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En una contracción del músculo esquelético, ¿qué sucede después de que la ACh se une a los receptores iontrópicos nicotínicos en el sarcolema?

En una contracción del músculo esquelético, ¿qué sucede después de que la ACh se une a los receptores iontrópicos nicotínicos en el sarcolema?


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¿La ACh unida se libera y luego se hidroliza por la acetilcolinarasa?


La acetilcolina, que se libera en la unión neuromuscular, es degradada continuamente por la enzima acetilcolineesterasa en acetato y colina. La colina vuelve a ser absorbida por la neurona a través de los portadores de colina para regenerar la acetilcolina. Este proceso continúa mientras se estimula la neurona.

Fuente: Wikepedia


Unión neuromuscular (NMJ): desarrollo de mamíferos

Agregación de AChR

Los AChR pueden existir en una forma móvil en el plano de la membrana celular. En el caso de células precursoras de músculo de rana inmaduras cultivadas, tales AChR móviles se agregan en los sitios de contacto con los axones motores, lo que sugiere que el nervio induce la agregación de AChR en la célula muscular. Mucha evidencia sugiere que es una proteína, la agrina, que es producida y liberada por los axones motores, la que desencadena la agregación de AChR. La función de Agrin está asociada con la activación de una quinasa específica del músculo (MuSK), que desencadena cascadas de señalización descendentes en el músculo. Un segundo jugador clave en el proceso de agregación de AChR inducida por agrina es la proteína rapsina de 43 kDa. Rapsyn une los AChR a la membrana plasmática y a los componentes del esqueleto de la membrana. En ausencia de rapsyn, no se produce agregación de AChR.

También hay mucha evidencia de que los AChR pueden autoagregarse y, en sustratos adecuados, pueden formar grupos similares a los de los NMJ maduros. Algunos estudios recientes han demostrado que en algunas especies y músculos, los grupos de AChR se forman en la región de presuntos NMJ antes de que se establezcan los contactos entre los nervios y los músculos. En estos casos, los contactos neuromusculares pueden formarse selectivamente en los presuntos sitios postsinápticos. A fin de cuentas, parece probable que, si bien la superficie de la fibra muscular tiene una tendencia inherente a formar grupos de AChR, la agrina liberada por el nervio puede desencadenar la agrupación de novo o estabilizar agrupaciones preexistentes.


Modulación positiva y negativa de los receptores nicotínicos.

V Resumen

Los AChR tienen funciones fisiológicas muy importantes en todo el cuerpo humano, incluido el sistema nervioso y los tejidos no neuronales. La función de los AChR puede ser modulada por moléculas exógenas y endógenas, incluidos agonistas, competitivos y NCA, y moduladores positivos y negativos. Los estudios estructurales y funcionales destacan la importancia de la interfaz extracelular-transmembrana en el proceso de activación inducida por agonistas. La modulación de este proceso abre la puerta al desarrollo de fármacos terapéuticos. Por ejemplo, los PAM o NAM solos o en combinación con agonistas específicos podrían usarse para el tratamiento de varias enfermedades que involucran AChR, incluidas las enfermedades relacionadas con la demencia, la piel y las inmunológicas, la adicción a las drogas y el cáncer.


Neurotransmisores

Acetilcolina, a menudo abreviado como ACh, es un neurotransmisor liberado por las neuronas motoras que se une a los receptores en la placa motora terminal. Es una molécula pequeña extremadamente importante en la fisiología humana. En el lado neuronal de la hendidura sináptica, normalmente hay 300.000 vesículas esperando ser exocitadas en cualquier momento y cada vesícula contiene hasta 10.000 moléculas de acetilcolina.

La ACh es producida por la reacción de la acetil coenzima A (CoA) con una molécula de colina en el cuerpo de la neurona. Una vez envasado, transportado y liberado, se une al receptor de acetilcolina en la placa motora terminal y se degrada en la hendidura sináptica por la enzima acetilcolinesterasa (AChE) en acetato (y ácido acético) y colina. La colina se recicla de nuevo a la neurona. La AChE reside en la hendidura sináptica, descomponiendo la ACh para que no permanezca unida a los receptores de ACh, lo que interrumpiría el control normal de la contracción muscular. En algunos casos, cantidades insuficientes de ACh previenen la contracción muscular normal y provocan debilidad muscular.

La toxina botulínica evita que la ACh se libere en la hendidura sináptica. Sin la unión de ACh a sus receptores en la placa motora terminal, no se produce potencial de acción y no puede ocurrir la contracción muscular. La toxina botulínica es producida por Clostridium botulinum, una bacteria que a veces se encuentra en alimentos enlatados incorrectamente. La ingestión de cantidades muy pequeñas puede causar botulismo, que puede causar la muerte debido a la parálisis de los músculos esqueléticos, incluidos los necesarios para respirar.


