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C u r s o: Biología Mención Módulo 1

Unidad II: Procesos y funciones vitales. Fisiología Neuronal.

Microfotografía electrónica de barrido de neuronas de corteza cerebral de ratas.


1. Introducción. Los sistemas nervioso y endocrino comparten la función de mantener la homeostasis. Su objetivo es el mismo, conservar las condiciones reguladas dentro de los límites compatibles con la vida. El sistema nervioso responde con prontitud a los estímulos mediante la transmisión de impulsos nerviosos para regular los procesos corporales, mientras que el endocrino tiene una respuesta más lenta, mediada por hormonas. Además de contribuir a la homeostasis, el sistema nervioso también es responsable de las percepciones, conductas y memorización, que dan inicio a todos los movimientos voluntarios. El sistema nervioso desempeña tres funciones básicas: sensorial, motora y de integración. Irritabilidad Es la capacidad de los organismos para responder a los estímulos del medio. Ésta se manifiesta de diferentes formas en la escala evolutiva: • • • •

Tropismos: son respuestas orientadas por un estímulo. Es un movimiento de crecimiento, que se denomina positivo si crece hacia el estímulo y negativo si lo hace en sentido contrario. Tactismos: son movimientos reflejos de orientación según la naturaleza del estímulo; al igual que los tropismos pueden ser positivos o negativos. Reflejo simple: es un mecanismo de respuesta innata e involuntaria frente a un estímulo determinado; por ejemplo, el reflejo rotuliano. Instintos: son reacciones innatas más complejas y elaboradas, en las cuales intervienen varios reflejos. El instinto es específico de los individuos de una misma especie; por ejemplo, las abejas poseen una organización social debido a su instinto. En el ser humano existen el instinto maternal o paternal, el de mamar, el de sobrevivir, etc. Reflejo condicionado: es una relación que se establece entre un estímulo y un refuerzo que implica aprendizaje y participación de la corteza cerebral.

2. Evolución del sistema nervioso.

Figura 1. Evolución del sistema nervioso. Variaciones en la complejidad del sistema nervioso en distintas clases de organismos.

2


3. Células del sistema nervioso. El sistema nervioso está compuesto principalmente de dos tipos celulares: células de soporte, conocidas como células gliales (o glías o neuroglías) y células nerviosas, o neuronas, que es la unidad morfofuncional del sistema nervioso. 3.1. Células gliales. Acompañando a las neuronas en el sistema nervioso central están las células gliales (Figura 2), que son aún más abundantes que las neuronas. Se les atribuyen funciones de mantención de la estructura; reservorios funcionales, barreras especializadas y defensa inmunológica. Algunos autores también las han involucrado en las llamadas funciones superiores (memoria). Células Gliales

se encuentran en

Sistema Nervioso Periférico contiene

Sistema Nervioso Central

contiene

contiene

Células de Schwann

Anficitos

Oligodendrocitos

forman

Función similar a astrocitos del SNC.

Microglías (células inmunes modificadas).

Astrocitos

Células ependimales

forman crea

Vaina de mielina secreta

forma

Factores neurotróficos

Soporte para el sistema nervioso central

ayuda a formar

Barrera hematoencefálica

secreta

Factores neurotróficos

captura

+

K , neurotransmisores

Barrera entre compartimientos

Figura 2. Clasificación y función de las células gliales.

astrocitos, cubren una parte importante de los somas neuronales y crean de este modo un microambiente alrededor del soma neuronal. Recubren también los capilares e impiden la libre difusión de sustancias desde los capilares al líquido intersticial. Participan de este modo en la constitución de la barrera hematoencefálica (Figura 4).

anficitos, se encuentran sólo en los ganglios y cumplen una función semejante a aquella de los astrocitos a nivel de los somas neuronales.

microglías, son células móviles con función inmunitaria.

células ependimales, recubren el epéndimo o canal central de la médula espinal y porciones de los ventrículos cerebrales. Se cree que detectan los cambios en la composición del líquido cerebro espinal y evocan las adecuadas respuestas de compensación.

oligodendrocitos participan en la formación de la vaina de mielina de los axones de las neuronas centrales (cubren parcialmente el soma neuronal, aunque esta función no está hasta ahora bien dilucidada). 3


células de Schwann, recubren los axones tanto mielínicos como amielínicos, uno por cada neurona en el SNP, a diferencia de los oligodendrocitos centrales, y forman la vaina de mielina en los axones mielínicos (Figura 3).

Figura 3. Célula de Schwann.

Figura 4. Se ilustran las relaciones entre las diversas células gliales y los somas de dos células neuronales propias del SNC. Observe que el astrocito también recubre los capilares del sistema nervioso central.

