Estructura del Sistema NerviosoEstructura del Sistema Nervioso

Dra. María Mercedes Soberón L.Dra. María Mercedes Soberón L.

Puntos a tratar:Puntos a tratar:

Estructura proteica de la membrana y Estructura proteica de la membrana y moléculas de adhesión celular. moléculas de adhesión celular.

Citoesqueleto de las neuronas y gliasCitoesqueleto de las neuronas y glias

Compartimentación intra e intercelular.Compartimentación intra e intercelular. la colaboración metabólica (a través de sustratos) entre dos

compartimentos.

Sustratos neuronales y gliales en la Sustratos neuronales y gliales en la compartimentación.compartimentación.

Estructura de una Membrana

¿Qué tan diferente son las membranas del sistema nervioso de las demás

membranas?

Espesor aprox. 8nm lo cuál la hace demasiado delgada para poder ser observada por un microscopio óptico.

Es rica en canales dependientes de voltaje……

Proteínas de Membrana: Canales IónicosPrincipalmente importantes en neuronas

Excitabilidad neuronal depende de

función de canales iónicos.

TIPOS DE CANALES IÓNICOS

1.Abiertos por voltaje. Conformación depende de diferencia de carga iónica a ambos lados de membrana.

2. Abiertos por ligandos. Conformación depende de unión con ligando (neurotrasmisores, nucleótidos) que no es el soluto que pasa por el canal)

1)Un túnel central o poro a través del cual fluyen iones con respecto a su gradiente electroquímico.

2) Un filtro de selectividad, el cual dicta a cuál ión se le permitirá el paso a través del poro, denominado región P.

3) Una estructura que ejerce la función de compuerta

controlando la probabilidad conformacional de apertura

y cierre del canal

Estructura General de un Canal Iónico

Filtro

Memb. celularMemb. celular

Compuerta

Compuestos por 4 subunidadesC/subunidad: M1 y M2

Filtro selectividad recubierto por pentapéptido: Gly-Tyr-Gly-Val-Thre. Grupos C=O de pentapéptido forma recubrimiento del filtro

Canal de Potasio Bacteriano (KcsA)

M1M2

Filtro

Compuerta

Memb. celular Memb. celular

Canal iónico de Potasio activados por voltaje (Kv) en Eucariotas, se abren por cambios en el voltaje

1. DOM. PORO: 4 subunidades homólogas dispuestas simétricamente con hélices S5 y S6 conformando la “compuerta” del poro

Filtro selectivo que promueve paso de K+

Presentan dos dominios importantes:

Péptido de desactivación

2. DOM. SENSOR DE VOLTAJE: Hélices S1 – S4.S4 elemento clave del sensor de voltaje. Cambio de potencial más positivo, produce movimiento de S4 que tira de S6 y abre compuerta

¿Cómo se desactiva el

canal?

1. Porción N-terminal de péptido de desactivación se ajusta dentro de cavidad citoplasmática del poro

2. Desactivado, liberación de péptido y cierre de compuerta

canales de potasio dependientes de voltaje KCNQ/(tipo M) ejercen un importante control sobre la excitabilidad neuronal.

Se han identificado

mutaciones en los cuatro miembros

conocidos de la familia KCNQ que son responsables de ciertas formas hereditarias de

epilepsia, de arritmia y de

sordera en humanos.

Despolarización -50 mV

CAUSAS1. Proteínas que lo forman no se ensamblen correctamente y, por tanto, el canal queda retenido en el interior de las neuronas y no puede alcanzar la superficie celular.

1) Canales de K + dependientes de voltaje (Kv)

2) Canales de potasio rectificadores hacia adentro (Kir) Permiten el paso del potasio hacia el intracelular cuando la membrana plasmática se encuentra a un voltaje más negativo que su potencial de equilibrio y se encuentran cerrados a potenciales más positivos

Canales de Potasio

3) Estructura molecular de un canal de K+ sensible a ATP

Cada una de estas familias de canales de potasio puede a su vez presentar subfamilias, dependiendo de la electrofisiología del canal o del ligando que medie la apertura de tales proteínas

receptor de sulfonilurea (SUR ) regula la apertura o cierre del poro

(inhibe el canal)

(Mg-ADP lo activa)

Sub unidad .1 Estructura transmembrana helicoidal que consta de 4 dominios repetidos que rodean el poro.

Subunidad .sirve de anclaje para la subunidad .1

Subunidad . 2La subunidad 2 extracelular se une a la transmembrana mediante un puente disulfuro.

subunidad consta de 4 dominios transmembrana

Canal Ca++ operado por

voltaje

Constituido por canales de tipo N que corresponden a la subunidad 1, se encuentran presentes en el tejido nervioso y tienen 3 variantes : Cav2.1, Cav2.2 y Cav2.3.

