Appunti di Neuroscienze .::2::. Cenni di fisiologia (24/08/2006)

Ecco una seconda parte di appunti di Neuroscienze, questa volta sulla trasmissione sinaptica.“…ma ora, in base ai progressi della moderna neurobiologia, gli idealisti vengono finalmente stanati dal loro ultimo rifugio: nella misura in cui cominciamo a svelare i segreti del cervello e del sistema nervoso, diventa progressivamente più facile concepire la mente come il complesso delle attività cerebrali, senza ricorrere ad agenti sovrannaturali…” (Alan Woods, Ted Grant)

CENNI SULLA SELETTIVITà DEI CANALI IONICI

Per comprendere la selettività dei canali occorre tener presente le interazioni elettrostatiche degli ioni con le molecole d’acqua: minore è la grandezza dello ione, maggiore è il suo campo elettrostatico, minore è la sua mobilità dovuta all’attrazione di H2O.

Na+ esercita un campo maggiore di K+, essendo più piccolo: quindi si potrebbe riassumere dicendo che un sito legante che eserciti un forte campo negativo si legherà più facilmente al sodio piuttosto che al potassio, poiché il sodio è di raggio minore e vi si può avvicinare molto di più del potassio, formando un’energia libera molto maggiore che supplisce alla necessità degli Na+ di perdere parte della propria acqua d’idratazione per entrare nel canale. Per il potassio vale l’inverso, con campi che esercitano una forza debole, poiché l’acqua si lega con maggior forza al sodio e un campo debole non riesce a produrre un’energia libera sufficiente per compensare la perdita delle molecole d’idratazione.

LA TRASMISSIONE SINAPTICA

Vi sono sinapsi elettriche e chimiche: nelle elettriche c’è continuità tra una cellula e l’altra grazie a giunzioni comunicanti, e le correnti di trasmissione sono ioniche, bidirezionali e molto rapide. Le chimiche sono separate dalla fessura sinaptica, nelle cui vicinanze si trovano siti attivi, vescicole sinaptiche e, infine, recettori postsinaptici.

Sinapsi elettrica: la terminazione presinaptica deve contenere molti canali ionici, mentre nella postsinaptica devono essercene meno, per ottenere una maggior resistenza d’ingresso e, quindi, una maggior variazione di potenziale. La corrente ionica lascia le cariche positive sulla membrana della cellula postsinaptica, e la restante carica fuoriesce attraverso i canali passivi: se la dep. È abbastanza elevata, avviene un p.d’azione. Ad un abbassamento del PH o ad un’elevata concentrazione di Ca2+, la maggior parte delle giunzioni si chiude (isolamento adattativo delle cellule alterate); esistono poi sinapsi rettificanti che permettono le correnti unidirezionali, da pre- a post-. La trasmissione elettrica può mettere in mutua connessione interi aggregati di neuroni, perché la carica passa simultaneamente attraverso le cellule collegate e, se viene raggiunta la soglia, scaricano in maniera sincrona in forma di tutto-o-nulla; in più, le sinapsi elettriche possono trasmettere segnali metabolici grazie a cationi e anioni inorganici.

Sinapsi chimica: le terminazioni presinaptiche contengono le vescicole contenenti neurotrasmettitore, accumulate nelle zone attive; all’arrivo del p.d’azione ioni Ca2+ entrano attraverso i loro canali v.dip. facendo si che le vescicole si fondano con la membrana presinaptica liberando il contenuto nella fessura per esocitosi. Pur non essendo veloce come l’elettrica, una sola vescicola sinaptica può liberare migliaia di molecole di neurotrasmettitore (vantaggio dell’amplificazione).

.I recettori dei neurotrasmettitori sono proteine che riconoscono e legano il neurot. ed esercitano una funzione effettrice sulla cellula bersaglio agendo sui canali ionici.

Nella sinapsi neuromuscolare l’assone del motoneurone arriva nella placca motrice, dove perde la mielina e si ramifica in sottili branche terminali, che finiscono nei bottoni sinaptici contenenti neurotrasmettitore. Qui si parla di Acetilcolina (ACh) e del suo recettore nicotinico. Tra le due membrane vi è una membrana di collagene che trattiene acetilcolinesterasi, che idrolizza ACh.

