Canle iónica regulada por ligando

As canles iónicas reguladas por ligando ou canles iónicas dependentes de ligando (en inglés ligand-gated ion channels, LICs, LGIC), tamén chamados comunmente receptores ionotrópicos, son un grupo de proteínas de canle iónica transmembrana cuxa apertura permite que ións como o Na+, K+, Ca2+ e Cl− pasen a través da membrana en resposta á unión dun mensaxeiro químico denominado ligando, como pode ser un neurotransmisor.
Cando unha neurona presináptica é excitada, libera un neurotransmisor contido en vesículas na fenda sináptica. O neurotransmisor únese despois a receptores localizados na neurona postsináptica. Se estes receptores son canles iónicas reguladas por ligando, orixínase un cambio conformacional que abre as canles iónicas, que causa un fluxo de ións a través da membrana celular. Isto, á súa vez, orixina despolarización, no caso dunha resposta de receptor excitador, ou hiperpolarización, no caso dunha resposta inhibidora.
Estas proteínas receptoras están tipicamente compostas de polo menos dous dominios: un dominio transmembrana que comprende o poro iónico, e un dominio extracelular, que inclúe o lugar de unión ao ligando (un sitio de unión alostérico). Esta modularidade permitiu estudar cada parte por separado para atopar a estrutura das proteínas, cristalizando cada dominio separadamente. A función de tales receptores localizados nas sinapses é converter o sinal químico do neurotransmisor liberado pola neurona presináptica directamente e moi rapidamente nun sinal eléctrico postsináptico. Moitas canles reguladas por ligando son moduladas adicionalmente por ligandos alostéricos, por bloqueadores de canles, ións, ou o potencial de membrana. Estas canles son clasificadas en tres superfamilias que carecen de relacións evolutivas: receptores de bucle de cisteína, receptores de glutamato ionotrópicos e canles reguladas por ATP. Receptores de bucle de cisteína
Os receptores de bucle cys denomínanse así por un característico bucle formado por unha ponte disulfuro entre dous residuos de cisteína (Cys) no dominio extracelular N-terminal. Forman parte da gran familar das canles iónicas reguladas por ligando pentaméricas, que xeralmente carecen de ponte disulfuro, de aí o seu nome provisional de "receptores pro-bucle".
Un sitio de unión de moléculas no dominio de unión ao ligando N-terminal dálles especificidade de receptor para: (1) acetilcolina, (2) serotonina, (3) glicina, (4) glutamato e (5) ácido γ-aminobutírico (GABA) en vertebrados. Os receptores son subdivididos atendendo ao tipo de ión que conducen (aniónico ou catiónico) e clasifícanse en familias definidas polo ligando endóxeno. Son xeralmente pentaméricos e cada subunidade consta de 4 hélices alfa transmembrana que constitúen o dominio transmembrana, e un dominio de unión a ligando extracelular N-terminal de tipo sándwich de folla beta. Algúns conteñen un dominio intracelular como o que se mostra na imaxe.
A canle iónica regulada por ligando prototípica é o receptor de acetilcolina nicotínico. Consta dun pentámero de subunidades proteicas (tipicamente ααβγδ), con dous sitios de unión para a acetilcolina (un na interface de cada subnidade alfa). Cando se une a acetilcolina isto altera a configuración do receptor (enrólanse as hélices T2, o que move os residuos de leucina, que bloquean o poro, fóra da vía da canle) e causa que a constrición do poro de aproximadamente 3 ángstroms se afrouxe alargándose ata uns 8 ángstroms para que os ións poidan pasar ao seu través. Este poro permite que os ións Na+ flúan a favor do gradiente electroquímico cara ao interior da célula. Se están abertos ao mesmo tempo o suficiente número de canles, o fluxo cara ao interior de cargas positivas que portan os ións Na+ despolariza a membrana postsináptica dabondo como para que se inice un potencial de acción.
Aínda que os organismos unicelulares como as bacterias aparentemente terían pouca necesidade de transmitir un potencial de acción, identificouse un homólogo bacteriano dunha canle regulada por ligando, que, non obstante, se hipotetizou que actúa como quimiorreceptor. Esta variante procariótica nAChR é coñecida como receptor GLIC, pola especie na que foi identificada (en inglés Gloeobacter Ligand-gated Ion Channel, canle iónica regulada por ligando de Gloeobacter).
