Receptor nicotínico

O receptor nicotínico (abreviado nAChR polo nome inglés Nicotinic acetylcholine receptors) é o receptor colinérxico que forma canles iónicos activados por ligandos na membrana plasmática dalgunhas neuronas e na porción postsináptica da unión neuromuscular. Como receptores ionotrópicos, os nAChR están unidos directamente á canle iónica e non usan segundos mensaxeiros (a diferenza dos receptores metabotrópicos como os colinérxicos muscarínicos). Os receptores nicotínicos representan o modelo de receptor ionotrópico máis estudado. Existen diferentes isoformas estruturais do receptor, por iso cando non nos referimos a ningunha isoforma específica, preferimos falar xenericamente de receptores nicotínicos.
Do mesmo xeito que outros tipos de receptores colinérxicos, como os muscarínicos, os receptores nicotínicos teñen a acetilcolina (moitas veces abreviada ACh) como o seu ligando endóxeno. A diferenciación das dúas clases de receptores produciuse mediante ligandos non endóxenos: muscarina e nicotina. Os receptores muscarínicos, de feito, son activados (alén da acetilcolina) tamén pola muscarina, pero non pola nicotina; os receptores nicotínicos, pola contra, son activados pola nicotina pero non pola muscarina, e isto explica a denominación.
Nos insectos, o sistema colinérxico está limitado ao sistema nervioso central (SNC). Nos mamíferos, porén, os receptores colinérxicos neuronais atópanse tanto no sistema nervioso central como no periférico, ademais os receptores nicotínicos da placa motora dos músculos somáticos permiten a contracción muscular. Historia
En 1914 Henry Hallett Dale e os seus colaboradores propuxeron por primeira vez a posible acción do neurotransmisor pola acetilcolina. A idea da existencia de receptores como mediadores da transmisión química dos impulsos era relativamente recente: a "substancia receptiva " foi, de feito, proposta por Langley en 1905, precisamente estudando a acción da nicotina e do curaro sobre os receptores nicotínicos da placa motriz (unión neuromuscular). Despois, Otto Loewi definiu o papel da acetilcolina no sistema nervioso. Por estes descubrimentos, Dale e Loewi foron galardoados co Premio Nobel de Medicina en 1936.
O mecanismo de funcionamento fisiolóxico do receptor nicotínico da placa muscular foi posteriormente aclarado en detalle por Katz e Miledi en 1968 e despois confirmado por Neher e Sakmann en 1978 grazas ás medicións das correntes transmembrana con microeléctrodos. Unha técnica pioneira que lles valeu o Premio Nobel de Medicina en 1991. A identificación da estrutura das subunidades que constitúen o receptor nicotínico da Torpedo californica remóntase a 1976 e uns anos máis tarde (1982) tamén a determinación da secuencia de aminoácidos das subunidades. Utilizouse ese peixe porque o seu sistema nervioso é extremadamente sinxelo e o tamaño das neuronas permite medir facilmente o potencial electroquímico entre o interior e o exterior da célula mediante eléctrodos. Estrutura dos receptores nicotínicos
Macroestrutura dos receptores
Os receptores nicotínicos, cunha masa molecular de 290 kDa, están formados por cinco subunidades, dispostas simetricamente para circunscribir un poro polo que se produce o fluxo de ións. Cada unha das subunidades consta de catro dominios transmembrana, cos extremos N-terminal e C-terminal ambos no lado extracelular. Polo tanto, pola súa estrutura, os receptores nicotínicos pertencen á primeira familia de receptores ionotrópicos, coñecidos como receptores pentaméricos ou "Cys-loops". Os receptores GABA-A, os receptores de glicina e os receptores de serotonina tipo 3 (5HT-3) pertencen á mesma familia e, polo tanto, son estruturalmente similares. Nos vertebrados, os receptores nicotínicos clasifícanse grosso modo en dous subtipos, en función do sitio principal de expresión: existen, de feito, receptores nicotínicos do tipo neuronal NN e do tipo muscular NM. Entre os receptores de tipo muscular están a forma embrionaria, composta polas subunidades α1, β1, δ e γ na proporción 2: 1: 1: 1, e a forma adulta, que ten as subunidades α1, β1, δ, e ε, sempre cunha proporción 2: 1: 1: 1. Os receptores de subtipos neuronais son diferentes. En particular, existen combinacións homopentámeras e heteropentámeras de doce subunidades diferentes: de α2 a α10 e de β2 a β4. Os exemplos inclúen (α4)3 (β2)2, (α4)2 (β2)3 e (α7)5. As subunidades dos receptores neuronais e musculares son similares entre si, especialmente nas rexións hidrófobas.
