Synaptic Inhibition

VII γ-Aminobutyric Acid and Glycine Receptor Channels

Inibição sináptica no sistema nervoso central (SNC) é mediada em grande parte por receptores GABAA e glicina. Estes canais receptores ligo-agregados são seletivamente permeáveis a ânions, principalmente Cl- sob condições fisiológicas. Os canais GABAA agregados Cl- são designados por receptores GABAA para distingui-los do receptor GABAB acoplado à proteína G (Padgett e Slesinger, 2010). Os receptores GABAA e de glicina são membros da família de receptores Cys-loop. Ao contrário de outros receptores Cys-loop de mamíferos que são canais catiônicos não seletivos, GABAA e canais de glicina são seletivamente permeáveis a ânions.

Virtualmente todos os neurônios do SNC possuem receptores GABAA, enquanto a distribuição anatômica dos receptores de glicina é geralmente restrita ao tronco encefálico e à medula espinhal. Os receptores GABAA são frequentemente localizados nos dendritos proximais dos neurônios centrais, mas também são expressos nos segmentos iniciais dos axônios e dendritos distais. Como o potencial de equilíbrio Cl- em muitos neurônios é mais negativo do que o potencial de repouso, a abertura dos canais GABAA ou glicina hiperpolariza o potencial da membrana celular e reduz a excitabilidade. Além de hiperpolarizar o potencial da membrana, a abertura de um grande número desses canais diminui a resistência elétrica da membrana. Assim, os canais GABAA em dendritos proximais “shunt” de excitação efetivamente descendo a dendrita das sinapses excitatórias em ramos dendríticos mais distais. Em alguns neurônios, particularmente durante o desenvolvimento precoce, o equilíbrio Cl- é mais positivo que o potencial de repouso, resultando em respostas GABAA despolarizantes ou glicinas. As respostas GABAA despolarizantes que ocorrem nos axônios podem aumentar a excitabilidade e a liberação de neurotransmissores. Finalmente, algumas sinapses inibitórias na medula espinhal e no tronco encefálico contêm tanto GABAAA como receptores de glicina. A análise dos eventos de liberação unitária nesses locais indica que uma única vesícula sináptica contém GABAA e glicina e que uma subpopulação de locais pós-sinápticos contém ambos os tipos de receptores (Jonas et al., 1998). Assim como com outros receptores de neurotransmissores ligados, estudos moleculares revelaram proteínas reguladoras e de ancoragem que interagem com receptores de glicina e GABAA, como a gepirina (Fritschy et al., 2008) e a proteína associada ao receptor GABA (GABARAP; Mohrluder et al., 2009). A gepidrina foi identificada como uma proteína citoplasmática que interage diretamente com os receptores de glicina. A gepidrina também interage com a tubulina e a proteína de ligação à actina e, portanto, atua como uma ponte entre os receptores de glicina e o citoesqueleto. A gepidina também é co-localizada com receptores GABAA em locais pós-sinápticos mas, ao contrário dos receptores de glicina, não se demonstrou que se ligue aos receptores GABAA. GABARAP interage com muitos subtipos de receptores GABAA, assim como se liga à gepidrina e à tubulina. A interação com esses fatores citoplasmáticos pode alterar a localização e o tráfico dos receptores GABAA e glicina, assim como criar zonas de transdução de sinal localizado.

O comportamento de um único canal GABAA e glicina pode ser descrito por um esquema cinético semelhante ao do nAChR com a ligação de duas moléculas agonistas necessárias para a abertura do canal (Macdonald e Twyman, 1992). A análise das aberturas e fechamentos de canais GABAA únicos sugere que o canal pode abrir brevemente após a ligação de uma única molécula GABAA e em dois estados abertos de vida mais longa a partir da configuração duplamente ligada. A comparação entre a duração total de abertura dos receptores de uma e de duas ligas demonstra que a ocupação de ambos os locais agonistas resulta em muito mais aberturas de canais. Os canais podem fechar e reentrar em estados abertos de maior duração antes que o agonista se dissocie do receptor. Estes chamados estouros são compostos de fechamentos curtos que interrompem uma série de aberturas e podem durar dezenas de milissegundos. A dessensibilização dos canais GABAA resulta em longos intervalos fechados que são agrupados com rajadas em grupos que duram até várias centenas de milissegundos. Esses clusters são importantes na determinação da duração dos potenciais pós-sinápticos inibidores em algumas sinapses (Jones e Westbrook, 1996).

