La neurociencia molecular es una rama de la neurociencia que observa conceptos de biología molecular aplicados al sistema nervioso de los animales. El alcance de esta asignatura cubre temas como la neuroanatomía molecular , los mecanismos de señalización molecular en el sistema nervioso , los efectos de la genética y la epigenética en el desarrollo neuronal y las bases moleculares de la neuroplasticidad y las enfermedades neurodegenerativas . [1] Al igual que con la biología molecular, la neurociencia molecular es un campo relativamente nuevo que es considerablemente dinámico.
Localización de neurotransmisores
En biología molecular , la comunicación entre neuronas ocurre típicamente por transmisión química a través de espacios entre las células llamados sinapsis . Los productos químicos transmitidos, conocidos como neurotransmisores , regulan una fracción significativa de las funciones vitales del cuerpo. [2] Es posible localizar anatómicamente neurotransmisores mediante técnicas de etiquetado. Es posible identificar químicamente ciertos neurotransmisores tales como catecolaminas por fijación neuronales secciones de tejido con formaldehído . Esto puede dar lugar a fluorescencia inducida por formaldehído cuando se expone a luz ultravioleta . La dopamina , una catecolamina, se identificó en el nematodo C. elegans mediante el uso de esta técnica. [3] La inmunocitoquímica , que implica la producción de anticuerpos contra entidades químicas o biológicas específicas, incluye algunas otras técnicas de interés. Un neurotransmisor dirigido podría ser marcado específicamente por anticuerpos primarios y secundarios con marcaje radiactivo para identificar el neurotransmisor por autorradiografía . La presencia de neurotransmisores (aunque no necesariamente la ubicación) se puede observar en la inmunocitoquímica ligada a enzimas o en ensayos de inmunoabsorción ligados a enzimas (ELISA) en los que la unión del sustrato en los ensayos enzimáticos puede inducir precipitados , fluoróforos o quimioluminiscencia . En el caso de que los neurotransmisores no puedan identificarse histoquímicamente, un método alternativo es localizarlos por sus mecanismos de captación neural. [1]
Canales iónicos activados por voltaje
Las células excitables de los organismos vivos tienen canales iónicos activados por voltaje . Estos se pueden observar en todo el sistema nervioso en las neuronas. Los primeros canales iónicos que se caracterizaron fueron los canales iónicos de sodio y potasio de AL Hodgkin y AF Huxley en la década de 1950 al estudiar el axón gigante del género de calamar Loligo . Su investigación demostró la permeabilidad selectiva de las membranas celulares, que depende de las condiciones fisiológicas, y los efectos eléctricos que resultan de estas permeabilidades para producir potenciales de acción . [4]
Canales de iones de sodio
Los canales de sodio fueron los primeros canales iónicos activados por voltaje que se aislaron en 1984 de la anguila Electrophorus electricus por Shosaku Numa . La toxina del pez globo tetrodotoxina (TTX) , un bloqueador de los canales de sodio, se utilizó para aislar la proteína del canal de sodio uniéndola mediante la técnica de cromatografía en columna para la separación química. La secuencia de aminoácidos de la proteína se analizó mediante degradación de Edman y luego se usó para construir una biblioteca de ADNc que podría usarse para clonar la proteína del canal. La clonación del canal en sí permitió aplicaciones como la identificación de los mismos canales en otros animales. [1] Los canales de sodio son conocidos por trabajar en conjunto con los canales de potasio durante el desarrollo de potenciales graduados y potenciales de acción. Los canales de sodio permiten la entrada de iones de Na + en una neurona, lo que da como resultado una despolarización del potencial de membrana en reposo de una neurona para conducir a un potencial graduado o potencial de acción, según el grado de despolarización. [5]
Canales de iones de potasio
