I recettori nicotinici (abbreviati in nAChR a causa del nome inglese Nicotinic acetylcholine receptors) sono recettori colinergici che formano canali ionici attivati da ligando nella membrana plasmatica di alcuni neuroni e nella porzione postsinaptica della giunzione neuromuscolare. In quanto recettori ionotropi, gli nAChR sono direttamente collegati al canale ionico e non fanno uso di secondi messaggeri (diversamente dai recettori metabotropici come i colinergici muscarinici). I recettori nicotinici rappresentano il modello più studiato di recettore ionotropico. Esistono diverse isoforme strutturali del recettore nicotinico, per questo, quando non ci si riferisce ad alcuna isoforma specifica, si preferisce parlare genericamente di recettori nicotinici.
Come gli altri tipi di recettori colinergici —come i recettori muscarinici— i recettori nicotinici hanno come ligando endogeno l'acetilcolina (spesso abbreviata ACh dall'inglese acetylcholine). Storicamente, la differenziazione delle due classi recettoriali è avvenuta utilizzando ligandi non endogeni: muscarina e nicotina. I recettori muscarinici, infatti, sono attivati (oltre che dall'acetilcolina) anche dalla muscarina, ma non dalla nicotina; i recettori nicotinici, viceversa, sono attivati dalla nicotina ma non dalla muscarina, e questo ne spiega la denominazione.
Negli insetti il sistema colinergico è limitato al sistema nervoso centrale (SNC). Nei mammiferi, invece, recettori colinergici neuronali si trovano sia nel sistema nervoso centrale sia in quello periferico, inoltre i recettori nicotinici della placca motrice dei muscoli somatici consentono la contrazione muscolare.
Storia
Nel 1914 Henry Hallett Dale e i suoi collaboratori proposero per la prima volta la possibile azione di neurotrasmettitore da parte dell'acetilcolina. L'idea dell'esistenza di recettori come mediatori della trasmissione chimica degli impulsi era relativamente recente: la "sostanza ricettiva" era, infatti, stata proposta da Langley nel 1905, proprio studiando l'azione di nicotina e curari sui recettori nicotinici della placca motrice. Successivamente Otto Loewi definì il ruolo dell'acetilcolina nel sistema nervoso. Per queste scoperte nel 1936 fu conferito a Dale e Loewi il Premio Nobel per la medicina.
Il meccanismo di funzionamento fisiologico del recettore nicotinico della placca muscolare fu in seguito chiarito nel dettaglio da Katz e Miledi nel 1968 e quindi confermato da Neher e Sakmann nel 1978 grazie alla misurazioni delle correnti transmembrana con microelettrodi. Una tecnica pionieristica che valse loro il premio Nobel per la medicina nel 1991.
L'identificazione della struttura delle subunità costituenti il recettore nicotinico della Torpedo californica è del 1976 e di pochi anni dopo (1982) è anche la determinazione della sequenza amminoacidica delle subunità. È stata utilizzata una torpedine perché il suo sistema nervoso è estremamente semplice e le dimensioni dei neuroni si prestano a facili misurazioni del potenziale elettrochimico tra l'interno e l'esterno della cellula mediante elettrodi.
Struttura dei recettori nicotinici
Macrostruttura dei recettori I recettori nicotinici, con una massa molecolare di 290 kDa, sono costituiti da cinque subunità, disposte simmetricamente in modo da circoscrivere un poro attraverso il quale avviene il flusso ionico. Ciascuna delle subunità è formata da quattro domini transmembrana, con le estremità N-terminale e C-terminale entrambe dal lato extracellulare. Per la loro struttura, quindi, i recettori nicotinici appartengono alla prima famiglia dei recettori ionotropi, detta dei recettori pentamerici o "Cys-loop". Appartengono alla stessa famiglia, e quindi strutturalmente simili, i recettori GABA-A, i recettori della glicina e i recettori della serotonina di tipo 3 (5HT-3).
