fisiologia - riassunti kandel-principi di neuroscienze cap 615

5/14/2018 Fisiologia - Riassunti Kandel-Principi Di Neuroscienze Cap 615 - slidepdf.com

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I messaggi nervosi dipendono da rapide variazioni della DDP ai capi delle membrane

• le variazioni della DDP dipendono dalla presenza di canali ionici

I CANALI IONICI SONO STRUTTURE CHE RIVESTONO GRANDE IMPORTANZA NELLA GENESI DI MESSAGGI NERVOSI

Proprietà dei canali ionici:

• lasciano passare gli ioni → condu&anza

• velocità elevate: flussi molto ampi di corrente

• riconoscono e selezionano le diverse specie ioniche → sele,vità

• si aprono e si chiudono in risposta a segnali specifici (di natura ele?rica, meccanica o chimica) → regolabilità

• quest’ulma proprietà è valida solo per i canali regolabili: esistono 2 grandi classi di canali, quelli passivi e quelli regolabili

• i canali passivi non sono regolabili e restano sempre aper: sono importan nella genesi del potenziale di riposo

• i canali regolabili si dividono in 3 classi in base allo smolo che ne determina lo stato:

• voltaggio‐dipenden

• dipenden da ligandi

• dipenden da forze meccaniche

I CANALI IONICI SONO PROTEINE CHE ATTRAVERSANO LA MEMBRANA DELLA CELLULA DA PARTE A PARTE

Gli ioni sono idrofili (quindi non possono a?raversare per diffusione il doppio strato lipidico idrofobico) e a?raggono con forza le molecole

d’acqua: l’acqua è un dipolo; con l’O a?rae i caoni e con gli H a?rae gli anioni

• serve energia per vincere le forze di a?razione tra acqua e ioni

• il Na+ ha dimensioni minori del K+, quindi la sua carica è maggiormente localizzata: possiede allora un campo ele?rico piùefficace ed esercita un’a?razione maggiore sulle molecole d’acqua

• Na+ in soluzione è più grande di K+ in soluzione (quindi in forma idrata)

• Na+ in soluzione è rallentato: la sua mobilità è minore → più piccolo è lo ione (più grande è la sua forma idrata) tanto

minore è la sua mobilità

Gli ioni possono a?raversare la membrana solo in corrispondenza di canali che risultano selevi• teoria dei poro‐canali: nei canali esisterebbe una stre?oia, il filtro di selevità, nel quale gli ioni formerebbero interazioni

ele?rostache con residui di aminoacidi polari presen sulle pare del canale. Lo ione deve perdere l’acqua di idratazione,

quindi ha bisogno di energia; l’energia necessaria è garanta solo se lo ione riesce a instaurare tu?e le interazioni possibili con

il filtro di seleUvità, e ciò è possibile solo se lo ione possiede le dimensioni adeguate.

• canali K+: Na+ è escluso per il suo diametro, troppo grandi per entrare

• canali Na+: K+ è escluso perché le sue dimensioni ioniche non perme?ono la contemporanea interazione con tuU gli

aminoacidi polari del filtro, e quindi non riceve sufficiente energia per la deidratazione

→ la selevità dipende da interazioni chimiche specifiche e dalle dimensioni del filtro molecolare

OGGI È POSSIBILE STUDIARE I CANALI IONICI CON METODI FUNZIONALI

Esperimen hanno permesso di vedere come alcuni canali si comporno come semplici resistenze: la corrente unitaria, infaU, varia

linearmente con il potenziale di membrana. L’intensità della corrente di un singolo canale poteva quindi essere calcolata con la legge di

Ohm: i=V/R; tu?avia è meglio parlare di conduanza (γ=1/R) → i=γ*V

La tecnica ulizzata per registrare il flusso di corrente di singoli canali ionici è il patch‐clamp: un microele?rodo riempito di ACh (che apre i

canali delle cellule muscolari) è poggiato sulla membrana postsinapca (muscolare); il microele?rodo è così piccolo che aderisce a solo un

canale

I CANALI IONICI DI TUTTE LE CELLULE HANNO PARECCHIE CARATTERISTICHE IN COMUNE

I FLSSI IONICI CHE ATTRAVERSANO I CANALI SONO PASSIVI

Il flusso di ioni che scorre nei canali non richiedono spesa di energia metabolica; anche la direzione e l’equilibrio finale del flusso non

dipendono dai canali ma dalle forze ele?rostache e di diffusione presen ai capi della membrana

Ciò che dipende dai canali è la selezione dei pi di ioni a cui è permesso il transitoLe proprietà cineche dei flussi sono ben descri?e della conduanza dei canali

• La condu?anza viene determinata misurando la corrente che passa per il canale aperto in risposta ad una determinata forza

motrice ele?rochimica

• La forza motrice elerochimica è determinata da 2 fa?ori:

• la differenza di potenziale elerochimico ai capi della membrana

• il gradiente di concentrazione dello ione

In base alla relazione i/V (relazione tra il flusso di corrente per un canale e il voltaggio applicato), esistono 2 pi di canali:

• canali ohmici, che si comportano come semplici resistenze (il flusso varia linearmente con il voltaggio) → condu?anza costante

• canali refican, che tendono a condurre maggiormente gli ioni in una direzione piu?osto che nella direzione opposta →

condu?anza variabile

La velocità degli ioni (la corrente) dipende dalla concentrazione degli ioni

• la corrente aumenta linearmente con la concentrazione fino a un valore massimo: saturazione (si ha saturazione quando la

concentrazione degli ioni è tale che tuU i si polari presen sulla parete dei canali sono lega agli ioni)

6 – I canali ionici

1



• se per far passare uno ione è necessario un legame transitorio tra lo ione stesso e gli aminoacidi polari del poro, allora, come

per gli enzimi, si può quanficare la Km (costante di dissociazione, cara?erisca delle cineche di saturazione); la Km è molto

elevata: il legame è molto blando, quindi si forma e si risolve molto rapidamente. Questo perme?e di raggiungere velocità

elevassime di conduzione ionica, necessarie per determinare rapide variazioni del potenziale di membrana

L’APERTRA E LA CHISRA DEI CANALI COMPORTA NA SERIE DI MODIFICAZIONI DELLA LORO CONFORMAZIONE

TuU i canali posseggono 2 o più conformazioni stabili: almeno uno stato aperto e uno o 2 sta di chiusura (in realtà i canali passivi, a

riposo, sono sempre aper); i canali nei quali si può avere questa transizione sono deU ad accesso variabile

Le variazioni d’accesso di un canale comportano modificazioni diffuse di tua la sua struura• nello stato aperto aumenta la velocità di conduzione degli ioni per via del lume più largo e perché sono più espos nel poro gli

aminoacidi polari

I meccanismi di regolazione dell’apertura sono principalmente 3:

• canali regola da ligandi

• ligandi con effe?o direo sul canale (rece?ori ionotropi )

• ligandi extracellulari: neurotrasmeUtori

• ligandi intracellulari: Ca2+ e nucleodi

• ligandi con effe?o indireo sul canale (rece?ori metabotropici → aUvano cascata di 2ndi mesaggeri e fosforilaizoni)

• canali regola da variazione del potenziale di membrana

• canali regola da deformazioni meccaniche della membrana

I canali ad accesso variabile presentano 3 sta funzionali diversi:

• chiuso ma aUvabile: riposo

• aperto: avo• chiuso e non aUvabile: refraario

Il passaggio dallo stato chiuso a quello aperto richiede energia:

• nei canali voltaggio‐dipenden4 , l’energia è fornita dal movimento del sensore di voltaggio del canale proteico dovuto a una

variazione del campo ele?rico della membrana

• nei canali regola da neurotrasme6tori , l’energia è fornita dal legame del NT al sito rece?oriale

• nei canali ad a6vazione meccanica, l’energia è fornita da sramento o tensione della membrana o del citoscheletro

La velocità di transizione aperto‐chiuso dipende dal segnale regolatore; la transizione è pracamente istantanea (variazione a gradino con

cara?ere di tu?o‐o‐nulla della corrente), la durata dello stato aperto o chiuso è variabile (in media però sono pochi millisecondi)

Stato di refraarietà :

• canali dipenden4 dai ligandi : il processo è de?o di desensizzazione, e avviene quando i canali vengono espos a lungo

all’azione del ligando

• canali voltaggio‐dipenden4 : il processo è de?o di inavazione ed è dovuto ad un cambio di conformazione intrinseca che

avverrebbe so?o il controllo di una subunità o di una zona del canale diversa da quella che determina la loro aUvazione,

oppure a legame con Ca2+ o ancora per fosforilazioneIl canale può legarsi a sostanze che ne favoriscono la chiusura o l’apertura:

• inibizione reversibile (compeva o non compeva) o irreversibile

LA STRUTTURA DEI CANALI IONICI PUÒ VENIR DESUNTA DA RICERCHE DI TIPO BIOFISICO, BIOCHIMICO E DI BIOLOGIA MOLECOLARE

TuU i canali ionici comprendono un componente glicoproteico di base, costuito da una proteina integrale di membrana; al centro è

presente un poro idrofilo costuito da diverse subunità della proteina; alcuni canali possiedono subunità ausiliarie citoplasmache che ne

modificano le proprietà funzionali

La sequenza primaria dei canali (studi su ba?eriorodopsina) conene sequenze con aa idrofili e sequenze di circa 15‐20 aa idrofobici, che

rappresentano le α‐eliche transmembrana

I GENI CHE CODIFICANO I CANALI IONICI POSSONO VENIR RAGGRPPATI IN FAMIGLIE

Le diverse famiglie di geni si sono evolute da un unico gene ancestrale; ecco le principali

• canali regola da ligandi (ACh, GABA, glicina)• 5 subunità, ciascuna con 4 eliche; differiscono per specificità di ligando e seleUvità di ione

• i canali aUva dal glutammato fanno parte di una famiglia diversa

• giunzioni comunican (sinapsi ele?riche)

• 12 subunità idenche, ciascuna con 4 domini trans membrana

• canali voltaggio‐dipenden

• 4 sequenze ripetute di una stru?ura di base con 6 domini transmembrana; l’ansa tra S5 e S6 è la regione P, che si

approfondì per un tra?o nella membrana e forma il filtro di sele6vità

• i canali V‐D per Ca2+ e Na+ possiedono esa?amente questa stru?ura

• i canali per K+ sono simili a questa stru?ura; ne esistono 3 famiglie:

• canali K+ con 4 subunità separate (invece che 4 sequenze ripetute); ogni subunità rappresenta una

stru?ura di base

• canali K+ a re6ficazione entrante, aUva da iperpolarizzazione, con 4 subunità formate da 2 domini

transmembrana (S5 e S6) connessi da regione P

• canali K+ della condu?anza a riposo, con subunità formate da una sequenza di 2 domini ciascuno

uguale a una subunità dei canali a reUficazione entrante

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LA STRTTRA DI N CANALE SELETTIVO PER K+ È STATA CHIARITA DA ANALISI CRISTALLOGRAFICHE AI RAGGI X

Canale ba?erico K+, presente anche nei mammiferi, con topologia di membrana semplice

• 4 subunità idenche disposte simmetricamente intorno a un poro centrale

• ogni subunità è costuita da 2 tra α‐elica transmembrana, connessi da un’ansa (regione P) che forma il filtro di selevità

• nel de?aglio, il tra?o di catena extracellulare che conne?e le 2 eliche è formato da:

• una catena di aminoacidi che circonda lo sbocco esterno del canale (torrea)

• la regione P:

• un’α‐elica corta (elica del poro) che si approfonda nella membrana a formare la parete del poro

• una catena che forma l’ansa che riveste il filtro di selevità• aminoacidi acidi sono situa agli sbocchi interno e esterno del poro, per a?rarre i caoni

• l’interno del poro è rivesto da aminoacidi idrofobici, per garanre un’elevata velocità di passaggio degli ioni all’interno

• il filtro di selevità è molto stre?o, ed è il tra?o che limita la velocità di transito

• lo ione deve a?raversare il filtro in forma deidrata, per essere poi reidratato subito dopo il filtro, in una camera larga

contenente acqua;verso questa camera punta il dipolo formato dall’elica del poro con la sua estremità C

ele?ronegava

• sul filtro di seleUvità sono presen 3 gruppi carbonilici di una glicina, una rosina e un’altra glicina per ogni subunità;

ques 12 gruppi (3 anelli da 4 gruppi, uno per subunità) creano un ambiente fortemente polare per i K+; le catene

laterali di ques aminoacidi determinano una certa larghezza del poro, che deve essere tale da perme?ere oUmali

interazioni tra K+ e i gruppi carbonilici, al fine di fornire allo ione idrato energia sufficiente per la sua deidratazione

• Na+ è troppo piccolo per interagire con tuU e 4 gli ossigeni dei gruppi carbonilici di ogni anello: non riceve

abbastanza energia per deidratarsi

• il canale è occupato da 3 K+: la loro mutua repulsione impedisce legami duraturi con gli ossigeni dei gruppi carbonilicie garansce una condu?anza elevata

→ Canali ionici: seleUvità elevata e elevata velocità di transito

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È possibile disnguere i canali ionici presen nelle membrane in 2 pi:• passivi: sempre aper e non influenza da fa?ori estrinseci; il loro ruolo è quello di mantenere costante il potenziale di riposo

• avi: generalmente chiusi quando la membrana è in condizioni di riposo. La loro probabilità d’apertura è regolata dalvoltaggio, dall’associazione con un ligando o dalla deformazione meccanica della membrana

IL POTENZIALE DI MEMBRANA SI STABILISCE COME CONSEGUENZA DELLA SEPARAZIONE DI CARICHE ELETTRICHE DI SEGNO OPPOSTO AICAPI DELLA MEMBRANA PLAMSATICA

La separazione di cariche è rappresentata dalla presenza di un soUle strato di ioni, rispeUvamente posivi e negavi, sulla superficieesterna e interna della membrana

• a riposo, l’esterno è posivo e l’interno è negavo• la separazione è mantenuta costante perché gli ioni non possono muoversi liberamente a?raverso la membrana, e quindi dà

origine a una DDP de?a potenziale di membrana Vm,• VM = VINT – VEST

• Vr rappresenta il potenziale di riposo; dato che per convenzione VEST = 0, allora VR = VINT e generalmente varia tra ‐60 e ‐70mV

• i segnali ele?rici sono rapide variazioni di questo potenziale, dovute a flussi di corrente che compaiono in seguitoall’apertura di canali

Per convenzione, la direzione del flusso della corrente è definita come la direzione ne?a delle cariche posive• i caoni si muovono seguendo la direzione della corrente, gli anioni nella direzione opposta• una riduzione della separazione di cariche (il potenziale diventa meno negavo) è de?a depolarizzazione• un aumento della separazione di cariche (il potenziale diventa più negavo) è de?a iperpolarizzazione

Le variazioni del potenziale che non determinano l’apertura di canali ad accesso variabile, ma che dipendono dai canali passivi, sono de?e

potenziali elerotoniciSe la depolarizzazione supera un valore soglia, si aprono i canali voltaggio‐dipenden che innescano un potenziale d’azione di tu?o‐o‐nulla

MISURA DEL POTENZIALE DI MEMBRANA2 microele?rodi sono connessi ad un oscilloscopio; un ele?rodo è mantenuto fuori dalla cellula, l’altro viene inserito nella cellula; almomento della penetrazione, l’oscilloscopio registra un potenziale costante (potenziale di riposo)È possibile far variare il potenziale di membrana mediante un secondo paio di ele?rodi connessi a un generatore di corrente: inie?andocariche posive nella cellula, questa si depolarizza e il potenziale è meno negavo (dapprima si ha un potenziale ele?rotonico la cuivariazione è proporzionale all’entà dell’impulso di corrente, da un certo valore in poi si ha un potenziale d’azione); se invece si invertonogli ele?rodi, con quello negavo all’interno, la membrana si iperpolarizza (iperpolarizzazione è puramente ele?rotonica)

IL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO È DETERMINATO DAI CANALI IONICI PASSIVINa+ e Cl‐ sono in concentrazioni maggiori all’esterno, K+ e anioni organici (aminoacidi e proteine) sono più concentra all’internoDi seguito l’analisi dei potenziali di cellule permeabili a uno o a più ioni, tenendo in considerazione solo i canali passivi

I CANALI IONICI PASSIVI DELLE CELLLE GLIALI SONO SELETTIVI SOLTANTO PER GLI IONI K+Le cellule gliali hanno un potenziale di riposo di ‐75 mV e presentano canali passivi permeabili quasi esclusivamente agli ioni K+

• K+ è presente in elevate concentrazioni all’interno, quindi tenderà a diffondere fuori dalla cellula seguendo il proprio gradientedi concentrazione

• in seguito a questo movimento verso l’esterno, si avrà un eccesso di cariche posive all’esterno con l’interno negavo• questa separazione di cariche dà origine a una DDP (posiva all’esterno e negava all’interno) che tende ad opporsi ad un

ulteriore efflusso di K+→ gli ioni vengono sollecita da 2 forze con direzione opposta:

• una forza motrice chimica (gradiente di concentrazione) verso l’esterno• una forza motrice elerica (DDP sulle due facce della membrana) verso l’interno

• ad un certo momento, il flusso do K+ verso l’esterno sarà uguale a quello verso l’interno. Il valore del potenziale al quale laforza motrice ele?rica entrante eguaglia quella chimica uscente è de?o potenziale di equilibrio del potassio, EK+

• in una cellula permeabile solo a K+, il potenziale di riposo (determinato dal solo flusso autolimitante di K+) è uguale alpotenziale di equilibrio del potassio, cioè ‐75 mV (Vm = EK+)

Il potenziale di equilibrio si ricava dall’equazione di Nernst:

E X = −

RT

zF ln

[ X ]i

[ X ]e

=

RT

zF ln

[ X ]e

[ X ]i

ricavata dal potenziale ele?rochimico μ

RT/F a 25° = 25 mV; ln = 2,3 log 10; a 29° 2,3 RT/F = 60 mV• per K+, [K+]i = 400 mentre [K+]e = 20 → a 25° Ek+ vale proprio ‐75 mV• è necessaria energia per creare e mantenere costan i gradien ionici di concentrazione (vedi pompa Na+/K+)• potenziale elerochimico: Δμ = RT ln([X+]a/[X+]b) + zF (Ea – Eb) → forza chimica + forza ele?rica

• quando Δμ = 0, cioè all’equilibrio (forza chimica e forza ele?rica sono uguali e opposte: si annullano), è possibilerisolvere l’equazione per (Ea – Eb), cioè la differenza tra il potenziale ai due capi della membrana;Ex = (Ea – Eb): rappresenta il potenziale che eguaglia il gradiente chimico, per o?enere così Δμ = 0 e annullare i flussiionici

LE CELLLE NERVOSE POSSEGGONO CANALI PASSIVI SELETTIVI PER DIVERSE SPECIE IONICHE

Le cellule nervose sono permeabili, a riposo, a K+, Na+ e Cl‐Esempio di una cellula che possiede canali passivi per Na+ e K+:

7 – Il potenziale di membrana

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• Na+: maggiormente concentra all’esterno → gradiente chimico entrante (opposto a quello di K+); invece si comportano comeK+, essendo caoni, nei confron del potenziale: forza motrice elerica entrante → Na+ possiede due forze che lo sospingononella stessa direzione

• partendo da un potenziale di ‐75 mV, dovuto al movimento e all’equilibrio di K+, l’entrata di Na+ tende a spostare il potenzialeverso il proprio potenziale di equilibrio (+55 mV, posivo in quanto forza chimica e ele?rica hanno la stessa direzione), ma inrealtà il potenziale di riposo si sposta ben poco: nella membrana vi sono mol più canali passivi per K+

• quando Na+ comincia ad entrare, la depolarizzazione (entrata di cariche posive) rompe l’equilibrio di K+, che quinditende ad uscire in quanto l’interno è meno negavo; la fuoriuscita di K+ terminerà quando avrà raggiunto unaconcentrazione nei due comparmen tale che eguaglierà il nuovo potenziale di membrana, meno negavo.Maggiore è la depolarizzazione, maggiore è l’uscita di K+

• si raggiungerà un nuovo equilibrio quando l’entrata di Na+ sarà uguale all’uscita di K+: il potenziale di riposo si a?estasu un nuovo valore Vm per il quale INA = ‐IK , e questo valore si aggira intorno ai ‐60 mV (vicino al potenziale delpotassio e lontano da quello del sodio)

• per la legge di Ohm il flusso di uno ione è il prodoo della forza motrice elerochimica per la conduanza della membrana: I = γ * (Vm – ENERNST) → se Enernst rappresenta il valore di potenziale al quale lo ione è inequilibrio, a valori misura di Vm si può avere una differenza dal valore calcolato

• se Vm = En → equilibrio ele?rochimico• se Vm è dello stesso segno ma superiore a En → prevale la forza elerica dello ione• se Vm è dello stesso segno ma inferiore a En → prevale la forza chimica dello ione (vedi K+ dopo

entrata Na+ e depolarizzazione)• se Vm è di segno opposto a En → forza ele?rica e chimica hanno la stessa direzione e lo ione non

può trovarsi in equilibrio (vedi entrata Na+)• all’equilibrio, i flussi di Na+ e K+ devono essere uguali; dato che la forza eleromotrice di Na+ è maggiore

(sia forza ele?rica che forza chimica lo sospingono), ne consegue che la conduanza di K+ deve esseremaggiore: i canali K+ sono così più numerosi che il flusso eguaglia quello di Na+ nonostante la modesta forzamotrice

• in realtà non c’è equilibrio, a si raggiunge uno stato stazionario, in quanto né K+ né Na+ sono in equilibrio,ma i flussi ne sono nulli

I FLSSI PASSIVI DI SODIO E POTASSIO SONO CONTROBILANCIATI DA PROCESSI ATTIVI DI TRASPORTO DEGLI STESSI IONILa cellula necessita di un meccanismo che impedisca la dissipazione dei gradien chimici, che altrimen avverrebbe in seguito ai flussiionici; per mantenere i gradien chimici è necessario generare dei flussi oppos di cariche:

• un ingresso di cariche posive deve essere bilanciato da un efflusso di cariche dello stesso segnoLa pompa sodio‐potassio sospinge Na+ e K+ contro il loro gradiente: estrude Na+ e introduce K+

