Diferentes tipos de neurotransmisores y diferentes tipos de receptores a los que se unen.

Introducción

¿Sabías que hay miles de millones de neuronas —y billones de sinapsis— en tu asombroso cerebro?1^1 (Con razón puedes aprender cualquier cosa, ¡incluyendo neurobiología!) La mayoría de tus sinapsis son sinapsis químicas, lo que significa que mensajeros químicos transportan la información desde una neurona a la siguiente.
En el artículo sobre sinapsis, hablamos de cómo funciona la transmisión sináptica. Aquí nos centraremos en los neurotransmisores, los mensajeros químicos que liberan las neuronas en las sinapsis para poder "hablar" con las células vecinas. También veremos las proteínas receptoras que permiten a la célula blanco "escuchar" el mensaje.

Neurotransmisores: convencionales y no convencionales

Hay muchos tipos diferentes de neurotransmisor y ¡se siguen descubriendo nuevos! Con los años, la idea misma de lo que determina un neurotransmisor ha cambiado y se ha ampliado. Puesto que la definición es más extensa, algunos neurotransmisores descubiertos recientemente se pueden considerar como "no tradicionales" o "no convencionales" (en relación con las definiciones más antiguas).
Discutiremos estos neurotransmisores no convencionales al final del artículo. Por ahora, vamos a empezar con los convencionales.

Neurotransmisores convencionales

Los mensajeros químicos que actúan como neurotransmisores convencionales comparten ciertas características básicas: se almacenan en vesículas sinápticas, se liberan cuando entra Ca2+\text{Ca}^{2+} en el axón terminal en respuesta a una potencial de acción y actúan uniéndose a receptores en la membrana de la célula postsináptica.
Diagrama de una sinapsis que muestra los neurotransmisores almacenados en vesículas sinápticas dentro del axon terminal. En respuesta a un potencial de acción, las vesículas se fusionan con la membrana presináptica y liberan neurotransmisores en el espacio sináptico.
Imagen modificada de "La sinapsis", de OpenStax College, Anatomy & Physiology (CC BY 3.0).
Los neurotransmisores convencionales pueden dividirse principalmente en dos grupos: neurotransmisores de molécula pequeña y neuropéptidos.

Neurotransmisores de molécula pequeña

Los neurotransmisores de molécula pequeña son diversos tipos de moléculas orgánicas pequeñas (¡como es de esperarse!). Estas incluyen:
  • Los aminoácidos neurotransmisores glutamato, GABA (ácido γ-aminobutírico) y glicina. Todos estos son aminoácidos, aunque GABA no es un aminoácido que se encuentre en las proteínas.
    Estructuras de la glicina, ácido glutámico y GABA. Todos son aminoácidos
  • Las aminas biogénicas dopamina, norepinefrina, epinefrina, serotonina e histamina, que se hacen a partir de aminoácidos precursores.
    Las aminas biogénicas son moléculas biológicamente importantes que, como los aminoácidos, tienen un grupo amino que contiene nitrógeno. Sin embargo, a diferencia de los aminoácidos, las aminas biógenas carecen de un grupo carboxilo (-COOH\text{-COOH}).
    Las aminas biogénicas se relacionan con aminoácidos específicos:
    • Dopamina, norepinefrina y epinefrina son sintetizadas a partir de (y están muy relacionadas con) el aminoácido tirosina.
    • La serotonina está relacionada con el aminoácido triptófano.
    • La histamina está relacionada con el aminoácido histidina.
Estructura de la dopamina
  • Los neurotransmisores purinérgicos ATP y adenosina, que son nucleótidos y nucleósidos.
    Los neurotransmisores purinérgicos reciben su nombre de las purinas, un grupo de bases nitrogenadas de dos anillos. Tal vez las purinas más conocidos son adenina y guanina, que se encuentran en los nucleótidos de ADN y ARN. Sin embargo, otras moléculas importantes también son purinas (la cafeína, por ejemplo). Los neurotransmisores purinérgicos adenosina y ATP contienen la base de purina adenina.
    Estructura de la adenosina.
  • La acetilcolina, que no encaja en ninguna de las otras categorías estructurales, pero es un neurotransmisor clave en las uniones neuromusculares (donde se conectan los nervios a los músculos), así como en algunas otras sinapsis.
    Estructura de la acetilcolina.

Neuropéptidos

Los neuropéptidos se componen de tres o más aminoácidos cada uno y son más grandes que los neurotransmisores de molécula pequeña. Hay una gran diversidad de neuropéptidos. Algunos de ellos incluyen las endorfinas y las encefalinas, que inhiben el dolor; la sustancia P, que transmite las señales dolorosas, y el neuropéptido Y, que estimula a comer y puede actuar en la prevención de convulsiones.
Secuencia de aminoácidos de la encefalina: N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-C.

