Fisiologia Cellulare - Appunti PDF

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0 00 0 0 m  ES OSSIGENO e Iiii à P ee i IIIIIII c qq.ee eI Ii 0 differenzatradiffsemplice e facilitataregolata AERAZIONE eeEE  m sett I e oeeeeconneenmeren.ee Meteopissole.IE cauiie releEeriaaei iettere Lapressioneosmotica dipendeda EELETEREGAS T R I a C T Emana Elite ritieni iii iii T.it m e iiet E OSMOLARITÀ sia di È importanteconsiderare sia i valori di TONICITÀ  e I T I O Feels ÉemiempIIIIIIIIIIIIIIII IIIIIIIIà quandosi attivano sialzaroe eqoddominioaaiimyfyp.mg 00 o O In_ cenesono 21 22 e o  0 O e O T sitrovano nelterminalepostinapteneet.mn O ar eYIfFIII terminali PRE CINETICAENTA INTERMEDI SI O  0 0 Sbobinatore 1: Caterina Gioia Lez.05 08.10.2024 Sbobinatore 2: Anna Casarotto Fisiologia I Revisore: Sofia Tropea Buffelli Continuazione lezione precedente… Meccanismo di rilascio di insulina La cellula beta del pancreas secerne insulina per abbassare la glicemia. La cellula b possiede 2 canali ionici: il canale del K+ sensibile all’ATP, che si chiude al legame con l’ATP, e il canale del Ca2+ voltaggio dipendente. Quando deve essere rilasciata insulina? In condizioni di iperglicemia, essendo un ormone ipoglicemizzante. Quando c’è tanto glucosio che entra nella cellula, ci sarà una maggiore produzione di ATP, che però determinerà la chiusura dei canali del K+, che quindi si accumulerà nella cellula depolarizzandola. Essendo K+ un catione, il potenziale a riposo da -60 mV si sposterà verso valori via via più positivi fino a -50 mV. La depolarizzazione contestualmente apre i canali del calcio voltaggio-dipendenti che consentono l’ingresso del Ca2+, il quale si lega alle vescicole determinando la fusione delle stesse con la membrana citoplasmatica e consentendo il rilascio di insulina per esocitosi. Viceversa, se la concentrazione di glucosio è bassa (ipoglicemia), c’è poca concentrazione di ATP all’interno della cellula, e questo determinerà l’apertura dei canali K+, con il passaggio del potassio dall’interno verso l’esterno e il potenziale di membrana rimane nelle condizioni di riposo, intorno a -60 mV; il canale del calcio rimane chiuso e quindi non si verifica l’esocitosi dell’insulina immagazzinata in vescicole. ie Fece Canali voltaggio-dipendenti Esistono oltre 400 tipologie diverse di canali, ma durante il corso ne analizzeremo solo alcuni: Canale del sodio voltaggio dipendente Il canale del Na+ voltaggio-dipendente è un canale che si inattiva perché ha due porte: una di attivazione e una di inattivazione. Esso si apre con la depolarizzazione, ha una soglia di apertura intorno a -50 mV. È una proteina canale fatta da una subunità alfa con 4 domini (figura 1), ciascuno dei quali ha 6 segmenti transmembrana, con delle anse che li collegano tra di loro. Un segmento molto importante è l’S4, che rappresenta il sensore del voltaggio e riesce a misurare la differenza di potenziale ai due capi della membrana. I segmenti S5 ed S6 sono collegati dall’ansa P, che è il filtro di selettività, e si dirige verso il lume del poro e stabilisce la selettività. Tra il segmento S6 del dominio III ed S1 del dominio IV c’è la porta di inattivazione. Figura 1 Oltre alla subunità alfa, il canale del sodio presenta anche delle subunità beta di regolazione, che però non sono necessarie al funzionamento del canale, che può lavorare anche senza queste, essendo sufficiente la subunità alfa. Funzionamento del canale Quando S4 è rivolto verso l’interno, il canale è chiuso, si ha potenziale di membrana a riposo a -70 mV. In seguito a depolarizzazione, spostandosi sa -70 mV a -50 mV, il sensore si sposta verso l’esterno, determinando l’apertura del canale: entra sodio ad altissima velocità fino a superare gli 0 mV. In realtà, come si nota in figura 2, non tutti gli S4 si Figura 2 alzano, ma S4 del dominio IV rimane fermo in basso e mantiene aperta la porta di inattivazione. Superato lo 0 mV, anche S4 del dominio IV si alza, portando alla chiusura della porta di inattivazione. Per tornare alla condizione iniziale si deve riportare il potenziale totale della cellula verso il potenziale di membrana a riposo (-70mV). Quindi quando il canale è a riposo la porta è aperta, mentre quando è inattivato la porta è chiusa, ciò significa che il canale funziona solo per un tempo limitato. Questo appena descritto è lo schema generale, ma esistono 9 sottotipi diversi di canali al sodio voltaggio- dipendenti, numerati da 1.1 a 1.9. Ciò che cambia sono alcuni aminoacidi che gli danno proprietà diverse. Dall’1.1 all’1.7 si ha attivazione e inattivazione rapida, gli 1.8 e 1.9 si inattivano debolmente, cioè la porta di inattivazione è “poco efficace”, risponde poco. I 9 isotipi hanno anche diversa distribuzione: gli 1.1, 1.3 e 1.6 sono solo nel sistema nervoso centrale, 1.7 e 1.9 nel sistema nervoso periferico e 1.4 nel muscolo scheletrico. Infine, gli 1.5, 1.8 e 1.9 sono insensibili alla tetrodotossina (TTX), che blocca in modo selettivo i canali voltaggio dipendenti del sodio. La TTX è un veleno molto potente contenuto nel pesce palla, commestibile solo in Giappone perché hanno una tecnica che consente di pulire il pesce eliminando la tossina, in quanto questa in concentrazione di Figura 3 10-9 è letale. Esistono anche delle altre tossine in grado di bloccare i canali del sodio voltaggio dipendenti (figura 3), come per esempio la saxitossina, che è un’alga molto potente nel bloccarli. Anche la tossina dello scorpione va a bloccare il canale del sodio voltaggio dipendente. La micro-conotossina è una delle più potenti, contenuta in alcuni molluschi, e riesce a riconoscere in modo selettivo i canali del sodio voltaggio dipendenti presenti nelle fibre muscolari scheletriche e non nelle fibre nervose, mentre la TTX agisce sia sulle fibre nervose che su quelle muscolari. Su questi canali agiscono anche gli anestetici. Un’altra caratteristica di questi canali è che possono essere fosforilati in siti intracellulari (figura 4). Le protein chinasi A e protein chinasi C vanno a fosforilare i canali, modulandone l’attività. Anche le subunità beta 1 e 2 di regolazione, che si possono associare alla subunità alfa, hanno funzione di modulazione del canale, cambiandone ad esempio la conduttanza o il tempo di apertura. Quindi il canale si può trovare sia in conformazione alfa/beta1 sia alfa/beta1/beta2. Figura 4 Canale del calcio voltaggio dipendente Il canale del Ca2+ voltaggio dipendente ha una struttura simile a quello del sodio. Anche questo ha una subunità alfa e anche qui il sensore del voltaggio è sempre S4. Però in questo caso si hanno più subunità a (1 e 2) e poi anche le subunità b, g, d. Anche in questo caso la subunità a è sufficiente per il passaggio di calcio, però l’aggiunta di a2, delta, beta e gamma ne permettono la modulazione. Figura 4 Di questi canali del calcio se ne hanno 10 sottotipi, classificati oltre che con la numerazione anche con delle lettere (Figura 5): “L” sta per long lasting (a lunga attivazione e sono attivi per lungo tempo); “P/Q” perché sono state descritte prima delle cellule del Purkinje e delle cellule granulari del cervelletto; “T” sta per transienti ossia canali del calcio che si inattivano velocemente dopo qualche secondo; gli “N” vengono bloccati da conotossine; gli “R” sono resistenti ai bloccanti degli altri sottotipi. Il 2.1 è bloccato nello specifico dall’agatossina, una Figura 5 tossina presente in alcuni ragni velenosi. Questi canali possono essere suddivisi anche in base alla soglia di attivazione, la quale è modulata dalle varie subunità: - canali ad alto voltaggio (High Voltage activated HVA Cav 1 e 2) hanno una soglia intorno a -20mV, sono difficili da attivare perché hanno bisogno di uno stimolo depolarizzante molto alto (perché da - 70 bisogna arrivare minimo a -20 mV); - canali a basso voltaggio (Low Voltage activated LVA Cav 3) ha una soglia di attivazione intorno a - 65/50 mV. Possono verificarsi delle mutazioni nei geni dei canali del calcio e causare relative patologie di tipo neurologico, cardiaco, es: ipotermie, atassia spino cerebellare, aritmie. N.B. questi canali al calcio descritti sono quelli a livello di membrana, esistono canali al calcio anche intracellulari come quelli nel RE descritti successivamente. Canali del potassio voltaggio dipendenti