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5.1: Sinapsis neuromuscular

1. Morfología funcional de la SNM La sinapsis es la entidad fisiológica que permite el paso de corriente de una célula a

otra. Su descubrimiento hizo merecedor del Premio Nobel a Santiago Ramón y Cajal, quien es

considerado el mejor neurocientífico de todo los tiempos. Ramón y Cajal observó que las

neuronas no eran una red celular continua como afirmaba Golgi sino células individualizadas

separadas y comunicadas por unos espacios a los que denominó sinapsis.

En el organismo existen dos tipos de sinapsis:

Sinapsis neuro-neuronal: conexión entre una neurona y otra

Sinapsis neuro-muscular: conexión neurona-músculo. Estas son las que se estudian en

este tema.

Las fibras de músculo esquelético están inervadas por fibras nerviosas mielinizadas

grandes que se originan en las motoneuronas grandes de las astas anteriores de la médula

espinal. Todas las fibras nerviosas, después de entrar en el vientre muscular, normalmente se

ramifican y estimulan entre tres y varios cientos de fibras musculares esqueléticas. La

proporción siempre es 1:1, una ramificación final del axón para una fibra. El conjunto de fibras

inervadas por el mismo axón se llama unidad motora.

Anatomía fisiológica de la unión neuromuscular: la placa motora terminal

Terminaciones nerviosas

Las fibras nerviosas forman un complejo de terminaciones nerviosas ramificadas que

se invaginan en la superficie de la fibra muscular pero que permanecen fuera de la membrana

plasmática de la misma. La membrana invaginada se denomina gotiera sináptica o valle

sináptico. Las células de Schwann rodean al axón y lo aíslan de los líquidos circundantes hasta

que este penetra en la gotiera sináptica.

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La terminación axónica se denomina botón presináptico. En este botón podemos

encontrar las siguientes estructuras:

I. Canales de sodio, potasio y calcio voltaje dependientes. De estos tres quizá los más

característicos sean los CCaVD.

II. Bombas y proteínas para el transporte activo y secundario: SPA, CA y CNX.

III. Mitocondrias para generar la energía que consumen las bombas.

IV. Aproximadamente 300.000 vesículas que contienen a los neurotransmisores.

Vesículas presinápticas

La vesículas presinápticas tienen un diámetro de 50 nm. En su membrana están

insertas tres grupos de proteínas indispensables para que las vesículas puedan realizar su

función.

a. Bomba protón ATPasa: introduce protones en la vesícula en contra de gradiente.

Aumenta el PH del interior de la misma. También se puede encontrar en otros

orgánulos citosólicos como el aparato de Golgi y los lisosomas.

b. Contransportadores. Aprovechan la salida de H+ a favor de gradiente para introducir

neurotransmisores en el interior de la vesícula.

c. Proteínas de sinapsis encargadas de mediar la exocitosis de los neurotransmisores.

Espacio sináptico

Las vesículas no liberan su contenido sobre el músculo directamente, sino en unna

cavidad virtual denominada espacio sináptico o lámina basal envolvente (LBE). Tiene un

diámetro de 50 µm y está ocupado por fibras de colágeno y polisacáridos. Entre las fibras de

colágeno se encuentra una enzima, la acetil-colin esterasa, de origen muscular. La función de

esta enzima es hidrolizar la acetil-colina antes de que esta llegue a actuar.

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Hendiduras subneurales

En el fondo de la gotiera sináptica hay

numerosos pliegues más pequeños

denominados hendiduras subneurales, que

aumentan mucho el área superficial en la que

puede actuar el transmisor sináptico. En

estos pliegues se encuentra el receptor

nicotínico colinérgico para la acetil-colin. Se

cree que hay 20.000/µm2.

Este receptor está formado por cinco

subunidades distintas: 2 α (subunidades de

unión a AcCo), β, σ y γ. Estas tres últimas

tienen una función de sostén estérico.

Este receptor admite tres conformaciones distintas.

a. No ocupado y cerrado

b. Ocupado y abierto

c. Ocupado y cerrado

Es importante el hecho de

que para que se cierre el canal no

es necesario que se libere la AcCo.

Este se cierra espontáneamente al

cabo de 1 ms y posteriormente, la

acetil-colina se disocia.

Estos canales se bloquean por curare y por bungarotoxina.

