Neurobiología

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La neurona

Los átomos forman moléculas. Existen moléculas en cuya composición participa un grupo amino (NH2) por lo cual son llamadas moléculas aminas, otras moléculas son ácidas. Definidas laxamente, las moléculas ácidas pueden definirse como moléculas que pueden liberar protones o un ion de hidrógeno, de la mezcla de ambas alrededor de un esqueleto de carbono surge un aminoácido, a su vez los aminoácidos puede unirse para formar péptidos, un péptido de dos aminoácidos es un dipéptido, de cinco es pentapéptido, etcétera. A los péptidos que participan en la sinapsis, se le conoce como neuropéptido. Cuando se trata de un péptido con muchos aminoácidos se le llama polipéptido, no existe un acuerdo formal pero cuando un polipéptido tiene alrededor de cien aminoácidos se habla ya de una proteína. Una vez aclarado este punto podemos pasar a nuestro asunto.

Neuronas es el nombre que se les da a las células del sistema nervioso. Estas células tienen la función de transmitir información a través del organismo. Una neurona típica consta de tres secciones: un cuerpo o soma, un axón y un árbol dendrítico. En el soma se encuentran la mayoría de los organelos celulares, el núcleo y el nucleólo de la célula. En el núcleo de la neurona se encuentran las largas hélices dobles del ADN, es decir las indicaciones codificadas de cómo debe construirse todo un organismo, el ADN que posee la neurona es el mismo que poseen las células del hígado, los eritrocitos de la sangre o del dedo gordo del pie, no hay diferencia y es por ello que cualquier célula puede ser usada para clonar un organismo. La diferencia entre una célula y otra radica en cuales secciones del ADN van a usar para construir y operar la célula. Debido a que el ADN nunca abandona el núcleo debe haber un mensajero que transporte las indicaciones para la construcción de proteínas del ADN al lugar de síntesis de proteínas, esta función es realizada por otra molécula larga, el ácido ribonucléico mensajero o mARN. El mARN copia una sección de ADN en un proceso llamado transcripción, lo transporta hacia el exterior del núcleo a través de los poros nucleares, diminutos hoyos en la doble membrana del núcleo de 0.1 µm de diámetro. Todas las síntesis de proteínas que utiliza la célula se realizan en en algún lugar del citoplasma del soma, en un proceso que se conoce como traducción en el cual las proteínas son ensambladas siguiendo las instrucciones contenidas en el mARN. Esquemáticamente podemos representar así el proceso:

ADN-->transcripción --->  :mARN--->traducción--->proteína

No lejos del núcleo encontramos capas rugosas de membrana dotadas con numerosas estructuras globulares llamados ribosomas, de 25 nm de diámetro. Las capas rugosas son llamadas retículo endoplásmico rugoso o RER. El RER es el sitio donde ocurren la gran mayoría de síntesis de proteínas de la células y es particularmente abundante en las neuronas, más que en ningún otro tipo de célula en el organismo. Los ribosomas son los encargados de tomar "material crudo" (aminoácidos simples) y transformarlos en las proteínas que la célula necesita. Algunas veces los ribosomas están agrupados por un hilo de mARN como abejas a una sola flor, estos ribosomas trabajan juntos para hacer múltiples copias de la misma proteína. Al parecer si la proteína está destinada a permanecer en el citoplasma el ribosoma sale del RER y se le ve "libre", pero si la proteína será encapsulada para un organelo o para cruzar la membrana el ribosoma sintetiza la proteína en el RER.

Por otra parte el retículo endoplásmico liso o REL está conformado por el mismo tipo de membrana que el RER pero sin los ribosomas, está encargado de almacenar ciertas proteína y de regular las sustancias dentro de la célula, sobre todo el calcio. El REL es particularmente abundante en las células musculares. Por otro lado el aparato de Golgi empaqueta en vesículas tanto sustancias de desecho derivadas del metabolismo celular como aquellas necesarias en ciertos lugares de la célula.

