ImpNer

Neuronas y Circuitos Neuronales. El potencial de acción y la conducción de impulsos nerviosos a lo largo del axón de la neurona. Factores que afectan a la velocidad de conducción de impulsos nerviosos a lo largo del axón. Sinapsis y transmisión del impulso nervioso.

Actualmente, la estructura y la función de las células nerviosas individuales se comprende con gran detalle. La función de una neurona es comunicar información. Esto puede ser realizado mediante la transmisión de señales eléctricas (procesado y transmisión de información dentro de una célula) o de señales químicas (normalmente entre células).

En este proceso, un estímulo externo es captado por receptores especializados de las neuronas sensoriales que los convierten en señales eléctricas, estas se convierten en químicas y se transmiten a otras células, las interneuronas, que las vuelven a transformar en señales eléctricas. Finalmente la información se transmite a las neuronas motoras que estimulan el músculo y a otros neuronas que estimulan otras células.

En animales multicelulares complejos (insectos o mamíferos) los circuitos de neuronas consisten en dos o mas neuronas, y células receptoras sensoriales, que responden a estímulos medioambientales específicos (luz, calor, presión, estiramiento y concentraciones de sustancias químicas).

En el tipo de circuito llamado arco reflejo, las interneuronas conectan múltiples neuronas sensoriales y motoras, permitiendo a una neurona sensorial afectar a varias neuronas motoras y a una neurona motora ser afectada por múltiples neuronas sensoriales. De esta forma las interneuronas integran e incrementan los reflejos.

EL POTENCIAL DE ACCIÓN Y LA CONDUCCIÓN DE IMPULSOS NERVIOSOS A LO LARGO DEL AXÓN DE LA NEURONA

Estas características distinguen al PA de otros cambios en el PM y le permite moverse de forma muy rápida a lo largo del axón como una onda de despolarización, 100 m/sg, sin disminuir en intensidad. En los seres humanos los axones pueden llegar a medir 1m de largo y al PA se mueve a través de él en unos msg. Estos cambios en PM se generan y propagan por la apertura y cierre de canales iónicos específicos.

El PA se origina en el cono del axón y es conducido por el axón a los axones terminales. El cambio en el PM es predecible si cambia la permeabilidad de la membrana a los iones.

Las neuronas, como todas las células, contienen canales iónicos de reposo que se encuentran abiertos en situación de reposo y que generan el PM.

Los axones son regiones especializadas de las neuronas que conducen PA secuenciales produciendo despolarizaciones y repolarizaciones de la membrana plasmática a través de largas distancias sin disminución. Para ello, además de los canales de reposo han de contener canales regulados por voltaje que se encuentra cerrados cuando la membrana esta sometida al potencial de reposo pero que cuando una región de la membrana plasmática se despolariza se abren por un corto periodo de tiempo permitiendo el movimiento de un determinado tipo de iones.

Una única neurona pude resultar afectada simultáneamente por sinapsis con muchos axones. Estas sinapsis pueden ser excitatorias (causan despolarización) o inhibitorias (causan hiperpolarización). Que una neurona genere un PA en el cono del axón depende del balance de temporización, amplitud y localización de las diversas señales que recibe. El PA se genera si la membrana en el cono del axón se despolariza a un cierto voltaje llamado potencial umbral. La despolarización por encima de este umbral siempre genera un PA, si la despolarización no alcanza este umbral no se genera el PA.

Por tanto un PA siembre tiene la misma magnitud en una determinada neurona.

El PA es un ciclo de despolarización, hiperpolarización y vuelta al valor de reposo de la membrana. El ciclo del PA dura 1-2 ms, y un PA puede ser generado cientos de veces en un segundo. Todos estos cambios en el PM son debidos al aumento en conductancia transitorio de una región de la membrana, primero por Na⁺ y luego por K⁺. Estos cambios eléctricos se deben a canales de Na⁺ y K⁺ regulados por voltaje que se abren y cierran en respuesta a los cambios del PM.

