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¿Qué causa la apertura de los canales de sodio?

¿Qué causa la apertura de los canales de sodio?



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¿Qué desencadena la apertura de los canales de sodio en una membrana neuronal? ¿Es la acetilcolina la que activa los canales de sodio en la membrana postsináptica?

¿Son los canales de sodio como receptores que tienen que unirse a algo (como una proteína o un ion) para abrirse? Si es así, ¿cuál es la sustancia que obliga a Na+ canales para abrir?


Los canales de sodio están activados principalmente por voltaje: estos son los canales responsables de los potenciales de acción.

Muchos otros receptores están activados por ligando, y estos son típicamente la señal que causa el cambio de voltaje inicial que abre los canales de sodio activados por voltaje; sin embargo, estos canales son canales de cationes menos selectivos y son permeables a iones como el potasio y el sodio. Aún así, su permeabilidad al sodio es bastante importante y, por lo tanto, a veces también se los puede considerar como canales de sodio.

Estos incluyen canales activados por neurotransmisores como los receptores nicotínicos de acetilcolina y receptores AMPA (glutamato), y canales potenciales de receptores transitorios como el receptor TRPV1 que es sensible al calor doloroso y la capsaicina química que hace que los chiles estén "picantes".


Neurociencia para niños

Esta página describe cómo funcionan las neuronas. Espero que esta explicación no se vuelva demasiado complicada, pero es importante entender cómo las neuronas hacen lo que hacen. Hay muchos detalles, pero ve despacio y mira las cifras.

Gran parte de lo que sabemos sobre el funcionamiento de las neuronas proviene de experimentos con el axón gigante del calamar. Este axón gigante se extiende desde la cabeza hasta la cola del calamar y se utiliza para mover la cola del calamar. ¿Qué tan gigante es este axón? Puede tener hasta 1 mm de diámetro, fácil de ver a simple vista.

Las neuronas envían mensajes electroquímicamente. Esto significa que los productos químicos provocan una señal eléctrica. Las sustancias químicas del cuerpo están "cargadas eléctricamente"; cuando tienen una carga eléctrica, se denominan iones. Los iones importantes en el sistema nervioso son sodio y potasio (ambos tienen 1 carga positiva, +), calcio (tiene 2 cargas positivas, ++) y cloruro (tiene una carga negativa, -). También hay algunas moléculas de proteínas cargadas negativamente. También es importante recordar que las células nerviosas están rodeadas por una membrana que permite el paso de algunos iones y bloquea el paso de otros iones. Este tipo de membrana se llama semipermeable.

Potencial de membrana en reposo

Cuando una neurona no envía una señal, está "en reposo". Cuando una neurona está en reposo, el interior de la neurona es negativo en relación con el exterior. Aunque las concentraciones de los diferentes iones intentan equilibrarse en ambos lados de la membrana, no pueden porque la membrana celular permite que solo algunos iones pasen a través de los canales (canales iónicos). En reposo, los iones de potasio (K +) pueden atravesar la membrana fácilmente. También en reposo, los iones cloruro (Cl -) y los iones sodio (Na +) tienen más dificultades para cruzar. Las moléculas de proteína cargadas negativamente (A -) dentro de la neurona no pueden atravesar la membrana. Además de estos canales iónicos selectivos, hay una bomba que utiliza energía para sacar tres iones de sodio de la neurona por cada dos iones de potasio que ingresa. Finalmente, cuando todas estas fuerzas se equilibran y se mide la diferencia en el voltaje entre el interior y el exterior de la neurona, se obtiene la potencial de reposo. El potencial de membrana en reposo de una neurona es de aproximadamente -70 mV (mV = milivoltios); esto significa que el interior de la neurona es 70 mV menos que el exterior. En reposo, hay relativamente más iones de sodio fuera de la neurona y más iones de potasio dentro de esa neurona.

Potencial de acción

El potencial de reposo habla de lo que sucede cuando una neurona está en reposo. Un potencial de acción ocurre cuando una neurona envía información por un axón, lejos del cuerpo celular. Los neurocientíficos usan otras palabras, como un "pico" o un "impulso" para el potencial de acción. El potencial de acción es una explosión de actividad eléctrica creada por un corriente despolarizante. Esto significa que algún evento (un estímulo) hace que el potencial de reposo se mueva hacia 0 mV. Cuando la despolarización alcanza aproximadamente -55 mV, una neurona disparará un potencial de acción. Este es el umbral. Si la neurona no alcanza este nivel de umbral crítico, entonces no se disparará ningún potencial de acción. Además, cuando se alcanza el nivel de umbral, siempre se disparará un potencial de acción de tamaño fijo. para cualquier neurona dada, el tamaño del potencial de acción es siempre el mismo. No hay potenciales de acción grandes o pequeños en una célula nerviosa; todos los potenciales de acción tienen el mismo tamaño. Por lo tanto, la neurona no alcanza el umbral o se dispara un potencial de acción completo; este es el principio de "TODO O NINGUNO".

