lunes, 22 de agosto de 2016

Adquisición de la organización tisular

La división entre organismos unicelulares y pluricelulares es uno de los criterios de clasificación usados tradicionalmente en Biología. En la práctica, sin embargo, es un criterio poco fiable, ya que organismos muy sencillos, como algunas bacterias o cianobacterias, pueden formar cadenas celulares o incluso "filmes" o películas bacterianas cuyo funcionamiento conjunto influye en la dinámica de las infecciones bacterianas. De hecho, algunas de las nuevas estrategias para combatir las enfermedades provocadas por este tipo de organismos pasan por tratar de debilitar esas películas bacterianas.

En algunos casos, estas estructuras pluricelulares pueden presentar, incluso, cierta diferenciación funcional. Ese es el caso, por ejemplo, de algunas cianobacterias como Anabaena (en la imagen), donde algunas células, llamadas heterocistos, presentan una morfología y una estructura diferente, que les permite llevar a cabo la fijación de nitrógeno. También es frecuente la diferenciación entre células somáticas y reproductoras.

Estos organismos presentan moléculas que hacen posible la adhesión entre sus células, y sus estructuras pluricelulares son funcionales y persistentes, proporcionándoles ventajas adaptativas. Sin embargo, la comunicación entre células es bastante limitada, y la organización espacial es tal que todas las células están en contacto con el entorno externo, de modo que puedan absorber directamente nutrientes del ambiente. Este tipo de organización se denomina "pluricelularidad simple", para distinguirla de la "pluricelularidad compleja" que caracteriza a los organismos que presentan auténticos tejidos.

La pluricelularidad compleja se caracteriza porque las células que forman los tejidos no solo están unidas, sino también comunicadas entre sí. Es común, además, la diferenciación en tejidos, posible gracias a la presencia de genes reguladores que permiten que distintas células expresen distintos subconjuntos de genes. La diferenciación es, en este caso, mucho más profunda e intensa que en los organismos que presentan pluricelularidad simple, lo que hace posible una división del trabajo mucho más eficaz, permitiendo que existan células especializadas en la reproducción, alimentación, protección, movimiento...

Modelo de difusión en un tejido y relación con el volumen celular
Otra característica ventajosa de este tipo de organismos es que pueden alcanzar un tamaño mucho mayor que el de los organismos unicelulares o con pluricelularidad simple, lo que abre la puerta a una mayor cantidad de recursos y a la explotación de nuevos nichos ecológicos. Sin embargo, esta ventaja va acompañada de un inconveniente, ya que no todas las células se encuentran en contacto con su entorno, lo que obliga al organismo a resolver problemas derivados de la necesidad de transportar oxígeno y otros nutrientes hasta el interior del tejido.

Origen de la pluricelularidad compleja

La pluricelularidad compleja no apareció hasta una época relativamente tardía en la historia de la vida, el Neoproterozoico, una etapa que se inicia hace unos 1.000 millones de años y cuya manifestación más conocida es la fauna de Ediacara, en Australia. Para entonces habían pasado más de 3.000 millones de años desde la aparición de los primeros organismos, y ya existían múltiples ejemplos de pluricelularidad simple. Y cuando la organización pluricelular apareció lo hizo independientemente en seis grupos de organismos: dos tipos de algas (Rodofíceas y Feofíceas), dos tipos de hongos (Ascomicetes y Basidiomicetes), plantas embriofitas y animales.

Probablemente la razón de una aparición tan tardía de una característica de tanto éxito evolutivo hay que buscarla en que la pluricelularidad compleja necesita como prerrequisito la organización eucariota. Los organismos procariotas no pueden llegar a formar estructuras pluricelulares complejas porque carecen de dos características fundamentales: estructuras que permitan no solo la adhsión, sino la comunicación entre célula y célula, y un citoesqueleto que haga posible la entrada a la célula de moléculas señalizadoras y su transporte hasta sus blancos en el interior celular.

Otra característica eucariota que también es importante para el desarrollo de una organización pluricelular es la naturaleza de su genoma. Las células eucariotas poseen un genoma proporcionalmente mucho mayor que el de las procariotas. En él, además, la mayor parte del ADN no codifica para proteínas. Esto les permite tanto acumular genes alternativos para las mismas características como contar con genes reguladores, que se encargan de determinar qué subconjunto de instrucciones debe expresarse en cada célula. Esto hace posible, por lo tanto, la diferenciación celular, ya que permite que dos células con un genoma idéntico desarrollen "programas genéticos" diferentes, gracias a que sus transcriptomas (es decir, el conjunto de genes que se transcriben y se manifiestan en forma de ARN) pueden ser distintos.

Estabilidad estructural de los tejidos

El mantenimiento de la cohesión y de la estructura tridimensional de los tejidos es fundamental no solo para mantener la integridad del organismo, sino también para conservar la funcionalidad del propio tejido ya que, en muchos casos, la diferenciación de las células depende, al menos en parte, de su posición dentro del mismo.

En el mantenimiento de la estructura de los tejidos juegan un papel importante tres elementos característicos de la organización eucariota: el citoesqueleto, las uniones intercelulares y la matriz extracelular.

El citoesqueleto mantiene la forma y la estructura interna de las células, asegurando que conserven su posición en el tejido, o que, si resulta necesario, se desplacen de un lugar a otro.

Las uniones intercelulares no solo conservan a las células unidas entre sí (adhesión), requisito imprescindible para la formación del tejido, sino que también permiten la comunicación entre las células, función a la que también contribuye el citoesqueleto.

Finalmente, la matriz extracelular de los tejidos animales es una mezcla de proteínas y polisacáridos producidos por el retículo endoplásmico rugoso y el aparato de Golgi de las células cercanas. Una vez sintetizados, estos componentes se desplazan por el interior de la célula hasta situarse en el lugar concreto donde van a ser secretados, lo que hace que las propiedades de la matriz varíen de un lugar a otro (por ejemplo, en la parte basal de los tejidos epiteliales se deposita una capa de proteínas que constituye la lámina basal, que separa ese tejido de otros. Esta lámina está ausente del resto del tejido). La organización final de los componentes de la matriz tiene lugar en el exterior de las células.

La matriz extracelular también incluye puntos de anclaje para las células que forman el tejido.

En los hongos, algas y vegetales el papel de la matriz extracelular es desempeñado por la propia pared celular.

Origen de las nuevas células en un tejido

En los organismos pluricelulares actuales, el tamaño y la forma de los tejidos y los órganos, así como los tipos celulares que los forman, están intensamente regulados, y la pérdida del equilibrio puede provocar consecuencias fatales para el individuo, como ocurre en el caso del cáncer. Este equilibrio se consigue mediante la limitación de la proliferación celular, por una parte, y a través de programas de muerte celular programada, por otra.

En la mayor parte de los tejidos adultos de un organismo la capacidad de reproducirse está limitada a un grupo reducido de células no diferenciadas, que reciben el nombre de células madre, y que son capaces de dar lugar a todas o a la mayor parte de las células de ese tejido. (la denominación inglesa de estas células, stem cells, es decir, células tallo, es más descriptiva, ya que facilita visualizar cómo a partir de ellas surgen distintas ramas, las células diferenciadas, además de seguir creciendo el mismo tallo). El mecanismo que permite la diferenciación de las células es la división asimétrica: cuando una célula madre se divide mediante mitosis, una de las células conserva todas las características de la progenitora, y sigue siendo pluripotente y manteniendo la capacidad de dividirse, mientras que la otra célula solo expresa un conjunto de los genes, por lo que se encuentra ya diferenciada. A nivel genético, la diferencia entre las distintas células se debe a la presencia en cada tipo de distintos factores de transcripción, proteínas que actúan regulando los genes que se expresan en cada caso.

La muerte celular programada (apoptosis) permite eliminar del tejido células dañadas o alteradas, o simplemente las que ya no son necesarias. De este modo se puede compensar la formación de nuevas células a partir de las células madre, y mantener solo las células que funcionan adecuadamente.

En algunos tejidos sometidos a gran desgaste, por ejemplo en el epitelio que forma la epidermis, la propia diferenciación lleva a la muerte celular: las células acumulan depósitos de una proteína, queratina, al tiempo que van perdiendo los orgánulos, de modo que las células diferenciadas (queratinocitos) terminan por ser células muertas.

El endotelio intestinal, un ejemplo de estructura y función tisular

El endotelio intestinal es un tejido epitelial que puede servir de ejemplo para analizar la estructura y el mantenimiento de un tejido cualquiera. La estructura del tejido está soportada, fundamentalmente, por las uniones intercelulares. En el caso de los epitelios, las uniones estrechas crean una banda continua alrededor de las células que impide incluso el paso de las moléculas de pequeño tamaño por los espacios intercelulares. De este modo, los epitelios tapizan las superficies y las impermeabilizan, forzando a que la entrada y salida de sustancias se produzca a través de las células y, por tanto, de modo regulado.


 
Además de las uniones estrechas las células mantienen su contacto mediante otras uniones adhesivas, pero en este caso son de naturaleza puntual, comparables a los botones de tipo "automático" que pueden usarse para cerrar, por ejemplo, una camisa.

