Capítulo 7: Transmisión sináptica

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.

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.

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.

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 7-3. 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.

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.

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 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 indican el gran número de sinapsis que una neurona puede hacer. En la mayoría de las sinapsis neuronales los terminales nerviosos presinápticos presentan un ensanchamiento denominado botón sináptico, cuya membrana está separada de la membrana postsináptica por la hendidura sináptica de aproximadamente 15 a 30 nm de ancho. En la zona de unión la membrana de los botones presenta regiones electrón densas, en la cercanía de las cuales se encuentran grupos de vesículas.

Potenciales postsinápticos excitatorios (EPSP)

Cambios de potencial análogos a los potenciales de la unión neuromuscular se han registrado intracelularmente en neuronas, denominándose potencial postsináptico excitatorio o EPSP (del inglés excitatory post synaptic potential) al potencial que despolariza la membrana de la célula postsináptica. Por otra parte, existen neurotransmisores que causan hiperpolarizacion de la membrana postsináptica, estabilizándola y haciendo más difícil sobrepasar el valor umbral necesario para una respuesta regenerativa. En este caso el cambio del potencial de membrana hacia valores más negativos se denomina potencial postsináptico inhibitorio o IPSP (del inglés inhibitory post synaptic potential). Existen neurotransmisores específicos para la actividad sináptica excitatoria o inhibitoria.

Las motoneuronas de la región lumbar de la médula espinal han sido utilizadas con frecuencia para el estudio de la función sináptica del sistema nervioso de mamíferos. Estas neuronas inervan los músculos de las extremidades, reciben fibras aferentes de los husos musculares (figura 7-5A) y tienen un diámetro de aproximadamente 70 μm, lo cual hace posible la inserción de microelectrodos intracelulares. La estimulación de estas fibras causa una respuesta postsináptica en el cuerpo neuronal, cuya amplitud depende de la fuerza del estímulo, como se muestra en los registros de la figura 7-5B.

Debe recordarse que al contrario de lo que ocurre en el caso de la unión neuromuscular, cada neurona o más bien cada región de una neurona puede recibir cientos de terminales sinápticos. La activación de cada una de las sinapsis excitatorias sólo produce una despolarización muy pequeña en la membrana postsináptica, de manera que se necesita la ocurrencia casi simultánea, y en la misma región neuronal, de varios EPSP subumbrales para que éstos puedan sumarse de manera temporal y generar potenciales de acción postsinápticos. Así que mientras en la unión neuromuscular cada potencial de acción presináptico genera un potencial de acción postsináptico, en las neuronas del SNC la respuesta postsináptica depende de la integración de varias señales presinápticas.

En el caso de las neuronas la complejidad de la señalización hace difícil disecar los EPSP en sus componentes unitarios como se pudo hacer para el caso de los EPP neuromusculares. Sin embargo, Jack, Redman y Wong (1981) lograron este tipo de análisis, pudiendo detectar cuatro componentes del EPSP. El más pequeño de los cuatro componentes tenía una amplitud de 0.3 mV, y los cuatro diferían entre sí tan sólo 0.1 mV, considerándose este valor como la unidad cuántica de la respuesta a la liberación de vesículas únicas. Por lo tanto, se comprobó que la teoría vesicular era válida también para el caso de sinapsis neuronales.

Inhibición postsináptica

La efectividad de las señales excitatorias puede ser disminuida y hasta anulada por la concurrencia de potenciales postsinápticos inhibitorios, que como ya se ha dicho son causados por la acción de neurotransmisores que hiperpolarizan o estabilizan la membrana postsináptica. Entre los neurotransmisores más importantes con acción inhibitoria se encuentran el GABA y la glicina cuya interacción con sus receptores respectivos causa un aumento en la conductancia del ion Cl⁻.

Un ejemplo clásico de inhibición postsináptica se encuentra en las motoneuronas que inervan músculos antagónicos. Para que la contracción de un músculo produzca un movimiento efectivo es necesario que los músculos que se oponen a esta acción, o sea los músculos antagonistas, se relajen. En el esquema de reflejo monosináptico dibujado en la figura 7-6 las fibras aferentes que provienen de receptores de estiramiento en el músculo extensor, hacen también contacto sináptico con pequeñas interneuronas que a su vez hacen sinapsis con motoneuronas que inervan el músculo flexor antagónico. El efecto inhibitorio de las interneuronas puede visualizarse registrando intracelularmente la respuesta de la motoneurona flexora al estímulo del grupo de fibras aferentes Ia. En este caso la respuesta consiste de pequeños potenciales hiperpolarizantes conocidos como potenciales postsinápticos inhibitorios, que ya se han definido aquí como IPSP. Éstos tienen el mismo aspecto y curso temporal de los EPSP, excepto que son de polaridad inversa. Igual que en el caso de los EPSP, los IPSP han sido explicados en términos de cambio en la conductancia de algún ion.