Questa è la famiglia più numerosa dei canali voltaggio dipendenti. È possibile fare una suddivisione in 2 gruppi in base al comportamento: uno rettificante verso l’esterno (outward rectifier) e una verso l’interno (inward rectifier). “Rettificare” significa cambiare la conduttanza. Bisogna specificare che questi non sono canali ohmici ma rettificanti, ciò significa che graficamente, ponendo sulle ascisse il voltaggio e sulle ordinate la corrente, non ci sarà una retta ma un’iperbole. Si nota come a valori negativi di potenziale la corrente sia molto bassa, quasi nulla, mentre a valori positivi subisce un forte aumento. - Outward rectifier (figura 6): canali che si aprono per depolarizzazione (es. da -70 a -50 mV). Essi sono canali rettificanti in uscita: hanno una maggiore conduttanza per valori positivi, per correnti uscenti. Sono 12 famiglie che raggruppano 40 tipi diversi di canali outward per K+. Alcuni dei canali outward si inattivano velocemente, per esempio il tipo A, altri meno, altri si attivano in ritardo, altri ancora si attivano necessariamente Figura 6 tramite legame col calcio oltre ad essere voltaggio dipendenti. Questi canali outward sono quelli che riportano il potenziale di membrana, dopo la depolarizzazione, ai valori di potenziale di riposo. I canali rettificanti uscenti hanno 4 subunità alfa, ciascuna con 6 domini transmembrana, a differenza dei canali voltaggio dipendenti del calcio e del sodio che hanno 4 domini, ciascuno con 6 subunità.  - Inward rectifier: canali che si aprono per iperpolarizzazione (es. da -70 a -90 mv). Per valori di voltaggio positivi, la quantità di K+ che esce è pari a 0, si ha invece l’ingresso di potassio per correnti entranti negative. Figura 7 Questi canali rettificanti inward hanno conduttanza elevata per correnti entranti e non uscenti. Essi sono i canali che iperpolarizzano la cellula, portando il potenziale di membrana verso valori più negativi. Questi canali sono bloccati da cationi in caso di valori positivi del potenziale. I canali rettificanti entranti hanno 4 subunità con soltanto 2 domini (figura 7) e una sola ansa P (filtro di selettività). Oltre al numero di domini la differenza rispetto ai canali precedentemente analizzati sta anche nel sensore, che è limitato a una piccolissima regione, perché qui il voltaggio non agisce sulla struttura del canale ma permette l’allontanamento delle molecole, quali ioni e peptidi, che lo bloccano. Quindi il voltaggio non ha effettivamente effetto sulla struttura, quanto piuttosto si limita ad allontanare questi bloccanti; ecco perché manca il sensore al voltaggio. Canali non voltaggio-dipendenti Canali del potassio non voltaggio-dipendenti È un canale presente in tutte le cellule del nostro organismo ed è costitutivamente aperto, quindi si considera un canale leakage. È formato da 2 subunità ognuna delle quali ha 4 domini transmembrana con 2 anse P, quindi si tratta di un dimero. Anche qui non c’è più il sensore del voltaggio perché non è voltaggio dipendente. Dato che il potassio è più concentrato all’interno delle cellule, questo canale ne permette la fuoriuscita secondo gradiente chimico. Questo, dunque, è il canale responsabile del potenziale a riposo di membrana negativo di tutte le cellule, che permette uscita costante in piccole quantità di K+. Figura 8 Se si cambiano le condizioni, in laboratorio, si inverte il flusso. Tuttavia, in condizioni fisiologiche: il sodio entra, il potassio fuoriesce dai canali outward ed entra nei canali inward. Anche per il sodio esiste un canale più o meno simile a questo, sempre aperto e non voltaggio dipendente, presente in quasi tutte le cellule dell’organismo (poi si vedrà in quale no). Canali per il Cloro I canali del cloro comprendono diverse famiglie (figura 9) a) Canale CFTR: è formato da 12 segmenti transmembrana e 2 domini di legame per quanto riguarda i nucleotidi. Il canale si apre quando l’ATP si lega a entrambi i domini e il canale può essere fosforilato nel dominio R. Quando si stacca l’ATP, il canale si chiude. La mutazione di questo canale è responsabile della fibrosi cistica. Si tratta di un canale sensibile a segnali intracellulari. b) Canali del cloro voltaggio dipendenti: ha una struttura completamente differente rispetto agli altri canali voltaggio dipendenti. È formato da tanti Figura 9 segmenti transmembrana e ha la particolarità di avere due canali con due cancelli nella stessa struttura. Ogni canale ha la sua porta di attivazione.  c) Canali del cloro calcio dipendenti: aperti dal calcio intracellulare e permettono l’ingresso del cloro che è più concentrato all’esterno rispetto all’interno d) Canali del cloro ligando dipendenti: per esempio il recettore per la glicina o per il GABA che sono formati da 5 subunità (2 alfa, 1 gamma e 2 beta) che interagiscono con questi ligandi e permettono l’ingresso del cloro. Tutti i canali sopra citati sono canali selettivi, per sodio, calcio, potassio e cloro. Esistono però anche dei canali non selettivi, che permettono passaggio di sodio, calcio, magnesio e potassio, chiamati Transient Receptor Potential (TRP) - canali cationici non selettivi. Sono una superfamiglia che comprende 28 tipi diversi di canali, divisi in base alla struttura in 6 famiglie. Sono molto distribuiti e hanno un ruolo importante nel sistema sensoriale: sono responsabili della percezione di caldo, freddo, dolore, e oltre ad essere attivati da stimoli fisici/meccanici possono essere attivati anche da stimoli chimici, per esempio durante l’infiammazione. Sono canali multimodali proprio perché rispondono a entrambi i tipi di stimoli, fisici e chimici. Pompe e trasportatori ionici Oltre ai canali ionici, il controllo degli ioni avviene a livello dei trasportatori primari, le pompe (pompa sodio-potassio, pompa del calcio), e a livello dei trasportatori secondari che dipendono dal gradiente creato dal trasporto attivo primario. Segnali elettrici delle cellule nervose Potenziale di membrana a riposo Nel momento in cui si misura la differenza di potenziale tra l’interno della cellula e l’esterno della cellula, in tutte le cellule vitali dell’organismo si rileva una differenza. Infatti, ponendo l’esterno della cellula pari a 0, l’interno risulta essere negativo. Il valore cambia nelle diverse cellule e la differenza di potenziale scompare quando la cellula non è più vitale. Da cosa è determinato il valore di potenziale di membrana a riposo? Perché esiste in tutte le cellule vitali? Quali sono i fattori che ne inducono la genesi e il mantenimento? Ci sono fattori che inducono e fattori che mantengono il potenziale di membrana di riposo; in particolare, le pompe sono importanti per il mantenimento del potenziale di membrana a riposo, mentre la genesi di tale potenziale è data dalla diversa distribuzione degli ioni: il sodio è più concentrato all’esterno rispetto all’interno (150 mmol/L contro 15 mmol/L), il cloro è più concentrato all’esterno (110 mmol/L contro 10 mmol/L), il potassio è più concentrato all’interno (5 mmol/L contro 150 mmol/L). Dal momento che i canali ionici non sono selettivi per il verso, ma solo per lo ione (o non sono selettivi), questa diversa distribuzione è determinata dalle proteine cariche negativamente accumulate internamente alla membrana citoplasmatica che influenzano il movimento degli ioni nei canali ionici. ELNICHEElettrofisiologiche EppMpg IIIdiunporoeche la quantità diioniche passano sibasasullapresenza mettein Extracellulare comunicaz ambienteintra III a V R I conduttanza G v Ehi i bloccodelvoltaggio of per sueproprietà a  osservò cheapplicandounforte stimoloIPERPOLARIZZANTE da 65a 130 siregistraunaCORRENTE TRANSIENTE ECATE di durata brevissima analeItinolopersisteneltempo è unaContenecIativa dovuta ai canali sempre aperti se aumenta la diffdipot dall'internoall'esterno entranocaviale che caricano la membrana Applicandounostimolo Depolarizz siha unaConnene Transienteuscente che persiste x tutta la durata dello stimolo imIIIIe.EE r e Ie o I  iniammaer EE ii t Ie incuisipassada 70a sonn siapreportadiattivatedentran nelmomento cedovrebbeportareil potenziale avaloripositivi masiusatecnica VOLTAGECAMP l'IIIreale inqq.gg acoP iIe Eee ponendol'esternodellacellula pari a 0 l'internorisultaesserenegativo e e nopgffeeqvllIGEG.am laforzachimica e