2. Potencial de placa terminal (PPT)

El potencial de placa terminal es el Elocal despolarizante que se produce en la PT

cuando la AcCo de las vesículas se libera al espacio sináptico y se une al canal nicotíncios

provocando su apertura. Cuando el canal está abierto se igualan las conductancias del sodio y

del potasio de manera que el potencial de membrana en esta zona alcanza los -10, -12 mV.

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Valor del PPT

Es posible conocer este valor mediante estudios experimentales, ecuaciones o

mediante una técnica conjugada voltage clamp – patch clamp.

I. Estudios experimentales

Cuando se iniciaron estas invesitgaciones era muy difícil acceder a la placa terminal por

eso se intentaba descubrir el PPT a partir de los cambios de voltaje que experimentaba la fibra

muscular cuando se le inyectaba una corriente. A estas células se les administraba una

concentración cada vez mayor de curare para observar como cambiaban los potenciales de

acción.

Más tarde ya fue posible estudiar directamente las placas terminales gracias a la

sinapsis del ganglio estrellado de calamar gigante. Fue necesario administrar colagenasa para

que hidrolizase el colágeno de la LBE. Uan vez hecho esto, se inyectó un electrodo en la PT y se

añadió acetil colina.

II. Ecuaciones

Una forma más sencilla de averiguar el potencial en la PT es a través de las ecuaciones

siguientes:

Ley de Ohm: 𝐼 = 𝑔 𝑉

𝐼𝑁𝑎+ = 𝑔𝑁𝑎+ (𝐸′𝑚 − 𝐸𝑁𝑎+) y 𝐼𝐾+ = 𝑔𝐾+ (𝐸′𝑚 − 𝐸𝐾+)

Cuando se abre el canal las 𝑔𝑁𝑎+ = 𝑔𝐾+ e 𝐼𝑁𝑎+ = 𝐼𝐾+ luego…

(𝐸′𝑚 − 𝐸𝑁𝑎+) = (𝐸′𝑚 − 𝐸𝐾+) → 𝐸′𝑚 = 𝐸𝑁𝑎++ 𝐸𝑁𝑎+

2= −10 𝑚𝑉

Ecuación de Goldman

𝐸𝑚 = 61 log 𝑃𝐾+ [𝐾+]𝐿𝐸𝐶 + 𝑃𝑁𝑎+ [𝑁𝑎+]𝐿𝐸𝐶

𝑃𝐾+ [𝐾+]𝐿𝐼𝐶 + 𝑃𝑁𝑎+ [𝑁𝑎+]𝐿𝐼𝐶 = 61 log

[𝐾+]𝐿𝐸𝐶 + 𝑃𝑁𝑎+

𝑃𝐾+ [𝑁𝑎+]𝐿𝐸𝐶

[𝐾+]𝐿𝐼𝐶 + 𝑃𝑁𝑎+

𝑃𝐾+ [𝑁𝑎+]𝐿𝐼𝐶

En la placa terminal con el canal abierto 𝑃

𝑁𝑎+

𝑃𝐾+=

51

100 ≅ 0′51 → 𝐸𝑚 = −15 𝑚𝑉

Ecuación de “g” en paralelo

𝐸𝑚 = 𝐸𝐾+ + 𝐸𝑁𝑎+ 𝑥 (𝑔𝑁𝑎+ 𝑔𝐾+⁄ )

1 + (𝑔𝑁𝑎+ 𝑔𝐾+⁄ )= −12 𝑚𝑉

En la placa terminal con el canal abierto (𝑔𝑁𝑎+ 𝑔𝐾+⁄ ) = 1

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III. Patch clamp + voltage clamp

Con la punta de una pipeta que tenga el diámetro de 1 µm, cojo un receptor nicotínico

colinérgico y lo sumerjo en una solución semejante al LIC. La solución que se encuentra dentro

de la pipeta simula al LEC. Además intriduzco en la solución LIC dos electrodos, uno de

corriente y otro unido a un voltímetro para medir el Em en cada caso.

En primer lugar, con el electrodo de corriente introduzco cargas positivas o negativas a

todo el LIC de manera que se despolariza o hiperpolariza respectivamente.

A continuación, añado acetil colina a la pipeta de maera que se abre el canal durante 1

ms. Se supone que entonces saldrá K+ o entrará Na+ dependidiendo del potencial que se haya

fijado.

