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Introducción a la Sinapsis Neuronal

  • La sinapsis es la comunicación especializada entre células excitables, no solo exclusivamente entre neuronas. Estas interacciones permiten la transmisión y modulación de señales.

  • Ejemplo: interacción entre neuronas y células musculares en la unión neuromuscular, donde las células musculares son también excitables y responden a estímulos neuronales.

Tipos de Sinapsis

  • #### Sinapsis Eléctricas

    • Se caracterizan por una comunicación directa y muy rápida entre las células.

    • El espacio sináptico es extremadamente pequeño (aproximadamente 3.53.5 nm de ancho), lo que facilita el acoplamiento eléctrico.

    • Utilizan uniones gap, que son canales formados por proteínas llamadas conexinas (seis conexinas forman un conexón, y dos conexones alineados forman un canal de unión gap). A través de estos canales, iones y pequeñas moléculas pueden pasar directamente de una célula a otra.

    • La transmisión es extremadamente rápida, con un tiempo de transmisión de aproximadamente 0.10.1 milisegundos, lo que permite respuestas casi instantáneas y la sincronización de grandes poblaciones neuronales (ej. en el tronco encefálico para reflejos, o en el músculo cardíaco).

    • La señalización es bidireccional, permitiendo el flujo de corriente en ambas direcciones.

  • #### Sinapsis Químicas

    • Involucran la liberación de sustancias químicas, los neurotransmisores, para la comunicación intercelular.

    • Existe un espacio sináptico más amplio (aproximadamente 20−4020-40 nm) donde ocurre la difusión de los neurotransmisores.

    • La neurona presináptica libera neurotransmisores desde sus terminales hacia la hendidura sináptica. Estos se unen a receptores específicos en la membrana de la neurona postsináptica.

    • Esta unión provoca cambios en la membrana postsináptica, como la apertura o cierre de canales iónicos (ej. canales de sodio, cloro o potasio), lo que altera el potencial de membrana postsináptico.

    • La velocidad de transmisión es más lenta, entre 11 a 55 milisegundos, debido a los múltiples pasos que involucra la liberación y difusión del neurotransmisor.

    • La transmisión es generalmente unidireccional (de presináptica a postsináptica).

    • Requieren un mayor gasto energético, no solo para la síntesis y liberación de neurotransmisores, sino también para su recaptación o degradación.

Proceso de la Sinapsis Química

  1. Llegada del Potencial de Acción

    • Un potencial de acción (una rápida despolarización de la membrana) se genera en el cono axonal y se propaga activamente a lo largo del axón hasta alcanzar la terminal presináptica.

  2. Apertura de Canales de Calcio

    • La despolarización de la terminal presináptica provocada por el potencial de acción abre los canales de calcio dependientes de voltaje (VGCCs).

    • El calcio (Ca²⁺) fluye hacia el interior de la neurona presináptica a favor de su fuerte gradiente electroquímico, ya que la concentración de Ca²⁺ es mucho mayor fuera que dentro de la célula.

  3. Fusión de Vesículas Sinápticas

    • El aumento intracelular de Ca²⁺ desencadena la activación del complejo de proteínas SNARE (Soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor Attachment protein Receptor).

    • Este complejo (formado por V-SNAREs como sinaptobrevina en la vesícula y T-SNAREs como sintaxina y SNAP-25 en la membrana presináptica) permite la fusión de las vesículas sinápticas, que contienen neurotransmisores, con la membrana presináptica.

  4. Liberación de Neurotransmisores

    • La fusión de las vesículas resulta en la liberación de los neurotransmisores a la hendidura sináptica mediante exocitosis.

  5. Interacción con Receptores Postsinápticos

    • Los neurotransmisores se difunden rápidamente a través de la hendidura sináptica y se unen a receptores específicos situados en la membrana postsináptica.

    • Dependiendo del tipo de receptor (ionotrópico o metabotrópico), esta unión puede:

      • Abrir directamente canales iónicos (receptores ionotrópicos), lo que genera un potencial excitatorio (PEPs) o inhibitorio (PEIs).

      • Activar vías de señalización intracelular a través de proteínas G (receptores metabotrópicos), que a su vez pueden modular la actividad de canales iónicos o la función celular a largo plazo.

  6. Terminación de la Sinapsis

    • Para asegurar una señalización precisa y evitar la excitación o inhibición continua, los neurotransmisores deben ser rápidamente eliminados de la hendidura sináptica.

    • Los mecanismos principales incluyen:

      • Recaptación: por la neurona presináptica o por células gliales adyacentes (astrocitos) a través de proteínas transportadoras específicas.

      • Degradación enzimática: enzimas específicas en la hendidura sináptica o en la membrana postsináptica inactivan el neurotransmisor (ej. la acetilcolinesterasa degrada la acetilcolina).

      • Difusión: algunos neurotransmisores simplemente se difunden fuera de la hendidura.

