Sinapsis química

Estructura

Una sinapsis neuronal química está constituida por varios componentes clave:

• Terminal presináptica: también conocida como el botón terminal del axón, se encuentra a lo largo de un axón o en su extremo terminal. Se encuentra densamente poblada de mitocondrias y contiene vesículas sinápticas, que son estructuras esféricas rodeadas por membrana que almacenan neurotransmisores. Asimismo, esta terminal contiene canales de calcio (Ca²⁺) regulados por voltaje.
• Neurotransmisores: son moléculas químicas que actúan como mensajeros, transmitiendo información mediante conexiones neuronales de las células que participan en la sinapsis químicas. Según su estructura química, estos se clasifican en:
  
  1. Monoaminas: dopamina, adrenalina (epinefrina), noradrenalina (norepinefrina), histamina y serotonina.
  2. Aminoácidos: glutamato, ácido gamma-aminobutírico (GABA) y glicina.
  3. Neuropéptidos: sustancia P, neuropéptido Y, endorfinas, encefalinas, vasopresina y oxitocina.
  4. Otros: acetilcolina, óxido nítrico y endocannabinoides.
• Hendidura sináptica: es un espacio estrecho, de aproximadamente 20-30 nm de ancho, que separa las membranas presináptica y postsináptica. Su función es permitir la difusión de neurotransmisores hacia la célula postsináptica, asegurando una regulación precisa de su concentración.
• Membrana postsináptica: contiene receptores proteicos que se unen a los neurotransmisores liberados desde la terminal presináptica, funcionando según un mecanismo de llave y cerradura. De acuerdo con el tipo de respuesta que generan, estos receptores pueden ser:
  1. Ionotrópicos: son canales activados por ligando, que al unirse con el neurotransmisor permiten el flujo directo de iones.
  2. Metabotrópicos: son receptores acoplados a proteínas G, que desencadenan cascadas de señalización intracelular y modulan la apertura de canales iónicos o cambios metabólicos en la célula.

Función

Cuando un potencial de acción llega a la terminal del axón, éste activa los canales de Calcio (Ca²⁺) regulados por voltaje, provocando una entrada masiva de iones Ca²⁺ en la terminal nerviosa. Este aumento en la concentración de Ca²⁺ en la terminal presináptica lleva a una exocitosis de neurotransmisores desde las vesículas sinápticas. La cantidad de neurotransmisor que se libera es directamente proporcional a la concentración de Ca²⁺ que se encuentra dentro de las células.

La liberación de neurotransmisores mediante exocitosis depende de la interacción y los cambios conformacionales de las proteínas SNARE con las proteínas sensoras de Ca²⁺. Las proteínas SNARE de las vesículas forman un complejo con las proteínas SNARE de la membrana plasmática en las zonas activas, permitiendo la fusión de la vesícula sináptica con la membrana y la difusión de los neurotransmisores en la hendidura sináptica. Este proceso, conocido como anclaje, prepara las vesículas para una fusión rápida tras la entrada de Ca²⁺ en un paso denominado preparación.

Después de liberar su contenido, las membranas de las vesículas son recuperadas a través de un proceso mediado por la proteína clatrina, mientras que los neurotransmisores se unen a sus receptores correspondientes en la membrana postsináptica. Los neurotransmisores que quedan, o los que no se unieron, son reabsorbidos en la terminal presináptica o degradados por enzimas. Las vesículas vacías, después de someterse al reciclaje, son rellenadas con neurotransmisores a través de mecanismos de transporte activo. Este proceso de recarga implica el uso de H⁺ ATPasa, que bombea protones y genera un gradiente electroquímico, facilitando el intercambio de moléculas de neurotransmisores por protones.

Un modelo alternativo de liberación vesicular es la fusión ‘kiss-and-run”, en la cual las vesículas que contienen neurotransmisores se unen y fusionan transitoriamente con la membrana presinática sin colapsar por completo en ella. Por esta razón, recibe también el nombre de fusión transitoria. Este mecanismo permite una recuperación más rápida de las vesículas.

Cada vesícula puede contener entre 2,000 y 10,000 moléculas de neurotransmisores, y la terminal presináptica dispone de suficientes vesículas para sostener hasta 10,000 potenciales de acción.

Receptores de neurotransmisores

Los neurotransmisores se unen a los receptores en la membrana postsináptica de una forma similar a como una llave encaja en una cerradura. Estos receptores se caracterizan por tener dos componentes principales: un sitio de unión externo, que se proyecta hacia la hendidura sináptica, y un elemento estructural interno, que atraviesa la membrana.

