Departamento de CienciasProfesora Verónica FonsecaBiología.

GUÍA 3°MEDIO FUNCIONAMIENTO NEURONALIMPULSO NERVIOSO Y SINÁPSIS

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IMPULSO NERVIOSOLas largas prolongaciones neuronales comunican entre sí a partes distantes del cuerpo

(imagina la distancia entre la pata de una jirafa y la parte baja de su médula espinal) funcionando como los alambres de un cable. En esta analogía, el cable corresponde a un nervio y los alambres a las fibras nerviosas; pero, a diferencia de un cable eléctrico, que transmite corriente eléctrica, las prolongaciones neuronales transmiten otro tipo de señales: los impulsos nerviosos, que si bien involucran fenómenos eléctricos, no son corrientes eléctricas propiamente tales.

POTENCIAL ELÉCTRICOEl impulso nervioso es un cambio rápido y transitorio del potencial eléctrico, que se propaga a

través de la membrana del axón. La membrana del axón presenta dos estados eléctricos: el potencial de reposo y el potencial de acción. El primero se presenta en todo momento en la neurona, es un estado estacionario y el segundo, se refiere al momento en el que se produce el impulso nervioso.

Si colocamos un microelectrodo en el interior de una célula dejando el otro fuera, podemos observar que existe un potencial eléctrico a través de la membrana celular, lo que quiere decir que esta separa a una zona de carga negativa de otra con carga positiva.

En los axones, las diferencias de concentración involucran iones potasio (K+) y de iones sodio (Na+). En el estado de reposo, la concentración de iones K+ en el citoplasma (interior de la célula) de un axón es mayor, generando una carga negativa. Por el contrario, la concentración de iones Na+ en el fluido extracelular es mayor, generando una carga positiva fuera del axón.

La membrana del axón es impermeable a los iones y a la mayoría de las moléculas polares. El movimiento de estas partículas a través de la membrana depende de la presencia de proteínas integrales de membrana, que proporcionan canales a través de los cuales pueden moverse las partículas, estos canales permiten además, el movimiento de iones específicos, particularmente Na+ y K+. Un aspecto importante de estas proteínas, es que los cambios en su conformación dan por resultado la apertura o el cierre de los canales iónicos. Por lo que se dice que los canales tienen compuertas. Existen diversos tipos de canales:

- Los canales pasivos están permanentemente abiertos y dejan pasar el flujo iónico específico de acuerdo al gradiente de concentración.

- Los canales activos por el contrario, son regulados, es decir, abren y cierran sus compuertas de acuerdo al voltaje (canales voltaje-dependientes), o por la acción de neurotransmisores o drogas (canales ligando-dependientes).

Otro rasgo significativo en la membrana del axón es la presencia de una proteína integral conocida como la bomba de sodio – potasio, que bombea 3 iones de Na+ hacia afuera del axón y 2 iones de K+ hacia dentro.

Potencial de reposoCuando una membrana está en estado de reposo, los canales iónicos de Na+ mayormente están

cerrados y, en consecuencia, la membrana es casi impermeable a los iones Na+. Los pocos iones de Na+

que difunden hacia adentro a través de los canales pasivos, son eliminados rápidamente por la bomba de sodio – potasio. Sin embrago, muchos canales pasivos de K+ están abiertos y la membrana es por lo

tanto, relativamente permeable a los iones K+. A raíz del gradiente de concentración, los iones K+, tienden a moverse hacia adentro de la célula, si no hubieran otras fuerzas operando, se moverían a favor del gradiente de concentración hasta que su concentración se igualara a ambos lados de la membrana. Sin embargo, debido a la impermeabilidad de la membrana lipídica, los grandes aniones que existen en el interior de la célula (como proteínas y ácidos nucleicos) no pueden seguir a los iones K+ fuera de la célula. Así, cuando los iones K+ salen, se forma un exceso de carga negativa dentro de la célula, este exceso de carga negativa atrae a los iones K+ positivos e impide que continúe su movimiento hacia fuera de la neurona.

El resultado es que se alcanza un estado estacionario (fig. 1) en el que no hay movimiento neto de iones y se observa un ligero exceso de carga negativa dentro del axón. En este caso se dice que la membrana celular está polarizada (fig. 3 y 4).