Los potenciales de acción se producen cuando diferentes iones atraviesan la membrana neuronal. Un estímulo primero hace que se abran los canales de sodio. Debido a que hay muchos más iones de sodio en el exterior y el interior de la neurona es negativo en relación con el exterior, los iones de sodio se precipitan hacia la neurona. Recuerde, el sodio tiene una carga positiva, por lo que la neurona se vuelve más positiva y se despolariza. Los canales de potasio tardan más en abrirse. Cuando se abren, el potasio sale rápidamente de la célula, revirtiendo la despolarización. También aproximadamente en este momento, los canales de sodio comienzan a cerrarse. Esto hace que el potencial de acción vuelva a -70 mV (una repolarización). El potencial de acción en realidad supera los -70 mV (una hiperpolarización) porque los canales de potasio permanecen abiertos demasiado tiempo. Gradualmente, las concentraciones de iones vuelven a los niveles de reposo y la célula vuelve a -70 mV.


Comprender cómo se abren y cierran los canales de calcio

Murali Prakriya, PhD, profesor asociado de farmacología, y su equipo revelaron cómo se abre y se cierra un canal de calcio y cómo las mutaciones en este canal causan enfermedades.

Los científicos de Northwestern Medicine han identificado el proceso que permite que los canales de calcio se abran y permitan la entrada de iones de calcio en las células, arrojando luz sobre cómo funciona el canal y cómo las mutaciones en la proteína del canal causan enfermedades.

En el estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza, los científicos identificaron el mecanismo que mantiene cerrado este canal de iones de calcio en particular, llamado canal de Ca 2+ activado por liberación de Ca 2+ (CRAC), así como los movimientos en el poro del canal que gobiernan la apertura de la puerta del canal. "

Se cree que los canales de calcio CRAC existen en la mayoría, si no en todas, las células humanas, y juegan un papel importante en la activación del sistema inmunológico, el desarrollo y la función muscular y la comunicación neuronal. Cuando el poro del canal se abre, permite que los iones de calcio fluyan hacia la célula, aumentando la concentración de calcio en la célula y funciones de señalización como la transcripción de genes, la proliferación y la migración celular. Un número creciente de enfermedades están asociadas con la función anormal del canal CRAC, incluida la inmunodeficiencia, la distrofia muscular y enfermedades neurológicas como la enfermedad de Alzheimer.

"Aunque la importancia de los canales CRAC para la salud humana ahora es bien reconocida, no se comprende bien cómo operan a nivel molecular", dijo el autor principal Murali Prakriya, PhD, profesor asociado de Farmacología.

Megumi Yamashita, PhD, DDS, profesora asistente de investigación de farmacología, realizó experimentos de electrofisiología y microscopía para aprender cómo la puerta del canal de calcio utiliza un mecanismo de compuerta hidrofóbico.

Megumi Yamashita, PhD, DDS, profesora asistente de investigación de Farmacología, fue la autora principal del estudio y Priscilla Yeung, estudiante graduada del Programa de Formación de Científicos Médicos, también contribuyó al artículo.

"El trabajo de Megumi y Priscilla reforma nuestra comprensión de cómo los poros de estos canales se abren en respuesta al estímulo, y específicamente, ilumina los movimientos moleculares que gobiernan la apertura del poro", dijo Prakriya.

Utilizando técnicas de electrofisiología y microscopía, los científicos observaron que la puerta del canal CRAC utiliza una barrera de energía hidrófoba que evita que los iones de calcio cargados pasen a través del poro en los canales en reposo.

“En los canales iónicos, el poro generalmente es amigable con el agua, por lo que una forma de cerrar el poro es tener una región aceitosa o hidrófoba que evite que los iones unidos al agua pasen, similar a la forma en que se colocan el aceite y el agua. 't mezclar. Para abrir el poro, la región hidrófoba se aparta ”, dijo Prakriya.

Además de identificar la estructura molecular que actúa como la "puerta" del canal, los investigadores también descubrieron que el dominio que flanquea los poros del canal gira durante la apertura del canal. Esto permite que la "compuerta" hidrófoba se mueva hacia un lado, lo que permite que el poro se vuelva permeable al agua y los iones.

Utilizando una supercomputadora, los colaboradores de la Universidad de Toronto realizaron simulaciones de dinámica molecular para mostrar que este desplazamiento de la puerta hidrófoba alivia una barrera de energía, lo que aumenta la ocupación de agua e iones en el poro cuando se abre el canal.

El equipo también estudió una mutación humana en el canal de calcio, que hace que permanezca abierto, provocando sangrado incontrolado, debilidad muscular y defectos cognitivos.

