496172343-El-Lenguaje-de-Las-Neuronas

Uchitel, Osvaldo
El lenguaje de las neuronas - 1a ed. 1a reimp. - Buenos Aires : Eudeba, 2007.
120 p. ; 20x14 cm. (Ciencia Joven)
ISBN 978-950-23-1462-4
1. Neurobiología. I. Título
CDD 612.8
Eudeba
Universidad de Buenos Aires
1ª edición, 1ª reimpresión: agosto de 2007
© 2007, Editorial Universitaria de Buenos Aires
Sociedad de Economía Mixta
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Corrección y diagramación general: Eudeba
Impreso en la Argentina
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No se permite la reproducción total o parcial de este libro, ni su almacenamiento en un
sistema informático, ni su transmisión en cualquier forma o por cualquier medio,
electrónico, mecánico, fotocopias u otros métodos, sin el permiso previo del Editor.
Agradecimientos
El 8 de octubre de 1894, en un puerto entrerriano, desembarcó mi
bisabuelo paterno acompañado por sus ocho hijos. Entre ellos estaba mi
abuelo que en ese entonces tenía 2 años. Formaban parte de uno de los
contingentes que dieron origen a los gauchos judíos que poblaron las colonias
fundadas por el barón Moisés de Hirsch. Agradezco a este hombre haber
salvado y dignificado la vida de mis antepasados.
Instalados como colonos, con enormes sacrificios a veces retribuidos con
una buena cosecha y, otras veces, castigados con la langosta, mis abuelos
pusieron todo su esfuerzo en la educación de mi padre quien, gracias a la
educación pública y gratuita, pudo graduarse como médico en la Universidad
de Buenos Aires.
Le agradezco a la Argentina y a todos los promotores y defensores de la
Universidad pública y gratuita haberle dado a mi padre y, luego a mi mismo,
la oportunidad de estudiar y elegir libremente nuestro camino.
Mi agradecimiento a los que me enseñaron los primeros pasos en la
investigación científica, los doctores Raúl Carrea y Horacio García en el Hospital
de Niños y el doctor Enrico Stefani en la Facultad de Medicina de la UBA.
La dictadura militar y mis deseos de perfeccionamiento se combinaron
para llevarme al Department of Biophysics del University College London
donde el Profesor Ricardo Miledi me enseñó el arte de experimentar. Mi
agradecimiento a él y a todos con los que compartí esos años de exilio.
A mi regreso al país, en 1982, tuve la oportunidad de recrear el
laboratorio de electrofisiología en el entonces Instituto de Anatomía General
y Embriología dirigido por el Dr. Eduardo D. P. De Robertis a quien le
guardo un cariño especial por todo el apoyo y aliento recibido en los difíciles
años de la reinserción.
Pronto el laboratorio se pobló de estudiantes de Medicina y de Biología
deseosos de conocer y experimentar. Ellos me impulsaron a tomar a mi cargo
la asignatura Fisiología del Sistema Nervioso en la Facultad de Ciencias
Exactas y Naturales. En sus aulas, durante los últimos 15 años, enseñé y, por
sobre todo, aprendí los conceptos que pretendo explicar en este libro.
5
Durante toda esta travesía tuve el continuo apoyo de mi familia y de mi
mujer, Sarita, a quien le debo un agradecimiento sin límite.
Mi reconocimiento por la ayuda recibida a Dana Felman y a Rafael
Pagani.
6
Sensibles, pero potentes amplificadores,
los canales iónicos perciben el sonido de
la música de cámara, guían el pincel del
artista y generan las potentes descargas
que produce la anguila eléctrica. Son
ellos los que le dicen al Paramecium que
debe retroceder después de chocar con un
obstáculo y son ellos los responsables de
que las hojas de la Mimosa se cierren.
(B. Hille, 1984)
7
8
1. Introducción
Hace ya más de dos milenios, filósofos griegos como Hipócrates y Platón
apreciaban algo especial en el cerebro, al que responsabilizaban del
comportamiento humano y animal. Por el contrario, Aristóteles, en Historia
de los animales, describía al cerebro como un órgano blando, caliente, de una
contextura parecida a la de los excrementos y consideraba imposible que
fuera el sustrato de una función tan noble como el pensamiento humano. Hoy
aceptamos sin cuestionamiento que el cerebro somos nosotros mismos y que
el resto del cuerpo sirve para mantenerlo y transportarlo. El cerebro es
responsable de los movimientos voluntarios de nuestro cuerpo y, asimismo,
de nuestros sentimientos, aspiraciones y pensamientos.
El cerebro puede ser estudiado desde diversas disciplinas. Los
bioquímicos y biólogos moleculares investigan las propiedades de las
moléculas que cumplen funciones en el cerebro. Los fisiólogos estudian las
características de las células individuales o de grupos celulares y cómo se
relacionan entre ellas. Los psicólogos comportamentales analizan los
patrones de comportamiento en animales y humanos. Los neurocientíficos
computacionales intentan generar modelos del funcionamiento del cerebro,
tomando la información aportada por los estudios celulares y moleculares.
Entender el cerebro es uno de los más grandes desafíos del hombre.
No es la intención de este libro resolver tamaño problema. Lo que
conocemos hoy del cerebro puede ser homologado a un juego de cartas, en el
que sólo hemos podido reconocer algunas figuras y establecer algunas de las
complicadas reglas de juego. Una de las cartas de este “juego cerebral” son
las señales que utiliza el sistema nervioso para que sus componentes
dialoguen entre sí o generen una acción. Aquí sólo nos ocuparemos de cómo
las neuronas generan y transfieren esas señales.
En los vertebrados, el cerebro elabora una orden para generar un
movimiento. Dicha orden es el resultado de un proceso de integración y
filtrado de una enorme cantidad de señales que provienen de los sentidos y de
la propia actividad cerebral. En consecuencia, la orden es emitida hacia los
ejecutores, los músculos. Una vez que los músculos realizan un primer
9
movimiento, el cerebro comienza a recibir información de la actividad
realizada y, normalmente, la utiliza para corregir el rumbo del movimiento
hacia el blanco elegido.
Todo este proceso involucra la comunicación de millones de neuronas
conectadas entre sí en forma lineal, en circuitos convergentes o divergentes,
en los que la actividad se concentra o distribuye a otros grupos de neuronas,
en circuitos que se retroalimentan, o en otros altamente complejos. Esta
diversidad de circuitos neuronales forma el sistema nervioso que en los
vertebrados ocupa el cráneo y la columna vertebral y se conoce como el
sistema nervioso central (SNC). Sus prolongaciones, formadas por nervios y
ganglios, se distribuyen por todo el cuerpo formando el sistema nervioso
periférico (SNP).
Tanto el sistema nervioso central como el periférico están formados por
neuronas y células de la neuroglía. Las neuronas tienen a su cargo la función
de captar y transmitir los impulsos nerviosos dentro del sistema, mientras que
las células de la neuroglía o glía tienen a su cargo las funciones de sostén,
defensa, protección y aporte de material para el metabolismo de las neuronas.
Las neuronas se caracterizan por sus intrincadas ramificaciones, que
irradian desde el cuerpo celular o soma (Fig. 1A, B). Existen dos tipos de
prolongaciones, las dendritas y los axones. Las dendritas se caracterizan por
ser muy numerosas y por extenderse –en la mayoría de los casos– a
distancias cortas del soma; conducen los impulsos nerviosos hacia el cuerpo
celular. Por su parte, los axones se caracterizan por ser únicos, es decir, hay
uno para cada neurona y, en algunos casos, son muy largos. Conducen los
impulsos nerviosos desde el cuerpo celular a otras regiones. En algunas
neuronas, el axón se recubre de una vaina de mielina constituida por la
membrana de una célula de la glía. A lo largo del axón, la mielina suele
presentar constricciones a intervalos regulares, que se denominan nódulos de
Ranvier. La vaina de mielina y los nódulos de Ranvier son de gran
importancia para la conducción a alta velocidad de los impulsos nerviosos.
10
A
B
C
Terminal
presináptico
Espina
dendrítica
postsinapsis
Figura 1: A. Dibujo de Santiago Ramón y Cajal que muestra la corteza
cerebral teñida con la técnica de Golgi. B. Ilustración de dos neuronas.
C. Contactos sinápticos de las neuronas.
La neurona es una célula altamente especializada. Puede ser excitada, es
decir, ante un estímulo responde con una respuesta eléctrica, razón por la cual
se la considera, al igual que a la célula muscular, una célula excitable. El
cambio eléctrico que genera se propaga, en la mayoría de los casos, a lo largo
de sus prolongaciones.
Las neuronas se clasifican en sensitivas, motoras o de asociación, de
acuerdo con la función que desempeñen. Las primeras transportan
información de los receptores sensoriales hacia el sistema nervioso central.
Las motoras la llevan del sistema nervioso central a los órganos efectores,
músculos o glándulas. Las interneuronas o neuronas de asociación son
intermediarias, es decir, conectan las neuronas entre sí.
Las neuronas forman cadenas y redes, a lo largo de las cuales viajan los
impulsos nerviosos. Aquellos puntos, en los que una neurona se relaciona
con otra, de manera anatómica y funcional, reciben el nombre de sinapsis
(Fig. 1C). Entre otras cosas, las sinapsis determinan la dirección de los
impulsos nerviosos y permiten la integración de señales excitatorias e
inhibitorias, por eso son de gran importancia funcional.
Ejemplos sencillos de un conjunto de neuronas organizadas para cumplir
una función se pueden observar en el arco reflejo, que experimentamos al
retirar la mano frente a un estímulo de dolor en un dedo, o en el reflejo
rotuliano, provocado por el médico durante un examen clínico. Consiste en el
11
estiramiento brusco del tendón del músculo cuádriceps generado por un
golpe seco debajo de la rodilla. Como reacción, el músculo cuádriceps se
contrae y extiende la pierna. Esta respuesta se complementa con la
relajación de los músculos flexores ubicados en la parte posterior del
muslo. Estos reflejos son mecanismos funcionales simples del sistema
nervioso. En ellos no hay participación de la voluntad, en otras palabras, no
hay intervención del cerebro.
En la Fig. 2 se esquematizan las estructuras que se necesitan para que
haya un arco reflejo Estas estructuras son las prolongaciones de las neuronas
sensitivas que pueden localizarse en la piel, los músculos, las articulaciones o
las vísceras. Las neuronas sensitivas o aferentes se ubican en los ganglios
sensitivos del SNP, desde donde parten los axones que entran en el SNC y
establecen contactos sinápticos con las neuronas intercalares. Estas, a su vez,
establecen contactos sinápticos con neuronas motoras o eferentes, cuyos
axones emergen del SNC y establecen sinapsis con células musculares o con
otros órganos efectores. Para realizar esta tarea el sistema nervioso utiliza
señales eléctricas y señales químicas. Estos dos tipos de señales son
universales y son la base del funcionamiento del sistema nervioso de
vertebrados e invertebrados. Se hallan en todos los niveles del sistema
nervioso y en todas las especies que posean un sistema nervioso, aun cuando
este sea rudimentario o primitivo.
Las señales eléctricas, también conocidas como impulsos nerviosos o
potenciales de acción, permiten generar un código basado en el número,
frecuencia y distribución de las señales individuales. Los impulsos se
propagan fielmente por decenas de metros y a velocidades de hasta 100
metros por segundo (360 km por hora), a lo largo de una prolongación
neuronal. Como en el SNC las distancias son de milímetros o centímetros, las
señales eléctricas llegan de un punto a otro de la neurona en milésimas de
segundos. Las señales químicas, por el contrario, son más lentas, locales y
están dirigidas –fundamentalmente– a comunicar las neuronas entre sí en el
nivel de la sinapsis.
Si bien el sistema nervioso de un ser humano está formado por miles de
millones de neuronas que se comunican entre sí por numerosos contactos
sinápticos, los fenómenos básicos de comunicación neuronal se pueden
analizar tomando un modelo mucho más sencillo, como el representado en
la Fig. 2.
12
Médula
espinal
1
Neurona
sensorial
2
Asta dorsal
3
Receptores cutáneos
Neurona
intercalar
4
Asta
ventral
Neurona
motora
5
6
Músculo
7
Figura 2: Esquema de un arco reflejo simple. Los números impares
indican que, en ese punto del arco, la información se expresa como una
señal eléctrica, mientras que los pares indican que se expresa como una
señal química.
En el circuito del esquema, un estímulo térmico o mecánico genera un
fenómeno eléctrico en una de las prolongaciones de la neurona. Esta señal
eléctrica (1) se propaga a lo largo de toda la neurona y, en el extremo
opuesto, libera una sustancia química o neurotransmisor (2). Por su parte, las
neuronas receptoras de neurotransmisor generan una señal eléctrica (3) que
también se propaga a lo largo de las ramificaciones y se contacta con las
neuronas motoras, enviándoles señales químicas excitatorias o inhibitorias
(4). Estas se traducen en señales eléctricas en la neurona motora (5), cuyo
axón sale del SNC y, junto con los axones de otras neuronas, forman un
nervio periférico. Los axones motores del nervio periférico se ramifican
dentro del músculo; cada uno de ellos establece una sinapsis neuromuscular
similar a las sinapsis entre neuronas, pero mucho más grande (6). En ella, al
igual que en las anteriores, se libera una sustancia química. El estímulo
químico que recibe el músculo desencadena en cada fibra muscular una
nueva señal eléctrica (7) que, luego de propagarse a lo largo de la misma
13
induce la contracción muscular. En este último paso del arco reflejo, la
energía química se traduce en energía mecánica.
Este mismo circuito podría hacerse infinitamente más complejo, si
agregáramos millones de neuronas en el camino. Básicamente, deberíamos
multiplicar las neuronas que generan señales eléctricas, que dan origen a
señales químicas que, a su vez, originan señales eléctricas; y así,
sucesivamente. En un final aparente de este ciclo, una señal eléctrica genera
una señal química que excita al músculo y así se produce una actividad
mecánica. Sin embargo, el ciclo no termina, ya que la propia contracción
muscular genera nuevas señales que vuelven al circuito. Por lo tanto, el
comienzo y el fin de este proceso son puntos arbitrarios, que establecemos
artificialmente a fin de dividirlo y hacerlo asequible, tanto desde lo
experimental como desde lo didáctico.
En los capítulos que siguen, analizaremos la génesis de las señales
eléctricas y químicas desde un punto de vista cualitativo. Asimismo,
incluiremos en los recuadros información complementaria, que explique
ciertos conceptos del texto principal o los relacione con la historia de las
investigaciones neurobiológicas. La presente obra tiene como objetivo, por
tanto, aclarar los mecanismos involucrados en la comunicación neuronal y
neuromuscular; de ninguna manera pretende ser un exhaustivo y completo
texto de neurobiología molecular y celular.
Recuadro 1: De la teoría neuronal de Golgi y Ramón y Cajal
a De Robertis
La teoría celular, desarrollada a mediados del siglo XIX, establece que
todos los organismos están compuestos por estructuras individuales, las
células. Sin embargo, las dificultades para estudiar las propiedades
microscópicas del sistema nervioso impidieron aplicar esta teoría a la
neurona. Hacia 1880, el científico italiano Camilo Golgi (1843-1926)
postuló que los axones de una neurona se fusionaban con otros axones y
formaban un retículo ininterrumpido. Por su parte, Santiago Ramón y
Cajal (1852-1934), fundador de la neurociencia contemporánea, utilizó
las técnicas histológicas desarrolladas por Golgi pero concluyó lo
opuesto. Desafió la concepción reticular y presentó la doctrina neuronal,
que aplica la teoría celular al sistema nervioso y establece que cada
neurona es una entidad individual que se contacta pero no se fusiona con
14
las otras. Ramón y Cajal propuso que entre las neuronas existe contacto
pero no continuidad.
El debate entre ambas teorías se extendió por varias décadas y enemistó
fuertemente a sus respectivos defensores, aunque ambos recibieron el
Premio Nobel en 1906.
En suma, las pruebas a favor de la doctrina neuronal se fueron
acumulando pero el tema se resolvió recién en los años cincuenta del
siglo pasado, con el desarrollo de la microscopía electrónica, que permite
ver como separados objetos que sólo se distancian en una fracción de
micrón. Esta técnica fue la utilizada por el neurocientífico rioplatense
Eduardo De Robertis (1913-1988) para confirmar que, en la mayoría de
las sinapsis, las neuronas se contactan pero no se fusionan, confirmando
de esta manera los postulados de Ramón y Cajal.
15
2. Las células, pequeñas baterías eléctricas
El lenguaje singular del sistema nervioso está basado en la electricidad
generada por las células. Este fenómeno, conocido como bioelectricidad, fue
reconocido hace aproximadamente 200 años, luego de una histórica disputa
científica entre Luigi Galvani (1737-1798) y Alessandro Volta (1745-1827).
La controversia se desarrolló en torno al estudio de la contracción de los
músculos de la pata de la rana que generó las bases para la invención de la
pila eléctrica (recuadro 2).
Cada célula está separada de su medio ambiente por una película muy fina, la
membrana plasmática. Esta membrana, de aproximadamente 0,000001
centímetros de espesor, está formada por gran cantidad de moléculas de
lípidos dispuestas en una doble capa (bicapa), en la cual navegan o están
ancladas las proteínas (Fig. 1).
Molécula
proteica
Carbohidrato
Exterior celular
Molécula
proteica
Bicapa de
lípidos
Proteína
canal
BICAPA
LIPIDICA
Interior celular
Figura 1: Esquema de una membrana celular, formada por una bicapa de
lípidos con proteínas. Algunas proteínas atraviesan la capa lipídica y son
canales iónicos.
16
La bicapa de lípidos es permeable a ciertos gases y a ciertas moléculas
pequeñas no cargadas. Es ligeramente permeable al agua y esencialmente
impermeable a la mayoría de moléculas solubles en agua, como los azúcares
e iones, como el sodio (Na+), potasio (K+) o cloro (Cl-). Por lo tanto, la
membrana plasmática retiene dentro de la célula componentes vitales tales
como aminoácidos, azúcares e iones. Por la misma razón que evita la
salida de estas moléculas, también impide el ingreso de ellas al
citoplasma celular. Dadas estas propiedades, es necesario que exista una
vía de comunicación del interior celular al medio externo, así como vías
de comunicación entre todos los compartimentos internos de la célula
separados por membranas bilipídicas. Estas vías de comunicación están
establecidas por las proteínas contenidas en la membrana plasmática. Estas
forman complejos transportadores que permiten que algunas sustancias
atraviesen la membrana, sin interaccionar directamente con los lípidos.
Las proteínas de las membranas transportadoras son en general de tres
tipos (Fig. 2): las bombas, que atrapan una molécula y la trasladan gastando
energía (ATP); los transportadores, que al igual que las bombas trasladan
moléculas, pero sin gasto de energía, ya que la molécula transportada tiene
energía potencial para su traslado (gradiente de concentración) y los canales
iónicos, que como su nombre lo indica, son proteínas que generan un canal
acuoso por donde difunden los iones.
Iones
Difusión simple
con canal abierto
transporte pasivo
-sin gasto
de energía-
transporte activo
-con gasto de
energía-
Figura 2. Distintos tipos de mecanismos de transporte de iones a través de la
membrana celular. Fuente: Alberts y col.: Molecular Biology of the Cell,
Nueva York, Garland Publishing, 1994. (modificada).
Existe un gran número de procesos fisiológicos celulares basados en la
difusión pasiva de los iones, desde la conducción nerviosa hasta la
fertilización del huevo por el espermatozoide.
17
Los canales iónicos transportan agua y tipos específicos de iones a favor
de su gradiente de concentración; de esta forma, permiten el movimiento de
numerosas moléculas a gran velocidad. Por tanto, los canales iónicos juegan
un papel fundamental en el funcionamiento de las células excitables y en la
transmisión de impulsos nerviosos.
Debido al desigual reparto de cargas eléctricas entre su superficie interior
y exterior, la membrana plasmática está polarizada. La desigualdad de cargas
es mínima, si se compara con el total de iones cargados que existe en el
interior celular: es del orden de 1 por millón. Sin embargo, esta pequeña
diferencia de cargas crea una diferencia de potencial que en el exterior es
positivo con respecto al interior. Este potencial se encuentra presente en todo
tipo de células, pero ha sido estudiado con mayor detalle en células
excitables, como las fibras musculares y las neuronas, donde adquieren una
importancia fisiológica comprobada.
Como dijimos, la polarización de la membrana tiene su origen en una
distribución desigual de iones entre el interior y exterior celular, que surge, a
su vez, de la existencia de moléculas cargadas dentro de la célula que son
impermeables.
En el líquido intersticial exterior, el anión (ion con carga eléctrica
negativa) más abundante es el de Cl-. En el interior de la célula, el
citoplasma, los aniones más abundantes son las proteínas, que son
impermeables y que al pH celular se ionizan negativamente (A-). El catión
(ion con carga eléctrica positiva) más abundante en el líquido intersticial es el
Na+ y, en el citoplasma, el K+ (Fig. 3).
El desequilibrio iónico que produce la polarización de la membrana se
debe a los distintos grados de permeabilidad que ofrece la membrana a cada
uno de los iones. El ion de potasio atraviesa la membrana fácilmente; la
permeabilidad para el sodio es menor y, además, es expulsado por medio de
un transportador con gasto de energía, la bomba de Na+/K+. Esta dinámica
establece una diferencia de potencial que, en las células nerviosas y
musculares en condiciones de reposo, es de unos –60 a –90 mV. Todas las
células poseen un potencial de membrana, ya sean del reino animal o vegetal,
pero este resulta, en general, mucho más bajo que el registrado en las células
excitables: es del orden de los –20 mV.
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Medio
extracelular
Na+ 120 mM.
K+ 4 mM .
Cl- 120 mM.
Citoplasma
Na+ 10 Mm.
K+ 140 mM.
Cl- 3.5 mM.
Proteínas A+
+
-
- -70 mV
+
Figura 3: Concentración iónica en el interior y exterior de una neurona o
una fibra muscular.
2.1 Potencial de membrana
A fin de comprender de qué manera los iones generan el potencial de
membrana, debemos definir claramente las fuerzas que mueven los iones a
través de ella. La velocidad y extensión del transporte iónico a través de las
membranas resulta influida por:
1. la concentración de iones a ambos lados de la membrana;
2. el potencial eléctrico que existe a través de la membrana;
3. la permeabilidad o conductancia de la membrana al ion en estudio.
Estas dos fuerzas, la química o gradiente de concentración, y la eléctrica o
gradiente de potencial, pueden actuar en la misma dirección y, por lo tanto,
sumarse, o actuar en dirección opuesta y, en ocasiones, cancelarse
mutuamente (Fig. 4A, B).