Contenido

Transmisión cuántica Editar

En el Unión neuromuscular Los axones motores presinápticos terminan a 30 nanómetros de la membrana celular o sarcolema de una fibra muscular. El sarcolema en la unión tiene invaginaciones llamadas pliegues postuncionales, que aumentan su área de superficie frente a la hendidura sináptica. [3] Estos pliegues postsinápticos forman la placa motora terminal, que está tachonada con receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR) a una densidad de 10,000 receptores / micrómetro 2. [4] Los axones presinápticos terminan en protuberancias llamadas botones terminales (o terminales presinápticas) que se proyectan hacia los pliegues postsinápticos del sarcolema. En la rana, cada terminal del nervio motor contiene unas 300.000 vesículas, con un diámetro medio de 0,05 micrómetros. Las vesículas contienen acetilcolina. Algunas de estas vesículas se agrupan en grupos de cincuenta, colocadas en zonas activas cercanas a la membrana nerviosa. Las zonas activas están separadas por aproximadamente 1 micrómetro. La hendidura de 30 nanómetros entre la terminación nerviosa y la placa terminal contiene una red de acetilcolinesterasa (AChE) a una densidad de 2600 moléculas de enzima / micrómetro 2, mantenida en su lugar por las proteínas estructurales distrofina y rapsina. También está presente la proteína receptora tirosina quinasa MuSK, una proteína de señalización involucrada en el desarrollo de la unión neuromuscular, que también es mantenida en su lugar por rapsyn. [3]

Aproximadamente una vez por segundo, en una unión en reposo, al azar, una de las vesículas sinápticas se fusiona con la membrana celular de la neurona presináptica en un proceso mediado por proteínas SNARE. La fusión da como resultado el vaciado del contenido de la vesícula de 7 000 a 10 000 moléculas de acetilcolina en la hendidura sináptica, un proceso conocido como exocitosis. [5] En consecuencia, la exocitosis libera acetilcolina en paquetes que se denominan cuantos. El cuanto de acetilcolina se difunde a través de la red de acetilcolinesterasa, donde la alta concentración de transmisor local ocupa todos los sitios de unión de la enzima en su camino. La acetilcolina que llega a la placa terminal activa

2000 receptores de acetilcolina, que abren sus canales iónicos, lo que permite que los iones de sodio se muevan hacia la placa terminal produciendo una despolarización de

0,5 mV conocido como potencial de placa terminal en miniatura (MEPP). En el momento en que la acetilcolina se libera de los receptores, la acetilcolinesterasa ha destruido su ACh unida, que tarda aproximadamente

0,16 ms y, por tanto, está disponible para destruir la ACh liberada por los receptores.

Cuando se estimula el nervio motor hay un retraso de sólo 0,5 a 0,8 ms entre la llegada del impulso nervioso a las terminales nerviosas motoras y la primera respuesta de la placa terminal [6] La llegada del potencial de acción del nervio motor a la neurona presináptica terminal abre los canales de calcio dependientes del voltaje y los iones Ca 2+ fluyen desde el líquido extracelular al citosol de la neurona presináptica. Este influjo de Ca 2+ hace que varios cientos de vesículas que contienen neurotransmisores se fusionen con la membrana celular de la neurona presináptica a través de proteínas SNARE para liberar sus cuantos de acetilcolina por exocitosis. La despolarización de la placa terminal por la acetilcolina liberada se denomina potencial de placa terminal (EPP). El EPP se logra cuando la ACh se une a los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR) en la placa motora terminal y provoca un influjo de iones de sodio. Esta entrada de iones de sodio genera el EPP (despolarización) y desencadena un potencial de acción que viaja a lo largo del sarcolema y hacia la fibra muscular a través de los túbulos T (túbulos transversales) por medio de canales de sodio activados por voltaje. [7] La ​​conducción de los potenciales de acción a lo largo de los túbulos T estimula la apertura de los canales de Ca 2+ dependientes de voltaje que están acoplados mecánicamente a los canales de liberación de Ca 2+ en el retículo sarcoplásmico. [8] El Ca 2+ luego se difunde fuera del retículo sarcoplásmico a las miofibrillas para que pueda estimular la contracción. El potencial de la placa terminal es, por tanto, responsable de establecer un potencial de acción en la fibra muscular que desencadena la contracción muscular. La transmisión del nervio al músculo es tan rápida porque cada cuanto de acetilcolina llega a la placa terminal en concentraciones milimolares, lo suficientemente altas como para combinarse con un receptor de baja afinidad, que luego libera rápidamente el transmisor unido. [ cita necesaria ]

Receptores de acetilcolina Editar

La acetilcolina es un neurotransmisor sintetizado a partir de la colina dietética y la acetil-CoA (ACoA), y participa en la estimulación del tejido muscular en vertebrados y en algunos animales invertebrados. En los vertebrados, el subtipo de receptor de acetilcolina que se encuentra en la unión neuromuscular de los músculos esqueléticos es el receptor nicotínico de acetilcolina (nAChR), que es un canal iónico controlado por ligando. Cada subunidad de este receptor tiene un "bucle cys" característico, que está compuesto por un residuo de cisteína seguido de 13 residuos de aminoácidos y otro residuo de cisteína. Los dos residuos de cisteína forman un enlace disulfuro que da como resultado el receptor "cys-loop" que es capaz de unirse a acetilcolina y otros ligandos. Estos receptores cys-loop se encuentran solo en eucariotas, pero los procariotas poseen receptores ACh con propiedades similares. [4] No todas las especies utilizan una unión neuromuscular colinérgica, p. Ej. los cangrejos de río y las moscas de la fruta tienen una unión neuromuscular glutamatérgica. [3]

