Mecanismos de acción de la melatonina

Los mecanismos de acción de la melatonina se pueden clasificar en dos principales: 1) efectos mediados por receptores, y 2) efectos independientes de receptores (Figura 8).

Figura 8: Los mecanismos de acción de la melatonina son múltiples. Actúa sobre receptores de membrana (MT1 y MT2); sobre receptores nucleares (ROR/RZR), sobre proteínas citosólicas ligadoras de calcio (calmodulina, calreticulina); sobre la mitocondria manteniendo la homeostasis mitocondrial y depurando radicales libres allí donde se produzcan.

Las acciones de la melatonina ligadas a los receptores incluyen tanto receptores de membrana como nucleares, y muchas de estas acciones implican al AMPc y/o a la fosfolipasa C como segundos mensajeros celulares. Hoy día sabemos que la melatonina regula la expresión de diversos genes que controlan la producción de una serie de proteínas. Entre ellas, se encuentras los principales enzimas antioxidantes endógenos, como la glutatión peroxidasa (GPx), la glutatión reductasa (GRd), la superóxido dismutasa (SOD), y la catalasa (CAT). Asimismo, la expresión de enzimas prooxidantes y proinflamatorios, como la óxido nítrico sintasa inducible (iNOS) y la ciclooxigenasa 2 (COX 2), están bajo regulación genómica de la melatonina. La regulación de la melatonina se hace en base a potenciar la expresión de los sistemas endógenos antioxidantes, y reducir los proinflamatorios. Parece ser que existe una colaboración entre ambos tipos de receptores, nucleares y de membrana, en la regulación de esos sistemas enzimáticos

La melatonina se une a distintas proteínas del citosol de la célula, como la calmodulina y calreticulina. Ambas son proteínas que se unen al calcio. Mientras que su interacción con la calmodulina tiene interés como mecanismo de regulación del citoesqueleto, el armazón que mantiene a la célula viva, la unión a la calreticulina se ha asociado a la regulación de la acción de diferentes hormonas en el núcleo celular.

La importancia de la interacción melatonina-calmodulina se ha relacionado con su efecto antioexcitotóxico. En nuestra laboratorio demostramos que, tras esta unión, la melatonina inhibe la óxido nítrico sintasa neuronal (nNOS), impidiendo que el óxido nítrico estimule la liberación de glutamato, un neurotransmisor excitador en el cerebro, inhibiendo la acción de aquél sobre el receptor NMDA, lo que reduce la excitabilidad eléctrica neuronal y los procesos de muerte neuronal derivados de un exceso de activación NMDA (a lo que se llama excitotoxicidad). Es por ello que la melatonina tiene importantes acciones como anticonvulsivante.

En cuanto a las acciones de la melatonina independientes de los receptores, éstas incluyen sus propiedades antioxidantes y antiinflamatorias.

Importancia como antioxidante:

Existe una gran evidencia científica que avala la eficacia de la melatonina como antioxidante y depurador de radicales libres. Debido a su estructura química indólica, y a un potencial redox elevado, la melatonina cede electrones fácilmente, lo que hace que actúe como un potente agente reductor. La melatonina depura el radical •OH dando lugar a la 3-OH-melatonina cíclica, que se excreta por la orina y puede emplearse como marcador de estrés oxidativo. Los efectos de la melatonina son mucho más efectivos que los de otros antioxidantes clásicos como las vitaminas E y C, o la n-acetilcisteína, lo cual en parte proviene de sus propiedades físico-químicas, ya que es una molécula tanto liposoluble como hidrosoluble y alcanza todos los compartimentos subcelulares en concentraciones suficientes. Por tanto, tras su administración, la melatonina alcanza concentraciones elevadas no sólo en la membrana celular, sino también en el núcleo y en la mitocondria. Si tenemos en cuenta que la mitocondria es la principal fuente de radicales libres de la célula, la presencia de melatonina en esta organela asegura un control permanente del estado redox mitocondrial. Además, como se mencionaba anteriormente, la melatonina regula la actividad de los enzimas antioxidantes GPx, GRd y SOD, manteniendo unos niveles adecuados de glutatión reducido (GSH) dentro de la célula y de la mitocondria. La melatonina también aumenta el contenido intracelular de GSH, ya que activa la γ-glutamilcisteín sintasa, la enzima limitante de su síntesis. Tras la interacción de la melatonina con el anión superóxido (O2–•) o con •OH, éstos radicales libres de oxígeno se eliminan, y la melatonina se transforma en otros metabolitos que tienen, a su vez, capacidad antioxidante. Como decíamos, el mecanismo de acción de la melatonina como depurador de radicales libres incluye su alta capacidad para donar un electrón, debido a su alto potencial redox de 0,73V, así como por su capacidad de donar un átomo de hidrógeno al grupo NH del anillo pirrólico, lo que genera un radical de melatonina que reacciona con el O2–• para producir N-acetil-N-formil-5-metoxiquinuramina (AFMK) y, tras su deformilación, N-formil-5-metoxiquinuramina (AMK). Ambos metabolitos, AFMK y AMK son, a su vez, antioxidantes potentes y constituyen, junto a la melatonina, la denominada cascada oxidante de la melatonina (Figura 9).

