La membrana cellulare

MEMBRANA CELLULARE(O MEMBRANA PLASMATICA O PLASMALEMMA) STRUTTURA Basandosi sull’osservazione secondo la quale le sostanze che più facilmente attraversano la membrana cellulare sono lipofile, agli inizi del ‘900 fu ipotizzato che la struttura della membrana sia costituita prevalentemente da lipidi. Gorter e Grendel negli anni ‘20 proposero un modello di membrana costituito da un doppio strato fosfolipidico, basandosi sul fatto che la superficie che i fosfolipidi di membrana occuperebbero su un piano è doppia rispetto alla superficie complessiva delle cellule da cui provengono. Negli anni ‘50, venne proposto un altro modello di membrana (Dawson e Danielli): doppio strato fosfolipidico (secondo il modello di Gorter e Grendel) con proteine sia sul versante extracellulare che su quello intracellulare. Con la tecnica della “freeze fracturing” (“criofrattura” o “frattura a freddo”), negli anni ‘60 è stato proposto il modello “a mosaico fluido” (Singer e Nicholson). Congelando un tessuto e tagliandolo opportunamente, si separano i due strati di fosfolipidi della membrana cellulare; si osserva che vi sono in ciascuno strato delle “sporgenze” alle quali corrisponde nell’altro strato una “cavità”: le “sporgenze” sono dovuta a proteine “intrinseche”, che si trovano insite nel doppio strato fosfolipidico. La membrana è costituita da un doppio strato fosfolipidico con proteine estrinseche (secondo il modello di Dawson e Danielli) e proteine intrinseche; queste ultime possono attraversare da parte a parte il doppio strato fosfolipidico. Successivamente è stato dimostrato che questo modello è valido anche per le membrane di tutti gli organuli intracitoplasmatici. LIPIDI DI MEMBRANA La fluidità della membrana è determinata dalle seguenti carattestiche chimico-funzionali dei suoi componenti: 1) la catena idrocarburica dei fosfolipidi è mobile rispetto al gruppo carbossilico a cui è ancorata, per cui le molecole lipidiche sono ruotabili, flessibili e traslabili lateralmente; la flessibilità dipende dal grado di insaturazione degli acidi grassi dei fosfolipidi: maggiore è il numero di insaturazioni,maggiore sarà il numero di piegature obbligatorie,maggiore sarà l’ingombro sterico delle code,maggiore sarà la distanza tra le code,minori saranno le forze di Van Der Waals,maggiore sarà la fluidità; 2) il colesterolo è più corto dei fosfolipidi: a) è disposto col suo asse maggiore (idrofobico) parallelo alle catene degli acidi grassi: obbliga la formazione di spazi tra le catene apolari (maggiore fluidità) e ne impedisce il rimpacchettamento a basse temperature; ne impedisce i movimenti ad alte temperature; rende ancora più impermeabile il doppio strato fosfolipidico; b) costringe le teste polari a distanziarsi: favorisce l’ancoraggio di proteine esterne che possiedono gruppi idrofobici 3) microfilamenti di actina, interagendo con molecole del tipo della miosina, sono in grado di trasportare frammenti di membrana da una parte ad un’altra; sono quindi possibili spostamenti di proteine e glicoproteine; 4) la temperatura gioca un ruolo fondamentale nella fluidità della membrana, perché influisce sullo stato fisico dei lipidi. Es.: quando la temperatura esterna si riduce, negli ibernanti la fluidità della membrana viene assicurata da un aumento della quantità di acidi grassi insaturi. FUNZIONI DELLA MEMBRANA Regolazione degli scambi tra ambiente extracellulare ed intracellulare (permeabilità e trasporto) a) Diffusione semplice Flussi diffusionali unidirezionali e flusso diffusionale netto. Legge di Fick: Fd = Kd (C1 - C2) intensità di flusso = coefficiente di diffusione * differenza di concentrazione. Applicazione alla membrana:Fd = Pd (C1 - C2) intensità di flusso = coefficiente di permeabilità * differenza di concentrazione. Velocità di diffusione in base al gradiente di concentrazione, al tipo di molecola. Non richiede energia. al) O2, N2, CO2, sostanze liposolubili (metanolo, anestetici). a2) Diffusione non ionica acidi o basi in uguale [ ] ai lati della membrana differenza di pH tra i due lati della membrana da un lato sostanza indissociata (liposolubile: passa!) dall’altro ionizzata (idrosolubile: non passa!) attraversamento come sostanza indissociata ionizzazione arrivata all’altro versante impossibilità a tornare indietro si crea un gradiente di concentrazione. b) Diffusione attraverso canali b1) ioni (Na+, K+, Cl-, Mg++, Ca++: Pd dipende dai canali) Nel caso di ioni, il loro flusso è una corrente ionica; l’entità del flusso rappresenta l’intensità di corrente; il coefficiente di permeabilità la conduttanza ionica; la “forza spingente” è la differenza di potenziale. La legge di Fick: Fd = Pd (C1 - C2) per uno ione diventa: Ij = gj (V1 – V2), analoga a: I = 1/R (ΔV), cioè la legge di Ohm: membrana cellulare come conduttore. I canali ionici hanno una loro selettività determinata dalla carica e dalla dimensione dello spazio che lo ione deve attraversare. Molti canali possono passare dallo stato di pervietà ad uno stato di impervietà e viceversa, grazie alla presenza di una parte mobile (porta o “gate”) che si può aprire o chiudere: canali voltaggio- e chemio-dipendenti. b2) acqua (osmosi) La Δp dipende dal numero delle molecole di soluto nell’unità di volume ([ ]) e non dal tipo di soluto: tuttavia, a parità di peso per unità di volume, le molecole più grosse saranno meno numerose ed eserciteranno quindi una minore pressione osmotica. Osmole = quantità di soluto in una soluzione che eserciti una pressione di 22,4 atmosfere. Osmolarità = contenuto in osmoli di un litro di soluzione. Osmolalità = contenuto in osmoli di un chilo di solvente. In biologia si usa il milliosmole (mOsm). Isotonia, ipotonia, ipertonia. Comportamento osmotico dei globuli rossi. Importanza della polimerizzazione intracellulare del glucosio in glicogeno. Effetto osmotico delle albumine rispetto a quello delle globuline. L’equilibrio di Gibbs-Donnan. Recipiente diviso in due da una membrana permeabile a K+ e a Cl-, ma non a Pr- . Genesi della ΔV. K+ passa per gradiente di concentrazione ma frenato dal gradiente elettrico; Cl- passa per gradiente elettrico ma frenato dal gradiente di concentrazione. Conseguenza: dal lato dove si trova lo ione non diffusibile, < [ioni] dello stesso segno di quello non diffusibile, > [ioni] di segno opposto a quello non diffusibile. c) Diffusione facilitata c1) uniporto Molecole altamente polari, non liposolubili (glucosio,glicerolo, aminoacidi, etc.) Non richiede energia. Carrier con siti di legame selettività ed affinità: inibizione competitiva. Tipi di carriers diversi nelle varie cellule in relazione alle diverse esigenze funzionali. Mobilità del carrier libero e del carrier legato migrazione secondo le leggi della diffusione. Velocità di diffusione in base a: - gradiente di concentrazione ed elettrico - quantità di carrier disponibile: saturabilità e trasporto massimo c2) cotrasporto o simporto; c3) controtrasporto o antiporto Necessità di almeno 2 siti di legame distinti che devono essere obbligatoriamente occupati affinché il trasporto possa avvenire. d) Trasporto attivo Differenze intra-extracellulari di [ioni]. Blocco del metabolismo cellulare Ritorno all’equilibrio secondo gradienti di concentrazione ed elettrico. d1) primari (o pompe ioniche) d1a) Uniporto Pompa del Ca++ per mantenere bassa la [Ca++] citoplasmatica mediante un processo che richiede energia. Il carrier è anche enzima ATPasi. d1b) Controtrasporto La cellula estrude Na+ ed accumula K+, mediante un processo che richiede energia (pompa ionica di scambio); Il carrier è anche enzima ATPasi. Perché la pompa agisca sia come carrier che come enzima, è necessario che si leghino ad essa sia il Na+ sul lato interno sia il K+ sul lato esterno. Non c’è saturabilità; il limite è determinato dallo stesso gradiente elettrochimico che si genera; spiegazione: tenere presente che, oltre alla pompa che tende ad estrudere il Na+ (flusso ionico attivo), esistono sempre anche canali attraverso i quali il Na+ tende a rientrare per gradiente elettrochimico (controflusso ionico passivo); quando flusso e controflusso si bilanciano si sarà raggiunto il gradiente limite che dipenderà dalla potenza della pompa e dalla quantità dei pori. d2) secondari (o trasporti accoppiati) Per molecole più grandi (aminoacidi, glucoso, etc.). Trasferimento contro gradiente di una sostanza A che sfrutta il moto secondo gradiente di un’altra sostanza (solitamente uno ione) motrice B (controflusso ionico passivo). Affinchè possa avvenire il moto secondo gradiente della sostanza B, è necessario che questo gradiente sia mantenuto da una pompa, (flusso ionico attivo: primum movens). Il carrier vero e proprio non ha funzione ATPasica: la dipendenza del trasporto accoppiato dalle fonti energetiche cellulari è indiretta. Il trasferimento contro gradiente può avvenire come cotrasporto (Na+/glucoso) o come controtrasporto. e) Endocitosi Processo attivo mediante il quale la cellula, attraverso introflessioni localizzate di tratti della membrana, è in grado di introdurre nel citoplasma dei materiali extracellulari. Nei protozoi è essenziale per la nutrizione. Nei metazoi è importante per altre funzioni; si osserva in particolare da parte di: macrofagi e polimorfonucleati (demolizione cellule senescenti, difesa