7.3: Sinapsis

Objetivos de aprendizaje

• Explicar cómo las señales de muestra cruzan la sinapsis

Transmisión sináptica

La sinapsis o “gap” es el lugar donde la información se transmite de una neurona a otra. Las sinapsis suelen formarse entre las terminales axónicas y las espinas dendríticas, pero esto no es universalmente cierto. También hay sinapsis de axón a axón, dendríta a dendrita y axón a célula. La neurona que transmite la señal se llama neurona presináptica, y la neurona que recibe la señal se llama neurona postsináptica. Tenga en cuenta que estas designaciones son relativas a una sinapsa particular, la mayoría de las neuronas son tanto presinápticas como postsinápticas. Hay dos tipos de sinapsis: química y eléctrica.

Sinapsis Químicas

Cuando un potencial de acción alcanza el terminal axón, despolariza la membrana y abre\(\ce{Na^{+}}\) canales regulados por voltaje. \(\ce{Na^{+}}\)los iones ingresan a la célula, despolarizando aún más la membrana presináptica. Esta despolarización hace que se abran\(\ce{Ca^{3+}}\) canales de voltaje cerrado. Los iones de calcio que ingresan a la célula inician una cascada de señalización que hace que pequeñas vesículas unidas a la membrana, llamadas vesículas sinápticas, que contienen moléculas neurotransmisoras se fusionen con la membrana presináptica. Las vesículas sinápticas se muestran en la Figura 7.18, que es una imagen de un microscopio electrónico de barrido.

Figura 7.18. Esta imagen pseudocoloreada tomada con un microscopio electrónico de barrido muestra un axón terminal que se rompió para revelar vesículas sinápticas (azul y naranja) dentro de la neurona. (crédito: modificación de obra de Tina Carvalho, NIH-NIGMS; datos de barra de escala de Matt Russell)

La fusión de una vesícula con la membrana presináptica provoca que el neurotransmisor se libere en la hendidura sináptica, el espacio extracelular entre las membranas presináptica y postsináptica, como se ilustra en la Figura 7.19. El neurotransmisor se difunde a través de la hendidura sináptica y se une a las proteínas receptoras en la membrana postsináptica.

Figura 7.19. La comunicación en las sinapsis químicas requiere la liberación de neurotransmisores. Cuando la membrana presináptica se despolariza, los canales de Ca2+ regulados por voltaje se abren y permiten que el Ca2+ entre en la celda. La entrada de calcio hace que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana y liberen moléculas neurotransmisoras en la hendidura sináptica. El neurotransmisor se difunde a través de la hendidura sináptica y se une a los canales iónicos activados por ligando en la membrana postsináptica, dando como resultado una despolarización localizada o hiperpolarización de la neurona postsináptica.

La unión de un neurotransmisor específico hace que se abran canales iónicos particulares, en este caso, canales regulados por ligando, en la membrana postsináptica. Los neurotransmisores pueden tener efectos excitadores o inhibitorios sobre la membrana postsináptica, como se detalla en la Tabla 7.2. Por ejemplo, cuando la acetilcolina es liberada en la sinapsis entre un nervio y un músculo (llamada unión neuromuscular) por una neurona presináptica, provoca que se abran canales de Na+ postsinápticos. Na+ ingresa a la célula postsináptica y hace que la membrana postsináptica se despolarice. Esta despolarización se denomina potencial postsináptico excitatorio (EPSP) y hace que la neurona postsináptica sea más propensa a disparar un potencial de acción. La liberación de neurotransmisores en las sinapsis inhibitorias provoca potenciales postsinápticos inhibitorios (IPSP), una hiperpolarización de la membrana presináptica. Por ejemplo, cuando el neurotransmisor GABA (ácido gamma-aminobutírico) se libera de una neurona presináptica, se une y abre los canales Cl—. Los iones Cl- ingresan a la célula e hiperpolarizan la membrana, lo que hace que la neurona sea menos propensa a disparar un potencial de acción.

Una vez que se ha producido la neurotransmisión, el neurotransmisor debe ser retirado de la hendidura sináptica para que la membrana postsináptica pueda “resetear” y estar lista para recibir otra señal. Esto se puede lograr de tres maneras: el neurotransmisor puede difundirse lejos de la hendidura sináptica, puede ser degradado por enzimas en la hendidura sináptica, o puede ser reciclado (a veces llamado recaptación) por la neurona presináptica. Varios fármacos actúan en este paso de la neurotransmisión. Por ejemplo, algunos medicamentos que se administran a los pacientes de Alzheimer funcionan inhibiendo la acetilcolinesterasa, la enzima que degrada la acetilcolina. Esta inhibición de la enzima aumenta esencialmente la neurotransmisión en las sinapsis que liberan acetilcolina. Una vez liberada, la acetilcolina permanece en la hendidura y puede unirse y desunirse continuamente a los receptores postsinápticos.

