Receptores Mente y Cerebro 2005

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20 Mente y cerebro 12/2005

Juan Lerma

Cualquiera que sea su morfología o la función que desempeñen, las neuronas suelen ajustarse a un modelo general identifica-

do por Santiago Ramón y Cajal, enuncia-do como el “principio de la polarizacióndinámica”. A tenor del mismo, habría unazona receptora de mensajes, una zona inte-gradora de los mismos, una zona conduc-tora y, por fin, una zona liberadora o trans-misora de la información procesada. Enuna neurona típica, tales funciones vienenadscritas a las dendritas, al soma neuronal,al axón y al terminal sináptico, respecti-vamente, que constituyen los principalescompartimentos morfofuncionales.

La función primordial de la neurona,concebida en su singularidad, consiste enrecibir información y transmitirla, una vezhaya sido procesada. En expresión de Char-les Scott Sherrington, la neurona es la uni-dad de integración, cuya función recapitulala función del sistema nervioso entero.

El procesamiento de la informaciónsensorial, la programación de los actosmotores, las respuestas emocionales, el

almacenamiento de la información enforma de memoria y otras funciones delsistema nervioso se deben a la actividadde grupos neuronales específicos e inter-conectados.

El cerebro humano consta de unos cienmil millones (1011) de neuronas, que esta-blecen en torno a 100 billones de conexio-nes sinápticas. No ha de extrañarnos queel más leve desajuste en la comunicaciónentre las neuronas provoque el funciona-miento incorrecto de uno o más sistemas,que puede terminar con el fracaso de lafunción del cerebro, es decir, la percep-

ción cabal del mundo externo y el controlde nuestros actos.

Por ello resultan tan devastadoras laspatologías cerebrales de cualquier tipo:afectan a la esencia del ser humano, supersonalidad, su comportamiento. Segúnun cálculo realizado por el estadounidenseInstituto Nacional de la Salud, el gasto anualque representan los desórdenes cerebralesmás comunes superan los 33 billones dedólares anuales. Por poner algún ejemplo,la depresión, una enfermedad de origenmúltiple y poco comprendida, provoca ungasto de 4-5 billones de dólares anuales.Solamente la enfermedad de Alzheimeracapara 10 billones anuales, por no hablarde otras enfermedades neurodegenerativaso del incalculable impacto social que pre-sentan los trastornos bipolares.

SinapsisLa comunicación entre las neuronas sedesarrolla en zonas especializadas de con-tacto. A esas zonas de “aposición, nun-ca continuas”, según Cajal, las bautizóSherrington con el nombre griego de si-napsis (“broche”).

El concepto de sinapsis ha marcado una

era de estudio en investigación neurológi-ca, en la que se ha registrado un avanceextraordinario en el conocimiento de lacomunicación neuronal. En él podemosdistinguir tres etapas fundamentales. Laprimera comportó el establecimiento delas neuronas como entes aislados y no in-tegradas en un sincitio cerebral. La segun-da etapa correspondió al esclarecimientode la naturaleza química y eléctrica de lacomunicación. Por fin, la tercera, y másreciente, abarca la aplicación de las téc-nicas electrofisiológicas modernas y de labiología molecular al estudio de la sinap-

sis. El gran avance en el conocimiento dela comunicación neuronal ha venido de lamano de la moderna electrofisiología y,sobre todo, de la incorporación de la biolo-gía molecular al estudio de la transmisiónsináptica. Sabemos ahora que la funcióncerebral descansa en el ejercicio correctode la maquinaria sináptica. Pero su disfun-ción genera epilepsia, Parkinson, esquizo-frenia y otros trastornos cerebrales.

Con este bagaje, uno de los retos im-puestos por la neurociencia moderna es ladeterminación de la composición proteicade la sinapsis, es decir, el establecimientodel “proteoma sináptico”. La aplicaciónde la espectrometría de masas a las frac-ciones sinápticas y a los complejos de re-ceptores ha permitido identificar ya mu-chas de las piezas de este rompecabezas.Por ese camino se han identificado hasta700 proteínas de la sinapsis, muchas deellas implicadas en procesos plásticos yen diversas patologías.

El progreso experimentado por nuestroconocimiento de la comunicación neuro-nal ha sido extraordinario. Sin embargo,son tantas las proteínas involucradas y tanexquisitos los mecanismos, que resulta di-

fícil pensar que algún día se llegará a lacomprensión cabal de dicho proceso decomunicación.

La teoría neuronalLa teoría neuronal enunciada por Cajalsurge de un hecho aparentemente simple:la aplicación al sistema nervioso de la teo-ría celular formulada en el primer terciodel siglo XIX por Jacob Mathias Schleideny Theodor Schwann. Bastante tiempo des-pués de postularse que la célula constituíala unidad estructural y funcional de teji-dos y órganos, los neuroanatómicos del

Comunicación

neuronalEl concepto de comunicación neuronal ha marcado una era de investigación científi ca,

habiéndose establecido los mecanismos básicos que rigen la transmisión de la información

que maneja el sistema nervioso. Ello ha llevado a establecer que la función cerebral

está basada en la correcta labor de esta maquinaria



Mente y cerebro 12/2005 21

siglo XIX seguían manteniendo la singu-laridad del sistema nervioso. Para ellos,las neuronas, lejos de ser células morfo-lógicamente separables, constituían ele-mentos sin solución de continuidad eintegrados en un sincitio. Camillo Golgidefendió esta postura con vehemencia.