laforzaelettrica e È.tt ln Lei sonoequivalenti e seen opposto If vale Einar o I PrF0R PIntPu.ce E RF.CN PK K IN Pna Nain Pee mmm 0 5 O J O  CONTROLLOVOLUME IPERTENSIONE ELETTROGENICA un e o e O Ef.iee TeemeniEi.ie.ie i PINEFEIELITE Evan son FINÉIIIIII aiaurem ninna dipendedadurata stime Izzie L anni laportan del sodioè It 1 2 me o contptolarizz si apreporta diATI del sodio ed entra quando il pot raggiunge il valore o si chiude la porta di INATI processodura1MUSD 3 un Eh ha nido in sei 4 e  0 0 Tendere mm  in resistenze IIIFEEinvecevariano Icanalivoi elamembricison sesonochiusia altissima e Eun aggiièijeitie Rm 1 1 99 eunitàdimisura Pattinson è il Faraday ma o I IIFIeEemae mieiae Tempo necessario affinché la membrana raggiunga il 63 del R C voltaggio finale dittanza lungo allora in cui il potent di membrana li riduce del 63 del valore originale T Cm Rm RafFi vedi E VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE assone di diametro Rassiale diminuisce Na si muove velocemente daun Punto all'altro a parità di diametro capacità Pda veloce rassiale invariata diminuisce R aumenta allenta a questo è quello PdA veloce chefa la mielina né essa attenta lo della membrana quindi e si riduce spessore è ÈE veloci sono le FIBREsensorialidei fusifeuromuscolari edeicorpitendinei di Golpi Lefibre Tisono di recettori Songgechi lunghezza forzadelmuscolo  MI nonha lanziditrasmissione madimeionef.IEa ieIi L FESTURA SINAPTICALZONG In O yiconnesso UNTAPP e i.ie n o statunitei u In u G TPLACCA MOTRICE Ire ETIAM perdete co un F u u e G NEUROMUSCOLARE soun diametro fibre motoneurone 41eicitatorie ach E E o  tII I TRASPORTO ATTIVO SECONDARIO ee MI Tinogiesiola si SaEmoffa accumulano Emigrato sesiinaneeneier.siprovocaunameneciopromauinami attesensIIIIIIIIII GAS nervini AlcuniAntiparassitari  se siblocca l'azionedell'enzima verràakumulato Aclinella fessura la qualeperò recettore bensì lo INATIVA Desensibilizzazione il nestimola ripetutamente quantitàmappateimpedisceil ritorno dalla Conformaz Aperta a causa lapresenzadilipandoin O O O o IIII Teegie I sarànuovamente riempita conneurotasm Yifei_ O 1mm I Io I prayIIIenD _PAMINA O O a proteine dopo la fusione la vescicola si distacca grazie NSF e SNAP  im Ie teee nablosy diciu if III Importata retropramente dai motorini È OTEIZIE ee EnehE ia im EeI L.io a LEaEEsoaciadeicanacinava  sei sinapsi FI Introduzione alla cellula di schwmann terminale Un altro struttura che fa parte della sinapsi chimica e che non è ancora stata trattata è la cellula di Schwann terminale che non produce mielina. Queste hanno un corpo cellulare e delle ramificazioni che coprono interamente la sinapsi. Per ogni sinapsi il numero di cellule di Schwann può variare in genere sono da 5 a 10 cellule per ogni sinapsi. Queste cellule hanno un ruolo importate sin dall’inizio della formazione della sinapsi, controllano lo sviluppo, sono implicate nel mantenimento della sinapsi e controlla le dimensioni della sinapsi. Sviluppo delle sinapsi neuro muscolari Durante lo sviluppo la fibra esprime dei recettori diffusi per tutta la fibra, il nervo poi prende contatto e induce differenziamento della fibra, si formano le pieghe e si arriva ad avere un quadro adulto. Per arrivare a questo punto si passano delle fasi intermedie perché all’inizio più assoni convergono sullo stesso punto e si ha un'innervazione multipla. In età embrionale si hanno inoltre anche neuroni in eccesso rispetto alle strutture da innervare per questo durante lo sviluppo i neuroni vanno incontro a tre fasi: 1. Morte dei neuroni in eccesso: i neuroni che non innervano nessuna struttura bersaglio muoiono 2. Competizioni delle sinapsi: i neuroni residui formano un numero di sinapsi in eccesso rispetto al numero di sinapsi che rimangono nell’adulto. Comincia la competizione tra gli assoni che innervano la stessa struttura: la sinapsi che vince rimane e si sviluppa maggiormante, l’altra invece si ritira. 3. Eliminazione delle sinapsi Durante lo sviluppo ci sono più neuroni rispetto alle strutture da innervare, anche 10 assoni di motoneurone diversi per fibra. Poi man mano qualcuno si ritira, fino al quadro di 1 assone di motoneurone per fibra muscolare. Attenzione! Un motoneurone non innerva una singola fibra, innerva più fibre che definiscono un'unità motoria. Questo avviene nel SNC e nel periferico, anche nel sistema sensoriale abbiamo un’innervazione multipla. Il professore mostra la foto di una fibra rampicante che parte dal nucleo olivare inferiore e innerva una singola cellula del Purkinje. Nello sviluppo si vede che più fibre rampicanti arrivano alla stessa cellula. Il professore qui racconta di essersi occupato di questi argomenti nei suoi anni all’estero e in Italia. Spiega di aver messo a punto un modello, utilizzando tecniche di biologia molecolare, in vivo, in cui è possibile cambiare l’efficacia sinaptica, creando delle condizioni tali per cui 2 assoni arriveranno sulle stesse strutture. Mostra delle foto dove si vede uno dei due neuroni che inizia a ritirarsi e si vede perché ha uno spessore minore rispetto all’altro. I recettori sono stati colorati con l’alfa-gluco-tossina, l’assone e le vescicole colorate con anticorpo contro neurofilamenti e contro proteine delle vescicole. Il professore spiega che a Saint Lewis ha creato un modello in cui uno degli assoni è ancora in grado di produrre acetilcolina e l’altro (motoneurone alfa) no (nella stessa sinapsi). Questo non dall’inizio dello sviluppo, ma dal giorno 0, ovvero dal giorno di nascita. Un esempio di studio è stato svolto nel soleo, quello inattivo è il rosso, questo lavoro pubblicato su nature nel 2003 spiega che a vincere la selezione è sempre quello attivo. In questo esempio abbiamo un’estremizzazione perché abbiamo un neurone attivo e uno inattivo, in realtà in vivo sono uno più attivo e uno meno attivo (più attivo significa con una maggiore frequenza di scarica), non uno attivo e uno spento, quindi, lui ha estremizzato con tecniche di biologia molecolare con blocco sintesi di colina O- acetiltransferasi e di acetilcolina. Il processo di competizione persiste per mesi dopo la nascita, ma dipende anche alla sede, in alcune anche 2 anni. Ogni neurone, quindi, riduce il suo territorio di innervazione, e la natura ha ideato questo meccanismo perché partendo da più neuroni per bersaglio, siamo sicuri che anche in caso di errori nella formazione, abbiamo sempre un minimo di nervi che vanno ad innervare ogni bersaglio. Ma perché il neurone più attivo vince la competizione? Il neurone più attivo riceve in genere più fattori di _Ci crescita liberati dalle stesse cellule bersaglio del segnale nervoso. L’NGF è un fattore di crescita espresso principalmente nella sinapsi neuromuscolare. Questo si lega ad un recettore presente sui neuroni presinaptici e attiva un programma di sopravvivenza; in assenza del segnale indotto da NGF la cellula nervosa va incontro a morte programmata. L’NGF è stato il primo fattore ad essere scoperto, (i ricercatori che l’hanno scoperto hanno vinto un premio Nobel), tuttavia ad oggi sappiamo che esistono molte molecole che sono in grado di indurre la sopravvivenza del neurone. Ad esempio, la fibra muscolare produce anche CNTF e IGF1; il BDNF è invece prodotto dai neutrofili del sangue ed è importante anche VEGF studiato da Rita Levi Montalcini. Ogni cellula, quindi, esprime uno o più fattori trofici: le cellule che per eccellenza sono deputate alla produzione di fattori trofici sono le cellule gliali sia a livello del SNC sia nel SNP. La cellula di Schwann terminale è importante perché produce i fattori trofici per i motoneuroni alfa, ma partecipa anche attivamente al processo di competizione allontanando i detriti. Quindi quando l’assone è in ritirata e si sta liberando dalla sinapsi, viene rifiutato dalle cellule di Schwann che hanno un ruolo importante nel controllare le dimensioni delle sinapsi. Se noi togliamo le cellule di Schwann terminali, la sinapsi diventa di maggiore dimensione, cresce anche quando la sinapsi è poco attiva, ad esempio usando la tossina botulinica che blocca l’acetilcolina, questa sinapsi comincia a crescere. Le cellule gliali hanno un ruolo importante, sia nel SNC che in quello periferico. Producono fattori per la sopravvivenza come l’NGF, partecipano alla competizione sinaptica