19
A
-
-
ClN
a
B
+
+
ClN
a
+
GRADIENTE DE CONCENTRACIÓN
GRADIENTE ELÉCTRICO
DIFUSIÓN NETA
+
ClN
a
-
ClN
a
-
GRADIENTE DE CONCENTRACIÓN
GRADIENTE ELÉCTRICO
DIFUSIÓN NETA EN EQUILIBRIO
Figura 4: Difusión del ion Na+ por gradiente electroquímico. Membrana
permeable al Na+. A. La batería genera un gradiente eléctrico, diferencia de
potencial entre las placas, que se suma al gradiente de concentración. B. La
batería con la polaridad invertida genera un gradiente eléctrico que
contrarresta el gradiente de concentración.
Así, en casi todas las células, la concentración citosólica de K+ es
mucho más alta que la de Na+. Por ejemplo, la concentración de K+ es 2040 veces menor en sangre que en el interior celular. Por otro lado, la
concentración de Ca2+ es mucho menor en el interior celular que en el
medio extracelular (Fig. 7). Las bombas iónicas, fundamentalmente la de
Na+/K+, son las que generan y mantienen este gradiente de concentración
iónica consumiendo ATP (recuadro 3).
La membrana plasmática contiene canales proteicos que permiten a los
principales iones celulares (Na+, K+, Ca2+ y Cl-) cruzar la membrana a favor
de sus respectivos gradientes.
Podríamos preguntarnos si existe alguna relación entre la diferencia de
concentración de iones y la existencia de un potencial de membrana. Tal
relación existe, y encontramos la demostración en los trabajos científicos de
la década de 1950. En ellos se tomaron como muestras músculos de rana:
después de disecarlos –sin hacerles daño– se los sumergió en una solución
con iones, similar a la del medio extracelular. Recordemos que, como los
20
iones siempre están acompañados de su contra-ion correspondiente, tanto en la
solución intracelular como en la extracelular se mantiene la electroneutralidad.
En esas condiciones se midieron los potenciales de membrana y se registraron
valores normales de -70 a -90 mV (Fig. 5 y recuadro 4).
-90 mV.
MICROELECTRODO
+
ELECTRODO DE
REFERENCIA
Na 10 mM.
+
K 140 mM.
Cl 3.5 mM.
Proteínas
+
Na 120 mM.
+
K 4 mM.
Cl 124 mM.
Figura 5: Medición del potencial de membrana con microelectrodos
intracelulares.
El siguiente paso experimental consistió en cambiar la solución externa
normal por una con alto contenido de K+, similar a la concentración intracelular.
Para ello se reemplazó el ClNa por ClK. El potencial de membrana observado
resultó cercano a 0 mV. Siguiendo con la misma línea experimental de modificar
las concentraciones iónicas, se inhibieron las bombas enfriando el músculo a 4
°C. Después de varias horas, la célula se llenó de Na+ y se vació de K+. En estas
condiciones, si la solución de incubación es la fisiológica, que tiene una alta
concentración de Na+ y baja de K+, también se registra un potencial de membrana
cercano a 0 mV, ya que no hay diferencia de concentración de iones.
Otros experimentos mostraron que es el cambio en la concentración del ion
K+ el que regula fisiológicamente el potencial de membrana. Los cambios en la
concentración del ion Na+, sin modificar el K+, no generan importantes
variaciones en el potencial de membrana. Esto se explica por la baja
permeabilidad que tiene la membrana para el Na+ y la alta que tiene para el K+, en
condiciones de reposo.
Representemos el sistema de gradiente de concentración por medio de un
sistema hidráulico, por ejemplo, dos tanques de agua comunicados por un tubo
con una exclusa. Si los dos tanques están llenos de agua hasta la misma altura y
tienen la grifería abierta, no intercambian agua. Pero si levantamos la altura de
uno de ellos, este comenzará a vaciarse y el otro a llenarse, siempre y cuando la
grifería permanezca abierta. Es decir que para que se movilicen los iones a
21
través de la membrana necesito una gradiente (más concentración de iones en
un lado que en el otro) y un camino para que circulen –canales abiertos– o lo
que llamamos fenomenológicamente permeabilidad o conductancia.
Al trasladar este concepto a las células, podemos entender por qué es posible
agregar o quitar el ion Na+ de la solución extracelular sin que se modifique en
gran manera el potencial de membrana. Es porque variamos enormemente la
concentración del ion Na+ y, –por lo tanto, el gradiente químico– pero su
permeabilidad es muy baja: por lo tanto, influye muy poco en el potencial final.
¿Cómo influye un potencial eléctrico en la difusión de los iones?
Imaginemos un ion con carga positiva pasando a lo largo de un canal que está
sometido a un campo eléctrico (positivo de un lado de la membrana y negativo
del otro). El lado positivo ejercerá una fuerza de repulsión que disminuirá,
anulará o invertirá el sentido del movimiento del ion. Si, en cambio, esta fuerza
es negativa, la fuerza eléctrica se sumará a la del gradiente de concentración.
Veamos ahora cómo surge el potencial eléctrico de la membrana.
Supongamos dos compartimentos separados por una membrana con una
distribución iónica de K+, Na+ y Cl-, similar al interior celular por un lado y
similar a su ambiente extracelular por el otro. Como dijimos, tanto en la
solución intracelular como en la extracelular se mantiene la electroneutralidad.
Cuando se genera una diferencia de potencial, las cargas “separadas” son
mínimas y están distribuidas en la superficie de la membrana.
Consideremos tres modelos experimentales representados en la Fig. 6.
I
II
III
0 mV.
A-B=- 59
A-B= 59 mV.
MODELO
Na+ 100 mM.
K+ 10 mM.
Cl- 110 mM.
A
Na+ 10 mM.
K+ 100 mM.
Cl- 110 mM.
B
IMPERMEABLE
Na+ 100 mM.
K+ 10 mM.
Cl- 110 mM.
A
Na+ 10 mM.
K+ 100 mM.
Cl- 110 mM.
B
PERMEABLE AL Na+
Na+ 100 mM.
K+ 10 mM.
Cl- 110 mM.
A
Na+ 10 mM.
K+ 100 mM.
Cl- 110 mM.
B
PERMEABLE AL K+
Figura 6: Tres situaciones experimentales que ilustran la generación de un
potencial por difusión de los iones, a través de una membrana con diferentes
permeabilidades.
22
Modelo experimental I: la membrana es impermeable a todos los iones.
No hay flujo de iones, por lo tanto, a pesar de existir una diferencia de
concentración, no se genera diferencia de potencial a lo largo de la
membrana.
Modelo experimental II: la membrana contiene canales de Na+ (es
permeable a él) pero no de Cl-. En este caso, los iones Na+ se mueven a
favor de su gradiente de concentración, pero los de Cl- no. Se produce
entonces un exceso de iones cloruro Cl- a un lado de la membrana (A) y de
Na+ del otro (B), quedando estos iones próximos a la superficie de la
membrana. Por tanto, se crea una separación de cargas a lo largo de la
membrana que se puede medir por medio de un potenciómetro como
potencial eléctrico o voltaje. La diferencia de carga aumenta hasta que el
movimiento de Na+ es inhibido por el exceso de cargas positivas
acumuladas al lado derecho de la membrana y por la atracción de los iones
Cl- que se sitúan a la izquierda. En definitiva, el propio Na+, al difundir a
favor de su gradiente, genera una diferencia de carga que lo frena y
establece el equilibrio. En esa situación, no habrá movimiento neto de Na+
y la membrana actuará guardando esa carga, como un condensador.
La magnitud en voltios del potencial de equilibrio del Na+ es de -59
mV, cuando la diferencia de concentración es de 10 veces. Este valor se
calcula tomando como base las ecuaciones que se detallan en el recuadro 5.
Modelo experimental III: es igual al modelo anterior, pero se
reemplazan los canales de Na+ por los de K+. En este caso, los iones K+ se
mueven a favor de su gradiente de concentración, del compartimiento de
mayor concentración al de menor concentración. Dado que la concentración
de K+ es mayor en el compartimiento contrario al del Na+, el potencial de
membrana generado es igual, pero de signo contrario, al del experimento II.
El potencial de equilibrio resultante es de 59 mV.
Hemos dicho que el potencial de membrana es negativo en el interior
celular, respecto del exterior. Esto surge, fundamentalmente, a partir de dos
fenómenos: a) la cantidad de canales de K+ abiertos en forma permanente
que tienen las membranas, muy superior a los de Na+ o Ca2+, y b) la
distribución desigual de iones que surge de la existencia de aniones
impermeables en el interior de la célula. Estos dos factores provocan un
movimiento de iones K+ a través de la membrana, desde dentro hacia
afuera, que genera un exceso de cargas negativas en el interior y un exceso
de positivas en el exterior. Esta circunstancia determina un potencial de
membrana negativo del interior cercano al punto de equilibrio, en el que la
fuerza de difusión es contrarrestada por el potencial generado. Este
23
potencial de membrana es relativamente estable y contrasta con los cambios
repentinos que ocurren en las células excitables durante su actividad, por
ello se le llama potencial de reposo.
En las neuronas y en las fibras musculares, el potencial de equilibrio para
el K+ es mucho más negativo (-75 a -90 mV) que en los ejemplos
experimentales mencionados más arriba (-59 mV). Esto se debe a que la
diferencia de concentración para el ion K+ elegida en los ejemplos era de 10
veces, mientras que, en las condiciones fisiológicas la diferencia resulta de
aproximadamente 17 veces. Dado que la permeabilidad de la membrana al K+
es muy alta y muy baja para el Na+, el potencial de membrana está muy cerca
del valor de equilibrio para el K+ (Fig. 7). Por lo tanto, es muy poco el K+ que
se pierde hacia el exterior celular y muy poco el Na+ que se gana en el
interior celular. Estas pérdidas son compensadas por la bomba de Na+ y K+,
que con su constante bombeo mantiene la diferencia de concentraciones.
En definitiva, la presencia de aniones impermeables y la de las bombas
de Na/K permite generar y mantener una diferencia en la concentración
iónica. Cada ion tenderá, entonces, a imponer su potencial de equilibrio
como potencial de membrana. La dominancia de un ion respecto del otro
dependerá de la permeabilidad relativa de los mismos (recuadro 5).
24
Músculo esquelético
ENa = + 64.8 mV
Na+
120 mM.
4 mM.
10 mM.
140 mM.
0.0002 mM
Ca++
K+
2 mM
3.5 mM.
Cl-
EK = - 92.6 mV
Vm = -72 mV
120 mM.
ECa= < +120 mV
ECl = - 88.6 mV
Gradiente eléctrico
Gradiente de concentración
Figura 7: Distribución iónica y potencial de equilibrio para distintos iones
en músculo esquelético. Se indican las diferentes concentraciones para el
Na+, K+, Cl- y Ca2+ y sus respectivos potenciales de equilibrio ENa, EK, ECl y
ECa. La permeabilidad al Ca2+ es extremadamente baja y no contribuye a
generar el potencial de membrana. El potencial de membrana resultante se
calcula sobre la base de una relación de permeabilidad al K+ 30 veces
mayor que la del Na+.
Recuadro 2. La bioelectricidad: de la contracción del músculo
de la rana a la pila eléctrica
Luigi Galvani y Alessandro Volta fueron dos importantes físicos italianos
de fines del siglo XVIII que contribuyeron de manera significativa al
entendimiento de los fenómenos eléctricos. Galvani mostró que la
electricidad producida por una máquina eléctrica estimulaba los músculos
de la pata de la rana. Además, observó que los músculos también se
25
contraían, sin estímulo externo, cuando se los colgaba de un gancho de
bronce de la reja de hierro de su jardín. Estas observaciones lo llevaron a
postular que los tejidos musculares tenían capacidad de almacenar cargas
eléctricas y que respondían a las mismas. En la vereda opuesta, Volta
desestimaba las ideas de Galvani y planteaba que todos los fenómenos
observados podrían ser explicados como resultado de la energía eléctrica
generada entre dos metales disímiles, como los utilizados en el trabajo
experimental de Galvani. Para Volta, el origen de la electricidad estaba en
la unión de los metales, es decir, en el gancho de bronce sujeto al hierro,
así supuso que cada metal posee una cantidad característica de
electricidad y concluyó que, si un material orgánico humedecido se pone
en contacto entre dos metales diferentes, al cerrar el circuito fluirá una
corriente eléctrica que estimulará el músculo enganchado entre ambos
metales. Este principio básico es el que Volta utilizó para crear la pila,
que consistía en una torre de discos de cobre y zinc separados entre sí por
telas humedecidas con una solución salina. Los discos de cada extremo de
la serie se conectaban a sendos alambres, que permitían la circulación
ininterrumpida de la corriente eléctrica. La historia de la disputa entre
Galvani y Volta es una muestra ejemplar de cómo una investigación
básica, irrelevante en apariencia, puede dar origen a uno de los avances
tecnológicos más importantes en la historia de la humanidad. Aunque
Volta resultó inicialmente triunfador, años más tarde se comprobó que
ambos tenían razón. Los músculos se contraen por la aplicación de una
corriente eléctrica externa que actúa sobre la bioelectricidad intrínseca del
nervio y el músculo.
Recuadro 3: Mantenimiento del gradiente iónico
En el texto principal hemos desarrollado la idea de la existencia de
gradientes de concentración. Estos gradientes químicos no están
perfectamente compensados por las diferencias eléctricas. Por lo tanto, el
sistema no está en equilibrio y lentamente los gradientes se disipan. Las
bombas, en particular la de Na+ y K+, tienen la función de restituir con
gasto de energía las pérdidas del K+ y la ganancia de Na+ de las células.
Otras bombas transportan el Ca2+ o intercambian el Ca2+ por Na+ y,
finalmente, este último es intercambiado por K+.
Las bombas son proteínas de membrana con actividad enzimática,
formadas por 10 segmentos intramembranales y largas asas de proteína en
26
el interior celular. Hidrolizan el ATP y utilizan la energía liberada para
trasladar los iones Na+ pegados a la molécula hacia el interior y los de K+
unidos, hacia el exterior.
Por otro lado, la relación no es simétrica, ya que se mostró que existen
tres sitios para el Na+ y dos para el K+. Por lo tanto, la bomba genera una
pequeña diferencia de potencial al mover acoplados 2 iones K+ al interior
y sacar 3 de Na+ al exterior. Estas bombas se denominan electrogénitas:
su función fundamental es mantener el gradiente iónico que, al difundir,
genera el potencial de membrana.
Recuadro 4: Medición del potencial eléctrico de membrana
Para medir el potencial entre dos puntos, basta con conectarlos a un
voltímetro mediante un elemento conductor de la electricidad. Lo
podríamos hacer con un “tester digital”, fácil de conseguir. Para
comenzar, se sumerge uno de los polos en el medio extracelular y el otro
en el intracelular. Para este último paso, se requiere un electrodo muy fino
o microelectrodo, que se construye calentando y estirando un tubo de
vidrio hasta obtener una punta menor de 1 micrón de diámetro con un
orificio. Seguidamente, se llena el interior del microelectrodo con cloruro
de potasio (ClK) altamente concentrado, que convierte al microelectrodo
en un elemento conductor, y este se conecta al voltímetro mediante un
cable eléctrico que se introduce en la parte gruesa de la micropipeta.
Cuando ambos electrodos se encuentran en el medio extracelular, se
registra una diferencia de potencial originada por el contacto entre
metales disímiles, que se cancela llevando el voltímetro a 0 mV. Mediante
delicados manipuladores, se inserta la punta del microelectrodo
atravesando –es decir, dañando– la membrana plasmática, con lo que se
establece una continuidad eléctrica entre el interior celular, el ClK de la
micropipeta y el voltímetro. El voltímetro marcará la diferencia de
potencial en relación al electrodo externo.
Recuadro 5: Ecuación de Nernst
Si se conoce la carga eléctrica del ion y la diferencia de concentración a través
de la membrana, es posible calcular el valor exacto del potencial de
27
equilibrio, usando una ecuación derivada de las leyes de la fisicoquímica
conocida como ecuación de Nernst. Esta ecuación toma en consideración la
carga del ion, la temperatura y la relación entre las concentraciones iónicas,
tal que:
E ion
=
2.3
RT
(ion)o
log
zF
(ion)i
En la ecuación, E (ion) es el potencial de equilibrio para un ion
determinado, R la constante de los gases, T la temperatura absoluta, z la
carga del ion, F la constante de Faraday, log. el logaritmo en base 10,
[ion]o concentración externa e [ion]i la concentración interna del ion.
¿Qué significa esta ecuación? Establece una relación entre la fuerza de
difusión a la derecha y la eléctrica a la izquierda. Cuando la temperatura
(T) aumenta, el movimiento molecular es más intenso y aumenta la fuerza
de difusión, por lo tanto, se necesita más potencial para compensarla. Por
ello, T es proporcional a E (ion). Si aumentáramos la carga del ion que
difunde, necesitaríamos menos potencial para compensar la difusión, por
lo que z resulta inversamente proporcional a E (ion). R y F son constantes
que no se modifican.
A temperatura ambiente (23 oC) la ecuación de Nernst para el Na+, K+, Clo Ca2+ se escribe
EK
=
E Na
=
E Cl
=
E Ca
=
( K )o
( K )i
( Na )o
58mV log
( Na )i
(Cl )o
− 58mV log
(Cl )i
(Ca )o
29mV log
(Ca )i
58mV log
Con sólo conocer las relaciones de concentraciones, podemos obtener el
valor de potencial de equilibrio.
Si consideramos la relación entre [K+]o /[K+]i de 1/20, el logaritmo de
1/20 es -1.3, por lo tanto
E K = 58 x -1.3= -75.4mV
28
Nótese que no hay en la ecuación ningún término referido a la
permeabilidad o conductancia iónica del ion involucrado.
Si ahora consideramos a los iones en su conjunto debemos asignarle a
cada uno una permeabilidad o conductancia. No es necesario un valor
absoluto de permeabilidad sólo basta con darle un valor relativo respecto
de la permeabilidad de los otros iones. Por ejemplo la permeabilidad al K+
(Pk) es 30 veces mayor que la del Na+(Pna). En este caso el potencial de
membrana esta dado por la ecuación de Goldman que es una derivación
de la ecuación de Nernst.
Potencial de membrana Vm= 58mV log Pk ( K )o + Pna ( Na )o
Pk ( K )i + Pna ( Na )i
Vm= 58mV log 30(4) + 1(120)
30(140) + 1(10)
Vm= 58mV log 240 = -72.2 mV.
4210
29
3. Generación y propagación de señales
en las células excitables. El potencial
de acción
Las células excitables, como las neuronas y las fibras musculares, son así
denominadas por ser eléctricamente activas. Sufren cambios repentinos por la
permeabilidad de la membrana a algún ion: esto altera el potencial de
membrana, alejándolo de forma momentánea del valor del potencial de
reposo. A esta rápida alteración del potencial de membrana se la denomina
potencial de acción o impulso nervioso. Su forma, duración y amplitud varía
de neurona en neurona, como se muestra en la Fig. 1:
20
mV
2 mseg.
50 mseg.
200 mseg.
Figura 1: De izquierda a derecha se muestran ejemplos de potenciales de
acción del axón gigante de calamar, de la neurona talámica y de la neurona
de Purkinje, del cerebelo.
Una neurona con un potencial estable cercano a los –70 mV indica que
está en reposo. El potencial de acción es una explosión de actividad eléctrica;
por unos pocos milisegundos, el potencial de membrana pasa de su valor
negativo a un valor positivo de aproximadamente +40 mV. Para que esto se
produzca, el estímulo que desencadene este cambio debe afectar el potencial
de reposo.
30
POTENCIAL DE ACCIÓN
0 mV.
mV.
-55
-70
UMBRAL
POTENCIAL DE REPOSO
CORRIENTE INYECTADA
a
b
c
Figura 2: Registro de la actividad eléctrica pasiva y activa en una neurona.
El microelectrodo de la izquierda inyecta corriente y el de la derecha
registra el cambio de voltaje. La corriente inyectada en a y b sólo produce
cambios subumbrales. La corriente inyectada en c lleva pasivamente la
membrana al valor umbral, a partir del cual se genera el fenómeno activo
del potencial de acción.
En la Fig. 2 se muestra un experimento, en el que el cambio inicial del
potencial de membrana es generado de manera artificial, al inyectar una
corriente eléctrica desde una batería o estimulador externo. Si la corriente es
negativa, la neurona se hiperpolariza (Fig. 2 a); si es positiva, se despolariza
(Fig. 2 b, c). Cuando la despolarización alcanza cerca de -55 mV, la neurona
bruscamente lanza un potencial de acción (Fig. 2 c). Si la neurona no alcanza
este umbral crítico, no se producirá el potencial de acción. Una vez que la
despolarización lleve el potencial de membrana al valor umbral, se generará un
potencial de acción que siempre alcanzará en el mismo valor positivo. En una
misma neurona, todos los potenciales de acción son muy similares en amplitud.
Por lo tanto, la neurona o no alcanza el umbral, en cuyo caso la despolarización
subumbral desaparece, o se produce un potencial de acción completo.
En el descubrimiento y estudio de la naturaleza del potencial de acción,
los axones gigantes del calamar han jugado un papel histórico, ya que por su
considerable tamaño (diámetro 0.2-1 mm.; 5-10 cm. largo) permiten insertar
electrodos con facilidad en el interior celular y modificar con gran facilidad
el medio intracelular.
En la Fig. 3 se observa el esquema de un experimento, en el que con
simpleza se muestra que, para generar un potencial de acción, sólo se necesita
31
una adecuada distribución de iones y la membrana excitable que los separa.
Baker y col. utilizaron un delicado rodillo para exprimir todo el contenido
citoplasmático del axón y reemplazarlo por una solución que sólo contenía
iones correspondientes al medio intracelular. Todos los elementos del
citoplasma (organelas, microtúbulos, proteínas libres, etc.) fueron eliminados.
A pesar de ello, la amplitud y forma del potencial de acción registrado antes
y después fue sorprendentemente similar.
ANTES
CITOPLASMA ELIMINADO
REEMPLAZADO POR SOLUCION SALINA
DESPUES
Figura 3: Registro del potencial de acción en un axón de calamar, antes y
después de remover el axoplasma y reemplazarlo por una solución iónica
intracelular. Baker, Hodgkin and Shaw. J.: Physiology 164:355, 1962
(modificado); Nicholls, J. y col.: From neuron to brain, Sunderland (Mass.),
Sinauer, 2001.
