UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA MERIDA EDO. MERIDA BIOFÍSICA Y BIOQUÍMICA DE LA SINAPSIS COLINERGICAS NICOTINICAS EN LAS TRANSMISIONES NERVIOSAS. BACHILLER: PAREDES JOSE LEONARDO. C.I: 16638801 MERIDA, 06-01- 04.
OBJETIVOS. GENERAL: Profundizar en el conocimiento de los fundamentos físicos, químicos y biológicos en los procesos de transmisiones nerviosas ocasionadas por la sinapsis neural. ESPECIFICOS: Conocimiento anatómico de las sinapsis colinergicas nicotinicas como unidades del sistema nervioso. Conocimiento de la importancia funcional del sistema nervioso, así como de los aspectos químicos y biológicos que la definen. Estudio de las características y funciones de las membranas biológicas en la propagación de impulsos nerviosos como proceso de movimiento iónico. Conocimiento de los eventos eléctricos que se llevan a cabo en las membranas neurales. Formulación de la ecuación de Nernst- Huxley para el cálculo del potencial eléctrico en membranas biológicas.
DESARROLLO. Las sinapsis colinérgicas nicotínicas son unidades morfológico- funcionales que permiten la comunicación interneural, se caracteriza por ser de tipo exitatorio y provocar respuestas rápidas. Estas sinapsis están presentes tanto en el sistema nervioso central como en el periférico, y están relacionadas con los procesos de regulación de las secreciones hormonales y el control voluntario de los movimientos musculares. Los elementos constituyentes de una sinapsis colinérgica nicotínica son: un terminal pre- sináptico, la hendidura sináptica y un terminal post- sináptico. Dentro del terminal pre- sináptico se encuentran las vesículas que contienen el neurotransmisor (acetilcolina), un conjunto de canales iónicos y otras proteínas que permiten el acoplamiento funcional necesario para la liberación del transmisor cuando este terminal es estimulado. La hendidura sináptica consiste en el pequeño espacio que separa las membranas pre y post- sinápticas; allí es liberado el neurotransmisor (aceticolina) para que difunda e interactúe con su receptor especifico. En el terminal post- sináptico es donde se ubican los receptores para el neurotransmisor; su estimulación provoca la apertura de un canal que permite la entrada abrupta de iones sodio, lo que causa la despolarización de la membrana neural y genera el potencial de acción (impulso nervioso) que se propagará por toda la célula y será capaz de inducir la transmisión nerviosa a otra neurona vecinal. Luego del cese de la interacción acetilcolina- receptor, el transmisor es degradado (inactivado) y sus catabolitos (productos de degradación) son recaptados por el terminal pre- sináptico para la síntesis de nuevas moléculas de aceticolina. IMPORTANCIA DEL SISTEMA NERVIOSO. El sistema nervioso es el ente regulador más importante en los metazoarios (animales multicelulares) y en los cordados (animales con notocordio), presenta una clara división en un componente central y periférico que se diferencian tanto morfológica como funcionalmente. Las células más comúnmente encontradas en el sistema nervioso son las neuronas, que como fue mencionado anteriormente son las encargadas de la generación, propagación y transmisión del impulso nervioso. La morfología típica de estas células consisten en un cuerpo o soma donde se encuentra el núcleo y la mayoría de los organelos celulares; numerosas prolongaciones pequeñas (las dendritas) y una única prolongación no ramificada denominada axón. Este está envuelto por una vaina lipídica (mielina) que actúa como un aislante eléctrico haciendo más efectiva y rápida la conducción del impulso nervioso. Desde el punto de vista funcional uno de los aspectos mas importantes del sistema nervioso es la comunicación interneural, la cual se lleva a cabo a través de la sinápsis. En éstas ocurren numerosos procesos bioquímicos y biofísicos, muchos de los cuales son comunes a todas, pero siempre existen particularidades que permiten distinguir una sinápsis de la otra.
