Lipotropina y beta-endorfina

La mayoría sino todas las hormonas peptídicas  son formadas como fragmentos de péptidos más grandes y la lipotropina  no es una excepción.  Este polipéptido de 91 residuos, aislado por primera vez en 1964, posee actividad lipolítica  y recibió provisionalmente el titulo de  “hormona lipotrópica”.  La estructura primaria incluye una secuencia de aminoácidos  con marcada similitud a la α-melanotropina (α-MSH) y generalmente se asume que la “β-MSH” es la contraparte biológicamente activa a la α-MSH en la lipotropina.  Sin embargo, como hormona melanotrópica, la β-MSH es mucho menos activa  que la α-MSH. Las alarmas comenzaron a sonar en 1974 cuando se demostró que la β-MSH no está presente  en la hipófisis humana, lo cual puso en duda su significado fisiológico. Esto fue seguido por dos descubrimientos inesperados: (1) que un fragmento de la lipotropina de 31 residuos, presente en la hipófisis y el cerebro, posee potente actividad opiácea; (2) que la lipotropina  en sí es un fragmento de un precursor, lo cual indica que se trata de una prohormona multifuncional. Los péptidos aislados de la secuencia de aminoácidos de la lipotropina en la hipófisis porcina son: el fragmento C (β-endorfina) que corresponde a los residuos 61-91, el fragmento C´ (residuos 61-87) y la β-MSH (residuos 41-58).

El fragmento C de la lipotropina (o β-endorfina) tiene una alta afinidad por receptores opiáceos en el cerebro y la unión es revertida por naloxone, un antagonista clásico  de los opiáceos. En experimentos con gatos, se demostró que la β-endorfina administrada en los ventrículos cerebrales es 100 veces más potente que la morfina como agente analgésico y la analgesia persiste  por varias horas. Además  de sus propiedades analgésicas, la β-endorfina produce otros efectos centrales profundos característicos de la morfina. Por otra parte, la β-endorfina es muy potente en la rata, pero las encefalinas naturales  tienen poco o ningún efecto analgésico. Las encefalinas  actúan sobre receptores δ-opiáceos y su vida media en el cerebro es de unos pocos segundos. La principal diferencia entre las acciones de larga duración de la β-endorfina y los efectos transitorios de las encefalinas se debe a la resistencia de la β-endorfina a la degradación por enzimas proteolíticas en el cerebro.  A nivel estructural, la estabilidad del péptido de 31 residuos se atribuye a su tendencia  a adoptar una conformación  que la hace menos vulnerable al ataque enzimático. En contraste  con la alta potencia de la β-endorfina  aplicada en los ventrículos, con la administración intravenosa se obtiene una actividad analgésica nula o muy débil. Esto  implica  que es solamente  en el cerebro que la β-endorfina puede participar en mecanismos analgésicos, el péptido producido en la hipófisis no parece tener acceso  a los receptores analgésicos.

Con relación a la β-endorfina en el cerebro, el análisis inmunohistoquimico de cortes de cerebro de rata demuestra que las principales áreas  donde se observa fluorescencia  son el hipotálamo, el tálamo, la amígdala, el hipocampo y el tallo cerebral. Fluorescencia densa también se observa en la región del colículo dorsal. La inmunoreactividad en el hipotálamo está confinada en el núcleo arcuato, la eminencia media y el borde ventromedial del tercer ventrículo, pero axones y terminales también se observan en las paredes del tercer ventrículo. Del hipotálamo salen axones  que se extienden dorsalmente y lateralmente. La fluorescencia es menos densa en el tálamo y los terminales están presentes  en amígdala e hipocampo. En general, la inmunofluorescencia revela una red altamente organizada  que comienza con los cuerpos celulares hipotalámicos, se ramifica a través de axones largos y termina en haces de terminales en lugares definidos. Los péptidos relacionados con la β-endorfina han sido identificados con cromatografía de intercambio iónico y cuantificados por radioinmunoensayo. En este contexto, son aparentes dos patrones: el primero es característico  de hipotálamo,  cerebro medio y  amígdala, y el segundo de hipocampo,  tallo cerebral y  colículo. El hipotálamo contiene principalmente β-endorfina 1-31, la cual   también es el principal péptido en el cerebro medio y la amígdala pero acompañado de β-endorfina 1-27, β-endorfina 1-26 y pequeñas concentraciones de péptidos acetilados. Por el contrario, el hipocampo, el tallo cerebral y el colículo contienen principalmente las formas N-acetil de β-endorfina 1-27 y β-endorfina 1-26, las cuales carecen de actividad opiácea. Estos hallazgos indican que los terminales nerviosos en ciertas regiones del cerebro almacenan la forma potente  de β-endorfina y es posible  que las funciones fisiológicas asociadas con estas regiones puedan involucrar regulación por actividad opiácea. En las regiones del cerebro donde predominan las formas inactivas de β-endorfina, la neurotransmisión controlada por opiáceos podría ser un fenómeno menos común. Sin embargo, es significativo que las células que contienen las formas derivadas del C-terminal de β-endorfina  también contienen glicil-glutamina liberada del C-terminal del péptido de 31 residuos.  En un estudio electrofisiológico, se demostró que este dipéptido  inhibe el disparo de las neuronas del tallo cerebral. Por lo tanto, es posible que la glicil-glutamina pueda actuar como un mensajero de bajo peso molecular que regula la neurotransmisión.