Utilizando la técnica de control de potencial es posible determinar el potencial de reversión lo cual permite identificar la especie iónica asociada con la corriente en una dirección dada. Antes del desarrollo de la técnica de control de potencial con dos microelectrodos, Eccles y colegas (Coombs et al., 1955) no pudieron medir directamente las corrientes asociadas a los IPSP; sin embargo, lograron medir en motoneuronas del bíceps semitendinoso de gato la variación de la amplitud de los IPSP con el potencial de membrana, que pudieron fijar a valores determinados pasando una determinada cantidad de corriente. Para ello utilizaron microelectrodos de doble cañón, utilizando uno para pasar corriente y el otro para medir el voltaje. Los IPSP eran inducidos por ráfagas de estímulos aplicados a fibras aferentes del grupo 1a del cuadríceps. Al valor de reposo del potencial de membrana, que era −74 mV la amplitud del IPSP era muy pequeña, aumentaba al despolarizar la motoneurona y disminuía hasta que se revertía, cuando la motoneurona era hiperpolarizada siendo el potencial de reversión aproximadamente −80 mV, valor cercano al potencial de equilibrio del Cl⁻ y del K⁺. Para decidir cuál era la especie iónica asociada a la generación de los IPSP y debido a la dificultad experimental de realizar cambios en la concentración iónica extracelular en esta preparación, Eccles y colaboradores alteraron la composición iónica intracelular haciendo difundir sales de Cl⁻ de la punta de un microelectrodo. El aumento del Cl⁻ intracelular hacía menos negativo el potencial de reversión indicando que el neurotransmisor inhibitorio causaba un aumento en la conductancia de este ion en la membrana postsináptica. La apertura de los canales de Cl⁻ hace más difícil despolarizar y por lo tanto excitar la célula. La apertura de los canales de potasio tiene un efecto estabilizador similar.

Inhibición presináptica

La amplitud de los EPSP de motoneurona puede ser disminuida por un mecanismo inhibitorio activado por estimulación de las fibras aferentes, sin que haya una acción directa sobre la motoneurona. En la figura 7-7 se muestra de manera esquemática la base anatómica del mecanismo responsable de este tipo de modulación denominado inhibición presináptica. Las motoneuronas del músculo gastrocnemio reciben fibras 1a aferentes del gastrocnemio cuya estimulación causa una respuesta postsináptica. La amplitud de este EPSP es disminuida por estimulación del nervio bíceps semitendinoso posterior (PBST). La parte B de la figura compara un EPSP control con respuestas obtenidas a los 5 y 83 ms después de estimular tetánicamente el PBST. Para finalizar, la gráfica muestra el curso temporal de esta inhibición que aparece 2.5 ms después del estímulo inhibitorio y puede durar hasta más de 200 ms. Debido a que el retraso de 2.5 ms es algo mayor a lo esperado por la presencia de una sola sinapsis, se ha postulado la presencia de una o dos interneuronas. Este mecanismo inhibitorio es ampliamente distribuido en el SNC de mamífero, y parece ser más efectivo que los mecanismos postsinápticos para deprimir a nivel central las acciones excitatorias de casi todas las fibras aferentes.

Sinapsis eléctricas

La primera demostración funcional de una sinapsis eléctrica fue hecha en 1959 por Furshpan y Potter quienes encontraron un paso directo de corriente eléctrica entre axones del cordón nervioso abdominal de un langostino. El potencial de acción inducido a lo largo de un axón lateral gigante del cordón nervioso se propagaba de manera pasiva a un axón gigante adyacente, iniciando un potencial de acción en la fibra postsináptica. En este caso esta sinapsis eléctrica tenía propiedades de rectificación, o sea que un potencial de acción inducido en el axón postsináptico no generaba un potencial de acción en el axón presináptico. Otras sinapsis eléctricas en el sistema nervioso de muchos invertebrados y también en vertebrados, no presentan esta propiedad de rectificación. Si bien las sinapsis eléctricas constituyen sólo una fracción de todas las sinapsis, éstas se hallan ampliamente distribuidas, incluso en el cerebro humano. Estudios de microscopía electrónica han demostrado que la organización estructural responsable por este tipo de acople eléctrico es la unión en hendidura o gap junction, estructura muy frecuente en células epiteliales, células cardíacas, etc. Las membranas de las dos células comunicantes están en muy estrecho contacto y aparecen unidas por una estructura, que justamente se denomina gap junction. A nivel de una unión en hendidura, tanto en la membrana presináptica como en la membrana postsináptica, se encuentran hemicanales constituidos por siete subunidades proteicas, llamadas conexones, que están en perfecta alineación, de manera que cada par de hemicanales forma un poro que establece continuidad eléctrica entre las dos células. El diámetro de estos poros es mucho mayor que el de los canales iónicos dependientes de potencial, de manera que además de corriente iónica puede haber paso de diferentes tipos de moléculas, como por ejemplo el ATP u otros mensajeros intracelulares, entre las dos células. Diferencias importantes entre las sinapsis eléctrica y la química son la presencia de vesículas sinápticas en los terminales presinápticos de las sinapsis químicas y la ausencia de retardos sinápticos en la sinapsis eléctrica.

Función del calcio

Desde los trabajos pioneros de Fatt y Katz (1952), del Castillo y Katz (1954) se sabía que la presencia de Ca²⁺ en el medio extracelular era de gran importancia para la liberación espontánea o evocada de acetilcolina, en la unión neuromuscular y que el Mg²⁺ tenía el efecto contrario: aumentando la concentración de Mg²⁺ extracelular se disminuía la respuesta postsináptica en la unión neuromuscular. En 1967, Katz y Miledi habían postulado que al ser despolarizada la membrana del terminal nervioso, había un aumento en la conductancia de Ca²⁺, con aumento de la concentración intracelular de este ion. Una clara demostración de la importancia del Ca²⁺ en la transmisión sináptica fue hecha por Miledi (1973) quien, empleando la sinapsis gigante del calamar, al inyectar Ca²⁺ en el axón presináptico pudo registrar respuestas postsinápticas, indicando que el aumento en la [Ca²⁺] presináptica, debido a la inyección, era suficiente para la liberación del transmisor. La sinapsis gigante del calamar es una unión axoaxónica entre el axón de una interneurona y el axón motor en el ganglio estelar del animal. Debido al diámetro del axón presináptico, es posible aplicar la técnica de control de potencial con dos microelectrodos y hasta inyectar diferentes compuestos en este terminal. Utilizando esta preparación Katz y Miledi demostraron que la amplitud de la respuesta postsináptica dependía de la magnitud de la despolarización del axón presináptico. Más adelante, como se muestra en la figura 7-8, Llinas et al. (1981) demostraron la presencia de corrientes de Ca²⁺ dependientes de potencial a nivel de la membrana presináptica, y que la respuesta postsináptica dependía de la amplitud de esta corriente, o sea de la entrada de Ca²⁺ en el axón presináptico. En un trabajo posterior, Llinas y colaboradores (1982) registraron la respuesta postsináptica a un potencial de acción artificial aplicado con la técnica de control de potencial, demostrando que esta respuesta era similar a la obtenida por estimulación directa del terminal presináptico y que podía ser eliminada por el Cd²⁺, como se ilustra en la figura 7-8.

