Meccanismo d azione dei NT nelle sinapsi dirette. 1.La giunzione neuromuscolare 2.Sinapsi eccitatorie 3.Sinapsi inibitorie

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1 Meccanismo d azione dei NT nelle sinapsi dirette 1.La giunzione neuromuscolare 2.Sinapsi eccitatorie 3.Sinapsi inibitorie

2 1) La giunzione neuromuscolare La prima sinapsi ad essere studiata nel dettaglio è stata la giunzione neuro-muscolare, sia perché si trova nel SNP ed è quindi facilmente raggiungibile sia per altre sua caratteristiche come la dimensione. Di conseguenza il meccanismo d azione dell Acetilcolina (Ach), il NT della giunzione neuro-muscolare, è stato il primo ad essere compreso

3 L Ach viene liberata dalla cellula pre-sinaptica in prossimità delle zone attive in corrispondenza delle quali si trovano nella cellula post-sinaptica delle pieghe giunzionali tapezzate dai recettori per l acetilcolina

4 Le molecole di Ach dopo aver attraversato la fessura sinaptica vanno ad agire su un canale ionico Il canale per l Ach è composto di 5 sub-unità (2 sub-unità, le α sono tra loro uguali) Ciascuna sub-unità composta da quattro tratti di α-elica paralleli che attraversano la membrana 4

5 Due molecole di Ach si legano alle sub-unità α di ciascun canale e lo fanno aprire. Si tratta di un canale cationico (cioè permeabile ai cationi, gli ioni con carica positiva) È in realtà una eccezione in quanto nella stragrande maggioranza dei canali ionici c è un solo sito per il NT Benchè il canale sia permeabile sia al K + che al Na +, è soprattutto il Na + a passare, entrando nella cellula

6 La giunzione neuro-muscolare è atipica anche per un altro aspetto. Ad ogni potenziale d azione del motoneurone, la quantità di vescicole sinaptiche che si fondono con la membrana e la quantità di NT (acetilcolina) liberata è molto maggiore che nelle altre sinapsi e ad un potenziale d azione segue invariabilmente una contrazione della fibra muscolare

7 Perché, benchè il canale ACh sia permeabile sia al K + che al Na +, è soprattutto il Na + a passare? La differenza di concentrazione tra interno ed esterno tenderebbe a sospingere il Na + dentro la cellula e il K + fuori. Tuttavia mentre Na + con la sua carica positiva si muove dalla parte positiva (esterno) verso la parte negativa (interno) e quindi lungo il gradiente elettrico (NB: le cariche opposte si attraggono), K + si muoverebbe dalla parte negativa verso la parte positiva ovvero in senso contrario al gradiente elettrico (le cariche identiche si respingono) K + K Diffusione Na + Gradiente elettrico + Gradiente elettrico Diffusione Na + +

8 Per la maggior parte dei canali ionici esistono varianti che differiscono tra loro solamente per uno o per pochi amminoacidi. A seconda di dove sono localizzate queste variazioni, le diverse proprietà del canale (permeabilità, durata del tempo di apertura ecc) possono variare. Diverse parti del SN possono essere caratterizzate da sottotipi diversi di un canale

9 Ad esempio nel feto, il canale per l Ach della giunzione neuromuscolare, differisce da quello dell adulto per una sola delle 5 subunità e in particolare per alcuni amminoacidi posti nel segmento M2, quello che si affaccia sul canale e che quindi influisce sulla permeabilità A causa di questa differenza la permeabilità dei canali nel feto è molto minore e di 9 conseguenza la contrazione muscolare meno intensa

10 Recettori nicotinici e muscarinici Il canale ionico per l acetilcolina che si trova nella giunzione neuro-muscolare prende il nome di recettore nicotinico dal nome della sostanza (la nicotina) che ne aumenta l efficacia I recettori nicotinici si possono trovare anche nelle sinapsi del SNC Nel SNC e nel SNP si trova anche un altro tipo di recettore il recettore muscarinico dal nome della sostanza (la muscarina) che ne aumenta l efficacia. In questo caso non si tratta di un canale trasmettitore dipendente ma di un recettore accoppiato a proteina G e le sinapsi sono pertanto sinapsi indirette Tutte le sinapsi che funzionano tramite acetilcolina vengono chiamate sinapsi colinergiche