En el cerebro existen sitios de unión que tienen  mayor afinidad  por el péptido de 31 residuos que por cualquiera de los fragmentos relativos que ocurren naturalmente incluyendo β-endorfina 1-27 (fragmento C´), β-endorfina 1-26 (des-histina fragmento C´) y β-endorfina 1-17 (γ-endorfina) así como encefalinas y ligandos clásicos. Las afinidades de unión de las formas más cortas de β-endorfina son considerablemente mayores que las correspondientes potencias analgésicas. Esto sugiere que los receptores de β-endorfina en el cerebro sirven otras funciones  además de la analgesia. Por otra parte, hay una hipótesis  que propone que  cada péptido opiáceo funcional se une a un receptor correspondiente, asegurando que la actividad opiácea esté enfocada  en los sitios  donde está situado el receptor apropiado. En este contexto, la β-endorfina actúa preferencialmente en un “receptor β-endorfina”  (receptor ε o μ), la dinorfina en un “receptor  de dinorfina” (receptor κ) y las encefalinas en un “receptor de encefalina” (receptor δ). Es decir, cada péptido opiáceo funcional  actúa sobre  un receptor diferente, permitiendo una diversidad de respuestas.  

En la hipófisis de la rata, la β-endorfina  está presente específicamente  en las células corticotropas, lo cual está en línea con el descubrimiento que tanto la lipotropina como la ACTH son producidas  a partir  de un precursor común (pro-opiomelanocortina, POMC). La inmunoreactividad de la β-endorfina está presente en todas las células  de la pars intermedia pero no en la hipófisis posterior.  Se han identificado seis formas inmunoreactivas de β-endorfina generadas  por proteólisis del C-terminal o acetilación N-terminal, pero solamente la β-endorfina 1-31  posee actividad analgésica potente. Esto indica que tanto la secuencia N-terminal como la C-terminal de la β-endorfina  son esenciales para su potente actividad analgésica. La forma predominante  de β-endorfina en la hipófisis anterior  es la β-endorfina 1-31, pero en la pars intermedia, la principal forma es la acetilada en su N-terminal y/o truncada en su C-terminal. La fragmentación de la POMC, un proceso dinámico que responde a señales fisiológicas,  genera diferentes actividades biológicas en  tejidos diferentes. Dependiendo de la especie, la ACTH en la hipófisis anterior  es acompañada  por cantidades variables de β-endorfina 1-31, mientras en la pars intermedia, la α-MSH es acompañada por formas inactivas de β-endorfina. La acetilación en N-terminal de la α-MSH activa a esta hormona melanotrópica, pero la acetilación en N-terminal de la β-endorfina provoca su inactivación.

La morfina es un alcaloide que exhibe actividad biológica similar a la β-endorfina, pero la morfina tiene una estructura molecular rígida impuesta por anillos fusionados que es muy similar a la región N-terminal de la β-endorfina cuando la cadena peptídica  es plegada en dirección β. Esto implica que la actividad opiácea  de la β-endorfina y la morfina  depende de la forma de la molécula  más que de su química.