Los AChR en la unión neuromuscular esquelética forman heteropentámeros compuestos por dos subunidades α, una β, una ɛ y una δ. [9] Cuando un único ligando de ACh se une a una de las subunidades α del receptor de ACh, induce un cambio conformacional en la interfaz con la segunda subunidad α de AChR. Este cambio conformacional da como resultado el aumento de la afinidad de la segunda subunidad α por un segundo ligando de ACh. Por lo tanto, los AChR exhiben una curva de disociación sigmoidea debido a esta unión cooperativa. [4] La presencia de la estructura del receptor intermedio inactivo con un ligando de unión simple mantiene la ACh en la sinapsis que, de otro modo, podría perderse por hidrólisis o difusión de la colinesterasa. La persistencia de estos ligandos de ACh en la sinapsis puede provocar una respuesta postsináptica prolongada. [10]

El desarrollo de la unión neuromuscular requiere la señalización tanto de la terminal de la neurona motora como de la región central de la célula muscular. Durante el desarrollo, las células musculares producen receptores de acetilcolina (AChR) y los expresan en las regiones centrales en un proceso llamado preparación. Se cree que la agrina, un proteoglicano de heparina, y la quinasa MuSK ayudan a estabilizar la acumulación de AChR en las regiones centrales del miocito. MuSK es un receptor de tirosina quinasa, lo que significa que induce la señalización celular al unir moléculas de fosfato a regiones propias, como tirosinas, y a otros objetivos en el citoplasma. [11] Tras la activación por su ligando agrin, MuSK envía señales a través de dos proteínas llamadas "Dok-7" y "rapsyn", para inducir el "agrupamiento" de los receptores de acetilcolina. [12] La liberación de ACh por las neuronas motoras en desarrollo produce potenciales postsinápticos en la célula muscular que refuerzan positivamente la localización y estabilización de la unión neuromuscular en desarrollo. [13]

Estos hallazgos fueron demostrados en parte por estudios de "knockout" en ratones. En ratones que son deficientes en agrina o MuSK, no se forma la unión neuromuscular. Además, los ratones deficientes en Dok-7 no formaron ni grupos de receptores de acetilcolina ni sinapsis neuromusculares. [14]

El desarrollo de las uniones neuromusculares se estudia principalmente en organismos modelo, como los roedores. Además, en 2015 se creó una unión neuromuscular totalmente humana in vitro utilizando células madre embrionarias humanas y células madre musculares somáticas. [15] En este modelo, las neuronas motoras presinápticas son activadas por optogenética y, en respuesta, las fibras musculares conectadas sinápticamente se contraen con la estimulación de la luz.

José del Castillo y Bernard Katz utilizaron la ionoforesis para determinar la ubicación y densidad de los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR) en la unión neuromuscular. Con esta técnica, se colocó un microelectrodo dentro de la placa motora terminal de la fibra muscular y se colocó una micropipeta llena de acetilcolina (ACh) directamente en frente de la placa terminal en la hendidura sináptica. Se aplicó un voltaje positivo a la punta de la micropipeta, lo que provocó la liberación de una explosión de moléculas de ACh cargadas positivamente de la pipeta. Estos ligandos fluyeron hacia el espacio que representa la hendidura sináptica y se unieron a los AChR. El microelectrodo intracelular monitorizó la amplitud de la despolarización de la placa motora terminal en respuesta a la unión de ACh a los receptores nicotínicos (ionotrópicos). Katz y del Castillo demostraron que la amplitud de la despolarización (potencial postsináptico excitador) dependía de la proximidad de la micropipeta que liberaba los iones ACh a la placa terminal. Cuanto más lejos estaba la micropipeta de la placa motora, menor era la despolarización en la fibra muscular. Esto permitió a los investigadores determinar que los receptores nicotínicos estaban localizados en la placa motora en alta densidad. [3] [4]

Las toxinas también se utilizan para determinar la ubicación de los receptores de acetilcolina en la unión neuromuscular. La α-Bungarotoxina es una toxina que se encuentra en la especie de serpiente Bungarus multicinctus que actúa como un antagonista de ACh y se une a los AChR de forma irreversible. Acoplando enzimas evaluables como la peroxidasa de rábano picante (HRP) o proteínas fluorescentes como la proteína verde fluorescente (GFP) a la α-bungarotoxina, los AChR se pueden visualizar y cuantificar. [3]


Relajación de un músculo esquelético

La relajación de las fibras del músculo esquelético y, en última instancia, del músculo esquelético, comienza con la neurona motora, que deja de liberar su señal química, ACh, en la sinapsis en el NMJ. La fibra muscular se repolarizará, lo que cerrará las puertas en el SR donde se liberaba Ca ++. Las bombas impulsadas por ATP sacarán el Ca ++ del sarcoplasma de nuevo al SR. Esto da como resultado el "resguardo" de los sitios de unión de actina en los filamentos delgados. Sin la capacidad de formar puentes cruzados entre los filamentos delgados y gruesos, la fibra muscular pierde su tensión y se relaja.