Potencial de acciónCuando la membrana del axón es estimulada, en forma súbita se vuelve permeable a los iones

de Na+, pues los canales activos de Na+ se abren en el sitio de estimulación. Los iones Na+ entran precipitadamente, moviendose a favor de su gradiente de concentración. Esta afluencia de cargas positivas invierte momentáneamente la polaridad de la membrana (se despolariza), de modo que el lado interno se hace más positivo que el lado externo, y se produce el potencial de acción (fig. 2). El cambio en la permeabilidad del Na+ dura aproximadamente, medio milisegundo. Luego los canales de Na+ se inactivan y la membrana retorna a su estado previo de impermeabilidad a los iones de Na+. Durante este tiempo la mayoría de los canales activos de K+ se abren en respuesta al cambio en el potencial eléctrico y así se incrementa la permeabilidad a los iones K+. el resultado es un flujo hacia fuera de los iones K+ debido al gradiente de concentración y también a la carga positiva dentro del axón en el punto máximo del potencial de acción. Este flujo hacia fuera de iones K+ contrarresta el flujo previo de los iones Na+ hacia adentro y así, el potencial de reposo se reestablece rápidamente, es decir, ocurre una repolarización (fig. 3 y 4). Posteriormente, la bomba de sodio – potasio restablece las concentraciones de Na+ y K+. A sus niveles originales.

En consecuencia los potenciales de acción se pueden mover a lo largo del axón en rápidas descargas sin cambios sustanciales en las concentraciones internas de los iones de Na+ y K+.

Figura 1: Potencial de reposo

Figura 2: Potencial de acción

Figura 3: Cambios de potencial durante Un potencial de acción

Figura 4: Flujos iónicos responsables del potencial de acción

CARACTERÍSTICAS DEL IMPULSO NERVIOSO

- Una vez iniciada la inversión transitoria de la polaridad, continúa moviéndose a lo largo del axón. Como consecuencia de este proceso de renovación del potencial de acción a lo largo de toda la membrana, el axón es capaz de conducir el impulso nervioso a una distancia considerable sin que cambie en absoluto su intensidad.

- El impulso nervioso se mueve en una sola dirección porque el segmento del axón situado “atrás” del sitio donde se produjo el potencial de acción tiene un período refractario breve durante el cual sus canales iónicos de Na+ no se abrirán; así, el potencial de acción no puede retroceder.

- Los axones largos de los vertebrados están envueltos en la vaina de mielina. Gracias a ella la propagación del impulso nervioso es mucho más rápida. Su característica más importante es

que está interrumpida a intervalos regulares. Los espacios entre estas interrupciones (nodos de Ranvier) son los únicos que permiten que los iones de Na+ y K+ se muevan a través de la membrana del axón. Así, en las neuronas mielinizadas el impulso nervioso salta de un nodo al otro en vez de moverse continuamente a lo largo de la membrana. Esta conducción saltatoria incrementa en gran medida la velocidad. Además, hay un enorme ahorro de gasto energético de la bomba de sodio – potasio.

- El impulso nervioso obedece a la ley del todo o nada, esto quiere decir que, la despolarización de la membrana se produce en el sitio receptivo de la neurona debe alcanzar el estímulo umbral. Si el estímulo es débil no se genera el impulso nervioso. Si la intensidad de un estímulo alcanza el umbral de excitación, se desencadena un impulso nervioso. Si la intensidad sobrepasa el umbral, el impulso nervioso producido tendrá la misma magnitud, es decir, la intensidad del estímulo no es proporcional a la magnitud del impulso nervioso. Lo único que varía es la frecuencia de los potenciales de acción, es decir, si la intensidad del estímulo es muy grande, se generarán mayor cantidad de impulsos nerviosos. Mientras más estímulo o intensidad en el estímulo, mayor cantidad de potenciales de acción se generarán. Lo que se traduce en mayores respuestas.

ACTIVIDADES 1Después de leer la guía resuelve las siguientes actividades.

1. Indica las características que presenta una membrana (incluyendo al medio extracelular) durante el potencial de reposo y durante el potencial de acción.

2. ¿Por qué se requiere de canales para que los iones puedan atravesar la membrana del axón?