immunitaria) cellule epiteliali dei follicoli tiroidei (funzionalità della tiroide) cellule endoteliali dei capillari (trasporto macromolecole) eritroblasti (pinocitosi delle molecole di ferritina) cellule dell’epitelio intestinale (pinocitosi dei lipidi emulsionati) La fagocitosi e la pinocitosi sono modalità aspecifiche di endocitosi (rispettivamente, per sostanze solide e in soluzione), diffuse soprattutto tra i protisti, ma presenti anche in alcune cellule di animali superiori (alcuni leucociti). Quando la macromolecola (o la soluzione) si trova in prossimità della membrana, si assiste alla introflessione ed estroflessione della membrana, oppure soltanto estroflessione, con formazione di pseudopodi, mediate da filamenti di actina e miosina. Successivamente, si ha fusione della membrana plasmatica, a livello delle zone più estroflesse, senza interruzione di essa; isolamento del materiale ingerito dal citoplasma. Una frazione della membrana viene sottratta e rapidamente ricostituita senza variazioni del volume cellulare. L’endocitosi mediata da recettori è una modalità specifica di endocitosi, frequente nelle cellule di organismi più evoluti. I fenomeni sono quelli della fagocitosi, ma sono preceduti dal riconoscimento e dall’adesione della sostanza da portare dentro la cellula. Entrano in gioco recettori che si trovano in determinate zone della membrana (fossette rivestite: coated pits), al di sotto delle quali sono presenti molecole proteiche (clatrina). Quando si verifica l’introflessione, le vescicole sono rivestite da queste proteine. f) Esocitosi Materiale eliminato per esocitosi: contenuto in vescicole del campo di Golgi (neurotrasmettitori, ormoni) assunto per endocitosi rimasto tale e quale (transito) o digerito solo parzialmente dai lisosomi sintetizzato dal citoplasma e non rivestito da membrane (trigliceridi del latte) Successione dei fenomeni uguale a quella dell’endocitosi, ma: a) il sito di riconoscimento della membrana cellulare guarda in versante intracellulare; b) i recettori delle vescicole devono esporre un segmento idrofobico che si innesti sul lato interno della membrana. a) + b) = l’esocitosi non è l’inverso dell’endocitosi Adesione e congiunzione fra doppi strati nell’eso- e nell’endocitosi. Lo spazio extracellulare è posto in alto, separato dal citoplasma (in basso) per mezzo della membrana plasmatica. Si noti come la fase iniziale di adesione vieti di considerare l’esocitosi semplicemente come il processo inverso dell’endocitosi: nell’esocitosi aderiscono inizialmente due monostrati della faccia citoplasmatico della membrana, mentre nell’endocitosi aderiscono inizialmente due monostrati della faccia non citoplasmatico. In entrambi i casi, il monostrato della faccia citoplasmatico rimane in contatto col citosol. Una frazione della membrana viene aggiunta e rapidamente sottratta senza variazioni del volume cellulare. L’apertura delle vescicole esocitosiche richiede Ca++, mentre è inibita da Mg++. Ca++, di per sé, favorisce la fusione dei fosfolipidi delle due membrane, anche senza l’intervento dei recettori delle vescicole, in quanto neutralizza le cariche negative che si trovano alla superficie dei fosfolipidi. Comunicazione intercellulare a) elettrica Variazione del potenziale di membrana = messaggio trasmissibile e recepibile a distanza + o – lunga Cellule eccitabili b) chimica Messaggeri extracellulari e cellule bersaglio con recettori Sistema endocrino Legame messaggero-recettore: attivazione di quest’ultimo: reversibilità, saturabilità, affinità, specificità (competizione: bloccanti o mimetici) Recettori con siti di legame specifici per il messaggero. Tipi di recettori: 1) canale ionico: v. gates determinano una variazione della ΔV; trasformazione del messaggio chimico in messaggio elettrico neurotrasmettitori 2) ad azione fosforilativa diretta; subunità recettrice subunità fosforilante (carattere ATPasico) variazione dell’attività delle proteine bersaglio 3) attivi tramite secondi messaggeri intracellulari; a) recettori non sempre transmembranari: b) attivazione di un’altra proteina di membrana (proteina G stimolatoria o inibitoria) che, a sua volta, c) attiva o inibisce una terza proteina che d) sintetizza il II messaggero (cAMP o IP3). GLICOCALICE Struttura che circonda la cellula, associata alla membrana in contatto con essa solo durante la sua sintesi e la sua secrezione. Costituita solitamente da carboidrati e proteine. Trattasi di struttura extracellulare, ma per le sue funzioni protettive, strutturali e regolatrici della permeabilità, è un tutt’uno funzionale con la membrana plasmatica: concetto di superficie cellulare. Funzioni: a) sostegno b) regolazione della permeabilità c) antigenicità Esempi di glicocalice: Mucopeptide .dei batteri Gram + e Gram -; nei primi, esso è costituito da pochi aminoacidi., glucosamina, acido muramico e piccole quantità di glucoso e fruttoso; nei Gram -, è costituito da piccole quantità di mucopeptidi e quantità maggiori di glucoso e fruttoso riuniti attorno all’acido 2-cheto-3-deossioctanico (Antigene 0). Chitina ed artropodina degli invertebrati. Condroitine e condroitinsolfato della cartilagine. Collagene del tessuto connettivo contenente glicina, prolina, idrossiprolina ed acido ialuronico. Lamine basali degli epiteli. Zona pellucida degli oociti. Cellulosa, emicellulosa e pectine nelle piante. SPECIALIZZAZIONI DELLA SUPERFICIE CELLULARE 1) Introflessioni Dispositivi di estensione della superficie cellulare a) caveolae proprie delle fibre muscolari a livello della placca motrice; b) tubuli T delle cellule muscolari striate cardiache e delle fibre muscolari striate perpendicolari all’asse delle cellule permettono l’attivazione sincrona della contrazione dei miofilamenti superficiali e profondi; c) labirinto basale delle cellule specializzate nel trasporto di acqua, ioni, metaboliti (cellule del tubulo contorto prossimale del rene) 2) Microvilli Dispositivi di estensione della superficie cellulare presenti nella maggior parte delle cellule soprattutto impegnate in funzioni assorbitive (cellule dell’epitelio intestinale: orletto a spazzola) 3) Giunzioni intercellulari a) aderenti mantenimento dei rapporti tra le cellule in tessuti particolarmente sottoposti a sollecitazioni meccaniche (epiteli pavimentosi pluristratificati, tessuto muscolare miocardico). a1) desmosoma o macula adhaerens ispessimento circoscritto di due membrane separate da 200-300 Å; addensamento di ialoplasma con fibrille citoplasmatiche (precheratina) che ripiegano a V a livello della placca; interposizione di materiale amorfo (glicocalice: mucopolisaccaridi legati a proteine che funzionano da mezzo di coesione). a2) zonula adhaerens affrontamento di due membrane separate da uno spazio minore di quello che si osserva a livello di desmosoma (100-150 Å) con interposizione di materiale amorfo; mancanza dell’addensamento ialoplasmatico fibrille citoplasmatiche (actina) meno abbondanti che nel desmosoma; disposizione intorno all’intera cellula. b) serrate (gap junctions o nexus) Affrontamento di due membrane separate da uno spazio sottilissimo (18-20 Å) in cui sporgono convessità di particelle globulari. Trattasi di proteine intrinseche disposte a simmetria esagonale, che entrano in contatto con le loro convessità, formanti un sistema di canalicoli permeabili al passaggio di molecole con un PM max di 1000 ed accessibili dagli spazi extracellulari circostanti. Possono mutare il loro aspetto regolando la permeabilità attraverso i canalicoli. Canali idrofili per ioni o piccole molecole. Zone a bassa resistenza elettrica (propagazione diretta di un fenomeno elettrico dall’una all’altra cellula: “sinapsi elettrica” delle cellule muscolari lisce e cellule miocardiche). Le cellule possono modificare la loro reciproca distanza, regolando l’accoppiamento ed il disaccoppiamento elettrotonico. c) occludenti (tight junctions) Contatto stretto tra membrane con occlusione dello spazio extracellulare per fusione tra le membrane in tutta la loro circonferenza. Funzioni: Separazione dello spazio extracellulare; La giunzione non può essere attraversata da acqua o altre sostanze: possibilità di mantenere elevati gradienti osmotici e ionici tra lume e liquidi interstiziali. Resistenza elevata proprio perché non consente il passaggio di ioni. d) Complessi giunzionali (terminal bar) Terminazioni diverse dall’estremità apicale a quella basale, nell’ordine: occludenti, fascia adhaerens, desmosomi, con possibili gap junctions interposte. Importanza funzionale delle giunzioni: 1) mantenimento dei rapporti tra le cellule (soprattutto giunzioni aderenti); 2) propagazione diretta di fenomeni elettrici (soprattutto gap junctions); 3) concetto di membrana multicellulare: passaggio di acqua e soluti per via paracellulare; a) flusso massivo membrane con pori di grandi dimensioni (> 50 Å) intensità del flusso determinata dalla ΔP anziché dalla Δ[ ]:Fm = Km (P1 - P2), in cui Km è il coefficiente di permeabilità massiva della membrana. b) filtrazione La dimensione dei tramiti intercellulari determina la dimensione delle sostanze che possono passare (membrane filtranti): capacità, ad esempio da parte di molti endoteli, di far passare tutti i costituenti del plasma ad eccezione delle proteine (formazione dell’ultrafiltrato). Anche in questo caso, l’intensità dipende dalla ΔP:Ff = Kf (P1 - P2), in cui Kf è il coefficiente di filtrazione della membrana.