Figura 9: Cascada antioxidante de la melatonina y de sus metabolitos AFMK y AMK. Cada vez que la melatonina depura un radical libre, se transforma en sucesivos metabolitos (AFMK y AMK) que tienen también capacidad antioxidante. Eso hace que una molécula de melatonina elimine como mínimo tres moléculas de radicales libres, convirtiéndose en el mejor antioxidante endógeno.

Se calcula que una molécula de melatonina, a través de esta cascada, puede depurar hasta cuatro especies reactivas de oxígeno. Es por esta razón que la melatonina es altamente eficaz como antioxidante. Esta actividad, sumada a su efecto como regulador endógeno de la expresión de los enzimas antioxidantes, GPx, GRd, y SOD, entre otros, es por lo que se considera a la melatonina como el antioxidante endógeno más potente del organismo.

Asimismo, la melatonina depura especies reactivas de nitrógeno (RNS) tales como el anión peroxinitrito (ONOO–). Estos aniones presentan una alta toxicidad, similar a la del radical •OH, por lo que su eliminación por la melatonina proporciona una defensa antioxidante más eficaz que el GSH o las vitaminas antioxidantes.

Importancia como antiinflamatorio:

Para estudiar como la melatonina actúa en los procesos inflamatorios, un modelo experimental adecuado es el de la sepsis, tanto por administración de lipopolisacáridos (LPS) bacterianos como por punción ileocecal. El segundo es un mejor modelo ya que simula con mayor exactitud el proceso de sepsis en la clínica.

La sepsis constituye un cuadro agudo de inflamación generalizada con afectación mitocondrial y muerte celular. En este estado se activa un factor de transcripción, el factor NF-kB, que actúa en el núcleo permitiendo una rápida inducción de genes mediadores de la inflamación, entre los que se incluyen citoquinas, iNOS, COX 2, moléculas de adhesión, sustancias depresoras miocárdicas y proteínas de choque térmico, entre otras. La fisiopatología de la sepsis incluye la disfunción mitocondrial, lo que favorece el paso de la sepsis hacia el fallo multiorgánico y muerte. Además del aumento de la iNOS, la sepsis se acompaña de una elevada inducción de la iNOS mitocondrial (i-mtNOS) y de óxido nítrico (NO●) mitocondrial con la consiguiente producción del anión peroxinitrito (ONOO–), lesión oxidativa/nitrosativa y depleción de GSH. Como consecuencia, se inhibe la actividad de la cadena respiratoria (responsable de la producción de ATP para la célula), favoreciendo la muerte celular. Los efectos de la administración de melatonina en modelos experimentales de sepsis han sido realmente espectaculares. La melatonina contrarresta todos los fenómenos de lesión y disfunción mitocondriales durante el shock séptico (Figura 10), inhibe la expresión de la iNOS y de la i-mtNOS, normaliza los valores de NO●, restaura el recambio mitocondrial de GSH y la actividad de la cadena respiratoria, reduce la producción de ROS/RNS y eleva la producción de ATP. Estos efectos se manifiestan en la prevención del fallo multiorgánico y en un aumento significativo de la supervivencia y de la longevidad de los animales.