Existen dos tipos principales de receptores:

• Receptores ionotrópicos: son canales iónicos activados por ligando, que se abren directamente en respuesta a la unión del neurotransmisor, permitiendo una señalización rápida. Algunos ejemplos incluyen los receptores AMPA y NMDA para el neurotransmisor glutamato, así como los receptores GABA_A.
• Receptores metabotrópicos: activan una cascada de eventos intracelulares, lo que genera cambios metabólicos que producen una respuesta más lenta pero mantenida. Algunos ejemplos son los receptores mGluRs para el glutamato y los receptores GABA_B​. La señalización metabotrópica involucra varios componentes:
  
  • El receptor transmembrana, ubicado en la superficie extracelular, se une al neurotransmisor y actúa como primer mensajero.
  • Esta unión activa la proteína G, una GTPasa, en la superficie intracelular de la membrana.
  • La proteína G activa una proteína efectora, que suele ser una enzima encargada de catalizar la producción de un segundo mensajero, el cual actúa como mediador intracelular de la señal.

Los segundos mensajeros pueden inducir cambios metabólicos generalizados dentro de la célula y también pueden provocar la apertura o cierre de canales iónicos.

Sinapsis excitadoras e inhibidoras

Existen dos tipos de sinapsis químicas, que pueden clasificarse como excitadoras o inhibidoras dependiendo de sus efectos sobre la célula postsináptica. Las sinapsis excitadoras despolarizan la membrana postsináptica al abrir canales de Ca²⁺ o Na⁺, lo que aumenta la concentración intracelular de cationes. Esta despolarización incrementa la probabilidad de generar un potencial de acción. Por lo contrario, las sinapsis inhibidoras hiperpolarizan la membrana postsináptica al abrir canales de Cl⁻ o K⁺, haciendo que el potencial de membrana se vuelva más negativo y, por ende, disminuyendo la posibilidad de que se inicie un potencial de acción.

La naturaleza de cada sinapsis, ya sea excitadora o inhibidora, está determinada por el neurotransmisor liberado en la terminal presináptica y los receptores específicos presentes en la membrana postsináptica. Cada neurona sintetiza un neurotransmisor particular para usar en sus sinapsis, lo que da lugar a clasificaciones como neuronas glutamatérgicas, GABAérgicas o dopaminérgicas que liberan glutamato, GABA y dopamina, respectivamente.

El efecto de un neurotransmisor sobre la célula postsináptica depende del tipo de receptor que se active. Por ejemplo, el glutamato es el neurotransmisor excitador principal en el sistema nervioso central, debido a que sus receptores causan una despolarización de la membrana postsináptica al unirse a este, mientras que el GABA es el principal neurotransmisor inhibidor en el sistema nervioso central, causando una hiperpolarización a través de la activación de sus receptores.

Otros neurotransmisores, como la dopamina, pueden tener efectos tanto excitadores como inhibidores dependiendo de los tipos de receptores que se expresen en la membrana postsináptica. De esta manera, la dopamina juega un papel excitador a través de los receptores D1 y un efecto inhibidor mediante los receptores D2.

Sinapsis químicas y eléctricas

Las sinapsis químicas y eléctricas son diferentes en varios aspectos clave. Las sinapsis químicas usan neurotransmisores para llevar señales a través de la hendidura sináptica, mientras que las sinapsis eléctricas transmiten señales directamente mediante corrientes iónicas por medio de uniones en hendidura o gap. En los seres humanos, las sinapsis químicas son las más predominantes ya que facilitan el procesamiento complejo requerido por el sistema nervioso.

Una gran ventaja de las sinapsis químicas es su capacidad de asegurar una transmisión unidireccional de los impulsos nerviosos: los neurotransmisores se liberan desde la terminal presináptica y se unen a los receptores presentes en la membrana postsináptica, evitando la señalización en sentido inverso. Por otro lado, las sinapsis eléctricas permiten una transmisión bidireccional, lo cual puede resultar menos efectivo cuando se busca lograr una señalización controlada.

Además, las sinapsis químicas tienen una alta especificidad debido a la amplia variedad de neurotransmisores y sus receptores correspondientes. Esto permite una diversidad de respuestas neuronales. En contraste, las sinapsis eléctricas tienen un modo de transmisión más directo con una modulación limitada, siendo menos adecuadas para un procesamiento complejo.

Sin embargo, debido a que la liberación de neurotransmisores, su difusión y la unión a receptores requieren tiempo, las sinapsis químicas transmiten las señales de forma más lenta en comparación a las sinapsis eléctricas, las cuales permiten una transmisión casi instantánea a través del flujo iónico directo.