• si tra?a di un trasporto avo, che quindi ha bisogno di energia, ricavata dall’idrolisi dell’ATP• la pompa è una proteina integrale di membrana; i si per Na+ e ATP sono localizza all’interno della cellula, quelli per K+

all’esterno• ad ogni ciclo, l’idrolisi di una molecola di ATP fornisce energia per estrudere 3 Na+ ed includere 2 K+ → quindi la pompa è

elerogenica, perché dà origine a una corrente ionica uscente nea che iperpolarizza leggermente la membrana

GLI IONI CLORO SI DISTRIBISCONO PER LO PIÙ PASSIVAMENTEMolte cellule nervose posseggono canali passivi per Cl‐, ma non tu?e queste cellule possiedono meccanismi di trasporto aUvo di Cl‐

• nelle cellule senza trasporto avo di Cl‐ il potenziale di riposo dipende soltanto dai flussi di K+ e Na+: il loro trasporto aUvone manene costan i flussi, mentre Cl‐ tende a disporsi ai la della membrana secondo il proprio equilibrio elerochimico;quindi ECL sarà uguale a Vr, e a riposo non vi sarà flusso di Cl‐

• alcune cellule possiedono un meccanismo di trasporto avo secondario, che accoppia l’uscita di K+ secondo gradiente aquella di Cl‐ contro gradiente

L’EQUILIBRIO DEI FLUSSI IONICI CHE DÀ ORIGINE AL POTENZIALE DI MEMBRANA DI RIPOSO CAMBIA TOTALMENTE NEL CORSO DELPOTENZIALE D’AZIONESe una cellula viene depolarizzata oltre il suo valore soglia, si aprono i canali Na+ voltaggio‐dipenden, che perme?ono un’ulterioredepolarizzazione con inizio di un ciclo rigeneravo a feed‐back posivo di apertura dei canali Na+ v‐d (depolarizzazione → apertura →depolarizzazione …)

• il potenziale di membrana è sospinto verso il potenziale di equilibrio del Na+: +55 mV• poiché nel corso della depolarizzazione l’efflusso di K+ connua, il potenziale di membrana non raggiunge mai il

potenziale del sodio, anche se al picco del potenziale d’azione gli si avvicina molto• intervengono poi due processi che tendono a ripolarizzare la membrana:

• i canali Na+ v‐d subiscono inavazione e si chiudono• i canali K+ v‐d si aprono, con graduale aumento dei K+ uscen; i canali K+ v‐d hanno una cineca di apertura lenta

L’EQUAZIONE DI GLODMAN PERMETTE DI ESPRIMERE IN TERMINI QUANTITATIVI IL CONTRIBUTO DEI DIVERSI IONI AL POTENZIALE DIMEMBRANA DI RIPOSOQuando Vm (o Em) è determinato da due o più specie ioniche, l’influenza esercitata da ciascuna specie dipende dal potenziale diequilibrio dello ione e dalla permeabilità (→ conduanza) della membrana verso gli ioni consideraIl grado di dipendenza del potenziale di membrana dalla permeabilità e dal potenziale di equilibrio degli ioni è espresso in terminiquantavi dall’equazione di Goldman:

V m =

gK

+ E

K ++ g

Na+ E

Na+

gK + + g Na +

• il potenziale di membrana risulta dalla media ponderata dei potenziali di equilibrio di tuU gli ioni ai quali la membrana èpermeabile; il faore ponderale di ciascuno ione è quella frazione della condu?anza ionica totale della membrana dovuta aquel parcolare ione. Dato che la somma dei fa?ori ponderali deve essere 1, se uno aumenta gli altri devono diminuire; ne

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consegue che maggiore è la conduanza della membrana verso un parcolare ione, maggiore è la capacità di quello ione diportare il potenziale di membrana verso il proprio potenziale di equilibrio

• l’equazione di Goldman vale all’equilibrio; è ricavabile dal fa?o che, all’equilibrio , i flussi ionici si devono annullare: IK + INA = 0;dato che, per la legge di Ohm, l’intensità di corrente è uguale al prodo?o della condu?anza per la forza ele?romotrice cheagisce sullo ione [II = gI * (VM – Ei)], se si sostuisce questa formula alla somma delle intensità (che deve dare 0), e si risolveper Vm, si oUene proprio l’equazione di Goldman

• difaU, come de?o precedentemente, K+ ha alta condu?anza (quindi Vm è vicino a EK, quindi la forza motrice è bassa)che perme?e di eguagliare il flusso di Na+ (dovuto alla grande forza ele?romotrice – ENA lontano da Vm – ma limitatodalla bassa condu?anza)

LE PROPRIETÀ FUNZIONALI DEL NEURONE POSSONO VENIR RAPPRESENTATE MEDIANTE UN MODELLO DI CIRCUITO ELETTRICOEQUIVALENTEL’equazione di Goldman non perme?e di conoscere l’intensità delle singole corren ioniche; tale informazione si può ricavare da uncircuito elerico equivalente, nel quale sono rappresentate tu?e le proprietà del neurone

I CANALI IONICI SONO ASSIMILABILI AD N CONDTTORE E A NA BATTERIA POSTI IN SERIEIl doppio strato lipidico è un caUvo condu?ore, in quanto è impermeabile agli ioni; nella membrana sono però immersi i canali passivi a?raverso i quali gli ioni diffondono; il valore di condu?anza della membrana si aggira così sui 40.000 pSOgni canale può essere rappresentato come un resistore o un conduore di corrente ionica con una condu?anza di singolo canale γ

• se il gradiente di concentrazione dello ione fosse nullo, per la legge di Ohm i = Υ * Vm

• in condizioni normali, esiste un gradiente di concentrazione: la forza chimica è rappresentata come una baeria la cui forzaeleromotrice è data dal potenziale di equilibrio dello ione Ei

• in un neurone reale, la corrente di uno ione è data dalla somma delle corren dovute sia alla forza ele?romotrice che al

gradiente chimico: i = (γ * Vm) – (γ * Ei) = γ * (Vm – Ei); il termine (Vm – Ei) è de?o forza motrice elerochimica e determinala direzione e l’intensità del flusso della corrente (insieme con la condu?anza)• la conduanza misura la capacità dei canali di far passare una corrente ele?rica (1/ohm = S); poiché il flusso di corrente

dipende dagli ioni presen, la condu?anza di una membrana non dipenderà soltanto dalle proprietà della membrana stessa,ma anche dalla concentrazione degli ioni presen in soluzione (senza ioni non c’è flusso!)

• la conduanza complessiva di tuU i canali, per esempio, del K+ (gK) a riposo sarà uguale al numero dei canali passivi K+ per lacondu?anza di ogni singolo canale: gK = NK * γK

• nel circuito equivalente, il canale è rappresentato da un conduore (con valore pari alla condu?anza complessiva g per loione) in serie con una baeria di valore pari al potenziale di equilibrio dello ione; la polarità della ba?eria indica una FEMnegava per K+ e Cl‐ (polo posivo all’esterno) e una FEM posiva per Na+ (polo posivo all’interno)

IL MODELLO DI CIRCITO EQIVALENTE DELLA MEMBRANA COMPRENDE DIVERSE BATTERIE, DEI CONDTTORI, N CONDENSATORE E NGENERATORE DI CORRENTEI liquidi extracellulari e il citoplasma sono eccellen condu?ori (sezione trasversa ampia e mol ioni per il trasporto delle cariche): sonoassimilabili ad un corto circuito (un condu?ore a resistenza zero) [NB: l.e. e cit. sono ele?ricamente neutri]

Il corto circuito è connesso alle estremità degli elemen che rappresentano ciascun 4po di canale passivo (baerie e conduori in serie)Al circuito viene aggiunto un generatore di corrente, che rappresenta la pompa Na+/K+ ATP‐dipendenteche è eleLrogenica (manenecostante la carica delle ba?erie ioniche generando flussi ionici aUvi che controbilanciano i flussi ionici dei canali passivi)Infine, si aggiunge un condensatore, che esprime una proprietà passiva della membrana: la capacità; la capacità è la proprietà ele?rica diun elemento non condu?ore (isolante) che consente un accumulo di cariche quando tra le superfici opposte dell’isolante stesso viene

mantenuta una DDP; la membrana è quindi un condensatore• la capacità si misura in farad (F: la separazione di 1 C di cariche ai capi di una capacità di 1 F genera una ΔV di 1 V)

• V = Q / C

USO DEL MODELLO DI CIRCUITO EQUIVALENTE PER IL CALCOLO DEL POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSOSapendo che Vm a riposo è costante, allora, come abbiamo de?o, IK + INA = 0. Dal circuito è possibile ricavare il valore di ogni corrente (chesono uguali ed opposte), in quanto ogni branca del circuito fornisce i da necessari: il potenziale di equilibrio dello ione (ba?eria) e il valoredella condu?anza complessiva (il condu?ore)

• a riposo, Vm = ‐69 mV (vicino a Ek = ‐75 ,V); al picco del potenziale d’azione, Vm = +50 mV (vicino a Ena = +55 mV)• gli ioni Cl‐, dato che si distribuiscono passivamente, hanno Ecl = Vm = ‐69 mV → Vm è stabilito dai movimen di Na+ e K+, e Cl‐

si muoverà fino a raggiungere delle concentrazioni tali che la forza ele?rica che si oppone al nuovo gradiente chimico siaesa?amente uguale al potenziale di membrana

• NB le corren uscen sono posive, mentre quelle entran sono negave

NB: EQAZIONE DI GOLDMAN‐HODGKIN‐HXLEY ‐ Formulazione originaria:

V m=

RT

F lnPK [K

+

]e+ P

Na[ Na

+

]e+ P

Cl[Cl

−]e

PK [K

+

]i+ P

Na[ Na

+

]i+ P

Cl[Cl

−]i

P: permeabilità (facilità del passaggio dello ione – cm/s)

• l’importanza di uno ione nel determinare il valore di Vm è tanto maggiore quanto più elevate sono la sua concentrazione e lasua permeabilità

• se la permeabilità di uno ione è parcolarmente predominante, l’equazione diventa Vm = RT/F ln[X]e/[X]i → come l’equazionedi Nernst per quello ione

altra formulazione:

V m =

gK

+ E

K ++ g

Na+ E

Na+

gK

++ g

Na+

• la conduLanza sostuisce la permeabilità: esprimono lo stesso conce?o, la facilità di passaggio degli ioni• i potenziali di equilibrio di ciascuno ione vanno a sostuire i fa?ori RT/F ln [X]e/[X]i , come previsto dall’equazione di Nernst

3



8 ‐ Meccanismi di comunicazione locale: le proprietà elerichepassive del neurone

Tu?e le cellule possiedono un potenziale di membrana, ma solo i neuroni e le cellule muscolari hanno la proprietà di dare origine a segnali ele?rici,

che possono venir condoU a grandi distanze

I messaggi possono essere so?o forma di potenziali d’azione, potenziali sinapci o potenziali di rece?ore in risposta a uno smolo: corrispondono a

variazioni connue del voltaggio transmembranaI neuroni posseggono 3 proprietà ele?riche passive:

• La resistenza della membrana a riposo

• La capacità della membrana

• La resistenza assiale intracellulare dei prolungamen (assoni e dendri)

Queste proprietà rappresentano la via di ritorno con la quale si chiude il circuito, quindi determinano l’andamento temporale e l’ampiezza delle

variazioni dei potenziali; perme?ono inoltre di stabilire se un potenziale sinapco un un dendrite determinerà l’insorgenza di un potenziale d’azione

a livello del cono d’emergenza dell’assone; infine influenzano la velocità di conduzione di un potenziale d’azione

LA RESISTENZA DI INGRESSO DETERMINA L’AMPIEZZA DELLE VARIAZIONI PASSIVE DEL POTENZIALE DI MEMBRANA

Nella maggior parte dei neuroni esiste una relazione lineare tra l’entà della corrente inie?ata e le conseguen variazioni del potenziale di

membrana (relazione corrente‐voltaggio); questa relazione rappresenta la resistenza di ingresso del neurone, Rin

• Quindi il neurone si comporta come un semplice resistore, almeno quando si inie?ano cariche negave (iperpolarizzazione) e quando si

inie?ano cariche posive ma solo fino ad un certo valore (depolarizzazione so?o soglia)• Sopra il valore soglia il neurone non si comporta come un semplice resistore, in quanto si aprono i canali voltaggio‐dipenden

che danno origine ad un potenziale d’azione

La resistenza di ingresso determina l’ampiezza della depolarizzazione che si oUene in risposta ad un’iniezione di corrente connua: per la legge di

Ohm, ΔV = I * Rin

• A intensità costante, la cellula con la resistenza più grande va incontro ad una variazione di potenziale maggiore

Per un neurone ideale sferico senza processi, la Rin dipenderà dalla densità dei canali passivi e dalle dimensioni del neurone (maggiore superficie,

maggior numero di canali, minore resistenza)

• Per paragonare le resistenze di neuroni diversi, si ulizza la resistenza di un’area unitaria di membrana, la resistenza specifica di

membrana Rm (Ω*cm2), che dipende dalla densità di canali passivi e dalla loro condu?anza

Per o?enere la Rin totale, Rm va divisa per la superficie (infaU una superficie maggiore implica una minor resistenza): Rin = Rm / 4πa2 (→ area della

sfera: a è il raggio del neurone

LA CAPACITÀ DELLA MEMBRANA PROLUNGA L’ANDAMENTO TEMPORALE DEI SEGNALI ELETTRICI

L’andamento temporale dell’intensità della corrente e delle variazioni di potenziale conseguen è diverso: mentre la corrente varia a gradino, lavariazione di voltaggio (invece di essere anch’essa a gradino, come in un semplice circuito) aumenta e decade più lentamente; questa proprietà della

membrana è dovuta alla sua capacità

Per far variare il potenziale ai capi di un condensatore, è necessario aggiungere o togliere cariche dal condensatore stesso: ΔV = ΔQ / C

• sapendo che ΔQ, ovvero la variazione di carica, viene determinata da un flusso di corrente a?raverso il condensatore, Ic, e che la

corrente viene definita come movimento ne?o di cariche nell’unità di tempo (Ic = ΔQ / Δt ), sostuendo ΔQ si oUene: ΔV = Ic * Δt / C →

l’entà della variazione di potenziale ai capi di un condensatore in risposta ad un impulso di corrente dipende dalla durata della corrente

stessa

La capacità è dire?amente proporzionale all’area delle armature (maggior numero di cariche accumulabili) e inversamente proporzionale alla

distanza tra le armature

• dato che le membrane hanno la stessa composizione (stesso spessore dello strato isolante), è possibile individuare una capacità

specifica Cm per area unitaria; la capacità di ingresso totale di una cellula, Cin, è data dal prodo?o di Cm per l’area della cellula: Cin =

Cm (4πa2 )

• come abbiamo de?o, nelle cellule il potenziale aumenta col tempo finchè dura la corrente; dopo un certo tempo, però, il voltaggiotende a diventare costante: difaU la membrana è schemazzabile come un condensatore in parallelo con una resistenza (che

rappresenta tuU i suoi canali). Ques elemen sono pos in parallelo perchè la corrente può passare sia per i canali che per il

condensatore, e per questo viene disnta in corrente ionica Ii o corrente capaciva Ic: la prima passa per i canali, la seconda fa variare

la carica ne?a custodita sulla membrana. La corrente totale It è data dalla loro somma

• La capacità riduce la velocità con cui varia il potenziale di membrana in risposta a un impulso di corrente

• se la membrana fosse soltanto una resistenza, un impulso a gradino determinerebbe un cambiamento istantaneo del

potenziale

• se la membrana fosse soltanto una capacità, un impulso a gradino determinerebbe una variazione lineare del potenziale

• essendo sia una resistenza che una capacità, la risposta reale combina insieme le cara?erische delle due risposte pure:

inizialmente la pendenza iniziale di Vm in funzione del tempo è idenca a quella che avrebbe un elemento puramente

capacivo, mentre l’ampiezza e la pendenza finale sono quelle di un elemento puramente resisvo;

• bisogna tenere in considerazione il fa?o che, essendo la resistenza e il condensatore pos in parallelo, il voltaggio a?raverso le

due branche di circuito deve essere sempre lo stesso ed uguale al potenziale di membrana → Vr = Vc; da notare anche che Vr

varia istantaneamente con il variare di Ir, mentre Vc aumenta lentamente con il tempo• se si genera una corrente, essa fluirà subito nella branca del condensatore (all’inizio, It = Ic): se passasse nella branca della

resistenza, essa aumenterebbe istantaneamente, e Vr non sarebbe uguale a Vc

1



• più la corrente passa nel condensatore, più questo si carica e aumenta Vc (si fa più posivo); aumentando Vc, deve crescere

anche Vr, quindi una parte sempre maggiore della corrente totale viene so?ra?a a Ic per essere indirizzata come Ir (o Ii) alla

resistenza. Di conseguenza, il potenziale comincerà a crescere sempre più lentamente. Quando la corrente totale sarà uguale

alla corrente resisva, Ic sarà uguale a 0, quindi, considerando che ΔV = Ic * Δt / C, il potenziale di membrana non cambierà più

• It sarà allora uguale a 0 e la corrente ionica posiva che passa a?raverso il resistore dovrà tornare nella cellula come corrente

capaciva uguale e contraria: Ii = ‐Ic, finchè la carica del condensatore non verrà dissipata

La fase crescente della variazione di potenziale è descri?a dall’equazione:

• τ è la costante di tempo della membrana, pari al prodo?o della resistenza di ingresso per la sua capacità (RinCin), e rappresenta il tempo

che impiega il potenziale di membrana ad aumentare fino al 63% (= 1 ‐ 1/e) del suo valore stazionario finale

LE RESISTENZE DELLA MEMBRANA E DELL’ASSOPLASMA INFLUENZANO L’EFFICIENZA CON CUI VENGONO CONDOTTI I SEGNALI ELETTRICI

L’ampiezza di un potenziale eleLrotonico so?o soglia che venga condo?o lungo i dendri o l’assone, decresce progressivamente con la distanza dal

suo punto di origine

• la resistenza al flusso delle corren di un prolungamento del neurone aumenta con l’aumentare della lunghezza del prolungamento

(maggiori collisioni tra ioni) e diminuisce con l’aumentare del diametro (maggior numero di ioni trasportabili)

• poichè i dendri presentano un diametro piccolo, la loro resistenza al flusso di ioni che si portano verso il cono di emergenza è

apprezzabile

• è possibile rappresentare i prolungamen come piccole unità cilindriche di lunghezza unitaria, ciascuna delle quali costuisce un circuito

elementare formato da una resistenza e una capacità in parallelo; tuU i circui sono connessi da resistori che rappresentano le

resistenze assiali di ogni segmento di citoplasma

• inie?ando corrente per un tempo elevato (tale che la corrente capaciva sia diventata nulla), il potenziale varia dipendendo daivalori della resistenza di membrana rm (Ω*cm ‐ di un cilindro unitario di membrana) e dalla resistenza assiale ra (Ω/cm): difaU

queste rappresentano due elemen resisvi in serie nel circuito precedente, a?raverso i quali la corrente sfugge verso l’esterno

• la resistenza assiale totale è la resistenza interposta tra il sito di iniezione e il sito di fuga della corrente: rx = ra * x, dove x è la

distanza dal punto di iniezione (aumenta con la distanza): una frazione maggiore di corrente passerà perciò a?raverso la

mebrana in prossimità del sito di iniezione che non in zone più distan, in quanto le corren tendono sempre a seguire le vie a

minor resistenza

• il decremento della ΔV con la distanza assume una forma esponenziale:

• λ è la costante di spazio della membrana, e corrisponde alla distanza alla quale ΔVm è decaduto al 37% (1/e) del suo

valore iniziale

• la costante di spazio sarà tanto maggiore quanto migliore sarà l’isolamento della membrana (quanto

più elevato è rm) e quanto migliore sarà la conducibilità del volume di citoplasma (quanto più basso è ra); maggiore èla costante di spazio, maggiore è la distanza di propagazione della corrente prima che venga dissipata completamente

• resistenza assiale ra = ρ / πa2 (resistenza specifica di volume unitario di citoplasma / area della sezione) Ω/cm

• resistenza di membrana rm = Rm / 2πa (resistenza specifica di un’area unitaria Ω*cm 2 → densità dei canali /

circonferenza della sezione) Ω*cm → maggiore è la circonferenza, maggiore è l’area, maggiore è la densità dei

canali (il numero di canali è proporzionale alla loro densità e all’area di membrana)

• quindi le variazioni di diametro (a = raggio) controllano i parametri che determinano la costante di spazio: di fa?o, la

costante di spazio è determinata dalle proprietà intrinseche della membrana (ρ e Rm) e dal diametro → la costante di

spazio è tanto più lunga quanto maggiore è il diametro del processo

• la costante di spazio è proporzionale alla radice quadrata del raggio di un processo; in generev varia

tra 0,1 e 1 mm

• la costante di spazio è una misura dell’efficienza della propagazione passiva (elerotonica) delle variazioni di

potenziale; l’efficienza di propagazione ha dire?e conseguenze sul processo di sommazione spaziale e sulla

conduzione del potenziale d’azione a?raverso circui locali

GLI ASSONI DI GRANDI DIMENSIONI VENGONO ECCITATI PIÚ FACILMENTE DI QUELLI PICCOLI DA IMPULSI EXTRACELLULARI DI CORRENTE

Gli assoni di diametro maggiore hanno soglia più bassa per le corren extracellulari; quanto maggiore è il diametro dell’assone, tanto più bassa sarà

la resistenza assiale verso il flusso delle corren longitudinali, perchè maggiore sarà il numero delle parcelle intracellulari caricate (ioni) per unità

di lunghezza dell’assone: negli assoni più grandi entra una frazione maggiore della corrente totale ed essi saranno depolarizza con maggiore

efficienza

SIA LE PROPRIETÀ PASSIVE DELLA MEMBRANA CHE IL DIAMETRO DEGLI ASSONI INFLUENZANO LA VELOCITÀ DI PROPAGAZIONE DEL POTENZIALE

D’AZIONE

La conduzione elerotonica è un fa?ore limitante della velocità della propagazione del potenziale d’azione: la resistenza assiale e la capacità di

membrana limitano la velocità con cui la depolarizzazione si propaga nel corso del potenziale d’azione. Si prenda come riferimento un circuito

equivalente rappresentante due segmen adiacen della membrana di un assone, connessi da un segmento di assoplasma ( ra); ogni segmento è

formato da una resistenza (rm) e un condensatore (Cm) pos in parallelo• maggiore è la resistenza dell’assoplasma, minore è il flusso di corrente (I = V / R), maggiore il tempo necessario per far variare la carica

presente sul segmento di membrana adiacente

2



• minore è il flusso di corrente, maggiore il tempo necessario per far variare il potenziale di membrana ( ΔV = ΔQ / C → ΔV = I * Δt / C : ΔQ

varierà lentamente )

• maggiore è la capacità della membrana, maggiore dovrà essere il numero di cariche che devono essere depositate per far variare il

potenziale → la corrente dovrà scorrere per un tempo maggiore

Il tempo necessario perchè la depolarizzazione si propaghi lungo l’assone è funzione sia della sua resistenza assiale ra, che della sua capacità per

unità di lunghezza cm (F/cm) → la velocità della propagazione passiva varia in maniera inversa al prodo?o ra cm

Esistono due meccanismi per aumentare la velocità di propagazione:

• è possibile aumentare la velocità di conduzione aumentando il diametro del filamento assile della fibra nervosa (ra diminuisce con il

quadrato del diametro, mentre cm aumenta in proporzione dire?a: l’effe?o globale è quello di diminuire ra cm)• un secondo meccanismo prevede il processo di mielinizzazione mediante il quale la membrana è avvolta da membrane di elemen

gliali: perme?e di aumentare di 100 volte lo spessore della membrana assonale; poichè la capacità di un condensatore è inversamente

proporzionale allo spessore del materiale isolante (C ∝ A / D), la mielinizzazione fa diminuire cm e quindi ra cm ; inoltre è molto più

vantaggiosa del solo aumento del diametro (e perme?e di mantenere piccole dimensioni).