Il Sistema Nervoso

IL SISTEMA NERVOSO Il sistema nervoso, generalmente, risponde rapidamente ad uno stimolo, modificando l’attività di un organo o di un sistema, ma questa risposta è di breve durata. La risposta, cioè, compare quasi immediatamente (in pochi millisecondi) ma dura poco e gli effetti cessano con la cessazione dell’impulso. Le risposte endocrine sono invece tipicamente più lente, ma durano più a lungo. Il sistema endocrino regola l’attività metabolica di altri sistemi come risposta, ad esempio, di modificazioni della disponibilità di nutrienti e della richiesta energetica. Esso inoltre coordina processi che continuano per lunghi periodi (mesi o anni), come la crescita e lo sviluppo. Il sistema nervoso include tutto il tessuto nervoso del corpo. Esso si divide in SNC e SNP Il SISTEMA NERVOSO CENTRALE è responsabile dell’integrazione, del processamento e del coordinamento delle informazioni sensitive e degli stimoli motori. Esso è anche la sede delle funzioni superiori, come l’intelligenza, la memoria, l’apprendimento e le emozioni. Il liquido cerebrospinale (LCS) riempie il canale centrale e i ventricoli e circonda il SNC, che è contenuto all’interno della cavità dorsale del corpo. I ventricoli sono ampie camere che si trovano all’interno dell’encefalo, mentre il canale centrale è rappresentato dal midollo spinale. Il SISTEMA NERVOSO PERIFERICO comprente tutto il tessuto nervoso presente all’esterno del SNC. Il SNP trasporta informazioni sensitive al SNC e comandi motori ai tessuti e agli organi periferici. Le informazioni sensitive sono trasportate al SNC tramite i rami afferenti del SNP, mentre le informazioni motorie arrivano ai muscoli e alle ghiandole per mezzo dei rami efferenti. I rami afferenti iniziano con un recettore che avverte una specifica modificazione dell’ambiente esterno. Il recettore può essere un dendrite (processo sensitivo del neurone), una cellula o un gruppo di cellule specializzate o un complesso organo di senso, come l’occhio. Il ramo efferente inizia all’interno del SNC e termina a livello di un effettore come una cellula muscolare, ghiandolare o specializzata nel compiere altre funzioni. Entrambe le divisioni hanno una componente viscerale e una somatica. Il ramo afferente trasporta informazioni provenienti dai recettori sensoriali somatici, che controllano la muscolatura scheletrica e le articolazioni, e dai recettori sensoriali viscerali che monitorizzano tessuti interni, come la muscolatura liscia, quella cardiaca e le ghiandole. Il ramo afferente trasporta anche informazioni concernenti gli organi della sensibilità speciale, come l’occhio e l’orecchio. La componente efferente comprende il sistema nervoso somatico (SNS), che controlla la contrazione della muscolatura scheletrica, e il sistema nervoso autonomo (SNA), o visceromotore, che regola l’attività della muscolatura liscia, si quella cardiaca e delle ghiandole. Le attività del sistema nervoso somatico possono essere volontarie o involontarie. Le contrazioni volontarie sono sotto il controllo della coscienza; è possibile infatti esercitare un controllo volontario sui muscoli del braccio. Le contrazioni involontarie sono invece esercitate inconsciamente; se accidentalmente si pone la mano su una pentola calda, essa sarà retratta immediatamente, generalmente prima ancora di avvertire il dolore. Le attività del sistema nervoso autonomo sono di solito al di fuori della coscienza. Gli organi del SNC e del SNP sono complessi, con numerosi vasi ematici e strati di tessuto connettivo che svolgono una sorta di protezione fisica e un supporto meccanico. Questo perché tutte le funzioni del sistema nervoso devono essere svolte da singoli neuroni che devono essere mantenuti sani, protetti e pienamente funzionanti. ORGANIZZAZIONE CELLULARE DEL SISTEMA NERVOSO Il sistema nervoso possiede due diversi tipi di cellule: le cellule nervose, o neuroni, e le cellule di sostegno, o neuroglia. I neuroni sono responsabili del trasferimento e dell’elaborazione delle informazioni che viaggiano nel sistema nervoso. Un neurone tipo è costituito da un corpo cellulare detto soma o pirenoforo. La regione intorno al nucleo è detta pericarion. Il corpo cellulare di solito presenta diversi dendriti, in genere altamente ramificati e le cui ramificazioni presentano processi detti spine dendritiche. Nel SNC un neurone riceve informazioni da altri neuroni principalmente a livello delle spine dendreitiche, che rappresentano l’80-90% dell’area della superficie del neurone. Il corpo cellulare è attaccato ad un lungo assone che termina con una o più terminazioni sinaptiche. Ad ognuna di queste, il neurone comunica con un'altra cellula. Il soma contiene tutti gli organuli necessari alla produzione di energia e alla sintesi di molecole organiche, come gli enzimi. Le cellule di supporto, o neuroglia, svolgono una funzione isolante sulle cellule nervose, costituendo una rete di sostegno per le stesse e avendo anche una funzione fagocitica. Il tessuto nervoso nel nostro organismo possiede circa 100 miliardi di cellule gliali, circa 5 volte il numero dei neuroni. Le cellule gliali sono poi piccole dei neuroni e posseggono la capacità di dividersi, una capacità persa dalla maggior parte dei neuroni. Collettivamente, la neuroglia finisce per occupare solo il 50% del volume del tessuto nervoso. Vi sono significative differenze nell’organizzazione tissutale nel SNC e nel SNP, principalmente dovute alle differenze nella popolazione delle cellule gliali. NEUROGLIA DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE Nel SNC si trovano 4 tipi di cellule gliali: astrociti, oligodendrociti, microglia e cellule ependimali ASTROCITI sono le cellule gliali più grandi e numerose. I processi degli astrociti si pongono in contatto con i corpi cellulari neuronali, con gli assoni e le pareti dei capillari. Gli astrociti proteggono i neuroni dal contatto diretto con gli altri neuroni e limitano la loro esposizione ai liquidi interstiziali circostanti. Gli astrociti hanno varie funzioni, molte delle quali sono poco conosciute. Queste funzioni possono essere così riassunte: § Mantenimento della barriera ematoencefalica (BEE). Le cellule endoteliali che rivestono i capillari del SNC controllano gli scambi chimici tra sangue e liquido interstiziale. Queste cellule sono caratterizzate da una permeabilità molto selettiva e quindi creano una barriera ematoencefalica che isola il SNC dalla circolazione generale. Sostanze chimiche prodotte dagli astrociti sono fondamentali per il mantenimento della barriera ematoencefalica. Le sottili estensioni citoplasmatiche degli astrociti terminano in un processo pedicellare espanso che ricopre i capillari. Vi sono così tanti astrociti e, quindi, così tanti processi pedicellari da costituire un rivestimento completo dei capillari, interrotto solo laddove altre cellule gliali si pongono in contatto con le pareti capillari § Creazione di una rete di sostegno tridimensionale per il SNC. Gli astrociti sono impacchettati con microfilamenti che si estendono per tutta l’estensione cellulare. Questo rinforzo li aiuta nel provvedere a una rete strutturale di sostegno per l’encefalo e il midollo spinale § Svolgimento di funzioni riparative nel tessuto neuronale danneggiato Dopo un danno al SNC, gli astrociti intervengono nella riparazione strutturale che stabilizza il tessuto e previene da ulteriori insulti, mediante la produzione di tessuto cicatriziale a livello del sito dell’insulto § Guida dello sviluppo neuronale Gli astrociti nell’encefalo embrionale sembrano essere coinvolti nella regolazione della crescita e delle interconnessioni dei neuroni in via di sviluppo attraverso la secrezione di sostanze chimiche note come fattori neuroprotici § Controllo dell’ambiente interstiziale Dati sperimentali suggeriscono che gli astrociti reglolano la composizione del liquido interstiziale provvedendo ad un sistema di scambio rapido per il trasporto di nutrienti, ioni e gas tra i capillari e i neuroni. In più, essi assorbono e riciclano neurotrasmettitori rilasciati ai terminali sinaptici attivi OLIGODENDROCITI assomigliano agli astrociti solo per il fatto che possiedono sottili estensioni citoplasmatiche. Comunque, i corpi cellulari degli oligodendrociti sono più piccoli ed hanno meno processi. Generalmente, i processi degli oligodendrociti contattano gli assoni o i corpi cellulari neuronali. Gli oligodendrociti tengono gruppi di assoni insieme e migliorano la funzionalità dei neuroni, inglobando gli assoni nella mielina, un materiale con proprietà isolanti. Le funzioni delle terminazioni dei corpi cellulari devono ancora essere precisate. La mielina altro non è che una sfoglia appiattita che si dispone intorno all’assone, creando una guaina pluristratificata composta principalmente da fosfolipidi. Essa migliora la velocità alla quale un potenziale d’azione, o impulso nervoso, viene condotto lungo l’assone. Non tutti gli assoni del SNC sono mielinizzati e assoni amielinici possono non essere totalmente ricoperti dai processi delle cellule gliali. Piccole interruzioni, dette nodi o nodi di Ranvier, esistono tra guaine mieliniche prodotte da