Unidad III Parte II, Bases Bioquímicas de la Neurotransmisión by Luis Felipe Alexardy Labrador Montero

UNIVERSIDAD CENTROCCIDENTAL “LISANDRO ALVARADO” DECANATO DE CIENCIAS DE LA SALUD PROGRAMA DE MEDICINA SECCIÓN BIOQUÍMICA

Unidad III Parte II Bases Bioquímicas de la Neurotransmisión

Prof. Luis Labrador

Aminoácidos en el Sistema Nervioso Central

Varios procesos dinámicos, tales como la velocidad de transporte hacia dentro y hacia fuera del SNC; la velocidad de diferentes conversiones metabólicas y la velocidad de incorporación a proteínas, son los determinantes de la concentración de aminoácidos del SNC

Contenido de AA en el SNC Aminoácidos

Unidades comparativas por gramo de tejido

Ácido Glutámico

100

Ácido N-metil Aspártico

Glutamina

Ácido Gamma Amino Butírico

Ácido Aspártico

Taurina

Cistationina

Glicina

Alanina

Serina

Valina

Lisina y otros

Este contenido de aminoácidos libres en el SNC se caracteriza por: Es especifico de este tejido. No esta relacionado de forma clara y directa con el contenido de AA encontrados en el plasma y liquido céfalo raquídeo.

 No guarda relación con el contenido de proteínas del SNC. El 75-80% de la concentración de AA en el SNC esta representada por la “Familia Glutámico” (Glutámico, Glutamina, Aspártico, N-acetil-Aspártico y GABA). Ciertos derivados de AA (GABA y N-acetil-aspártico) se encuentran preferentemente en el SNC.

Partiendo de su acción neuronal los Aminoácidos se dividen en: Aminoácidos Excitatorios: Ácido Glutámico Ácido Aspártico Derivados sulfurados de Metionina Ácido Cisteínico.

Producen Despolarización de la célula nerviosa

Ácido Homocisteínico

Aminoácidos Inhibitorios: Ácido Gamma Amino Butírico Glicina Taurina Β-Alanina

Producen Hiperpolarización neuronal

ﾃ…ido Gamma Amino Butﾃｭrico (GABA) -OOC

NH3+

CH2 CH2

CH2

Ubicado en el SNC. Tanto en el Cerebro como en la Medula espinal.

El hecho que se encuentre primordialmente en las neuronas ubicadas dentro de rutas y circuitos nerviosos (Interneuronas), permite el control de la excitabilidad de grandes regiones del SNC (se ha demostrado que el 40% del tejido nervioso utiliza GABA como neurotransmisor).

GABA no atraviesa la Barrera Hematoencefﾃ｡lica.

Ácido Gamma Amino Butírico (GABA) Metabolismo Ácido Glutámico Glutámico Descarboxilasa (GAD) Fosfato piridoxal

CO2

GABA GABA-Aminotransferesa (GABA-T) Fosfato piridoxal

-Ceto Glutárico Ácido Glutámico

Aldehído Semi Succínico

Semialdehido Succínico Deshidrogenasa (SSADH)

Ácido Succínico

Ácido Gamma Amino Butírico (GABA) Metabolismo El proceso metabólico de GABA, tanto su síntesis como catabolismo, implican intermediarios del ciclo de Krebs, lo que permite afirmar que el GABA es metabolizado a través de una derivación del mismo (Derivación de GABA). Ácido Glutámico -Ceto Glutárico Succinil CoA

Isocítrico Cítrico

KREBS

Oxalacetico

GABA Aldehído Succínico

Succínico Fumarico

Málico

DERIVACIÓN GABA

Para mantener el suministro adecuado de NT es necesario que del 8-10% del metabolismos cerebral de glucosa, sea procesado así.

Ácido Gamma Amino Butírico (GABA) Metabolismo El principal precursor de GABA es el Ácido Glutámico, el cual puede ser sintetizado a partir de α-Cetoglutarato mediante dos reacciones: 2 Glutamina

1 TRANSAMINACIÓN NH3 Ácido -Ceto Glutárico

Ácido Glutámico

1 Alanina

Ácido Piruvico

CONDENSACIÓN DE AMINO

Ácido Gamma Amino Butírico (GABA) Metabolismo

Para mantener las concentraciones de los intermediarios, adecuadas, se requiere el funcionamiento de la ruta GLICOLÍTICA.

En consecuencia: la GLUCOSA, la principal fuente de energía para el tejido nervioso, es el precursor primario en la síntesis de GABA

Ácido Gamma Amino Butírico (GABA) Recaptación Célula Glial

Aldehído Semi Succínico -Ceto Glutárico (GABA-T) Ácido Glutámico GABA

“Las células gliales carecen de la enzima GAD por lo que no pueden formar GABA a partir del Glutámico formado”.

“Es requerido en la célula Glial la transformación a Glutamina” (CIRCUITO DE LA GLUTAMINA)

NEURONA

GLIA

GABA

ALDEHIDO SUCCÍNICO

GABA

GABA-T GAD GLUTÁMICO

GLT-ASA GLUTAMINA

GLUTÁMICO

CETO GLUTÁRICO

GLT-SINTETASA GLUTAMINA

Descarboxilasa del Ácido Glutámico (GAD)

ÁCIDO GLUTÁMICO

GAD Fosfato de Piridoxal

GABA

Trabaja a una eficiencia entre el 5 y 10% de la capacidad máxima catalítica. Por lo tanto, el tejido nervioso contiene mucha más GAD que la requerida para la síntesis normal de GABA (RESERVA FUNCIONAL) Forma activa Forma inactiva

HOLOENZIMA (Unida a Fosfato Piridoxal) APOENZIMA (libre de Fosfato Piridoxal)

Deficiencia de Fosfato Piridoxal provoca convulsiones.

GABA Transaminasa (GABA-T)

GABA

GABA-T

ÁCIDO CETO GLUTÁRICO

SEMIALDEHIDO SUCCÍNICO

ÁCIDO GLUTÁMICO

El catabolismo de GABA regenera su precursor, el Ácido Glutámico. GABA-T también se encuentra fuera de la neurona (células gliales). Además, la relación GABA-T/GAD es siempre mayor a la unidad.  Muy poco GABA difunde desde el tejido nervioso hacia tejidos periféricos, y este neurotransmisor se encuentra fundamentalmente en el SNC.

