jueves, 7 de mayo de 2015

1 EL SISTEMA NERVIOSO A NIVEL CELULAR

A medida que los seres vivos evolucionaron a estructuras multicelulares con funciones especializadas, se hizo necesario la aparición de un tejido, órgano o sistema encargado de coordinar los estímulos y de emitir respuestas al medio externo o interno. Los dos principales sistemas de control que presiden las actividades de los cuerpos de los seres vivos son el sistema nervioso y el sistema endocrino. Estos sistemas trabajan de forma coordinada cuando ambos están presentes, sin embargo claramente uno desciende del otro. Esto se debe a que el sistema endocrino es un sistema mucho más distribuido filogenéticamente y ha evolucionado de forma independiente en los seres vivos eucariotas de tipo unicelular.

Por el contrario, el sistema nervioso real se encuentra ubicado filogenéticamente en los animales con algún tipo de simetría, excluyendo a los poríferos. La función endocrina es glandular y depende de la secreción de compuestos químicos que generan efectos en grupos de células distantes. La función nerviosa es eléctrica y glandular con efectos endocrinos, pero más comúnmente paracrinos “afecta a células vecinas”.

Debido a que el sistema nervioso real presenta una restricción filogenética en los animales, solo realizaremos la descripción para este linaje de seres vivos, enfocándonos inicialmente en el sistema nervioso humano por dos motivos (1) nos interesa médicamente y (2) es la base histórica para la nomenclatura del sistema nervioso en los demás seres vivos. Al interior de la anatomía humana discutiremos el fundamento bioquímico de la adicción y la dependencia a sustancias bioquímicas. En cuanto a la anatomía comparada realizaremos una descripción superficial sin mayores pretensiones filogenéticas debido a que el sistema nervioso no deja fósiles con facilidad.

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca, Brusca, & Haver, 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason, Losos, Singer, & Raven, 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava, Berenbaum, & Hillis, 2014; Simon, Dickey, & Reece, 2013; Solomon, Berg, & Martin, 2008; Starr, Evers, & Starr, 2013; Stern, Bidlack, & Jansky, 2008; Wayne, 2009)

1.1 La célula como unidad funcional del sistema nervioso

La célula es la unidad estructural y funcional de los seres vivos, las funciones de los órganos y sistemas no son más que la acción colectiva e interrelacionada de miles de millones de células. Por tal razón resulta relevante recordar algunas funciones básicas de cualquier célula. Las células de la mayoría de los órganos basan sus funciones en los mecanismos de transporte a través de membrana y en los cambios conformacionales de las proteínas integrales de la membrana.

La secreción glandular de la neurona y su potencial eléctrico ocurren gracias a los mecanismos de transporte a través de membrana, mientras que sus mecanismos de percepción se dan gracias a los cambios conformacionales de las proteínas integrales de la membrana y a un tipo de transporte entre membranas.

El potencial de acción o pulso eléctrico, fenómeno por el cual son famosas las neuronas, depende de un tipo concreto de transporte activo llamado bomba de sodio y potasio. Sus detalles los veremos en artículos futuros al interior de la sección del sistema nervioso humano. Por lo anterior resulta conveniente repasar estos subtemas antes de enfocarnos con el sistema nervioso. 

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca et al., 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason et al., 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Wayne, 2009)

1.2 Transporte de sustancias a través de membranas

Al igual que pasa con el transporte de gases, la digestión o la excreción, el sistema nervioso muchas veces requiere del paso de sustancias a través de membrana, lo cual involucra procesos de transporte pasivo y de transporte mediado por proteínas.

1.2.1 Transporte pasivo

Cuando una sustancia en estado acuoso o disuelto realmente está separada en dos cantidades por una membrana semipermeable a dicha sustancia, esta fluirá libremente de forma tal que las concentraciones a ambos lados tiendan a igualarse. La velocidad de flujo es mayor a medida que la diferencia de concentración –también llamada gradiente –es más alta, y la velocidad aparenta ser cero cuando las concentraciones son las mismas.

Solo los nutrientes más pequeños o que son solubles en grasas son capaces de atravesar las membranas de forma pasiva, todo lo demás requiere de un transporte mediado por proteínas para que sea eficaz y eficiente.

