Dado que la melatonina produce una gama muy amplia de efectos en el organismo y en los diversos tipos celulares que lo constituyen, muchos investigadores han hecho referencia a esta hormona en la literatura como una hormona pleiotrópica (Fig. 7).
Las principales funciones fisiológicas de la melatonina se detallan a continuación.
• Control del ritmo circadiano.
La mayoría de los organismos incluido el hombre poseen un ritmo circadiano que regula muchas de las funciones bioquímicas y fisiológicas (relojes biológicos) que ocurren en el organismo a lo largo de un periodo de 24 horas (Maestroni y cols., 1986). Esto se pone de manifiesto en la producción de algunas hormonas como la melatonina y la hormona del crecimiento, en la temperatura corporal, el estado de sueño/vigilia… El control del ritmo circadiano es mediado por el NSQ (marcapasos circadiano), sincronizado a su vez por los niveles lumínicos, extendiendo esta sincronización al resto del organismo mediante la síntesis de melatonina. Además, la regulación de estos relojes biológicos, tanto centrales como periféricos, se basa a su vez, en “relojes genéticos” (Cermakian y Boivin, 2009), cuya expresión genética en los tejidos
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periféricos podrían desacoplarse de la actividad de los relojes centrales durante los periodos de inflamación aguda, como han demostrado recientemente Haimovich y cols. (2010).
• Melatonina y sueño
El papel de la melatonina como regulador de los ciclos de sueño/vigilia ha sido ampliamente estudiado en los últimos tiempos. Uno de los aspectos estudiados más interesante ha sido el empleo de melatonina para sincronizar el reloj circadiano, especialmente en el tratamiento del síndrome de la fase del sueño retrasada, en personas ciegas y en turnos de trabajo rotatorio (Puigdevall y Laudo, 1994). Al presentar propiedades hipnóticas y desempeñar un papel importante en la regulación del ciclo sueño/vigilia, el indol parece mejorar el insomnio, especialmente en ancianos (Haimov y cols., 1995).
• Efecto oncostático de la melatonina
Los efectos oncostáticos de la melatonina han sido demostrados en una amplia variedad de tumores en numerosos modelos experimentales, especialmente en los cánceres dependientes de hormonas de la reproducción como el de mama y el de ovario. Los mecanismos por los cuales la melatonina interrumpe el crecimiento tumoral son atribuidos a sus efectos antioxidantes (Martín y cols., 2006), a la regulación de la expresión del receptor de estrógenos (Blask y cols., 2005), a la modulación de las enzimas involucradas en la síntesis local de los estrógenos (Sánchez-Barceló y cols., 2005), a sus efectos citotóxicos (Sánchez-Sánchez y cols., 2011), a la inhibición de la metástasis, a sus efectos antiproliferativos (Kadekaro y cols., 2004) e incluso a la activación del sistema inmune (Mediavilla y cols., 2010). La melatonina se comporta además, como un agente adyuvante en tratamientos antitumorales con agentes quimioterápicos. Así, recientemente, Kast y Altschuler (2006) afirmaron que la coadministración de ramelton (un análogo de la melatonina) y fluvoxamina (un potente inhibidor de la enzima CYP1A2) podría aumentar los niveles de interleuquina (IL)-2, hecho que sería muy relevante en enfermedades como el cáncer metastásico y en el mantenimiento de la supresión del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH). Los efectos antiproliferativos de la hormona también se han demostrado en diversas líneas celulares de próstata (Shiu, 2007) y colón, y en melanomas (Kadekaro y cols., 2004) y neuroblastomas entre otras.
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• Efecto de la melatonina en el envejecimiento
Mientras que el ritmo de la melatonina es muy alto en humanos y animales jóvenes, con el envejecimiento se produce un descenso notable en su síntesis (Reiter, 1992). El mecanismo de disminución de la producción de melatonina por la glándula pineal, parece depender de tres factores:
- Pérdida parcial asociada al envejecimiento de receptores β-adrenérgicos en la membrana del pinealocito (Henden y cols., 1992), los cuales median el efecto estimulador del neurotransmisor NA en la producción nocturna de melatonina (Reiter, 1991c). Así, aún cuando se libere la misma cantidad de NA en las hendiduras sinápticas, disminuye la secreción de melatonina como consecuencia de la relativa inactividad de los receptores α y β-adrenérgicos en la membrana postsináptica, sobre los que pueden actuar las catecolaminas.