El potencial de acción tiene su origen en el intercambio de iones a través de
la membrana celular. Alan Hodgkin (1914-1998) y Andrew Huxley (1917-)
fueron los científicos que demostraron que el potencial de acción se debe a
cambios grandes pero transitorios de la permeabilidad de la membrana del
axón respecto a los iones Na+ y K+. Mediante el estudio del cambio de
permeabilidad de la membrana respecto de estos iones, establecieron la
existencia de dos tipos de conductos o canales que, en reposo, están
cerrados, pero, cuando la célula se despolariza, se abren como consecuencia
del cambio de entorno eléctrico. Es por ello que esos canales recibieron el
nombre de canales iónicos dependientes de voltaje.
Tomando como base la idea de los canales activados por la
despolarización, el esquema de generación del potencial de acción se inicia
con una señal eléctrica o química que lleva el potencial de membrana a un
32
valor más despolarizado, el potencial umbral, lo que inicia un ciclo de
retroalimentación positiva (ciclo superior de la Fig. 4):
+ 40mV
APERTURA
DE LOS
CANALES
DE SODIO
AUMENTA
LA
CORRIENTE
DE SODIO
CICLO
POSITIVO
RÁPIDO
DESPOLARIZACIÓN
HIPERPOLARIZACIÓN
CICLO
NEGATIVO
LENTO
AUMENTA
LA
CORRIENTE
DE POTASIO
APERTURA
DE LOS
CANALES
DE
POTASIO
POTENCIAL DE
REPOSO
- 70mV
INICIO
ACTIVACIÓN
DE LOS
CANALES DE Kr
ESTÍMULO
DEPOLARIZANTE
ACTIVA CANALES DE Na
ACTIVACIÓN TOTAL
DE LOS
CANALES DE Kr
CIERRE DE LOS
DE LOS
CANALES DE Kr
INICIO ACTIVACIÓN
REGENERATIVA
DE LOS CANALES DE Na
Tiempo en milisegundos
Figura 4: Izquierda: representación de los ciclos de retroalimentación positiva y
negativa que subyacen a la generación del potencial de acción. Derecha:
distintas fases del potencial de acción y los mecanismos que las generan.
1 La despolarización inicial generada por un agente estimulante cambia la
conductancia de la membrana para el Na+ y activa canales para el Na+.
2 Los iones Na+ fluyen a través de la membrana al interior celular, a favor
de un fuerte gradiente electroquímico. Esta entrada de iones Na+
despolariza más la membrana y se abren más canales para Na+.
3 Se repiten los pasos 1 y 2; dan como resultado un cambio muy rápido del
potencial de membrana desde -55, el valor umbral, a +40 mV en 1
milisegundo.
4 La despolarización de la membrana también activa, pero más lentamente,
canales de K+. Dada la lentitud de su activación, se los conoce como
canales de K+ retardados. Se genera aquí una retroalimentación negativa
(ciclo inferior de la Fig. 4). Los iones K+ fluyen al exterior y en 2 mseg. el
potencial de membrana vuelve a tener un valor negativo, -75 mV. Este
potencial negativo cierra los canales de K+. En pocos milisegundos, se
restablece el potencial de reposo.
33
5 La despolarización de la membrana también se ve favorecida por el cierre
espontáneo de los canales de Na+, fenómeno llamado inactivación (ver
capítulo 3, Fig. 2).
El proceso recién descrito comienza en el potencial umbral. En este
potencial, la despolarización de la membrana ha activado suficientes canales de
Na+ como para que la corriente de Na+ despolarizante sea levemente mayor que
la corriente de K+ que fluye por los canales para este ion en la célula en reposo
y que tienden a mantener a la célula en el potencial de reposo.
Durante todo este proceso, sólo una pequeña proporción de iones Na+ y
+
K fluye a través de la membrana. Por lo tanto, el potencial de acción es una
forma muy eficaz para enviar señales a grandes distancias con un mínimo de
consumo del gradiente iónico existente.
Una demostración de este proceso es que, con la bomba de Na+ y K+
bloqueada, es posible estimular un axón gigante de calamar miles de veces
hasta observar un cambio en la concentración iónica.
Durante 30 años, los electrofisiólogos midieron cambios de permeabilidad,
conductancias y corrientes de iones e infirieron, a partir de estos registros, la
existencia de canales y su comportamiento. Finalmente, las predicciones
postuladas inicialmente por Hodgkin y Huxley –Premios Nobel 1952–,
fueron avaladas por Erwin Neher (1944-) y Bert Sakmann (1942-), Premios
Nobel 1991, quienes registraron la actividad eléctrica de un solo canal aislado
mediante una técnica conocida como patch clamp, que revolucionó la
fisiología y la biofísica de los últimos 20 años.
34
4. Los canales iónicos y su modulación
por el voltaje
Los canales iónicos son proteínas estructurales de las membranas
biológicas que están ampliamente distribuidas en el mundo biológico y se
encuentran en todas las membranas celulares. Son las puertas de
comunicación entre el medio intracelular y el extracelular. Los más
relevantes para la generación de señales en el sistema nervioso son los
canales con selectividad, pero no exclusividad, para el paso de un tipo de ion,
como los de Na+, K+, Ca2+, etc. Los canales de K+ del nervio, por ejemplo,
dejan pasar el ion K+ de una manera cien veces más eficiente que el ion Na+,
propiedad que se conoce como selectividad iónica. Sin embargo, no debemos
considerar a los canales como simples poros acuosos selectivos y estáticos
que transportan iones a enormes velocidades (100 millones de iones por
segundo): algunos se abren y cierran continuamente en forma aleatoria; otros
se abren o cierran por la acción de estímulos específicos como el voltaje. De
ellos hemos hablado en este capítulo y, en el capítulo VII, nos referiremos a
los canales que se activan por la unión de ligandos o neurotransmisores.
Los canales iónicos capaces de captar estímulos del medio ambiente se
encuentran cerrados la mayor parte del tiempo y, por lo tanto, impermeables
a los iones. Cuando el estímulo se hace presente, la proteína sufre un cambio
estructural que da como resultado un aumento en la probabilidad del canal de
pasar al estado abierto, estado que permite el pasaje de los iones.
La probabilidad de apertura de los canales puede incrementarse de
manera sustancial debido a:
1 cambios en el potencial de membrana (denominados canales iónicos
sensibles a voltaje);
2 unión de moléculas (neurotransmisores) a sitios específicos (denominados
canales activados por ligandos);
3 estímulos físicos como la presión o la temperatura (denominados mecano
o termo receptores).
35
Cuando un canal iónico se abre, los iones permeantes son capaces de
moverse a través de él, impulsados por la suma del gradiente químico y el
campo eléctrico que experimenta el ion, el gradiente electroquímico.
4.1 Registro de canales únicos en parches de membrana (patch
clamp)
La mayor parte de nuestro conocimiento actual sobre el funcionamiento
de los canales iónicos procede del desarrollo de la técnica de pinzamiento o
fijación del voltaje en parches de membrana –en inglés, patch-clamp–,
introducida en 1976 por Neher y Sakmann (recuadro 7). Esta técnica permite
el registro de las corrientes iónicas a través de zonas minúsculas de
membranas celulares. La técnica consiste, esencialmente, en presionar la
punta de una micropipeta de vidrio contra la superficie de la membrana con
ayuda de un microscopio y un micromanipulador, hasta que se forme un
contacto muy estrecho entre el vidrio y la membrana plasmática. El estrecho
contacto impide que la corriente de iones que fluye por un canal se escape
por fuera de la pipeta. El interior de la pipeta está conectado con un
amplificador que registra los cambios en la corriente de iones que surgen de
la apertura y cierre de los canales. Es decir, nos permite ver la expresión
funcional del movimiento de una proteína (Fig. 1).
36
ELECTRODO
PIPETA VIDRIO
A
B
CANAL IONICO
MEMBRANA
CELULAR
C
MEMBRANA
CELULAR
DESGARRADA
CORRIENTE Im [pA]
CERRADO
0
-1
-2
-3
ABIERTO
-4
0
20
40
60
80
100
120
Tiempo
Figura 1: Esquema de la técnica de patch clamp. A: aplicada a una célula
entera, B: aplicada a un parche de membrana separada de la célula. La cara
interior de la membrana está expuesta al baño, C: Registro de la corriente
que fluye por el canal, cuando este pasa del estado cerrado al abierto.
Nótese que la duración del estado abierto varía, pero la amplitud no.
4.2 Canales iónicos sensibles a voltaje y excitabilidad celular
Los canales sensibles a voltaje pueden asumir tres estados
conformacionales, que son: abierto o activo, inactivo y cerrado (Fig. 2A). En
el estado activo, el canal se abre y cierra repetidamente mientras dure el
estimulo que lo activó, en este caso la despolarización de la membrana. El
estado inactivado es el de un canal que se activó por el cambio de potencial
de la membrana y que, aún en presencia del estímulo deja de pasar corriente
dado que una compuerta se introduce en el canal y lo bloquea (inactiva). Hay
evidencias de que un segmento intracelular de la misma proteína es la que
bloquea el canal. Para que el canal pueda ser activado nuevamente, debe
primero cerrarse. Para ello, la membrana debe volver a su potencial original.
37
La activación e inactivación de los canales de Na+ y la activación de los
canales de K+ son la base del potencial de acción.
A
B
DESPOLARIZACIÓN
DESPOLARIZACIÓN
a
POTENCIAL
DE MEMBRANA
b
EXTERIOR
c
INTERIOR
CERRADO
ABIERTO
INACTIVO
CERRADO
Y
ACTIVABLE
Figura 2: A. Esquema del funcionamiento del canal Na+. Nótese que el canal
tiene dos compuertas. Una es la responsable de la apertura y cierre del
canal. La otra, de la inactivación. B. Registros unitarios y ensamble de la
corriente de Na+. En (a) se muestra la aplicación del estímulo
despolarizante. En (b) aparecen diez registros de canal único, obtenidos por
sucesivas estimulaciones. En (c) se muestra la sumatoria de la actividad
registrada en (b). Puede notarse que el canal se activa inmediatamente
después de que se aplica la despolarización pero sólo se activa una vez, pues
pasa rápidamente al estado inactivo. B: Modificado de Benzanilla and
Correa, 1995.
Veamos ahora cómo se comporta un canal aislado de Na+ o de K+,
analizado mediante la técnica de patch clamp. Podremos luego multiplicar
este comportamiento por el número de canales que tiene la membrana en
estudio y reconstruir la corriente iónica total de la membrana. Finalmente,
podremos estudiar las poblaciones de canales funcionando en conjunto y, de
allí, derivar los cambios de potencial de la célula. Este análisis debe
permitirnos reconstruir el potencial de acción.
38
Tomemos una membrana plasmática neuronal con un solo canal de Na+
en el área de registro de una pipeta de patch clamp. El potencial de
membrana es establecido en su valor de reposo por un sistema electrónico,
por lo tanto, no se observan corrientes ionicas en el registro. Si mediante un
sistema electrónico se despolariza la membrana, se registran en forma
inmediata corrientes iónicas correspondientes a la apertura y cierre del canal.
En la Fig. 2B, este procedimiento se repite diez veces. Se puede observar que
el canal se abre y cierra con gran frecuencia durante los primeros
milisegundos y, luego, su actividad cesa, a pesar de que la membrana se
mantiene despolarizada. Es decir que el canal es sensible al voltaje, pero se
inactiva rápidamente. El registro inferior de la Fig. 2B muestra la sumatoria
de todas estas corrientes unitarias, equivalentes a la activación de diez
canales. La corriente se activa en forma transitoria y luego se inactiva.
A
B
DESPOLARIZACIÓN
DESPOLARIZACIÓN
a
POTENCIAL
DE MEMBRANA
EXTERIOR
b
INTERIOR
CERRADO
ABIERTO
CERRADO
c
Figura 3: A. Esquema del funcionamiento del canal K+. Nótese que el canal
no tiene compuerta de inactivación. B. Registros unitarios y ensamble de la
corriente de K+. En (a) se muestra la aplicación del estimulo despolarizante.
En (b) aparecen nueve registros de canal único, obtenidos por sucesivas
estimulaciones. En (c) se muestra la sumatoria de la actividad registrada en
(b). Puede notarse que el canal tarda en activarse después de la
despolarización. B: Modificado de Augustine and Benzanilla, en Hille 1992.
39
Si realizamos el mismo experimento, pero con un parche de membrana en
el que se encuentre un canal de K+, observaremos que la despolarización
genera corrientes que van en sentido inverso –recordemos la diferente
distribución iónica del ion K+. Un detalle muy importante es que los canales
no se abren inmediatamente. Hay un retardo entre el estímulo y la respuesta.
El otro detalle diferencial, respecto de los canales de Na+, es que no se
inactivan, sino que se abren y cierran todo el tiempo, siempre que la
membrana esté despolarizada (Fig. 3A, B). Cuando la membrana se
repolariza, se cierran. Los canales que tomamos como ejemplo tienen un
comportamiento similar a los del axón gigante de calamar.
4.3 Reconstrucción del potencial de acción
Apoyándonos en las propiedades emergentes del estudio de los canales
únicos, podemos reconstruir el potencial de acción. Una despolarización
inicial, que puede provenir de un fenómeno sináptico, de canales mecanoreceptores o de un estímulo eléctrico que logra llevar el potencial de
membrana a un valor más despolarizado, activa canales de Na+ que permiten
el influjo de Na+ y, a la vez, una mayor despolarización. Este fenómeno
explosivo se autoregenera y aumenta el influjo de Na+ y la despolarización.
Al mismo tiempo, los canales de Na+ comienzan a inactivarse y, mientras
esto sucede, entran en juego los canales de K+ dependientes del voltaje y de
activación retardada (Kr). El aumento del eflujo de K+ y la inactivación de
los canales de Na+ repolarizan a la membrana en su valor de reposo.
40
mV.
+40
POTENCIAL DE ACCIÓN
PERMEABILIDAD
RELATIVA AL Na+
(entrada)
0
PERMEABILIDAD
RELATIVA AL K+
(salida)
-40
-80
HIPERPOLARIZACIÓN
Artefacto
1
Estímulo aplicado
2
3
4
TIEMPO (mseg)
PERÍODO REFRACTARIO
Figura 4: Esquema del potencial de acción y las conductancias relativas que
subyacen al cambio de potencial. Se indica el período refractario.
El bloqueo producido por la inactivación del canal de Na+ desaparece,
pero no en forma inmediata. Esto implica que, durante unos milisegundos, los
canales de Na+, aun en una membrana repolarizada, no son activables. Por
tanto, después de un potencial de acción, se necesita un período de
milisegundos para poder generar uno nuevo. Ese tiempo es conocido como
período refractario. Esta propiedad de los canales de Na+ es muy importante,
ya que impide que se vuelva a generar en forma inmediata un potencial de
acción, en la misma área de membrana. Luego de un potencial de acción, los
canales de Na+ están inactivos por unos milisegundos, aun cuando sean
despolarizados. Como consecuencia de ello, el potencial de acción no puede
regresar sobre su paso y avanza en una sola dirección.
41
4.4 Estructura molecular de los canales iónicos
De lo visto hasta aquí, es posible notar que han sido biofísicos y
electrofisiólogos los que han dominado el campo de la generación de las
señales en el sistema nervioso. No obstante, más recientemente, fueron
bioquímicos y biólogos moleculares quienes han trabajado para entender las
estructuras moleculares subyacentes a estas funciones.
Una herramienta importante para el estudio bioquímico de los canales fue
el descubrimiento y la purificación de toxinas que se unen específicamente a
determinados canales (recuadro 10). Las toxinas constituyen una herramienta
biológica importante que utilizan ciertos animales con el objetivo de atrapar a
la presa, mediante la inyección de una sustancia que las paraliza muy
rápidamente. La velocidad de acción de estos venenos generó la sospecha de
que alguno de sus principios activos podría actuar sobre los canales iónicos.
A partir de esa hipótesis, se investigó la presencia de sustancias activas en los
venenos de serpientes, arácnidos y en animales cuya ingesta se reconoce
como altamente peligrosa.
Es así que fue reconocida la tetrodotoxina (recuadro 8), molécula que se
une al canal de Na+ y lo bloquea de una manera muy eficiente. Si se utiliza la
tetrodotoxina unida a una molécula radioactiva –que actúa como un
localizador del canal– se puede purificar el canal de Na+ y, a partir de allí,
conocer la secuencia de aminoácidos y armar un modelo de su conformación
tridimensional en la membrana celular.
42
B
A
Dominio I
EXTRACELULAR
II
III
IV
II
III
I
IV
COOH
NH2
S4
SUBUNIDAD
ALFA
INTRACELULAR
SUBUNIDAD BETA
Figura 5: Estructura molecular del canal de Na+. A. La subunidad alfa, con sus
cuatro dominios, forma el canal. Las subunidades beta son auxiliares.
B. Esquema de la estructura de la subunidad alfa desplegada: muestra
cada uno de sus dominios formado por seis segmentos transmembranales.
Pueden verse los sitios con carga positiva, segmento 4 (S4), que indican los
sensores de voltaje.
De acuerdo con la estructura molecular, los canales iónicos son complejos
formados por la asociación de varias proteínas llamadas subunidades. La
subunidad principal, alfa, forma el canal y en ella residen las propiedades
fundamentales como la selectividad y la sensibilidad al voltaje. La subunidad
beta es accesoria y modula la actividad de la alfa (Fig. 5). La subunidad alfa
está formada por cuatro dominios que forman el poro y el filtro de
selectividad. Los dominios tienen una estructura molecular similar, formada
por seis segmentos hidrofóbicos (S1-S6) embebidos en la membrana
plasmática. Uno de ellos, el segmento transmembranal (S4) contiene cargas
positivas que censan el voltaje de la membrana, ya que se movilizan con los
cambios de potencial e inducen la activación del canal.
Existen cientos de canales distintos con propiedades diversas, capaces de
generar corrientes iónicas de variadas cinéticas y amplitudes. Aquí hemos
descrito el canal de Na+. Los canales de K+ y Ca2+ son sus familiares directos,
si bien el canal de K+ es el más primitivo. Este conjunto de canales, ubicados
en forma estratégica en las células neuronales o musculares, permiten la
generación de una multiplicidad de señales eléctricas que participan en la
comunicación e integración de la información del sistema nervioso.
43
4.5 Canalopatías
De manera simultánea con los avances realizados en el conocimiento de
la estructura y función de las proteínas que forman los canales, la lista de
enfermedades genéticas asociadas con ellos ha crecido rápidamente. Hoy en
día, se ha descrito un número considerable de enfermedades hereditarias que
resultan del funcionamiento defectuoso de los canales iónicos. Son conocidas
en su conjunto como canalopatías. Un ejemplo de ellas lo tenemos en ciertos
síndromes febriles de los niños, acompañados de convulsiones o pérdidas de
conocimiento. Estos síndromes deben su origen a la lentificación de la
inactivación del canal de Na+, que se traduce en una mayor excitabilidad de
las neuronas.
Alteraciones en los canales de K+ producen parálisis musculares en
animales y hombres. La lista de canalopatías se extiende día a día e incluye
formas de epilepsia y migraña.
Recuadro 6: Hodking, Huxley y las corrientes iónicas en el axón
gigante de calamar
El hecho de que los cambios en la permeabilidad al Na+ generen
modificaciones en el potencial de membrana y que, a su vez, este
modifique su propia permeabilidad, representó un obstáculo en el estudio
del mecanismo de generación del potencial de acción. Sin embargo, fue
resuelto entre 1940 y 1950, con el desarrollo de una técnica que permitió
mantener constante el voltaje de la membrana. La técnica –denominada
fijación o pinzamiento de voltaje– consiste en la inyección de una
corriente igual y de sentido contrario a la generada por la célula en
estudio. Fue aplicada con éxito al estudio del potencial de acción del axón
gigante de calamar.
Mucho de lo que sabemos actualmente acerca de la transmisión del
impulso nervioso, se lo debemos a los trabajos realizados por Alan
Hodking y Andrew Huxley en Inglaterra. Estos investigadores,
trabajando justo antes y después de la Segunda Guerra Mundial,
utilizaron el calamar para sus experimentos. La gran ventaja de usar este
animal es que posee algunas neuronas de gran tamaño, que tienen
axones gigantes, visibles a simple vista (esto es, cientos de veces el
tamaño de un axón de mamífero).
44
El axón aislado fue montado por el grupo inglés en una cámara con una
solución acuosa extracelular. Dos electrodos fueron introducidos dentro
del axón: uno para medir el potencial de membrana y otro para inyectar
corriente. El electrodo que mide el potencial se conectó a un
amplificador que compara el potencial de membrana con el potencial
deseado, impuesto por el experimentador. Cuando estos dos potenciales
son diferentes, el sistema inyecta corriente por el electrodo de corriente,
hasta que el potencial de membrana y el potencial comando se
equiparan. El sistema electrónico permite medir la corriente inyectada
que se necesita para mantener el voltaje constante a cualquier potencial
(figura del recuadro).
Si se acepta que la conductancia –en este caso, sinónimo de
permeabilidad– de la membrana obedece a la ley de Ohm, que determina
que el voltaje es igual al producto de la corriente por la resistencia de la
membrana (inversa de la conductancia), se puede considerar que la
corriente iónica que fluye durante el aumento de conductancia por la
apertura de los canales de Na+ está dada por la siguiente ecuación:
Corriente ionica I ion = g ion (Vm- Eion)
Un estudio detallado de estas corrientes permitió a Hodking y Huxley
calcular cómo varían en el tiempo y a diferentes potenciales las
conductancias al Na+ y K+. Por medio de esos datos, pudieron reconstruir
matemáticamente el potencial de acción, como se esquematiza en la Fig. 4.
En la figura de este recuadro se muestra un ejemplo de la corriente de Na+
y K+, medida cuando el potencial de membrana es llevado por el comando
de -70 mV a 0 mV. Es posible notar que la corriente es muy similar a la
suma de las corrientes de las figuras 2 y 3, obtenida por el ensamble de
muchos canales a través de la técnica de patch clamp. Esta técnica utiliza
el mismo principio de fijación del voltaje pero en un área muy restringida,
lo que permite estudiar los canales de manera individual. (ver recuadro 7)
45
Figura del recuadro: Sistema electrónico para medir corrientes iónicas con la
técnica de pinzamiento del voltaje, en el axón gigante de calamar. A la
izquierda, el axón con dos electrodos conectados al sistema electrónico. El
amplificador A registra el voltaje, el B compara el voltaje de A con el potencial
“comando”, que impone el experimentador, y el C registra la corriente
inyectada por B. A la derecha, se muestra un registro de la corriente inicial de
Na+ y la corriente más tardía de K+, que se generan cuando el potencial de
membrana del axón es llevado a un valor cercano a 0mV.
Recuadro 7: Registro de los canales unitarios - Patch clamp
Por los años setenta, se buscaba una prueba directa de la existencia de los
canales voltaje dependientes en la membrana. Para ello fue concebido un
método que permite el análisis de canales iónicos en forma individual.
