NEUROBIOQUIMICA DE LA NOREPINEFRINA Y DOPAMINA

NEUROBIOQUÍMICA DE LAS CATECOLAMINAS.

  La norepinefrina, epinefrina y dopamina son los  neurotransmisores que se agrupan en este capítulo de las catecolaminas. Este término se emplea para designar a los compuestos orgánicos que tienen un catecol. (Un anillo bien escénico con radicales hidroxilo y un grupo amino (NH3). En el año de 1946 grupo de investigadores en Suecia y en Alemania los identificaron en el sistema nervioso de los mamíferos, y más concreto en las estructuras neurales que pertenecen  al sistema vegetativo sustancias que fueron llamadas posteriormente catecolaminas. Posteriormente, estos compuestos llenaron los postulados para ser considerados neurotransmisores.

            Una de las técnicas que se empleó para visualizar a las neuronas con catecolaminas, fue el exponer los tejidos a vapores de formaldehído, con lo cual, el anillo bencénico incorpora el elemento flúor, y el tejido se tiñe de un color verde. La distribución de las células de norepinefrina y dopamina, en el sistema nervioso central (SNC) es similar a la que se observa en la mayoría de los mamíferos.

            Una sola neurona de este sistema da una serie de prolongaciones que abarcan distancias de 10 a 20 cm con terminaciones nerviosas llenas de varicosidades. La localización de las neuronas con catecolaminas se centra en núcleos específicos, los cuales tienen ciertas proximidades entre sí. En el caso de la norepinefrina, el núcleo principal se encuentra en la parte posterior de la médula, bulbo raquídeo, y puente. Esta es la parte medial  del piso del cuarto ventrículo. A esta zona se le conoce con el nombre de Locus Coeruleus.

  En el caso de dopamina ésta tiene una distribución más amplia, y sin embargo bien localizada. Los cuerpos neuronales  de dopamina se encuentran en la sustancia negra; el sistema límbico; la retina, el hipotálamo. Desde estos lugares, los axones de las neuronas se conectan con diferentes estructuras, de tal manera que este tipo de neurotransmisor tiene núcleos en donde se asientan los cuerpos neuronales, y prolongaciones tanto ascendentes, descendentes.

           

Las catecolaminas que normalmente se localizan en el SNC son: dopamina (DA), norepinefrina (NE) y epinefrina (EPI).  Reciben este nombre porque en su estructura está localizado un grupo catecol y otro grupo amino.  Tanto la NE como la DA se han relacionado con diferentes funciones: conducta motora, regulación del ciclo sueño y vigilia, atención y concentración,  regulación neuroendocrina, entre otras. También se les ha relacionado con una serie de enfermedades psiquiátricas como la depresión mayor, esquizofrenia, trastornos por ansiedad, enfermedad de Parkinson, síndrome de atención deficiente e hipercinecia, etc. La neurobioquímica de estos compuestos ha sido estudiada extensamente, por esta razón son un buen ejemplo de todo el proceso de neurotransmisión.

         

SÍNTESIS

La enzima mas importante en la síntesis de las catecolaminas es la Tirosina hidroxilasa (TH), la cual cataliza el primer paso en el proceso de síntesis; posteriormente sigue una enzima inespecífica, la cual también se encuentra en las neuronas serotoninérgicas y que se llama descarboxilasa de los amino ácidos aromáticos, la  tercera enzima de la vía de síntesis es la dopamino-beta-hidroxilasa (DBH),  la cual convierte a la DA en NE, por lo que es la enzima que se utiliza como marcador de las neuronas que contienen a la NE y a la EPI. Finalmente la fenil etanolamino N-metiltransferasa (PNMT), que convierte la NE a la EPI, es el único marcador selectivo para considerar que una neurona transmite con EPI.