La inhibición de la enzima origina sedación y propiedades anticonvulsionantes que son utilizadas clínicamente.

Regulación de la síntesis de GABA

En la neurona, GABA cumple funciones de neurotransmisor así como también es un intermediario del metabolismo energético.

Dos compartimiento: 1. NT: ubicados en las terminales nerviosas y asociados con las vesículas sinápticas.

2. Metabólico: distribuido homogéneamente en el resto de la neurona. La síntesis de GABA se lleva a cabo por una sola reacción: ÁCIDO GLUTÁMICO

GAD Fosfato de Piridoxal

GABA

Regulación de la síntesis de GABA

Esta reacción es irreversible = por lo que tendría como única limitante la concentración de sustrato. 

La síntesis de GABA se bloquea o disminuye cuando se detiene la de GLUTAMINA.



También disminuye en hipoglicemia insulinica.



La regulación por disponibilidad o concentración de sustrato no esta clara.



La regulación por la modulación de GAD puede residir en el mecanismo de unión de la enzima a su cofactor, el FOSFATO PIRIDOXAL. Interconversión: ApoE

HoloE

El 50% de GAD en el tejido nervioso se encuentra en la forma ApoGAD (Forma inactiva)  Reservorio de la capacidad sintetizadora de GABA.

Regulación de la síntesis de GABA

HOLO E GLUT + Pi

E - FP

GLUT - EFP +

GABA

ATP

FP - E APO E  Regulada alostéricamente por niveles de ATP y Pi.  Por último, regulación por los niveles de FOSFATO PIRIDOXAL.

Receptores para GABA

PROPIEDADES COMPARATIVAS DE LOS RECEPTORES GABA

El neurotransmisor GABA ejerce sus acciones inhibitorias activando receptores específicos ubicados a pre y postsinápticos en la mayoría de regiones del Sistema Nervioso Central

CARACTERÍSTICAS

RGABA-A

RGABA-B

RGABA-C

Mecanismo

Ionotrópico

Metabotrópico

Ionotrópico

Conductancia

CL-

Ca++ /K

CL-

Sub-unidades



——

P1,P2

Apertura canal

» 25 ms

——

» 150 ms

» 10 µM

» 1 µM

Antagonista

Inactivo

Agonista

Inactivo

Antagonista No competitivo

Inactivo

Antagonista No competitivo

Saclofen

Inactivo

Antagonista

Inactivo

Taca

Inactivo

Agonista

Caca

Inactivo

Agonista

Benzodiazepinas

Activo

——

Barbitúricos

Activo

——

Neuroesteroides

Activo

——

FARMACOLOGÍA GABA (DE50) Bicuculina Baclofen Picrotoxina

MODULADORES

Receptores para GABA

 Son receptores ionotrópicos.

HN 2

TM2

COOH

TM3 TM4

TM1

 Constituidos por cinco unidades que forman un canal.

MEMBRANA

 Se activan por la unión de moléculas de GABA (o agonistas).  Su activación resulta en un incremento de la conductancia al ión Cloro.

SEGMENTO TM2

 Se produce una hiperpolarización que conlleva a un aumento del potencial de respuesta de la neurona.  Este aumento del potencial umbral, explica el efecto inhibitorio de GABA.

SUBUNIDADES CANAL

RECEPTOR GABA-A (VISTA DESDE ARRIBA)

Receptores para GABA-A

Farmacológicamente este efecto RECEPTORES GABA-A inhibitorio, producido por la activación de CONFIGURACIÓN CANTIDAD EN los receptores GABA-A, puede ser SNC (%) modulado alostéricamente por una serie de a. 122 43 compuestos donde sobresalen las Benzodiacepinas, los Barbitúricos, los b. 222 Neuroesteroides, los Anestésicos 232 18 generales y el Etanol. SITIO DE UNION BARBITURICOS

c. BBT



 B Z S

CANAL PCTx CLORURO NET

SITIO DE UNION CONVULSIONANTES

SITIO DE UNION NEUROESTEROIDES

SITIO DE UNION GABA

532 533

62 6

GABA SITIO DE UNION BENZODIAZEPINAS

3n2 3n2

Receptores para GABA-A Sitio de unión para BENZODIAZEPINAS

Las Benzodiacepinas son compuestos que presentan propiedades ansiolíticas, anticonvulsionantes, hipnóticas y de relajante muscular. Se unen a el receptor GABA-A de manera indirecta. SITIO DE UNIÓN Cl PARA BENZODIAZEPINAS

SITIO DE UNIÓN PARA GABA

MEMBRANA

Cl--

SITIO DE UNIÓN BARBITURICOS

Receptores para GABA-A Sitio de unión para BENZODIAZEPINAS

Las Benzodiacepinas interaccionan con sus sitios de unión, regulando o modulando la transmisión gabaérgica, modulando o regulando la unión del neurotransmisor a sus sitios de unión.

a) Condiciones normales: Ausencia de las Benzodiacepinas (1)

(2)

(3)

Cl-

RBZ S

G R GABA - A

Cl-

TRANSMISION GABAERGICA

b) Presencia de compuestos Benzodiazepinicos capaces de modular POSITIVAMENTE el receptor GABA-A.

RBZ S

BZ BZ

CONDUCTANCIA AL IÓN CLORURO

Induce un cambio conformacional que conlleva a un incremento de la conductancia del ión Cloro.

RBZ S

+BZ CONTROL

(A)

(B)

CONCENTRACION GABA

c) Presencia de compuestos Benzodiazepinicos capaces de modular NEGATIVAMENTE el receptor GABA-A. Induce un cambio conformacional que conlleva a una disminuci贸n de la conductancia del i贸n Cloro.

Transmisi贸n Gaba茅rgica Disminuida Cl -

RBZ

BZ R BZ BZ

RBZ BZ

R GABA - A

Cl -

d) Presencia de compuestos capaces de unirse a los sitios de uni贸n de las Benzodiacepinas sin posterior modulaci贸n sobre el receptor GABA-A. Inhiben la acci贸n de las Benzodiacepinas, ya que son antagonista de los receptores para ellas.

