Trasmissione GABAergica e glutammatergica PDF

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LA TRASMISSIONE GABAergica

Trasmissione sinaptica mediata dall’acido gamma-aminobutirrico (GABA), il principale neurotrasmettitore con funzione inibitoria presente nel SNC. I recettori del GABA oltre ad avere un ruolo cruciale nella regolazione dell’eccitabilità neuronale in tutte le aree del SNC, rappresentano anche il bersaglio molecolare di numerose classi di farmaci quali benzodiazepine e anestetici generali, di ormoni endogeni come i neurosteroidi, nonché di sostanze d’abuso quali l’etanolo. Il GABA è il neurotrasmettitore inibitorio più abbondante presente nel cervello dei mammiferi e ha un ruolo importante nel controllo di varie funzioni cerebrali e quindi nella fisiopatologia de numerose malattie mentali e neurologiche. Distribuzione del GABA: la distribuzione del GABA e della glutammato decarbossilasi (GAD), enzima deputato alla su sintesi, nel SNC non è uniforme. Le massime concentrazioni si trovano: -

Nella substantia nigra- originano le vie nigro-collicolare e nigro talamica Nel globo pallido Nell’ipotalamo Nei Corpi quadrigemini Nella Corteccia cerebrale Nel cervelletto e nell’ippocampo

Concentrazioni minori sono presenti nel ponte, nel bulbo e nella sostanza bianca. Neuroni GABAergici presenti nello striato formano la via GABAergica striato-nigrale, che ha la sua origine nel nucleo caudato e nel globo pallido proietta nella pars reticulata della substantia nigra. Il GABA si forma dalla decarbossilazione dell’acido glutammico  questa reazione è catalizzata dall’enzima GAD (glutammato decarbossilasi); l’enzima si trova esclusivamente nelle terminazioni nervose in forma solubile. La GAD (glutammato decarbossilasi), enzima altamente specifico che ha come cofattore il piridossal-fosfato, ed è inibito da antagonisti come i composti idrazinici (isoniazide).

(G ) A D

Cellule

Dopo essere sintetizzato nel citoplasma, il GABA è immagazzinato

gliali nelle vescicole sinaptiche ad opera di un trasportatore specifico

Neurone

postsinaptic o

(G ) A (G ) T A T

(associato alle vescicole) che utilizza, come fonte di energia, il gradiente elettrochimico di ioni H+ tra il lume vescicolare e il citoplasma e generato da una ATPasi (pompa ptotonica) vescicolare -che accoppia l’idrolisi di ATP citoplasmatico al trasporto di ioni H+ all’interno della vescicola.

(GABA-T -

Liberazione: La liberazione di GABA avvien sia spontaneamente sia in seguito a stimolazione nervosa indotta da depolarizzazione della membrana (processo Ca2+-dipendente : il potenziale d’azione che si propaga lungo il neurone provoca l’apertura dei canali del calcio voltaggio-

dipendente causando un massiccio ingresso di ioni Ca2+ nella terminazione pre-sinaptica). All’interno della membrana il calcio interagisce con la sinaptotagmina, una proteina associata alle vescicole, e induce un cambiamento conformazionale nella proteina che scatena l’esocitosi e la liberazione del neurotrasmettitore nello spazio sinaptico. Degradazione: Il GABA viene degradato dall’enzima GABA-α-chetoglutaricotransaminasi (GABA-T) che lo deamina a semildeide succinica; questa viene ossidata ad acido succinico, ad opera di una semialdeidesuccinico-deidrogenasi NAD-dipendente, il quale entra nel ciclo di Krebs. Il gruppo amminico viene trasferito dalla GABA-T a una molecola di α-chetoglutarato per formare l’acido glutammico il quale viene riutilizzato per la sintesi di nuovo GABA. Ricaptazione: a livello delle terminazioni GABAergiche ci sono molte proteine trasportatrici (GAT-1, 2, 3)che rimuovono rapidamente il GABA dallo spazio sinaptico. Esse cotrasportano GABA, Cl- e Na+, sono presenti sia a livello della terminazione nervosa sia sulle cellule gliali e sono differenziabili farmacologicamente sulla base della loro diversa sensibilità all’acido carbossilico cis-1,3-aminocicloexano (Maggiore affinità per il trasportatore neuronale) e alla beta-alanina (maggiore affinità per il trasportatore gliale). Farmaci inibitori del sistema di ricaptazione, come l’acido 2,4-diaminobutirrico (DABA) e beta-alanina possiedono attività antiepilettica.

