La neurotrasmissione glutammatergica 2/ I recettori ionotropici

Come promesso, oggi parliamo di recettori. Il glutammato può attivare sia recettori canale che recettori associati a proteine G. I primi sono deputati alla trasmissione di stimoli rapidi e vengono comunemente detti recettori ionotropici mentre i secondi sono chiamati recettori metabotropici. Correggo comunque il tiro dicendovi che, rispetto a quanto avevo prospettato la volta scorsa, in questa seconda parte tratterò soltanto i recettori canale, in modo tale da rendere più agevole (mi auguro) la lettura a voi che, per la maggior parte, siete studenti universitari e che quindi immagino in questo periodo siete sottoposti, come il sottoscritto, al consueto stress da esami.

Ma adesso, cominciamo! I recettori sinaptici di tipo ionotropico per il glutammato sono canali ionici, la cui apertura dipende dal legame della proteina con le molecole di neurotrasmettitore. Sono coinvolti nella trasmissione sinaptica rapida, prevalentemente eccitatoria, oltre che in meccanismi di modulazione sia a breve sia a lungo termine. I recettori ionotropici per il glutammato possono avere differenti permeabilità e conduttanza ionica, e vengono classificati in tre categorie in base all’agonista esogeno selettivo. Si distinguono pertanto 1) recettori per l’acido alfa-amino-3-idrossi-5-metil-4-isoxazol-propionico (AMPA), 2) recettori per il kainato e 3) recettori per l’N-metil-D-aspartato (NMDA).

Tutti i recettori ionotropici per il glutammato sono formati da quattro subunità glicoproteiche, ciascuna delle quali lega una molecola di neurotrasmettitore e presenta quattro α-eliche  transmembrana (M1, M2, M3 e M4). Il dominio M2, però, non attraversa la membrana nella sua interezza, ma forma un’ansa intracellulare e pertanto è indicato come pseudo-dominio. Inoltre i domini M2 delle quattro subunità del recettore formano il poro del canale. Questa particolare topologia comporta che il C-terminale sia rivolto verso l’ambiente intracellulare, mentre il dominio N-terminale, di dimensioni particolarmente estese, sia affacciato su quello extracellulare. In ciascuna delle subunità di un recettore ionotropico per il glutammato, la porzione più periferica del dominio M1, detta S1, e l’ansa che congiunge i segmenti M3 e M4, detta S2, formano il sito di legame per l’agonista; il cambio conformazionale della subunità a seguito del legame con il glutammato determina l’apertura del poro canale (cliccando qui potete vedere uno schema generico di una subunità-tipo che rientra nella costituzione dei recettori canale per il glutammato; quattro subunità si organizzano a formare un canale).

Ad oggi sono state identificate sette subunità per i recettori NMDA (NR1, NR2A, NR2B, NR2C, NR2D, NR3A e NR3B), quattro per i recettori AMPA (GluR1, GluR2, GluR3 e GluR4) e cinque per i recettori kainato (GluR5, GluR6, GluR7, KA1 e KA2). Si ritiene che tutte le subunità che partecipano alla formazione dei diversi recettori ionotropici per il glutammato originino da un unico gene primordiale.

I recettori ionotropici per il glutammato sono canali ligando-dipendenti, che danno origine a scariche ad alta frequenza. Esistono delle differenze di gating tra i recettori: i recettori AMPA e kainato hanno affinità per  il glutammato e conduttanza minori rispetto ai recettori NMDA, mentre le cinetiche di apertura e chiusura sono più rapide. Inoltre, bisogna considerare anche l’esistenza delle risposte adattive dei recettori al ligando. Un fenomeno tipico dei recettori canale per il glutammato, che si verifica durante l’applicazione prolungata di neurotrasmettitore, è la desensitizzazione, cioè la condizione in cui il glutammato o un agonista del recettore rende quest’ultimo refrattario alla stimolazione pur essendovi ancora legato. Dopo alcuni secondi o persino minuti, il recettore recupera dalla desensitizzazione. Le velocità di desensitizzazione sono diverse a seconda dei tipi recettoriali: mentre i recettori NMDA raggiungono il periodo refrattario lentamente, i recettori AMPA e kainato desensitizzano in tempi dell’ordine dei millisecondi (cliccate qui per vedere una rappresentazione di Nature sull’attivazione e desensitizzazione di un recettore non-NMDA).
I recettori AMPA e i recettori kainato sono generalmente permeabili allo ione Na+ ed impermeabili allo ione Ca2+. Sono localizzati nella densità postsinaptica (i recettori kainato si trovano anche in sede presinaptica, dove sono in grado di modulare il rilascio di neurotrasmettitore) e sono responsabili della risposta eccitatoria rapida tipica delle sinapsi glutammatergiche. La corrente mediata da questi recettori dura infatti pochi millisecondi.

