Context
En aquest capítol continuarem donant valor als mecanismes de fosforilació de proteïnes i altres molècules com, per exemple, la fosforilació d’enzims que els pot portar a l’activació o inhibició. Ens centrarem en particular en la fosforilació d’alguns importants receptors tirosina-cinasa (TrK), com el TrkB, present en la membrana de neurones. La seva fosforilació és induïda per neurotrofines reguladores de l’activitat sinàptica. L’acoblament d’aquests receptors, una vegada fosforilats, a cascades moleculars intracel·lulars d’altres enzims com les serina-treonina cinases (PKC i PKA), regula la funció de la maquinària de neurotransmissió.
En la majoria dels capítols hem anat seguint l’objectiu principal de divulgació. En aquest capítol, relacionat directament amb el meu treball, m’he deixat anar una mica més.
Fosforilació de proteïnes
Tot just acabem de veure la fosforilació oxidativa mitocondrial que és la fosforilació de l’ADP per a transformar la molècula en ATP. Aquesta fosforilació té lloc en totes les cèl·lules, i representa un mecanisme de conservació de l’energia produïda en la respiració cel·lular. En general, la fosforilació és l’addició d’un grup fosfat (PO₄3-) a una proteïna o qualsevol altra molècula mitjançant un enzim anomenat proteïna-cinasa (PK) amb el resultat de provocar en la molècula un canvi de conformació que li permeti modificar la seva activitat funcional.
És tan rellevant aquest mecanisme que el genoma humà conté més de 500 gens de proteïnes-cinasa. L’activitat d’aquests enzims està molt controlada a causa dels seus grans efectes cel·lulars. Moltes vegades s’activen ells mateixos per autofosforilació com per exemple la tirosina-cinasa TrkB, fosforilació que està induïda per neurotrofines en les sinapsis (vegeu tot seguit).
La tercera part de les proteïnes cel·lulars són susceptibles de ser fosforilades i l’ATP és el principal donador de grups fosforil mentre que l’acceptor és sempre un o varis dels aminoàcids de les proteïnes que contenen un grup hidroxil (OH) en la seva cadena lateral com la serina, la treonina i la tirosina. Així, parlem de les serina-treonina cinases i de les tirosina-cinases, aquestes últimes, exclusives dels organismes pluricel·lulars. Hi ha cinases específiques que només poden fosforilar una proteïna i d’altres multifuncionals. La fosforilació d’una proteïna resulta quasi sempre en el trencament d’un grup fosfat de l’ATP i l’alliberament de l’energia acumulada per aquest que s’aprofitarà per a unir el grup fosforil trencat a la proteïna.
En els organismes sempre hi ha un equilibri entre mecanismes cel·lulars anabolitzants i catabolitzants, constructors i destructors, estimuladors i inhibidors en la cerca de l’equilibri funcional adequat en cada lloc i situació. Per exemple, augmentar o frenar l’activitat cardíaca pels sistemes nerviosos simpàtic i parasimpàtic respectivament o bé incrementar o reduir l’activitat d’una neurona amb sinapsis excitadores i inhibidores respectivament. Des del punt de vista de la fosforilació, també hi ha enzims que inverteixen l’efecte de la fosforilació, les fosfatases.
Algunes de les proteïnes-cinases humanes rellevants són les serina-treonina cinases A i C (PKA i PKC), i les tirosina cinases TrK. Aquí comentarem amb una mica més de detall el paper d’alguna TrK en el sistema nerviós. Moltes d’aquestes TrK, ancorades en la membrana cel·lular es comporten com a receptors de senyals moleculars externs que en ser activats promouen, com havíem dit, la seva autofosforilació i posada en marxa d’una senyalització intracel·lular determinada.
Els receptors Trk són una família de tirosina cinases que modulen l’eficàcia i plasticitat sinàptica, la supervivència i la diferenciació neuronal en el sistema nerviós dels mamífers. Les molècules que els estimulen són les neurotrofines, una família de factors de creixement fonamentals pel funcionament del sistema nerviós. Cada tipus de neurotrofina té afinitat per una varietat o altra de receptors TrK. De fet, el nom TrK és en realitat l’abreviatura de “tropomiosin-related kinase receptor” (de les seves sigles en anglès) i que inicialment es va aplicar a un oncogen, activitat amb alguns carcinomes, i derivat d’una mutació per fusió de gens de tropomiosina (molècula de la contracció de cèl·lules musculars) i altres.