fagocitando i detriti cellulari. Hanno anche un ruolo attivo nell’inibizione delle sinpasi. Nei modelli in cui vengono eliminate le cellule di Schwann terminali, le dimensioni delle sinpasi crescono, così come quando si ha una deinnervazione o una paralisi e in generale in situazioni in cui si ha una ridotta contrazione muscolare. La sinapsi è condizionata dalle cellule gliali perché queste hanno un sensore dell’attività, riescono a misurare qual è l’attività che viene trasmessa dal terminale presinaptico alla cellula postsinaptica e reagiscono di conseguenza. Nel caso di paralisi o deinnervazione cercano di aumentare la dimensione delle sinapsi in modo da aumentarne un po’ l’attività. Viene mostrato un esperimento del 2008 che mostra il ruolo della cellula di Schwann terminale in un contesto in cui vi sono due fibre muscolari innervate da due motoneuroni alfa diversi a. La situazione a mostra una condizione normale, la sinapsi è di una certa dimensione b. La situazione b mostra la perdita dell’assone di un motoneurone alfa, questo avviene frequentemente in un soggetto con danni alla colonna (come schiacciamento di una radice, escrescenze ossee, schiacciamenti dei dischi). In questo caso si ha un quadro di deinnervazione parziale, si perdono alcuni assoni che innervano un muscolo ma non tutti. Questa situazione si  verifica perché vi sono nervi che nascono da più radici e non da una sola radice; quindi, il singolo muscolo è innervato da assoni che fuoriescono dal midollo spinale da radici diverse. Se si verifica quindi una delezione di una singola radice, non si verifica mai un quadro di deinnervazione totale ma parziale. Per avere un deinnervazione totale allora deve esservi un danno a livello del nervo in periferia in vicinanza del muscolo, nel caso invece di un problema a livello della colonna si ha un quadro di innervazione parziale. c. La situazione c mostra come nel caso in cui un assone sia rimasto integro e uno no, le cellule di Schwann terminali proliferino e rintraccino l’assone attivo presente e inducano dei fattori che riescono a reinnervare la fibra muscolare. Nel giro di 4-5 giorni si riesce in tal modo ad avere un recupero funzionale del muscolo. Prendendo ad esempio una lesione a livello della radice nella parte bassa del midollo spinale, questo determina perdita di assoni che ricrescono ma al massimo di 1-2 mm al giorno. Tuttavia, se quest’assone fosse quello di un nervo che innerva un muscolo del piede, passa tanto tempo prima che questo riesca a raggiungere il muscolo stesso. Il meccanismo che prevede la presenza delle cellule di Schwann è invece molto più veloce, queste cellule percepiscono che manca il nervo, manca l’attività e che non arriva il potenziale d’azione allora cercano l’assone con potenziale d’azione in modo da far ritornare l’innervazione. Questo meccanismo è efficiente solo per deinnervazioni al di sotto del 30%. Nel momento in cui l’assone attivo innerva nuove fibre muscolari, aumenta le dimensioni dell’unità motoria. Il soma è correlato con le ramificazioni assoniche, quindi se aumentano le ramificazioni dell’assone, il soma deve essere in grado di sostenere tutte queste ramificazioni. Se la ramificazione è maggiore del 30%, il soma non riesce a innervare tutte quelle fibre muscolari bersaglio. La cellula di Schwann mediante a questo meccanismo riesce a controllare le dimensioni delle sinapsi. La dimensione della singola sinapsi neuromuscolare è intorno a 50µm, mentre nel SNC sono al di sotto del µm. La perdita delle cellule di Schwann terminale avviene con l’invecchiamento ed è una delle cause dell’invecchiamento della muscolatura scheletrica. Un po’ tutta la sinapsi, oltre che le sole cellule di Schwann si altera di morfologia con l’invecchiamento. Nella figura affianco (riquadro a) si possono osservare in azzurro 3 cellule di Schwann terminali, ne muoiono due, ne rimane una (riquardro b) e con l’avanzare degli anni e l’accumulo delle alterazioni la sinapsi degenera. Pertanto, rimangono i recettori ma non vi è la parte presinaptica e la trasmissione sinaptica è alterata. Questa è una delle cause di invecchiamento che si osservano nell’anziano. Il professore pone una domanda alla classe: “Per quale motivo il neurone più attivo riesce a captare più fattori trofici liberati da fibre muscolari e cellule di Schwann terminali?” Ha un meccanismo di eso ed endocitosi. Con l’endocitosi trasporta all’interno i fattori trofici. Maggiore è il numero di meccanismi di endocitosi, maggiore è il numero di fattori trofici portati dalla periferia verso il soma. Ovviamente devono anche esserci recettori per i fattori trofici per poter dar inizio alla cascata di sopravvivenza. Patologie che compromettono la trasmissione neuromuscolare Tra le patologie presinaptiche e vi sono: botulismo che agisce a livello presinaptico impedendo la liberazione di acetilcolina. 2.1. Studi sui potenziali I potenziali di placca e quelli d’azione sono due eventi distinti, ma si sovrappongono, quindi come faccio a studiarli separatamente? − Bloccando i canali del sodio vado ad impedire la generazione del PdA e a studiare solo quello di placca. − Bloccando i recettori dell’acetilcolina attraverso il curaro (bloccante competitivo di questo recettore, che lo lega meglio dell’acetilcolina); il curaro viene usato anche oggi a livello medico quando si vuole bloccare la sinapsi neuromuscolare (ovviamente devo ventilare artificialmente il paziente). Non è necessario bloccare tutti i recettori, ma basta il 20% per impedire al potenziale di placca di superare la soglia di attivazione per il PdA. In questo modo non ho più il PdA e studio solo quello di placca. Tutto ciò in realtà era già stato studiato da Kats. Figura 7 *altri bloccanti, in questo caso irreversibili, sono ad esempio α-bungarotossina, che lega in modo irreversibile il recettore sulla subunità α e questa molecola è contenuta nella saliva di alcuni serpenti velenosi. L’emivita del recettore dell’acetilcolina è di 2 settimane quindi dobbiamo aspettare un po’ per averne di nuovi dopo che questi vengono bloccati dalla tossina. 2.2. Differenza del potenziale di placca e PdA Il potenziale di placca è un evento locale che si propaga per poco spazio, diminuendo man mano la sua ampiezza. Invece il potenziale d’azione è costante lungo tutto l’assone perché ho ovunque canali per il sodio, mentre i recettori dell’acetilcolina sono concentrati solo a livello della sinapsi. 2.3. Ritardo sinaptico In tutte le sinapsi chimiche c’è un ritardo tra il potenziale presinaptico e postsinaptico, a differenza delle sinapsi elettriche dove i due sono coincidenti. Questo avviene perché ci vuole tempo a rilasciare le vescicole e poi affinché queste inducano tutta la cascata di eventi. 3. CELLULA DI SCHWANN TERMINALE È una cellula che non produce mielina ma è comunque essenziale a livello della placca neuromuscolare. Ogni sinapsi neuromuscolare ha più cellule terminali di Schwann (2-5). Ruolo: durante lo sviluppo su ogni fibra muscolare arrivano più motoneuroni (periodo della ridondanza), ma ciò deve essere aggiustato fino ad avere un unico motoneurone per ogni fibra muscolare. Nella prima fase dello sviluppo abbiamo la morte di molti neuroni, dopo avviene il periodo della competizione sinaptica (che dura anche nelle prime settimane dopo la nascita). In alcune fibre abbiamo addirittura 10 motoneuroni per fibra, ma deve sopravviverne solo uno perché nell’adulto ogni fibra deve essere innervata da un solo assone. La cellula di Schwann terminale va ad eliminare tutti gli assoni sovrannumerari permettendo la formazione della sinapsi Figura adulta. 