Cuadro 7: Función y ubicación de los neurotransmisores

Neurotransmisor	Ejemplo	Ubicación
Acetilcolina	—	SNC y/o PNS
Amina biogénica	Dopamina, serotonina, norepinefrina	SNC y/o PNS
Aminoácido	Glicina, glutamato, aspartato, ácido gamma-aminobutírico	CNS
Neuropéptido	Sustancia P, endorfinas	SNC y/o PNS

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¡Diseña y/o actúa eventos en la sinapsis! Aquí hay algunas sugerencias para ayudarle a diseñar su actividad de revisión:

• Tendrás que pensar en cuántos compañeros necesitas para participar.
• ¿Quién será qué estructura?
• ¿Cómo se moverán tus compañeros y tú el uno con respecto al otro?
• ¿Cuál es el objetivo general de cada movimiento que diseñas (cuál es la función de cada estructura)?

Sinapsis Eléctricas

Si bien las sinapsis eléctricas son menos en número que las sinapsis químicas, se encuentran en todos los sistemas nerviosos y desempeñan papeles importantes y únicos. El modo de neurotransmisión en las sinapsis eléctricas es bastante diferente al de las sinapsis químicas. En una sinapsis eléctrica, las membranas presináptica y postsináptica están muy juntas y en realidad están conectadas físicamente por proteínas de canal que forman uniones gap. Los cruces huecos permiten que la corriente pase directamente de una celda a la siguiente. Además de los iones que transportan esta corriente, otras moléculas, como el ATP, pueden difundirse a través de los poros de unión de grandes huecos.

Existen diferencias clave entre sinapsis químicas y eléctricas. Debido a que las sinapsis químicas dependen de la liberación de moléculas neurotransmisoras de las vesículas sinápticas para transmitir su señal, hay un retraso de aproximadamente un milisegundo entre cuando el potencial axónico alcanza el terminal presináptico y cuando el neurotransmisor conduce a la apertura de canales iónicos postsinápticos . Adicionalmente, esta señalización es unidireccional. La señalización en las sinapsis eléctricas, por el contrario, es prácticamente instantánea (lo cual es importante para las sinapsis involucradas en reflejos clave), y algunas sinapsis eléctricas son bidireccionales. Las sinapsis eléctricas también son más confiables ya que tienen menos probabilidades de ser bloqueadas, y son importantes para sincronizar la actividad eléctrica de un grupo de neuronas. Por ejemplo, se cree que las sinapsis eléctricas en el tálamo regulan el sueño de onda lenta, y la interrupción de estas sinapsis puede causar convulsiones.

Suma de señal

A veces, una sola EPSP es lo suficientemente fuerte como para inducir un potencial de acción en la neurona postsináptica, pero a menudo múltiples entradas presinápticas deben crear EPSP aproximadamente al mismo tiempo para que la neurona postsináptica sea suficientemente despolarizada para disparar un potencial de acción. Este proceso se denomina suma y ocurre en el montecillo del axón, como se ilustra en la Figura 7.20. Además, una neurona a menudo tiene entradas de muchas neuronas presinápticas, algunas excitadoras y otras inhibidoras, por lo que los IPSP pueden cancelar los EPSP y viceversa. Es el cambio neto en el voltaje de la membrana postsináptica lo que determina si la célula postsináptica ha alcanzado su umbral de excitación necesario para disparar un potencial de acción. En conjunto, la suma sináptica y el umbral de excitación actúan como un filtro para que el “ruido” aleatorio en el sistema no se transmita como información importante.

Figura 7.20. Una sola neurona puede recibir tanto entradas excitadoras como inhibitorias de múltiples neuronas, dando como resultado despolarización de membrana local (entrada EPSP) e hiperpolarización (entrada IPSP). Todas estas entradas se suman en el montecillo del axón. Si los EPSP son lo suficientemente fuertes como para superar los IPSP y alcanzar el umbral de excitación, la neurona se disparará.

Plasticidad sináptica

Las sinapsis no son estructuras estáticas. Pueden ser debilitados o fortalecidos. Se pueden romper, y se pueden hacer nuevas sinapsis. La plasticidad sináptica permite estos cambios, que son todos necesarios para un funcionamiento del sistema nervioso. De hecho, la plasticidad sináptica es la base del aprendizaje y la memoria. Dos procesos en particular, la potenciación a largo plazo (LTP) y la depresión a largo plazo (LTD) son formas importantes de plasticidad sináptica que ocurren en las sinapsis en el hipocampo, una región cerebral que participa en el almacenamiento de recuerdos.

