Mediante la combinación de enfoques de las neurociencias y la física, las matemáticas y la computación, un grupo de investigadores y estudiantes de la UNAM explora los mecanismos finos de la liberación de la serotonina, neurotransmisor fundamental para la regulación de la conducta, las emociones, el sueño, el apetito y el deseo sexual.
La llegada de un impulso eléctrico a los sitios de conexión entre las neuronas ocasiona la liberación de neurotransmisores químicos. Ocurre mediante la fusión de vesículas (llenas de estas biomoléculas) con la membrana de las primeras, lo que da lugar a un vaciamiento hacia el espacio extracelular.
Además, la serotonina y otros neurotransmisores pueden liberarse de varios sitios neuronales y alcanzar puntos distantes, con lo que las respuestas de conjuntos enteros de éstas cambian por periodos largos.
El estudio cuantitativo Dinámica de la fusión de vesículas durante la exocitosis de serotonina forma parte de un proyecto multidisciplinario coordinado por Francisco Fernández de Miguel en el Instituto de Fisiología Celular (IFC) de la Universidad Nacional.
Guillermo Ramírez Santiago y sus estudiantes del Instituto de Física (IF) de la UNAM han analizado los datos experimentales del laboratorio de Fernández de Miguel mediante modelos de difusión molecular para entender la liberación de la serotonina en la sanguijuela, un invertebrado cuyo sistema nervioso ha sido observado por los anatomistas desde el siglo XIX y cuya función ha sido indagada intensamente por los neurofisiólogos desde 1960.
Mecanismos finos
Del estudio de las neuronas de la sanguijuela se ha generado la mayor cantidad del conocimiento sobre los mecanismos finos de la liberación serotonínica. Los modelos desarrollados por el grupo de Ramírez Santiago consideran que ésta puede salir de las vesículas por difusión, advección o electro-difusión.
“En los humanos, 90 por ciento está en el tracto gastrointestinal; el resto se sintetiza en neuronas serotoninérgicas del sistema nervioso. Entre sus funciones se encuentran la regulación de la conducta, el estado emocional, el sueño, el apetito y el deseo sexual. En particular, la depresión se ha asociado a niveles bajos en el sistema nervioso”, expuso Ramírez Santiago.
¿Por qué los investigadores universitarios usan neuronas de sanguijuela? En primer lugar, porque su fisiología es similar a las de los humanos. En segundo, porque su sistema nervioso tiene pocas neuronas de gran tamaño, lo que las hace accesibles a la experimentación científica.
En tercero, porque de las 400 que hay en cada uno de los 21 ganglios intermedios de su sistema nervioso, siete son serotoninérgicas y casi todas han sido identificadas por su forma, función, posición, conexiones y contribución a la conducta. Finalmente, porque en contraste, los mamíferos tienen alrededor de 400 mil neuronas que secretan serotonina, según la especie.
Exocitosis
“La exocitosis es un proceso de transducción celular ocurrida en todas las células eucariotas. En respuesta a ciertos estímulos, la membrana de la vesícula y la de la célula se funden y producen un poro por donde inicia la liberación del contenido hacia el exterior de la membrana celular. Las vesículas están llenas de neurotransmisores, péptidos u hormonas”, refirió.
¿Cómo ocurre la exocitosis de la serotonina? Las neuronas de la sanguijuela se excitan mediante la aplicación de un estímulo eléctrico que libera la almacenada en las vesículas.
Cada una contiene un quantum del neurotransmisor formado por aproximadamente 90 mil moléculas. Pero, bajo ciertas circunstancias, hay una expulsión total del contenido y bajo otras, una parcial. ¿Por qué ocurre esto? Se espera responder a esta pregunta con los estudios del grupo interdisciplinario.
Una vez que sucede, cada vesícula se recicla, es decir, regresa al interior de la célula para llenarse nuevamente de serotonina, lo que da lugar a un proceso cíclico.
Es posible detectar la liberación referida mediante una de sus propiedades químicas: la oxidación. En condiciones experimentales se puede favorecer este proceso, en el que se liberan cuatro electrones por molécula.