   La TH es una enzima con funciones mixtas, de oxidasa o mono-oxigenasa que cataliza la hidroxilación de la L-tirosina para formar la L-DOPA (L-dihidroxi fenil alanina). Esta enzima utiliza al oxígeno molecular y a la tetrahidrobiopteridina (BH4) como cofactores. La BH4 es oxidada de tal manera, que pierde dos hidrogeniones (BH2), cuando esta reacción ocurre, el cofactor reducido es catalizado por una segunda enzima, la dihidro pteridina reductasa, la cual toma dos hidrogeniones del agua para regenerar de BH2 hacia   BH4.

La TH existe como un homotetrámero, con cada una de sus subunidades de un peso molecular de aproximadamente  60,000 daltons. La TH se encuentra en todas las células que sintetizan catecolaminas y se propone que sea la enzima limitante de estas sustancias, la enzima puede emplear a la fenilalanina para fabricar L-tirosina.

     Esta enzima tiene una alta afinidad por la L-tirosina, como resultado de la cual se encuentra completamente saturada en condiciones fisiológicas, debido a la alta  concentración tisular de su sustrato la L-tirosina.  Evidencias recientes, indican que el cofactor BH4, está en menor concentración que la tirosina y por lo  tanto puede estar desempeñando un papel importante en los mecanismos de regulación de la síntesis de la catecolaminas. La actividad de TH puede ser inhibida por la concentración elevada de catecolaminas (inhibición por producto final).

   El precursor de todas las catecolaminas. Éste es el aminoácido esencial L-tirosina, lo cual significa que tiene que ser ingerido en la dieta. Este compuesto se modifica para formar sucesivamente dopamina, norepinefrina y epinefrina. La enzima limitante de la síntesis de catecolaminas es la tiroxina y la oxidasa, o TH. Las concentraciones de L tiroxina, están presentes normalmente en plasma, de tal forma que desde ahí es capturada por las neuronas que la utilizan como neurotransmisor.

            La TH es la primera enzima de la síntesis hormonal. Esta es una enzima limitante, puesto que regular la fabricación de catecolaminas, sin que éste sea el único mecanismo de regulación de estas moléculas, pues los autorreceptores, la disponibilidad de los precursores son señales igual de relevantes. . Para un buen funcionamiento de sus enzimas se requiere de oxígeno molecular, hierro, y otros factores. Hay farmacología de esta enzima y los inhibidores de la enzima se pueden dividir en cuatro grupos: aminoácidos análogos; derivado de las catecolaminas; tropolonas; y los quelantes selectivos de hierro.

En el primer grupo de aminoácidos inhibidores se encuentra la alfa-metil -p-hidroxi-paratiroxina y otros compuestos derivados del anterior, el mecanismo de acción es competir como sustratos de la enzima TH, desplazando a la tiroxina. Éste tipo de compuestos tienen utilidad en la clínica endocrinológica, para enfermedades como el feocromocitoma; la hipertensión maligna y algunos tumores de las glándulas suprarrenales.

            La enzima  TH, funciona de manera óptima en condiciones de reducción. Es por eso que algunos con factores la auxilian. La TH se oxida cuando actúa sobre la tiroxina, de tal manera que al donar un radical hidroxilo, cambia su condición de reducida a oxidada. La enzima tetra-hidro- biopteridina (BTH4), tienen la función de restablecer el equilibrio oxido -reducción. También intervienen otras sustancias como son el ácido fólico, y el oxígeno molecular. Esta última enzima tiene una distribución amplia, y sus niveles de actividad más alta se han encontrado en hígado, cerebro, glándulas adrenales. En el cerebro se extiende a otras zonas, además de las regiones que contienen catecolaminas y serotonina. Lo anterior sugiere que esta enzima puede intervenir en otros mecanismos. Por ejemplo, se sabe que interviene en un fenómeno similar de tipo oxido reducción, para la fabricación de óxido nítrico.