Historicamente, as subunidades dos receptores nicotínicos dividíronse en catro subfamilias (I a IV) en función da analoxía de secuencias na estrutura da proteína. Esta clasificación, proposta en 1995, está agora incompleta á luz das novas subunidades identificadas, mesmo en humanos. A seguinte táboa mostra todas as subunidades actualmente coñecidas e calquera patoloxía relacionada coas súas mutacións. As diferentes subunidades poden así unirse entre si, formando potencialmente un número moi elevado de isoformas receptoras, para poder variar e modular a resposta dun xeito específico para cada tecido individual. A continuación indícanse as principais isoformas receptoras coñecidas actualmente xunto coa súa localización anatómica, o seu efecto e os seus agonistas e antagonistas específicos: Independentemente das estruturas do receptor, a única subunidade capaz de unirse á acetilcolina é a subunidade α, que ten o peto específico no que se pode colocar o ligando. Isto significa que, para ser activado, o receptor da placa neuromuscular (que ten 2 subunidades α), debe unirse a 2 moléculas de acetilcolina (unha por cada subunidade α) ao mesmo tempo. Para o receptor do SNC, que en cambio ten 5 subunidades do tipo α7, son necesarias 5 moléculas de acetilcolina para poder transducir o sinal. Tras a interacción coa acetilcolina, o receptor cambia a súa conformación, permitindo a apertura da canle. Dado que a selectividade cara aos catións non é absoluta, poden fluír pola canle ións da mesma carga e radio atómico similar. Polo tanto, permítese o fluxo de ións Na en particular, pero tamén de Ca (ambos entrantes) e K saínte. Tras a variación das concentracións de ións celulares, hai unha variación no potencial de membrana que permite a despolarización da fibra.
Ultraestrutura dos receptores
Como se mencionou, os receptores nicotínicos están formados por 5 subunidades, que difiren segundo o subtipo de receptor. As subunidades están formadas por unha única cadea peptídica que, plegándose sobre si mesma, atravesa a membrana catro veces. Así, identifícanse 4 dominios transmembrana, denominados M1, M2, M3 e M4 unidos en 3 bucles (ou bucles segundo a terminoloxía anglosaxoa), dos cales dous son intracelulares e un extracelular. O segundo bucle intracelular (o que une M3 con M4) está formado por unha cadea de aminoácidos máis longa que a dos outros dous bucles. Os dominios M2 de cada subunidade son os que circunscriben o poro receptor ao nivel da sección transmembrana. Polo tanto o poro, a nivel de membrana, está delimitado só por M2. Os dominios aminoterminal (-NH2) e carboxiterminal (COOH) atópanse extracelularmente. En particular, o -NH2 consta dun maior número de aminoácidos que o terminal -COOH e contén o peto necesario para a unión coa acetilcolina. A cadea terminal -NH2, que se replega sobre si mesma, pon en contacto dous residuos de cisteína que orixinan unha ponte disulfuro (SS) esencial para manter a adecuada conformación da cadea.
Organización estrutural e funcional do receptor nicotínico
O receptor, que ten unha anchura duns 65 Å e unha lonxitude duns 110-120 Å, está formado por 3 partes fundamentais: sección extracelular
sección transmembrana
sección intracelular
A sección extracelular é a máis voluminosa e sobresae fóra da célula uns 60 Å. É nesta parte onde se atopa o sitio de unión para a acetilcolina. Os aminoácidos implicados na unión co ligando son en particular a tirosina e o triptófano cos que se une a acetilcolina mediante o establecemento de enlaces catión-p débiles.