Contenido

Los receptores nicotínicos, con una masa molecular de 290 kDa, [10] están formados por cinco subunidades, dispuestas simétricamente alrededor de un poro central. [3] Cada subunidad comprende cuatro dominios transmembrana con los extremos N y C ubicados extracelularmente. Poseen similitudes con GABAA receptores, receptores de glicina y los receptores de serotonina de tipo 3 (que son todos receptores ionotrópicos), o las proteínas del bucle Cys de la firma. [11]

En los vertebrados, los receptores nicotínicos se clasifican ampliamente en dos subtipos según sus sitios primarios de expresión: tipo muscular receptores nicotínicos y tipo neuronal receptores nicotínicos. En los receptores de tipo muscular, que se encuentran en la unión neuromuscular, los receptores son la forma embrionaria, compuesta de α1, β1, subunidades γ y δ en una relación 2: 1: 1: 1 ((α1)2β1γδ), o la forma adulta compuesta de α1, β1, δ y ε subunidades en una relación 2: 1: 1: 1 ((α1)2β1δε). [3] [4] [5] [12] Los subtipos neuronales son varias combinaciones homoméricas (todas un tipo de subunidad) o heteroméricas (al menos una α y una β) de doce subunidades de receptores nicotínicos diferentes: α2−α10 y β2−β4. Ejemplos de subtipos neuronales incluyen: (α4)32)2, (α4)22)3, (α3)24)3, α4α6β32)2, (α7)5, y muchos otros. Tanto en los receptores de tipo muscular como en los de tipo neuronal, las subunidades son muy similares entre sí, especialmente en las regiones hidrófobas. [ cita necesaria ]

Varios estudios de microscopía electrónica y cristalografía de rayos X han proporcionado información estructural de muy alta resolución para nAChR musculares y neuronales y sus dominios de unión. [10] [13] [14] [15]

Como ocurre con todos los canales iónicos activados por ligandos, la apertura del poro del canal nAChR requiere la unión de un mensajero químico. Se utilizan varios términos diferentes para hacer referencia a las moléculas que se unen a los receptores, como ligando, agonista o transmisor. Además del agonista endógeno acetilcolina, los agonistas del nAChR incluyen nicotina, epibatidina y colina. Los antagonistas nicotínicos que bloquean el receptor incluyen mecamilamina, dihidro-β-eritidina y hexametonio. [ cita necesaria ]

En los nAChR de tipo muscular, los sitios de unión de acetilcolina se encuentran en la interfaz de las subunidades α y ε o δ. En los nAChR neuronales, el sitio de unión se encuentra en la interfaz de una subunidad α y una β o entre dos subunidades α en el caso de α7 receptores. El sitio de unión está ubicado en el dominio extracelular cerca del extremo N. [4] [16] Cuando un agonista se une al sitio, todas las subunidades presentes experimentan un cambio conformacional y el canal se abre [17] y se abre un poro con un diámetro de aproximadamente 0,65 nm. [4]

Los AChR nicotínicos pueden existir en diferentes estados conformacionales interconvertibles. La unión de un agonista estabiliza los estados abiertos y desensibilizados. En condiciones fisiológicas normales, el receptor necesita exactamente dos moléculas de ACh para abrirse. [18] La apertura del canal permite que los iones cargados positivamente se muevan a través de él, en particular, el sodio ingresa a la célula y el potasio sale. El flujo neto de iones cargados positivamente es hacia adentro.

El nAChR es un canal catiónico no selectivo, lo que significa que pueden atravesar varios iones cargados positivamente diferentes. [3] Es permeable al Na + y K +, con algunas combinaciones de subunidades que también son permeables al Ca 2+. [4] [19] [20] La cantidad de sodio y potasio que los canales permiten a través de sus poros (su conductancia) varía de 50 a 110 pS, y la conductancia depende de la composición de la subunidad específica, así como del ión permeable. [21]

Muchos nAChR neuronales pueden afectar la liberación de otros neurotransmisores. [5] El canal generalmente se abre rápidamente y tiende a permanecer abierto hasta que el agonista se difunde, lo que generalmente toma alrededor de 1 milisegundo. [4] Sin embargo, los AChR pueden abrirse espontáneamente sin ligandos unidos o pueden cerrarse espontáneamente con ligandos unidos, y las mutaciones en el canal pueden cambiar la probabilidad de cualquiera de los eventos. [22] [17] Por lo tanto, la unión de ACh cambia la probabilidad de apertura de los poros, que aumenta a medida que se une más ACh.

