Receptores, Sistema Nervioso y Potenciales de Membrana: Mecanismos Esenciales

Receptores Metabotrópicos y Proteína G

1. Descripción del Receptor Metabotrópico Acoplado a Proteína G y Secuencia de Eventos

Los receptores metabotrópicos acoplados a proteína G son proteínas de membrana que se activan al intercambiar un nucleótido de guanosina difosfato (GDP) por un nucleótido de guanosina trifosfato (GTP). Este cambio permite a la proteína G activar otras proteínas intracelulares.

La secuencia de eventos desde la unión del ligando al receptor es la siguiente:

Unión del ligando: El ligando se une al receptor, induciendo un cambio conformacional en este.
Activación de la proteína G: El cambio conformacional facilita la unión de la proteína G al receptor.
Intercambio GDP por GTP: La proteína G se activa al intercambiar GDP por GTP.
Disociación de subunidades: La activación de la proteína G produce la disociación de sus subunidades α y βγ.
Activación/inhibición de efectores:
- La subunidad α activa o inhibe moléculas efectoras.
- En ciertos tipos de receptores, la subunidad βγ también puede afectar a moléculas efectoras.

Segundos Mensajeros

2. Definición, Tipos y Formación de Segundos Mensajeros

Los segundos mensajeros son moléculas clave en la transducción de señales celulares. Se forman como resultado de la activación de receptores, y su aumento transitorio induce la activación de proteínas enzimáticas o no enzimáticas corriente abajo.

Importancia: Si se inhibe la producción de un segundo mensajero, la respuesta celular se interrumpe, ya que se bloquea la transmisión de la señal.

Tipos principales:

Ca²⁺
IP₃ (Inositol trifosfato)
DAG (Diacilglicerol)
AMPc (Adenosín monofosfato cíclico)
GMPc (Guanosín monofosfato cíclico)

Organización y Desarrollo del Sistema Nervioso

3. Estructura y Función de la Neurona

Una neurona es la unidad básica del sistema nervioso. A continuación, se describen sus partes y funciones principales:

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Dendritas: Proyecciones finas que emergen del soma neuronal, especializadas en la recepción de señales.
Soma: Cuerpo celular que contiene el núcleo y los orgánulos celulares. Es el centro de control metabólico y de expresión génica.
Axón: Prolongación especializada en la transmisión de señales. Puede alcanzar grandes longitudes.
Terminal Sináptico: Lugar donde se liberan los neurotransmisores para transmitir la señal a la siguiente neurona o célula efectora (como una célula muscular).

4. Divisiones del Sistema Nervioso

Sistema Nervioso Central (SNC)

Médula Espinal: Transmite información sensorial (del cuerpo al encéfalo) y motora (del encéfalo al cuerpo).
Tronco Encefálico:
- Bulbo Raquídeo (Médula Oblonga): Contiene centros de control automático (deglución, vómito).
- Puente (Protuberancia): Punto de conexión sensorial con el encéfalo.
- Mesencéfalo: Conduce impulsos motores desde la corteza cerebral hasta el puente y conduce impulsos sensitivos desde la médula espinal hasta el tálamo. También está relacionado con la visión, la audición, el sueño y la vigilia.
Cerebelo: Regula el equilibrio, la postura y el aprendizaje motor. Corrige errores en los movimientos.
Prosencéfalo:
- Hemisferios Cerebrales: Incluyen la corteza cerebral, estructuras subcorticales y ganglios basales.
- Diencéfalo:
  - Tálamo: Centro de relevo sensorial; distribuye la información a la corteza correspondiente.
  - Hipotálamo: Controla y regula las funciones del organismo, principalmente la homeostasis.

Sistema Nervioso Periférico (SNP)

SNP Somático: Constituido por los nervios craneales y los nervios raquídeos.
SNP Autónomo (SNA): Constituido por el sistema nervioso simpático y el sistema nervioso parasimpático. Controla las funciones involuntarias.

Potencial de Membrana en Reposo

5. Factores que Determinan el Potencial de Membrana en Reposo

El potencial de membrana en reposo es la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana plasmática de una célula en reposo. Los factores que lo determinan son:

Permeabilidad selectiva de la membrana: La membrana es selectivamente permeable a ciertos iones.
Diferencia de concentración de iones: Existe una diferencia en la concentración de iones a ambos lados de la membrana.
Transporte activo de iones: La bomba de Na⁺/K⁺ ATPasa mantiene activamente las diferencias de concentración, sacando 3 iones Na⁺ e introduciendo 2 iones K⁺. Sin esta bomba, los iones fluirían a través de sus canales hasta alcanzar el equilibrio.