Los efectos de un neurotransmisor dependen de su receptor

En general, algunos neurotransmisores se consideran "excitatorios", al aumentar la propensión de que una neurona dispare un potencial de acción. Otros suelen considerarse "inhibitorios", al disminuir la propensión de que una neurona blanco dispare un potencial de acción. Por ejemplo:
  • El glutamato es el principal transmisor excitatorio en el sistema nervioso central.
  • El GABA es el principal neurotransmisor inhibitorio en el cerebro vertebrado adulto.
  • La glicina es el principal neurotransmisor inhibitorio en la médula espinal.
Sin embargo, los términos "excitatorio" y "inhibitorio" no son categorías perfectamente definidas en que las que podemos clasificar los neurotransmisores. Por el contrario, un neurotransmisor a veces puede tener un efecto excitatorio o un efecto inhibitorio, dependiendo del contexto.
¿Cómo puede pasar eso? Resulta que no solo hay un tipo de receptor para cada neurotransmisor. En realidad, un determinado neurotransmisor suele interactuar y activar múltiples proteínas receptoras diferentes. Si el efecto de un determinado neurotransmisor es excitatorio o inhibitorio en una sinapsis dada depende de qué receptor o receptores están presentes en la célula postsináptica (blanco).

Ejemplo: acetilcolina

Vamos a discutir esto con algo más real en un ejemplo. El neurotransmisor acetilcolina es excitatorio en la unión neuromuscular del músculo esquelético y hace que el músculo se contraiga. En cambio, la acetilcolina es inhibitoria en el corazón, donde disminuye la frecuencia cardíaca. Estos efectos opuestos son posibles debido a que en cada ubicación, hay un tipo diferente de proteína receptora de acetilcolina.
Especificidad del tipo de célula en respuesta a la acetilcolina.
Panel izquierdo: célula del músculo esquelético. La molécula de acetilcolina se une a un canal iónico activado por ligando, y provoca que se abra y permita el paso de iones de carga positiva hacia adentro de la célula. Esto genera la contracción muscular.
Panel derecho: célula de músculo cardíaco. La molécula de acetilcolina se une a un receptor acoplado a proteína G, lo que dispara una respuesta corriente abajo que provoca la inhibición de la contracción muscular.
  • Los receptores de acetilcolina en las células del músculo esquelético se llaman receptores nicotínicos de la acetilcolina. Son canales iónicos que se abren en respuesta a la unión de la acetilcolina y causan despolarización de la célula blanco.
    Cuando se abre un receptor nicotínico a la acetilcolina, permite la entrada de iones sodio (Na+\text {Na}^+) por su gradiente de concentración. El canal también es permeable a iones K+\text {K}^+, que salen de la célula por su gradiente de concentración. Aunque ambos tipos de iones se mueven en direcciones opuestas, el efecto neto es una despolarización, porque hay más iones Na+\text {Na}^+ que entran que iones K+\text {K}^+ que salen.
  • Los receptores de acetilcolina en las células musculares del corazón se llaman receptores muscarínicos de la acetilcolina. No son canales iónicos, sino que activan vías de señalización en la célula blanco que inhiben la activación de un potencial de acción.
Los receptores nicotínicos y muscarínicos se nombran por otros tipos de moléculas (además de la acetilcolina) que se pueden unir a ellos y activarlos. De hecho, muchos fármacos interactúan con receptores de neurotransmisores para activarlos o evitar que sus neurotransmisores normales los activen.
El fármaco nicotina (que se encuentra en el tabaco) imita la acción de la acetilcolina en los receptores nicotínicos de la acetilcolina. Los efectos psicológicos de la nicotina dependen de su interacción con receptores nicotínicos de la acetilcolina en el cerebro.
Una toxina de setas llamada muscarina imita la acción de la acetilcolina en los receptores muscarínicos.

Tipos de receptores de neurotransmisores

Como el ejemplo anterior lo sugiere, podemos dividir las proteínas receptoras que se activan por medio de neurotransmisores en dos amplias clases:
  • Canales iónicos activados por ligando: estas proteínas receptoras son canales iónicos que atraviesan la membrana y que se abren como respuesta directa a la unión del ligando.
  • Receptores metabotrópicos: estos receptores no son canales iónicos en sí mismos. La unión del neurotransmisor desencadena una vía de señalización que puede abrir o cerrar canales indirectamente (o tener algún otro efecto totalmente diferente).