Para comprobar si esto es así y la conocer la cantidad y el tipo iones que atraviesa el

canal para cada potencial se inyecta una corriente de electrones de signo negativo que

antagonice a la corriente iónica. Esto es posible gracias a que, en cuanto el electrodo de voltaje

detecta unn mínimo cambio da la ordén al de corriente para que actúe.

Así pues lo que se observa es….

Em clampado = + 40 mV

FEMTN del K+ = +40 – (-95) = 135

FEMTN del Na+ = +40 – (+70) = +30

Balance neto: salida de potasio. Se inyecta una corriente

positiva.

Em clampado = - 15 mV

FEMTN del K+ = -15 – (-95) = +80

FEMTN del Na+ = -15 – (+70) = -85

Balance neto: misma salida de potasio que de sodio. No se

inyecta ninguna corriente.

Em clampado= -40 Mv

FEMTN del K+ = -40 – (-95)= +55 mV

FEMTN del Na+= -40 – (+70) = -110 Mv

Balance neto: entrada de sodio. Se inyecta una corriente negativa

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Corrientes de placa terminal

Existen tres tipos de corrientes de placa terminal aunque todas ellas están muy

relacionadas.

I. Corriente de un solo canal

Gracias a la técnica del patch clamp se pudo saber además cuánto valía la corriente

electrotónica generada al abrir un canal. En 1 ms se genera una corriente media de 2 a 3 pA

(picoamperios = 10-12).

Este dato permitió averiguar la conductancia del canal:

𝑔 = 𝐼

𝑉=

2 𝑥 10−12 𝐴

[−80 − (−15)] 𝑥 10−3 𝑉= 30 𝑝𝑆

II. Corriente de una sola vesícula

Una vesícula contiene 8.000 –10.000 moléculas de AcCo. El 50% de estas es hidrolizado

por la acetil-colina esterasa de LBE. Luego a la placa terminal llegan 4.000-5.000 moléculas. En

la placa terminal hay en torno a 2000 receptores por lo que la corriente generada por la

liberación de una vesícula espontánea es 2000 veces mayor que la generada por un canal

𝐼 = 2𝑥10−12𝐴

𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑥 2000 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑒𝑠 = 4𝑥10−9 𝐴 = 4 𝑛𝐴

III. Corriente de PT producida por un solo Ea

Un Ea produce la liberación de aproximadamente 100 – 200 vesículas. Así pues se

liberan (200 𝑣𝑒𝑠í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠 𝑥 10.000 𝐴𝑐𝐶𝑜 𝑣𝑒𝑠í𝑐𝑢𝑙𝑎𝑠) = 2.000.000 𝐴𝑐𝐶𝑜⁄ . El 80% de estas es

hidrolizado por la AC de la LBE (dinámica de Michaelis-Menten), es decir, solo sobrevive el

20%. Esto es igual a 400.000 Ac. Co que activan 200.000 receptores. Por tanto, cabe esperar

que la Ea sea 100 veces mayor al generado por una vesícula.

𝐼 = 4 𝑛𝐴 𝑥 100 = 400 𝑛𝐴

Finalmente, la corriente total de la placa terminal será igual a

𝐼𝑝𝑡 = (𝐸𝑚 − 𝐸𝑁𝑎 𝐾⁄ ) 𝑥 𝑔𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑥 𝑛 𝑥 𝑃

n = número total de receptores nicotínicos

P= probabilidad que determina el número de canales abiertos

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3. Síntesis, almacenamiento y liberación

de acetilcolina.

Síntesis de acetilcolina

La acetilcolina es sintetizada en el citoplasma neuronal a partir de colina y

acetilcoenzima A por la enzima colin-acetiltransferasa (enzima limitante de la síntesis). Una vez

sintetizada, la acetilcolina se almacena en alta concentración en vesículas de la terminación

nerviosa.

Almacenamiento en vesículas

Liberación de vesículas

1. Liberación espontánea (sin potencial de acción presináptico)

Causas:

Aumento de la concentración de magnesio o de manganeso

Hiperpotasemia

Alteraciones del potencial de membrana (-80 mV -60 mV)

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Lo que ocurre es que se generan potenciales de membrana “miniatura”. Comparten la

característica de que unos son múltiplos de otros. Es decir, si se libera una vesícula se genera

un potencial de “n” mV y si se liberan dos vesículas, se genera un potencial de “2n” mV. Esto se

debe que con cada vesícula se liberan unas cantidades concretas de acetilcolina.