El epitelio intestinal es monoestratificado, lo que significa que está formado por una única capa de células. La mayor parte de la matriz extracelular se segrega solo por la parte basal de las células, donde forma la lámina basal, una estructura proteica que típicamente separa los epitelios de los tejidos subyacentes.

La matriz extracelular también proporciona puntos de anclaje a las células del tejido, mediante estructuras denominadas hemidesmosomas.

El citoesqueleto juega un papel fundamental en el mantenimiento de la estructura del tejido. Las uniones estrechas están reforzadas, en el citoplasma, por un haz de filamentos de actina justo por debajo de la membrana celular, con lo que contribuye a la integridad de esta banda de unión. Por otra parte, la distribución de los filamentos guarda relación con la arquitectura funcional del tejido: las células endoteliales están polarizadas, es decir, su lado basal es diferente a su cara apical, estructura que hace posible su función. La parte apical de estas células presenta prolongaciones en forma de dedos llamadas microvellosidades, que aumentan enormemente la superficie de la membrana, lo que incrementa su capacidad de absorción de nutrientes. Las microvellosidades presentan en su interior haces de filamentos de actina que las mantienen en su posición.

En cuanto al origen de las células, el epitelio intestinal, este tejido se forma a partir del endodermo. Tras el desarrollo embrionario, el epitelio crece formando evaginaciones (vellosidades) e invaginaciones (criptas) que aumentan en gran medida la superficie total de absorción. El tejido contiene cuatro tipos de células diferenciadas: las especializadas en la absorción, las células secretoras (caliciformes y enteroendocrinas) y las células de Paneth, con función defensiva.

Las células del epitelio son eliminadas constantemente, y sustituidas por otras que se forman a partir de células madre que se localizan en las criptas intestinales. En principio, estas células se encuentran en estado quiescente, es decir, en reposo, y se reproducen de manera asimétrica dando lugar, por una parte, a una célula madre que permanece en la cripta y por otra a una célula proliferativa, a partir de la cual se producen el resto de las células del tejido. La división de estas células da lugar a dos linajes celulares diferentes, según qué factores de transcripción se expresen en ellos: por una parte las células absorbentes y por otra las células secretoras y las células de Paneth.
El proceso de división y diferenciación está intesamente regulado, y los errores en estos sistemas de control pueden dar lugar a graves consecuencias. Así, una de las hipótesis más aceptadas para explicar el origen del cáncer de colon es la que supone que los tumores son generados y mantenidos por un pequeño grupo de células proliferativas derivadas de las células madre (células CBC) que son capaces de autorrenovarse y transformarse en las células tumorales.


Bibliografía

BOENIGK, Jens, WODNIOK, Sabina and GLÜCKSMAN, Edvard, 2015, Biodiversity and Earth history

BONNER, John Tyler. The origins of multicellularity. Integrative Biology Issues News and Reviews, 1998, vol. 1, no 1, p. 27-36.

Essentials of Cell Biology | Learn Science at Scitable 
En el texto: (Essentials of Cell Biology | Learn Science at Scitable 2016)
 
 

lunes, 6 de junio de 2016

Sistema Nervioso II: señales eléctricas y químicas en las neuronas

Las membranas celulares son semipermeables, lo que significa que permiten el paso libre de algunas sustancias, pero no de otras. En general las sustancias que pueden atravesar las membranas son de naturaleza apolar, porque se disuelven bien en los lípidos que forman esta estructura.

Sin embargo, el hecho de que algunas sustancias no puedan atravesar espontáneamente la membrana no significa que no puedan hacerlo. La célula posee diferentes tipos de proteínas que pueden actuar como transportadores, con la ventaja añadida para el funcionamiento celular de que tienen carácter específico, es decir, permiten el paso de una sustancia concreta, pero no el de otros compuestos parecidos. Gracias a esto, la célula se mantiene impermeable a compuestos que debe mantener fuera o dentro de ella, pero permite la entrada y la salida de otras sustancias que necesita.

Además, los transportadores de membrana no suelen ser simples conductos "pasivos", sino que en la mayor parte de los casos tienen un estado abierto y otro cerrado, y su apertura o cierre se produce como respuesta a estímulos específicos. De este modo, la célula puede regular la entrada y salida de sustancias entre su interior y el entorno que la rodea, ajustando su funcionamiento a las condiciones externas.

Los iones, debido a su carga eléctrica, son uno de esos tipos de sustancias que atraviesan la membrana con gran dificultad. Aunque la impermeabilidad no es completa, el flujo de iones por difusión a través de la bicapa lipídica es prácticamente nulo. Las proteínas que permiten el paso de ciertos iones de un lado a otro de la membrana reciben el nombre de canales iónicos.

Existen canales para diferentes iones y que responden a distintos tipos de estímulos. Así, los hay que se abren de modo aleatorio, mientras que otros se abren o se cierran como respuesta a un cambio en la diferencia de potencial entre los lados de la membrana (canales operados por voltaje), como resultado de la unión a la proteína de una sustancia química (canales operados por ligando) o incluso como respuesta a un estímulo mecánico, como la presión (canales operados mecánicamente). Muchos de ellos cuando están abiertos simplemente permiten el paso de los iones en ambas direcciones, en cuyo caso el flujo neto se produce según el gradiente de concentración (desde el compartimento más concentrado al más diluido), pero algunos operan en contra de gradiente de concentración, lo que requiere un gasto de energía que, en general, es proporcionado por la hidrólisis del ATP. En este caso estos canales suelen denominarse bombas.






Potencial de reposo

Debido a las propiedades electroquímicas de la membrana y a la actividad de los canales iónicos presentes en ella, se produce una diferencia en el potencial eléctrico entre el citoplasma y el medio extracelular. Esa diferencia de potencial recibe el nombre de potencial de reposo

El potencial de reposo existe debido a que se produce una cierta acumulación de iones positivos en la cara externa de la membrana y una cierta concentración de iones negativos en la región del citoplasma próxima a la superficie celular. Hay varios factores que contribuyen a explicar esta diferencia en la distribución de cargas eléctricas:
  • La distribución desigual de iones entre el interior y el exterior de la célula. El medio extracelular es rico en sodio (Na+) y cloruro (Cl-), mientras que el interior de la célula presenta concentraciones mayores de potasio (K+), fosfato (PO4-3) y aminoácidos. Esta diferencia se debe, al menos en parte, a que la membrana contiene más canales de apertura aleatoria para el potasio que para el sodio, lo que hace que salga de la célula más potasio que el sodio que entra.
  • Los aniones intracelulares no pueden atravesar la membrana. Los grupos fosfato y los aminoácidos, que son los aniones más abundantes en el interior de la célula, no pueden atravesar la membrana porque en general se encuentran asociados a moléculas de gran tamaño.
  • Existe un sistema activo que mantiene la diferencia de carga. Se trata de la bomba sodio-potasio, una proteína transmembrana que expulsa tres iones de Na+ por cada dos iones de K+ que introduce en la célula. Este sistema funciona en contra del gradiente de concentración, por lo que requiere energía que es proporcionada por la hidrólisis de ATP.

Potenciales graduados

La excitabilidad eléctrica de las neuronas consiste, desde el punto de vista físico-químico,  en su capacidad para modificar la diferencia de potencial que existe entre el exterior y el interior de la célula como respuesta a cambios externos.

La llegada de un estímulo hasta la neurona provoca un cambio en su potencial de reposo, al modificar la actividad de algunos canales iónicos. Un potencial graduado es una pequeña desviación del potencial de reposo que puede aumentar (hiperpolarización) o reducir (despolarización) la diferencia de potencial original.

Los potenciales graduados se producen, en general, en las zonas "receptoras" de la neurona, es decir, en las dendritas o en el soma neuronal. Se deben a la activación de canales iónicos operados mecánicamente o por ligando. Se denominan graduados porque la amplitud del potencial depende de la intensidad del estímulo, de modo que estímulos pequeños producen poca variación en el potencial de membrana mientras que estímulos intensos generan mayores variaciones en la diferencia de potencial.

Hay otras dos características importantes de los potenciales graduados. En primer lugar, su intensidad va disminuyendo a medida que nos alejamos del punto donde se ha recibido el estímulo, y en segundo lugar son acumulativos, es decir, pueden sumarse algebraicamente entre sí, lo que significa que potenciales del mismo signo se potencian mientras que potenciales de signo distinto (uno hiperpolarizador y otro despolarizador) tienden a anularse entre sí.

Potencial de acción

El potencial de acción es una sucesión rápida de procesos que primero reducen y luego invierten el potnecial de reposo de la membrana para finalmente restituirlo a la situación de partida.

En su desarrollo se distinguen dos fases fundamentales. La primera es la despolarización: el potencial de reposo, de signo negativo (el citoplasma está cargado negativamente respecto al exterior) se invierte hasta alcanzar valores positivos, es decir, hasta que el interior de la célula tiene más cargas positivas que el exterior. A continuación se produce una fase de repolarización, en la que el potencial de membrana vuelve a tomar su valor de reposo. Durante esta fase hay un periodo en el que el potencial de membrana es más negativo que el potencial de reposo (fase de hiperpolarización). Durante la hiperpolarización la membrana no puede generar un nuevo potencial de acción, por lo que este lapso de tiempo se denomina periodo refractario.