Ese error de interpretación que llevó a

grandes anatomistas a negar la generaliza-ción de la teoría celular se atribuye hoy ala imposibilidad de resolver la membranaplasmática en las preparaciones histoló-gicas de la época. Este obstáculo llevó aCajal a buscar sistemas mejores donde elasunto de la continuidad o contigüidadde las terminaciones nerviosas quedararesuelto sin ningún género de duda.

Cajal partió del método de impregna-ción argéntica que Golgi había desarrolla-do. Lo perfeccionó y explotó de maneraprodigiosa. Además, Cajal eligió cerebrosen desarrollo; tejido nervioso embriona-

rio sin la complejidad del adulto y quepermitía visualizar unidades neuronalesque este método tiñe caprichosamente(aproximadamente sólo el 1% de las neu-ronas reaccionan con la plata formando unprecipitado negro). Cajal logró resolver lamorfología celular de las células nervio-sas, que se mostraron perfectamente ais-ladas de sus vecinas.

Nuestro histólogo describió tambiénlos tipos neuronales, sus conexiones yla distribución y organización de las es-tructuras cerebrales. Por idéntico procedi-miento descubrió el cono de crecimiento( figura 1), esbozó la teoría neurotróficay predijo la dirección del flujo de infor-mación, hecho plasmado en su ley de la polarización dinámica; según ésta, lainformación fluye de manera predecibledesde los lugares de contacto en las den-dritas y el cuerpo celular hacia el axón,por donde viaja hasta las terminacionesnerviosas que establecen contacto conotra neurona.

Llegó así a la firme conclusión de quelos terminales axónicos neuronales aca-baban libres sobre la superficie de otrascélulas, en sitios de interacción especiali-zados. En palabras del propio Cajal: “las

células nerviosas son elementos indepen-dientes jamás anastomosados ni por susexpansiones protoplasmáticas —dendri-tas— ni por las ramas de su prolongaciónde Deiters —axones— , y la propagaciónde la acción nerviosa se verifica por con-tactos al nivel de ciertos aparatos o dis- posiciones de engranaje”.

El espaldarazo definitivo a la teoríaneuronal de Cajal vino de la mano de lamicroscopía electrónica, cuyo desarrollopermitió, mediado el siglo XX, percibiren detalle la sinapsis con su consiguientedescripción estructural ( figura 2).

NeurotransmisoresNo es difícil imaginar que sin continui-dad entre las neuronas, es decir, con unaseparación física entre los límites deuna neurona y otra, debería entonces exis-tir un mecanismo específico de transmi-sión de la información de una célula a lasiguiente. La idea del sincitio, postuladopor la teoría reticular, abogaba por unacomunicación interneuronal de tipo eléc-trico. Pero, sin negar la realidad de una

comunicación neuronal eléctrica, la nor-ma general es que las neuronas se sirvande mensajeros químicos para comunicar-se. Es algo hoy plenamente demostrado.Liberados por las terminaciones nervio-sas, los neurotransmisores actúan sobre lamembrana postsináptica.

Desde finales del siglo XIX se venían re-cogiendo pruebas de la sensibilidad de lasneuronas ante los agentes químicos. Perola naturaleza química de la transmisiónsináptica no quedó demostrada hasta queOtto Loewi realizó, en 1921, uno de losexperimentos más elegantes y sencillos de

la historia de la fisiología. Aisló dos cora-zones de rana y los perfundió con soluciónde Ringer. Tras estimular el nervio vago,que inerva el corazón, de uno de ellos,y comprobar que la frecuencia cardiacadisminuía (acción vagal inhibidora), per-mitió el paso del exudado del corazónestimulado al líquido que bañaba el otrocorazón, que latía normalmente. Tras unbreve lapso de tiempo, Loewi observó queel latido de este último se enlentecía de

manera parecida a como si se hubiera esti-mulado eléctricamente su nervio vago.

Tras comprobar que ese efecto se evi-taba con la inclusión de atropina, unasustancia anticolinérgica, Loewi dedujoque la sustancia capaz de enlentecer ellatido cardiaco debía ser liberada por lasterminaciones vagales (de ahí su nombreoriginario de vagustoff ); podía recogerseen el exudado a concentraciones suficien-tes como para ejercer la misma acciónsobre el corazón no estimulado. Segúnse identificó más tarde, se trataba de laacetilcolina.

1. CORTE HISTOLOGICO DE LA MEDULA ESPINAL de un embrión de pollo teñido

por el método de Golgi. Se aprecia la extensión de una prolongación axónica que termina

en un cono de crecimiento (recuadro ). Esta microfotografía está tomada de las preparaciones

originales de Ramón y Cajal, que se conservan en el Instituto Cajal del CSIC.

