Las sinapsis químicas son conexiones de las neuronas en las cuales las señales se trasmiten por medio de moléculas denominadas neurotransmisores. Las señales pueden trasladarse a otras neuronas o a células como la fibra muscular o la glándula. Estas sinapsis químicas permiten que las neuronas puedan formar circuitos en el sistema nervioso. Son cruciales para los cálculos biológicos que subyacen en la percepción y el pensamiento. Permiten que el sistema nervioso pueda conectarse y controlar otros sistemas del cuerpo. En una sinapsis química, una neurona libera neurotransmisores en un pequeño espacio la hendidura sináptica (espacio sináptico) que está adyacente a otra neurona. Las moléculas neurotransmisoras son mantenidas en pequeños sacos llamados vesículas, y son liberadas en la hendidura sináptica por exocitosis. Luego estas moléculas se unen a los receptores en la célula postsináptica del lado de la hendidura sináptica. Por último, los neurotransmisores deben borrarse de la sinapsis a través de uno o de varios posibles mecanismos, incluyendo la degradación enzimática o re-absorción por transportadores específicos en la célula presináptica o posiblemente por neuroglia para terminar la acción del transmisor. Se calcula que el encéfalo humano adulto contiene de 100-500 billones ( a ) de sinapsis. Cada milímetro cúbico de corteza cerebral contiene aproximadamente mil millones ( es decir, ) de sinapsis. El término proviene de "synaptein", del griego: syn- (juntos) y haptein (abrazar) que C.S. Sherrington y sus colegas le acuñaron.
Estructura
Las sinapsis son conexiones funcionales tanto entre neuronas como entre neuronas y otros tipos de células. Una neurona típica da lugar a varios miles de sinapsis, aunque hay algunos tipos que hacen mucho menos.
La sinapsis química pasa la información direccional de una neurona presináptica a una célula postsináptica. Las sinapsis son por lo tanto asimétricas en su estructura y función.
La mayoría de las sinapsis conectan los axones a las dendritas (sinapsis axo-dendríticas), pero también hay otros tipos de conexiones, incluyendo axón al cuerpo celular (sinapsis axo-somáticas), y axón-axón (sinapsis axo-axónicas). Axons terminating on the postsynaptic cell body are axosomatic synapses. Axons that terminate on axons are axoaxonic synapses Axons connecting dendrite to dendrite are dendrodendritic synapses. Axons which connect axon to dendrite are called axodendritic synapses
Ultraestructura
Las sinapsis son demasiado pequeñas para ser observadas mediante un microscopio de luz, excepto como puntos donde las membranas de dos células parecen tocarse, pero sus elementos celulares se pueden visualizar claramente utilizando un microscopio electrónico.
Para su estudio estructural la sinapsis química se divide esquemáticamente en tres sectores:
Pre-sináptico
El terminal presináptico, es un área especializada en el axón de la neurona que, en la sinapsis química, contiene vesículas sinápticas (VS). Las VS están dispuestas en las regiones especializadas denominadas zonas activas, en cercanía inmediata de la membrana plasmática presináptica. CC BY
Estas vesículas VS se encuentran rodeadas por membranas de doble capa lipídica y contienen en su interior moléculas de señalización denominadas neurotransmisores. La liberación de neurotransmisores se produce en paquetes unitarios, denominados «cuantos». En esencia se puede decir que: las sinapsis alinean los cuantos liberados por la neurona presináptica, con la ubicación de los receptores de la densidad de la neurona postsináptica.
El botón presináptico también contiene otras estructuras y orgánulos de apoyo, como mitocondrias y retículo endoplasmático.
Espacio sináptico Para el microscopio electrónico la «hendidura» sináptica es un espacio estrecho, entre la membrana plasmática de la neurona presináptica y la membrana plasmática de la célula postsináptica, que en la sinapsis química mide aproximadamente 20-30nm de espesor. El pequeño volumen de este espacio permite que la concentración de neurotransmisores se eleve rápidamente y luego descienda.
Pos-sináptico Se encuentra en la célula postsináptica en inmediata contigüidad con el espacio sináptico. Contiene un elaborado complejo de proteínas interrelacionadas llamadas Densidad postsináptica (PSD por sus siglas en inglés).
Las proteínas en la PSD están involucradas en el tráfico y anclaje de receptores de neurotransmisores y la modulación de la actividad de estos receptores. Los receptores y las PSD especializados se encuentran a menudo en las protuberancias del principal eje dendrítico llamado las espinas dendríticas.
Las sinapsis entre dos neuronas de la región postsináptica, puede encontrarse en las dendritas o en el cuerpo celular.
Cuando se examina en un microscopio electrónico, las sinapsis asimétricas se caracterizan por vesículas redondeadas en la neurona presináptica, y una densidad postsináptica prominente.
La sinapsis asimétrica es típicamente excitatoria. La sinapsis simétricas en contraste, son vesículas aplanadas o alargadas, y no contienen una densidad postsináptica prominente. Las sinapsis simétricas son típicamente inhibitorias.
Señalización en la química sináptica
Descripción general Aquí está un resumen de la secuencia de acontecimientos que tienen lugar en la transmisión sináptica de una neurona presináptica a una célula postsináptica. Cada paso se explica con más detalle a continuación. Es bueno tener en cuenta que, con la excepción del paso final, todo el proceso se puede ejecutar sólo unos pocos cientos de microsegundos, en la más rápida de las sinapsis.