El potencial de acción solo se desencadena cuando la diferencia de potencial entre el citoplasma y el exterior alcanza un valor crítico conocido como potencial umbral. Aunque este valor puede variar de unas neuronas a otras, es constante para cada célula y suele ser de unos -55mV frente a los -70mV característicos del potencial de reposo.

El cambio de potencial de la membrana se produce como respuesta a la llegada de uno o varios potenciales graduados. Si el potencial graduado que alcanza la neurona es hiperpolarizador, o si es despolarizador pero no alcanza el valor umbral, no se desencadena el potencial umbral. En cambio si el potencial graduado alcanza o supera el valor umbral la neurona responde con la generación del potencial de acción. La intensidad de este, una vez que se ha iniciado, es independiente del valor de los potenciales graduados que lo han desencadenado, por lo que se dice que el potencial de acción sigue la "ley del todo o nada".


Los potenciales graduados que llegan a la región aferente de la neurona pueden tomar valores diferentes, proporcionales a la intensidad del impulso que los ha provocado, de modo que se puede considerar que la neurona recibe señales "analógicas". La neurona recibe todos esos impulsos y los "integra", sumándolos. Como resultado, solo puede dar dos tipos de respuesta: la generación de un potencial de acción o permanecer inactiva, de modo que se puede decir que la neurona ha transformado múltiples señales de entrada de naturaleza analógica en una única señal de salida de carácter digital.

La generación de un potencial de acción en la membrana de la neurona se debe a cambios en el estado de los canales iónicos operados por voltaje que hay en ella.

Cuando la célula está en reposo los canales operados por voltaje de sodio y potasio están cerrados. Si la suma de los potenciales graduados que alcanzan la célula iguala o supera el potencial umbral se abren los canales de sodio operados por voltaje, lo que provoca la entrada de este ión hacia el interior de la célula y la despolarización de la membrana.

Cuando se alcanza el potencial máximo, se cierran los canales de sodio y se abren los canales de potasio, lo que provoca la salida de este ión. Los canales de potasio permanecen abiertos incluso después de que se haya recuperado el potencial de reposo, por lo que se produce la hiperpolarización de la membrana.

Finalmente se cierran los canales de potasio, con lo que se recupera el potencial de reposo y la célula vuelve a su estado normal.

La fase de hiperpolarización tiene una importancia fundamental en la transmisión del impulso nervioso. Mientras una zona de la membrana está hiperpolarizada los canales de sodio operados por voltaje presentes en ella no pueden volver a abrirse, de modo que la despolarización solo se transmite en una dirección.

Existen dos modalidades de propagación del impulso nervioso a lo largo de una neurona. La conducción continua se produce en las fibras amielínicas y en las fibras musculares, que también presentan excitabilidad eléctrica. En este caso todos los segmentos de la membrana deben sufrir los procesos de despolarización y repolarización, lo que hace que la transmisión del impulso sea relativamente "lenta".

En el caso de las fibras mielínicas, las zonas de la membrana cubiertas por la vaina de mielina no pueden intercambiar iones con el exterior, de modo que estos procesos solo tienen lugar en las zonas en las que la membrana del axón se encuentra "al descubierto", es decir, en los nodos de Ranvier. En los nodos, el potencial de acción se transmite mediante corrientes iónicas locales, que al no necesitar la apertura de canales iónicos, se propagan con mayor rapidez que en el caso de la conducción continua.

Este mecanismo recibe el nombre de conducción saltatoria.

Codificación de la intensidad de la señal

Volviendo a la comparación con sistemas analógicos y digitales, tenemos que las neuronas generan siempre respuestas de la misma intensidad, ya que todos los potenciales de acción son iguales, mientras que la señal que la neurona recibe es analógica, es decir, puede tener diferente intensidad porque puede deberse a estímulos más o menos potentes.

Las neuronas tienen capacidad de ajustar su respuesta a la intensidad del estímulo recibido, fenómeno que se denomina modulación de la respuesta, y lo hacen cambiando la frecuencia con la que emiten los potenciales de acción: a mayor intensidad, mayor frecuencia de respuesta.



Transmisión sináptica

Una sinapsis es la zona donde una neurona se comunica con otra o con una célula efectora. Según el modo en que se establezca esa conexión se distinguen dos tipos de sinapsis.

Las sinapsis eléctricas se caracterizan porque la comunicación entre las células se establece mediante un tipo especial de unión intercelular, la gap junction, que consiste en un contacto estrecho entre las dos células de modo que existen canales iónicos operados por voltaje que comunican los dos citoplasmas. De este modo, los iones pueden pasar directamente de la primera célula a la segunda, transmitiendo el potencial de acción de una a la otra. Este tipo de uniones permiten una comunicación rápida, y la sincronización de diferentes neuronas, y son frecuentes en la musculatura visceral y cardíaca, así como durante el desarrollo embrionario, aunque posteriormente van siendo sustituidas por sinapsis químicas.

En las sinapsis químicas no hay continuidad entre las células que se comunican, sino que entre ellas queda un espacio denominado hendidura sináptica. El potencial de acción no puede transmitirse a través de ese espacio, por lo que la comunicación se produce gracias a la participación de una sustancia química liberada por la neurona presináptica, que atraviesa la hendidura sináptica para unirse a receptores específicos de la célula postsináptica y que recibe el nombre de neurotransmisor.

El terminál axónico de la neurona presináptica presenta, en general, un aspecto bulboso y acumula en su interior un considerable número de vesículas de membrana rellenas por el neurotransmisor. La membrana postsináptica, por su parte, presenta un gran número de receptores, proteínas de membrana que se unen específicamente al neurotransmisor,

Cuando el potencial de membrana alcanza el terminal axónico se producen los siguientes procesos:

  1. La despolarización de la membrana activa canales de calcio operados por voltaje, que permiten la entrada de este ión a la célula.
  2. Como resultado del aumento del calcio intracelular las vesículas membranosas se fusionan con la membrana presináptica, liberando el neurotransmisor a la hendidura sináptica.
  3. El neurotransmisor difunde a través de la hendidura, y se une a los receptores de la membrana postsináptica. Estos pueden ser canales iónicos operados por ligando, en cuyo caso se dice que el neurotransmisor es de tipo ionotrópico) que se abren como respuesta a la unión del neurotransmisor.
  4. La entrada de iones en la célula postsináptica desencadena en ella un potencial graduado. Si el receptor actúa como canal de sodio el potencial es despolarizador, y se denomina Potencial Excitatorio Postsináptico (PEPS), mientras que si se trata de un canal de potasio el potencial postsináptico es hiperpolarizador, y por tanto inhibitorio (PIPS).

Además de los receptores ionotrópicos, que son canales iónicos operados por ligando, existe otro tipo de receptores que reciben el nombre de metabotrópicos. En este caso el receptor no actúa directamente como canal iónico, sino que está asociado a una proteína intracelular (proteína G) que libera en el citoplasma una sustancia que recibe el nombre de segundo mensajero, porque su actividad consiste en "repetir" el mensaje del neurotransmisor, pero en el interior de la célula. Los segundos mensajeros pueden ser de distintos tipos, y pueden tener diferentes efectos, en ocasiones varios a la vez. Entre sus efectos están la activación o inhibición de enzimas o la apertura de canales iónicos, lo que da lugar a potenciales graduados en la célula postsináptica.

Una vez que el neurotransmisor ha transmitido la señal, ésta debe detenerse para que las células vuelvan a su estado normal. Esto supone que el neurotransmisor debe ser retirado de la hendidura sináptica, lo que puede ocurrir de diferentes formas:

  • Difusión: el movimiento aleatorio de las moléculas del neurotransmisor hace que se reduzca su concentración en la hendidura sináptica, hasta que ya no llega a provocar un cambio significativo en el potencial de membrana de la célula postsináptica.
  • Degradación enzimática: una enzima situada en la membrana postsináptica rompe el neurotransmisor transformándola en otra molécula inactiva. Un ejemplo de este mecanismo es la destrucción enzimática de la acetilcolina por acción de la acetilcolinesterasa, enzima que la divide en ácido acético y colina. Ambos compuestos son reabsorbidos por la célula presináptica, que los recicla para volver a sintetizar el neurotransmisor.
  • Captura por las células: algunos neurotransmisores son recaptados por la célula presináptica o por células de la glía. Una vez en el interior de estas células se inactivan o se reciclan. Un ejemplo de este mecanismo es la recaptación de la norepinefrina.

Existen unas 100 sustancias distintas que ejercen funciones como neurotransmisores en el organismo. Muchas de ellas, además, pueden ser liberadas al torrente circulatorio y actuar como hormonas.

Desde el punto de vista de su estructura química suelen distinguirse dos grandes grupos de neurotransmisores: los neuropéptidos, proteínas formadas por un reducido número de aminoácidos, y otro conjunto de moléculas, químicamente diversas, pero que se incluyen en la categoría de "moléculas pequeñas".

