Potenziale di Membrana (Lezione 15, 07/11/2023) PDF

Lezione 15, 07/11/2023 Potenziale di membrana Il potenziale di membrana delle cellule nervose è di -70 mV, un valore negativo determinato dalla presenza di un maggior numero di cariche negative nell’ambiente interno rispetto all’ambiente esterno. Questo valore è stato scelto per convenzione in quan...

Lezione 15, 07/11/2023 Potenziale di membrana Il potenziale di membrana delle cellule nervose è di -70 mV, un valore negativo determinato dalla presenza di un maggior numero di cariche negative nell’ambiente interno rispetto all’ambiente esterno. Questo valore è stato scelto per convenzione in quanto non tutte le cellule hanno lo stesso valore fisso di potenziale negativo. Qualora si abbia un ingresso di cariche positive all’interno della cellula, il potenziale si inverte e la membrana viene depolarizzata. L’ingresso di cariche positive può essere favorito dall’apertura dei canali ionici che consentono l’ingresso di ioni carichi positivamente. Infatti, l’apertura o chiusura dei canali determina il movimento di ioni che si muovono seguendo il gradiente di concentrazione. I canali ionici presenti a livello della membrana cellulare sono di diverso tipo e diversi stimoli permettono di passare da uno stato di forma aperta a uno stato di forma chiusa e viceversa. I principali canali ionici sono il voltaggio dipendente e ligando dipendente. Esistono poi altri canali, come il meccano dipendente e termo dipendente. Ciascun canale è specifico per ogni ione: per ogni canale passa un solo tipo di ione. Un neurone può rispondere a uno stimolo conducendo un impulso (segnale elettrico) su tutta la sua superficie. Gli stimoli provenienti da altri neuroni inducono variazioni del potenziale di membrana: se viene raggiunto il valore soglia si assiste a una depolarizzazione che si propaga lungo l’assone. Si ha quindi un’inversione del potenziale di riposo che raggiunge un valore denominato potenziale d’azione, di +30 mV. La trasmissione del segnale elettrico, quindi, prevede una depolarizzazione che interessa il neurone da un determinato punto fino al suo assone. Fibre amieliniche e mieliniche Le fibre nervose o assoni possono essere classificate in:  Amieliniche, conduzione lenta, “punto per punto”  Mieliniche, conduzione veloce, saltatoria Vengono definite amieliniche le fibre prive di rivestimenti. Nella figura A è rappresentata la situazione di riposo con una distribuzione omogenea di cariche positive e negative. In seguito a uno stimolo, si aprono i canali ionici per il sodio che entra all’interno. Questo determina un’inversione del potenziale e una depolarizzazione che induce l’apertura dei canali ionici vicini, coinvolgendo ogni punto dell’assone. Per questo motivo si dice che il segnale elettrico si propaga “punto per punto”. La conduzione viene definita anche lenta. Nel punto in cui è passato il potenziale d’azione si torna al potenziale di riposo: ogni volta che si attiva un processo la cellula deve tornare alle condizioni iniziali per poter agire nuovamente. Avviene quindi un processo di ripolarizzazione: chiusi i canali ionici, si interrompe il flusso di sodio verso l’interno, si aprono i canali +K che, essendo più concentrato all’interno, esce dalla cellula. Il potassio, avendo una carica positiva, ricarica la membrana e viene in questo modo ristabilito il potenziale di riposo lungo l’intera fibra nervosa. 