Mutaciones del gen que codifica la subunidad Cav2.1 están asociadas a enfermedades degenerativas del cerebelo y ataxias.

Canal Ca++ operado por voltaje Tipo N: Canales Cav2

Trastorno Trastorno hereditariohereditario

Tipo Tipo canalcanal

GenGen Consecuencia clínicaConsecuencia clínica

Migraña hemipléjica familiar

Ca2+ CACNL1A4 Cefalea migrañosa

Ataxia episódica tipo 2 Ca2+ CACNL1A4 Ataxia (falta de equilibrio y coordinación)

Ataxia episódica tipo 1 K+ KCNA1 Ataxia

Convulsiones neonatales familiares

benignas

K+ KCNQ2 Convulsiones epilépticas

Mayoría de trastornos afectan movimiento de iones a través de membrana de cél. musculares, nerviosas y sensoriales lo que

reduce la capacidad de estas células para desarrollar o trasmitir impulsos

Defectos en canales iónicos que son causa de enfermedades hereditarias

Receptores de Receptores de MembranaMembranaTienen dos componentes

importantes:

1.Componente de fijación, que protruye al exterior de la membrana en el surco sináptico, y fija el neurotransmisor liberado de la terminal presináptica.

1.Componente ionóforo, que penetra desde la membrana al interior de la neurona

El componente ionóforo puede ser de 2 tipos:

- Un conducto de iones activado químicamente

- Conductos activados por ligando, cuyo paradigma es el NMDA (-N-metil-D-aspartato-), verdadero conglomerado o complejo de canales iónicos, que pueden ser de 3 tipos principales: Canales de sodio, Canales de potasio y Canales de cloruro.

También pertenecen a esta categoría los receptores denominados AMPA (ácido propionico de alfa amino 3 hidroxi 5 metil 4 isoxazol) /Kainate

Tipos Receptores de Membrana

1. Ionotróficos2. Metabotróficos

Receptores Ionotróficos

Determinan la apertura o cierre de canales debido a que producen despolarizaciones o hiperpolarizaciones.

Es una respuesta rápida.

Algunos canales pueden necesitar la unión de dos neurotransmisores como es el caso del receptor de Acetilcolina o el receptor NMDA que necesita glutamato y glicina.

La señalización tambien puede ser intracelular, generalmente fosforilando en la cara citoplasmica del canal el receptor, induciendo la apertura del canal.

Receptores ionotrópicos de los aminoácidos excitatorios

En razón de su afinidad por agonistas sintéticos: NMDA, AMPA y Kainato.

a)la familia del receptor NMDA (-N-metil-D-aspartato),

b)la familia de los receptores AMPA (ácido propionico de alfa amino 3 hidroxi 5 metil 4 isoxazol)c)La familia de receptores KAINATO

Estudios de clonaje de receptores han mostrado que hay un largo número de

potenciales subtipos de receptores en ambas familias.

Estructura de Receptores NMDA

Compuestos de subunidades NR1 y NR2.

Son permeables al Son permeables al influjo de Cainflujo de Ca2+2+ y al flujo y al flujo retrógrado de Kretrógrado de K++..

El sitio de unión del glutamatoglutamato está localizado en la subunidad NR2, mientras que el sitio de unión de su coagonista obligatorio glicinaglicina está situado en la subunidad NR1.

El Mg+2 sólo sale del poro cuando la membrana está desporalizada, lo que habitualmente ocurre tras la activación de los canales de AMPA en las mismas sinapsis y en las vecinas.

Cuando se abre el canal regulado por los NMDA, el Ca+2 y el Na+ entran en la neurona y el K+ lo abandona, dependiendo del potencial de la membrana postsináptica.

Glutamato sólo provoca la abertura del canal y cuando se une al receptor NMDA, el poro se abre. Sin embargo, con potenciales de membrana en reposo negativos normales, el canal se bloquea por lones Mg+2 y el “bloqueo de magnesio” impide que otros iones entren libremente en la célula.

Compuesto de cuatro Compuesto de cuatro subunidades, c/subunidad subunidades, c/subunidad compuesta a la vez de 3 compuesta a la vez de 3 dominios transmembrana y dominios transmembrana y una solo dominio intra una solo dominio intra citoplasmático.citoplasmático. Pueden ser receptores homoméricohomomérico, es decir tener subunidad del mismo tipo (ya sea GluR1, GluR2, GluR3 o GluR4), o como un un heterómero heterómero conformado por 4 subunidades distintas.

