Context
Les neurotoxines, tan abundants i específiques, il·lustren les funcions neuronals més estratègiques que cal combatre en la competició per a la supervivència. Actuen en tots els passos de la funció neuronal.
Aquí tindrem una relació força sistemàtica encara que ens interessa destacar alguna idea de fons (el valor evolutiu de les neurones) més que una llista exhaustiva de toxines.
En el decurs de l’evolució i progressiu increment de complexitat dels organismes, noves i variades molècules han estat produïdes i seleccionades i s’han consolidat per acomplir funcions metabòliques i comunicatives ben diverses.
Al mateix temps, un nombre també molt elevat de molècules tòxiques i verins s’han seleccionat en diferents espècies animals i vegetals amb finalitats defensives, per aconseguir aliment o ambdós objectius en el context de la lluita per la supervivència.
Sembla raonablement clar com la presència d’un verí en la pell d’una granota pot produir tal malestar a qui l’endrapi que no vulgui repetir i pugui mostrar també als observadors que les granotes llampants no s’han de consumir. La mateixa argumentació es pot aplicar a verins de plantes, amb la conclusió d’avantatge evolutiu pels posseïdors d’aquestes substàncies.
Certs microorganismes (bacteris, fongs, algues microscòpiques) produeixen també toxines i potser no és tan evident l’avantatge evolutiu en termes de supervivència. Tanmateix, gratant una mica, es pot entendre com toxines, produïdes per microorganismes poden jugar algun rol relacionat amb la supervivència, com eliminar rivals no resistents en el bioma intestinal (E. coli), evitar depredadors com protozous o insectes, augmentar la virulència per obtenir més nutrient, etc.
Una part gran i molt rellevant de toxines tenen un mecanisme cel·lular i molecular d’actuació neurotòxic. Aquest fet il·lustra ben clarament el rol tan rellevant que la possessió d’un sistema nerviós de complexitat creixent ha vingut jugant en la supervivència i capacitat de penetració en l’entorn dels organismes. La producció de neurotòxics per organismes menys desenvolupats és ben segur la millor defensa davant del predomini que ofereix un sistema nerviós més complex.
Analitzarem a les principals o més conegudes substàncies neurotòxiques. També comentarem altres substàncies hemotòxiques i altres amb finalitat comparativa.
Neurotoxines
Toxines afectant molècules, estructures i funcions presinàptiques, postsinàptiques, secreció de neurotransmissors i recepció i conducció de senyals i, per tant, les funcions associades d’integració neuronal.
Les sigles de les neurotoxines solament tenen la finalitat de situar la seva acció en la imatge.
Secreció de neurotransmissor
Un grup de toxines actuen en el component presinàptic i afecten particularment la nanomàquina de secreció del neurotransmissor.
Toxina tetànica (TT)
Estructura molecular
La molècula, produïda per un microorganisme (Clostridium tetani), és una proteïna amb dues subunitats unides per un pont disulfur, la A (cadena lleugera, 50 kDa), és un enzim Endopeptidasa-Zn²⁺ del tipus metal·loproteïna. La subunitat B (cadena pesada, 100 kDa) té un domini (HC) de reconeixement de gangliòsids i glicoproteïnes (del tipus SV2) de la membrana sinàptica neuronal que li permet unir-se a les neurones i un domini (HN) que facilitarà més tard la translocació de la cadena lleugera a l’interior cel·lular (al citosol de neurones inhibidores).
Mecanisme d’entrada i transport intracel·lular
Entra per endocitosi clatrina dependent a terminals motores perifèriques en els músculs estriats esquelètics voluntaris i és transportada de forma retrògrada axonal, via dinactina/dineína, fins a la medul·la espinal, al soma de la motoneurona.
Allí, travessa les sinapsis sobre les motoneurones (per transcitosi) que realitzen interneurones inhibidores per les quals és altament específica (per exemple les cèl·lules de Renshaw). L’acidificació (el pH intravesicular és normalment baix per transport de protons) de l’interior de les vesícules que han transportat i contenen la toxina porta al desplegament del domini HN que facilita la translocació de la cadena lleugera al citosol.