Davanti alle pieghe giunzionali ci sono le vescicole e i canali Na+ v.dip.

In seguito a liberazione di ACh, la membrana della placca si depolarizza scaricando un potenziale sinaptico “di placca”, di solito sufficientemente ampio per aprire i canali Na+ e generare un p. d’azione.

La determinazione del potenziale d’inversione è utile per capire la misura sperimentale della forza motrice chimica “Eepsp” che spinge gli ioni attraverso il canale di placca. La corrente entrante si annulla a 0mV, ma non corrisponde al potenzile d’equilibrio per uno ione, perché tali membrane sono permeabili sia ai K+ che ai Na+, che entrano mentre i K+ escono nel corso del potenziale sinaptico.

.Per aprirsi, ogni canale ACh deve legarsi a due molecole di ACh.

Quindi, se nei canali voltaggio-dipendenti il sodio è separato dal potassio, e vi è carattere rigenerativo alla base del tutto-o-nulla, in quelli ACh sodio e potassio hanno un medesimo canale e la depolarizzazione dipende dalla quantità di neurotrasmettitore: sta alla corrente di placca depolarizzare i voltaggio-dipendenti per formare potenziali d’azione propagati.

Anche nel S.N.C. sono impiegati recettori ionotropici per la trasmissione dei messaggi, tuttavia le fibre muscolari sono innervate da un solo motoneurone, mentre le cellule del s.n.c. ricevono connessioni da migliaia di neuroni; poi, le fibre muscolari ricevono solo segnali eccitatori, e nei muscoli vi è mediazione della sola acetilcolina, mentre nel s.n.c. vi sono molti neurotrasmettitori.

Infine, le afferenze sinaptiche che ogni singolo neurone pre- stabilisce con il motoneurone non sono mai risolutive, servono almeno 50 o 100 neuroni per evocare una risposta sufficientemente ampia.

Vi sono sinapsi eccitatorie, glutammatergiche, e inibitorie, GABAergiche.

I recettori del glutammato si dividono in canali ionotropici e metabotropici (questi ultimi, che attivano l’accesso al canale tramite sistemi di secondo messaggero), e gli ionotropici si dividono in NMDA e non-NMDA (considerato insieme al kainato). I non-NMDA sono responsabili della componente precoce e più ampia del EPSP (canali cationici a bassa conduttanza impermeabili ai Ca2+), mentre gli NMDA sono responsabili di quella tardiva, con canali cationici permeabili anche al calcio, con glicina come cofattore e la cui apertura dipende sia da un ligando che dal voltaggio. Al p. di riposo una particella bloccante estrinseca, Mg2+, si lega al canale staccandosi solo per repulsione elettrostatica dovuta a depolarizzazione.

La corrente NMDA, trasportata perlopiù da Ca2+, diviene apprezzabile solo all’aumento della depolarizzazione, vista la lentezza nell’apertura e nella chiusura del canale (si chiamano “attività dipendenti”). Elevate concentrazioni di glutammato sono tossiche, per le concentrazioni elevate di Ca2+.

Le attività inibitorie sono mediate da GABA e glicina, vi sono recettori GABAa, ionotopici che regolano canali Cl-, e GABAb, metabotropico che attiva tramite secondi messaggeri enzimatici che mettono capo all’apertura di un canale K+.

Il cloro è importante perché ha p.d’equilibrio -70; la forza elettrochimica, p.membrana-p.equilibrio, sarà quindi positiva (-70–65 = -70+65 = 5) ed iperpolarizzante.

Per attivare i canali sono necessarie due molecole di GABA e fino a tre molecole di glicina.

Inoltre, l’apertura dei canali GABA fa aumentare la conduttanza dei canali passivi (g1) e per la legge di Ohm (Vepsp = Iepsp / g1) avviene un’inibizione sinaptica cortocircuitante detta Shunt.

Sono presenti anche canali attivati da serotonina (permeabili ai cationi monovalenti, potenziale d’inversione vicino a 0 mV) e ATP (permeabile a cationi monovalenti e Ca2+, 0 mV inversione).