• il processo di mielinizzazione fa aumentare anche rm e quindi la costante di spazio λ;

• difaU i canali ionici passivi rendono mal isolata la cellula: aumentando la loro resistenza, diminuisce la loro

condu?anza, quindi la cellula è più isolata

• la corrente non è comunque sufficiente per scorrere lungo tu?o il filamento: sono necessari dei traU di interruzione della

mielina (ogni 1‐2 mm) rappresenta dai nodi di Ranvier, nei quali vi è una densità molto elevata di canali Na+ voltaggio‐

dipenden, che amplificano(rigenerano)3 3 con cadenza periodica l’ampiezza del potenziale d’azione, impedendone

l’esnzione; in ques traU nudi di membrana, la capacità elevata (molto bassa invece nei traU internodali) rallenta la

conduzione, che per questo è de?a conduzione saltatoria

• il processo è favorevole anche dal punto di vista metabolico, in quanto la rido?a necessità di canali perme?e un risparmio diATP, che deve essere idrolizzato dalle pompe per riprisnare i gradien ionici di concentrazione

3



9 ‐ I segnali propaga: il potenziale d’azione

La proprietà delle cellule nervose di inviare messaggi a lunga distanza dipende dalla loro capacità di generare potenziali d’azione, che sono segnali

rigeneravi la cui ampiezza non tende a ridursi lungo il decorso dell’assone

L’INSORGENZA DEL POTENZIALE D’AZIONE È DOVUTA A FLUSSI IONICI CHE ATTRAVERSANO CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI

Esperimen sull’assone di calamaro dimostrarono come la conduanza della membrana aumenta notevolmente nel corso di un potenziale d’azione:

si dimostrò quindi che il potenziale d’azione è dovuto a una modificazione dei flussi ioniciHodgkin dimostrò poi che la depolarizzazione che dà origine al potenziale d’azione determina un aumento transitorio della permeabilità della

membrana verso Na+ (difaU, allontanando lo ione dai liquidi extracellulari, si riduce l’ampiezza del potenziale) che sovrasterebbe l’elevata

permeabilità che la membrana ha, a riposo, verso K+; la fase discendente è dovuta invece a un aumento della permeabilità verso K+

LE CORRENTI DI SODIO E DI POTASSIO CHE PASSANO ATTRAVERSO I CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI VENGONO MISRATE CON LA TECNICA DIBLOCCO DEL VOLTAGGIOLa tecnica di blocco del voltaggio perme?e il mantenimento di un potenziale di membrana stabile e pari a un valore desiderato; senza questa

tecnica, il potenziale non può rimanere stabile, per via dell’accoppiamento (feed‐back posivo) fra potenziale di membrana e condu?anza dei canali

Na+ e K+ (→ depolarizzazione → apertura canali Na+ v‐d → ulteriore depolarizzazione → ulteriore apertura …)

• la tecnica consiste nell’inieare nell’assone una corrente uguale ed opposta a quella che scorre a?raverso i canali v‐d; l’entà della

corrente che deve venir erogata per mantenere il potenziale costante è la misura della corrente che passa per la membrana. Inie?ando

una corrente uguale ed opposta, non ci sono variazioni del potenziale, e quindi impedisce l’apertura di altri canali.

• l’apparato è provvisto di un generatore di corrente, che impone alla membrana un potenziale scelto dallo sperimentatore; la corrente

causa quindi una depolarizzazione della membrana, che apre i canali v‐d. Il flusso di ioni a?raverso ques canali farebbe variare il

potenziale, se non fosse che il meccanismo di feedback (negavo) dell’apparato (dovuto ad altri ele?rodi) genera una corrente uguale

ed opposta a quella dovuta all’apertura dei canali, di modo che il circuito di blocco di voltaggio impedisce automacamente che la

corrente ionica possa far variare il potenziale di membrana dal valore imposto

• per ogni valore di potenziale imposto, la condu?anza dei canali v‐d è misurata tramite l’analisi del valore della corrente uguale ed

opposta che bisogna generare

• inoltre, la tecnica perme?e di separare la corrente di membrana nelle sue componen ioniche e capacive

• se V non varia, anche Q resta costante (V = Q / C ) e non si ha flusso di corrente capaciva (I = ΔQ / Δt); la corrente capaciva è

presente solo quando è in corso una variazione di V: il flusso di corrente sarà presente solo all’inizio e alla fine della variazione

a gradino di V, e sarà presente in maniera istantanea

• durante il gradino, si ha corrente ionica; una volta o?enuta, si può calcolare la dipendenza dal tempo e dal voltaggio delle

variazioni di conduanza, determinate dall’apertura e chiusura dei canali Na+ e K+

Hodgkin e Huxley ulizzarono questa tecnica per misurare le modificazioni della conduanza di membrana verso Na+ e K+ in risposta a variazioni

sistemache del potenziale di membrana• dapprima imposero piccole depolarizzazioni (10 mV): inizialmente si ha una breve corrente uscente capaciva, seguita da una corrente

ionica uscente di intensità minore, che persiste per tu?a la durata dell’impulso depolarizzante; interrompendo l’impulso depolarizzante,

si osserva una breve corrente entrante capaciva, quindi la corrente di membrana torna a zero

• la corrente ionica costante è de?a corrente di fondo Ii, ovvero la corrente che passa a?raverso i canali passivi, la cui

condu?anza è de?a conduanza di fondo gi

• effe?uando depolarizzazioni di entà maggiore, le corren hanno intensità maggiore; inoltre, il tracciato è più complesso: dopo la

corrente uscente capaciva e l’inizio della corrente ionica di fondo, si osserva un’ampia corrente entrante di breve durata, seguita da

una corrente uscente che raggiunge un plateau mantenuto finchè è presente l’impulso depolarizzante

• evidentemente, la depolarizzazione apre in successione due pi di canali avi differen (uno a corrente entrante e uno a

corrente uscente)

• per separare le due corren e determinare il loro proprio andamento temporale, modificarono la composizione degli ioni in soluzione

• sostuendo Na+ con colina, si elimina la corrente entrante

• più recentemente sono state introdo?e la tetrodotossina TTX, che blocca il canale v‐d Na+, e il tetraelammonio TEA, che

blocca il canale v‐d K+

LE CONDTTANZE VOLTAGGIO‐DIPENDENTI DEL SODIO E DEL POTASSIO SI POSSONO CALCOLARE A PARTIRE DALLE RISPETTIVE CORRENTIPer la legge di Ohm, I = g (Vm ‐ E) [intensità = conduLanza x forza motrice eleLrochimica] ; è quindi possibile calcolare la conduanza da

quest’equazione: g = I / (Vm ‐ E); questo calcolo va fa?o separatamente per ogni ione, del quale bisogna considerare l’intensità e il potenziale di

equilibrio. Per conoscere il potenziale di equilibrio sono necessarie la concentrazione intracellulare ed extracellulare, ma si può anche determinare

sperimentalmente, trovando il valore di Vm al quale la corrente inverte la propria polarità (cioè quel valore di potenziale necessario per pareggiare la

forza chimica, e superato il quale la forza ele?rica, opposta a quella chimica, prevale, facendo cambiare così direzione al flusso ne?o); in tal caso, il

potenziale di equilibrio prende il nome di potenziale di inversione; una volta calcolata l’ampiezza delle conduanze, è possibile verificare anche il

loro andamento temporale

La misura delle condu?anze di Na+ e K+ mostra che tra i canali esistono due analogie e due differenze:

• analogie funzionali:

• entrambe le popolazioni di ques canali si aprono in risposta a impulsi depolarizzan a gradino del potenziale di membrana

• man mano che la depolarizzazione aumenta, anche la probabilità e la frequenza di apertura di entrambi i pi di canali aumenta• differenze:

• i canali K+ e Na+ v‐d differiscono per la velocità di apertura ( i canali Na+ v‐d sono più veloci)

1



• differiscono inoltre per le loro risposte verso le depolarizzazioni protrae nel tempo (i canali Na+ tendono a chiudersi: mentre i

canali Na+ vano incontro a inavazione, i canali K+ rimangono aper per tu?a la durata della depolarizzazione)

• i canali Na+ possiedono 3 sta diversi, corrisponden a 3 diverse conformazioni: in ordine, possono essere allo stato di

riposo (chiusi), avato (aper), inavato (chiuso); l’inaUvazione scompare con la ripolarizzazione della membrana

fino al suo potenziale di riposo negavo

• il tempo di apertura e di riaUvazione dipende dalla cineca delle reazioni che controllano l’accesso ai canali Na+:

perchè il canale sia aperto, devono essere aperte entrambe le sue porte, quella di avazione (chiusa al potenziale di

riposo) e quella di inavazione (aperta al potenziale di riposo; si chiude lentamente in risposta a una

depolarizzazione) → il canale è in grado di condurre ioni soltanto per un breve periodo, nel corso di unadepolarizzazione, quando entrambe le porte sono aperte

È POSSIBILE RICOSTRIRE IL POTENZIALE D’AZIONE CONOSCENDO LE PROPRIETÀ DEI CANALI DEL SODIO E DEL POTASSIOSecondo il modello di Hodgkin e Huxley, in potenziale d’azione comporta la seguente successione di even

• una depolarizzazione della membrana determina l’apertura dei canali v‐d Na+ (aumento gNa) con comparsa di una corrente entrante di

Na+; parte quindi un processo rigeneravo (entrata Na+ → depolarizzazione → apertura canali Na+ …) che spinge il potenziale di

membrana verso ENA

• la depolarizzazione limita la durata del potenziale d’azione:

• provoca la graduale inavazione dei canali Na+ (riduzione gNa)

• determina, con qualche ritardo, l’apertura dei canali K+ v‐d

• compare quindi la branca discendente del potenziale d’azione, dovuta alla corrente uscente di K+ che ripolarizza la membrana

• dopo la ripolarizzazione, compare un’iperpolarizzazione transitoria de?a potenziale postumo (dovuto al fa?o che i canali K+, che si

sono aper in ritardo, si chiudono qualche tempuscolo dopo che Vm è tornato al proprio valore di riposo, trascinando così il potenziale

verso EK)

• il potenziale è poi seguito da un periodo di refraarietà, suddiviso in due fasi disnte:

• il periodo di refra?arietà assoluta, che segue immediatamente il potenziale d’azione, durante il quale è impossibile provocare

l’eccitamento della cellula

• il periodo di refra?arietà relava, durante il quale è possibile far insorgere un potenziale d’azione, ma solo applicando smoli di

intensità maggiore di quelli normalmente richies per raggiungere la soglia

• ques periodi di refra?arietà sono dovu all’inavazione dei canali Na+ e all’aumentato numero di canali K+ aper: se un

impulso è troppo vicino al precedente, non può generare un potenziale perchè i canali Na+ saranno ancora inaUva

• il potenziale d’azione è un evento tuo‐o‐nulla: una volta raggiunto il valore soglia di potenziale, non può non parre il potenziale

d’azione; se una depolarizzazione è so?o soglia, aumenta la corrente entrante Ina, ma aumentano anche le corren uscen I K (apre

infaU i canali K v‐d) e I I (varia la FEM degli ioni passan per i canali passivi). La depolarizzazione può connuare a crescere grazie alla

grande sensibilità al voltaggio e alla rapida cineca di avazione dei canali Na+ v‐d. Il valore soglia è quel valore per il quale la

corrente ionica nea cambia senso diventando entrante, ovvero la corrente Na+ supera le corren uscen; da questo valore in poi il

potenziale è obbligato a parre per via del suo caraere rigeneravo (apertura di nuovi canali Na+ v‐d)

LA PRESENZA DI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI CON PROPRIETÀ DIVERSE AUMENTA L’EFFICACIA CON CUI I NEURONI TRASMETTONO

MESSAGGI

IL SISTEMA NERVOSO È IN GRADO DI ESPRIMERE NA RICCA GAMMA DI CANALI IONICI VOLTAGGIO‐DIPENDENTIMol neuroni posseggono canali Ca2+ volt‐dip che si aprono in risposta alla depolarizzazione della membrana (grande forza ele?rochimica

entrante); alcuni neuroni possiedono anche canali Cl‐ volt‐dip

Esistono poi canali si po h, permeabili ai caoni monovalen e aUva lentamente da una iperpolarizzazione: determina la comparsa di una

corrente depolarizzante nell’ambito dei voltaggi vicini al potenziale di riposo

Esistono almeno 4 pi principali di canali K+ v‐d, forma da 4 subunità ciascuna con 6 domini

• il classico canale studiato da H&H ad a6vazione lenta, de?o a reficazione ritardata (delayed recfier)

• i canali Ca2+ dipenden: per essere aUva hanno bisogno sia di Ca2+ intracellulare che della depolarizzazione

• il canale di po A, con la stessa cineca dei canali NA+ (aUvazione rapida e inaUvazione nel caso di depolarizzazione prolungata)

• il canale di po M, che si aUvano molto lentamente in seguito a piccole depolarizzazioni intorno al potenziale di riposo; può esser

chiuso da ACh

• esiste poi canali annovera tra i v‐d, ma il cui meccanismo di apertura è stre?amente chemio‐dipendente: i canali a reficazione

entrante (inward recfier); la stru?ura di ques canali ( subunità a 2 domini ) manca dell’elica S, che rappresenta il sensore di

voltaggio. Sono comunque dipenden dal voltaggio in quanto sono chiusi da bloccan citoplasmaci (Mg2+, poliamine) la cui presenza

a livello dello sbocco del canale dipende dal potenziale di membrana: sono aper al potenziale di riposo (l’ele?ronegavità adiacente

alla membrana allontana quanto basta gli ioni dal canale); sono responsabili del leakage del K+

na vasta gamma di canali v‐d garansce una maggiore e più complessa capacità di analisi

I MECCANISMI DI ACCESSO DEI CANALI IONICI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI SONO SOTTO IL CONTROLLO DI DIVERSI FATTORI CITOPLASMATICILe variazioni intracellulari di Ca2+ possono esercitarie notevoli influenze modulatorie sull’apertura e chiusura di diversi canali ionici; la

concentrazione di Ca2+ liberi nel citoplasma a riposo è estremamente bassa, quindi, in seguito all’apertura di canali Ca2+, la concentrazione varia

notevolmente. Il Ca2+ può agire esercitando diversi effeU: può aprire canali K+ Ca2+dipenden, può inaUvare altri canali, può aUvare protein‐

fosfatasi Ca2+ diepden

Quindi l’ingresso di Ca2+ può esercitare due effeU:• dà un contributo alla depolarizzazione (entrata cariche posive)

• ha effe?o modulatorio sull’apertura e chiusura di diversi canali (es.: apre canali K+ e chiude canali Ca2+; in questo caso quindi, l’entrata

di Ca2+ ha un cara?ere autolimitante, perchè il Ca2+ innesca due processi di ripolarizzazione)

2



Oltre che dal ruolo del Ca2+, l’accesso dei canali ionici viene modulato dall’aUvità sinapca di altri neuroni, dalla concentrazione di secondi

messaggeri, dallo stato di fosforilazione dei canali

IL LIVELLO DI ECCITABILITÀ PÒ ESSERE DIVERSO DA NA ZONA ALL’ALTRA DELLO STESSO NERONEI dendri possiedono canali ionici v‐d per K+ e Ca2+, che modificanola conduzione eleLrotonica passiva dei potenziali sinapci; possono essere

influenza da potenziali retrogradi a partenza dalla zona di innesco

La zona di innesco rappresenta il punto a soglia più bassa, in quanto è la zona deputata all’origine del potenziale d’azione; per questo possiede

un’elevata densità di canali Na+ v‐d e anche canali sensibili a piccole variazioni di voltaggio, come i canali di po M, K+ di po A, po h (aUva da

iperpolarizzazione) e Ca2+, che sono deputa alla trasformazione di segnali analogici (potenziali sinapci) in segnali digitalici (potenziale d’azione)L’assone, deputato alla conduzione del potenziale d’azione, possiede canali v‐d Na+ e K+; nei nodi di Ranvier, non c’è bisogno di canali v‐d K+ per la

ripolarizzazione, che avviene dire?amente con l’inaUvazione dei canali Na+

Le terminazioni delle sinapsi chimiche possiedono canali v‐d Ca2+, deputato alla liberazione del neurotrasmeUtore

LE PROPRIETÀ ECCITABILI VARIANO DA N TIPO DI NERONE ALL’ALTROIl modo in cui ogni neurone risponde a un certo segnale di ingresso sinapco (ad esempio, la frequenza di scarica) dipende dalle proporzioni dei

diversi pi di canali v‐d che esso possiede nella zona integrava e nella zona di innesco. Cellule con diversi pi di canali possono rispondere in modo

diverso, anche opposto, alle depolarizzazioni o alle iperpolarizzazioni

LE PROPRIETÀ FUNZIONALI DEI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI POSSONO VENIR MESSE IN RELAZIONE CON LA LORO STRUTTURA MOLECOLARE

Innanzitu?o, si è dovuto procedere al riconoscimento di stru?ure fisiche che avessero le cara?erische di quelli che oggi chiamiamo canali: si sono

ad esempio trova i canali Na+ marcando le membrana con TTX (tetrodotossina); si è visto che la densità di TTX è notevole nei nodi di Ranvier

I CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI SI APRONO IN MANIERA TTTO‐O‐NLLAGli esperimen di patch‐clamp, che misurano la corrente che passa per un singolo canale, hanno dimostrato che, in generale, i canali voltaggio‐

dipenden hanno due sta di condu?anza: aperto o chiuso. Ogni canale si apre in maniera di tuo‐o‐nulla, e quando è aperto, dà origine a un

impulso di corrente di durata variabile, ma di intensità costante. La condu?anza di singolo canale può variare tra 1 e 20 pS

L’APERTRA DEI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI PER IL SODIO È REGOLATA DA NA RIDISTRIBZIONE DELLE CARICHE PRESENTI ALL’INTERNO DEICANALI STESSII canali sono dota di una carica d’accesso situata in un preciso punto della loro parete, che , in virtù delle variazioni del potenziale di membrana, è

susceUbile a spostamen nel piano della membrana. DifaU, questa carica posiva, a riposo si trova verso l’interno (negavo), mentre durante la

depolarizzazione si sposta leggermente verso l’esterno. Questo movimento della carica è riscontrabile in un esperimento di blocco di voltaggio come

una piccola corrente uscente visibile all’inizio (e una entrante alla fine) della variazione di potenziale (è riscontrabile perchè l’apparato di blocco deve

fornire una piccola carica che possa controbilanciare il movimento di cariche), ed è chiamata corrente d’accesso Ig. Si può notare che il canale Na+

risul aperto in questo esperimento anche quando non vi è passaggio di corrente al suo interno: dopo una deplarizzazione prolungata, il canale

aperto viene inavato da una stru?ura vincolata

LA SELETTIVITÀ DEL CANALE VOLTAGGIO‐DIPENDENTE PER IL SODIO DIPENDE DALLE DIMENSIONI, DALLA CARICA E DALL’ENERGIA DI IDRATAZIONE DIQESTO IONEIl filtro di selevità del canale Na+ è rappresentato da 4 traU intramembranosi ( domini P) di idenca stru?ura; in pun equivalen, 2 contengono

acido glutammico, gli altri 2 lisina e alanina. I gruppi carbossilici dell’acido glutammico sono carica negavamente, e a?raggono caoni sulla

superficie esterna del poro; i caoni entrano in una stre?oia in cui possono passare soltanto 1 Na+ con 1H2O. La seleUvità dipende dal fa?o che

l’acqua di idratazione deve essere sostuita dalle interazioni con i gruppi carbossilici; l’efficacia delle sostuzioni dipende dalle dimensioni dello ione

(deve avere le giuste dimensioni per poter reagire con tuU i gruppi presen: K+ è troppo grande per poter reagire efficientemente con tuU)

Il ruolo degli aminoacidi polari è stato riconosciuto dopo diminuzione del pH: in questo caso si riduce la condu?anza dei canali aper, perchè,

secondo la loro curva di 4tolazione, gli aminoacidi non posseggono più le loro cariche

I CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI PER IL POTASSIO, IL SODIO E IL CALCIO DERIVANO TUTTI DA UN UNICO GENE ANCESTRALE

DifaU ques canali hanno in comune parecchi traU di molecola funzionalmente importan

Stru?ura del canale Na+: è formato da una grande glicoproteina (α) e da due polipepdi più piccoli (β1 β2). La prima possiede le proprietàfondamentali del canale, le seconde hanno funzione regolatoria

• α è formata da 4 sequenze ripetute, ciascuna delle quali possiede 6 tra intramembranosi S1‐S6; tra S5 e S6, si trova un’ansa

idrofobica, il segmento P, che si approfonda parzialmente nella membrana con la funzione di formare la parete del poro

• il tra?o S4 è molto conservato: si tra?a del sensore di voltaggio; in quest’elica, ogni 3 aminoacidi è presente un residuo caricato

posivamente (lisina o arginina). Quando la membrana si depolarizza, l’elica S4 si sposta, e i suoi residui carica posivamente sono

avvicina all’esterno della membrana

I canali K+ contengono non 4 sequenze ripetute con queste cara?erische, bensì 4 subunità, ognuna della quali con i soli 6 traU intramembranosi

I domini regolatori sono invece assolutamente indipenden e diversi

Le differenze funzionali tra canali simili sono dovute alla presenza di differen domini regolatori (vedi i vari pi di canali v‐d K+)

NB: il tra?o S4, non necessario nei canali non v‐d, possiede poca carica o non è proprio presente in questo po di canali

• nei canali K+ a reficazione entrante può mancare del tu?o: l’apertura dipende dall’iperpolarizzazione che spinge fuori dal canale nel

citoplasma gli ioni Mg2+ bloccan

L’inavazione, per i canali che ne sono provvis (Na+ e K+ di po A), è dovuta a diversi moduli molecolari:• nei canali K+ di po A, il canale è bloccato dalla sua estremità N‐terminale

• nei canali Na+, il canale è bloccato dal tra?o citoplasmaco di catena che conne?e i domini III e IV

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DIVERSE SBNITÀ MINORI FORNISCONO N CONTRIBTO ALLE PROPRIETÀ FNZIONALI DEI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI DEL SODIO, DELCALCIO E DEL POTASSIOPer le subunità β, γ e δ, viste le specifiche funzioni regolatrici, non esiste alcuna omologia

LA VARIETÀ DEI TIPI DI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI È DOVTA A NMEROSI MECCANISMI GENETICIPossono esistere diversi geni o meccanismi di rimaneggiamento dell’mRNA; inoltre diverse subunità possono essere accoppiate

LE MTAZIONI A CARICO DEI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTI SONO ALLA BASE DI DIVERSE MALATTIE NEROLOGICHE SPECIFICHE

Paralisi iperkalemica periodica: mutazione punforme della subunità α del gene dei canali v‐d Na+ del muscolo scheletrico; i canali si inaUvanoincompletamente: il nuovo potenziale di riposo è ‐40 mV, valore al quale la maggioranza dei canali Na+ è inaUvata → paralisi

Atassia periodica: mutazioni punformi del canale v‐d K+ a reUficazione ritardata → diminuisce la corrente uscente e quindi la ripolarizzazione →

aumenta la raffica di scarica degli impulsi (Drosophila Shaker)

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10 ‐ Uno sguardo panoramico sui meccanismi della trasmissionesinapca

La sinapsi rappresenta il punto in cui due neuroni si me?ono reciprocamente in conta?o: il segnale viene così trasmesso da una cellula all’altra

I meccanismi fondamentali di trasmissione sinapca sono 2: la trasmissione elerica e la trasmissione chimica. Inoltre, la cellula può modificare

l’aUvità sinapca a?raverso modulazioni di vario po e grazie alla plascità delle cellule nervose.