1 Le fibre mieliniche sono caratterizzate da un rivestimento cellulare formato da cellule specializzate che formano la guaina mielinica. Le cellule che formano la guaina mielinica si dispongono allineate una dopo l’altra lungo l’intera fibra avvolgendo l’assone. Queste cellule prendono il nome di cellule di Schwann nel SNP (sistema nervoso periferico) e oligodendrociti nel SNC (sistema nervoso centrale). Durante il processo embrionale, queste cellule si avvolgono tante volte attorno all’assone che rimane centrale e fanno in modo che il citoplasma, nucleo ed organelli vengano spostati in periferia, in posizione distale. Si formano diversi foglietti di membrana cellulare di cellule di Schwann che costituiscono la mielina. La guaina mielinica è quindi costituita da una spirale di membrane cellulari dei due tipi cellulari avvolti intorno all’assone ed è fondamentale nella conduzione dell’impulso nervoso. Composizione della mielina La mielina è caratterizzata da un basso contenuto proteico (20%) e un alto contenuto lipidico. I lipidi agiscono da isolanti dal punto di vista elettrico, favorendo la velocità di conduzione del segnale elettrico lungo l’assone. Dalla composizione della mielina ne deriva il suo ruolo funzionale nella conduzione nervosa, aumentando la velocità di conduzione dell’assone (da 1m/s a più di 100m/s). Nodi di Ranvier Nel rivestimento di queste fibre nervose vi sono aree prive di mielina chiamate nodi di Ranvier, rivestiti solo da piccole espansioni delle cellule di Schwann del SNP. Nel SNC gli oligodendrociti mielinizzano contemporaneamente più assoni. A livello dei nodi di Ranvier non c’è un rivestimento da parte di oligodendrociti ma di terminazioni cellulari di altre cellule della glia che si pongono a protezione di queste zone. Nelle fibre nervose amieliniche vi sono piccole invaginazioni delle cellule di Schwann che accolgono le fibre amieliniche; queste invaginazioni non formano strati multipli di membrana, quindi, non costituiscono una vera e propria mielina. Hanno una funzione di protezione ma non sono coinvolte nella conduzione. Nelle fibre mieliniche il potenziale d’azione interessa solamente i nodi di Ranvier grazie all’attività isolante della guaina mielinica. La conduzione elettrica è quindi di tipo saltatorio, il segnale elettrico (la depolarizzazione di membrana) interessa solo i nodi di Ranvier. Lungo l’assone ci sono canali ionici in corrispondenza dei nodi di Ranvier. La velocità di conduzione dell’impulso, oltre che dalla presenza di mielina, dipende dal diametro delle fibre: più grandi sono, più è veloce la conduzione. Di conseguenza, non tutte le cellule conducono con la stessa velocità. Inoltre, l’importanza della mielina è evidenziata dalle patologie che derivano dalla sua errata costituzione o da una sua insufficiente presenza, che portano a una conduzione più lenta del normale delle fibre nervose. Un esempio è la sclerosi multipla: grave patologia associata alla distruzione della mielina con riduzione della conduzione dell’impulso. La mancanza di stimoli porta a una degenerazione delle cellule muscolari. 2 La trasmissione di informazioni e le sinapsi Il segnale elettrico si propaga in maniera unidirezionale e viene trasmesso ad altre cellule a livello delle porzioni terminali degli assoni che si ramificano e che vanno a prendere contatto con membrane di altri neuroni o cellule. Le sinapsi sono strutture specifiche che permettono la trasmissione del segnale. Il segnale elettrico ha sempre origine a livello di una zona particolare del neurone: il corpo cellulare; si propaga lungo l’assone in direzione distale. Le sinapsi sono formate da:  Terminale presinaptico assonico del neurone: porzione terminale dell’assone. È la struttura che trasmette il segnale ad un’altra cellula;  Terminale postsinaptico: è la parte della cellula che sta ricevendo lo stimolo. Neurone, cellula muscolare o ghiandolare.  