Attività integrativa del sistema nervoso: Decisione nell’invio di messaggi. Nei motoneuroni e in molti interneuroni la decisione di inviare un p.d’azione avviene nella fase iniziale dell’assone, il cono d’emergenza, perché li’ sono più densi i canali Na+. Costante di tempo (andamento temporale del potenziale sinaptico) che influenza la sommazione temporale (serie di potenziali sinaptici che si succedono nel tempo e nello stesso sito vengono sommati nella cellula postsinaptica); la costante di spazio determina il decremento delle correnti depolarizzanti nella loro propagazione: maggiore è la costante, più lento è il decremento con la distanza percorsa.

L’attività inibitoria si localizza nel soma cellulare (si ricordano le terminazioni asso assoniche, asso somatiche e asso dendritiche) vicino al segmento iniziale dell’assone, mentre le sinapsi sulle spine dendritiche sono eccitatorie; le sinapsi asso-assoniche influenzano indirettamente l’attività del neurone regolando la quantità di neurotrasmettitore liberata.

I recettori sinaptici hanno il compito di riconoscere il neurotrasmettitore e di attivare i rispettivi effettori: i recettori ionotropici attivano direttamente i canali ionici, le mansioni recettrice ed effettrice sono svolti dalla medesima macromoloecola. Invece, i recettori metabotropici controllano indirettamente i canali, mentre i due ruoli sono svolti da molecole distinte.

Per quanto riguarda i recettori metabotropici: recettori accoppiati a proteine G e recettori delle tirosin-chinasi. I secondi messaggeri si suddividono in gassosi e non gassosi, il più noto fra quelli non gassosi è”adenosin-monofosfato ciclico” (AMPc), ma anche i Ca2+ intracellulari possono svolgere questo ruolo. L’ossido nitrico e il monossido di carbonio sono i gassosi più importanti.

Via dell’ AMPc: 1) legame del neurotrasmettitore al recettore 2) attivazione di una proteina G stimolante, detta Gs 3) A riposo, Gs è legata a GDP, ma una volta attivata dal recettore assume GTP al posto di GDP, essendo così in grado di stimolare l’adenilil-ciclasi 4) In presenza della proteina G attivata, l’enzima inizia a convertire ATP in AMPc, così GTP-pr.G e subunità catalitica costituiscono la forma attiva dell’enzima. Infatti 5) quando Gs si associa alla subunità catalitica della ciclasi idrolizza a GDP il GTP a cui è legata, così la proteina G si dissocia dalla ciclasi e cessa la produzione di AMPc.

Un solo recettore può attivare molte proteine G (vantaggio dell’amplificazione, di cui si è già parlato a proposito delle sinapsi chimiche).

  1. L’attivazione diretta dei canali ionici tramite recettori ionotropici è rapidissima, perché comporta la modificazione di un’unica macromolecola, mentre le modificazioni metabotropiche sono più lente, ma durano a lungo, perché c’è una cascata di reazioni che richiede tempo.
  2. L’attività dei canali controllati da ligandi si esaurisce nell’attività eccitatoria o inibitoria di un neurone, e non prendono parte alla genesi del potenziale di riposo né alla conduzione dei potenziali d’azione. I recettori metabotropici, invece, visto che inducono la formazione di secondi messaggeri facilmente diffusibili, agiscono sui canali più svariati in varie zone della cellula.
  3. I recettori metabotropici possono non solo aumentare, ma anche ridurre la frequenza di apertura dei canali.

Essendo più lenti dei canali attivati da ligandi, i metabotropici esercitano un’influenza profonda sull’attività elettrofisiologica della cellula (potenziale di riposo, costanti di tempo e spazio, durata e caratteristiche della frequenza di scarica dei potenziali): attività sinaptiche modulatorie.

Tali attività si riassumono in: liberazione dei neurotrasmettitori; modulazione dei canali attivati da ligandi; modulazione dei canali passivi e v.dipendenti del soma.

Di solito, i sistemi di secondo messaggero fosforilano le proteine costitutive dei canali modificandone l’attività, ma vi sono casi in cui le proteine G agiscono direttamente sui canali (recettori muscarinici cardiaci).