• La trasmissione elerica è rapida e stereopata; i segnali invia sono semplici; non consentono l’invio di messaggi inibitori e nondeterminano variazioni di lunga durata delle proprietà ele?riche delle cellule postsinapche

• Le sinapsi chimiche sono più duli e producono comportamen più complessi; possono dare risposte sia eccitatorie che inibitorie;

possono indurre modificazioni di lunga durata e hanno la capacità di amplificare i segnali neuronali

LE SINAPSI POSSONO ESSERE ELETTRICHE O CHIMICHE

O?o Loewi dimostrò che, oltre alla trasmissione ele?rica, esiste anche una trasmissione chimica. InfaU, vide che una sostanza chimica, l’ace4lcolina,

trasme?e segnali dal nervo vago al cuore (esperimento del cuore di rana)

Le sinapsi chimiche e quelle ele?riche possiedono cara?erische morfologiche completamente diverse

• nelle sinapsi chimiche, i neuroni sono indipenden e separa dalla fessura sinapca

• la corrente non passa dire?amente da una cellula all’altra (la corrente presinapca si disperde a?raverso i canali passivi della

cellula presinapca), ma ha la funzione di determinare la liberazione di neurotrasmetore che diffonde per la fessura fino a

interagire con un receore postsinapco, che determina la depolarizzazione postsinapca. Il sistema è quindi susceUbile di

ritardo (latenza), ma garansce unidirezionalità• nelle sinapsi eleriche esiste connuità citoplasmaca tra i due neuroni (che sono quindi a conta?o)

• i canali delle giunzioni comunican creano una via ad alta condu?anza tra le due cellule: la corrente passa dire?amente, quindi

non è presente ritardo sinapco, ed inoltre la trasmissione può essere bidirezionale

NELLE SINAPSI ELETTRICHE LA TRASMISSIONE DEI SEGNALI È PRATICAMENTE ISTANTANEA

La corrente presinapca (che prende origine dai suoi canali v‐d) deve essere abbastanza grande da poter far variare significavamente il potenziale

della cellula postsinapca. Per intensificare la corrente, le sinapsi hanno sviluppato meccanismi basa sulle dimensioni delle terminazioni:

• la terminazione presinapca presenta grandi dimensioni: può così contenere un maggior numero di canali v‐d

• la terminaione postsinapca è in genere più piccola, in quanto minori sono le dimensioni, maggiore è la resistenza di ingresso (Rin =

Rm / πa2), quindi, per la legge di Ohm ( ΔV = ΔI * Rin) maggiore sarà la variazione di potenziale a una data corrente

Le sinapsi ele?riche sono state dimostrate dopo l’osservazione che, in cer pi di sinapsi, non si ha latenza, e ciò è incompabile con una sinpasi di

po chimico; inoltre, in questo po di sinapsi, la variazione di potenziale della cellula posnapca è direamente proporzionale all’ampiezza e alla

forma della variazione della cellula presinapca. Qualsiasi impulso nella cellula presinapca evoca una risposta graduata nella cellula

postsinapca, mentre nelle sinapsi chimiche si hanno risposte postsinpache solo dopo il raggiungimento di una soglia.Le corren trasportate sono sia depolarizzan che iperpolarizzan (vedi il potenziale postumo); la trasmissione a livello delle sinapsi chimiche è

analoga alla propagazione elerotonica dei segnali ele?rici so?o soglia lungo il decorso degli assoni

La bidirezionalità di queste sinapsi è dovuta ala fa?oche la trasmissione dei segnali tra neuroni dipende dalle loro proprietà passive

NELLE SINAPSI ELETTRICHE I CANALI DELLE GINZIONI COMNICANTI METTONO IN CONNESSIONE DIRETTA NA CELLLA CON L’ALTRANelle sinapsi ele?riche, lo spazio tra due neuroni è solo di 3,5 nm invece di 20 nm; questo spazio è a?raversato dai canali proteici delle giunzioni

comunican, a?raverso i quali passa la corrente. Le giunzioni comunican sono formate dall’appaiamento di due emicanali, deU connessoini, uno

su ciascuna cellula e perfe?amente allinea e a mutuo conta?o; il poro (1,5 nm di diametro) perme?e il passaggio anche di piccoli metaboli. Ogni

connessone è formato da 6 subunità de?e connessine, a loro volta formate da 4 segmen transmembrana. Oltre a domini per il riconoscimento

delle altre connessine, le anse extracellulari di ogni connessina svolgono la funzione di riconoscimento omofilico con le connessine dell’altra cellula,

mentre le anse intracellulari hanno funzione regolatrice: infaU le giunzioni hanno la proprietà di chiudersi in risposta a determina smoli

citoplasmaci, quali l’abbassamento del pH intracellulare o l’aumento della concentrazione intracellulare di Ca2+ (indice di un’alterazione cellulare).

Alcune giunzioni possiedono anche sensibilità al voltaggio (sinapsi re6fican4 ) cara?erizzate da unidirezionalità di trasmissione, oppure sensibilità a

neurotrasmeUtori libera nelle vicinanze. Il meccanismo di apertura e chiusura prevede la rotazione di ciascuna connessina di un emicanale l’una

rispe?o all’altra

LA TRASMISSIONE ELETTRICA PERMETTE LA SCARICA RAPIDA E SINCRONA DELLE CELLLE INTERCONNESSE DALLE GINZIONI COMNICANTILa funzione delle sinapsi eleriche è quella di garanre risposte rapide, uli ad esempio in caso di fuga o di pericolo; risulta ule anche nel me?ere

in connessione interi aggrega di neuroni, coordinandoli. Questa coordinazione di parecchie cellule perme?e di o?enere gli stessi effeU di una

cellula grande da molte cellule piccole connesse tra loro; la loro connessione fa sì che la resistenza effeva dell’intero aggregato diviene minore

della resistenza di ciascuna cellula. na minore resistenza determina, per un certo valore di corrente, una minore variazione di potenziale ( ΔV = ΔI *

R); quindi, per raggiungere la soglia, sarà necessaria una corrente maggiore rispe?o a quella necessaria per far scaricare una cellula sola; è quindi più

difficile che le cellule accoppiate scarichino potenziali d’azione. Ma questo effe?o garansce un vantaggio ada?avo: nelle cellule accoppiate

elericamente, i potenziali compaiono in maniera improvvisa e sosso forma di tuo‐o‐nulla (in quanto, se si supera la soglia, tu?e le cellule aprono

i canali Na+ e scaricano in maniera sincrona)

Quindi, oltre a conferire velocità e sincronia alla trasmissione, le sinapsi ele?riche possono anche trasme?ere segnali metabolici (i canali sono

grandi e non seleUvi, e lasciano passare secondi messaggeri come IP3 e AMPc)

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LE GINZIONI COMNICANTI SONO IMPORTANTI PER LE FNZIONI DELLA GLIA E NELLE SE ALTERAZIONI PATOLOGICHELe giunzioni comunican pongono in mutua connessione sia neuroni che cellule gliali, che formano così una sorta di rete nel sistema nervoso

centrale; quando si smolano le vie nervose, negli astroci aumenta la concentrazione intracellulare di Ca2+, che si trasme?e a tu?a la rete. Anche

nelle cellule di Schwann sono presen giunzioni comunican, che conne?ono, mantenendoli uni, i vari stra di mielina: nella malaUa di Charcot‐

Marie‐Tooth, il gene che codifica per ques canali ha subito mutazione.

LE SINAPSI CHIMICHE FUNGONO DA AMPLIFICATORI DI SEGNALI

Nelle sinapsi chimiche non esiste connuità stru?urale tra i neuroni: è presente la fessura sinapca (20 nm). La trasmissione dipende dalla

liberazione di neurotrasmetore dalla cellula presinapca. I NT sono sostanze chimiche in grado di legarsi a receori presen sulla cellulapostsinapca; sono libera a livello delle terminazioni presinapche, dove le vescicole sinapche che contengono il NT si fondono con la membrana

presinapca. Le vescicole si accumulano a livello delle zone ave, regioni specializzate del neurone presinapco. L’arrivo di un potenziale d’azione

presinapco determina l’ingresso di Ca2+ a?raverso i canali Ca2+ v‐d della zona aUva; il Ca2+ favorisce i processi che portano all’ esocitosi del NT.

na volta liberato, il NT diffonde nella fessura e si lega al proprio receore: questo legame induce l’apertura o la chiusura di canali ionici. TuU

ques passaggi determinano la comparsa di un ritardo sinapco di diversi ms.

na proprietà importante delle sinapsi chimiche è l’amplificazione: una sola vescicola libera migliaia di molecole di neurotrasmeUtore;

considerando che per aprire un canale postsinapco bastano 2 molecole di NT, verranno comunque aper migliaia di canali nella cellula

posnapca.

I NEROTRASMETTITORI SI LEGANO A RECETTORI POSTSINAPTICILa trasmissione sinapca comporta un processo di trasmissione (liberazione del NT) e un processo recevo (il NT si lega al rece?ore)

Esistono quindi delle somiglianze con la trasmissione endocrina, anche se i NT non sono trasporta a distanza nel torrente circolatorio, ma

interagiscono solo con la cellula con cui fanno sinapsi. La trasmissione sinapca ha due vantaggi su quella endocrina: è più rapida e più proieva

(minore distanza da percorrere e il bersaglio non è un po cellulare ma una cellula precisa).

L’effeo sull’elemento postsinapco non dipende tanto dal neurotrasmeUtore, ma dai suoi receori: ad esempio, l’ACh, a seconda del po di

rece?ore, può eccitare (→ giunzione neuromuscolare) od inibire (→ parasimpaco vagale sul cuore) la cellula postsinapca

• tuU i rece?ori dei neurotrasmeUtori hanno due cara?erische biochimiche in comune:

• sono proteine ce a?raversano la membrana a tu?o spessore, con zona rece?oriale all’esterno della cellula

• esercitano una funzione efferice sulla cellula bersaglio modulando l’apertura o la chiusura di canali ionici

I RECETTORI POSTSINAPTICI REGOLANO L’ACCESSO AI CANALI IONICI CON MECCANISMI SIA DIRETTI CHE INDIRETTII rece?ori che agiscono direamente sull’accesso dei canali ionici sono complessi receori‐canale, in quanto consistono di un’unica macromolecola

con diverse subunità: comprendono un dominio extracellulare che forma il rece?ore e un dominio transmembrana che forma il canale ionico. Sono

deU receori ionotropici (o regola da ligandi). Il legame con il neurotrasmeUtore induce una modificazione conformazionale che apre o chiude il

canale. Es.: receLore nico4nico per l’ACh. Spesso sono forma da 5 subunità da 4 domini transmembrana

• determinano l’insorgenza di potenziali rapidi di breve durata

I rece?ori che regolano indireamente l’accesso ai canali ionici sono macromolecole disnte dai canali sui quali agiscono. Il legame con ilneurotrasmeUtore induce la modifica di reazioni metaboliche intracellulari , catalizzando la formazione di secondi messaggeri (rece?ore →

trasdu?ore ‐ proteina G → effe?ore ‐ adenilato ciclasi, fosfolipasi C) e la conseguente aUvazione di protein‐chinasi: regolano dunque alcuni canali

determinandone lo stato di fosforilazione / defosforilazione. Es.: receLori per la noradrenalina e per la serotonina, receLori muscarinici per

l’ACh.Spesso sono forma da una subunità con se?e eliche transmembrana

• determinano la comparsa di aUvità sinapche più lente e durature (fino a minu)

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11 ‐ La trasmissione a livello della sinapsi neuromuscolare:trasmissione sinapca direa

La sinapsi neuromuscolare è la giunzione tra un motoneurone e una fibra muscolare scheletrica; la cellula muscolare postsinapca è normalmente

innervata da un solo assone presinapco, che libera un solo po di neurotrasmeUtore che apre un solo po di canale ionico postsinapco.

LA GIUNZIONE NEUROMUSCOLARE COSTITUISCE IL MODELLO D’ELEZIONE PER LO STUDIO DELLA TRASMISSIONE SINAPTICA DIRETTAL’assone del motoneurone si specializza nella sua parte terminale in numerose soUli branche senza guaina mielinica; ciascun ramo si espande a

formare i booni sinapci, che si confrontano con zone specializzate della membrana muscolare de?e placche motrici. In corrispondenza dei

bo?oni, la membrana muscolare si invagina in profonde depressioni de?e pieghe giunzionali, che contengono i receori del neurotrasmeUtore al

loro apice. Il neurotrasmeUtore è l’acelcolina ACh, e il rece?ore è il receore niconico per l’ACh.

La fessura sinapca è larga circa 100 nm, e conene una membrana basale costuita da collagene e contenente l’enzima acelcolinesterasi, che

idrolizza ACh (inaUvandolo) a colina e acetato.

Nella profondità delle pieghe giunzionali, la cellula muscolare è ricca di canali Na+ v‐d.

La liberazione del neurotrasmeUtore avviene, nel motoneurone, a livello delle zone ave, dove si aprono le vescicole sinapche; ogni zona aUva è

situata di fronte ad una piega giunzionale della cellula muscolare.

I bo?oni sinapci contengono, oltre alle vescicole, mitocondri e canali Ca2+ v‐d, che si aprono all’arrivo di un potenziale d’azione: l’entrata di Ca2+

innesca il processo di liberazione del neurotrasmeUtore

I MOTONEURONI ECCITANO IL MUSCOLO APRENDO CANALI IONICI A LIVELLO DELLA PLACCA MOTRICELa placca motrice della cellula muscolare, in seguito alla liberazione del neurotrasmeUtore, si depolarizza rapidamente, ed è quindi registrabile un

EPP (end‐plate potenal) o potenziale di placca, con ampiezza parcolarmente elevata, di circa 70 mV, abbastanza per dare origine ad un

potenziale d’azione (questa è una differenza importante con i potenziali postsinapci eccitatori EPSP del sistema nervoso centrale, che non

raggiungono 1 mV di ampiezza: necessitano perciò di un processo di convergenza per dare origine ad un potenziale d’azione); il potenziale d’azione

si genera dopo l’apertura dei canali Na+ v‐d nelle pieghe giunzionali, aUva (aper) proprio dal potenziale sinapco

IL POTENZIALE SINAPTICO DELLA PLACCA MOTRICE È DETERMINATO DA CORRENTI IONICHE CHE PASSANO ATTRAVERSO CANALI IL CI ACCESSO ÈREGOLATO DALL’ACETILCOLINAImportan studi sulla giunzione neuromuscolare sono sta svol da Fa? e Katz, che tra?arono la sinpasi con curaro (una miscela di tossine che

bloccano la trasmissione sinapca legandosi ai rece?ori niconici dell’ACh); conclusero che il potenziale sinapco è dovuto ad un flusso di corrente

entrante nella regione della placca motrice, che si propaga poi passivamente (difaU diminuisce con la distanza dalla placca, per l’imperfe?o

isolamento della membrana muscolare ‐ la carica si perde uscendo dai canali passivi e dalla capacità). Il flusso entrante è riscontrabile solo a livello

della placca motrice in quanto è l’unica regione contenente canali ionici aUva dall’ACh. Il potenziale di placca insorge rapidamente e decresce

lentamente: ma la corrente di placca, entrante dai canali ACh, insorge e decade molto più rapidamente del potenziale che determina; difaU l’ACh èliberato istantaneamente, e rimane presente nella fessura finchè non diffonde all’esterno o non viene idrolizzato dall’acelcolinesterasi,

determinando così la chiusura rapida dei canali ACh. Il più lento decorso del potenziale di placca rispe?o alla corrente (infaU cambia con lentezza e

si instaura con ritardo) è determinato dal fa?o che la corrente impiegherà tempo per caricare e scaricare la capacità della membrana del muscolo.

IL CANALE IONICO DELLA PLACCA MOTRICE È PERMEABILE SIA AL SODIO CHE AL POTASSIOPer individuare gli ioni responsabili della corrente sinapca sono sta messi a punto esperimen che misurassero la forza motrice chimica che spinge

gli ioni.

La corrente di placca che determina il potenziale postsinapco eccitatorio (EPSP) è definita come: IEPSP = gEPSP * (VM ‐ EEPSP)

• IEPSP: corrente di placca; gEPSP: condu?anza dei canali aUva da ACh; EEPSP: forza motrice chimica, o ba?eria (dipende dai gradien di

concentrazione degli ioni); Vm della membrana muscolare a riposo = ‐90 mV

• la corrente di placca, al potenziale di riposo, è entrante: quindi anche la forza motrice chimica che grava sugli ioni deve essere entrante

(negava, più posiva di ‐90 mV)

• EEPSP si può ricavare tramite esperimen di blocco di voltaggio: depolarizzando progressivamente la membrana, si ridurrà la forza

motrice ele?rochimica, e quindi anche la corrente entrante, fino ad arrivare ad un valore di potenziale di membrana esa?amente uguale

al valore della forza motrice ele?rochimica. A questo valore di potenziale, non vi sarà alcuna corrente sinapca ne?a (forza ele?rica V e

forza chimica E sono bilanciate): questo valore è de?o potenziale di inversione. Portando il potenziale di membrana sopra questo

valore, l’apertura dei canali ACh determinerà una corrente uscente

• NB: l’aUvità sinapca tende a portare Vm verso Eepsp: se Vm > Eepsp → iperpolarizzazione; se Vm < Eepsp → depolarizzazione

Se la corrente entrante fosse dovuta solo al Na+, EEPSP (misurato tramite ricerca sperimentale in blocco di voltaggio del potenziale di inversione)

sarebbe uguale al potenziale di equilibrio di Na+, cioè +55 mV: invece è risultato che EEPSP è uguale a 0: se ne è dedo?o che i canali ACh non sono

permeabili ad un solo ione, bensì sono permeabili sia a Na+ che a K+ in misura molto simile. Durante un potenziale sinapco, Na+ entra e K+ esce. Il

valore di 0 mV rappresenta la media ponderata dei potenziali di equilibrio dei due ioni

La permeabilità per entrambi gli ioni è dovuta al diametro largo del poro (0,8 nm, misurato a?raverso passaggio di tetramelammonio); anche Ca2+

riesce a passare, mentre gli anioni sono blocca dalla presenza di cariche negave fisse nel canale

Al potenziale di riposo di ‐90 mV, si ha comunque depolarizzazione in seguito all’apertura dei canali, perchè a questo valore di potenziale la forza

motrice che grava su Na+ è molto maggiore di quella su K+ (che è più vicino al proprio potenziale di equilibrio); a 0 mV, non si ha corrente; sopra, la

forza ele?rochimica sui K+ è più forte, si avrà quindi corrente uscente

IL POTENZIALE DI INVERSIONE DEL POTENZIALE DI PLACCA

Il potenziale di inversione di una corrente trasportata da più specie ioniche è determinato da due fa?ori:

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• la conduanza relava degli ioni (gK e gNA)

• il potenziale di equilibrio degli ioni stessi (EK e ENA)

Al potenziale di inversione, le corren entrante ed uscente sono bilanciate: INA + IK = 0 (ricorda che I = g * (V ‐ E))

Sapendo che al potenziale di inversione Vm = Eepsp, si può sostuire quest’equazione e risolvere per Eepsp:

A livello della giunzione neuromuscolare, Eepsp = 0 mV, ENA = +55 mV, EK = ‐100 mV

È anche possibile calcolare il rapporto tra le condu?anze dei due ioni: g NA / gK = 1,8 → la conduanza del canale ACh è maggiore per Na+

LA TECNICA DEL PATCH‐CLAMP PERMETTE L’ANALISI DEI FLUSSI DI CORRENTE CHE PASSANO ATTRAVERSO SINGOLI CANALI IONICI

ATTRAVERSO OGNI SINGOLO CANALE DIPENDENTE DALL’ACETILCOLINA PASSA NA CORRENTE NITARIA DI INTENSITÀ COSTANTEI canali si aprono e si chiudono a gradino, dando origine a piccolissimi impulsi re?angolari di corrente ionica. Se il potenziale resta costante, i canali

lasciano passare sempre lo stesso impulso di corrente. Il gradino di corrente unitaria cambia in funzione del potenziale di membrana, perchè da esso

dipende la forza motrice (Vm ‐ Eepsp) → legge di Ohm: Iepsp = gepsp * (Vm ‐ Eepsp) (per singolo canale I → i e g → γ )

• la relazione corrente‐voltaggio è lineare, e perciò la conduanza è costante e indipendente dal potenziale (in media, 30 pS) → il canale

si comporta come un semplice resistore

• a potenziale costante, le corren dei singoli canali vanno incontro ad incremen a gradino, di po tuo‐o‐nulla; se più canali si aprono

simultaneamente, le corren si sommano linearmente; NB: la corrente è entrante se il potenziale mantenuto è so?o 0 mV, uscente se

superiore a 0 mV

Ciò che varia tra i canali è la durata dell’apertura e il tempo fra due aperture successive: è però calcolabile un tempo medio di apertura

I canali ACh non sono sensibili alle variazioni di voltaggio, ma solo al ligando: per aprirsi, ogni canale ha bisogno di 2 ACh

LA CORRENTE DI PLACCA È DETERMINATA DA QATTRO FATTORISmolando un nervo motore, si ha un notevole e rapido aumento di concentrazione di ACh, che aumenta la condu?anza totale della membrana di

placca. La concentrazione di ACh diminuisce poi molto rapidamente nella fessura sinapca (in 1 ms) per idrolisi e diffusione; i canali cominciano

quindi a chiudersi in maniera casuale (nel senso che, mentre si aprono tuU contemporaneamente in risposta allo stesso smolo, la durata della loro

apertura è diversa).