RBZ S

BZ RBZ S BZ

Receptores para GABA-A Sitio de unión para BARBITURICOS

Los BARBITÚRICOS son compuestos químicamente derivados del Ácido Barbitúrico (ciclo malonil-urea) que presentan efectos hipnóticos, sedantes, ansiolíticos y anticonvulsionantes. Estos compuestos reaccionan con el complejo Rgaba-A uniéndose a sitios específicos de unión localizados en la subunidad alfa (). SITIO DE UNIÓN PARA BENZODIAZEPINAS

Cl -

SITIO DE UNIÓN PARA GABA

MEMBRANA

Cl--

SITIO DE UNIÓN BARBITURICOS

Receptores para GABA-A Efectos de los BARBITURICOS

El efecto de los barbitúricos sobre la funcionalidad del Rgaba-A es similar al producido por las benzodizepinas pero presenta diferencias fundamentales: a. A dosis pequeñas (concentraciones subanestésicas), los barbitúricos aumentan la afinidad del Rgaba-A por el GABA (efecto alostérico) produciendo un incremento en el tiempo promedio de apertura del canal para cloruro (efecto similar al producido por las benzodiacepinas). b. A dosis mayores (concentraciones capaces de producir anestesia) los barbitúricos actúan directamente aumentando e incrementando la apertura de los canales para cloruro aun en la ausencia del GABA.

“Sinergismo de ambas drogas”

Receptores para GABA-A Sitios de unión para CONVULSIVANTES

Existen dos tipos de inhibidores del GABA. El primer grupo estaría representado por la Bicuculina, antagonista competitivo de los sitios de unión de GABA presentes en el complejo Rgaba-A. Bicuculina compite con GABA por los sitios de unión pero “per se” no produce ningún efecto fisiológico. El segundo grupo de compuestos capaces de antagonizar al GABA están representados por la Picrotoxina, el TBPS y ciertos estimulantes del SNC, usados en el tratamiento de la depresión, como el pentilentetrazol (metrazol) RSPTA MAX. (2)

CONTROL + BICUCULINA RESPUESTA

(1)

CONCENTRACION GABA

(1’)

Receptores para GABA-A Sitios de unión para ETANOL

El etanol produce efectos muy similares a los producidos por las benzodiacepinas y los barbitúricos. Es ansiolítico, hipnótico, sedante y anticonvulsivante. Produce incoordinación motora y desórdenes en los procesos cognitivos y, a altas dosis, actúa como anestésico y depresor respiratorio. La interacción del etanol con los Rgaba-A conduce a un aumento de la conductancia al ion cloruro dependiente de GABA, actuando en una forma similar a los barbitúricos: el etanol aumenta la afinidad de los Rgaba-A hacia el neurotransmisor GABA (efecto modulatorio alostérico); sin embargo, cuando la concentración se incrementa, el etanol presenta un efecto directo que origina un aumento de la frecuencia de apertura de los canales para cloruro aún en la ausencia de GABA, similar a los barbitúricos.

Receptores para GABA-A Sitios de unión para NEUROESTEROIDES Son sustancias esteroideas formadas en el SNC. Ej: el derivado reducido de la progesterona el 3-α-hidroxi-dihidroxi-progesterona (3α-OH-DHP) y el metabolito reducido de la desoxicorticosterona, el tetrahidrodexoxicorticosterona (THDOC). NEUROESTEROIDE + BARBITURICO CORRIENTE DE CLORURO

BARBITURICO NEUROESTEROIDE

TIEMPO (MINUTOS)

Estudios cinéticos han demostrado que, la interacción entre los neuroesteroides y su sitio específico de unión (en el Rgaba-A) incrementa el tiempo promedio de apertura de los canales para el ion cloruro, así como la frecuencia de apertura de estos canales.

Receptores para GABA-B

Los receptores GABA-B están presentes en la mayoría de las regiones del SNC. En las sinapsis gabaérgicas su ubicación es postsináptica y presináptica (autoreceptores). NEURONA PRESINÁPTICA

GABA

NEURONA POSTSINÁPTICA

R GABA - A

GABA

R GABA - B G G

R GABA - B AUTO-RECEPTOR

Mientras que en las otras sinapsis (otros neurotransmisores) se ubican presinápticamente como hetero-receptores.

Receptores para GABA-B

La activación de los Rgaba-B de ubicación presináptica conduce a una disminución (regulación) de la liberación del neurotransmisor (GABA en el caso de los autoreceptores y otros neurotransmisores, noradrenalina, serotonina, acetilcolina, opiaceos…, en el caso de los hetero-receptores)

TERMINAL PRESINÁPTICO

NT - SINAPSIS

(-) G

(ACTIVACIÓN) AG

(-)

Receptores para GABA-B

Por otra parte, la activación (interacción con sus agonistas, AG en el gráfico) de los Rgaba-B postsinápticos PRODUCE UNA HIPERPOLARIZACIÓN prolongada responsable del componente retardado del potencial inhibitorio postsináptico (PIP):

RESPUESTA A GABA

PIP (OBSERVABLE)

-70

COMPONENTE LENTO:

COMPONENTE RÁPIDO:

R GABA-A

R GABA-B

Receptores para GABA-B

A NIVEL PRESINÁPTICO, el mecanismo que INHIBE (REGULA) LA LIBERACIÓN DE LOS NEUROTRANSMISORES parece ser producido por la inhibición de corrientes de calcio (inhibiendo canales específicos para este ion):

TERMINAL PRESINÁPTICO ++

(-)

CA (-)

(ACTIVACIÓN)

(-) LIBERACIÓN

Receptores para GABA-B

Mientras que el efecto postsináptico, estaría sustentado en un aumento de la corriente de potasio a través de canales Kirks, específicos para este ion:

K ACTIVACION

(+)

TERMINAL POSTSINAPTICO

Receptores para GABA-B

En ambos casos, los Rgaba-B están acoplados con los canales iónicos a través de proteínas G (específicamente Gi/o):

a) NIVEL PRESINAPTICO

b) NIVEL POSTSINAPTICO +

RGABA -B

Gi(O) ++

(+)

(-)

K Gi(O) ++

RGABA -B

Receptores para GABA-B

En ambos casos, es el dímero β el responsable de la modulación de la funcionalidad del canal iónico. También los Rgaba-B pueden actuar a través del sistema enzimático adenilciclasa (AC). En este caso, la interacción de los agonistas con los Rgaba-B activa la proteína Gi/o permitiendo que la subunidad alfa inhiba a la enzima:

RGABA -B

AC (-) AMPc

Receptores para GABA-B

Resultados obtenidos con los receptores clonados, permiten concluir que los receptores metabotrópicos para el neurotransmisor GABA están constituidos o son heterodímeros (o tal vez heterómeros) de dos proteínas (Rgaba-B 1 y Rgaba-B 2): RECEPTOR GABA - B FUNCIONAL

(1)

NH 2

(1)

R GABA - B

(R) 2

(R) 1

C (1) SITIOS DE UNION PARA LIGANDOS.

