Bioquímica de la Neurotransmisión

Jesús F. Torres Peraza MD PhD

L a evolución Humana

La evolución Humanagrams

La evolución humana depende de la medida del cerebro

La evolución de la medida del cerebro

Microfotografía de una Neurona Piramidal Gigante de la Corteza Cerebral

Microscopia Confocal de Doble Fotón

El aumento de la superficie del cerebro ha permitido aumentar drásticamente el número de neuronas e la corteza cerebral

Santiago Ramon i Cajal (1852-1934)

Padre de la Teoría Neuronal

Premio Nobel en Medicina 1906

Santiago Ramón y Cajal (1928)Degeneration and Regeneration of the Nervous System.

“Las neuronas forman circuitos complejos”

“Las señales fluyen desde las dendritas hacia los axones”

“Cuando ternima el desarrollo del sistema nervioso las fuentes del crecimiento y la regeneración de axones y dendritas se encuentran

irrevocablemente acabadas”

“En el sistema nervioso adulto las vías nerviosas están fijadas y son inmutables”

Comunicación inter-neuronal

SINAPSIS

Sinapsis: del griego “sin” juntos y “hapteina” con firmeza.

Sir Charles Sherrington (1857-1952)

Premio Nobel en Medicina de 1932

Hay aproximadamente 100.000 millones de neuronas en el SNC

Cada neurona recibe de 10.000 a 150.000 contactos sinápticos

Hay 15x1015 sinapsis en el SNC

Tipos de sinapsis

Sinapsis Química

Sinapsis Eléctrica

Sinapsis eléctricas

Se registró una despolarización simultánea en las neuronas pre y post sinápticas

Sinapsis del axón gigante de Calamar

Registro de canales unitarios (Patch Clamp)

Corriente iónica

El impulso nervioso se transmite por continuidad citoplasmática en forma de corriente iónica

SINAPSIS ELÉCTRICAS

La sinapsis eléctrica son zonas de baja resistencia y alta conductancia

Espacio sináptico: 3.5nm

La comunicación citoplasmática se realiza mediante uniones tipo GAP

Las uniones GAP están formadas por conexones (pre y postsinápticos)

Conexón Conexina Conexina

Cambios de voltaje o las concentraciones de calcio determinan la configuración del canal

El flujo de corriente puede ser bidireccional, pero la direccionalidad del impulso está sujeto a características morfológicas y estructurales

Neurona Postsináptica

Pequeñas

Alta resistencia

ΔI

Así, la corriente que llega a la neurona postsináptica produce un cambio de potencial grande, ya que ésta por ser de menor diámetro tiene mayor resistencia

Neurona Presináptica

Grandes

Baja resistencia

ΔIR R

1.-Para que se produzca el potencial postsináptico el cambio de potencial (ΔV) debe superar el umbral de disparo postsináptico

2.- ΔV es directamente proporcional a la corriente aplicada (ΔI) y a la resistencia (R)

ΔV=ΔI.R

3.- R es inversamente proporcional al diámetro de la neurona (a menor diámetro mayor resistencia)

TRANSMISIÓN RÁPIDA Y EFECTIVA

En estas condiciones se necesita más corriente para que el impulso se transmita de la neurona postsináptica a la presináptica)

Neurona Postsináptica

Pequeñas

Alta resistencia

ΔI

Neurona Presináptica

Grandes

Baja resistencia

ΔIR R

1.-Para que se produzca el potencial postsináptico el cambio de potencial (ΔV) debe superar el umbral de disparo postsináptico

2.- ΔV es directamente proporcional a la corriente aplicada (ΔI) y a la resistencia (R)

3.- R es inversamente proporcional al diámetro de la neurona (a menor diámetro mayor resistencia)

ΔV=ΔI.R

La neurona Presináptica necesita una

gran corriente (ΔI) para poder despolarizarce.