ETAPAS

Generación del potencial de acción por canales de sodio cuando el PM sobrepasa el potencial umbral. Las proteínas que forman los canales de Na⁺ dependientes de voltaje generan el potencial de acción cuando se produce su apertura al ser sometidas a un potencial umbral.
Apertura de los canales de K⁺regulados por voltaje. La despolarización producida por la apertura de los canales de Na⁺ regulados por voltaje proboca la apertura de los canales de K⁺ regulados por voltaje, que tienen un potencial umbral mayor. Esta apertura, repolariza la membrana plasmática durante el potencial de acción.
Inactivación de los canales de Na⁺ regulados por voltaje. En estas condiciones el segmento inactivador de los canales de Na⁺ regulados por voltaje tiene gran afinidad por el poro del canal y por tanto se optura. En estas condiciones los canales de K⁺ regulados por voltaje llegan a producir una hiperpolarización de la membrana.
Cierre de los canales de K⁺ regulados por voltaje y vuelta lenta a la situación de reposo.

De forma pasiva la difusión de una despolarización en un punto de una membrana plasmática debería ocurrir en ambas direcciones, mientras que la magnitud de la despolarización disminuiría con la distancia desde el lugar inicial de despolarización. Sin embargo, en el caso de células nerviososas no es así. En los axones neuronales esta despolarizacion, el PA, se transmite de forma unidireccional y sin perdida de intensidad, mientras que la velocidad dependerá de dos propiedades de las células nerviosas: la permeabilidad de la membrana a los iones y la conductividad del citosol.

MECANISMO

Propagación del potencial de acción por canales de sodio. Las proteínas que forman los canales de sodio dependientes de voltaje propagan el potencial de acción en una sola dirección y sin disminución, ya que la reapertura de los canales de Na⁺ detrás del PA se evita por la hiperpolarización de la membrana causada por la apertura de los canales de K⁺ regulados por voltaje.
El PA es generado por el movimiento de relativamente unos pocos iones K⁺ y Na⁺. Los cambios característicos del PM de un PA son causado por la reorganización en el balance de iones a cada lado de la membrana, y no por cambios en la concentración de iones a cada lado. Un solo ion K⁺ de cada 3000-3000000 en el citosol se intercambia por un Na⁺extracelular para generar el cambio de polaridad de la membrana.

FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE CONDUCCIÓN DE IMPULSOS NERVIOSOS A LO LARGO DEL AXÓN

A: Diámetro del axón. Cuanto mayor es el diametro del axón más lejos pueden difundir los iones Na⁺ y más canales puede haber por unidad de longitud.

B: Vaina de Mielina: La mielina es una masa de hojas especializadas de la membrana plasmática producidas por células gliales que se empaquetan sobre si mismas alrededor del axón. En el sistema nervioso periférico estas células se llaman células de Schwann y en el central oligodendrocitos. A menudo, varios axones se encuentran rodeados por la misma célula. La especialización de estas células para producir mielina ocurre preferentemente en vertebrados.

Una membrana de mielina contiene bicapas de fosfolípidos y sólo unos pocos tipos de proteínas. La proteína básica de la mielina y un proteolípido (que se encuentra sólo en la mielina del sistema nervioso central) permiten a la membrana plasmática empaquetarse fuertemente. La mielina que rodea cada axón esta formada por muchas células gliales. Cada región de mielina formada por una célula glial individual es separada de la siguiente región por un área sin mielina llamada nódulo de Ranvier. Sólo en estos nódulos es la membrana del axón en contacto directo con el fluido extracelular. La vaina de mielina (50-100 pliegues membrana) actúa como un aislante eléctrico del axón, siendo la actividad eléctrica del axón reducida a los nódulos de Ranvier, que contienen una gran densidad de canales de Na⁺regulados por voltaje. El exceso de cargas positivas generadas en el nódulo durante la despolarización de la membrana asociada al PA difunde a través del citosol del axón hasta el siguiente nodo con muy pequeña perdida o atenuación, ya que los iones sólo pueden moverse a través de la membrana del axón en estas posiciones. Por tanto la despolarización de un nódulo se extiende rápidamente al siguiente. Esta es la razón de que la velocidad de conducción en los nervios rodeados de mielina sea mucho mayor que en los que no están rodeados de mielina aunque tengan el mismo diámetro. Los nervios mielinados son utilizados en la transducción de señales en aquellos circuitos donde la velocidad es importante.

Las sinapsis son lugares especializados donde las neuronas envían y reciben información de otras células y de algunos circuitos que permiten a grupos de neuronas coordinar procesos complejos. La sinapsis generalmente conduce las señales en una única dirección. El axón terminal de la célula presináptica envía las señales que son recogidas por la célula postsináptica (neuronas, células musculares o glándulas).En la sinapsis, las señales se pasan a otras neuronas, a una célula muscular en su unión neuromuscular, o a otro tipo de células. Un único axón puede producir sinapsis con muchas neuronas a la vez, induciendo respuestas simultáneamente en todas ellas.

