Receptores y transmisores

Los receptores son los componentes de una célula que tienen la capacidad de identificar una sustancia, hormona o neurotransmisor. La idea de que existen receptores, viene de principios de siglo, cuando Langley, Dale y cols., sugieren que pueden existir sustancias receptivas en la superficie de las membranas de células excitables: Lo primero, que al menos, dos sustancias especiales (sustancias receptivas), están presentes en la región neural del músculo, y que los impulsos nerviosos sólo pueden causar contracción actuando en una sustancia receptora. Lo segundo que las sustancias receptoras, forman más o menos fácilmente componentes disociables. Así, la nicotina en combinación con esas sustancias... (Langley, 1909).

En 1921, Loewi demostró la existencia del proceso de neurotransmisión química. Numerosas sustancias se conocen ahora o se piensa que son neurotransmisores, entre las que se incluyen aminas biógenas, como acetilcolina, dopamina, noradrenalina, serotonina, aminoácidos y numerosos péptidos. Actualmente se piensa que gases difundibles como el óxido nitroso (NO) y monóxido de carbono (CO) pueden también actuar como neurotransmisores,

Tabla 1: Neurotransmisores conocidos y supuestos.

Un enfoque para distinguir clases de receptores es identificar moléculas implicadas en la transmisión rápida comparadas con las de transmisión lenta. Los componentes que generalmente se cree que interactúan con los ligandos de los canales iónicos de apertura y los receptores para la neurotransmisión rápida incluyen: ácido glutámico, acetilcolina, GABA y glicina. Los neurotransmisores asociados a cambios en segundos mensajeros intracelulares como el AMP cíclico e inositol trisfosfato, incluyen: serotonina, dopamina, noradrenalina y neurotransmisores asociados a muchos péptidos. Los neurotransmisores que actúan a través de canales iónico y sistemas de segundos mensajeros, considerados de transmisión rápida y lenta respectivamente. Esta categorización simple, es un punto de arranque útil pero hay muchas excepciones notables. Por ejemplo, aunque la acetilcolina y el ácido glutámico a menudo se asocian a (rápido) ligandos de canales iónicos de apertura, pueden también actuar a través de (lento) receptores metabotrópicos para modular los niveles de segundos mensajeros intracelulares. Inversamente, algunos de los efectos de las catecolaminas parece que ocurren a través de la modulación de la conductancia de los canales de calcio y/o potasio.

Figura 1: Categorías de transmisión sináptica.

Proteínas transmembranosas

La actividad de los neurotransmisores es mediada por interacción con los miembros de un número limitado de familias de receptores. Estas familias incluyen los ligandos de canales iónicos de apertura, los receptores asociados a proteína G, factor de crecimiento que tienen actividad tirosina quinasa y los receptores esteroideos que son macromoléculas intracelulares que funcionan para transportar esteroides dentro del núcleo donde actúan para modular la actividad transcriptora.

Figura 2: Clases de receptores. Tomado de "Basic Neurochemistry" (GJ. Siegel)

Los ligandos de canales iónicos de apertura son receptores heteroméricos que contienen múltiples subunidades. El análisis hidrofóbico sugiere que cada uno incluye muchas hélices transmembrana. El miembro prototípico de esta familia de receptores es el receptor colinérgico nicotínico. Este receptor está compuesto por cinco subunidades, dos cadenas a y una cadena b, d y g.

Figura 3: Características estructurales de los receptores colinérgicos. Tomado de "Basic Neurochemistry" (GJ. Siegel)

El receptor b-adrenérgico, fue el primer miembro aislado, clonado y secuenciado de lo que se conoce como la superfamilia de receptores asociados a la proteína G. Los miembros de esta familia, tienen secuencias y estructuras muy similares.

Figura 4: Diagrama esquemático generalizado del receptor asociado a la proteína G. Tomado de "Basic Neurochemistry" (GJ. Siegel)

Los miembros de la familia de receptores asociados a la proteína G, actúan a través de un mecanismo que implica la intervención del guanidín trifosfato. Al menos se han identificado, por ahora, cuatro familias de proteínas G.

