ORGANIZACIÓN FUNCIONAL DE LA COMUNICACIÓN INTERNEURONAL.
En virtud de la enorme importancia de la comunicación interneuronal de la fisiología del sistema nervioso y de sus alteraciones parecen participar en varios tipos de enfermedades neurodegenerativas.
Sabemos ahora que la comunicación interneuronal es un fenómeno bioquímico en prácticamente todos los circuitos y vías nerviosas de os mamíferos, como en el sistema nervioso central como en el periférico, aunque la aceptación de este hecho no fue fácil. El termino sinapsis con el que se designa y define el sitio especifico de la comunicación interneuronal y neuromuscular fue acuñado a principios de este siglo por Charls Sherrington tomando como base los registros de la actividad eléctrica ya que había un retardo de aproximadamente 3 ms en el paso del impuso nervioso de una neurona a otra. A pesar de esto la fisiología poyada en el conocimiento de las propiedades eléctricas de la membrana neuronal, especialmente de la conducción del impulso nervioso a lo largo del axón, se resistió a aceptar que la transmisión sináptica es un fenómeno esencialmente neuroquímico que requiere de un compuesto químico, un neurotransmisor, el cual funciona como puente para la transmisión de la señal de una neurona a otra. Hoy en día, sin embargo, este es uno de los conocimientos neurobiológicos clave en los que se ha avanzado extraordinariamente en los últimos años.
En efecto, el esquema muy sencillo que se muestra en la figura 1.1 en el cual los canales, los receptores y los transportadores se indican como simples discontinuidades en la línea que representa la membrana neuronal se ha llegado incluso a la clonación y a la identificación molecular de las proteínas, que integradas en las membranas pre o pos sinápticas, son las responsables de la comunicación interneuronal (y de la neuromuscular, que sigue esencialmente los mismos principios y de hecho se conoció antes que la sinapsis interneuronal). Además, la lista de neurotransmisores o neuromoduladores se ha ido alargando considerablemente, y los mecanismos bioquímicos que regulan el funcionamiento de muchos receptores o canales, a través de los llamados segundos mensajeros o terceros mensajeros, se ha dilucidado detalladamente lo que hasta hace poco años no se postulaba ni siquiera como atrevidas hipótesis.
Revisemos estos conceptos: síntesis y liberación de neurotransmisores:
Dada la enorme longitud de axones, que en el caso de las motoneuronas de la medula espinal puede ser, dependiendo de la especie, hasta de mas de un metro, los neurotransmisores deben ser sintetizados en las terminales sinápticas, las cuales poseen de maquinaria enzimática para realizar dicha síntesis. De hecho la localización de las enzimas responsables de sintetizar un neurotransmisor en determinada vía neuronal es uno de los criterios que permite afirmar que esa vía neuronal funcione con el neurotransmisor en cuestion.
Una vez que el neurotransmisor es sintetizado, el camino habitual es el almacenamiento en la terminal presinaptica, específicamente en las llamadas vesículas sinápticas las cuales son estructuras característicamente presentes en las terminales. El siguiente paso es la liberación del neurotransmisor hacia el espacio sináptico que ocurre, según la idea mas aceptada, mediante un mecanismo de exocitosis mediante el cual las vesículas sinápticas vacían su contenido al espacio sináptico. Para que esto ocurra es necesario que aumente la concentración citoplasmática de calcio en el interior de la terminal, cuyo incremento depende a su vez de la apertura de canales de calcio sensibles al voltaje ( CCSV) en virtud de esta sensibilidad al voltaje cuando el potencial de acción alcanza la terminal, y por consiguiente la membrana se despolariza, los CCSV se abren y el calcio penetra al interior siguiendo su gradiente de concentración que es de aproximadamente 10000 veces (2mM en el exterior de la célula contra 0.1µM en el interior). El incremento de la concentración citoplasmática del calcio que alcanza cifras cercanas a 1 µM, dispara la liberación del neurotransmisor, como se muestra en la figura 1.1.
LA TRANSMISIÓN SINAPTICA INIBITORIA Y EXITATORIA.
EL GABA Y EL GLUTAMATO.