Per ogni canale che si chiude, viene meno un gradino di corrente unitaria; visto il loro grande numero, il decadimento della corrente totale assume

però gli aspeU di un fenomeno connuo (l’ andamento temporale della corrente di placca totale è la sommatoria degli impulsi di corrente che

passano per i singoli canali ACh). Si può quindi calcolare la conduanza sinapca totale: gEPSP = n * γ, dove n è il numero medio dei canali aper

dall’ACh e γ è la condu?anza di singolo canale. n = N * p0, cioè il numero medio di canali aper è dato dal numero totale di canali per la probabilità

che ogni canale sia aperto, e tale probabilità dipende dalla concentrazione del neurotrasmeUtore

Quindi, la corrente totale di placca è data da: IESPS = N * p0 * γ * (Vm ‐ E EPSP )

I qua?ro fa?ori che determinano la corrente di placca sono quindi:

• il numero totale dei canali nella placca (N)

• la probabilità che un canale sia aperto ( p0)

• la conduanza di ogni canale aperto (γ)• la forza eleromotrice che agisce sugli ioni (Vm ‐ Eepsp)

La corrente sinapca nea dipende dalla somma algebrica dei flussi oppos di Na+ e K+, dipenden dalla FEM di ognuno; al potenziale di riposo,

prevale la corrente entrante Na+. A questa corrente ne?a corrisponde una corrente di intensità uguale ma di direzione opposta che ritorna

all’esterno tramite i canali passivi e la capacità della membrana

LE PROPRIETÀ MOLECOLARI DEL CANALE DIPENDENTE DALL’ACETILCOLINA SONO OGGI BEN NOTE

I CANALI REGOLATI DAI NEROTRASMETTITORI HANNO CARATTERISTICHE DIVERSE DAI CANALI VOLTAGGIO‐DIPENDENTII canali regola da ligandi presentano due differenze fondamentali dai canali voltaggio‐dipenden:

• il canale ACh è il solo responsabile della genesi del potenziale d’azione: non devono essere aUva in tempi successivi due pi diversi di

canali voltaggio‐dipenden

• i canali aUva da ligando non presentano rigenerazione: l’entrata di Na+ non apre ulteriori canali tramite depolarizzazione (ciò che dà il

cara?ere tu?o‐o‐nulla ai canali voltaggio‐dipenden); il numero di canali aUva da ACh dipende esclusivamente dalla concentrazione

di ACh: la depolarizzazione prodo?a non ha la capacità di aprire ulteriori canali ACh. Quindi, non possono dare origine dire?amente ad

un potenziale d’azione: per fare ciò, il potenziale di placca deve essere in grado di aUvare i canali voltaggio‐dipenden circostan.

Il canale niconico ACh è bloccato dalla α‐bungarotossina

SIA IL RECETTORE NICOTINICO PER L’ACETILCOLINA CHE IL RELATIVO CANALE SONO COSTITITI DALLA STESSA MACROMOLECOLAIl rece?ore ACh della giunzione neuromuscolare è di po ionotropico, quindi è un canale aUvato dire?amente, ed è de?o niconico; è una

glicoproteina formata da 5 subunità: 2α, β, γ, δ. Il sito di legame per ACh è presente in ognuna delle due subunità α sul versante extracellulare, e

presenta alta affinità per ACh: il canale si apre solo se tuU e due i si presentano legame con ACh. Tu?e e 5 le subunità presentano 4 eliche

transmembrana M1‐M4. Le 5 subunità sono disposte in modo da circondare un poro, verso il quale ognuna si affaccia con la sua elica M2, e in

corrispondenza di queste eliche le subunità possiedono 3 anelli di cariche negave che selezionano i caoni

Il complesso receore‐canale appare suddiviso in 3 porzioni: un largo vesbolo di entrata all’esterno, un poro ristre?o a?raverso la membrana, una

larga uscita all’interno

Il segmento M2 presenta una piegatura centrale; quando il canale è aperto, la piega del segmento è addossata alle pare, andando a formare il filtro

di selevità (espone infaU dei residui di treonina, il cui atomo di ossigeno ele?ronegavo può compensare la perdita dell’acqua di idratazione);

quando il canale è chiuso, la piega è rivolta verso il centro del poro, occludendolo

APPENDICE. È POSSIBILE CALCOLARE LA CORRENTE DI PLACCA PARTENDO DA UN MODELLO DI CIRCUITO EQUIVALENTE

Il circuito equivalente della placca motrice deve possedere 3 branche in parallelo:

2



• una branca rappresenta il flusso della corrente sinapca che a?raversa i canali ava dal neurotrasmetore

• una branca rappresenta la via di ritorno della corrente a?raverso i canali passivi (della membrana non sinapca)

• una branca rappresenta il flusso della corrente capaciva ai capi della matrice lipidica della membrana, che funge da condensatore

Le branche nelle quali la corrente passa a?raverso i canali devono quindi essere composte da una resistore (la conduanza dei canali) e da una

baeria (la forza ele?romotrice) poste in serie

La conduanza dei canali ACh dipende dal numero di canali aper, quindi dalla concentrazione di ACh; il valore di questa condu?anza è di 5*10‐6 S,

cioè 5 volte la condu?anza dei canali passivi (gi). La baeria in serie con questa condu?anza ha il valore del potenziale di inversione della corrente

sinapca Eepsp = 0 mV (→ somma algebrica ponderata dei potenziali di equilibrio Na+ e K+). La corrente che passa per questa prima branca è data

da Iepsp = gepsp * (Vm ‐ Eepsp)

Determinando l’andamento dei flussi nel tempo, è possibile ricostruire l’andamento temporale del potenziale di placca (dipendente dai canli ACh

aUvi e dalle proprietà passive di membrana):

• all’inizio dell’aUvità sinapca eccitatoria (fase dinamica), i canali ACh sono aper, quindi si avrà corrente entrante nea a?raverso i

canali, per via della grande FEM di Na+ al valore del potenziale di riposo (‐90 mV)

• poichè le corren scorrono in una maglia chiusa di circuito, la corrente sinapca entrante lascerà la cellula come corrente

uscente, che può passare a?raverso una via di conduLanza (i canali passivi → Ii ) e una via capaci4va (Ic); quindi Iepsp = ‐ (Ii +

Ic)

• NB: Ic è presente anche nel caso di genesi del potenziale d’azione, ma in quel caso il cara?ere rigeneravo

depolarizzazione → apertura → entrata … fa superare di molto e rapidamente questa corrente uscente, determinando

così una rapida variazione del potenziale

• inizialmente, questa corrente uscente sarà tu?a capaciva Ic;

• col tempo, la capacità si carica, e aumenta la variazione di potenziale; quindi la corrente Ic diminuisce per lasciare spazio alla

corrente Ii, che garansce la stessa variazione di potenziale nella branca della resistenza. Da notare che questa corrente uscenteper i canali passivi è favorita dall’aumento della FEM uscente, mentre contemporaneamente diminuisce la FEM entrante

• la diminuzione della FEM entrante è anche dovuta alla chiusura dei canali ACh; ad un certo punto, si arriva ad una situazione per la

quale la corrente entrante è esa?amente controbilanciata dalla corrente uscente per i canali passivi ( Iepsp = ‐Ii ). In questo momento,

non si ha corrente capaciva (Ic = 0). La mancanza di corrente capaciva blocca la variazione di potenziale: Ic = Cm * ΔV/Δt , quindi se

non c’è corrente capaci4va il potenziale non varia. Questo punto equivale al picco del potenziale

• questo stato stazionario è però perso, dal momen che Iepsp diminuisce per via della connua chiusura di altri canali: inizia il processo

di ripolarizzazione, perchè Ii uscente è ora maggiore di Iepsp entrante

• Ad un certo momento della depolarizzazione, tuU i canali ACh saranno chiusi; è però misurabile una corrente entrante dovuta a Ic (la

carica entra a?raverso la capacità)

Al momento del picco (Iepsp + Ii = 0; Ic = 0), è possibile calcolare il potenziale di membrana, potendo misurare sia la corrente entrante Iepsp che la

corrente uscente e conoscendo le rispeUve condu?anze e il loro potenziale di inversione / equilibrio. InfaU, sapendo che la somma delle corren

deve dare 0, e sostuendo quest’equazione son la legge di Ohm, risolvendo infine per Vm, si ha , una versione

dell’equazione di Goldman, basata sulla media ponderata dei potenziali di inversione / equilibrio pondera (ovvero delle forze eleromotrici delleba?erie della corrente sinapca e di quella passiva) sulla rispeUva condu?anza rispe?o alla condu?anza totale (= 1). Questo Vm rapprenenta quindi

il potenziale al livello del picco.

• quando la condu?anza gi dei canali passivi è molto maggiore di quella dei canali ACh (quando sono chiusi ), Vm tende a Ei

• quando la condu?anza gepsp dei canali ACh è molto maggiore di quella dei canali passivi (quando sono aper4 ), Vm tende a Eepsp

• il valore del potenziale di membrana al picco è di ‐15 mV (calcolata tenendo conto che la condu?anza dei canali ACh aper è 5 volte

quella dei canali passivi)

3



12 ‐ I meccanismi di integrazione sinapca

La maggior parte dei neuroni del sistema nervoso centrale impiega receori ionotropici per la trasmissione rapida dei messaggi; nel sistema

nervoso centrale, la complessità dei sistemi di comunicazione cellulare porta a riconoscere alcune differenza rispe?o alla giunzione neuromuscolare:

• le fibre muscolari sono innervate da un solo motoneurone, mentre le cellule del SNC ricevono connessioni da cennaia di neuroni;

inoltre differiscono i rispeUvi EPSP evoca sulla cellula postsinapca da ogni fibra afferente: nella placca è di 70 mV, nei neuroni di 0,2 ‐

0,4 mV

• le fibre muscolari ricevono soltanto impulsi eccitatori, mentre i neuroni del SNC ricevono segnali sia eccitatori che inibitori• nella fibra muscolare, le connessioni sono mediate da un unico neurotrasmeUtore (ACh), con un solo rece?ore ad effe?o eccitatorio;

nel SNC, esiste una vasta gamma di neurotrasmetori, ciascuno dei quali può modificare l’aUvità di diversi pi di canali ionici,

reagendo sia con receori ionotropici che con receori metabotropici. Ne consegue che i neuroni devono integrare i segnali sinapci

entran per garanre un’unica risposta coordinata

• la sinapsi neuromuscolare è di efficacia risoluva, cioè ogni potenziale in arrivo sul motoneutone è seguito da un potenziale d’azione

sulla fibra muscolare; invece le afferenze in arrivo sul motoneurone, invece, non sono mai risoluve: per innescare un potenziale

d’azione, è necessario sommare le risposte di almeno 50 neuroni eccitatori presinapci, altrimen il potenziale sinapco non risulterà

abbastanza ampio

I NEURONI DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE RICEVONO SIA SEGNALI ECCITATORI CHE INIBITORI

I primi esperimen sulle sinapsi del SNC sono state effe?uate sulle connessioni tra i neuroni che mediano il riflesso da s4ramento. Il complesso

prevede un neurone sensivo proveniente dal muscolo, entrante nel midollo spinale dalle corna posteriori, un motoneurone che innerva lo stesso

muscolo e un motoneurone che innerva il muscolo antagonista, entrambi uscen dalle corna frontali del midollo. Le connessioni all’interno dellasostanza grigia midollare tra il neurone sensivo possono essere diree (eccitatorie) o mediate da un interneurone (inibitorie)

Smolando il neurone sensivo, si ha un EPSP ( potenziale postsinap4co eccitatorio) nel motoneurone che innerva lo stesso muscolo e un IPSP

( potenziale postsinap4co inibitorio) nel motoneurone che innerva il muscolo antagonista

• l’EPSP prodo?o dall’aUvità di una sola cellula sensiva è molto piccolo (0,2 ‐ 0,4 mV), e non è necessario per raggiungere la soglia (che

necessita di una depolarizzazione di 10 mV; infaU, nei neuroni del SNC, il valore del potenziale di riposo è di ‐65 mV, mentre il valore

della soglia è di ‐55 mV)

• per raggiungere una depolarizzazione sufficiente, è necessaria la convergenza di molte afferenze eccitatorie, i cui potenziali sinapci

eccitatori vengono integra dal neurone postsinapco per dare origine ad un potenziale d’azione

• l’inibizione sinapca si oppone all’eccitamento (va sommata algebricamente agli smoli eccitatori) ed esercita un controllo molto

efficace sulle cellule spontaneamente a6ve (ruolo di modellamento dell’inibizione), ad esempio le cellule pacemaker del cuore

LE SINAPSI ECCITATORIE E INIBITORIE HANNO MORFOLOGIA ULTRASTRUTTURALE DIVERSA

L’effe?o della liberazione di neurotrasmeUtore dalla cellula presinapca non dipende dal neurotrasmeUtore stesso, ma dal po di receori

presen sulla membrana postsinapca e dal po di canali ionici che si aprono• in generale nel SNC il glutammato reagisce con rece?ori che determinano eccitamento, mentre il GABA e la glicina con rece?ori che

determinano inibizione

Nel sistema nervoso sono presen due pi morfologici molto comuni di connessioni sinapche:

• le sinapsi di po I di Gray, di po glutammatergico, quindi eccitatorie

• queste sinapsi presentano fessura ampia (30 nm), zone aUve relavamente ampie e filamen densi eviden, con vescicole

rotondeggian; generalmente, sono sinapsi presen sulle spine dendriche

• le sinapsi di po II di Gray, di po GABAergico, quindi inibitorie

• queste sinapsi hanno invece una fessura più stre?a (20 nm), zone aUve più piccole, filamen densi meno eviden, non

presentano membrana basale e le vescicole appaiono appiaUte; generalmente, terminano vicino al soma

L’ATTIVITÀ SINAPTICA ECCITATORIA È MEDIATA DA CANALI ATTIVATI DAL GLUTAMMATO E SELETTIVI PER IL SODIO E IL POTASSIO

Gli EPSP dei motoneuroni spinali sono dovu all’apertura di canali ionici aUva dal legame del glutammato con il proprio rece?ore; ques canali

sono permeabili sia al Na+ che al K+. Il meccanismo è quindi analogo a quello dei canali ACh della giunzione neuromuscolare; possiamo quindi direche anche per ques canali il potenziale di inversione si aggira intorno a 0 mV. La differenza principale sta però nel fa?o che, per avere una

depolarizzazione suffientemente ampia per raggiungere la soglia, e dare così origine ad un potenziale d’azione a livello del cono d’emergenza (che è

l’elemento integravo), lo smolo iniziale deve essere forte abbastanza da reclutare parecchie fibre afferen.

I receori del glutammato si possono suddividere in due categorie:

• i canali ionotropici, ad azione eccitatoria, a loro volta divisi in due categorie:

• i rece?ori non‐NMDA, come i rece?ori AMPA e kainato (il nome viene dagli agonis)

• i rece?ori NMDA

• i canali metabotropici, aUva dall’acido ACPD, ad azione sia eccitatoria che inibitoria (aUvazione fosfolipasi C → IP3 e DAG)

I motoneuroni possiedono sia rece?ori NMDA che non‐NMDA, con differente azione:

• i rece?ori non‐NMDA si aprono subito in risposta al glutammato (quindi già a valori di potenziale vicini a quelli di riposo); costuiscono

la componente precoce e più ampia dell’EPSP, aprendo canali permeabili a Na+ e K+

• i rece?ori NMDA danno origine alla componente tardiva dell’EPSP, in quanto possiedono 3 parcolari proprietà:

• il canale corrispondente presenta conduanza elevata e permeabilità anche al Ca2+

• l’apertura del canale richiede la presenza di glicina come cofaore• esperimen sui NMDA sono sta faU in presenza di APV (acido amino‐fosfonvalerianico), bloccante seleUvo dei NMDA

• la sua apertura dipende sia dalla presenza di un neurotrasmetore che dal voltaggio

1



• la dipendenza dal voltaggio presenta un meccanismo diverso rispe?o a quello dei classici canali voltaggio‐dipenden:

difaU non avviene una modificazione conformazionale, bensì il voltaggio opera su par4celle bloccan4 come il Mg2+

extracellulare: al potenziale di riposo (→ interno negavo, ‐65 mV) gli Mg2+ si legano con forza al canale, bloccandolo.

Quando la membrana si depolarizza (per azione dei canali non‐NMDA), gli Mg2+ vengono allontana per repulsione

ele?rostaca, perme?endo così il passaggio di Na+ e K+ a?raverso il canale

• se si allontanano Mg2+ da liquido extracellulare, i rece?ori NMDA perdono la dipendenza dal voltaggio

• il massimo flusso a?raverso i canali NMDA si ha quando è presente glutammato e la cellula è depolarizzata

• la schizofrenia comporterebbe un’alterazione funzionale dei rece?ori NMDA

• possedendo entrambi i pi di rece?ori, si può dire che l’EPSP che compare quando il potenziale ha il suo normale valore di riposodipende dall’aUvazione dei rece?ori non‐NMDA (gli NMDA sono blocca da Mg2+); la depolarizzazione che ne consegue perme?erà

l’apertura dei canali NMDA. I canali NMDA possiedono anche la cara?erisca di aprirsi e chiudersi lentamente: così la fase tardiva

dell’EPSP è apprezzabile, specialmente in seguito ad una scarica di potenziali d’azione ad alta frequenza, in quanto si vanno sommando

le depolarizzazione dovute ai numerosi EPSP. Gran parte della corrente tardiva è trasportata da Ca2+, il che vuol dire che oltre alla

depolarizzazione tardiva, vengono aUva nella cellula postsinapca enzimi Ca‐dipenden e protein‐chinasi dipenden da 2ndi

messaggeri. Poichè comunque i rece?ori NMDA richiedono un notevole livello di aUvità presinapca per funzionare in pieno, le

modificazioni di lungo termine mediate dai rece?ori NMDA vengono anche de?e modificazioni sinpache avità‐dipenden

• un eccesso di glutammato può portare ad eccitotossicità, in quanto si potrebbe avere un eccessivo ingresso di Ca2+ a?raverso i

canali NMDA, che può causare l’aUvazione di proteasi e fosfolipasi Ca‐dipenden, con formazione di radicali liberi

IN GENERALE, L’ATTIVITÀ SINAPTICA INIBITORIA È MEDIATA DA CANALI SELETTIVI PER IL CLORO, ATTIVATI DAL GABA E DALLA GLICINA

Il GABA è il principale neurotrasmeUtore inibitorio del cervello e del midollo spinale; agisce su due pi di rece?ori:

• i receori GABAa, di po ionotropico, che regola l’accesso a un canale Cl‐• il receore GABAb, di po metabotropico (accoppiato a proteine G), la cui funzione finale è quella di aprire un canale K+

La glicina è meno diffusa come neurotrasmeUtore, e agisce a?raverso receori ionotropici che aUvano canali Cl‐; è ulizzata nel midollo spinale da

parte degli interneuroni inibitori (vedi il circuito del riflesso da sramento)

Bisogna considerare che il potenziale d’equilibrio di Cl‐ è di ‐70 mV, e che la sua concentrazione extracellulare è molto maggiore; mentre la forza

chimica lo spinge all’interno, quella ele?rica lo spinge all’esterno: quando le due forze sono opposte (come per K+), il potenziale di equilibrio ha

segno negavo. Dato che il potenziale di equilibrio ha quindi lo stesso segno del potenziale di membrana intorno ai valori di riposo, a seconda di

quale dei due potenziali è più grande (Vm o ECl), si può inverre il flusso di Cl. A riposo (‐65 mV), Vm è inferiore, come valore assoluto, di ECl (‐70

mV, quindi Vm è meno negavo; vedi cap. 7), quindi prevale la forza chimica che fa entrare Cl iperpolarizzando la cellula; se con blocco di voltaggio

si porta Vm a valori più bassi di ‐70 mV, Cl tende a uscire, depolarizzando la cellula e portandola verso ECl. Inoltre, dato che la corrente per

convenzione segue la direzione delle cairche posive, una corrente entrante di Cl è considerata come corrente uscente. Quindi, oer potenziali

superiori a ECl, il flusso entrante di Cl determina una corrente uscente che depolarizza la cellula.

In sintesi, un IPSP inibitorio dipende da un aumento di condu?anza verso i Cl‐.

È POSSIBILE REGISTRARE LE CORRENTI DI SINGOLO CANALE ATTIVATE DAL GABA E DALLA GLICINAAnalogamente ai canali aUva da ACh e glutammato, anche i canali Cl‐ aUva da GABA e glicina si aprono in maniera di tuo‐o‐nulla; la

condu?anza del canale aUvato da glicina (46 pS) è maggiore di quello aUvato da GABA (30 pS; il canale aUvato da glicina presenta un maggiore

diametro a livello del poro); queste misurazioni sono state o?enute con la tecnica del patch‐clamp

I MECCANISMI MEDIANTE I QALI L’APERTRA DEI CANALI DEI CLORO IONI INIBISCE LE CELLLE POSTSINAPTICHEAbbiamo de?o di come al potenziale di riposo della membrana (‐65 mV), leggermente più posivo di ECl (‐70 mV), sia possibile un flusso entrante di

Cl‐ secondo gradiente di concentrazione, nel caso in cui i suoi canali vengano aper da NT inibitorio. La risultante corrente uscente iperpolarizza la

cellula.