RCETTORI PER IL GABA (GABAA e GABAB) 1. GABA-A : sono recettori-canale permeabili allo ione Cl- e possono trasmettere un segnale inibitorio rapido al nurone post-sinaptico. Sono caratterizzati da una elevata sensibilità alla bicucullina (antagonista) e al muscimolo (agonista selettivo) che contengono siti di legame per le benzodiazepine e per i barbiturici. Una sottopopolazione di recettori GABA A, accoppiati a un canale di cloro ma insensibili alla bicucullina, sono localizzati nella retina.

L’attivazione di questo recettore determina iperpolarizzazione* della membrana post-sinaptica (lo ione ClL’attivazione di questo recettore determina iperpolarizzazione della membrana post-sinaptica (lo ione Clentra nella cellula =↓eccitabilità cellulare); *il potenziale di equilibrio del Cl-, che normalmente è di ca. -70mV, viene spostato verso i valori più negativi. l recettore GABAA è un pentamero fomato da 5 subunità glicoproteiche appartenenti a diverse classi:  alfa, βeta , γ gamma, delta (gamma). Le 5 subunità delimitano un canale ionico centrale (una specie di “imbuto”) permeabile al cloro. Questi recettori sono più espressi nel SNC. Sono state identificate: 6 alfa, 3 beta, 3 gamma

La combinazione più diffusa di questi recettori è rappresentata da un pentamero costituito da 2 subunità alfa, 2 beta e una gamma, che è anche quella ncessaria per la formazione del sito di legame al alta affinità delle benzodiazepine. Modulatori allosterici positivi: Benzodiazepine, Alopregnanolone, barbiturici Alopregnanolone (metabolita del progesterone): a basse dosi pontenziano allostericamente l’azione del GABA sul recettore. Ad alte dosi inducono un’azione diretta, cioè causano apertura del canale del recettore anche in assenza di GABA -

Agonisti allosterici: benzodiazepine (↑la frequenza di apertura del canale), neurosteroidi.

-

Agonisti puri: barbiturici, attività indipendente dal GABA

-

Agonisti inversi: riducono la frequenza di apertura del canale. Effetto opposto a quello delle benzodiazepine. Antagonisti allosterici: flumazenil, si lega al posto delle benzodiazepine.

-

Inibitore GABA-T: vigabatrina e acido valproico

verso valori + negativi. L’iperpolarizzazione riduce l’eccitabilità cellulare. L’INIBIZIONE TONICA E FASICA La trasmissione inibitoria GABAergica rapida può essere mediata da due meccanismi differenti: -

una componente ‘’fasica’’, mediata dai recettori GABAA nella membrana postsinaptica i quali vengono attivati dal GABA rilasciato dal terminale pre-sinaptico. Una componente cosiddetta ‘’tonica’’ mediata dai recettori che sono localizzati ai margini o fuori dalla sinapsi e perciò chiamati extrasinaptici. Questi differiscono dai recettori GABAA sinaptici sia per la composizione in subunità (alfa1, beta2/3 e delta) sia per alcune proprietà funzionali. I recettori extrasinaptici hanno particolare affinità all’azione modulatoria positiva dei neurosteroidi. Sintetizzati e secreti anche dalle cellule del SNC, questi ormoni possono contribuire ulteriormente, attraverso la loro azione modulatoria sulla corrente tonica, alla regolazione fine dell’eccitabilità neuronale.

Baclofen agonista fen

2. GABAB: Recettori metabotropici – accoppiati a proteina Gi/0 pre- e post-sinaptico: 7 regioni transmembrana e un segmento N-terminale extracellulare presente anche nei recettori metabotropici per il Glutammato.

A livello centrale i recettori GABAB sono localizzati sia sui neuroni sia sulle cellule gliale. In periferia sono localizzati sulle cellule

muscolari lisce, nel fegato e in altri tessuti.