La transmisión sináptica en la placa neuromuscular siempre es exitatoria y, por consiguiente, su mecanismo de regulación se reducen a la excitación o no excitación. El contraste, en el SNC la existencia de neuronas inhibitorias, cuya actividad resulta en una inhibición e la excitabilidad de la neurona posináptica, genera la posibilidad de ejercer un controla activo finalmente regulado, sobre el funcionamiento de los circuitos: un grupo de neuronas puede ser excitado mediante la activación de sinapsis exitadoras, el umbral de disparo, es decir, si supera a la inhibición que las sinapsis inhibidora pueden estar ejerciendo sobre este grupo neuronal. Además las neurona pueden excitarse por disminución de la actividad de las neurona inhibitorias es decir es decir por inhibición de la inhibición.
Estos conceptos han adquirido cada vez mas importancia debido a los hallazgos, a lo largo de las cuatro ultimas décadas, de que las sinapsis inhibidoras son extraordinariamente numerosas en el cerebro de los mamíferos de que su actividad es efectivamente reguladora de múltiples funciones del SNC. En especial, la identificación de dos aminoácidos que funcionan como neurotransmisores inhibidores, el ácido-gama-amino butírico (GABA) y la glicina así como la localización regional en el SNC de los circuitos ricos en las sinapsis GABAergénicas y glicinérgicas han abierto un extenso panorama en el conocimiento de los mecanismos del control de la excitabilidad neuronal y de sus alteraciones. Además mecanismos de acción de diversos compuestos con efectos centrales entre los que se encuentran drogas convulsionantes antiepilépticas ansiolíticas y antidepresivas. Por estas razones usaremos las sinapsis GABAergénicas y glutamatérgicas como ejemplos para describir la transmisión sináptica en la inteligencia de que existen numerosas sinapsis inhibitorias y exitatorias que utilizan otos neurotransmisores varios de los cuales se mencionan en diversos capítulos de este libro al referirse a enfermedades neurodegenerativas especificas.
La inhibición GABAergica en el SNC ha sido desde el descubrimiento de este aminoácido en el cerebro un tema ampliamente estudiado.
En contraste los mecanismos y consecuencias de la excitación sináptica en el cerebro fue un aspecto relativamente abandonada hasta hace unos diez años cuando resurgió de una manera extraordinaria a causa de una serie de hallazgos que modificaron importantemente los conceptos de dicha excitación y su papel en las funciones y disfunciones del SNC.
Entre estos hallazgos deben destacarse la caracterización de los aminoácidos exitadores, particularmente el ácido glutámico, como el neurotransmisor exitador mas ampliamente distribuido en los mamíferos, así la identificación y la clonación de diversos tipos de receptores de este aminoácido, en propiedades diferentes y al parecer, con funciones y acciones diversas en distintas regiones del SNC. Estas incluyen desde efectos neurotróficos hasta la muerte neuronal, pasando por fenómenos plásticos de memoria y aprendizaje, alteraciones motoras y enfermedades neurodegenerativas.
RECEPTORES DE NEUROTRANSMISORES CANALES Y SEGUNDOS MENSAJEROS.
Una de las mas importantes aportaciones al conocimiento, hechas por la investigación neurobiológica actual, es sin duda el papel de las proteínas integrales de la membrana, es decir aquellas que se encuentran embebidas en el seno de la membrana celular, en los fenómenos de transmisión sináptica y de conducción del impulso a lo largo del axón.