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca et al., 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason et al., 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Wayne, 2009)

1.2.2 Transporte a través de membrana mediado por proteínas

El transporte de gases también involucra trasladar gases a las malas, ya sea porque se requiere un flujo muy rápido ya que los tejidos demandan un tipo de gas con gran impaciencia; o a que hay un gas acumulándose rápidamente que resulta tóxico. El transporte activo emplea proteínas que gastan energía celular, lo que les permite transportar nutrientes en contra del gradiente de concentración, mientras que el transporte pasivo facilitado emplea proteínas que aceleran el paso de nutrientes a favor del gradiente de concentración.


Algunas proteínas empleadas en el transporte de nutrientes no están ancladas a la membrana, pero si colaboran a que las concentraciones en un lado de la membrana sea lo suficientemente alto como para que el proceso osmótico se acelere. A diferencia del intercambio de gases, la absorción de nutrientes durante los procesos digestivos requieren de proteínas, y principalmente de transporte activo, por tal razón se dice que la digestión es un proceso que gasta energía, y que algunos alimentos agotan más que otros a la hora de digerirlos.

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca et al., 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason et al., 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Wayne, 2009)

1.3 Transporte vesicular y la digestión intracelular

La digestión puede llevarse a cabo segregando las enzimas al medio íntimo extracelular o el lumen de un órgano, en cuyo caso se la clasifica como extracelular. En este tipo de digestión se obtienen nutrientes moleculares que se absorben por los mecanismos de transporte a través de la membrana externa. No todos los seres vivos digieren extracelularmente, y por lo tanto deben emplear métodos que les permita absorber macronutrientes del ambiente íntimo de la membrana y envolverlos en vesículas digestivas para que en su interior se dé la digestión molecular final. Una vez procesado, los nutrientes se absorben por los mecanismos de transporte a través de la membrana vesicular y el material no digerido se elimina de la célula.

Existen varios mecanismos especializados basados en el proceso anterior. La digestión intracelular tiene otros propósitos más allá de los de nutrición, ya que el sistema inmune hace un uso extensivo e intensivo de la digestión vesicular para sus mecanismos de presentación de antígeno.

1.3.1 Endocitosis

La endocitosis es el proceso por el cual una célula cuya membrana externa es flexible rodea a otra partícula, puede ser otra célula u sustancia química, cuando termina de rodearla genera una vesícula interna llamada endosoma. La endocitosis puede dividirse en dos categorías principales, la endocitosis no específica y la endocitosis específica. La endocitosis no específica también denominada pinocitosis engloba fluidos y todo material que se encuentre diluido en este.

La endocitosis específica también se denomina endocitosis mediada por receptores. En este caso la célula o partícula debe tener una serie de proteínas en si membrana que sirven como marcadores de reconocimiento. La célula que va a realizar la endocitosis también tiene otras  proteínas que sirven como reconocedores. Cuando ambos marcadores entran en contacto íntimo activan a la célula que realiza la endocitosis para iniciar el proceso.

Independientemente del tipo de endocitosis, el resultado final es un endosoma, es decir una vesícula del sistema de membranas internas de la célula eucariota. Esta vesícula y su contenido pueden sufrir diferentes destinos dependiendo del contexto, ya sea en el sistema inmune, en la digestión celular o como una manipulación de endoparásitos para atacar a la célula.

1.3.2 Fagocitosis

La fagocitosis se puede definir literalmente como un tipo de digestión interna por parte de una célula, y probablemente sea la primera digestión interna que existió. La fagocitosis es un proceso más complejo que la endocitosis aunque muchas veces empleamos estos dos términos de manera indiferenciada. Sin embargo la diferencia está en el tratamiento que recibe el material endocitado, en la fagocitosis en endosoma “llamado en este caso fagosoma” recibe un tratamiento más complejo, poco después de que el fagosoma ingresa a la célula este se fusiona con otra vesícula llamada lisosoma. Los lisosomas son vesículas que contienen las enzimas digestivas y otras sustancias químicas que degradan a la víctima.