Receptores para GABA-B

Tanto a nivel presináptico como postsináptico, la activación de los Rgaba-B es especial y diferente a la activación de los Rgaba-A. La más aceptada es aquella que considera que mientras los Rgaba-A se localizan en la región sináptica, los Rgaba-B presentan una ubicación perisináptica.

R GABA - B G

GABA

R GABA - A G

R GABA - B

Farmacología de la neurona GABAERGICA

GLUTAMICO 1 GABA

R GABA-B

GABA-T

SSA

R GABA-B

G G GABA 3

6 TG

GABA

GABA 4

R GABA-A

G R GABA-B

GABA-T

SSA

GABA-T

GABA

SSA 5

G R GABA-B

Transportadores de GABA

GAT-A (Expresado en tejido Neuronal) GAT-B (Se localiza en tejido Glial) El proceso de recaptación de GABA es dependiente de Na+ y es electrogénico, es decir se realiza por un movimiento hacia dentro neto de una carga positiva. GABA Na

La presencia de cloruro también es necesaria. Debe existir un gradiente de este ion, de afuera hacia dentro para que GABA sea recaptada.

ESPACIO SINAPTICO

MEMBRANA

GABA

CITOPLASMA NEURONAL

Interferencia con el almacenamiento de GABA en las vesículas sinápticas

Las capaces de almacenar GABA, presentan un transportador para este aminoácido de baja afinidad, CAPAZ DE TRANSPORTAR TAMBIEN GLICINA. La fuerza empleada para este transporte esta dada por un gradiente electroquímico, gracias a una ATPasa y un gradiente de pH. La electroneutralidad del sistema es aportada por un transportador de cloruro.

Interferencia con los procesos de liberación de GABA La liberación del neurotransmisor GABA es bloqueada parcialmente por la toxina tetánica. Conociendo que esta toxina hidroliza a la proteína de la membrana vesicular Sinaptobrevina. También puede ser liberado al espacio sináptico por medios de transportadores presentes en la membrana neuronal presináptica. Esta liberación es independiente de calcio pero necesita la presencia del ion sodio (la sustitución de este ion por Litio, inhibe el transporte de GABA). Interesantemente estos transportadores son inhibidos por sustancias capaces de bloquear los transportadores recaptadores de GABA desde el espacio sináptico hasta las neuronas o las células, lo que representa una prueba experimental de que la liberación citoplasmática del GABA puede ser realizada por las proteínas transportadoras (sistemas de recaptación) trabajando en dirección contraria.

Interferencia con los procesos de liberación de GABA

PROCESO DE LIBERACIÓN EXOCITOSIS

Localización vesicular del neurotransmisor.

TRANSPORTADOR Localización citoplasmática del neurotransmisor.

Dependiente de Calcio. Dependiente de Sodio. NT

Insensitivo a inhibidores del transportador. Modulado por receptores presinápticos.

Sensitivo a inhibidores del transportador.

TEORIA VESICULAR

No modulados por receptores presinápticos.

LIBERACION POR TRANSPORTADORES DE MEMBRANA

Interferencia con los procesos de recaptación de GABA Bajo algunas situaciones (por ejemplo isquemia cerebral) puede que GABA difunda mas allá del espacio sináptico y pueda activar sus autoreceptores y otros heteroreceptores gabaérgicos. El resultado sería una disminución de la liberación de diferentes neurotransmisores con la consecuente disfunción neuronal. NEURONA PRESINÁPTICA

GAT-A GAT-B

GAT-B

TEJIDO GLIAL

[

[ NT

NEURONA POSTSINÁPTICA

TEJIDO GLIAL

GLICINA

H2 C

COONH3+

Llega al SNC a través de la dieta: la Glicina representa un alto porcentaje, 1-5%, de la proteína ingerida y atraviesa con facilidad la barrera hematoencefálica gracias a la presencia de transportadores específicos.

GLICINA Síntesis

Dos rutas metabólicas intervienen en la síntesis de este neurotransmisor; la más importante tiene como principal precursor a la serina: SERINA

GLICINA

HN 3+ HC --- COO HC 2

1) La SERINA se sintetiza a partir de un intermediario de la glicólisis (3-fosfoglicerato)

HN 3+

Fosfato piridoxal SERINA HIDROXIMETILTRANSFERASA

HC --- COO H

GLICINA GLIOXALATO O

TRANSAMINASA

HC --- COO H

OHN + 3

CH - COO -

2) Implica la transaminación del Glioxilato, compuesto formado tanto en la glicolisis como en el ciclo de Krebs.

HN 3+

GLICINA Catabolismo ACIDO GLUTAMICO ATP

Las rutas metabólicas a través de las cuales puede ser degradada la glicina no son especificas:

 Pueden ser convertidas en Serina y Glioxilato ya que las reacciones son reversibles.

CISTEINA ADP +Pi

GLUTAMIL - CISTEINA ATP

+ 3HN

- CH - COO 2

GLICINA

ADP +Pi

 Pueden ser transformadas en glutatión.

CH O C

CH CH

NH - CH - C - NH - CH - COO

GLUTATION

HC - NH COOH

GLICINA Distribución de la Glicina en el sistema nervioso

La Glicina se encuentra fundamentalmente acumulada en las raíces dorsales de la Médula Espinal. Comparativamente con otros aminoácidos y neurotransmisores, la glicina presenta la más altas concentraciones en este tejido. Hoy en día se considera que la Glicina es el neurotransmisor de las interneuronas inhibitorias medulares (células de Renshaw) activadas por fibras “y” que hacen sinapsis con motoneuronas. 5 a 9 a

1 2

DORSAL 3

VENTRAL

a= UNIDADES ARBITRARIAS 4 MN INTERNEURONA (CELULA DE RENSHAW)

12 a 1.0

GLICINA Almacenamiento vesicular de la glicina La Glicina es almacenada en vesículas sinápticas. Este mecanismo de captación es dependiente de la temperatura, del ion Mg++ y de la presencia de ATP, condiciones que demuestran que es un proceso que requiere y consume energía, la captación vesicular de la Glicina es un proceso dirigido por un gradiente de pH generado por el complejo enzimático Mg++ - APT-asa “No es totalmente específico para Glicina sino que también puede transportar otros aminoácidos, específicamente GABA”.