Este método revolucionario fue desarrollado en 1976 por Erwin Neher y
Bert Sakmann. En reconocimiento por su labor, en 1991 recibieron el
Premio Nobel de Medicina y Fisiología.
El método de patch clamp o pinzamiento de voltaje en parches de
membrana, ya explicado en el capítulo 3, permite el registro de la
corriente iónica que fluye por un solo canal. Al acercar la pipeta de vidrio
con suma delicadeza a la superficie de una neurona y succionar de manera
tal que parte de la membrana de la neurona se adhiera al vidrio, se
establece un sello de resistencia eléctrica muy elevada (109 ohms). Este
sello impide la pérdida de corriente y no deja a los iones otro camino que
el de atravesar la membrana por el canal iónico que allí se encuentre y
cerrar el circuito eléctrico a través del amplificador conectado a la pipeta
(Fig. 1A).
46
Si el electrodo es retirado de la célula, el parche de membrana se desgarra
y la superficie interna de la membrana se expone a la solución del baño
(Fig. 1B). Esta configuración es muy conveniente pues se puede
manipular la solución a ambos lados de la membrana y se puede imponer
un potencial de membrana a voluntad del experimentador utilizando las
baterías del amplificador. Así, se pueden registrar las corrientes que
fluyen a través de un canal único.
Dado que se conoce el voltaje que se impone a la membrana y se registra
la corriente que fluye por el canal, es posible aplicar la ley de Ohm para
conocer su conductancia. El tiempo durante el cual circula la corriente es
reflejo directo del tiempo en el que el canal está abierto.
Los registros de patch clamp revelan que la mayoría de los canales varían
entre dos estados que pueden interpretarse como abiertos y cerrados. El
tiempo que se mantienen abiertos cambia, pero la conductancia de un
canal único es la misma y permite el pasaje de más de 1 millón de iones
por segundo.
Recuadro 8: Toxinas y canales
Dada la importancia que tienen los canales de Na+ y K+ para la excitación
neuronal, no es sorprendente que un número de organismos vivos haya
desarrollado toxinas específicas para los canales, como mecanismos de
defensa o para capturar a la presa. Una rica colección de toxinas naturales
hace blanco selectivo en los canales iónicos de neuronas y otras células.
Esas toxinas tienen gran valor para la supervivencia de quienes las
producen y son, además, extremadamente útiles para estudiar la función de
los canales iónicos celulares.
Una toxina muy conocida es la tetrodotoxina producida por el pez globo.
Bloquea en forma potente y específica los canales de Na+ responsables de la
generación de los potenciales de acción, paralizando a los animales que la
han ingerido. La intoxicación con tetrodotoxina es un problema de salud
pública importante en Japón, donde el fugu es una exquisitez tradicional. En
general, se prepara y se vende en restaurantes especiales, en los que
individuos entrenados y con licencia desprenden cuidadosamente las
vísceras para reducir el peligro de intoxicación.
La saxitoxina, un homólogo químico de la tetrodotoxina producido por
dinoflagelados, tiene una acción similar sobre los canales de Na+. Los
efectos potencialmente letales de la ingesta de bivalvos, que a su vez han
47
ingerido estos dinoflagelados, como puede ocurrir en la llamada “marea
roja”, se debe a la potente acción de la toxina sobre las neuronas.
Los escorpiones, por ejemplo, paralizan a su presa al inyectarles una mezcla
potente de toxinas peptídicas. Algunas, como la caribdotoxina, bloquean
específicamente canales de K+ que se activan por el voltaje y el ion Ca2+.
Al estudiar el efecto de las toxinas, se distinguieron diversos tipos de canales
de Ca2+ que fueron purificados y su estructura molecular, determinada. En el
veneno del caracol marino conus geographus se identificaron decenas de
péptidos que bloquean específicamente canales de Na+, Ca2+ y receptores a la
acetilcolina. Uno de ellos, la conotoxina GVIA, bloquea los canales de Ca2+
de tipo N que se encuentran en el soma de las neuronas del ganglio de la raíz
dorsal (ver Introducción, Fig. 2). Puesto que esta es la primera neurona de la
vía del dolor, la toxina es utilizada en forma terapéutica, para calmar dolores
intratables. Un péptido purificado del veneno de una araña americana
denominado agatoxina IVA bloquea específicamente los canales de Ca2+ de
tipo P que están involucrados en la transmisión sináptica de la placa
neuromuscular y del SNC.
48
5. Propagación de las señales eléctricas
El potencial de membrana de las neuronas fluctúa continuamente, debido a
la apertura y cierre de numerosos y diferentes tipos de canales distribuidos en
sus dendritas y en el cuerpo neuronal. Canales de K+ y de Ca2+ voltaje
dependientes, que se activan cerca del potencial de membrana, son
responsables de la generación de potenciales de acción en forma rítmica,
similar a la que se observa en el músculo cardíaco. Por otro lado, en los miles
de contactos sinápticos que reciben las neuronas, se liberan neurotransmisores
que activan canales y generan corrientes iónicas locales. Todo ello contribuye
a modificar el potencial de membrana, a conducirlo o alejarlo del valor
umbral que desencadena el potencial de acción.
Asimismo, debemos considerar que los cambios de potencial se propagan
a lo largo de las membranas por medio de dos mecanismos: la propagación
pasiva electrotónica de los fenómenos subumbrales y la activación o
propagación del potencial de acción.
La propagación electrotónica es un fenómeno local que se produce sin
regenerarse. Al igual que cuando tiramos una piedra a una laguna, la
perturbación del potencial de membrana se transmite hacia lo ancho y largo
de la membrana y, a medida que se aleja del punto inicial, pierde fuerza. Este
fenómeno pasivo de alteración del potencial es similar a la conducción pasiva
de la electricidad a través de un cable eléctrico metálico o a la transmisión del
calor de un extremo al otro que genera una barra de hierro, cuando se pone al
fuego uno de los extremos.
49
ESTIMULACIÓN POR
INYECCIÓN DE CORRIENTE
AXÓN
Reg.
Reg.
Reg.
Reg.
Reg.
UMBRAL
55 mV.
65 mV.
Figura 1: Propagación electrotónica. Nótese cómo la señal subumbral,
generada por la inyección de corriente, decae en un punto y se vuelve lenta,
en la medida en que se aleja de su sitio de origen.
Si aplicamos un cambio de potencial subumbral (que no desencadena un
potencial de acción) en el extremo de un axón y registramos el potencial a lo
largo de todo el axón, como se ilustra en la Fig. 1, veremos que la señal
original se va disipando. Cuanto más lejos esté del lugar inicial, la onda será
menos encrespada y de menor amplitud. Estos cambios se deben a que la
membrana va distribuyendo la carga eléctrica en su superficie. Por lo tanto, si
el axón es de muy pequeño diámetro, la señal llegará más lejos, puesto que la
superficie de membrana es menor. Por el contrario, si un axón es de gran
diámetro, en pocos micrones la señal será disipada (ver en capítulo 7, Fig. 3 el
decaimiento electrotónico de la señal sináptica). Otra particularidad de los
fenómenos subumbrales es que se suman y restan, como lo hacen las ondas
generadas por piedras que agitan la laguna, desde diferentes lugares y tiempos.
La conducción electrotónica ofrece la ventaja de permitir la suma de los
fenómenos pero, dada su gran disipación, no permite que la señal originada
en un punto llegue sin distorsión a otra parte de la neurona. En cambio, la
conducción sin distorsión está a cargo del potencial de acción. Su
propagación se asemeja a la de la explosión de una fila de barriles de pólvora,
en la que el estallido del primer barril genera la explosión del adyacente y así,
sucesivamente.
50
5.1 Propagación del potencial de acción
En la Fig. 2 se puede ver de qué manera el potencial de acción, que fue
generado en un sitio distante, se propaga sin perder sus características ni su
grado de amplitud, igual en el terminal axónico que en el sitio de iniciación.
ESTIMULACIÓN POR
INYECCIÓN DE CORRIENTE
Reg.
Reg.
Reg.
Reg.
Reg.
+40 mV.
UMBRAL
- 65 mV.
Figura 2: Propagación del potencial de acción. Nótese cómo el potencial de
acción, generado en el punto de inyección de la corriente, conserva su forma
y amplitud a lo largo del axón. El potencial de acción se genera en cada
punto, a lo largo del axón.
Hemos visto que, durante el potencial de acción, se genera un flujo de
iones Na+ hacia el interior de la célula; esto produce una despolarización
local de la membrana, cercana al sitio donde se produjo el influjo de Na+.
Supongamos que, por conducción electrotónica, una zona adyacente a la
que generó el potencial de acción se despolariza de forma tal que se activan
algunos canales de Na+. Si la corriente de Na+ es suficiente para contraponerse
a la corriente de K+ generada por los canales de K+, que normalmente están
abiertos en reposo, la célula comienza un ciclo de regeneración positiva que
origina un nuevo potencial de acción (Fig. 3). El ciclo se repite: un potencial
de acción genera la despolarización necesaria para llevar el potencial de
membrana al valor umbral en un área vecina y así generar un nuevo potencial
de acción.
51
DIRECCIÓN DEL POTENCIAL DE ACCIÓN
FLUJO DE CORRIENTE QUE
DESPOLARIZA LA MEMBRANA
FLUJO DE CORRIENTE
SITIO ACTIVO DE
GENERACIÓN DEL
POTENCIAL DE ACCIÓN
Figura 3: El flujo de corriente desde el sitio de inicio del potencial de acción
despolariza las zonas vecinas. Hacia la derecha, los canales de Na+ están
activables; hacia la izquierda, han sido activados en forma reciente y se
encuentran todavía en el estado inactivable. La despolarización de la zona
inactivable no es efectiva para generar un potencial de acción.
Se ha demostrado que, en las neuronas, el sitio de umbral más bajo está
ubicado al comienzo del axón o donde el axón presenta una rama colateral.
En ese sitio, la concentración de canales de Na+ es muy alta y, por lo tanto,
una despolarización menor será suficiente para generar una corriente de Na+
capaz de desencadenar el fenómeno regenerativo (Fig. 4).
52
SINAPSIS EXCITATORIA
A
AXÓN
DENDRITAS
B
CONO AXÓNICO
SITIO DE INICIACIÓN
DEL POTENCIAL DE ACCIÓN
CORRIENTE DESPOLARIZANTE
DENDRITAS
CONO AXÓNICO
SITIO DE INICIACIÓN
DEL POTENCIAL DE ACCIÓN
Figura 4: A. Sitio de iniciación del potencial de acción. B. Puede notarse la
propagación del potencial de acción hacia el axón y hacia “atrás”, al
cuerpo y las dendritas.
A partir del sitio de iniciación, el potencial de acción se propaga en
todas las direcciones, hacia delante por el axón hasta el terminal sináptico y
hacia atrás, atravesando el soma e invadiendo las dendritas. La invasión del
potencial de acción a las dendritas ha sido demostrada recientemente e
interpretada como un mecanismo de información retrógrado de la actividad
de la neurona. La sinapsis que originó la actividad en primera instancia
recibe información sobre el resultado de su actividad. A su vez, el potencial
de acción retrógrado despolariza la membrana de todas las dendritas y
modifica el funcionamiento de los receptores postsinápticos (ver capítulo 8,
receptores al NMDA).
Dado este mecanismo de regeneración para la propagación, cabe
preguntarse por qué el potencial de acción, una vez que llega al extremo de
la neurona –por ejemplo al músculo de la pierna, a un metro de distancia
del soma ubicado en la medula espinal–, no genera una nueva señal que se
propague hacia su origen. Esto puede suceder de forma patológica, pero en
condiciones fisiológicas normales la inactivación de los canales de Na+
53
impone un cierto tiempo, durante el cual la membrana debe estar
hiperpolarizada para poder volver a activarse. El tiempo en que el axón
permanece refractario impide que el potencial de acción se propague de
manera repetitiva.
El proceso descrito es la forma de propagación del potencial de acción
que se observa en los nervios amielínicos y en las fibras musculares (Fig. 3).
La velocidad de conducción en estos nervios es de 0,5 a 10 metros por
segundo. Un aumento en el diámetro del axón facilita el flujo de corriente por
su interior y aumenta la velocidad de conducción, pero como contraparte, al
aumentar el diámetro, aumenta la superficie de la membrana a cargar en cada
punto del axón. Esta circunstancia pone un límite a la posibilidad de
aumentar la velocidad de propagación en base al tamaño del axón.
Sin embargo, esta limitación es superada cuando el nervio está
mielinizado (Fig. 5). En ese caso, el potencial de acción se conduce a alta
velocidad debido a que sectores muy largos del axón se encuentran
cubiertos por membranas de otra célula, enrollada alrededor del axón como
una cinta aisladora sobre un cable eléctrico. Esta estructura llamada mielina
cumple la función de aislar la membrana del axón del contacto con el
medio extracelular. La capa de aislante se interrumpe a intervalos, dejando
sitios donde la membrana axónica entra en contacto con el líquido
extracelular. En estos sitios, descritos por Louis A. Ranvier, la membrana
del axón tiene una concentración muy alta de canales de Na+ (12 000 /um2).
Gracias a la estructura aislante de la mielina, la despolarización en un nodo
de Ranvier se conduce electrotónicamente con muy poco decaimiento al
siguiente nodo. Esto permite que el potencial de acción sólo se genere en
los nodos de Ranvier y es suficiente para que, saltando de nodo en nodo, la
señal llegue al otro extremo del axón a una velocidad de más de 100 m/seg.
54
ESTIMULACIÓN POR
INYECCIÓN DE CORRIENTE
NODO DE RANVIER
MIELINA
Reg.
Reg.
Reg.
+40 mV.
UMBRAL
- 65 mV.
Figura 5: A. Flujo de corriente en un nervio mielínico. La activación de los
canales de Na+ se realiza exclusivamente en los nodos de Ranvier. La
corriente de Na+ fluye por los canales de Na+ de un nodo, emerge y
depolariza el nodo vecino. El potencial de acción, por lo tanto, sólo se
genera en los nodos de Ranvier.
Los nervios amielínicos aumentan su velocidad con el diámetro. El
calamar posee un axón gigante en su circuito reflejo de escape, pero en los
mamíferos esta estrategia no sería aplicable, ya que la masa cerebral
resultaría enorme. La solución a esta limitación es la mielinización, proceso
muy importante en el desarrollo del sistema nervioso. Gran parte de los
signos madurativos de los bebés humanos, durante el primer año de vida, se
deben a la mielinización de los axones, que permite enviar la información de
manera más veloz y, por ejemplo, mejorar la coordinación del movimiento y
el equilibrio necesarios para caminar. Por otra parte, la alteración de la
mielina produce patologías que disminuyen las capacidades sensoriales y
motoras (recuadro 9).
Recuadro 9: Esclerosis múltiple, una enfermedad desmielinizante
La importancia crítica de la mielina para la transferencia de información
en el sistema nervioso humano se pone de manifiesto en una enfermedad
neurológica conocida como Esclerosis Múltiple (EM).
55
Los afectados por EM sufren de debilidad, falta de coordinación y
alteraciones en la visión y en el habla. La enfermedad es caprichosa,
generalmente marcada por remisiones y ataques recurrentes que se van
sucediendo a través de los años. Las alteraciones sensitivas y motoras son
consecuencia del ataque que sufre la vaina de mielina de los axones del
cerebro, columna vertebral y nervios ópticos. La pérdida de mielina
resulta en la disminución e incluso el bloqueo de la conducción nerviosa.
Otra enfermedad desmielinizante es el síndrome de Guillain-Barré, que
ataca a la mielina de los nervios periféricos que inervan el músculo y la
piel. Esta enfermedad puede aparecer después de infecciones menores y
vacunaciones, y parecería ser el resultado de una respuesta inmunológica
anómala contra la propia mielina. Los síntomas son un resultado directo
de la lentificación y/o falla de la conducción del potencial de acción por
los axones que inervan los músculos.
El déficit de conducción puede ser demostrado clínicamente, si se
estimulan eléctricamente los nervios periféricos a través de la piel y se
mide el tiempo que lleva producir una respuesta. También es posible
medir la velocidad de conducción en la vía óptica, estimulando la retina
de un ojo y registrando los cambios de potencial eléctrico en la corteza
cerebral correspondiente. El tiempo entre la presentación del estímulo y la
respuesta es indicativo de la velocidad de conducción del impulso
nervioso. En la EM y en el síndrome de Guillain-Barré se observa una
marcada lentificación del tiempo de respuesta, debido a que la conducción
saltatoria está interrumpida.
56
6. Estructura y función de la sinapsis
El cerebro contiene miles de millones de neuronas que establecen
contactos sinápticos. La cantidad de contactos sinápticos entre células es muy
variable; se pueden identificar miles de contactos que provienen de cientos de
neuronas diferentes sobre las dendritas y el soma de una neurona motora de
la médula espinal, o un solo contacto entre el axón de la neurona motora y la
fibra muscular esquelética, al formar la placa neuromuscular (PNM) (Fig. 1).
A
B
NEURONA
CÉLULAS
MUSCULARES
Figura 1: A. La neurona recibe múltiples contactos sinápticos. B. Las fibras
musculares reciben sólo un contacto sináptico de la motoneurona, que inerva
un grupo de fibras musculares.
La sinapsis es el punto de contacto funcional entre una neurona y otra (o
célula muscular o glandular). Las células se aproximan, sin que exista
continuidad entre sus membranas plasmáticas. Allí se da la transferencia de
información entre la célula que emite la información (presináptica) y la que la
recibe (postsináptica).
De acuerdo con el mecanismo de transferencia de la información, las
sinapsis pueden dividirse en eléctricas y químicas. En la sinapsis eléctrica, el
impulso nervioso de la primera neurona estimula directamente a la siguiente.
En la sinapsis química, la comunicación se establece por medio de la
secreción de una sustancia (neurotransmisor), liberada por una neurona que
actúa sobre la siguiente.
57
6.1 Sinapsis eléctricas
Las sinapsis eléctricas están presentes en todos los sistemas nerviosos,
incluido el humano, sin embargo, existen en menor número que las sinapsis
químicas.
B
A
-
UNION ESTRECHA
C
NEURONA
PRESINÁPTICA
NEURONA
POSTSINÁPTICA
MEMBRANA
PRESINÁPTICA
MEMBRANA
POSTSINÁPTICA
CONEXONES
Figura 2: A. Esquema de sinapsis eléctrica. B. Flujo de corriente que pasa
de la pre a la postsinapsis en una sinapsis eléctrica. C. Canales
intercelulares que comunican las neuronas y permiten el pasaje de la
corriente iónica.
La estructura de la sinapsis eléctrica, vista por medio de un microscopio
electrónico, muestra un grado extremo de acercamiento entre la membrana
pre- y postsináptica (Fig. 2). En uniones estrechas, las membranas están
prácticamente en contacto, pero sin fusionarse. Allí se ven puentes que
resultan de la interacción de seis subunidades proteicas de una y otra
neurona, las conexinas, que se ensamblan formando los conexones. Los
canales de los conexones son mucho más grandes que los canales iónicos.
Permiten el paso de una de una gran variedad de moléculas, como el ATP,
segundos mensajeros y metabolitos intracelulares de una célula a otra.
58
Asimismo, la sinapsis eléctrica permite el pasaje de la corriente iónica
generada por el potencial de acción presináptico a través de los conexones.
Esta corriente eléctrica genera, sin mayor retardo, un potencial de acción en
la neurona postsináptica. Una característica distintiva de este tipo de sinapsis
es que la transmisión resulta extremadamente rápida, ya que el pasaje de
corriente de una célula a otra es prácticamente instantáneo. Otra característica
es que la comunicación puede ser bidireccional, pues depende de cuál de las
células en contacto reciba el potencial de acción inicial. En el sistema
nervioso de los invertebrados, este tipo de sinapsis se encuentra entre las
neuronas sensitivas y las motoras, que forman parte de reflejos de escape
frente a situaciones de peligro. En el SNC de los mamíferos adultos, las
sinapsis eléctricas son comunes entre neuronas vecinas, que deben activarse
con un alto grado de sincronía.
La comunicación eléctrica que se produce a través de las uniones
estrechas también se las encuentra en tejidos adultos no nerviosos, como
células epiteliales, músculo cardíaco y células glandulares. Por otra parte, se
ha observado con mayor frecuencia la coexistencia de sinapsis eléctricas y
químicas durante el desarrollo del sistema nervioso. Esto sugiere que las
sinapsis eléctricas tienen un papel importante en la coordinación del
crecimiento y la maduración del sistema nervioso.
6.2 Sinapsis químicas
La intervención de sustancias químicas en el proceso de transmisión de
mensajes de una neurona a otra da origen al nombre de este tipo de sinapsis,
cuyo esquema puede verse en las Figs. 3 y 4. Se puede observar que la
separación entre las membranas de las células presináptica y postsináptica es
mucho mayor que en la sinapsis eléctrica y deja un espacio o hendidura
sináptica.
59
B
A
-
NEURONA
PRESINÁPTICA
NEURONA
POSTSINÁPTICA
C
MEMBRANA
PRESINÁPTICA
HENDIDURA
SINÁPTICA
VESICULAS SINÁPTICAS
LIBERANDO
NEUROTRANSMISOR
MEMBRANA
POSTSINÁPTICA
RECEPTORES
POSTSINÁPTICOS
IONES
Figura 3: A. Esquema de sinapsis química, Las neuronas pre y
postsinápticas están separadas por la hendidura sináptica. B. Las corrientes
iónicas del potencial de acción presináptico no afectan a la postsinapsis. C.
La secreción de neurotransmisor activa los receptores postsinápticos.
En la sinapsis química, la parte distal del axón presináptico se ensancha y
forma un botón que contiene mitocondrias para la generación de energía y
pequeñas vesículas, las vesículas sinápticas, que a su vez tienen moléculas de
neurotransmisor. En la porción postsináptica se encuentra una membrana
celular engrosada que contiene las proteínas receptoras para el neurotransmisor
almacenado en las vesículas sinápticas. El sitio de contacto sináptico puede
ser una dendrita, el soma y, en algunos casos, el axón de una neurona, la
superficie de la fibra muscular o una célula glandular.
Desde hace más de cien años se conoce que la estimulación del nervio
provoca respuestas en el músculo liso (el de los vasos y vísceras), en el cardíaco y
en las glándulas. Estas respuestas surgen por la liberación de neurotransmisores
químicos específicos, que actúan sobre receptores postsinápticos específicos. El
60
descubrimiento de la transmisión química revolucionó profundamente
nuestra concepción acerca del funcionamiento del cerebro y estableció las
bases para la comprensión de los mecanismos íntimos de la acción de los
neurofármacos.
