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Sinápsis, comunicación neuronal...

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Fisiología humana, 4e

Capítulo 7: Transmisión sináptica Carlos Caputo, Ph.D.; Érica Jaffe, M.D. Ph.D.

Introducción Introducción** La sinapsis es la estructura responsable de la transmisión química o eléctrica entre dos células a nivel del sistema nervioso. En 1856 Claude Bernard describió por primera vez el sitio de unión entre un nervio y una fibra muscular, mientras que a fines del siglo xix Santiago Ramón y Cajal demostró claramente la presencia de estructuras, conocidas como botones sinápticos, a través de las cuales se suponía que podían establecerse contactos funcionales entre las neuronas. En 1897 Charles Sherrington fue el primero en utilizar el término sinapsis para describir la entidad anatómica y fisiológica especializada para la transmisión de información a nivel del sistema nervioso central. Esta última puede ocurrir de dos maneras distintas, una química y la otra eléctrica; en ambos casos existen estructuras especializadas denominadas sinapsis químicas o eléctricas, respectivamente. * Los autores expresan su gratitud a los profesores R. Llinas y A. Peters por permitir el uso de algunas figuras y a la Lic. Pura Bolaños por su experta ayuda editorial. Asimismo, agradecen a Springer Science and Business Media y a la American Physiological Society por permitirles utilizar las fotografías de la figura 7-2.

Transmisión sináptica Las sinapsis químicas se caracterizan por la presencia de vesículas en el elemento presináptico, la presencia de regiones de mayor densidad a nivel de las dos membranas celulares, por una hendidura o espacio sináptico entre las dos membranas y un retraso en la transmisión de la señal entre el elemento presináptico y el postsináptico. Algunas de estas características pueden observarse en la micrografía electrónica de la figura 7-1, que muestra la unión de dos elementos presinápticos, constituidos por terminales nerviosos, con un elemento postsináptico compuesto por una dendrita. Se aprecian las vesículas presinápticas SSV (flecha larga), que son organelos especializados para almacenar, transportar y liberar diferentes tipos de sustancias transmisoras, denominadas neurotransmisores; las estructuras densas a nivel de las membranas pre y postsinápticas (triángulo) debidas a la presencia de diversas proteínas, que actúan como canales o receptores, y la de un espacio sináptico que separa las dos membranas cuyo ancho puede variar entre 15 y 50 nm. Fig u r a 7- 1

Micrografía de dos sinapsis químicas con vesículas (flecha) en el terminal axónico y las densidades postsinápticas (triángulo). Se observan dos axones haciendo sinapsis sobre una dendrita. Modificada de Peters et al. 1976.

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Por otra parte, las sinapsis eléctricas están constituidas por estructuras especializadas, las uniones estrechas, las cuales están formadas por estructuras proteicas específicas, las conexinas, que son vías que permiten la formación de vías de comunicación entre dos células y el paso directo de iones y de algunas sustancias químicas entre ellas.

Sinapsis químicas: unión neuromuscular La unión neuromuscular es una sinapsis de tipo químico de gran importancia histórica, pues debido al gran tamaño de las fibras musculares permitió registrar, por primera vez, eventos postsinápticos unitarios con microelectrodos intracelulares. En esta sinapsis los axones pierden su capa de mielina y se dividen en ramas terminales que se alojan en la superficie de las fibras musculares, como se muestra en la figura 7-2A. A nivel del sitio de unión entre terminal nervioso y fibra muscular, en la superficie de esta última, se encuentran hendiduras sinápticas, como se ve en la figura 7-2B. La hendidura sináptica que separa la membrana presináptica de la postsináptica tiene un ancho de aproximadamente 50 nm en la unión neuromuscular de los mamíferos. En ésta se encuentran, espaciados regularmente, surcos postsinápticos que penetran desde la hendidura sináptica hacia el interior de la fibra. En el caso de la unión neuromuscular, esta región de especialización postsináptica se denomina placa motora. Por otra parte, como en todas las sinapsis químicas, la membrana del terminal presináptico presenta regiones de electrón densas, y asociadas a éstas, se encuentran grupos de vesículas que en la unión neuromuscular contienen exclusivamente acetilcolina como transmisor. Fig u r a 7- 2

A . Micrografía con microscopio electrónico de barrido de un nervio (N) con sus ramificaciones (R), estableciendo dos uniones neuromusculares (NM) con dos fibras musculares (M) de cobayo. Modificada de Desaki y Uehara, con el amable permiso deSpringer Science and Business Media . B . Vista de la zona de unión neuromuscular de rata con aparato subneural. Se distinguen las hendiduras (ST) y los pliegues sinápticos. Modificada de Ishikawaet al. Con permiso de la American Physiological Society .