Esta ilustración visualiza la vía de señalización del canal CRAC, que juega un papel importante en la activación del sistema inmunológico, el desarrollo y la función muscular y la comunicación neuronal.

Los investigadores utilizaron el conocimiento obtenido de los estudios experimentales y de simulación para demostrar que la mutación humana altera la estabilidad molecular de la puerta hidrófoba, lo que hace que el poro se llene de agua y permita que los iones viajen a través del canal.

"Al comprender cómo se abre y se cierra el canal, podemos explicar por qué las mutaciones humanas causan una activación anormal del canal", dijo Prakriya. “A largo plazo, nuestra esperanza es utilizar fármacos de moléculas pequeñas que interactúen con la puerta hidrofóbica del canal para manipular su actividad. Esto podría corregir defectos en la señalización celular y ayudar en la búsqueda del desarrollo de nuevas terapias para enfermedades inmunológicas, musculares y neurológicas en las que están involucrados los canales CRAC ”.

A continuación, Prakriya y su equipo planean estudiar los reordenamientos moleculares y las señales que conducen a la apertura de la puerta del canal.

La investigación fue financiada por las subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud NS057499, GM114210, 5T32GM008382 y la subvención MOP-130461 de los Institutos Canadienses de Investigación en Salud.


2. Contracción del músculo esquelético

Los músculos esqueléticos comprenden múltiples fibras musculares individuales que son estimuladas por neuronas motoras que provienen de la médula espinal. Se agrupan para formar & # x0201cmunidades motoras & # x0201d y puede haber más de un tipo de fibra muscular dentro de cada unidad motora. Las fibras musculares se pueden dividir en músculos de contracción rápida y lenta. Los músculos de contracción rápida utilizan el metabolismo glucolítico y son reclutados para la actividad fásica (una contracción activa). Los músculos de contracción lenta (también conocidos como músculos rojos) son ricos en mioglobina, mitocondrias y enzimas oxidativas y están especializados para una actividad sostenida o tónica. Consulte Schiaffino y Reggiani (2011) para una discusión más completa de los tipos de músculos esqueléticos y los tipos de isoformas de miosina que forman los músculos de contracción rápida y lenta.

La unión neuromuscular (NMJ) que conecta el músculo esquelético con los nervios que lo inervan consta de tres partes distintas: la terminación del nervio motor distal, la hendidura sináptica y la región postsináptica, ubicada en la membrana muscular. Las neuronas motoras se ramifican en múltiples terminales, que se yuxtaponen a las placas terminales motoras, regiones especializadas del músculo donde se concentran los receptores de neurotransmisores (Fig. 3 A). La transferencia de información entre el nervio y el músculo está mediada por la liberación de acetilcolina de la neurona motora, que se difunde a través de la hendidura sináptica y se une a los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR) activados por ligando en la placa terminal. La activación del nAChR conduce a un influjo de cationes (sodio y calcio) que provoca la despolarización de la membrana de las células musculares. Esta despolarización, a su vez, activa una alta densidad de canales de sodio activados por voltaje en la membrana muscular, provocando un potencial de acción.

Contracción del músculo esquelético y cambios con el ejercicio. (A) El neurotransmisor (acetilcolina, ACh) liberado por las terminaciones nerviosas se une a los receptores (AChR) en la superficie del músculo. La despolarización resultante hace que los canales de sodio se abran, lo que provoca un potencial de acción que se propaga a lo largo de la célula. El potencial de acción invade los túbulos T y hace que los canales de calcio de tipo L se abran, lo que a su vez hace que los receptores de rianodina (RyR) en el SR se abran y liberen calcio, lo que estimula la contracción. El calcio se bombea de regreso al SR mediante bombas (SR / ER calcio ATPasa SERCA). La disminución de los niveles de calcio citosólico hace que el calcio se disocie de la troponina C y, en consecuencia, la tropomiosina vuelve a una conformación que cubre los sitios de unión a la miosina. (B) Señalización en músculo esquelético ejercitado. Tanto el calcio como las señales independientes del calcio estimulan el coactivador transcripcional PGC1 & # x003b1. Esto activa una serie de factores de transcripción que regulan los genes asociados con la biogénesis mitocondrial, la glucosa y la homeostasis lipídica.

El potencial de acción corre a lo largo de la parte superior del músculo e invade los túbulos T (invaginaciones especializadas de la membrana que contienen numerosos canales iónicos). La apertura de los canales de sodio activados por voltaje activa los canales de calcio activados por voltaje de tipo L que recubren el túbulo T. Un cambio conformacional en estos permite la liberación de calcio en la SR estrechamente opuesta a través de la activación de RyR1. El calcio luego se une a la troponina como se describió anteriormente, iniciando el proceso de contracción. El CaM unido al calcio también activa MLCK, cuya fosforilación del MLC cambia las propiedades de los puentes cruzados. Esto modula la contracción dependiente de troponina, aunque no hay efecto sobre la actividad ATPasa de MLC. En cambio, la fosforilación de MLC mejora el desarrollo de la fuerza a concentraciones de calcio saturante submáximas (véase más adelante). Posteriormente, el grupo fosfato es eliminado por la proteína fosfatasa 1 (PP1).


Base molecular de la función

El trabajo clásico de Hodgkin y Huxley [1] definió las tres características clave de los canales de sodio: activación dependiente de voltaje, inactivación rápida y conductancia iónica selectiva. Sobre esta base, los estudios de estructura-función más recientes que utilizan técnicas moleculares, bioquímicas y electrofisiológicas nos han proporcionado una buena comprensión de las bases moleculares de la función de los canales de sodio. Para ello fueron fundamentales las neurotoxinas tetrodotoxina y saxitoxina, cuyas propiedades de bloqueo de los poros se aprovecharon para purificar las proteínas del canal de sodio y revelar los residuos de aminoácidos implicados en el poro externo y en el filtro de selectividad. El poro externo está formado por los bucles reentrantes entre los segmentos transmembrana S5 y S6 de cada dominio. Se cree que dos aminoácidos importantes en posiciones análogas en los cuatro dominios forman los anillos externo e interno cargados negativamente que sirven como un sitio receptor para los bloqueadores de poros y el filtro de selectividad (Figura 1a). Las mutaciones de estos residuos tienen efectos significativos sobre la unión de tetrodotoxina y saxitoxina [20], y también tienen efectos marcados sobre la selectividad de la permeación de cationes monovalentes orgánicos e inorgánicos a través del canal de sodio [21, 22]. La evidencia más convincente proviene de un estudio de Heinemann et al. [23], quienes produjeron un canal de sodio selectivo para el calcio al mutar los residuos del anillo interno (DEKA en el código de aminoácidos de una sola letra) a sus contrapartes en los canales de calcio (EEEE).

Como es el caso de otros canales iónicos dependientes de voltaje, la dependencia del voltaje de la activación de los canales de sodio se deriva del movimiento hacia afuera de los residuos cargados como consecuencia de un campo eléctrico alterado a través de la membrana [1]. Los segmentos S4 de cada dominio homólogo sirven como sensores de voltaje para la activación. Se componen de motivos repetidos de un residuo cargado positivamente seguido de dos residuos hidrofóbicos, lo que potencialmente crea una disposición helicoidal de cargas positivas a través de la membrana. Tras la despolarización, el movimiento hacia afuera de las hélices S4 y su rotación concurrente inicia un cambio conformacional que abre el poro del canal de sodio. Este modelo de "hélice deslizante" [24] o "tornillo helicoidal" [25] está respaldado por pruebas sólidas [3]. Por ejemplo, la neutralización de los residuos clave cargados positivamente en S4 reduce notablemente la dependencia del voltaje de la compuerta [26]. El movimiento de apertura hacia el exterior de los segmentos S4 también se ha detectado directamente por el hecho de que, cuando algunos residuos de estas hélices se sustituyen por cisteínas, los reactivos sulfhidrilo extracelulares reaccionan con ellos sólo después de la activación del canal [27-29].

La inactivación del canal de sodio es un proceso crítico que ocurre dentro de milisegundos de apertura del canal. En el modelo generalmente aceptado de este proceso, el bucle intracelular altamente conservado que conecta los dominios III y IV sirve como una puerta de inactivación, al igual que una tapa con bisagras, que se une al poro intracelular del canal para inactivarlo (Figura 2a). La perfusión intracelular de proteasas [30] o la aplicación intracelular de anticuerpos que reconocen este bucle, pero no los anticuerpos contra otras estructuras intracelulares [31], previene la inactivación rápida. El "pestillo" de la puerta de inactivación está formado por tres residuos hidrófobos clave (IFM Figura 2), y los péptidos que contienen este motivo pueden restaurar la inactivación de los canales de sodio que tienen una puerta de inactivación mutada [32]. Las mutaciones del residuo clave de fenilalanina (Phe1489) en varios residuos hidrófilos perjudican la inactivación en diversos grados. Además, si se reemplaza con un residuo de cisteína, se evita la modificación covalente de la cisteína cuando se cierra la puerta de inactivación [33]. La determinación estructural y el análisis de RMN de la parte central de la puerta de inactivación revelan una estructura rígida de hélice α flanqueada por el motivo IFM [4] (Figura 2b). En esta estructura, la cadena lateral de Phe1489 apunta lejos del núcleo del péptido en la misma cara que una treonina cercana (Thr1491), otro residuo crítico para la inactivación [33]. En contraste con el motivo IFM corto que forma la puerta de inactivación, el receptor de la puerta de inactivación en el cuerpo del canal puede estar compuesto por múltiples residuos hidrófobos cerca de la boca intracelular del poro. Los experimentos de exploración de mutagénesis implican residuos hidrófobos en los bucles intracelulares S4-S5 de los dominios III y IV, así como el extremo intracelular de los segmentos transmembrana S6 de estos dominios, como componentes del receptor de la puerta de inactivación [3].