Permite la entrada mayormente de Na+ y sale K+, entrando sólo determinada cantidad de Ca++ en el grupo de la subfamilia GluR2.

Receptor AMPAReceptor AMPA

moduladores positivos : ciclotiazida y aniracetam.

Antagonistas: NBQX, GYKI y zinc.

Estructura del receptor GABA-B Se encuentra en la

membrana plasmática tanto del terminal presináptico como del terminal postsináptico. No está emparentado con canales de cloro como el receptor GABA-A, sino que modulan canales de calcio y de potasio por una interacción con la proteina G y la adenil ciclasa.

Receptor de 250-270 kDa es un pentámero formado por cuatro tipos de subunidades distintas, 2α, β, , , total 5 subunidades.

Las cinco subunidades se encuentran ordenadas alrededor del eje central del poro, que se encuentra formado por las hélices M2 de cada subunidad

presentando la estructura una simetría pentagonal.

Receptor Nicotínico

Anillo de residuos hidrofóbicos de Leu de hélices M2, se encuentran tan próximas unas a otras que producen cierre del canal, impidiendo el movimiento de iones.

Unión de acetil colina a subunidades , induce cambios conformacionales alostericos originando ligero giro de hélices, que mueve estas cadenas laterales hidrofóbicas alejándolas del centro del canal y permitiendo el paso de iones.

Receptor Nicotínico

cerrado abierto

El neurotransmisor actúa sobre el receptor, que activa una proteína G, que activa la adenil ciclasa y que transforma el ATP en AMPcíclico.

Este AMPcíclico puede actuar sobre el canal de membrana, que al fosforilarlo, se abre.

Canales iónicos operados por vías metabólicas activadas por proteína G

Receptores Metabotróficos

Liberan mensajeros intracelulares (AMPcíclico, DAG y fosfolípidos).

Cuando el receptor recibe el neurotransmisor, pone en funcionamiento la adenilatociclasa y el ATP se transforma en AMPcíclico.

Una vez actuado, es destruido por la fosfodiesterasa.

EL AMPcíclico activa una proteinquinasa, que fosforila una proteína.

Las neuronas granulares de cerebelo en cultivo presentan receptores metabotrópicos de nucleótidos de tipo P2Y6, cuyo agonista fisiológico específico es el nucleótido, uridina difosfato, UDP

Las Dos Ramificaciones de la Ruta deFosfatidil Inositol

Fosfolipasa C activada

Fosfolípido inositolMolécula señalizadora

Receptor unido a Proteína-G

Lumen del retículo endoplásmico

Proteinquinasa C activadaSubunidad -Prot-G

activada

Los receptores de Ca+2, cuando reciben el neurotransmisor, abren 1 canal de Ca+2, entra Ca+2 extracelular y se junta a la proteína calmodulina, formando la calmodulina-Ca,++ que activa una proteinquinasa que fosforila una proteína.

ComplejoCa++-calmodulina

Receptor Muscarínico El receptor muscarínico tiene forma de serpentina acoplado a una proteína G, adenilciclasa y fosfolipasa

Es el tipo predominante de receptor colinérgico en el cerebro, donde parecen hallarse involucrados en la memoria y aprendizaje (pueden estar involucrados en trastornos como la depresión y manía). Los receptores muscarínicos superan a los nicotínicos en un factor de diez a cien.

• La GP-350 una sialoglicoproteína, soluble unida a la membrana, es específica del cerebro y está localizada en las células piramidales y estrelladas.

• La sinaptina contenida en las vesículas sinápticas y en las membranas plasmáticas de la sinapsis

• La D1, D2 y D3 son proteínas específicas del cerebro, localizadas en las membranas sinápticas y que difieren en su peso molecular.

• La P-400, proteína que está unida a las membranas y que se halla solamente en el cerebelo, en las dendritas de las células de Purkinje.

Proteínas específicas presente en SN

Proteína que pareciera ser importante para ayudar al crecimiento y la supervivencia de las neuronas.

La APP puede ayudar a curar a aquellas neuronas lesionadas y a que algunas partes de las neuronas se desarrollen después de una lesión cerebral.

Proteína Precursora de Amiloidea (APP)

Está asociada con la membrana celular. Una vez que se ha formado, la APP penetra la membrana de la neurona y queda

parcialmente adentro y parcialmente afuera de la célula.

CITOESQUELETO CITOESQUELETO EN SISTEMA EN SISTEMA NERVIOSONERVIOSO

Función del Citoesqueleto

- Mantenimiento forma asimétrica de las neuronas.