Potenciales de la placa motora La disposición de los terminales nerviosos en la unión neuromuscular de las fibras musculares esqueléticas ha permitido el registro eléctrico en la región de la placa motora de eventos postsinápticos, primero con electrodos extracelulares, y luego con microelectrodos intracelulares. Usando estos últimos, Del Castillo y Katz (1954b) obtuvieron registros intracelulares de la despolarización transitoria de la membrana de la fibra muscular, o potencial de placa motora (EPP, end plate potential ) evocado por estimulación del nervio motor correspondiente, como puede verse en la figura 73. Los EPP constituyen un ejemplo de potencial postsináptico excitatorio que bajo condiciones normales llevaría a la generación de un potencial de acción a nivel de la fibra muscular causando su contracción; para evitar esto, Del Castillo y Katz disminuyeron de manera experimental la amplitud del EPP por debajo del valor umbral para la generación del potencial de acción, utilizando 10 mM Mg2+, que efectivamente reducen la cantidad de acetilcolina liberada (Del Castillo y Katz, 1954a). De esta manera los registros de la figura 7-3 representan EPP subumbrales, cuya magnitud parece variar como múltiplo de un valor unitario. Otra manera de reducir la respuesta postsináptica es mediante el uso del curare, que actúa a nivel postsináptico, inhibiendo la interacción de la acetilcolina con sus receptores. Los registros de la figura 7-3 también muestran la presencia de algunas variaciones menores de potencial, sobrepuestas a los EPP. Estas variaciones se deben a la liberación espontánea de pequeñas cantidades de acetilcolina que, como se verá después, constituyen las bases de la teoría vesicular de liberación de neurotransmisores. Fig u r a 7- 3

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A . Esquema del sistema utilizado para estimulación del nervio y registro de potenciales intracelulares de fibras musculares. B . Registros de potenciales de placa motora evocados por estimulación del nervio, en una preparación tratada con 10 mM de magnesio para disminuir la amplitud de las respuestas. La amplitud de los registros fluctúa y se aprecia cómo los EPP aumentan de manera discreta. Modificada de Del Castillo y Katz, 1954.

Desde los trabajos de Dale y colaboradores, a principios del siglo xx, se sabía que la estimulación del nervio motor causaba la liberación de acetilcolina, presente en grandes cantidades a nivel de los terminales nerviosos. El almacenamiento de acetilcolina en elementos vesiculares a nivel de los terminales nerviosos fue después demostrado por los trabajos de Whittaker (1964) y de Robertis (1964). La aplicación iontoforética de acetilcolina exógena en la región de la placa motora causa cambios en el potencial de membrana, análogos a los potenciales de placa motora. Estos experimentos además de confirmar a la acetilcolina como el transmisor fisiológico en esta sinapsis, también han permitido determinar la localización y distribución de los receptores de acetilcolina en la región postsináptica, y calcular con cierta aproximación, la cantidad de acetilcolina que se libera del terminal nervioso, en respuesta a la estimulación del nervio motor, determinando cuánta acetilcolina exógena es necesaria para obtener respuestas postsinápticas de la misma amplitud. Es importante destacar que las respuestas a la acetilcolina exógena son disminuidas o eliminadas por el curare, cuyo efecto es postsináptico, pero no por alto Mg2+ que tiene efecto presináptico. La generación de los EPP ocurre con cierto retardo con respecto a la propagación del potencial de acción en los terminales nerviosos. En 1965 Katz y Miledi determinaron que el retraso sináptico definido como el intervalo entre el pico negativo de la señal presináptica y el comienzo de la respuesta postsináptica a 20°C variaba de 0.5 a 0.8 ms, mientras que a 2.5°C el retraso era de 3.5 a 7 ms. Esta marcada dependencia de la temperatura permite concluir que el tiempo necesario para la liberación del transmisor era el factor más importante en el retraso sináptico. La importancia del retraso sináptico se debe a que su presencia claramente indica una discontinuidad eléctrica a nivel de las sinapsis químicas. Downloaded20212121:55PYourIPis148.228.13.22 Capítulo7:Transmisiónsináptica,CarlosCaputo,Ph.D.;ÉricaJaffe,M.D.Ph.D. ©2021McGrawHill.AllRightsReserved.TermsofUse•PrivacyPolicy•Notice•Accessibility

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La acetilcolina (Ach) liberada de los terminales nerviosos difunde a través del espacio sináptico hasta llegar a la membrana postsináptica donde se une a receptores específicos que, una vez activados, causan la despolarización de la membrana. Sin embargo, la interacción de la acetilcolina con sus receptores es interrumpida por la acción de la acetilcolinesterasa que se encuentra localizada en grandes cantidades a nivel de la región postsináptica y rápidamente hidroliza la acetilcolina en colina y ácido acético. Por otra parte, inhibidores de la colinesterasa, como la eserina o la prostigmina causan grandes aumentos en la amplitud y duración de los EPP, y de los potenciales evocados por aplicación local de Ach exógena.

