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Se ha mencionado que las formas neuronales son extremadamente variadas (unas 10 000). Esta diversidad citológica es el resultado del proceso embriológico conocido por el nombre de diferenciación. Cada célula diferenciada sintetiza sólo ciertas macromoléculas (enzimas, proteínas estructurales, componentes de membrana, productos de secreción), es decir, utiliza sólo una porción del material genético que contiene. En cierta manera, cada célula diferenciada es el conjunto de macromoléculas que expresa. Muchos componentes de las neuronas son comunes a otras células y, por lo tanto, no son específicos. Otros componentes se encuentran sólo en las neuronas, o sólo en ciertos grupos neuronales, y son entonces específicos; es decir, cada neurona comprende un conjunto de macromoléculas específicas y no específicas.
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Como ejemplo de lo dicho antes, considere algunas diferencias y semejanzas entre los dos componentes neuronales del reflejo miotático. El reflejo miotático está mediado por una neurona sensorial primaria aferente (Ia), con su soma ubicado en los ganglios de las raíces dorsales, y dos prolongaciones, una periférica que termina en el huso muscular del músculo esquelético, y una central hacia la médula espinal. El segundo componente neuronal de este reflejo es la motoneurona α ubicada en el asta anterior de la médula espinal, y sobre la cual hace sinapsis la prolongación central de la aferente primaria Ia.
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La neurona sensorial primaria y la motoneurona α difieren entre sí en: a) su forma (seudounipolar en las aferentes primarias, multipolar en el caso de las motoneuronas α); b) en el tipo de conexiones que recibe (la información de entrada llega a la motoneurona a nivel de las dendritas en 95% y sólo 5% en el cuerpo neuronal; en el caso de las neuronas sensoriales, ello ocurre en uno de los extremos seudounipolares); c) en el tipo de receptor presente en sus membranas celulares (sensible a la deformación celular producida por el estiramiento del músculo en las aferentes primarias; específicos para neurotransmisores como el glutamato, GABA y glicina en las motoneuronas α); d) en el transmisor que emplean (glutamato para las aferentes primarias, acetilcolina para las motoneuronas α).
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Como semejanzas entre ambas neuronas pueden mencionarse, entre otras propiedades: a) similares canales de Na+, K+ y Ca2+ dependientes de voltaje en la membrana neuronal; b) tienen un idéntico mecanismo de intercambio Na-K (la bomba Na/K ATPasa); c) ambos tipos de neuronas presentan axones envueltos por una vaina de mielina.
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Analice a continuación algunos aspectos de la síntesis y distribución de las proteínas neuronales. La fracción de material genético expresada por el sistema nervioso es la mayor del organismo. Unas 200 000 secuencias distintas de RNA mensajero son expresadas en el cerebro, lo que constituye unas 10 a 20 veces más que lo observado en hígado o riñón.
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Con excepción de algunas pocas proteínas codificadas por el genoma mitocondrial, todas las especies de RNA mensajero en las neuronas tienen origen nuclear. Las neuronas sintetizan tres clases de proteínas: 1) proteínas que se sintetizan en el citoplasma y permanecen en éste; 2) proteínas de síntesis citosólica, pero con destino final mitocondrial, nuclear o peroxisomal; 3) proteínas que se sintetizan en asociación con membranas y se distribuyen por medio de vesículas en distintos organelos.
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Las proteínas citoplasmáticas o citosólicas constituyen la fracción más importante y comprenden: 1) elementos fibrilares del citoesqueleto (neurofilamentos, tubulina y actina, y proteínas asociadas, que, en conjunto, representan 20% de las proteínas neuronales); 2) enzimas del metabolismo intermedio. Son proteínas sintetizadas en los polisomas libres y producidas en su forma final, con muy poco procesado posterior; 3) las proteínas con destino mitocondrial, nuclear o peroxisomal también se sintetizan en polisomas libres, con inserción posterior en el sitio de destino, llamada transferencia postraduccional.
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Las proteínas de membrana y secretorias resultan de la acción de RNA mensajeros que forman polisomas asociados al retículo endoplasmático rugoso. La sustancia de Nissl basófila, típica de las neuronas, es el resultado de la tinción de este RNA mensajero. La cadena peptídica comienza a sintetizarse por el N-terminal, existiendo una secuencia llamada péptido señal, relativamente hidrofóbica, que no permanece en la proteína madura. El péptido señal tiene varias funciones. Por una parte, permite al polisoma unirse a la superficie citoplasmática de la membrana del retículo endoplasmático, además de que detiene la traducción del RNA mensajero. Por último, se libera el péptido señal y la traducción recomienza.