6.3 Liberación cuántica de neurotransmisor
El proceso de transmisión sináptica en la sinapsis química se inicia con la
llegada del potencial de acción al compartimiento presináptico. Allí se
produce la conversión de la señal eléctrica en señal química. Cuando el
potencial de acción llega a la sinapsis (Fig. 4), el terminal presináptico se
despolariza: este cambio de potencial activa canales de calcio ubicados en
sitios específicos de la membrana, cercanos al lugar donde una cantidad
de vesículas sinápticas se agrupan. La activación de los canales de calcio
permite la entrada de este ion al interior celular. Debe recordarse que la
concentración de Ca2+ en el exterior celular es de 2 mM, mientras que la
concentración en el interior se mantiene en niveles por debajo del de
0.0002 mM. Es decir que la diferencia de concentración para el ion Ca2+ es
de por lo menos 10.000 veces. Por este motivo, la activación de los canales
de Ca2+ permite un flujo muy importante de este ion hacia el interior del
terminal nervioso, generando un cambio de concentración muy abrupto cerca
de la boca interna del canal. La elevada concentración de Ca2+ dispara una
serie de movimientos moleculares de proteínas asociadas a las vesículas
sinápticas y a la membrana presináptica, que hace que las vesículas se
fusionen con la membrana celular y liberen su contenido a la hendidura
sináptica. Este proceso se conoce como exocitosis. El neurotransmisor
liberado difunde por el espacio sináptico y estimula o inhibe –según qué
neurotransmisor se libere– a la célula postsináptica.
61
K
1
2
Na
3
4
5
6
V SNARE
T SNARE
Ca
2+
ACTIVACIÓN DE LOS
CANALES DE CALCIO
Figura 4: Esquema de la liberación cuántica de neurotransmisor por
estimulación. La llegada del potencial de acción al terminal sináptico
despolariza la membrana y activa los canales de Ca2+ ubicados en los sitios
activos. El Ca2+ entrante activa las proteínas del complejo SNARE e induce
la fusión de la vesícula sináptica. El neurotransmisor contenido en la
vesícula se difunde libremente por la hendidura sináptica.
(1) Síntesis del neurotransmisor. (2) Transporte y acumulación del
neurotransmisor en la vesícula sináptica. (3) La vesícula formada se acerca
al sitio activo, se ubica en el sitio activo (4) donde el v-SNARE interactúa
con la t-SNARE (ver recuadro 10), se fusiona (5) y se colapsa en la
membrana (6).
Mucho de lo que conocemos hoy acerca de la estructura y funcionamiento
de la sinapsis surgió del estudio detallado de la placa neuromuscular (PNM). Es
el sitio donde el nervio hace contacto con el músculo y establece una
comunicación que utiliza como neurotransmisor la acetilcolina (Ac) (Figs. 1 y 5).
La placa neuromuscular ha sido un modelo de estudio en los años 1950 y
1960, liderado por Sir Bernard Katz y Ricardo Miledi en Londres. Los
experimentos por ellos realizados en la placa neuromuscular sentaron las
bases para comprender los mecanismos moleculares de la transmisión
62
química. Los principios demostrados en la placa neuromuscular se aplican
para las sinapsis del SNC.
AXÓN
SITIOS ACTIVOS
CÉLULA DE SCHWANN
VESICULAS
SINÁPTICAS
PRESINAPSIS
HENDIDURA
SINÁPTICA
MEMBRANA
PRESINÁPTICA
FIBRA MUSCULAR
MIOFIBRILLA
ACETILCOLINESTERASA
MEMBRANA
POSTSINÁPTICA
Figura 5: Ultraestructura de la placa neuromuscular de la rana. La
colinesterasa se aloja en una trama de tejido conectivo que ocupa la
hendidura sináptica. En la presinapsis se encuentran las vesículas
sinápticas, ubicadas como ramilletes cerca de los sitios activos.
Un experimento clave para la comprensión de este fenómeno surgió de
observar la actividad eléctrica en la fibra muscular, justo en la zona donde se
establece la sinapsis. Mediante un microelectrodo intracelular, se pudo
observar que se producen, en forma aleatoria, pequeñas despolarizaciones de
la fibra muscular de una amplitud cercana al 1 mV (Fig. 6A). Si en las
mismas condiciones se estimula el nervio, se genera un cambio de potencial
postsináptico de 20 a 40 mV de amplitud, que desencadena un potencial de
acción en la fibra muscular (Fig. 6B). A la despolarización evocada por la
estimulación del nervio se la denominó potencial de placa (PP) o potencial
de placa evocado y a las pequeñas despolarizaciones se las denominó
potenciales espontáneos miniatura (PMin).
63
A
POTENCIALES MINIATURA
1 mV.
10 mseg.
PLACA
NEUROMUSCULAR
B
ESTIMULACIÓN
POTENCIAL DE
ACCIÓN
30 mV.
POTENCIAL SINÁPTICO
5 mseg.
Figura 6: Registros intracelulares de la actividad sináptica de la placa
neuromuscular. A: Registros de potenciales miniatura espontáneos. B:
Registro de potencial de placa evocado por la estimulación del nervio, que
desencadena un potencial de acción.
Katz y sus colaboradores observaron que ambas despolarizaciones, la
evocada y la espontánea, se generan en aproximadamente 1 mseg y se
repolarizan más lentamente; su diferencia fundamental es la amplitud.
Además, ambos tipos de potenciales, los miniaturas y los evocados, son
afectados por el curare, sustancia utilizada por los indios amazónicos para
embadurnar la punta de las flechas, cuya acción reside en bloquear los
receptores a la acetilcolina. Fundamentándose en esta información, Katz y
colaboradores postularon que ambas despolarizaciones provenían de un
mecanismo común. Para confirmarlo, registraron los potenciales de placa
evocados por la estimulación del nervio (PP) y los potenciales espontáneos
miniatura (PMin) mediante un microelectrodo inserto en la fibra muscular
cercana a la PNM. Los experimentos fueron realizados sumergiendo el
nervio-músculo en una solución externa de bajo contenido en Ca2+ y alto
Mg2+ (este catión compite con el Ca2+ e impide que fluya por el canal). En
estas condiciones, la estimulación del nervio despolariza el terminal
64
sináptico, activa los canales de Ca2+. Sin embargo, el influjo de Ca2+ está muy
disminuido y, en consecuencia, se libera menos neurotransmisor y la
despolarización postsináptica es de reducida amplitud. Así fue posible
observar, en forma aleatoria, que la estimulación del nervio produce fallas en
la generación de PP (amplitud 0 mV) y, otras veces, un PP de amplitud
similar a la de los PMin (Fig. 7). Una observación importante es que los PP
evocados nunca son menores en amplitud a los PMin, y que los de mayor
amplitud siempre fueron un múltiplo de la amplitud de los PMin. Esta
observación, seguida de un análisis estadístico minucioso, les permitió a Katz
y colaboradores postular que los neurotransmisores se liberan en paquetes,
cuyo tamaño mínimo o cuanta está representado por el PMin.
POTENCIALES EVOCADOS MÚLTIPLES
POTENCIALES
EVOCADOS
UNITARIOS
POTENCIALES
MINIATURA
NÚMERO DE
EVENTOS
0
1
2
3
4
5
6
mV.
AMPLITUD DE LOS POTENCIALES EVOCADOS
FALLAS
INCUBADO EN SOLUCIÓN CON BAJA CONCENTRACIÓN DE Ca2+
Figura 7: Arriba a la izquierda, se muestran varios registros superpuestos de
potenciales sinápticos evocados en un medio extracelular con bajo contenido
de Ca2+ para generar respuestas de bajo contenido cuántico. La liberación
está disminuida y permite ver fallas, liberaciones de 1, 2 y 3 cuantos
aproximadamente. El potencial miniatura tiene una amplitud de
aproximadamente 1 mV. A la derecha, un histograma de varios cientos de
estímulos, donde se puede observar que los eventos tienden a ser múltiplos
del evento unitario. Abajo, esquema del experimento.
65
La teoría cuántica establece que los potenciales evocados son el resultado
de la liberación simultánea de cuantos o unidades como los PMin. El modelo
está basado en que cada evento unitario, PMin, tiene una probabilidad de
aparecer que es independiente de los demás eventos. El influjo de Ca2+
aumenta enormemente esta probabilidad, pues sincroniza los eventos
individuales. Por lo tanto, el potencial de placa tendrá distintas amplitudes
dadas por la suma de probabilidades de cada evento unitario, pero sus
amplitudes serán necesariamente 0, 1, 2, 3, etc. veces la amplitud del evento
unitario. La liberación es muy rápida; se ha calculado que el tiempo que
transcurre entre el influjo de Ca2+ y la exocitosis es de sólo 200
microsegundos Para ello es importante considerar que el aumento de la
concentración de Ca2+ se realiza en un espacio limitado, vecino a la boca del
canal. Este tipo de liberación es característica de las sinapsis rápidas, que
transmiten información fidedigna a alta frecuencia.
6.4 Vesículas sinápticas y reciclado vesicular
El avance de la microscopia electrónica, que se dio en forma simultánea
con los estudios electrofisiológicos, permitió descubrir las vesículas
sinápticas. En ello tuvo un papel importante el Dr. Eduardo De Robertis,
quien describió las vesículas sinápticas y estableció un vínculo entre estas y
los fenómenos fisiológicos demostrados por Katz. De Robertis postuló que
las vesículas sinápticas son el paquete de neurotransmisor responsable del
evento unitario. Surge así la hipótesis, todavía no totalmente demostrada, de
que la liberación de una vesícula sináptica genera un PMin. En síntesis, el
potencial de acción presináptico produce un PP postsináptico, puesto que
sincroniza la liberación de múltiples cuantas o vesículas sinápticas llenas de
neurotransmisor.
Estudios bioquímicos posteriores demostraron que las vesículas contienen
el neurotransmisor. En el caso de la placa neuromuscular, cada vesícula
contendría unas 10.000 moléculas de acetilcolina, número suficiente para
despolarizar la membrana imitando a un PMin.
Para validar la teoría cuántica vesicular, fue necesario demostrar que las
vesículas sinápticas se fusionan y se reforman. El experimento que permitió
proponer el primer modelo de reciclado vesicular consistió en agregarle a la
solución externa que baña la preparación nervio-músculo una sustancia
capaz ser reconocida al microscopio electrónico. Se utilizó la enzima
peroxidasa extraída del rábano, que mediante una reacción química forma un
66
precipitado denso fácilmente distinguible con el microscopio electrónico.
Hoy en día se realizan experimentos similares con sustancias fluorescentes
visibles con microscopio óptico.
Básicamente, la idea es poner el marcador en el medio extracelular y
estimular el nervio durante varios minutos con el fin de producir la fusión de
un gran número de vesículas. La sustancia marcadora es captada durante la
reformación de las vesículas por un proceso inverso a la exocitosis llamado
endocitosis, en el que la membrana plasmática se invagina. La porción
invaginada se separa, formando una vesícula rodeada de una proteína
denominada clatrina. Esta vesícula se carga de neurotransmisor para terminar
como una vesícula sináptica de reserva o dispuesta a ser liberada nuevamente, si
se ubica en el sitio activo.
A
ESTIMULACIÓN A
ALTA FREQUENCIA
C
ESTIMULACIÓN A
ALTA FREQUENCIA
CAPTACIÓN POR
ENDOCITOSIS
PEROXIDASA
B
RETÍCULO ENDOPLASMICO
CON PEROXIDASA
VESICULA SINÁPTICA
CON NEUROTRANSMISOR
Y PEROXIDASA
-
Figura 8: Esquema representativo de la imagen al microscopio electrónico
de una sinápsis neuromuscular incubada y estimulada en presencia de la
peroxidasa del rábano. A. La enzima es captada por endocitosis y se ubica
en los precursores de las vesículas sinápticas. B. La enzima es lavada del
medio extracelular con la sinapsis en reposo. Vista a través del microscopio
electrónico, la enzima sólo se localiza en las vesículas sinápticas y sus
precursores. C. La sinapsis neuromuscular es nuevamente estimulada, la
enzima es liberada y las vesículas y otros compartimientos internos quedan
vacíos de peroxidasa del rábano.
67
Si cambiamos la solución externa por una sin marcador, sólo
encontraremos el marcador que quedó atrapado en las vesículas y en los
compartimientos internos de la presinapsis que participan en la reformación
vesicular. Una segunda verificación de la hipótesis se obtiene si volvemos a
estimular el nervio en ausencia del marcador en el medio extracelular. En
este caso, el marcador vuelve al medio extracelular durante la exocitosis de la
vesícula y desaparece del interior de las vesículas (Fig. 8).
El reciclado vesicular en la PNM sólo se da en el terminal presináptico.
Tomando en cuenta que no se han encontrado vesículas sinápticas que
migren a lo largo del axón y que, con el axón separado del cuerpo de la
neurona, la sinapsis puede seguir liberando neurotransmisor por horas y aún
días, es posible inferir que las vesículas sinápticas se fusionan y se reforman
localmente.
Estudios bioquímicos demostraron que en los terminales sinápticos se
encuentra toda la maquinaria para sintetizar neurotransmisores, como
acetilcolina, glutamato y ácido gama amino butírico (GABA), entre otros. Sin
embargo, esto no se aplica para los péptidos neurotransmisores que se
sintetizan en el soma o cuerpo neuronal y que son transportados hasta el
terminal sináptico.
Junto con el neurotransmisor se liberan otras sustancias proteicas, que
también contribuyen a los efectos postsinápticos, pero su acción es lenta y
duradera y está relacionada con el trofismo, mantenimiento, sobrevivencia y
desarrollo de la célula postsináptica.
6.5 El compartimiento postsináptico
Cuando el neurotransmisor liberado por la presinapsis alcanza la
membrana postsináptica, se combina con receptores específicos allí
localizados. La unión del neurotransmisor al receptor puede: a) aumentar la
permeabilidad a cationes (usualmente al Na+ y a veces Ca2+), lo que produce
una despolarización llamada potencial postsináptico excitatorio (PPSE) o, en
el caso del músculo esquelético, PP; b) aumentar la permeabilidad de la
membrana a aniones (moléculas cargadas negativamente como el Cl-), lo que
produce una estabilización del potencial de membrana o incluso una
hiperpolarización, es decir, un potencial postsináptico inhibitorio (PPSI) y c)
aumentar selectivamente la permeabilidad a iones de K+, lo que también
resulta en una hiperpolarización o estabilización de la membrana, que en su
potencial de equilibrio se comporta como un PPSI.
68
Como vemos, los efectos netos producidos por un neurotransmisor se deben a
flujos iónicos pasivos, generados por el aumento de conductancia, de acuerdo con
los gradientes de concentración de los iones involucrados. Los cambios de la
permeabilidad de los canales a través de los cuales estos iones se desplazan están
regulados por receptores especializados que se localizan en la membrana
postsináptica. Los receptores son cadenas de aminoácidos que forman enlaces
entre sí y crean cavidades y protuberancias que pueden alojar a sustancias que
tengan la forma y carga correspondiente. El neurotransmisor funciona como una
llave en una cerradura: si la llave es adecuada, entrará bien en la cerradura y
podrá activarla; pero si esta llave entra sólo un poco, impedirá que otra llave entre
y actuará como un antagonista.
RECEPTOR
IONOTRÓPICO
RECEPTOR
METABOTRÓPICO
PROTEÍNA G
Figura 9: A. Esquema del funcionamiento de receptores ionotrópicos. El
neurotransmisor actúa sobre una proteína que incluye el sitio de unión y el
canal. B. Esquema del funcionamiento de receptores metabotrópicos. El
receptor no incluye al canal, pero incluye una proteína G que hace de
segundo mensajero y actúa sobre un canal vecino.
Estos receptores se conocen como receptores ionotrópicos, porque son
moléculas que cumplen las funciones de receptor y canal. Existen otros
receptores que se llaman metabotrópicos, porque su activación genera productos
que actúan sobre otras moléculas o canales desde el interior celular (Fig. 9). La
ocupación de estos receptores da lugar, en muchos casos, a la movilización del
Ca2+ de reservorios intracelulares. Este Ca2+ activará diversas enzimas.
Los receptores ionotrópicos se organizan en familias de proteínas con
semejanzas estructurales y pequeñas diferencias que les permiten interactuar
con diferentes transmisores. En esta familia encontramos los receptores a
acetilcolina, GABA y glicina, entre otros.
69
Recuadro 10: Las vesículas sinápticas, preparadas para la fusión
La clave para una rápida transmisión sináptica es que las vesículas llenas
de neurotransmisor se posicionen en el lugar adecuado de la membrana
presináptica, que permita su fusión. Esta se da cuando un potencial de
acción activa los canales de Ca2+ ubicados cerca de las vesículas. El
influjo de Ca2+ genera, en un espacio reducido del citoplasma, una alta
concentración de Ca2+ que desencadena la fusión de las vesículas a la
membrana plasmática.
La unión y fusión específicas de membranas depende de la familia
SNARE de proteínas, que fueron encontradas por primera vez en las
levaduras. Cada péptido SNARE tiene una parte muy lipofílica que se
funde en la membrana y una cola más larga que se proyecta dentro del
citoplasma. Estas proteínas están tanto en la membrana del terminal
presináptico como en la membrana de las vesículas sinápticas y se
denominan respectivamente t-SNAREs y v-SNAREs.
Las terminaciones cistoplasmáticas de estos dos tipos de SNAREs
complementarios se unen fuertemente entre sí, permitiendo que una
vesícula se estacione muy cerca de la membrana presináptica y en ningún
otro lugar (Fig. 4). Si bien los complejos SNARE-SNARE forman la
principal conexión entre la vesícula y la membrana a la que se ha de
fusionar, existe un gran número de proteínas que se asocian al complejo.
Las funciones de la mayoría de ellas es aún desconocida. Una de ellas, la
sinaptotagmina, ha sido postulada como el sensor de Ca2+ responsable de
disparar la fusión de la vesícula con la consiguiente liberación del
neurotransmisor.
Los canales de Ca2+ ubicados en la membrana presináptica pueden formar
parte del complejo de anclaje de las vesículas. De esta manera, los canales
quedan ubicados muy cerca de las vesículas, de modo que el Ca2+ entrante
desencadena la liberación de transmisor en menos de 200 microsegundos.
Las proteínas del SNARE pueden ser destruidas en forma selectiva por la
toxina botulínica, una potente enzima que penetra en los terminales
nerviosos de la placa neuromuscular. Esto produce parálisis de los
músculos y muerte por falla respiratoria. Hoy en día, la toxina botulínica
se aplica localmente en tratamientos de plástica facial, para eliminar las
arrugas, porque paraliza la actividad de los pequeños músculos de la piel.
70
VESÍCULA SINÁPTICA
SINAPTOTAGMINA
V-SNARE
T-SNARE
CANAL DE CALCIO
Ca 2+
Figura del recuadro 10.
Las vesículas sinápticas poseen proteínas v-snares que al interactuar con
otras proteínas ubicadas en la membrana presináptica anclan las vesículas al
sitio activo donde también se encuentran canales de Ca2+. El influjo de Ca2+
actúa sobre la sinaptotagmina y esta modifica los snares tal que se induce la
fusión de las vesículas a la membrana presináptica.
Recuadro 11: ¿Cómo actúa el Ca2+ en la transmisión sináptica?
Ya en el siglo XIX se conocía, por los trabajos de Sidney Ringer, la
importancia de agregar Ca2+ a la solución externa para mantener la
contracción muscular, cuando se estimula el nervio. En la gran mayoría
de las sinapsis, la remoción del Ca2+ extracelular previene la liberación de
neurotransmisor.
Estos estudios fueron realizados en la PNM de la rana. En esta
preparación, el terminal presináptico es muy pequeño y ofrece
limitaciones experimentales. Katz y Miledi superaron esta dificultad al
trabajar en la sinapsis gigante del ganglio estrellado del calamar. Dado el
tamaño del elemento presináptico, fue posible inyectar Ca2+ dentro del
terminal y observar que esto producía liberación del neurotransmisor.
También fue posible modificar el potencial de membrana del terminal
presináptico, despolarizándolo a un valor cercano al potencial de
equilibrio para el Ca2+. En este caso no se produjo liberación, ya que si
bien los canales se activaron, no existía fuerza impulsora.
71
Una variante de este experimento fue reestablecer el potencial de
membrana en forma casi instantánea. Como los canales de Ca2+ se cierran
mucho más lentamente que lo que el sistema electrónico tarda en
reestablecer el potencial de membrana, se genera durante unos
milisegundos una situación en la que los canales de Ca2+ están abiertos y
una gran fuerza electroquímica impulsa al Ca2+ al interior del terminal,
produciendo una rápida y masiva liberación de neurotransmisor. (Figura
del recuadro).
POTENCIAL DE MEMBRANA
PRESINÁPTICO
CORRIENTE DE CALCIO
PRESINÁPTICA
0 mV
+50 mV
CORRIENTE
DE COLA
POTENCIAL POSTSINÁPTICO
Figura del recuadro 11.
A la derecha se observa el cambio de potencial de la presinapsis que activa
las corriente de Ca2+ y estas la liberacion de neurotransmisor . A la
izquierda una depolarización más intensa lleva el potencial al valor de
equilibrio para el Ca2+ . No hay corrientes de Ca2+. Durante esta
despolarización no hay corrientes de Ca2+ y tampoco hay liberación. Al
repolarizase la membrana el influjo de Ca2+ es muy rápido y breve. En
fracción de milisegundo se produce la liberación de neurotransmisor y la
generación del potencial postsináptico. Modificado de Augustine et al. J of
Physiology 369: 163, 1985
Esta misma preparación biológica fue utilizada para inyectar en el
terminal presináptico una sustancia que se modifica su fluorescecia frente al
Ca2+. Con esta técnica fue posible visualizar un aumento muy localizado de
Ca2+ en la zona del sitio de liberación, cuando se estimula eléctricamente el
axón (Figura del recuadro).
Los experimentos descritos demostraron que el Ca2+ actúa intracelularmente
y en un sitio cercano al canal y a las vesículas sinápticas.
72
POSTSINÁPSIS
PRESINÁPSIS EN REPOSO
PRESINÁPSIS CARGADA
CON UN FURA-2
Ca 2+ alto
Ca 2+ bajo
PRESINÁPSIS ESTIMULADA
Figura del recuadro 11.
El axón de la sinapsis gigante del calamar fue cargado con una substancia
cuya fluorescencia es sensible a los cambios de la concentración de Ca 2+. La
estimulación del axón se acompaña con cambios de fluorescencia en el
citoplasma cercano a la membrana presináptica. Modificado de Smith and
Augustine, Trends in Neuroscience 11:458, 1988.