Corrientes sinápticas Los cambios de permeabilidad iónica asociados a los EPP habían sido estudiados por del Castillo y Katz (1954c), quienes de manera indirecta determinaron que un aumento en la permeabilidad al sodio era acompañado por incremento en la permeabilidad al potasio. Los detalles de estos cambios de permeabilidad, tales como el curso temporal y la dependencia del voltaje pudieron ser obtenidos gracias al uso de la técnica de control de potencial, con dos microelectrodos, empleada por primera vez en la preparación neuromuscular por Takeuchi y Takeuchi (1960). En este tipo de experimentos el potencial de membrana medido con un microelectrodo podía ser mantenido o desplazado hacia valores determinados por el experimentador, pasando la corriente necesaria para tal fin a través de un segundo microelectrodo. En estas condiciones se podían determinar la magnitud y la dirección de las corrientes iónicas generadas por la estimulación del nervio motor y causadas por la liberación de la acetilcolina, como función del potencial de membrana. Takeuchi y Takeuchi (1960) pudieron demostrar que al cambiar las concentraciones extracelulares de sodio y potasio por separado se observaban cambios en el potencial de reversión, pudiendo de esta manera concluir que la acetilcolina aumentaba la permeabilidad a esos iones. Estas conclusiones fueron confirmadas por el trabajo de Magleby y Stevens (1972).

Potenciales miniatura espontáneos Katz, Fatt y del Castillo, pudieron registrar con microelectrodos insertados en la región de la placa motora en la cercanía de terminales nerviosos (Fatt y Katz, 1951; Fatt y Katz, 1952; del Castillo y Katz, 1954) cambios muy pequeños de potencial, alrededor de 0.5 mV, los cuales ocurrían espontáneamente y de manera estocástica en condiciones de reposo. La amplitud de estos potenciales denominados potenciales miniatura de placa (mepp) disminuía en presencia de curare y aumentaba, como lo hacía también su duración, en presencia de prostigmina (conocido inhibidor de la acetilcolinesterasa), lo que indica que se originaban por la liberación espontánea de una cierta cantidad de acetilcolina de los terminales nerviosos. Estos potenciales miniatura eran eventos discretos de tipo todo o nada, con amplitud y curso temporal bien definidos. En este respecto se diferenciaban de los potenciales artificialmente evocados por iontoforesis de acetilcolina, ya que la amplitud y curso temporal de estos últimos podían ser finamente modulados por la cantidad de acetilcolina aplicada. Este hecho junto con la posibilidad de disminuir la amplitud de los mepp con curare indicaba que no se debían a la liberación de una o pocas moléculas de acetilcolina sino al impacto de una gran cantidad de moléculas de acetilcolina liberadas de manera sincrónica en un solo paquete sobre los receptores. Al mismo tiempo, la demostración por microscopia electrónica, por de Robertis (1964) y Whittaker (1964), de la presencia de pequeñas vesículas en los terminales presinápticos, y la determinación bioquímica de su contenido, permitieron unificar la evidencia fisiológica con la estructural en una hipótesis según la cual las vesículas constituyen justamente el envoltorio de los paquetes de acetilcolina liberada. Conociendo el diámetro de las vesículas, Katz y Miledi pudieron calcular que dentro de ellas podían caber entre 1 000 y 10 000 moléculas, alrededor de 6 000. Trabajos posteriores con patch clamp, demostraron que la apertura de un solo receptor de acetilcolina causa una corriente que origina cambios de potencial de casi 1 μV, indicando que un potencial miniatura podría ser generado por la apertura de aproximadamente 500 receptores de acetilcolina, o sea que los paquetes de acetilcolina asociados con los potenciales miniatura podrían contener cerca de 1 000 moléculas, ya que se necesitan dos moléculas de acetilcolina para abrir un canal.