El emocionante descubrimiento de un canal de sodio bacteriano (NaChBac Figura 1c), que consta de un solo dominio de seis segmentos α-helicoidales transmembrana [10], proporciona potencialmente nuevas herramientas para el estudio de las relaciones estructura-función del canal de sodio. El canal de NaChBac aparentemente forma un homotetrámero que es un canal de sodio funcional dependiente de voltaje. Tiene una tasa de inactivación 100 veces más lenta que el Nav canales (porque no tiene equivalente a la puerta de inactivación). Además, su filtro de selectividad de sodio parece ser simétrico, formado por cuatro residuos de glutamato en posiciones clave en los cuatro bucles de poros, parecido al del canal de Ca 2+. Este canal de sodio bacteriano proporcionará un marco más simple que los canales de mamíferos para experimentos de mutagénesis para probar hipótesis sobre la estructura y función de los canales de sodio activados por voltaje. Además, el pequeño tamaño del canal puede facilitar la obtención de información sobre la estructura cristalina, como ha sido el caso de la región de los poros del canal de potasio bacteriano (KcsA) [5].


Cooperación neurona-células gliales

Formación de nodos de Ranvier con una alta densidad de canales de Na +

Los canales de Na + se agrupan en una densidad muy alta dentro de la brecha nodal, mientras que los canales de K + dependientes del voltaje están segregados en regiones yuxta-paranodales, debajo de la mielina superpuesta ( Figura 2.5 ). Para probar si el contacto de los oligodendrocitos con el axón influye en la distribución del canal de Na +, los nodos de Ranvier en el cerebro de un ratón hipomielinizante Shiverer son examinados. Shiverer los ratones tienen oligodendrocitos que envuelven los axones pero no forman mielina compacta ni uniones axogliales. En estos ratones mutantes, hay muchos menos grupos de canales de Na + que en los compañeros de camada de control y se observan ubicaciones aberrantes de los canales de Na +. Si la agrupación de canales de Na + dependiera sólo de la presencia de oligodendrocitos y fuera independiente del contacto de mielina y oligodendroglia, se esperaría encontrar una distribución normal de los canales de Na + a lo largo de los axones "escalofriantes".


El sistema nervioso

El sistema nervioso está formado por una colección compleja de nervios y células especializadas que nos permiten responder a nuestro entorno. Siempre que dos células nerviosas (neuronas) se encuentran, forman una sinapsis. Nuestros cerebros forman tantas sinapsis que superan en número a la cantidad de estrellas en la galaxia. Es esto lo que nos permite llevar a cabo comportamientos complejos y ser tan increíblemente brillantes ...

¿Cómo funciona el sistema nervioso?

El sistema nervioso detecta cambios en nuestro entorno (conocido como estímulos) a través de células llamadas receptores. Los receptores son sensibles a varios aspectos diferentes de nuestro entorno, como la luz, la presión (tacto) y los productos químicos en el aire (olor). Cuando los receptores detectan ciertos estímulos, envían una señal al sistema nervioso central (SNC) a través de la iniciación de un impulsos eléctricos a través de una neurona (célula nerviosa). La neurona que envía un impulso eléctrico desde el receptor dentro del órgano sensorial y el centro de coordinación se llama neurona sensorial. El centro de coordinación recibe impulsos de varios receptores alrededor del cuerpo, procesa la información y coordina una respuesta enviando señales a otras partes del cuerpo. Los centros de coordinación incluyen el cerebro, médula espinal y páncreas. Estos órganos enviarán una señal a un efector (un músculo o glándula) liberando un impulso eléctrico a lo largo de un neurona motora. La estimulación de un efector producirá una respuesta como la contracción muscular o la liberación hormonal.

Receptores

Nuestro sistema nervioso usa receptores para detectar estímulos (cambios en el medio ambiente) y transmitir esta información al SNC. Los receptores pueden ser células enteras (por ejemplo, los fotorreceptores son células sensibles a la luz) o proteinas moléculas que se encuentran en la membrana de la superficie celular. Cada receptor es específico a un solo tipo de estímulo, como luz, temperatura o concentración de glucosa. Cuando no se estimula un receptor, hay una diferencia de carga entre el interior y el exterior de la membrana y se dice que es polarizado. Cuando el receptor detecta un estímulo, el permeabilidad de su membrana celular cambia lo que cambia la diferencia de carga (diferencia de potencial) a través de la membrana. Si el cambio en la diferencia de potencial es lo suficientemente grande (es decir, excede el nivel de umbral), activará un potencial de acción (un impulso eléctrico) en una neurona sensorial.