Desde hace algunos años se reconoció que existen dos grandes tipos de proteínas con características de receptores de los neurotransmisores: los llamados ionotropicos y los metabotrópicos. Los primeros reciben su nombre por que están directamente asociados con los canales iónicos; de hecho, mas que asociados, estos receptores son canales iónicos, ya que parte de su estructura constituye las paredes del canal mientras que otra porción que sobresale al exterior de la membrana, es un sitio de reconocimiento del neurotransmisor. Cuando el transmisor se une a este sitio, el canal se abre. Estos canales son selectivamente permeables para ciertos cationes o aniones, y de esto depende que el resultado de su apertura sea excitación (canales catiónicos) o inhibición ( canales aniónicos) (figuras I.2y I.3). En cambio, como se muestra muestra en la figura I.4, el resultado de la activación de los receptores metabotrópicos es predominantemente metabólico, es decir, el desencadenamiento de una serie de reacciones enzimáticas. Estos receptores están asociados con otra proteína membranal, la llamada proteína G la cual es modificada cuando el trasmisor se une al receptor, y como consecuencia de esa modificación se activan diferentes reacciones bioquímicas. Los productos de estas reacciones son moléculas conocidas como segundos mensajeros, las cuales funcionan como señales metabólicas para la fosforilación o desfosforilación de otras proteínas celulares, entre ellos los propios canales iónicos. De esa manera los receptores asociados con las proteínas G modulan la función sináptica y la excitabilidad de la membrana neuronal (figura I.4).
En los últimos años, estudios realizados con técnicas bioquímicas, biofísicas y de biología molecular han demostrado que tanto los receptores ionotropicos como los metabotrópicos son proteínas integrales de la membrana, pero que difieren considerablemente en su organización molecular. Además, se ha encontrado que existen varias familias de receptores ionotropicos, caracterizadas por un cierto grado de homología en su secuencia de aminoácidos y por el numero de regiones transmembranales (secuencias de aminoácidos en que predominan los de tipo hidrofóbico, por lo que atraviesan completamente la bicapa lipidica de la membrana), independientemente de su selectividad iónica. Por si esto fuera poco, también se ha demostrado que un receptor que reconoce a un determinado neurotransmisor y que responde a el del mismo modo, se presenta en distintos subtipos o variedades, dependiendo de las diversas subunidades proteicas que lo conforman. Según esta composición cada subtipo de receptor es modulada o afectado por drogas de diferente manera.
Se conocen hasta la fecha dos tipos de receptores del GABA: el receptor GABAA es de naturaleza ionotrópica y constituye un canal selectivo para Cl-, mientras que el receptor GABAB es metabotrópico, libera como segundo mensajero el ácido araquidónico.
A partir de 1987, cuando se clono la primera subunidad proteica del receptor GABAA, se han clonado 16 subunidades peptídicas diferentes . cada una de ellas tiene cuatro regiones transmembranales, por lo que este receptor es considerado como parte de la misma “súper familia” donde se encuentra el receptor nicotínico de la acetilcolina, cuyas subunidades tiene también cuatro regiones transmembranales. Sorprendentemente, ya que este ultimo receptor forma un canal selectivo para sodio y potasio y por lo tanto su activación resulta en excitación sus regiones transmembranales tienen un considerable grado de homología en su secuencia de aminoácidos con las del receptora GABAA. Por lo anterior, en analogía con el receptor de acetilcolina, que es muy bien conocido se postula que el receptor GABAA esta formado por cinco subunidades, cada una de las cuales contribuye, mediante una de sus regiones transmembranales a formar la pared de cloro.
Si se conocen hasta la fecha 16 subunidades diferentes del receptor GABAA y por otra parte no mas de cinco constituyen la molécula receptora completa, es evidente que, en teoría, podría haber decenas de formas distintas de dicho receptor en el SNC. Esto podría ocurrir no solo por las diferentes subunidades participantes en su composición, sino que también por el orden de las subunidades uno con respecto a la otra en su arreglo intermembranal. Por ejemplo el receptor que se muestra en la figura 1.2 seria diferente si las dos subunidades alfa estuvieran una contigua a la otra. De hecho mediante técnicas de inmunocitoquímica, utilizando anticuerpos específicos contra cada una de las subunidades se ha demostrado que efectivamente hay muchas formas del receptor GABAA y que están muy distribuidas muy heterogéneamente en diversas regiones del SNC. Además cuando diversas formas del receptor se han expresado en ovocitos de la rana Xenopus mediante la inyección del RNAm que codifica para una o varias del las subunidades correspondientes. Se han encontrado que la composición es determinante de las propiedades del receptor completo. Por ejemplo, se sabe ahora que la subunidad denominada a es la que posee el sitio de reconocimiento del GABA. Mientras que la subunidad ?2 es la responsable del hecho, conociendo tiempo atrás, de que las benzodiazepinas modulan positivamente al receptor es decir facilitan la apertura del canal de cloro cuando el GABA se une a su sitio activo de reconocimiento. Por lo tanto si el receptor carece de la subunidad ?2 las benzodiazepinas no tienen efecto significativo. De esto se deducen que la localización en alguna región cerebral de los receptores GABAA que posean esta subunidad serán un indicio de que tal región participa en los efectos ansiolíticos de las benzodiazepinas.