ATP +

-++

ADP

GLIC COMPLEJO Mg++- ATP - ASA

TRANSPORTADOR GLICINA

GLICINA Liberaciรณn de la Glicina desde la terminal sinรกptica La glicina para su liberaciรณn utiliza procesos dependientes de Ca++ (exocitosis vesicular) e independientes de Ca++ pero dependientes del ion Na+. Los procesos dependientes de Na+ se llevan a cabo mediante transportadores localizados en la membrana neuronal presinรกptica que funcionalmente son cotransportadores de Na+ y Cl-, por lo cual, el proceso de liberaciรณn resulta totalmente dependiente de estos dos iones. GLIC GLICINA

GLIC GLIC 2 Na+ ++

GLIC

CL-

Na+

CL-

2 Na+ TRANSPORTADOR GLICINA GLICINA

GLICINA Recaptación de la Glicina

Una vez en el espacio sináptico, la Glicina puede ser recaptada hacia el espacio neuronal y Glial mediante mecanismos de recaptación de alta afinidad y dependientes del ion sodio. En la actualidad se conocen tres complejos transportadores (recaptadores) denominados GlicT-1a, GlicT-1b y GlicT-2. El transportador GlicT-1b parece ubicarse preferencialmente en tejido glial mientras que los otros dos se localizan en tejido neuronal. SINAPSIS GLICINENGICA NEURONA PRESINÁPTICA

TEJIDO GLIAL GLICT-2 GLICT-1b

GLICT-1b

[GLICINA ] NEURONA POSTSINÁPTICA

TEJIDO GLIAL

GLICINA Receptores G2 para la Glicina Receptores insensibles a Estricnina, sin subunidades α ó β, y son parte constitutiva de los receptores tipo RNMDA para el Ácido Glutámico. La transmisión neuronal excitatoria dependiente de la activación de los receptores RNMDA es, a su vez, dependiente de la presencia de Glicina. SITIO DE UNION PARA GLICINA INSENSIBLE

SITIO DE UNION PARA EL ACIDO GLUTAMICO

SENSIBLE

R GLC (G2) NMDA

Ca / Na

NMDA

GLICINA MEMBRANA POSTSINAPTICA NO EXISTE RESPUESTA EXCITATORIA AL ACIDO GLUTAMICO

EXISTE RESPUESTA EXCITATORIA AL ACIDO GLUTAMICO COMPLEJO RNMDA (REPRESENTACION SIMPLIFICADA)

GLICINA Receptores para Glicina El RGLC es una estructura proteínica pentamérica compuesta por dos tipos de subunidades: Alfa (a1-a2) y Beta (b1-b2). Estas subunidades y sus diferentes variantes se corresponden con proteínas glicosiladas integrales que expanden la membrana hasta cuatro veces (presentan cuatro segmentos hidrofóbicos). El receptor para Glicina nativo se corresponde con una estructura pentamérica que invariablemente presenta la estequiometria de 3a:2b. La estructura final de este complejo forma un poro central, hacia el cual se proyectan los segmentos hidrofóbicos M2 de todas las subunidades

+ HN 3

COO

PORO M2

M2 M2

MEMBRANA

GLICINA Receptores para Glicina

En esta región de la unidad a, la presencia de ciertos aminoácidos determinan la afinidad de agonistas y antagonistas. Por ejemplo, Arginina (R), Alanina (A) y Fenilalanina (F) son importantes para la unión de Glicina y sus agonistas mientras que la presencia de Glicina (G), Lisina (K) y Tirosina (Y) son determinantes para la unión de los antagonistas tipo estricnina. También la subunidad a es la responsable de la modulación del RGLC. El ion Zn++ es un importante modulador de este receptor.

+ NH3

SITIO MODULATORIO

Zn++ SITIO DE UNIÓN GLICINA

G K

+ NH 3

OOC T

H C

A F

COOH

MEMBRANA

S S

SITIO DE ACCIÓN DE PK - C/PK-A

Bases Bioquﾃｭmicas de la Neurotransmisiﾃｳn

ﾃ…ido Glutﾃ｡mico

Ácido Glutámico Biosíntesis A) Transaminación de α-Cetoglutarato B) Aminación directa del α-Cetoglutarato C) Deaminación de la Glutamina por la Glutaminasa MITOCONDRIA

GLUTAMINA NH3+

C B GLUCOSA

PIRUVICO

α-CETOGLUTARATO

GLUTAMICO

α-CETOGLUTARATO

GLUTAMICO

A ALANINA PIRUVICO NEURONA

Ácido Glutámico Ciclo de la Glutamina Célula Glial

GLUTAMINA (GLUTAMINA SINTETASA) GLUTAMICO K+

Na+

El sustrato para esta reacción es el ácido glutámico, tomado por la célula glial del espacio sináptico, mediante transportadores específicos. La Glutamina formada difunde, mediante procesos pasivos, hacia la neurona, donde es transformada por la deaminación en ácido glutámico, por la enzima glutaminasa.

Ácido Glutámico Almacenamiento en vesículas

 El mantenimiento del gradiente electroquímico es esencial para que el ácido glutámico se almacene en las vesículas.  El transportador es especifico para ácido glutámico, no transporta ácido aspártico.  No existen inhibidores específicos para estos transportadores .

-++

ADP

Km  5mM

ATP +

TRANSPORTADOR GLUTAMICO

GLUT100mM COMPLEJO Mg++- ATP - ASA

GLUT-

10mM

Ácido Glutámico Liberación Como ha sido reportado para otros neurotransmisores (GABA, GLICINA y también CATECOLAMINAS) la liberación del Ácido Glutámico puede darse a través de 2 vías: Exocitosis (dependiente de Calcio) y Transportadores de la membrana presináptica (dependientes de otros iones diferentes a calcio). ALTOS NIVELES DE ACIDO GLUTAMICO SON LIBERADOS GLUT

GLUT GLUT

GLIC Na

GLUT

TRANSPORTADOR

Ácido Glutámico Regulación de la Liberación

Debido a esta alta liberación, se ha demostrado que puede conducir a estados de excitotoxicidad, por lo que estos procesos son sometidos a regulación o modulación mediante la actividad de diferentes receptores metabotrópicos de localización presináptica. TERMINAL PRESINÁPTICO (+)

GLU T

++ Ca (-)

GLUT

Ca++ ¨[Glutámico]

Ácido Glutámico Papel en el espacio sináptico

GLUT K+

Na+ Na+

GLUT

GLUT K+

RNMDA Mg++

Ca++ +

RAMPA

Ca++

El mantenimiento de la concentración optima de ácido glutámico en el espacio sináptico (0,1mM), se da mediante mecanismos de captación del mismo, hacia la neurona y las células gliales, en forma especifica y con alta afinidad.

