Los científicos de Johns Hopkins han utilizado supercomputadoras para crear un mapa a escala atómica que rastrea cómo el químico de señalización glutamato se une a una neurona en el cerebro. Los hallazgos, dicen los científicos, arrojan luz sobre la física dinámica de la ruta del químico, tambiéncomo la velocidad de las comunicaciones de las células nerviosas.
Hace tiempo que se sabe que las neuronas cerebrales usan glutamato como una forma de comunicarse entre sí. Cuando una neurona libera glutamato, una neurona adyacente se adhiere a la sustancia química a través de una estructura en la superficie de la neurona llamada receptor. La conexión de receptor de glutamato se activauna neurona para abrir canales químicos que dejan entrar partículas cargadas llamadas iones, creando una chispa eléctrica que activa la neurona.
"Todo esto sucede dentro de un milisegundo, y lo que no se sabe es la forma en que los receptores se adhieren al glutamato. Nuestros nuevos experimentos sugieren que las moléculas de glutamato deben tomar vías muy particulares en la superficie de los receptores de glutamato para encajar enun bolsillo dentro del receptor ", dice Albert Lau, Ph.D., profesor asistente de biofísica y química biofísica en la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins.
Para la investigación, los científicos de Johns Hopkins utilizaron una supercomputadora llamada Anton, que está a cargo del Centro de Supercomputación de Pittsburgh. También trabajaron con investigadores de la Universidad Humboldt de Berlín que se especializan en registrar cómo fluyen las partículas cargadas entre las membranas biológicas.
Se publicará un informe de los experimentos en la edición del 3 de enero de neurona .
Para desarrollar su modelo de cómo el glutamato podría conectarse a los receptores de células cerebrales, Lau y Johns Hopkins, investigador, Alvin Yu, utilizaron una técnica informática llamada simulaciones dinámicas moleculares, desarrollada por Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel y les valió un NobelPremio en 2013. Las simulaciones utilizan las leyes de movimiento de Sir Isaac Newton y un conjunto de reglas matemáticas o algoritmos para asignar funciones de energía a los átomos y las sustancias formadas a partir de esos átomos.
"Se necesita una enorme cantidad de poder de procesamiento por computadora para hacer este tipo de simulaciones", dice Lau.
En su experimento, Yu y Lau sumergieron moléculas de glutamato y una versión truncada del receptor de glutamato en una solución de agua y cloruro de sodio. La supercomputadora registró dinámicas e interacciones entre casi 50,000 átomos en la solución.
"Hay muchas formas en que el glutamato se puede conectar con un receptor", dice Lau. Pero algunas vías son más directas que otras. "La diferencia es como tomar la ruta de la autopista más rápida en comparación con las carreteras locales para llegar a un destino".
Yu y Lau contaron con qué frecuencia vieron glutamato en cada posición del receptor. Resulta que el glutamato pasa la mayor parte del tiempo deslizándose en tres vías distintas.
Acercándose más de cerca a esas vías, los científicos descubrieron que los átomos con carga negativa de la sustancia química son guiados por átomos con carga positiva en los receptores de glutamato de la neurona.
"Lo que vemos es una conexión electrostática, y el camino que sigue el glutamato está determinado por dónde están las cargas", dice Lau. En el mundo de la física, cuando dos objetos cercanos entre sí tienen cargas eléctricas opuestas, se atraen entre sí.
Lau dice que los residuos cargados positivamente en el receptor de glutamato pueden haber evolucionado para acortar el tiempo que tarda el glutamato en encontrar su bolsillo de unión.
Para probar esta idea, Lau se asoció con científicos de la Universidad de Humboldt para introducir mutaciones en el gen que codifica el receptor de glutamato para convertir los residuos cargados positivamente en cargados negativamente o no cargados.
Luego, midieron las corrientes eléctricas resultantes para determinar si hubo un cambio en la tasa de activación del receptor en presencia de glutamato.
Los resultados de ese experimento mostraron que los receptores de glutamato mutados se activaron a la mitad de la velocidad de la versión normal del receptor.
"Si, como creemos que es el caso, la comunicación entre las neuronas tiene que suceder a un ritmo particular para una actividad cerebral efectiva, entonces, ralentizar ese ritmo significa que el cerebro no funcionará tan bien", dice Lau. "Creemosque estos receptores de glutamato han desarrollado una forma de acelerar el proceso de unión "
Los científicos agregan que, en algunos casos, el glutamato parece ser capaz de unirse al receptor al revés. Cuando esto sucede, el bolsillo del receptor de glutamato no puede cerrarse por completo, posiblemente haciendo que no pueda abrir completamente sus canales para permitir ionesen la neurona
Lau dice que se necesita más investigación para determinar si otros compuestos que se dirigen al receptor de glutamato, como el ácido quisquálico, que se encuentra en las semillas de algunas plantas con flores, siguen las mismas tres vías que el glutamato tiende a seguir.
Hasta ahora, el equipo de Lau ha enfocado sus simulaciones por computadora solo en la región de unión principal del receptor de glutamato. Los investigadores planean estudiar otras áreas de receptores de glutamato expuestos al glutamato.
Los colaboradores del equipo Johns Hopkins en Berlín fueron Héctor Salazar y Andrew Plested.
La investigación fue financiada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales del Instituto Nacional de Salud R01GM094495, la subvención GluActive de la Comisión Europea y la subvención NeuroCure del Cluster of Excellence de la Fundación Alemana de Investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Medicina Johns Hopkins . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :