Neurociencia molecular

Neurociencia molecular es una rama de la neurociencia que observa conceptos en biología molecular aplicadas a los sistemas nerviosos de los animales. El alcance de este sujeto cubre temas como la neuroanatomía molecular, los mecanismos de la señalización molecular en el sistema nervioso, los efectos de la genética y la epigenética en el desarrollo neuronal, y la base molecular para la neuroplasticidad y las enfermedades neurodegenerativas. Al igual que con la biología molecular, la neurociencia molecular es un campo relativamente nuevo que es considerablemente dinámico.

Locación de neurotransmisores

En la biología molecular, la comunicación entre las neuronas se produce típicamente mediante la transmisión química entre los espacios entre las células llamadas sinapsis. Los productos químicos transmitidos, conocidos como neurotransmisores, regulan una fracción significativa de las funciones del cuerpo vital. Es posible localizar anatómicamente los neurotransmisores mediante técnicas de etiquetado. Es posible identificar químicamente ciertos neurotransmisores como las catecolaminas al fijar las secciones de tejido neural con formaldehído. Esto puede dar lugar a la fluorescencia inducida por formaldehído cuando se expone a la luz ultravioleta. La dopamina, una catecolamina, se identificó en el nematodo c. Elegans usando esta técnica. La inmunocitoquímica, que implica aumentar los anticuerpos contra entidades químicas o biológicas específicas, incluye algunas otras técnicas de interés. Un neurotransmisor dirigido podría ser etiquetado específicamente por anticuerpos primarios y secundarios con etiquetado radiactivo para identificar el neurotransmisor por autorradiografía. La presencia de neurotransmisores (aunque no necesariamente la ubicación) se puede observar en inmunocitoquímica ligada a enzimas o ensayos inmunosorbentes ligados a enzimas (ELISA) en los que la unión de sustratos en los ensayos enzimáticos puede inducir precipitados, fluoróforos o quimiiluminescencia. En el caso de que los neurotransmisores no se puedan identificar histoquímicamente, un método alternativo es ubicarlos mediante sus mecanismos de absorción neuronal.

canales iónicos activados por voltaje

Las células excitables de los organismos vivos tienen canales iónicos dependientes de voltaje. Estos se pueden observar en todo el sistema nervioso en las neuronas. Los primeros canales iónicos caracterizados fueron los canales iónicos de sodio y potasio por A.L. Hodgkin y A.F. 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 condiciones fisiológicas, y los efectos eléctricos que resultan de estas permeabilidades para producir potenciales de acción.

Canales de iones de sodio

Los canales de sodio fueron los primeros canales iónicos dependientes de voltaje que fueron aislados en 1984 de la anguila Electrophorus electricus por Shosaku Numa. Se utilizó la toxina del pez globo tetrodotoxina (TTX), un bloqueador de los canales de sodio, 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 identificar los mismos canales en otros animales. 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 una entrada de iones Na⁺ hacia una neurona, lo que resulta en una despolarización del potencial de membrana en reposo de una neurona para conducir a un potencial graduado o potencial de acción, dependiendo del grado de despolarización.

Canales de iones de potasio

Los canales de potasio se presentan en diversas formas, están presentes en la mayoría de las células eucariotas y normalmente tienden a estabilizar la membrana celular en el potencial de equilibrio del potasio. Al igual que ocurre 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 Na⁺ en una neurona induce la despolarización celular, la salida de iones K⁺ fuera de una neurona hace que una célula se repolarice al potencial de membrana en reposo. La activación de los canales iónicos de potasio depende de la despolarización resultante del influjo de Na⁺ durante un potencial de acción. Al igual que 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 Drosophila melanogaster que se agitaban incontrolablemente durante la anestesia debido a problemas en la repolarización celular que conducían a una electrofisiología neuronal y muscular anormal. Los canales de potasio se identificaron por primera vez mediante la manipulación de la genética molecular (de las moscas) en lugar de realizar una purificación de proteínas del canal porque no se conocían ligandos de alta afinidad para los canales de potasio (como el TEA) en el momento del descubrimiento.

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 las terminales de los axones. En las células excitables se encuentran diversos tipos de canales iónicos de calcio. Al igual que ocurre con los canales iónicos de sodio, los canales iónicos 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 puedan interactuar con las proteínas intracelulares y desempeñen un papel importante en la señalización, especialmente en lugares como el retículo sarcoplásmico de las células musculares.

Receptores

Se pueden utilizar 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: los receptores ionotrópicos se asocian con una transmisión rápida de señales y los receptores metabotrópicos se asocian con una transmisión lenta de señales. Los receptores metabotrópicos cubren una amplia variedad de receptores de la superficie celular con cascadas de señalización notablemente diferentes.

Receptores ionotrópicos

Los receptores ionotrópicos, también conocidos como canales iónicos activados por ligando, son receptores de acción rápida que median la función neural y fisiológica mediante el flujo de canales iónicos con unión a ligando. Los receptores nicotínicos, GABA y glutamato se encuentran entre algunos de los receptores de la superficie celular regulados por el flujo de canales iónicos activados por ligando. GABA es el principal neurotransmisor inhibidor del cerebro y el glutamato es el principal neurotransmisor excitador del cerebro.