Ácido Glutámico Transportadores

Membrana

 Son proteínas de membrana, con 10-12 dominios transmembranales.  Transportan también Ácido Aspártico (diferencia con el transportador vesicular).

COOH NH3+ GLUT⁻ OH⁻ K+

2Na +

Membrana 2Na

K+

GLUT⁻

Ácido Glutámico Transportadores

GLUT K+ EAAC-1 Km = µM

2Na+

GLUT

 El transportador Glial, GLUT-1, es el que presenta mayor afinidad por el Ácido Glutámico.  El transportador Glial, GLAST, tiene un Km mucho mayor, actuando como transportador de reserva, impidiendo que los niveles de Ácido Glutámico lleguen a ser tóxicos. GLUT GLAST-1 Km = mM K+

2Na+

RNMDA

Na+

Ca++

Mg++

RAMPA

Ca++

GLUT GLUT-1 Km = µM K+

 El transportador Neuronal, EAAC, que presenta una afinidad por el Ácido Glutámico también por el orden de µM.

Ácido Glutámico Liberación no vesicular La fuerza motriz, así como la dirección del transporte del ácido glutámico reside y se fundamenta en gradientes electroquímicos preexistentes a ambos lados de la membrana: Diferentes estados fisiológicos y fisiopatológicos, presentan diferentes valores para estas características. Ej: ACV. GLUTAMICO Na +

Na+

K+

EXTERIOR

MEMBRANA

INTERIOR

INTERIOR Na +

K+

GLUTAMICO

Ácido Glutámico Liberación

 La liberación por captación inversa se lleva a cabo no solo desde la neurona sino también desde las células gliales.

GLUTAMICO

GLUT GLUTAMICO K+

Na+ GLUTAMICO LIBERACION VESICULAR DEPENDIENTE DE CALCIO

GLUTAMICO LIBERACION “NO” VESICULAR “NO” DEPENDIENTE DE CALCIO

 En condiciones de ANOXIA, las concentraciones de ácido glutámico en el espacio sináptico pueden alcanzar valores de 100mM y superiores, provocando un fenómeno de excitotoxicidad.

Ácido Glutámico Receptores  Representas los receptores excitatorios más importantes del SNC.  Están involucrados en la génesis de fenómenos de potenciación y depresión a largo termino.  Parecen representar los mecanismos sinápticos sobre los cuales se sustentan funciones cognitivas como la memoria y aprendizaje.

RGLUTM-3

GLUT K+ R

AMPA

2Na+ GLUT

RGLUTM-1

RNMDA Mg++

RAMPA RECEPTORES IONOTROPICOS

RKA

RGLUTM-2

RNMDA

RGLUTM-2

Ca++ +

RAMPA Mg++

Ca++

RAMPA

Ca++

ﾃ…ido Glutﾃ｡mico Receptores

Tipo

Ionotrﾃｳpicos Metabotrﾃｳpicos

Nombre del receptor

Agonista(s)

NMDA

Kainato

AMPA

mGluR

L-AP4, ACPD, L-QA

Ácido Glutámico Receptores

Receptores de Ácido Glutámico

Clases funcionales

Familias génicas

Ácido Glutámico Receptores AMPA (Ácido-3-hidroxi-5-Metil-isoxazol propiónico)

 Extremo amino terminal con sitios de glicosilación.

NH3

Agonista

GLUT

 Cuatro dominios hidrofóbicos (M1, M2, M3 y M4).

LIS

ARG

Modulo FLIP FLOP

ARG

 Un sitio, hidrofílico, de unión al neurotransmisor y agonistas.  Un extremo carboxilo terminal, responsable del agrupamiento de los RAMPA en la zona postsináptica, mediante la interacción con la proteína GRID

ARG GLI

Membrana

GLTM ARG

ASP

COOH

ﾃ…ido Glutﾃ｡mico Receptores AMPA (ﾃ…ido-3-hidroxi-5-Metil-isoxazol propiﾃｳnico)

PORO M4

Q R

HOOC

COOH

Ca++

Ca++ -

NH2

+ -

ﾃ…ido Glutﾃ｡mico Receptores NMDA (N-Metil-D-Aspartato)

Estructura de las subunidades NR

Ácido Glutámico Receptores NMDA (N-Metil-D-Aspartato) Moduladores: • Poliaminas: potencia a bajas dosis/inhibe a altas. • Glicina: necesario para la activación por ligando. • Zinc: potencia (sobretodo a bajas dosis) • Magnesio: bloquea, determina la dependencia por voltaje para la activación. • Anestésicos/alucinógenos (Ketamina, MCP-801, PCP): bloquea el canal. Fosforilación intracelular

Ácido Glutámico Receptores

Corrientes en una sinapsis glutamatérgica. La activación sináptica glutamatérgica produce una respuesta con dos componentes que se pueden disecar farmacológicamente. En ausencia de antagonistas y Mg2+, la respuesta sináptica presenta dos componentes, uno rápido y otro lento. La adición de un antagonista de los receptores de NMDA desenmascara la presencia de un componente rápido, que es debido a la activación de los receptores de AMPA. Cuando el registro se realiza en presencia de un antagonista específico de los receptores de AMPA, la corriente sináptica queda limitada al componente lento, generado por la activación de los receptores de NMDA.