LOS RECEPTORES DEL GLUTAMATO.
Se acepta en la actualidad que el ácido glutámico es el aminoácido neurotransmisor exitador mas importante del SNC esta aceptación es el resultado del progreso del conocimiento de varios aspectos de la transmisión glutamatérgica como son, de manera preponderante, la identificación la caracterización y recientemente la clonación de varios receptores que reconocen al glutamato.
Hasta la fecha se reconocen cuatro tipos de receptores del glutamato que inicialmente se diferenciaron farmacologicamente tres de ellos están acoplados a un canal catiónico y el cuarto parece estar asociado con la síntesis de segundos mensajeros entre los primeros están el receptor tipo NMDA, así llamado por reconocer alN-metil-D-aspartato y dos que no reconocen al NMDA, sino al ácido kaínico o al AMPA (ácido-a-amino-3-hidroxi-5-metililoxazol-4-propanoico) .
Existen diferencias entre los receptores NMDA y no NMDA; una de los mas notables es que los primeros forman un canal de calcio, mientras que los segundos constituyen un canal de sodio- potasio. Además, el receptor NMDA representa varios sitios de reconocimiento a diversos ligandos, además del sitio del glutamato. Sorprendentemente uno de estos sitios es de tipo alostérico que reconoce específicamente a la glicina, de modo que cuando este aminoácido se encuentra unido, se facilita la apertura del canal de calcio debida a la unión del glutamato. Por esta razón se considera que la glicina es un modulador positivo del receptor NMDA, lo cual contrasta drásticamente con su ya mencionado papel como neurotransmisor inhibidor, similar al del GABA, en algunas regiones del SNC, particularmente en la medula espinal. Sin embargo el sitio de la glicina en el receptor NMDA tiene propiedades farmacológicas diferentes delas que están en el receptor propio de la glicina. Por ejemplo la estricnina es un potente antagonista de este ultimo ( a esto se debe su efecto convulsionante) mientras que no afecta la unión del aminoácido al sitio del receptor NMDA. En la figura 1.3 se muestra el esquema del receptor tipo NMDA, en el que se señala su modulación positiva por la glicina.
EL OXIDO NITRICO.
Para sorpresa de muchos investigadores, en los años recientes han descubierto que existen moléculas que parecen funcionar como mensajeros químicos en el cerebro pero que poseen características químicas y fisiológicas muy distintas de los neurotransmisores hasta ahora revisados el ejemplo prototípico de estas moléculas es el oxido nítrico el cual se distribuye muy rápidamente, y no se libera mediante el proceso de exocitosis dependiente de calcio, y no actúa mediante un receptor membranal.
La estructura química del oxido nítrico es muy simple esta estructura se caracteriza por poseer un electrón no compartido por lo cual pertenece a los radicales libres, que son extremadamente reactivos y por lo tanto son compuestos muy tóxicos para la célula . en condiciones de presión atmosférica normal, el NO es un gas con una vida media muy corta ya que n presencia del oxigeno se convierte en nitratos y nitritos. Dadas estas propiedades hasta hace años ningún investigador en su sano juicio se hubiera atrevido a sugerir al NO que podía tener una función biológica. Sin embargo una serie de investigaciones inicialmente en los sistemas inmunológicos y cardiovasculares y posteriormente en otros tejidos y en el SNC se han demostrado que este compuesto es un mensajero químico que realiza importantes funciones en muchos órganos y que en el cerebro puede coadyuvar en la fusión normal de las sinapsis glutamatérgicas y también participan en los mecanismos de muerte neuronal producidas por hiperfuncionamiento de los receptores NMDA