Receptor nicotínico de acetilcolina

Los receptores nicotínicos de acetilcolina, o nAChR, son polipéptidos receptores que responden al neurotransmisor acetilcolina. Los receptores nicotínicos también responden a fármacos como el agonista nicotina. Se encuentran en el sistema nervioso central y periférico, en los músculos y en muchos otros tejidos de muchos organismos. En la unión neuromuscular son el receptor principal en el músculo para la comunicación motora entre nervio y músculo que controla la contracción muscular. En el sistema nervioso periférico: (1) transmiten señales salientes desde las células presinápticas a las postsinápticas dentro del sistema nervioso simpático y parasimpático, y (2) son los receptores que se encuentran en el músculo esquelético que reciben la acetilcolina liberada para indicar la contracción muscular. En el sistema inmunológico, los nAChR regulan los procesos inflamatorios y envían señales a través de distintas vías intracelulares. En los insectos, el sistema colinérgico se limita al sistema nervioso central.

Los receptores nicotinicos son considerados receptores cholinergicos, ya que responden a la acetilcolina. Los receptores nicotínicos obtienen su nombre de la nicotina que no estimula los receptores acetilcolina muscarínicos, sino que se une selectivamente a los receptores nicotínicos. El receptor de acetilcolina muscarínica también obtiene su nombre de un químico que se adhiere selectivamente a ese receptor — muscarina. La acetilcolina se une tanto a los receptores de acetilcolina muscarínicos como nicotínicos.

Como receptores ionotrópicos, los nAChR están directamente vinculados a canales iónicos. Nuevas pruebas sugieren que estos receptores también pueden utilizar segundos mensajeros (como lo hacen los receptores metabotrópicos) en algunos casos. Los receptores nicotínicos de acetilcolina son los receptores ionotrópicos mejor estudiados.

Dado que los receptores nicotínicos ayudan a transmitir señales salientes para los sistemas simpático y parasimpático, los antagonistas de los receptores nicotínicos, como el hexametonio, interfieren con la transmisión de estas señales. Así, por ejemplo, los antagonistas de los receptores nicotínicos interfieren con el barorreflejo que normalmente corrige los cambios en la presión arterial mediante estimulación simpática y parasimpática del corazón.

Estructura

Los receptores nicotínicos, con una masa molecular de 290 kDa, están formados por cinco subunidades, dispuestas simétricamente alrededor de un poro central. Cada subunidad comprende cuatro dominios transmembrana con los extremos N y C ubicados extracelularmente. Poseen similitudes con los receptores GABAA, los receptores de glicina y los receptores de serotonina tipo 3 (que son todos receptores ionotrópicos), o las proteínas características del bucle Cys.

En los vertebrados, los receptores nicotínicos se clasifican ampliamente en dos subtipos según sus sitios principales de expresión: receptores nicotínicos de tipo muscular y receptores nicotínicos de tipo neuronal. En los receptores de tipo muscular, que se encuentran en la unión neuromuscular, los receptores son de forma embrionaria, compuestos por subunidades α₁, β₁, γ y δ en 2 Relación :1:1:1 ((α₁)₂β₁γδ), o la forma adulta compuesta por α_{1 Subunidades} , β₁, δ y ε en una proporción de 2:1:1:1 ((α₁)₂ β₁δε). Los subtipos neuronales son varias combinaciones homoméricas (todos un tipo de subunidad) o heteroméricas (al menos una α y una β) de doce subunidades diferentes del receptor nicotínico: α₂−α₁₀ y β₂−β₄. Ejemplos de subtipos neuronales incluyen: (α₄)₃(β₂)₂, (α₄)₂(β₂)₃, (α₃)₂ (β₄)₃, α₄α₆β₃(β₂)₂, (α₇)₅ y muchos otros. Tanto en los receptores de tipo muscular como en los de tipo neuronal, las subunidades son muy similares entre sí, especialmente en las regiones hidrofóbicas.

Varios estudios de microscopía electrónica y cristalografía de rayos X han proporcionado información estructural de muy alta resolución para los nAChR musculares y neuronales y sus dominios de unión.

Encuadernación

Como ocurre con todos los canales iónicos activados por ligando, la apertura del poro del canal nAChR requiere la unión de un mensajero químico. Se utilizan varios términos diferentes para referirse a las moléculas que se unen a los receptores, como ligando, agonista o transmisor. Además del agonista endógeno acetilcolina, los agonistas del nAChR incluyen nicotina, epibatidina y colina. Los antagonistas nicotínicos que bloquean el receptor incluyen mecamilamina, dihidro-β-eritroidina y hexametonio.