- Concentración diferentes elementos estructurales en sitios específicos del citoplasma, membrana o núcleo.

- Establecimiento de conexiones interneurales y formación de sinapsis

Experimentos con animales en estados de depresión han demostrado alteraciones en el citoesqueleto: significativa reducción en subunidad ligera de neurofilamentos

(Reines A. y col. Neuroscience 2004, 129:529-538)

Componentes del Citoesqueleto

Filamento intermedio o neurofilamento

microfilamento

microtúbulo

Microtúbulos,Neurofilamentos,Proteína TAU

Microtúbulos, microfilamentos, proteína unida a microtúbulos 2

(MAP2)

¿Cómo es que las vesículas y los cargamentos sin membrana pueden

moverse a lo largo del citoesqueleto?

Proteínas motoras generan fuerzas necesarias para mover objetos dentro de una célula

- Cinesinas y Dineínas se mueven a lo largo de los microtúbulos.

- Miosinas se mueven a lo largo de microfilamentos

CinesinaTetrámero: - Dos cadenas pesadas idénticas-Dos cadenas ligeras idénticasTransporte de organelas mediado por cinesina

Cabezas globulares

Se unen al microtúbulo y actúan como máquinas generadoras de fuerza que hidrolizan ATP.Utilizan al microtúbulo como riel

dominio cola reconocimiento de membrana lipídica de vesículas a transportar, probablemente por mediación de las cadenas ligeras.

- +

Dineína

Purificada de tejido cerebral.

Consta: dos cadenas pesadas y varias cadena intermedias y ligeras.

Se mueve de manera progresiva a lo largo del microtúbulo hacia el extremo MENOS del polímero, contrario al sentido de la cinesina

Dineína

Dineína

Cinesina

- +

Cabeza generadora de fuerza

Sinapsis en SNC

Sitios de contacto Célula-Célula altamente especializados

Proteínas transmembranas de adhesión celular resultan ser importantes en el proceso de sinapsis:-cadherinas, cadherinas, -integrinas, integrinas, -neurexinas-neuroliginas, neurexinas-neuroliginas, -superfamilia de superfamilia de Inmunoglobulinas, etc.Inmunoglobulinas, etc.

Ligandos

Receptores

Membrana plasmática

Citoplasma

Moléculas de Adhesión Celular (CAM)Glicoproteínas de membrana que participan en la adhesión celular.

Extremo carboxilo terminal, se encuentra fijo en citoplasma y en citoesqueleto.

La región transmembrana, atraviesa la membrana celular.

Resto de glicoproteína se ubica extracelularmente y termina en un grupo amino. El aminoterminal, da

especificidad a la molécula para unirse a otras CAMs.

COOH

Estructuralmente existen cuatro familias de CAMS:

1.Cadherinas2. Integrinas 3.Selectinas

4. Superfamilia inmunoglobulinas

Dependientes de Ca++

Se enlazan a receptores situados sobre la superficie de las células.

Función

Moléculas de Adhesión Celular (CAM)

Otra cadherina

Cadherina

Ligandos

Receptores

Membrana plasmática

Citoplasma

Presente en superficie de células epiteliales.

Molécula de 700 – 750 aminoácidos

Cinco dominios: cuatro contienen sitios de unión al Ca2+

N-Cadherina, propia del tejido neural, se expresa en el cerebro pero también en el músculo cardíaco y en células del cristalino.

Tipos de Cadherinas

Sitio de enlace RGD (Arg-Gly-Asp) que reconoce la fibronectina

Integrinas

Compuestas por dos subunidades diferentes (heterodímeros):

subunidad alfa (con 17 tipos diferentes)

subunidad beta (con ocho tipos diferentes)

Cateninas

Proteína que interviene en dos procesos totalmente distintos: 1)como proteína estructural que forma parte de uniones entre células vecinas, constituyendo así un fuerte ensamblaje que conecta las células entre sí.2)Interactúan con el dominio citosólico de las E-cadherinas, pero también se encuentran en el núcleo donde se asocian con la molécula LEF-1, la cual favorece la expresión de determinados genes.

La unión de la proteína de adhesión a su ligando es capaz de alterar la expresión génica de la célula.

Proteína JAB, puede encontrar asociada a dominio citosólico de integrinas y también en el interior del núcleo celular.

Que salte de un lugar a otro dependen de si la integrina está unida a su ligando o no.

En el interior del núcleo JAB1 activa a factores de transcripción c-jun que favorecen la expresión génica