El más conocido de los neurotransmisores es la acetilcolina, que posee receptores metabotrópicos inhibidores e ionotrópicos excitatorios. Se localiza en las neuronas motoras de la médula, en numerosas zonas de la corteza cerebral o en el sistema nervioso autónomo. También hay algunos aminoácidos que desempeñan esta función, como el glutamato, que es el principal neurotransmisor excitatorio de la corteza, el aspartato, la glicina o el GABA (ácido gamma aminobutírico), un aminoácido que no forma parte de las proteínas.

Una tercera categoría de neurotransmisores no proteicos son las aminas biogénicas, que incluyen la adrenalina y la noradrenalina, que son también segregadas como hormonas en las glándulas suprarrenales, la dopamina y la serotonina. Las tres primeras tienen características químicas comunes, y reciben el nombre conjunto de catecolaminas.

Algunos nucleótidos, relacionados químicamente con el ATP (AMP, ADP y ATP) también actúan como neurotransmisores.

Finalmente, dos sustancias bastante peculiares en cuanto a su acción como neurotransmisores son el óxido nítrico (NO) y el monóxido de carbono (CO). Ambas sustancias son gases a temperatura fisiológica, y no se acumulan en vesículas de membrana en las terminaciones axónicas, sino que se producen y liberan al exterior en el momento en el que llega el impulso. Tampoco poseen receptores, ya que pueden atravesar libremente la membrana postsináptica, ejerciendo su función directamente en el interior de la célula.

En cuanto a los neuropéptidos, todos ellos tienen en común ser péptidos de unos 30 a 40 aminoácidos de longitud, que se unen a receptores metabotrópicos. Entre ellos se encuentran los opiáceos endógenos (encefalinas, endorfinas y dinorfinas), que juegan papeles importantes en la detención del dolor, el aprendizaje y la memoria, o el péptido P que, por el contrario, refuerza la sensación de dolor.

El importante papel que juegan los neurotransmisores en la transmisión de la información en las sinapsis ha propiciado que sean uno de los elementos más utilizados para desarrollar tratamientos de las enfermedades que afectan al sistema nervioso. Así, se actúa sobre su proceso de síntesis, ya sea inhibiéndola o estimulándola, como ocurre en el tratamiento de los enfermos de Parkinson con L-Dopa, una sustancia precursora de la síntesis de dopamina. También puede actuarse médicamente sobre su liberación; las anfetaminas, por ejemplo, deben su actividad a que liberan adrenalina y dopamina, mientras que la toxina botulínica actúa bloqueando la liberación de acetilcolina en las neuronas motoras. 

Una tercera posibilidad de alterar el funcionamiento de los neurotransmisores es activar o bloquear sus receptores. En el primer caso se utilizan sustancias que se denominan agonistas, porque producen el mismo efecto que el neurotransmisor. Es el caso de los agonistas de la adrenalina y noradrenalina, que se utilizan como broncodilatadores. Por el contrario, las sustancias que provocan los efectos contrarios al neurotransmisor se denominan antagonistas. Los antagonistas de la serotonina y la dopamina se utilizan como tratamientos de la esquizofrenia.

Finalmente, también se puede estimular o inhibir la eliminación del neurotransmisor, reduciendo o aumentando su actividad. La cocaína bloquea la recaptura de la dopamina, por lo que prolonga su efecto, mientras que los inhibidores de la MAO (monoaminoxidasa, enzima que degrada catecolaminas) se usan en el tratamiento de la depresión.

Sumación de estímulos

En general, la llegada de un único potencial presináptico a una neurona puede no ser suficiente para
desencadenar un potencial de acción. La respuesta en esta célula puede producirse, en este caso, si se da el fenómeno de sumación de potenciales, que se produce bien cuando varios potenciales graduados procedentes de la misma célula presináptica llegan en un breve periodo de tiempo (sumación temporal) o bien cuando la neurona postsináptica recibe estímulos de diferentes neuronas presinápticas (sumación espacial). Los potenciales graduados que llegan a esta célula pueden ser tanto excitatorios como inhibitorios, de modo que el resultado es la suma neta de todos ellos.

Circuitos neuronales

La comunicación entre neuronas no suele ser una a una, es decir, cada neurona recibe información de varias células aferentes y puede enviar información a distintas células eferentes, lo que permite multiplicar las vías y los modos en los que se transmite esa información, de modo que el sistema nervioso funciona como una gran red de enorme complejidad.

Las estructuras básicas de esta red son los circuitos neuronales, conjuntos de neuronas comunicadas entre sí de una forma particular. La arquitectura de cada circuito neuronal. es decir, el modo en el que están conectadas entre sí las neuronas que lo forman, le proporcionan características específicas que le permiten desempeñar funciones concretas dentro del sistema nervioso.

Los circuitos lineales son simplemente cadenas de neuronas dispuestas una tras otra y conectadas secuencialmente entre sí. Si todas las sinapsis son excitatorias la información se propaga sin cambios a lo largo de todo el circuito, mientras que si alguna de las sinapsis es inhibitoria se bloquea o reduce la excitación de neuronas posteriores a lo largo de la cadena.



En un circuito divergente una única neurona establece contactos con varias células, lo que permite amplificar su señal y hacer que llegue a varios destinos diferentes. Ejemplos de este tipo de circuitos incluyen los sistemas mediante los cuales un pequeño número de neuronas cerebrales controlan un movimiento corporal estimulando simultáneamente un gran número de neuronas de la médula espinal.







Los circuitos convergentes se establecen cuando una única neurona recibe información de varias células aferentes (presinápticas). Esta estructura permite, por ejemplo, que una única neurona motora reciba información desde neuronas situadas en diferentes partes del cerebro, con lo que el mismo movimiento puede ser realizado como respuesta a distintos estímulos, controlados por cada una de esas partes.



Circuitos reverberantes: en una cadena de neuronas, algunas ramificaciones laterales de las últimas neuronas del circuito activan o inhiben a neuronas anteriores a ellas. Esto permite mantener la respuesta durante periodos considerablemente prolongados, incluso de varias horas, hasta que es detenida por neuronas inhibitorias. Este tipo de circuitos parece jugar papeles importantes en actividades tales como la respiración, el despertar,  actividades musculares coordinadas o la memoria a corto plazo.

En los circuitos paralelos posdescarga una única neurona presináptica establece conexiones con varias interneuronas, cada una de las cuales conecta con la misma neurona postsináptica después de seguir caminos de diferente longitud. De esta manera la neurona postsináptica puede emitir una sucesión rápida de respuestas como resultado de un único estímulo inicial. Estos circuitos parecen estar relacionados con actividades de precisión, como los cálculos matemáticos.

Regeneración y reparación del tejido nervioso

El sistema nervioso posee una gran plasticidad, es decir, capacidad de cambiar como resultado de la experiencia a lo largo de la vida del individuo. Las manifestaciones de esta plasticidad son la formación de nuevas dendritas, la síntesis de nuevas proteínas y los cambios que tienen lugar en las sinapsis. Sin embargo, su capacidad de regeneración, es decir, de que las neuronas se reproduzcan o se reparen a sí mismas, es muy reducida: en el sistema nervioso periférico puede producirse la regeneración de axones mielinizados dañados si el soma de la célula está intacto y las células de Schwann están activas, pero en el sistema nervioso central se produce muy poca o ninguna regeneración.

Las neuronas mielínicas del Sistema Nervioso Periférico tienen buenas posibilidades de regenerarse si conservan su soma y el neurolemma, siempre que la cicatrización se produzca a un ritmo lento. Cuando el axón de una de estas células se daña lo primero que ocurre es la degradación de la fibra desde el punto en el que se ha producido la lesión hasta su extremo (degeneración walleriana), debida a la acción de los macrófagos. A continuación las células de Schwann se reproducen y crecen hasta formar un tubo de regeneración, en cuyo interior se produce el crecimiento del axón. Si la distancia entre las células de Schwann que han permanecido intactas es demasiado grande no se produce su proliferación ni la regeneración axonal.

En cuanto al Sistema Nervioso Central, hay muchas especies animales, como los pájaros cantores, en los que se producen neuronas nuevas de una manera más o menos constante a lo largo de la vida. En mamíferos este proceso parece estar mucho más limitado, aunque se ha encontrado la formación de nuevas neuronas en algunas zonas del encéfalo como el hipocampo, zona relacionada con el aprendizaje.

El estudio de la regeneración neuronal en diferentes especies muestra patrones de crecimiento diferente en el ser humano y los primates relacionados al compararlos con otros mamíferos como el ratón. En los homínidos la regeneración de las neuronas del giro dentado (hipocampo) es mucho más importante que en otros mamíferos, afectando a la práctica totalidad de la zona a lo largo de la vida del individuo.