- Pérdida gradual de la síntesis de melatonina con la edad, regulada por estructuras neuronales centrales que gobiernan la producción nocturna de melatonina. Una de estas estructuras, el NSQ, actúa normalmente sobre el neurotransmisor glutamato. La exposición continuada de las neuronas al glutamato las destruye gradualmente y dado que estas neuronas median en la liberación nocturna de melatonina, la pérdida de las mismas provoca una disminución progresiva en la señal a la glándula pineal y, en consecuencia, una producción más baja de melatonina (Poeggeler y cols., 1993).
- La producción masiva de la óxido nítrico sintasa inducible (iNOS) en la pineal puede contribuir a la reducción gradual de la glándula asociada a la disminución de los niveles de melatonina y finalmente a la calcificación de la misma.
Una de las teorías sobre el envejecimiento sugiere que la degeneración anatómica y funcional es una consecuencia del daño acumulado por los RL, al decrecer progresivamente con la edad la producción pineal de la melatonina. Este descenso hormonal podría tener un papel significativo en el envejecimiento pudiendo desembocar en un estado prooxidativo (Reiter, 1992), pudiendo contribuir de esta manera al inicio y desarrollo de una gran variedad de enfermedades relacionadas con la edad (Reiter y cols., 1993; 1994).
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Además, el envejecimiento también se caracteriza por una disminución en la capacidad de respuesta al estrés (Weinert y Timiras, 2003), así como una alteración gradual en los niveles de antioxidantes (Wu y cols., 2008), de manera que la susceptibilidad de un individuo se encuentra asociada a su estado antioxidante (Rizvi y Maurya, 2007). La administración suplementaria de melatonina quizás pudiera retrasar este proceso y también ser beneficiosa en cuadros degenerativos relacionados con la edad (Reiter, 1995). Como consecuencia, existe un gran número de trabajos científicos que sugieren que la melatonina podría ejercer un papel primordial, especialmente en las enfermedades crónicas, debido a sus propiedades antioxidantes, como se ha demostrado recientemente (Reiter y cols., 2006; Korkmaz y cols., 2009; Jung-Hynes y cols., 2010). A diferencia de los antioxidantes clásicos, que a menudo no ejercen los efectos beneficiosos deseados en las enfermedades metabólicas y en el envejecimiento (Vivekananthan y cols., 2003; Miller y cols., 2005; Bjelakovic y cols., 2007), la melatonina exhibe estos efectos protectores frente a dichas enfermedades, especialmente relacionados con sus propiedades antioxidantes y antiinflamatorias. Esto debería dar lugar a futuras investigaciones clínicas con el objetivo de mejorar la salud pública (Bonnefont-Rousselot y Collin, 2010). Teniendo en cuenta dichas observaciones se ha pensado que la melatonina sería eficaz para combatir la impotencia, la depresión, enfermedades neurodegenerativas y cardiovasculares, el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA), el cáncer, etc., llegando a considerarla como la hormona antienvejecimiento.
• Protección frente al daño de los radicales libres
La popularidad de la que goza actualmente la melatonina deriva de los efectos antioxidantes demostrados (a concentraciones fisiológicas o farmacológicas) en distintos experimentos muy concretos, tanto in vivo como in vitro (Reiter y cols., 1995; 2003) sobre los RL, ya que son capaces de dañar la molécula de ADN, membranas lipídicas y las proteínas estructurales.