3.2. Neurona. A la neurona se le puede definir como la unidad estructural y funcional del sistema nervioso. En la neurona (Figura 5) se pueden distinguir: 4


Figura 5. Morfología de una neurona.

1.

Soma o cuerpo neuronal que contiene el núcleo y la mayor parte de la maquinaria metabólica celular, propia del pericarion. En el soma no se visualizan las estructuras involucradas en la división celular, ya que este tejido excitable se encuentra en reposo proliferativo. Una estructura destacada en el soma son los corpúsculos de Nissl (retículo endoplásmico rugoso), que tienen una importante actividad sintética.

2.

Dendritas, son generalmente ramificaciones cortas y múltiples. Se consideran proyecciones del soma que incrementan la superficie de recepción sináptica, y que llevan los impulsos nerviosos hacia el soma neuronal (conducción centrípeta).

3.

Axón (cilindroeje), en general sólo uno, más grueso que las dendritas, muchas veces rodeado por una vaina de mielina. Su función principal es conducir impulsos desde el soma hacia el terminal sináptico (conducción centrífuga). La porción que une el soma neuronal con el axón se denomina cono axonal. La zona del terminal axonal se denomina en general telodendrón (o arborización terminal). La regeneración neuronal sólo se ha demostrado en las células del sistema nervioso periférico. Esto es posible si compromete porciones distales al tercio del cono axónico (más alejado del soma neuronal). El axón con sus envolturas asociadas se conoce como fibra nerviosa.

Las neuronas pueden ser clasificadas estructural y funcionalmente. Estructuralmente, las neuronas se clasifican según el número de procesos originados desde el cuerpo celular. Las hay pseudounipolar, bipolar, o multipolar (Figura 6).

Figura 6. Clasificación estructural y funcional de las neuronas.

• Función del axón.

5


El axón o cilindroeje conduce los potenciales de acción desde el soma celular hasta el terminal sináptico, donde la mayoría de las veces el paso de la información se produce por neurotransmisión química (neurotransmisores). Aparte de la transmisión de impulsos, hay un activo transporte de sustancias por el axón tanto del soma celular hacia la zona terminal (flujo anterógrado) como desde la zona terminal hacia el soma (flujo retrógrado). En el primer caso son transportados los componentes vesiculares, mitocondrias, enzimas, metabolitos, precursores, etc. Hacia el soma se transportan las sustancias a reciclarse en el aparato de Golgi e incluso pueden ser transportados ciertos agentes nocivos como el virus de la rabia y de la poliomielitis (Figura 7).

Figura 7. Flujo axoplasmático.

Si hay una injuria (daño) al axón, se produce la degeneración de toda la parte distal (es decir aquella parte que no quedó en contacto con el soma neuronal) y muerte del resto distal del axón. La regeneración se produce con cambios a nivel del soma celular y la vaina de mielina remanente, así como la lámina basal guía el crecimiento axonal hasta reinervar la estructura efectora. Es posible que el axón en regeneración sea también guiado por sustancias químicas producidas por la estructura inervada (factores tróficos). 4. Conducción electroquímica en las neuronas. 4.1. Bases iónicas del potencial de membrana en reposo. Concentraciones extracelulares e intracelulares de los iones en una neu-rona de mamífero. Concentración (mM) Ion LIC LEC K+ 140 5 Na+ 5-15 145 Cl4-30 110 Ca2+ 0,0001 1-2

Casi todas las células del organismo presentan diferencia de potencial a través de su membrana plasmática, siendo el exterior positivo respecto al interior: Membrana Polarizada. Por comodidad este potencial de membrana en reposo o Potencial de Reposo se expresa con signo negativo tomando como referencia el medio intracelular (Figura 8). Dependiendo del tipo celular este potencial puede ir desde - 7 mV hasta -100 mV (en la neurona el potencial transmembranoso es aproximadamente de -60 mV). 4.2. ¿De qué modo los movimientos iónicos producen señales

