mar 11, 2012 · · InbioSpiega, Serie

La neurotrasmissione glutammatergica 3/ Recettori metabotropici ed eccitotossicità


Spine

E’ giunta l’ora di parlare di recettori metabotropici (alleluia!!!). I recettori metabotropici per il glutammato accoppiati a proteine G sono indicati con la sigla “mGlu” e sono ampiamente diffusi nel cervello, dove svolgono funzioni sia eccitatorie sia inibitorie a livello pre- e postsinaptico. Questi recettori sono accomunati tutti dall’avere una struttura a 7 domini transmembrana: l’N-terminale ospita il sito di legame del ligando e si affaccia sul lato extracellulare, il C-terminale invece è sempre intracellulare ed in insieme ad una regione del terzo loop intracellulare costituisce il sito di legame della proteina G.

Schema di un tipico recettore metabotropico per il glutammato accoppiato a proteine G trimeriche. (This work is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike license versions 3.0, 2.5, 2.0, and 1.0.)

Schema di un tipico recettore metabotropico per il glutammato accoppiato a proteine G trimeriche. (This work is licensed under the Creative Commons Attribution-ShareAlike license versions 3.0, 2.5, 2.0, and 1.0.)

Le proteine G di questi sistemi sono eterotrimeri (costituiti da tre subunità denominate, in ordine di peso molecolare decrescente α, β e γ) che legano e idrolizzano GTP, grazie alla attività GTPasica intrinseca della subunità α. L’interazione dell’agonista con il suo sito induce nel recettore un cambiamento conformazionale che attiva la proteina G, disaccoppiandola dal suo sito di interazione con il recettore. Ma vediamo un po’ più in dettaglio come funziona la via di trasduzione del segnale mediante attivazione di un recettore metabotropico accoppiato a proteine G trimeriche. La caratteristica delle proteine trimeriche dotate di attività GTPasica è il fatto che non hanno bisogno di uno scambiatore di nucleotidi, al contrario delle proteine G monometriche, come RAS (che richiede SOS per scambiare GDP con GTP) [su RAS abbiamo accennato qui]. La sostituzione di GDP con GTP determina una modificazione conformazionale della subunità α, che provoca la separazione della proteina G dal recettore e la dissociazione della stessa α dal complesso βγ. A questo punto sia α-GTP sia il complesso βγ interagiscono con gli effettori, regolandone l’attività. Le proteine G accoppiano i recettori a effettori specifici, che possono essere enzimi, canali ionici o altre molecole, attraverso un ciclo di attivazione-deattivazione governato dal legame e dall’idrolisi del GTP. L’idrolisi del GTP da parte delle catene α è regolata da proteine in grado di interagire con queste subunità. Per esempio le proteine RGS (Regulators of G protein Signalling) interagiscono con le subunità α legate al GTP e accelerano notevolmente (anche più di 2000 volte) la velocità di idrolisi del nucleotide, riducendo così la durata del segnale in millisecondi. L’inibizione delle proteine G avviene mediante fosforilazione sui siti di interazione coi recettori da parte delle chinasi GRK (G protein-coupled receptor kinase).

Via di trasduzione del segnale mediante attivazione di un recettore metabotropico accoppiato a proteine G trimeriche. (Sven Jähnichen, This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.)

Via di trasduzione del segnale mediante attivazione di un recettore metabotropico accoppiato a proteine G trimeriche. (Sven Jähnichen, This file is licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.)

Esistono tre principali gruppi di recettori metabotropici per il glutammato accoppiati a proteine G trimeriche, suddivisi sulla base della loro struttura, della loro associazione agli effettori e della loro farmacologia (ci sono agonisti selettivi per ciascuno dei seguenti sottotipi). Distinguiamo i recettori del primo gruppo, mGlu1 e mGlu5 (l’agonista selettivo è l’Acido quisqualico),  i recettori del secondo gruppo (l’agonista selettivo è il DCG-IV), mGluR2 e mGluR3, e del terzo gruppo (agonista selettivo è L-SOP), mGluR4, mGluR6, mGluR7 e mGluR8.