oligodendrociti adiacenti. Le aree relativamente grandi ricoperte da mielina sono dette internodi. Le regioni in cui predominano gli assoni mielinici costituiscono la sostanza bianca del SNC. All’opposto, le regioni in cui predominano i corpi cellulari, i dendriti a gli assoni amielinici sono dette sostanza grigia, per il loro colore grigio scuro. MICROGLIA circa il 5% delle cellule gliali del SNC costituisce la microglia. Queste cellule sono più piccole delle altre cellule gliali ed i loro sottili processi citoplasmatici possiedono numerose sottili ramificazioni. La microglia ingloba detriti cellulari, prodotti di rifiuto e agenti patogeni. Durante infezioni o insulti, il numero di cellule della microglia aumenta sostanzialmente CELLULE EPENDIMALI i ventricoli cerebrali e il canale centrale del midollo spinale sono rivestiti da uno strato cellulare, detto ependima. Queste camere e questi canali sono riempiti da liquido cerebrospinale (LCS). Questo liquido, che si trova anche intorno all’encefalo e al midollo spinale, svolge funzioni protettive e di trasporto di materiale nutritivo, gas, sostanze di rifiuto e altro materiale. Le cellule ependimali hanno una forma da cubica a colonnare. A differenza delle tipiche cellule epiteliali, le cellule ependimali hanno sottili processi che prendono contatto estesamente con le cellule gliali del tessuto nervoso circostante. Dati sperimentali suggeriscono che le cellule ependimali possono agire come recettori che monitorizzano la composizione del LCS. Entro i ventricoli le cellule ependimali partecipano alla secrezione del LCS NEUROGLIA DEL SISTEMA NERVOSO PERIFERICO I pirenofori del sistema nervoso periferico si trovano riuniti in raggruppamenti detti gangli. Gli assoni sono tenuti assieme per mezzo di tessuto connettivo, formando i nervi periferici o, più semplicemente, i nervi. I pirenofori e gli assoni nel SNP sono completamente isolati dalle strutture circostanti per mezzo dei processi delle cellule gliali. I due citotipi gliali coinvolti si chiamano cellule satelliti e cellule di Schwann. CELLULE SATELLITI le cellule satelliti, o anficiti, circondano i pirenofori nei gangli periferici. Le cellule satelliti regolano gli scambi di nutrienti e delle scorie tre pirenofori e il fluido extracellulare. Essi inoltre cooperano nell’isolare il neurone da stimoli diversi da quelli prodotti dalle sinapsi CELLULE SI SCHWANN le cellule si Schwann, o neurolemmociti forniscono un rivestimento completo intorno ad ogni assone periferico, sia esso mielinizzato che amielinico. La membrana cellulare di un assone è detta assolemma; il rivestimento citoplasmatico di superficie fornito dalle cellule di Schwann è detto neurilemma. La relazione tra una cellula di Schwann e un assone periferico mielinizzato è differente da quella tra un oligodendrocita ed un assone mielinizzato del SNC. Una cellula di Schwann può infatti mielinizzare solo 1 mm di un singolo assone; al contrario un oligodendrocita può mielinizzare porzioni di diversi assoni. Sebbene il meccanismo della mielizzazione differisca, gli assoni mielinizzati del SNC e del SNP possiedono entrambi nodi e internodi, e la presenza di mielina, comunque essa sia formata, aumenta la velocità di conduzione dell’impulso nervoso. Una singola cellula di Schwann può rivestire diversi assoni amielinici. I NEURONI Il pirenoforo di un neurone multipolare tipo contiene un nucleo rotondo piuttosto voluminoso con un nucleolo prominente (regione densa del nucleo che rappresenta il sito della sintesi dell’RNA). Il citoplasma disposto intorno costituisce il pericarion. Il citoscheletro del pericarion contiene neurofilamenti e neurotubuli. Fasci di neurofilamenti, detti neurofibrille, si estendono nei dendriti e nell’assone. Il pericarion contiene organuli che producono energia e svolgono attività di sintesi. I numerosi mitocondri, i ribosomi fissi e liberi e le membrane del reticolo endoplasmatico rugoso (RER) conferiscono al pericarion un aspetto granuloso e grossolano. I mitocondri producono l’ATP necessario a soddisfare le richieste energetiche di un neurone in attività. I ribosomi e il RER sintetizzano peptici e proteine. I neuroni, di solito, perdono i loro centrioli durante la differenziazione e diventano incapaci di andare incontro a mitosi. Come risultato, se questi neuroni muoiono in seguito ad un insulto o ad una patologia non possono essere rimpiazzati. La permeabilità della membrana cellulare dei dendriti e del pirenoforo può mutare in seguito all’esposizione a stimoli chimici, meccanici o elettrici. Una delle funzioni principali delle cellule gliali è limitare il numero e il tipo di stimoli a carico dei singoli neuroni. Un assone può ramificarsi lungo il suo percorso, dando origine a rami laterali, chiamati collaterali. Il ramo principale e le collaterali terminano in una serie di sottili terminazioni, dette telodendri. Ognuno dei telodendri termina con un terminale sinaptico, attraverso cui il neurone contatta un altro neurone o un effettore. Il trasporto assoplasmatico è il movimento di organelli, nutrienti, molecole sintetizzate e prodotti di rifiuto tra il corpo cellulare e i terminali sinaptici. Ogni terminale sinaptico è una porzione della sinapsi, una struttura specializzata dove un neurone comunica con un'altra cellula. La struttura dei terminali sinaptici varia in relazione al tipo di cellula postsinaptica. La comunicazione sinaptica, molto spesso, coinvolge il rilascio di specifiche sostanze chimiche, dette neurotrasmettitori. Il rilascio di queste sostanze è innescato dall’arrivo dell’impulso nervoso. CLASSIFICAZIONE DEI NEURONI I miliardi di neuroni presenti nel sistema nervoso hanno ampia variabilità e forma. I neurono vengono classificati in due modi: su base strutturale e su base funzionale. CLASSIFICAZIONE STRUTTURALE la classificazione strutturale è basata sul numero di processi che emergono dal corpo cellulare § I neuroni anassonici Sono piccoli e non vi sono elementi per distinguere i dendriti dagli assoni. I neuroni anassonici si trovano nel SNC e in particolari organi di senso, ma la loro funzione è poco conosciuta § I neuroni bipolari Possiedono un dendrite ed un assone col corpo cellulare interposto fra di loro. I neuroni bipolari sono piuttosto rari ma giocano un ruolo importante nello scambio di informazioni sensoriali visive, olfattive e uditive. I loro assoni sono amielinici § I neuroni unipolari I processi dendritici ed assonici sono continui e il pirenoforo non interrompe questa continuità. I neuroni sensitivi del SNP sono generalmente unipolari e il loro assone può essere mielinico § I neuroni multipolari Possiedono diversi dendriti ed un singolo assone che può avere una o più ramificazioni. I neuroni multipolari sono il tipo più comune di neuroni del SNC. Per esempio, tutti i neuroni motori che controllano i muscoli scheletrici sono neuroni multipolari con assone mielinico CLASSIFICAZIONE FUNZIONALE i neuroni possono essere divisi in tre categorie funzionali: i neuroni sensoriali, i neuroni motori e gli interneuroni o neuroni associativi. § I neuroni sensoriali Quasi tutti i neuroni sensoriali sono neuroni unipolari con i loro corpi cellulari localizzati al di fuori del SNC nei gangli periferici sensoriali. Essi formano la porzione afferente del SNP. La loro funzione è quella di condurre gli stimoli verso il SNC. Gli assoni dei neuroni sensoriali, dette fibre afferenti, si estendono tra un recettore sensoriale e il midollo spinale o l’encefalo. I neuroni sensoriali raccolgono le informazioni provenienti dall’ambiente esterno ed interno. I neuroni sensoriali somatici monitorizzano il mondo esterno e la nostra posizione in esso. I neuroni sensoriali viscerali raccolgono invece informazioni concernenti lo stato degli organi interni. I recettori possono essere processi di neuroni sensoriali specializzati o cellule controllate da neuroni sensoriali. I recettori possono essere suddivisi in: Ø Esterocettori Raccolgono informazioni dall’ambiente esterno concernenti il tatto, la temperatura, e la pressione, oltre ai più complessi sensi speciali della vista, dell’olfatto e dell’udito Ø Propriocettori Monitorizzano la posizione e il movimento dei muscoli scheletrici e delle articolazioni Ø Intercettori Ricevono informazioni dagli apparati digerente, respiratorio, cardiovascolare, urinario e riproduttivo, oltre alle informazioni pressorie e dolorifiche, così come il gusto, un altro senso speciale Le informazioni provenienti dagli esterocettori e dai propriocettori sono trasportate da neuroni sensoriali somatici. Le informazioni provenienti dagli intercettori sono invece condotte dai neuroni sensoriali viscerali. § I neuroni motori (o motoneuroni) Sono neuroni multipolari che formano la componente efferente del sistema nervoso. Un motoneurone è in grado di stimolare o modificare l’attività di un tessuto periferico, di un organo o di un apparato. Le due componenti efferenti del SNP, il sistema nervoso somatico (SNS) e il sistema nervoso autonomo (SNA), innervano effettori periferici differenti. Il SNS comprende tutti i motoneuroni somatici che innervano i muscoli scheletrici. I pirenofori di questi motoneuroni si trovano nel SNC e i loro assoni si estendono fino alle giunzioni neuromuscolari che controllano i muscoli scheletrici. La maggior parte