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A ese primer neurotransmisor recono-cido como tal seguirían otros muchos. Elsistema nervioso, lejos de emplear unasola sustancia neurotransmisora, recurrea agentes sinápticos muy diversos paracumplir con su función principal de co-municación neuronal. Además, como des-cubrieran Sherrington y John Eccles, lasacciones sinápticas pueden ser excitado-ras e inhibidoras, un dato fundamental enel entendimiento de la función del sistemanervioso.

Comunicación eléctricaPero hay excepciones. Algunas sinapsisfuncionan sin agente neurotransmisor. Deeste tipo de sinapsis eléctrica, habitual eninvertebrados y peces, se ha desentrañadoya su base molecular. La transmisión se

produce merced a la continuidad eléctri-ca entre la célula presináptica y la célulapostsináptica. Tal continuidad se estable-ce a través de la aposición de un tipo es-pecial de canales iónicos, formados porlas conexinas, proteínas que encontramosen ambas membranas. En continuidadeléctrica, la corriente iónica fluye de unacélula a otra, sin necesidad de mensajerosquímicos.

El salto definitivo hacia el concepto detransmisión sináptica química llegó conlos experimentos llevados a cabo por Ste-phen Kuffler y el grupo de Bernard Katz

y Alan Hodgkin. A mediados del siglo XX,Katz, primero con Hodgkin y más tardecon José del Castillo, Paul Fatt y RiccardoMiledi, demostró la existencia de poten-ciales sinápticos elementales (miniatura).Avanzó la hipótesis iónica de la transmi-sión sináptica, abriendo el campo para suestudio y caracterización.

Ante la observación de respuestas si-nápticas miniatura, episodios disconti-nuos (discretos) y de amplitud constante,del Castillo y Katz sospecharon que éstosse desencadenarían con la liberación decantidades fijas de neurotransmisor. Enotras palabras, el neurotransmisor debíaser liberado en paquetes multimolecula-res, que ellos denominaron quanta. Asísurgió la idea de que el neurotransmisordebía estar almacenado en paquetes, de

suerte que pudieran ser liberados de formatodo-o-nada.

Esta idea recibió un decisivo respaldo,tras el advenimiento de la microscopíaelectrónica, con el descubrimiento de lasvesículas sinápticas, realizado simultáneae independientemente por dos grupos,formados por De Robertis y Bennet, porun lado, Palay y Palade, por otro. Estosorgánulos se acumulaban en el terminalsináptico, lo que hacía evidente que de-bían constituir reservorios de neurotrans-misor y, por tanto, ser responsables de quelas respuestas inducidas tras su liberación

fueran de naturaleza cuántica, es decir, deque se presentaran en múltiplos de unaamplitud mínima constante (los poten-ciales miniatura).

La investigación ulterior de Katz y Mi-ledi permitió determinar que la liberaciónde neurotransmisor dependía de la presen-cia de calcio: la hipótesis del calcio. Estosautores y, más tarde, el grupo de RodolfoLlinás demostraron que la despolariza-ción de la terminal presináptica inducíala apertura de canales iónicos permeablesa Ca2+; la entrada de este ion en el interiordel terminal sináptico desencadenaba laliberación del neurotransmisor.

Eso significaba que la entrada de Ca2+ promovía la fusión de las vesículas sináp-ticas con la membrana celular, en cuyoproceso de exocitosis el neurotransmisorse vertía al medio extracelular y allí inte-ractuaba con otro de los elementos crucia-les de la neurotransmisión, los receptoressinápticos. Tras esa gavilla de trabajosquedaba la vía expedita para abordar elestudio de la exquisita regulación del pro-ceso de la liberación de neurotransmisory de averiguar si en el sistema nervioso

central el proceso de neurotransmisiónobedecía las mismas reglas observadasen la unión neuromuscular.

Irrupción de la electrofisiologíaLa señalización sináptica se realiza me-diante una serie de mensajeros químicosque portan la información desde la neuro-na presináptica hasta la postsináptica. Enel curso de ese proceso, con liberación delneurotransmisor almacenado en las vesí-culas sinápticas, se activan los receptorespostsinápticos.

SINAPSIS ASIMETRICA SINAPSIS SIMETRICAPREPARACION ORIGINAL DE CAJAL

PREPRE

PREPRE

POSTPOST

POSTPOST

500 nm 500 nm

CA B

2. ASPECTO DE UNA DENDRITA NEURONAL observada al microscopio óptico

(A, fotografía tomada de una de las preparaciones originales de Ramón y Cajal,

que se conservan en el Instituto Cajal del CSIC). Aspecto de una sinapsis excitadora

al microscopio electrónico (sinapsis asimétrica) en B. En C, aspecto de una sinapsis

inhibidora (sinapsis simétrica). PRE: terminal presináptico. POST: terminal postsináptico.

Las flechas indican la extensión de la densidad postsináptica.