En humanos también se da neurogénesis en el núcleo estriado, región que no presenta esta característica en otras especies. Se desconoce la función biológica de estos procesos de regeneración, aunque parece que esta zona está relacionada con la "flexibilidad cognitiva", la capacidad de reajustar nuestros objetivos ante los cambios en el contexto, así como con el comportamiento social, la planificación y la modulación del movimiento, la recompensa, la motivación y el placer o la valoración del arte, especialmente de la música.

viernes, 3 de junio de 2016

Sistema Nervioso I: aspectos generales

El sistema nervioso es una red compleja formada por neuronas y células gliales que se extiende por todo el cuerpo. Tiene dos divisones fundamentales, el sistema nervioso central (SNC) y el sistema nervioso periférico (SNP), en las que se distinguen varios elementos fundamentales:
  • El encéfalo es el órgano más importante y el de mayor tamaño del sistema. Se encuentra en el interior del cráneo y de él nacen
  • Doce pares de nervios craneales. Los nervios son haces de axones, tejido conectivo y vasos sanguíneos que se encuentran fuera del sistema nervioso central. Cuando esos mismos haces se encuentran dentro del sistema nervioso central se denominan tractos.
  • La médula espinal es un cordón nervioso hueco que conecta directamente con el encéfalo y que está rodeada y protegida por la columna vertebral.
  • Los nervios raquídeos nacen de la médula y van a inervar las diferentes partes del organismo. Son 31 pares.
  • Los ganglios son pequeñas masas de tejido nervioso, concretamente de cuerpos celulares, que se encuentran fuera del sistema nervioso central.
  • Los plexos entéricos son redes de neuronas que forman una malla alrededor del tubo digestivo y que tienen una cierta capacidad de funcionamiento autónomo.
  • Los receptores sensoriales son dendritas o neuronas especializadas en detectar cambios en su entorno (estímulos) y generar impulsos que se comunican a otras partes del sistema.
El sistema nervioso central está constituido por el encéfalo y la médula espinal. Ambos órganos se caracterizan por poseer un elevadísimo número de neuronas, unas 1011 en el primero y unas 108 en la segunda. Se ocupa de procesar la información entrante y es el origen de los pensamientos, las emociones y los recuerdos. Como resultado de su actividad envía señales que provocan la contracción de los músculos o la actividad de las glándulas.

El sistema nervioso periférico está formado por todo el tejido nervioso que se encuentra fuera del sistema nervioso central. En él se distinguen tres componentes distintos:

  • El sistema nervioso somático está formado por neuronas que reciben información de receptores somáticos (fundamentalmente los órganos sensoriales) y neuronas que llevan información hacia los músculos esqueléticos. Su funcionamiento es voluntario.
  • El sistema nervioso autónomo incluye neuronas sensoriales que recogen la información de los receptores autónomos, situados fundamentalmente en los órganos viscerales, y por neuronas motoras que llevan la información hacia la musculatura lisa y cardíaca y hacia las glándulas. Es involuntario.
  • El sistema nervioso entérico está constituido por los plexos entéricos, distribuidos a lo largo del tracto digestivo. Aunque se comunica con los otros componentes del sistema nervioso, en la mayor parte de los casos funciona de manera involuntaria e independiente. Sus elementos incluyen neuronas sensoriales capaces de detectar los cambios químicos que se producen en el tubo digestivo, así como la fuerza que ejercen sus paredes, y neuronas motoras que controlan la motilidad de los músculos del tubo, la secreción de las glándulas relacionadas con el tubo y la producción de hormonas por parte de las células endocrinas de la zona
Se puede considerar que el sistema nervioso realiza tres funciones básicas: la función sensitiva consiste en detectar los cambios de diversos tipos que se producen tanto en el interior como en el exterior del cuerpo. La información recogida es transmitida por neuronas aferentes hacia el sistema nervioso central por medio de los nervios. Esa información es analizada por el sistema nervioso central, que conserva la parte que resulta significativa y toma decisiones que conducen a una respuesta. Estos procesos constituyen la función integradora. La percepción es la sensación consciente de los estímulos sensitivos, y es el resultado de un proceso de integración que tiene lugar en el cerebro. Finalmente, la función motora consiste en el desencadenamiento de una respuesta apropiada mediante la activación de los órganos efectores, que pueden ser músculos o glándulas, y que reciben dicha información a través de los nervios craneales o espinales.

El tejido nervioso

El tejido nervioso consta de dos tipos celulares diferentes, relacionados y coordinados entre sí: las neuronas son las células responsables de las funciones características del sistema nervioso: sensibilidad, recuerdo, control de la actividad muscular y de la secreción glandular y pensamiento. Son células muy diferenciadas que, en general, han perdido su capacidad de división. Las células de la glía son mucho más abundantes que las neuronas (se encuentran en una proporción de 25:1). Sus funciones consisten en soportar, nutrir y, en general, colaborar a la actividad de las neuronas, manteniendo la homeostasis del medio que las rodea. A diferencia de las neuronas, las células de la glía conservan la capacidad de división. Las características de ambos tipos de células varían de unas partes a otras del sistema nervioso.

Una de las características fundamentales de las neuronas es la excitabilidad eléctrica, es decir, la capacidad para responder a un estímulo transformándolo en un potencial de acción, En este contexto se entiende por estímulo cualquier cambio en el entorno lo suficientemente intenso como para provocar una respuesta, y como potencial de acción una señal eléctrica que se propaga a lo largo de la superficie de una neurona, como resultado del movimiento de iones (sodio y potasio) entre el interior de la célula y el medio que la rodea a través de proteínas transportadoras específicas. Una vez que se inicia el potencial de acción se transmite sin perder intensidad durante todo su recorrido, a una velocidad que va desde los 0,5 a los 130 m/s en función del tipo de fibra nerviosa.

Las neuronas son células muy especializadas tanto desde el punto de vista funcional como desde el estructural. Morfológicamente se distinguen en ellas tres regiones diferenciadas: el cuerpo celular o soma contiene el núcleo y los orgánulos celulares típicos. Al microscopio se aprecian, como estructuras características, los corpúsculos de Nissl, que son en realidad agrupaciones de vesículas del retículo endoplásmico rugoso. El citoesqueleto de la célula está bien desarrollado e incluye microtúbulos, microfilamentos de actina y neurofilamentos. Los microtúbulos participan en el transporte de moléculas a lo largo de la célula. Cuando la neurona envejece se forman en ella gránulos citoplasmáticos que contienen una sustancia llamada lipofucsina.
Del cuerpo de la neurona surgen dos tipos de prolongaciones que reciben el nombre genérico de fibras nerviosas. Las dendritas forman la parte capaz de recibir señales, gracias a la presencia en su membrana de receptores específicos para moléculas procedentes de otras células. Suelen ser cortas, estrechas y ramificadas.

El axón es la parte de la neurona que envía la información hacia otra neurona, una célula muscular o una glándula. Nace en una zona del soma que, debido a su forma, recibe el nombre de cono axónico, y que es importante en el funcionamiento neuronal porque puede considerarse el "punto de toma de decisiones" de la célula: a esa zona llegan impulsos procedentes de todas las dendritas. El resultado de su integración puede dar lugar (o no) a un potencial de acción que se propagará a lo largo del axón.

La membrana del axón recibe el nombre específico de axolemma, y su citoplasma el de axoplasma. Contiene mitocondrias, microtúbulos y neurofilamentos, pero no retículo endoplásmico rugoso. El extremo final del axón se ramifica y establece contacto con varias dendritas de distintas neuronas. Este "árbol" de terminaciones se denomina telodendron. Los axones pueden presentar ramificaciones que se prolongan en ángulo recto con su eje y que reciben el nombre de colaterales.

Algunos axones están rodeados de una vaina de mielina, que en realidad es la prolongación enrollada en torno al axón de una célula glial.

Cuando los impulsos que recibe una neurona llegan al cono axónico, si su suma alcanza un cierto valor umbral se produce un cambio en las propiedades eléctricas de la membrana celular que recibe el nombre de potencial de acción. Esta señal eléctrica se propaga a lo largo del axón en una sola dirección, hacia el telodendron, viajando a velocidad constante (característica para cada tipo de neurona) y sin perder intensidad hasta el extremo de la neurona.

La comunicación que existe entre dos neuronas contiguas recibe el nombre de sinapsis. Existen dos tipos de sinapsis: la eléctrica, en la que las dos células entran en contacto a través de un tipo especial de unión celular (gap junction) que permite el paso de iones directamente desde una célula a otra, y la química, la más habitual.

En el caso de las sinapsis químicas las dos células están separadas entre sí por un pequeño espacio (la hendidura sináptica). El extremo del axón se engruesa formando una estructura bulbosa, llamada botón sináptico, que contiene un gran número de vesículas de membrana rellenas de un neurotransmisor. La comunicación se establece gracias a la liberación de ese neurotransmisor al espacio sináptico. En la célula postsináptica la membrana posee un gran número de receptores específicos, capaces de unirse a ese neurotransmisor, 

Desde el punto de vista estructural se distinguen varios tipos de neuronas, en función de las características de sus procesos (prolongaciones).

Las neuronas multipolares tienen, en general, varias dendritas y un solo axón. A este tipo corresponden todas las neuronas motoras y la mayoría de las neuronas del cerebro y de la médula.