Un conjunto de neuronal que utilizan el mismo neurotransmisor en sus sinápsis se considera como un sistema. Uno de los sistemas neurales más estudiados es el colinérgico nicotínico (el cual usa acetilcolina como neurotransmisor) Las sinapsis pueden clasificarse mediante criterios morfológicos o fisiológicos. En la sinapsis eléctrica la comunicación interneural se realiza mediante el flujo de iones (Na + y Ca + principalmente) desde el terminal pre-sináptico al postsináptico. Este flujo se efectúa a través de canales que comunican los terminales nerviosos, Las sinapsis eléctricas son siempre de tipo exitatorio. Se dice que una sinapsis es exitatoria cuando su estimulación provoca la despolarización de la membrana post- sináptica, y es inhibidora cuando su estimulación induce la hiperpolarización del terminal post- sináptico. Mas adelante se explicará qué es el potencial de membrana en reposo y los fenómenos de despolarización e hiperpolarización, por ahora, basta con entender que una respuesta exitatoria promueve la propagación del impulso nervioso mientras que las inhibitorias la previenen o atenúan. Estos efectos son ocasionados por la liberación en el terminal pre de un neurotransmisor, compuesto químico que entra en interacción con receptores específicos (proteínas de membrana) ubicada en ella. Los receptores para neurotransmisores pueden ser metabotrópicos, si su estimulación induce cambios en las concentraciones de ciertos metabolitos o ionotrópicos, si su estimulación promueve cambios en las concentraciones de ciertos iones (como es el caso que se trata). Todos los receptores metabotrópicos que se conocen están acoplados a proteínas G (transductores biológicos), mientras que los ionotrópicos son canales iónicos con compuertas de ligando (canales que se abren cuando se une el transmisor). Como quiere que sea la comunicación interneural y la propagación de los impulsos nerviosos, son procesos asociados a membranas biológicas. LAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS. Son estructuras laminares constituidas por una doble capa lipídica (fosfolípidos principalmente) a la cuál está asociadas numerosas proteínas, algunas de ellas están embebidas en la matriz lipídica, otras en cambio, se ubican en la periferia da la bicapa y se unen de manera laxa a la membrana. Tanto por su naturaleza química como por su organización topológica, las membranas constituyen barreras semipermeables en torno a los cuales se pueden distribuir asimétricamente determinados solutos (sobre todo iones y compuestos polares) de hecho, los movimientos iónicos que ocurren en ellas, se producen principalmente a través de proteínas específicas llamadas transportadoras. Los iones más importantes en el funcionamiento neural son Na +, K +, Ca +, y Cl -, las concentraciones intra y extracelulares de cada uno de ellos son considerablemente diferentes. [Intracelular] (mm) [Extracelular] (mm) Na + 14 145 K + 140 4 Ca + 0.0002 2 Cl - 7 110
Una de las propiedades fundamentales de las células nerviosas es la capacidad de generar potenciales de acción. Estos consisten en un cambio rápido y transitorio del potencial de membrana, el cual se propaga por toda la célula con la misma forma y tamaño. Los conocimientos actuales sobre los mecanismos de generación y propagación del potencial de acción, se deben en gran medida a los trabajos realizados desde 1989 hasta 1999 por el bioquímico Nernst Bernstein y Huxley Katz, este ultimo físico egresado de la Universidad de Rockefeller de New York, quienes en 1999 plantearon la ecuación que define dicho fenómeno. Como se señaló, la mayoría de las células animales mantienen una diferencia de potencial a través de sus membranas entre el compartimiento intra y extracelular, que se conoce como POTENCIAL DE MEMBRANA. Los mecanismos posibles de generación de dicho potencial involucran los gradientes iónicos y las diferencias de