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La investigación reciente, acometidacon la conjunción de las técnicas de bio-logía molecular y de electrofisiología, enparticular la del pinzamiento de membra-na ( patch-clamp), ha permitido disecarestructural y funcionalmente el procesode liberación, así como identificar y ca-racterizar las proteínas receptoras del

mensaje.

La terminal presinápticaEl rasgo principal de la terminal presináp-tica reside en la propia acumulación devesículas sinápticas (unas 300-500). Sedisponen cerca de la zona activa, lugardonde la membrana plasmática del ter-minal se engruesa, ocupando un área entorno a 15 µm2.

La identificación de las proteínas dela membrana vesicular, por un lado, yde las proteínas de la zona activa, por otro,ha supuesto un gran avance en el cono-cimiento del mecanismo de liberaciónde neurotransmisor y sus implicacionesfisiológicas. Este proceso, finamente re-gulado, depende de la interacción entrelas proteínas que se sitúan en la membra-na de la vesícula sináptica con las que sedisponen en la membrana plasmática queforma la zona activa.

La membrana vesicular contiene unas200 moléculas proteicas, agrupadas endos clases: proteínas transportadoras,responsables de la captación de neuro-transmisor, y proteínas involucradas enel tráfico de las vesículas, que son las másabundantes. A esas proteínas de recono-

cimiento en ambas membranas se debeque las vesículas no se fusionan en cual-quier sitio, sino en lugares específicos.

Las proteínas involucradas en el tráficode las vesículas sinápticas, que aparecenen diversas variantes, pueden agruparse ennueve familias. A ellas hemos de agregarlos transportadores de neurotransmisores,encargados del llenado de las vesículas,las bombas de protones y otras proteínas.En conjunto, las proteínas de la vesículasináptica se caracterizan por su notablediversidad estructural; de la mayoría sedesconoce su función específica. Pero no

cabe dudar de su implicación necesaria enla correcta liberación del neurotransmisor,según se desprende de la investigación

con animales manipulados genéticamentepara anular la expresión de las mismas.

Vesículas y neurotransmisoresCon independencia del neurotransmisorempleado, las sinapsis siguen un patróncomún: almacenan neurotransmisor envesículas que se acumulan en los termina-les sinápticos. Cuando la despolarizacióndel terminal presináptico alcanza un nivelsuficiente para desencadenar la exocitosis,se liberan las vesículas. En concreto, cuan-do el ion Ca2+ alcanza una concentraciónumbral en el compartimento intracelular.

Tras la exocitosis las vesículas sufren unproceso de endocitosis. En esta suerte demecanismo de reciclado, se desarrollan,

con suma rapidez y precisión, numerosasinteracciones proteína-proteína.

Resumido de una forma esquemática,el proceso de la liberación vesicular delneurotransmisor atraviesa los siguientesestadios: adhesión o atraque de la vesículaen la membrana; prefusión de la vesícula;fusión; reciclado, y recarga de las vesícu-las con transmisor. El proceso de exocito-sis culmina cuando algunas proteínas dela vesícula (sinaptobrevinas o VAMP) sonreconocidas por proteínas presentes en lazona activa (llamadas SNAP-25 y sintaxi-na). Los complejos resultantes (o SNARE)

SINAPTOTAGMINASI Y II

SINAPTOBREVINASI Y II

SINAPSINASI, II Y III

SV2A, 2B Y 2C

SVOP

SCAMPs 1 Y 4

SINAPTOGIRINA

SINAPTOFISINAS

RAB 3

RABFILINA

VESICULA SINAPTICA

CSPN

N

N

N

N

N

N

NN

N

NN

C C

C

C

C C

C

C

C

C

C

CA

B

Ca2+ATP

ATRAQUE PREFUSION EXOCITOSIS

ENDOCITOSIS

ENDOSOMA

FORMACION DE NOVO

RELLENADO

TERMINALPRESINAPTICA

BRECHASINAPTICA

MEMBRANAPLASMATICA

3. REPRESENTACION ESQUEMATICA

de las proteínas presentes en la membrana

de la vesícula sináptica, que almacena el

neurotransmisor (A). La mayoría de estas

proteínas determina el correcto tráfico

de la vesícula en terminal presináptica. En B,

se esquematiza el ciclo que ha de seguir una

vesícula sináptica desde su formación hastael vaciado del neurotransmisor al espacio

extrasináptico y su posterior reciclaje.

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actúan a modo de cremallera: fusionan lamembrana vesicular y la plasmática.

Ciertas toxinas degradan las proteínasinvolucradas en la fusión de la vesículasináptica. Así, las toxinas botulínicas hi-drolizan SNAP-25, sintaxina o ambas. Latoxina tetánica (y variantes de botulínica)degradan la sinaptobrevina presente en lamembrana vesicular. Ello explica la im-posibilidad de liberación del transmisortras la intoxicación: se suspenden todoslos procesos sinápticos, incluida la trans-misión neuromuscular, lo que conlleva laparálisis de los músculos respiratorios yla asfixia consiguiente.