Els tres tipus més comuns de receptors Trk són TrkA, TrkB i TrkC amb afinitat diferent per determinats tipus de neurotrofines, generant, tot plegat, diferents possibles senyalitzacions i diverses respostes cel·lulars. Les neurotrofines se sintetitzen com a precursors i maduren amb l’escissió per proteases. Les neurotrofines immadures, en ser secretades, activen un receptor comú per totes elles anomenat p75NTR, mentre que la seva escissió genera neurotrofines més específiques pels corresponents receptors Trk.
Neurotrofines i cinases
En aquest context, podem parlar una mica més del paper de la neurotrofina BDNF (brain derived neurotrophic factor) i del seu receptor principal TrkB en les sinapsis neuromusculars formades entre neurones motores i les cèl·lules musculars dels músculs esquelètics voluntaris. En les terminacions nervioses motores es localitzen diferents receptors de molècules externes que modulen l’alliberament del neurotransmissor (acetilcolina, ACh) en resposta a demandes d’activitat. Per exemple autoreceptors de la mateixa ACh alliberada que són del tipus muscarínic, metabotròpics, i que permeten, segons el subtipus, un feedback, una retroalimentació positiva o negativa (vegeu més endavant el capítol dedicat al Nitrogen). També s’hi troben receptors de neurotrofines, especialment del BDNF i de la neurotrofina-4 (NT-4) que interactuen amb el receptor, també presinàptic, TrkB.
La major part del BDNF alliberat en aquestes sinapsis és secretat per les cèl·lules musculars en resposta a canvis d’activitat contràctil, i actua com una secreció paracrina que regula de forma retrògrada a les terminacions nervioses. Quant al receptor presinàptic s’hi poden identificar dues isoformes. Una és el complex molecular complet (TrKB-Fl, FL de full lenght) que té activitat cinasa, acobla el senyal rebut a l’interior de la neurona i és completament funcional. L’altra isoforma està truncada (TrkB-T1) i com que no té activitat cinasa, actua sobretot captant el BDNF i impedint que afecti la forma FL i, per tant, exhibeix un impacte negatiu dominant.
Figura 26. En certes sinapsis (com la neuromuscular en aquest exemple), l’alliberament postsinàptic de neurotrofines com el NT-4 i el BDNF, estimula l’autofosforilació de la molècula TrkB que queda disposada així per fosforilar ella mateixa a molècules de la maquinària d’alliberament de neurotransmissor en un cercle d’autoregulació de la sinapsi. Imatge pròpia reproduïda de Polishchuk, A. i cols. 2025. Full text in Open Access (Published version).
Les neurotrofines BDNF i NT-4 provoquen l’autofosforilació del receptor TrKB a partir de molècules d’ATP. Al seu torn, el receptor fosforilat està acoblat a diferents vies intracel·lulars com les vies de la serina-treonina proteïna cinasa C (PKC) i proteïna cinasa A (PKA). Aquestes cinases intracel·lulars també es fosforilen a conseqüència de l’activitat del TrkB, i es genera una cascada de fosforilacions intracel·lulars que modifiquen i adapten les molècules de la maquinària de neurotransmissió i l’alliberament d’acetilcolina.
Figura 27. Representació de treball d’algunes dades experimentals obtingudes en el laboratori del grup UHNEUROB de la URV sobre fosforilacions en la regulació de la neurotransmissió. Dibuix original de J. Tomàs. Les dues cinases, PKC i PKA afavoreixen, la secreció del neurotransmissor ACh arran de l’activació sinàptica. PKC promou, la fosforilació de la serina número 313 de la molècula Munc18-1 però no la fosforilació de la molècula SNAP-25 en la seva serina 187. Respecte de la PKA, TrkB frena la producció de la seva subunitat reguladora RIIβ (que frena l’activitat de la PKA) el que facilita l’activitat de la subunitat catalítica Cβ de la PKA i promou la fosforilació de la molècula SNAP-25. Munc18-1 i SNAP-25 són dues de les molècules més rellevants de la nanomàquina que du a terme la secreció del neurotransmissor. Així, la contracció de les cèl·lules musculars modula retrogradament, amb l’alliberament de BDNF i NT-4, i actuació sobre el receptor presinàptic TrkB, la fosforilació de les proteïna cinases PKC i PKA que, al seu torn, acaben optimitzant la funció de les molècules directament implicades en la neurotransmissió (vegeu figures 26 i 27).