Los canales de potasio vienen en una variedad de formas, están presentes en la mayoría de las células eucariotas y típicamente tienden a estabilizar la membrana celular en el potencial de equilibrio de potasio . Al igual que con los iones de sodio, los potenciales graduados y los potenciales de acción también dependen de los canales de potasio. Mientras que la entrada de iones de Na + en una neurona induce la despolarización celular, la salida de iones de K + de una neurona hace que la célula se repolarice hasta el potencial de membrana en reposo. La activación de los propios canales iónicos de potasio depende de la despolarización resultante del influjo de Na + durante un potencial de acción. [1] Al igual que con los canales de sodio, los canales de potasio tienen sus propias toxinas que bloquean la acción de las proteínas del canal. Un ejemplo de tal toxina es el catión grande, tetraetilamonio (TEA) , pero es notable que la toxina no tiene el mismo mecanismo de acción en todos los canales de potasio, dada la variedad de tipos de canales entre especies. La presencia de canales de potasio se identificó por primera vez en moscas mutantes de Drosophila melanogaster que temblaban incontrolablemente con la anestesia debido a problemas en la repolarización celular que conducían a una electrofisiología anormal de neuronas y músculos. Los canales de potasio se identificaron por primera vez manipulando la genética molecular (de las moscas) en lugar de realizar la purificación de la proteína del canal porque no se conocían ligandos de alta afinidad por los canales de potasio (como TEA) en el momento del descubrimiento. [1] [6]
Canales de iones de calcio
Los canales de calcio son importantes para ciertas cascadas de señalización celular, así como para la liberación de neurotransmisores en los terminales de los axones . En las células excitables se encuentran una variedad de diferentes tipos de canales de iones de calcio. Al igual que con los canales de iones de sodio, los canales de iones de calcio se han aislado y clonado mediante técnicas de purificación cromatográfica. Es notable, como en el caso de la liberación de neurotransmisores, que los canales de calcio pueden interactuar con las proteínas intracelulares y juegan un papel importante en la señalización, especialmente en localizaciones como el retículo sarcoplásmico de las células musculares. [1]
Receptores
Se pueden usar varios tipos de receptores para la señalización y comunicación celular y pueden incluir receptores ionotrópicos y receptores metabotrópicos. Estos tipos de receptores de la superficie celular se diferencian por el mecanismo y la duración de la acción, estando los receptores ionotrópicos asociados con la transmisión rápida de señales y los receptores metabotrópicos asociados con la transmisión lenta de las señales. Los receptores metabotrópicos cubren una amplia variedad de receptores de la superficie celular con cascadas de señalización notablemente diferentes . [1] [5]
Receptores ionotrópicos
Los receptores ionotrópicos , también conocidos como canales iónicos activados por ligandos , son receptores de acción rápida que median la función neuronal y fisiológica mediante el flujo del canal iónico con unión al ligando. Los receptores nicotínicos, GABA y glutamato se encuentran entre algunos de los receptores de la superficie celular regulados por el flujo del canal iónico controlado por ligando. GABA es el principal neurotransmisor inhibidor del cerebro y el glutamato es el principal neurotransmisor excitador del cerebro. [1]
Receptores GABA