Teoría vesicular Para elaborar una hipótesis cuantitativa que explicara la liberación del transmisor en respuesta a la llegada de un potencial de acción en el terminal nervioso, Katz y colaboradores asumieron que la acetilcolina almacenada en vesículas era liberada, de manera todo o nada, de los terminales nerviosos en paquetes discretos o “quanta”, cuya magnitud corresponde a la de las descargas espontáneas miniaturas. Así que un EPP sería la respuesta a la acción de cientos de “quanta”, mientras que un MEPP representa el resultado de la liberación espontánea de un solo “quantum”. De acuerdo con esta hipótesis, la acetilcolina está entonces separada de sus receptores por una barrera constituida por dos membranas, la de la vesícula y la del terminal del axón, y tiene que ser liberada de manera que llega al receptor a alta concentración y de manera sincronizada. Esto podría ocurrir a Downloaded20212121:55PYourIPis148.228.13.22 Capítulo7:Transmisiónsináptica,CarlosCaputo,Ph.D.;ÉricaJaffe,M.D.Ph.D. ©2021McGrawHill.AllRightsReserved.TermsofUse•PrivacyPolicy•Notice•Accessibility

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través de un mecanismo exocitótico por el cual la colisión de una vesícula con la membrana del terminal nervioso puede llevar a la fusión y luego al colapso de las dos barreras. El mecanismo exocitótico será tratado más adelante en este capítulo. En condiciones de reposo el gran número de vesículas presentes en el terminal permite numerosas colisiones aunque sólo alguna de ellas resulta en eventos exocitóticos aislados, los cuales generan los potenciales miniatura. La llegada del potencial de acción al terminal nervioso no altera el tamaño de los paquetes sino su frecuencia de liberación, pudiendo ésta aumentar por un factor de 100 o más. Esto ocurriría porque el número de sitios activos en los cuales se puede producir el evento exocitótico aumenta, por lo cual la probabilidad estadística de los eventos exocitóticos también aumentaría, y por el mismo número de interacciones vesículas-membrana una mayor fracción de colisiones se transformaría en eventos exocitóticos. Debido a esta amplificación cada potencial de acción en el terminal presináptico genera un potencial de acción en la membrana postsináptica, ya que el gran número de “quanta” de acetilcolina liberado garantiza una despolarización supraumbral en la membrana postsináptica. Para estudiar la naturaleza estadística del fenómeno de liberación de paquetes de acetilcolina se hizo necesario disminuir al máximo el número de eventos causados por la llegada de un potencial de acción al terminal nervioso para poder contarlos de manera individual. Disminuyendo la concentración de calcio extracelular y subiendo la de magnesio ya que estos dos cationes tienen efectos antagónicos sobre la liberación de acetilcolina, del Castillo y Katz pudieron medir de manera adecuada la respuesta postsináptica. Los mepp presentaban una distribución de amplitudes de tipo gaussiana, es decir, en forma de campana, con una amplitud promedio de 0.4 mV, con una muy baja desviación, mientras que los EPP tenían una amplitud promedio de 0.933 mV con una variabilidad muy grande y una distribución de amplitudes que no era gaussiana sino multimodal, con picos bien definidos correspondientes a valores de 0.4, 0.8 y 1.2 mV, respectivamente. Esta distribución de valores está de acuerdo con la expectativa según la cual la amplitud de las respuestas evocadas corresponde a valores múltiplos del valor promedio de los meep. Con estos resultados confirmados después por el trabajo clínico de Boyd y Martin, se demostró que la liberación de Ach ocurre en quanta y el número de éstos que se liberan en respuesta a un potencial de acción fluctúa de manera estocástica. Después de algunos años los resultados de Heuser y colegas (1979) aportaron la prueba definitiva e independiente de la hipótesis cuántica-vesicular, con lo que se comprobó, además, que la liberación de neurotransmisores ocurre a través de un proceso exocitótico. Estos autores desarrollaron un método por el cual era posible congelar de manera instantánea tejido muscular a diferentes tiempos, con una resolución de milisegundos, después de haber estimulado su nervio motor. Mediante un microscopio electrónico de barrido, se pudieron detectar vesículas durante el proceso de fusión con la membrana plasmática del terminal nervioso. La fusión y la abertura de las vesículas al espacio sináptico ocurría entre 3 y 5 ms después de haber estimulado el nervio. Para aumentar la resolución temporal y modular la cantidad de vesículas liberadas los autores utilizaron 4 aminopiridina (4-AP) que al disminuir la conductancia retardada de potasio, prolonga el potencial de acción del nervio, aumentando así la magnitud y duración de la liberación de “cuantos”. Variando la cantidad de 4-AP, los autores pudieron demostrar una relación lineal entre el número de vesículas visualizadas en el momento de la fusión y el número de “cuantos” liberados, determinado electrofisiológicamente en experimentos paralelos.

Sinapsis neuronal Las sinapsis entre neuronas se pueden clasificar de acuerdo a las regiones pre y postsinápticas que forman la unión, así puede haber sinapsis axodendríticas, axosomáticas, dendrodendríticas, etc. Algunos de estos tipos de sinapsis se muestran de manera esquemática en la figura 7-4. En la figura también se muestra una neurona con muchas espinas a nivel de las dendritas basales y apicales, pero no a nivel del soma. Las espinas in...