3. Durante el potencial de reposo ¿Qué canales se encuentran “cerrados”?

4. En el potencial de acción ¿Cuáles iones (Na+ o K+) son los que atraviesan primero la membrana? ¿Por qué?

5. Explica los siguientes términos e indica qué características iónicas presenta la membrana durante cada uno: Polarización, Despolarización y Repolarización.

6. Si dentro de la neurona hay una alta concentración de K+ ¿Cómo se explica que el K+ no salga de la célula siguiendo el gradiente de concentración?

7. Durante la repolarización los iones K+ quedan fuera del axón y los iones a+ queda dentro ¿Qué ocurre para que vuelvan al estado de polarización nuevamente?

8. Explica porqué el impulso nervioso es unidireccional, es decir, se mueve en una sola dirección.

9. Esquematiza un impulso nervioso indicando: Hacia dónde se dirige el impulso, polarización, despolarización, repolarización y dónde se encuentran los iones en cada etapa

10. Explica a qué se refiere la ley del todo o nada

LA SINAPSIS

Las señales viajan de una neurona a otra a lo largo de una unión especializada, la sinapsis, que pueden ser de naturaleza química o eléctrica.

Sinapsis eléctricasLos iones fluyen a través de uniones hendidura que se producen entre las neuronas involucradas en la unión (figura 1). Estas uniones conectan a las membranas celulares de neuronas íntimamente asociadas, y el impulso nervioso se mueve directamente de una neurona a la siguiente. Las neuronas eléctricas son comunes en invertebrados y en vertebrados inferiores; también se han identificado en algunos sitios del cerebro de los mamíferos.

Figura 1: Una sinapsis eléctrica. La llegada de un potencial de acción al botón sináptico de la célula presináptica está acompañada por cambios en la concentración iónica. Estos cambios son trans-mitidos a través de las uniones de hendidura a la célula postsináptica, donde despolarizan la membrana celular e inician un nuevo potencial de acción.

Sinapsis químicasEn las sinapsis químicas, que constituyen la gran mayoría de las conexiones entre las neuronas en el sistema nervioso de los mamíferos, las dos neuronas nunca se tocan (Figura 2). Un espacio de alrededor de 20 nanómetros, conocido como hendidura sináptica, separa a la célula que transmite la in-formación (célula presináptica) de la célula que recibe la información (célula postsináptica). La información se transmite a través de la hendidura sináptica por medio de moléculas señalizadoras, los neurotransmisores.

A diferencia del impulso nervioso que se transmite a lo largo del axón (que es de naturaleza de "todo o nada") las señales transmitidas a través de las sinapsis químicas son de fuerza variable y pueden tener efectos opuestos. Es decir, algunas pueden excitar y otras inhibir a la célula postsináptica.

Algunos neurotransmisores se sintetizan en el cuerpo celular de la neurona y se transportan a los terminales axónicos, donde se "empaquetan" y almacenan en vesículas sinápticas. Otros neurotransmisores se sintetizan y se empaquetan dentro de las

terminales axónicas. La liberación de las moléculas neurotransmisoras, es disparada por la llegada de un potencial de acción al terminal axónico (figura 3). Le membrana en esta región de la neurona es rica en proteínas de membrana que forman canales activos para el transporte de iones calcio (Ca2+); estos canales, al igual que los canales activos de Na+ y K+, están regulados por el voltaje a través de la membrana axónica. La llegada de un potencial de acción al terminal axónico altera el voltaje, se abren entonces los canales, lo cual permite que los iones Ca2+ fluyan hacia adentro del axón. Este flujo de Ca2+, a su vez, hace que las vesículas sinápticas se fusionen con la membrana celular y vacíen su contenido en la hendidura sináptica. Las moléculas transmisoras se difunden desde la célula presináptica a través de la hendidura y se combinan con moléculas receptoras en la membrana de la célula postsináptica. Esta

unión desencadena una serie de acontecimientos que, como veremos en breve, pueden disparar o no un impulso nervioso en la célula postsináptica.