Figura 10: Efectos antiinflamatorios de la melatonina que se reflejan aquí en su capacidad de inhibir la expresión de la iNOS citosólica (A,B) y la i-mtNOS mitocondrial (C) durante la sepsis. Western blot en el que se ve también cómo el envejecimiento aumenta la respuesta inflamatoria mitocondrial (C). En todos los grupos se observa que la melatonina (aMT) inhibe la expresión de la iNOS. El efecto final de la actividad antiséptica de la melatonina es un aumento considerable de la supervivencia de los animales.

Efecto de la melatonina en la mitocondria:

En los últimos años, y principalmente en nuestro laboratorio, hemos demostrado no sólo la presencia de melatonina en la mitocondria, y la capacidad de ésta para concentrar melatonina del citosol, sino que sentamos las bases científicas de la mitocondria como principal diana intracelular de la melatonina. La mitocondria es la organela que más radicales libres produce dentro de la célula, ya que es donde más oxígeno se consume. Por otro lado, la mitocondria depende del GSH que obtiene del citoplasma para poder defenderse frente a los radicales libres. También contiene GPx y GRd para mantener unos niveles adecuados de GSH dentro de la mitocondria.

La melatonina ejerce un efecto antioxidante directo dentro de la mitocondria que se refleja, entre otras cosas, en un aumento de los niveles de GSH. Además, mediante técnicas de respirometría de alta resolución, fluorimetría y espectroscopía, hemos demostrado que dicha melatonina, una vez dentro, disminuye el consumo de oxígeno en la mitocondria, mantiene el control respiratorio y el cociente ADP:O y aumenta la actividad de los complejos respiratorios, lo que eleva la producción de ATP. De forma simultánea, la melatonina disminuye ligeramente el potencial de membrana mitocondrial (∆ψm) (un ligero efecto desacoplante), con el consiguiente descenso del escape de electrones y de producción de radicales superóxido (O2–•) y de peróxido de hidrógeno (H2O2). En definitiva, la melatonina ejerce un efecto directo y específico en el interior de la mitocondria, por lo que propusimos que la función principal de la melatonina en la célula es el mantenimiento de la homeostasis mitocondrial. Estas acciones de la melatonina permiten contrarrestar el estrés oxidativo en el momento en que se produce y, por tanto, actúa como un protector mitocondrial (Figura 11).

Figura 11: La melatonina entra en la mitocondria y ejerce allí una serie de funciones que van dirigidas hacia la protección de esta organela frente al daño oxidativo/inflamatorio. El resultado es un aumento de la función mitocondrial, reducción de los radicales libres, aumento del ATP, y neutralización de la apoptosis en células normales.

Estos efectos espectaculares de la melatonina sobre la función mitocondrial no se han conseguido con ningún orto antioxidante, incluyendo las vitaminas C y E, o la N-acetilcisteína, incluso utilizándolos a concentraciones ¡¡¡10.000 veces mayores que las de la propia melatonina !!! (Figura 12). Todo ello avala que las mitocondrias son dianas específicas para los efectos de la melatonina. Probablemente, la alta eficacia de la melatonina en el control de la función mitocondrial está en que la melatonina no está operando sola, ya que la mitocondria también capta de forma activa los metabolitos AFMK y AMK de la melatonina. Es decir, en el interior de la mitocondria, actúa también la cascada antioxidante de la melatonina antes mencionada.

Figura 12: La melatonina es capaz de revertir el daño oxidativo en la mitocondria de una manera altamente eficaz, ya que, entre otros efectos, recupera los niveles de GSH y aumenta la producción de ATP, normalizando la morfología y función mitocondrial. Los antioxidantes clásicos como la N-acetilcisteína (NAC), vitamina C (VC) o vitamina E (VE) son incapaces de contrarrestar el daño mitocondrial, aún a dosis 10.000

Nuestros servicios

El insomnio y, en general, el trastorno del ritmo sueño/vigilia, refleja una alteración más profunda del reloj biológico, que está relacionado con muchas otras patologías como fibromialgia y fatiga crónica, astenia, trastornos metabólicos, hormonales y desequilibrios de la nutrición, enfermedades neurodegenerativas e inflamatorias, cáncer, así como el envejecimiento y patológico.

Mediante una serie de pruebas que se indican abajo, en el IiMEL evaluamos la función del reloj biológico, los trastornos de los ritmos circadianos y de la producción de melatonina, así como las causas de las alteraciones del sueño, identificamos su relación con otras patologías antes citadas, y proponemos el tratamiento adecuado.