I recettori AMPA sono eterotetrameri che nascono dalla combinazione delle quattro subunità GluR1Š4. L’impermeabilità al calcio è dovuta al fatto che nella composizione dei recettori AMPA rientra almeno una subunità GluR2. Questa, a differenza delle altre GluR, presenta una arginina (R) nella posizione 607 anziché un residuo di glutammina (Q). Questa posizione si trova nel secondo dominio, è chiamata “sito Q/R” e nel GluR2 è sottoposta all’editing dell’RNA. Nel pre-mRNA il codone che codifica per la glutammina (CAG) viene convertito nel codone codificante per l’arginina (CIG, equivalente a CGG), grazie all’attività dell’enzima ADAR2, una adenosina deaminasi. In pratica, questo enzima converte l’adenina in inosina sostituendo il gruppo amminico in gruppo idrossilico. L’arginina è un aminoacido carico positivamente (mentre la glutammina è neutra) pertanto la sua presenza nella parete del poro canale rende il recettore impermeabile al Ca2+.

Poiché la subunità GluR2 è la più diffusa ed è nel 99% dei casi in forma editata, ne consegue che la maggior parte dei recettori AMPA sono molto permeabili al sodio e poco al calcio. I recettori AMPA calcio-permeabili sono comunque presenti, oltre che nella glia di Bergmann del cervelletto, anche in altre aree del SNC, tra cui l’ippocampo e il midollo spinale. Nell’ippocampo questi recettori partecipano nei fenomeni di plasticità sinaptica, ma sono coinvolti anche negli eventi neurodegenerativi, come quelli associati ai casi di ischemia cerebrale. L’ischemia cerebrale è una riduzione di flusso sanguigno che si accompagna nel cervello ad elevati livelli extracellulari di glutammato. In presenza di elevati livelli extracellulari di glutammato accade che i neuroni degenerano e muoiono per eccitotossicità.

Per quanto riguarda i recettori kainato, anche loro, come i recettori AMPA, sono formati dalla combinazione di subunità diverse, ma tutti richiedono almeno GluR5 o GluR6 per condurre corrente. Sia GluR5 che GluR6 possono esistere sia nella forma editata R che nella forma Q del sito Q/R e inoltre GluR6 presenta altri due siti di editing dell’RNA a livello del dominio M1: quindi da un singolo gene per GluR6 possono essere prodotti 8 mRNA diversi che codificano per proteine con proprietà elettrofisiologiche e permeabilità al calcio diverse. I recettori per il kainato postsinaptici sono stati individuati in varie aree, tra cui ippocampo, cervelletto, amigdala, connessioni talamo-corticali e corna dorsali del midollo spinale. Le correnti sinaptiche da essi mediate sono più piccole e più lente se  paragonate a quelle dei recettori AMPA. Pare che mediante queste correnti lente e di ampiezza ridotta, i recettori kainato postsinaptici possano amplificare l’effetto di un singolo input sinaptico, favorendo il raggiungimento del potenziale d’azione.

I recettori per il kainato presinaptici modulano il rilascio del neurotrasmettitore sia nelle sinapsi eccitatorie che inibitorie del Sistema Nervoso Centrale. Ad esempio, nell’ippocampo e nel midollo spinale, i recettori per il kainato inibiscono il rilascio rispettivamente di GABA e di glutammato mediante l’interazione con proteine G, che a loro volta inibiscono i canali del calcio voltaggio-dipendenti espressi sulle terminazioni.