Antagonista : flacofen

A livello subcellulare si trovano espressi a livello presinaptico sia sui terminali GABAergici (autorecettori) sia su quelli non GABAergico (eterorecettori). Il principale ruolo di questi recettori comprendono il controllo inibitorio della liberazione di numerosi trasmettitori, GABA incluso, e a livello postsinaptico sono responsabili della generazione della componente tardiva e lenta dei potenziali post-sinaptici inibitori. Studi hanno dimostrato che la struttura funzionale del recettore è rappresentata dall’eterodimero GABA B1GABAB2. Le due subunità del GABAB interagiscono mediante il loro dominio C-terminali intracellulari attraverso regioni di alfa-elica paralele chiamate coiled-coil. La subunità GABAB1 è deputata a fare il suo legame con il GABA, mentre la GABAB2 si accoppia alla proteina G. L’interazione del GABA con il recettore GABAB attiva una proteina G inibitoria sensibili alla tossina della pertosse. L’attivazione del recettore GABAB provoca: - Inibizione dell’adenilato ciclasi con conseguente riduzione dei livelli di cAMP e dei livelli di fosforilazione di PKA (inattivazione dell’adenilato ciclasi). - chiusura dei canali del calcio di tipo N o P/Q (↓condutanza Ca2+ voltaggio-dipendente), entrambi espressi a livello presinaptico - apertura dei canali di K+ (↑permeabilità della membrana al potassio) a livello postsinaptico.

TRASMISSIONE GLUTAMMATEERGICA È un neurotrasmettitore amminoacidico ad attività eccitatoria. Alterazioni nella sinapsi eccitatoria sarebbero responsabili di patologie quali: convulsioni, malattie neurodegenerative, morte neuronale post-ischemica, depressione, schisofrenia, dolore neuropatico ecc. Responsabile di: percezione ordinata delle sensazioni e del dolore, apprendimento, memoria e controllo del tono dell’umore e della funzione motoria. Coinvolto nella “plasticità sinaptica”

SINTESI E METABOLIMO DEL GLUTAMMATO È il più abbondante amminoacido libero presente nel SNC. È distribuito in tutte le regioni del cervello ed è presente sia nei neuroni che nella glia. Poiché la barriera ematoliquorale è quasi impermeabile al glutammato, questo deve essere sintetizzato nel tessuto nervoso.

Il glucosio è il principale precursore del glutammato: dalla glicolisi e dal successivo ciclo di Krebs si forma alfa-chetoglutarato che può ricevere un gruppo amminico e formare il glutammato. L’enzima coinvolto è: alfa-chetoglutarato transaminasi (aggiunta di un gruppo amminico) Esiste un’altra via per la sintesi che è costituita dalla deaminazione della glutamina a opera della glutaminasi . Il catabolismo è in gran parte da attribuire all’azione della glutammato deiodrogenasi che forma alfachetoglutarato e ammonio. Una seconda via metabolica è facilitata dall’azione della glutamino sintetasi che trasforma il glutammato in glutammina. Quest’ultima può essere eliminata (trasportata all’esterno della barriera emato-liquorale) o utilizzata dai neuroni per la sintesi di nuovo glutammato.

Accumulo vescicolare del glutammato, trasporto e spegnimento del segnale I trasportatori sono molto efficienti e si trovano sulle membrane delle cellule sia neuronali che gliali (glutammato viene convertito in glutammina nelle cellule gliali, questa a sua volta può essere riciclata nei neuroni e riconvertita in glutammato o essere trasportata fuori dal SNC attraverso la barriera emato liquorale). Questo processo permette di eliminare un eventuale eccesso di ammonio cerebrale. Le cellule gliali svolgono un ruolo chiave nel mantenere le concentrazioni di glutammato entro i livelli fisiologici nel liquido cefalorachidiano e negli spazi extracellulari del SNC. Cosi i trasportatori contribuiscono allo spegnimento del segnale nelle sinapsi eccitatorie e a mantenere le concentrazioni dell’amminoacido nei livelli fisiologici. Il trasporto dagli spazi extracellulari all’interno della cellula avviene utilizzando l’energia prodotta dalla Na +K+-ATPasi e quindi dal gradiente ionico dai due lati della membrana. 3 ioni Na+ e 1 protone H+ entrano nella cellula insieme al glutammato, mentre uno ione K+ esce e l’equilibrio ionico (stechiometrico) viene di nuovo ottenuto grazie a una corrente anionica Cl—mediata. Nei terminali nervosi il glutammato è concentrato nelle vescicole sinaptiche: una volta trasportato all’interno della cellula, il glutammato può venire immagazzinato in apposite vescicole nelle quali raggiunge concentrazione particolarmente elevate (fino a 100 nM). Ciò è dovuto all’attività di ulteriori specifici trasportatori: i vGLUT, struttura proteica appartenenti alla famiglia dei cosiddetti carrier per soluti, ci sono tre isoforme (vGLUT1 e 2 espressi nelle terminazioni presinaptica e vGLUT3 è ubiquitario ed è presente soprattutto nei neuroni GABAergici).