Se sabe que los receptores GABA A y GABA C son ionotrópicos, mientras que el receptor GABA B es metabotrópico. GABA A receptores median respuestas rápido inhibidores en el sistema nervioso central (SNC) y se encuentran en neuronas, células gliales , y médula adrenal células. Es responsable de inducir la entrada de iones Cl - en las células, reduciendo así la probabilidad de que se produzca la despolarización de la membrana tras la llegada de un potencial graduado o un potencial de acción. Los receptores GABA también pueden interactuar con ligandos no endógenos para influir en la actividad. Por ejemplo, el compuesto diazepam (comercializado como Valium) es un agonista alostérico que aumenta la afinidad del receptor por GABA. Los efectos inhibidores fisiológicos aumentados que resultan del aumento de la unión de GABA hacen del diazepam un tranquilizante o anticonvulsivo útil (fármacos antiepilépticos). Por otro lado, los receptores de GABA también pueden ser dirigidos por la disminución de Cl - afluencia celular con el efecto de convulsants como picrotoxina . El mecanismo de acción antagonista de este compuesto no está directamente sobre el receptor GABA, pero hay otros compuestos que son capaces de inactivación alostérica, incluidos el T-butilbicicloforotionato (TBPS) y el pentilentetrazol (PZT). En comparación con GABA A , los receptores GABA C tienen una mayor afinidad por GABA, es probable que tengan una actividad más duradera y es probable que sus respuestas se generen por concentraciones más bajas de GABA. [1]
Receptores de glutamato
Los receptores ionotrópicos de glutamato pueden incluir receptores NMDA , AMPA y kainato . Estos receptores llevan el nombre de agonistas que facilitan la actividad del glutamato. Los receptores NMDA se destacan por sus mecanismos excitadores para afectar la plasticidad neuronal en el aprendizaje y la memoria, así como por neuropatologías como el accidente cerebrovascular y la epilepsia. Los receptores NDMA tienen múltiples sitios de unión al igual que los receptores ionotrópicos GABA y pueden estar influenciados por coagonistas como el neurotransmisor de glicina o la fenciclidina (PCP). Los receptores NMDA transportan una corriente por iones Ca 2+ y pueden ser bloqueados por iones Mg 2+ extracelulares dependiendo del voltaje y el potencial de membrana. Este influjo de Ca 2+ se incrementa por los potenciales postsinápticos excitadores (EPSP) producidos por los receptores NMDA, que activan las cascadas de señalización basadas en Ca 2+ (como la liberación de neurotransmisores). El AMPA genera corrientes postsinápticas excitatorias más cortas y más grandes que otros receptores ionotrópicos de glutamato. [5]
Receptores de ACh nicotínicos
Los receptores nicotínicos se unen al neurotransmisor acetilcolina (ACh) para producir un flujo de canal de cationes no selectivo que genera respuestas postsinápticas excitadoras. La actividad de los receptores, que puede verse influida por el consumo de nicotina, produce sensaciones de euforia, relajación e inevitablemente adicción en niveles elevados. [5]
Receptores metabotrópicos
Los receptores metabotrópicos son receptores de respuesta lenta en las células postsinápticas. Normalmente, estas respuestas lentas se caracterizan por cambios intracelulares más elaborados en la bioquímica. Respuestas de captación de neurotransmisor por receptores metabotrópicos pueden resultar en la activación de enzimas intracellualar y cascadas que implican segundos mensajeros, como es el caso con los receptores unidos a proteína G . Varios receptores metabotrópicos pueden incluir ciertos receptores de glutamato, receptores de ACh muscarínicos, receptores de GABA B y receptores de tirosina quinasas .
Receptores ligados a proteína G
La cascada de señalización ligada a la proteína G puede amplificar significativamente la señal de un neurotransmisor particular para producir cientos o miles de segundos mensajeros en una célula. El mecanismo de acción por el cual los receptores ligados a la proteína G provocan una cascada de señalización es el siguiente:
- El neurotransmisor se une al receptor
- El receptor sufre un cambio conformacional para permitir la unión del complejo de proteína G
- El GDP se intercambia con GTP cuando el complejo de proteína G se une al receptor.
- La subunidad α del complejo de proteína G se une a GTP y se separa para unirse con una proteína diana como la adenilato ciclasa.
- La unión a la proteína diana aumenta o disminuye la tasa de producción del segundo mensajero (como el AMP cíclico ).
