O glutamato é geralmente considerado o principal
neurotransmissor excitatório do cérebro dos
mamíferos.
Até recentemente, a sinalização sináptica
glutamatérgica foi geralmente aceita como quase
a totalidade da sinalização intercelular do
glutamato. No entanto, é importante lembrar que
o glutamato (ácido glutâmico) foi apenas
relutantemente aceito como um neurotransmissor,
em parte devido à sua ubiqüidade. Quando se
consideram as diversas maneiras pelas quais o
glutamato é capaz de realizar sinalização
intercelular e a abundância do glutamato durante
a sinalização em circunstâncias improváveis
(alta concentração extracelular), a sinalização
do glutamato na sinapse não parece ser tão
especial.
O glutamato é um aminoácido não-essencial para
os humanos. No entanto, ele é importante também
para o nosso metabolismo. É responsável por um
dos sabores sentidos no paladar humano (umami),
especialmente quando na forma de sal de sódio. O
glutamato monossódico é, por esta razão, usado
também como aditivo alimentar para realçar o
sabor de alimentos.
O glutamato resulta da transaminação do
α-cetoglutarato, participando então na produção
de metabólitos como o piruvato ou o oxaloacetato,
componentes de vias metabólicas como a
gluconeogénese, a glicólise e o ciclo dos ácidos
tricarboxílicos. O glutamato está presente em
diversos alimentos.
Considera-se que o glutamato participa no
desenvolvimento neural, na plasticidade
sináptica, no aprendizado e na memória, na
epilepsia, na isquemia neural, na tolerância e
na dependência a drogas, na dor neuropática, na
ansiedade e na depressão. Esse leque de
possibilidades tem limitado o uso de compostos
que agem nos receptores de glutamato, quando
existe a necessidade de ações mais seletivas
dessas drogas.
A concentração de glutamato no citoplasma de
neurônios glutamatérgicos é de aproximadamente
5-10 mM. Esta concentração é muitas vezes maior
do que qualquer outro aminoácido, e muito mais
do que em outros tipos de tecidos. Concentrações
de glutamato neuronal citoplasmática são mais
elevadas nos terminais do axônio, chegando a ser
duas a três vezes maior do que nos dendritos ou
corpos celulares. Isto implica que os terminais
axonais de alguma forma restringem a circulação
de glutamato ou sintetizam e utilizam glutamato
localmente (mais provável). A síntese local do
glutamato nos terminais de axônios pode ser
atribuída às glutaminases, que são as principais
responsáveis pela síntese de glutamato. Ele é
abundante em terminais de axônios porque,
provavelmente, o glutamato é feito na
mitocôndria e mitocôndrias são abundantes nos
terminais do axônio. Assim, é possível que a
regulação da localização mitocondrial ou
atividade enzimática possa modular a transmissão
sináptica, controlando a disponibilidade de
glutamato.
A concentração de glutamato em vesículas
sinápticas pode chegar a 100 mM ou mais.
Vesículas sinápticas são pequenas organelas
protéicas que se aglomeram perto de sinapses e
se fundem com a membrana plasmática em resposta
à alta concentração citosólica de íons cálcio,
que normalmente é o resultado da ativação de
canais de cálcio dependentes a mudanças de
voltagem da membrana plasmática (ou seja,
potenciais de ação). Quando se fundem com a
membrana plasmática, as vesículas derramam
glutamato na fenda sináptica. A fenda sináptica
é o pequeno espaço (20 nm de largura) entre as
duas células conectadas por uma sinapse. As
sinapses são junções celulares assimétricas
especializadas célula-célula onde ocorre a
sinalização química rápida (há também "sinapses
elétricas"). Elas são formadas a partir de uma
célula pré-sináptica, que libera o sinal
químico, e uma célula pós-sináptica, que recebe
o sinal e o transduz em outros eventos
bioquímicos. Qualquer neurônio em particular
pode, no entanto, formar sinapses com várias
outras células (e a maioria o faz). Quando
vesículas sinápticas se fundem com a membrana
plasmática neuronal pré-sináptica, a
concentração de glutamato na fenda sináptica
atinge concentrações de vários mM, dependendo da
forma da fenda sináptica e da atividade de
transportadores de glutamato nas proximidades.
O glutamato liberado pela célula pré-sináptica
pode, também, se ligar à receptores na membrana
plasmática pré-sináptica (sinalização autócrina)
ou em outras células vizinhas (sinalização
parácrina).