Así, la oxidación del conjunto de moléculas produce una corriente eléctrica cuya intensidad es del orden de pico-amperes (10-9 amperes). Se detecta con un electrodo de carbono localizado a una distancia relativamente corta —del orden de los 40 nanómetros— de la boca exterior del poro.
“En el laboratorio se registra la respuesta a la estimulación y se cuantifica el número de moléculas contenidas en cada vesícula. Su forma como función del tiempo contiene información de la dinámica molecular de la formación del poro de fusión. Al ajustar los datos experimentales a un modelo empírico de ésta como función del tiempo se pueden definir las condiciones de frontera del flujo”, indicó Ramírez Santiago.
Con estas condiciones de frontera se resuelven las ecuaciones de transporte, cuyas soluciones deben ajustarse a los datos experimentales al poner a prueba si el proceso se puede describir por difusión, advección o electrodifusión. De esta manera, las soluciones de las ecuaciones permiten describir la dinámica de apertura del poro y cuantificar su área.
Los resultados sugieren que el área del poro es de unos cuantos nanómetros cuadrados y que tiene tres modos de operación. Los dos ya conocidos: en el que se apertura y la vesícula se fusiona completamente, en el que se abre y cierra rápidamente, y el descubierto por los universitarios: en el que permanece abierto y permite la liberación del contenido vesicular.
“Con la última variante de operación se logra una transmisión más lenta que la descrita anteriormente. Esto representa un avance importante, pues es la primera vez que se realiza este análisis con ecuaciones de transporte molecular”.
Objetivos
Uno de los objetivos de la investigación es identificar el mecanismo molecular por el que ocurre la apertura del poro, pues no se sabe si en él intervienen proteínas o lípidos.
“Se espera que los modelos de transporte permitan entender a detalle las circunstancias bajo las cuales se libera el contenido total o parcial de las vesículas o si existe más de un tipo”, subrayó.
Recientemente se publicó en la revista Frontiers in Cellular Neuroscience una nota editorial en la que se aborda la importancia, en el contexto de las neurociencias, de los resultados y conclusiones del artículo Exocytosis of serotonin from the neuronal soma is sustained by a serotonin and calcium-depend feedback loop, escrito por Fernández de Miguel y sus colaboradores, y publicado en la misma.
“En el texto se demuestra que la exocitosis de la serotonina del soma neuronal obedece a un ciclo de retroalimentación calcio-serotonina. Es decir, esta biomolécula extracelular al liberarse eleva la cantidad de calcio intracelular y éste, a su vez, induce más exocitosis. Se espera que estos resultados contribuyan a entender la base de la neurotransmisión paracrina, una forma de señalización célula-célula en la que se produce una señal para inducir cambios en el comportamiento de las unidades morfológicas vecinas”, apuntó.
El objetivo a largo plazo del proyecto, en el que participan el IFC, el IF y la Facultad de Medicina de la UNAM, es comprender mejor los procesos moleculares involucrados en la liberación para generar conocimiento que permita diseñar fármacos más eficientes, así como las bases moleculares de la exocitosis.
El cuerpo humano es un sistema complejo en el que las células que forman tejidos y órganos se comunican entre sí mediante señales bioquímicas y eléctricas consistentes en una transportación de moléculas que definen vías intrincadas de intercomunicación celular.
Por ejemplo, la insulina se libera mediante un proceso de exocitosis, debido al influjo del calcio extracelular como respuesta a concentraciones elevadas de glucosa.
“El mal funcionamiento de alguna de las vías de transducción conduce a enfermedades como el cáncer, diabetes y Alzheimer. Uno de los retos actuales y de las próximas décadas es entender, desde un punto de vista molecular (cualitativo y cuantitativo), cómo ocurren los procesos de señalización celular. Con ello será posible diseñar fármacos a nivel molecular que corrijan el mal funcionamiento de las vías de transducción celular correspondientes”, finalizó Ramírez Santiago.
—oOo—