Potenciación a largo plazo (LTP)

La potenciación a largo plazo (LTP) es un fortalecimiento persistente de una conexión sináptica. LTP se basa en el principio de Hebbian: celdas que disparan juntos cables juntos. Existen diversos mecanismos, ninguno completamente entendido, detrás del fortalecimiento sináptico visto con LTP. Un mecanismo conocido involucra un tipo de receptor postsináptico de glutamato, llamados receptores NMDA (N-metil-D-aspartato), mostrados en la Figura 7.21. Estos receptores normalmente están bloqueados por iones magnesio; sin embargo, cuando la neurona postsináptica es despolarizada por múltiples entradas presinápticas en rápida sucesión (ya sea de una neurona o múltiples neuronas), los iones de magnesio son forzados a salir permitiendo que los iones Ca pasen a la célula postsináptica. A continuación, los iones Ca2+ que ingresan a la célula inician una cascada de señalización que provoca que un tipo diferente de receptor de glutamato, llamado receptores AMPA (ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico), se inserte en la membrana postsináptica, ya que los receptores AMPA activados permiten que los iones positivos ingresen a la célula. Entonces, la próxima vez que se libere glutamato de la membrana presináptica, tendrá un mayor efecto excitatorio (EPSP) sobre la célula postsináptica debido a que la unión del glutamato a estos receptores AMPA permitirá que entren más iones positivos en la célula. La inserción de receptores AMPA adicionales fortalece la sinapsis y significa que la neurona postsináptica es más probable que se active en respuesta a la liberación de neurotransmisores presinápticos. Algunas drogas de abuso cooptan por la vía LTP, y este fortalecimiento sináptico puede llevar a la adicción.

Depresión a largo plazo (LTD)

La depresión a largo plazo (LTD) es esencialmente la inversa de LTP: es un debilitamiento a largo plazo de una conexión sináptica. Un mecanismo que se sabe que causa LTD también involucra a los receptores AMPA. En esta situación, el calcio que ingresa a través de los receptores NMDA inicia una cascada de señalización diferente, lo que da como resultado la eliminación de los receptores AMPA de la membrana postsináptica, como se ilustra en la Figura 7.21. La disminución de los receptores AMPA en la membrana hace que la neurona postsináptica sea menos sensible al glutamato liberado de la neurona presináptica. Si bien puede parecer contradictorio, LTD puede ser tan importante para el aprendizaje y la memoria como LTP. El debilitamiento y poda de sinapsis no utilizadas permiten perder conexiones sin importancia y hace que las sinapsis que han sufrido LTP sean mucho más fuertes en comparación.

Figura 7.21. La entrada de calcio a través de receptores postsinápticos de NMDA puede iniciar dos formas diferentes de plasticidad sináptica: potenciación a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD). La LTP surge cuando una sola sinapsis es estimulada repetidamente. Esta estimulación provoca una cascada celular dependiente de calcio y CaMKII, lo que resulta en la inserción de más receptores AMPA en la membrana postsináptica. La próxima vez que se libere glutamato de la célula presináptica, se unirá tanto a NMDA como a los receptores AMPA recién insertados, despolarizando así la membrana de manera más eficiente. LTD ocurre cuando pocas moléculas de glutamato se unen a receptores NMDA en una sinapsis (debido a una baja velocidad de disparo de la neurona presináptica). El calcio que sí fluye a través de los receptores NMDA inicia una cascada diferente dependiente de calcineurina y proteína fosfatasa 1, lo que resulta en la endocitosis de los receptores AMPA. Esto hace que la neurona postsináptica sea menos sensible al glutamato liberado de la neurona presináptica.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

Para que una neurona dispare un potencial de acción, su membrana debe alcanzar ________.
a. hiperpolarización
b. el umbral de excitación
c. el periodo refractario
d. potencia postsináptica inhibitoria

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

Después de un potencial de acción, la apertura de canales ________ adicionales activados por voltaje y la inactivación de los canales de sodio, hacen que la membrana vuelva a su potencial de membrana en reposo.
a. sodio
b. potasio
c. calcio
d. cloruro

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

¿Cuál es el término para los canales proteicos que conectan dos neuronas en una sinapsis eléctrica?
a. vesículas sinápticas
b. canales iónicos regulados por voltaje
c. proteína de unión gap
d. bombas de intercambio sodio-potasio

Ejercicio\(\PageIndex{4}\)

¿Cómo ayuda la mielina a la propagación de un potencial de acción a lo largo de un axón? ¿Cómo ayudan los nodos de Ranvier a este proceso?

Ejercicio\(\PageIndex{5}\)

¿Cuáles son los principales pasos en la neurotransmisión química?