Cuando el fagosoma se fusiona con el lisosoma se forma un fagolisosoma, las enzimas digestivas y las otras sustancias químicas oxidantes empiezan a degradar a la víctima transformándola en sus componentes básicos. Una vez se han degradado, los componentes básicos que se extraen de allí serán absorbidos por los mecanismos de transporte a través de membrana dependiendo de la naturaleza del nutriente liberado. Este modo de alimentación es muy común en los eucariortes de vida libre unicelulares como las amebas. En los eucariotes multicelulares, especialmente en los animales la fagocitosis cumple una función inmune más que de nutrición.

Muchas células del sistema inmune como los monocitos activados pueden fagocitar activamente a otras células para mantener seguro al organismo. Sin embargo a pesar de esta pequeña escala, la fagocitosis nos muestra todos los pasos que intervienen en una digestión interna: (1) captura de la presa en un compartimiento especializado; (2) digestión de la presa por parte de enzimas líticas y otras sustancias químicas oxidantes; (3) absorción de los nutrientes y procesamiento de estos integradolos a alguna ruta metabólica o bioquímica; (4) eliminación de los desechos que no fueron absorbidos. Aunque ya hemos hablado fuertemente de los puntos (2) enzimas líticas, (3) absorción y someramente del (1) captura “del cual se hablará más específicamente en ecología”. Aún no hemos hablado del (4) eliminación.

La eliminación es el proceso en el cual se desechan compuestos que no fueron absorbidos y que nunca fueron parte de las rutas metabólicas del ser vivo. Otro proceso parecido es el de excreción en el cual se desechan compuestos químicos que hicieron parte de las redes metabólicas y que potencialmente podrían detenerlas de mantenerse en el cuerpo.

En el modelo anterior podemos ver un resumen general del proceso, este esquema sirve para otros sistemas debido a que a nivel celular muchas funciones se realizan por mecanismos conservados evolutivamente. En este caso podemos ver: (1) el retículo endoplasmático rugoso donde se sintetizan enzimas y proteínas, en este caso enzimas digestivas, que luego (2) son trasportadas por vesículas al aparato de Golgi donde (3 y 4) son maduradas en sus formas activas, para (5) ser emitidas al medio externo, o fusionarse con otras vesículas para modificaciones secundarias y ser emitidas al medio externo (5b).

Por lo general la digestión enzimática empieza con (7) fagocitosis o endocitosis, la vesícula formada es enviada al aparato de Golgi directamente (7c) o fusionada a una vesícula que transporta las enzimas líticas (7a, 7b), los productos de la digestión se absorben por los mecanismos de transporte a través de membrana y los desechos eliminados (8).  Aunque estos dos procesos son semejantes no deben confundirse, la endocitosis crea un endosoma para partículas pequeñas y el fagosoma para partículas grandes, e incluso células.

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca et al., 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason et al., 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Wayne, 2009)


1.4 Cambio estructural de las proteínas

La mayoría de las proteínas de membrana funcionan mediante las siguientes capacidades: Como receptores que se unen a sustancias especificas; como canales de transporte de sustancias especificas; o como agentes que transfieren electrones con niveles de energía elevados durante los procesos de transferencia de energía. Como los fosfolípidos de la bicapa, las proteínas integrales de la membrana también son anfipáticas, poseyendo una porción hidrófoba que se inserta en la membrana celular y porciones hidrófilas que se exponen hacia el medio interno o externo de la célula.

Como resultado, la membrana sigue poseyendo una naturaleza constante, con un interior hidrófobo y un exterior a ambos lados hidrófilo. Como resultado de esta constancia en la naturaleza de la membrana, sus propiedades de permeabilidad a las diferentes sustancias, permanece constante. Es importante destacar que los lípidos de membrana que se encuentran asociados de manera íntima con la proteína pueden afectar su funcionamiento, aunque el modo y el impacto de estas modificaciones aún permanecen como algo poco claro.  La porción de la proteína integral que se proyecta hacia el citoplasma y hacia el medio tiende a ser como las proteínas globulares es decir de naturaleza soluble en agua o hidrófilas.