Figura 5: Estructura y composición de la proteína G. Tomado de "Basic Neurochemistry" (GJ. Siegel)

La modulación de los niveles intracelulares de AMP cíclico y los cambios en la hidrólisis fosfoinositol son reacciones mediadas por una proteína G asociada a receptores. La estimulación e inhibición de la actividad de la adenil ciclasa implica reacciones semejantes en las cuáles, el GTP se une a la subunidad a de G_s o G_i. El resultado final es un cambio en la actividad de la adenil ciclasa y un cambio en los niveles intracelulares de AMP cíclico. El AMP cíclico, sucesivamente se une a la subunidad reguladora de la proteína quinasa A, permitiendo que la fosforilación mediada por la subunidad catalítica de quinasa A, se produzca. La terminación de la señal implica hidrólisis enzimática de AMP cíclico por la fosfodiesterasa y la conversión de GTP en GDP por la actividad de la GTPasa en las subunidades a de las proteínas G. El complejo ternario compuesto por agonista, receptor y proteína G, representa un estado de alta afinidad del receptor.

En otros casos, se da la activación mediada por el transmisor de la fosfolipasa C. Esto produce la escisión del fosfatidil inositol bifosfato. Tanto el diacilglicerol (DAG) como el inositol trifosfato (IP₃) resultantes de esta reacción, son activos biológicamente. El diacilglicerol, que contiene dos moléculas de ácido graso, se difunde en el plano de la membrana y activa una encima, proteína quinasa C. El inositol trifosfato, por otro lado, causa liberación de Ca²⁺ desde los almacenes en el retículo endoplasmático.

La especificidad de las reacciones mediadas por un receptor, depende de la naturaleza del transmisor, de receptor y del sistema de mensajeros asociado. Por ejemplo, la acetilcolina puede interactuar con diferentes receptores muscarínicos para inhibir la actividad de la adenil ciclasa, o activar la actividad de la fosfolipasa C o los canales de potasio. La noradrenalina y la serotonina pueden actuar para estimular o inhibir la actividad de la adenil ciclasa, estimular la actividad de la fosfolipasa C y estimular o inhibir los canales de potasio o calcio.

En 1971, el primer ensayo de acoplamiento con radioligandos exitoso, hizo posible estudiar los receptores colinérgicos nicotínicos en los órganos eléctricos de peces y anguilas. En 1973, se describió por primera vez la unión esteroespecífica de opiáceos radiomarcados en lugares de unión en cerebros de mamíferos. En los diez años siguientes, los ensayos de unión de radioligandos cuantitativos fueron desarrollados para receptores en variedad de sustancias y transmisores y ligandos radiomarcados con 3H o 125I están ahora disponibles para el estudio de muchas clases de receptores. Esta amplia disponibilidad de ligandos apropiados ha llevado a una expansión rápida en el uso de ensayos de unión con radioligandos para caracterizar receptores y subtipos de receptores.

Antes del empleo extendido de ensayos de acoplamiento in vitro, las propiedades de los receptores, se inferían de la medida de respuesta biológica. Este enfoque demostró ser productivo en la clasificación de receptores e incluso llevó a la identificación de subtipos de receptores; sin embargo, medir una repuesta biológica tanto in vivo como in situ puede ser muy diferente que medir la unión del receptor in vitro. Por ejemplo, la distribución en el tejido de una sustancia administrada in vivo, puede variar dependiendo de su capacidad para cruzar las barreras de difusión, así como la barrera hematoencefálica o en la extensión en la cuál la sustancia se une con las proteínas plasmáticas. La naturaleza lipofílica o hidrofílica de un componente puede determinar si tiene igual acceso o no a todos los receptores a un tejido dado. También, las sustancias pueden ser metabolizadas antes de que tengan una oportunidad de interactuar con un receptor. Estas transformaciones metabólicas pueden producir componentes que son más o menos activos que la sustancia previa y así puede alterar marcadamente la especificidad farmacológica observada. Las sustancias no sujetas a alteraciones estructurales son a menudo eliminadas del medio extracelular por mecanismos de recogida neuronal y extraneuronal. Además, in vivo, la reacción de una sustancia es frecuentemente atenuada por mecanismos compensatorios de retroalimentación. La interpretación de una reacción biológica medida también puede ser difícil si la sustancia tiene múltiples lugares de acción, un fenómeno que también puede suceder in vitro con tejido que contienen múltiples clases de subtipos de receptores. A veces, los subtipos del receptor median la misma reacción fisiológica y pueden ejercer estos efectos a través del mismo sistema efector. La reacción farmacológica observada puede ser afectada por el grado de selectividad de la sustancia y por las densidades relativas de los subtipos que están en el tejido. En general, la característica más segura de los receptores viene de estudios llevados a cabo con preparaciones simples de aislamiento de tejidos que muestran curvas reproducibles graduadas dosis-respuesta. Incluso con estas preparaciones, es a menudo imposible definir exactamente las características cinéticas de las interacciones sustancia-receptor.