11 Molti veleni prodotti dalle piante o dagli animali agiscono a livello delle sinapsi colinergiche sia nicotiniche che muscariniche in quanto in questo modo è possibile ottenere effetti immediati sulla vittima (paralisi, arresto cardiaco, blocco respiratorio ecc) Nicotiniche Curaro - si lega al recettore impedendo all ACh di attaccarsi Botulino - inibisce il rilascio dell ACh Tossina del cobra - si lega al recettore impedendo all ACh di attaccarsi Tossina della vedova nera -fa liberare tutto l Ach provocando tetania (spasmi muscolari) Muscariniche Muscarina - rallenta il cuore (agonista dell Ach) (fungo) Atropina - dilata le pupille, sostiene il battito cardiaco (antagonista Ach) (fiore della Belladonna)

12 2) Le sinapsi eccitatorie Il glutammato (Glu) è il principale NT delle sinapsi dirette eccitatorie del SNC Vi sono molti tipi diversi di canali per il glutammato Alcuni sono molto simili al recettore nicotinico per l ACh (eccetto che legano una sola molecola di NT). A questa categoria appartengono i canali AMPA e i canali Kainato questi canali si differenziano tra loro in base all agonista che li attiva

13 AGONISTA una sostanza che, dopo aver legato su di uno specifico recettore, provoca una risposta simile a quella del NT del recettore stesso ANTAGONISTA molecola che si lega selettivamente ad un recettore ma non lo attiva e ne blocca la trasduzione del segnale

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15 Il meccanismo d azione di questi canali è simile a quello gia visto per l Ach. La liberazione di Glu fa aprire dei canali cationici presenti nella membrana post-sinaptica A differenza di quanto succede nella giunzione neuromuscolare, ciascuna sinapsi del SNC contribuisce con un piccolissimo PPSE (molto meno di 1 mv se misurato al cono d integrazione). 15

16 Tuttavia la somma di molte sinapsi eccitatorie che scaricano può far variare il potenziale di membrana della cellula post-sinaptica fino a causare dei potenziali d azione 16

17 Esiste poi un tipo molto particolare di canale ionico Il recettore NMDA (N-metil-D-aspartato): - oltre che al K + e al Na + esso, quando si apre, è permeabile al Ca + (il calcio entra anche più prontamente del sodio ed inoltre può influire sul metabolismo cellulare)

18 Esiste poi un tipo molto particolare di canale ionico Il recettore NMDA: - il canale è normalmente ostruito da Mg ++ (ione magnesio) e anche dopo che il glutammato si è legato e il canale si è aperto, non può essere attraversato dagli ioni. Il canale diventa permeabile solo quando si superano i 35 mv e il Mg ++ si stacca. Questa dipendenza dal voltaggio ne causa l apertura tardiva

19 Esiste poi un tipo molto particolare di canale ionico Il recettore NMDA: - lo sblocco del canale dall ostruzione del magnesio avviene per repulsione elettrostatica tendenza a respingersi fra due o più corpi, o la forza che provoca tale tendenza. In questo caso si riferisce alla repulsione data dall'energia elettrica.

20 In una sinapsi recettori NMDA si trovano sempre accoppiati agli altri tipi più tradizionali di recettori per il glutammato (AMPA o Kainato) I recettori NMDA non contribuiscono direttamente alla genesi del PPSE, ma forniscono una componente tardiva che aumenta l effetto dovuto ai canali tradizionali e ne prolunga la durata. AMPA PPS AMPA + NMDA

21 L entrata del calcio attraverso i canali NMDA può produrre dei cambiamenti a lungo termine nella cellula post-sinaptica. Il calcio infatti nella cellula post sinaptica funge come una sorta di secondo messaggero chimico. Esso può attivare enzimi specifici, modificando il metabolismo cellulare e in qualche caso agendo direttamente sulla sintesi delle proteine e sull espressione dei geni. I recettori NMDA svolgono importanti funzioni, tra le quali il consolidamento della traccia mnestica nei neuroni dei circuiti che presiedono alla formazione delle memorie. le modificazioni sottese al funzionamento dei recettori NMDA richiedono un ampia attività presinaptica e vengono dette modificazioni sinaptiche attivitàdipendenti

22 alterazioni nell equilibrio metabolico di NT eccitatori come il Glu possono favorire alcune forme morbose in quanto alte concentrazioni di Glu sono tossiche (eccitotossicità da Glutammato) alte concentrazioni di Calcio favoriscono la formazione di radicali liberi la tossicità da Glu è implicata nel danno cellulare conseguente ad ictus cerebrale

23 2) Le sinapsi inibitorie Il GABA è il principale NT delle sinapsi dirette inibitorie del SNC (nelle rimanenti viene liberato il NT glicina) La liberazione di GABA fa apire dei canali anionici i quali sono quindi permeabili al cloro (Cl - )