Mantener una elevada concentración basal de Ca2+ en el terminal o
remover lentamente el Ca2+ ingresado, permitiendo su acumulación por
estímulos sucesivos, posibilita modular la fuerza de la transmisión sináptica.
73
7. Los neurotransmisores y su ciclo
En el sistema nervioso, las neuronas se comunican entre sí por medio de
la liberación de sustancias químicas que son llamadas neurotransmisores.
Estos son capaces de estimular o inhibir el funcionamiento de otra célula de
manera rápida o lenta (desde milésimas de segundo hasta horas o días), por
medio de la ocupación de receptores específicos. Pueden actuar localmente o
difundirse por la sangre, como una hormona, o por los tejidos, como un gas.
Una misma sustancia puede tener efectos diferentes sobre las estructuras
postsinápticas. El efecto depende del tipo de receptor postsináptico presente:
por ejemplo, la acetilcolina excita la PNM, pero inhibe al corazón.
Los neurotransmisores cumplen un ciclo:
1 son sintetizados y empaquetados en vesículas en las células presinápticas;
2 son liberados de la célula presináptica y se unen a receptores de una o
más células postsinápticas;
3 son removidos o degradados rápidamente.
La cantidad y diversidad de neurotransmisores supera el centenar. Pueden
ser pequeñas moléculas neurotransmisoras que median respuestas rápidas o
péptidos, cuyas respuestas son más lentas. La alteración en la actividad de los
neurotransmisores es la base de muchas enfermedades neurológicas y
psiquiátricas, y su manipulación farmacológica es una de las principales
herramientas terapéuticas.
7.1 Identificación del neurotransmisor
La hipótesis de que la información eléctrica puede ser transferida de una
neurona a la siguiente mediante una señal química fue intensamente estudiada y
debatida en las primeras décadas del siglo XX. En ese entonces se estudiaban las
acciones de ciertos jugos o sustancias sobre el sistema nervioso. El médico
británico Sir Henry Dale (1875-1968) descubrió una sustancia, hoy conocida
como acetilcolina, que cuando es aplicada sobre las neuronas del sistema
nervioso autónomo tiene un efecto inhibitorio sobre el corazón.
74
La idea de la transformación de la información eléctrica en química
surgió de un experimento realizado en 1921 por el alemán Otto Loewi (18731971). El experimento consistió en aislar en diferentes cámaras dos
corazones de rana, incubarlos en una solución salina similar y contar el
número de latidos por minuto de cada uno (Fig. 1). Una vez establecido el
valor de frecuencia de latidos por minuto, Loewi estimuló eléctricamente el
nervio vago, que inerva uno de los corazones. Dicha estimulación produjo
una lentificación de la frecuencia cardíaca. Otto Loewi incubó el segundo
corazón no estimulado con el líquido del primer corazón y observó
nuevamente una lentificación de la frecuencia del segundo corazón. Dedujo
que la estimulación eléctrica había liberado alguna sustancia que denominó
Vagusstoff. Años más tarde, el científico mostró que se trataba de la
acetilcolina (Ac). Esta molécula es uno de los neurotransmisores más
estudiados, que además de actuar sobre el corazón, lo hace sobre una
variedad de blancos en el SNC y en la PNM.
ESTIMULACIÓN DEL NERVIO VAGO
FREQUENCIA
CARDÍACA
CORANZÓN 1
CORAZÓN 2
FREQUENCIA
CARDÍACA
Figura 1: Esquema experimental utilizado por Otto Loewi en 1921. El
corazón 1 es estimulado a través del nervio vago. La estimulación del nervio
del corazón 1 genera bradicardia en ambos corazones.
75
A lo largo del siglo XX se descubrieron e identificaron numerosos
neurotransmisores. Dada la dificultad en establecer cuándo una sustancia es
neurotransmisora, se definieron criterios a cumplimentar que, aun hoy en día,
no son fáciles de demostrar en cada uno de los candidatos a neurotransmisor.
Criterios que definen un neurotransmisor:
A) Se debe demostrar la presencia del transmisor en los terminales
presinápticos y en las neuronas de donde estos terminales provienen. Con
la sección o lesión de una vía o núcleo neuronal, el transmisor debe
desaparecer del sitio donde se encuentran sus terminales.
B) Se tienen que identificar los componentes necesarios para la fabricación
(enzimas, precursores, metabolitos, etc.), transporte (si es que se producen
en el soma neuronal para ser liberados en el nivel de los terminales) y
eliminación, una vez liberados. Sin embargo, esta identificación no es
suficiente, pues neurotransmisores como el glutamato y la glicina son
utilizados para otras funciones celulares y, por lo tanto, podrían cumplir
este requisito pero no ser liberados para transferir información.
C) El transmisor debe liberarse del terminal presináptico por despolarización
y de una manera dependiente del Ca2+ extracelular. Esto implica que la
liberación de neurotransmisor por el terminal presináptico, en respuesta a
la estimulación eléctrica, requiere la activación de canales de Ca2+ y el
influjo de este ion al terminal presináptico.
D) En la célula postsináptica deben estar presentes receptores específicos a la
sustancia candidata a neurotransmisor. Una forma de establecer la
existencia de receptores específicos es mostrar que, cuando la molécula
propuesta es aplicada por el experimentador, tiene un efecto similar a la
liberada por la estimulación nerviosa.
Un ejemplo de identificación de un transmisor lo constituye la
acetilcolina en la PNM. La estimulación del nervio motor libera acetilcolina.
Existen mecanismos para la síntesis, almacenamiento y recaptación de sus
metabolitos en el nivel presináptico; el músculo contiene receptores
específicos para la acetilcolina. Los efectos de la estimulación nerviosa o los
de la aplicación externa de esta sustancia dan lugar a los mismos cambios
iónicos en el nivel de la fibra muscular y, además, existen las enzimas
necesarias para su metabolismo.
En el caso del SNC, el problema se complica por la gran densidad de
neuronas y, sobre todo, de terminales. Estudios recientes indican que un
terminal puede contener varios tipos de transmisores, los cuales pueden
liberarse, lo que depende de la frecuencia de estimulación presináptica. Otros
76
estudios han postulado que distintos neurotransmisores comparten las mismas
vesículas sinápticas.
En los años 1950, los neurotransmisores reconocidos eran, además de la
acetilcolina, la epinefrina, la dopamina y la serotonina. Luego se confirmaron
como neurotransmisores los aminoácidos glutamato, aspartato, GABA y
glicina y, más tarde, la norepinefrina y la histamina. Hoy en día se consideran
neurotransmisores el ATP y sus derivados, como la adenosina y el AMP. A
partir de los años 1970, se reconocieron como neurotransmisores un gran
número de polipéptidos y sustancias gaseosas, como se puede ver en el
siguiente cuadro:
Moléculas
pequeñas
acetilcolina
dopamina
norepinefrina
histamina
serotonina
ATP
otros
Aminoácidos
Péptidos
ácido gamma-amino
butírico (GABA)
glicina
glutamato
aspartato
bradiquinina
colecistoquinina
enkefalina
sustancia P
calcitonina
neuropéptido Y
otros
Gases
óxido nítrico
monóxido de
carbono
7.2 Síntesis, almacenamiento, liberación y remoción del
neurotransmisor
Una transmisión sináptica efectiva requiere del control de la concentración
de neurotransmisor que actúa sobre la célula postsináptica. Por lo tanto, las
neuronas tienen mecanismos altamente regulados para la síntesis,
empaquetamiento, liberación y degradación de los neurotransmisores. Estos
procesos requieren de numerosas enzimas que se encuentran, específicamente,
en las neuronas que utilizan ese neurotransmisor en sus sinapsis.
En general, la síntesis de los neurotransmisores molecularmente
pequeños se realiza en los terminales presinápticos. Las enzimas para este
proceso son sintetizadas en el cuerpo neuronal y transportadas por el axón
hacia el terminal. Las enzimas sintetizadoras generan un reservorio de
neurotransmisores en el citoplasma del terminal. Finalmente, un mecanismo
de transporte toma el neurotransmisor del citoplasma y lo incorpora a la
vesícula sináptica.
77
En contraste con este mecanismo, la síntesis y empaquetamiento de los
neuropéptidos se realiza en el cuerpo neuronal como polipéptidos más largos, que
son procesados por el aparato de Golgi y finalmente empaquetados en vesículas.
Estas son transportadas por un sistema rápido que utiliza la energía y las proteínas
del citoesqueleto, que hace las veces de vías de ferrocarril (Fig. 2).
CUERPO
NEURONAL
BOTÓN
SINÁPTICO
AXÓN
VESÍCULAS
CLARAS
APARATO DE
GOLGI
NEUROPÉPTIDOS
Figura 2: Los neuropéptidos se sintetizan en el aparato de Golgi, en el soma
neuronal, y son transportados a los terminales sinápticos. Las vesículas
claras se forman en el terminal sináptico.
Asimismo, los neurotransmisores son empaquetados en vesículas que se
acumulan en los terminales sinápticos. Los neurotransmisores pequeños lo hacen
en vesículas de 60 nanómetros de diámetro, que con el microscopio electrónico
se las ve claras. Los neuropéptidos están empaquetados en vesículas de 250
nanómetros de diámetro, con un centro que se ve electrodenso en el microscopio
electrónico. Las vesículas que contienen aminas son en general densas, pero de
tamaño más dispar, puesto que dependen de la neurona.
La liberación del neurotransmisor se da por fusión de la membrana de la
vesícula sináptica con la membrana plasmática. Las vesículas claras
generalmente están ubicadas en los denominados sitios activos, que son
aquellos donde se concentran los canales de calcio que intervienen en este
proceso, sumados a otras proteínas presinápticas, destinadas a ensamblarse
con las proteínas específicas de las vesículas. La liberación es muy rápida: se
78
calcula que el tiempo que transcurre entre el influjo de Ca2+ y la exocitosis es
de sólo 200 microsegundos (ver capítulo 5, recuadro 10).
Las vesículas densas se encuentran dispersas por el terminal y, por lo
general, no tienen un sitio claramente definido para su liberación. El proceso
de liberación es lento; se necesita una ráfaga de impulsos nerviosos que
active durante un tiempo considerable los canales de Ca2+, con el objeto de
producir un aumento global de la concentración de Ca2+ intracelular e inducir
la fusión de las vesículas.
Luego de ser liberado al espacio sináptico, el neurotransmisor se difunde
por él y se une al receptor postsináptico, generando la señal en la célula
postsináptica. Con el fin de limitar su acción, el neurotransmisor debe ser
removido del espacio sináptico. Para ello existen mecanismos específicos, al
que se les suma la difusión de la sustancia al espacio extrasináptico. En
algunos casos, una enzima destruye el neurotransmisor y, en otros, un
transportador lo incorpora al interior de la neurona presináptica o a la célula de la
glía que forma parte de la estructura sináptica. La combinatoria de estos
mecanismos asegura que en pocos milisegundos el neurotransmisor desaparezca
de la hendidura sináptica y así permita restablecer el ciclo de liberación.
A continuación, describimos el ciclo de tres neurotransmisores: la
acetilcolina, el glutamato y el GABA, porque consideramos que son
representativos y que están involucrados en el arco reflejo que hemos
planteado como marco en este libro.
7.3 La acetilcolina (Ac) y la sinapsis colinérgica
Ya hemos visto el papel que tuvo la acetilcolina en la transmisión
neurohumoral (recordemos los experimentos de Loewi en la década de 1920).
En la actualidad, está bien establecido que la acetilcolina es el transmisor en
el nivel de la unión neuromuscular y en muchas áreas del SNP y el SNC.
La acetilcolina se elabora a partir de la colina (Fig. 3), cuyo origen
habitualmente es la dieta y la acetil-coenzima A, que proviene del metabolismo
de la glucosa. La enzima que une estas dos moléculas para producir acetilcolina
es la colina-acetiltransferasa. La presencia de colina-acetiltransferasa en una
neurona es un fuerte indicio de que es una neurona colinérgica. A diferencia de
otros neurotransmisores, la actividad de la acetilcolina no es modulada por al
recaptación de la molécula. Una poderosa enzima, la acetilcolinesterasa (Acasa),
destruye la acetilcolina a gran velocidad. Se ha calculado que una molécula de
Acasa es capaz de hidrolizar a colina y acetato 5.000 moléculas de Ac por
79
segundo. En la placa neuromuscular, la Acasa está anclada en la hendidura
sináptica y actúa degradando la acetilcolina liberada por el terminal presináptico
en muy pocos milisegundos. Los nervios colinérgicos tienen, en la presinapsis,
transportadores de colina muy eficientes, lo que permite mantener una
producción constante y alta de Ac. Muchos insecticidas y algunos gases
utilizados en situaciones de guerra deben sus acciones a los efectos antagónicos
irreversibles sobre la Acasa.
+
COLINA
ACETILCOLINA
+
RECEPTOR
MUSCARÍNICO
AcCoA
MITOCONDRIA
Ca2+
COLINA + ACETATO
ACETILCOLINA
ACETILCOLINESTERASA
RECEPTOR NICOTÍNICO
Figura 3: Esquema de una sinapsis colinérgica.
7.4 Aminoácidos excitatorios e inhibitorios
El sistema nervioso contiene gran cantidad de aminoácidos extremadamente
activos para lograr el funcionamiento neuronal. Durante muchos años no se sabía
si estas sustancias eran activas en sí o sólo representaban precursores de proteínas
(recordemos que todas las proteínas están hechas de aminoácidos). Ahora
sabemos que estas pequeñas moléculas son las principales responsables de la
transmisión nerviosa rápida en el sistema nervioso.
80
El glutamato es el neurotransmisor excitatorio más importante del SNC.
Se estima que el 50% de las sinapsis excitatorias son glutamatérgicas. El
glutamato se sintetiza a partir de la glutamina, que es liberada por las células
de la glía (Fig. 4). Esta llega al terminal presináptico y es metabolizada a
glutamato por la enzima glutaminasa. Luego de su incorporación a las vesículas
sinápticas mediante transportadores específicos, el glutamato se libera a la
hendidura sináptica, es captado por las células de la glía y recaptado por el
terminal presináptico, culminando así el ciclo glutamina-glutamato.
GLUTAMINA
GLUTAMINASA
GG
GLUTAMATO
RECEPTOR
METABOTRÓPICO
Ca2+
GLÍA
GLUTAMATO
RECEPTOR METABOTRÓPICO
RECEPTOR AMPA
RECEPTOR NMDA
Figura 4: Esquema de una sinapsis glutamatérgica.
Está demostrado que la concentración excesiva del glutamato en el
espacio sináptico provoca la muerte de las neuronas. Por lo tanto, eliminar su
acción mediante antagonistas es una forma de proteger las neuronas de su
efecto tóxico.
La mayoría de las neuronas inhibidoras del cerebro y la médula espinal
utilizan el GABA o la glicina como neurotransmisores. El GABA se forma a
partir del glutamato (Fig. 5); la enzima que hace esta conversión es la
81
glutamato-descarboxilasa, que necesita de vitamina B6 para su funcionamiento.
El GABA es recaptado por el propio terminal o simplemente se difunde por
la hendidura sináptica y se diluye en el espacio extracelular.
GLUTAMATO- DESCARBOXILASA
GG
GABA
MITOCONDRIA
RECEPTOR
GABA B
Ca2+
GABA
RECEPTOR GABA B
RECEPTOR GABA A
Cl-
Cl-
Figura 5: Esquema de una sinapsis gabaérgica. Puede notarse que activa
canales de Cl-.
El otro neurotransmisor inhibidor de importancia, particularmente en el
tallo cerebral y la médula espinal, es la glicina. Su efecto es similar al del
GABA. Esta inhibición puede ser antagonizada por la estricnina, que es una
sustancia convulsivante. El GABA y la glicina son removidos del espacio
sináptico por mecanismos similares al del glutamato, que involucran a
transportadores en la células de la glía y en la neurona presináptica.
82
8. Los receptores y la generación de
potenciales sinápticos en la placa
neuromuscular
Al unirse a las proteínas llamadas receptores, los neurotransmisores
evocan respuestas eléctricas en la célula postsináptica. Los receptores
modulan la apertura o cierre de canales iónicos y generan señales eléctricas
que regulan la actividad neuronal. La acción excitatoria o inhibitoria de estos
receptores está determinada por el tipo de canal iónico activado. Por lo tanto,
los receptores en la sinapsis son los intermediarios en la transferencia de
información química a eléctrica.
Como dijimos, los receptores son proteínas que se encuentran en la
membrana postsináptica; su estructura se extiende de una cara de la
membrana a la otra y, por lo tanto, asoman a la hendidura sináptica. La parte
de la molécula que mira a la hendidura sináptica posee el sitio de unión para
los neurotransmisores.
Hay dos tipos de receptores para neurotransmisores (ver capítulo 5, Fig. 9).
En un caso, el receptor es un canal iónico y, en otro, el receptor está separado
del canal iónico. Los del primer tipo son los receptores ionotrópicos y dan
origen a cambios postsinápticos rápidos y de corta duración. Los segundos
corresponden a la familia de los receptores metabotrópicos: afectan a los
canales iónicos en forma indirecta, por la activación de una molécula
intermediaria llamada proteína G, que libera péptidos que se difunden por el
interior celular o por el plano de la membrana plasmática y se unen a los
canales, regulando su actividad.
Para analizar el mecanismo de generación de la señal eléctrica a partir de
la interacción del neurotransmisor con su receptor, tomamos como modelo la
placa neuromuscular, en la que la acetilcolina liberada por el terminal
presináptico actúa sobre los receptores a la acetilcolina (RAc) de la
membrana postsináptica. Los RAc se encuentran densamente compactados en
la membrana postsináptica, enfrentando los sitios activos de la membrana
presináptica. Los RAc son ionotrópicos sensibles a la nicotina.
83
Asimismo, existen los RAc metabotrópicos, llamados muscarínicos, que
son bloqueados por la atropina. Estos receptores se expresan en los músculos
internos del ojo, donde la aplicación de unas gotas de atropina produce la
dilatación de la pupila, práctica común en la oftalmología.
En un experimento clásico realizado en los años 1950 en la PNM del
músculo de la rana, se utilizó una micropipeta para aplicar una cantidad muy
pequeña de Ac en distintos sitios, a lo largo de la membrana de la fibra
muscular (Fig. 1). Dado que la fibra muscular de la rana puede tener varios
centímetros de longitud, es posible aplicar la acetilcolina localmente sobre la
sinapsis o en zonas alejadas de la misma. Asimismo, es posible registrar
simultáneamente los cambios de potencial generados por esta aplicación, si
se usa un microelectrodo inserto en la fibra muscular ubicada cerca del sitio
de aplicación de la Ac. Cuando la Ac fue aplicada sobre la zona sináptica, se
observó una despolarización de la fibra muscular que, dependiendo de su
amplitud, podía o no generar un potencial de acción. Cuando la aplicación se
realizó lejos de la zona sináptica, no se observó respuesta, lo que indica que
no hay receptores a la Ac en las zonas extrasinápticas de la fibra muscular.
NERVIO
APLICACIÓN DE ACETILCOLINA
2 mV.
ZONA
SINÁPTICA
ZONA EXTRASINÁPTICA
Figura 1: La aplicación de acetilcolina mediante un pulso de corriente sólo
genera una respuesta en la zona sináptica que indica la ubicación de los
receptores.
84
En los siguientes experimentos, con el objetivo de evitar que el registro
del potencial de acción tape el registro de los fenómenos sinápticos se
eliminó el primero mediante el agregado de tetrodotoxina que bloquea de
canales de Na+ voltaje dependientes.
En la Fig. 2 se observa un clásico experimento, en el que la pipeta de
aplicación de Ac se ubica a pocos micrones de distancia de la membrana
postsináptica. La despolarización es muy rápida y de decaimiento lento;
remeda un potencial de placa evocado por la estimulación del nervio que
indica que la aplicación de Ac con una pipeta es equivalente a la liberación
de Ac por la estimulación del nervio.
ESTIMULACIÓN
APLICACIÓN DE
ACETILCOLINA
2 mseg.
2 mV.
ESTIMULACIÓN
DEL NERVIO
APLICACIÓN DE
ACETILCOLINA
Figura 2: Comparación de la respuesta por estimulación nerviosa y por
aplicación de acetilcolina a través de la micropipeta. Nótese que es posible
obtener respuestas similares en tiempo y amplitud.
¿Dónde se origina la respuesta eléctrica? Al cambiar de lugar el
microelectrodo de registro, se puede comprobar en qué zona de la membrana
se origina la respuesta a la Ac. Cuando se inserta el microelectrodo de
registro lejos de la zona sináptica, la despolarización es de menor amplitud y
su curso temporal más lento (Fig. 3). Esto es lo que se espera de una señal
generada que se propaga electrónicamente decayendo a medida que se aleja
85
de su fuente de origen, como las ondas sobre la superficie del agua, a las que
ya nos hemos referido (capítulo 4, Fig. 1).
TETRODOTOXINA EN EL BAÑO
c
b
a
2 mV.
c
b
a
DECAIMIENTO ELECTROTÓNICO DE LA RESPUESTA SINÁPTICA
Figura 3: Registro del potencial sináptico a distancias crecientes (a –c),
evocado por la estimulación del nervio o por la aplicación de acetilcolina.
Puede notarse que la señal disminuye de tamaño y se lentifica, a partir
de la distancia del sitio de origen.
La unión de la Ac con los receptores postsinápticos activa los canales
iónicos. Esto puede ser estudiado con detalle usando la técnica de patch
clamp, que permite ver en tiempo real la corriente iónica que atraviesa uno de
los canales iónicos activados (Fig. 4). Esta corriente es el resultado de la
continua apertura y cierre del canal.
86
REGISTRO DE PATCH CLAMP
ACETILCOLINA
PIPETA
DE VIDRIO
ACTIVACIÓN POR ACETILCOLINA
RECEPTOR A LA
ACETILCOLINA
5 mseg.
Figura 4: Esquema de un registro de la actividad unitaria del RAc, mediante
la técnica de patch clamp. Nótese que, para tener acceso al receptor, la
acetilcolina está en la solución interior de la pipeta.
Fisiológicamente, en la PNM la liberación de Ac es de muy breve
duración. Los potenciales espontáneos miniatura tienen una duración de
pocos milisegundos y una amplitud cercana a un mV. Se acepta que un PMin
se genera a partir de la Ac liberada por la fusión espontánea de una vesícula
sináptica con la membrana presináptica. Las moléculas neurotransmisoras
activan los receptores por una fracción de milisegundo; luego de la
activación, la Ac es degradada o se difunde fuera de la hendidura sináptica.