Neurona Postsináptica

Grupo de Neuronas

Presinápticas

MUY BAJA RESISTENCIA

Generalmente las sinápsis eléctricas se efectúan entre grupos de neuronas……..se comportan como una sóla GRAN neurona presináptica

Neuronas presinápticas

GRAN CONDUCTOR con baja resistencia

R

ΔI

ΔI

ΔI

La ΔI presinaptico debe es tan alto que garantiza la

excitabilidad de la postsináptica

Las sinapsis eléctricas tienen

altos potenciales de disparo: Son TODO

o NADA

Características de las sinapsis eléctricas

Hendidura sináptica de 3.5nm

Continuidad citoplasmática entre las células pre y postsinápticas

Agente de la transmisión: Corriente iónica

No hay retardo sináptico

Permite el paso bidireccional de las señales (dependiendo del voltaje)

Además de corrientes iónicas permite el paso de moléculas de bajo peso molecular (AMPc)

Tipos de sinapsis

Sinapsis Química

Sinapsis Eléctrica

Vesícules sinápticas

Espacio sináptico

MitocondriasSINAPSIS

Terminal sináptica

Dendrita postsinàptica

Receptors

Sinapsis Química

Pasos de la sinapsis química

SINAPSIS QUÍMICAS

-Zonas de alta resistencia eléctrica

-No hay continuidad citoplasmática

-Espacio sináptico amplio (20-50nm)

-Transmisión Unidireccional del impulso nervioso (polaridad funcional)

-Retardo sináptico en el orden de los milisegundos

-Estructuras pre- y post-sinápticas especializadas

Glia -Naturaleza de la transmisión:

Sustancia química

Axo-somáticas

(inhibitorias-GABA)

Axo-dendríticas

(excitatorias-Glutamato)

Axo-axónicas

(inhibitorias)

Tipos de sinápsis

Vesículas sinápticas esféricas

Vesículas sinápticas alargadas

Zonas activas amplias

Zonas activas pequeñas

Densidades postsináptica discontinuas y finas

Densidades postsináptica continuas y gruesas

Gray I

Gray IIAmbas sinapsis con ALTA direccionalidad

Direccionalidad: Relación entre las zonas de liberación del neurotransmisor y la ubicación de los receptores

Unión neuromuscular: alta direccionalidad.

Espacio sináptico estrecho

Estrecha relación entre las zonas activas y la disposición de los receptores

Poca difusión del neurotransmisor fuera de la sinapsis

Sinápsis Postganglionar autonómica: Baja direccionalidad

Espacio sináptico amplio

Gran difusión del neurotransmisor fuera de la sinápsis

Dendrita

Sinapsis

Sinapsis

Existen diferencias estructurales que definen la funcionalidad de los componentes pre- y post-sinápticos.

Elementos estructurales de la sinapsis químicas

Elementos Pre-sinápticos

Elementos Post-sinápticos

Vesículas sinápticas

Sitios de liberación de las vesículas sinápticas

Partículas intramembranosas

Receptores

Densidades post-sinápticas

Elementos estructurales Pre-sinápticos

Receptores

Zona activa

Vesículas sinápticas

Unión neuromuscular

(Barra densa)

Receptores

Zona activa

Proyeccióon densa

Vesículas sinápticas

Sinapsis del SNC

Las vesículas sinápticas se agrupan próximas a los sitios de liberación: Las zonas activas

Barra densa

Proyección densa (gradilla)

Unión neuromuscualr

Sinapsis Central

Barra densa

Representación esquemática de las sinapsis del SNC

Proyección densa

Proyección densa

Retículo sináptico (Proyecciones densas vista superior)

Zona activa

Partículas intramembranosas (pertenecen a la barra densa)

Vesículas S. Exocitosis

Zona activa

Membrana pre-sináptica. Micrografía electrónica de barrido

Vesícula sináptica

Proteínas de la Zona activa (Proyección densa)

Membrana pre-sináptica

Reconstrucción tomográfica por microscopía electrónica de la zona activa

Partículas intramembranosas:

Canales para calcio dependientes de voltaje

Partículas

Partículas

Zona Activa

¿ Cual es la función de las partículas intramembranosas ?