8 Nell’adulto queste cellule intervengono nella reinnervazione dopo denervazione parziale. Per capire il concetto, il prof propone un esempio pratico: abbiamo un paziente con ernia al disco che, comprimendo la radice dei nervi, riduce del 10% il numero di assoni. In questa condizione possiamo avere un recupero della forza in pochi giorni (reinnervazione veloce) permessa dalle cellule di Schwann terminali che percepiscono la mancanza dell’assone sulla fibra, proliferano e raggiungono l’assone vicino, determinano la crescita di questo assone in modo Figura tale che questo vada ad innervare la fibra muscolare che aveva 9 perso la sua innervazione. La reinnervazione avverrebbe comunque ma sarebbe lenta perché l’assone si riallunga di circa 1-2 nm al giorno (ci vorrebbero settimane). Ciò può avvenire ovviamente solo se la denervazione è parziale* e ci sono quindi ancora assoni attivi vicino. Inoltre, vengono cambiate alcune proprietà della fibra muscolare che dipendono dal motoneurone che la innervava. *Domanda: Perché questo processo avviene solo se la denervazione è parziale? Risposta: In base alla grandezza dell’unità motoria cambiano le dimensioni del soma del neurone, essendo questa la sede dei processi di biosintesi (tanto più abbondanti quante più fibre deve innervare il motoneurone). Quindi più fibre muscolari vengono innervate dal neurone (e quindi più ramificazioni fa il neurone) maggiore deve essere la grandezza del soma. Nel caso in cui perdiamo pochi assoni possiamo avere il recupero completo, ma se perdo tanti assoni la reinnervazione non sarà completa perché un unico motoneurone non potrà reinnervare tutte le fibre che sono rimaste scoperte, dato che la grandezza del suo soma sono ridotte. L’importanza delle cellule terminali di Schwann è testimoniata dal fatto che durante l’invecchiamento si riduce il numero di tale cellule e ciò sembra essere direttamente correlato al decadimento muscolare che avviene fisiologicamente (insieme ad altri fattori ovviamente). Figura 10 4. COMPETIZIONE SINAPTICA Il prof riprende questo discorso, essendo che lui ci ha lavorato a lungo. In tutti i distretti si verifica che durante lo sviluppo abbiamo innervazioni multiple, ad esempio nel cervelletto ogni cellula di Purkinje è raggiunta da più fibre rampicanti. Perché durante lo sviluppo abbiamo più sinapsi rispetto a quelle che ci servono? Perché per averne, alla fine, il numero adeguato devo partire da un eccesso, in modo tale da raggiungere il rapporto ottimale. Figura 11 Quindi abbiamo una morte neuronale durante lo sviluppo del feto (prima fase) e poi una competizione sinaptica (seconda fase) fino ad arrivare al rapporto corretto di sinapsi. Quale assone vince la competizione? Quello più attivo. Il prof mostra delle immagini (figura 12) prese da un suo lavoro, pubblicato su Nature, ottenute con l’utilizzo dell’acetilcolina transferasi, che ci mostra come l’assone sottile che non produce questo enzima (e pertanto non viene colorato) perde la competizione mentre la vince quello ancora in grado di sintetizzarlo. Questa competizione riguarda dei fattori trofici rilasciati dalle cellule bersaglio. La quantità di questi fattori trofici è limitata e solo il neurone più attivo, che riesce a captarne di più, sopravvive. Esistono vari tipi di tali fattori trofici, che legano recettori di membrana e regolano vari Figura 12 processi di sopravvivenza e sviluppo (modificano la espressione genica). Fattori importanti per la sopravvivenza dei motoneuroni: - vascular endothelial growth factor (VEGF), isolato da Rita Levi Montalcini - glial-derived neurotrophic factor (GDNF), - ciliary neurotrophic factor (CNTF) - insulin-like growth factor 1 (IGF-1), prodotto da cellule muscolari - brain-derived neurotrophic factor (BDNF). L’importanza di questi fattori liberati dalla cellula bersaglio è testimoniata dal fatto che, se taglio il suo assone e il neurone perde il suo contatto sinaptico, muore. Figura 13 L09_18/10/2023 SBOBINATORE: Carlini Andrea REVISORE: Casa Matteo FISIOLOGIA I – PROF. MARIO BUFFELLI CONTINUAZIONE LEZIONE PRECEDENTE 1. CELLULE DI SCHWANN TERMINALI: Hanno un ruolo molto importante perché svolgono diverse funzioni, tra cui: - controllare le dimensioni delle sinapsi in funzione alla loro attività - intervenire nella formazione delle sinapsi rilasciando fattori di sviluppo - reinnervare la struttura neuronale in caso di denervazione parziale Un ultimo processo nel quale le cellule di Schwann sono implicate è quello dell’invecchiamento. Infatti, queste col tempo vanno incontro a degenerazione e ciò comporta un’alterazione a livello delle sinapsi neuromuscolari. 2. COMPETIZIONE SINAPTICA: la competizione sinaptica è un processo di eliminazione che interessa tutti i neuroni ed avviene in 2 fasi: - nella prima fase, a causa di un eccesso di neuroni rispetto alle strutture da innervare, i neuroni che non riescono a contrarre rapporto col bersaglio vanno incontro a morte neuronale - nella seconda fase, definita di competizione, i neuroni che sopravvivono innervano un territorio maggiore rispetto a quello corrispondente nell’adulto; quindi, c’è bisogno di ridurne il territorio di innervazione. Quindi durante lo sviluppo i motoneuroni dovranno concentrarsi su alcune sinapsi e lasciarne altre. Col processo di competizione si passa dalle prime settimane di vita dell’embrione caratterizzate da più neuroni che convergono sulla stessa sinapsi, ad un quadro adulto costituito da un solo motoneurone che sinapta con la singola fibra muscolare. Il processo di competizione si manifesta tra neuroni che hanno una differenza di attività, nel caso in cui questa non sia presente avremo una condizione definita di non competizione. La non competizione avviene sia nel caso in cui i neuroni siano attivi alla pari sia nel caso in cui i neuroni siano inattivi. Un neurone si definisce attivo nel caso in cui riesca a sopravvivere al processo di competizione. Questo concetto è presente non solo nelle sinapsi muscolari, ma anche a livello del cervelletto, dei gangli del sistema nervoso autonomo, della corteccia (il professore evidenzia che nella corteccia visiva il processo di competizione dura più a lungo, diversi mesi, e che ci sia una competizione tra i due occhi). Questi neuroni competono per dei fattori definiti trofici, capaci di controllare la sopravvivenza e il differenziamento del neurone, rilasciati dalle cellule bersaglio. Questi fattori sono essenziali per la sopravvivenza del neurone, in quanto senza una struttura bersaglio da innervare la cellula va incontro a morte. 0 Tra i fattori trofici si ricordano: NGF, scoperto da Rita Levi Montalcini, VEGF, GDNF, CNTF, IGF-1 e BDNF. 3. PATOLOGIE DELLA GIUNZIONE NEUROMUSCOLARE: si distinguono in patologie della giunzione neuromuscolare che interessano la porzione presinaptica: F - Botulismo: che come già detto va ad interferire con l’esocitosi dell’acetilcolina nella giunzione - Sindrome di Lambert Eaton: condizione miastenica autoimmune, caratterizzata da degli autoanticorpi che vanno a ridurre il numero di canali calcio voltaggio dipendenti presenti a livello del terminale presinaptico. In questo modo si va a diminuire gli elementi di esocitosi e quindi il rilascio di acetilcolina. D e che interessano la porzione post sinaptica: - Miastenia Gravis: patologia autoimmune che compare maggiormente nelle donne intorno ai 40 anni, causata da autoanticorpi che vanno ad inattivare il recettore dell’acetilcolina. In questo modo si ha difficoltà ad indurre un potenziale d’azione nella fibra muscolare, nonostante la parte presinaptica risulti funzionante. Quindi in questa patologia la struttura neurale è integra, ma manca la risposta delle strutture bersaglio I IIII II BUNGAROTOSSINA recettori ach JAFFEY 4. TOSSINE CHE BLOCCANO LA TRASMISSIONE NEUROMUSCOLARE: si è già parlato di quelle che bloccano il canale del sodio o del calcio o potassio voltaggio dipendente. Si evidenzia la µ- conotossina capace di bloccare il canale del sodio a livello muscolare. In figura 1 vengono ricapitolate le varie tossine che bloccano la trasmissione neuromuscolare Il professore, inoltre, ci tiene a sottolineare come una tossina che agisce sull’acetilcolinesterasi provochi una paralisi flaccida che nei casi più gravi può andare ad interessare il diaframma provocando ipossia e infine morte. Figura 1 SINAPSI DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE In figura 2 si osserva in immunofluorescenza un neurone di ippocampo che presenta un gran numero di dendriti. I puntini verdi sono sinapsi evidenziate usando un marcatore per il glutammato mentre il rosso evidenzia sinapsi GABAergiche. La sinapsi del sistema nervoso centrale presenta delle differenze con la sinapsi neuromuscolare come: - dimensione: la centrale è di piccole dimensioni al di sotto del micron, la neuromuscolare è di E grosse dimensioni intorno ai 50µ - numero di sinapsi: la centrale possiede da 5.000 a 10.000 sinapsi per neurone (che nel cervello sono