      Uno de los eventos más importantes en la regulación y síntesis de las catecolaminas es la fosforilación de la TH.  Hay algunas evidencias de que una proteína fosforilada dependiente de AMP-cíclico, desempeña un papel importante en este evento. Se sabe en la actualidad, que TH, es a su vez sustrato para tres tipos de protein cinasas: Cinasa A, Protein-Cinasa CaM (Cinasa II) y Cinasa C. La inhibición de TH por DA y NE puede ser debida a la estimulación de receptores presinápticos a DA.  Existe un proceso dinámico de óxido reducción entre TH y la BH4, el mejor estado, en el que trabaja la TH es el reducido (TH4). También existe un intercambio de grupos hidroxilos entre TH and BH4, que hace que se recobre el estado activo de la enzima TH.

     La 3,4 dihidroxi-L-fenilalanina (L-DOPA), es descarboxilada por una enzima no-selectiva denominada dopa-descarboxilasa,  también llamada Descarboxilasa de los Amino ácidos Aromáticos, ya que  descarboxila al 5-hidroxi triptófano, el cual es precursor de la serotonina, así como a otros amino ácidos aromáticos. Otros  sistemas de neurotransmisión en los que actúa esta enzima se vinculan a la fabricación de histamina, norepinefrina, serotonina y las aminas vasoactivas. Esta enzima de los aminoácidos aromáticos necesita para su óptimo funcionamiento de fosfato de piridoxal o vitamina B6 la cual actúa como un cofactor.

La DOPA descarboxilasa está distribuida ampliamente en el cuerpo, en el sitio en donde se encuentran las neuronas que contienen catecolaminas y serotonina, así como en tejido no-neural, como los riñones o los pericitos vasculares.  En caso de que la célula sea dopaminérgica, este será el evento final de la síntesis de este neurotransmisor.

    La dopamino-beta-hidroxilasa (DBH) es una oxidasa que usa oxígeno molecular para formar el grupo hidroxilo. Su cofactor es el ascorbato (Vitamina C). El grupo prostético de la DBH, es el Cu++. La enzima se encuentra localizadas en el interior de las vesículas sinápticas que almacenan a las catecolaminas, la mayoría de la DBH se encuentra unida a la cara interna de las membranas vesiculares, aunque parte de la enzima se localiza libre en el interior de las vesículas. La DBH se libera conjuntamente con las catecolaminas de las terminales nerviosas y de las glándulas suprarrenales y se localiza en el plasma. Si esta es una célula que produce NE este será el último evento de la síntesis.

                                    

Las células epinefrínicas que se encuentran en el SNC son un pequeño grupo, pero el proceso de la síntesis de la EPI es el mismo que se lleva a cabo en las células de las suprarrenales. La Fenil-N-metiltransferasa (PNMT) es la enzima que la sintetiza a partir de la NE, esta transfiere un grupo metilo de la S-adenosil metionina (SAM), al nitrógeno de la molécula de la NE, para formar una amina secundaria. La actividad de la PNMT es regulada por corticosteroides de las suprarrenales. La gran actividad de la PNMT en la médula adrenal se refleja por: la elevada concentración de corticosteroides liberados a los senos venosos que drenan en estas glándulas. La hipofisectomia,  causa una disminución en los niveles de corticosteroides, lo cual resulta en una reducción marcada en la cantidad de EPI en las glándulas suprarrenales.