permeabilidad como factores más importantes. Si se introduce un micro electrodo (diámetro aproximado a 0.5µ m ) dejando otro en el medio extracelular, pueden medirse las variaciones de potencial de membranas en diversas situaciones. Una experiencia frecuente es la de hacer pasar a través de la membrana un pulso de corriente y observar la respuesta. En general, para valores pequeños de intensidad de corriente, se observa en el potencial de membrana el siguiente efecto: En esta gráfica se observa el curso temporal de membrana durante un pulso de corriente rectangular (tener en cuenta que Vm = V int Vext ). La curva recuerda el comportamiento de un circuito eléctrico formado por un generador (pila) y una resistencia en paralelo con un condensador (circuito RC) cuando se le aplica externamente una corriente constante. Las causas que determinan la distribución asimétrica de iones a través de las membranas celulares es la presencia de bombas iónicas (ATPasas de Na + y K + ) que continuamente expulsan 3Na + al exterior celular e introducen 2K +. Además existen muy pocos canales de Na + y Cl - abiertos bajo condiciones de reposo, mientras que hay un buen números de K + en estas condiciones. Existen también otros canales iónicos en las membranas neurales, los canales para Na +, K +, Ca + que son sensibles al voltaje; éstos se abren cuando cambia el potencial eléctrico a través de la membrana, permitiendo así flujos iónicos rápidos.
POTENCIALES ELÉCTRICOS DE MEMBRANA. Es evidente que tanto el ATPasas como la salida de K + a través de los canales de fuga (abiertos en condiciones de reposo), son electrogénicos, es decir, tienden a establecer una diferencia de potencial a través de la membrana. La ecuación de Nernst Huxley permita calcular el valor de dicho potencial si se conocen las concentraciones iónicas en ambos compartimientos (intra y extracelular) y los valores de permeabilidad relativa de la membrana a cada ión. E M = RT ZF P Ln P K K [ Kext ] + PNa[ Naext ] + PCl[ Clint ] [ K ] + P [ Na ] + P [ Cl ] int Na int Cl ext donde: R = 1987 calorías/ kelvin.mol. T = temperatura absoluta (ºK). Z = valencia del ión. F = constante de Faraday = 23057 calorías/ voltios. mol. P = permeabilidad de la membrana al ión. [ ] = concentración del ión. ENERGÉTICA DEL TRANSPORTE. Una de las formas de conocer la tendencia de un ión al difundir a través de una membrana, es determinando su potencial electroquímico bajo las condiciones en estudio y calculando la variación de la energía libre de Gibbs asociada al movimiento de dicho ión de un compartimiento al otro. Los potenciales electroquímicos calculados para el Na +, K + y Cl - son 60,-90 y 70 mv respectivamente, y los valores de G asociado a la entrada de cada uno de estos iones a la célula son: -2.8, +0.7, y +0.2 respectivamente, es decir, existe una fuerte tendencia a la entrada de Na + y salida de K + mientras que el Cl - tiende a permanecer prácticamente inmóvil. Estos datos se obtuvieron a partir de la siguientes ecuaciones: [ ionext ] [ ] RT Eion = Ln ZF ion int donde: R = 1987 cal/k.mol. T = temperatura (ºK). Z = valencia del ión. F = constante de Faraday = 23057 cal/v.mol. G ion = Z F E donde: Z = valencia del ión. F = constante de Faraday = 23057 cal/v.mol E = E M E ion
Hodgkin propuso en 1902 que el potencial de acción es el resultado de un aumento de la permeabilidad de membrana a todos los iones. Si bien esta hipótesis explicó satisfactoriamente los resultados de medidas extracelulares de potencial de acción, una vez que se desarrollaron técnicas que permiten medir la diferencia de potencial transmembrana se hizo necesaria modificar la hipótesis de Hodgkin el hecho de que el potencial de membrana llega a valores negativos (por ejemplo +30 mv), no es explicable en términos de aumento indiscriminado de la permeabilidad. Nernst y Huxley, propusieron una explicación basada en la misma idea: como el ión Na (Na + ) en condiciones fisiológicas se encuentran alejado del equilibrio electroquímico, un aumento en la permeabilidad del Na que en reposo es muy baja, hace tender el potencial de membrana al valor de potencial de equilibrio, como resultado de la entrada del ión en la célula. Esto provoca un aumento en la permeabilidad al potasio (K + ), que alejado de su condición de equilibrio experimenta un flujo neto hacia fuera restableciendo el potencial de reposo. La diferencia en el comportamiento de las permeabilidades al sodio y al potasio, radica en que la permeabilidad por el sodio experimenta un gran aumento rápido pero transitorio al ocurrir una despolarización, mientras que la permeabilidad al potasio experimenta un movimiento lento pero sostenido. Por medio de la técnica de la fijación del voltaje éstos lograron estudiar el comportamiento de las corrientes iónicas para diferentes valores de potencial de membrana. Es posible expresar el comportamiento de la membrana en el potencial de acción (impulsos nerviosos), de acuerdo a la terminología de circuitos eléctricos, si ampliamos el análogo eléctrico, colocamos una fuente y una resistencia para cada uno de los iones relevantes. En este caso V ión representa el potencial en equilibrio del ión C M es la capacidad de la membrana. En el circuito, la conductancia g (1/R) se relaciona con la permeabilidad dela membrana para cada ión. La flecha sobre cada resistencia indica su variabilidad. En condiciones de reposo, la corriente iónica total es nula (porque de lo contrario se debería cargar o descargar el condensador), y de esa forma sabemos que: I I + I = 0 Na + K Cl
I Utilizando las siguientes relaciones: I Na K = = ( Vm ENa ) g ( V m E K ) g K Na
CONCLUSIONES. La mayoría de las células animales mantienes una diferencia de potencial a través de las membranas plasmáticas entre los compartimientos extra e intracelular, que se conocen con el nombre de POTENCIAL DE MEMBRANA, éste potencial puede ser calculado conociendo las concentraciones iónicas en ambos compartimientos y los valores de permeabilidad relativa de la membrana a cada ión. Es necesario el estudio de la conductancia de cada ión para comprender y explicar el potencial de acción (impulsos nerviosos). El paso de iones en forma pasiva a través de membranas biológicas, se deben a la presencia de ciertas proteínas canales. La conductancia de un ión particular depende de la dinámica apertura y cierre de un gran número de éstas, cuya probabilidad de encontrarse abierta está gobernada por el voltaje y el tiempo. Una de las propiedades fundamentales de las células nerviosas, es la capacidad de generar potenciales de acción, éstos consisten en un cambio rápido y transitorio de potencial de membrana a consecuencia de un efecto de sinapsis en el cual ocurren numerosos procesos bioquímicos y biofísicos. La sinapsis colinérgicas nicotínicas participan en el control de importantes procesos fisiológicos, mediando respuestas de tipo exitatorio que permite la regulación de secreciones hormonales y el dominio voluntario de los movimientos musculares. Los elementos constituyentes de una sinapsis colinérgica son un terminal pre- sináptico y el terminal post- sináptico. Cada uno de ellos dotados de la maquinaria bioquímica necesaria para el acoplamiento fisiológico requerido en la transmisión de impulsos biológicos. El receptor para la acetilcolina presente en la sinapsis colinérgicas nicotínicas es de tipo ionotrópico, permitiendo la entrada abrupta de iones sodio y potasio luego de su estimulación con el neurotransmisor. Estos movimientos iónicos son los responsables de la despolarización (excitación) del terminal pre- sináptico y la generación de un nuevo potencial de acción.
BIBLIOGRAFÍA. ELECTROFISIOLOGÍA. www.us.es/dfba/programas/practicas/pl-fisiolanimal.pdf UNIVERSIDAD SIMON BOLÍVAR. www.ugts.usb.ve/biblioteca/biofisica/sinapsis%20colinergica.pdf