Las mitocondrias son organelos encargados de la generación de energía necesaria para que la célula pueda cumplir sus funciones vitales, la mayoría de las mitocondrias tienen forma de salchicha alemana de una micra de largo pero algunas son esféricas. Las mitocondrias están conformadas por una doble membrana, la membrana interna se pliega formando crestas, el espacio que hay entres una cresta y otra es llamado matrix. Las mitocondrias son organelos particularmente interesantes.

De acuerdo con la teoría moderna hace millones de años las mitocondrias eran bacterias patógenas que vivían independientes, infectando células de forma parasitaria, estas células realizaban sus procesos aerobios en el citoplasma, cuando las mitocondrias infectaron las células de alguna manera pudieron sobrevivir ambas (el huésped y el anfitrión) en un proceso simbiótico benéfico para ambas. Por un lado, la mitocondria se aseguraba un medio ideal para prosperar, por el lado de la célula, está encontró que la huésped era muy eficiente en oxidar ácido pirúvico y así producir energía en forma de ATPasa. Hasta la fecha, las mitocondrias poseen su propio ADN y su propio método de reproducción, cuando un nuevo ser es concebido sólo la madre aporta las mitocondrias, por lo cual se puede hacer un rastreo mitocondrial de nuestras antepasadas. Hace 2500 años un filósofo griego, Heráclito, pensaba que la vida estaba hecha de fuego, quizás tenía razón, el fuego es una oxidación rápida y la energía celular de la mitocondria es una oxidación lenta, de modo que somos llamas en combustión.

Volviendo al rigor científico, el ácido pirúvico es resultado de la digestión de sacarosas, proteínas y grasa, todos estos elementos flotan en el citoplasma, cuando la mitocondria "respira" el oxigeno y el ácido pirúvico pasan al interior de la mitocondria donde el ácido pirúvico sufre complejas transformaciones llamadas ciclo de Krebs, el resultado es adenosin trifosfato o ATP: el combustible de la célula. La mitocondria es muy eficiente, al "exhalar" libera 17 moléculas de ATP por cada molécula de ácido pirúvico que "respiró".

Hasta aquí hemos hablado de mitocondrias, núcleo, ADN, etcétera, todas estas cosas son elementos comunes a todas las células del cuerpo pero el axón es algo exclusivo de las neuronas. El axón comienza en la llamada protuberancia axonal, el punto de la membrana somática desde donde parte el axón. Dos características distinguen al axón del soma, primero en el axón no hay retículo endoplásmico (RE) y apenas hay ribosomas, segundo la composición proteica de la membrana axonal es esencialmente diferente de la del soma. Estas diferencias producen cambios funcionales entre el axón y el soma. En primer lugar, dado que no hay ribosomas, en el axón no se produce ninguna síntesis de proteína, por lo cual todo el material proteico debe ser "importado " por el axón. A su vez, el cambio en la composición de la membrana es lo que permite que el axón funcione como un "cable de transmisión" capaz de alargarse hasta zonas distantes del soma, de hecho hay axones que miden un milímetro y otros que miden más de un metro. Los axones que parten del soma y alejan la señal sináptica de la neurona son llamados eferentes y los que llevan la señal eléctrica hacia la neurona son llamados aferentes. Muchas veces de un axón central parten bifurcaciones, estas bifurcaciones del axón principal son llamados axones colaterales. La zona donde el axón termina es llamada axón terminal o botón terminal.

En su diámetro, el axón mide desde una micra hasta mas 25 micras en los humanos, Entre más grueso es un axón más rápido viaja el impulso a través de él. Es en le botón terminal donde el axón entra en contacto con otras neuronas, el punto de contacto es llamado "sinapsis" que en griego quiere decir "mantenerse juntos". En algunas ocasiones, el axón se bifurca en varios botones terminales, en esos casos al conjunto de botones se le llama árbol terminal.

