Receptor NMDA

Representació esquemàtica del receptor NMDA

Els receptors NMDA (N-metil-D-aspartat), també anomenats NMDAr, són proteïnes complexes que actuen com a receptors ionòtrops de glutamat en les sinapsis neuronals. Atès que participen en la transferència del potencial excitatori postsinàptic i es localitzen majoritàriament a l'hipocamp, els receptors NMDA juguen un paper preponderant en la neuroplasticitat, l'aprenentatge i la memòria. També estan involucrats en processos d'excitotoxicitat glutàmica en la patogènia de malalties neurològiques com l'epilèpsia o l'accident vascular cerebral, malalties neurològiques degeneratives com el Parkinson, el Huntington o l'Alzheimer, i afeccions psiquiàtriques com l'esquizofrènia.

Estructura

El receptor NMDA és una proteïna receptora de glutamat que actua com a canal iònic. És activat quan la glicina i el glutamat s'uneixen a ell de manera simultània.

Aquest receptor és un complex proteic heteromètric, ja que està constituït per subunitats diferents, cadascuna de les quals interacciona amb determinades proteïnes intracel·lulars. Les possibles subunitats d’aquest receptor s’anomenen NR1, NR2 i NR3. (també anomenades GluN1, GluN2 i GluN3).

Un receptor NMDA funcional ha de ser un heterotetràmer o heteropentàmer. Ha de contenir obligatòriament dues subunitats NR1, juntament amb dues subunitats NR2 i/o NR3.
Totes tres subunitats tenen un nivell significant d’homologia i estan molt relacionades pel que fa a l'estructura. A més, comparteixen una topologia de membrana comuna, amb una organització de dominis definida: el domini amino-terminal extracel·lular (ATD), que està enllaçat amb el domini d’unió de lligands extracel·lulars (LBD) que, alhora, està connectat a un domini de membrana (MD). Aquest consta de tres segments transmembrana (actualment poc coneguts) i un llaç de reingrés d’ions potassi. És responsable de la capacitat conductora del receptor, de la permeabilitat dels ions calci i del bloqueig del canal del receptor amb Mg²⁺. La connexió LBD i MD constitueix el canal iònic. Finalment, hi ha el domini intracel·lular carboxi-terminal (CTD), que pot presentar diferents mides i que proporciona múltiples llocs d’interacció amb proteïnes de l’interior de la cèl·lula.

El processament postranscripcional de l’ARN de les subunitats del NR1 dóna lloc a vuit variants diferents d’aquesta subunitat, generades per un procés d’empalmament alternatiu (splicing) d’un sol gen. Les subunitats NR1 s’uneixen a la glicina coagonista, una de les activadores del receptor, mentre que les subunitats NR2 s’uneixen al glutamat, l’altre activador del receptor. Aquests dos mòduls d’unió s’han expressat com a proteïnes solubles. Hi ha quatre subunitats de NR2 diferents (NR2A, NR2B, NR2C i NR2D). Precisament l’estructura bàsica i les funcions principals associades al receptor NMDA es poden atribuir a la subunitat NR2B: el lloc d’unió del glutamat i el control del bloqueig del canal del receptor amb Mg²⁺ estan formats per aquesta subunitat. Així mateix, aquesta subunitat és un dels components responsables de l’activitat d’aprenentatge, memòria i processament. També hi ha dues subunitats possibles de NR3 (NR3A i NR3B). Una família de gens relacionada amb aquestes darreres subunitats tenen un efecte inhibidor de l’activitat del receptor NMDA.

NR1

La subunitat NR1 és codificada per un únic gen, el GRIN1. Existeixen vuit variants de processament de l’ARNm d’aquest gen, que difereixen entre sí per la presència o absència d’una seqüència de 21 aminoàcids que conformen l’exó 5 (també anomenat regió N1) en la regió N-terminal, i pel processament diferencial dels exons 21 i 22 que dóna lloc a canvis en seqüències d’aminoàcids de la regió carboxi-terminal. Aquestes variants conformen el que s’anomenen les isoformes de la subunitat NR1. Segons quina tingui, el receptor presentarà variacions en la seva funcionalitat.

Les isoformes que contenen l’exó 5 són la NR1-1b, NR1-2b, NR1-3b i NR1-4b mentre que les que prescindeixen d’aquest són la NR1-1a, NR1-2a, NR1-3a i NR1-4a (les formes més expressades són NR1-1a i NR1-1b). La importància d’aquest exó és rellevant ja que la sensibilitat al pH dels receptors NMDA depèn directament d’aquest. A pH fisiològic els receptors que inclouen una de les quatre variants amb aquest exó (NR1-1b, NR1-2b, NR1-3b i NR1-4b) s’activen completament mentre que els receptors que en prescindeixen (NR1-1a, NR1-2a, NR1-3a i NR1-4a) estan parcialment inhibits.