El nAChR no puede unirse a ACh cuando se une a cualquiera de las α-neurotoxinas del veneno de serpiente. Estas α-neurotoxinas se unen de forma antagonista estrecha y no covalente a los nAChR de los músculos esqueléticos y en las neuronas, bloqueando así la acción de la ACh en la membrana postsináptica, inhibiendo el flujo de iones y provocando parálisis y muerte. El nAChR contiene dos sitios de unión para las neurotoxinas del veneno de serpiente. El progreso hacia el descubrimiento de la dinámica de la acción de unión de estos sitios ha resultado difícil, aunque estudios recientes que utilizan la dinámica del modo normal [23] han ayudado a predecir la naturaleza de los mecanismos de unión de las toxinas de las serpientes y de la ACh a los nAChR. Estos estudios han demostrado que un movimiento de torsión causado por la unión de ACh es probablemente responsable de la apertura de los poros, y que una o dos moléculas de α-bungarotoxina (u otra α-neurotoxina de cadena larga) son suficientes para detener este movimiento. Las toxinas parecen bloquear las subunidades receptoras vecinas, inhibiendo el giro y, por lo tanto, el movimiento de apertura. [24]

La activación de los receptores por la nicotina modifica el estado de las neuronas a través de dos mecanismos principales. Por un lado, el movimiento de los cationes provoca una despolarización de la membrana plasmática (que da como resultado un potencial postsináptico excitador en las neuronas) que conduce a la activación de canales iónicos dependientes de voltaje. Por otro lado, la entrada de calcio actúa, ya sea directa o indirectamente, sobre diferentes cascadas intracelulares. Esto conduce, por ejemplo, a la regulación de la actividad de algunos genes o la liberación de neurotransmisores. [ cita necesaria ]

Desensibilización del receptor Editar

La desensibilización de receptores unida a ligando fue caracterizada por primera vez por Katz y Thesleff en el receptor nicotínico de acetilcolina. [25]

La exposición prolongada o repetida a un estímulo a menudo da como resultado una disminución de la capacidad de respuesta de ese receptor hacia un estímulo, lo que se denomina desensibilización. La función de nAChR puede ser modulada por fosforilación [26] mediante la activación de proteínas quinasas dependientes del segundo mensajero. Se ha demostrado que la PKA [25] y la PKC, [27], así como las tirosina quinasas, [28] fosforilan el nAChR, lo que provoca su desensibilización. Se ha informado de que, después de una exposición prolongada del receptor al agonista, el propio agonista provoca un cambio conformacional inducido por el agonista en el receptor, lo que da como resultado la desensibilización del receptor. [29]

Los receptores desensibilizados pueden volver a un estado abierto prolongado cuando un agonista se une en presencia de un modulador alostérico positivo, por ejemplo PNU-120,596. [30] Además, existe evidencia que indica que moléculas específicas de chaperona tienen efectos reguladores sobre estos receptores. [31]

Las subunidades de los receptores nicotínicos pertenecen a una familia multigénica (16 miembros en los seres humanos) y el ensamblaje de combinaciones de subunidades da como resultado una gran cantidad de receptores diferentes (para más información, consulte la base de datos de canales iónicos activados por ligando). Estos receptores, con propiedades cinéticas, electrofisiológicas y farmacológicas muy variables, responden a la nicotina de manera diferente, a concentraciones efectivas muy diferentes. Esta diversidad funcional les permite participar en dos tipos principales de neurotransmisión. La transmisión sináptica clásica (transmisión por cableado) implica la liberación de altas concentraciones de neurotransmisores, que actúan sobre los receptores inmediatamente vecinos. Por el contrario, la transmisión paracrina (transmisión de volumen) involucra neurotransmisores liberados por los terminales de los axones, que luego se difunden a través del medio extracelular hasta que alcanzan sus receptores, que pueden estar distantes. [32] Los receptores nicotínicos también se pueden encontrar en diferentes ubicaciones sinápticas, por ejemplo, el receptor nicotínico muscular siempre funciona postsinápticamente. Las formas neuronales del receptor se pueden encontrar tanto postsinápticamente (implicadas en la neurotransmisión clásica) como presinápticamente [33], donde pueden influir en la liberación de múltiples neurotransmisores.

Se han identificado 17 subunidades de nAChR de vertebrados, que se dividen en subunidades de tipo muscular y de tipo neuronal. Sin embargo, aunque un α8 subunidad / gen está presente en especies de aves como el pollo, no está presente en especies de humanos o mamíferos. [34]

Las subunidades de nAChR se han dividido en 4 subfamilias (I-IV) basándose en similitudes en la secuencia de proteínas. [35] Además, la subfamilia III se ha dividido en 3 tipos.