Normalmente se utiliza para la transmisión de señales neurona-neurona. Es de funcionamiento más simple que la química y el PA es transmitido directamente y muy rápidamente de la célula presináptica a la postsináptica. Los iones se mueven directamente de una neurona a otra vía una unión de poro o brecha. La despolarización de la membrana asociada con un PA en la célula presináptica pasa a través de la unión por brecha o poro produciendo una despolarización en la célula postsináptica. Permite a la célula presináptica producir un PA en la postsináptica con mayor certidumbre y sin periodo de retardo (lag). La sinapsis eléctrica tiene la ventaja de la velocidad, evitando el retraso de unos 0.5 ms característico de la sinapsis química.

Es la más común. El axón terminal de la célula presináptica contiene vesículas rellenas con una determinada sustancia neurotransmisora (epinefrina o acetilcolina) que será recogida por un receptor de la célula postsináptica (dendrita o cuerpo celular de otra neurona, músculo o célula glandular, incluso otro axón). Si la célula postsináptica es una célula muscular, esta sinapsis se llama unión neuromuscular o placa motriz. La sinapsis química pude ser lenta o rápida, excitatoria o inhibitoria y puede presentar amplificación y computo de la señal.

Bibliografía

Bioquímica. (3º Ed.). C.K. Mathews, K.E. van Holde, K.G. Arhen. Prentice Hall, Pearson Educacion, Madrid. (2002)
Biochemistry (5º Ed.). J. M. Berg, J. L. Tymoczko and L. Stryer., W.H. Freeman. New York. (2002)
Lehninger Principles of Biochemistry (3º Ed.). D.L. Nelson and M.M. Cox. Worth Pub.. New York. (2000). Edición en Castellano (2002)
Principles of Neural Science (4º Ed.). E.R. Kandel, J.H. Schwartz and T.H. Jessel. McGraw-Hill, New York (2000)
Cell Physiology Source Book. (2º Ed.). N. Sperelakis. Academic Press, Londres. (1998)
Biochemistry (4º Ed.). G.L. Zubay. Wm C. Brown Publishers, Dubuque. (1998)
The Cell: a Molecular Approach. G.M. Cooper. ASM Press Washington D.C. y Sinauer Associates, Inc., Sunderland. (1997)
Biochemistry and Molecular Biology. W.H. Elliott y D.C. Elliott. Oxford University Press, Oxford. (1997)
Biología Celular. C.A. Smith y E.J. Wood. Addison-Wesley Iberoamericana, Delaware. (1997)
Biological Phsychology. M.R. Rosenzweig, A.L. Leiman y S.M. Breedlove. Sinauer Associates, Inc., Sunderland. (1996)
Biofísica y Fisiología Celular. F. Latorre, J. López-Barneo, F. Bezanillay R. Llinás. Universidad de Sevilla, Sevilla. (1996)
Cell and Molecular Biology. Concepts and Experiments. G. Karp. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York. (1996)
Molecular Cell Biology. (3º Ed.). H. Lodish, D. Baltimore, A. Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira y J. Darnell. Scientifc American Books, Inc., Nueva York. (1995). Edición en castellano: Biología Celular y Molecular. (3º Ed.). Ediciones Omega, S.A., Barcelona. (1996)
Nerve and Muscle Excitation. (3º Ed.). D. Junge. Sinauer Associates, Inc., Sunderland. (1992)
Basic Neurochemistry. (4º Ed.). G.J. Siegel, Ed. Little, Brown Ltd., Londres. (1981)
Anatomía y fisiología del sistema nervioso. A.C. Guyton. Editorial Médica Panamericana, Madrid. (1994)
The Physiology of Excitable Cells. (3º Ed.). D.J. Aidley. Cambridge University Press, Cambridge. (1990)
Regulation of cardiac ion channels by catecholamines, acetylcholine and second messenger systems. H.C. Hartzell. Prog. Biphys. Molec. Biol. 52, 165-247. (1988)
Chanel families in the brain. C.F. Stevens. Nature 328, 198-199. (1987)
Acetylcholine receptor structure, function and evolution. R.M. Stroud y J. Finer-Moore. Annu. Rev. Cell Biol. 1, 317-354. (1985)