D’altra banda, els exons 21 i 22 de la regió C-terminal tenen un paper important en la regulació i localització dels receptors NMDA en la membrana cel·lular.

NR2

Hi ha quatre tipus de gens GRIN2 que codifiquen per aquest tipus de subunitat. Segons el gen expressat (GRIN2A, GRIN2B, GRIN2C o GRIN2B), es codificarà i es transcriurà un isòmer NR2 diferent: NR2A, NR2B, NR2C o NR2D.

NR2, a part de ser la subunitat receptora de glutamat, és determinant en la diversitat funcional del receptor, ja que és responsable de la sensibilitat, conductivitat i cinètica de desactivació i des-sensibilització del receptor.

Respecte NR1, NR2 té un domini C-terminal molt més extens. A part de la seva extensió, l’extrem C-terminal ha adoptat gran importància ja que és clau per a la localització d’aquestes subunitats a la membrana cel·lular.

A més, les quatre subunitats NR2 creen una certa diversitat entre els receptors NMDA, útil per a escurçar el temps de la resposta sinàptica i a millorar l’activitat sinàptica, la funció neuronal i el desenvolupament del sistema nerviós en si.  De tota manera, pel que fa a les dimensions d’aquests gens; és cert que tenen similituds entre els residus que els formen i també en el nombre de residus que contenen, ja que tots els GRIN2 tenen entre 1458 (en el cas del GRIN2B) i 1233 (GRIN2C) aminoàcids.

La sensibilitat al glutamat i la cinètica del canal depèn de la composició de la subunitat NR2. Per exemple, els canals que contenen GRIN1 (NR1)  i GRIN2A (NR2) tenen una sensibilitat més elevada al glutamat i proporcionen una major velocitat sinàptica que els canals formats per GRIN1 i GRIN2B (NR2B)

NR3

Els receptors NMDA que contenen la subunitat NR3 són força menys freqüents que els NMDA habituals, compostos per les subunitats NR1 i NR2. La seva presència influeix en la regulació de les formes de plasticitat regulades pel receptor. La subunitat NR3 té dues variants: NR3A i NR3B.

Estructuralment, la subunitat NR3 és generalment similar a les NR1 i NR2. Es diferencien bàsicament per la presència d’una càrrega positiva en la seqüència de porus del NR3 i pels determinants estructurals de la glicina que s’uneix al NR3.

Els NMDAr que contenen la subunitat NR3 formen canals catiònics amb una reducció de la permeabilitat al Ca²⁺ i de la sensibilitat al bloqueig del Mg²⁺ en comparació amb els receptors que contenen les subunitats NR1 i NR2.

NR1/NR2

El tipus de NMDA més conegut estructuralment i funcionalment avui en dia és el receptor de tipus NR1/NR2

Com s’ha pogut veure mitjançant tècniques de cristal·lització proteica, el receptor NR1/NR2 es distribueix en forma d’heterotetràmer de manera alterna (1-2-1-2). Les dues subunitats NR1 (o subunitats zeta) i les dues subunitats NR2 (o èpsilon), quan s'uneixen, formen un canal permeable a cations com el Mg²⁺.

En aquest cas, el receptor NMDA té dues subunitats d’unió a la glicina (NR1) i dues subunitats d’unió al glutamat (NR2).

Mecanisme d'acció

La sobreactivació dels NMDAr comporta un alleujament del bloqueig iònic causat pel Mg²⁺, la qual cosa causa un flux excessiu de Ca²⁺ que pot provocar excitotoxicitat. Hi ha indicis que apunten a que l'excitotoxicitat estigui relacionada amb malalties com l'Alzheimer, el Parkinson, i la malaltia de Huntington.

Teòricament, el bloqueig d'aquests NMDAr podria resultar eficaç a l'hora de tractar aquestes malalties. Tot i això, s'ha de tenir en compte que cal preservar l'activitat fisiològica dels NMDA mentre que es bloqueja l'activitat excessiva i excitotòxica. Això es pot aconseguir a través d'antagonistes glutàmics no-competitius.