Este fenómeno se multiplica varias decenas de veces para la generación del
potencial de placa (ver capítulo 5, Figs. 6, 7 y 8). El potencial de acción que
llega al terminal presináptico produce en forma sincrónica la fusión de
decenas de vesículas y, por lo tanto, libera en forma simultánea decenas de
miles de moléculas de Ac que activan miles de receptores. La activación está
muy bien sincronizada y por eso se produce una despolarización muy rápida
de la membrana postsináptica, que llega a su máximo en un milisegundo. La
repolarización es más lenta, dura de 5 a 10 mseg. Esta fase es más lenta
debido al cierre de los canales, a la remoción rápida de la Ac por la hidrólisis
de la Acasa y por difusión hacia fuera de la hendidura sináptica.
A principios de 1950, los esposos Takeuchi, una pareja de investigadores
japoneses, estudiaron las respuestas sinápticas a distintas concentraciones de
Na+, K+ y Cl- en el medio extracelular. Observaron que las respuestas
variaban significativamente cuando se reemplazaba el ion Na+ por una
molécula inerte. También notaron que los cambios en la concentración de K+,
87
pero no de Cl-, afectaban los potencial sinápticos. En consecuencia, ellos
postularon que la aplicación de Ac aumenta la permeabilidad al Na+ y al K+ y
es este aumento de permeabilidad el fenómeno subyacente a la
despolarización que se observa cuando se estimula el nervio.
En la Figura 5 se registra el potencial sináptico evocado por la
estimulación del nervio; simultáneamente, se modifica el potencial de
membrana de la fibra muscular. Se observó que la respuesta sináptica se
revertía, cuando el potencial de membrana de la fibra muscular era llevado a
valores cercanos a 0mV. Si recordamos el principio de potencial de equilibrio
para un ion, encontramos una aparente discrepancia, ya que ningún ion tiene
un potencial de equilibrio cercano a 0mV.
En años más recientes, se repitieron estos experimentos registrando la
actividad de un RAc aislado con la técnica de patch clamp. Se pudo
observar que, cerca del potencial de reposo, son los iones de Na+ los que
fluyen por el canal del RAc pero, a medida que nos alejamos del potencial
de reposo y, por lo tanto, del potencial de equilibrio del K+, este último ion
también fluye por el RAc pero en sentido contrario, de tal manera que a 0
mV ambas corrientes son iguales y de sentido contrario. Si bien el canal
activado por la Ac es permeables al Na+ y al K+, el potencial de placa es
generado mayoritariamente por una corriente de Na+, pues el potencial de
reposo está muy alejado del potencial de equilibrio para el ion Na+ y, por lo
tanto, tiene fuerza química y eléctrica que lo impulsa. Contrariamente, el ion
K+, por estar cerca de su potencial de equilibrio, no tiene una fuerza
impulsora significativa (Fig. 5B).
88
A
B
CORRIENTES DE
Na
K+
+55 mV
0 mV
-30 mV
-90 mV
Figura 5: A. Registro de potenciales sinápticos evocados por la estimulación
del nervio a distintos potenciales de membrana de la fibra muscular. Nótese
que el potencial sináptico es nulo, cercano al 0mV, y tiene una polaridad
invertida a valores positivos de potencial de membrana. B. Registros
esquematizados de patch clamp. Las corrientes unitarias también se
revierten cerca de 0mV. Las flechas indican la participación de las
corrientes iónicas de Na+ y K+ en cada potencial de membrana.
Un estudio detallado de las corrientes generadas en distintos potenciales
permitió estimar que, en condiciones fisiológicas, el RAc activado es
permeable al Na+ y al ion K+ en una proporción 1/0.8. Por lo tanto, el
potencial de equilibrio de la respuesta a la Ac –0mV– puede estimarse en
base a la corrientes iónicas de K+ con un potencial de equilibro de –80 mV y
de la corriente iónica de Na+, con un potencial de equilibrio de + 40 mV,
ponderado por la permeabilidad relativa del canal para cada ion.
Por otro lado, estos experimentos son extensibles a sinapsis tanto
excitatorias como inhibitorias. Un principio general que surge de ellos es que
la unión de neurotransmisores con los receptores postsinápticos produce
cambios en el flujo de iones y esto cambia el potencial de membrana. El
89
sentido y la amplitud de esos flujos dependen de los iones involucrados.
Veremos que la activación de receptores inhibitorios responde a la activación
de canales de K+ o de Cl-, cuyo potencial de equilibrio es generalmente más
negativo que el potencial de membrana, lo que produce un potencial sináptico
hiperpolarizante.
El potencial de placa o potencial sináptico en la PNM es considerado
excitatorio, puesto que activa canales iónicos que despolarizan el potencial de
membrana. En condiciones fisiológicas, el potencial evocado despolariza la
membrana postsináptica en 30 a 40 mV y lleva el potencial de membrana a
valores suficientemente despolarizados como para activar los canales de Na+
voltaje dependiente y así disparar el potencial de acción; éste, a su vez,
impulsa la contracción muscular (ver capítulo 5, Fig. 6).
La alfabungarotoxina, una toxina extraída de una serpiente de Malasia,
fue uno de los primeros péptidos que se descubrió que se unen al RAc y lo
bloquean con alta especificidad. La serpiente utiliza la toxina para paralizar
rápidamente a su presa. Por su parte, los científicos la utilizaron para
purificar y estudiar la estructura molecular del RAc.
La alfabungarotoxina fue purificada y luego bioquímicamente unida a una
molécula de iodo radioactivo. La bungarotoxina marcada, que se une en
forma irreversible al RAc, sirvió para identificar al RAc durante las fases de
purificación. Como fuente para purificar al RAc, se utilizó un órgano
eléctrico que se encuentra en peces y anguilas eléctricas. El nervio que activa
ese órgano libera acetilcolina, que estimula las células musculares
modificadas (no contráctiles) que conservan en su membrana una altísima
concentración de receptores.
Hoy conocemos que el RAc nicotínico está formado por cinco
subunidades que se asocian en la membrana para formar un canal (Fig. 6).
Cada subunidad está formada por una proteína que atraviesa cuatro veces la
membrana con el objeto de construir la pared del canal iónico y una larga
porción extracelular que forma el sitio de unión de la Ac. Las subunidades
no son idénticas, pero todas tienen la misma estructura general. El
pentámero está formado por dos subunidades α idénticas, que contienen
cada una un sitio de unión para la Ac, y por las subunidades β, γ y ε.
Algunas de estas subunidades se modifican desde la edad fetal a la adulta y
cambian las propiedades del canal. En la Fig. 6 se puede apreciar la íntima
ligazón entre el sitio de unión o receptor y el canal iónico. La ligazón es,
sin duda, importante para la rapidez de la respuesta. En las neuronas del
SNC, el RAc también es un pentámero, pero sólo comparte con la PMN
algunas subunidades.
90
ACETILCOLINA
RECEPTOR A ACETILCOLINA
CERRADO
ABIERTO
Figura 6: Esquema de la estructura pentamérica del RAc. Es necesario que
dos moléculas de acetilcolina se unan a los sitios específicos para que el
canal pase al estado abierto.
El RAc nicotínico que aquí se describe sirvió como molde para el estudio
de otros receptores o canales iónicos sensibles a ligandos. Se pudo determinar
que los receptores de las sinapsis rápidas, tales como el receptor al glutamato,
GABA y glicina, son estructuras pentaméricas similares a la descripta. La
purificación y reconocimiento molecular del Rac sirvió para entender los
mecanismos de algunas patologías neuromusculares, como la miastenia
gravis (recuadro 12).
Recuadro 12: El factor de seguridad y la miastenia gravis
Un concepto importante para comprender la base de las alteraciones en la
transmisión neuromuscular es el factor de seguridad en la transmisión
neuromuscular.
Este factor se define como la relación entre la amplitud de potencial de
placa generado por la activación de los receptores colinérgicos y la
despolarización necesaria para generar un potencial de acción en la fibra
muscular. Si el potencial de placa lleva el potencial de membrana al
umbral, se generará un potencial de acción y luego vendrá la contracción.
En este caso, no existirá manifestación clínica de debilidad.
En el caso de que el potencial de placa no despolarice la membrana lo
suficiente como para llevar el potencial de membrana al valor umbral y
91
activar los canales de Na+ que generan el potencial de acción, este no se
desencadena y no se desarrolla actividad mecánica.
El factor de seguridad depende principalmente de la cantidad de Ca2+ que
ingresa al terminal presináptico, el número de vesículas que se fusionan,
la cantidad de Ac que liberan, la actividad de la acetilcolinesterasa y la
densidad de receptores postsinápticos.
Los enfermos de miastenia gravis (MG) presentan fundamentalmente
debilidad muscular, que puede llevarlos a la dificultad respiratoria y al
peligro de muerte. La MG es causada por auto-anticuerpos dirigidos
contra el RAc de la membrana postsináptica de la fibra muscular. Estos
anticuerpos determinan la pérdida de RAc funcionales, porque su unión
con el receptor induce a la célula a degradarlo más rápidamente. Como
consecuencia de ello, el potencial de placa se reduce en amplitud, no
despolariza la membrana al potencial umbral y la transmisión
neuromuscular falla, generando debilidad. El uso de drogas que bloquean
la actividad de la enzima colinesterasa permite incrementar la cantidad y
el tiempo de permanencia de la Ac en la hendidura sináptica y activar
varias veces los escasos receptores. Con ello, se logra aumentar el
potencial de placa y restaurar la transmisión sináptica. Esta es la terapia
más común que se aplica a estos pacientes.
La intoxicación con curare, veneno del que se habló anteriormente,
produce un bloqueo temporario de los RAc que puede llevar a la parálisis
y muerte por falla respiratoria. Drogas similares al curare se utilizan para
la relajación muscular necesaria en una cirugía.
92
9. Potenciales excitatorios e inhibitorios.
Integración neuronal de la actividad sináptica
El estudio de la transmisión sináptica en una neurona del SNC brinda la
posibilidad de comprender la diversidad de mecanismos que, en conjunto,
permiten modular la actividad neuronal. En particular, nos permite comprender
de qué manera los mecanismos de señalización básicos del sistema nervioso,
como el potencial de acción y los potenciales sinápticos, se integran en el nivel
celular. En términos generales, se puede decir que los potenciales postsinápticos
alteran la probabilidad de que un potencial de acción pueda generarse en la célula
postsináptica. Si el potencial postsináptico aumenta dicha probabilidad, se lo
denomina potencial postsináptico excitatorio (PPSE), si la disminuye, el potencial
postsináptico es inhibitorio (PPSI).
En la mayoría de los casos, la despolarización es insuficiente para generar
un potencial de acción, pero la suma de varios estímulos excitatorios lo puede
hacer posible. En el caso de un PPSE por glutamato, la despolarización
resulta, al igual que en el caso del RAc, de corrientes de Na+ y K+.
9.1 Sinapsis excitatorias
En la PNM de los vertebrados, el potencial de placa generado por la
liberación de Ac es de amplitud suficiente como para desencadenar un
potencial de acción en la fibra muscular (recuadro 12). En el SNC, la mayoría
de las sinapsis excitatorias son glutamatérgicas y generan PPSE de amplitud
muy diversa. En algunas sinapsis donde se requiere transmitir señales de alta
frecuencia en forma confiable, el PPSE es de gran amplitud, como en el caso
de la vía auditiva. Sin embargo, en la mayoría de los casos los PPSE son de
un par de milivoltios de amplitud.
El glutamato genera el PPSE actuando sobre cuatro tipos de receptores.
Tres de ellos son ionotrópicos. Se los conoce por el nombre químico de las
moléculas (neurotransmisores) que los activan específicamente. Estas son los
93
receptores al ácido kaínico, los receptores al ácido α amino 3-hidrxi-5-metilisoxazol-propiónico (AMPA), que tienen muchas similitudes entre sí, y el Nmetil-D-aspartato (NMDA) que funcionalmente presenta diferencias
importantes relacionadas con procesos de memoria celular. El cuarto grupo
lo forman los receptores metabotrópicos, que modulan los canales
postsinápticos mediante la activación de la proteína G. Estos receptores
también se encuentran en la membrana del terminal presináptico y sirven
como un sistema de autocontrol (ver capítulo 6, Fig. 4).
GLUTAMATO
A
RECEPTOR AMPA
Na+
Na+
K+
K
B
Na+
Ca
2+
Na+
Mg2+
+
Ca 2+
Na+
Ca
2+
RECEPTOR NMDA
Mg2+
DESPOLARIZACIÓN
K+
K+
K+
Mg2+
Figura 1: Esquema de la activación y duración del PPSE mediado por
receptores AMPA y por receptores NMDA. A. El glutamato se une al receptor
AMPA, activa un canal permeable al Na+ y al K+ y genera una breve
despolarización. B. El glutamato se une al receptor NMDA, pero el canal no
permite el pasaje de los iones debido a que está bloqueado por el ion Mg2+. La
despolarización de la membrana elimina el bloqueo y el canal permeable al
Na+, K+ y Ca2+ genera una despolarización más prolongada que en A.
El receptor AMPA/kainato es el responsable de las respuestas más rápidas
producidas por el glutamato (Fig. 1A). Al igual que los otros canales ligando
dependientes, está formado por cinco subunidades que se ensamblan en la
94
membrana y forman el receptor que incluye al canal. Puesto que existe una
variedad de subunidades, la combinatoria de ellas genera receptores AMPA
con pequeñas diferencias en sus propiedades pero, en todos los casos, su
activación aumenta la conductancia al Na+ y K+.
Los receptores NMDA también están formados por cinco subunidades que
forman un canal que permite el paso de los cationes Na+, K+ y Ca2+ (Fig. 1B). La
permeabilidad al Ca2+ relaciona este tipo de receptor con otros procesos celulares
que se inducen a través del aumento del Ca2+ intra-citoplasmático, tales como las
reacciones bioquímicas en cadena, que incluyen la fosforilación de las proteínas e
la inducción de la expresión de genes (Fig. 2).
FOSFORILACIÓN
DE PROTEÍNAS
2+
C
Ca2
K
INCORPORACIÓN
DE RECEPTORES
AMPA
+
AMPA
NMDA
Mg
MENSAJERO
RETRÓGRADO
2+
Na+
Ca2+
VESÍCULA CON
CANALES AMPA
Ca- CALMODULINA
Figura 2: Mecanismos de potenciación sináptica. La sinapsis glutamatérgica
es estimulada intensamente. La activación de los receptores AMPA
despolariza la espina dendrítica, permitiendo la activación de los receptores
NMDA. El influjo de Ca2+ activa una serie de reacciones enzimáticas que
culminan con la incorporación de nuevos receptores AMPA en la membrana
postsináptica y la producción de óxido nítrico o monóxido de carbono, que
aumenta la liberación de neurotransmisor y actúa a nivel presináptico.
95
La particularidad del receptor a NMDA es que, en condiciones de
potencial de membrana de reposo (valores negativos), el canal está
bloqueado por una molécula de ion Mg2+ (Fig. 1B). Esto significa que,
aunque el sitio receptor al glutamato esté ocupado por el glutamato, el
flujo de iones por el canal será nulo, ya que está bloqueado por el Mg2+.
Para que los iones puedan fluir por el canal, es necesario que por algún
mecanismo, ya sea por la activación de canales de Na+, como en el
potencial de acción, o la activación de otros canales de glutamato de tipo
AMPA, la membrana donde se encuentre el receptor NMDA se
despolarice. En esas condiciones, el canal se desbloquea y permite el paso
de los cationes. Al receptor NMDA se lo denomina un receptor de
coincidencias, es decir, deben coincidir dos fenómenos para que este se
active, la unión de glutamato con el sitio receptor y la despolarización de
la membrana. Fisiológicamente, se comporta como un canal con doble
modulación, por voltaje y por el neurotransmisor.
Las corrientes iónicas generadas por la activación del receptor NMDA
son más lentas que las del AMPA. Sus propiedades de receptor de
coincidencia y la alta conductancia al Ca2+ permiten integrar los fenómenos
eléctricos con los metabólicos. Tienen un rol muy importante en la
potenciación de la fuerza sináptica, el aumento de la amplitud del PPSE, que
se observa en relación con el aprendizaje y la memoria.
Un ejemplo de ello lo tenemos representado en la Fig. 2. Una intensa
actividad de la neurona presináptica determina la liberación y acumulación
de glutamato en la hendidura sináptica, la activación de numerosos
receptores AMPA que despolarizan la membrana postsináptica, el
desbloqueo de los receptores NMDA, el influjo de Ca2+ y la activación del
la enzima Ca-calmodulina, que induce la incorporación de nuevos
receptores AMPA a la membrana postsináptica a partir de un reservorio
intracelular de receptores. Tal incorporación aumenta la amplitud del PPSE
por varias horas o en forma permanente. De esta manera, se genera una
marca (aumento de la amplitud del PPSE) de algo que ha ocurrido en el
circuito sináptico (alta actividad presináptica).
Otros mecanismos de señalización actúan aumentando la liberación de
neurotransmisor debido a la acción presináptica de un mensajero retrógrado.
96
9.2 Sinapsis inhibitorias
Los potenciales postsinápticos inhibitorios (PPSI) pueden ser analizados
en las sinapsis que utilizan el GABA como neurotransmisor, al activar
receptores ionotrópicos GABA A y metabotrópicos GABA B. La activación
de los receptores GABA A genera señales inhibitorias, ya que su canal
asociado es selectivamente permeable al anión Cl-. (ver capítulo 6, Fig. 5).
Los receptores GABA A tienen una estructura pentamérica similar a los
RAc, AMPA y NMDA. Otro receptor inhibitorio es el receptor a la glicina,
cuya estructura molecular también es muy similar a la de los anteriores y es
también selectivamente permeable al Cl-. Por lo tanto, cuando los receptores
a GABA A o a Glicina estén abiertos, el anión Cl-, cargado negativamente,
circulará a favor de su gradiente electroquímico. Si se utiliza la ecuación de
Nernst y se acepta una concentración de Cl- de 3.5 mM en el interior celular y
de 120 mM en el exterior, el potencial de equilibrio para el Cl- resulta
cercano a los –90 mV. En una neurona cuyo potencial de reposo es de –70
mV, la activación de los GABA A genera una corriente de Cl- que ingresa a
la neurona postsináptica; el potencial de reposo tenderá a hiperpolarizarse,
reduciendo la probabilidad de generación del potencial de acción.
Se han observado importantes variaciones en la concentración intracelular
de Cl- . Puede ocurrir que el potencial de equilibrio del Cl- coincida con el
del potencial de membrana, en cuyo caso la activación de los receptores de
GABA no produce cambio de potencial. Asimismo, se puede dar el caso en el
que el potencial de equilibrio esté en valores más despolarizados que el
potencial de membrana, por ejemplo –65 mV. La activación de los receptores
GABA producirá entonces un potencial sináptico despolarizante. Sin
embargo, la acción sería inhibitoria, pues el potencial de membrana tendería
a fijarse en -55 mV y este potencial de membrana no sería suficiente para
desencadenar un potencial de acción.
En resumen, una forma simple de distinguir si una respuesta postsináptica
es excitatoria o inhibitoria es determinar el potencial de equilibrio del potencial
sináptico y cuál es el potencial umbral para desencadenar un potencial de
acción. El PPSE tiene su potencial de equilibrio a valores más positivos que el
umbral, mientras que el PPSI lo tiene a valores más negativos.
Los receptores ionotrópicos GABA A son blanco de drogas importantes,
desde el punto de vista clínico. Drogas tranquilizantes como las benzodiazepinas,
los barbitúricos y el alcohol actúan sobre distintas subunidades de este receptor,
potenciando su actividad.
97
En consecuencia, los receptores metabotrópicos tienen efectos más lentos.
Se diferencian de los ionotrópicos en que afectan canales iónicos por
intermedio de la activación de proteínas G. Se conocen muchas decenas de
receptores metabotrópicos a diferentes neurotransmisores como glutamato,
acetilcolina, dopamina, etc.
Los receptores metabotrópicos forman una gran familia que comparte una
estructura molecular similar. A diferencia de los receptores ionotrópicos, que
están formados por múltiples subunidades, los metabotrópicos están
formados por una sola proteína que atraviesa la membrana siete veces con
sitios extracelulares, para la unión del neurotransmisor, y sitios interiores,
donde se une la proteína G.
Por su parte, las proteínas G son una familia de proteínas acopladas a los
receptores que se unen a nucleótidos de guanina como el GDP o el GTP.
Poseen tres tipos de subunidades (α, β y γ); de cada una de ellas existen
múltiples subtipos, lo que confiere al sistema gran diversidad.
Un ejemplo de receptor metabotrópico lo tenemos en las neuronas y en
células musculares del corazón, en las que la Ac actúa sobre los receptores
muscarínicos. La activación de este receptor libera los componentes β y γ de la
proteína G que activa canales de K+. Esto hiperpolariza la célula e inhibe su
actividad. En el caso del corazón, se traduce en una disminución de la frecuencia
cardíaca como el efecto observado por Otto Loewi (ver capítulo 6, Fig. 1).
Aun cuando la interacción directa de las proteínas G y los canales iónicos
genere cambios de conductancia en la membrana, estos efectos tardan decenas
de milisegundos en aparecer y varios segundos o minutos en desaparecer. Estos
procesos son aún más lentos, si la interacción del receptor con el canal está
mediada por alguna enzima como la adenilatociclasa o fosfolipasa.
Los receptores metabotrópicos tienen acción lenta debido a que se
requieren múltiples proteínas que se unen en forma secuencial para producir
la respuesta fisiológica. Una ventaja relativa del sistema es que permite
amplificar en gran medida la señal: en cada paso una molécula activa muchas
otras. Finalmente, la activación de un receptor metabotrópico puede resultar
en la modulación de cientos de canales.
Una de las particularidades de este sistema de señales mediadas por
receptores metabotrópicos es que pueden activar factores que modulan la
expresión de genes, conectando de este modo la actividad sináptica con la
expresión de proteínas y, por lo tanto, las modificaciones plásticas del
sistema nervioso.
98
9.3 Integración de las señales
En el SNC, los PPSE e inhibitorios son, por lo general, muy pequeños,
comparados con los potenciales de la PNM. Sin embargo, a diferencia de
esta, donde un solo axón contacta a una fibra muscular, las neuronas del SNC
reciben cientos o miles de axones excitatorios e inhibitorios.
Es la sumatoria de las actividades de cada una de estas sinapsis la que
determina si la despolarización del potencial de membrana sobrepasa el valor
umbral que genera un potencial de acción. Esta suma algebraica de corrientes
despolarizantes e hiperpolarizantes se da en el espacio y en el tiempo.
Supongamos que una neurona recibe tres aferencias, dos excitatorias y una
inhibitoria; las excitatorias son subumbrales. En el esquema de la Fig. 3A,
podemos ver que la estimulación de la aferencia E1 o la E2 en forma
individual genera un PPSEs que no lleva el potencial de membrana al umbral,
pero la suma de ambos estímulos sí lo hace. Por otro lado, la combinación
simultánea de los tres estímulos deriva también en una señal final subumbral,
ya que se le resta a la anterior el efecto de la aferencia inhibitoria.