Las dendritas son la parte de la neurona encargada de recibir el flujo eléctrico o potencial de acción. Su nombre deriva de la palabra griega para "árbol" debido a su aspecto bifurcado parecido a la arborescencia de las ramas. De las ramas dendríticas brotan pequeñas protuberancias llamadas espinas dendríticas. En estas espinas se encuentran las secciones postsinápticas de los procesos de comunicación (en los axones está la parte presináptica).

El exterior de la membrana tiene una carga positiva, mientras el interior posee una carga negativa. Tanto en el interior como en el exterior se encuentran las mismas sustancias, pero en una concentración diferente. es por esta razón que el potasio K+ tiende a ser expulsado fuera de la célula por la fuerza de difusión, pero al mismo tiempo la presión electrostática impulsa al K+ hacia el interior, manteniéndose así un equilibrio. Del mismo modo los iones de cloro (Cl-) tienden a introducirse a la célula por la membrana externa positiva, y a la vez son rechazados por la carga negativa del interior. Los experimentos han demostrado que la membrana permite que cierta cantidad de sodio (Na+) se filtre hacia el interior, pero una mecanismo llamado bomba de sodio-potasio impulsa al Na+ fuera del axón. Dicha bomba está formada por moléculas individuales de proteínas situadas en la membrana, estas moléculas metabolizan nutrientes necesarios para la célula gracias la energía liberada por las mitocondrias. En su proceso transportan e intercambian tres iones de sodio hacia al exterior de la membrana por cada dos iones de potasio que envían al interior, por lo cual el potasio es elevado al interior y el sodio en el exterior creándose un ambiente gracias al cual la reacción en cadena que conduce el potencial de acción es posible.

Sinapsis

El famoso experimento en el cual un anca de rana reacciona a la estimulación eléctrica contrayendo los músculos reveló por primera vez que la electricidad estaba de algún modo involucrada con el funcionamiento del sistema nervioso. Es claro que la primera idea que viene a la mente al pensar sobre ello es que los nervios son una especia de "cables" por los cuales pasa la corriente eléctrica, en efecto, existe una sinapsis eléctrica en la cual las neuronas se tocan directamente una a otra y en la que no se liberan neurotransmisores, aún cuando su funcionamiento no es tan sencillo como el de un cable de cobre.

Durante mucho tiempo se creyó que todas las sinapsis tenían un carácter únicamente eléctrico. Muchos pensaban así aunque había quien decía que su accionar se debía más a un fenómeno químico. Por fin, en los años 20's del siglo XX la naturaleza química de la sinapsis fue demostrada por Otto Loewi, un investigador austríaco. El descubrimiento de Loewi está rodeado por una curiosa anécdota: Loewi soñó el procedimiento para solucionar el problema de la sinapsis "me levante a las tres de la mañana, impaciente me dirigí al laboratorio, a las seis el experimento estaba concluido, las tres horas más importantes de mi vida como científico ". En su sueño, Loewi ideó una forma de demostrar la teoría química de la sinapsis. Estimulando el nervio vago de una rana logró reducir su frecuencia cardíaca de manera sostenida, luego aplicó los fluidos de ese corazón en la aorta de una rana no estimulada y observo la misma disminución cardiaca: la teoría estaba demostrada. Loewi llamó a la misteriosa sustancia vagusstoff por provenir del nervio vago. El tal vagustoff resultó a la larga ser acertilcolina, que como veremos es uno de los neurotransmisores más extendidos en el sistema nervioso.

Existen dos tipos de sinapsis, la de tipo eléctrico y la de tipo químico. Las de tipo eléctrico son una minoría, las sinapsis de este tipo se realizan en los músculos, sin duda aparecieron primero en la evolución de los organismos. La sinapsis eléctrica no es de nuestro interés y sólo la he mencionado para dejarla de lado y pasar a las sinapsis de tipo químico.