Vi sono, però, mol neuroni che presentano Vm = ECl = ‐70 mV; in queste cellule l‘aumento della condu?anza di Cl‐ non cambia il potenziale, in

quanto non si ha FEM per il movimento di Cl‐. Nonostante non avvenga iperpolarizzazione, queste cellule possiedono comunque un meccanismo

inibitorio mediato dal Cl‐

• le afferenze sinpache inibitorie influenzano l’ampiezza di un EPSP insorto simultaneamente. DifaU, l’efficienza con cui un EPSP è in

grado di portare la membrana verso la soglia dipende da:

• dalla conduanza dei canali sinapci eccitatori e dalla FEM delle baerie (forza chimica)

• dalla conduanza di tuU gli altri canali ionici (come i canali passivi e i canali sinapci inibitori) riuni in un’unica via di

condu?anza (ciò è possibile dato che ECl è uguale a Vm)

• secondo l’equazione di Goldman, Vm dipende dalla media ponderata delle ba?erie delle condu?anze sinpache eccitatorie e delle

condu?anze dei canali passivi secondo il fa?ore di ponderazione, rappresentato dalla frazione della condu?anza totale propria di

ciascuna via. Quindi il ruolo dei canali sinapci inibitori è quello di portare la membrana verso il valore di riposo, aumentando la

condu?anza dei canali passivi

• oppure, secondo la legge di Ohm, ΔVepsp = Iepsp / gi

• l’ampiezza della depolarizzazione prodo?a nel corso dell’EPSP dovrà diminuire se aumenta la condu?anza dei canali passivi

• l’aumento di condu?anza dovuto all’aumento di IPSP è de?o effeo di corto circuito o di shunt

Quindi, i meccanismi di inibizione dovu all’apertura dei canali GABAa sono: l’ iperpolazrizzazione per entrata di Cl‐ e l’aumento della conduanza

di membrana (con generazione di una corrente uscente che cortocircuita le corren entran depolarizzan)

È anche possibile che l’apertura sia dovuta, come nel caso dei receori GABAb, all’apertura di canali K+; EK nelle cellule nervose è pari a ‐80 mV, più

negavo quindi di Vm a riposo. L’apertura dei canali K+ allora perme?e la fuoriuscita di K+ secondo gradiente di concentrazione, iperpolarizzando einibendo la cellula

L’apertura dei canali Cl‐ aUva dal GABA può addiri?ura produrre un eccitamento dopo un periodo di intensa avità: potrebbe infaU avvenire un

ingresso talmente elevato di Cl‐ nella cellula, che, raddoppiando la sua concentrazione intracellulare, il suo potenziale di equilibrio si modifica di

2



conseguenza diventando più posivo del potenziale di riposo. In queste condizioni, l’apertura dei canali Cl‐ perme?e allora la fuoriuscita di Cl‐

(prevalendo la forza ele?rica su quella chimica), depolarizzando la cellula (appare infaU una corrente entrante). Ques effeU parcolari possono

avvenire durante a?acchi epileUci o possono avere un ruolo nella genesi di aUvità cerebrali oscillatorie a frequenze ripeve.

I RECETTORI SINAPTICI PER IL GLUTAMMATO, IL GABA E LA GLICINA SONO PROTEINE INTEGRALI DELLA MEMBRANA

I rece?ori GABA e glicina appartengono alla stessa famiglia dei rece?ori niconici dell’ACh, mentre i rece?ori glutammato fanno parte di una

diversa famiglia di rece?ori.

I RECETTORI DEL GABA E DELLA GLICINACome il complesso rece?ore‐canale dell’ACh, i rece?ori di po GABAa possiedono 5 subunità (2 α, 2 β e 1 γ); il rece?ore canale della glicina è

composto da 3 α e 2 β. InfaU per aUvare il rece?ore GABAa sono necessarie 2 molecole di GABA, mentre per aUvare il rece?ore della glicina sono

necessarie 3 molecole di glicina. Ogni subunità è costuita da un’estremità N‐terminale extracellulare (sito di legame del neurotrasme6tore)

seguito da 4 domini transmembrana (M1‐M4); il dominio M2 forma le pare del poro. A differenza del canale ACh (che conene aminoacidi carichi

negavamente nelle vicinanze del filtro di seleUvità), ques rece?ori contengono aminoacidi neutri o carica posivamente, selezionando così gli

anioni.

I canali aUva dal GABA si legano a parcolari classi di sostanze: le benzodiazepine, i barbiturici e l’alcool

I RECETTORI DEL GLTAMMATOI rece?ori del glutammato appartengono ad una famiglia di geni diversi. All’interno di questa famiglia, si riconoscono i geni che codificano per i

rece?ori AMPA e kainato, stre?amente correla tra loro, e i geni che codificano per i rece?ori NMDA

TuU, comunque, sono proteine transmembrana composte da 4 subunità, ognuna delle quali costuita da 3 eliche transmembrana (M1, M3 e M4).

Il poro del canale sarebbe formato dal tra?o di catena che conne?e la prima e la seconda elica (M1‐M3, simile alla regione P dei canali v‐d K+; in

praca è presente un’ansa parzialmente transmembrana al posto dell’elica M2)

Il sito di legame per il glutammato è costuito da due domini disn: uno si trova all’estremità N‐terminale extracellulare di una subunità, e l’altro

dal tra?o di catena che conne?e i segmen M3 e M4

Le proprietà del poro dei rece?ori AMPA e NMDA sono diverse, e sono dovute alla presenza di un solo aminoacido differente nella regione M2 che

forma il poro:

• i rece?ori NMDA, nell’ansa corrispondente a M2, contengono un residuo neutro di asparagina in tu?e le subunità

• i rece?ori AMPA, nel tra?o corrispondente di M2, contengono un residuo privo di carica di glutammina in 3 delle 4 subunità, e

un’arginina nella subunità GluR2

• è sufficiente la presenza di un’arginina per impedire il passaggio di Ca2+, che possono quindi passare solo a?raverso i rece?ori‐

canali NMDA (si ha repulsione ele?rostaca tra l’arginina e il Ca2+); se viene fa?o saltare il processo di eding (revisione)

durante il quale la glutammina viene sostuita da arginina, il canale è permeabile al Ca2+

Il meccanismo per il quale la cellula riesce a raggruppare ques rece?ori‐canali in si parcolari della membrana è dovuto all’aUvità di proteine con

domini PDZ, che fungono da supporto sul quale viene assemblato un complesso di proteine postsinapche

NB: i canali ava da ligandi possono essere suddivisi in 3 famiglie: quelli aUva dall’ATP, il gruppo ACh, GABA, glicina ed infine la famigliaglutammato

ALTRI RECETTORI‐CANALI PRESENTI NEL SISTEMA NERVOSO CENTRALENel SNC possono trovarsi i rece?ori ionotropici della serotonina (5HT), ad effe?o eccitatorio rapido. Inoltre, sono presen rece?ori ionotropici

aUva dall’ATP ( purinergici ) nella muscolatura liscia innervata dall’ortosimpaco e in altri traU del SNC e SNA (questo canale è permeabile a Na+, K+

e Ca2+; il suo potenziale di inversione è intorno a 0 mV).

SIA I SEGNALI ECCITATORI CHE QUELLI INIBITORI VENGONO INTEGRATI DAI NEURONI IN UN’UNICA RISPOSTA

n motoneurone può ricevere fino a 10.000 diverse terminazioni presinapche, alcune eccitatorie ed altre inibitorie, con differenze riguardo la forza

del segnale e il punto di sinapsi sul motoneurone stesso. Gli impulsi trasmessi dalle diverse afferenze possono rinforzarsi mutuamente od elidersi

Gli EPSP prodoU da ciascuna afferenza, di ampiezza 0,2 ‐ 0,4 mV, sono troppo piccoli per far raggiungere alla cellula postsinapca la soglia

necessaria per dare origine ad un potenziale d’azione; bisogna anche considerare la presenza di IPSP che allontanano ancor di più dalla soglia.

L’impao relavo di ciascuna afferenza dipende da diversi fa?ori:

• dalla localizzazione

• dalla grandezza e dalla forma della sinapsi

• dalla vicinanza e dall’efficacia di altre sinapsi vicine contemporaneamente aUve

Ques segnali afferen di natura opposta vengono integra nel neurone postsinapco mediante un processo di integrazione neuronale: in risposta

a tu?e queste afferenze, la cellula deve scegliere se inviare o no un segnale

Il sito di integrazione, il punto in cui si decide se dare origine ad un potenziale d’azione, è rappresentato dal cono di emergenza dell’assone. Questa

regione presenta una soglia molto inferiore rispe?o alle altre par della cellula, perchè possiede una maggior densità di canali Na+ v‐d. La soglia a

livello del cono è a ‐55 mV, quindi rispe?o allo stato di riposo, basta una depolarizzazione di 10 mV per far parre il segnale, mentre nel soma la

soglia è più alta, a circa ‐35 mV. Il valore del potenziale a livello del cono d’emergenza rappresenta l’elemento decisionale da cui dipende l’aUvità

integrava del neurone.

Poichè l’integrazione neuronale dipende dalla sommazione dei potenziali sinap4ci che diffondono passivamente verso la zona di innesco, essa è

influenzata da due proprietà passive della membrana:

• l’integrazione è influenzata dalla costante di tempo τ, che determina l’andamento temporale del potenziale sinapco, e quindi

influenza la sommazione temporale, ovvero il processo per il quale una serie di potenziali sinapci che si succedono nel tempo, nellostesso sito, vengono somma nella cellula postsinapca. Maggiore è la costante di tempo, maggiore è la probabilità che avvenga la

sommazione temporale, ovvero che due segnali afferen4 consecu4vi, provenien4 da un neurone presinap4co ad azione eccitatoria si

sommino

3



• τ dipende dalla resistenza e dalla capacità di ingresso della membrana: τ = Rin * Cin; rappresenta il tempo impiegato da Vm per

aumentare fino al 63% (1‐ 1/e) del suo valore finale; in presenza di una lunga costante di tempo, un EPSP impiega più tempo ad

esnguersi, avendo così una maggiore probabilità di sommarsi ad altri successivi

• sommazione temporale: 1 unico input, arrivo sulla cellula postsinapca in rapida successione

• l’integrazione è anche influenzata dalla costante di spazio λ, che determina il decremento delle corren depolarizzan nel corso della

loro propagazione passiva. Nelle cellule con elevata costante di spazio, i segnali ele?rici riescono a raggiungere la zona di innesco senza

subire un elevato decremento; se la costante di spazio è breve, il segnale può anche decadere prima di raggiungere la zona di innesco.

La costante di spazio influenza il processo di sommazione spaziale, per il quale afferenze provenien4 da diversi neuroni presinap4ci che

agiscono sul neurone postsinap4co in si4 diversi si sommano, sempre che la costante sia abbastanza elevata da perme?ere lapropagazione dei segnali fino al punto di incontro senza eccessivo decremento; quindi, maggiore è la costante di spazio, maggiore è la

probabilità che diverse afferenze, provenien da zone diverse della cellula (da diverse sinapsi), sommandosi, possano portare a soglia il

cono d’emergenza

• λ dipende dalla resistenza di membrana e dalla resistenza assiale (citoplasmaca) dei prolungamen: λ = √(rm / ra); è quindi

proporzionale alla radice quadrata del raggio: λ = √[(Rm / ρ) * (a / 2); rappresenta la distanza, a parre dal punto di origine del

potenziale, alla quale Vm è decaduto al 37% (1/e) del valore iniziale

• sommazione spaziale: 2 input separa, arrivo contemporaneo su cellula postsinapca

Comunque il processo di propagazione non è totalmente passivo, in quanto anche i dendri possiedono canali Na+, K+ e Ca2+ v‐d deputa ad

amplificare i deboli EPSP, ma comunque la densità di ques canali non è sufficiente a determinare una propagazione rigenerava del potenziali

d’azione, quindi in sostanza la propagazione rimane elerotonica

NEI NEURONI DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE LE SINAPSI HANNO DISPOSIZIONE DIVERSA A SECONDA DELLA LORO FUNZIONE

I pi più frequen di sinapsi sono quelli asso‐assonici, asso‐somaci e asso‐dendrici (che possono essere localizzate sulle spine o sul tronco deldendrite)

La vicinanza di una sinapsi alla zona di innesco dell’elemento postsinapco è chiaramente di grande importanza per determinarne il grado di

efficacia

LE SINAPSI LOCALIZZATE SL SOMA CELLLARE, IN GENERALE, SONO INIBITORIEL’azione cortocircuitante delle sinapsi inibitorie (ovvero di generare una corrente uscente ‐ entrata di Cl‐ ‐ che cortocircuita la corrente entrante

proveniente dalle sinapsi eccitatorie) è molto più efficace se si esplica a livello del soma. DifaU, una depolarizzazione nata in un dendrite deve

passare per forza a?raverso il soma, per portarsi verso il segmento iniziale dell’assone. L’aUvità inibitoria a livello del soma può quindi

cortocircuitare la depolarizzazione passante; se l’inibizione avvenisse nelle porzioni distali del dendrite, non circuiterebbe nessuna depolarizzazione,

perchè queste prenderebbero origine più a valle e sarebbero dire?e senza ostacoli verso il cono d’emergenza. InfaU, le principali sinapsi inibitorie

sono localizzate sul corpo cellulare dei neuroni.

LE SINAPSI LOCALIZZATE SLLE SPINE DENDRITICHE SONO PER LO PIÚ ECCITATORIE

Sui dendri, le sinapsi possono essere localizzate sulle spine o sul tronco; le spine sono si di ingresso altamente specializza, e contengonorece?ori glutammatergici sia non‐NMDA che NMDA immersi in una matrice (“densità postsinapche”); in questa zona di membrana delle spine,

sono presen protein‐chinasi Ca / calmodulino ‐dipendente II, aUva quando entra Ca2+ a?raverso i canali NMDA. Alla base della spina è presente un

restringimento, che consente di limitare l’aumento della concentrazione intracellualre di Ca2+ alla spina (come se fosse un comparmento separato)

LE SINAPSI LOCALIZZATE SLLE TERMINAZIONI ASSONALI SVOLGONO PER LO PIÚ AZIONI MODLATORIELe sinapsi asso‐assoniche non influenzano la zona di innesco, ma influenzano indire?amente l’aUvità del neurone postsinap4co andando a regolare

la quantà di neurotrasmetore che viene liberata dalle terminazioni nervose sulle quali fa sinapsi

In breve, il processo di integrazione è influenzato dalla sommazione spaziale e temporale e dalla localizzazione delle sinapsi

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14 ‐ La liberazione dei neurotrasmetori

LA LIBERAZIONE DEI NEUROTRASMETTITORI È REGOLATA DALLA DEPOLARIZZAZIONE DELLE TERMINAZIONI PRESINAPTICHE

Esperimen condoU sulla sinapsi gigante del calamaro hanno permesso di vedere come, in questa sinapsi, la cellula presinapca dà origine ad un

potenziale d’azione di 110 mV, che determina la liberazione di un neurotrasmeUtore e genera la comparsa di un potenziale sinapco di grande

ampiezza nella cellula postsinapca. I potenziali d’azione sono dovu all’ingresso di Na+ e alla fuoriuscita di K+ a?raverso i rispeUvi canali v‐d.

Diminuendo i potenziali presinapci, diminuiscono anche quelli postsinapci; se la diminuzione fa scendere so?o soglia il potenziale presinapco,

quello postsinapco scompare del tu?o. Ne consegue che la liberazione del neurotrasmetore (valutato dall’ampiezza del potenzialepostsinapco) appare stre?amente dipendente dall’entà della depolarizzazione presinapca.

Altri esperimen (con blocco dei canali Na+ mediante TTX) dimostrarono che la liberazione di NT non è dipendente dall’ingresso di Na+ nella cellula

presinapca, bensì è dipendente da qualsiasi depolarizzazione indo?a (basta che superi il valore soglia, ovvero superi di 40 mV il valore del

potenziale di riposo). La quantà di NT liberato dipende dall’ampiezza del potenziale presinapco: nell’ambito delle depolarizzazioni entro le quali

viene libera il NT (40 ‐ 70 mV sopra il livello di riposo), una depolarizzazione di 10 mV determina un aumento di 10 volte della quantà di NT

liberato (relazione ingresso‐uscita tra il potenziale presinapco e quello postsinapco di po logaritmico). L’ingresso di Na+ è importante solo in

quanto induce depolarizzazione.

Mantenendo blocca con TTX i canali Na+, si è cercato di vedere se la fuoriuscita di K+ avesse un ruolo importante nella liberazione di NT: bloccando

i canali K+ con TEA e inducendo una depolarizzazione, il neurotrasmeUtore viene comunque liberato normalmente (si può dedurre dal fa?o che i

potenziali postsinapci rimangono di ampiezza normale); soltanto, la liberazione è protra?a nel tempo, per via della mancata ripolarizzazione. Da

notare che oltre un certo livello di depolarizzazione presinapca, non si libera ulteriore NT: si raggiunge un plateau.

Quindi, per la liberazione di NT non sono necessari nè flussi di Na+ nè di K+: modificazioni di ques flussi hanno effeU solo sull’ampiezza e sulla

durata dei potenziali pre e postsinapci.

LA LIBERAZIONE DEI NEUROTRASMETTITORI È INNESCATA DALL’INGRESSO DI CALCIO

Sono sta riscontra canali Ca2+ v‐d lungo le membrane assonali; in realtà, la loro maggiore concentrazione si ritrova a livello delle terminazioni

presinapche. Il Ca2+ ha un notevole gradiente di concentrazione entrante (4 ordini di grandezza differen tra l’esterno e l’interno). All’interno delle

terminazioni, il Ca2+ può svolgere due funzioni: induce una depolarizzazione e si comporta da messaggero intracellulare, informando le stru?ure

adibite alla liberazione del NT.

Tu?o ciò è stato dimostrato tramite esperimen di blocco di voltaggio in presenza di TTX e TEA (quindi con blocco dei canali v‐d Na+ e K+):

depolarizzazioni graduali determinano la graduale comparsa di una corrente entrante di Ca2+ e la seguente graduale liberazione di NT con rela4vo

potenziale postsinap4co. I canali Ca2+ v‐d restano aper per tu?a la durata della depolarizzazione, non andando incontro ad inaUvazione. La

dipendenza della liberazione di NT non è lineare all’entà di Ca2+ entrante: quando l’ingresso di Ca2+ raddoppia, la liberazione aumenta di 16 volte;

è necessario quindi che 4 Ca2+ si leghino al sensore del calcio.

L’ingresso di Ca2+, che comunque è sempre piccolo,a livello delle zone ave è 10 volte maggiore che nelle altre regioni della terminazione. Questa

localizzazione dei canali fa sì che nel corso del potenziale d’azione la concentrazione di Ca2+ aumen localmente (anche di mille volte).

Probabilmente il sensore del calcio, responsabile della liberazione rapida dei NT, ha bassa affinità per Ca2+. Quindi sono necessarie concentrazionidi Ca2+ molto maggiori di quanto non siano necessarie generalmente nel citoplasma,ed è per questo che si cerca di rendere efficiente il processo,

andando ad aumentare la concentrazione solo localmente dove serve: così il NT può essere liberato solo in determinate zone localizzate. Inoltre, non

appena si chiudono i canali Ca2+, le elevate concentrazioni localizzate si perdono subito per diffusione, bloccando così la liberazione di NT non

appena inizia la ripolarizzazione.

I canali Ca2+ si aprono più lentamente dei canali Na+, pertanto l’ingresso di Ca2+ compare all’inizio della ripolarizzazione e termina alla fine della

ripolarizzazione stessa. Il tempo necessario per l’apertura dei canali Ca2+ è causa del ritardo sinapco cara?erisco della trasmissione sinapca di

po chimico. La liberazione di NT in risposta al Ca2+ entrante è invece quasi istantanea, perchè il Ca2+ entra nelle vicinanze dei si di rilascio, e la

diffusione per traU così brevi è rapidissima.

La durata del potenziale d’azione è importante nel determinare la quantà di Ca2+ che entra nella terminazione (e quindi la quantà di NT

liberato): maggiore è la durata, maggiore è il Ca2+ entrante, maggiore la quantà di NT liberato.

I canali Ca2+ sono presen nelle cellule nervose, muscolari scheletriche e cardiache ed endocrine; i pi di canali sono quelli L, P/Q, N, R, T.

• la subunità α1 forma il poro del canale; le sue varie pologie sono omologhe alla subunità α1 del canale Na+ v‐d, essendo formate da 4

sequenze ripetute di un dominio idenco formato da 6 eliche transmembrana (che comprendono il sensore S4 del voltaggio) e da untrao P che forma le pare del poro

• le diverse pologie di subunità α1 si disnguono per la differente dipendenza dal voltaggio delle loro proprietà di accesso, per

diversa sensibilità verso agen farmacologici bloccan e per le diverse funzioni fisiologiche svolte

• altre subunità (α2, β, γ e δ) modificano le proprietà del canale

L’avazione dei canali di po L, P/Q, N e R richiede una depolarizzazione assai pronunciata (bisogna arrivare a ‐20 o ‐40 mV per aprirli) e sono deU

canali Ca2+ ava da alto voltaggio

I canali di po T sono invece deU canali ava da basso voltaggio, che si aprono in risposta a depolarizzazioni relavamente modeste, vicino ai

valori di soglia (‐60 / ‐40 mV). Svolgono quindi un’importante funzione di controllo dell’eccitabilità cellulare per potenziali vicini a quello di riposo ,

sopra?u?o nelle cellule segna‐passi nervose e del cuore.

Nelle cellule nervose, comunque, la liberazione rapida di NT è mediata parcolarmente dai canali di po P/Q, N e R; i canali di po L rivestono un

ruolo importante nella più lenta liberazione dei neuropep4di dalle cellule nervose e degli ormoni dalle cellule endocrine. DifaU i primi 3 pi di canali

sono concentra a livello delle zone aUve, mentre quelli L sono assen dalle zone aUve, occupandosi esclusivamente della trasmissione sinap4ca

lenta.