Un cop els NMDAr han estat activats pels seus agonistes, aquests antagonistes de NMDA no-competitius entren al canal iònic que s'ha obert i el bloquegen. Alguns exemples d'aquests antagonistes són el MK-801, la ketamina, l'amantadina, o la memantina. El factor d'inefectivitat d'aquestes molècules no pot ser massa gran, ja que podria interferir amb la funció normal dels receptors, ni massa petita, ja que en aquest cas el bloqueig seria molt poc eficaç i podria provocar canals amb flux de ions excessiu.

Un exemple de bloquejador de canal no-competitiu és la memantina (MEM). És un antagonista amb baixa afinitat i un factor de inefectivitat relativament ràpid. El seu antagonisme depèn del voltatge a causa del seu grup amino, el qual es troba carregat positivament a pH fisiològic. Aquesta càrrega permet simular la funció fisiològica de l'ió Mg²⁺. La memantina només presenta activitat en casos d'excitotoxicitat, és a dir, no serveix com a prevenció d'aquesta. En aquestes condicions, la MEM ocupa el lloc del magnesi al lloc d'unió. En el cas contrari, els canals iònics només estan oberts durant intervals de mil·lisegons, la qual cosa impedeix la unió de la MEM amb els receptors i aquesta no pot interferir amb l'activitat sinàptica normal.

En estudis recents, s'ha descobert l'existència d'altres antagonistes no-competitius, com ara la 1-Metil-1,2,3,4-tetrahidroisoquinolina (1MeTIQ). Alguns derivats de les TIQ poden ser tòxics i provocar la mort neuronal prematura, però en el cas de la 1MeTIQ (substància endògena trobada en concentracions baixes al cervell), té efectes neuroprotectors. En concentracions de 500μΜ, hi ha indicis que la 1MeTIQ té capacitats neuroprotectores contra la excitotoxicitat dels NMDAr a nivells comparables a concentracions de 0,5μΜ de dizolcipina (MK-801) i 5μΜ de memantina (MEM), és a dir, protecció gairebé total. Tot i que el mecanisme d'acció de la 1MeTIQ, a diferència del de la memantina, no està completament estudiat, aquests efectes protectors es relacionen amb la seva modulació del metabolisme dopamínic i les seves propietats antioxidatives. També hi ha dades que recolzen la hipòtesi de que la 1MeTIQ evita l'acumulació de 45Ca induïda per glutamat. A més, algunes TIQ tenen afinitat pels llocs d'unió d'altres antagonistes dels NMDAr com ara el MK-801 i la feniciclidina (PCP).

Alteracions funcionals

Hipofunció

La hipofunció dels NMDAr és un factor present en la patofisiologia i l’etiologia de moltes malalties. Una hipofunció lleu pot comportar afectacions en la memòria, mentre que una hipofunció moderada provoca símptomes clínics, com per exemple la psicosi. En casos més greus, una hipofunció dels NMDAr s’associa amb la disrupció dels citoesquelets neuronals i anomalies en la proteïna Tau (τ) similars a les irregularitats protèiques presents en malalties com l’Alzheimer. Altres malalties relacionades amb hipofunció lleu són l’autisme, la demència i l'esquizofrènia entre d’altres.

Estudis recents mostren que la majoria d’activitat hipofuncional es dona en neurones GABAnèrgiques corticals, especialment en interneurones FS (fast-spiking) positives en parvalbumina i en interneurones amb alteracions proteiques en neuregulina/ErbB4, α7nAChR i serina racemasa.

Es creu que la hipofunció d’aquests receptors, la qual sol ser donada per una manca de la subunitat ε1) dona lloc a una quantitat d’antagonistes no-competitius lliures, sobretot PCP i ketamina, que poden provocar comportament simptomàtic similar al de la esquizofrènia (positius, negatius i cognitius). Alts nivells de MK-801 també poden provocar símptomes similars als de la PCP. També s’ha demostrar que una gran concentració d’aquests tres agonistes provoca una sobreproducció dopamínica en el nucli estriat, però a la vegada una disminució de producció al córtex prefrontal.

Hiperfunció

La hiperfunció dels NMDAr provoca un flux iònic mal regulat, el qual dóna lloc a una concentració de Ca²⁺ excessiva (excitotoxicitat). Aquest excés d’ions de calci té com a resultat una cascada de senyals pro-apoptòtiques que provoca mort cel·lular prematura. Les conseqüències d’aquesta apoptosi poden ser molt greus. Per exemple, les cèl·lules ganglionars de la retina són especialment sensibles a aquesta excitotoxicitat, i una sobreactivació dels NMDAr poden provocar trastorns neurodegeneratius visuals, glaucomes, o oclusió arterial de retina entre altres.