El descubrimiento de la capacidad antioxidante de la melatonina abrió un nuevo campo en la investigación médica y biológica (Reiter y cols., 1993). La característica estructural de dicha hormona que la hace actuar como un potente neutralizador de RL, incluye un grupo metilo, en posición 5 del grupo indol y el grupo acetilo (Tan y cols., 1993). La 5-metoxitriptamina no tiene grupo acetilo, pero posee el grupo metilo en
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posición 5, y es un neutralizador de RL hidroxilo (OH.-) más débil que si se compara
con la melatonina. Por otro lado, la 5-acetilserotonina, que está desprovista del grupo metilo en posición 5 del núcleo indol, pero posee el grupo acetilo, pierde totalmente esa capacidad neutralizadora de RL. Finalmente la 5-hidroxitriptamina (serotonina), sin el grupo metilo ni el acetilo, indujo la formación adicional de OH.- en el sistema utilizado por estos autores.
Poco tiempo después, Pieri y cols. (1994), demostraron que la melatonina también era capaz de “secuestrar” otros RL como el radical peroxilo (ROO.), que es producido durante la peroxidación de los lípidos y es lo suficientemente reactivo como para propagar la reacción en cadena produciendo innumerables daños en los ácidos grasos.
Los estudios realizados inicialmente in vitro sugirieron que la melatonina es muy efectiva comparada con el antioxidante intracelular glutatión reducido (GSH); además, la melatonina es cinco veces más efectiva que la vitamina E para neutralizar OH.- y dos veces más efectiva para neutralizar ROO- (Pieri y cols., 1994). La vitamina E y el GSH son considerados los antioxidantes primarios de la célula.
Por tanto, desde que en 1993, la melatonina fue primeramente identificada como secuestrador de RL (Tan y cols., 1993), gran cantidad de estudios han confirmado la capacidad de la misma para proteger al organismo del daño oxidativo.
Las funciones de la melatonina como antioxidante pueden ser: directas (mediante la neutralización directa de RL) o indirectas (mediante la estimulación de enzimas antioxidantes, el incremento de la eficiencia de la fosforilación oxidativa mitocondrial y reducción de los electrones y el aumento de la eficacia de otros antioxidantes).
Existen evidencias del papel in vitro que posee la melatonina para secuestrar directamente el radical OH.- (Tan y cols., 1993; 2002). El proceso no enzimático por el cual la melatonina neutraliza estos radicales es por la donación de un electrón, formándose un radical catión, el indolil (o melatonil), que posee una toxicidad relativamente más baja en comparación con el radical OH.-. El radical indolil elimina un radical superóxido (O2.-) y en el proceso se convierte en el metabolito enzimático AFMK que es eliminado por la orina. Este hecho convierte a al melatonina en un
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depurador ideal, ya que no sólo neutraliza el radical OH.-, sino que además, el producto
resultante es capaz de eliminar un radical O2.-.
Como antioxidante indirecto, la melatonina estimula una gran variedad de enzimas como la superóxido dismutasa (SOD), tanto la superóxido dismutasa manganeso (Mn-SOD) como la superóxido dismutasa cobre-zinc (Cu-Zn-SOD), la GPx, (Pablos y cols., 1997; Okatani y cols., 2002; Bharti y cols., 2011), la glutatión reductasa (GR) y la catalasa (CAT) (Reiter y cols., 2000; Rodríguez y cols., 2004). También se ha demostrado que la melatonina podría mejorar e incluso aumentar los niveles intracelulares de GSH mediante la estimulación de la enzima γ-glutamilcisteína sintasa (Urata y cols., 1999).
Otros estudios muestran que la melatonina estabiliza las membranas microsomales, y de ese modo, ayuda a resistir el daño oxidativo (Karbownic y cols., 2001). La melatonina también incrementa la eficiencia en la cadena transportadora de electrones y, en consecuencia, contribuye a reducir los electrones fugados y la generación de RL (Reiter y cols., 2001).
Se ha visto que la melatonina reduce la formación de 8-hidroxi-2´- deoxiguanosina, producto indicador del daño oxidativo producido en el ADN, entre 60 y 70 veces de forma más efectiva que los antioxidantes clásicos como ascorbato y α- tocoferol (Qi y cols., 2000).
Recientes estudios sugieren que la melatonina probablemente juega un papel importante en la reducción o eliminación del daño oxidativo producido por el óxido nítrico (NO) (Turjanski y cols., 2001; Yerer y cols., 2004). Aunque el NO es necesario para los procesos de comunicación intracelular e intercelular, su producción en exceso es causa de excitotoxicidad.