ร cido Glutรกmico Receptores NMDA: Activaciรณn Dependiente de Voltaje

-70mV

Se requiere la despolarizaciรณn previa a unos -30mV producto de la activaciรณn de los rAMPA

ﾃ…ido Glutﾃ｡mico Receptores Metabotrﾃｳpicos

Receptores acoplados a Proteﾃｭna G: grupo C

Ácido Glutámico Receptores Metabotrópicos

Familia

Receptores

Actividad

mGluR1

Gq (↑Ca 2+, IP3)

mGluR5

Gq (↑Ca 2+, IP3)

mGluR2

Gi/G0 (↓AMPc)

mGluR3

Gi/G0 (↓AMPc)

mGluR4 mGluR6 mGluR7

Gi/G0 (↓AMPc) Gi/G0 (↓AMPc) Gi/G0 (↓AMPc)

mGluR8

Gi/G0 (↓AMPc)

Grupo I

Grupo II

Grupo III

Ubicación Principalmente post-sináptico

Principalmente presináptico

Ácido Glutámico Participación en la Memoria y Aprendizaje

Potenciación a largo plazo o término (PTL, LTP)

Plasticidad neuronal o sináptica: cambios estructurales y funcionales adaptativos

Alteraciones de la LTP: Enfermedades neurológicas (Depresión, Enfermedad de Parkinson, Epilepsia, Dolor neuropático, Enfermedad de Alzheimer, Adicción a drogas).

Potenciación a largo plazo o término (PTL, LTP)

Una respuesta fuertes es obtenida luego de un estímulo Cuando una neurona es estimulada muchas veces su respuesta resulta más fuerte

Propiedades básicas de la PLT

 PTL es específico de entrada en cuanto al impulso que la produce, lo que significa que la potenciación a largo plazo mejora la eficacia sináptica de determinadas sinapsis, sin afectar otras sinapsis en la celda. Debido en gran parte a la compartamentalización conferida por la estructura de la espina dendrítica, esta característica aumenta considerablemente la capacidad de almacenamiento de las neuronas individuales.  PTL es cooperativa, lo que significa que los estímulos débiles en una única vía cooperativa puede inducir PTL. PTL puede ser inducida, ya sea por la estimulación tetánica fuerte de una sola vía a una sinapsis, o en forma cooperativa a través de la estimulación débil de muchas.  PTL es asociativa, lo que significa que la estimulación débil en las vías, cuando se combina con la estimulación fuerte en otro, puede inducir PTL.  PTL es persistente, con una duración de varios minutos a varios meses, y esto es lo que separa LTP persistencia de otras formas de plasticidad sináptica  Los estímulos deben ser entregados en alta frecuencia, porque las células se despolariza más allá de un determinado umbral, a fin de que se produzca PTL.

Receptor NMDA: detector molecular que debe ser activado para que aparezca la potenciación sináptica. GLUT

RGLUTM

RNMDA

Na+

Ca++

La activación del RNMDA induce una entrada masiva de calcio imprescindible para el desarrollo de la potenciación sináptica.

PLC

IP3 DGA

Ca++ Ca++ CAM-KII PKC

PLT

La concentración de calcio es adicionalmente incrementada por la liberación del mismo desde los depósitos intracelulares

PLT: Desarrollo temporal

:LPTL

:EPTL

Definidos por su tiempo de expresi贸n y mecanismos moleculares implicados.

PLT: Mecanismos moleculares

 Inducción: señales de vida media corta que disparan la LTP.  Mantenimiento: cambios bioquímicos persistentes.  Expresión: cambios celulares que resultan de la activación de la señal de mantenimiento.

PLT: Mecanismos moleculares

 Inducción  Mantenimiento  Expresión

Protein kinase M zeta (PKMz) PKMz dominio catalítico independiente de la PKCζ (carece del dominio regulatorio autoinhibitorio de la PKCz completa) Forma alternativa originada a partir de una transcripción alternativa (promotor interno) del gen de PKCz Independiente de Calcio

Proteína kinasa C zeta (PKCz) (PKC atípica)

Mantenimiento Cam Kinasa II Autofosforilación Independencia de Calcio

PLT: Mecanismos moleculares Mantenimiento

GLUT

RNMDA

GLUT

RAMPA Efecto Transitorio

RNMDA

RAMPA P

Efecto Prolongado

Ca++

Ca++ PKC PKCz

CAM-KII Activa Fen贸meno Transitorio

Auto fosforilaci贸n

CAM-KII Activa Fen贸meno De larga Duraci贸n

Participaci贸n de Fosfatasas

Balance actividad PKA vs PP2B

Inicio y duraci贸n de cambios para eficiencia sin谩ptica Calcineurina: PP2B

PLT: Desarrollo temporal

EPLT: Mecanismos moleculares  Inducción: Activación de receptor AMPA, seguido de receptor NMDA. Activación de proteínas kinasas: principalmente activación transitoria de CaMKII y PKC.

 Mantenimiento: activación prolongada de CaMKII y PKMz.  Expresión: fosforilación de receptor AMPA. Movilización de receptor AMPA a la membrana post-sináptica. Producción de mensajero retrógrado???

Independiente de la síntesis de proteínas

PLT: Desarrollo temporal LPLT: Mecanismos moleculares

Cambios en la expresión génica y la síntesis de proteínas

Inducción

PKMζ

Mantenimiento Inducción de la expresión de PKMz

Expresión

Síntesis de RAMPA, Síntesis de Sinaptotagmina, incremento del número de vesículas sinápticas, incremento en el número de espinas dendríticas

Señalización Retrograda

Señalización retrógrada??? • Oxido Nítrico

• Molécula de adhesión celular

Sinápsis Glutamatérgica afuncional o silente.

Se denominan sinapsis silentes a aquellas sinapsis no funcionales que constituyen una reserva funcional para la expresión de fenómenos neuroplásticos; sólo expresan receptores NMDA. Para que sean sinapsis activas necesitan receptores AMPA funcionales

Sinápsis Glutamatérgica afuncional o silente.

Transformación en funcionales: RNMDA

RAMPA

• Fosforilación de RAMPA P

• Expresión/movilización de RAMPA

Ca++

CAM-KII Activa

Auto fosforilación

CAM-KII Activa

Sinápsis Glutamatérgica afuncional o silente.

Sinápsis glutamatérgica Densidades post-sinápticas

Sinápsis glutamatérgica

Densidades post-sinápticas: complejo multiproteico implicado en la transducción de señales en la neurona glutamatérgica.

Proteínas PDZ: PSD-95, DLG, Z0-1 Dominios PDZ: unen secuencias T(S)-X-V en el extremo carboxílico de proteínas

Dominio guanidil-ciclasa catalíticamente inactive

Funciones: • Anclaje de receptores NMDA • Agrupamiento o reclutamiento en membrana post-sináptica de RNMDA (PSD-95 por medio del dominio GK une a GKAP) • Señalización celular.