     La única catecolamina que finaliza su síntesis en el citosol es la DA, todas las catecolaminas están concentradas y almacenadas en vesículas en la terminal sináptica, lo cual hace que estas estructuras tengan una mayor densidad al microscopio. El mecanismos que concentra a las catecolaminas en el interior de las vesículas es ATP-dependiente ( en el interior hay adenosina trifosfato o ATP en una concentracion molar elevada), y es un proceso que además de requerir energía, está acoplado a una bomba de protones. La concentración intra vesicular de las catecolaminas es de 0.5 M, y se encuentran en una unión compleja con el ATP y con proteínas conocidas como las cromograninas. El proceso de captura vesicular tiene una amplia especificidad de sustrato que abarca el transporte de una gran variedad de aminas biogénicas, que incluyen a la triptamina, tiramina y las anfetaminas. Estas últimas aminas compiten por el almacenamiento con las catecolaminas, lo cual puede dar lugar a problemas en su utilización.  Hay descritos por lo menos dos trasportadores vesiculares para monoaminas (VMAT – Vesicular Mono Amine Trasporter): esto se denominan VMAT-1 y VAMT-2.  El primero se localiza con mayor densidad en las suprarrenales, mientras que el  sistema de VMAT-2 , está presente en las neuronas que sintetizan catecolaminas y serotonina. Tambien se ha reportado que está localizado en las neuronas que fabrican histamina, que se hubican en el hipotálamo posterior, en la región mamilar. Estas proteinas tiene doce dominios transmembranales. Este tipo de proteinas VMATs utilizan bombas de protones, y hay una homología con los trasportadores vesiculares de los lisosomas y las membranas del aparato de Golgi. En otros sitios las VMATs pueden tener funciones de desintoxicación, ya que capturan toxinas y ayudan a reducir la toxicidad intracelular.

La reserpina, por ejemplo, es un inhibidor específico e irreversible de este sistema de almacenamiento.  La administración de reserpina causa una profunda depleción de catecolaminas endógenas en las neuronas.

     Las catecolaminas dentro de las vesículas son la principal fuente de liberación y al mismo tiempo el paso final en la vía de síntesis, la cual ocurre dentro de ellas. Una vez que el potencial de acción llega a la terminal presináptica, los iones de Ca++ fluyen hacia el interior a través de canales, para producir un incremento en las concentraciones intracelulares de Ca++. Este catión inter actúa con dos proteínas contráctiles en las paredes de la vesícula (actina y miosina) y produce la descarga de su contenido soluble que incluye ATP, DBH y NE.

   La regulación de la liberación en estas células está acoplado a mecanismos de autoreceptores presinápticos. En este grupo están los a- 2 y los ß –dos. También hay heterorecptores que intervienen en la regulación de la liberación: receptores colinérgicos nicotínicos y receptor para angiotensina II.

  En el caso de los autoreceptores a-2 el mecanismo por el cual regulan a la sinapsis es variable: (1) baja en la disponibilidad de Ca++, mediante unhibición de los canales de Ca++ voltaje dependientes; (2) Apertura de canales de K+ que permite el ingreso de este catión, con la consecuente hiperpolarización del exterior de la neurona; (3)  Inhibición de la adenilato ciclasa, que da como resultado una baja en el AMPc, con lo cual no se forma el segundo mensajero y decae el la concentración de calcio.

   Las prostaglandinas de la serie E, son también inhibidores potentes de la inducción de la liberación de NE en los tejidos. Este mecanismo para estar mediado por calcio, pues la estimulación de prostaglandinas, atenua la liberación de cacio.

RECEPTORES A CATECOLAMINAS.

Se han identificado dos subtipos de receptores,  a  y ß para la NE en el SNC. También para la DA se han propuesto cinco tipos de receptores, D1, D2, D3,D4,D5.  En telencéfalo la mayor densidad de receptores es la de ß-1, mientras que los ß-2 tienen una mayor densidad en cerebelo. Altas concentraciones de los receptores ß adrenérgicos se localizan en las capas superficiales del neocortex, núcleo accumbens, tubérculos olfatorios, sustancia negra y núcleos interpedunculares.  La subpoblación de receptores ß-1 predomina en las neuronas, lo que sugiere que los ß-2 puedan estar localizados en la glia o en vasos sanguíneos.