Pese al gran numero de interaccionesproteicas, la entrada de Ca2+ dispara la li-beración de neurotransmisor en menos de0,1 milisegundos. Se supone que, en cadacaso, se libera una vesícula por botónsináptico. El hecho de que haya variasvesículas en disposición de ser liberadas

(atracadas o prefundidas) significa que elsistema está listo para afrontar una suce-sión de estímulos.

Sin embargo, la probabilidad de que unavesícula sea liberada cuando un impulsonervioso (o potencial de acción) invade elterminal sináptico es baja (< 1). Lo que nospermite, a su vez, entender la posibilidadde modulación del sistema, puesto que laactividad subsiguiente puede depender dela actividad previa, es decir, de la historiafuncional del terminal sináptico.

Los mecanismos mencionados son res-ponsables, al menos en parte, de varios

fenómenos de plasticidad sináptica, plas-ticidad que subyace a los fenómenos deaprendizaje y memoria. En definitiva, laliberación de neurotransmisor constituyeun proceso sujeto a finísima regulación;reviste, además, tal complejidad, que re-sulta sorprendente que no se produzcan amenudo desajustes.

Los receptores sinápticosAl terminal presináptico correspondela liberación rápida de transmisor; a lamembrana postsináptica, la posesión deestructuras especializadas en la recepcióndel mismo. En la membrana postsinápticaencontramos las proteínas receptoras queson activadas por los neurotransmisores.

Entre los sistemas receptores, el mejorconocido es la unión neuromuscular, queemplea la acetilcolina como sustanciatransmisora. Sin embargo, en la inmen-sa mayoría de las sinapsis excitadoras se

utiliza por neurotransmisor el ácido glu-támico; otro aminoácido, el ácido γ -ami-nobutírico (GABA), es el liberado en lamayoría de las sinapsis inhibidoras. Conotras palabras, en las sinapsis excitadorasse acumulan los receptores de glutamato,mientras que en las inhibidoras lo hacenlos receptores de GABA.

En el microscopio electrónico se apre-cian las diferencias morfológicas entre untipo y otro de sinapsis. Las excitadoraspresentan una ancha zona submembranalde alta densidad electrónica; en las inhibi-doras esta banda es más delgada. Se en-

tiende así por qué el aspecto de las sinapsisexcitadoras resulta asimétrico cuando secomparan las especializaciones pre y post-sinápticas; en cambio, las inhibidoras pre-sentan un aspecto más uniforme y simétri-co. Podríamos, pues, clasificar las sinapsisen razón de su apariencia, correlacionadacon el tipo de receptores que presentan.

La densidad postsináptica (DPS), tanllamativa en las sinapsis excitadoras, sedebe a la congregación allí, con los recep-tores, de otras proteínas que modulan laactividad de los receptores y que formanun auténtico andamiaje. Hay, entre ellas,proteínas kinasas y fosfatasas, proteínasinvolucradas en la transducción de señalesy proteínas de anclaje en el citoesqueleto.En un reciente análisis proteómico se haidentificado hasta 70 proteínas asociadasa una molécula del receptor de NMDA (untipo de receptor glutamatérgico).

En razón de su estructura y modo de ac-

ción los receptores sinápticos se dividenen dos grupos: ionotrópicos y metabotró- picos. Los receptores ionotrópicos soncanales iónicos que se abren cuando elneurotransmisor se une a ellos. Los recep-tores metabotrópicos se caracterizan poractivar un sistema de segundos mensajerosa través de su acoplamiento a una proteí-na G. Esta acción puede acabar provocan-do la interacción secundaria con un canaliónico o bien con otras proteínas efecto-ras. El resultado de activar un receptor uotro será excitador o inhibidor, según lascaracterísticas funcionales y la distribu-

A lo largo de los últimos 80 años el avance en el conoci-miento de los mecanismos de membrana fundamentales quedan lugar a la señalización neuronal, la transducción de lainformación y la comunicación neuronal ha venido de la manode tres técnicas electrofi siológicas: el registro intracelular, lastécnicas de fi jación de voltaje y el registro de corrientes ele-mentales que utiliza la técnica del pinzamiento de membrana(“patch-clamp”).

Los trabajos de Alan Lloyd Hodgkin y Andrew Huxleysentaron las bases para nuestra comprensión de la generacióny propagación del potencial de acción. Quedaba por dilucidarlos mecanismos moleculares que subyacían a estas señales.Aunque del modelo de Hodgkin y Huxley emanaba el conceptode “canal iónico”, no había pruebas directas de la presencia detales “canales” en las membranas biológicas.

A principios de los años setenta, Erwin Neher y Bert Sak-mann concentraron su esfuerzo en aislar pequeñas áreas demembrana muscular, para así mejorar la calidad del registroeléctrico y eliminar en lo posible el ruido asociado. Lo lograronmediante el pulido al fuego de la punta (1-5 µm de diámetro)de las pipetas de vidrio. Tal proceder mejora la interacción dela pipeta con la membrana celular, de suerte que al aplicarun poco de succión a la pipeta se establece un “sello” de

alta resistencia eléctrica con la membrana. Así se evita quela corriente “escape” al medio extracelular por la vía acuosaestablecida entre la pipeta y la membrana. Con la ayuda de unamplificador específicamente diseñado para ello, se midieronlas pequeñas corrientes que fluían a través de la porción demembrana (parche) delimitada por la pipeta.

Los primeros registros realizados con esta técnica, publi-cados en 1976, demostraban la existencia, en los parches, deflujos de corriente con aspecto de pulsos cuadrados, de ca-racterísticas todo-nada que podían representar las aperturas (ypor tanto, el paso de corriente a su través) de canales iónicosindividuales. Con el perfeccionamiento de la técnica se demos-tró que, en las membranas biológicas, los canales iónicos seabren y cierran siguiendo un proceso estocástico. Esta técnica,mejorada con el correr de los años, se ha convertido en unarutina de laboratorio. La técnica del pinzamiento de membranapermite seguir, en tiempo real, los cambios conformacionalesde una entidad proteica en su medio natural. Se trata, pues, deuna de las técnicas con mayor resolución temporal. Por eldesarrollo de esta técnica de registro y ulteriores estudiosde la señalización neuronal mediante su empleo, Neher y Sak-mann fueron galardonados con el premio Nobel de medicinay fisiología en 1991.

Pinzamiento de membrana (“patch-clamp”)




ción subcelular de cada receptor, indepen-dientemente del tipo de neurotransmisor.Merced a esa diversidad funcional, bastanunos pocos neurotransmisores para aco-meter acciones muy dispares.

En una sinapsis típica, el neurotransmi-sor se libera al espacio sináptico cuandoun potencial de acción invade la terminalpresináptica; la invasión produce una des-polarización suficiente como para que loscanales de Ca2+ presinápticos se abran, en-tre Ca2+ y provoque la exocitosis vesicular.Las moléculas de neurotransmisor fluyenpor la hendidura o brecha sináptica y seenlazan a sus receptores postsinápticos. Siestos receptores son ionotrópicos, se abreel canal iónico asociado y se producen elflujo iónico y un cambio en el potencial demembrana de la neurona postsináptica.

Si el cambio operado en el potencial de

membrana es despolarizante (en los recep-tores de glutamato), aumenta la excitabili-dad de la neurona y terminan por producirsepotenciales de acción. Si el cambio es hiper-polarizante (en los receptores de GABA),la excitabilidad de la neurona decrece yse reduce la posibilidad de que se dispare.Las etapas que median desde la llegada delpotencial de acción hasta el terminal presi-náptico y la generación de la respuesta en elpostsináptico generan un retraso sináptico,que varía entre 0,3 y 5 milisegundos.

Los receptores de neurotransmisores,proteínas integrales de membrana, presen-

tan dominios que atraviesan la membrananeuronal. En la región extracelular se or-ganiza el sitio de reconocimiento del neu-rotransmisor. Los receptores ionotrópicosforman por sí mismos un canal iónico me-diante la asociación de varias subunidadesproteicas; cuando se acoplan al neurotrans-misor, sufren un cambio conformacionalque provoca la apertura del canal.

Estos receptores cumplen así una ta-rea de señalización que se caracteriza

por su rapidez y brevedad (dura escasosmilisegundos). A esta familia pertenecenlos receptores de acetilcolina y glutamato(excitadores), y de GABA

A y glicina (in-

hibidores). El origen excitador o inhibidorde estos receptores se basa en el hecho deque los canales iónicos que forman dejanpasar cationes (Na+, K+, Ca2+) o aniones(Cl—), respectivamente, provocando ladespolarización o la hiperpolarización dela membrana en reposo.

Se ha clonado ya la mayoría de los genesque codifican las subunidades que compo-nen esos receptores. Su amplia diversidad

genética se refleja no sólo en el nutridoelenco de subunidades, sino también enlas varias configuraciones en que aparececada una de ellas. Se ha comprobado quela presencia de una u otra isoforma de unreceptor genera propiedades funcionalesdiferentes. Como se avanzó antes, el sis-tema goza de múltiples grados de libertad,que posibilitan una notable capacidad deregulación.

Receptores metabotrópicosy proteínas GOtros receptores, los metabotrópicos, pre-sentan una estructura molecular distinta.Intervienen en el control de la actividad decanales iónicos, amén de cumplir su fun-ción principal en la generación de segun-dos mensajeros. La acción de los recepto-res metabotrópicos perdura de segundosa minutos. Pertenecen a esta familia losreceptores α- y β-adrenérgicos, dopami-nérgicos, de serotonina, muscarínicos deacetilcolina, metabotrópicos de glutama-to, GABA

B y cannabinoides, así como de

SINAPTOBREVINA

SNAP–25

SINTAXINA

MUNC–18

COMPLEJO SNARE

A

B

C

D

4. PROCESO MOLECULAR que lleva a la fusión vesicular y la liberación de

neurotransmisor. La proteína vesicular sinaptobrevina interacciona con SNAP-25,

la cual interacciona con sintaxina, ambas presentes en la membrana plasmática, al

liberarse la proteína MUNC-18. Así se forma el complejo denominado SNARE. Una

reorganización de este proceso (C) conlleva la puesta en contacto de la vesícula sináptica

con la membrana plasmática; actúa como un resorte favoreciendo la fusión de ambas

membranas y el vaciado de neurotransmisor.