  • genes α: CHRNA1 (músculo), CHRNA2 (neuronal), CHRNA3, CHRNA4, CHRNA5, CHRNA6, CHRNA7, CHRNA8, CHRNA9, CHRNA10
  • genes β: CHRNB1 (músculo), CHRNB2 (neuronal), CHRNB3, CHRNB4
  • Otros genes: CHRND (delta), CHRNE (épsilon), CHRNG (gama)

Los nAChR neuronales son proteínas transmembrana que forman estructuras pentaméricas ensambladas a partir de una familia de subunidades compuestas de α210 y β24. [36] Estas subunidades se descubrieron desde mediados de la década de 1980 hasta principios de la de 1990, cuando se clonaron los ADNc de múltiples subunidades de nAChR de cerebros de ratas y pollos, lo que llevó a la identificación de once genes diferentes (doce en pollos) que codifican subunidades neuronales de nAChR. Los genes de la subunidad identificados se denominaron α2–Α108 solo se encuentra en pollos) y β2–Β4. [37] También se ha descubierto que varias combinaciones de subunidades podrían formar nAChR funcionales que podrían ser activados por acetilcolina y nicotina, y las diferentes combinaciones de subunidades generan subtipos de nAChR con diversas propiedades funcionales y farmacológicas. [38] Cuando se expresa solo, α7, α8, α9y α10 pueden formar receptores funcionales, pero otras subunidades α requieren la presencia de subunidades β para formar receptores funcionales. [36] En los mamíferos, se ha encontrado que las subunidades nAchR están codificadas por 17 genes, y de estos, nueve genes que codifican subunidades α y tres subunidades β codificantes se expresan en el cerebro. β2 nAChR que contienen subunidades (β2nAChRs) y α7Los nAChR se expresan ampliamente en el cerebro, mientras que otras subunidades de nAChR tienen una expresión más restringida. [39] El ensamblaje pentamérico de nAChR está sujeto a las subunidades que se producen en varios tipos de células, como en el pulmón humano, donde los pentámeros epiteliales y musculares difieren en gran medida. [40]

CHRNA5 / A3 / B4 Editar

Un importante grupo de genes nAchR (CHRNA5 / A3 / B4) contiene los genes que codifican el α5, α 3 y β4 subunidades. Los estudios genéticos han identificado polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) en el locus cromosómico que codifica estos tres genes nAChR como factores de riesgo de dependencia a la nicotina, cáncer de pulmón, enfermedad pulmonar obstructiva crónica, alcoholismo y enfermedad arterial periférica. [36] [41] Los genes de la subunidad nAChR CHRNA5 / A3 / B4 se encuentran en un grupo compacto en la región cromosómica 15q24-25. Las subunidades de nAChR codificadas por este locus forman los subtipos de receptores nicotínicos predominantes expresados ​​en el sistema nervioso periférico (SNP) y otros sitios clave del sistema nervioso central (SNC), como la habénula medial, una estructura entre el prosencéfalo límbico y el mesencéfalo involucrado en los principales Vías de circuitos colinérgicos. [36] La investigación adicional de los genes CHRNA5 / A3 / B4 ha revelado que los genes nAChR "neuronales" también se expresan en células no neuronales en las que participan en varios procesos fundamentales, como la inflamación. [42] Los genes CHRNA5 / A3 / B4 se coexpresan en muchos tipos de células y las actividades transcripcionales de las regiones promotoras de los tres genes están reguladas por muchos de los mismos factores de transcripción, lo que demuestra que su agrupación puede reflejar el control de la expresión génica. . [36]

CHRNA6 / CHRNB3 Editar

CHRNB3 y CHRNA6 también se agrupan en un grupo de genes, ubicado en 8p11. [41] Múltiples estudios han demostrado que los SNPS en CHRNB3 – CHRNA6 se han relacionado con la dependencia de la nicotina y el hábito de fumar, como dos SNP en CHRNB3, rs6474413 y rs10958726. [41] La variación genética en esta región también muestra influencia en la susceptibilidad al uso de drogas de abuso, incluido el consumo de cocaína y alcohol. [43] Receptores nicotínicos que contienen α6 o β3 Las subunidades expresadas en las regiones del cerebro, especialmente en el área tegmental ventral y la sustancia negra, son importantes para los comportamientos farmacológicos debido a su papel en la liberación de dopamina. [44] La variación genética en estos genes puede alterar la sensibilidad a las drogas de abuso de muchas formas, incluido el cambio de la estructura de aminoácidos de la proteína o causar alteraciones en la regulación transcripcional y traduccional. [43]

CHRNA4 / CHRNB2 Editar

Otros genes nAChR bien estudiados incluyen CHRNA4 y CHRNB2, que se han asociado como genes de la epilepsia del lóbulo frontal nocturno autosómico dominante (ADNFLE). [41] [45] Ambas subunidades de nAChR están presentes en el cerebro y la aparición de mutaciones en estas dos subunidades causa un tipo generalizado de epilepsia. Los ejemplos incluyen la mutación de inserción CHRNA4 776ins3 que se asocia con convulsiones nocturnas y trastornos psiquiátricos, y la mutación CHRNB2 I312M que parece causar no solo epilepsia sino también déficits cognitivos muy específicos, como déficits en el aprendizaje y la memoria. [45] [46] Existe una variación genética natural entre estos dos genes y el análisis de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) y otras modificaciones genéticas muestran una variación mayor en el gen CHRNA4 que en el gen CHRNB2, lo que implica que nAChR β2, la proteína codificada por CHRNB2, se asocia con más subunidades que α4. También se ha informado que el CHRNA2 es un tercer candidato para las convulsiones nocturnas del lóbulo frontal. [41] [45]