La disponibilidad de diferentes compuestos indicadores del Ca²⁺ ha permitido la visualización del aumento de Ca²⁺ en el terminal presináptico de la sinapsis gigante del calamar. En particular Llinas y colaboradores (1992), utilizando la fotoproteína aequorina, como indicador de Ca²⁺, demostraron que la entrada de este ion, en respuesta a estimulación del terminal, producía aumentos de hasta 200 μM en la [Ca²⁺]_i en microambientes cercanos a la membrana del terminal, correspondiente a las zonas activas del mecanismo exocitótico. El aumento en la [Ca²⁺] causa la liberación del transmisor y la respuesta postsináptica; ésta se reduce en presencia de BAPTA, que es un tampón rápido del Ca²⁺, pero no en presencia de EGTA que secuestra el Ca²⁺ más lentamente. Esto indica que el Ca²⁺ entra en la cercanía de la zona activa donde ocurre la liberación del transmisor. El aumento rápido del Ca²⁺ citoplasmático en los terminales nerviosos ocurre a través de diferentes vías de entrada, tales como canales de Ca²⁺ voltaje dependientes (VDCC, voltage dependent calcium channels) que pueden ser de tipo N, L o P/Q, dependiendo de la célula. Hay canales de Ca²⁺ activados por vaciamiento de almacenes intracelulares de Ca²⁺, denominados SOCC (store operated calcium channels) que también pueden contribuir en la regulación del Ca²⁺ a tiempos largos. También puede haber entrada de Ca²⁺ a través de receptores ionotrópicos, activados por ligandos como el glutamato o el ATP (LGCC, del inglés ligand gated calcium channels), o a través de receptores metabotrópicos (LGRm, del inglés ligand gated receptor metabotropic), que al ser activados por un transmisor, activan una fosfolipasa C que genera un segundo mensajero, tipo IP₃ que moviliza Ca²⁺ de depósitos intracelulares. En la regulación del Ca²⁺ citoplasmático también participan canales de liberación localizados en las membranas del retículo endoplasmático, tales como el receptor de IP₃ y el receptor de rianodina. Organelos intracelulares, como mitocondrias, y vesículas pueden servir como fuentes adicionales de Ca²⁺. Esta gran variedad de fuentes de Ca²⁺, cada una con características propias, permite la gran variabilidad en la amplitud y duración de las señales de Ca²⁺, que es necesaria para permitir una amplia modulación de las respuestas sinápticas.

Además de regular la actividad de diferentes canales iónicos, el Ca²⁺ interactúa con varios componentes de la membrana celular y del citoplasma. Por ejemplo, el Ca²⁺ puede activar las fosfolipasas (A2 y C) de la membrana plasmática e inducir la formación de segundos mensajeros como el IP₃. A nivel citoplasmático el Ca²⁺ activa una serie de proteínas como la proteína quinasa C, la calpaína y la calmodulina.

Plasticidad de la respuesta sináptica

El curso temporal de la transmisión sináptica puede variar en un amplio rango desde milisegundos hasta días. Por lo general, estos efectos están mediados por cambios en la concentración de Ca²⁺ y justo dependen de la magnitud, localización y duración de estos cambios. Los aumentos localizados, grandes y prolongados en la [Ca²⁺]_i, pueden a su vez dar comienzo a una serie de reacciones en cascada, las cuales, mediante la formación de segundos mensajeros, y la fosforilación de diferentes proteínas, pueden inducir la formación de nuevos receptores o alterar la expresión genética de la célula, produciendo cambios metabólicos y estructurales que afectan las respuestas sinápticas y celulares. Todos estos fenómenos pueden ser considerados como elementos clave para los mecanismos de aprendizaje. De hecho, numerosos investigadores piensan que las sinapsis constituyen el sitio físico de por lo menos algunas formas de memoria. La memoria es la capacidad de almacenar y recuperar información, y existen fenómenos sinápticos que son derivados de la actividad previa de las sinapsis, o sea que se basan en la memoria de las estructuras físicas llamadas sinapsis. Entre estos fenómenos se encuentran los siguientes:

Facilitación. Es un aumento progresivo en la respuesta postsináptica que ocurre durante estimulación prolongada y de alta frecuencia de una neurona presináptica, debido a un aumento paulatino en la concentración del Ca²⁺ a nivel presináptico, este efecto decae con rapidez, entre 10 y 100 milisegundos.

Aumento. Es un fenómeno parecido al anterior, que también ocurre después de un periodo de estimulación repetitiva, pero se desarrolla poco a poco y decae mucho más despacio, desapareciendo en alrededor de 10 segundos.