- GTPasa hidroliza la subunidad α de modo que se une a GDP y la subunidad α regresa inactiva al complejo de proteína G
Liberación de neurotransmisores
Los neurotransmisores se liberan en paquetes discretos conocidos como cuantos desde el axón terminal de una neurona a las dendritas de otra a través de una sinapsis . Estos cuantos han sido identificados por microscopía electrónica como vesículas sinápticas . Dos tipos de vesículas son las pequeñas, sinápticas (SSV), que tienen alrededor de 40-60 nm de diámetro, y las grandes vesículas de núcleo denso (LDCV), vesículas electrones densas de aproximadamente 120-200 nm de diámetro. [1] El primero se deriva de endosomas y alberga neurotransmisores como acetilcolina , glutamato , GABA y glicina . Este último se deriva del aparato de Golgi y alberga neurotransmisores más grandes como las catecolaminas y otros neurotransmisores peptídicos . [7] Los neurotransmisores se liberan de un axón terminal y se unen a las dendritas postsinápticas en la siguiente procesión: [5]
- Movilización / reclutamiento de vesícula sináptica del citoesqueleto
- Acoplamiento de la vesícula (unión) a la membrana presináptica
- Cebado de vesículas por ATP (paso relativamente lento)
- Fusión de vesícula cebada con membrana presináptica y exocitosis del neurotransmisor alojado
- Captación de neurotransmisores en receptores de una célula postsináptica
- Iniciación o inhibición del potencial de acción en la célula postsináptica dependiendo de si los neurotransmisores son excitadores o inhibidores (excitatorios dará como resultado la despolarización de la membrana postsináptica)
La liberación de neurotransmisores depende del calcio
La liberación de neurotransmisores depende de un suministro externo de iones Ca 2+ que ingresan a los terminales del axón a través de canales de calcio activados por voltaje . La fusión vesicular con la membrana terminal y la liberación del neurotransmisor es causada por la generación de gradientes de Ca 2+ inducidos por potenciales de acción entrantes . Los iones Ca 2+ provocan la movilización de vesículas recién sintetizadas de un grupo de reserva para someterse a esta fusión de membrana. Este mecanismo de acción se descubrió en los axones gigantes de los calamares. [8] La reducción de los iones de Ca 2+ intracelulares proporciona un efecto inhibidor directo sobre la liberación de neurotransmisores. [1] Después de que ocurre la liberación del neurotransmisor, las membranas vesiculares se reciclan a sus orígenes de producción. Los canales de iones de calcio pueden variar según la ubicación de la incidencia. Por ejemplo, los canales en la terminal de un axón difieren de los canales de calcio típicos de un cuerpo celular (ya sean neuronales o no). Incluso en las terminales de los axones, los tipos de canales de iones calcio pueden variar, como es el caso de los canales de calcio de tipo P ubicados en la unión neuromuscular . [1]
Expresión de genes neuronales
Diferencias de sexo
Las diferencias en la determinación del sexo están controladas por los cromosomas sexuales . Las liberaciones de hormonas sexuales tienen un efecto significativo sobre los dimorfismos sexuales (diferenciación fenotípica de las características sexuales) del cerebro. Estudios recientes parecen sugerir que la regulación de estos dimorfismos tiene implicaciones para comprender la función cerebral normal y anormal. Los dimorfismos sexuales pueden estar significativamente influenciados por la expresión de genes cerebrales basada en el sexo, que varía de una especie a otra.
Se han utilizado modelos animales como roedores, Drosophila melanogaster y Caenorhabditis elegans , para observar los orígenes y / o el alcance del sesgo sexual en el cerebro frente a las gónadas productoras de hormonas de un animal. Con los roedores, los estudios sobre la manipulación genética de los cromosomas sexuales dieron como resultado un efecto en un sexo que fue completamente opuesto al efecto en el otro sexo. Por ejemplo, la desactivación de un gen en particular solo resultó en efectos similares a la ansiedad en los hombres. Con estudios sobre D. menlanogaster se encontró que se produjo un gran sesgo de expresión sexual en el cerebro incluso después de que se extrajeron las gónadas, lo que sugiere que el sesgo sexual podría ser independiente del control hormonal en ciertos aspectos. [9]
La observación de genes con sesgo sexual tiene el potencial de tener importancia clínica en la observación de la fisiología del cerebro y el potencial de trastornos neurológicos relacionados (ya sea directa o indirectamente). Ejemplos de enfermedades con sesgos sexuales en desarrollo incluyen la enfermedad de Huntington , la isquemia cerebral y la enfermedad de Alzheimer . [9]
Epigenética del cerebro
Muchas funciones cerebrales pueden verse influenciadas a nivel celular y molecular por variaciones y cambios en la expresión génica, sin alterar la secuencia del ADN en un organismo. Esto también se conoce como regulación epigenética . Los ejemplos de mecanismos epigenéticos incluyen modificaciones de histonas y metilación del ADN . Se ha descubierto que estos cambios tienen una gran influencia en la incidencia de enfermedades cerebrales, enfermedades mentales y adicciones. [10] Se ha demostrado que el control epigenético está involucrado en altos niveles de plasticidad en el desarrollo temprano, definiendo así su importancia en el período crítico de un organismo. [11] Algunos ejemplos de cómo los cambios epigenéticos pueden afectar al cerebro humano son los siguientes:
- Los niveles más altos de metilación en los genes de ARNr en el hipocampo del cerebro dan como resultado una menor producción de proteínas y, por lo tanto, la función limitada del hipocampo puede resultar en deterioro del aprendizaje y la memoria y tendencias suicidas resultantes. [12]
- En un estudio que comparó las diferencias genéticas entre personas sanas y pacientes psiquiátricos, se encontraron 60 marcadores epigenéticos diferentes asociados con la señalización de las células cerebrales. [12]
- Los factores ambientales como el abuso infantil parecen causar la expresión de una etiqueta epigenética en los receptores de glucocorticoides (asociada con las respuestas al estrés) que no se encontró en las víctimas de suicidio. [12] Este es un ejemplo de plasticidad dependiente de la experiencia.