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neuropéptidos (VIP, opioides, substan-cia P) y sustancias olorosas.

Los receptores metabotrópicos se aco-plan a proteínas G de diferentes caracte-rísticas; de ahí que se les denomine tam-bién receptores acoplados a proteína G;las activan cuando forman unión con elligando.

A su vez, las proteínas G activan

tres efectores fundamentales: la adeni-lato ciclasa, que cataliza la síntesis deAMPc; la fosfolipasa C, que producela hidrólisis de fosfolípidos en inositoltrifosfato (IP3) y diacilglicerol, y la fos-folipasa A2, que posibilita la síntesis deácido araquidónico.

Los segundos mensajeros que acaba-mos de citar ejercen su acción biológicamediante la actuación directa sobre cana-les iónicos o, de forma indirecta, a travésde proteínas kinasas, que modulan la ac-tividad de los canales iónicos mediante lafosforilación de los mismos.

Puesto que cada proteína kinasa poseenumerosas dianas, puede producir efectosmuy dispares. La acción de los receptoresmetabotrópicos conlleva alteraciones depropiedades de la membrana celular quepueden alterar, durante un tiempo prolon-gado, la respuesta a los neurotransmiso-res. Por ello, se dice que los receptoresmetabotrópicos presentan un carácter

modulador de la transmisión sináptica.Lo cierto es que tales receptores intervie-nen también en la regulación de la libe-ración de neurotransmisores, al situarseen la terminal presináptica. Igualmente,al alterar la actividad de los receptoresionotrópicos y los canales dependientesdel voltaje, modulan la respuesta sinápti-ca y la excitabilidad neuronal.

Alteraciónde la transmisión sinápticaEntre las patologías que comportan unadesconexión sináptica sobresale la mias-

tenia gravis. Conocida desde 1877, estaenfermedad autoinmunitaria se debe aldesarrollo de autoanticuerpos que reco-nocen y bloquean el receptor de acetil-colina nicotínico. Impiden la transmisiónsináptica entre las motoneuronas y elmúsculo.

Dichos anticuerpos, presentes en los

enfermos de miastenia, no se limitan aevitar la interacción entre la acetilcolina ysu receptor, sino que, al parecer, aumentanla degradación de este último. Alteradoslos receptores, se facilita una flaccidezmuscular generalizada que puede inclusoafectar a la respiración normal.

En la lista de patologías autoinmunita-rias asociadas a la función sináptica se nu-mera también la enfermedad de Rasmus-sen. Se trata de una epilepsia debida a lapresencia de autoanticuerpos contra unade las subunidades de un receptor de glu-tamato (GluR3 del receptor de AMPA).

En este caso, los anticuerpos resultan seragonistas del receptor; se produce, enconsecuencia, una excitación tónica quelleva a la generación de una actividadepiléptica.

Son innumerables los trastornos detransmisión sináptica que se han dado ennombrar como sinaptopatías. La esqui-zofrenia parece ser, al menos en parte,una sinaptopatía en la que se encuentraalterada la función dopaminérgica; en fe-cha reciente se la ha relacionado con lahipofunción del receptor de M-metil-D-aspartato (NMDA), un tipo de receptor deglutamato. Los antipsicóticos, indicadosen el tratamiento de este y otros desór-denes similares, bloquean los receptoresdopaminérgicos; se busca, pues, rebajarla transmisión dopaminérgica, que se creeestá intensificada en estos pacientes.

Algo parecido ocurre con los trastor-nos depresivos; en ellos, el sistema deneurotransmisión implicado es el sero-toninérgico. Disponemos ya de buenosfármacos antidepresivos, que inhiben ladegradación de serotonina (inhibidoresde la MAO) o su sistema de recaptación(caso del Prozac); al actuar así, una vez li-berada su efecto perdura más tiempo. Las

benzodiazepinas (Librium, Valium), an-siolíticos conocidos, potencian la accióndel aminoácido inhibidor GABA, cuyoreceptor GABA

A posee un sitio de modu-

lación específica para benzodiazepinas.Sobre este receptor actúa igualmente elalcohol. En cuanto a los potenciadores delsistema GABAérgico, las benzodiazepi-nas constituyen buenos antiepilépticos;téngase en cuenta que la epilepsia derivade un desajuste del equilibrio entre exci-tación e inhibición.

