos. Los neuroendopéptidos tienen longitud variable, pero habitualmente contienen entre 3 y 36 aminoÔcidos. La secuencia de aminoÔcidos 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 arrojarÔ 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 mÔs 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 pƩptidos opioides estƔn ampliamente distribuidos en todo el encƩfalo y a menudo se localizan junto con otros neurotransmisores de molƩcula pequeƱa como el GABA y la 5-hidroxitriptamina. En general, estos pƩptidos 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 psiquiÔtricos 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 postsinÔpticos de los péptidos localizarse alejados de las terminaciones presinÔpticas 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 simpÔticos y la actividad del intestino.

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Los receptores de neuropéptidos -sobre todo, el receptor del neuropéptido Y - También estÔn 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 fÔrmacos útiles que tienen como diana los receptores opioides. Tres sub tipos bien definidos de receptores de opioides (μ, Γ 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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AdemÔs 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 estÔ regulada por el Ca2+. Sin embargo, en comparación con otros neurotransmisores, no son convencionales, porque no son almacenados en vesículas sinÔpticas ni son liberados de las terminaciones presinÔpticas a través de mecanismos de exocitosis. De hecho, estos neurotransmisores no convencionales no necesitan ser liberados desde las terminaciones presinÔpticas y, a menudo, se asocian con señalización retrógrada, (es decir, desde las células postsinÔpticas nuevamente hacia las terminaciones presinÔpticas).

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Los endocannabinoides constituyen una familia de seƱales endógenas relacionadas que interactĆŗan con los receptores de cannabinoides. Estos receptores son las dianas moleculares del Ī” (delta)-tetrahidrocannabinol, El componente psicoactivo de la planta de mariguana. Cannabis. Aunque no fueron definidos aĆŗn, algunos miembros de este grupo emergente de seƱales quĆ­micas, la anandamina y el 2-araquidonilglicerol (2-AG) son considerados endocannabinoides. Estas seƱales son grupos de Ć”cidos grasos no saturados con cabeza polar y se producen por la degradación enzimĆ”tica de los lĆ­pidos de membrana (figura 18 A,B). La producción de endocannabinoides es estimulada por una seƱal de 2Āŗ mensajero en el interior de las neuronas postsinĆ”pticas.

FIGURA 18 SeƱales de endocannabinoides involucradas en la transmisión sinĆ”ptica. 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 sinÔptica. La acción mejor documentada de estos agentes es la inhibición de la comunicación entre las células diana postsinÔpticas y sus aferencias presinÔpticas. En el hipocampo y el cerebelo, ademÔs de otras regiones encefÔlicas los endocannabinoides sirven como señales retrógradas para regular la liberación del GABA en ciertas terminaciones inhibidoras. En estÔs sinapsis, La despolarización de la neurona postsinÔptica produce una reducción transitoria en la respuestas postsinÔpticas inhibidoras (figura 19). La despolarización reduce la transmisión sinÔptica al elevar la concentración de Ca2+ en el interior de la neurona postsinÔptica.

FIGURA 19 Control retrógrado de la liberación del GABA mediado por endocannabinoides. (A) Disposición experimental. La estimulación de una interneurona presinĆ”ptica produce liberación de GABA en una neurona piramidal postsinĆ”ptica. (B) Las corrientes postsinĆ”pticas inhibidoras (CPSI) producidas por la sinapsis inhibidora (control) tienen una amplitud reducida tras una despolarización breve de la neurona postsinĆ”ptica. Esta reducción en la corriente postsinĆ”ptica inhibidora se debe a que se libera menos GABA desde la neurona presinĆ”ptica. (C) La reducción en la amplitud de la corriente postsinĆ”ptica inhibidora producida por la despolarización postsinĆ”ptica dura algunos segundos y estĆ” 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 aminoÔcido arginina en un metabolito (citrulina) y simultÔneamente genera NO. (figura 20). En el interior de las neuronas, la NO sintasa neuronal estÔ regulada por la Unión del Ca2+ a la proteína sensora de Ca2+ calmodulina. Una vez producido, el NO puede atravesar la membrana plasmÔtica, 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 mÔs allÔ 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 sinÔptica que se propagan en el interior de pequeñas redes de neuronas.

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

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El NO se degrada espontÔneamente 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 presinÔpticas 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.

RESUMEN

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Las complejas operaciones sinÔpticas que ocurren en los circuitos neurales de todo el encéfalo surgen por la acción de gran cantidad de neurotransmisores, los cual es actúan sobre una cantidad incluso mayor de receptores postsinÔpticos de neurotransmisores. El glutamato es el principal neurotransmisor excitador del encéfalo, mientras que el GABA y la glicina son los principales neurotransmisores inhibidores. Las acciones de estos neurotransmisores de molécula pequeña en los casos típicos son mÔs rÔpidas que las de los neuropéptidos. Por lo tanto, los neurotransmisores de molécula pequeña median la transmisión sinÔptica cuando es esencial una respuesta rÔpida, mientras que los neurotransmisores neuropeptídicos, así como las aminas biógenas y algunos neurotransmisores de molécula pequeña, Tienden a modular la actividad en curso en el encéfalo o en los tejidos diana periféricos de una forma mÔs gradual y continua. Se han desarrollado dos familias bien diferentes de receptores de neurotransmisores que llevan a cabo las acciones de señalización postsinÔptica de los neurotransmisores. Los canales iónicos ionotrópicos o con puerta de ligando combinan el receptor para los neurotransmisores y el canal iónico en una entidad molecular y, por lo tanto, dan origen a respuestas eléctricas postsinÔpticas rÔpidas. Los receptores metabotrópicos regulan la actividad de los canales iónicos postsinÔpticos de modo indirecto, habitualmente a través de proteínas G, e inducen respuestas eléctricas mÔs lentas y mÔs duraderas. Los receptores metabotrópicos son especialmente importantes para regular el comportamiento, y los fÔrmacos dirigidos a estos receptores han sido valiosos en la clínica para el tratamiento de una amplia gama de trastornos conductuales. La respuesta postsinÔptica en una sinapsis dada estÔ determinada por la combinación de subtipos de receptores, de subtipos de proteínas G y de canales iónicos que son expresados en la célula postsinÔptica. Dado que cada una de estas características puede variar tanto en cada neurona como entre ellas, es posible una gran diversidad de efectos mediados por transmisores. Los fÔrmacos que influyen en las acciones de los transmisores tienen una enorme importancia en el tratamiento de los trastornos neurológicos y psiquíatricos, y en un amplio espectro de otros problemas médicos.

ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE.

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1.- Comprensión de lectura.

PrepÔrate 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 deberĆ”n compartirse en el foro de discusión el dĆ­a  11 de noviembre

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