La potencia analgésica  de la β-endorfina 1-27, la cual carece de cuatro residuos del extremo C-terminal de la β-endorfina 1-31, es dos órdenes de magnitud  menor que la del péptido de 31 residuos pero la duración  de la actividad analgésica  no disminuye. Los cuatro residuos del extremo C-terminal de la β-endorfina son importantes para la potencia pero no para la duración de la actividad analgésica. Esto sugiere que la región C-terminal intacta de la β-endorfina  ofrece un sitio de unión secundario para receptores analgésicos. Por otra parte, la unión a los receptores cerebrales del péptido de 27 residuos así como también del péptido de 31 residuos, es inhibida por sodio y aumentada por magnesio, lo que indica que la β-endorfina 1-27 y la β-endorfina 1-31 actúan como agonistas. Es posible que la contribución  de la región C-terminal de la β-endorfina a la producción de analgesia esté relacionada con una interacción entre las regiones C-terminal y N-terminal del péptido de 31 residuos en el ambiente de un receptor complementario, una interacción que influye  en la conformación  Tir-Gli-Gli-Fen de la región N-terminal. Sobre la base de este hallazgo se ha propuesto la hipótesis que los péptidos opiáceos  comprenden un sitio activo o “región mensaje”, el tetrapéptido N-terminal, unido a una “secuencia dirección”, la cual es formada  a partir de la cadena continua  de aminoácidos. La región mensaje de la β-endorfina  proporciona la afinidad de unión  por el receptor opiáceo, mientras la región dirección  confiere la especificidad y la potencia. La hipótesis  mensaje y dirección puede explicar el hallazgo  de la κ-especificidad en un grupo de receptores de opiáceos, la δ-especificidad  en otro y la μ-especificidad en un tercero, porque los péptidos  que actúan preferencialmente  en estos receptores  poseen los mismos cuatro residuos en su extremo N-terminal pero tienen diferente secuencia dirección. Asimismo, la secuencia dirección más corta  de β-endorfina 1-27, γ-endorfina (β-endorfina 1-17) y α-endorfina (β-endorfina 1-16) en comparación con  la β-endorfina 1-31 puede explicar su relativa carencia de propiedades analgésicas. Estos hallazgos indican la existencia de un espectro de   péptidos opiáceos activos  que tienen la misma región mensaje  pero diferentes secuencias dirección  y poseen diferentes propiedades en términos de especificidad y potencia.

En general, se considera que en el cerebro los péptidos  actúan como neurotransmisores, mientras en la periferia actúan como hormonas. En el cerebro, los péptidos pequeños como las encefalinas actúan de una manera similar a  los neurotransmisores clásicos como la acetilcolina. Ellos actúan en distancias cortas a través de hendiduras sinápticas, tienen relativamente baja afinidad por los receptores (tasas on/off rápidas) y son degradados rápidamente, lo cual explica sus efectos de corta duración. Los péptidos más grandes como la β-endorfina tienen mayor afinidad por el receptor, son mucho más estables y producen efectos  de larga duración, lo cual está de acuerdo con su rol como neuromoduladores que expresan sus funciones en sitios más distantes. En la periferia, los péptidos grandes son relativamente estables y son transportados de la hipófisis a través de la circulación para llevar a cabo su función  como hormona, mientras los péptidos pequeños pueden actuar  localmente como agentes paracrinos, transmitiendo señales que modulan la actividad hormonal. En la periferia, las actividades de la β-endorfina incluyen el transporte de sodio en el riñón y la influencia sobre la secreción  e insulina en el páncreas. Al parecer, los modos de acción de los péptidos grandes y pequeños  en el cerebro tienen su contraparte en la periferia. Entonces, la β-endorfina y la encefalina representan diferentes clases de péptidos neuroactivos, es decir, “neuromodulador” y “neurotransmisor”, cada una de ellas con propiedades característicamente distintas y  roles funcionales distintos.

En conclusión,  el fragmento C de la lipotropina  (residuos 61-91)  es conocido actualmente como β-endorfina 1-31. Durante la biosíntesis, la prohormona (lipotropina) da origen a la β-endorfina antes que ocurra la proteólisis en su extremo C-terminal. La β-endorfina  tiene una alta afinidad por receptores de opiáceos en el cerebro y es el agente analgésico más potente conocido hasta ahora. En la hipófisis anterior, la β-endorfina está presente en las células corticotropas. Los cuatro residuos del extremo N-terminal de las encefalinas corresponden a la secuencia N-terminal de la β-endorfina. Esta similitud estructural sugiere una posible relación funcional entre estos péptidos.

Fuente: Smyth DG (2016). Lipotropin and beta-endorphin: a perspective. Journal of Molecular Endocrinology 56: T13-T25.