6. Iones Responsables del Potencial de Membrana en Reposo

Los principales iones responsables son:

Sodio (Na⁺)
Potasio (K⁺)
Cloro (Cl^–)

El Na⁺ y el Cl^– se concentran principalmente fuera de la célula, mientras que el K⁺ se concentra en el interior.

7. Selectividad Iónica y Potencial de Membrana

Estos iones son los responsables porque pueden atravesar la membrana a través de canales iónicos específicos que están abiertos en reposo. La abundancia relativa de estos canales determina la permeabilidad de la membrana a cada ion.

8. Transportes a Través de la Membrana en el Potencial de Reposo

Los principales mecanismos de transporte involucrados son:

Canales Iónicos: Proteínas integrales de membrana que forman poros hidrofílicos, permitiendo el paso selectivo de iones. Hay dos tipos principales:
- Canales de reposo: Siempre abiertos.
- Canales activables: Normalmente cerrados en reposo y se abren en respuesta a estímulos específicos (ligandos, cambios de voltaje, estímulos mecánicos).
Bomba de Na⁺/K⁺ ATPasa: Transporte activo que mantiene los gradientes de concentración.

9. Potencial de Equilibrio de un Ion

El potencial de equilibrio de un ion es el potencial de membrana al cual el gradiente de concentración de ese ion está balanceado por la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana. En este punto, no hay flujo neto del ion.

10. El Ion Principal en la Determinación del Potencial de Membrana

El principal ion es el K⁺. Esto se debe a que la membrana en reposo tiene más canales de K⁺ que de Na⁺ o Cl^–, lo que significa que el K⁺ tiene una mayor permeabilidad. El potencial de equilibrio del K⁺ está más cerca del potencial de membrana en reposo.

11. Bloqueo Farmacológico de Canales de K⁺

Si se bloquean los canales de K⁺ de reposo, el potencial de membrana se despolarizaría. Esto se debe a que el K⁺ ya no podría salir libremente de la célula, y el Na⁺ (que tiene menos canales) se convertiría en el ion dominante, haciendo el interior de la célula más positivo.

12. Bloqueo Farmacológico de Canales de Na⁺

Si se bloquean los canales de Na⁺ de reposo, el potencial de membrana se hiperpolarizaría ligeramente, pero el efecto sería menor que el bloqueo de los canales de K⁺, ya que hay menos canales de Na⁺ en reposo. El K⁺ seguiría siendo el ion dominante.

13. Falta de ATP y Potencial de Membrana

Si una neurona se queda sin ATP, el potencial de membrana se vería afectado. La bomba de Na⁺/K⁺ ATPasa requiere ATP para funcionar. Sin ATP, la bomba dejaría de funcionar, y los gradientes de concentración de Na⁺ y K⁺ se disiparían gradualmente, llevando el potencial de membrana hacia cero (despolarización).

Potencial de Acción

14. Definición y Fases del Potencial de Acción

Un potencial de acción (PA) es un cambio rápido y transitorio en el potencial de membrana que se propaga a lo largo del axón de una neurona. Es la base de la transmisión de señales en el sistema nervioso.

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Fases:

Despolarización: Se abren los canales de Na⁺ dependientes de voltaje (ddV), permitiendo la entrada masiva de Na⁺. El potencial de membrana se vuelve más positivo.
Pico: Se inactivan los canales de Na⁺ ddV y se abren los canales de K⁺ ddV.
Repolarización: Sale K⁺ de la célula, y el potencial de membrana vuelve a valores negativos.
Hiperpolarización: Los canales de K⁺ ddV permanecen abiertos un tiempo después de que se alcanza el potencial de reposo, haciendo que el potencial de membrana sea más negativo que el potencial de reposo.
Retorno al reposo: Se cierran los canales de K⁺ ddV y la bomba de Na⁺/K⁺ ATPasa restaura el potencial de membrana en reposo.

Localización: El PA se genera en el cono axónico y se propaga a lo largo del axón.

Ley del todo o nada: Si la despolarización inicial alcanza un valor umbral, se desencadena un PA completo. Si no se alcanza el umbral, no se produce el PA.

15. Característica del Canal de K⁺ ddV en el PA

La apertura retardada de los canales de K⁺ ddV es crucial. Permite que la despolarización por la entrada de Na⁺ ocurra primero. La posterior apertura de los canales de K⁺ ddV permite la salida de K⁺, lo que repolariza la membrana.