I recettori del primo gruppo (mGlu1 e mGlu5) sono accoppiati a proteine Gq, le quali presentano una subunità αq che stimola l’idrolisi dei polifosfoinositidi. In che modo? La subunità αq attiva la fosfolipasi C (PLC), una fosfodiesterasi che a partire da PIP2 (fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato) produce i secondi messaggeri IP3 (inositolo 1,4,5-trifosfato) e DAG (diacilglicerolo). Questi ultimi depolarizzano la cellula mediante attivazione di proteinchinasi C (PKC), chiusura di canali per il K+ e/o apertura dei canali per il Ca2+. Piccole variazioni di Ca2+ intracellulare guidano, per esempio, alla formazione di una nuova spina dendritica. Per fare questo il neurone utilizza la via di idrolisi dei polifosfoinositidi come sistema di fine regolazione spazio-temporale del rilascio di calcio intracellulare. In questo caso la stimolazione del recettore mGlu5 aumenta i livelli di IP3 il quale, interagendo coi suoi recettori nelle zone pace-maker del reticolo endoplasmatico promuove il rilascio di calcio nel citoplasma [Le zone pace-maker sono punti del reticolo endoplasmatico (in questo caso anche noto come calciosoma) che, per motivi ancora non del tutto chiari, sono molto più sensibili all'IP3, ragion per cui in queste zone i recettori per l'IP3 si aprono a concentrazioni molto più basse rispetto ad altre].

Fosfolipasi C e via dei polifosfoinositidi

Fosfolipasi C e via dei polifosfoinositidi

Il processo di crescita di una spina dendritica (qui una figura) avviene in maniera del tutto localizzata grazie all’esistenza di connessioni anatomiche tra il C-terminale del recettore metabotropico e il recettore per l’IP3, mediante proteine di ancoraggio alla matrice citoscheletrica (dette Homer). Tramite le proteine Homer  è anche possibile connettere il sistema metabotropico con quello ionotropico e traslocare il recettore in un altro punto della membrana. Questo è un esempio di plasticità sinaptica. I recettori mGlu1 e mGlu5 sono anche implicati, assieme a recettori ionotropici per il glutammato, nel potenziamento e nel mantenimento a lungo termine delle risposte sinaptiche a livello del circuito ippocampale. La loro stimolazione può tuttavia potenziare i meccanismi di eccitotossicità provocati dall’eccessiva attivazione di recettori ionotropici. I livelli di calcio intracellulare rispetto a quelli extracellulari sono molto diversi proprio perché la cellula deve proteggersi dall’eccesso di questo ione. Il calcio contenuto nel citosol di una cellula a riposo corrisponde a 100 nM, al massimo 1 οM, quando cioè una cellula è attivata. Nell’ambiente extracellulare la concentrazione di calcio è circa 1 mM, 10.000 volte maggiore rispetto alla concentrazione citosolica. Il che significa che la cellula lavora molto per mantenere questo gradiente ed evitare che il calcio extracellulare per gradiente elettrochimico entri nella cellula. Deve esistere quindi una fine regolazione del calcio cellulare. Ed infatti la stragrande maggioranza del calcio cellulare (il 99,99 %) è legato a molecole presenti nel citosol, oppure segregato all’interno di organuli cellulari. Anche in questi ultimi il calcio è in parte legato ed in parte libero. I sistemi che legano il calcio sono proteine ed in particolare proteine che legano il calcio a bassa affinità, perché devono poterlo rilasciare immediatamente in risposta all’IP3, ma devono essere anche a larga capacitanza (ossia ne devono sequestrare tanto); le proteine leganti il calcio appartengono a diverse famiglie di cui la più famosa è quella delle Calsequestrine, espresse dalle fibre muscolari.