Nella maggior parte delle sinapsi troviamo anche uno spazio intersinaptico. Questa è la zona compresa tra le due membrane cellulari del terminale presinaptico e quello postsinaptico. Esistono diverse tipologie di sinapsi: Sinapsi asso-dendritiche: l’assone trasporta il segnale ma il contatto avviene a livello del dendrite della cellula ricevente. Sinapsi asso-somatica: l’assone ha un contatto sinaptico col soma (o corpo cellulare) del neurone. Sinapsi asso-assonica: la sinapsi avviene tra un assone e l’assone della cellula ricevente. Le sinapsi possono essere suddivise anche in base al meccanismo: Sinapsi elettriche (retina e alcune zone della corteccia cerebrale), caratterizzate dalla presenza di giunzioni comunicanti (le gap junction). Lo spazio intermembrana è quasi inesistente e caratterizzato dalla presenza di connessoni, canali che consentono il passaggio di ioni tra il citoplasma di una cellula all’altra. La conduzione in questo caso è molto veloce e può essere bidirezionale (una volta che i connessosi sono aperti, gli ioni possono passare sia da una parte che dall’altra). Ha anche forti svantaggi: non permettono l’integrazione di più segnali simpatici e sono caratterizzate da un minore controllo in quanto non vi è la possibilità di regolare o modulare il passaggio di ioni. Sono importanti a livello dei muscoli cardiaci, grazie alla loro velocità. Sinapsi chimica, più frequente, si basa sul rilascio di neurotrasmettitori e interazione con proteine recettoriali. All’interno del terminale presinaptico, che si allarga a formare una struttura chiamata bottone sinaptico, ci sono delle vescicole derivanti dal Golgi e trasportate tramite trasporto assonico che contengono il neurotrasmettitore e mitocondri (trasportati attraverso proteine MAP e presenti a livello del pirenoforo). A livello della membrana terminale postsinaptica sono presenti i recettori per i neurotrasmettitori, con cui questi ultimi prendono contatto dopo essere stati rilasciati tramite esocitosi regolata nello spazio intersinaptico. Neurotrasmettitori Sono molecole di diversa struttura chimica: Peptidi (chiamati anche neuropeptidi), piccole proteine. Alcuni esempi sono l’acido gamma- amminobutarrico, glutammato, aspartato, ossitocina, vasopressina, endorfine; Altre sono piccole molecole chimicamente diverse, come ad esempio l’acetilcolina, l’ossido nitrico (formato da azoto e ossigeno), istamina. 3  I neurotrasmettitori peptidici sono sintetizzati nel corpo cellulare (RER, Golgi) e giungono alla sinapsi all’interno di vescicole tramite trasporto assonico, viaggiando lungo microtubuli. I neurotrasmettitori a basso PM sono sintetizzati nel citosol della terminazione presinaptica e mediante trasporto attivo sono veicolati all'interno delle vescicole presenti nel terminale presinaptico Gli enzimi e i precursori necessari alla loro sintesi sono trasportati al citosol dal corpo cellulare lungo l’assone e poi trasferiti in vescicole che derivano dal Golgi. Sinapsi eccitatorie ed inibitorie L’evento che porta alla liberazione del neurotrasmettitore è l’arrivo del segnale elettrico a livello della sinapsi. La cellula postsinaptica può rispondere in due modi. La sua membrana può essere depolarizzata o iperpolarizzata, dando origine a due diverse sinapsi: sinapsi eccitatoria: neurotrasmettitori determinano la depolarizzazione della cellula, l’eccitazione del neurone, dovuta all’ingresso di ioni Na+. Il potenziale diventa positivo. sinapsi inibitoria: neurotrasmettitori determinano l’iperpolarizzazione della cellula, l’inibizione del neurone, dovuta all’uscita di ioni K+. Il potenziale diventa ancora più negativo. Abbiamo questo tipo di sinapsi anche con l’apertura del canale Cl, con conseguente ingresso di ioni negativi. Un neurone è controllato da più sinapsi, che possono essere eccitatorie o inibitorie. La risposta dipende dalla somma di tutti questi segnali. La cellula risponde e parte il segnale verso il neurone successivo nel caso in