16. Estímulo en Dendritas y Apertura de Canales de Na⁺

Si se aplica un estímulo que abre canales de Na⁺ regulados en las dendritas, se producirá una despolarización local de la membrana. Esta despolarización se denomina potencial postsináptico excitatorio (PPE). El PPE se propagará pasivamente hacia el soma y el cono axónico. Si la suma de los PPEs que llegan al cono axónico alcanza el umbral, se desencadenará un PA.

a) Registro del potencial de membrana: El registro mostraría una despolarización gradual (PPE). Si se alcanza el umbral, se observaría un PA completo.

b) Propagación del potencial: El PPE disminuirá en amplitud a medida que se propaga desde las dendritas hacia el cono axónico debido a la resistencia y capacitancia de la membrana. Solo se disparará un PA si la despolarización en el cono axónico alcanza el umbral.

17. Estímulo en Dendritas y Apertura de Canales de Cl^–

Si se aplica un estímulo que abre canales de Cl^– regulados en las dendritas, se producirá una hiperpolarización local de la membrana. Esta hiperpolarización se denomina potencial postsináptico inhibitorio (PPSI). El PPSI también se propagará pasivamente, pero hará más difícil que se alcance el umbral para un PA.

a) Registro del potencial de membrana: El registro mostraría una hiperpolarización (PPSI). Es menos probable que se dispare un PA.

b) Propagación del potencial: El PPSI también disminuirá en amplitud a medida que se propaga. Un PA solo se dispararía si otros PPEs fueran lo suficientemente fuertes como para contrarrestar el PPSI y alcanzar el umbral.

18. Propagación del PA en Fibras Mielínicas y Amielínicas

Fibras Mielínicas: Los axones están cubiertos por una vaina de mielina, formada por oligodendrocitos (en el SNC) o células de Schwann (en el SNP). La mielina actúa como aislante, y la propagación del PA ocurre de forma saltatoria, de nodo de Ranvier a nodo de Ranvier (regiones del axón no mielinizadas).
Fibras Amielínicas: Los axones no están cubiertos por mielina. La propagación del PA es continua y más lenta.

Velocidad de propagación: La velocidad es mayor en las fibras mielínicas debido a la conducción saltatoria.

Transmisión Sináptica

19. Pasos de la Transmisión Sináptica

Síntesis del neurotransmisor: Puede ocurrir en el citoplasma, en el axón o en el terminal axónico.
Almacenamiento del neurotransmisor: Se almacena en vesículas en el terminal axónico.
Entrada de Ca²⁺: La llegada de un PA al terminal axónico abre canales de Ca²⁺ dependientes de voltaje.
Exocitosis del neurotransmisor: El aumento de Ca²⁺ intracelular provoca la fusión de las vesículas con la membrana presináptica y la liberación del neurotransmisor al espacio sináptico.
Unión al receptor: El neurotransmisor se une a receptores en la membrana postsináptica.
Desactivación del neurotransmisor: El neurotransmisor se elimina del espacio sináptico por degradación enzimática, recaptación por la neurona presináptica o difusión.

20. Canal Iónico Implicado en la Exocitosis

El canal de Ca²⁺ dependiente de voltaje es el principal implicado. Su apertura permite la entrada de Ca²⁺, que desencadena la exocitosis.

21. Receptores Ionotrópicos y Metabotrópicos

Receptores Ionotrópicos: Son canales iónicos regulados por ligando. La unión del neurotransmisor abre directamente el canal, permitiendo el flujo de iones y una respuesta rápida (transmisión sináptica rápida).
Receptores Metabotrópicos: Están acoplados a proteínas G. La unión del neurotransmisor activa una cascada de señalización intracelular que, indirectamente, modula la apertura de canales iónicos. La respuesta es más lenta (transmisión sináptica lenta).

22. Potenciales Postsinápticos Excitatorios (PPEs) e Inhibitorios (PPSIs)

PPEs: Son despolarizaciones causadas por la apertura de canales que permiten el paso de Na⁺ y K⁺ (o solo Na⁺). Aumentan la probabilidad de que se dispare un PA.
PPSIs: Son hiperpolarizaciones causadas por la apertura de canales de Cl^– (o, en algunos casos, K⁺). Disminuyen la probabilidad de que se dispare un PA.

Disparo de un PA: Un PA se disparará con mayor probabilidad cuando la suma de los PPEs que llegan al cono axónico supere el umbral, a pesar de la presencia de PPSIs.