Estrutura
Os receptores de bucle de cisteína teñen elementos estruturais ben conservados, como un gran dominio extracelular (ECD) que contén unha hélice alfa e 10 febras beta. Despois do ECD hai catro segmentos transmembrana (TMSs) conectados a estruturas en bucle intracelulares e extracelulares. Excepto o bucle TMS 3-4, as súas lonxitudes son de só 7 a 14 residuos. O bucle TMS 3-4 forma a parte máis grande do dominio intracelular (ICD) e mostra a rexión máis variable entre todos estes receptores homólogos. O ICD defínese polo bucle TMS 3-4 xunto co bucle TMS 1-2 que precede ao poro da canle iónica. A cristalización revelou as estruturas dalgúns membros da familia, pero para realizar a cristalización o bucle intracelular é xeralmente substituído por un curto linker presente en receptores de bucle cys procariotas, polo que as súas estruturas non se coñecen. Non obstante, este bucle intracelular parece funcionar na desensibilización, modulación da canle fisiolóxica por substancias farmacolóxicas, e modificacións posttraducionais. Os motivos proteicos importantes para o tráfico de ións están alí e o ICD interacciona con proteínas armazón, o que permite a formación da sinapse inhibidora. Receptores de glutamato ionotrópicos
Os receptores de glutamato ionotrópicos únense ao neurotransmisor glutamato. Forman tetrámeros nos que cada subunidade consta dun dominio extracelular amino terminal (ATD, que está implicado na ensamblaxe do tetrámero), un dominio de unión a ligando extracelular (LBD, que se une ao glutamato), e un dominio transmembrana (TMD, que forma a canle iónica). O dominio transmembrana de cada subunidade contén tres hélices transmembrana e unha hélice de media membrana cun bucle reentrante. A estrutura da proteína empeza co ATD no N-terminal seguido da primeira metade do LBD, que está interrompida polas hélices 1, 2 e 3 do TMD e despois continúa coa metade final do LBD e despois remata coa hélice 4 do TMD no C-terminal. Isto significa que hai tres ligazóns entre o TMD e os dominios extracelulares. Cada subunidade do tetrámero ten un sitio de unión para o glutamato formado polas dúas seccións do LBD tomando unha forma parecida á cuncha dunha ameixa. Só necesitan ser ocupados dous destes sitios no tetrámero para que se abra a canle iónica. O poro está formado principalmente pola media hélice 2 dun modo que lembra unha canle de potasio invertida.
Receptor de AMPA
O receptor do ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico (tamén coñecido como receptor de AMPA ou receptor de quisqualato) é un receptor transmembrana ionotrópico de tipo non NMDA para o glutamato, que funciona como mediador na transmisión sináptica rápida no sistema nervioso central. O seu nome deriva da súa capacidade de ser activado polo análogo artificial do glutamato AMPA. O primeiro nome que recibiu foi "receptor de quisqualato" que lle deron Watkins e colegas por un agonista natural chamado quisqualato (derivado da planta Quisqualis) e máis tarde déuselle o nome de "receptor de AMPA" polo agonista selectivo desenvolvido por Tage Honore e colegas na Escola Real Danesa de Farmacia de Copenhague. Os AMPAR atópanse en moitas partes do cerebro e son os receptores que se encontran máis comunmente no sistema nervioso. O receptor de AMPA, o tetrámero GluA2 (GluR2), foi a primeira canle iónica receptora de glutamato que se cristalizou. Ligandos: Agonistas: Glutamato, AMPA, 5-fluorowillardiina, ácido domoico, ácido quisquálico etc.
Antagonistas: CNQX, ácido quinurénico, NBQX, Perampanel, Piracetam etc.
Moduladores alostéricos positivos: Aniracetam, Ciclotiazida, CX-516, CX-614 etc.
Moduladores alostéricos negativos: Etanol, Perampanel, Talampanel, GYKI-52, 466 etc.
Receptores de NMDA
O receptor de N-metil-D-aspartato (receptor de NMDA) – un tipo de receptor de glutamato ionotrópico – é unha canle iónica regulada por ligando que se abre pola unión simultánea de glutamato e un coagonista que pode ser D-serina ou glicina (non se sabe seguro). O receptor de NMDA está implicado en regular a plasticidade sináptica e a memoria.