Los radioligandos proporcionan pruebas precisas que permiten el examen específico de la interacción inicial entre una sustancia y su lugar de acoplamiento. Por ejemplo, las cinéticas de asociación y disociación de un complejo receptor-radioligando, puede ser determinado exactamente usando un simple tejido homogenizado. Un perfil farmacológico que está basado en la disociación del equilibrio constante de unas series de ligandos no marcados pueden ser definidos midiendo la inhibición de la unión de un radioligando con esos componentes no marcados. El uso de radioligandos también permite la caracterización de receptores en ausencia de una reacción biológica medible. Esto puede ser importante, por ejemplo, en el estudio de receptores del SNC, donde los efectos de neurotransmisores son preparaciones de tejidos complejos y aislados son difíciles de obtener. El uso de ensayos de acoplamiento con radioligandos puede dar estimaciones significativas del número o densidad de receptores en un tejido particular. Consecuentemente, pueden observarse cambios en la densidad de los receptores resultante de condiciones patológicas o intervenciones farmacológicas. Los ensayos de acoplamiento pueden también emplearse para discriminar múltiples clases de receptores en un único tejido y para estimar sus proporciones relativas. Además, los ensayos de acoplamiento con radioligandos proporcionan la única medida por la cuál los receptores pueden ser medidos durante la solubilización, purificación y reconstitución, pasos necesarios para la comprensión completa de la función del receptor.

Figura 6: Estructura de membrana. Tomado de "Basic Neurochemistry" (GJ. Siegel)

Hay dos tipos básicos de ensayos que emplean radioligandos. El primero, ensayos de unión directos, miden la interacción directa de un radioligando con un receptor. Los ensayos de unión directa permiten la determinación de propiedades cinéticas y de equilibrio y proporciona estimaciones de la densidad de receptores. También se emplean para elegir las condiciones apropiadas y los radioligandos para determinar las propiedades farmacológicas de los receptores. Los segundos, ensayos de unión indirecta, miden la inhibición del acoplamiento de un radioligando a un ligando no marcado para deducir indirectamente la afinidad de los receptores por el ligando no marcado. Este enfoque es particularmente útil en la caracterización farmacológica de receptores porque los estudios pueden llevarse a cabo con componentes que podrían no convenir a los radioligandos, incluso porque son muy lipofílicos o porque la afinidad del receptor para estos componentes es muy baja.

En la practica, el radioligando se une no sólo al receptor, sino también a otros componentes del sistema de ensayo, incluyendo las paredes de los tubos de ensayo, el filtro, y constituyentes del tejido. Aunque la naturaleza exacta de esta unión no específica es generalmente desconocida, a menudo se da instantáneamente. La unión no específica es generalmente no saturable y proporcional a la concentración del radioligando. La mala identificación de este componente no específico es una fuente de error común en el análisis de datos de la unión del radioligando, que produce una sobreestimación de la densidad de receptores y lleva, en algunos casos, a la conclusión incorrecta de que múltiples clases de receptores coexistan en un tejido dado. La unión no específica puede ser cuantificada añadiendo altas concentraciones de un ligando competitivo no marcado que sea específico para el receptor de interés. La cantidad de radioligando que queda unido en presencia del ligando no marcado, se define como acoplamiento no específico. En un experimento de saturación, el componente no específico de unión en cada concentración de radioligando se resta de la cantidad total de radioligando unido que produce la cantidad de radioligando específicamente adherida al receptor.

Las interacciones de ligandos no marcados con un receptor, pueden caracterizarse estudiando su capacidad de inhibir la unión de un radioligando. Ya que los ligandos no marcados son mucho más numerosos que los radioligandos, son esenciales los ensayos de unión indirecta para caracterizar una población de receptores completamente. Tradicionalmente, los receptores han sido clasificados en términos del orden de potencia de varios componentes que o causan o antagonizan una respuesta funcional. Los ensayos de unión indirecta, hacen posible definir la especificidad farmacológica de un receptor basado en las conductas de disociación para variedad de componentes determinados desde la inhibición de la unión de un radioligando. Otro uso importante de los ensayos de unión indirecta es definir el nivel de acoplamiento no específica. Una definición exacta de acoplamiento no específico se requiere para el análisis de datos de unión tanto directos como indirectos y debería establecerse antes de determinar las propiedades cinéticas y de equilibrio del radioligando.