La actividad de la enzima NOS determina la cantidad de NO formado. Éste reacciona con el O2.- para formar el radical peroxinitrito (ONOO-). Por tanto, la enzima NOS es considerada como un elemento prooxidante y algún factor que reduzca su actividad podría considerarse como antioxidante (Wink y Mitchell, 1998). Recientes evidencias estiman que la melatonina inhibe la actividad de la NOS (Pozo y cols, 1994, 1997; Storr y cols., 2002; Nair y cols., 2011). La investigación llevada a cabo por Giald y cols. (1998) concluye que la melatonina reduce la iNOS a concentraciones
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comprendidas entre 1 µM y 1 mM. La melatonina ha sido testada farmacológicamente debido a su capacidad para reducir el daño oxidativo inducido por el NO y el ONOO- en una amplia variedad de procesos neurológicos a nivel experimental (Reiter y cols., 2001; 2002). Otros estudios revelan que la melatonina también estimula la actividad de las enzimas antioxidantes para proteger los eritrocitos del daño oxidativo inducido por NO en la sepsis en rata (Yerer y cols., 2003) y los eritrocitos humanos frente al daño oxidativo producido por el ONOO- (Mascio y cols., 2000).
• Efecto regulador sobre la reproducción
La melatonina puede regular la reproducción a tres niveles: las neuronas del hipotálamo liberadoras del factor liberador de gonadotropinas (GnRH), la hipófisis y finalmente, las gónadas y tejidos reproductivos.
Varios estudios muestran la implicación de la hormona en el control neuroendocrino de la pubertad en animales (Buchanan y Yellon, 1991), pero también está implicada en la maduración sexual de humanos. La secreción nocturna de la melatonina ejerce un efecto inhibitorio sobre el hipotálamo y, por tanto, sobre la secreción de GnRH. Antes de la pubertad, los niveles de melatonina son demasiado elevados para permitir la activación del hipotálamo, sin embargo, a los 9 ó 10 años el valor umbral decrece activando la secreción pulsátil de GnRH por parte del hipotálamo, desencadenando los cambios que conllevan a la pubertad (Silman, 1991). Por tanto, una disfunción pineal puede adelantar la pubertad, mientras que una hiperproducción de melatonina puede retrasarla (Guerrero y cols., 2007).
El papel de la melatonina sobre la reproducción estacional del ganado ovino es bien conocido, de manera que esta función parece ejercerse a nivel hipotalámico, modificando la frecuencia de liberación de GnRH, con lo que paralelamente implica a la liberación de hormona luteinizante (LH) hipofisaria y, por tanto, a la actividad gonadal. Por ello, la melatonina es utilizada en esta especie para mejorar la eficacia reproductiva del ganado.
• Efecto inmunoestimulador de la melatonina
El efecto de la melatonina sobre el sistema inmune se comentará posteriormente en otro apartado por ser objeto del estudio.
39 MELATONINA Marcapasos circadiano (núcleo supraquiasmático) Barredor de OH- (+O2.), CO3-(+O2.-), radicales cationes (+O2.-), O21, O3, NO y otros oxidantes. SNC: efectos antiexcitatorios, evitan la sobrecarga de Ca2+ Reproducción estacional (hipotálamo y otros órganos relevantes para la reproducción) Productos de la oxidación primaria (c3OHM, AFMK) Control vasomotor: constricción via MT1 dilatación via MT2 Inhibición directa de la apertura del mtPTP Aumento de enzimas antioxidantes y disminución de prooxidantes Efectos sobre el citoesqueleto: un ión a calmodulina, activación de la PCK Sistema inmune (células B, células T, células NK, tionocitos, médula ósea) AMK Prevención de apoptosis Atenuación de la liberación de e- Inhibición de la ciclooxigenasa 2 Descenso de radicales libres y otros oxidantes
Eliminación de quinonas tóxicas: unión a la quinona
d 2
Figura 7.- Esquema de las principales funciones fisiológicas de la melatonina.