O nome de "receptor de NMDA" deriva do ligando N-metil-D-aspartato (NMDA), que actúa como un agonista selectivo nestes receptores. Cando o receptor de NMDA é activado pola unión de dous coagonistas, a canle catiónica abre, permitindo o fluxo de Na+ e Ca2+ ao interior da célula, que, á súa vez, elevan o potencial eléctrico da célula. Así, o receptor de NMDA é un receptor excitatorio. Nos potenciais de repouso, a unión de Mg2+ ou Zn2+ no sitio de unión de moléculas extracelular do receptor bloquea o fluxo de ións a través da canle do receptor de NMDA. "Porén, cando as neuronas son despolarizadas, por exemplo, por unha intensa activación de receptores de AMPA postsinápticos colocalizados, o bloqueo dependente de voltaxe por Mg2+ é en parte diminuído, permitindo o influxo a través dos receptores de NMDA activados. O resultante influxo de Ca2+ pode desencadear unha variedade de fervenzas de sinalización intracelular, que poden finalmente cambiar a función neuronal por activación de varias quinases e fosfatases".
Ligandos: Coagonistas endóxenos primarios: glutamato e ou ben D-serina ou ben glicina.
Outros agonistas: ácido aminociclopropanecarboxílico; D-cicloserina; L-aspartato; quinolinato etc.
Agonistas parciais: ácido N-metil-D-aspártico (NMDA); NRX-1074; 3, 5-dibromo-L-fenilalanina, etc.
Antagonistas: ketamina, PCP, dextropropoxifeno, cetobemidona, tramadol, ácido quinurénico (endóxenos) etc. Receptores de GABA
Os receptores de GABA son importantes neurotransmisores inhibidores expresados en interneuronas do córtex animal.
Receptor de GABAA
Os receptores de GABAA son canles iónicas reguladas por ligando. O GABA é o ácido gamma-aminobutírico, o ligando endóxeno destes receptores, que é o principal neurotransmisor inhibidor do sistema nervioso central. Cando se activa, é un mediador do fluxo de Cl– nas neuronas, hiperpolarizando a neurona. Os receptores de GABAA aparecen en todos os organismos que teñen sistema nervioso central. Debida á súa ampla distribución no sistema nervioso dos animais, xogan un papel en virtualmente todas as funcións cerebrais.
Varios ligandos poden unirse especificamente aos receptores de GABAA, sexa activando ou inhibindo a canle de Cl–.
Ligandos: Agonistas: GABA, muscimol, progabide, gaboxadol
Antagonistas: bicuculine, gabazine
Agonistas parciais: ácido piperidina-4-sulfónico Receptor de 5-HT3
O receptor de 5-HT3 pentamérico é permeable aos ións sodio (Na), potasio (K) e calcio (Ca). Canles regulados por ATP
As canles reguladas por ATP abren en resposta á unión de adenosín trifosfato (ATP). Forman trímeros con dúas hélices transmembrana por subunidade e teñen tanto co C-terminal coma o N-terminal no lado intracelular. Canles regulados por PIP2
O fosfatidilinositol 4, 5-bisfosfato (PIP2) únese e activa directamente canles de potasio rectificadoras internas (Kir). O PIP2 é un lípido das membranas celulares, e o seu papel na apertura das canles iónicas representa unha nova función que se atopou para esta molécula. Modulación indirecta
En contraste coas canles reguladas por ligando descritas, hai tamén sistemas receptores nos cales o receptor e a canle iónica son proteínas que están separadas na membrana celular, en vez dunha soa molécula. Neste caso, as canles iónicas están moduladas indirectamente pola activación do receptor, en vez de que a súa apertura estea regulada directamente.
Receptores ligados á proteína G
Tamén chamado receptor acoplado á proteína G, é un receptor con dominio de sete transmembrana ou receptor 7 TM, porque pasa a través da membrana sete veces. Constitúe unha gran familia proteica de receptores que son sensibles a moléculas de fóra da célula e activan vías de transdución de sinais internas e, finalmente, respostas celulares. Os receptores ligados á proteína G son unha enorme familia con centos de membros. Os receptores ligados ás canles iónicas (por exemplo, o de GABAB) son só unha parte deles.
Táboa 1. Tres grandes familias de proteínas G triméricas
Receptor GABAB
Os receptores de GABAB son receptores transmembrana metabotrópicos para o ácido gamma-aminobutírico. Están ligados por medio de proteínas G a canles de K+, e cando están activos xeran un efecto de hiperpolarización e diminuúen o potencial no interior da célula.