Os medicamentos que atuam nos canais GABAA e glicina compreendem uma variedade fascinante de compostos clinicamente importantes (Olsen et al., 1991). Como esses canais estão subjacentes à inibição sináptica no SNC, o aumento ou redução de sua atividade pode levar a mudanças profundas na função cerebral, incluindo amnésia (aumento da atividade GABAA) ou convulsões (diminuição da atividade GABAA). Antagonistas para esses receptores incluem estricnina, que inibe os receptores de glicina; bicuculina, que inibe os receptores GABAA; e picrotoxina, que inibe ambos os tipos de receptores. O receptor GABAA também é alvo de drogas sedativas-hipnóticas, como as benzodiazepinas e os barbitúricos. As benzodiazepinas (BDZ) aumentam a probabilidade de abertura do canal, enquanto os barbitúricos parecem agir prolongando longas aberturas de canal (rajadas). A farmacologia da modulação de benzodiazepinas do receptor GABAA é particularmente interessante, porque os compostos podem aumentar a abertura do canal (agonistas BDZ), reduzir a abertura do canal (agonistas BDZ inversos) ou bloquear os efeitos dos agonistas BDZ (antagonistas BDZ). A atividade dos receptores GABAA também é modulada pelo álcool, anestésicos voláteis, como o isoflurano, e alguns anestésicos esteróides (ou seus equivalentes endógenos, os neurosteróides).

Usando benzodiazepinas e estricnina como ligantes seletivos, os receptores GABAA e glicina foram purificados como complexos proteicos multiméricos, cada um com pesos moleculares de aproximadamente 50-60 kDa. O complexo receptor solubilizado tinha um peso molecular de aproximadamente 250 kDa, sugerindo que, como para o AChR, cinco subunidades constituem um receptor. A clonagem molecular subsequente identificou uma série de subunidades receptoras para ambos os receptores. As subunidades de glicina incluem a subunidade de ligação de estricnina (α), das quais quatro foram clonadas e uma única subunidade β, com uma estequiometria de (α)2(β)3 para receptores de animais maduros. Curiosamente, a forma imatura do receptor de glicina contém apenas as subunidades α. A gepirina liga-se à subunidade β, portanto a interação entre os receptores de gepirina e glicina é limitada à forma adulta. Dezenove subunidades GABAA foram identificadas e agrupadas de acordo com a similaridade de sequências. Estas incluem seis α, três β, três γ, três ρ e uma única δ, ɛ, π, e Θ subtipos (Wisden e Seeburg, 1992; Olsen e Sieghart, 2009). Em sistemas heterólogos, a expressão de uma única subunidade GABAA ou receptor de glicina pode resultar em receptores homoméricos funcionais. Entretanto, dados os amplos padrões de co-expressão de muitas subunidades receptoras de GABAA e glicina e a heterogeneidade funcional dos receptores nativos, os receptores homoméricos provavelmente ocorrem raramente. O grande número de subunidades receptoras GABAA oferece um desafio formidável para determinar quais combinações formam receptores funcionais em neurônios. A expressão dos receptores GABAA e das subunidades receptoras de glicina também varia durante o desenvolvimento e com o tipo de célula neuronal. Com base na farmacologia, expressão, bioquímica e localização subcelular, pelo menos 26 tipos diferentes de receptores GABAA nativos foram identificados nos neurônios CNS (Olsen e Sieghart, 2009).

A composição da subunidade pode ter uma forte influência nas propriedades biofísicas e farmacológicas dos receptores GABAA e glicina. Os sites de ligação GABA e benzodiazepina residem na interface entre uma subunidade α e uma subunidade β ou γ (geralmente γ2), respectivamente. A subunidade γ2 é ampla e altamente expressa no SNC e a deleção genética reduz muito os sítios de ligação BDZ no cérebro. Curiosamente, a subunidade α6 tem uma baixa afinidade para agonistas BDZ, mas ainda pode ligar agonistas ou antagonistas BDZ inversos, o que pode explicar os receptores GABAA sensíveis à benzodiazepina em alguns neurônios. Os receptores homoméricos compostos pelo receptor GABAA ρ subunidade são bicuculino-insensíveis, pouco antagonizados pela picrotoxina e insensíveis a BDZs, barbitúricos e neurosteróides. Estes canais também apresentam propriedades de portais e condutâncias distintas em comparação com outros receptores GABAA. Eles foram inicialmente referidos como receptores GABAC. No entanto, devido à sua semelhança de sequência e estrutura proposta, eles são atualmente pensados como um subtipo de receptores GABAA. As três subunidades ρ (ρ1, ρ2 e ρ3) são expressas em todo o SNC mas a expressão é predominante em vários tipos de células na retina.