eléctricas? 6


Los potenciales eléctricos son generados a través de las membranas de las neuronas y en realidad, de todas las células, porque: 1) existen diferencias en las concentraciones de iones específicos a través de las membranas de las células nerviosas y 2) las membranas son selectivamente permeables a algunos de estos iones. Estos dos hechos dependen, a su vez, de dos tipos diferentes de proteínas en la membrana celular. Los gradientes de concentración de los iones son establecidos por proteínas conocidas como bombas iónicas, las cuales, como su nombre lo sugiere, mueven activamente los iones hacia el interior o el exterior de las células en contra de sus gradientes de concentración. La permeabilidad selectiva de las membranas se debe en gran parte a los canales iónicos, proteínas que permiten sólo que ciertos tipos de iones atraviesen la membrana en la dirección de sus gradientes de concentración. Por lo tanto, los canales y las bombas funcionan básicamente en contra unos de otros, y al hacerlo generan electricidad celular. Para apreciar el papel de los gradientes iónicos y la permeabilidad selectiva en la generación de un potencial de membrana, considérese un sistema simple en el cual una membrana imaginaria separa dos compartimientos que contienen soluciones de iones. Primero, tómese el caso de una membrana que es permeable sólo a iones potasio (K +). Si la concentración del K + a cada lado de esta membrana es igual, entonces no se medirá ningún potencial eléctrico a través de ella (Figura 8-A). Pero, si la concentración de K + no es igual a ambos lados, se genera un potencial eléctrico. Por ejemplo, si la concentración de K + a un lado de la membrana (compartimiento 1) es 10 veces mayor que la concentración de K+ del otro lado (compartimiento 2), entonces el potencial eléctrico del compartimiento 1 será negativo con respecto al compartimiento 2 (Figura 8-B). Esta diferencia del potencial eléctrico es generada porque los iones potasio fluyen a favor de su gradiente de concentración y toman su carga eléctrica (una carga positiva por ion) con ellos a medida que avanzan. Dado que las membranas neuronales contienen bombas que acumulan K + en el citoplasma celular y puesto que los canales permeables al potasio en la membrana plasmática permiten un flujo de K+ transmembrana, existe una situación análoga en las células nerviosas vivientes. Por lo tanto, un flujo de reposo continuo de K+ es responsable del potencial de membrana de reposo.

Figura 8. Equilibrio electroquímico. A. Una membrana permeable sólo al K + (círculos) separa los compartimientos 1 y 2, los cuales contienen concentraciones indicadas de KCl. B. El incremento de la concentración de KCl en el compartimiento 1 hasta 10mM produce inicialmente un movimiento pequeño de K+ hacia el compartimiento 2 (condiciones iniciales) hasta que la fuerza electromotriz que actúa sobre K + equilibra el gradiente de concentración y el movimiento neto de K + equilibra la gradiente de concentración y el movimiento de K+ se vuelve cero (en equilibrio).

7


Aunque la mayoría de las células tienen potencial de reposo, sólo dos de ellas, la neurona y la célula muscular, pueden experimentar fácilmente impulsos electroquímicos, también llamados potenciales propagados o potenciales de acción, constituyendo los tejidos excitables. Esto se debe a que estos tipos celulares (además de la citada bomba) poseen en su membrana canales iónicos (proteínas integrales específicas de membrana), unos para el sodio y otros para el potasio. La apertura de estos canales, como respuesta al estímulo, permite el libre tránsito de los iones de acuerdo a sus gradientes. 4.3. Bases iónicas del potencial de acción. Si se aplica un estímulo de cierta magnitud en la membrana de una célula excitable, se produce un ligero incremento en la permeabilidad de los iones sodio en esa región disminuyendo levemente la diferencia de potencial de acuerdo a la intensidad del estímulo. Un estímulo umbral es aquel que posee la intensidad suficiente para producir una disminución en el voltaje igual a 7 mV, aproximándose a los -55 mV que se denomina nivel de descarga, voltaje en el cual se abren los canales de sodio permitiendo la entrada masiva del ión (canal tipo compuerta de voltaje), de manera que el voltaje del medio intracelular se va acercando a cero o sea se provoca una despolarización. La masiva entrada del Na+ hace que el lado interno de la membrana plasmática quede positiva alcanzando +35 mV: potencial de espiga. En ese instante los canales de sodio se cierran rápidamente (terminando la entrada masiva de sodio) y se abren totalmente los canales de potasio (que ya se habían comenzado a abrir lentamente) determinando la salida de este ión, lo que vuelve a hacer negativo el lado intracelular de la membrana: repolarización, luego de una ligera hiperpolarización (debido a la salida de potasio en ausencia de la entrada de sodio) se alcanza nuevamente el potencial de reposo.

Figura 9. Secuencia de cambios en los canales iónicos en la despolarización.