Depresión. La estimulación de una neurona presináptica a alta frecuencia por un periodo prolongado, causa una reducción progresiva en la amplitud de la respuesta postsináptica, es posible que se deba a una disminución de la eficiencia exocitótica y a la desensibilización de los receptores postsinápticos. El periodo de recuperación de esta depresión puede durar desde minutos hasta horas.

Habituación. Es un fenómeno parecido a la facilitación, la cual es causada por largos periodos de estimulación a baja frecuencia y caracterizada por una disminución progresiva y lenta de la respuesta postsináptica.

Potenciación postetánica. Otro fenómeno parecido a la facilitación, pero cuya duración es más prolongada, ya que decae en cuestión de minutos, ocurre después de un periodo corto de estimulación a alta frecuencia (tétano), o luego de un lapso prolongado de estimulación a baja frecuencia. En este caso se observa un aumento en la respuesta postsináptica, cuando la neurona presináptica es estimulada un cierto tiempo después del periodo de estimulación repetitiva.

Potenciación a largo plazo (LTP, long term potentiation). Descubierto en neuronas del hipocampo, este fenómeno ocurre a nivel de muchas estructuras en el cerebro. Esta localización bien definida de las sinapsis involucradas, sugirió una estrecha relación de este fenómeno con ciertos mecanismos de aprendizaje. Periodos de actividad prolongada e intensidad elevada inducen un aumento en la eficiencia sináptica, que pueden durar horas e inclusive días o semanas. Esto puede ocurrir debido a efectos presinápticos, mediados por un aumento en el número de “quanta” liberados, o a un efecto postsináptico mediado por un aumento en la respuesta a un “quantum” debido a un aumento del número de receptores. Por lo general los efectos presinápticos ocurren cuando hay convergencia de estímulos con la activación de más de un tipo de receptor. Los efectos postsinápticos pueden ser mediados a través de la incorporación de nuevos receptores en la membrana postsináptica o a la activación de receptores silentes. Múltiples evidencias señalan que el fenómeno está ligado a un aumento en la [Ca²⁺]_i, ya que no se manifiesta, cuando este aumento es evitado por inyecciones intracelulares de tampones de Ca²⁺.

Existen diferentes NT implicados en el fenómeno de LTP siendo el más estudiado el glutamato. El mecanismo de LTP puede ser de origen post o presináptico. En el primer caso, la activación de los receptores glutamato tipo NMDA (veáse receptores) está sujeta a la activación previa de receptores glutamato tipo AMPA. Esto causa la despolarización de la membrana que elimina el bloqueo ejercido por los iones Mg²⁺ sobre los receptores NMDA en células en reposo. Una vez eliminado este bloqueo se abre el canal del receptor NMDA y se produce una entrada masiva de Ca²⁺, que lleva a la activación de la calmodulina quinasa II (CaMKII) como también a la activación de la PKA que a su vez es capaz de ejercer efectos de transcripción genética, activando el CREP (cAMP, response element protein, elemento de transcripción activado por cAMP). De esta manera se incorporan más receptores de glutamato de tipo AMPA a los sitios activos, ampliando de esta manera la respuesta sináptica. También se ha descrito una LTP de origen presináptico, por un mecanismo basado en la entrada de Ca²⁺ por canales voltaje dependientes, que activa la adenilciclasa (sensible a Ca²⁺), y lleva a la formación de cAMP, y activación de PKA. Esta quinasa modifica las proteínas del ciclo vesicular, rab3a y RIMα, facilitando la exocitosis de glutamato. El neuromodulador óxido nítrico (NO) a su vez activa al cGMP modulando de manera positiva o negativa la respuesta presináptica.

Depresión a largo plazo (LTD, long term depresion). Es un fenómeno inverso a la LTP, que ocurre en diferentes zonas del cerebro. En este caso, periodos de actividad prolongada pero de baja intensidad inducen una disminución en la eficiencia sináptica. Esta disminución de la respuesta sináptica puede ocurrir a nivel postsináptico o presináptico. Dos de los mecanismos postsinápticos involucran internalización de los receptores AMPA, o sea, inducen la desincorporación de estos receptores de la membrana plasmática que en un caso ocurre por activación de receptores glutamatérgicos NMDA que al dejar pasar más Ca²⁺ activan la proteína fosfatasa 2B o calcineurina y la PP1 (protein phosphatase 1) y en el otro caso ocurre por activación de receptores glutamato metabotrópicos postsinápticos (mGluR1/5). Los mecanismos íntimos de internalización de los receptores AMPA son desconocidos.

Para terminar, un tercer mecanismo de LTD involucra el mensajero retrógrado endocanabinoide. La activación de receptores del glutamato tipo mGlu1/5, activa una fosfolipasa C (PLC) y causa un aumento de Ca²⁺ intracelular a nivel postsináptico, facilitando la síntesis de endocanabinoides. Éstos se liberan al espacio sináptico y llegan a sus receptores presinápticos (CB1R) que por un mecanismo no aclarado inhiben la liberación del glutamato a este nivel. De manera similar el Ca²⁺ es capaz de activar la NO sintetasa que forma al NO que difunde presinápticamente inhibiendo la exocitosis del transmisor. La depresión de la respuesta sináptica puede ocurrir como consecuencia de la estimulación del mismo sistema aferente, en cuyo caso se denomina LTD homosináptica, o por estimulación a través de otra entrada aferente, en cuyo caso se tiene la LTD heterosináptica.