Receptores GABA

Se sabe que los receptores

GABA_A y GABA_C son ionotrópicos, mientras que el receptor GABA_B es metabotrópico. Los receptores GABA_A median respuestas inhibidoras rápidas en el sistema nervioso central (SNC) y se encuentran en las neuronas, las células gliales y las células de la médula suprarrenal. Es responsable de inducir la entrada de iones Cl⁻ en las células, reduciendo así la probabilidad de que se produzca una 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. El aumento de los efectos inhibidores fisiológicos resultantes del aumento de la unión de GABA hace que el diazepam sea un tranquilizante o anticonvulsivo útil (fármacos antiepilépticos). Por otro lado, los receptores GABA también pueden ser atacados disminuyendo el influjo celular de Cl⁻ con el efecto de convulsivos como la picrotoxina. El mecanismo de acción antagonista de este compuesto no es directamente sobre el receptor GABA, pero existen 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 su actividad sea más duradera y es probable que sus respuestas sean generadas por menores Concentraciones de GABA.

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 en 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 verse influenciados por coagonistas como el neurotransmisor glicina o la fenciclidina (PCP). Los receptores NMDA transportan una corriente mediante iones Ca²⁺ y pueden ser bloqueados por iones Mg²⁺ extracelulares dependiendo del voltaje y el potencial de membrana. Esta afluencia de Ca²⁺ se incrementa mediante potenciales postsinápticos excitadores (EPSP) producidos por los receptores NMDA, que activan cascadas de señalización basadas en Ca²⁺ (como la liberación de neurotransmisores). AMPA genera corrientes postsinápticas excitadoras más cortas y más grandes que otros receptores ionotrópicos de glutamato.

Receptores nicotínicos de ACh

Los receptores nicotínicos se unen al neurotransmisor acetilcolina (ACh) para producir un flujo de canales catiónicos no selectivos que genera respuestas postsinápticas excitadoras. La actividad de los receptores, que puede verse influenciada por el consumo de nicotina, produce sensaciones de euforia, relajación e inevitablemente adicción en niveles elevados.

Receptores metabotrópicos

Los receptores metabotrópicos, son receptores de respuesta lenta en las células postsinápticas. Normalmente, estas respuestas lentas se caracterizan por cambios bioquímicos intracelulares más elaborados. Las respuestas de la captación de neurotransmisores por parte de los receptores metabotrópicos pueden dar lugar a la activación de enzimas intracelulares y cascadas que involucran a segundos mensajeros, como es el caso de los receptores unidos a proteína G. Varios receptores metabotrópicos pueden incluir ciertos receptores de glutamato, receptores muscarínicos de ACh, receptores GABA_B y receptores tirosina quinasas.

Receptores ligados a proteína G

La cascada de señalización ligada a la proteína G puede amplificar significativamente la señal de un neurotransmisor en particular para producir de cientos a 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:

1. Neurotransmisor se une al receptor
2. El receptor experimenta un cambio conformacional para permitir la unión compleja de G-proteína
3. El PIB se intercambia con GTP sobre el complejo de proteína G que se une al receptor
4. La subunidad α del complejo de proteínas G está ligada a GTP y se separa para unirse con una proteína diana como el ciclosa adenilato
5. La unión a la proteína diana aumenta o disminuye la tasa de segundo mensajero (como la producción cíclica AMP)
6. GTPase hidroliza la subunidad α para que esté ligada al PIB y el subunidad α regresa al complejo de proteína G inactivo

liberación de neurotransmisor

Los neurotransmisores se liberan en paquetes discretos conocidos como cuantos desde el terminal del axón de una neurona hasta las dendritas de otra a través de una sinapsis. Estos cuantos han sido identificados mediante microscopía electrónica como vesículas sinápticas. Dos tipos de vesículas son las pequeñas vesículas sinápticas (SSV), que tienen entre 40 y 60 nm de diámetro, y las grandes vesículas de núcleo denso (LDCV), vesículas densas en electrones de aproximadamente 120 a 200 nm de diámetro. El primero 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. Los neurotransmisores se liberan desde la terminal del axón y se unen a las dendritas postsinápticas en la siguiente procesión:

1. Movilización/recuperación de vesícula sináptica de cytoskeleton
2. Docking of vesicle (binding) to presynaptic membrana
3. Priming of vesicle by ATP (relatively slow step)
4. Fusión de vesícula con membrana presinaptica y exocitosis del neurotransmisor alojado
5. Toma de neurotransmisores en receptores de una célula postináptica
6. Iniciación o inhibición del potencial de acción en la célula postináptica dependiendo de si los neurotransmisores son excitatorios o inhibidores (excitatorio resultará en despolarización de la membrana postináptica)

La liberación de neurotransmisores depende del calcio

La liberación de neurotransmisores depende de un suministro externo de iones Ca²⁺ que ingresan a los terminales de los axones a través de canales de calcio dependientes de voltaje. La fusión vesicular con la membrana terminal y la liberación del neurotransmisor es causada por la generación de gradientes de Ca²⁺ inducidos por potenciales de acción entrantes. Los iones Ca²⁺ provocan la movilización de vesículas recién sintetizadas a partir de un conjunto de reserva para sufrir esta fusión de membranas. Este mecanismo de acción fue descubierto en los axones gigantes de los calamares. La reducción de los iones de Ca²⁺ intracelular proporciona un efecto inhibidor directo sobre la liberación de neurotransmisores. Una vez que se produce 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 incidencia. Por ejemplo, los canales en la terminal de un axón difieren de los canales de calcio típicos de un cuerpo celular (ya sean neurales o no). Incluso en las terminales de los axones, los tipos de canales de iones de calcio pueden variar, como es el caso de los canales de calcio de tipo P ubicados en la unión neuromuscular.