Una gran cantidad de proteínas forman literalmente conductos de paso, canales para el flujo de sustancias a través de la bicapa de lípidos. Bajo el modelo del mosaico fluido, las proteínas integrales no se encuentran fijadas de manera rígida en una zona de la membrana, si no que “flotan” (si es que podemos usar esa idea) a la deriva en la matriz de los fosfolípidos. Por lo general una proteína integral de membrana tiene tres dominios. Un dominio extramembranal de cara al exterior que funciona como receptor de ligandos específicos, un dominio intramembranal que puede cambiar de forma al activarse el receptor ya sea para transferir una señal o como un canal iónico. Finalmente un dominio intramembranal que puede funcionar como una cisterna interna del canal iónico o como un dominio efector metabólico que dispara señales químicas al interior de la célula. 

Los canales no requieren el dominio receptor y funcionan por otros estímulos como los gradientes de concentración pasivos.

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca et al., 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason et al., 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Wayne, 2009)


1.5 El citoesqueleto en el sistema nervioso

El sistema nervioso evoluciona del sistema endocrino y ambos emplean el citoesqueleto como su principal sistema de coordinación, así como el sistema que le da la forma a las células neuronales.

1.5.1 Alargamiento axonal

En 1907 Ross Harrison de la universidad de Yale demostró dos cosas extrayendo tejido neuronal de un embrión de rana y poniéndolo a cultivar con fluido linfático, la primera es que los tejidos extraídos de un ser vivo podían mantenerse vivos fuera de su contexto original, y la segunda que los axones neuronales podían crecer por un sistema de desarrollo muy activo. En este caso los axones jóvenes son muy delgados y crecen gracias al desarrollo del chasis de microfilamentos, los cuales indagan el medio en busca de hormonas que les indiquen la dirección a seguir, una vez que encuentran un rastro siguen creciendo, mientras que en la base de la proyección se empiezan a importar microtúbulos que engrosan la proyección para formar el cuerpo de un axón nuevo mas firme. De este modo los axones van creciendo de forma coordinada para encontrar las hormonas liberadas por otras neuronas y así poder conectarse en sinapsis íntimas.

Referencias: (Black & Black, 2012; Goodenough & McGuire, 2012; Karp, 2010, 2013; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014, 2008; Solomon et al., 2008; Tortora et al., 2010)

1.5.2 Filamentos intermedios

Estos recorren la superficie del polo del lumen de la célula sirviendo como el marco que define la célula y que permite identificar la parte del citiplasma que se encuentra en los cilios y la parte del citoplasma celular general, su función es la de darle su forma a la célula epitelial, por lo que estos filamentos se proyectan no solo en el polo del unen sino que discurren por toda la superficie de la célula, siendo algo semejante al marco que le da su forma a la carpa de un circo.


1.5.3 Microtúbulos

Recorren la célula y conectan a los diferentes organelos, funcionan como rieles de carga entre un organelo y otro sobre el cual se movilizan proteínas de transporte especializadas que jalan las vesículas desde un sistema de membranas a otro de forma rápida y no estocástica. En este sentido los microtúbulos permiten la organización, transporte, y coordinación de las funciones celulares.


1.5.4 Quinesinas

Son las proteínas activas del citoesqueleto que caminan a través de los microtúbulos “literalmente” estas son las grúas moleculares que transportan las vesículas y que permiten el tráfico de membranas en cualquier célula eucariota. Estos elementos se encuentran en todas las células eucariotas con niveles de especialización variables, por lo que el modelo de la célula epitelial polarizada se emplea más con objetivos didácticos.

1.5.5 Célula nerviosa

En las células nerviosas la red de rieles de microtúbulos están asociados a los filamentos intermedios, aunque la estructura y función de los componentes es análoga a los de la célula epitelial polarizada. En este caso la polarización se da hacia el núcleo neuronal del cual parte los diferentes rieles por cada una de las dendritas.

Referencias generales: (Belk & Maier, 2013; Brusca et al., 2003; Goodenough & McGuire, 2012; Hoefnagels, 2015; Kardong, 2011; Karp, 2013; Mason et al., 2014; Moore, 2006; Rhoades & Bell, 2013; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2008; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Wayne, 2009)

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