Sinápsis glutamatérgica Densidades post-sinápticas

Sinápsis glutamatérgica Densidades post-sinápticas GRIP: Glutamate Receptor-Interacting Protein

Sinápsis glutamatérgica Densidades post-sinápticas Proteínas PDZ: señalización

NEUROPEPTIDOS

Péptidos localizados en el cerebro y en el sistema gastrointestinal:

Péptidos Hipofisiarios: ACTH

Colecistokinina (GCK)

Hormona de crecimiento

Gastrina

LH, FSH

Motilina

TSH

Neurotensina

Prolactina

Sustancia K

αMSH

Sustancia P

Péptidos Opiáceos

Péptido liberador de gastrina

Β-Endorfina Dinorfina Leu-encefalina Met-encefalina

NEUROPEPTIDOS Síntesis

La síntesis se realiza en el cuerpo neuronal: Núcleo-citoplasma

ADN

ARNm

PÉPTIDO

El neuropéptido maduro es diferente al codificado en el ADN

Inicialmente se producen precursores: Pre-Proneuropéptidos El Propéptido es trasladado al aparato de Golgi y almacenado en grandes vesículas ,donde sufren modificaciones post-traduccionales necesarias para convertirse en un péptido maduro.

NEUROPEPTIDOS Modificaciones post-traduccionales

Corte proteolítico: endoproteasa (PC1, PC2) y exopéptidasa (carboxipeptidasa E) Amidación Corte de péptido señal Formación de puentes de disulfuros Glicosilaciones Fosforilación Sulfatación

Adicionalmente la diversidad de los neuropéptidos también es generada por splicing alternativo y edición del ARNm

GVCD

GVCD NP

Ca++ Ca++

Ca++

PVS Ca++

NT Un solo potencial de acci贸n

Ca++

Ca++ Ca++

PVS

Ca++

NT Alta frecuencia de actividad Neuronal

NEUROPEPTIDOS Fenómeno de Coexistencia Neurotransmisores clásicos

Neuropéptidos

La coexistencia de los Neurotransmisores clásicos y Neuropéptidos representa más la regla que la excepción . Esto ocurre en una relación de: Neurotransmisores clásicos: 10-6-10-8M

Neuropéptidos: 10-10-10-12M Almacenamiento: GVCD Eliminación: acción de proteasas, no hay recaptación. Receptores: metabotrópicos, mayor afinidad.

Peptidasa

Metabolito Inactivo

SISTEMA PURINÉRGICO Fenómeno de Coexistencia

Un nucleósido consta de una base nitrogenada unida a una ribosa o deoxiribosa. Los nucleótidos resultan de la unión de un nucleósido con uno, dos o tres fosfatos. De acuerdo al tipo de base nitrogenada que posean, los nucleósidos y sus nucleótidos se denominan purinas o pirimidinas.

Además de sus funciones dentro de las células, los nucleótidos pueden ser liberados al medio extracelular, donde gatillan diversas respuestas mediante su interacción con receptores de superficie denominados receptores purinérgicos.

“Son reconocidos como potentes y selectivos mensajeros extracelulares que controlan, entre otras funciones, el impulso nervioso, la respuesta inflamatoria, la secreción de insulina, la agregación plaquetaria, la hidratación y protección de las mucosas respiratorias, la regulación del tono vascular y la percepción del dolor”.

Neurona Purinérgica:

En la actualidad se acepta que el ATP es un co-transmisor en los sistemas nerviosos central y periférico. Cambios en la cotransmisión purinérgica han sido involucrados en el desarrollo y el envejecimiento y en enfermedades de la vejiga y de la hipertensión. La participación de la neurona purinérgica y las interacciones entre células gliales en varias enfermedades del sistema nervioso central, incluyendo el dolor neuropático, el trauma y la isquemia, enfermedades neurodegenerativas, trastornos neuropsiquiátricos y la epilepsia.

Neurona Purin茅rgica:

Hip贸tesis de la Neurotransmisi贸n Purin茅rgica

Liberaci贸n de ATP

Degradaci贸n de ATP

Receptores Purin茅rgicos

Neurona Purinérgica:

Receptores Nombre

Activación

Tipo

Adenosina

Receptores acoplados a proteína G

P2Y

Nucleótidos •ATP •ADP •UTP •UDP •UDP-glucosa

Receptores acoplados a proteína G

P2X

ATP

Canal dependiente de ligando

Receptor para Adenosina (P1)

Receptor Mecanismo A1

Gi/o --> AMPc ↑/↓ Canales de potasio (+) Canales de Calcio (-) Inhibición o↓ liberación de vesículas o↓ actividad de receptor NMDA activación de FLC

A2A

GS --> AMPc↑

A2B

GS --> AMPc↑ activación de FLC

Gi/Go, Gq/G11, ↓AMPc, activación de FLC

Receptor P2Y: P2Y1 al P2Y14

 Gq/G11: activación de FLC-  Gi/Go: inhibición de adenilciclasa

Receptor P2X: canales cati贸nicos para Ca2+, Na+ y K+

Tr铆meros constituidos subunidades P2X1 al P2X7

Subunidad de receptor P2X

Ectonucleotidasas de membrana

Adenosina desaminasa: Adenosina ď&#x201A;Ž Inosina

El ATP juega un papel especial en la se帽alizaci贸n de redes neuronales-gliales, estando involucrado en se帽alizaci贸n neuronal-glial y glial-glial.

El ATP como co-transmisor en el Sistema Nervioso Central y Periférico Tipo de Neurona

Co-transmisores

Sistema Nervioso Periférico

ACh, acetilcolina; CGRP, péptido del gen relacionado con la calcitonina; DA, dopamina; NA, noradrenaline; NO, oxido nitrico; NPY, neuropeptido Y; SP, substancia P; VIP, péptido vasoactivo.

Nervios simpáticos

ATP + NA + NPY

Nervios Parasimpáticos

ATP + ACh + VIP

Sensitivo-Motor

ATP + CGRP + SP

Nervios entéricos no-adrenérgicos ni colinérgicos

ATP + NO + VIP

Nervios motores (desarrollo temprano)

ATP + ACh

Sistema Nervioso Central Corteza, núcleo caudado

ATP + ACh

Hipótalamo, locus ceruleus

ATP + NA

Hipotálamo, asta dorsal, retina

ATP + GABA

Sistema mesolímbico

ATP + DA

Hipocampo, asta dorsal

ATP + glutamato