Contamos con los siguientes receptores en nuestros órganos de los sentidos:

Quimiorreceptores - receptores que detectan quimicos

Termorreceptores - receptores que detectan calor

Mecanorreceptores - receptores que detectan presión (ver el corpúsculo de Pacini a continuación)

Fotorreceptores - receptores que detectan luz (por ejemplo, bastones y conos)

Fotorreceptores

Fotorreceptores son receptores que detectan luz y se encuentran en el retina del ojo. Hay un área de la retina llamada fóvea que contiene un grupo de células fotorreceptoras. Los fotorreceptores detectan la luz cuando llega a la retina y envían impulsos nerviosos al cerebro a lo largo del nervio óptico. La región del ojo que contiene el nervio óptico se llama punto ciego, ya que no hay fotorreceptores en esta región, por lo que no se puede detectar la luz. Los fotorreceptores están conectados al nervio óptico a través de un neurona bipolar.

El ojo humano tiene dos tipos de fotorreceptores: conos y bastones. Los bastones se encuentran principalmente a lo largo del exterior de la retina, mientras que los conos se agrupan en la fóvea. Varillas son responsables por visión en blanco y negro y puede funcionar en niveles de luz más bajos que los conos. Son mucho más sensibles que los conos, por lo que son el tipo de fotorreceptor que se utiliza para visualizar objetos en la oscuridad. Conos son responsables por visión de color y son sensibles a la luz azul, verde o roja. Se estimulan diferentes conos en diferentes proporciones, de modo que veamos diferentes colores. Las células cónicas proporcionan buena agudeza visual (la capacidad de distinguir entre dos puntos que están muy juntos) porque cada celda de cono tiene su propia sinapsis a través de una neurona bipolar que se conecta al nervio óptico.

En oscuro condiciones, la membrana de los bastoncillos es despolarizado, lo que significa que no hay mucha diferencia de carga entre el interior y el exterior de la membrana. Esto se debe a que los bastoncillos transporta activamente iones de sodio fuera de la celda, que fluye directamente hacia la celda a través de los canales de iones de sodio. La despolarización de la membrana de los bastones desencadena la liberación de neurotransmisores cuales inhibir la neurona bipolar. La neurona bipolar no puede disparar un potencial de acción, lo que significa que no se envía información al cerebro. Sin embargo, cuando hay luz, la energía lumínica produce un pigmento llamado rodopsina dividirse en dos proteínas, de retina y opsin. Este proceso se conoce como blanqueo de rodopsina y causa canales de iones de sodio en la membrana de la superficie celular para cerrar. Los iones de sodio continúan siendo transportados activamente fuera de las células de los bastones, pero no pueden regresar a la célula a través de los canales iónicos, creando una diferencia de carga a través de la membrana. El interior de la membrana ahora es mucho más negativo en comparación con el exterior y se dice que la celda de varilla es hiperpolarizado. Cuando la célula bastón está hiperpolarizada deja de liberar neurotransmisores. Esto significa que la inhibición de la neurona bipolar se detiene y ahora puede despolarizarse. Si la despolarización excede un nivel umbral, la información se transmite al cerebro a través del nervio óptico y se detecta la presencia de luz.

Corpúsculos de Pacini

Corpúsculos de Pacini son receptores que responden a cambios en presión - son un tipo de mecanorreceptor. Se encuentran en la profundidad de la piel y abundan en los pies, los dedos, los genitales externos y las articulaciones. El corpúsculo de Pacini consta de un neurona sensorial única, rodeado capas de tejido que están separados por un gel, formando una estructura similar a una cebolla.

El corpúsculo de Pacini contiene canales de iones de sodio mediados por estiramiento en la membrana de la superficie celular. En condiciones normales, estos canales están cerrados, pero cuando se aplica presión, estos canales se vuelven deformado y abierto, permitiendo una rápida afluencia de iones de sodio. Esto hace que el potencial de membrana en la neurona sea menos negativo (despolarización), produciendo un potencial generador que luego puede producir un potencial de acción.

Tipos de neurona

Las neuronas son células que transportan información hacia y desde el sistema nervioso central, en forma de impulsos eléctricos llamados los potenciales de acción. Hay tres tipos diferentes de neuronas, con estructuras ligeramente diferentes. Lo que todos tienen en común, sin embargo, es un cuerpo de la célula que contiene un núcleo, dendritas que llevan un potencial de acción hacia el cuerpo celular y un axón que aleja el potencial de acción del cuerpo celular.

Neuronas sensoriales llevan potenciales de acción de los receptores al sistema nervioso central. Consisten en un dendrón largo y un axón corto.

Retransmitir neuronas llevan potenciales de acción entre las neuronas sensoriales y motoras y se encuentran dentro del SNC. Tienen muchas dendritas cortas.