I recettori per l’IP3 sono inoltre sottoposti a controllo modulatorio da parte del calcio stesso e dell’ATP. Il sistema è organizzato in modo tale che dai calciosomi escano piccole quantità di calcio. L’impiego dell’ATP si può giustificare col fatto che il sistema di rilascio del calcio dai calciosomi si attiva in cellule metabolicamente attive. Per quanto riguarda la modulazione operata dal calcio, sembra che operi in doppio senso: piccole concentrazioni potenziano il sistema, grandi concentrazioni spengono il sistema.  Il calcio quindi agirebbe da modulatore positivo a basse concentrazioni e negativo ad alte. Questa doppia regolazione permette di potenziare inizialmente l’attivazione del recettore e quindi l’efflusso degli ioni dal deposito; quando il recettore è completamente attivato, la concentrazione citosolica circostante di calcio aumenta notevolmente ed il recettore viene quindi disattivato dal calcio stesso. In questo modo il reticolo endoplasmatico può tornare a ricaricarsi, anche se la produzione di IP3 continua a livello della membrana plasmatica (si ha il cosiddetto refill del calcio).

Per quanto riguarda invece i recettori del secondo gruppo (mGluR2 e mGluR3) e del terzo gruppo (mGluR4, mGluR6, mGluR7 e mGluR8), sono accoppiati a proteine Gi (dove in pratica la proteina G trimerica presenta una subunità αi), dunque la loro stimolazione inibisce l’attività dell’enzima transmembrana adenilato ciclasi (effettore primario), per cui di conseguenza si hanno ridotti livelli di cAMP (secondo messaggero). Questi recettori mediano effetti essenzialmente di tipo inibitorio legati alla riduzione delle correnti di Ca2+ in molti circuiti cerebrali e nella retina (per esempio, mGluR6 si trova solo nella retina). La loro localizzazione può essere sia pre- sia postsinaptica (ma prevalentemente post-sinaptica). mGluR3 è un recettore tipico delle cellule gliali, mentre mGluR2 si trova nelle cellule neuronali. Entrambi hanno un ruolo neuroprotettivo: mGluR2 ha sempre funzione di autorecettore nella trasmissione glutammatergica, per cui si trova sempre in regioni presinaptiche. Negli astrociti, mGluR3 media il rilascio di fattori trofici, come ad esempio TGFβ1.

A questo punto del discorso, fatta una panoramica dei recettori glutammatergici, ci addentriamo giusto un attimo nella descrizione di quello che accade quando si ha l’attivazione anomala di una sinapsi glutammatergica. In una sinapsi glutamatergica matura generalmente i recettori NMDA e AMPA coesistono nella densità postsinaptica. Abbiamo detto in precedenza che la depolarizzazione indotta dai recettori AMPA è in grado di rimuovere il blocco da magnesio dai recettori NMDA, e che ciò produce un’ulteriore depolarizzazione. Questo meccanismo di azione è di tipo rigenerativo ed è simile quello della fase di salita del potenziale d’azione. L’attivazione dei recettori NMDA può essere favorita dalla ripetuta attivazione di una stessa sinapsi (sommazione temporale) o dalla contemporanea stimolazione di più sinapsi (sommazione spaziale).

L’eccessiva attivazione di una sinapsi glutamatergica ha effetti tossici per i neuroni, tanto da causarne la morte. Questa condizione, denominata eccitotossicità da glutammato, è dovuta spesso, ma non solo, all’attivazione abnorme dei recettori NMDA. Altre vie di influsso di calcio nel citosol sono i canali VOCC (canali voltaggio-dipendenti operati dal calcio) ed i canali che liberano il calcio dai depositi intracellulari (i calciosomi).