O sitio de unión da acetolcolina está situado na interface entre a subunidade alfa e a subunidade non alfa (debido á variabilidade das formas do receptor, as subunidades beta, gamma delta e épsilon denomínanse por comodidade non-alfa). O sitio que se une á acetilcolina consiste, polo tanto, nunha cavidade entre as subunidades alfa e non alfa. A cavidade máis importante funcionalmente está a nivel da subunidade alfa, definida como o sitio principal, e contribúe significativamente á unión co ligando e á modificación conformacional do receptor, mentres que se define a cavidade formada polas subunidades gamma ou delta. como o sitio complementario. Os tres bucles da subunidade alfa indícanse coas letras A, B e C, mentres que os da subunidade non-alfa chámanse D, E e F. As secuencias de aminoácidos poden variar dun receptor a outro, pero algúns aminoácidos son moi importante para a conformación da cadea peptídica e polo tanto das subunidades. Polo tanto, algúns aminoácidos son absolutamente insubstituíbles e repítense constantemente e defínense como conservados.
Aminoácidos conservados no sitio principal: bucle A: triptófano 86, tirosina 93
bucle B: triptófano 149, tirosina 151
bucle C. tirosina 190, cisteína 192, cisteína 193, tirosina 198
Aminoácidos de sitios complementarios conservados: bucle D: tirosina 55, triptófano 57
bucle E: variable
bucle F: aspartato que está moi conservado
A porción transmembrana ten unha lonxitude de aproximadamente 30 Å. O poro do receptor, que ten forma de funil, tende a estreitarse gradualmente ata acadar, no seu punto máis estreito, un ancho de só 7 Å. Dado que a membrana plasmática está formada por fosfolípidos (que teñen características hidrófobas), os aminoácidos da sección transmembrana, para atravesala, deben ter marcadas características lipófilas. De feito, esta sección contén un número moi elevado de aminoácidos lipófilos que forman unha cadea peptídica que tende a envolverse sobre si mesma. A conformación proteica secundaria xerada é a definida como unha hélice alfa e atravesa todo o grosor da membrana plasmática.
A sección intracelular é a máis pequena e ten unha lonxitude duns 20 Å. Esencialmente, fixa o receptor á membrana e permite que o Na flúe cara á célula. Dado que o citosol ten fortes características hidrófilas, os aminoácidos presentes nesta sección tamén deben ser hidrófilos. A sección intracelular do receptor contén grandes cantidades de aminoácidos hidrófilos que están dispostos nunha estrutura secundaria específica chamada folla β. A transición da hélice alfa á folla beta, que provoca un encollemento na estrutura do receptor, débese a unha molécula de prolina que non é capaz de formar pontes de hidróxeno intramoleculares, o que permite a transición á estrutura da folla beta. Esta rotura mediada por prolina da estrutura da hélice alfa chámase Kink break.
Seccionando a canle, pódese observar que isto dá unha serie de aneis concéntricos nos que se repiten os aminoácidos. Destacan varios aneis: un anel exterior, no que podemos identificar unha molécula de glutamato (E 258), que é moi polar e cun pH fisiolóxico de 7, 4 está presente en forma ionizada.
3 aneis hidrófobos, nos que se expoñen leucina (L 254), valina (V 251) e de novo leucina (L 247), todos eles aminoácidos hidrófobos.
2 aneis polares, formados por treonina (T 244) e serina (S 240) que teñen -ohs nas cadeas laterais e polo tanto son polares.
1 anel intermedio, que contén glutamato (residuo que se elimina nos receptores neuronais ((α7) 5) leva á abolición da permeabilidade do calcio sen cambiala a potasio e sodio) (E 237).
1 anel interior, que contén aspartato (D 234). Estes dous últimos aneis conteñen aminoácidos que teñen grupos -COOH que están cargados negativamente e poden formar enlaces iónicos cos catións que flúen.