CHRNA7 Editar

Varios estudios han informado una asociación entre CHRNA7 y endofenotipos de trastornos psiquiátricos y dependencia de la nicotina, lo que contribuye a la significativa relevancia clínica de α7 e investigaciones que se están realizando al respecto. [45] CHRNA7 fue uno de los primeros genes que se consideró implicado en la esquizofrenia. Los estudios identificaron varios polimorfismos del promotor CHRNA7 que reducen la actividad transcripcional de los genes que se asocian con la esquizofrenia, lo que es consistente con el hallazgo de niveles reducidos de nAChR a7 en el cerebro de pacientes esquizofrénicos. [45] Ambos subtipos de nAChR, α4β2 y α7, se ha encontrado que se reducen significativamente en estudios post-mortem de individuos con esquizofrenia. [47] Además, las tasas de tabaquismo son significativamente más altas en las personas con esquizofrenia, lo que implica que fumar nicotina puede ser una forma de automedicación. [48]


Toxicidad colinérgica y sistema reproductor masculino

Receptores nicotínicos de acetilcolina

Los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR) se encuentran en los espermatozoides de los mamíferos (Kumar y Meizel, 2005). Se ha demostrado que este canal catiónico multimérico controlado por ligando transmembrana está implicado en la reacción del acrosoma del esperma. Tras la unión de una glicoproteína en la membrana externa del óvulo, la entrada de calcio a través del nAChR y otros canales desencadena cambios en la membrana del esperma que resultan en la liberación de proteasas del acrosoma que permiten la penetración de las membranas del óvulo y la fertilización (Son y Meizel, 2003). Los nAChR también se encuentran en la diferenciación de células germinales en los túbulos seminíferos (Palmero et al., 1999). La evidencia previa sugiere además que las moléculas de nAChR a lo largo de los flagelos de los espermatozoides podrían estar involucradas en la sincronización y regulación del latido flagelar y, por lo tanto, en la motilidad de los espermatozoides (Dwivedi y Long, 1989). Curiosamente, también se encuentran en el esperma moléculas adicionales que se sabe que se asocian con nAChR en células musculares y neuronales (Kumar y Meizel, 2005), lo que sugiere que la modulación de la acción de nAChR que se ha descrito para estos tejidos también podría ser relevante para su función en células de esperma. Recientemente, se han identificado proteínas testiculares recientemente descubiertas, identificadas por su similitud con toxinas venenosas, como proteínas de unión a nAChR que tienen el potencial de modular la actividad del receptor, lo que sugiere un nivel adicional de regulación sobre la función de este canal (Kaplan et al., 2007 Levitina et al., 2008). Los nAChR también participan en la regulación de la función de las células de Leydig. Su expresión se eleva tras la diferenciación y maduración de las células de Leydig (Ge et al., 2005) y se ha demostrado que tanto la acetilcolina como la nicotina disminuyen la secreción de testosterona de cultivos de células de Leydig enriquecidos (Favaretto et al., 1993 ).


MECANISMO CINÉTICO DEL FLUJO DE IONES CONTROLADO POR RECEPTOR DE ACETILCOLINA: MEDIDAS CINÉTICAS DE APAGADO DEL FLUJO DEL FLUJO INDUCIDO POR ACETILCOLINA EN VESÍCULAS DE MEMBRANA

George P. Hess,. Hitoshi Aoshima, en Aspectos moleculares de la bioelectricidad, 1980

ABSTRACTO

La dependencia del flujo de iones transmembrana controlado por el receptor de acetilcolina de la concentración de acetilcolina se midió en la región de tiempo mseg usando vesículas de membrana y una técnica de enfriamiento rápido. Se realizaron cuatro mediciones: (1) flujo de iones transmembrana, (2) tasa de inactivación del receptor, (3) tasa de recuperación y (4) flujo de iones mediado por el receptor "inactivado".

Un modelo mínimo que relaciona los procesos de unión de ligandos y translocación de iones, que se ha propuesto previamente para explicar el flujo de iones inducido por carbamilcolina, también puede explicar el flujo inducido por acetilcolina. The integrated rate equation, based on the model, predicts the time dependence of the ion flux over the 160-fold concentration range of acetylcholine investigated.

The receptor-controlled ion flux exhibits simple kinetics, and this has permitted the use of simple analytical expressions for the dependence on acetylcholine concentration of the various constants of the minimum mechanism. The evaluation of the constants, and methods for the separation of vesicles which contain functional receptors from those which do not, have led to the determination of the specific reaction rate, J ¯ , of the acetylcholine receptor-controlled translocation of inorganic ions. J ¯ = 3 × 10 7 M −1 sec −1 . The value for J ¯ allows one to calculate the number of ions translocated per receptor per msec, ∼6 × 10 3 . A value of 1 × 10 7 ions translocated per receptor site per unit time has also been determined by analysis of acetylcholine-induced noise in cells. Therefore it becomes possible to integrate the results obtained in two types of measurement of receptor function: chemical kinetics, which establishes the relationship between the ligand binding and ion translocation processes, and noise analysis, which measures elementary steps in the formation of receptor-formed ion channels.