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Regionalmente, después de un potencial de acción, la posición relativa de los iones sodio y potasio está invertida, la acción de la bomba sodio-potasio restituye las posiciones originales. Mientras se conduce un potencial de acción obviamente no puede conducirse otro, y un estímulo en este período no origina un nuevo potencial de acción (período refractario absoluto). Parte de las cargas positivas que ingresan a la célula durante la despolarización, migran a las zonas vecinas, disminuyendo la polaridad de la membrana de esas regiones en donde se alcanza el nivel de descarga, desencadenando el potencial de acción “propagado”; de esta manera, el potencial de acción se propaga en un solo sentido, sin retroceder ya que esa zona se encuentra en período refractario. Durante la propagación el impulso nervioso no pierde intensidad desarrollando siempre el mismo potencial de acción. En vivo los potenciales de acción se propagan unidireccionalmente en el axón (desde el soma hacia el telodendrón), sin embargo, si experimentalmente se aplica el estímulo sobre algún punto del axón, éste se propaga en ambas direcciones. Es importante observar que si el estímulo inicial no hubiese tenido la magnitud suficiente para producir una disminución en el potencial de membrana cercana a 7 mV, los canales de sodio no se hubiesen abierto completamente y el trabajo de la bomba sodio-potasio restablecería el potencial inicial; en esta situación se estaría frente a un Estímulo Subumbral. Por otra parte, si el estímulo inicial hubiese sido de un registro superior al necesario, Estímulo Supraumbral, la magnitud de descarga habría sido la misma que con un estímulo umbral, esto se denomina Ley del Todo o Nada (Figura 10). 1. 2. 3.

4. 5. 6. 7. 8.

9.

Potencial de reposo. Estímulo despolarizante. La membrana se despolariza al llegar al umbral. Se abren los canales de Na+ voltaje-dependientes y el Na+ ingresa. Los canales de potasio comienzan a abrirse lentamente. La rápida entrada de Na+ despolariza la célula. Se cierran canales de Na+ y se abren lentamente los de K+. El K+ sale hacia el fluido extracelular. Los últimos canales de K+ se abren y el ion sale, provocando la hiperpolarización. Cierre de los canales de K+ voltaje dependientes y algunos iones de K+ ingresan a la célula a través de canales. Acción de la bomba Na+ /K+ . La célula retorna a su estado de reposo, recuperando su potencial de reposo.

Figura 10. El potencial de acción.

9


La velocidad de conducción de una fibra nerviosa depende principalmente de dos aspectos: •

Desarrollo de una vaina de mielina: que deja sólo algunas zonas del axolema (membrana citoplasmática de la neurona) descubiertas. En este caso la zona a repolarizar es muy pequeña, y se gana en velocidad de conducción utilizando la llamada “conducción saltatoria”. En la fibra mielínica los canales para iones sensibles a potencial se ubican en la zona amielinizada, nodos de Ranvier. La despolarización de un nodo provoca una “corriente en remolino” que despolariza al nodo contiguo. Así, el potencial de acción cursa por la fibra a una gran velocidad (Figura 11). Una ventaja adicional de la conducción saltatoria es la menor entrada y salida neta de iones sodio y potasio respectivamente, ahorrando energía en la restitución de los iones a sus compartimientos y consiguiendo además períodos refractarios más cortos.

Diámetro: Un modo de aumentar la velocidad de conducción es mediante el aumento del diámetro en los axones amielínicos, ya que incrementa la superficie de intercambio iónico.

Figura 11. Esquema de la conducción saltatoria.

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5. Comunicación entre células nerviosas. 5.1. Transmisión sináptica. Se la puede definir como, un área de contacto funcional entre dos celulas excitables, especializada en la transmisión del impulso nervioso. Estos son los sitios donde el axón o alguna otra porción de alguna célula (la célula presináptica), terminan en el soma, en las dendritas o en alguna otra porción de otra célula (la célula postsináptica). De acuerdo al tipo de transmisión que se realiza se les puede clasificar en: a)

Sinapsis Eléctrica: en que las membranas de las células pre y postsináptica se encuentran en aposición formando una unión con fisura (gap junction), las que se caracterizan por formar puentes de baja resistencia eléctrica a través de los cuales pasan los iones con relativa facilidad, realizándose de este modo la transmisión del impulso nervioso. En este tipo de sinapsis se establece una relación de continuidad, entre las células y son escasos en los mamíferos, por ejemplo, contactos entre las células musculares cardíacas.

b)

Sinapsis Químicas: son aquellas en las cuales la transmisión del impulso nervioso se lleva a cabo a través de la liberación, en la terminación nerviosa, de una sustancia química, conocida como neurotransmisor, que excita químicamente a la célula postsináptica. En este tipo de sinapsis se establece una relación de contigüidad y son las que se encuentran en mayor abundancia en los mamíferos.

Aunque morfológica y funcionalmente existen distintos tipos de sinapsis químicas, se ha demostrado la presencia de ciertos elementos constantes en su organización y que están representados en el siguiente esquema (Figura 12).

Figura 12. Organización de la sinapsis química.