Para que una sustancia sea reconocida como neurotransmisor debe cumplir con ciertos criterios como son: a) estar presente y ser almacenada en el terminal presináptico junto con la maquinaria de enzimas necesarias para su síntesis; b) ser liberada al espacio extracelular, en respuesta a despolarización presináptica, de manera Ca²⁺ dependiente (exocitosis); c) debe haber receptores específicos para cada neurotransmisor en la membrana postsináptica; d) contar con un sistema que elimine de manera rápida el transmisor una vez liberado al espacio sináptico.

Aparte de las aminas biogénicas, como la adrenalina y la acetilcolina, que fueron los primeros neurotransmisores reconocidos como tales, se han descubierto otras sustancias neurotransmisoras, como aminoácidos, péptidos, purinas, etc. En el cuadro 7-1 se presenta una lista de los neurotransmisores más importantes con sus receptores. Además de los neurotransmisores, se han descubierto sustancias de diferente naturaleza tales como el NO y los endocanabinoides, que pueden modular la acción de los neurotransmisores, por lo cual se denominan neuromoduladores.

En el sistema nervioso central el principal neurotransmisor excitatorio es el glutamato, mientras que el GABA y la glicina son los transmisores inhibitorios más importantes. Tanto el NO como los endocanabinoides actúan como mensajeros retrógrados, es decir que al estimularse el receptor postsináptico se activan las enzimas para la síntesis de estos moduladores, los cuales son liberados al espacio sináptico para actuar a nivel presináptico.

La acción de los neurotransmisores es regulada a diferentes niveles como se muestra en la figura 7-9. En lo referente a disponibilidad de los NT hay tres niveles de regulación: síntesis, almacenamiento y eliminación.

La síntesis de los neurotransmisores es regulada por inducción (síntesis de las proteínas) y activación e inhibición de enzimas específicas. Para cada neurotransmisor existe una batería de enzimas localizadas a nivel de los terminales nerviosos respectivos. Para los transmisores peptidérgicos existen enzimas precursoras que por medio de clivajes específicos dan origen al péptido activo.

El almacenaje de los NT en las vesículas depende de transportadores específicos, de la acidificación del ambiente vesicular lograda por la actividad de la bomba de protones, y de proteínas intravesiculares que ligan los NT. Los transportadores vesiculares pueden ser modulados por diferentes sustancias que interfieren con su almacenaje, como es el caso de las anfetaminas, las cuales compiten con las aminas biógenas dopamina, noradrenalina, 5-hidroxitriptamina (DA, NE, 5HT), inhibiendo su entrada en las vesículas.

Existe la posibilidad de colocalización, tanto de diferentes vesículas en el mismo terminal, como de diferentes NT en la misma vesícula. En el primer caso pueden coexistir vesículas con un neurotransmisor clásico tipo GABA, con uno peptídico tipo sustancia P. En el segundo caso pueden encontrarse en la misma vesícula, aminas biógenas con ATP. Esto permite el fenómeno de cotransmisión que ocurre con mucha frecuencia tanto en el SNC como en el periférico. La cotransmisión ejerce una función reguladora a nivel sináptico, pudiendo los dos NT actuar tanto sinérgica como antagónicamente y también en ventanas de tiempo diferentes.

La eliminación constituye un paso crucial para la regulación del neurotransmisor en el espacio sináptico. Ésta puede ocurrir por difusión, por recaptura o por degradación enzimática, como es el caso ya discutido de la acetilcolina que es hidrolizada rápidamente por la acetilcolinesterasa en el espacio sináptico. La recaptura del transmisor ocurre tanto a nivel presináptico como al de células gliales y es mediada por transportadores específicos, localizados en la membrana plasmática. Hay drogas específicas, como la cocaína, por ejemplo, que impiden la recaptura de las catecolaminas, compitiendo con el transportador y ejerciendo de esta manera un fuerte efecto excitatorio a nivel central. Igualmente, numerosas drogas antidepresivas son inhibidoras del transportador de la serotonina. Los transmisores peptídicos carecen de transportadores de membrana y su eliminación depende de la degradación enzimática y de la difusión.

Exocitosis

La exocitosis es el proceso mediante el cual se fusionan vesículas o gránulos citoplasmáticos a la membrana plasmática, de manera calcio dependiente, para secretar diversas sustancias al espacio extracelular. En células secretoras y en neuronas la exocitosis presenta un alto grado de especialización con diferentes mecanismos de regulación. El fenómeno exocitótico es normalmente seguido por un proceso de recuperación de las vesículas, la endocitosis, que también es muy especializada.

Existen dos tipos de exocitosis: la exocitosis constitutiva, y la exocitosis regulada. La primera, opera de manera continua en toda célula eucariótica, incorporando material lipídico o proteico en la membrana plasmática, y secretando diferentes sustancias al medio extracelular sin tener función sináptica. La segunda, presente en células secretoras y en neuronas permite la secreción hacia el espacio extracelular de diferentes sustancias, neurotransmisoras u hormonas, almacenadas en vesículas, en respuesta a un estímulo específico.

Vesículas o gránulos secretorios. Las vesículas exocitóticas se pueden clasificar según su tamaño y contenido en vesículas sinápticas pequeñas y claras (SSV) de aproximadamente 50 nm de diámetro, y en vesículas grandes y densas (LDCV) o gránulos secretorios de 100 a 150 nm de diámetro. Las vesículas SSV contienen los NT clásicos, tipo aminas biógenas, acetilcolina, aminoácidos y pueden ser recicladas a nivel del endosoma temprano del terminal nervioso, lo que hace más rápida (ms-s) y prolongada la capacidad de formación y utilización de este tipo de vesículas. Las vesículas LDCV o gránulos contienen transmisores peptídicos, son sintetizadas en el soma celular, no son recicladas en el endosoma y tampoco son acumuladas a nivel de las zonas activas, por lo que tienen un reciclaje más lento (s-min).