Neuronas motoras llevar los potenciales de acción del SNC a un efector. Tienen muchas dendritas cortas y un axón largo.

Potencial de reposo

Cuando una neurona no está disparando (es decir, no está transmitiendo un potencial de acción), hay una diferencia de carga entre el interior y el exterior de la membrana (es polarizado). Esta diferencia de cargo se conoce como potencial de reposo y suele estar alrededor -70 mV. La polarización de las membranas celulares neuronales en reposo se produce debido a la acción de bombas de iones sodio-potasio. Estas bombas se encuentran dentro de la membrana celular y transportan activamente iones de sodio y potasio dentro y fuera de la neurona. Para cada tres iones de sodio que las proteínas bombean fuera de la célula, bombean dos iones de potasio en la celda. Esto asegura que siempre haya más iones positivos fuera de la celda en comparación con el interior de la celda y asegura que haya una diferencia de carga a través de la membrana.

Potencial de acción

Cuando se estimula una neurona, se pierde la diferencia de carga entre el interior y el exterior de la membrana celular y la membrana se despolarizado. Si se pierde suficiente carga y se excede la despolarización -55 mV, un potencial de acción ocurrirá en esa neurona. El "límite" de -55 mV se conoce como potencial umbral - cualquier despolarización por encima de este número dará como resultado un potencial de acción, mientras que cualquier despolarización menor a ese no dará como resultado nada. Por lo tanto, nos referimos a los potenciales de acción como un Respuesta de "todo o nada".

La despolarización durante un potencial de acción se produce porque canales de iones de sodio abiertos en la membrana. Recuerde que la bomba de iones sodio-potasio ha estado transportando activamente iones de sodio fuera de la neurona, creando un gradiente de concentración de iones de sodio. Esto significa que cuando los canales de iones de sodio se abren, iones de sodio inundan la neurona por difusión facilitada. La diferencia de potencial a través de la membrana se reduce hasta que alcanza un voltaje de alrededor de +30 mV.

Los canales de iones de sodio se cierran y canales de iones de potasio abiertos, que hace que los iones de potasio se muevan fuera de la neurona por su gradiente de concentración. El movimiento de iones positivos fuera de la célula significa que hay una diferencia de carga nuevamente a través de la membrana; esto se llama repolarización. Sin embargo, la diferencia de carga excede el potencial de reposo y se convierte en "hiperpolarizado". Esto se debe a que los canales de iones de potasio tardan en cerrarse y demasiados iones de potasio se difunden fuera de la neurona. La acción del bomba de iones sodio-potasio restaura el equilibrio entre los iones de sodio y potasio a ambos lados de la membrana y devuelve la neurona a su potencial de reposo de -70 mV.

Inmediatamente después de un potencial de acción hay un breve período llamado periodo refractario. Durante el período refractario, la neurona no se puede estimular y un el potencial de acción no puede ocurrir. Esto se debe a que los canales iónicos son recuperación y no se puede hacer que se abran. El período refractario es importante porque asegura que los potenciales de acción no se superponen (es decir, pasan a lo largo de la neurona como impulsos separados) y que los potenciales de acción son unidireccional.

Una vez que ocurre un potencial de acción en una parte de la neurona, estimulará un potencial de acción en la parte adyacente de la neurona, creando una especie de "onda mexicana" de despolarización. Esta ola de despolarización ocurre porque los iones de sodio que se difunden en la neurona difuso hacia los lados, lo que hace que los canales iónicos activados por voltaje en la siguiente porción de la neurona se abran, por lo que los iones de sodio se mueven hacia la neurona a lo largo de la membrana. The wave moves away from the part of the neurone which has just fired an action potential because that part of the neurone will be in the refractory period and cannot be stimulated.

Saltatory conduction

Some neurones are insulated with a fatty layer along the axon. This fatty layer is called a myelin sheath and is made up of a type of cell called a Schwann cell. The myelin sheath acts as an electrical insulator, which means that ions cannot move into or out of the myelinated portions of the neurone. However, there are gaps in the myelin sheath called nodes of Ranvier, where sodium ion channels and potassium ion channels are concentrated. Action potentials occur only at the nodes of Ranvier - when one node is stimulated this triggers depolarisation of the next node, causing the impulse to ‘jump’ from node to node. This type of nervous transmission is called saltatory conduction and is much faster than transmission along non-myelinated neurones, where the action potential has to travel along the entire length of the neurone in a wave of depolarisation. The speed at which an action potential moves along a neurone is known as the conduction velocity - the higher the conduction velocity, the faster the action potential is travelling. This means that action potentials along myelinated neurones have a higher conduction velocity compared to those travelling along non-myelinated neurones.