Nei vertebrati i recettori nicotinici sono classificati grossolanamente in due sottotipi, in base al principale sito d'espressione: si distinguono, infatti, recettori nicotinici di tipo neuronale NN e di tipo muscolare NM. Tra i recettori di tipo muscolare si hanno la forma embrionale, composta dalle subunità α1, β1, δ, e γ in rapporto 2:1:1:1, e la forma adulta, che presenta le subunità α1, β1, δ, ed ε, sempre con rapporto 2:1:1:1. I recettori del sottotipo neuronale sono diversi. In particolare, si hanno combinazione omopentameriche ed eteropentameriche di dodici diverse sottunità: dalla α2 alla α10 e dalla β2 alla β4. Alcuni esempi possono essere (α4)3(β2)2, (α4)2(β2)3, e (α7)5. Le subunità dei recettori di tipo neuronale e muscolare sono simili tra loro, in particolare nelle regioni idrofobiche.
Storicamente le subunità dei recettori nicotinici erano state suddivise in quattro sottofamiglie (da I a IV) in base all'analogia di sequenza nella struttura proteica.
Tipo neuronale Tipo muscolare I II III IV α9, α7, α8 1 2 3 α1, β1, δ, γ, ε α2, α3, α4, α6 β2, β4 β3, α5
Tale classificazione, proposta nel 1995, è oggi incompleta alla luce delle nuove subunità identificate, anche nell'uomo. Nella tabella seguente sono illustrate tutte le subunità attualmente note ed eventuali patologie connesse a loro mutazioni.
+ Subunità del recettore nicotinico Subunità Tipo UniProt Locus OMIM Patologie correlate α1 Muscolare 2q24-q32 Miastenia gravis, Sindrome miastenica congenita e forma letale della sindrome dello pterigio multiplo α2 Neuronale 8p21 Individuata una mutazione in 10 membri di una famiglia sarda affetti da epilessia autosomica dominante notturna del lobo frontale α3 Neuronale 15Q24 Un polimorfismo a singolo nucleotide è stato correlato con assuefazione da nicotina, rischio di tumore al polmone e malattia occlusiva arteriosa periferica α4 Neuronale 20 Mutazioni associate con epilessia autosomica dominante notturna del lobo frontale e dipendenza da nicotina α5 Neuronale 15q24 Associazione significativa tra una variante di questa subunità e il tabagismo α6 Neuronale 8P22 α7 Neuronale 15Q13.3 Mutazioni collegate a schizofrenia ed epilessia α8 Neuronale in Tribolium castaneum -- -- Non identificato nell'uomo. α9 Neuronale 4p14 Antagonisti hanno azione analgesica in modelli animali. α10 Neuronale 11p15.4 Antagonisti hanno azione analgesica in modelli animali. α11 Neuronale -- -- Non identificato nell'uomo. α12 Neuronale in Nasonia vitripennis Non identificato nell'uomo. β1 Muscolare 17p12-p11 Sindrome miastenica congenita β2 Neuronale 1q21.3 Esistono mutazioni associate a epilessia autosomica dominante notturna del lobo frontale di tipo 2 e 3 β3 Neuronale 8 -- β4 Neuronale 15q24 Mutazioni in un locus comune con le subinità α3 e α5 sono correlate con un aumentato rischio di tumore la polmone γ Muscolare 2q33-34 Mutazioni causano la sindrome Escobar δ Muscolare 2q33-qter Mutazioni eterozigote e omozigote sono state correlate a sindrome miasteinca congenica e alla forma letale della sindrome dello pterigio multiplo. ε Muscolare 17p13.2 --
Le diverse subunità possono così unirsi tra loro formando potenzialmente un numero elevatissimo di isoforme recettoriali, in modo da poter variare e modulare la risposta in maniera specifica per ogni singolo tessuto. Qui di seguito vengono indicate le principali isoforme recettoriali attualmente conosciute unitamente alla loro localizzazione anatomica, al loro effetto e ai loro agonisti e antagonisti specifici:
