Transmissão glutamatérgica
A sinalização glutamatérgica constitui o principal sistema de neurotransmissores excitatórios no sistema nervoso central dos mamíferos, mediando a vasta maioria da transmissão sináptica rápida e sustentando processos fundamentais que vão desde a percepção sensorial e a coordenação motora até a aprendizagem, a memória e a flexibilidade cognitiva. O L-glutamato, o aminoácido livre mais abundante no cérebro, funciona não apenas como um intermediário metabólico chave, mas também como o principal neurotransmissor excitatório, com uma estimativa de 80% de todas as sinapses centrais utilizando glutamato como molécula de sinalização (Meldrum, 2000; Danbolt, 2001). Ao contrário da sinalização espacialmente restrita e hormonalmente amplificada do eixo hipotálamo-hipofisário ou da entrega sistémica de hormonas peptídicas, a transmissão glutamatérgica opera ao nível nanoscópico de sinapses individuais, alcançando precisão de milissegundos através de uma maquinaria molecular altamente especializada que inclui libertação vesicular, clusters de recetores pós-sinápticos e sistemas de recaptação extraordinariamente eficientes.
A biossíntese e a compartimentação do glutamato são rigorosamente reguladas para prevenir a excitotoxicidade e manter a separação estrita entre os pools metabólicos e os pools de neurotransmissores. O glutamato não atravessa eficientemente a barreira hematoencefálica; em vez disso, é sintetizado localmente nos terminais pré-sinápticos a partir de glutamina através da enzima glutaminase, uma reação que representa o passo final do ciclo glutamato-glutamina (Hertz, 1979). Após a libertação na fenda sináptica e a subsequente recaptação nos astrócitos, o glutamato é convertido novamente em glutamina pela glutamina sintetase, que é exclusivamente expressa nos astrócitos; a glutamina é então transportada de volta para os neurónios, onde é novamente convertida em glutamato, repondo assim o pool de neurotransmissores sem esgotar os níveis sistémicos de glutamato (Rose et al., 2013; Bak et al., 2006). Este acoplamento metabólico entre neurónios e astrócitos é essencial para sustentar a transmissão glutamatérgica, uma vez que os neurónios carecem de atividade apreciável de glutamina sintetase e dependem do fornecimento de glutamina astrocítica para a síntese sustentada de neurotransmissores.
A libertação de glutamato dos terminais pré-sinápticos segue o ciclo canónico das vesículas sinápticas. Após a chegada de um potencial de ação, os canais de cálcio dependentes de voltagem (predominantemente dos tipos P/Q e N) abrem-se, permitindo o influxo de cálcio que desencadeia a fusão mediada por SNARE das vesículas sinápticas contendo glutamato com a membrana pré-sináptica (Südhof, 2013). O glutamato é empacotado em vesículas sinápticas por três transportadores vesiculares de glutamato (VGLUT1, VGLUT2 e VGLUT3), impulsionados pelo gradiente eletroquímico de protões gerado pela H+-ATPase vacuolar (Shigeri et al., 2004). O glutamato libertado difunde-se através da fenda sináptica, tipicamente com 20-30 nm de largura, e liga-se a uma diversidade de recetores pós-sinápticos que se classificam amplamente em famílias ionotrópicas e metabotrópicas (Niswender & Conn, 2010).