Figura 2: Una sinapsis química. La llegada de un potencial de acción en al botón sináptico inicia la fusión de vesículas sinápticas con la membrana del axón, liberando moléculas de neurotransmisor en la hendidura sináptica. Estas moléculas se difunden a la célula postsináptica, donde se combinan con receptores específicos de la membrana celular. Una red de fibras de proteína en la hendidura sináptica anclada a las membranas presinápticas y postsinápticas y, en algunas sinapsis, contiene enzimas que rápidamente degradan las moléculas de neu-rotransmisor.

Figura 31. Terminal nervioso 2. Vaina de mielina 3. Citoesqueleto 4. Vesículas sinápticas

inmaduras 5. Vesículas sinápticas maduras

(aptas para la exocitosis) 6. Vesículas sináptica en

exocitosis 7. Neurotransmisor 8. Espacio o hendidura

sináptica9. Membrana presináptica 10. Eudosoma 11. Vesícula sináptica en

recuperación12. Canales de calcio

Después de su liberación, los neurotransmisores son removidos o destruidos rápidamente, con lo que su efecto se interrumpe; ésta es una característica esencial del control de las actividades del sistema nervioso. Las moléculas pueden difundirse alejándose o pueden ser degradadas por enzimas específicas. Los neurotransmisores (o sus productos de degradación) también pueden ser captados nuevamente por el botón sináptico y así ser reciclados. Al mismo tiempo, las membranas de las vesículas presinápticas, que se fusionaron con la membrana celular del botón sináptico, aparentemente vuelven a formar

vesículas por un mecanismo de endocitosis. Estas vesículas son llevadas nuevamente al citoplasma y recicladas en nuevas vesículas sinápticas, llenas de neurotransmisor recién sintetizado o reciclado.

La evidencia actual indica dos mecanismos principales por los que los neurotransmisores ejercen sus efectos sobre las células postsinápticas.

- En uno de los mecanismos, la unión de un neurotransmisor a su receptor indica un cambio en la conformación de una proteína de membrana que funciona como canal para un ión específico. Dependiendo del receptor, la unión puede abrir el canal y permitir que los iones fluyan entre el citoplasma de la neurona y el líquido que la rodea, o puede cerrarlo e impedir el flujo de iones previamente existente, generando un cambio en la polarización de la membrana de la neurona postsinápticas.

- En el otro caso, la unión del neurotransmisor a su receptor activa una enzima de la membrana celular y pone en movimiento a un segundo mensajero (como el AMPc, CMPC o Ca 2+

intracelular). Los acontecimientos que siguen a la activación del segundo mensajero son complejos, pero el efecto final es un cambio en el grado de polarización de la célula postsináptica.

Según el receptor con el que interactúen, los neurotransmisores pueden usar los dos mecanismos sinápticos en la transmisión de la información. Incluso el mismo neurotransmisor puede tener un efecto excitador o inhibidor dependiendo del receptor al que se una. Es decir, el mensaje sináptico no depende exclusivamente del neurotransmisor sino de la interacción neurotransmisor-receptor.

La integración de la informaciónLos cambios en la polaridad inducidos por los neurotransmisores se extienden desde la sinapsis a través de la célula postsináptica a una región del axón en la cual puede originarse un impulso nervioso. Si el efecto colectivo es una despolarización para permitir un flujo de iones Na + tal que constituya el inicio de un potencial de acción, entonces comienza un impulso nervioso en el axón de la neurona postsináptica y un nuevo mensaje es enviado velozmente a una multitud de otras neuronas con las cuales el axón hace sinapsis.

ACTIVIDADES

1. ¿Qué reacción genera el impulso nervioso al llegar al botón sináptico de una neurona cuyas sinapsis son eléctricas?

2. ¿Qué reacción genera el impulso nervioso al llegar al botón sináptico de una neurona cuyas sinapsis son químicas?

3. Defina hendidura sináptica, célula presináptica,célula postsináptica y neurotransmisor.

4. ¿Qué le ocurre a un neurotransmisor después de cumplir su función en la hendidura sináptica?

5. Explique lo que ocurre paso a paso durante una sinapsis química incluyendo los dos mecanismos por los que los neurotransmisores ejercen su acción en la célula postsináptica.

6. ¿Qué ocurre si la sinapsis resulta en una despolarización de la neurona postsináptica que genera un potencial de acción?

7. Explica la forma en que los neurotransmisores salen del espacio sináptico.