I NEUROTRASMETTITORI VENGONO LIBERATI IN PACCHETTI UNITARI DETTI QUANTI

Ogni quanto determina la comparsa di un potenziale postsinapco di ampiezza costante, de?o potenziale sinapco quantale; queste rispote,

sommandosi, formano il potenziale sinapco totale.

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La scoperta dei quan di NT è seguita all’osservazione di piccoli potenziali postsinapci spontanei di circa 0,5 mV nella giunzione neuromuscolare,

che decadono ele?rotonicamente con la distanza, chiama potenziali di placca in miniatura MEPP. In assenza di smolazione, i MEPP si presentano

ad intervalli casuali e la loro frequenza può essere aumentata depolarizzando la terminazione presinapca: quindi, ques even ele?rici

rappresentano piccole quantà di NT liberate in maniera connua dalle terminazioni presinapche.

L’ampiezza costante di ques MEPP, 0,5 mV, è un valore troppo grande per poter rappresentare l’apertura di un solo canale‐rece?ore per ACh (il cui

valore è di 0,3 μV), bensì rappresenta la sommazione della corrente elementare di circa 2000 canali. Sapendo che ogni canale ACh, per essere

aperto, deve legarsi a 2 molecole di ACh (possedendo 2 subunità α), e che parte dell’ACh liberato è perso per idrolisi e diffusione prima di

raggiungere il rece?ore, si può pensare che per produrre un MEPP di 0,5 mV siano necessarie 5000 molecole di ACh.

Sono sta esegui ulteriori esperimen sempre sulla giunzione neuromuscolare: ad esempio, sono sta evoca dei potenziali dopo aver incubato lagiunzione in soluzioni a basse concentrazioni di Ca2+. I risulta dimostrano che, diminuendo la concentrazione di Ca2+, il potenziale di placca si

riduce drascamente (non raggiungendo più i suoi 70 mV); la minima risposta o?enuta è comunque di 0,5 mV, e tuU i potenziali o?enu sono

mulpli interi del potenziale sinapco unitario (con ampiezza e forma sovrapponibili)

• le variazioni della concentrazione di Ca2+ non hanno effe?o sulle dimensioni del quanto di NT, ma influenzano piu?osto il numero

medio di quan che vengono libera in risposta all’arrivo di un potenziale d’azione presinapco

• queste osservazioni hanno permesso di capire come la liberazione di NT avvenga araverso quan di dimensioni costan

• in condizioni normali, l’arrivo di un potenziale d’azione e il conseguente aumento di Ca2+ intracellulare, portano alla liberazione di 150

quan, ciascuno da 0,5 mV, in 1‐2 ms. La frequenza di liberazione è in questo caso aumentata di 100.000 volte

CALCOLO DELLA PROBABILITÀ DI LIBERAZIONE DI UN QUANTO DI NEUROTRASMETTITORE

La liberazione di un quanto di NT è un evento casuale,la cui probabilità di apertura segue una distribuzione poissoniana

La liberazione è un evento di po binomiale o di Bernoulli, perchè l’evento ha solo due alternave possibili: può avvenire o no la liberazione; inoltre,

la probabilità che venga liberato un quanto è indipendente dalla probabilità di liberazione di altri quan p rappresenta la probabilità di successo, mentre q (= 1 ‐ p) rappresenta la probabilità di insuccesso; n è il numero totale di quan liberabili; il

prodo?o p * n fornisce m, ovvero il numero medio di quan libera per ogni impulso, ed è de?o contenuto o emissione quantale.

Per conoscere la distribuzione delle risposte, bisogna espandere, conoscendo i valori di p e q, il seguente binomio: (q + p)n; espandendo il binomio,

sia p che q assumeranno, come esponente, tuU i valori da 0 a n. L’esponente assegnato a p indica il numero di quan con liberazione

contemporanea: infaU, ogni prodo?o all’interno dell’espansione del binomio calcola la probabilità di liberazione contemporanea di un numero di

quan che va da 0 a n.

Secondo calcoli svol, m può variare da 300 (sinapsi neuromuscolare) a 1‐4 (gangli simpaci); anche p è molto variabile, da 0,7 a 0,1; in generale, si

può dire che n indichi la riserva di quan liberabili o il numero di zone aUve, e che p rappresen la probabilità che una vescicola si por ad un sito

aUvo (mobilizzazione) e che un potenziale d’azione scarichi il quanto trasportato alla zona aUva (probabilmente dipende dall’ingresso di Ca2+)

I NEUROTRASMETTITORI SONO CUSTODITI E LIBERATI DA VESCICOLE SINAPTICHE

I quan corrispondono a vescicole, in cui sono depositate diverse migliaia di molecole di NT, che viene liberato in seguito a fusione della vescicola

con la membrana plasmaca a livello di si specializza, le zone ave. Queste zone, corrisponden alle pieghe giunzionali della cellula muscolare,

consistono di si di accumulo delle vescicole su materiale ele?rondenso. Le vescicole che liberano NT sono chiare e piccole (mentre quelle cheliberano neuropepdi sono grandi a centro scuro, e non si trovano a livello delle zone aUve, partecipando alle aUvità sinapche lente a cara?ere

modulatorio)

La trasmissione quantale è stata dimostrata in tu?e le sinpasi chimiche del SNC (tranne che in alcune sinpasi della rena); la differenza, però,

rispe?o alla giunzione neuromuscolare sta nel fa?o che, a livello del SNC, ogni potenziale d’azione libera solo 1‐10 quan (infaU è presente una sola

zona aUva per sinapsi invece di 300)

La liberazione di NT da ogni zona aUva ha il cara?ere di un evento tuo‐o‐nulla, e la probabilità di liberazione dipende dalla quantà di Ca2+

entrante nella terminazione

Esistono tu?avia delle sostanze impiegate nelle sinapsi chimiche che non hanno bisogno di essere accumulate in vescicole: tra queste sostanze

permeabili alla membrana ci sono le prostaglandine, i metaboli dell’acido arachidonico e alcune sostanze gassose come CO o NO. Queste sostanze

possono funzionare sia come messaggeri chimici che come segnali retrogradi che diffondono dal neurone postsinapco a quello presinapco,

regolando così la liberazione di NT

n altro meccanismo di trasporto è il trasporto all’esterno tramite proteine trasportatrici (aUvato in caso di grandi concentrazioni intracellulari)

Il 90% dell’ACh lascia la cellula in modo lento e connuo, ma non ha effe?o sulla trasmissione in quantoè diffuso e non mirato

I NEROTRASMETTITORI VENGONO LIBERATI DALLE VESCICOLE SINAPTICHE PER ESOCITOSIna volta appurata la trasmissione quantale, si sono cercate prove riguardo l’ulizzo di vescicole da parte della cellula per la liberazione del NT.

Le sinapsi sono state studiate mediante tecniche di crio‐fraura : congelando il tessuto e ricoprendolo con plano, le membrane tendono a

fra?urarsi lungo il piano che offre minor resistenza, che è quello che passa tra i due foglieU lipidici. Vengono così esposte la faccia P citoplasmaca

della membrana (che conene le proteine transmembrana, in quanto sono ancorate al citoscheletro) e la faccia E esterna complementare

Mediante l'ulizzo di questa tecnica, sono state fa?e 3 importan osservazioni:

• lungo entrambi i margini delle densità presinapche sono presen una o due file di parcelle intramembranose, riconosciute come

canali Ca2+ v‐d: la loro densità e la loro vicinanza al sito di liberazione delle vescicole sono in accordo con i valori intracellulari di Ca2+

necessari e con il minimo tempo di latenza tra l’apertura dei canali e la liberazione di NT

• nel corso dell’aUvità sinapca, compaiono in queste zone invaginazioni della membrana, ad indicare un processo di esocitosi

• queste invaginazioni compaiono solo durante la liberazione di NT (sono quindi transitorie)

Altri studi dimostrarono che l’aumento delle invaginazioni (che corrispondono a vescicole appena fuse con la membrana) è dire?amente

proporzionale all’ampiezza della risposta postsinapcaInfine, sono state misurate anche le variazioni della capacità della membrana, in quanto la fusione delle vescicole con la membrana fa aumentare la

superficie della membrana stessa, e la capacità è proporzionale alla superficie (C ∝ A / D); queste variazioni sono comunque molto piccole

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I MECCANISMI DI ESOCITOSI COMPORTANO LA FORMAZIONE DI N PORO DI FSIONEL’esocitosi avviene tramite formazione di un poro di fusione, che deve a?raversare tu?a la membrana sia delle vescicole che quella plasmaca;

durante l’esocitosi, il poro si allarga rapidamente, mentre la sua conduanza aumenta in maniera notevolissima

La liberazione del NT è un processo rapidissimo (dura una frazione di ms); quindi le proteine che determinano la fusione delle vescicole devono

essere già presen intorno al poro di fusione. Il poro di fusione è costuito da due emicanali, uno nella membrana plasmaca e uno nella

membrana della vescicola, che entrano in conta?o durante il processo di ancoraggio della vescicola; la liberazione rapida di NT inizia prima ancora

che la dilatazione del poro e la fusione della vescicola siano complete. Queste informazioni sono state rilevate a?raverso una parcolare tecnica di

patch‐clamp, de?a voltmetria, che trasforma il passaggio di NT a?raverso il poro in un passaggio di corrente, misurabile tramite ele?rodo: la

trasformazione del NT in corrente è dovuta all’applicazione di un voltaggio elevato, che ossida i gruppi aminici dei NT che li contengono (es.:serotonina); gli ele?roni libera danno origine ad una corrente proporzionale alla quantà di NT liberato

LE VESCICOLE SINAPTICHE VENGONO RICICLATELa quantà totale di membrana presente nelle vescicole, nelle cisterne e nella membrana plasmaca resta costante: la membrana delle vescicole

che si è aggiunta a quella plasmaca viene rapidamente ricuperata e riciclata dando origine a nuove vescicole sinapche. Il ricupero può avvenire

a?raverso 3 diverse vie:

• nella via classica la membrana eccedente viene ricuperata so?o forma di piccole cavità riveste da clatrina; questo processo è il più

importante, e necessita di una proteina de?a dinamina

• nella via de?a mordi e fuggi le vescicole non si fondono interamente con la membrana, ma il NT è liberato a?raverso un poro di fusione;

questo processo avviene quando il ritmo di liberazione è lento; è la forma più rapida di riciclaggio

• nella via dell’endocitosi di massa si formano delle vescicole non riveste da clatrina; questa via è ulizzata quando i ritmi di liberazione

sono elevassimi

Le vescicole ricuperate per endocitosi si fondono poi con endosomi, che costuiscono comparmen interni di membrane. La velocità con cui le

membrane vengono ricuperate sembra dipendere dall’entà della smolazione dell’esocitosi

LA LIBERAZIONE DEI NEUROTRASMETTITORI DALLE VESCICOLE SINAPTICHE RICHIEDE L’INTERVENTO DI NUMEROSE PROTEINE

Il processo che porta alla liberazione del neurotrasmeUtori è formato da diverse tappe, ognuna cara?erizzata da diversi gruppi di proteine che

svolgono funzioni diverse:

• inizialmente, la vescicola è vincolata in modo che non si muovi casualmente

• le vescicole sono poi indirizzate verso le zone aUve

• giunte nelle zone aUve, vengono ancorate in ques si e vengono modificate per facilitare la loro fusione

• infine, in risposta ad un aumen di Ca2+, le vescicole si fondono con la membrana plasmaca e liberano il loro contenuto per esocitosi

• una volta liberato il NT, si procede al ricupero secondo una delle 3 vie descri?e, fino a depositare le membrane negli endosomi

1.FISSAZIONE E MOBILIZZAZIONE:

Le vescicole che non si trovano nelle zone aUve sono fissate al citoscheletro perchè non si muovino casualmente; costuiscono un magazzino di

riserva. Il vincolo al citoscheletro è garanto da proteine presen sulla faccia esterna della membrana della vescicola, le sinapsine. Quando la

sinapsina I non è fosforilata, blocca le vescicole sui filamen di acna. Quando invece entra Ca2+ nella cellula (in seguito alla depolarizzazione),questo aUva la protein‐chinasi Ca / calmodulino ‐ dipendente, che fosforila la sinapsina I, determinando il distacco delle vescicole dal

citoscheletro.

2. INDIRIZZAMENTO / DISLOCAZIONE:

L’indirizzamento è garanto dalle proteine Rab3A e Rab3C, che sono proteine G che si legano sulla superficie esterna della membrana della

vescicola; per svolgere la loro funzione, idrolizzano GTP a GDP e P, e sono infine liberate all’esterno durante l’esocitosi

3. ANCORAGGIO ‐ MODIFICAZIONE ‐ FSIONE ‐ RILASCIO:

I processi di ancoraggio e modificazione rendono le vescicole pronte per andare incontro alla fusione con la membrana in risposta all’entrata di Ca2+:

infaU questo è un meccanismo di secrezione regolata, differente dalla connua secrezione cos4tu4va, che avviene indipendentemente dalla

presenza di Ca2+ (ribosomi → RER → Golgi → vescicole: esocitosi)

In questo periodo di preparazione della vescicola, in a?esa dello smolo, bisogna innanzitu?o che avvenga il legame tra la vescicola e il sito di

membrana deputato all’esocitosi: avvengono infaU dei legami tra proteine della membrana della vescicola (le v‐SNARES; quelle del SNC sono le

VAMP o sinaptobrevine) e proteine della membrana plasmaca bersaglio (le t‐SNARES; quelle del SNC sono la sintaxina e la SNAP‐25). Queste

SNARES vengono degradate dalle tossine tetanica e botulinica (metallo‐proteasi zinco dipenden). L’interazione tra queste SNARES prevede che le 4

eliche (1 da VAMP, 1 da sintaxina e 2 da SNAP‐25) si leghino tra loro ponendosi parallele alla membrana.

Per perme?ere il ricupero delle vescicole, il complesso deve essere disaggregato: intervengono due proteine citoplasmache: la NSF e la SNAP (che

non c’entra niente con la SNAP‐25). La SNAP si lega al complesso t‐SNARE/v‐SNARE, NSF è un’ATP‐asi che si lega a SNAP, e ulizza l’energia derivante

dall’idrolisi per sciogliere il complesso

È importante anche un’altra proteina delle membrane delle vescicole: la sinaptotagmina p65; questa possiede due domini C2 che si legano ai

fosfolipidi con elevata calcio‐dipendenza. p65 può quindi costuire un importante sensore della concentrazione di Ca2+ perchè, in seguito

all’entrata di Ca2+, penetra in profondità nel doppio strato lipidico della membrana presinapca; può funzionare anche da v‐SNARE, in quanto si lega

alla sintaxina. Sono sta propos due modelli per il funzionamento della sinaptotagmina:

• il primo modello prevede che p65 fungerebbe da agente bloccante della fusione (regolatore negavo della liberazione di NT, blocca

l’esocitosi); l’ingresso di Ca2+ me?e rapidamente fine al blocco, dando inizio alla liberazione

• il secondo modello prevede che p65 agisca da regolatore posivo dei meccanismi di liberazione e promuova aUvamente la fusione

delle vescicole

• è possibile che esistano isoforme diverse con entrambe le cara?erische

Inoltre la sinaptotagmina p65 è un rece?ore per la proteina adaatrice AP‐2 della clatrina, necessaria per il legame di quest’ulma alla membrana,che deve avvenire nei processi di endocitosi; il legame della clatrina perme?e poi il distacco della vescicola vellutata grazie all’azione di una GTP‐asi

de?a dinamina, che forma un anello a?orno al collo della vescicola.

3



In sintesi, il Ca2+ è importante in quanto mobilita le vescicole (tramite induzione della fosforilazione delle sinapsine) e perme?e l’apertura del

complesso del poro di fusione (favorendo il legame tra p65 vescicolare e la membrana plasmaca)

LE QUANTITÀ DI NEUROTRASMETTITORE CHE VENGONO LIBERATE DIPENDONO DALLE QUANTITÀ DI CALCIO CHE ENTRANO NELLA CELLULA NEL

CORSO DEL POTENZIALE D’AZIONE

L’efficacia delle sinapsi chimiche può essere modificata (plascità sinapca), e le modificazioni possono essere a breve o a lungo termine; queste

modificazioni possono essere controllate da due pi di processi: intrinseci al neurone (variazione del potenziale o della frequenza di scarica) o

estrinseci al neurone (afferenze provenien da altri neuroni)

Ora verranno esaminate le modificazioni di breve termine delle quantà di neurotrasmetori libera, dovute sia a modificazioni intrinseche cheestrinseche, ma che infine agiscono tu?e sulla concentrazione intracellulare di Ca2+

LA CONCENTRAZIONE INTRACELLLARE DEL CALCIO LIBERO VIENE REGOLATA DA MECCANISMI CELLLARI INTRINSECIIn alcune cellule si ha un ingresso modesto ma costante di Ca2+ anche quando il potenziale è a valori di riposo: l’ingresso è dovuto ai canali Ca2+ v‐d

di po L, che non presentano inaUvazione. L’ingresso di Ca2+ aumenta con la depolarizzazione e si riduce con l’iperpolarizzazione: piccole variazioni

del potenziale possono quindi influenzare anche di molto l’efficacia sinapca.

n altro meccanismo di modificazione dell’aUvità sinapca è dovuto ad un’ avità intensa: nella maggior parte delle cellule nervose, una scarica di

potenziali d’azione ad elevata frequenza può essere seguita da un periodo durante il quale il potenziali d’azione determinano l’insorgenza di

potenziali postsinapci di ampiezza progressivamente maggiore.

• La s4molazione a frequenza elevata del neurone presinap4co è de?a smolazione tetanica (500‐1000 potenziali/sec)

• L’aumento dell’ampiezza del potenziale postsinap4co che si osserva durante una smolazione tetanica è de?o potenziamento

• L’aumento che persiste dopo la cessazione della smolazione è de?o potenziamento post‐tetanico, e può durare per parecchi minu

Probabilmente il potenziamento post‐tetanico dipende dalla saturazione transitoria dei diversi sistemi deputa al tamponamento dellaconcentrazione intracellulare di Ca2+ (su RER e mitocondri); si ha così un temporaneo aumento di Ca2+ residui in seguito ai ripetu potenziali

d’azione, che vanno a perme?ere una maggiore liberazione del NT, che corrisponde quindi ad un aumento dell’ampiezza del potenziale postsinapco

(si può dire che i Ca2+ residui garanscono una certa memoria cellulare)

Quindi, i meccanismi intrinseci di regolazione a breve termine della concentrazione intracellulare di Ca2+, e quindi della quantà di NT liberato,

sono la variazione del potenziale di membrana della terminazione presinapca (azione sui canali Ca2+ v‐d) e la smolazione ad alta frequenza del

neurone presinapco (che agisce negavamente sui meccanismi di tamponamento di Ca2+)

LA CONCENTRAZIONE INTRACELLLARE DEL CALCIO LIBERO VIENE REGOLATA DALLE SINAPSI ASSO‐ASSONICHE PRESENTI NELLE TERMINAZIONIPRESINAPTICHEEcco invece i meccanismi estrinseci. Sono principalmente dovu all’influenza di sinapsi asso‐assoniche che, facendo sinapsi nei pressi della

terminazione presinapca, controllano seleUvamente l’aUvità di singole diramazioni neuronali: ad esempio, controllano l’ingresso di Ca2+ nelle

terminazioni presinapche del neurone postsinapco (rispe?o alla sinapsi asso‐assonica), aumentando o riducendo di conseguenza la liberazione

dei neurotrasmeUtori. Da notare che, se la sinapsi asso‐assonica va a diminuire la concentrazione di Ca2+ nella terminazione presinapca,

determinando una diminuzione della liberazione di NT e quindi influenzando una terza cellula, svolge un processo de?o inibizione presinapca, perdisnguerlo dall’inibizione postsinapca, che è il classico processo di iperpolarizzazione di una cellula postsinpaca di modo che la cellula stessa

non possa generare un potenziale d’azione. Allo stesso modo, l’eccitamento del neurone presinapco tramite la sinapsi asso‐assonica è de?o

facilitazione presinapca, e determina una maggiore quantà di NT liberato, eccitando maggiormente una terza cellula.

Per quanto riguarda l’inibizione presinapca, sono sta individua 3 meccanismi diversi:

• aUvazione di rece?ori metabotropici che determinano la contemporanea chiusura dei canali Ca2+ e apertura dei canali K+ v‐d

• aUvazione di canali Cl‐ regola da GABA (cortocircuito di inibizione)

• aUvazione di rece?ori metabotropici che determinano l’inibizione direa del processo di liberazione del NT indipendentemente dalla

presenza di Ca2+

La facilitazione presinpaca è in genere dovuta ad un aumento dell’ingresso di Ca2+, con meccanismi alternavi che possono chiudere canali K+

(prolungando la durata del potenziale d’azione e quindi dell’entrata di Ca2+) o che possono determinare la liberazione di NT indipendentemente

dalla presenza di Ca2+; può avvenire un maggiore ingresso di Ca2+ anche in seguito ad una maggiore depolarizzazione, causata da un’ulteriore

apertura dei canali ionotropici della terminazione presinapca

La maggior parte delle cellule eccitabili traduce, in ulma analisi, l’eccitamento ele?rico in altre forme di aUvità. Le cellule eccitabile usano la

propria energia ele?rica per produrre flussi di Ca2+ regola da canali Ca2+ v‐d. I Ca2+ fungono da messaggeri intracellulari capaci di aUvare molte

funzioni cellulari. I canali Ca2+ sono l’unico anello di passaggio tra la depolarizzazione e una serie di aUvità non ele?riche

4



15 ‐ I neurotrasmetori

La trasmissione a livello delle sinapsi chimiche richiede 4 processi, dei quali i primi 2 sono presinapci e i successivi 2 sono postsinapci:

• la sintesi del neurotrasmetore

• il suo immagazzinamento e la sua liberazione

• l’interazione con il suo receore

• lo smalmento del neurotrasmeUtore dalla fessura sinapca

PER ENTRARE NEL NOVERO DEI NEUROTRASMETTITORI, I MESSAGGERI CHIMICI DEVONO SODDISFARE QUATTRO CRITERI

L’esistenza di sostanze chimiche con funzione di neurotrasmetore è stata dimostrata da O?o Loewi, che scoprì che le terminazioni vagali del cuore

di rana liberavano ACh; lavori successivi, come quelli di Dale sulla trasmissione adrenergica e colinergica e quelli di Katz sulle vescicole e sul processo

di esocitosi, hanno fornito numerose informazioni sui neurotrasmeUtori, ma viste le differen cara?erische che sono state riscontrate, spesso

contrastan, è difficile fornire una definizione rigida e completa.