delle attività del SNS sono sotto il controllo della coscienza. Il sistema nervoso autonomo comprende tutti i motoneuroni viscerali che innervano effettori periferici differenti dai muscoli scheletrici. Ci sono due tipi di motoneuroni viscerali, un gruppo con i pirenofori all’interno del SNC e un altro con i corpi cellulari nei gangli periferici. I neuroni del SNC controllano quelli presenti nei gangli periferici, i quali a loro volta, controllano gli effettori periferici. Gli assoni che si estendono dal SNC ai gangli sono detti fibre pregangliari. Gli assoni che connettono le cellule gangliari con gli effettori periferici sono detti fibre postgangliari. Questa disposizione caratterizza e distingue il SNS dal SNA, le cui attività non sono sotto il controllo della coscienza § Gli interneuroni (o neuroni associativi) Possono trovarsi tra i neuroni sensoriali e i neuroni motori. Gli interneuroni si trovano esclusivamente nell’encefalo e nel midollo spinale. Si stima la presenza di 20 miliardi di interneuroni, molti di più di tutti gli altri tipi di neuroni messi insieme. Gli interneuroni hanno la responsabilità di analizzare gli stimoli sensoriali e coordinare gli stimoli motori. Più complessa è la risposta ad un dato stimolo, più elevato è il numero di interneuroni coinvolti. Gli interneuroni possono essere classificati come eccitatori o inibitori sulla base dei loro effetti sulla membrana postsinaptica degli altri neuroni Una caratteristica importante dei neuroni è che essi interagiscono formando circuiti. Come avviene in altri tipi cellulari, anche il citoplasma dei neuroni possiede cariche negative in eccesso. Usualmente, all’interno del neurone si presenta un potenziale di circa 60-70 millivolt (mV) più negativo rispetto all’ambiente extracellulare; cambiamenti elettrochimici generano l’impulso nervoso, la cui conduzione (e relativa frequenza) costituiscono il codice mediante il quale il sistema nervoso comunica e riceve le informazioni. La differenza di potenziale che sussiste tra i due versanti della membrana assonica può essere misurata. Essa è costante in un neurone non stimolato, e viene definita potenziale di riposo L’IMPULSO NERVOSO L’eccitabilità è la capacità di una membrana cellulare di condurre impulsi di tipo elettrico. Un impulso elettrico o potenziale d’azione si sviluppa quando la membrana è stimolata a un livello conosciuto come soglia. Una volta raggiunto il livello soglia, cambia la permeabilità della membrana agli ioni sodio e potassio. I movimenti di ioni che ne derivano producono un improvviso cambiamento nel potenziale transmembranario e tale cambiamento costituisce il potenziale d’azione. Le variazioni della permeabilità sono temporanee e inizialmente confinate al punto di stimolazione. Tuttavia il cambiamento nella distribuzione ionica scatena quasi immediatamente cambiamenti nella permeabilità di porzioni adiacenti della membrana. In questo modo il potenziale d’azione si propaga lungo la membrana. Ad esempio, i potenziali d’azione che innescano la contrazione di una fibra muscolare scheletrica iniziano nella giunzione neuromuscolare e si trasmettono all’intera superficie del sarcolemma. Nel sistema nervoso i potenziali d’azione viaggiano da una parte all’altra del corpo attraverso gli assoni. Un potenziale d’azione che viaggia lungo un assone è detto impulso nervoso. Affinché un impulso nervoso venga generato, è necessario che uno stimolo di sufficiente intensità venga applicato alla membrana del neurone. Una volta generato, le modalità di conduzione dell’impulso dipendono dalle proprietà dell’assone, e in particolare: 1. La presenza o l’assenza di guaina mielinica: un assone mielinico conduce impulsi cinque o sette volte più velocemente di un assone amielinico 2. Il diametro dell’assone: maggiore è il diametro più rapidamente l’impulso viene condotto I più grandi assoni mielinici, con diametro che varia da 4 a 20 mm, conducono impulsi nervosi alla velocita di 140 m/s. Viceversa, piccole fibre nervose amieliniche (meno di 2 mm di diametro) conducono impulsi inferiori a 1 m/s. La differenza di carica elettrica che sussiste sui due versanti della membrana plasmatica di un neurone (60-70 mV) viene definita potenziale di membrana. In un neurone non stimolato esso corrisponde al potenziale di riposo. Un neurone risulta sensibile a ogni fattore chimico o fisico in grado di alterare il potenziale di riposo a livello di una determinata porzione della sua membrana plasmatica. Il cambiamento più clamoroso in condizione di riposo è rappresentato dal potenziale d’azione, una rapidissima inversione della polarità elettrica: per uno o due millisecondi il versante interno (citoplasmatico) della membrana assonica risulta positivo rispetto all’esterno. I potenziali di azione percorrono il neurone lungo i suoi processi citoplasmatici, sino a raggiungere distretti anche lontani. Le cariche elettriche che attraversano la membrana non sotto forma di elettroni ma come ioni, cioè atomi carichi. Tra i cationi ricordiamo l’Na+, il K+, e il Ca+ e, tra gli anioni, il Cl-. La membrana plasmatica dei neuroni, come quella di tutti altri tipi cellulari, consiste di un doppio strato lipidico impermeabile agli ioni. Tuttavia, la membrana contiene molecole proteiche (intrinseche) che servono da canali per gli ioni e da pompe ioniche. I dispositivi a pompa e i canali per gli ioni determinano i potenziali di riposo e quelli d’azione. Le pompe ioniche di membrana agiscono contro gradiente di concentrazione con dispendio di energia; la pompa più nota è la pompa sodio-potassio; essa espelle Na+ e introduce K+ con un movimento pari a tre ioni in uscita per due ioni in ingresso. La pompa sodio-potassio determina un eccesso di ioni sodio nell’ambiente extracellulare e un eccesso di ioni potassio nell’ambiente intracellulare; ciò significa che se questi cationi potessero attraversare lo strato lipidico, apolare, della membrana, essi tenderebbero a riequilibrare le differenze di concentrazione ionica. Questa pompa sodio-potassio si trova in tutte le cellule animali ed è costituita da una glicoproteina intrinseca della membrana (le glicoproteine contengono, legate, molecole di oligosaccaridi). In seguito all’idrolisi di una molecola di ATP (adenosintrifosfato) a dare ADP e fosfato inorganico, la pompa sodio-potassio trasporta due ioni K+ all’interno della cellula ed esporta tre ioni Na+ all’esterno. Questa pompa rappresenta quindi un sistema di trasferimento antiporto D’altra parte, questa distribuzione ineguale di cariche non potrebbe da sola spiegare l’esistenza di un potenziale di riposo, se non si prendessero in considerazione i canali per gli ioni. I canali per gli ioni consistono di strutture molecolari cilindriche che attraversano il duplice strato lipidico e che contengono un ambiente acquoso nel loro lume, formando un poro che può essere attraversato dagli ioni. Si tratta di canali selettivi per un determinato tipo di ione; si descrivono quindi i canali per il potassio, quelli per il sodio, quelli per il calcio e quelli per il cloro. I canali voltaggio-dipendenti si aprono o si chiudono in risposta a cambiamenti del potenziale elettrico della membrana plasmatica. I altri casi il cambiamento avviene in seguito al legame tra una determinata sostanza e una proteina recettoriale presente nella struttura del canale; si dice allora che il canale è regolato per via chimica. Ambedue i tipi di canale ad accesso regolato svolgono una funzione essenziale nei neuroni, ma per mantenere il potenziale di riposo sono sufficienti i canali ad accesso libero, canali, cioè, che risultano sempre aperti. I canali per il potassio rappresentano i più comuni varchi non regolati per i cationi e sono, in ultima analisi, quelli responsabili, in associazione alla pompa sodio-potassio, del potenziale di riposo. Tali canali rendono i neuroni molto più permeabili ai K+ che a ogni altro tipo di ioni e questa caratteristica spiega il potenziale d’azione e quello di riposo. La pompa sodio-potassio mantiene la concentrazione di questo catione molta alta nella cellula (a scapito dei cationi sodio), per cui il K+ tende a uscire tramite i canali seguendo il proprio gradiente, senza che le cariche positive perse in tal modo siano compensate; ciò determina all’interna della cellula la presenza di un eccesso di cariche negative (potenziale di riposo). La maggior parte delle cariche negative in eccesso è presente sulle molecole di grandi dimensioni quali le proteine del citoplasma, e tali molecole negative a causa delle loro dimensioni, non sono in grado di attraversare la membrana per controbilanciare la differenza di potenziale. A causa della differenza di potenziale che sussiste tra i suoi due versanti, la membrana viene detta polarizzata. Se in seguito a uno stimolo il versante citoplasmatico diventa ancor più negativo, la membrana viene detta iperpolarizzata, se invece diventa meno negativo, la membrana viene definita depolarizzata. Queste variazioni rispetto al potenziale di riposo possono essere determinate da cambiamenti nei canali ad accesso regolato. Se per esempio, in seguito a uno stimolo, si aprono i canali per il sodio, i cationi di questo tipo tendono ad entrare diffusamente nel citoplasma per ristabilire l’equilibrio alterato dalla pompa e per compensare l’eccesso