El proceso comienza con una ola de excitación electroquímica que recibe el nombre de potencial de acción, que viaja a lo largo de la membrana de la neurona (axolema), hasta el botón presináptico, de la sinapsis. La despolarización eléctrica de la membrana en la sinapsis causa la apertura de los canales permeables a los iones de calcio (Ca2+). Flujo de iones de calcio a través de la membrana presináptica, aumentando rápidamente la concentración de calcio en el interior. La alta concentración de calcio activa un conjunto de proteínas sensibles al calcio unidas a vesículas sinápticas (VS) que contienen un tipo de molécula llamada neurotransmisor (NT). Estas proteínas cambian de forma, haciendo que las membranas de algunas vesículas "acopladas" se fusionen con la membrana de la neurona pre-sináptica, abriendo las vesículas y volcando su contenido de neurotransmisores en la hendidura (#Espacio sináptico), el estrecho espacio entre las membranas de las neurona #Pre-sináptico y la célula pos-sináptica. El neurotransmisor (NT) difunde dentro del espacio sináptico. Algunas moléculas del NT se unen a receptores intracelulares situados en la membrana de la célula pos-sináptica. La unión de un neurotransmisor hace que el receptor se active y son posibles varios tipos de activación. Este es el paso clave por el cual el proceso sináptico afecta el comportamiento de la célula postsináptica. Debido a la vibración térmica, moléculas neurotransmisoras finalmente se liberan de los receptores y se alejan. El neurotransmisor es ya sea reabsorbido por la célula presináptica, y luego empaquetado de nuevo para futuras versiones, o de lo contrario se descompone metabólicamente.
Liberación de neurotransmisores La liberación de un neurotransmisor es provocada por la llegada de un impulso nervioso (el potencial de acción) y se produce a través de un proceso de exocitosis celular inusualmente rápida. Dentro de la terminal nerviosa (el botón sináptico), las vesículas que contienen neurotransmisores se localizan cerca de la membrana presináptica.
El complejo de proteínas (o estructura) que media el acoplamiento y fusión de vesículas presinápticas en una pequeña porción que se llama la zona activa. Este complejo acopla y prepara las vesículas sinápticas, recluta canales de Ca2+ al sitio de exocitosis y posiciona la zona activa exactamente en el sentido opuesto a las especializaciones postsinápticas mediante moléculas de adhesión celular trans-sináptica. OA
Esta región dinámica surge del ensamblaje orquestado de una variedad de proteínas, formando una estructura electrodensa unida a la membrana plasmática que regula la exocitosis de vesículas sinápticas. Cinco proteínas de andamiaje son componentes centrales en el ensamblaje de la zona activa: liprina-α, RIM, RIM-BP (RBP), ELKS y Munc13. CC BY
El potencial de acción llega, produce una afluencia de iones de calcio (Ca2+) a través de canales de iones de calcio selectivos dependientes de voltaje, en la carrera descendente del potencial de acción (corriente de cola).
Los iones de calcio a continuación, se unen a las proteínas sinaptotagmina que se encuentran en la membrana de las vesículas sinápticas, permitiendo que las vesículas se fusionen con la membrana presináptica. La fusión de una vesícula es un proceso estocástico.Craig C. Garner and Kang Shen. Structure and Function of Vertebrate and Invertebrate Active Zones. Structure and Functional Organization of the Synapse. Ed: Johannes Hell and Michael Ehlers. Springer, 2008. La membrana añadida por el proceso de fusión es posteriormente recuperada por endocitosis y se recicla para la formación de vesículas VS frescas llenas de neurotransmisores.
Unión a los receptores Los receptores presentes en el lado opuesto del espacio sináptico, enlazan a moléculas neurotransmisoras. Los receptores pueden responder de dos formas generales.
Primera forma, los receptores pueden abrir directamente ligando canales iónicos en la membrana postsináptica, causando que los iones entren o salgan de la célula y cambiando el potencial transmembranal local. El cambio resultante en el voltaje se denomina potencial postsináptico. En general, el resultado es excitatorio en el caso de corrientes despolarizantes, e inhibidora en el caso de corrientes de hiperpolarización. El que una sinapsis sea excitatoria o inhibidora depende de qué tipos de canal de iones va a conducir la corrientes postsináptica, que a su vez es una función del tipo de receptores y neurotransmisores empleados en la sinapsis.
La segunda forma en que un receptor puede afectar el potencial de membrana, es mediante la modulación de la producción de mensajeros químicos dentro de la neurona postsináptica. Estos segundos mensajeros pueden amplificar la respuesta inhibitoria o excitatoria a los neurotransmisores.
Terminación Después de que una molécula neurotransmisora se une a una molécula receptora, debe ser retirada para permitir que la membrana postsináptica continúe retransmitiendo los EPSP y / o IPSPs posteriores. Esta eliminación puede ocurrir a través de uno o más procesos:
El neurotransmisor puede difundirse de distancia debido a las oscilaciones inducidas térmicamente de ambos y el receptor, haciéndolo disponible para ser desglosado metabólicamente fuera de la neurona o ser reabsorbido.Sherwood L., (2007). Human Physiology 6e: From Cells to Systems Las enzimas dentro de la membrana subsináptica pueden inactivar / metabolizar el neurotransmisor. Las bombas de la recaptación pueden bombear activamente el neurotransmisor de nuevo en el axón terminal presináptica para su reprocesamiento y relanzamiento después de un potencial de acción más tarde.
Fuerza sináptica