circa 10¹¹), la neuromuscolare possiede una singola sinapsi cioè c’è una giunzione per ogni fibra muscolare - capacità eccitatorie e inibitorie: la sinapsi muscolare a differenza di quella centrale è sempre e solo eccitatoria. La ridotta attività del motoneurone non è data dal fatto che la sinapsi può diventare inibitoria, ma dalla sua minor frequenza di scarica dell’acetilcolina che quindi va a bloccarla. In questo modo si va a Figura 2 ridurre l’attività muscolare e quindi il tono muscolare. Il neurone del sistema nervoso centrale possiede una struttura polarizzata e forma delle sinapsi che a seconda di dove si localizzano possono essere suddivise in due tipi (figura 3): - tipo 1 caratterizzato da vescicole ad aspetto tondeggiante, da una fessura abbastanza Figura 3 ampia e da un apparato post sinaptico di dimensioni notevoli. Si localizzano a livello dell’albero dendritico, tramite delle protuberanze definite spine dendritiche. - tipo 2 caratterizzato da vescicole ovali, da una fessura piccola e da una porzione post sinaptica meno densa. Si localizzano a livello della prima porzione dell’albero dendritico e del corpo cellulare. Questa diversa dislocazione delle sinapsi è adatta al ruolo che devono svolgere i due tipi di sinapsi. E - il tipo 1 sono sinapsi eccitatorie che inducono una depolarizzazione. Il potenziale sinaptico, a differenza di quello neuromuscolare, è piccolo (al di sotto dei millivolt) e da solo non è capace di indurre un potenziale d’azione. Per risolvere questo problema si ha una sommazione temporale e spaziale dei potenziali graduati in modo tale da compensare il basso valore del potenziale d’azione e indurre in questo modo una stimolazione sinaptica. Questa è una differenza che c’è tra la sinapsi neuromuscolare (capace di indurre tramite un singolo motoneurone una contrazione muscolare) e la sinapsi del sistema nervoso centrale (che ha bisogno di più sinapsi ad alta frequenza per indurre una risposta, per questo ogni neurone ha molte sinapsi nell’albero dendritico). o - Il tipo 2 sono sinapsi inibitorie che iperpolarizzano il potenziale di membrana. La loro posizione è pensata in modo tale che se nel caso arrivasse un impulso eccitatorio queste lo vadano a bloccare. Il prof sottolinea il fatto che il corpo cellulare del motoneurone è localizzato nel sistema nevoso centrale mentre a livello dei bersagli abbiamo solo le terminazioni neuronali. In figura 4 notiamo le spine dendritiche Figura 4 evidenziate tramite la colorazione Golgi. Questa colora solo alcuni neuroni e ciò ha permesso di studiare la complessità della cellula nella sua singolarità. In questo modo si comprese che i neuroni non fossero uno la prosecuzione dell’altro, ma piuttosto che fossero collegate tramite delle sinapsi. In figura 5 si vuole evidenziare come la memoria sia localizzata a livello dell’insieme delle spine dendritiche. Una loro riduzione seguita da una progressiva perdita di neuroni è responsabile del decadimento cognitivo nell’anziano. Figura 5 1. MICROSCOPIA A 2 FOTONI: La microscopia a 2 fotoni utilizza un laser ad infrarossi in grado di evidenziare solo ciò che è presente sul piano focale, a differenza del confocale che evidenzia tutto ciò che è investito dalla luce. Infatti in questo caso avendo solo 2 fotoni questi intercettano solo sul piano focale mentre quello che c’è sopra o sotto non viene evidenziato. Tramite questa microscopia si è in grado di studiare in vivo il soggetto attraverso 2 tipi di tecniche: - è possibile rimuovere una porzione di scatola cranica sostituendola con un vetrino che viene messo sotto il microscopio in modo tale da essere studiato in vivo - è possibile tagliare finemente la scatola cranica e come nella tecnica precedente il soggetto in vivo è posto sotto il microscopio. In questo modo si è riusciti a studiare la corteccia nel tempo e ciò ha permesso di conoscere l’emivita di una spina dendritica. 2. SPINE DENDRITICHE: Le spine dendritiche hanno diverse forme (figura 6): - Filopodia - Thin - Mushroom, forma più stabile - Stubby, forma che deriva dalla mushroom e risulta essere meno attiva Eccetto la forma di fungo le altre forme risultano essere instabili e le troviamo soprattutto durante lo sviluppo del SNC. A livello delle spine dendritiche in una sinapsi eccitatoria sono presenti recettori per il glutammato stabilizzati da delle molecole come il PSD- 95 (molecola di ancoraggio delle chinasi). Una sinapsi attiva possiede l’estremità della spina molto grande mentre una meno attiva ne riduce le dimensioni. Figura 6 Le spine dendritiche sono necessarie perché aumentano la superficie cellulare e dunque garantiscono una maggiore estensione in cui inserire i recettori di membrana. Inoltre, sono strutture mobili, per cui per formare o demolire delle sinapsi è sufficiente aggiungere o rimuovere le spine dendritiche, che altro non significa che avere più o meno recettori disponibili e dunque una efficacia sinaptica diversa. Si parla per questo di plasticità sinaptica. Ci si potrebbe chiedere perché tra tutte le forme di spine dendritiche la più stabile sia proprio quella di mushroom. Se lo scopo fosse aumentare la superficie cellulare non sarebbe sufficiente avere una lieve protuberanza come nello stubby? Evidentemente, nella forma a fungo, il collo ricopre un ruolo essenziale: in esso sono difatti presenti molti canali ionici che si aprono per dare passaggio a importanti secondi messaggeri. Tali secondi messaggeri, come calcio o AMP ciclico, fondamentali nel modulare i canali ionici, risultano confinati in una zona ristretta della cellula. Ricapitolando le spine dednritiche sono fondamentali in quanto: Aumentano la superficie Possono essere aggiunte o rimosse e dunque aumentare o diminuire le sinapsi Permettono di controllare l’efficacia sinaptica, ovvero tutti quei segnali che sono coinvolti nel modificare la risposta della cellula post-sinaptica, attraverso l’uso dei secondi messaggeri. 3. SINAPSI ECCITATORIE E INIBITORIE Si parla di sinapsi eccitatorie quando viene indotta una depolarizzazione di membrana: si aprono i canali per il Na+ e/ o per il Ca2+, e tali ioni essendo in condizioni di riposo più concentrati all’esterno della cellula, migrano secondo gradiente di concentrazione all’interno della cellula, portando un accumulo di cariche positive. Queste Figura 7 portano a un’inversione del potenziale di membrana che da negativo, in condizioni di riposo, diventa positivo. Si parla di sinapsi inibitorie quando viene indotta una iperpolarizzazione di membrana, che porta il potenziale verso valori ancora più negativi. Questo può avvenire aumentando la concentrazione di cariche negative all’interno della cellula o portando alla fuoriuscita di cariche positive dalla cellula. I due ioni interessati sono difatti il cloro Cl-, più concentrato esternamente che internamente per cui entra iperpolarizzando, e il potassio K+, più concentrato internamente che esternamente per cui esce dalla cellula portando a una diminuzione di cariche positive e conseguentemente ad un aumento della polarizzazione. Ci sono alcune sinapsi eccitatorie che inducono una depolarizzazione con un canale al K+: chiudendo infatti il canale si determina un accumulo di ioni potassio all’interno della cellula, portando a un aumento di cariche positive. Le sinapsi sono in genere molto piccole, per cui il potenziale post-sinaptico che generano è molto piccolo, al di sotto del millivolt. Quindi un singolo potenziale non può mai indurre un potenziale d’azione nella cellula post- sinaptica: è necessario che avvenga la sommazione temporale e spaziale di molti potenziali per poter raggiungere il valore soglia e indurre così il potenziale d’azione. La sommazione riguarda sia le sinapsi inibitorie che quelle eccitatorie, ma è necessario che il numero delle eccitatorie sia maggiori di quelle inibitorie, altrimenti non si riuscirebbe a raggiungere la soglia. Ricorda che nelle sinapsi neuromuscolari si hanno solo sinapsi eccitatorie. Nella sommazione temporale se si riduce l’intervallo tra un signaling e l’altro si hanno effetti di persistenza del primo stimolo, per cui si può effettuare la somma con anche gli altri stimoli. La sommazione spaziale è possibile solo quando la distanza è minore della durata: se si hanno due impulsi singoli molto lontani non