di cariche negative, determinando una depolarizzazione. D’altra parte, si deve considerare anche la presenza di alcuni canali per il potassio in grado di chiudersi, impedendone l’uscita dal citoplasma e provocando pertanto anche essi una depolarizzazione. Un’alterazione opposta, rispetto al potenziale di riposo, interviene invece quando i canali per il K+ si aprono. La fuoriuscita dei cationi dalla cellula aumenta e la membrana si iperpolarizza. Le membrane plasmatiche dei neuroni contengono anche canali per il Cl- ad accesso regolato, e la concentrazione di tali anioni risulta più elevata nell’ambiente extracellulare rispetto a quello intracellulare. In definitiva, l’apertura e la chiusura dei vari canali ad accesso regolato costituiscono la base della risposta elettrochimica del neurone agli stimoli elettrici, chimici o recettoriali che siano. Bisogna considerare che l’alterazione locale del potenziale di membrana può effettivamente tradursi in un flusso di cariche e dunque in una corrente elettrica in grado di diffondersi sulla superficie cellulare modificandone il potenziale di riposo. Tuttavia, tale fenomeno è destinato ad esaurirsi a breve distanza, essendo la membrana un pessimo conduttore. La membrana dell’assone perde molti ioni lungo la trasmissione del segnale; perciò, la differenza di potenziale non può propagarsi per lunghe distanze lungo l’assone. Incapace di trasferire direttamente l’informazione nervosa, questo effimero flusso di corrente risulta tuttavia essenziale per la generazione di altri potenziali d’azione (i vari artefici della conduzione nervosa) e per la trasformazione in segnali nervosi degli stimoli sensoriali captati dalle cellule recettoriali. Durante la fase di riposo, il potenziale misura -60 mV, mentre durante il passaggio del potenziale d’azione misura +50 mV. Dopo il passaggio del potenziale d’azione, il potenziale di membrana ritorna rapidamente ai suoi -60 mV. I canali voltaggio-dipendenti per il sodio presenti nella membrana assonica sono i maggiori responsabili del potenziale d’azione; in corrispondenza di un potenziale di riposo, essi si trovano allo stato chiuso. Questi canali si definiscono voltaggio-dipendenti, perchè una depolarizzazione della mebrana plasmatica con un intensità superiore a una certa soglia induce i canali per il sodio ad aprirsi per tempi inferiori al millisecondo. L’apertura improvvisa dei canali per il sodio permette a questi ioni di entrare nella cellula per diffusione passiva, seguendo il gradiente determinato dalla azione della pompa sodio-potassio (Siamo in presenza di una concentrazione di ioni sodio più alta nell’ambiente extracellulare). L’ingresso di ioni Na+ nel citoplasma rende la cellula più positiva dal punto di vista delle cariche elettriche. L’apertura improvvisa dei canali per il sodio determina la rapida crescita del potenziale, che viene definita spike dai neurofisiologi. Ma quale meccanismo è responsabile del ritorno al potenziale di riposo? La chiusura dei canali per il sodio interrompe l’ingresso di tali ioni, ristabilendo così il potenziale di riposo. Determinati assoni presentano anche canali per il potassio voltaggio-dipendenti; essi si aprono più lentamente di quelli del sodio e rimangono aperti per periodi relativamente più lunghi. Ciò consente l’uscita del catione e quindi l’accumulo di cariche negative nel citoplasma. Il ripristino delle condizioni di riposo è essenziale affinché la superficie cellulare possa impegnarsi nella produzione e nella propagazione di nuovi potenziali d’azione. Una caratteristica dei canali voltaggio-dipendenti per il sodio risiede proprio nel fatto che una volta completato un ciclo di apertura e chiusura, essi non possono essere eccitati per un periodo di diversi millisecondi. Le proprietà di questi canali possono essere spiegate con la loro struttura: ognuno di questi contiene infatti due accessi regolati voltaggio-dipendenti, uno di attivazione, l’altro di disattivazione. In condizioni di riposo, l’accesso di attivazione risulta chiuso, mentre quello di disattivazione è aperto. La depolarizzazione della membrana fino al livello di soglia induce ambedue le strutture di accesso a cambiare il proprio stato. Tuttavia ciò avviene a diverse velocità: l’accesso di attivazione risponde più velocemente allo stimolo (aprendosi) e risulta quindi permeabile agli ioni Na+ durante la breve fase di apertura della “porta” di attivazione e chiusura di quella di disattivazione. Le porte di disattivazione riamangono allo stato chiuso per alcuni millisecondi, dopo di che si riaprono spontaneamente. Questo comportamento spiega il fenomeno del cosiddetto periodo refrattario della membrana, il periodo, cioè, durante il quale essa risulta incapace di generare un altro potenziale d’azione. Una volta che le porte di disattivazione risultano finalmente aperte, quelle di attivazione si chiudono, ripristinando l’eccitabilità della membrana. Soltanto un catione su 10 milioni attraversa i canali per gli ioni durante il passaggio di un potenziale d’azione. L’effetto di un singolo spike sulle condizioni che determinano la differenza di potenziale e dunque trascurabile. Neppure centinaia di potenziale d’azione sono in grado di alterare sensibilmente le differenze di concentrazione dell’Na+ e del K+ sui due versanti della membrana. Di conseguenza, lo pompa sodio-potassio non trova difficoltà nel mantenere la “batteria” carica, anche quando una cellula genera molti potenziali d’azione al secondo. I neuroni sono in grado di trasmettere informazioni attraverso lunghe distanze senza che il segnale si attenui. Si può dare l’avvio alla depolarizzazione iniziale mediante una corrente elettrica innescata da un microelettrodo. A questo punto è possibile osservare i cambiamenti nel potenziale di membrana associati al passaggio di uno spike in corrispondenza degli elettrodi di misurazione. A causa dei flussi di cariche elettriche che si generano in corrispondenza dei punti interessati dai potenziali d’azione, anche nelle regioni adiacenti si determinano fenomeni di depolarizzazione. Dall’esterno della membrana, ioni positivi affluiscono rapidamente nel citoplasma delle regioni depolarizzate, attratte dalle cariche positive in eccesso. Sul versante interno rispetto la membrana, le cariche positive tendono ad allontanarsi e a muoversi verso le regioni adiacenti, dove prevalgono le cariche negative; l’andamento complessivo di questo processo porta a ripolarizzare la regione stimolata e a depolarizzare quelle adiacenti. Se in corrispondenza di queste la depolarizzazione raggiunge valori di soglia in grado di aprire i canali voltaggio-dipendenti per il sodio, si determinano le condizioni adatte a generare nuovi potenziali d’azione. In questo modo lo spike si autopropaga dal sito di stimolo iniziale all’estremità opposta dell’assone. In una fibra nervosa sottoposta a uno stimolo, il potenziale d’azione non può che allontanarsi rispetto al punto di stimolazione, in quanto il periodo refrattario ne esclude il ritorno verso il sito in cui il processo è iniziato. Negli invertebrati, è proprio il diametro assonico a determinare la velocità di conduzione. Nei vertebrati, che presentano di norma numerosi neuroni e numerosissime connessioni, è stata percorsa una strada diversa per accelerare la trasmissione dell’impulso nervoso, selezionando un adattamento che non comportasse ad un aumento smisurato del diametro degli assoni ( questa scelta alternativa è una soluzione obbligata, dato che, per esempio, nella nostra specie circa un milione di assoni innervano un solo occhio). Come si è già visto in precedenza, nei vertebrati le fibre a conduzione veloce presentano una sorta di guaina isolante formate da speciali elementi della glia, definiti cellule di Schwann. Tale guaina deriva dalle proiezioni citoplasmatiche di queste cellule, che avvolgono l’assone con numerosi strati concentrici di plasmalemma. Ciò porta alla formazione di un manicotto dall’aspetto lucido e lattescente (la guaina mielinica), dal quale deriva il nome di “sostanza bianca” attribuita ai distretti del sistema nervoso contenenti in prevalenza assoni meilinizzati. La mielina rappresenta un isolante elettrico per l’assone, ciò impedisce il passaggio di ioni carichi in corrispondenza delle porzioni dell’assone che essa riveste. Un potenziale d’azione può quindi essere generato soltanto a livello della discontinuità di un nodo di Ranvier; la depolarizzazione non può invece propagarsi attraverso le aree di membrana adiacenti che presentano la guaina mielinica. Tuttavia, i cationi che entrano nell’assone a livello del nodo sono in grado di diffondere all’interno dell’assone. Quando tale corrente causa la depolarizzazione della membrana plasmatica in corrispondenza del nodo di Ranvier successivo, si genera un altro potenziale d’azione. Dunque la depolarizzazione si trasferisce da nodo a nodo “saltando” i tratti internodali, in modo tale che la trasmissione viene accelerata notevolmente, rispetto alla trasmissione continua “punto per punto” delle fibre amieliniche. Questo tipo di propagazione dell’impulso nervoso viene definita conduzione saltatoria. Nell’uomo il limite estremo della velocità è raggiunto da voluminose fibre mieliniche che consentono una trasmissione sino a un massimo di 120 m al secondo