Microdominios de Calcio en el axoplasma producto de las apertura de las partículas intra-membranosas: Incremento HETEROGENEO en la concentración axoplasmica de calcio

La liberación de la vesícula es dependiente de Calcio

Partícula intramembranosa: Canal de calcio dependiente de voltaje en la zona activa

La proximidad existente entre la partícula intramembranosa y la vesícula sináptica facilita la generación de un gradiente de calcio en las zonas activas

La liberación del neurotransmisor es inducida por el incremento en la concentración de calcio

Sólo un incremento en las concentraciones axoplásmicas de calcio en las zonas activas es capaz de inducir la liberación del neurotransmisor

Canal de calcio dependiente de voltaje lejos de la zona activa

Tanto la vesícula como la zona activa poseen elementos de la

maquinaria de liberación vesicular

Vesículas sinápticasFunciones:

-Almacenar el neurotransmisor una vez sintetizado: Evitar la degradación del neurotransmisor por enzimas citoplasmáticas. INDEPENDENCIADEL TRANSPORTE AXONAL DURANTE LA ACTIVIDAD ELEVADA

-Depósitos de neurotransmisor para garantizar la liberación del mismo incluso en condiciones de sobre-activación.

-Permitir la liberación del neurotransmisor sólo en cuando el terminal pre-sináptico es estimulado: Acoplamiento entre el potencial de acción pre-sináptico y la maquinaria de liberación

Vesículas claras

Vesículas con núcleo denso

Vesículas Pequeñas (claras) Vesículas Grandes (con núcleo denso)

Tipos de vesículas sinápticas

Vesículas Pequeñas Vesículas Grandes

-Diámetro de 40-60nm (pequeñas)

-Claras (electron-lúcidas)

-Almacenan neurotransmisores clásicos: Acetilclina, Glutmato, GABA.

-No contienen enzimas de síntesis del neurotransmisor

-Sintetizadas en el mismo terminal nervioso

-Se reciclan

-Liberadas con bajas frecuencias de estimulación (se liberan rápidamente)

-Diámetro mayor de 80nm (grandes)

-Núcleo granula (electron-denso)

-Almacenan neurtransmisores (Dopamina, Noradrenalina, Serotonina) y NEUROPÉPTIDOS (COTRANSMISIÓN)

-Contienen enzimas de síntesis del neurotransmisor

-Sintetizadas en el soma

-No se reciclan

-Liberadas con altas frecuencias de estimulación (se liberan tardiamente)

Independientemente del contenido las vesículas deben presentar ciertas proteínas (integrales o periféricas) que permitan: Almacenamiento del NT, Transporte y anclaje vesicular a las zonas activas, Liberación de NT y el reciclaje de la vesícula

Secreción de péptidos y neuropéptidos

Secreción de amnoácidos y aminas

Secreción de Neuropéptidos vs Neurotransmisores

Transporte lento: Transporte rápido:

Las vesículas se reciclan

El tranporte axonal NO garantiza cubrir la demanda de NT

Los neuropéptidos se sintetizan en el soma neuronal

La liberación se realiza en zonas alejadas de las zonas activas

La liberación de Neuropéptidos es DEPENDIENTE de Calcio

Vesículas claras

Vesículas Núcleo denso

Baja afinidad por calcio

Alta afinidad por calcio

Mecanismo de liberación

Zona de liberación

Almacenamiento del neurotransmisor en las vesículas sinápticas

Los neurotransmisores se almacenan en la vesículas sinápticas en contra de un gradiente químico

Dependiendo del neurotransmisor se emplea un gradiente de pH o un gradiente electroquímico