Con las drogas de abuso se altera tam-bién la función sináptica. Modifican la

METABOTROPICOS

(siete segmentos transmembrana)

IONOTROPICOS

(canales iónicos)

RECEPTORES TIPOS

GLUTAMATO

NMDA,

AMPA,

KAINATO

ACETILCOLINA NICOTINICOS

GABA -A, -C

SEROTONINA 5HT3

GLICINA 5HT1-2, 5HT4-7SEROTONINA

-BGABA

D1-5DOPAMINERGICOS

ADRENERGICOS α, β

MUSCARINICOSACETILCOLINA

mGluR1-8GLUTAMATO

TIPOSRECEPTORES

IONES

M1

M2M3M4 G

IP3+DGAMPc-,AA

5. TIPOS DE RECEPTORES PARA NEUROTRANSMISORES. Los neurotransmisores

actúan a través de dos tipos de receptores, los ionotrópicos (que forman un canal

iónico) y los metabotrópicos (que disparan una cascada de señalización intracelular al

estar acoplados a una proteína G). El dibujo representa esquemáticamente la estructura

molecular de cada uno de ellos. Los ionotrópicos poseen segmentos que atraviesan la

membrana varias veces: tres los receptores de glutamato o cuatro acetilcolina, GABA,

glicina, serotonina. Los metabotrópicos poseen 7 segmentos transmembrana. La tabla

inferior muestra los tipos de receptores para algunos neurotransmisores. El mismo

neurotransmisor puede activar diversos tipos de receptores con diferentes peculiaridades.

J U A N

L E R M A




percepción y el comportamiento. La es-tructura molecular de muchas de ellas seasemeja a la de los neurotransmisores,hasta el punto de que pueden usurpar su

puesto en los sistemas de regulación. Su-cede así con las anfetaminas, análogas ensu estructura a las aminas biógenas, conla mescalina, similar a la noradrenalina,

o con la cocaína, capaz ésta de inhibir lostransportadores de dopamina, serotoninay noradrenalina, lo que prolonga la acciónsináptica de estas aminas. La anfetaminaconocida como éxtasis (NDMA) reem-plaza a la serotonina en su transportadory sustituye incluso al neurotransmisor enlas vesículas sinápticas. Por culpa de ello,

termina por fallar la transmisión seroto-ninérgica.

RecapitulaciónLa compleja integración de estos siste-mas de señalización, desde la liberaciónde una vesícula sináptica hasta la acti-vación de los receptores postsinápticos,resulta, pues, decisiva para el correctofuncionamiento del cerebro. La esenciade la función neuronal radica en la in-tegración de la información prevenientede miles de terminales excitadores e in-hibidores.

Cada neurona recibe en torno a 10.000entradas sinápticas. Las entradas activasen un período de tiempo determinado sonsumadas por la membrana neuronal, quedecide entonces si desencadena o no unpotencial de acción, que se transmitirá alas neuronas con las que contacte.

Esta función integradora celular nosólo recapitula la función cerebral, sinoque constituye además la base de la mis-ma. Cualquier desajuste en estos procesosconlleva una disfunción neuronal, cuyoreflejo en el sistema puede ser mínimo enalgunos casos, pero en otros puede tenerconsecuencias devastadoras, traducién-dose en una enfermedad mental o neuro-degenerativa.

JUAN LERMA es doctor en ciencias y profe-

sor de investigación del Consejo Superior de

Investigaciones Científicas. Su carrera investi-

gadora se ha desarrollado en Estados Unidos

(Facultad Albert Einstein de Medicina, Nueva

York) y en España (Hospital “Ramón y Cajal”

y CSIC). Su actividad científica se ha centra-

do en el entendimiento de los procesos de

comunicación neuronal, mediante los cuales

las neuronas regulan su excitabilidad. En par-

ticular, sus trabajos abordan el estudio de losreceptores neuronales para neurotransmisores,

usando técnicas electrofisiológicas y de biología

celular y molecular.

PRINCIPLES OF NEURAL SCIENCE. Dirigido por

Eric R. Kandel, James H. Schwartz y Thomas

M. Jessell. McGraw-Hill, 2000.

SYNAPSES. Dirigido por W. Maxwell Cowan,

Thomas C. Sudhof y Charles F. Stevens. The

Johns Hopkins University Press, 2001.

Bibliografía complementaria

VESICULA

SINAPTICA

DOPAMINA

RECEPTOR

DE DOPAMINA

TRANSPORTADOR

DE DOPAMINA

TERMINAL PRESINAPTICA

NEURONA POSTSINAPTICA

A

B

COCAINA

6. LAS DROGAS DE ADICCION interfieren con la transmisión sináptica. El panel

superior (A) muestra esquemáticamente el ciclo de un neurotransmisor como la dopamina.

Este se almacena en vesículas sinápticas, liberándose al medio extracelular donde ejerce

su acción mediante la unión a su receptores específicos. Posteriormente, es recaptado

por transportadores específicos situados en la terminal presináptica, para su reutilización

ulterior. La cocaína ( panel inferior , B) reemplaza a la dopamina en sus transportadores,

impidiendo que el neurotransmisor se recapte y se reutilice normalmente. Esto tiene dos

consecuencias; la primera es que la acción del neurotransmisor natural se ve prolongada;

la segunda es que tras cierto tiempo de actuación existe una depleción de dopamina que

conlleva el fracaso sináptico con la consiguiente alteración de la función cerebral.

J U A N

L E R M A

Documents

Receptores Mente y Cerebro 2005