Las neuronas bipolares tienen una dendrita principal, ya que todas sus ramificaciones se reúnen en un único proceso, y un solo axón. Aparecen en la retina, el oído interno y el área olfatoria del cerebro.

Finalmente, las neuronas unipolares, más correctamente llamadas pseudounipolares, parecen tener un único proceso. En realidad estas neuronas comienzan su desarrollo como bipolares, pero con el tiempo las dos terminaciones se unen formando un proceso único. El impulso nervioso puede recorrer este proceso sin pasar por el cuerpo neuronal. La mayor parte de las neuronas de este tipo son sensoriales.

Desde el punto de vista de su función, por otra parte, las neuronas se diferencian según el destino del impulso que transmiten. 

Las neuronas sensoriales o aferentes están unidas a receptores sensoriales, o realizan ellas mismas esa función. Una vez activadas envían la información hacia el Sistema Nervioso Central. Son mayoritariamente unipolares.

Las interneuronas o neuronas de asociación integran la información aferente y pueden producir una respuesta activando una neurona eferente. En su mayoría son multipolares.

Las neuronas motoras o eferentes envían su información desde el Sistema Nervioso Central hacia los músculos o las glándulas que actúan como órganos eferentes. En general son multipolares.

El otro componente del tejido nervioso es la glía o neuroglía, que incluye varios tipos de células, diferentes en el Sistema Nervioso Central y en el Periférico.

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La glía del SNC presenta cuatro tipos celulares: los astrocitos (astroglía), los microcitos (microglía), los oligodendrocitos (oligodendroglía) y las células ependimarias.

Los astrocitos son las células más numerosas y de mayor tamaño de la glía. Tienen forma estrellada, y sus prolongaciones entran en contacto con las neuronas, los vasos sanguíneos que penetran en el sistema nervioso o con la piamadre, la más interna de las meninges.

Sus funciones son muy variadas y fundamentales para el funcionamiento correcto del tejido nervioso: soportan a las neuronas, forman la barrera hematoencefálica, que aísla a las neuronas de las sustancias tóxicas y el sistema glinfático, que elimina residuos, regulan el desarrollo de las neuronas en el periodo embrionario, mantienen un entorno químico apropiado para la transmisión de los impulsos nerviosos y parecen jugar un papel activo en el aprendizaje y en la memoria, influyendo en los procesos de formación de nuevas sinapsis.

Existen dos tipos distintos de astrocitos: los fibrosos tienen prolongaciones largas y poco ramificadas mientras que los protoplásmicos tienen muchas prolongaciones cortas y ramificadas, y se encuentran en la materia gris

Los oligodendrocitos son parecidos a los astrocitos, pero más pequeños y con menos prolongaciones. Se encargan de formar y mantener las vainas de mielina dentro del SNC.

La microglía está formada por células pequeñas con un gran número de prolongaciones finas y espinosas. Su función es defensiva, puesto que tienen actividad como macrófagos.

Las células ependimarias son células epiteliales cúbicas o prismáticas provistas de cilios y microvellosidades que delimitan los ventrículos cerebrales y el canal central de la médula. Producen y mantienen la composición del líquido cefalorraquídeo y mantienen la barrera que existe entre la sangre y el fluido cerebroespinal.

En el Sistema Nervioso Periférico la glía está formada por dos tipos de células. Las células de Schwann forman la vaina de mielina que rodean los axones, En las fibras mielínicas, cada célula de Schwann mieliniza un único axón, mientras que en las fibras amielínicas cada una de ellas envuelve a varios axones, hasta unos 20 en algunos casos.

Las células satélite son células aplanadas que rodean a las neuronas proporcionándoles soporte y regulando los intercambios de sustancias entre las neuronas y el líquido intersticial.

Mielinización

Algunos axones están rodeados por una vaina formada por prolongaciones de la membrana celular de una célula de la neuroglía, que recibe el nombre de vaina de mielina. Los axones que la presentan se conocen como axones mielínicos, o se dice que están mielinizados.

Químicamente, la mielina está formada por lípidos y por proteínas, que son los componentes de la membrana celular. Las células que forman la vaina son los oligodendrocitos en el SNC y las células de Schwann en el SNP. 

Las vainas de mielina no son continuas, sino que entre dos células gliales consecutivas queda siempre un pequeño fragmento de axón desnudo que recibe el nombre de nodo de Ranvier.

La vaina de mielina tiene una estructura diferente en el SNC y en el SNP. En el Sistema Nervioso Central un único oligodendrocito emite prolongaciones hacia varias células, formando varias vainas de mielina, mientras que en el Sistema Nervioso Periférico cada célula de Schwann se dispone alrededor de un único axón. En este caso la vaina incluye la membrana y el propio citoplasma de la célula, que forman una estructura denominada neurolemma, que parece tener un importante papel en la regeneración del tejido nervioso. Cuando un axón del SNP resulta dañado, el neurolemma forma un tubo en cuyo interior puede producirse la regeneración del axón. Sin embargo, en el SNC los axones tienen una capacidad de regeneración muy reducida, lo que posiblemente tiene relación con la ausencia de neurolemma.


Las fibras amielínicas no presentan vainas de mielina enrolladas a su alrededor ni nodos de Ranvier. Sin embargo, en el Sistema Nervioso Periférico los axones también se encuentran asociados a células gliales, que las envuelven formando vainas de Schwann.

En este caso, las células de Schwann presentan unas hendiduras longitudinales en las que se sitúan los axones. En este caso una sola célula de Schwann puede asociarse a varias neuronas.

En el Sistema Nervioso Central existen fibras nerviosas que no tienen ni vaina de mielina ni vaina de Schwann.

Agrupamientos en el Sistema Nervioso

El tejido nervioso está constituido por agrupamientos de los cuerpos o de las prolongaciones de las neuronas, asociadas a las células gliales. Los agrupamientos de somas neuronales se denominan ganglios cuando se encuentran en el Sistema Nervioso Periférico y núcleos cuando están en el Sistema Nervioso Central. Por su parte, las agrupaciones de prolongaciones nerviosas (axones) reciben el nombre de nervios en el Sistema Nervioso Periférico y de tractos dentro del Sistema Nervioso Central. Los nervios no solo incluyen axones, sino también vasos sanguíneos y tejido conectivo.




Sustancia gris y sustancia blanca

En una disección de tejido nervioso puede observarse, incluso sin tinción, que algunas zonas aparecen de color blanquecino mientras que otras tienen un color grisáceo. La materia o sustancia blanca está formada fundamentalmente por axones mielínicos, mientras que en la materia o sustancia gris predominan los somas neuronales. La distribución de ambos tipos de tejido es diferente según la zona del sistema nervioso: en la médula espinal la sustancia blanca rodea a un núcleo de sustancia gris con forma de "H" (o de mariposa), mientras que en el encéfalo la sustancia gris se encuentra ocupando la periferia del cerebro y el cerebelo, en tanto que la sustancia blanca se encuentra en el interior.

jueves, 7 de abril de 2016

Sistema muscular II: el músculo como órgano

Metabolismo y tipos de fibras musculares

Dentro del músculo esquelético pueden distinguirse varios tipos de fibras musculares según sus características celulares, el modo en que responden al esfuerzo y la forma en la que obtienen la energía.

En una primera aproximación, es fácil distinguir por su aspecto macroscópico entre fibras rojas, con alto contenido en mioglobina y gran cantidad de mitocondrias, que deben su color a que están muy irrigadas, y fibras blancas, con bajo contenido en mioglobina.

A partir de sus características bioquímicas, es decir, de la ruta metabólica que predomina en cada una de ellas, se distinguen tres tipos de fibras musculares: fibras tipo I u oxidativas lentas, fibras tipo IIa, llamadas también oxidativo-glucolíticas rápidas, y fibras de tipo IIb, que reciben el nombre más descriptivo de fibras glucolíticas rápidas.

Las fibras oxidativas lentas (OL, tipo I) son las más pequeñas y por lo tanto las que menos fuerza desarrollan. Son de color rojo oscuro porque están irrigadas por gran cantidad de capilares y contienen, además, elevadas concentraciones de mioglobina y muchas mitocondrias. Sus contracciones son prolongadas, durando entre 100 y 200 ms porque los puentes cruzados entre actina y miosina se hidrolizan lentamente. Su nombre se debe a que el mecanismo mediante el cual obtienen la energía es, fundamentalmente, la respiración aerobia, lo que las hace muy resistentes a la fatiga y les permite mantener contracciones durante horas.

Debido a estas características estas fibras se adaptan particularmente bien al mantenimiento de la postura y a la realización de actividades de resistencia, por lo que son especialmente abundantes en los músculos tónicos, que son los que realizan estas funciones.

Las fibras oxidativas gucolíticas rápidas (OGL, tipo IIA) presentan un tamaño intermedio entre los otros dos tipos. Poseen una elevada concentración de mioglobina y un gran número de capilares sanguíneos, lo que les permite obtener energía mediante la respiración aerobia, lo que les proporciona resistencia a la fatiga, pero también pueden hacerlo recurriendo a la glucolisis, gracias a su considerable reserva de glucógeno. Sus puentes cruzados se hidrolizan entre 3 y 5 veces más deprisa que los de las fibras lentas, lo que hace que su contracción sea más corta, hasta unos 100 ms. Este tipo de fibras participan en actividades como caminar o correr en velocidad.