LA COMUNICAZIONE SINAPTICA La sinapsi è un rapporto di stretta contiguità tra due cellule, attraverso il quale viene trasmesso il segnale nervoso, sia per via chimica che per via elettrica. Le sinapsi per via chimica rappresentano il tipo più diffuso di sinapsi nei vertebrati. Sinapsi possono intercalarsi tra due neuroni, tra un recettore cellulare e un neurone o tra un neurone ed una struttura effettrice. La sinapsi tra neuroni può coinvolgere 1. un terminale sinaptico e un dendrite (assodendritica) 2. un terminale sinaptico e un corpo cellulare (assosomatica) 3. un terminale sinaptico e un assone (assoasonica) SINAPSI CHIMICHE sono le più numerose e ve ne sono di diversi tipi. Molte interazioni tra neuroni e tutte le comunicazioni tra neuroni ed effettori periferici coinvolgono sinapsi chimiche. In una sinapsi chimica fra due neuroni, un neurotrasmettirore rilasciato a livello della membrana presinaptica di un bottone sinaptico lega un recettore situato sulla membrana postsinaptica e innesca un cambiamento del potenziale di membrana della cellula recettiva. Solo la membrana presinaptica rilascia il neurotrasmettitore e la comunicazione può avvenire in una sola direzione: dai neuroni presinaptici ai neuroni postsinaptici. La giunzione neuromuscolare è un esempio di sinapsi chimica che adopera come neurotrasmettitore l’acetilcolina (ACh). Oltre 50 dipi di neurotrasmettitori diversi sono stati identificati, ma l’ACh è il più conosciuto; l’acetilcolina è anche rilasciata a livello di molte sinapsi chimiche nel SNC e nel SNP. La sequenza di eventi è simile, in quanto a struttura delle sinapsi e natura del neurotrasmettitore. Da dove derivano i neurotrasmettitori? Alcuni, come nel caso dell’acetilcolina, vengono sintetizzati a livello della terminazione nervosa (terminale assonico), dove si rinvengono all’interno di vescicole. Gli enzimi necessari per la biosintesi sono prodotti nel pirenoforo e successivamente trasportati lungo l’assone ai terminali assonici. Esistono tuttavia diversi tipi di neurotrasmettitori, alcuni dei quali, come quelli peptidici, sono prodotti a livello del pirenoforo e raggiungono la terminazione nervosa ancora tramite trasporto assonico. Il neurotrasmettitore viene rilasciato per esocitosi. Lo spazio che separa la membrana pre- da quella postsinaptica viene definito fessura sinaptica, e misura 20-40 nm nelle sinapsi di natura chimica; il neurotrasmettitore rilasciato dalla membrana presinaptica deve diffondere attraverso questa fessura per raggiungere la membrana postsinaptica. La specializzazione più rilevante presente in corrispondenza della placca motrice è costituita dalla presenza nel plasmalemma di recettori molecolari per l’acetilcolina, i quali sono in realtà localizzati all’interno di canali ad accesso regolato, specifico per gli ioni sodio e per quelli potassio. Dato che la membrana a riposo è già ampiamente permeabile al K+, il risultato prevalente dell’apertura di tali canali è un ingresso di Na+, e dunque un accumulo di cariche positive nel citoplasma della fibra muscolare. A differenza dei canali ionici voltaggio-dipendenti presenti nei neuroni, l’eccitazione della fibra muscolare dipende quindi da canali con accesso regolato per via chimica. L’effetto del neurotrasmettitore è contrastato dalla presenza dell’enzima acetilcolinaesterasi, che si trova all’interno e in prossimità della fessura sinaptica. Questo enzima altamente efficace scinde le molecole di acetilcolina che incontra, incluse quelle legate ai recettori presenti sulla membrana postsinaptica. L’attività della giunzione neuromuscolare risulta quindi da un equilibrio dinamico tra il rilascio di acetilcolina da parte della membrana presinaptica e la sua degradazione da parte dell’acetilcolinaesterasi nella fessura sinaptica. I cataboliti di tale riduzione enzimatica, acetil CoA e colina, vengono poi riassorbiti dal terminale presinaptico, dove avviene nuovamente la sintesi nel neurotrasmettitore. La membrana presinaptica presenta particolari canali per gli ioni, caratterizzati da un accesso regolato su base elettrica: i canali per il calcio voltaggio-dipendenti. Il potenziale d’azione determina la loro apertura, in modo tale che il Ca2+, presente in maggiore concentrazione all’esterno, possa affluire nella terminazione, determinare la coalescenza delle vescicole del mediatore con la membrana presinaptica e infine provocare la liberazione dell’acetilcolina nella fessura sinaptica, dove essa diffonde. Una volta ingranate con i propri recettori specifici presenti sulla membrana postsinaptica, le molecole di acetilcolina determinano l’apertura dei canali per il sodio e provocano un fenomeno di depolarizzazione su tale versante. Le membrane postsinaptiche differiscono da quelle presinaptiche, in quanto dispongono di un numero ridotto di canali voltaggio-dipendenti per il sodio, e dunque non sono in grado di innescare localmente un potenziale d’azione. Comunque, il legame del neurotrasmettitore ai recettori del sarcolemma della placca motrice riesce a perturbare significativamente il potenziale di riposo della membrana postsinaptica. Questa perturbazione locale, provocata per via chimica, è poi in grado di trasmettersi alle regioni limitrofe della membrana postsinaptica. Ad un certo punto, tale depolarizzazione raggiunge un’area di membrana contenente canali ionici voltaggio-dipendenti. L’intera membrana citoplasmatica della fibra muscolare, ad eccezione della placca motrice, possiede canali di tale natura specifici per il sodio. Quando il terminale assonico della membrana presinaptica rilascia una quantità di neurotrasmettitore sufficiente da depolarizzare il sarcolemma (membrana cellulare di una cellula muscolare) della placca motrice, portando le aree limitrofe alla soglia, si innesca un potenziale d’azione. I potenziali d’azione successivamente si trasmettono a un complesso sistema di membrane interno alla fibra stessa, fino a provocarne la contrazione. Qual è allora la quantità di neurotrasmettitore sufficiente a dare l’avvio a un potenziale d’azione? Ne una singola molecola di mediatore, ne il prodotto interno di una vescicola sinaptica (contenente di norma 10 000 molecole di acetilcolina) sono sufficienti per portare la membrana postsinaptica alla soglia. Tuttavia, un singolo potenziale di azione coinvolge circa 100 vescicole cariche di acetilcolina, il cui contenuto è in grado di innescare il potenziale d’azione in corrispondenza della membrana della fibra muscolare e la sua conseguente contrazione. SINAPSI ECCITATORIE E SINAPSI INIBITORIE: nei vertebrati le giunzioni neuromuscolari sono di tipo eccitatorio, in grado cioè di innescare, in seguito al rilascio di acetilcolina, un potenziale d’azione sul versante postsinaptico, che a sua volta porta alla contrazione del muscolo scheletrico. Tuttavia, nei rapporti sinaptici tra neuroni la situazione può essere considerevolmente diversa, a seconda dei mediatori contenuti nelle terminazioni neuritiche che raggiungono le varie ramificazioni dendritiche o il pirenoforo di un neurone; le sinapsi interneuronali possono essere in effetti eccitatorie o inibitorie. Ciò dipende anche dal tipo di recettore presente sulla membrana postsinaptica. Se la trasmissione sinaptica dà luogo a una depolarizzazione della cellula postsinaptica, si parla di sinapsi eccitatoria; se induce una risposta iperpolarizzante, la sinapsi si dice inibitoria. Di norma nei fenomeni di iperpolarizzazione entrano in gioco canali ad accesso regolato per gli anioni cloro. Quando tali canali vengono attivati dal neurotrasmettitore, si arriva all’iperpolarizzazione della membrana postsinaptica: questo fenomeno riduce quindi la capacità di innescare un potenziale di azione nella cellula postsinaptica. Gli effetti depolarizzanti sono legati alla generazione di un potenziale definito EPSP, quelli iperpolarizzanti a un IPSP. Tuttavia, la natura di una sinapsi non dipende tanto dal tipo di neurotrasmettitore quanto dai recettori presenti sulla cellula postsinaptica, cioè dal tipo di canali ionici presenti nella membrana. Un medesimo neurotrasmettitore può avere effetti eccitatori in certi tipi di sinapsi, e inibitori in altri. IL PRINCIPIO DELLA SOMMAZIONE la generazione di un potenziale d’azione da parte di un neurone postsinaptico dipende dalla somma algebrica dei potenziali eccitatori e di quelli inibitori che su esso si instaurano. Questo risultato riflette un principio che sta alla base della capacità del sistema nervoso di integrare le informazioni. Un neurone riceve mediamente più di 1000 afferenze sinaptiche, la risultante delle quali è un unico fenomeno: il potenziale d’azione. La somma di tutti questi segnali in arrivo si riduce in ultima analisi alla comparsa di una sola risposta, che nasce da una porzione specializzata del neurone, definita cono di emergenza, corrispondente alla zona dalla quale si diparte l’assone. La membrana plasmatica ti tale zona non possiede alcun isolamento mielinico, mentre dispone di molti canali ionici voltaggio-dipendenti. I potenziali postsinaptici eccitatori o inibitori convergenti sui dendriti o sul pirenoforo si trasmettono sino al cono di emergenza. Se il potenziale risultante causa una depolarizzazione oltre il valore di soglia, l’assone genera un potenziale d’azione. Poiché i potenziali