Tipo di recettore Localizzazione Effetto Agonista Antagonista Tipo muscolare:(α1)2β1δεo(α1)2β1δγ Giunzione neuromuscolare Potenziale postsinaptico eccitatorio, principalmente causato da influsso di Na+ e K+ acetilcolina carbacolo succinilcolina α-bungarotossina α-conotossina atracurio pancuronio tubocurarina Tipo gangliare:(α3)2(β4)3 Ganglio Potenziale postsinaptico eccitatorio, principalmente causato da influsso di Na+ e K+ acetilcolina carbacolo dimetilfenilpiperazina epibatidina nicotina 18-metossicoronaridina bupropione destrometorfano esametonio ibogaina mecamilamina trimetafano Tipo del SNC:(α4)2(β2)3 Cervello Potenziale postsinaptico eccitatorio, principalmente causato da influsso di Na+ e K+ acetilcolina citisina epibatidina nicotina α-conotossina mecamilamina metilaconitina Ulteriore del SNC:(α3)2(β4)3 Cervello Potenziale eccitatorio post- e presinaptico eccitatorio acetilcolina citisina epibatidina nicotina destrometorfano esametonio mecamilamina tubocurarina Tipo omomerico del SNC:(α7)5 Cervello Potenziale postsinaptico eccitatorio e potenziale eccitatorio presinaptico, principalmente causato da influsso di Ca2+ dimetilfenilpiperazina epibatidina α-bungarotossina amantadina destrometorfano mecamilamina memantina
Indipendentemente dalle strutture recettoriali, l'unica subunità in grado di legare l'acetilcolina è la subunità α, che presenta la specifica tasca all'interno della quale il ligando si può collocare. Questo significa che, per essere attivato, il recettore della placca neuromuscolare (che presenta 2 subunità α), deve legare contemporaneamente 2 molecole di acetilcolina (una per ogni subunità α). Per il recettore del SNC, che invece presenta 5 subunità di tipo α7, sono necessarie 5 molecole di acetilcolina per poter trasdurre il segnale. A seguito dell'interazione con l'acetilcolina, il recettore cambia la propria conformazione, permettendo l'apertura del canale. Poiché la selettività nei confronti dei cationi non è assoluta, ioni di medesima carica e di raggio atomico simile possono fluire attraverso il canale. Viene permesso perciò il flusso in particolare di ioni Na, ma anche di Ca (entrambe in entrata), e di K in uscita. A seguito della variazione delle concentrazioni ioniche cellulari, si ha variazione del potenziale di membrana che permette la depolarizzazione della fibra.
Ultrastruttura dei recettori
Come detto, i recettori nicotinici sono costituiti da 5 subunità, differenti a seconda del sottotipo recettoriale. Le subunità sono costituite da un'unica catena peptidica che, ripiegandosi su sé stessa, attraversa la membrana quattro volte. Vengono così identificati 4 domini transmembrana, nominati M1, M2, M3 e M4 uniti tra di loro a 3 anse (o loop secondo la terminologia anglosassone), delle quali due intracellulari e una extracellulare. La seconda ansa intracellulare (quella che unisce M3 con M4) è costituita da una catena amminoacidica più lunga rispetto a quella delle altre due anse. I domini M2 di ogni subunità sono quelli che circoscrivono il poro del recettore a livello della sezione transmembrana. Perciò il poro, a livello della membrana è delimitato solo da M2. I domini amminoterminale (-NH2) e carbossiterminale (COOH) si trovano entrambe a livello extracellulare. In particolare quello -NH2 è costituito da un numero maggiore di amminoacidi rispetto a quella -COOH terminale e racchiude la tasca necessaria per il legame con l'acetilcolina. La catena -NH2 terminale, ripiegandosi su sé stessa, porta in contatto due residui di cisteina le quali originano un ponte disolfuro (S-S) che è fondamentale per mantenere l'adeguata conformazione della catena.
Organizzazione strutturale e funzionale del recettore nicotinico
Il recettore, che presenta una larghezza di circa 65 Å e una lunghezza di circa 110-120 Å, è costituito da 3 porzioni fondamentali: sezione extracellulare sezione transmembrana sezione intracellulare
La sezione extracellulare è la più voluminosa e sporge all'esterno della cellula di circa 60 Å. È in questa porzione che si trova il sito di legame per l'acetilcolina. Gli amminoacidi coinvolti nel legame con il ligando sono in particolare la tirosina e il triptofano con i quali l'acetilcolina si lega attraverso l'instaurazione di legami deboli catione-p greco.