vi è sommazione. Figura 8 botulinica. Questo è dovuto al comportamento della tossina tetanica: essa deve essere portata all’interno del citoplasma, tramite dei trasportatori in grado di farlo; nei neuroni colinergici (come il motoneurone alfa) la concentrazione di questo trasportatore per la tossina tetanica è bassa; di conseguenza, non si crea un’alta concentrazione di tossina nel citoplasma, tale da impedire il taglio delle proteine. La tossina viene quindi trasportata in modo retrogrado, raggiunge il soma del neurone e, da qui, può essere portata all’esterno di esso, nel midollo spinale. Qui viene captata da neuroni inibitori, che usano la glicina come neurotrasmettitore: è in questi neuroni che la tossina si concentra e agisce, bloccando quindi le sinapsi inibitorie del midollo spinale. Questo causa l’aumento dell’azione dei motoneuroni alfa: aumenta la É loro frequenza di scarica, inducendo una contrazione muscolare. Per cui, mentre la tossina botulinica agisce a livello periferico, quella tetanica non raggiunge una concentrazione elevata in periferia, ma lo fa nei neuroni inibitori che usano glicina nel midollo spinale; è qui che riesce a bloccare il processo di esocitosi del neurotrasmettitore. Iniettando una concentrazione molto elevata di tossina tetanica in vitro, su un preparato neuromuscolare (nervo – muscolo), la tossina blocca l’esocitosi del neurotrasmettitore, quindi teoricamente può agire anche su una struttura periferica: è solo questione di determinare le giuste condizioni. In condizioni fisiologiche, la tossina non raggiunge mai concentrazioni così elevate da bloccare la sinapsi neuromuscolare in periferia, ma se si fornisse una concentrazione di tossina sufficiente potrebbe agirebbe anche qui. N.B.: Come già detto, nei soggetti vaccinati la tossina tetanica causa una contrattura nel punto di ingresso: non è un meccanismo periferico, è comunque un meccanismo centrale. Infatti, dato che ci sono gli anticorpi, la tossina interessa solo interneuroni vicini ai neuroni che la trasportano a livello centrale. La contrattura, quindi, rimane limitata nella vicinanza della ferita. Membrana post-sinaptica Recettore dell’acetilcolina A livello della giunzione neuromuscolare, nella membrana post-sinaptica si trovano i recettori per acetilcolina. Essi sono localizzati in altissima concentrazione nelle vicinanze del punto di rilascio dell’acetilcolina, nella zona delle creste. La densità di questi recettori in questa regione è di 10mila recettori per micron quadro. I recettori sono formati da cinque subunità: E - 2 subunità alfa, dove si lega l’acetilcolina: servono quindi 2 molecole per poter aprire il canale ionico associato al recettore - Subunità beta - Subunità delta - Subunità gamma Quando si legano due molecole di acetilcolina alle due subunità alfa del recettore, si ottiene un cambio di conformazione, a cui seguono l’apertura del canale e quindi l’ingresso di sodio, la fuoriuscita di potassio e l’ingresso di una piccola quantità di calcio. Recettore adulto e recettore fetale Questa struttura sopra descritta corrisponde al primo recettore che compare nella fibra muscolare, quello fetale. Nell’adulto, invece, c’è un recettore diverso: invece della subunità gamma, c’è la subunità epsilon. I due presentano delle differenze, riguardo: - Conduttanza - Tempo di apertura Il recettore tipo adulto (ossia quello che presenta la subunità epsilon) ha una conduttanza di 60pS e un tempo di apertura di 5.3ms. 8 30 ps e lo mls E 60ps e 5,3 Mls Il recettore nicotinico fetale (ossia quello che compare durante lo sviluppo, quando ancora il nervo non ha raggiunto la fibra muscolare, formato dalla subunità gamma) ha una conduttanza di circa la metà, di 30pS e un tempo di apertura di quasi il doppio rispetto al primo (ossia di 10,4msec) (Osservando i grafici a fianco, che rappresentano la corrente registrata quando il canale ionico si apre, questa corrisponde a 2 mA) Dato che il secondo recettore ha un tempo di apertura circa il doppio e una conduttanza di circa la metà del primo, la quantità di ioni che passa nei due recettori è circa simile. (Vedi figura 6) Figura 6 Quando bisogna sostituire una fibra muscolare lesionata (ossia se ne deve formarne una nuova) 1, nella nuova fibra compaiono nuovamente i recettori di tipo gamma e solo in seguito quelli di tipo epsilon. I due recettori per acetilcolina compaiono in momenti diversi: quando si forma la fibra muscolare durante lo sviluppo embrionale, essa presenta dei recettori per l’acetilcolina di tipo gamma distribuiti lungo tutta la sua lunghezza. Quando arriva il nervo (cioè, l’assone dei motoneuroni alfa) che forma il contatto con la fibra, in questo punto di contatto si formano recettori di tipo adulto formati dalla subunità epsilon e, in contemporanea, scompaiono quelli di tipi gamma. I recettori di tipo epsilon saranno, quindi, gli unici localizzati nei punti di rilascio dell’acetilcolina, ossia sulle creste dovute all’invaginazione della membrana. Per formare questi recettori adulti con subunità epsilon deve essere modificata l’espressione genica nei nuclei della fibra muscolare che si trovano nelle vicinanze del punto di inserimento del recettore. I recettori gamma, invece, vanno rimossi dappertutto. Com’è possibile? La fibra utilizza i potenziali d’azione. I potenziali d’azione che viaggiano lungo la membrana cambiano l’espressione genica dei nuclei per non indurre più l’espressione dei recettori di tipo gamma. Questo è stato scoperto osservando cosa accade in due condizioni patologiche: paralisi e riduzione di attività del muscolo (ad esempio causate dal gesso, che blocca l’articolazione, o a causa di una tossina come quella botulinica). In questi casi, la mancanza/riduzione di attività del muscolo riduce la massa muscolare dopo poco tempo. Ciò che si nota è che, riducendo l’attività muscolare, ricompare il recettore di tipo gamma. Analizzando una biopsia muscolare in soggetti con muscoli inattivi è possibile trovare recettori di tipo gamma (insieme agli epsilon che si trovano nel punto di contatto tra le terminazioni dell’assone e la fibra muscolare). Lo stesso accade nel caso di lesione del nervo (il muscolo rimane denervato): c’è una ridotta attività muscolare (è possibile solo un’attività passiva e non una attiva) e ciò porta la ricomparsa di recettori gamma su tutta la fibra muscolare. Questo dimostra che è il potenziale d’azione a rimuovere i recettori di tipo gamma. Infatti, se nel muscolo denervato, si induce un’attività tramite stimolazione esterna con elettrodi, scompaiono i recettori di tipo gamma. Quindi i recettori di tipo gamma sono presenti durante lo sviluppo e in tutte le condizioni in cui l’attività muscolare è ridotta. I recettori epsilon, invece, sono indotti dal nervo solo nel punto di contatto. Perché il nervo deve indurre cambiamento di espressione genica nei nuovi recettori? Perché non può utilizzare i gamma già presenti? Nelle vescicole dense2 dei motoneuroni alfa ci sono delle molecole che sono in grado di indurre un cambiamento di espressione genica proprio nel punto di contatto: modificano i nuclei in vicinanza di esso per indurre l’espressione dei recettori di tipo epsilon. Queste molecole sono: 1 Succede abbastanza di frequente: ad esempio, il sollevamento pesi comporta delle lesioni nelle fibre muscolari, che degenerano e se ne formano di nuove 2 Si ricorda che le vescicole dense, a differenza delle chiare, non contengono neurotrasmettitori, ma neuropeptidi di regolazione (contengono molecole che danno segnali importanti nella membrana post-sinaptica)  - O Agrina: lega il recettore Musk (che a sua volta attiva dei segnali intracellulari che modificano l’espressione genica). La sua funzione è quella di indurre aggregazione dei recettori di tipo adulto, ossia creare tutte le condizioni per aggregare i recettori, in modo da averne un’altissima densità (densità = 10mila recettori per micron quadro). - Neureguline: legano i recettori ErbB sulla membrana post-sinaptica, modificando e l’espressione genica. La loro funzione è quella di indurre la comparsa dei recettori di tipo adulto. In assenza di agrina, sono presenti i recettori di tipo adulto (e si può formare qualche raro aggregato spontaneo), ma non si realizza l’aggregazione dei recettori che ci dovrebbe