En los nAChR de tipo muscular, los sitios de unión de acetilcolina se encuentran en la interfaz de las subunidades α y ε o δ. En los nAChR neuronales, el sitio de unión se encuentra en la interfaz de una subunidad α y β o entre dos subunidades α en el caso de los receptores α₇. El sitio de unión se encuentra en el dominio extracelular cerca del extremo N. Cuando un agonista se une al sitio, todas las subunidades presentes sufren un cambio conformacional y se abre el canal y se abre un poro con un diámetro de aproximadamente 0,65 nm.

Apertura de canal

Los AChR nicotínicos pueden existir en diferentes estados conformacionales interconvertibles. La unión de un agonista estabiliza los estados abierto e insensibilizado. En condiciones fisiológicas normales, el receptor necesita exactamente dos moléculas de ACh para abrirse. La apertura del canal permite que los iones cargados positivamente se muevan a través de él; en particular, el sodio entra a la célula y el potasio sale. El flujo neto de iones cargados positivamente es hacia adentro.

El nAChR es un canal catiónico no selectivo, lo que significa que pueden cruzar varios iones diferentes cargados positivamente. Es permeable al Na⁺ y al K⁺, con algunas combinaciones de subunidades que también son permeables al Ca²⁺. La cantidad de sodio y potasio que los canales permiten a través de sus poros (su conductancia) varía de 50 a 110 pS, y la conductancia depende de la composición de la subunidad específica, así como del ion permeante.

Muchos nAChR neuronales pueden afectar la liberación de otros neurotransmisores. El canal suele abrirse rápidamente y tiende a permanecer abierto hasta que el agonista se difunde, lo que suele tardar alrededor de 1 milisegundo. Los AChR pueden abrirse espontáneamente sin ligandos unidos o pueden cerrarse espontáneamente con ligandos unidos, y las mutaciones en el canal pueden cambiar la probabilidad de cualquiera de los eventos. Por lo tanto, la unión de ACh cambia la probabilidad de apertura de los poros, que aumenta a medida que se une más ACh.

El nAChR no puede unirse a la ACh cuando se une a cualquiera de las α-neurotoxinas del veneno de serpiente. Estas α-neurotoxinas se unen antagónicamente de forma estrecha y no covalente a los nAChR de los músculos esqueléticos y de las neuronas, bloqueando así la acción de la ACh en la membrana postsináptica, inhibiendo el flujo de iones y provocando parálisis y muerte. El nAChR contiene dos sitios de unión para las neurotoxinas del veneno de serpiente. Ha resultado difícil avanzar en el descubrimiento de la dinámica de la acción de unión de estos sitios, aunque estudios recientes que utilizan dinámicas de modo normal han ayudado a predecir la naturaleza de los mecanismos de unión de las toxinas de serpiente y de la ACh a los nAChR. Estos estudios han demostrado que un movimiento de torsión causado por la unión de ACh es probablemente responsable de la apertura de los poros, y que una o dos moléculas de α-bungarotoxina (u otra α-neurotoxina de cadena larga) son suficientes para detener este movimiento. Las toxinas parecen unir las subunidades receptoras vecinas, inhibiendo el giro y, por tanto, el movimiento de apertura.

Efectos

La activación de los receptores por la nicotina modifica el estado de las neuronas a través de dos mecanismos principales. Por un lado, el movimiento de cationes provoca una despolarización de la membrana plasmática (lo que da como resultado un potencial postsináptico excitador en las neuronas) que conduce a la activación de canales iónicos dependientes de voltaje. Por otro lado, la entrada de calcio actúa, directa o indirectamente, sobre diferentes cascadas intracelulares. Esto conduce, por ejemplo, a la regulación de la actividad de algunos genes o a la liberación de neurotransmisores.

Reglamento

Desensibilización

La desensibilización de receptores unida a ligando fue caracterizada por primera vez por Katz y Thesleff en el receptor nicotínico de acetilcolina.

La exposición prolongada o repetida a un estímulo a menudo resulta en una disminución de la capacidad de respuesta de ese receptor hacia un estímulo, lo que se denomina desensibilización. La función de nAChR puede modularse mediante fosforilación mediante la activación de proteínas quinasas dependientes de segundos mensajeros. Se ha demostrado que la PKA y la PKC, así como las tirosina quinasas, fosforilan el nAChR, lo que provoca su desensibilización. Se ha informado que, después de una exposición prolongada del receptor al agonista, el propio agonista provoca un cambio conformacional inducido por el agonista en el receptor, lo que da como resultado la desensibilización del receptor.