Ciclo vesicular

A partir de su formación en el sitio de origen (retículo o endosoma), las vesículas o gránulos están sujetos a una complicada serie de pasos, hasta llegar a fusionarse con la membrana plasmática y abrirse al espacio extracelular. La figura 7-10 ilustra de manera esquemática el ciclo de vida de las vesículas exocitóticas. El primer paso involucra la formación de las vesículas a partir del endosoma. Éstas y otras vesículas que provienen del transporte axonal o del reciclaje pasan al compartimiento de reserva. En esta etapa las vesículas se cargan con neurotransmisores mediante la acción de transportadores específicos. Las vesículas maduras se mantienen en el compartimiento de reserva mediante la acción de anclaje entre sinapsina y actina/espectrina, entre otras. Este anclaje puede romperse mediante la acción de la Ca-calmodulina quinasa, permitiendo así la movilización de las vesículas hacia un nuevo compartimiento localizado a nivel de la zona activa de la membrana, denominado compartimiento proximal. Las vesículas son direccionadas hacia, y ancladas en, un sitio específico de la membrana plasmática, mediante la interacción de un grupo de proteínas, de las cuales las más estudiadas son las proteínas Rab y las SNARE, que se consideran proteínas fundamentales para la fusión de vesículas. La figura 7-11 describe en forma esquemática el mecanismo por el cual las proteínas SNARE permiten el anclaje y fusión de la vesícula en la membrana. La figura muestra que el Ca² es fundamental para la activación de algunas de estas proteínas como la sinaptotagmina. El grupo de vesículas ya activadas constituye el compartimiento listo para liberar (RRP, ready-releasable-pool).

La fusión durante la exocitosis puede ser total, con posterior recuperación de las vesículas por endocitosis, o puede ser parcial y transitoria lo que se ha denominado modalidad “kiss and run” (beso y escape) o hemifusión. En esta modalidad sólo hay una expulsión parcial del contenido vesicular al espacio extracelular y las proteínas de la membrana vesicular no llegan a incorporarse a la membrana plasmática. Una vez que la vesícula se fusiona a la membrana plasmática, es recuperada por endocitosis para poder empezar otro ciclo vesicular (figura 7-10). Para ello y para el posible reciclaje de las vesículas es fundamental que se disocie el complejo SNARE al unirse con la proteína α-SNAP y las ATPasas del tipo NSF, con hidrólisis de ATP y la disociación del complejo Rab-GTP. La endocitosis además requiere de múltiples pasos como la formación de vesículas cubiertas con clatrina entre otros.

Con la utilización de múltiples técnicas se ha avanzado enormemente en los últimos años en nuestro conocimiento de la maquinaria exocitótica. Así con técnicas de microscopía electrónica, microscopía confocal y en fechas recientes microscopía de onda evanescente se han podido visualizar las vesículas sinápticas en sus diversos estadios y su relación con otros elementos sinápticos. El uso de técnicas electrofisiológicas y ópticas con marcadores fluorescentes reporteros del ion Ca²⁺ ha permitido entender el rol de este ion en el fenómeno exocitótico. Mediciones electrofisiológicas de la capacitancia de la membrana combinadas con técnicas de amperometría han permitido establecer una correlación directa entre la fusión de una vesícula y la liberación del NT con alta resolución temporal.

Un paso fundamental en la neurotransmisión es la unión del NT a su receptor. Los receptores son proteínas que unen de manera muy específica a determinadas sustancias o ligandos. La mayoría de los NT, siendo hidrofílicos tienen sus receptores localizados en la membrana plasmática, mientras que otros con función de hormona siendo lipofílicos tienen receptores en el citoplasma.

Según su localización los receptores pueden ser clasificados como presinápticos o postsinápticos. Los receptores presinápticos pueden ser autorreceptores cuando el mismo NT además de actuar de manera postsináptica puede también actuar retrógradamente sobre su propio terminal presináptico. Los heteroreceptores presinápticos son receptores de otro NT, capaces de modular la actividad de esa sinapsis. Según su función, los receptores pueden clasificarse como ionotrópicos o metabotrópicos, y éstos pueden ser excitatorios o inhibitorios.

Receptores ionotrópicos

Los receptores ionotrópicos son complejos proteicos de múltiples subunidades (cinco) que forman un canal iónico activado por el ligando específico, o sea su neurotransmisor u otro agonista, como se muestra de manera esquemática en la figura 7-12. Los receptores metabotrópicos son proteínas con siete dominios transmembrana que, al unirse con su agonista sufren un cambio conformacional activando a una proteína G específica, iniciando mecanismos de señalización intracelular por medio de segundos mensajeros.

Existen otros receptores que tienen actividad enzimática intrínseca. La mayoría de estos receptores son quinasas del tipo de las tirosinquinasas, MAP quinasas y la guanilciclasa que son fundamentales en la acción de factores de crecimiento u hormonas y en los procesos de división celular y cáncer entre otros.

Los transmisores se unen con gran especificidad a su receptor y a su vez el receptor sólo reconoce su agonista o sustancias muy similares a éste. La unión receptor-NT o droga depende de su afinidad.