Os recetores ionotrópicos de glutamato (iGluRs) mediam correntes pós-sinápticas excitatórias rápidas à escala de milissegundos e são canais iónicos ativados por ligandos que permitem o influxo de sódio e cálcio após a ligação de glutamato. São subdivididos em três famílias principais com base na seletividade do agonista: recetores AMPA (AMPARs), recetores NMDA (NMDARs) e recetores de cainato (KARs) (Traynelis et al., 2010). Os recetores AMPA são responsáveis pelo componente rápido dos potenciais pós-sinápticos excitatórios (EPSPs) e são assembleias tetraméricas tipicamente compostas por subunidades GluA1-4; são permeáveis ao sódio e ao potássio, sendo a permeabilidade ao cálcio largamente restrita àqueles que carecem da subunidade GluA2 (Sommer et al., 1991). Os recetores NMDA, por outro lado, caracterizam-se pelo seu bloqueio dependente de voltagem pelo magnésio, cinética lenta e elevada permeabilidade ao cálcio. Em potenciais de membrana em repouso, o poro do recetor NMDA é bloqueado por iões de magnésio extracelulares; este bloqueio é aliviado pela despolarização, conferindo aos recetores NMDA a propriedade de detetor de coincidência, exigindo tanto a libertação pré-sináptica de glutamato como a despolarização pós-sináptica para a ativação (Mayer & Westbrook, 1987; Nowak et al., 1984). Os recetores NMDA são heterotetrâmeros obrigatórios consistindo em subunidades GluN1 e subunidades GluN2 (A-D) ou GluN3 (A-B), sendo a subunidade GluN2B particularmente abundante durante o desenvolvimento e em estruturas do prosencéfalo (Paoletti et al., 2013). Os recetores de cainato, compostos por subunidades GluK1-5, são menos bem compreendidos, mas contribuem tanto para a excitação pós-sináptica como para a modulação pré-sináptica da libertação de neurotransmissores (Lerma & Marques, 2013). Estes recetores ionotrópicos são dinamicamente regulados através de fosforilação, tráfego de subunidades e interações com proteínas auxiliares como as TARPs (proteínas reguladoras transmembranares de recetores AMPA), que influenciam profundamente a abertura do recetor e o direcionamento sináptico (Coombs & Cull-Candy, 2009).
Além dos recetores ionotrópicos, o glutamato ativa os recetores metabotrópicos de glutamato (mGluRs), que são recetores acoplados a proteína G que modulam a transmissão sináptica em escalas temporais mais lentas através de cascatas de segundos mensageiros. Os oito subtipos de mGluR são classificados em três grupos: Grupo I (mGluR1 e mGluR5), que se acoplam a Gαq e ativam a fosfolipase C, levando à libertação de cálcio intracelular mediada por IP3 e à ativação da proteína quinase C; Grupo II (mGluR2 e mGluR3) e Grupo III (mGluR4, mGluR6, mGluR7 e mGluR8), que se acoplam a Gαi/o e inibem a adenilil ciclase, reduzindo os níveis de cAMP (Niswender & Conn, 2010). Os recetores metabotrópicos localizam-se predominantemente de forma perisináptica e modulam a excitabilidade neuronal, a libertação de transmissores e a plasticidade a longo prazo através da regulação da atividade de canais iónicos e da expressão génica. Notavelmente, os mGluRs pré-sinápticos funcionam como autorrecetores que reduzem a libertação adicional de glutamato, fornecendo um mecanismo de feedback negativo que protege contra a excitação excessiva (Cartmell & Schoepp, 2000).
A terminação da sinalização glutamatérgica depende de forma única de transportadores de aminoácidos excitatórios (EAATs) de alta afinidade dependentes de sódio, uma vez que não existe degradação enzimática de glutamato na fenda sináptica comparável à acetilcolinesterase para a acetilcolina. Foram identificados cinco subtipos de EAAT (EAAT1-5), sendo EAAT1 (GLAST) e EAAT2 (GLT-1) predominantemente expressos em astrócitos, enquanto EAAT3 (EAAC1) e EAAT4 são principalmente neuronais (Danbolt, 2001). O EAAT2 é responsável por mais de 90% da captação total de glutamato no prosencéfalo e mantém as concentrações extracelulares de glutamato em níveis baixos micromolares, preservando a relação sinal-ruído e prevenindo a lesão excitotóxica (Rothstein et al., 1996). Esta captação mediada por transportadores é eletrogénica, acoplando o transporte para o interior de uma molécula de glutamato ao cotransporte de três iões de sódio e um protão, com o contratransporte de um ião de potássio, sendo por isso energeticamente dispendiosa (Zerangue & Kavanaugh, 1996). A extraordinária eficiência da eliminação de glutamato — com tempos de eliminação da ordem de 1-2 milissegundos — é essencial para a fidelidade temporal da transmissão sináptica e para prevenir o spillover para sinapses vizinhas (Tong & Jahr, 1994).