Por último, las fibras glucolíticas rápidas (GR, tipo IIb) son las de mayor tamaño y las que poseen un mayor número de miofibrillas, por lo que son las que más potencia generan. Son de color claro, porque tienen pocos capilares, así como una baja concentración de mioglobina y un número relativamente reducido de mitocondrias. En cambio, tienen grandes cantidades de glucógeno, que les permiten obtener energía mediante la glucolisis. Su contracción es rápida y genera gran potencia, pero se fatigan pronto, por lo que intervienen en movimientos intensos de corta duración, como el levantamiento de pesos. Los programas de entrenamiento de fuerza aumentan el tamaño, la fuerza y el contenido de glucógeno de estas fibras, provocando hipertrofia muscular.

Todos los músculos poseen simultáneamente los distintos tipos de fibras, en proporción variable en función del tipo de esfuerzo que contribuyen a realizar.


Unidades motoras

La fibra muscular es la unidad estructural del músculo, pero no funciona de manera aislada. El axón de cada motoneurona se ramifica y conecta con un número considerable de fibras (unas 150 por término medio), de modo que todas esas fibras se contraen simultáneamente. El grupo de fibras musculares, en general separadas entre sí y distribuidas por todo el músculo, que están inervadas por una misma motoneurona constituye una unidad motora. Los músculos que producen movimientos precisos tienen pocas fibras por unidad motora (10 a 20 en los músculos oculares, 2 ó 3 en la lengua), mientras que los que llevan a cabo movimientos enérgicos a gran escala presentan un gran número de neuronas en cada unidad (2000 a 3000 en el bíceps). Esta característica es importante porque la fuerza de contracción del músculo depende, entre otros factores, del tamaño de las unidades motoras.

Cuando todas las fibras de una unidad motora se contraen repentinamente en respuesta a un único potencial de acción se produce una sacudida muscular o contracción tónica aislada. Utilizando un miograma se pueden analizar algunas de las características de las sacudidas musculares, lo que contribuye a entender el modo en el que funciona el músculo.

Lo primero que llama la atención es la enorme diferencia entre la duración del potencial de acción (1 ó 2 milisegundos) y de la sacudida, que llega a durar entre 20 y 200 ms. También se puede apreciar que existen varias etapas distintas dentro de la sacudida, en las que el músculo reacciona de forma diferente:
  • En primer lugar se produce un periodo de latencia, en el que el músculo no genera ninguna respuesta. Esta fase corresponde al tiempo que tarda el impulso en moverse a lo largo de la membrana, hasta que se inicia el ciclo de contracción. 
  • El periodo de contracción es la fase en la que el músculo se está acortando. El acortamiento es rápido al principio y posteriormente se ralentiza, hasta alcanzar la tensión máxima.
  • Durante el periodo de relajación se produce la vuelta del calcio al retículo.
Después de cada contracción, finalmente, la fibra atraviesa por un periodo refractario, durante el cual no puede volver a contraerse. La duración de este periodo varía de un tipo de músculo a otro, siendo de unos 5 ms en el músculo esquelético, pero alcanzando los 300 ms en el cardiaco.

La contracción muscular no sigue una ley de todo o nada, sino que es gradual: la tensión que puede generar un músculo va incrementándose progresivamente a media que se necesita para realizar un esfuerzo. En este proceso intervienen tres elementos distintos: el estiramiento de los componentes elásticos del músculo, el aumento de la frecuencia de la contracción y el reclutamiento de unidades motoras.

En cuanto al estiramiento de los componentes elásticos, cuando se produce la contracción de las fibras musculares, estas provocan también el acortamiento de los tendones y tejidos conectivos que envuelven a dichas fibras. Estos componentes del músculo se mantienen en tensión durante un periodo más largo que las propias fibras, de modo que aún se encuentran encogidos durante el tiempo que pasa entre dos contracciones sucesivas.

La frecuencia con la que se produce la contracción de las fibras es una variable que influye de manera fundamental en la tensión generada por el músculo.

Durante la contracción muscular no se producen sacudidas musculares aisladas, sino que el músculo recibe varios potenciales de acción sucesivos desde las motoneuronas que lo inervan. La llegada de estos estímulos sucesivos aumenta la intensidad de la contracción, fenómeno que recibe el nombre de sumación de ondas. Si el ritmo de llegada de los potenciales de acción es suficientemente rápido, entre 20 y 30 veces por minuto, se produce una contracción del músculo sostenida, pero oscilante, que recibe el nombre de tetania incompleta. Pero la tensión máxima que puede generar cada fibra se alcanza cuando la frecuencia de estimulación alcanza un ritmo de entre 80 y 100 contracciones por minuto. En este caso el músculo permanece contraido sin llegar a relajarse, estado que recibe el nombre de tetania completa.

La tensión máxima que se produce durante la tetania completa es entre 5 y 10 veces mayor que la de una sacudida muscular aislada, pero la fuerza muscular se produce, sobre todo, gracias a la sincronización de las unidades motoras.

Cada unidad motora está formada por un único tipo de fibras musculares, lo que hace que tengan propiedades coherentes en cuanto a resistencia y potencia del esfuerzo.

Cuando un músculo se contrae, las unidades motoras se van incorporando progresivamente al trabajo muscular, siguiendo un orden específico, siempre el mismo:
  • En primer lugar se contraen las fibras de tipo I (oxidativas lentas).
  • Si la fuerza generada no es suficiente, empiezan a contraerse también las fibras de tipo IIA (oxidativas glucolíticas rápidas).
  • Por último, cuando el esfuerzo a realizar es suficientemente grande, empiezan a contraerse las fibras glucolíticas rápidas (GR).
Tono muscular 

El tono muscular es una leve tensión que presentan todos los músculos incluso cuando se encuentran en reposo debida a que pequeños grupos de unidades motoras se activan e inactivan de modo alternativo.

Las contracciones que generan el tono muscular permiten que los músculos esqueléticos se mantengan firmes, pero no son suficientes para realizar un movimiento. Además de mantener la postura, estas contracciones musculares ayudan al retorno venoso de la sangre. En el caso de la musculatura lisa, el tono muscular ayuda a que el tubo digestivo mantenga una presión constante sobre su contenido y a mantener la presión arterial.

El daño en las motoneuronas que inervan el músculo provoca la pérdida del tono muscular, fenómeno conocido como flaccidez muscular.

Músculo y movimiento

El movimiento de una parte del cuerpo precisa que los músculos se unan a los huesos a través de los tendones.

En general, cada músculo se une a dos huesos y atraviesa, al menos, una articulación. Cuando el músculo se contrae tira de uno de los huesos de la articulación hacia el otro. Uno de los huesos, entonces, se mueve menos que el otro. El punto de unión del músculo al hueso menos móvil se denomina origen, y se encuentra, en general, en posición proximal. Por su parte, la unión del músculo al hueso móvil, en general en posición distal, recibe el nombre de inserción. Las acciones de un músculo son los principales movimientos que se producen cuando el músculo se contrae.

En la generación de movimiento los huesos se comportan como palancas cuyos puntos de apoyo son las articulaciones. El movimiento de la articulación se produce cuando el esfuerzo generado por el músculo (E) es mayor que la carga debida a la suma del peso de la estructura anatómica y del resto de los elementos que se deseen mover (C).


Las palancas permiten intercambiar fuerza por velocidad y amplitud de movimiento. Se obtiene ventaja mecánica cuando un esfuerzo pequeño es capaz de desplazar una gran carga. Para conseguirlo el esfuerzo debe aplicarse a mayor distancia del punto de apoyo que la carga, y debe moverse más rápido que ésta. Un ejemplo de articulación que trabaja de este modo es la mandíbula.

La desventaja mecánica, por su parte, se produce cuando se utiliza un esfuerzo grande para desplazar una carga pequeña. Para lograrla el esfuerzo debe aplicarse más despacio que el movimiento de la carga, y a menor distancia del punto de apoyo que ella. La desventaja mecánica permite mover una pequeña carga a gran velocidad, por ejemplo para realizar un lanzamiento. Un ejemplo de articulación que trabaja con desventaja mecánica es la del hombro con la espalda.


Las articulaciones del cuerpo responden a los tres tipos de palancas que existen. En las de primer género el punto de apoyo se encuentra entre el esfuerzo y la carga. Este tipo de palancas pueden producir tanto ventaja como desventaja mecáncia. Son poco comunes en el cuerpo, siendo un ejemplo típico la articulación del cráneo con la columna vertebral.

En las palancas de segundo género es la carga la que se sitúa entre el punto de apoyo y el esfuerzo. Siempre producen ventaja mecánica y son las que producen más fuerza. Hay expertos que consideran que no existen palancas de este tipo en el organismo, si bien otros autores opinan que la articulación del tarso con el metatarso puede considerarse una palanca de segundo género.