In generale, si potrebbe definire neurotrasmetore una sostanza che viene liberata da una cellula nervosa a livello di una sinpasi e che esercita la

propria influenza, in maniera specifica, su una cellula postsinapca. Quindi i NT differiscono dagli ormoni in quanto il bersaglio è già presente a

livello della sinapsi, e non deve essere raggiunto tramite il torrente circolatorio (ma anche questo non è sempre vero). Sempre in generale, in quanto

non è sempre vero, i neurotrasmeUtori non svolgono processi autocrini (esistono meccanismi di feedback basa su autorece?ori). Generalmente,

gli effeU dei NT durano poco (da ms a pochi minu), ma esistono esempi di modificazioni di lungo termine.

Sono comunque limitate le sostanze che sono senza dubbio NT; in generale, una sostanza non è un neurotrasmeUtore se non soddisfa i seguen 4

criteri:

• viene sintezzata dal neurone• è presente nella terminazione presinapca e viene liberata in quantà sufficiente per esercitare un’avità definita su un neurone

postsinapco o un organo effe?ore

• quando venga introdo?a dall’esterno (come un farmaco) in concentrazioni opportune, è in grado di riprodurre esa?amente l’azione del

neurotrasmeUtore liberato per via endogena

• esiste un meccanismo specifico per il suo smalmento dal sito dove esercita la propria aUvità (la fessura sinapca)

Oltre ai neurotrasmetori, il sistema nervoso ulizza anche un’altra classe di sostanze per inviare messaggi: i neuropepdi

• i NT sono contenu in vescicole piccole e chiare; i NP sono contenu in vescicole grandi a centro denso. Le prime sono liberate per

esocitosi a livello delle zone ave so?o dipendenza da Ca2+, le seconde sono liberate per esocitosi semplice

• le vescicole grandi possiedono al loro interno anche NT; sono piche dei neuroni catecolaminergici e serotoninergici (granuli

simili si ritrovano nella midollare del surrene)

• le vescicole piccole sono piche di neuroni che ulizzano NT come ACh, glutammina, GABA, glicina

ESISTE UN NUMERO LIMITATO DI NEUROTRASMETTITORI COSTITUITI DA SOSTANZE A BASSO PESO MOLECOLARE

Queste sostanze a basso peso molecolare sono 9; tranne l’ATP, sono delle amine, e tranne l’ACh, sono o derivano da aminoacidi. Sono molecole dibasso peso molecolare che portano una carica ele?rica, che si formano da vie biosinteche brevi, i cui precursori derivano dai principali substra

carboamidi del metabolismo intermedio. Generalmente, la loro sintesi è catalizzata da enzimi citoplasmaci.

ACETILCOLINANon è nè deriva da un aminoacido; la sua biosintesi comprende un’unica reazione catalizzata dalla colin‐aceltransferasi; la colina non è sintezzata

dal tessuto nervoso, e deve essere quindi introdo?a con la dieta e trasportata al tessuto nervoso. L’ ace4l‐CoA deriva dalle principali vie metaboliche.

Tra i neuroni colinergici si trovano i motoneuroni del midollo spinale (quindi tu?e le giunzioni neuromuscolari), nel SNA, tuU i neuroni pregangliari

e quelli postgangliari parasimpaci; nel cervello, neuroni del nucleo bassale a proiezione diffusa

NEROTRASMETTITORI COSTITITI DA AMINE BIOGENEFanno parte di questo gruppo le catecolamine, la serotonina e l’istamina (anche se è un derivato dell’imidazolo)

La famiglia delle catecolamine comprende la dopamina, la norepinefrina e l’epinefrina, e sono tu?e sintezzte a parre dall’aminoacido essenziale

rosina a?raverso una via biosinteca comune che comprende 5 enzimi; possiedono tu?e il nucleo del catecolo formato da un anello benzenico

diidrossilato in 3,4

• la sintesi della dopamina è garanta da 3 dei 5 enzimi:

• il primo enzima è la rosin‐idrossilasi, un’ossidasi che converte la rosina in L‐DOPA (‐diidrossi‐fenilalanina); questo è

l’enzima limitante la velocità di sintesi; necessità come cofa?ore una pterina ridoLa Pt‐2H, che si riforma a parre da pteridina

Pt per opera della pteridin‐reduasi, catalizzata da NADH

• la L‐DOPA è quindi decarbossilata da una decarbossilasi, a o?enere dopamina e CO2

• la dopamina è ulizzata in 4 vie dopaminergiche: le vie nigrostriatale (importante per il controllo del movimento; alterata nel

Parkinson), mesolimbica e mesocorcale a livello della substan4a nigra mesencefalica, e la via a partenza dal nucleo arcuato

dell’ipotalamo verso l’ipofisi regolando alcune secrezioni ormonali

• la sintesi della norepinefrina connua per questa via, ulizzando dopamina come substrato:

• l’enzima dopamina β‐idrossilasi converte la dopamina in norepinefrina; questo enzima ha la parcolarità di essere associato

alla superficie interna della membrana delle vescicole aminergiche (la norepinefrina è l’unico NT sintezzato all’interno di

vescicole)

• la norepinefrina è il NT dei neuroni a proiezione diffusa del locus coeruleus e dei neuroni postgangliari simpaci• la sintesi dell’epinefrina avviene nella midollare del surrene:

1



• la presenza dell’enzima feniletanolamina‐N‐mel‐transfersasimela la norepinefrina in epinefrina (adrenalina); è necessario

SAM (S‐adenosil‐me4onina) come donatore di meli; essendo un enzima citoplasmaco, la norepinefrina deve uscire dalle

vescicole. La liberazione di adrenalina comporta una nuova riimmisione nelle vescicole dopo la sintesi

• la sintesi dei diversi NT dipende dal corredo enimaco espresso in ciascuna cellula; la sintesi è anche so?oposta ad un elevato livello di

regolazione:

• nei gangli del SNA, la sintesi della norepinefrina è regolata per via transinapca: una moderata aUvità presinapca induce

modifiazione dell’aUvità di secondi messaggeri nei neuroni postsinapci. Ques secondi messaggeri aumentano la

disponibilità di norepinefrina tramite la fosforilazione, AMP‐c dipendente, della rosin‐idrossilasi; la fosforilazione aumenta

l’affinità per il cofa?ore pteridinico. Se l’aUvità presinapca si protrae nel tempo, si osservano modificazioni anche nella sintesidi rosin‐idrossilasi (viene sollecitato il suo gene a produrre mRNA); questa induzione della rosin‐idrossilasi è mediata

sempre dalla protein‐chinasi AMP‐c dipendente, che fosforila una proteina aUvatore della trascrizione, CREB

La serotonina (5‐idrossi‐triptamina o 5‐HT) è un indolo che deriva dal triptofano (anch’esso un indolo), conene quindi un pirrolo (5 atomi con 1 N)

e un benzene condensa. La sua sintesi necessita di 2 enzimi: la triptofan‐idrossilasi (ossidasi simile alla rosin‐idrossilasi: 5‐H) e la 5‐idrossi‐

triptofano decarbossilasi (simile alla L‐DOPA decarbossilasi); il primo enzima è quello che controlla la via. La triptofan e la rosin‐idrossilasi sono

sinteniche, ovvero i loro geni sono in si vicini dello stesso cromosoma.

• neuroni serotoninergici sono localizza nei nuclei del rafe della linea mediana del tronco encefalico (→ controllo dell’a?enzione e

funzioni cognive complesse); probabilmente la serotonina è implicata nella patogenesi delle forme depressive

L’istamina deriva dall’aminoacido isdina: entrambe queste molecole comprendono un imidazolo, ovvero un anello a 5 atomi con 2 N. Nei

mastoci, l’istamina liberata per via autocrina agisce nei processi infiammatori, nel controllo dei vasi, della muscolatura liscia e delle ghiandole

endocrine; nel SNC, appare concentrata nell’ipotalamo

• è sintezzata a parre da isdina, che viene decarbossilata da un enzima cara?erisco dei neuroni istaminergici

• l’istamina, nel tessuto nervoso, è un precursore di due dipepdi: la carnosina e l’omocarnosina, forze implicate nella funzione olfaUva

NEROTRASMETTITORI DI NATRA AMINOACIDICAMentre l’ACh e le amine biogene sono prodo?e soltanto in determinate cellule nervose, gli aminoacidi sono universalmente diffusi. Gli aminoacidi

ulizza come neurotrasmeUtori sono il glutammato e la glicina (non essenziali).

Il glutammato è il neurotrasmeUtore più diffuso del SNC; è prodo?o a parre da α‐chetoglutarato, intermedio de ciclo di Krebs. Dopo la

liberazione, può essere riassorbito (tramite co‐trasporto di NA+ accoppiato a contro‐trasporto di K+) sia dalle cellule nervose che dalla glia; in

quest’ulmo caso, viene converto a glutamina dall’enzima glutamino sintetasi . La glutamina diffonde poi nei neuroni dove è idrolizzata a

glutammato

La glicina è sintezzata a parre da serina, è il principale neurotrasmeUtore degli interneuroni inibitori del midollo spinale

L’acido γ‐aminoburrico GABA viene sintezzato a parre da glutammato (a?raverso l’acido glutammico decarbossilasi ); è ulizzato da

interneuroni inibitori del midollo spinale, del cervelle?o (cell. a canestro e di Purkinje), dell’ippocampo, del bulbo olfaUvo e della rena (cell.

amacrine)

ATP E ADENOSINAL’adenina, la guanina e i loro deriva sono delle purine; una trasmissione di po purinergico è stata riscontrata nei neuroni simpaci che si

distribuiscono al do?o deferente, alla vescica, alla muscolatura cardiaca e nei plessi nervosi deputa all’innervazione della muscolatura liscia del

canale alimentare. È molto importante per la genesi del dolore: i tessu lesi liberano ATP, che eccita terminazioni nude delle fibre C dei neuroni

sensivi.

I NEROTRASMETTITORI A BASSO PESO MOLECOLARE SONO ASSNTI CON MECCANISMI ATTIVI DALLE VESCICOLELa presenza di aminoacidi è cara?erisca di tu?e le cellule, quindi quelli con funzione di trasmeUtore avranno bisogno di un meccanismo per essere

disn da quelli a funzione metabolica; la cellula riconosce gli aminoacidi neurotrasmeUtori a?raverso comparmenzzazione: difaU i NT sono

inclusi nelle vescicole. Le concentrazioni di NT nelle vescicole sono molto elevate, e per raggiungerle sono necessarie V‐ATPasi (vescicolari); l’energia

derivante dall’idrolisi di ATP citoplasmaco è ulizzata per creare un gradiente di pH, con ingresso di protoni nella vescicola. A?raverso trasporto

aUvo secondario (1 NT dentro per 2 H+ fuori) vengono poi concentra gli aminoacidi all’interno della vescicola (processo energia‐dipendente).

Sono sta riconosciu 4 pi di trasportatori: uno per ACh, uno per in NT aminici, uno per il glutammato e uno per GABA e glicina

La necessità di vescicole per la liberazione di NT fa sì che anche il riciclaggio deve essere rapido; la specificità del trasportatore della sostanza

trasportata è molto elevata, mentre l’affinità per i NT è invece modesta: la Km è bassa per i trasportatori degli aminoacidi (presen in elevate

concentrazioni nel citoplasma), mentre è invece elevata per il trasportatore delle amine (le cui concentrazioni citoplasmache sono minori e

possono costuire un fa?ore limitante)

NUMEROSI PEPTIDI NEUROATTIVI POSSONO FUNGERE DA NEUROTRASMETTITORI

Il processo di sintesi dei neurotrasmetori prevede la sintesi degli enzimi delle varie vie biosinteche dei NT stessi a livello citoplasmaco nel corpo

cellulare, quindi la loro distribuzione tramite trasporto assonale lento (come per tu?e le proteine del citosol; il trasporto rapido è esclusiva degli

organi membranosi), infine la loro azione a livello delle terminazioni, dove sintezzano il NT.

Il processo di sintesi dei pepdi neuroavi prevede invece la sintesi di proteine secretorie nel corpo cellulare. Queste vengono modificate nel loro

percorso a?raverso il RER e l’apparato di Golgi, da dove escono come vescicole secretorie che si trasformano in vescicole grandi a centro denso, che

migrano nelle terminazioni per trasporto assonale rapido (infaU sono organuli membranosi)

Esistono almeno 50 pepdi neuroaUvi, tra cui pepdi che fuori dal sistema nervoso svolgono funzioni ormonali (angiotensina e gastrina) o

neuroendocrina (ossitocina, vasopressina, somatostana, LH, TSH). Quando sono libera dire?amente nei si nei quali sono in grado di produrre i

loro effeU hanno funzione neurotrasmeUtoriale o funzione modulatrice (sostanza P e encefaline sono importan nella percezione del dolore).I pepdi neuroavi possono essere suddivisi in famiglie, 10, i cui membri hanno sequenze aminoacidiche simili; le principali famiglie sono: oppioidi,

neuroipofisari, tachichinine, secrene, insuline, somatostane, gastrine e altri.

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Si può osservare che durante la loro sintesi, diverse di queste sostanze vengono codificate da un unico mRNA che codifica per un lungo pre‐pro‐

ormone de?o anche poliproteina; questo fa?o garansce un meccanismo di amplificazione, ovvero la produzione di più copie dello stesso pepde

a parre da una sola poliproteina, oppure la produzione di numerosi pepdi diversi. Questo meccanismo è stato idenficato per la prima volta nelle

proteine codificate da piccoli DNA virali

Il rimaneggiamento delle proteine precursori ha luogo all’interno del sistema principale di membrane del neurone ed in stru?ure vescicolari (difaU

sono presen delle proteasi specifiche associate a queste membrane; i diversi pi di proteasi riconoscono i si di taglio da parcolari sequenze

aminoacidiche, ad esempio a?raverso interazioni con aa carichi)

• tra i diversi pi di proteasi, sono da ricordare le serinproteasi (tripsina e chimotripsina, tagliano il pepde in corrispondenza di residui

basici), le ol‐endopepdasi, le aminopepdasi (idrolizzano l’N‐terminale) e la carbossipepdasi B (idrolizza il C‐terminale se basico)Il rimaneggiamento è fondamentale nel determinare il po di pepde che verrà prodo?o: un esempio è dato dal rimaneggiamento della pro‐

oppiomelanocorna (POMC), uno dei 3 membri della famiglia degli oppioidi (con encefaline e dinorfina); lo stesso mRNA è presente nei lobi

anteriore e medio dell’ipofisi, ma i pepdi prodoU sono diversi. InfaU nel lobo anteriore il taglio proteolico produce ACTH e β‐LPH, mentre nel

lobo intermedio ques prodoU sono ulteriormente taglia a α‐MSH, γ‐LPH e β‐END; altro esempio è l’insulina, con il taglio del pepde C. I

meccanismi con cui vengono effe?ua diversi tagli nei diversi neuroni possono dipendere dalla presenza di proteasi diverse o da glicosilazioni del

pro‐ormone in si diversi

I NEUROTRASMETTITORI DI NATURA PEPTIDICA E QUELLI COSTITUITI DA SOSTANZE DI BASSO PESO MOLECOLARE SONO DIVERSI SOTTO MOLTI

ASPETTI

Le differenze tra i neuropepedi e i neurotrasmeUtori si riscontrano sopra?u?o nella sede di sintesi, nel po di vescicole, nel meccanismo di

liberazione per esocitosi:

Sede di sintesi:

• i neuropepdi si formano nel corpo cellulare, senza meccanismi di trasporto nelle vescicole• i neurotrasmeUtori si formano nelle terminazioni nervose, con meccanismi di trasporto nelle vescicole

Tipo di vescicole:

• i pepdi sono concentra in vescicole grandi a centro denso originate dalla faccia trans dell’apparato di Golgi; come i granuli secretori

delle cellule non nervose, seguono la via della secrezione costuva. Le vescicole grandi a centro denso non possiedono le proteine per

limitare i processi di liberazione a livello delle zone aUve e per il ricupero: possono liberarsi in qualsiasi punto e, non essendo

ricuperate, possono essere usate una sola volta. na volta libera i pepdi, è necessario a?endere che altri giungano dal corpo cellulare

• i NT sono concentra in vescicole piccole e chiare che seguono la via della secrezione regolata. Le vescicole piccole o sinapche

possiedono proteine che ne limitano la liberazione a livello delle zone ave e che ne perme?ano il ricupero: per questo la liberazione

rapida può essere protra?a nel tempo

Meccanismo di liberazione:

• le vescicole grandi vengono liberate da un aumento generalizzato della concentrazione intracellulare di Ca2+ (il che richiede frequenze

di smolazioni molto elevate)

• le vescicole sinapche vengono liberate da un aumento localizzato di Ca2+ a livello delle zone ave

I NEUROTRASMETTITORI DI NATURA PEPTIDICA E QUELLI COSTITUITI DA SOSTANZE A BASSO PESO MOLECOLARE POSSONO COESISTERE NELLA

STESSA TERMINAZIONE E VENIR LIBERATI CONTEMPORANEAMENTE

Nel caso di una loro contemporanea liberazione, neuropepdi e neurotrasmeUtori possono esercitare aUvità sinergiche su una stessa cellula

bersaglio.

Ad esempio, nelle giunzioni neuromuscolari, il pepde correlato al gene della calcitonina CGRP, liberato insieme ad ACh, aUva l’adenilato‐ciclasi, e

l’AMPc perme?e la fosforilazione di proteine che garanscono un aumento della forza di contrazione sviluppata.

Oppure si può avere co‐liberazione di glutammato e dinorfina, dove il primo ha effeU eccitatori e il secondo inibitori: si parla di co‐trasmissione, in

quanto entrambe le sostanze liberate possiedono rece?ori postsinapci.

Invece la co‐liberazione di ATP non rappresenta un esempio di co‐trasmissione, in quanto le cellule postsinpache possono non possedere i rece?ori

purinergici, non subendo quindi alcun effe?o da parte di ATP

Spesso, per capire se una sostanza liberata ha effeU nella trasmissione, è ule considerare se venga liberata in quantà sufficien. Per riscontrare la

presenza di messaggeri chimici nelle sinapsi si ricorre quindi a metodi istochimici. Ecco alcune tecniche che vengono ulizzate:

• è possibile rendere fluorescen le catecolamine e la serotonina se esposte a vapori di formaldeide• tramite l’ibridazione in situ è possibile idenficare i neuroni nei quali viene espresso il gene di un determinato enzima necessario per la

sintesi di un neurotrasmeUtore: mRNA del neurone è ibridato con DNA complementare marcato.

• la localizzazione dei NT può avvenire anche tramite metodi immunocitochimici

• aminoacidi, amine e neuropepdi che possiedono gruppi aminici primari possono essere rintraccia tramite autoradiografia

• per la localizzazione immunoistochimica è necessario disporre di ancorpi specifici per i NT, lega a loro volta da un secondo

ancorpo fluorescente (immunofluorescenza indirea)

• una localizzazione ultrastru?urale si può o?enere con i sistemi perossidasi‐anperossidasi o ulizzo di ancorpi lega a parcelle

ele?rondense di polvere d’oro

LA TRASMISSIONE SINAPTICA HA TERMINE CON L’ALLONTANAMENTO DEL NEUROTRASMETTITORE DALLA FESSURA SINAPTICA

Lo smalmento del NT dalla fessura sinapca è necessario per evitare la desensizzazione dei receori dovuta alla connua esposizione al NT,

rendendo così la sinapsi refra?aria, esistono 3 meccanismi per lo smalmento del NT:

• la diffusione, che, in parte, perme?e l’allontanamento di tuU i NT

• la degradazione enzimaca, sopra?u?o nelle sinapsi colinergiche: in queste, infaU, i rece?ori sono situa nella parte sporgente della

membrana muscolare, mentre l’enzima acelcolinesterasi è situato all’interno delle pieghe giunzionali. In questo modo, ogni molecola di

ACh venuta in conta?o con un rece?ore cadrà facilmente nella piega: ogni molecola verrà quindi ulizzata una sola volta, e il processo

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scandisce così la successione dei messaggi da trasme?ere. Inoltre si viene a creare un deposito di colina, trasportata con meccanismo ad

alta affinità nelle terminazioni nervose.

• ques 2 meccanismi sono gli unici disponibili per i neuropepdi; i NT, invece, vengono allontana dalla fessura più rapidamente; difaU i

neuropepdi hanno in genere effeU più lunghi. La rapidità di allontanamento dei NT è dovuta alla presenza di un terzo meccanismo di

inaUvazione, il principale: la riassunzione, che ha il vantaggio di perme?ere un riulizzo della molecola di NT. La riassunzione avviene

tramite trasportatori ad alta affinità. Ques trasportatori possono essere suddivisi in 2 gruppi:

• il primo gruppo è formato dai trasportatori del glutammato

• la forza motrice è garanta dal co‐trasporto di 2 Na+ e dal contro‐trasporto di K+ e uno ione in grado di modificare il

pH (OH‐ o HCO3‐)• il secondo gruppo è formato dai trasportatori di GABA, glicina, norepinefrina, serotonina e colina, cara?erizza da una

stru?ura che possiede 12 domini transmembrana

• la forza motrice è garanta dal co‐trasporto di 1‐3 Na+ e 1 Cl‐

• le forze motrici sono comunque sufficien a muoversi contro‐gradiente: l’interno possiede concentrazioni 4 ordini di grandezza più

elevate rispe?o all’esterno

• nelle cellule amacrine della rena la liberazione di NT non avviene a?raverso vescicole, ma a?raverso una liberazione v‐d (si inverte il

gradiente ele?rochimico di Na+ durante la depolarizzazione) ma non Ca2+ dipendente, dovuta all’inversione della direzione di trasporto

di ques trasportatori

Altri neurotrasmetori sono delle sostanze non liberate tramite vescicole, in quanto sono permeabili alla membrana: NO e l’acido arachidonico; il

primo si forma dall’ossidazione dell’arginina, il secondo viene liberato dai fosfolipidi di membrana a?acca dalla fosfolipasi A2. NO ha funzione di

messaggero retrogrado oppure di messaggero sinapco con receore intracellulare; la sua azione è quella di smolare la produzione di GMPc

aUvando la guanilil ciclasi

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fisiologia - riassunti kandel-principi di neuroscienze cap 615

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