Los receptores  a-1 y  a-2 pueden compartir algunos componentes estructurales. Los receptores  a-2 están localizados tanto en la presinápsis como en la postsinapsis, mientras que los receptores  a-1 parecen estar localizados principalmente en la postsinapsis. Los receptores  a-2 localizados en la presinapsis sirven como autorreceptores controlando la liberación de NE. Evidencias recientes, las cuales exploraron a los adrenoceptores   a-2 solubilizados de cerebro, indican que el sitio de reconocimiento , el cual se ha purificado parcialmente, está asociado a una proteína reguladora, unida el nucleótido guanina. La activación del adrenoceptor  a-1 causa la hidrólisis de los fosfoinositidos y la formación de segundos mensajeros tales como el diacilglicerol y los trifosfatos de inositol.

Los receptores dopaminérgicos pueden ser clasificados como

 D-1, D-2, D-3, D-4 y D-5. Los neurolépticos clásicos (v.gr haloperidol), tienen una interacción potente con los receptores D-2.

Los mecanismos de regulación de la disponibilidad de un NT a nivel presináptico entre otras cosas se relacionan con autorreceptores que son sensibles a sus propios neurotransmisores así como a otros neuromoduladores. Este segundo grupo de sitios de unión de alta afinidad son llamados heteroceptores presinápticos y tienen una gran importancia en los mecanismos de co-liberación de varios NTs  (generalmente NT clásicos de bajo peso molecular  con neuropéptidos). El sistema neuronal de re-captura es marcado en las neuronas serotoninérgicas con Imipramina-[3H], o con Paroxetina-[3H], mientras que el sistema noradrenérgico puede ser marcado con la desimipramina-[3H], y el dopaminérgico con Cocaina-[3H] o nomifensin-[H3]. Estos sitios presinápticos están asociados con el sistema de trasporte que difiere farmacológicamente de los autorreceptores presinápticos que modulan la liberación de 5-HT, NE o DA.

CATABOLISMO DE LAS CATECOLAMINAS.

La terminación de la acción de las catecolaminas involucra el proceso de recaptura neuronal, el cual es un mecanismo de transporte activo (Norepinephrine Reuptake Transporter – NERT) que es dependiente de sodio y que consume energía. Un mecanismo de trasporte selectivo para la NE solo se encuentra en las neuronas norepinefrínicas, mientras que el mecanismos de recaptura para DA tiene menor especificidad (Dopamine Reuptake Transporter – DART). Se sabe que el mecanismo de recaptura es dependiente de energía, debido a que puede ser inhibido por incubación a bajas temperaturas o a que se acopla a un proceso de recaptura con diferentes gradientes de sodio a lo largo de la membrana neuronal, las drogas como la Ouabaina, que inhiben la ATPasa Na++/K+, o drogas como la veratrina, que abren los canales de sodio, inhiben el proceso de recaptura. También algunos antidepresivos heterocíclicos y la cocaína pueden inhibir selectivamente este mecanismo. Las anfetaminas se unen a este mecanismo transportador y pueden ser concentradas dentro de la terminal sináptica. Una vez que este sustrato es capturado por la terminal sináptica este va a las vesículas sinápticas. Este es el mecanismo de acción de algunas neurotoxinas como la 6-hidroxidopamina, la cual al acumularse en las terminales de las neuronas que contienen catecolaminas las destruyen  por la liberación de radicales peroxidos.

     Dos enzimas son responsables de la inactivación y catabolismo de las catecolaminas: las monoamino oxidasas (MAO) y la catecol-O-metiltransferasa (COMT). Las MAO son enzimas que contienen flavina. Estas enzimas se localizan en la cara externa de la membrana de las mitocondrias. Son enzimas oxidativas, deaminan a las catecolaminas y  compuestos correspondientes, que a su vez pueden sen convertidos por la aldehido reductasa a sus correspondientes ácidos o por la aldehido reductasa  o la formación de glicol. Debido a su localización intracelular, las MAO juegan un papel estratégico en la inactivación de las catecolaminas. Diversas isoenzimas con diferente afinidad para sus sustratos se han identificado. La MAO-A deamina preferentemente a NE y 5-HT, y es inhibida en forma selectiva por la clorgilina, mientras que la MAO-B actúa en un amplio espectro de feniletanolaminas , que incluyen la beta-feniletil amina y la dopamina, la MAO-B es inhibida selectivamente por el deprenil (Selegilina).