Finalmente, las palancas de tercer género tienen el esfuerzo entre el punto de apoyo y la carga. Siempre trabajan con desventaja mecánica, pero favorecen la amplitud y la velocidad del movimiento. Son el tipo de palancas más comunes en el organismo.

La contracción del músculo puede provocar que este cambie de longitud mientras genera una fuerza constante, en cuyo caso se habla de contracción isotónica, o que no lo haga, diciéndose entonces que la contracción es isométrica.

La contracción isotónica puede ser concéntrica, si la fuerza generada llega a superar la carga. En este caso el músculo se acorta y tira de otra estructura, como un tendón, disminuyendo el ángulo de una articulación.  La contracción también puede ser excéntrica, si la carga es mayor que el esfuerzo producido por el músculo. En este caso el músculo se alarga a pesar de que sus fibras se están contrayendo. El movimiento producido por la carga se produce, pero a una velocidad más baja que si el músculo no estuviera actuando.

Las contracciones excéntricas producen mayor daño muscular que las concéntricas y parece ser que provocan dolor retardado (agujetas).

Si la fuerza generada por el músculo no es suficiente para superar la resistencia del objeto que se quiere mover las fibras musculares se contraen igualmente, pero el músculo no cambia su longitud. En ese caso se produce una contracción isométrica, que no produce movimiento pero que gasta energía. Este tipo de contracciones estabiliza algunas articulaciones mientras que otras realizan movimientos.

La producción de movimiento requiere, en general, la acción coordinada de varios músculos. En la mayor parte de las articulaciones los músculos se disponen por pares opuestos, de modo que uno de los músculos de la pareja se contrae (el agonista o motor primario) mientras que el otro se relaja (antagonista).

Los papeles del agonista y del antagonista se intercambian en función del movimiento que se está realizando, de modo que el músculo que actúa como motor primario en la flexión trabaja como antagonista en la extensión.

A veces el músculo agonista cruza alguna articulación antes del punto en el que ejerce su acción primaria. En esos casos es necesaria la participación de otros músculos además de los dos más importantes. Los músculos sinergistas se contraen y estabilizan esas articulaciones intermedias, mientras que los músculos fijadores se encargan de estabilizar el músculo agonista para evitar que su origen se desplace.


Ejercicio y recuperación

La realización del trabajo muscular que supone el ejercicio físico intenso supone que las fibras musculares cambian su tasa metabólica, lo que a su vez necesita un mayor aporte de oxígeno que le permita producir más energía. Para proporcionar esta mayor cantidad de oxígeno el organismo incrementa el flujo sanguíneo y el ritmo respiratorio. A pesar de ello, durante los dos o tres primeros minutos del ejercicio el consumo que hace el músculo es mayor que el aporte de oxígeno que recibe, por lo que al principio del esfuerzo se produce un cierto déficit de oxígeno. Finalmente, al cabo de un cierto tiempo se alcanza un estado estable, en el que la sangre aporta el oxígeno suficiente para cubrir las necesidades de oxígeno de los músculos.

Cuando acaba el esfuerzo, el ritmo respiratorio y el consumo de oxígeno siguen siendo mayores de lo normal durante un cierto tiempo. La cantidad de oxígeno por encima del consumo basal que se necesita durante este periodo, hasta que el funcionamiento del organismo recupera su régimen de trabajo normal, se denomina oxígeno de recuperación. El oxígeno extra que se obtiene de este modo es utilizado en convertir el lactato generado por la glucolisis en glucógeno, proceso que tiene lugar en el hígado, en recuperar la fosfocreatina y el ATP consumidos durante los primeros instantes del ejercicio y en reponer el oxígeno que ha sido extraido de la mioglobina.



Fatiga muscular

En ocasiones, la realizción de un esfuerzo físico intenso da lugar a un estado de malestar físico que llamamos fatiga. La fatiga muscular es la incapacidad de mantener la fuerza de contracción tras una actividad prolongada. Desde un punto de vista fisiológico la fatiga tiene dos componentes: la fatiga periférica se debe a procesos que ocurren en los músculos, mientras que la fatiga central tiene su origen en el sistema nervioso central.

Los cambios locales que dan lugar a la fatiga periférica incluyen cambios en los valores de pH, pérdidas en la homeostasis del calcio (la fibra nerviosa no logra reciclar la totalidad del calcio que sale y entra del retículo sarcoplásmico), acumulación de productos metabólicos como el lactato, estrés oxidativo (acumulación de radicales libres producidos durante el metabolismo y no eliminados), aumento de temperatura que reduce la eficacia de las proteínas contráctiles o microlesiones musculares por repetición de los esfuerzos.

La fatiga central, por su parte, consiste en una disminución de la capacidad para contraer los músculos de forma adecuada durante el ejercicio físico independientemente de la fatiga muscular. Se trata de una situación fisiológica más difícil de explicar, aunque parece que una de las hipótesis más coherentes es que se debe a una liberación excesiva de un neurotransmisor, la serotonina.

En condiciones normales la serotonina ayuda a la realización del ejercicio físico, ya que aumenta la sensibilidad de las motoneuronas, lo que incrementa la frecuencia de la contracción y con ello la fuerza que puede generar el músculo. Sin embaro, según esta hipótesis, si se produce demasiada serotonina esta puede difundir más allá del espacio sináptico, ejerciendo su acción en los axones de las motoneuronas, donde tendría un efecto inhibitorio en vez de activador.

Una situación fisiológica relacionada con la fatiga es la aparición de las agujetas, o más correctamente el dolor muscular diferido. Se trata del dolor que aparece en zonas corporales sometidas a esfuerzo horas después del ejercicio, y que alcanza su máxima intensidad entre 24 y 72 horas después de la actividad física que lo ha provocado.

A pesar de lo extendido de esta dolencia, todavía no se conocen sus causas con claridad. La explicación tradicional, que suponía que el lactato producido por el músculo durante el esfuerzo causa el dolor al depositarse como cristales entre las fibras musculares (teoría metabólica) parece estar equivocada, si se tiene en cuenta, por una parte, que la mayor parte del lactato es eliminada en tan solo una hora mediante oxidación o transformación en glucógeno y que no se han encontrado cristales en biopsias de tejido muscular con agujetas.

La hipótesis más aceptada en la actualidad es la teoría mecánica, según la cual las agujetas se producen cuando la "solicitación mecánica" que se exige al músculo supera la resistencia de las estructuras musculares. Esto explicaría que la posibilidad de sufrir agujetas sea mayor en el caso de personas poco entrenadas. La exigencia mecánica es mayor cuando el músculo debe realizar contracciones excéntricas, lo que es congruente con la observación de que las agujetas se producen con mayor frecuencia cuando se realizan actividades que suponen este tipo de contracciones. La teoría mecánica está también apoyada por pruebas analíticas, ya que se han encontrado proteínas musculares en sangre y lesiones en el tejido muscular de personas que las sufren.

Además de este factor mecánico podrían intervenir también otros elementos, como la respuesta inflamatoria del cuerpo a las lesiones musculares, o la respuesta neurogénica, teoría que supone que cambia la forma en la que el cerebro interpreta las sensaciones que le llegan desde el músculo, de modo que lo que en condiciones normales sería considerado como un simple contacto en esta situación se interpreta como dolor (hiperalgesia).

Músculo, esfuerzo y ejercicio físico

Los órganos de nuestro cuerpo tienen una cierta capacidad de adaptar su funcionamiento a las condiciones en las que funcionan. En el caso del tejido muscular, la realización continuada de ejercicio físico induce que nuestros músculos se adapten a estas demandas, pero dado que las fibras musculares tienen muy poca capacidad de división el aumento de masa muscular producido por el ejercicio se debe, fundamentalmente, al aumento de tamaño de las fibras musculares (hipertrofia) y no a un aumento de su número (hiperplasia).

El entrenamiento también puede inducir cambios en la respuesta metabólica del músculo. La proporción de fibras GR y OL varía de una persona a otra, lo que contribuye a explicar las diferencias individuales de rendimiento físico. Así, una persona sedentaria de mediana edad suele tener un 45 a 55% de fibras OL, mientras que los deportistas de élite especializados en actividades de resistencia aeróbica pueden llegar a tener un 60 a 65% de este tipo de fibras. Por el contrario, un deportista de élite de deportes de fuerza puede tener hasta un 60-65% de fibras de tipo II.

Parece ser que el entrenamiento no puede cambiar esta proporción, que probablemente tiene base genética. En cambio, si que parece poder modificar el comportamiento metabólico de las fibras de tipo II, de modo que la realización continuada de ejercicios aeróbicos tiende a hacer que algunas fibras GR se transformen en fibras OGR.

Además de este efecto directo sobre el metabolismo celular, el entrenamiento también produce otras adaptaciones fisiológicas que son beneficiosas para el funcionamiento del organismo: aumenta la capilarización, lo que mejora la resistencia, provoca la hipertrofia de las fibras musculares (en particular el entrenamiento de fuerza), incrementa el número de mitocondrias y la actividad enzimática en el músculo y, en general, provoca cambios vasculares y respiratorios que facilitan la llegada de oxígeno al músculo.