essere. Immagine di esempio Rappresenta il diaframma, e si osservano due condizioni: quella con sinapsi allineate con i recettori dell’acetilcolina aggregati, e quella dove, in assenza di agrina, non si verifica l’aggregazione recettoriale e ci sono, di conseguenza, anche pochi contatti con l’assone. Figura 7 In mancanza di neureguline, invece, non ci sono recettori di tipo adulto e l’agrina tende ad aggregare recettori di tipo gamma (ma sono comunque pochi e non sufficienti per indurre la contrazione muscolare). L’importanza di questo meccanismo si ritrova nel fatto che esso rappresenta l’unico metodo con cui il nervo riesce ad indurre questi recettori adulti proprio nel punto di rilascio di acetilcolina: si crea tutta una struttura controllata dal nervo, esattamente nel punto di arrivo. Se, durante lo sviluppo, il nervo si sposta lungo la fibra, esso riesce a indurre gli aggregati recettoriali proprio dove termina: serve un perfetto allineamento tra membrana presinaptica e terminale post-sinaptico. Per cui, il motivo per cui si ha il cambio dalla subunità gamma alla epsilon è che rappresenta l’unico modo con cui il motoneurone può indurre l’espressione e l’aggregazione dei recettori proprio nel punto di arrivo. Il fatto che ogni neurone riesca a controllare le proprietà della membrana post-sinaptica vale anche nel SNC. N.B.: Se i recettori fossero lungo tutta la fibra (come i gamma) non si riuscirebbe ad indurre il potenziale d’assone. Viene di seguito rispiegata la correlazione tra recettori gamma e ipotrofia muscolare Tutte le volte in cui si ha ridotta attività del muscolo, si verificano la ricomparsa di recettori gamma lungo tutta la membrana e l’abbassamento del potenziale di membrana a riposo (da -90 mV verso -60/- 50mV) nel giro di poche ore. Inoltre, la fibra muscolare inizia a produrre acetilcolina autonomamente. Osservando pazienti con paralisi dopo qualche settimana, si può notare qualche lieve attività muscolare (ma NON dovuta al nervo, se questo è lesionato), la quale è autoindotta da questa produzione propria di acetilcolina e successivo rilascio. Si possono creare, quindi, dei piccoli potenziali graduati, i quali a volte si sommano, diventando più ampi e riescono a indurre dei piccoli potenziali d’azioni (dando delle lievi contrazioni, che sono però limitate): si parla di attività muscolare passiva. Il muscolo con il tempo si riduce di diametro a causa del fatto che l’attività muscolare è ridotta. Il potenziale d’azione, invece, sopprime l’attività dei nuclei nelle vicinanze, per non indurre l’espressione dei recettori per l’acetilcolina e, al contempo, induce invece l’espressione di componenti strutturali della fibra muscolare (proteine, miofibrille ecc.). Quindi, se manca l’attività del motoneurone, il muscolo va incontro ad atrofia muscolare. Riassumendo: Il potenziale d’azione che viaggia sulla fibra:  Galloro Nicola Lez. 9 Fisiologia I e biofisica Gadioli Margherita Prof. Buffelli Ibrahimi Lamià 16/10/2024 …continuazione lezione precedente Recettori Acetilcolinici Ci sono 2 tipi di recettori per l’acetilcolina sulla fibra muscolare e sono i recettori con canale ionico inserito nella propria struttura e per questo sono chiamati “recettori ionotropici”. Essi sono stimolati dalla nicotina e per questo chiamati “recettori nicotinici”. I due tipi di recettore prendono il nome di: o Recettore nicotinico fetale: ha 2 subunità alfa, una beta, una gamma e una delta o Recettore nicotinico adulto: come quella fetale ma la subunità gamma viene sostituita dalla subunità epsilon Abbiamo visto anche le conduttanze e i tempi di apertura e abbiamo detto che se andiamo a fare una valutazione complessiva sulla quantità di sodio che entra alla fine non c’è differenza tra i 2 recettori. Qual è il motivo per cui il recettore fetale ha la subunità gamma e quello adulto la epsilon? Esistono due principali ragioni che spiegano questa differenziazione recettoriale basata principalmente sui meccanismi di sviluppo 1. Funzionalità del recettore Gamma: già durante lo sviluppo, si può osservare come una fibra muscolare non innervata che presenta recettori gamma su tutta la membrana riesce a mantenersi attiva. Ciò suggerisce che in qualche modo senza aver stabilito l’innervazione fisica la fibra è comunque stimolata. La fibra muscolare non innervata non si inattiva e non va in fibrosi bensì rimane attiva. A rendere possibile questo è la presenza dei recettori gamma. La fibra, non solo presenta questi recettori, ma riesce anche a produrre una certa concentrazione di acetilcolina che agisce in maniera autocrina sulla fibra stessa inducendo lo stimolo che ne permette la sopravvivenza. I recettori gamma, infatti, vengono riespressi in caso di paralisi da deinnervazione.1 Una fibra deinnervata può rimanere in questa condizione fino a circa 3 anni. Se dopo 3 anni non viene ricontatta dal nervo si trasforma in connettivo fibroso (degenerazione) e dunque, non è più possibile ripristinare la fibra dal punto di vista strutturale. 1. Funzionalità del recettore epsilon: l’espressione dei recettori epsilon è l’unico modo escogitato in natura che permette di posizionare i recettori proprio nel punto di maggior rilascio di acetilcolina (zona attiva). Il nervo durante lo sviluppo può seguire percorsi diversi e finire sulla fibra in un punto anche diverso da quello centrale. Nel punto di arrivo se rilascia dei fattori che inducono l’espressione genica in quella sede (perché lì il fattore è più concentrato) è il modo più efficiente per poter trasmettere il segnale dalla parte presinaptica alla parte postsinaptica. 1 Dalle sbobine dell’anno scorso: il recettore embrio fetale gamma può ricomparite lungo tutta la fibra se viene indotta una paralisi per azione della tossina butolinica, per blocco dell’articolazione per l’applicazione del gesso oppure se ho una denervazione da sezione di un nervo  t.SN candidato hfe neuromusconey name ysibre 5000 1000 sinapsi 1 sinapsi eccitatoria inibitoria  mettere a 1 Te E I f EITEE.EE eE utente  e o  µ INC O_ 0 6  RECETTORIIONOTROPICI presentanouncanaleall'internodellastrutturaQuando neurotrasm silegaal recettoreavviene cambioconformportandoall'aperturadelcanalee all'ingressouscitadiioni recettoreche II metano al atmodlabie p canale Itàveesinaftàione Leagiscesu lanaliionici folleparic e Inibitori O O O O mi 1 questoaumenta la quantità di neurotrasm rilasciato un  RECETTORE METAB NORADRENALINA la molecola si lega al cicla adrenergico la proteina Gs stimola adenilato G suorecettore metabotopico β vi canaliionici o inmododiretto o attiva laftpieLIa e ali V1 Il GLUTAMMATO attira la proteina Go cheattira 49 fosfolipasi che produce DIACILIUCENO DAG e inattferno 1ps EY.ie ii anaeiioni hehe i DOPAMINA è inibirono Dopamina si lega a recettore D 2 che rende meno attiva la proteina 4 e si e CAMI e A IIIa E 0 _I_  GLUTAMMINA assorbita GLUTAMMINA GUTAMMATO plutaminasi EI danerone astrocita eletti pre s da SATZ U O peneportatoall'internodellevescicole O 0 o Tiantuiidanita.th passarenaekigighe Naik 0 0 Naik O la O NMDA sia non NMDA sulla membrana postsinaptica xke durante fondamentale avere sia saranno attivi mentre ad allerta lo YEMENI BASIMENELI  ae m Una ON VE O E o ETNO ossidasi EIII.FI 0 0 o V Fenway todaenzima.IM GABA sintetit IGUAMMche ARBoSSIlASI usa PIRIDOSSILFOSFATO II SERINA 11 SEMINA IDROSSIMETILTRASFERASI Zoe O 0 a 00_  I O IIIIIIIIIII È regge GAFFI 0 III Rimodellarele connessioninevrona I Ii j gg LE Modifiche sinaptiche Possonoessere furto genealmentele terminesiverificano a modifiche abreve livellapappg vestemodifiche o ti interessano la porzione SINARA POST nanicamaiore delprimo m.ee F o o IIIIIIIIIIIII 6 I l'efficienza all'internodel abitudine.ae rm EIIEEEE.IE deglienzimi IE ilreggersi Ejjabiegggyptine neurotasm equindi rilasciandomeno mm il motoneuronenericevemeno  mplessoduawsecf.fi lnelw è e L certo emettitricicarine protehaleetaciarenhaenpotetaikolaerheenor ciclasicheaumentacampcheattiva più untecilieportaall'attivaz di Puggahie eh adenilato ca p cheforma diacieglicerolo cheattivaunaPKCcheaumenta la gia Ell'IIILe geffuffolipasi TE profetizza hesieteInimica  EadalcuniGente eh Plaimestiolie shape Ecemi tempocuneograzie meccanismi e gioielleria fiettefia E Tereeca p Iii farmateriale  viiitenia _me inalcunesinapsiera depolarizz