NT

NT

NT

NT NT

NT

Terninal axonal

Vesícula sinápticaNT

NTNT

V-ATPasaH+

H+

H+

H+

ATP

ADP+Pi

Cl-

Cl-Cl- Cl-

Vesícula sináptica

SV-2Las proteinas integrales de membrana SV-2 y V-ATPasa son comunes para todas las vesículas

[Glutamato]: 1000 veces mayor en la vesícula

ΔV:140mVΔpH:1.5

Proteínas de las vesículas sinápticas

Glutamato y GABA-Glicina y el ATP tienen transportadores VESICULARES específicos

La neurona glutamatérgica libera Glutamato ya que posee el transportador vesicular para Glutamato: Especificidad dependiente del transportador vesicular.

El transportador vesicular de glutamato no transporta aspartato

Las catecolaminas (Dopamina, Aderenalina y Noradrenalina) comparten el mismo transportador VESICULAR (inespecíficos) pero se diferencian en las enzimas de síntesis.

Especificidad dependiente de la síntesis del NT

Asp

La composición elecrtón-densa de las proyecciones densas se debe a una cúmulo de proteínas involucradas en el anclaje y liberación de la vesícula sináptica

(proteínas vesiculares y de la memrbana pre-sináptica)

Proteínas de las vesículas sinápticas

V-ATPasa (bomba de protones)

SV-2 (bomba de cloruro)

Trasnportadores de NT

Sinapsina

Sinaptobrevina (VAMP)

Sinaptotagmina

Sinaptofisina

Proteínas de la membrana presináptica

Canales de calcio dependientes de voltaje (partículas intra.membranosas)

Sintaxina

SNAP-25

La liberación de las vesículas forma parte de un ciclo: El ciclo vesicular

Tomar en cuenta que las sinapsis pueden disparar a ritmos muy elevados

Generalmente las sinapsis están ubicadas lejos de la soma de la neurona pre-sináptica

Debe existir un mecanismo que permita reciclar las vesículas

Las vesículas sinápticas sufren ciclos repetidos de fusión y síntesis local

La liberación de las vesículas forma parte de un ciclo: El ciclo vesicular

ExocitosisEndocitosis

Zona activa

La liberación se realiza gracias a la formación del complejo de fusión

Complejo de fusión

2 proteínas de la membrana presináptica

1 proteína vesicular

Complejo SNARE: Cremallera

SNAP-25

Sintaxina

VAMP (sinaptobrevina)

Vesicular

Ve

sic

ula

r

Me

mb

ran

a

Pre

sin

áp

tic

a

synaptobrevin/VAP 2 syntaxin 1

SNAP-25

NSF y α-SNAP permiten el reciclaje de los componentes del complejo SNARE

Mecanismo de acción de las Toxinas Botulínicas: Proteólisis de las proteínas del complejo de fusión

Clostridium botulinum (bacilo gram posiivo)

BoNT/ABoNT/C1BoNT/E

SNAP-25

BoNT/C1

syntaxin 1

Botulismo Parálisis flácida

Antes Después

Uso cosmético de la toxina botulínica

Uso clínico de la toxina botulínica:

-Estrabismo

-Tics

-Parálisis espástica (dolorosa)

¿Mecanismo de acción de la toxina tetánica?

Tétanos: Clotridium tetani

La liberación de la vesícula es dependiente de Calcio

¿Cuál es el sensor de Calcio?

Sinaptotagmina

Sensor de Calcio

Unida a Sintaxina produce la inhibición de la fusión

En presencia de calcio no intereacciona con sintaxina y permite la completar el complejo SNARE: Exocitosis

Synapsina

- PKA- CaMK I / II/ IV

Phosphorylation sites

La Sinasina mantiene a las vesículas ancladas al citoesqueleto de actina: VESÍCULAS NO LIBERABLES (de reserva)

La CaM-Kinasa fosforila a la Sinapsina produciendo la translocación de las vesículas: VESÍCULAS LIBERABLES

La sinapsis Química

Componentes Post-sináptios

Receptores

Densidad Post-Sináptica