Size of the stimulus

We’ve seen how an action potential is an ‘all-or-nothing’ response. If the threshold potential is reached, an action potential will occur. This action potential is always of the same voltage (depolarisation to +30 mV) regardless of whether the stimulus that initiated the action potential is small (e.g. a pinprick) or large (e.g. a sledgehammer). If the threshold isn’t reached then an action potential will not be fired. The difference between action potentials resulting from stimuli of different sizes is the frequency that action potentials are firing - the bigger the stimulus, the more often an action potential will occur along the neurone.

Anaesthetics

Anaesthetics están drugs which create a numbing sensation and are used in medicine to prevent patients from feeling pain (e.g. during an operation). They work by binding to sodium ion channels in the neurone and preventing them from opening. If sodium ions cannot move into the neurone, then the membrane cannot depolarise and an action potential cannot occur. This prevents neurone from sending a pain impulse to the brain, so the brain doesn’t register anything.

Synapses

A synapse is a gap found between neurones (or between a motor neurone and an effector). Electrical impulses cannot pass through the gap, so neurones release neurotransmitters from one neurone to the next to stimulate an action potential in the next neurone. The neurone before the synapse is called the presynaptic neurone and the one after the synapse is called the postsynaptic neurone. The space between them is called the synaptic cleft. This means that action potentials will travel along the presynaptic neurone, through the synaptic cleft (via neurotransmitters) then along the postsynaptic neurone. The presynaptic neurone has a swelling at the end which is called the synaptic knob.

Synaptic transmission takes place in the following stages:

An action potential arrives at the end of the presynaptic neurone (at the synaptic knob) and triggers the opening of voltage-gated calcium ion channels.

Calcium ions move into the synaptic knob by facilitated diffusion and trigger the movement of vesicles containing neurotransmitters (such as acetylcholine or dopamine) towards the presynaptic membrane.

The vesicles fuse with the presynaptic membrane and their contents is released by exocytosis.

The neurotransmitters diffuse across the synaptic cleft and bind to specific receptors on the postsynaptic membrane.

This triggers the opening of sodium ion channels in the postsynaptic membrane. Sodium ions move into the postsynaptic neurone, causing depolarisation and triggering an action potential if the excitation exceeds the threshold potential of -55 mV.

los neurotransmitter is removed from the synaptic cleft which prevents the continuous stimulation of an action potential in the postsynaptic neurone. The neurotransmitter is either reabsorbed by the presynaptic neurone (and recycled) or broken down by enzymes in the synaptic cleft (and the products are reabsorbed).


Nerve Impulse Transmission within a Neuron

For the nervous system to function, neurons must be able to send and receive signals. These signals are possible because each neuron has a charged cellular membrane, also termed the membrane potential (a voltage difference between the inside and the outside), and the charge of this membrane can change in response to chemicals called neurotransmitters that are released from other neurons and environmental stimuli. To understand how neurons communicate, one must first understand the basis of the baseline or 'resting' membrane potential.


Evolution and selectivity

Ions flow passively through channels toward equilibrium. This movement may be driven by electrical (voltage) or chemical (concentration) gradients. The ability to alter ion flow as a result of the development of ion channels may have provided an evolutionary advantage by allowing single-celled organisms to regulate their volume in the face of environmental changes. Through subsequent evolution, ion channels have come to play essential roles in cellular secretion and electrical signaling.

Most ion channels are gated—that is, they open and close either spontaneously or in response to a specific stimulus, such as the binding of a small molecule to the channel protein (ligand-gated ion channels) or a change in voltage across the membrane that is sensed by charged segments of the channel protein (voltage-gated ion channels). In addition, most ion channels are selective, allowing only certain ions to pass through. Some channels conduct only one type of ion (e.g., potassium), whereas other channels exhibit relative selectivity—for example, allowing positively charged cations to pass through while excluding negatively charged anions. Cells in higher organisms may express more than 100 different types of ion channel, each with different selectivity and different gating properties.


Clinical Relevance - Multiple Sclerosis

Multiple sclerosis (MS) is an acquired, chronic autoimmune disorder affecting the CNS. It results in demyelination, gliosis, and neuronal damage. Common presentations of the disease are optic neuritis, transverse myelitis, and cerebellar symptoms such as ataxia.

[caption align="aligncenter"] Fig 5 - Diagram demonstrating the main symptoms that multiple sclerosis may present with.[/caption]

There are three main patterns of disease:

  • Relapsing-remitting - Patients face episodes of remission (during which no symptoms are present) and exacerbations of the disease.
  • Secondary Progressive - Initially the MS is of a relapsing-remitting pattern. However, at some point, the disease course changes, and the neurological function gradually worsens.
  • Primary progressive - After the onset of the disease there is a steady progression and worsening of the disease.

There is no known cure for MS. However some therapies have proven useful in terms of managing acute exacerbations, preventing exacerbations, and slowing down disability. For example, high doses of intravenous corticosteroids can help to relieve symptoms in acute exacerbations.