Mecanisme d’acció
En Les neurones inhibidores Gabaèrgiques i glicinèrgiques, l’activitat enzimàtica (endopeptidasa) de la cadena lleugera actua sobre les nanomàquines SNARE d’alliberament vesicular dels neurotransmissors (GABA i glicina) i en particular escindeix la molècula de sinaptobrevina (VAMP) amb el resultat d’una inhibició de l’alliberament de GABA i glicina per bloqueig de les vesícules que contenen els neurotransmissors inhibidors esmentats.
L’efecte fisiològic final és la pèrdua de la funció d’inhibició normal en la medul·la espinal i tronc cerebral especialment que porta a una situació d’hiperexcitació motora amb espasmes, rigidesa i paràlisi espàstica.
Toxina botulínica (BT)
Estructura molecular
La molècula proteica, també produïda per un microorganisme (Clostridium botulinum), és similar a la TT. Una proteïna A-B amb activitat endopeptidasa-Zn²⁺. En aquest cas, però, és altament específica pels terminals nerviosos colinèrgics de les plaques motrius en els músculs esquelètics, i és en ells on acompleix la seva activitat tòxica, no és transportada significativament de forma retrògrada al soma de les motoneurones.
Mecanisme d’entrada
Entra per endocitosi a les terminacions nervioses motores en reconèixer certs Gangliòsids i proteïnes vesiculars i amb l’acidificació de les vesícules allibera la subunitat A al citosol.
Mecanisme d’acció
En el citosol escindeix diverses proteïnes del complex SNARE com SNAP-25, Sintaxina i Sinaptobrevina (segons de quin serotip es tracti), amb el resultat del bloqueig de l’alliberament del neurotransmissor acetilcolina.
Els Serotips A i E escindeixen SNAP 25, el serotip C talla sintaxina i SNAP 25 i els serotips B, D, F, G escindeixen VAMP2.
En tots els casos, el bloqueig neuromuscular produeix paràlisi flàccida amb debilitat progressiva i insuficiència respiratòria.
Tant la toxina tetànica (en sinapsis inhibidores centrals) com la botulínica (en la placa motriu) trenquen proteïnes de la nanomàquina de transmissió i així, sense funcionar el complex SNARE, no hi ha fusió vesicular i no hi ha neurotransmissió.
Toxines que buiden vesícules presinàptiques
Un exemple paradigmàtic és una proteïna del verí de l’aranya viuda negra (α latrotoxina, αL) que s’uneix a les molècules Neurexina i Latrofilina. La Neurexina és una proteïna d’adhesió presinàptica essencial per la formació i estabilització de la sinapsi en formar pons amb proteïnes postsinàptiques. La Latrofilina és un receptor presinàptic acoblat a proteïna G, implicat també en l’adhesió entre les membranes pre i postsinàptiques i en senyalització sinàptica.
L’α-latrotoxina forma porus Ca²⁺ dependents en la membrana de les terminacions nervioses provocant una entrada massiva de Ca²⁺ (està 104 vegades més concentrat en l’espai extracel·lular), i per tant una exocitosi massiva, explosiva, de vesícules colinèrgiques en el sistema neuromuscular, però també en sinapsis noradrenèrgiques i gabaèrgiques, amb una disbauxa del sistema nerviós perifèric vegetatiu i somàtic.
Receptors al neurotransmissor
El verí de serps elàpids α bungarotoxina (α BTX) és un potent bloquejant competitiu dels receptors nicotínics d’acetilcolina (nAChR) com els que es troben en la membrana postsinàptica de la placa motora (però no sols). El resultat és que l’acetilcolina queda desplaçada i no pot despolaritzar el lloc sinàptic i, per tant, no hi ha despolarització de la membrana de la cèl·lula muscular, no hi ha contracció, i es produeix paràlisi flàccida. Un resultat semblant el produeix el curare (C, d-tubocurarina) que és una substància extreta d’un arbre amazònic usada per emmetzinar fletxes. En canvi, un altre verí vegetal, la nicotina (N), produeix un efecte contrari, una activació sostinguda dels nAChRs que dessensibilitza el canal del receptor ionotròpic i genera un bloqueig funcional amb paràlisi per despolarització sostinguda.