Canales iónicos activados por ligando

La primera clase de receptores de neurotransmisores son los canales iónicos activados por ligando, también conocidos como receptores ionotrópicos. Cuando el neurotransmisor se une, experimentan un cambio en su forma que causa la apertura del canal. Esto puede tener un efecto excitatorio o inhibitorio, dependiendo de los iones que pueden atravesar el canal y sus concentraciones dentro y fuera de la célula.
Los canales iónicos activados por ligando son complejos proteicos grandes. Tienen ciertas regiones que son sitios de unión para el neurotransmisor, así como segmentos que atraviesan la membrana para formar el canal.
Diagrama de un canal activado por ligando. Cuando el neurotransmisor se une al canal, este se abre y cationes fluyen por su gradiente de concentración hacia la célula, causando una despolarización
Los canales iónicos activados por ligando suelen producir respuestas fisiológicas muy rápidas. La corriente empieza a fluir (los iones comienzan a atravesar la membrana) en decenas de microsegundos a partir de la unión del neurotransmisor, y la corriente se detiene en cuanto el neurotransmisor ya no está unido a sus receptores. En la mayoría de los casos, el neurotransmisor se retira de la sinapsis muy rápidamente, gracias a enzimas que lo degradan o a que células vecinas lo recapturan.
Los canales iónicos activados por ligando incluyen los receptores nicotínicos de la acetilcolina antes mencionados, así como muchos de los receptores de los aminoácidos neurotransmisores glutamato, glicina y GABA. Uno de los receptores de serotonina también es un canal iónico activado por ligando, al igual que algunos receptores para neurotransmisores purinérgicos.

Receptores metabotrópicos

La activación de la segunda clase de receptores de neurotransmisores solo afecta la apertura y el cierre de canales iónicos indirectamente. En este caso, la proteína a la que se une el neurotransmisor —el receptor del neurotransmisor — no es un canal de iones. La señalización mediante estos receptores metabotrópicos depende de la activación de varias moléculas dentro de la célula y suele involucrar una vía de segundo mensajero. Dado que implica más pasos, la señalización por receptores metabotrópicos es mucho más lenta que la señalización con canales iónicos activados por ligando.
Diagrama de una forma en que puede actuar un receptor metabotrópico. El ligando se une al receptor, que desencadena una cascada de señalización dentro de la célula. La cascada de señalización provoca la apertura del canal iónico y permite que los cationes fluyan por su gradiente de concentración hacia el interior de la célula, lo que resulta en una despolarización.
Algunos receptores metabotrópicos tienen efectos excitatorios cuando se activan (hacen que la célula sea más propensa a disparar un potencial de acción), mientras que otros tienen efectos inhibitorios. A menudo, estos efectos ocurren porque los receptores metabotrópicos desencadenan una vía de señalización que abre o cierra un canal iónico. Por otra parte, un neurotransmisor que se une a un receptor metabotrópico puede cambiar la forma en que responde la célula a un segundo neurotransmisor que actúa mediante un canal activado por ligando. La señalización por receptores metabotrópicos también puede tener efectos en la célula postsináptica en los que no participan canales iónicos en lo absoluto.
La clase muscarínica de receptores de acetilcolina, la mayoría de los receptores de aminas biogénicas, y todos los receptores de neuropéptidos, son receptores metabotrópicos.

Neurotransmisores convencionales y sus tipos de receptor

Neurotransmisor¿Activa receptores ionotrópicos?¿Activa receptores metabotrópicos?
Aminoácidos
GABASí (inhibitorio)
GlutamatoSí (excitatorio)
GlicinaSí (inhibitorio)
Aminas biogénicas
Dopamina
Norepinefrina
Epinefrina
SerotoninaSí (excitatorio)
Histamina
Purinérgicos
Adenosina
ATPSí (excitatorio)
AcetilcolinaSí (excitatorio )
Neuropéptidos (muchos)
Esta tabla no es una lista exhaustiva, pero cubre algunos de los neurotransmisores convencionales más conocidos.

Neurotransmisores no convencionales

Todos los neurotransmisores que hemos discutido hasta ahora pueden considerarse "convencionales". Más recientemente, se han identificado varias clases de neurotransmisores que no siguen todas las reglas habituales. Estos se consideran neurotransmisores "no convencionales" o "no tradicionales".
Dos clases de transmisores no convencionales son los endocanabinoides y los gasotransmisores (gases solubles como el óxido nítrico NO\text{NO} y el monóxido de carbono CO\text {CO}). Estas moléculas son no convencionales porque no se almacenan en vesículas sinápticas y pueden llevar mensajes de la neurona postsináptica hacia la neurona presináptica. Además, en lugar de interactuar con receptores en la membrana plasmática de sus células blanco, los gasotransmisores pueden cruzar la membrana celular y actuar directamente sobre las moléculas dentro de la célula.
Probablemente se descubrirán otros mensajeros no convencionales conforme aprendamos más sobre cómo funcionan las neuronas. Con el descubrimiento de estos nuevos mensajeros químicos, tal vez tengamos que cambiar aún más nuestra idea de lo que significa ser un neurotransmisor.
Este artículo está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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Referencias complementarias:

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Lecturas sugeridas:

Snyder, S.H. (2009). Neurotransmitters, receptors, and second messengers galore in 40 years (La abundancia de neurotransmisores, receptores y segundos mensajeros en 40 años). En The Journal of Neuroscience, 29, 12717-12721. http://dx.doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3670-09.2009.
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