cui le sinapsi eccitatorie facciano in modo che il potenziale della membrana raggiunga il valore di soglia di depolarizzazione. Rilascio del neurotrasmettitore Quando il potenziale d’azione ha raggiunto l’assone, ne depolarizza la porzione terminale. Sulla membrana ci sono specifici canali per il calcio voltaggio dipendenti (VOC). In un neurone a riposo sono chiusi, si aprono quando avviene una depolarizzazione. Il calcio può entrare secondo gradiente di concentrazione nel terminale presinaptico, permettendo così la fusione delle vescicole contenenti i neurotrasmettitori con la membrana, favorendo l’esocitosi del neurotrasmettitore. Il neurotrasmettitore si lega al recettore e determina l’apertura di canali Na+ e la depolarizzazione della membrana. Vescicole Le vescicole non sono tutte uguali, si dividono in due gruppi:  Readily releasable pool (RRP): vescicole pronte al rilascio. Si trovano a ridosso della membrana presinaptica in corrispondenza delle zone attive. 4   Reserve pool: si trovano a maggiore distanza dalla membrana e a mano a mano che le vescicole del pool di rilascio vengono esocitate, quelle del pool di riserva possono essere indirizzate verso il pool di rilascio. In questo modo al terminale presinaptico c’è una riserva di vescicole contenenti il neurotrasmettitore pronto per essere rilasciato. Anche quest’ultimo processo è controllato dagli ioni calcio, il cui incremento porta a un rilascio di vescicole. A livello del terminale presinaptico, le vescicole sono legate a un citoscheletro di actina a cui sono associate tramite una serie di proteine, tra cui la sinapsina. Quando aumenta il livello di calcio, questo si lega alla sinapsina modificandola chimicamente, ovvero aggiungendo un gruppo fosfato (la fosforilazione è un meccanismo diffuso per indurre una proteina a svolgere la sua funzione). La fosforilazione della sinapsina ne riduce la capacità di legame con la vescicola, inducendo così la vescicola a staccarsi dai filamenti e a fondersi con la membrana rilasciando il neurotrasmettitore. Sulla membrana delle vescicole sono presenti anche altre proteine chiamate VAMP SNARE che riconoscono e legano le proteine SNARE presenti sulla membrana. Un ruolo importante in questo riconoscimento è svolto dalla sinaptotagmina (proteina che appartiene alla famiglia delle SNARE) che fa in modo che le SNARE sulle vescicole possano essere in grado di avere un’alta affinità con le SNARE della membrana; questo processo è favorito dall’ingresso di calcio che si lega con la sinaptotagmina. Affinché il segnale venga trasmesso, la somma degli stimoli che arriva nella zona trigger deve raggiungere il potenziale soglia. In questo caso il neurone si attiva e il potenziale d’azione prosegue lungo l’intero assone. Riciclo vescicole e rimozione del neurotrasmettitore Tutte le volte che si attiva un processo si deve ristabilire la condizione iniziale: se c’è stato un rilascio di neurotrasmettitori nello spazio intersinaptico, questi devono essere rimossi per consentire una nuova secrezione. I neurotrasmettitori vengono rimossi con varie modalità:  Endocitosi, le vescicole sono ricaricate con il neurotrasmettitore e pronte per una nuova secrezione  Rimozione da parte delle cellule gliali (astrociti)  Degradazione enzimatica nello spazio sinaptico Alcuni farmaci antidepressivi sono basati sullo stop di questa ricaptazione, lasciando in circolo i neurotrasmettitori per più tempo. Per esempio, il Prozac blocca il recupero della serotonina, il neurotrasmettitore mediatore della felicità. Anche le droghe sono legate ai mediatori chimici: la dopamina è un neurotrasmettitore che viene rilasciato in una sinapsi e trova il recettore nella membrana del terminale postsinaptico e poi viene rimosso dall’ambiente per