Canals iònics
En les neurones, en el sistema nerviós, tot gira al voltant de la senyalització elèctrica. Bombes, transportadors i canals han construït i mantenen en les membranes gradients químics, de concentració de 4 ions (potassi, sodi, calci i clor). Amb la separació de les càrregues elèctriques que porten els ions parlem també d’un gradient elèctric transmembrana associat al químic. En quant augmenta la probabilitat d’obertura de canals més o menys específics en la membrana, els ions que poden flueixen d’un costat a l’altre seguint el seu propi gradient químic de concentració i segons els ho permeti el gradient elèctric que tots els ions plegats construeixen en cada moment.
Aquesta és la importància dels canals iònics que permeten gestionar els senyals elèctrics que estan en la base de la capacitat de les neurones de senyalitzar a distància de forma ràpida i precisa. Així és que l’evolució ha produït múltiples toxines que actuen sobre canals iònics.
Canals de sodi sensibles al voltatge
Algunes toxines de peixos com la Tetrodotoxina (TTX) i també la Saxitoxina (STX, aquesta produïda per microorganismes aquàtics, plàncton) s’uneixen a l’extrem extracel·lular aminat del canal de sodi sensible al canvi del potencial elèctric de la membrana (el canal Nav). Així, impedeixen l’entrada de Na⁺ i no es poden generar potencials d’acció amb la conseqüència de paràlisi flàccida i anestèsia donat que bloqueja la conducció en totes les fibres nervioses.
Altres toxines com la batracotoxina (BTX de granotes) i la veratridina (V, plantes) mantenen els canals de sodi Nav oberts amb despolarització sostinguda, inactivació persistent i paràlisi per despolarització.
Canals de calci sensibles al voltatge
Són un conjunt de canals de gran importància perquè determinen la transmissió sinàptica, la contracció muscular i la secreció hormonal entre altres funcions rellevants.
Els canals de Ca²⁺ dependents de voltatge, com els de sodi vistos abans, inclouen (en diferents localitzacions, però no sols):
L (Cav1.x), en els músculs i cor
N (Cav2.2), en neurones presinàptiques
P/Q (Cav2.1), en sinapsis centrals i perifèriques
T (Cav3.x), en neurones generadores de ritmes neuronals
R (Cav2.3), en algunes neurones
Les toxines que bloquegen canals de calci han estat també eines extraordinàries per a la recerca científica del funcionament neuronal.
Les ω-conotoxines (ω-ConoTx) produïdes per algunes espècies de caragols marins (Conus), bloquegen els canals de tipus N (Cav2.2), inhibint de forma molt específica l’alliberament de neurotransmissors. Amb el bloqueig del porus del canal no entra Ca²⁺ i no hi ha exocitosi sinàptica.
Les ω-agatoxines (ω-AgaTx) produïdes per determinades aranyes bloquegen els canals P/Q (Cav2.1) inhibint la transmissió sinàptica central i neuromuscular.
La Calciseptina (CS) és el verí d’una serp que bloca els canals L (Cav1.x). El seu efecte sobre la innervació vascular i cardíaca provoca vasodilatació i hipotensió. Les Dihidropiridines, unes substàncies de síntesi tenen el mateix efecte i poden ser utilitzades farmacològicament.
La toxina SNX-482 produïda per una aranya (aranya Hysterocrates), bloca canals R (Cav2.3) i permet estudiar les neurones i circuits que els tenen.
Canals de potassi sensibles al voltatge
Els canals de K⁺ regulen el potencial de membrana, la repolarització del potencial d’acció i l’excitabilitat neuronal en ser els principals ions que amb la seva gran permeabilitat en la membrana cel·lular determinen el potencial de repòs.
Les Dendrotoxines (DTX, produïdes per algunes serps com la mamba) bloquegen canals Kv1 que són dependents de voltatge, amb el resultat de falta de repolarització elèctrica (per exemple durant els potencials d’acció) i, per tant, una despolarització prolongada. Si la membrana està, doncs, parcialment despolaritzada es pot despolaritzar més i més fàcilment i, per tant, queda amb un estat d’hiperexcitabilitat. Si la despolarització es perllonga, però, l’activitat neuronal pot abolir-se.