Los receptores desensibilizados pueden revertir a un estado abierto prolongado cuando se une un agonista en presencia de un modulador alostérico positivo, por ejemplo PNU-120,596. Además, existe evidencia que indica que moléculas chaperonas específicas tienen efectos reguladores sobre estos receptores.

Roles

Las subunidades de los receptores nicotínicos pertenecen a una familia multigénica (16 miembros en humanos) y el ensamblaje de combinaciones de subunidades da como resultado una gran cantidad de receptores diferentes (para obtener más información, consulte la base de datos del canal iónico activado por ligando). Estos receptores, con propiedades cinéticas, electrofisiológicas y farmacológicas muy variables, responden a la nicotina de manera diferente, a concentraciones efectivas muy diferentes. Esta diversidad funcional les permite participar en dos tipos principales de neurotransmisión. La transmisión sináptica clásica (transmisión por cable) implica la liberación de altas concentraciones de neurotransmisores, que actúan sobre los receptores inmediatamente vecinos. Por el contrario, la transmisión paracrina (transmisión de volumen) involucra neurotransmisores liberados por las terminales de los axones, que luego se difunden a través del medio extracelular hasta llegar a sus receptores, que pueden estar distantes. Los receptores nicotínicos también se pueden encontrar en diferentes ubicaciones sinápticas; por ejemplo, el receptor nicotínico muscular siempre funciona de forma postsináptica. Las formas neuronales del receptor se pueden encontrar tanto postsinápticamente (implicadas en la neurotransmisión clásica) como presinápticamente, donde pueden influir en la liberación de múltiples neurotransmisores.

Subunidades

Se han identificado 17 subunidades vertebradas nAChR, que se dividen en subunidades tipo músculo y tipo neuronal. Aunque un α₈ subunidad/gene está presente en especies aviares como el pollo, no está presente en especies humanas o mamíferas.

Las subunidades de nAChR se han dividido en 4 subfamilias (I-IV) según las similitudes en la secuencia de proteínas. Además, la subfamilia III se ha dividido en 3 tipos.

• genes α: CHRNA1 (musculo), CHRNA2 (neuronal), CHRNA3, CHRNA4, CHRNA5, CHRNA6, CHRNA7, CHRNA8, CHRNA9, CHRNA10
• genes β: CHRNB1 (musculo), CHRNB2 (neuronal), CHRNB3, CHRNB4
• Otros genes: CHRND (delta), CHRNE (epsilon), CHRNG (gamma)

Los nAChR neuronales son proteínas transmembrana que forman estructuras pentaméricas ensambladas a partir de una familia de subunidades compuestas por α₂–α₁₀ y β₂–. β₄. Estas subunidades se descubrieron desde mediados de la década de 1980 hasta principios de la de 1990, cuando se clonaron ADNc para múltiples subunidades de nAChR a partir de cerebros de ratas y pollos, lo que llevó a la identificación de once genes diferentes (doce en pollos) que codifican subunidades neuronales de nAChR; Los genes de subunidad identificados se denominaron α₂–α₁₀ (α₈ solo se encuentra en pollos) y β₂ –β₄. También se ha descubierto que varias combinaciones de subunidades podrían formar nAChR funcionales que podrían ser activados por acetilcolina y nicotina, y las diferentes combinaciones de subunidades generan subtipos de nAChR con diversas propiedades funcionales y farmacológicas. Cuando se expresan solos, α₇, α₈, α₉ y α₁₀ son capaces de formar receptores funcionales. , pero otras subunidades α requieren la presencia de subunidades β para formar receptores funcionales. En los mamíferos, se ha descubierto que las subunidades nAchR están codificadas por 17 genes, y de estos, nueve genes que codifican las subunidades α y tres que codifican las subunidades β se expresan en el cerebro. Los nAChR que contienen subunidades β₂ (β₂nAChR) y α₇nAChR se expresan ampliamente en el cerebro, mientras que otras subunidades de nAChR tienen una expresión más restringida. expresión. El ensamblaje pentamérica de los nAChR está sujeto a las subunidades que se producen en varios tipos de células, como en el pulmón humano, donde los pentámeros epiteliales y musculares difieren en gran medida.

