Recettori muscarinici

Struttura del recettore muscarinico

I recettori muscarinici sono recettori associati a proteine G appartenenti alla famiglia dei recettori metabotropi. Sono caratterizzati dalla presenza di sette segmenti transmembrana organizzati ad alfa-elica, con una regione ammino-terminale (-NH₂) localizzata sul versante extracellulare e una regione carbossi-terminale (-COOH) rivolta verso il citoplasma.
L’acetilcolina, essendo un neurotrasmettitore di piccole dimensioni, si lega all’interno di una tasca formata dalle sette alfa-eliche transmembrana. Il sito di legame del neurotrasmettitore è quindi localizzato nella porzione extracellulare del recettore.
Come tutti i recettori associati a proteine G, anche il recettore muscarinico presenta una regione citoplasmatica fondamentale per la sua funzione. In particolare, la terza ansa citoplasmatica e la regione carbossi-terminale sono coinvolte nell’interazione con la proteina G e nei processi di regolazione del recettore.
Queste regioni contengono inoltre siti specifici di fosforilazione. La fosforilazione del recettore determina modificazioni conformazionali che riducono la capacità della proteina G di interagire correttamente con il recettore. Questo processo prende il nome di desensibilizzazione recettoriale.
La fosforilazione favorisce anche il legame con la β-arrestina, una proteina coinvolta nei meccanismi che portano alla riduzione del numero di recettori presenti sulla membrana cellulare. In questo modo la cellula riduce la propria risposta a una stimolazione prolungata da parte dell’acetilcolina.

Sottotipi dei recettori muscarinici

Gli studi di biologia molecolare hanno dimostrato che i recettori muscarinici non sono un’unica popolazione recettoriale, ma sono presenti cinque sottotipi differenti: M1, M2, M3, M4 e M5.
Dal punto di vista strutturale e funzionale, questi recettori possono essere suddivisi in due gruppi principali. I recettori M1, M3 e M5 sono molto simili tra loro, mentre i recettori M2 e M4 presentano caratteristiche comuni.
I diversi sottotipi recettoriali sono distribuiti in tessuti differenti e determinano risposte cellulari diverse in base al tipo di proteina G attivata.

Recettori M1 e M3

I recettori M1 e M3 sono associati principalmente alle proteine Gq.
Il recettore M1 è stato definito inizialmente come recettore muscarinico nervoso perché è stato identificato per la prima volta in una struttura nervosa. Il recettore M3 è stato invece chiamato recettore muscarinico ghiandolare perché inizialmente è stato osservato nelle strutture ghiandolari.
Nonostante questa distinzione storica, entrambi i recettori possono essere presenti in numerosi tessuti diversi.
L’attivazione delle proteine Gq determina la stimolazione della fosfolipasi C, un enzima che produce due secondi messaggeri: il diacilglicerolo (DAG) e l’inositolo trifosfato (IP3).
L’IP3 agisce sul reticolo endoplasmatico determinando l’apertura dei recettori-canale per l’IP3 e provocando il rilascio di calcio nel citoplasma. L’aumento della concentrazione intracellulare di calcio rappresenta il principale evento responsabile della risposta cellulare.
Nella maggior parte dei tessuti, ad eccezione dei vasi sanguigni, l’aumento del calcio intracellulare determina un’attivazione della cellula e quindi una risposta eccitatoria.

Recettori M2 cardiaci

I recettori M2 sono chiamati recettori muscarinici cardiaci perché sono particolarmente importanti nella regolazione della funzione del cuore.
Sono localizzati soprattutto nel nodo senoatriale, nel sistema di conduzione cardiaco e nella muscolatura atriale e ventricolare.
A differenza dei recettori M1 e M3, i recettori M2 sono associati alle proteine Gi/Go, cioè proteine G con funzione prevalentemente inibitoria.
L’attivazione dei recettori M2 determina tre principali effetti intracellulari:
la riduzione dei livelli di AMP ciclico attraverso la subunità αi della proteina Gi;
l’aumento delle correnti di potassio in uscita dalla cellula;
la riduzione delle correnti entranti di calcio.
Questi effetti producono una diminuzione dell’attività cardiaca e spiegano le azioni inibitorie dell’acetilcolina sul cuore.

Effetti muscarinici dell’acetilcolina

Gli effetti prodotti dall’acetilcolina attraverso i recettori muscarinici vengono definiti effetti muscarinici o parasimpaticomimetici, perché riproducono quelli ottenuti con la stimolazione del sistema parasimpatico.
Il sistema parasimpatico è responsabile delle funzioni associate al riposo e alla digestione e utilizza principalmente l’acetilcolina come mediatore chimico.
effetti cardiovascolari
A livello cardiovascolare l’acetilcolina agisce sui recettori M2 cardiaci modificando diversi parametri della funzione del cuore.
Produce un effetto cronotropo negativo sul nodo senoatriale, determinando una riduzione della frequenza cardiaca e quindi bradicardia.
Determina inoltre un effetto dromotropo negativo sul sistema di conduzione, riducendo la velocità con cui l’impulso elettrico viene trasmesso nel cuore.
Infine produce un effetto inotropo negativo, soprattutto sulla muscolatura atriale, riducendo la forza di contrazione.
L’acetilcolina può inoltre determinare vasodilatazione attraverso un meccanismo specifico mediato dall’endotelio.