Synthesis of Acetylcholine | Nervous System | Animales

After reading this article we will learn about the synthesis of Acetylcholine (Ach).

Acetylcholine (Ach) is the neurotransmitter at parasympathetic neuro-effector junctions, all autonomic ganglia, adrenal medulla, somatic neuromuscular junctions, and CNS. Synthesis, Storage and Release of Ach: Ach is synthesized in the cholinergic nerve endings.

After a reaction among acetate, coenzyme A and ATP, acetyl CoA is formed within the mitochondria and released into the cytoplasm. Choline enters into the axoplasm by active transport through the axonal membrane.

Choline acetyltransferase or choline acetylase, which is present in the axonal terminal, helps in acetylation of choline with acetyl CoA to form Ach. The transport of choline from the extracellular fluid into neuron is directly proportional to the concentration of extracellular Na + and is inhibited by hemicholinium.

After synthesis, Ach is transported into the synaptic vesicles where it is stored till an action potential (AP) renders its release into the synaptic cleft by exocytosis. Vesamicol inhibits this transport and release systems.

When an action potential arrives at the motor or cholinergic nerve terminal, depo­larization of the area opens the voltage-gated Ca 2+ channels on the axonal membrane, through which Ca 2+ enters into the axoplasm and helps in fusion of vesicles with axonal membrane, resulting in extrution of a larger quantity of Ach.

The release of Ach can be inhibited by excess Mg 2+ , botulinus toxin, or procaine. Black widow spider venom’ causes release of excessive amounts of Ach followed by blockade of release.

Action and destruction of Ach:

To elicit a response, Ach binds with the available cholinergic receptors on the postsynaptic membrane. There are mainly two types of cholinergic receptors-nicotinic and muscarinic. These are again having subtypes like nicotinic Nmetro (on skeletal muscle cell) and Nnorte (neuronal) and muscarinic M1, M2, M3, M4 and M5 receptores.

Nicotinic receptors are ligand-gated ion channels, having 5 subunits (α, α1,β, γ and δ) surrounding the internal channel. Ach binds with α subunits of the receptor which leads to conformational change (opening of the channel) in receptor protein to form a pore in its axis. Na + enters inside the cell through this channel and cause depolarization and excitation (contraction of skeletal muscle, firing of postganglionic neurons, or secretion of catecholamine from adrenal medulla).

METRO1 receptors (neuronal) are excitatory in nature and found mainly in autonomic ganglia (produce late EPSP), CNS and gastric glands (for histamine and acid secre­tion). METRO2 receptors (cardiac) exert inhibitory effects and predominate in heart (cause decrease in heart rate and force of contraction), and also on the presynaptic mem­branes of peripheral and central neurons (decrease NE release).

METRO3 receptors produce excitatory responses and mainly present in smooth muscles (for contraction of bron­chial, GIT, uterine, and eye smooth muscles and relaxation of vascular smooth mus­cles) and glands (stimulate secretion of salivary, bronchial, lacrimal and sweat glands). METRO4 receptors are also appeared to be found in smooth muscles and salivary glands. All five subtypes of muscarinic receptors are also located in CNS.

The basic functions of muscarinic receptors are mediated by the membrane bound G-proteins. Ellos1, M3 and M5 receptors activate a G-protein (G q/11) which in term stimulates membrane bound phospholipase C (enzyme) activity resulting in hydrolysis of membranous phospholipids to form inositol triphosphate (IP3) y diacilglicerol (DAG).

IP3 causes release of Ca 2+ from the endoplasmic reticulum into cytosol and Ca 2+ mediated responses are thus produced (as contraction of smooth muscle and secretion of glands). DAG activates protein kinase C and Ca 2+ for further response.

METRO3 receptors, located on endothelial cells of blood vessels, stimulate nitric oxide (NO) (previously recognised as Endothelium dependent relaxing factor (EDRF)) release from the cells. NO then diffuses to the vascular smooth muscle to cause relaxation by stimulating cytosolic guanylyl cyclase enzyme.

METRO2 and M4 receptors interact with distinct group of G-proteins (Gi and Go) to inhibit the adenylyl cyclase, to activate receptor operated K + channels (in heart), and to suppress the activity of voltage-gated Ca 2+ channels in some cells. The former two effects are responsible for the negative chronotropic and ionotropic Reponses of Ach in the heart.

After release from the pre-junctional membrane (before or after binding with the receptors), Ach is rapidly hydrolysed by the enzyme cholinesterase to acetate and choline. Choline is reentered into the nerve endings and used for the synthesis of Ach.

Mainly two types of cholinesterases exist in the body:

(i) Aceylcholinesterase (AChE) or true cholinesterase and

(ii) Butyrylcholinesterase (BuChE) or Pseudo cholinesterase.

The former enzyme is distributed to all cholinergic junctions, RBC-and gray matter. The rate of ACh hydrolysis by AChE is very fast. It can also hydrolyse methacholine. Physotigmine has more selectivity for this enzyme. BuChE, present in plasma, liver, intestine and white matter, can slowly hydrolyse ACh but not methacholine. It is more selectively inhibited by organophosphorous Compounds.