La afinidad de drogas o NT a sus receptores se mide como la concentración en la cual hay equilibrio entre la droga libre (disociada) y la droga unida a su receptor D + R ↔ DR, y se expresa como una constante, el K_d = [D] [R]/[DR], en donde D es la concentración de droga libre, R la concentración del receptor disociado, DR la concentración de la droga unida al receptor. Cuanto más bajo es el valor del K_d más alta será la afinidad de la droga por su receptor. Para aminas biógenas y aminoácidos el valor del K_d es del orden de los μM, en cambio para neuropéptidos es del orden de los nM.

Según el tipo de ligando los receptores ionotrópicos pueden ser excitatorios o inhibitorios. Los canales ionotrópicos excitatorios son permeables a los cationes Na⁺, K⁺ y Ca²⁺, mientras que los inhibitorios son permeables al ion Cl⁻. Un aspecto importante de la activación de los canales ionotrópicos es que favorecen la entrada de Ca²⁺ por dos mecanismos diferentes, a través de canales del Ca²⁺ activados por voltaje o por activación por ligando de un receptor ionotrópico, tipo glutamato NMDA.

Entre los receptores excitatorios más importantes se encuentran los receptores colinérgicos nicotínico y los receptores de glutamato. El receptor de acetilcolina de tipo nicotínico reviste una importancia especial por haber sido el primer canal iónico, activado por ligando, que fue purificado y secuenciado y el primero que fue funcionalmente reconstituido en membrana artificial, lo cual permitió los primeros registros eléctricos de la actividad de un canal unitario. Como todos los receptores ionotrópicos, el receptor de acetilcolina de músculo está compuesto por cinco subunidades, cada una de las cuales tiene cuatro segmentos transmembrana. De las cinco subunidades del receptor Ach (α 1-10; β 1-5; γ y δ) la configuración más frecuente del canal del receptor nicotínico es: dos subunidades α, que tienen los sitios de enlace para la acetilcolina, una α una β, una γ y una δ. Al unirse dos moléculas de acetilcolina a un receptor se produce un cambio conformacional que permite la abertura del canal. En esta conformación el canal se abre y se cierra a alta frecuencia (modalidad de flickering) pero con alta probabilidad (90%) de estar abierto. Si la acetilcolina permanece unida a su receptor por un tiempo prolongado (ms), el canal se inactiva o se desensibiliza. Existe un gran número de receptores colinérgicos nicotínicos que se diferencian antes que todo por la naturaleza de las subunidades que lo componen.

Los receptores de glutamato ionotrópicos se han clasificado según su afinidad farmacológica a diferentes agonistas en tres familias: NMDA (N-metil-d-aspartato), AMPA (α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazole propionato) y kainato. El receptor de glutamato es de gran importancia no sólo por su diversidad y ubicuidad en el sistema nervioso central, sino también por su participación en múltiples acciones sinápticas excitatorias.

Los receptores de glutamato son canales catiónicos no selectivos que no se discriminan entre Na⁺ y K⁺. El tipo NMDA permite también el paso de Ca²⁺. De hecho, se caracterizan por su alta conductancia al Ca²⁺, cinco a 10 veces mayor que al Na⁺ o K⁺. Así, su activación causa una entrada sustancial de calcio a la neurona postsináptica proveyendo una modalidad extra de señalización para este catión. Al ser activados estos receptores la corriente postsináptica presenta un potencial de equilibrio muy cercano a 0 mV, por lo cual, siempre se produce un potencial postsináptico excitatorio, como es también el caso de los receptores de ACh. El receptor tipo NMDA requiere la presencia de la glicina como cotransmisor, y que se elimine el bloqueo que el Mg²⁺ ejerce cuando la célula está polarizada o en reposo. Para ello es necesario que la célula postsináptica sea despolarizada con anticipación, lo cual ocurre por medio de la activación de un receptor glutamato tipo AMPA contiguo, que permite la entrada de Na⁺ generando la despolarización parcial que es capaz de liberar el bloqueo del Mg²⁺.

Existen diversas formas de regular a los receptores ionotrópicos. De manera específica los receptores de glutamato se inactivan con una cinética en el orden de los milisegundos por un mecanismo de cambios conformacionales que causan una disminución en la probabilidad de apertura del canal, cuando están unidos a sus agonistas. Este mecanismo se denomina desensibilización y es el mismo ya descrito para el caso del receptor de Ach. La desensibilización de los receptores NMDA, AMPA y kainato es bloqueada con ciclotiazida, lectinas y concavalina A (CoA), respectivamente. El receptor NMDA es inhibido por el Mg²⁺ (véase antes), fenciclidina (PCP), protones (H⁺) y el Zn²⁺. Este último puede también tener el efecto estimulatorio. Otra forma de desensibilizar los receptores es por fosforilación o por internalización por endocitosis del receptor por proteínas específicas tipo proteína quinasa A y arestinas. El receptor de NMDA a su vez es regulado de manera facilitadora (apertura del canal y aumento de la probabilidad de apertura) por el glutamato, aspartato, glicina, y poliaminas como espermina. El receptor de NMDA es uno de los pocos receptores que necesita la acción sinérgica de dos agonistas para su activación como el glutamato y la glicina. El mecanismo de sensibilización se refiere a la capacidad de un NT o droga de ejercer un efecto mayor a la misma concentración. Esto se puede ver en el caso de inserción del receptor AMPA a la sinapsis.

De los receptores ionotrópicos inhibitorios el que reviste mayor importancia es el receptor GABA-A por su distribución y acción generalizadas en el SNC. Se han descrito siete tipos de subunidades, algunas como la α tiene seis subtipos, mientras que la β y la γ tienen tres. Este receptor al ser activado por la unión con su agonista GABA aumenta su conductancia al Cl⁻.