A
E1
E1
E2
E1+2
E2
E1
I
E1+In
In
E2
B
E1
I
E1+E2+In
Figura 3: Integración de los potenciales sinápticos. A. La estimulación de E1
y E2 por separado es subumbral. La estimulación simultanea de E1 y E2
genera un potencial umbral por la suma espacial de los potenciales
sinápticos. B. La estimulación repetida de E1 genera un potencial umbral
por la suma temporal de los potenciales sinápticos. La estimulación del axón
inhibitorio es efectiva, si ocurre sincrónica con la estimulación excitatoria.
99
En este ejemplo sólo hemos considerado la estimulación sincrónica de las
vías. Supongamos que la vía E1 es ahora estimulada dos veces en rápida
sucesión (Fig. 3B). Como el potencial sináptico tiene una duración mayor
que el potencial de acción presináptico que libera al neurotransmisor, los
estímulos se suman y se desencadena el potencial de acción. Igualmente, si
las vías E1 y E2 son estimuladas con una pequeña diferencia de tiempo, sus
efectos se suman. Si la aferencia inhibitoria es estimulada varios
milisegundos antes o después de la excitatoria, su actividad será inefectiva.
Solamente tendrá influencia sobre la actividad de la célula, contrarrestando la
actividad excitatoria, si se producen con cierta sincronía.
La capacidad de modulación de la actividad neuronal depende, entre
otras cosas, de la ubicación de las sinapsis respecto del sitio de inicio del
potencial de acción. Dado que los potenciales sinápticos se propagan
electrotónicamente, una sinapsis ubicada en una dendrita lejana del soma
neuronal tendrá un influencia mucho menor que otra de iguales
características ubicada cerca del mismo.
Muchos otros factores contribuyen a la excitabilidad neuronal. Por
ejemplo, variaciones del potencial de reposo de la neurona debido a la
activación o inhibición de canales de K+ mediados por receptores
metabotrópicos se suman a la actividad sináptica y contribuyen a determinar
la actividad final de la neurona, medida como número y distribución en el
tiempo de potenciales de acción.
100
10. La contracción muscular
En los capítulos anteriores, hemos visto cómo el estímulo inicial del arco
reflejo genera una señal eléctrica que, en sucesivos pasos, se transforma en
química y nuevamente en eléctrica. Finalmente, se genera un potencial de
acción en la fibra muscular que induce la contracción de la misma (Fig. 1).
REGISTRO DE
LA CONTRACCIÓN
MUSCULAR
POTENCIAL
DE ACCIÓN
ESTIMULACIÓN
30 mV.
5 gramos
5 mseg.
Figura 1: Esquema del diseño experimental. A la derecha, la fibra muscular
es estimulada a través del nervio mientras se registra la actividad eléctrica y
mecánica. A la izquierda, un registro de potencial de acción y de la
contracción que este desencadena. Puede notarse que la contracción se
inicia más tardíamente y es mucho más prolongada en el tiempo.
Los músculos son órganos activos, capaces de producir movimientos
organizados. Existen básicamente tres tipos de músculo: esquelético, visceral
y cardíaco; tomaremos el primero como modelo de estudio.
El músculo esquelético está formado por células multinucleadas,
extremadamente alargadas, rodeadas por tejido conectivo. Estas fibras
musculares tienen un diámetro entre 10 y 100 micras y pueden alcanzar más
de 35 cm. de longitud. Por su extrema longitud, se las llama fibras.
Las fibras musculares son células excitables altamente especializadas y
caracterizadas por tener el citoplasma lleno de fibras proteicas, estructuralmente
muy organizadas (Fig. 2). Es necesario entender la ultraestructura de la fibra
muscular para comprender el mecanismo de contracción muscular.
101
Figura 2: Ultraestructura de la fibra muscular. A la izquierda, un esquema
de bajo aumento donde se muestran las miofibrillas formadas por
miofilamentos y dispuestas en forma ordenada a lo largo de la fibra
muscular. El corte de las miofibrillas permite observar la disposición regular
de los miofilamentos. Entre las miofibrillas, el mioplasma contiene
mitocondrias y núcleos. Rodeando las miofibrillas, se encuentra el retículo
sarcoplásmico, con sus dos porciones: la cisterna terminal y la porción
longitudinal. Nótese la estrecha relación entre el túbulo T y la cisterna
terminal del retículo sarcoplásmico. A la derecha, una imagen al
microscopio electrónico y un esquema de una miofibrilla en corte
longitudinal. El esquema muestra la disposición de los filamentos que
generan las bandas A e I.
10.1 Ultraestructura de la fibra muscular
Dentro de la fibra muscular, encontramos densos paquetes de proteínas
muy organizadas denominadas miofibrillas, que están dispuestas en forma
paralela entre sí y al eje mayor de la célula. Las miofibrillas son pequeñas
unidades estructurales y funcionales de la fibra muscular. Están compuestas
por un elevado número de miofilamentos, cuya disposición determina la
aparición de bandas o estrías transversales.
En una sección longitudinal, se puede apreciar una serie de bandas
transversales al eje mayor de la célula muscular, con alternancia de zonas
claras o bandas I y zonas oscuras o bandas A. Las miofibrillas no presentan
102
envolturas y los espacios entre ellas están ocupados por el citoplasma de la
fibra muscular, llamado sarcoplasma o mioplasma, que contiene núcleos y
mitocondrias y a través del cual se esparce una red de túbulos y sacos
denominada en su conjunto retículo sarcoplásmico. De la membrana
plasmática salen numerosas invaginaciones perpendiculares a la superficie
celular. Estas invaginaciones, denominadas túbulos transversos o T, están
en continuidad con el medio extracelular. Tienen como fin permitir que el
potencial de acción que se propaga por la membrana plasmática también se
propague a la parte profunda de la fibra muscular y permita una contracción
sincrónica de todas las miofibrillas superficiales y profundas de la fibra
muscular. El túbulo T está en estrecho contacto con el retículo
sarcoplásmico (Fig. 2).
En las miofibrillas se distinguen zonas diferenciadas en bandas A e I.
En el centro de las bandas I, existe una línea oscura llamada línea Z. Se
llama sarcómero al espacio comprendido entre dos líneas Z contiguas. Es la
unidad funcional del músculo. Longitudinalmente, en el sarcómero se
pueden distinguir miofilamentos gruesos de miosina y miofilamentos finos
de actina. La miosina y la actina son las proteínas contráctiles. Estos
miofilamentos se desplazan unos sobre otros durante los movimientos de
relajación y contracción.
La miosina está formada por dos componentes: la H meromiosina, de
alto peso molecular, que tiene propiedades de enzima pues degrada el ATP
liberando energía. El otro componente es la L meromiosina, de bajo peso
molecular. El componente L adopta una posición longitudinal y fibrilar, en
tanto las moléculas L se unen entre sí para formar una estructura muy
rígida, que es sobre la que se va a ejercer la fuerza. Este es el punto de
apoyo sobre el que se desarrolla el movimiento para producir el
acortamiento del sarcómero. Por el contrario, el componente de forma
globular H se dispone transversalmente y forma los puentes de unión entre
la actina y miosina (Fig. 3A).
103
Figura 3: A. La cadenas de L meromiosina interaccionan formando el
filamento grueso; la H meromiosina queda con su parte globular
perpendicular al eje del filamento. B. La actina filamentosa formada por la
polimerización de la actina globular está tiene asociada la tropomiosina y la
troponina. C. la interacción de las cabezas de la miosina con la actina
genera un impulso de fuerza orientado al centro del sarcómero. D. Los
sarcómeros se acortan aproximadamente un micrón cada uno por el
deslizamiento de los filamentos finos. Este acortamiento se suma al de los
otros sarcómeros en serie y producen el acortamiento general del músculo.
El filamento fino está constituido por tres componentes diferentes: actina,
tropomiosina y troponina (Fig. 3B). La columna vertebral del filamento de
actina es una molécula fibrilar de cadena doble. Un extremo de la molécula
fibrilar de actina se halla fuertemente encajado en los discos Z, mientras sus
otros extremos se sitúan entre los filamentos de miosina (Figs. 2 y 3C). Cada
cadena de actina fibrilar está formada por moléculas polimerizadas de actina
globular, que son los sitios activos de los filamentos de actina, allí donde los
104
puentes cruzados de los filamentos de miosina intervienen para generar la
contracción muscular.
La tropomiosina es una molécula que se une laxamente con la actina
fibrilar. En estado de reposo, la tropomiosina tapa los sitios activos de forma
que estos no pueden reaccionar con los filamentos de miosina para
desencadenar una contracción. Cada molécula de tropomiosina bloquea siete
de estos sitios activos. Unida a uno de los extremos de la molécula de
tropomiosina, se halla un complejo de proteínas llamadas troponina, una de
las cuales, la troponina C, tiene alta afinidad por el Ca2+.
Por medio de un ensayo experimental, en el que las proteínas contráctiles
estén disueltas en una solución iónica similar al medio intracelular que
incluye ATP, pero totalmente libre de Ca2+, se puede demostrar que la actina
y la miosina se unen fuertemente. Si al filamento de actina se le añade el
complejo de troponina-tropomiosina, la unión actina-miosina no se produce.
Si en estas condiciones se agrega Ca2+ a la solución, el complejo actinamiosina sí se produce. Estos resultados concuerdan con la idea de que,
cuando los iones Ca2+ se combinan con troponina C, quedan al descubierto
los sitios activos del filamento de actina y permiten la interacción con las
cabezas de los puentes de miosina.
Se ha postulado que la unión de la cabeza de miosina con el sitio activo
causa, de manera simultánea, profundos cambios en las fuerzas
intramoleculares entre la cabeza y el brazo. La nueva alineación de las
fuerzas determina que la cabeza se incline hacia el brazo arrastrando con ella
al filamento de actina, fenómeno denominado impulso de fuerza (Fig. 3C).
Inmediatamente después de la inclinación, la cabeza se separa del sitio
activo y regresa a su posición perpendicular normal. En esta posición se
combina con el nuevo sitio que la enfrenta. Entonces se produce una nueva
inclinación, similar a la anterior, con el objetivo de producir otro impulso
de fuerza, y el filamento de actina de desplaza una vez más. De esta forma,
los puentes cruzados tiran del filamento de actina hasta el centro del de
miosina (Fig. 3D).
105
LINEA Z
BANDA A
BANDA I
FILAMENTO GRUESO
MIOSINA
FILAMENTO FINO
ACTINA,
TROPONINA
Y TROPOMIOSINA
Figura 4: A. La interdigitación de los filamentos finos y gruesos, de acuerdo
con la teoría del deslizamiento.
Lo que se acaba de describir es la teoría del deslizamiento de los
filamentos, que fue elaborada en los años 1950 (Fig. 4). Fundamentándose en
ella, se postuló que, a mayor número de puentes o interacciones actina
miosina, mayor es la fuerza de contracción. Esto es así, ya que si el músculo
está muy estirado o muy relajado, el número de puentes que se pueden
establecer es menor y la fuerza no es óptima. La fuerza óptima se alcanza
cuando el sarcómero mide 2,3 micrones de longitud. Es la que tienen los
músculos cuando están levemente estirados como el bíceps, cuando el brazo
esta en semi-flexión.
10.2 Acoplamiento excitación-contracción
Se entiende por acoplamiento excitación-contracción el mecanismo por el
cual la señal despolarizante (potencial de acción) genera la contracción muscular.
Las fibras musculares mantienen muy baja su concentración de Ca2+ en el
mioplasma. Sin embargo, tienen una considerable cantidad de Ca2+
106
acumulado en las cisternas del retículo sarcoplásmico, el que liberado al
mioplasma desencadena la contracción muscular.
Cuando se genera un potencial de acción en la fibra muscular, este se propaga
activamente por toda la membrana superficial y por el sistema tubular T. El
túbulo T está en contacto con una parte ensanchada del retículo sarcoplásmico,
conocida como cisterna terminal. Asimismo, el túbulo T y las cisternas están
extremadamente cerca y, además, existen unos puentes proteicos que los unen.
Estudios moleculares identificaron estos puentes como canales de calcio
modificados que no permean Ca2+ pero que se alteran con los cambios de voltaje,
como los producidos por el potencial de acción. Los cambios de conformación de
las proteínas de los puentes son transmitidos a los canales de calcio que abundan
en las cisternas del retículo sarcoplásmico. Esta interacción mecánica directa
entre el sensor de voltaje en el túbulo T y el canal de calcio del retículo es
específica para el acoplamiento excitatorio contráctil (Fig. 5).
TÚBULO T
Ca 2+
SENSOR
DEL VOLTAJE
Ca 2+
Ca 2+
RETICULO SARCOPLÁSMICO
CANAL DE Ca2+
Figura 5: Acoplamiento excitación-contracción. El potencial de acción
invade los túbulos T, activando los canales de Ca2+ del retículo
sarcoplásmico. El Ca2+ liberado actúa sobre la maquinaria contráctil y es
recaptado por la porción longitudinal del retículo.
107
Cuando se produce un PA, la cantidad de Ca2+ liberada es suficiente para
aumentar la concentración mioplasmática de Ca2+ de 10-8 a 10-5 M. El Ca2+
liberado es sólo una pequeña fracción del Ca2+ en reserva. Un nuevo
potencial de acción producirá una nueva liberación que puede sumarse a la
anterior y así aumentar la fuerza contráctil. A fin de que el músculo se relaje,
es necesario remover el Ca2+ del mioplasma y así tapar el sitio de interacción
de la miosina con la actina. La encargada de recuperar el Ca2+ liberado es la
porción longitudinal del retículo sarcoplásmico, que por medio de un
mecanismo activo introduce nuevamente el Ca2+ dentro del sistema de
membrana; también por un mecanismo activo, ese Ca2+ vuelve a ser
concentrado en la cisterna.
108
11. Comentario final
La generación de un movimiento mediante la contracción del músculo
completa el ciclo iniciado por el estímulo doloroso en la piel o por el
estiramiento del tendón de la rótula. La señal inicial adoptó distintos tipos de
energía y viajó a través de distintos tipos celulares. En todos los casos, el
juego de los iones, atravesando la membrana, se concatenó con sustancias
químicas que actuaron sobre receptores específicos.
La información que fluye por los circuitos neuronales es también esencial
para que las neuronas se desarrollen y adquieran su propia identidad. Las
neuronas surgen de células madres que se van diferenciando de acuerdo a un
programa genético que determina algunas de las propiedades que les
permiten comunicarse con el medio ambiente y con las otras neuronas que la
rodean. Las neuronas en su crecimiento emiten prolongaciones que son
guiadas para que establezcan las conexiones adecuadas. Las neuronas
encuentran señales que, como postas en el camino, atraen al axón en
crecimiento o lo rechazan, lo hacen girar o cruzar la línea media. Muchas de
estas señales están determinadas en el programa genético pero esto no es
suficiente. Es necesaria la actividad de las neuronas, es decir la generación
de impulsos nerviosos que desencadenan la comunicación química y
eléctrica, para el arreglo fino de las conexiones sinápticas.
Un clásico ejemplo se encuentra en la sinapsis neuromuscular de los
mamíferos que al momento del nacimiento esta inervada por 3 a 5 axones
provenientes de diferentes motoneuronas de la medula espinal. La actividad
muscular mediada por los arcos reflejos generan una competencia que hace
que todos menos un axón sean eliminados.
Un proceso similar se da en la corteza visual donde al momento del
nacimiento no existen zonas especificas relacionadas con el ojo derecho o el
izquierdo. La actividad visual dirige una remodelación de los contactos
sinápticos tal que a las pocas semanas existen neuronas corticales que sólo
responden a la estimulación del ojo izquierdo y otras al derecho.
Todos estos cambios “plásticos” fueron descriptos inicialmente en el
sistema nervioso en desarrollo. Hoy sabemos que el SNC del adulto no es una
109
maraña de cables rígidos con conexiones inalterables. El cerebro adulto
también esta en continuo movimiento Los contactos sinápticos, en fracción
de segundos, cambian de tamaño, de número de receptores y por lo tanto
cambia su grado de influencia sobre la actividad de la neurona inervada.
Fenómenos relacionados con la memoria y el aprendizaje se explican en base
a modificaciones de la actividad sináptica de las neuronas de la corteza
cerebral, en particular el hipocampo.
En los últimos años se ha demostrado que el SNC del adulto también
tiene capacidad de generar nuevas neuronas a partir de células precursoras
que se mantuvieron “congeladas” Se sabe que al despertar estas neuronas
migran, se ramifican y establecen nuevos contactos integrándose al
circuiterío de la corteza cerebral. Todavía no se sabe cuales son sus
implicancias fisiológicas.
El estudio dinámico a nivel celular del SNC y su relación con el
comportamiento es una de las batallas científicas del momento. El desarrollo
tecnológico de cámaras digitales de alta sensibilidad y de substancias
fluorescentes capaces de incorporarse a las células y cambiar sus
propiedades con los cambio de voltaje o con la concentración de Ca2+ permite
visualizar y seguir las modificaciones plásticas en una gran variedad de
preparaciones biológicas tales como la corteza cerebral en un animal entero.
Es mi intención que en estas líneas finales el lector advierta el dinamismo
que existe en los fenómenos básicos descriptos en este libro y que tome
conciencia de que solo hemos analizado algunas de las cartas que el sistema
nervioso utiliza en el misterioso juego que nos permite movernos,
comunicarnos, pensar, sentir y tener conciencia de que existimos.
110
12. Bibliografía recomendada
Hille, B.: Ionic channels of excitable membranes, Sunderland (Mass.),
Sinauer, 2001.
Nicholls, J. G., Martin, A. R., Wallace, B. G. and Fuchs, P. A.: From Neuron
to Brain, Sunderland (Mass.), Sinauer, 2001.
Shepherd, G.: Neurobiology, New York, Oxford University Press, 1994.
Purves, D. et al.: Neuroscience, Sunderland (Mass.), Sinauer, 1997.
111
112
Sobre el autor
El doctor Osvaldo Daniel Uchitel es doctor en Medicina, Profesor
Titular Ordinario del Departamento Fisiología y Biología Molecular y
Celular de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de
Buenos Aires. Además es Investigador Superior del Consejo Nacional de
Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Director Interino del
Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias. IFIBYNE–
CONICET y Director Adjunto del Departamento Fisiología y Biología
Molecular y Celular de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la
Universidad de Buenos Aires. Asimismo, es revisor de publicaciones
científicas internacionales. Posee numerosos trabajos científicos, en revistas
de difusión nacional e internacional. Ha recibido varias becas de instituciones
científicas nacionales e internacionales.
113
114
Índice
Agradecimientos .................................................................................5
1. Introducción ....................................................................................9
2. Las células, pequeñas baterías eléctricas generan
el potencial de membrana. ..............................................................16
2.1 Potencial de membrana .......................................................19
3. Generación y propagación de señales en las células
excitables. El potencial de acción. ...................................................30
4. Los canales iónicos y su modulación por el voltaje ....................35
4.1 Registro de canales únicos en parches
de membrana (patch clamp) ......................................................36
4.2 Canales iónicos sensibles a voltaje y excitabilidad celular ..37
4.3 Reconstrucción del potencial de acción ...............................40
4.4 Estructura molecular de los canales iónicos .........................42
4.5 Canalopatías .........................................................................44
5. Propagación de las señales eléctricas ..........................................49
5.1 Propagación del potencial de acción ....................................51
6. Estructura y función de la sinapsis .............................................57
6.1 Sinapsis eléctricas ................................................................58
6.2 Sinapsis químicas .................................................................59
6.3 Liberación cuántica de neurotransmisor ..............................61
6.4 Vesículas sinápticas y reciclado vesicular............................66
6.5 El comportamiento postsináptico .........................................68
7. Los neurotransmisores y su ciclo.................................................74
7.1 Identificación del neurotransmisor .......................................74
7.2 Síntesis, almacenamiento, liberación y remoción
del neurotransmisor ....................................................................77
7.3 La acetilcolina (Ac) y la sinapsis colinérgica.......................79
7.4 Aminoácidos excitatorios e inhibitorios...............................80
115
8. Los receptores y la generación de potenciales sinápticos
en la placa neuromuscular ...............................................................83
9. Potenciales excitatorios e inhibitorios. Integración neuronal
de la actividad sináptica. .................................................................93
9.1 Sinapsis excitatorias .............................................................93
9.2 Sinapsis inhibitorias .............................................................97
9.3 Integración de las señales .....................................................99
10. La contracción muscular..........................................................101
10.1 Ultraestructura de la fibra muscular .................................102
10.2 Acoplamiento excitación-contracción ..............................106
11. Comentario final .......................................................................109
12. Bibliografía recomendada........................................................111
Sobre el autor ..................................................................................113
116
Colección Ciencia joven
1
Una expedición al mundo subatómico. Átomos, núcleos
y partículas elementales
Daniel de Florian
2
Números combinatorios y probabilidades
Ricardo Miró
3
Las plantas, entre el suelo y el cielo
Jorge Casal
4
Introducción a la geología. El planeta de los dragones de piedra
Andrés Folguera, Víctor A. Ramos y Mauro Spagnuolo (coords.)
5
Biomateriales. Una mejor calidad de vida
Gustavo S. Duffó
6
Reproducción humana
Marta Tesone
7
La física y la edad de la información
Marcelo J. Rozenberg
8
Biodiversidad y ecosistemas. La naturaleza en funcionamiento
Claudio M. Ghersa
9
100 años de relatividad
Diego Harari y Diego Mazzitelli
10
Entre el calamar y el camello. O del control del medio interno
Carlos Amorena y Alejandra Goldman
117
11
Por los senderos de la noche. Guía de viaje para mochileros del Universo
Pedro Saizar
12
La física de los instrumentos musicales
Javier Luzuriaga y Raúl O. Pérez
13
La intimidad de las moléculas de la vida. De los genes a las proteínas
Martín Vázquez
14
El lenguaje de las neuronas
Osvaldo Uchitel
15
Biología marina
Pablo E. Penchaszadeh y Martín I. Brögger
16
El universo de las radiaciones
Jorge Fernández Niello
17
Construyendo con átomos y moléculas
Índigo
18
Evolución y selección natural
Esteban Hasson
19
El aire y el agua en nuestro planeta
Inés Camilloni y Carolina Vera
20
Respuesta inmune. Anticuerpos, alergias, vacunas y reproducción humana
Ana Cauerhff, Guillermo Horacio Docena, Carlos Alberto Fossati
y Fernando Alberto Goldbaum
21
Contaminación y medio ambiente
Daniel Cicerone
118