Liberazione dei neurotrasmettitori: La cellula presinaptica genera un p.d’azione di 110 mV, che determina la liberazione di neurotrasmettitore e genera la comparsa di un potenziale sinaptico ampio nella cellula postsinaptica (p.d’azione: entrata di Na+ e fuoriuscita di K+)_il potenziale postsinaptico scompare all’abbassamento del p.d’azione al di sotto dei 40 mV.

Per la liberazione non sono indispensabili né gli ioni sodio né quelli potassio, gli Na+ servono solo per depolarizzare la membrana. La liberazione dei neurotrasmettitori dipende notevolmente dall’ingresso di Ca2+, che si legano al sensore del calcio, presumibilemte nelle zone attive dove l’ingresso di calcio è almeno dieci volte maggiore che in ogni altra regione della terminazione.

Il ritardo sinaptico (tempo tra i due potenziali pre- e post-) è tipico delle sinapsi chimiche ed è dovuto alla maggiore lentezza dei canali per il calcio.

I canali per il calcio sono detti L, P/Q, N, R, T: sono tutti ad alto voltaggio tranne il T, e il canale L è particolarmente importante nel rilascio lento del neurotrasmettitore.

Ineurotrasmettitori sono rilasciati in pacchetti unitari detti quanti, ogni quanto determina un potenziale sinaptico quantale, e ogni p.s.quantale forma, insieme ad altri, il potenziale sinaptico totale.

Nelle giunzioni neuromuscolari, si parla di potenziali di placca in miniatura. In assenza di stimolazione, tali poternziali si presentano ad intervalli casuali, scompaiono al degenerare della terminazione presinaptica e ricompaiono al rigenerarsi delle sinapsi. Inoltre, tutti i potenziali di placca sìdi ampezza maggiore del p.sinaptico unitario sono suoi multipli interi.; all’aumentare della concentrazione di Ca2+ esterna, aumentano le risposte che presentano ampiezza maggiore, influenzano cioè il numero di quanti liberati in risposta a p.d’azione presinaptico.

I neurotrasmettitori sono nelle vescicole sinaptiche: la fusione di tali vescicole con la membrana avviene per esocitosi, che avviene con la formazione di un poro di fusione, che attraversa a tutto spessore sia le vescicola che la membrana.

Cenni sul riciclaggio delle membrane: la velocità di tale attività è influenzata dall’entità della stimolazione e dell’esocitosi, perché in presenza di stimoli deboli il recupero è rapido, cosa che rallenta con stimolazioni più energiche. La forma più rapida di recupero prevede la liberazione del neurotrasmettitore attraverso il poro senza fusione completa, perché in tal modo le vescicole divengono immediatamente disponibili.

In generale, il recupero avviene con il rivestimento delle membrane utilizzate con clatrina, similmente a quanto accade nelle cellule epiteliali, e la parte eccedente viene riciclata per endocitosi negli endosomi.

Si è scoperta la presenza di proteine che hanno i seguenti ruoli: 1) Vincolare le vescicole 2) indirizzarle verso le zone attive 3) ancorarle alle zone attive e facilitarne la fusione 4) promuovere l’esocitosi 5) recupero. Le sinapsine, ad esempio, vincolano le vescicole al citoscheletro.

La liberazione può essere costitutiva, indipendente cioè dall’ingresso di Ca2+, oppure regolativa, dipendente dal calcio.

Modifiche intrinseche: stimolazione ad alta frequenza determina un aumento della liberazione del neurot., o potenziamento post-tetanico, dovuto all’eccesso di Ca2+ accumulatosi nelle terminazioni nervose dopo una scarica di p.d’azione.

Modifiche estrinseche: neurotrasmettitori che agiscono sui recettori localizzati sulla membrana delle terminazioni assonali di un secondo neurone, possono facilitare o inibire la liberazione dei neurotrasmettitori stessi.


Share

Lascia un commento

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione / Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione / Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione / Modifica )

Google+ photo

Stai commentando usando il tuo account Google+. Chiudi sessione / Modifica )

Connessione a %s...