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En función del destino final de la proteína, el péptido naciente:
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Se incorpora a porciones de la membrana del retículo endoplasmático que después se transferirán, previo pasaje por el aparato de Golgi, a la membrana celular (proteínas de membrana) o a distintos organelos, como la membrana nuclear, el aparato de Golgi, las vesículas secretorias, los endosomas, o el mismo retículo endoplasmático. Existen varias configuraciones de inserción de proteínas a membranas, según la atraviesen por uno o varios sitios de inserción (ejemplo de este último caso son las proteínas constitutivas de los canales iónicos).
Se transloca a la luz de las cisternas del retículo (proteínas secretorias). En el caso de las proteínas secretorias, se produce durante este periodo un activo procesado del péptido original, que incluye rotura de la proteína en fragmentos de menor peso molecular, glucosilación, sulfatación, etc. Tales modificaciones tienen lugar dentro de vesículas, las que por transporte axoplasmático son transferidas hacia la membrana celular.
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De esta manera, es factible concluir que las proteínas de membrana y las destinadas a la secreción son extensamente modificadas luego de su síntesis, a diferencia de lo que ocurre con las proteínas citosólicas. Los productos secretorios son sintetizados como parte de largas cadenas polipeptídicas, que sufren después sucesivos procesos de hidrólisis proteolítica.
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La producción de pequeñas moléculas a partir de precursores de alto peso molecular tiene diversas consecuencias. En ciertos casos, la orientación final de la proteína en la membrana depende de cómo se remueva la secuencia N-terminal. En otros casos, la hidrólisis asegura la desaparición de secuencias activas de influencia negativa para la función celular. La producción de grandes proteínas precursoras permite la amplificación y diversificación de péptidos secretados. Además de la hidrólisis, el procesado comprende la glucosilación mediante el agregado de cadenas de oligosacáridos, o la conjugación con lípidos complejos.
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Los mecanismos de transferencia de las vesículas desde el retículo endoplasmático al Golgi, y de allí a los sitios de inserción membranal o de secreción, son complejos y no han sido del todo elucidados. En todas las células, las proteínas de membrana y de secreción son transportadas a sus sitios finales por una de dos vías diferentes:
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En la vía constitutiva las vesículas se mueven de manera continua para renovar el plasmalema, llevando nuevos constituyentes y reciclando los viejos a través de los endosomas. Después de ser recuperados del plasmalema, los endosomas entran a los lisosomas para ser degradados, o son reciclados para reaparecer en la membrana plasmática.
En la vía regulada las vesículas secretorias o sinápticas se fusionan con la membrana celular sólo en el momento de la secreción, que es dependiente de Ca2+.
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Existen también otras vesículas que no son secretorias, y que se identifican como precursoras de los lisosomas debido al alto contenido de hidrolasa ácida que presentan. Una cuestión clave en la biología de las neuronas es comprender cómo los componentes celulares son dirigidos a distancia desde el núcleo celular, a muy distintos sitios del árbol dendrítico o del axón.
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Existen mRNA que se transfieren desde el núcleo neuronal a sitios sinápticos específicos para facilitar la síntesis local de proteínas. Es la razón de que se encuentren polirribosomas en dendritas, justo por debajo de los sitios postsinápticos. Dos tipos de mRNA predominan en las dendritas, el correspondiente a la proteína citoesquelética MAP2 (microtubule-associated protein, véase más adelante), y el que codifica la síntesis de la subunidad α de la proteína quinasa dependiente de calmodulina. En menor proporción, se encuentran en las espinas dendríticas mRNA correspondientes a otros componentes del citoesqueleto. Los mRNA mencionados se transportan asociados a los componentes del citoesqueleto, por transporte axoplasmático lento.
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Este fenómeno no es sólo neuronal; por ejemplo, en los oligodendrocitos y en las células de Schwann, la proteína básica de la mielina es sintetizada en los procesos celulares (donde se encuentran los mRNA correspondientes), mientras que los proteolípidos se sintetizan en forma perinuclear.