postsinaptici decrescono man mano che si allontanano dal luogo della sinapsi, non tutti hanno lo stesso effetto sul cono d’emergenza; da questo punto di vista una sinapsi a livello di un dendrite risulta quindi meno efficace di una che converge in prossimità del cono di emergenza. Si descrivono due fenomeni di sommazione: § Quella spaziale che deriva dalla convergenza locale di stimoli provenienti simultaneamente da vari distretti § e quella temporale che risulta dall’arrivo in rapida sequenza di stimoli provenienti dalla medesima sorgente sinaptica Un ulteriore tipo di sinapsi è quella che si realizza tra una terminazione neuritica e un altro assone a sua volta coinvolto in una seconda sinapsi; si tratta della cosiddetta sinapsi asso-assonica. Questo tipo di rapporto neuronale è in grado di condizionare l’attività dell’assone ricevente a monte della sinapsi motoria. Gli effetti di tale contatto potranno determinare un eccitazione presinaptica o un’inibizione presinaptica. I SECONDI MESSAGGERI le sinapsi che si avvalgono di canali ionici ad accesso regolato rappresentano sistemi di trasmissione di informazione estremamente rapidi, che richiedono solo pochi millisecondi. Tuttavia, si conoscono altre sinapsi chimiche che richiedono invece centinaia di millisecondi, talvolta addirittura molti minuti, per trasferire il segnale. I neuroni trasmettitori impegnati a livello di queste sinapsi lente attivano secondi messaggeri (o messaggeri di secondo ordine), quali il cAMP, invece di avvalersi di canali ionici nella membrana postsinaptica. Gli eventi presinaptici sono i medesimi nelle sinapsi veloci e in quelle lente, ma in queste ultime, in seguito al legame del mediatore ai recettori, viene attivata una proteina G, la quale scatena una cascata di eventi che coinvolgono secondi messaggeri. I meccanismi funzionali di tali sinapsi ricordano quindi il meccanismo di azione degli ormoni che trovano il loro recettore sulla membrana della cellula bersaglio. Le sinapsi lente possono indurre l’apertura di canali ionici, influenzare pompe ioniche nelle membrane, attivare enzimi e indurre l’espressione genica. LE SINAPSI ELETTRICHE le giunzioni serrate (gap junctions) permettono di realizzare sinapsi elettriche in quanto le connessioni presenti nell’ambito di tali strutture garantiscono il passaggio diretto di correnti, di ioni e di piccole molecole. A livello delle giunzioni serrate, le membrane pre- e quelle postsinaptiche sono separate da uno spazio esiguo di soli 2 o 3 nanometri, e le proteine di membrana dei due versanti formano i cosiddetti connessoni, i canali molecolari che fanno da ponte tra due cellule, permettendo il passaggio di correnti e ioni carichi. La trasmissione elettrica attraverso le giunzioni serrate è molto rapida e può avvenire in entrambe le direzioni, a differenza delle sinapsi chimiche che sono polarizzate, poiché il rilascio del mediatore è un processo unidirezionale. Le giunzioni serrate sono meno frequenti nei complessi sistemi nervosi dei vertebrati per tre motivi: § La continuità elettrica tra due neuroni non permette la sommazione temporale delle afferenze sinaptiche, che è alla base delle capacità integrative di un sistema nervoso § Le sinapsi elettriche richiedono ampi settori di superficie, impedendo di fatto a un neurone le numerose e varie informazioni che entrano invece in gioco nel caso delle sinapsi chimiche a sommazione spaziale § Le sinapsi elettriche non possono essere di tipo inibitorio Inoltre, le sinapsi elettriche, non permettono un grado sufficiente di plasticità (modificabilità). Il successo evolutivo delle sinapsi elettriche è in effetti prevalentemente riscontrabile negli invertebrati. LE GIUNZIONI SERRATE Le giunzioni serrate facilitano la comunicazione fra cellule adiacenti. Tali sistemi di interscambio sono costituiti da particolari canali proteici, definiti connessioni, che si estendono attraverso le membrane plasmatiche di cellule contigue, attraversando di conseguenza lo spazio intercellulare. Attraverso i canali passano agevolmente piccole molecole e ioni mentre il passaggio è impedito a proteine, acidi nucleici e organuli cellulari. Sperimentalmente è stato possibile osservare che cellule adiacenti appartenenti una determinata specie di vertebrato stabiliscono queste giunzioni anche con cellule provenienti da una specie diversa. Le cellule tumorali non formano mai giunzioni serrate; proprio tale mancanza impedisce la comunicazione di queste cellule con quelle adiacenti e contribuisce al loro accrescimento anomalo e incontrollato LA TRADUZIONE DEL SEGNALE MEDIANTE LE PROTEINE Quando un ligando si unisce al suo specifico recettore localizzato sulla superficie cellulare si verificano cambiamenti all’interno della cellula, in corrispondenza del versante citoplasmatico della membrana. La proteina recettoriale cambia, a causa dell’unione con il suo ligando, la sua struttura terziaria; ciò in molti casi attiva funzioni silenti della proteina stessa. Tale cambiamento conformazionale può permettere al complesso ligando-recettore di attivare un’altra proteina di membrana definita Proteina G Una volta che ciò è avvenuto, la proteina G diffonde nella membrana per attivare, o inattivare, una terza proteina di membrana. Quest’ultima può essere un enzima o una proteina di trasporto. Di conseguenza, il segnale rappresentato dal ligando viene tradotto da parte delle proteine di membrana in un flusso modificato di ioni, oppure in una variazione del tasso di una reazione chimica. Le Proteine G devono il loro nome al fatto che la loro attivazione richiede GTP, un composto chimico molto simile all’ ATP. LA PROTEINA G Le Proteine G regolano la produzione dei secondi messaggeri. Esse possono essere considerate come l’anello di congiunzione tra l’attivazione del recettore e l’attivazione dei sistemi effettori. Le Proteine G sono costituite da tre subunità chiamate Alfa, Beta e Gamma. Esse si trovano ancorate alla porzione citoplasmatica della membrana. Una complessa catena di reazioni si svolge tra il momento del legame dell’ormone al proprio recettore e la produzione del secondo messaggero. Il legame dell’ormone al recettore comporta cambiamenti nella configurazione di quest’ultimo; in questa nuova forma quaternaria, il recettore è in grado d’interagire con una seconda proteina di membrana (la proteina G) inducendola a legare una molecola di guanosintrifosfato (GTP). Soltanto una delle tre subunità della Proteina G si lega a una molecola di GTP. La subunità che si è legata alla molecola di GTP si separa poi dalla proteina madre e si lega ad un'altra proteina di membrana di natura enzimatica, la cosiddetta Adenilato Ciclasi di Membrana, attivando l’enzima. A sua volta l’adenilato ciclasi attivata catalizza la conversione di ATP in cAMP (che funge da secondo messaggero) all’interno della cellula. Gli ormoni idrosolubili si legano ai recettori presenti sulla superficie di cellule bersaglio; tali recettori (proteine intrinseche) consistono di glicoproteine provviste di un sito attivo, il cui dominio si estende al di fuori del doppio strato lipidico; in pratica un dominio transmembrana e un dominio catalitico che si estendono nel citoplasma della cellula. Il Dominio Catalitico induce le risposte cellulari attivando direttamente o indirettamente molecole di Proteina Cinasi. Esistono molti tipi di proteina cinasi ma tutte catalizzano il trasferimento di un gruppo fosfato dall’ATP a una proteina specifica (reazione di fosforilazione). Il legame di un ormone allo specifico recettore si traduce quindi nell’attivazione o nella disattivazione di un enzima. L’attivazione indiretta di una proteina cinasi da parte del recettore di ormoni idrosolubili avviene attraverso l’impiego di secondi messaggeri (l’ormone può quindi essere considerato un primo messaggero). In seguito al legame dell’ormone al relativo recettore, si scatena una serie di reazioni i cui prodotti consistono in piccole molecole diffusibili, che rappresentano secondi messaggeri all’interno della cellula. A loro volta, questi ultimi attivano svariate proteine cinasi. L’adenosinmonofosfato ciclico, o cAMP, ad esempio, rappresenta un secondo messaggero ben studiato ed è coinvolto nell’attivazione di una proteina cinasi in molti tipi cellulari diversi. I meccanismi di azione di molti ormoni utilizzano il cAMP come secondo messaggero. La sequenza di eventi che va dal legame di un ormone al proprio recettore, fino alla risposta finale della cellula, viene definita CATENA DI TRASDUZIONE DEL SEGNALE. La subunità della Proteina G che si lega al GTP a un certo punto idrolizza il GTP in GDP (guanosindifosfato), un processo che porta alla dissociazione della Proteina G dall’adenilato ciclasi, disattivando quest’ultimo e mettendo fine alla risposta ormonale. In seguito alla ricombinazione delle subunità delle Proteine G, esse diverranno nuovamente sensibili all’attivazione da parte dei recettori di membrana. Esistono molti tipi diversi di Proteina G; alcuni agiscona da inibitori, disattivando l’adenilato ciclasi e diminuendo la produzione di secondi messaggeri. La presenza nella medesima cellula di recettori associati a Proteine G, sia inibitorie che eccitatorie, permette alla cellula di rispondere a due o più ormoni differenti che agiscono in maniera antagonistica.