Ligandos: Agonistas: GABA, Baclofen, gamma-hidroxibutirato, Phenibut etc.
Moduladores alostéricos positivos: CGP-7930, Fendiline, BSPP etc.
Antagonistas: 2-OH-saclofen, Saclofen, SCH-50911.
Sinalización Gα
Un encima que xera adenosín monofosfato cíclico (AMPc), a adenilato ciclase é o efector das vías Gαs e Gαi/o. Existen dez produtos xénicos do xene AC en mamíferos, cada un con sutís diferenzas na distribución nos tecidos ou funcións, que todos eles catalizan a conversión de adenosina trifosfato citosólica (ATP) en AMPc, e todos son estimulados directamente polas proteínas G da clase Gαs. A interacción coas subuidades Gα de tipo Gαi/o, ao contrario, inhibe AC e a xeración de AMPc. Así, un GPCR acoplado a Gαs contrarresta as accións do GPCR acoplado a Gαi/o, e viceversa. O nivel de AMPc citosólico pode despois determinar a actividade de varias canles iónicas así como membros da familia da proteína quinase A específica de ser/thr (PKA). Como resultado, o AMPc é considerado un segundo mensaxeiro e a PKA un efector secundario.
O efector da vía Gαq/11 é a fosfolipase C-β (PLCβ), que cataliza a clivaxe do fosfatidilinositol 4, 5-bifosfato (PIP2) unido a membranas orixinando os segundos mensaxeiros inositol (1, 4, 5) trisfosfato (IP3) e diacilglicerol (DAG). O IP3 actúa sobre os receptores IP3 que se encontran na membrana do retículo endoplásmico para causar a liberación de Ca2+ do retículo endoplasmático, o DAG difunde pola membrana plasmática, onde pode activar calquera forma localizada en membranas dunha segunda quinase de ser/thr chamada proteína quinase C (PKC). Como moitas isoformas da PKC son tamén activadas por incrementos no Ca2+ intracelular, ambas as vías poden converxer para sinalizar a través do mesmo efector secundario. O Ca2+ intracelular elevado tamén se une e activa alostericamente proteínas chamadas calmodulinas, que á súa vez se unen e activan alostericamente a encimas como as quinases dependentes de Ca2+/calmodulina (CAMKs).
Os efectores da vía Gα12/13 son tres RhoGEFs (p115-RhoGEF, PDZ-RhoGEF e LARG), os cales, cando se unen a Gα12/13 activan alostericamente unha GTPase pequena citosólica, chamada Rho. Unha vez unida a GTP, Rho pode despois activar varias proteínas responsables para a regulación do citoesqueleto como a Rho-quinase (OOROCK). A maioría dos GPCR que se acoplan a Gα12/13 tamén se acoplan a outras subclases, a miúdo a Gαq/11.
Sinalización Gβγ
As descricións anteriores ignoran os efectos da sinalización Gβγ, que poden tamén ser importantes, en particular no caso dos GPCR acoplados a Gαi/o activados. Os efectores primarios de Gβγ son varias canles iónicas, como as canles de K+ rectificadoras internas acopladas a proteína G (GIRKs), canles de Ca2+ reguladas por voltaxe de tipo P/Q e N, así como algunhas isoformas de AC e PLC, xunto con algunhas isoformas de fosfoinosítido-3-quinase (PI3K). Importancia clínica
As canles iónicas reguladas por ligandos son probablemente a principal diana na cal exercen os seus efectos os axentes anestésicos e o etanol, aínda que polo momento non hai unhas probas inequívocas sobre isto. En concreto, os receptores GABA e NMDA son afectados por axentes anestésicos a concentracións similares ás usadas na anestesia clínica.
Ao comprenderse o mecanismo e explorarse o compoñente químico/biolóxico/físico que podería funcionar sobre eses receptores, cada vez máis aplicacións clínicas están sendo probadas en experimentos preliminares, como as seguintes: Tratamento do alzhéimer
Memantine está aprobado pola Axencia Europea de Medicamentos e pola FDA norteamericana para o tratamento da enfermidade de Alzheimer de moderada a grave. Tratamento antidepresivo
Agomelatine, é un tipo de fármaco que actúa como unha vía dual melatonérxica-serotoninérxica, que mostrou ser eficaz no tratamento da depresión ansiosa durante os ensaios clínicos; o estudo tamén suxire a eficacia no tratamento da depresión melancólica e atípica.