2. Liberación por efecto de un potencial de acción

Cuando un potencial de acción llega a la terminación nerviosa, abre muchos canales de

calcio en la membrana de la terminación nerviosa porque esta terminación tiene muchos

canales de calcio activados por voltaje. En consecuencia, la concentración de iones calcio en el

interior de la membrana terminal aumenta aproximadamente 100 veces, lo que a su vez

aumenta la velocidad de fusión de las vesículas de acetilcolina con la membrana terminal

aproximadamente 10.000 veces. Esta fusión hace que muchas de las vesículas rompan,

permitiendo la exocitosis de la acetilcolina hacia el espacio sináptico. Con cada potencial de

acción habitualmente se produce la lisis de 200 vesículas. Posteriormente, después de algunos

milisegundos, la acetilcolina es escindida por la acetilcolinesterasa en ion acetato y colina. La

colina se reabsorbe activamente en la terminación neural para ser reutilizada y sintetizar de

nuevo acetilcolina.

4. Función del calcio en la SNM.

La única función del Ea presináptico es activar los CCaVD del botón presináptico y

posibilitar la entrada de Ca++ al LIC de ese botón

4.1 Experimentos del calcio de Katz y Miledi

Examen

Estos investigadores estudiaron la actividad eléctrica en la sinapsis neuromuscular

gigante del calamar.

1. Si no hay calcio, no hay sinapsis

Al introducir la célula en una solución sin calcio, no se generan potenciales de placa terminal.

2. La amplitud del potencial de placa terminal (y por tanto de la liberación de acetilcolina) está

en función de la intensidad del Ea.

3. Papel del sodio en la sinapsis

Estos investigadores se preguntaron si era preciso que entrara Na+ en botón

presináptico para que ocurriera el PPT. Para resolver esta duda introdujeron una la SNM en

una solución con TTX (bloquea la entrada de Na+) y TEA (bloquea la salida de K+), es decir,

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anularon la corriente iónica. A continuación, introdujeron un pulso de corriente aniónica1

produciendo así una despolarización de la membrana y registrando un potencial de acción.

Conclusión: En la sinapsis, lo importante no es tanto que entre entre sodio, si no que entre

cargas positivas que despolaricen la membrana. El ion sodio no está implicado en la sinapsis.

4. Función fisiológica del Ea presináptico

Configuración del experimento:

Se introducen tres electrodos en la SNM. El primero es un electrodo que inyecta pulsos

de corriente, el segundo es un electrodo de voltaje que registra los potenciales de membrana

en el botón presináptico y el tercero es una electrodo de voltaje que registra el potencial de

placa terminal.

Al inyectar pulsos de corriente despolarizante, se objetivan cambios del potencial de

membrana presináptico que empiezan y terminan suavemente. a corrientes iónicas.

Características:

Comienzan al despolarizarse la membrana

No depende del sodio ni del potasio.

Si no hay calcio en la solución circundante, no se genera PPT.

Los canales de calcio son voltaje dependientes. Se activan e inactivan suavemente a -

40 mV.

Por tanto, la única función del Ea presináptico consisnte en aumentar la conductancia

de los canales de calcio entrada de calcio migración de vesículas exocitosis

generación de un potencial de placa terminal de intensidad proporcional.

4.2 Mecanismos por los que el calcio produce la exocitosis

de vesículas de acetilcolina

En zona no activa (en el centro del botón presináptico)

El calcio se una a la apocalciomodulina, sensor del calcio en esta vía. La calciomodulina

es capaz de activar la PK-II (protein-kinasa), la cual fosforila micotúbulos de sinapsina que

forman parte del citoesqueleto. Como consecuencia, se produce la desinserción de vesículas y

la migración a la zona activa

1 Quita electrones de los proteinatos intracelulares aumento la cantidad de cargas positivas no

compensadas.

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En zona activa (próxima a la membrana)

4.3 Endocitosis de vesículas. Reciclado vesicular

El número de vesículas disponibles en la terminación nerviosa es suficiente para

permitir la transmisión de sólo algunos miles de impulsos desde el nervio hacia el músculo. Por

tanto, para la función continuada de la unión neuromuscular se deben volver a formar

rápidamente nuevas vesículas.