Neurotransmisores

  • Glutamato: Es el principal neurotransmisor excitatorio en el sistema nervioso central (SNC). Sus receptores son cruciales:

    • Ionotrópicos (canales iónicos): incluyen los receptores NMDA, AMPA y kainato. Los receptores AMPA median la transmisión excitatoria rápida, mientras que los NMDA son importantes para la plasticidad sináptica debido a su dependencia de voltaje.

    • Metabotrópicos (acoplados a proteínas G): modulan indirectamente la excitabilidad neuronal y otras funciones celulares.

  • Acetilcolina (ACh): Actúa tanto en el SNC como en el sistema nervioso periférico. Es el principal neurotransmisor en la unión neuromuscular.

    • Nicotínicos (ionotrópicos): presentes en la unión neuromuscular y ganglios autonómicos.

    • Muscarínicos (metabotrópicos): encontrados en los órganos diana parasimpáticos y en el SNC.

    • Su acción es terminada por la enzima acetilcolinesterasa (AChE).

  • GABA (Ácido Gamma-aminobutírico): Es el principal neurotransmisor inhibitorio en el cerebro. Reduce la excitabilidad neuronal.

    • GABA_A (ionotrópicos): canales de cloro que, al abrirse, hiperpolarizan o estabilizan el potencial de membrana.

    • GABA_B (metabotrópicos): actúan a través de proteínas G para abrir canales de potasio o cerrar canales de calcio, lo que también conduce a la inhibición.

  • Otros neurotransmisores importantes incluyen la glicina (principal inhibidor en la médula espinal), la dopamina, la serotonina, la noradrenalina, y péptidos como las endorfinas.

Complejo Proteico en Liberación de Neurotransmisores

  • El proceso de liberación de neurotransmisores está finamente regulado por un conjunto de proteínas esenciales, colectivamente conocidas como el aparato de fusión.

  • Proteínas SNARE: Son fundamentales para la fusión de la vesícula con la membrana presináptica. Incluyen:

    • Sinaptobrevina (V-SNARE): reside en la membrana de la vesícula sináptica.

    • Sintaxina y SNAP-25 (T-SNAREs): se encuentran en la membrana de la terminal presináptica.

    • Estas proteínas forman un complejo trans-SNARE que acerca las membranas y facilita su fusión.

  • Sinaptotagmina: Es la proteína clave sensora de calcio. Se encuentra en la membrana vesicular y, al unirse al Ca²⁺, activa el complejo SNARE, desencadenando la fusión de la vesícula y la liberación del neurotransmisor.

  • La intervención del calcio es, por tanto, un paso crítico para que la vesícula se fusione y libere los neurotransmisores a la hendidura sináptica.

Comparación entre PEPs y PEIs

  • Los potenciales postsinápticos locales son cruciales para la integración de señales neuronales.

  • PEPs (Potenciales Excitatorios Postsinápticos):

    • Resultan de la entrada de iones positivos, como el sodio (Na+Na^{+}), lo que genera una despolarización parcial de la membrana postsináptica.

    • Si la suma de PEPs alcanza el umbral, se desencadena un potencial de acción.

  • PEIs (Potenciales Inhibitorios Postsinápticos):

    • Resultan de la entrada de iones negativos, como el cloro (Cl−Cl^{-}), o la salida de iones positivos, como el potasio (K+K^{+}), lo que lleva a una hiperpolarización o estabilización del potencial de membrana, haciendo más difícil que se genere un potencial de acción.

  • Una neurona integra constantemente múltiples PEPs y PEIs a través de sumación espacial (simultáneamente desde diferentes puntos) y temporal (rápidamente en el tiempo) para decidir si dispara un potencial de acción.

Cambios Sinápticos y Plasticidad Neuronal

  • La plasticidad sináptica es la capacidad de las sinapsis para cambiar su fuerza a lo largo del tiempo, un mecanismo fundamental para el aprendizaje y la memoria.

  • LTP (Potenciación a Largo Plazo):

    • Representa un aumento duradero en la eficacia sináptica como resultado de una actividad presináptica y postsináptica altamente correlacionada o repetitiva (normalmente de alta frecuencia).

    • Esto implica cambios moleculares complejos, como la activación de receptores NMDA que permite la entrada de Ca²⁺. Este Ca²⁺ activa quinasas que fosforilan los receptores AMPA existentes y promueven la inserción de nuevos receptores AMPA en la membrana postsináptica, haciendo a la neurona más sensible al glutamato.

    • Es considerada un sustrato celular clave para el aprendizaje y la memoria.

  • LTD (Depresión a Largo Plazo):

    • Es una disminución prolongada y estable en la eficacia sináptica, que puede ocurrir si la actividad sináptica es reducida de manera sostenida o de baja frecuencia.

    • Los mecanismos moleculares de LTD a menudo implican la activación de receptores NMDA con un menor aumento de Ca²⁺ intracelular, lo que activa fosfatasas en lugar de quinasas. Estas fosfatasas promueven la desfosforilación y/o la internalización de los receptores AMPA, reduciendo la respuesta de la neurona postsináptica.

    • Es crucial para el