I vGLUT hanno bassa affinità per il glutammato e la loro attività inizia solo quando le concentrazioni del neurotrasmettitore supera 1 nM. Sono cmq molto selettivi e non sono capaci di trasportare l’aspartato. Anche lo scambiatore glutammato-cistina controlla la concentrazione di glutammato questo trasporta cistina all’interno della cellula scambiandola con il Glut che al contrario viene trasferito negli spazi extracellulari. Lo scambiatore è espresso dalle cellule gliali e anche al di fuori del SNC e ha un ruolo chiave nel fornire una sufficiente quantità di cistina-cisteina per la sintesi del glutatione, un tripeptide che aiuta nella difesa contro lo stress ossidativo. È stato dimostrato che l’espressione di questo co-trasportatore è molto ridotta nella dipendenza da cocaina. Questo modifica la concentrazione presinaptica di glutammato che può a questo punto interagire con i recettori metabotropi del secondo gruppo e portare significative modificazioni della funzione fisiologia e della plasticità sinaptica. Il glutammato liberato nello spazio sinaptico può agire sia in recettore-canale sia nei recettori metabotropici. Il sistema glutammatergico gioca un ruolo importante nei circuiti neuronali dell’ansia: -

sistema limbico Amigdala e nucleo centrale

RECETTORI DEL GLUTAMMATO

IONOTROPI

METABOTROPI

In base all’agonista selettivo sono classificati in: • recettori per AMPA Acido-6-amino-3-idrossi-5metil-4isoxasolpropionico • recettori per il kainato

1)mGLUR1 - mGLUR5 2)mGLUR2 - mGLUR3 3)mGLUR4 - mGLUR6 - mGLUR7 - mGLUR8

• recettori per NMDA N-metil-D-aspartato DEPOLARIZZAZIONE INVIO DELL’IMPULSO NERVO

I recettori ionotropi sono complessi polimerici costituiti da 4 subunità che partecipano a formare un canale ionico aperto dall’interazione con il glutammato. Ogni subunità è costituita da:

a) un dominio amminico terminale. B) un dominio che riconosce il ligante. C) un dominio che attraversa la membrana – formato da 4 segmenti lipofili, tre dei quali attraversano la membrana (M1, M3 e M4) e uno che inserisce ad ansa nella membrana stessa (M 2).

RECETTORI AMPA - Acido-6-amino-3-idrossi-5metil-4- isoxasolpropionico : localizzati nella membrana post-sinaptica e sono responsabili della risposta 2 eccitatoria (depolarizzazione) rapida tipica delle sinapsi glutammatergiche. Sono oligomeri composti dalle subunità GluA1-GluA4. Sono molto permeabili al Na+ e poco al Ca2+. La subunità GluA2 è la più diffusa, essa contiene una arginina depolarizzazione ® nel sito Q/R dell’ansa del secondo dominio transmembranario e ciò rende l’AMPA praticamente impermeabile al Ca2+. Quindi nella stragrande maggioranza dei casi i recettori AMPA del SNC sono poco permeabili al calcio e sono fatti da combinazioni di subunità in cui almeno una è di tipo GluA2. Le uniche cellule che non esprimo GluA2 sono le cellule della glia di Bergman del cervelletto che, infatti, rispondono con un forte influsso di calcio alla stimolazione glutamatergica. Anche il Kainato può interagire con AMPA. Na+/Ca2+ + +

RECETTORI PER IL KAINATO : Recettori pre- e postsinptico Agonisti selettivo: Kainato Costituiti da subunità oligomeriche: GluK1-GluK5

Na+

- Cinetiche dell’ordine di millisecondi - Permeabili al Na e al K - Meno abbondanti dei recettori AMPA nel SNC, +