  • Calidad del sueño

    Ya que el ritmo sueño/vigilia refleja directamente cómo está funcionando el reloj biológico, una correcta evaluación de la calidad de sueño requiere el análisis de la estructura (cronotipo) y funcionamiento del reloj biológico endógeno, y su relación con la alteración de los ritmos biológicos, o cronodisrupción.

    Nos permite identificar las causas y el tipo de cronodisrupción, para proceder a su reparación y restaurar el ritmo del sueño.


  • Niveles de melatonina

    El análisis de la melatonina se puede realizar en orina (midiendo 6-sulfatoximelatonina), suero o saliva. La saliva es la mejor opción y menos invasiva, ya que refleja con total seguridad sus niveles en sangre. La determinación de los niveles de melatonina en saliva a lo largo de las 24 horas refleja el fenotipo circadiano.

    De esta forma, conocemos si existen trastornos en la amplitud, duración, y adelanto o retraso de fase en el fenotipo circadiano de los ritmos con respecto al ritmo ideal representado por el cronotipo genético, para proceder a normalizarlo.


  • Proceso de envejecimiento

    Ya que el envejecimiento se inicia con un proceso de cronodisrupción, continúa con una fase de activación inmunitaria, sigue con aumento de estrés oxidativo, y termina con disfunción mitocondrial, valoramos aquí el daño oxidativo y defensa antioxidante, el daño nitrosativo y la activación inflamatoria, y la función mitocondrial.

    Podemos conocer de esta forma la magnitud del proceso de envejecimiento, para proponer medidas correctoras y preventivas.


  • Estrés oxidativo y potencial antioxidante

    Determinamos los marcadores de daño oxidativo a lípidos y proteínas, así como la actividad de los sistemas endógenos de defensa antioxidante, así como la capacidad de generación de agentes reductores a nivel intracelular y extracelular, cuyo funcionamiento, en tándem, nos da una visión global del potencial antioxidante del organismo.

    Con estos datos, identificamos en qué lugar o lugares del tándem antioxidante/reductor se encuentra el fallo que lleva al acúmulo de radicales libres. Entonces, podemos corregir y compensar esos defectos de manera adecuada para lograr el estado de equilibrio oxidativo.


  • Potencial antiinflamatorio

    Para valorar el potencial y capacidad de respuesta y activación inflamatorias, medimos aquí diversos parámetros de la respuesta de la inmunidad innata, desde la generación de óxido nítrico y el daño nitrosativo, hasta los niveles de citoquinas pro- y antiinflamatorias.

    Estos datos nos dan una visión global de cuál es el grado de activación del sistema inmunitario, proporcionándonos la información necesaria para su corrección.


  • Función mitocondrial

    La función mitocondrial está directamente ligada a la formación de radicales libres, por lo que se pude dañar fácilmente. Aquí determinamos diversos marcadores en suero y en células mononucleares periféricas, incluyendo melatonina y CoQ10, que nos indican la salud de la función mitocondrial.

    Estos estudios nos permiten restaurar la mitocondria, que es es la central bioenergética de la célula, cuyo funcionamiento es crítico para que el organismo responda de manera saludable en cada momento.


  • Otros marcadores del estado de salud

    Los niveles de hormonas, que disminuyen con la edad y ante determiandos tratamietnos farmacológicos; el contenido en microelementos, necesarios para el buen funcionamiento del organismo; los niveles de vitaminas, así como el acúmulo de toxinas, están directamente relacionados con el envejecimiento y enfermedades asociadas al mismo.

    La determinación de esos parámetros o de alguno de ellos nos es importante identificar muchos estados carenciales y/o tóxicos, que permitirá un adecuado diagnóstico del estado de salud y tomar las medidas correctoras adecuadas.


  • Informe personalizado y tratamiento

    Con las determinaciones realizadas aquí, tenemos un criterio importante para diagnosticar el problema de salud, realizar un informe personalizado en cada caso, y plantear una pauta de tratamiento específico, que devuelva la normalidad a aquellas situaciones que se identifiquen como alteradas.

    El fin último del IiMEL es identificar y corregir los problemas de salud mediante los análisis más específicos y menos invasivos, y las terapias más concretas para realizar un tratamiento definido y personalizado.