Les Agitoxines (ATX) dels escorpins també actuen bloquejant canals Kv1.x.
La Charybdotoxina (ChTX) d’un altre escorpí bloqueja canals BK (que són canals de K⁺ activats per Ca²⁺) mentre que l’Apamina (A, verí d’abella) actua sobre canals SK (també de K⁺ activats per Ca²⁺, encara que tenen poca conductància). Totes dues toxines augment l’excitabilitat neuronal.
Els canals de potassi activats per calci són importants en les terminacions nervioses presinàptiques donat que quan són activats pel calci que acaba d’entrar per promoure la neurotransmissió, deixen sortir potassi que repolaritza immediatament la membrana (surt potassi positiu) per deixar-la preparada per a noves entrades de calci i manteniment de la neurotransmissió.
Canals de clor
Els canals de Cl⁻ són clau per a la inhibició neuronal, l’estabilitat elèctrica i el to muscular (regulant l’activitat de les neurones motores).
La Picrotoxina (PTX) és una toxina vegetal que afecta els canals de clor ionotròpics operats pel neurotransmissor GABA (GABAA). L’efecte resultant és la funció fisiològica d’inhibició bloquejada. L’Estricnina (E), també vegetal, bloqueja els receptors de glicina que són receptors ionotròpics aniònics (canal de Cl⁻) especialment abundants en els circuits inhibidors de la medul·la espinal. L’efecte és la inhibició espinal bloquejada.
Les dues toxines produeixen espasticitat i convulsions.
Altres toxines no estrictament neurals
Toxines vasculars hemofíliques (hemorràgiques i proteolítiques)
Algunes toxines de serps viperines són metal·loproteïnes dependents de Zn²⁺ que no tenen especificitat neuronal. Són enzims proteolítics que degraden la matriu extracel·lular i rellevants proteïnes que la conformen com les fibres de col·lagen (sobretot del tipus IV situada en les làmines basals subepitelials i subendotelials), la laminina, la fibronectina i diverses espècies d’integrines. Actua extracel·lularment i no necessita endocitosi en degradar els teixits des de fora (des dels vasos i el teixit connectiu). Durant la seva actuació lítica afecta l’endoteli vascular, cascades inflamatòries i el procés de coagulació.
Amb la destrucció de teixits i vasos produeix hemorràgia massiva, necrosi, edema i pot causar xoc hipovolèmic.
Toxines formadores de porus
Algunes toxines de microorganismes com l’ estreptolisina O i la α toxina del Staphylococcus aureus perforen membranes en formar oligòmers en la membrana de les cèl·lules que es comporten com porus de 20–30 nm. El resultat és la sortida de K⁺ (a favor del seu gradient químic de concentració) i l’entrada de Ca²⁺ (a favor del seu gradient electroquímic en aquest cas) amb la consegüent necrosi, lisi cel·lular i dany tissular.
Toxines que modulen proteïnes G i senyalització intracel·lular
Algunes toxines de microorganismes són ADP ribosiladores de les G proteïnes que fan la funció d’acoblar senyals de missatgers externs a les cascades enzimàtiques intracel·lulars.
La toxina del còlera, ADP ribosila una subunitat alfa estimuladora (Gsα) i promou, conseqüentment, l’activitat de l’enzim adenilat-ciclasa i l’augment poc controlat del segon missatger cAMP. La toxina pertussis, ADP ribosila Giα i l’inhibeix amb l’augment també de cAMP. En tots els casos els resultats són fenòmens de secreció massiva (per exemple diarrea) que pot ser molt greu.
Toxines que inhibeixen la síntesi proteica
Alguns microorganismes produeixen substàncies Inhibidores dels ribosomes alteren la síntesi de proteïnes com la toxina diftèrica que altera la traducció i bloqueja l’elongació durant la formació de pèptids i proteïnes. El resultat sol comportar la mort cel·lular.