Existem dois tipos de receptores de glutamato:
receptores ionotrópicos (iGluRs) e receptores
metabotrópicos (mGluRs). Receptores
metabotrópicos de glutamato apresentam sete
domínios transmembrana acoplados a proteínas
heterotriméricas intracelulares acopladas a
proteínas-G. A ligação do glutamato a mGluRs
desencadeia a ativação de cascatas de
sinalização intracelular dependentes de proteína
G. Há três subtipos de mGluR em mamíferos,
chamados de tipo I, tipo II e tipo III. Os
mGluRs do tipo I tendem a ativar a fosfolipase
C, enquanto mGluRs do tipo II e tipo III são
geralmente acoplados a vias do cAMP. Receptores
de glutamato ionotrópicos, em contraste, são
canais multiméricos de íons. Quando o glutamato
liga-se aos domínios extracelulares de
subunidades iGluR, toda a proteína sofre
alterações de conformação para permitir o fluxo
de cátions através da membrana plasmática (que
geralmente leva a despolarização da célula
pós-sináptica). IGluRs de mamíferos também são
subdivididos em três tipos: receptores do tipo
AMPA
(α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol-propionato),
de receptores NMDA (N-metil-D-aspartato)
receptores e receptores do tipo cainato. O fluxo
de informações rápido no sistema nervoso ocorre
principalmente através de receptores AMPA.
Receptores do tipo cainato, embora encontrados
em terminais de neurônios pós-sinápticos, são
também presentes na membrana do terminal
pré-sináptico (como os mGluRs), onde servem para
auto-regulação de função e secreção das
vesículas sinápticas de glutamato. Canais
ligados a receptores NMDA tendem a permanecer
abertos por mais tempo do que canais de
receptores AMPA ou receptores do tipo cainato e
permitem um fluxo significativo de cálcio.
Assim, a ativação do receptor NMDA pode iniciar
cascatas de sinalização intracelular dependente
de cálcio que leva a alteração na expressão
gênica e na força sináptica (que se manifesta
como, por exemplo, na aprendizagem e formação da
memória). Os aminoácidos glicina e serina atuam
como co-fatores na função de receptores NMDA. É
possível que o aspartato também possa ser um
ligante endógeno para os receptores de glutamato
in vivo.
Há pouca ou nenhuma conversão bioquímica de
glutamato no espaço extracelular, significando
que o glutamato é capaz de interagir com
receptores continuamente até que se difunda, ou
seja, removido do líquido extracelular por
transportadores de aminoácidos excitatórios (EAATs).
Existem cinco tipos de EAATs, que diferem
ligeiramente em função e localização:
transportador de aspartato glutamato (GLAST/EAAT1),
transportador de glutamato (GLT/EAAT2),
transportador de aminoácido excitatório (EAAC/EAAT3),
e os transportadores de aminoácidos excitatórios
4 e 5 (EAAT 4 e EAAT5). EAATs são importantes
para a homeostase do glutamato extracelular,
pois quando EAATs são farmacologicamente
inibidos, os níveis basais de glutamato
extracelular aumentam de micromols (0,5-5 μM) a
várias centenas de micromols.
O glutamato extracelular do sistema nervoso pode
ser dividido em dois grupos espacialmente e
funcionalmente distintos: (1) “glutamato
sináptico”, uma explosão transiente (milisegundos)
(0,5-5 mM) que gera glutamato na fenda sináptica
pela fusão de vesículas sinápticas em neurônios
com a membrana pré-sináptica, e (2) “glutamato
ambiente extracelular”, uma concentração
relativamente estável basal (mas ainda é pouco
provável que seja dinâmica) de glutamato,
principalmente da glia, que preenche a maior
parte do espaço extracelular em menor
concentração (1-5 μM).
Alterações na concentração de glutamato
extracelular não-sináptico estão associadas com
efeitos fisiológicos ou comportamentais durante
o desenvolvimento, consistente com a idéia de
que o glutamato extracelular ambiente, oriundo
não de vesículas e modulado dinamicamente, tem
importantes funções de sinalização parácrina. Em
outras palavras, o glutamato extracelular
ambiente provavelmente age como um modulador
parácrino. Por exemplo, glutamato não-vesicular
parácrino, liberado por transportadores de
cistina-glutamato tem sido associados ao
comportamento de abstinência de drogas. O
tratamento crônico com a cocaína reduz a
expressão do transportador de cistina-glutamato
no núcleo accumbens de ratos. Isto leva a uma
diminuição do glutamato extracelular ambiente,
medido por microdiálise e aumentou o
comportamento de busca. Estas alterações
comportamentais são mimetizadas por antagonistas
de cistina-glutamato.