L’eccitotossicità da glutammato ha notoriamente effetti devastanti sul normale metabolismo cellulare. Gli ioni Ca2+ in eccesso attivano infatti enzimi del metabolismo degradativo, come peptidasi (per esempio, caspasi), proteasi, endonucleasi e fosfolipasi, oltre ad inasprire lo stress ossidativo mediato da specie reattive dell’ossigeno (ROS), tipicamente prodotte dai complessi I e III della catena respiratoria, a livello mitocondriale. Inoltre, questo ione attiva la sintesi di NO (monossido di azoto) da parte dell’enzima nNOS(neuronal Nitric Oxide Synthase), presente in molti neuroni glutamatergici.  Il monossido di azoto è un messaggero chimico che agisce a feedback sui terminali presinaptici, dove induce l’aumento della trasmissione, ed è anche in grado di estendere l’eccitazione ai neuroni circostanti. In condizioni patologiche, l’NO prodotto nei neuroni reagisce con specie reattive dell’ossigeno producendo perossinitriti (ONOO-), i quali bloccano la respirazione cellulare, mentre incrementano lo stress ossidativo. I ROS e le altre specie ossidanti provocano ingenti danni cellulari, a proteine, lipidi ed acidi nucleici. I danni al DNA attivano enzimi della riparazione, come ad esempio la PARP (Poli ADP-Ribosio Polimerasi). Tuttavia l’attivazione di questi meccanismi porta alla deplezione delle risorse energetiche della cellula (ATP ed equivalenti riducenti) e perdita dei gradienti elettrochimici mantenuti dalle pompe ATPasiche. In queste condizioni, l’alterazione dei gradienti di concentrazione può portare all’inversione del funzionamento dei neurotrasportatori di membrana per il glutammato con conseguente aumento dello stesso negli spazi extracellulari. Si instaura, quindi, un circolo vizioso che, se non antagonizzato, può portare ad estese aree di neurodegenerazione, con morte delle cellule per apoptosi o per necrosi [cliccando qui potete vedere un'immagine].

L’eccessiva stimolazione dei recettori per gli aminoacidi eccitatori può avvenire per eccesso di liberazione di neurotrasmettitore, ma anche per ridotto trasporto da parte dei carriers neuronali o gliali. E’ anche possibile che molecole attive sui recettori per gli aminoacidi eccitatori vengano ingerite con i cibi: è interessante ricordare che nel 1987, nell’isola Prince Edwards, in Canada, un numero significativo di abitanti presentò dolori addominali e diarrea cui seguirono amnesie e demenza. Nei casi che giunsero all’autopsia fu riscontrata degenerazione delle cellule piramidali dell’ippocampo e gliosi diffusa. E’ ormai accertato che tale patologia fu causata dall’acido domoico, un agonista dei recettori al kainato, presente quell’anno in concentrazione eccessiva nelle cozze di cui gli abitanti dell’isola facevano largo consumo.

Altre malattie neurologiche gravi possono essere causate da eccessiva ingestione di cibi contenenti acidi eccitatori quali la beta-metil-amino-L-anilina (BMAA). La BMAA è una neurotossina agonista dei recettori metabotropici accoppiati a Gq, ma è anche un agonista dei recettori NMDA. E’ un componente della farina preparata dai semi di una palma (Cicas Circinalis) di cui si nutrono gli abitanti dell’isola di Guamm (Arcipelago di Comorro). Questa eccitotossina ha causato dei casi devastanti di patologie neurologiche molto complesse in cui venivano fuori contemporaneamente i sintomi di una demenza (tipo Alzheimer), i sintomi di una alterata attività motoria (tipo morbo di Parkinson) e i sintomi della sclerosi laterale amiotrofica poiché causa degenerazione del motoneurone spinale. Questo complesso si chiama Alzheimer-Parkinson-ALS complex.

Infine, anche il neurolaritrismo, caratterizzato da paraplegia spastica, una malattia neurologica comune nell’Africa orientale e nell’Asia del sud sembra dovuto alla eccessiva ingestione di un aminoacido (BOAA, beta-N-oxalilamino-L-alanina), agonista dei recettori AMPA, presente nel Latirus sativus (cicerchia).

Continuate a seguirci. Nella quarta parte entreremo nel vivo della fisiopatologia della neurotrasmissione glutammatergica: vi proporrò infatti una linea di ricerca abbastanza recente che ha ipotizzato una connessione tra l’omeostasi sinaptica dello zinco e l’eccitotossicità da glutammato. Tanto per rimanere, com’è nostra tradizione, sospesi sul filo sottile tra la chimica e la biologia!

 

 



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