En primer lugar, están las dos membranas contactantes, la presináptica, que conduce el impulso nervioso o potencial de acción y que corresponde a la porción terminal de un axón y la postsináptica, receptora del agente liberado y que por lo general corresponde al soma o a ramificaciones dendríticas. Es importante destacar que las terminaciones de las fibras presinápticas o terminales presinápticos generalmente están dilatadas formando los botones terminales o sinápticos. El terminal presináptico contiene muchas mitocondrias cuya presencia es indicativa de la alta actividad metabólica en la función de la sinapsis; existen en el terminal numerosas vesículas sinápticas; éstas contienen al neurotransmisor (NT), ciertas proteínas, ATP y en algunos casos, las enzimas encargadas de sintetizar al mediador químico. Respecto de la membrana postsináptica su característica más destacada es la presencia de receptores moleculares (proteínas de membranas) que son capaces de modificar la permeabilidad de la membrana al unirse al NT. 11


5.2. Transmisión del impulso nervioso. A pesar de la existencia de diferentes tipos de sinapsis, la transmisión del impulso nervioso en todas ellas se realiza básicamente cumpliendo las siguientes etapas (Figura 13): 1) La llegada despolariza presináptica.

del a

impulso nervioso la membrana

2) Esta despolarización permite la apertura de canales de calcio; sabiendo que el calcio está más concentrado en el LEC que en el LIC, se produce la entrada de este ion hacia el terminal presináptico. El flujo de calcio resulta fundamental para la liberación del neurotransmisor. El aumento del calcio intracelular, promueve la movilización de las vesículas sinápticas, las cuales se fusionan a nivel de las zonas activas de la membrana pre-sináptica. La acción del calcio es finalizada por su rápido secuestro dentro del terminal. 3) La fusión de las vesículas a la membrana produce un rompimiento de éstas y, por exocitosis, el transmisor contenido en las vesículas es vaciado (liberado) al espacio sináptico. La cantidad liberada de NT depende directamente de la cantidad de calcio que ingresa al terminal. Figura 13. Transmisión del impulso sináptico.

La interacción NT-receptor provoca su efecto de dos maneras diferentes:

4) El transmisor liberado difunde a través del espacio sináptico y la mayor parte de él se unirá a los receptores ubicados en la membrana postsináptica

a) Apertura del canal iónico. b) Activación vía segundo mensajero.

formándose el complejo NT-Receptor. El proceso termina con la recaptura o inactivación del NT. El efecto generado en la membrana postsináptica no depende del neurotransmisor. Este efecto puede ser excitatorio (PPSE), cuando produce una despolarización en la membrana plasmática del efector o neurona postsináptica o, inhibitorio (PPSI), cuando la membrana se hiperpolariza (Figura 14).

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Figura 14. Modelos de acci贸n de neurotransmisores.

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Tabla 1. Tipos de Neurotransmisores y Receptores. Neurotransmisor

Receptor Nicotínico

Conductancia de la membrana (g) incrementa gNa,gK

Potencial de membrana PPSE

Acetilcolina (Ach)

Norepinefrina (noradrenalina )

Dopamina Serotonina (5-hidroxitriptamina, 5HT) Histamina

GABA (ácido γaminobutírico) Óxido nítrico (NO)

Muscarínico M1 Muscarínico M2

disminuye gK incrementa gK

PPSE PPSI

Adrenérgicos α1 Adrenérgicos α2

incrementa gK disminuye gCa

PPSI (SNC) Contracción (SNP)

Ubicación del receptor Músculos esqueléticos, neuronas autonómicas, SNC Músculo liso y cardíaco, glándulas endocrinas y exocrinas, SNC. Músculo liso y cardíaco, glándulas endocrinas y exocrinas, SNC.

Agonista/ Antagonista Nicotina-agonista Curare-antagonista Muscarina-agonista Atropina-antagonista

α-prazosin-antagonista

Adrenérgicos β1

-

Aceleración cardiaca

Adrenérgicos β2 Dopaminérgico D1 Dopaminérgico D2 Serotoninérgico 5-HT1 Serotoninérgico 5-HT2 Histaminérgico (H)

-

Dilatación (SNP) PPSE PPSI

SNC

Drogas antisicóticasantagonistas Bromocriptina-agonista

incrementa gK

PPSI

SNC

disminuye gK

PPSE

Sumatriptan-agonista LSD-antagonista

SNC

GABA-A GABA-B

incrementa gCl incrementa gK

Ranitidina y cimetidinaantagonistas Benzodiazepinaagonista

PPSI PPSI

ninguno

SNC No aplicable

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β-propanololantagonista


Estructura y Función del tejido Nervioso