Todas las sinapsis constan de tres elementos, una zona presináptica, otra postsináptica y una hendidura de entre 20-50 nm que separa a ambas zonas y llena de proteínas que adhieren la membrana pre y postsináptica una a la otra. La zona presináptica está conformada por lo regular por un botón axonal. El botón contiene en su citoplasma docenas de pequeñas esferas llamadas vesículas sinápticas de 50 nm de diámetro. Estas vesículas están repletas de neurotransmisores, es decir sustancias químicas que actúan como mensajeros para comunicarse con otras neuronas a través de la hendidura sináptica. El botón también contiene otro tipo de vesículas, menos numerosas, más grandes (100 nm de diámetro) y llenas de péptidos en lugar de neurotransmisores. Los péptidos son sustancias químicamente más simples que los neurotransmisores y aparecen más obscuros al microscopio electrónico, es por ello que estas vesículas son llamadas vesículas de núcleo denso (VND) mientras las pequeñas son conocidas como vesículas claras (VC).

Existen densas acumulaciones de proteínas en las membranas a ambos lados de la hendidura sináptica. En la zona presináptica las proteínas se aglomeran a lo largo de la membrana formando una apariencia de pirámides obscuras. Estas pirámides y la membrana donde estas tiene su base es conocida como zona activa y señala el lugar donde las vesículas se "anclan" y liberan su neurotransmisor a través de la membrana presináptica. Vistas al microscopio electrónico es relativamente fácil reconocer a las zonas activas pues están conformadas por dos líneas gruesas, mucho más obscuras, y alrededor de una de esas líneas (la membrana presináptica) se observa un enjambre de vesículas claras y unas pocas vesículas obscuras listas para descargar su contenido.

Luego de atravesar la hendidura sináptica el neurotransmisor entra en contacto con la membrana postsináptica, la cual está cubierta por receptores que abren sus canales y permiten convertir la señal química intercelular en una señal intracelular que viaja a través de la membrana de la neurona y llega nuevamente a un axón donde el ciclo comienza de nuevo. El número de receptores de la membrana postsináptica varía y esta variación es conocida como densidad postsináptica. Los receptores sólo responden a un cierto neurotransmisor, de modo que funcionan como "cerraduras" químicas esperando por su llave. La densidad postsináptica puede ser la explicación para algunas enfermedades mentales, específicamente, se cree que los síntomas positivos de la esquizofrenia se debe a una alta densidad postsináptica a los receptores de dopamina D4 en las zonas frontales.

Las sinapsis desde el punto de vista morfológico pueden dividirse según la zona de la células que corresponden a la zonas activas pre y postsináptica. Típicamente, las sinapsis son conformadas por un axón (zona presináptica) y una dendrita (postsináptica). En ese caso se habla de una sinapsis axodendrítica. Sin embargo en el SNC existen muchas combinaciones, axosomáticas, axoaxónicas, dendodendítricas, dendosomáticas.

Desde el punto de vista de las características de la membrana, las sinapsis pueden ser simétricas o asimétricas. Las sinapsis simétricas son aquellas que poseen la zona activa presináptica y la postsináptica del mismo grosor. Las sinapsis simétricas son generalmente de tipo inhibitorio mientras las de tipo excitatorio las zona activa de la zona postináptica es mucho más gruesa que la presináptica. Otra diferencia importante entre las sinapsis inhibitorias y excitatorias radica en que las vesículas claras de las inhibitorias son alargadas mientras que en las excitatorias son esféricas.

¿De dónde salen los neurotransmisores?, ¿cómo pasan los neuropéptidos a través de la membrana presináptica a la hendidura?, ¿qué le pasa al neurotransmisor que queda "flotando" en la hendidura sináptica?. No hay respuestas del todo claras pero ya sabemos algunos detalles, hagamos una revisión de lo que tenemos hasta el momento.