El receptor del GABA, además de tener sitios de unión específicos para su agonista, también los tiene para las benzodiazepinas que actúan de manera sinérgica para la abertura del canal. Asimismo tiene sitios de unión para picrotoxina (antagonista), anestésicos tipo barbitúricos, anestésicos tipo halotano y esteroides. Los receptores de GABA son blanco de numerosas y diferentes drogas, que modulan su actividad, como los barbitúricos y los esteroides que actúan a nivel de la región del poro del canal. El alcohol modula la acción de los receptores GABA alterando los circuitos inhibitorios mediados por estos receptores. Los receptores de glicina también son canales activados por ligandos así como su estructura y función son parecidas a las de los receptor del GABA.

Receptores metabotrópicos

Los receptores metabotrópicos actúan en una escala de tiempo mucho más lenta (s o min) que los ionotrópicos, están acoplados a proteínas G y son responsables de un gran número de respuestas modulatorias en las neuronas. Los receptores metabotrópicos son una superfamilia de proteínas con más de 1 000 miembros. Todos ellos presentan siete dominios transmembrana (figura 7-12B) y son activados por un gran número de neurotransmisores, como noradrenalina (receptores α y β adrenérgicos), GABA, 5HT, dopamina, glutamato, acetilcolina (colinérgicos muscarínicos), purinas y neuropéptidos. Es interesante resaltar que los NT peptidérgicos sólo actúan a través de receptores metabotrópicos.

La respuesta de los receptores metabotrópicos puede ser modulada por fosforilación, lo que refleja una disminución de la afinidad del NT o drogas al receptor (desensibilización) o aumento de afinidad de éste (sensibilización). La inserción de nuevos receptores regula de manera positiva a los receptores metabotrópicos de manera similar que los ionotrópicos. Otra forma de regular a los receptores metabotrópicos es por el acople del receptor al subtipo de proteína G y a su vez al acople de esta última al segundo mensajero.

Las proteínas G heteroméricas (tres subunidades) tienen un ciclo de activación que comienza con la unión del NT al receptor metabotrópico, que activa a la proteína G de la membrana causando la translocación del GDP con el GTP y la disociación de las subunidades α, β y γ. Éstas pasan al citosol y pueden movilizarse para interactuar con diferentes canales iónicos, transportadores o enzimas específicos que generan segundos mensajeros intracelulares que a su vez pueden activar diferentes proteínas (canales, transportadores, enzimas, etc.). De esta manera, las proteínas G pueden regular diversas proteínas tanto directa como indirectamente a través de la generación de segundos mensajeros. La subunidad α además tiene acción de GTPasa y al hidrolizar el GTP a GDP causa la reasociación de las subunidades entre sí mismas, quedando la proteína G nuevamente lista para un nuevo ciclo.

Como se aprecia en el cuadro 4-1, un NT es capaz de unirse a diversos tipos de receptores tanto ionotrópicos como metabotrópicos y estos últimos unidos a diferentes proteínas G forman múltiples segundos mensajeros lo que le da gran complejidad al mecanismo de acción de cada una de estas sustancias.

Existen múltiples segundos mensajeros, es decir, sustancias mensajeras citoplasmáticas, con excepción del Ca²⁺, los segundos mensajeros se forman una vez unido el mensajero primario o extracelular (transmisor u hormona) a su receptor, activando a diversos tipos de proteínas G. A su vez, éstas activan enzimas y proteínas, capaces de sintetizar sus segundos mensajeros que al mismo tiempo regulan múltiples funciones celulares.

Esquizofrenia

Esta enfermedad mental es una de las más devastadoras de las enfermedades ya que prácticamente inhabilita cualquier tipo de actividad si no se controla con medicamentos. Se caracteriza por episodios psicóticos precedidos de signos prodrómicos en diferentes áreas sensoriales y seguidos de síntomas residuales. Es un padecimiento que aparece en adolescentes y adultos jóvenes, tiene un factor genético importante y se considera una enfermedad crónica. Para diagnosticarla se requiere que la persona manifieste durante al menos seis meses, los siguientes síntomas: 1) ideas bizarras como complejo de persecución o control externo; 2) alucinaciones frecuentemente auditivas; 3) ideas incoherentes así como desorganizadas, y 4) ausencia o amortiguamiento de emociones.

Es necesario descartar la posibilidad de enfermedades del tipo maniaco depresivas o psicosis medicamentosa (p. ej., por anfetaminas). Al parecer, una de las causas de esta enfermedad es una función exagerada del sistema dopaminérgico sobre todo a nivel de la corteza cerebral.

Los tratamientos más exitosos de esta enfermedad se basan en la inhibición de diferentes receptores dopaminérgicos. Las fenotiazinas son las drogas antipsicóticas típicas, que inhiben sobre todo los receptores D₂. Estas drogas actúan sobre los síntomas positivos de la psicosis, como ideas distorsionadas, emociones amortiguadas, comportamiento retraído y alucinaciones. Existen múltiples tipos de drogas en esta familia pero algunas pueden tener efectos secundarios muy negativos como por ejemplo, aparición de síntomas motores extrapiramidales como movimientos involuntarios incontrolables. Drogas antipsicóticas atípicas del tipo clozapinas actúan sobre los receptores D₃ y D₄ y no presentan estos efectos secundarios negativos. Sin embargo, tanto las drogas típicas como las atípicas también pueden actuar sobre otros sistemas aminérgicos como los de la serotonina y la noradrenalina, que también están afectados en esta enfermedad. Es notorio que cada paciente tiene su propia sensibilidad a estas drogas y cada tratamiento debe ser individualizado según su respuesta al tratamiento.