endocitosi. La cocaina impedisce la rimozione della dopamina interagendo con la proteina di membrana che si occupa di rimuoverla, lasciandola nell’ambiente extracellulare e causando uno stato di sovreccitazione. Neuroglia Il tessuto nervoso è costituito da:  Cellule nervose o neuroni (100 - 1000 miliardi)  Cellule gliali o neuroglia, 10 volte più numerose dei neuroni. Le cellule della neuroglia sono un gruppo di elementi cellulari che sostengono e proteggono i neuroni. La loro origine embrionale è la stessa del tubo neurale, l’ectoderma. Un’eccezione sono le cellule della microglia, di derivazione mesodermica. Queste cellule si dispongono attorno ai neuroni e costituiscono un supporto meccanico per i neuroni stessi. Sono diverse tra SNC e SNP. 5 SNC: oligodendrociti, astrociti, cellule della glia ed ependimociti. SNP: Schwann e cellule satelliti (gangli nervosi). Astrociti Gli astrociti sono i più numerosi e svolgono varie attività. Si distinguono morfologicamente in protoplasmatici e fibrosi. Sono poco distinguibili al microscopio ottico, ma è possibile riconoscerli con tecniche di immunoistochimica o immunofluorescenza perché hanno filamenti intermedi (8-11 nm) con la proteina fibrillare acida della glia (GFAP) che è espressa sono negli astrociti.  Astrociti protoplasmatici: corpo cellulare grande, espansioni cellulari ramificate ma corte, possiedono un minore contenuto di filamenti intermedi (glio filamenti). Prevalentemente localizzati nella materia grigia del SNC.  Astrociti fibrosi: sono caratterizzati da un corpo cellulare più piccolo, prolungamenti poco ramificati ma lunghi, ricchi di glio filamenti. Prevalentemente localizzati nell’ambito della materia bianca del SNC. Sono molto numerosi e distribuendosi tra i neuroni determinano l’organizzazione dei vari strati delle cortecce (citoarchitettura delle cortecce). Svolgono una funzione nutritiva nei confronti dei neuroni essendo in grado di accumulare glicogeno. Sono le sole cellule del tessuto nervoso che possono accumulare glicogeno e rappresentano una riserva energetica. Sono a contatto con i neuroni, sono presenti a livello delle sinapsi con i loro prolungamenti e in contatto con i vasi sanguigni e si coordinano attraverso giunzioni comunicanti. Regolano la degradazione dei neurotrasmettitori (80% glutammato degradato o recuperato da astrociti) e regolano la concentrazione di ioni K+. Barriera ematoencefalica Gli astrociti sono a contatto con i capillari sanguigni attraverso espansioni (pedicelli) che li avvolgono a livello del SNC (vedi foto a destra). Insieme alle cellule epiteliali, costituiscono la barriera ematoencefalica, una struttura in grado di separare l’ambiente nel quale si localizzano i neuroni (liquido interstiziale) dall’ambiente all’interno del sangue, funzione fondamentale perché i neuroni sono estremamente sensibili. Capillari fenestrati: presentano piccole finestre tra le cellule endoteliali. Nel SNC ci sono le occlusioni strette che impediscono il passaggio libero di molecole nello spazio tra le cellule. All’esterno l’endotelio è rivestito dai pedicelli. La barriera ematoencefalica è semipermeabile: si lascia attraversare da alcune sostanze, ma non da altre. Ossigeno, anidride carbonica, glucosio, nucleosidi, vitamine e farmaci liposolubili riescono ad oltrepassare la BEE grazie a: - meccanismi di diffusione passiva (sostanze lipofile) - meccanismi di trasporto specifici mediati da proteine di trasporto. Poiché lo spazio è chiuso da cellule endoteliali e giunzioni strette, le molecole in grado di uscire dal plasma sono quelle che trovano i recettori a livello delle cellule endoteliali come il glucosio e gli amminoacidi. Come ulteriore protezione ci sono i pedicelli che accumulano le sostanze tossiche che sono fuggite. 6