- El enriquecimiento ambiental en los individuos se asocia con un aumento de la acetilación de histonas del gen del hipocampo y, por lo tanto, una mejor consolidación de la memoria (en particular, la memoria espacial ). [11]
Mecanismos moleculares de las enfermedades neurodegenerativas.
Receptores de excitotoxicidad y glutamato
La excitotoxicidad es un fenómeno en el que los receptores de glutamato se activan de forma inapropiada. Puede ser causada por una transmisión sináptica excitadora prolongada en la que niveles altos de neurotransmisor glutamato provocan una activación excesiva en una neurona postsináptica que puede resultar en la muerte de la neurona postsináptica. Después de una lesión cerebral (como la de isquemia ), se ha descubierto que la excitotoxicidad es una causa importante de daño neuronal. Esto puede ser comprensible en el caso de que la perfusión repentina de sangre después de un flujo sanguíneo reducido al cerebro pueda dar como resultado una actividad sináptica excesiva causada por la presencia de un aumento de glutamato y aspartato durante el período de isquemia. [5] [13]
Enfermedad de Alzheimer
La enfermedad de Alzheimer es la enfermedad neurodegenerativa más común y es la forma más común de demencia en los ancianos. El trastorno se caracteriza por la pérdida progresiva de la memoria y diversas funciones cognitivas. Se plantea la hipótesis de que la deposición del péptido β-amiloide (40-42 residuos de aminoácidos) en el cerebro es parte integral de la incidencia de la enfermedad de Alzheimer. Se supone que la acumulación bloquea la potenciación a largo plazo del hipocampo . También es posible que un receptor para oligómeros β-amiloides pueda ser una proteína priónica . [14]
enfermedad de Parkinson
La enfermedad de Parkinson es la segunda enfermedad neurodegenerativa más común después de la enfermedad de Alzheimer. Es una enfermedad de los ganglios basales del movimiento hipocinético causada por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra del cerebro humano. El flujo de salida inhibidor de los ganglios basales no disminuye, por lo tanto, las neuronas motoras superiores , mediadas por el tálamo , no se activan de manera oportuna. Los síntomas específicos incluyen rigidez, problemas posturales, movimientos lentos y temblores. El bloqueo de la entrada del receptor GABA de las neuronas espinosas medianas a las células reticulatas provoca una inhibición de las neuronas motoras superiores similar a la inhibición que se produce en la enfermedad de Parkinson. [5]
enfermedad de Huntington
La enfermedad de Huntington es una enfermedad de los ganglios basales del movimiento hipercinético causada por la falta de entradas inhibitorias normales de las neuronas espinosas medianas de los ganglios basales. Esto plantea los efectos opuestos de los asociados con la enfermedad de Parkinson, incluida la activación inapropiada de las neuronas motoras superiores . Al igual que con los mecanismos GABAérgicos observados en relación con la enfermedad de Parkinson, un agonista GABA inyectado en la sustancia negra pars reticulata disminuye la inhibición de las neuronas motoras superiores, lo que resulta en movimientos motores balísticos involuntarios, similares a los síntomas de la enfermedad de Huntington. [5]
Referencias
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