Riguardo i recettori NMDA, si tratta di tetrameri composti generalmente da almeno una subunità NR1 e una di tipo NR2. Essi hanno un’alta conduttanza (superiore a 50 pS), un’affinità per il glutammato mille volte maggiore rispetto ai recettori AMPA e sono permeabili a Na+, K+ e Ca2+. La permeabilità allo ione calcio è determinata a livello dello pseudo-dominio M2, nel sito Q/R, dove è espresso un amminoacido asparagina (N): la presenza di questo aminoacido nel sito Q/R rende inoltre il recettore NMDA soggetto al blocco da magnesio.

Il blocco da magnesio è un sistema unico tra tutti i tipi recettoriali; lo ione Mg2+, legandosi ad un sito intracanale, a potenziali di membrana negativi impedisce che il recettore NMDA  faccia entrare inopportunamente grandi flussi di Ca2+ nelle cellule, conducendole a morte eccitotossica. A potenziali negativi ed in presenza di magnesio, si osservano comunque brevi periodi di apertura del canale alternati a periodi di chiusura (fenomeno detto flickering).

L’interazione con il glutammato e con il coagonista glicina non sono sufficienti ad attivare la conduzione di corrente attraverso il recettore NMDA poiché esso è soggetto al blocco da magnesio, che in condizioni normali può essere rimosso soltanto grazie ad un evento depolarizzante. La depolarizzazione di membrana provoca l’espulsione degli ioni magnesio dal canale per repulsione elettrostatica, rendendo così il canale permeabile agli altri ioni. Se il recettore NMDA per funzionare ha bisogno di un evento depolarizzante significa che vicino a questo recettore ci deve essere qualche altra struttura molecolare che consenta al neurone di depolarizzarsi. Nella maggior parte dei casi vicino al recettore NMDA c’è un recettore AMPA, che ha pure il glutammato come agonista ma non è soggetto a blocco da magnesio in assenza di depolarizzazione. Nel SNC infatti la maggior parte delle sinapsi presenta recettori NMDA che colocalizzano coi recettori AMPA. In queste condizioni, la stimolazione glutammatergica attiva entrambi i recettori, ma è solo il canale AMPA a far passare una corrente cationica depolarizzante, essendo il canale NMDA bloccato da Mg2+. Man mano che la depolarizzazione aumenta, il blocco da Mg2+ si riduce e il canale NMDA comincia a far passare cationi verso l’interno, incluso lo ione Ca2+.

Il blocco da magnesio del recettore NMDA viene dunque rimosso mediante depolarizzazione garantita dall’attivazione del recettore AMPA. La compartecipazione tra AMPA e NMDA si ritrova  nei processi di memorizzazione per associazione. Per le sue proprietà, il recettore NMDA viene infatti spesso definito come un rivelatore di coincidenza (coincidence detector): richiedendo sia la depolarizzazione della membrana postsinaptica sia il rilascio di glutammato per poter essere funzionale, è in grado di integrare l’attività della cellula postsinaptica con il rilascio di neurotrasmettitore dalla cellula presinaptica. Per capirci meglio, immaginiamo un neurone che sta apprendendo; questo neurone ha un recettore NMDA, che gli serve per apprendere. Se il recettore NMDA per funzionare ha bisogno di un evento depolarizzante significa che vicino a questo recettore ci deve essere qualche altra struttura molecolare che consenta al neurone di depolarizzare. Come si diceva prima, in genere vicino all’NMDA c’è un recettore AMPA, che non ha il vincolo del blocco da magnesio. La sinapsi che porta il segnale dell’apprendimento è una sinapsi glutammatergica, quindi vi sarà un terminale assonico che rilascia il glutammato, il quale si va a legare a NMDA ma non lo attiva perché il recettore NMDA ha il blocco da magnesio. Però, se contemporaneamente il neurone target riceve uno stimolo associato, ed è il caso dell’apprendimento per associazione (quando si vuole ricordare una cosa associandola ad un’altra), da un’altra sinapsi glutammatergica in grado di attivare il recettore AMPA, ecco che allora si aprono i canali AMPA attraverso cui entra sodio, la cellula si depolarizza, si rimuove il blocco da magnesio e si ha l’apprendimento!

Detto questo, penso che possiamo passare ai recettori metabotropici. Non c’è tantissimo da dire, ma ritengo comunque sia meglio rimandare il discorso al prossimo post! Siamo ancora all’inizio, ma voglio ringraziare chiunque abbia dedicato un po’ del suo tempo a seguirmi finora ed abbia apprezzato il mio lavoro.  A presto!