  METABOLISMO DE CATECOLAMINAS

  Este metabolismo es lento en comparación con otros sistemas de NTs como son el de las esterasas para la acetilcolina. La Catecol-O-Metil transferasa (COMT) y las Mono Amino Oxidasas (MAOs), son las dos enzimas de destrucción de las catecolamins una vez que estas han terminado su acción.

  Las MAO convierten a las catecolaminas en sus aldehídos correspondientes. Las MAO son dos subtipos MAO-A y MAO-B, están localizadas en las caras externas de las mitocondrias, hasta hace poco se consideraba que todas las MAOs eran de localización intracelular, sin embargo hay datos que la destrucción de las fibras monoaminérgicas, no disminuye la actividad MAO, por lo que ahora se sabe que hay una cantidad importan de MAOs extracelulares.

  La clorgilina es un inhibidor selectivo de las MAO-A, cuyo sustrato preferente es la serotonina. Por otor lado, el deprenil

 Por otro lado la COMT, se localiza en la hendidura sinápticas.

INVESTIGADORES RELEVANTES EN EL ÁREA DE CATECOLAMINAS

Julius Axelrod llamado "Julie" por amigos y colegas, obtuvo unas licenciatura en Biología y Química, y aunque esperaba llegar a ser médico,  no pudo hacerlo. Porque “erase una vez en que ser judío, negro, hispano”, era un filtro para el ingreso a la mayoría de las Universidades de Norte América, por lo que fue rechazado en todas las partes en donde aplicó. Trabajó durante más de una década en el laboratorio de higiene industrial de la ciudad de Nueva York Departamento de Salud (y perdió su ojo izquierdo en un accidente de laboratorio en 1938, al estallarle una botella que contenía amoniaco) esto fue antes de unirse a los Institutos Nacionales de la Salud en 1950.

 Obtuvo su maestría en la escuela nocturna, y cuando se percató que la falta de un doctorado le  impedía la obtención de apoyos  económicos para sus investigaciones, solicitó una licencia a los Institutos Nacionales de Salud para dedicarse a su doctorado en la Universidad George Washington, además de tener que caminar todos los días académicos, 40 kilómetros para llegar a su casa localizada en Bethesda, Maryland USA,  mientras que la Universidad está en el barrio del mismo nombre en el centro académico de Washington DC.

En su obra más conocida, identificó a las mono amino oxidasas, y los métodos para detectar a las catecolaminas, a su vez identificó la actividad de la glándula pineal (que esta inervada por catecolaminas, concretamente por norepinefrina). Sus hallazgos iluminó el camino químicos liberados por terminales nerviosas del cerebro reaccionan con la glándula pineal y afectan a una amplia gama de la conducta humana, a partir de los patrones de sueño a la mansedumbre y la agresividad, y condujeron al desarrollo de fármacos utilizados en psiquiatría y para el tratamiento de los trastornos mentales enfermedades. También realizó importantes investigaciones sobre las acciones fisiológicas de la cafeína, e hizo importantes contribuciones a la comprensión científica de los analgésicos. En 1948, en colaboración con el biólogo Bernard Brodie (1907-1989), estableció que el paracetamol carece de los efectos tóxicos de otros de los analgésicos usados ​​por entonces.

Él no estaba en casa cuando el Comité Nobel lo llamó para decirle que había ganado el Premio Nobel  en  Química de 1970, y no tenía radio en su coche, por lo que no había recibido la noticia hasta que fue recibido con júbilo cuando llegó a  la oficina de su dentista para una cita. Cuando el presidente Richard M. Nixon llamó esa tarde para felicitar. Axelrod, le solicitó con respeto al Presidente Nixon para que restaurara los fondos, que habían sido reducidos para la investigación científica. Murió en el año 2004.