2 mecanismos:

Mecanismo lento: endocitosis de vesículas recubiertas de clatrina

Mecanismo rápido: modelo por contacto reversible. “Kiss and run”

Mecanismo lento: endocitosis por vesículas recubiertas de clatrinas

En un plazo de algunos segundos, después de que haya terminado cada uno de los

potenciales, aparecen hendiduras revestidas en la membrana de la terminación nerviosa,

producidas por las proteínas contráctiles de la terminación nerviosa, especialmente la proteína

clatrina que está unida a la membrana en las zonas de las vesículas originales. En un plazo de

aproximadamente 60 s las proteínas se contraen y hace que las hendiduras se rompan hacia el

interior de la membrana, formando de esta manera nuevas vesículas. En un plazo de alguno

segundos la acetilcolina es transportada hacia el interior de estas vesículas y ya están

dispuestas para un nuevo ciclo de liberación de acetilcolina.

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Mecanismo rápido: Modelo de contacto reversible. Kiss and run

Gracias al desarrollo de nuevas técnicas electrofisiológicas, en la actualidad es evidente

que el proceso de endocitosis a través de vesículas recubiertas del clatrina no es el único sino

que existe una vía paralela mucho más rápida de gran importancia funcional. Esta se vía se

basa en un contacto reversible entre la vesícula y la membrana del botón presináptico durante

un tiempo muy breve (50-100 ms). La vesícula libera el neurotransmisor (kiss) y luego se retira

(run).

Este mecanismo presenta muchas ventajas para la célula:

No hay destructuración del botón presináptico

Rapidez

Las vesículas pueden reutilizarse fácilmente.

5. Agentes relajantes musculares

Los agentes relajantes musculares se utilizan...

En casos de hipotonía muscular: miastenia gravis

Como coadyuvantes en procesos anestésicos

Si se consigue una adecuada relajación muscular, se necesitarán dosis más

bajas de anestesia y con ello se consigue menor toxicidad, mejor control del proceso

anestésico y una recuperación de la consciencia más rápida.

Tipos

1. Neurotoxinas

La reina de las neurotoxinas es la toxina botulínica

Neurotoxina de estructura proteína compuesta por 7 tipos de inmunolñogicos con

tropismo por los botones presinápticos.

Modo de acción: interfiere con el proceso de liberación cuántica de la acetilcolina

o Las isoformas A y E bloquean la SNAP-25

o La isoforma F bloquea la SNB (sinaptobrevina)

Aplicaciones

o Tratamiento de la hipertonía en casos de parálisis cerebral infantil.

o Cosmética: relajante musculas que se inyecta por vía subcutánea para quitar

las arrugas2.

Nota sobre el tétanos

El tétanos es una enfermedad que causa 1 millón de muertes al año por fallo

respiratorio. Es responsable del 50% de la mortalidad infantil en países no desarrollados.

2 Con el tiempo piede su efecto porque se desarrollan anticuerpos anti-toxina botulínica.

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La enfermedad está causada por la bacteria “Clostridium tetani”. Esta bacteria excreta

toxina botulínica después de haber infectado el organismo a través de heridas punzantes,

quemaduras o el cordón umbilical. La toxina es captada por las neuronas periféricas y

transportada retrógradamente hasta destruir la neuronas de Reslow (neuronas de inhibición

presináptica). Esto es como quitar el freno. Se produce una hiperdescarga que ocasiona una

contracción muscular demasiado intensa. La contracción tetánica de los músculos respiratorios

ocasiona la muerte por fallo respiratorio.

2. Sustancias que disminuyen la síntesis de acetilcolina

Hemicolinio. Inhibe la captación de colina

3. Sustancias que disminuyen la velocidad de propagación del Ea

Anestésicos locales

4. Sustancias que disminuyen la liberación de acetilcolina en la sinapsis.

Antagonistas del calcio.

5. Sustancias que compiten con el receptor de acetilcolina

Agentes relajantes musculares no despolarizantes3: curarina, tubocurarina...

6. Sustancias que tienen una acción análoga a la acetilcolina pero que no son hidrolizadas por

acetil-colinesterasa.

Agentes relajantes musculares despolarizantes: succinilcolina

7. Sustancias que retrasan la acción de la colinesterasa

Fisiostigmina, neostigmina.

Se emplean en casos de intoxicación por curare (decurarizar) y en casos de

miastenia gravis.

3 No afectan al potencial de membrana