O primeiro anel, cargado negativamente, atrae os catións á canle. Os tres aneis hidrófobos son necesarios para eliminar a auga que solvata os ións. Os ións do medio fisiolóxico están hidratados, polo que son moi voluminosos e non poderían atravesar a canle, que sería demasiado estreita. Para entrar deben perder a auga que os rodea: os aminoácidos destes tres aneis, sendo hidrófobos, repelen a auga do exterior deixando só entrar os catións. Os aneis intermedio e interno, por outra banda, actúan como un filtro de selectividade restrinxindo o fluxo de catión só a Na, Ca e K. Métodos de investigación dos receptores nicotínicos
O estudo dos receptores nicotínicos foi longo e continúa na actualidade, co obxectivo de mellorar a información e identificar ligandos selectivos que se poden utilizar en terapia. Co paso dos anos, a investigación foise perfeccionando, enriquecéndose con novas técnicas. Algúns dos métodos de investigación máis utilizados: Mutaxénese: é unha técnica que implica a modificación dun aminoácido estrutural do receptor. Variando este aminoácido obtense un receptor con características diferentes ao salvaxe. Estúdanse as súas diferenzas e avalíanse as súas novas características. O novo receptor pode ter un papel funcional diferente, revelando as características fundamentais do receptor orixinal.
Ao substituír o aminoácido aspartato por valina na rexión de unión do ligando, a unión da acetilcolina prodúcese con maior dificultade. Isto permítenos comprender que o aspartato é fundamental no proceso de unión do neurotransmisor, e que a súa substitución crea unha perturbación na zona do receptor (tanto na cadea lateral como na estrutura secundaria e terciaria da proteína).
Unha variante deste método é a mutaxénese de dobre intercambio: cámbiase un aminoácido por outro e cámbiase o grupo funcional no novo aminoácido introducido. Por exemplo, o aspartato (que ten un -COOH), cámbiase por unha lisina (aminoácido básico) introducindo neste último un grupo carboxílico. Se a afinidade do ligando polo receptor segue sendo idéntica, isto indica que o enlace carboxílico é fundamental para a actividade do peto do receptor. Cristalografía: técnica de investigación que permite o estudo do receptor baixo raios X. É unha técnica importante no estudo das enzimas, pero que é moito máis complicada cando se aplica aos receptores. De feito, os receptores tenden a cristalizar moi raramente, xa que precipitan de forma amorfa o que non permite o estudo coa técnica cristalográfica. Ademais, in vitro é moi difícil recrear o ambiente da membrana celular.
Microscopía electrónica: bo método de estudo, pero a resolución pode non ser perfecta e non é posible investigar a ultraestructura do receptor.
Marcado de afinidade: é unha técnica que aproveita a posibilidade dun ligando sintetizado adecuadamente para facer un enlace covalente.
Os tecidos nos que se expresa o receptor son illados, e despois homoxeneízanse e fan que reaccionen co ligando. Os ligandos poden ter características específicas (por exemplo, poden ser etiquetados). Calculando a radioactividade asociada ao complexo ligando-receptor, é posible identificar a concentración de receptores nos tecidos.
Por exemplo, aminoácidos como serina, treonina (teñen grupos -OH), glutamato e aspartato (teñen grupos -COOH), a lisina (teñen grupos -NH2) poden unirse ás beta-haloalquilaminas ( mostarda de nitróxeno). Ao introducir un grupo fotoactivable na mostaza (como as azidas aromáticas), obtense un composto que emite nun rango de frecuencias determinado. Ao formar un enlace covalente entre o ligando fotoactivado e o receptor, é posible determinar a localización ou concentración dos receptores. RMN ( resonancia magnética nuclear ): técnica máis marxinal, que ten a función de destacar os grupos funcionais necesarios para a unión co ligando. Actualmente, o receptor nicotínico aínda non se cristalizou, polo que non foi posible estudalo mediante raios X. Co propósito de estudar a funcionalidade estrutural, foi moi importante o descubrimento por un grupo de investigadores holandeses dunha determinada proteína estruturalmente similar ao receptor nicotínico. Estes investigadores illaron de feito, dalgúns caracois de mar, unha proteína, chamada proteína de unión a Ach (proteína de unión a acetilcolina), que ten unha afinidade estrutural igual ao 40% da do receptor nicotínico. Trátase dunha proteína citosólica que ten a función de unir a acetilcolina, co fin de atrapala e poñer fin á actividade da propia acetilcolina. Polo tanto, xoga un papel similar nos caracois mariños ao da acetilcolinesterase dos humanos. O descubrimento máis importante, de enorme resonancia na comunidade científica, foi o feito de que os investigadores holandeses conseguiron cristalizar a proteína de unión a Ach e isto permite comprender, dada a alta homoloxía estrutural e funcional entre proteína e receptor, cal é a estrutura da parte funcional do receptor nicotínico.