CHRNA5/A3/B4

Un importante grupo de genes nAchR (CHRNA5/A3/B4) contiene los genes que codifican las subunidades α5, α3 y β₄. Los estudios genéticos han identificado polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) en el locus cromosómico que codifica estos tres genes nAChR como factores de riesgo para la dependencia de la nicotina, el cáncer de pulmón, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, el alcoholismo y la enfermedad arterial periférica. Los genes de la subunidad nAChR CHRNA5/A3/B4 se encuentran en un grupo apretado en la región cromosómica 15q24–25. Las subunidades nAChR codificadas por este locus forman los subtipos de receptores nicotínicos predominantes expresados en el sistema nervioso periférico (SNP) y otros sitios clave del sistema nervioso central (SNC), como la habénula medial, una estructura entre el prosencéfalo límbico y el mesencéfalo implicada en las principales Vías del circuito colinérgico. Investigaciones adicionales de los genes CHRNA5/A3/B4 han revelado que las proteínas "neuronales" Los genes nAChR también se expresan en células no neuronales donde participan en diversos procesos fundamentales, como la inflamación. Los genes CHRNA5/A3/B4 se coexpresan en muchos tipos de células y las actividades transcripcionales de las regiones promotoras de los tres genes están reguladas por muchos de los mismos factores de transcripción, lo que demuestra que su agrupamiento puede reflejar el control de la expresión génica.

CHRNA6/CHRNB3

CHRNB3 y CHRNA6 también están agrupados en un grupo de genes, ubicado en 8p11. Múltiples estudios han demostrado que los SNPS en CHRNB3-CHRNA6 se han relacionado con la dependencia de la nicotina y el hábito de fumar, como dos SNP en CHRNB3, rs6474413 y rs10958726. La variación genética en esta región también muestra una influencia en la susceptibilidad al uso de drogas de abuso, incluido el consumo de cocaína y alcohol. Los receptores nicotínicos que contienen subunidades α₆ o β₃ expresadas en regiones del cerebro, especialmente en el área tegmental ventral y la sustancia negra, son importantes para las conductas relacionadas con las drogas debido a su papel en la liberación de dopamina. . La variación genética en estos genes puede alterar la sensibilidad a las drogas de abuso de numerosas maneras, incluido el cambio de la estructura de aminoácidos de la proteína o causar alteraciones en la regulación transcripcional y traduccional.

CHRNA4/CHRNB2

Otros genes nAChR bien estudiados incluyen CHRNA4 y CHRNB2, que se han asociado como genes de la epilepsia del lóbulo frontal nocturna autosómica dominante (ADNFLE). Ambas subunidades de nAChR están presentes en el cerebro y la aparición de mutaciones en estas dos subunidades provoca un tipo generalizado de epilepsia. Los ejemplos incluyen la mutación de inserción CHRNA4 776ins3 que se asocia con convulsiones nocturnas y trastornos psiquiátricos, y la mutación CHRNB2 I312M que parece causar no sólo epilepsia sino también déficits cognitivos muy específicos, como déficits en el aprendizaje y la memoria. Existe una variación genética natural entre estos dos genes y el análisis de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) y otras modificaciones genéticas muestran una mayor variación en el gen CHRNA4 que en el gen CHRNB2, lo que implica que nAChR β₂, la proteína codificada por CHRNB2 se asocia con más subunidades que α₄. También se ha informado que CHRNA2 es un tercer candidato para las convulsiones nocturnas del lóbulo frontal.

CHRNA7

Varios estudios han informado de una asociación entre CHRNA7 y endofenotipos de trastornos psiquiátricos y dependencia de nicotina, lo que contribuye a la importante relevancia clínica de α₇ y las investigaciones que se realizan al respecto. CHRNA7 fue uno de los primeros genes que se consideró relacionado con la esquizofrenia. Los estudios identificaron varios polimorfismos del promotor CHRNA7 que reducen la actividad transcripcional de los genes asociados con la esquizofrenia, lo que es consistente con el hallazgo de niveles reducidos de a7 nAChR en el cerebro de pacientes esquizofrénicos. Se ha descubierto que ambos subtipos de nAChR, α₄β₂ y α₇, se reducen significativamente en estudios post mortem de personas con esquizofrenia. Además, las tasas de tabaquismo son significativamente más altas en personas con esquizofrenia, lo que implica que fumar nicotina puede ser una forma de automedicación.

Variaciones notables

Los receptores nicotínicos son pentámeros de estas subunidades; es decir, cada receptor contiene cinco subunidades. Por tanto, existe un inmenso potencial de variación de estas subunidades, algunas de las cuales se encuentran con más frecuencia que otras. Los subtipos más ampliamente expresados incluyen (α₁)₂β₁δε (tipo de músculo adulto), (α_{3)2(β4)3 (tipo ganglio), (α4) 2(β2)3 (tipo SNC) y (α7)5 ( otro tipo del SNC). A continuación se hace una comparación:}