O glutamato extracelular ambiente pode também
regular o funcionamento do cérebro, alterando o
número de receptores de glutamato ionotrópicos
funcionais na sinapse. Especificamente, foi
proposto que o glutamato extracelular ambiente
causa a dessensibilização constitutiva de
receptores ionotrópicos do glutamato e a
subseqüente diminuição das proteínas dos
receptores da sinapse. De certa forma, o
glutamato no sistema nervoso pode ser pensado
como o ruído em uma festa. O glutamato sináptico
de sinalização pode ser comparado com conversas
individuais entre as pessoas, isoladas
espacialmente, rápido e repleto de informações.
O glutamato extracelular ambiente, por outro
lado, é como a música de fundo, que pode sufocar
a conversa entre indivíduos (e, portanto,
modular a eficácia), mas também define o humor.
Como a música em uma festa, o glutamato
extracelular ambiente varia espacial e
temporalmente.
Apesar da evidência crescente de que o glutamato
extracelular ambiente afeta profundamente a
função cerebral, a idéia ainda é bastante
controversa. Em parte, isso se deve a uma crença
generalizada de que os níveis de glutamato
extracelular ambiente não-patológicos são
extremamente baixos para terem qualquer efeito
biológico significativo. Essa crença é baseada
principalmente na idéia de que a especificidade
do glutamato na sinalização sináptica exige
níveis basais de glutamato praticamente
inexistentes.
A especificidade da sinalização do glutamato não
exige níveis de glutamato extracelulares
extraordinariamente baixos. Na verdade, a idéia
de que o glutamato ambiente extracelular
secretado por transportadores de
cistina-glutamato altera comportamento pela
dessensibilização constitutiva de receptores de
glutamato parte do pressuposto de que o
glutamato extracelular ambiente de fato
interfere com a transmissão sináptica. A
situação não é diferente da encontrada em canais
de íons dependentes de voltagem, que estão em
grande parte inativados de maneira constitutiva
no potencial de repouso da membrana. Há um
interesse intenso na dependência da voltagem na
inativação de canais iônicos justamente porque a
inclinação das curvas de inativação significa
que o número funcional de canais iônicos pode
ser eficientemente modulado por pequenas
mudanças no potencial de repouso da membrana ou
na sensibilidade do canal à voltagem. Os mesmos
princípios se aplicam aos receptores ativados
por ligantes.
E sobre a sinalização do glutamato fora da
sinapse? Astrócitos (subtipo glial mais
abundante) liberam glutamato vesicular em
resposta ao cálcio intracelular elevado, assim
como os neurônios. Eles também contêm receptores
de glutamato e participam da sinalização local
do glutamato, como os neurônios. Por exemplo, a
libertação de glutamato dos neurônios ativa os
receptores NMDA nos astrócitos, provocando
liberação de glutamato dependente de cálcio, que
por sua vez, ativa os receptores NMDA neuronais
e modula a transmissão sináptica. Esta
sinalização entre neurônios e células gliais
pode modular o comportamento induzido por drogas
ou mesmo potencializar a transmissão gabaérgica
entre interneurônios e células piramidais,
presumivelmente para afetar a memória e a
cognição.
Finalmente, e quanto à sinalização do glutamato
fora do cérebro, onde os níveis de glutamato no
plasma são 30-50 mM podendo variar muito,
dependendo da dieta ou metabolismo? Ossos, pele,
pâncreas, coração, intestino, pulmão e fígado
também contêm proteínas associadas com a
sinalização interneural de glutamato, incluindo
os transportadores vesiculares do glutamato, os
receptores AMPA, receptores do tipo cainato, os
receptores NMDA, e EAATs, desempenhando um papel
ativo na sinalização intercelular.
Como vemos, ainda temos que aprender muito sobre
a fisiologia do glutamato antes de atribuir a
ele uma função biológica definitiva. Afinal, o
glutamato é ou não é o transmissor sináptico do
estímulo doloroso evocado no neurônio
nociceptivo primário?
Trabalho original:
Intercellular Glutamate Signaling in the
Nervous System and Beyond. D. E.
Featherstone. Department of Biological Sciences,
University of Illinois at Chicago, Chicago,
Illinois 60607. ACS Chemical Neuroscience
Article ASAP.