Existen muchos neurotransmisores, hasta la fecha se han descubierta unos 26 pero seguramente se descubrirán muchos más. Entre los neurotransmisores más importantes se encuentran el glutamato (Glu) que es el "abuelo" de los neurotransmisores. El ácido gamma-aminobutírico (GABA) y la acetilcolina (Ach) encargada de los transmisiones musculares y ésta allí donde se necesita una transmisión rápida.

Los neurotransmisores son sintetizados en el retículo endoplásmico rugoso del soma siguiendo las instrucciones del mRNA. La sintetización de los neurotransmisores se produce a partir de sustancias conocidas como precursores. Casi todos los medicamentos hechos para alterar la química cerebral, como los antipsicóticos o los que inhiben los efectos del mal de Parkinson no son neurotransmisores sino precursores. En el caso de las VND los neuropéptidos son sintetizados en el aparato RER y empacados en el aparato de Golgi, de ahí son transportados por el axón hasta el botón terminal a través de los microtúbulos. Los neurotransmisores de las vesículas claras, por otra parte, son elaborados en el citoplasma del botón axonal por enzimas especializadas, transportados y colocados dentro de la vesícula por proteínas transportadoras y colocados dentro de vesículas cuya membrana posee cierta afinidad con proteínas llamadas SNAREs. Pronto veremos la importancia de esta afinidad.

Llenas de neurotransmisores, y listas para descargarlos en la hendidura sináptica, las vesículas claras permanecen inmóviles frente a la zona activa en un fenómeno llamado anclaje.

Exocitosis

Las vesículas claras liberan los neurotransmisores que contienen al arribar el potencial de acción al botón terminal. La despolarización de la membrana causa que canales de calcio se abran y el calcio del exterior ( Ca2+ ) pase al interior. Los canales de calcio son muy similares a los canales de sodio discutidos más arriba, excepto que ellos son permeables al calcio y no al sodio. Estos canales de calcio que se abren permiten que una pequeña cantidad de iones penetre en el botón axonal, a la suma de iones de calcio en el interior se le llama concentración iónica de calcio [Ca2+]i. La concentración iónica en el citoplasma del botón axonal es muy pequeña, alrededor de los 0.0002 mM, pero a unos nanómetros de la zona activa presináptica el calcio puede alcanzar al interior de la membrana niveles tan altos como 0.3 mM, suficiente como para que la vesículas descarguen su preciosa carga en un proceso llamado exocitosis.

La membrana de la vesícula se fusiona con la membrana de la zona activa presináptica, permitiendo que los neurotransmisores se descarguen en la hendidura. La exocitosis se produce a una enorme velocidad, del momento en el que los iones de calcio penetran al botón al momento de la descarga transcurren menos de dos milisegundos. Esta velocidad se debe, en parte, a que los iones de calcio penetran por la zona activa, justamente donde las vesículas aguardan ancladas. El mecanismo por el cual el incremento de Ca2+ desencadena el proceso de exocitosis representa una estimulante laguna de ignorancia en las neurociencias, debido a ello poderosas luces se han enfocado a este proceso.

Debido a su velocidad, es de suponer que las vesículas no se encuentran tan sólo ancladas frente a la zona activa sino que de algún modo ya han tomado algunos pasos previos y están listas para descargar. Se cree que en el proceso de anclaje proteínas especializadas (las SNAREs) vinculan a la vesícula con la zona activa, al cambiar el medio químico por el incremento en el [Ca2+]i las SNAREs modifican su conformación y de esta forma la bicapa lípida de la vesícula y de la membrana presináptica se fusiona formando un poro que permite al neurotransmisor escapar hacia la hendidura. El poro continua abriéndose hasta el punto en que la vesícula es incorporada totalmente en la membrana presináptica. En este punto el proceso de exocitosis concluyo y se inicia la endocitosis, durante la cual la membrana vesicular es recuperada por la neurona.En la exocitosis, la membrana de la vesìcula secretora se fusiona con la membrana celular liberando el contenido de la misma.

Enlaces

Véase también

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• Biología
• Sistema nervioso central