A sinalização glutamatérgica é o substrato primário da plasticidade sináptica, a modificação dependente da atividade da força sináptica que é amplamente considerada o correlato celular da aprendizagem e da memória. A potenciação a longo prazo (LTP) e a depressão a longo prazo (LTD) são as duas formas de plasticidade melhor caracterizadas nas sinapses glutamatérgicas. Na região CA1 do hipocampo, a estimulação de alta frequência induz LTP através de uma sequência de eventos que começa com o influxo de cálcio através dos recetores NMDA pós-sinápticos, que depois ativa a proteína quinase II dependente de cálcio-calmodulina (CaMKII) e a proteína quinase C, levando à fosforilação dos recetores AMPA e à inserção de recetores AMPA adicionais na membrana pós-sináptica através de exocitose dependente de SNARE (Bliss & Collingridge, 1993; Lisman et al., 2012). Este aumento do número e da condutância dos recetores AMPA resulta numa eficácia sináptica aumentada que pode persistir durante horas a dias. Por outro lado, a estimulação de baixa frequência induz LTD, que envolve a ativação dependente de cálcio de proteínas fosfatases (por exemplo, calcineurina), a desfosforilação dos recetores AMPA e a sua subsequente internalização mediada por clatrina, produzindo uma diminuição sustentada da força sináptica (Malenka & Bear, 2004). Estas formas hebbianas de plasticidade são complementadas pela plasticidade dependente do tempo de disparo (STDP), na qual a ordem temporal precisa dos picos pré- e pós-sinápticos determina se é induzida LTP ou LTD, fornecendo um mecanismo para o refinamiento dependente da experiência dos circuitos neurais (Markram et al., 1997; Dan & Poo, 2004).
As consequências patológicas da sinalização glutamatérgica desregulada são profundas e generalizadas. A acumulação excessiva de glutamato na fenda sináptica conduz à excitotoxicidade, um processo caracterizado por sobrecarga patológica de cálcio através dos recetores NMDA, disfunção mitocondrial, geração de espécies reativas de oxigénio e, finalmente, morte neuronal. A excitotoxicidade é uma via final comum em insultos neurológicos agudos, incluindo acidente vascular cerebral isquémico, lesão cerebral traumática e estado epiléptico, bem como em doenças neurodegenerativas crónicas como a esclerose lateral amiotrófica (ELA) e a doença de Huntington (Mehta et al., 2013; Lau & Tymianski, 2010). Na doença de Alzheimer, a disfunção glutamatérgica manifesta-se tanto como perda sináptica como sinalização aberrante de recetores NMDA extrasinápticos, contribuindo para o declínio cognitivo; o antagonista do recetor NMDA memantina está aprovado para a doença de Alzheimer de moderada a grave, embora a sua eficácia seja modesta (Parsons et al., 2007). Na esquizofrenia, hipotetiza-se uma hipofunção dos recetores NMDA, particularmente nas interneurónios GABAérgicos corticais, que perturba o equilíbrio excitatório-inibitório, contribuindo para sintomas positivos, défices cognitivos e o estado hiperglutamatérgico característico em certas regiões cerebrais (Moghaddam & Javitt, 2012). A hipótese do glutamato da esquizofrenia impulsionou o desenvolvimento de moduladores do sítio de glicina nos recetores NMDA e agonistas de mGluR2/3, embora a tradução clínica se tenha revelado desafiante (Javitt et al., 2011).
A abordagem terapêutica da sinalização glutamatérgica é limitada pelo papel ubíquo do glutamato na função cerebral normal, tornando a modulação global problemática. No entanto, surgiram estratégias específicas: bloqueadores de canal aberto dos recetores NMDA como a cetamina demonstraram efeitos antidepressivos rápidos em doses subanestésicas, atuando através de um mecanismo complexo que envolve a ativação sustentada dos recetores AMPA e o aumento da sinalização de BDNF, conduzindo a sinaptogénese (Duman et al., 2019). Potenciadores de recetores AMPA (ampakinas) estão a ser investigados para o reforço cognitivo em distúrbios neurológicos e psiquiátricos (Lynch et al., 2014). Inibidores da libertação de glutamato, como o riluzole (utilizado na ELA), e reguladores positivos de EAAT2 estão também em exploração. O futuro dos terapêuticos glutamatérgicos reside no desenvolvimento de moduladores seletivos de subtipo que visem subunidades específicas de recetores ou complexos de recetores com localizações sinápticas definidas, minimizando os efeitos fora do alvo e preservando a função fisiológica do glutamato.
Referências
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