Expresión de genes neuronales

Diferencias de sexo

Las diferencias en la determinación del sexo están controladas por los cromosomas sexuales. La liberación de hormonas sexuales tiene un efecto significativo sobre los dimorfismos sexuales (diferenciación fenotípica de las características sexuales) del cerebro. Estudios recientes parecen sugerir que regular estos dimorfismos tiene implicaciones para comprender la función cerebral normal y anormal. Los dimorfismos sexuales pueden verse significativamente influenciados por la expresión de genes cerebrales basados 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 la hormona -gónadas productoras de un animal. En los roedores, los estudios sobre la manipulación genética de los cromosomas sexuales dieron como resultado un efecto en un sexo completamente opuesto al efecto en el otro sexo. Por ejemplo, la desactivación de un gen concreto sólo provocaba efectos similares a los de la ansiedad en los hombres. Con estudios sobre D. menlanogaster se descubrió que se producía un gran sesgo de expresión sexual en el cerebro incluso después de que se eliminaran las gónadas, lo que sugiere que el sesgo sexual podría ser independiente del control hormonal en ciertos aspectos.

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 Las enfermedades con sesgos sexuales en desarrollo incluyen la enfermedad de Huntington, la isquemia cerebral y la enfermedad de Alzheimer.

Epigenética del cerebro

Muchas funciones cerebrales pueden verse influenciadas a nivel celular y molecular por variaciones y cambios en la expresión genética, sin alterar la secuencia del ADN en un organismo. Esto también se conoce como regulación epigenética. 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. Se ha demostrado que el control epigenético está implicado en altos niveles de plasticidad en el desarrollo temprano, definiendo así su importancia en el período crítico de un organismo. Ejemplos de cómo los cambios epigenéticos pueden afectar el cerebro humano son los siguientes:

• Los niveles más altos de metilación en los genes rRNA en el hipocampo del cerebro resultan en una menor producción de proteínas y por lo tanto la función hipocampal limitada puede resultar en el aprendizaje y el deterioro de la memoria y tendencias suicidas resultantes.
• En un estudio que compara las diferencias genéticas entre personas sanas y pacientes psiquiátricos se encontraron 60 marcadores epigenéticos diferentes asociados con la señalización de células cerebrales.
• Factores ambientales como el abuso infantil parecen causar la expresión de una etiqueta epigenética en los receptores de glucocorticoides (asociados con respuestas al estrés) que no se encontró en víctimas suicidas. Este es un ejemplo de la plasticidad dependiente de la experiencia.
• El enriquecimiento ambiental en los individuos se asocia con la acetilación creciente del gen hipocampal y así mejoró la consolidación de la memoria (en particular la memoria espacial).

Mecanismos moleculares de las enfermedades neurodegenerativas

Excitotoxicidad y receptores de glutamato

La excitotoxicidad es un fenómeno en el que los receptores de glutamato se activan de forma inadecuada. Puede ser causado por una transmisión sináptica excitadora prolongada en la que los niveles altos del neurotransmisor glutamato provocan una activación excesiva en una neurona postsináptica que puede provocar la muerte de la neurona postsináptica. Después de una lesión cerebral (como por isquemia), se ha descubierto que la excitotoxicidad es una causa importante de daño neuronal. Esto puede ser comprensible en el caso en que la perfusión repentina de sangre después de un flujo sanguíneo reducido al cerebro pueda resultar en una actividad sináptica excesiva causada por la presencia de un aumento de glutamato y aspartato durante el período de isquemia.

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 una pérdida progresiva de la memoria y de diversas funciones cognitivas. Se plantea la hipótesis de que el depósito de péptido β-amiloide (40-42 residuos de aminoácidos) en el cerebro es fundamental en 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 de β-amiloide sea una proteína priónica.

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 con movimiento hipocinético causada por la pérdida de neuronas dopaminérgicas en la sustancia negra del cerebro humano. Por lo tanto, el flujo inhibidor de los ganglios basales no disminuye y, 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 desde las neuronas espinosas medias a las células reticuladas provoca una inhibición de las neuronas motoras superiores similar a la inhibición que se produce en la enfermedad de Parkinson.

Enfermedad de Huntington

La enfermedad de Huntington es una enfermedad de los ganglios basales con movimiento hipercinético causada por la falta de aferencias inhibidoras normales de las neuronas espinosas medias de los ganglios basales. Esto plantea efectos opuestos a 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 de 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. .