Effetto dell’acetilcolina sul nodo senoatriale

Il nodo senoatriale rappresenta il principale pacemaker del cuore perché possiede cellule capaci di depolarizzarsi spontaneamente.
Il potenziale d’azione delle cellule del nodo senoatriale presenta una caratteristica fase 4, chiamata depolarizzazione diastolica spontanea. Questa fase dipende principalmente dall’ingresso di sodio attraverso i canali funny.
Quando l’acetilcolina attiva i recettori M2, la pendenza della fase 4 diminuisce. Questo significa che la cellula raggiunge più lentamente il potenziale soglia necessario per generare un nuovo potenziale d’azione.
La conseguenza è una riduzione della frequenza di scarica del nodo senoatriale e quindi una diminuzione del battito cardiaco.

Ruolo dei canali GIRK

L’effetto dell’acetilcolina sul nodo senoatriale dipende soprattutto dall’aumento della corrente di potassio attraverso i canali GIRK.
I canali GIRK sono canali per il potassio regolati dalle proteine G. Quando il recettore M2 viene attivato, la subunità βγ della proteina Gi stimola l’apertura di questi canali.
L’apertura dei canali GIRK provoca una maggiore fuoriuscita di potassio dalla cellula. Questa corrente uscente contrasta la depolarizzazione spontanea causata dall’ingresso di sodio e rende più difficile il raggiungimento della soglia per il potenziale d’azione.
Il termine “rettificante entrante” deriva dal fatto che questi canali conducono meglio il potassio in determinate condizioni di potenziale di membrana. Durante una forte depolarizzazione, il canale viene parzialmente bloccato dal magnesio presente all’interno della cellula, mentre a potenziali fisiologici permette comunque il passaggio della corrente potassica.

Effetti gastrointestinali e urinari

Nel sistema gastrointestinale e nell’apparato urinario l’acetilcolina aumenta l’attività della muscolatura liscia.
L’attivazione dei recettori muscarinici determina un aumento della peristalsi, cioè delle contrazioni ritmiche che permettono il movimento del contenuto intestinale e urinario.
Lo stesso meccanismo determina contrazione della muscolatura liscia dei bronchi, dello stomaco e dell’apparato urogenitale.
Questi effetti dipendono principalmente dall’attivazione dei recettori M3 associati alle proteine Gq. L’aumento del calcio intracellulare permette l’attivazione della calmodulina, che a sua volta attiva la chinasi delle catene leggere della miosina (MLCK).
La MLCK fosforila le catene leggere della miosina e avvia il processo di contrazione della muscolatura liscia.

Secrezione gastrica

L’acetilcolina stimola anche le secrezioni dell’apparato digerente, in particolare la secrezione acida gastrica.
Nella cellula parietale dello stomaco l’acetilcolina favorisce la formazione dei canalicoli secretori, strutture che permettono alla pompa protonica gastrica di raggiungere la membrana cellulare.
La pompa protonica trasporta protoni nello stomaco, che insieme agli ioni cloro formano l’acido cloridrico (HCl).
Questo meccanismo contribuisce alla funzione digestiva tipica dell’attivazione parasimpatica.

Vasodilatazione mediata dall’acetilcolina

Nei vasi sanguigni l’acetilcolina produce un effetto diverso rispetto agli altri distretti della muscolatura liscia.
Non determina infatti contrazione, ma vasodilatazione. Questo avviene perché i recettori muscarinici sono localizzati sulle cellule endoteliali che rivestono internamente i vasi.
L’attivazione dei recettori M3 sulle cellule endoteliali stimola la proteina Gq e aumenta la concentrazione di calcio intracellulare.
Il calcio si lega alla calmodulina e attiva l’enzima ossido nitrico sintasi, responsabile della produzione di ossido nitrico (NO).
Il NO attraversa la membrana della cellula endoteliale e raggiunge la muscolatura liscia del vaso, dove attiva la guanilato ciclasi.
La guanilato ciclasi produce GMP ciclico (cGMP), che determina il rilassamento della muscolatura liscia e quindi la vasodilatazione.
Questo meccanismo richiede l’integrità dell’endotelio: se le cellule endoteliali sono danneggiate, la produzione di NO non può avvenire correttamente e la risposta vasodilatatoria viene compromessa.