K

+

depolarizzazione Effetto eccitatorio

+

questi recettori sono prevalentemente espressi nello striato, nei nuclei reticolari del talamo, nell’ipotalamo, negli strati profondi della corteccia cerebrale, nello strato delle cellule granulari del cervelletto, nel giro dentato e nello strato lucido dell’area CA3 dell’ippocampo

RECETTORI NMDA – N-metil-D-aspartato I recettori NMDA hanno una cinetica molto più lenta (nell’ordine di centinaia di millisecondi) dei recettori AMPA e KA e sono altamente permeabili al calcio. Sito recettoriale per il glutammato - Costituiti da subunità oligomeriche: GluN1 + GluN2A-GluN2D e/o GluN3A (in alcuni casi)

Permeabile al Na+, Ca2+ e K+.

Per attivare questo recettore è necessaria la presenza sia di glutammato, che interagisce con le subunità luN2, che della glicina o della D-serina che interagiscono invece con i dimeri formati delle subunità GluN1 Sito x le 3.

poliammin e

dizione di base (potenziale di membrana a livelli fisiologici), lo ione Mg2+ previene l’attivazione del canale e non permette l’ingresso di Ca2+anche in presenza dei trasmettitori. Solo quando la cellula è depolarizzata (ad esempio in quanto il recettore AMPA è attivato), il blocco che lo ione Mg2+ esercita nel canale viene rimosso e il recettore NMDA diviene permeabile (attivato). L’asparigina, amminoacido contenente nel sito Q/R del territorio M2, è fondamentale per determinare l’alta permeabilità al calcio ed anche il blocco da Mg2+. Il canale inoltre è modulato dalla presenza di alcune poliammine, dalla concentrazione extracellulare di protoni, dallo stato di ossido-riduzione dei gruppi –SH delle proteine del complesso recettoriale e dall’attivazione o meno dei recettori metabotropi per il glutammato. L’eccessiva stimolazione di questo recettore determina fenomeno di degenerazione e morte neuronale per l’eccessivo ingresso di calcio nei neuroni. Durante o sviluppo del SNC, l’attivazione dell’NMDApuò avere azione trofiche e regolare la formazione delle reti neuronali e l’efficienza della trasmissione sinaptica. Forse per questo regolano attraverso diversi meccanismi (blocco da Mg 2+, stimolazione da due trasmettitori, regolazione dallo stato di ossido-riduzione cellulare –SH, dalla concentrazione locale di protoni e di poliammine). E’ possibile antagonizzare il recettore NMDA sia agendo sul sito di riconoscimento del glutammato o sul sito di riconoscimento della glicina che è un coagonista di questo recettore. Farmaci che agiscono sull’NMDA: Ketamina (bloccante canale, alta affinità) – anestetico generale Memantina (bloccante NMDA-canale al calcio, bassa affinità) – demenze, agisce come un antagonista noncompetitivo. Sito allosterico per la Glicina/serina +2 Na+ /Ca

RILUZOLO (riduce liberazione di glutammato) Un altro effetto degli ioni calcio è l’induzione della sintesi di un segnale ad azione retrograda, quale l’ossido nitrico (NO), che diffonde nella terminazione presinaptica e produce una regolazione verso l’alto della sua efficienza neurotrasmettitoriale (upregulation).

Mg+2

Glutammato ed eccitossicità : eccessiva concentrazione di glutammato negli spazi extracellulari del SNC può portare a morte i neuroni. Tale morte è definita eccitotossica e sembra avere un ruolo nella perdita di neuroni causata da fenomeni ischemici, ipoglicemici e anche dopo prolungati attacchi convulsioni e in alcune forme demenziali.

+

K

- Mancato funzionamento dei trasportatori EAAT

- Aumento delle concentrazioni di glutammato a livello extrasinaptico - Eccessiva stimolazione dei recettori NMDA mGLUR1

RECETTORI METABOTROPI

mGLUR5

mGLUR4 mGLUR6

- mGLUR3, mGLUR7, mGLUR8

Sono recettori associati a proteina G e gli effetti finali della loro attivazione possono essere di tipo eccitatori (Gq) che inibitori (Gi) Struttura: A.

largo dominio N terminale che comprende le regioni S1 e S2 responsabili per il legame con il glutammato. B. Un dominio ricco di cisteine C. 7 domini idrofobi c...