24 Il canale per il GABA è canale molto complesso che oltre al sito per il NT possiede altri siti cui si legano selettivamente sostanze come i barbiturici, l acool etilico o le benzodiazepine (ansiolitici). In condizioni naturali questi siti sono occupati da mediatori chimici endogeni che hanno scopo di modulare il funzionamento del canale

25 Anche il canale GABA è formato da 5 diverse sub-unità. Sono state descritte diverse varianti per ciascuna unità (circa una decina per la sola sub-unità α). Combinando in modo diverso queste sub-unità è possibile ottenere migliaia di diverse combinazioni (anche se solo talune di queste esistono realmente nel SN) ognuna con piccole differenze nel funzionamento. Il fatto che in parti diverse del cervello ci siano canali leggermente diversi è la base per costruire farmaci che agiscono selettivamente su certe funzioni 25 ma non su altri circuiti che utilizzano lo stesso neurotrasmettitore

26 Nella maggior parte dei casi l apertura dei canali GABA dipendenti causa l entrata di Cl - nella cellula Poiche Cl - porta una carica negativa, la sua entrata tenderà a iperpolarizzare la cellula (a renderla cioè più negativa) allontanandola dal valore di soglia per il PdA Cl mv - 57 mv

27 Glutammato L influenza sulla cellula dell entrata del Cl - non è tuttavia così marcato come nelle sinapsi eccitatorie, quando entra il Na + GABA -65 mv PPSE PPSI Infatti mentre il Na + è sospinto dentro la cellula sia dal gradiente di concentrazione che dal gradiente elettrico, Cl - segue il suo gradiente di concentrazione ma è rallentato dal fatto (gli uguali si respingono) che passa dall esterno carico positivamente all interno negativo [In termini tecnici si dice che è vicino al suo potenziale di equilibrio] 27

28 Poiché le sinapsi inibitorie sono molto meno efficaci delle sinapsi eccitatorie, le prime sono generalmente poste molto più vicine alla zona d integrazione (nel monticolo assonico) Le sinapsi eccitatorie sono tipicamente Asso-dendritiche Le sinapsi inibitorie sono tipicamente Asso-somatiche Asso-dendritica Eccitatoria Asso-somatica inibitoria Asso-assonica Inibitoria o modulatoria

29 Modulazione in una sinapsi asso-assonica B A L attività del neurone pre-sinaptico A può aumentare o diminuire la quantità di NT rilasciato dal neurone presinaptico B C

30 Asso-assonica

31 Inibizione per derivazione Esiste un secondo meccanismo attraverso cui si attua l inibizione, la cosiddetta Inibizione per derivazione In alcuni casi quando si aprono i canali Cl - non si ha alcun afflusso netto di cloro. Questo avviene se il potenziale di membrana coincide con il potenziale di equilibrio per il cloro (che di solito sta attorno ai 60, 70 mv a seconda della cellula) In questo caso si può avere lo stesso inibizione (anche se non c è alcuna iperpolarizzazione visibile della celula): Inibizione per derivazione Questo fenomeno è dovuto al fatto che nel caso vi fosse un PPSE mentre la cellula è inibita (per derivazione), i canali aperti per il cloro tenderebbero ad impedire che la cellula diventi meno negativa facilitando un afflusso compensativo di Cl - L inibizione per derivazione funziona solo se la sinapsi inibitoria è posta tra la sinapsi eccitatoria e il cono d integrazione Questo è un altro motivo per cui le sinapsi inibitorie sono poste sul soma, vicino al monticolo assonico

32 Situazione riassuntiva delle sinapsi dirette del SN Giunzione neuro-muscolare La liberazione di acetilcolina determina l apertura di un canale cationico Benchè permeabile sia al potassio che al sodio è soprattutto quest ultimo ad entrare sospinto sia dal gradiente di concentrazione che da quello elettrico: Depolarizzazione La quantità di NT liberato è molto maggiore che nelle altre sinapsi e si produce sempre un potenziale d azione postsinaptico che determina la contrazione della fibra muscolare

33 Situazione riassuntiva delle sinapsi dirette del SN Sinapsi eccitatorie (tipo I di Gray) La liberazione di glutammato determina l apertura di un canale cationico e (come nel caso precedente) l afflusso di sodio dentro la cellula: Depolarizzazione Ogni singola sinapsi dà un contributo minimo al potenziale di membrana ma l effetto combinato di molte sinapsi può scatenare un potenziale d azione

34 Situazione riassuntiva delle sinapsi dirette del SN Sinapsi inibitorie (tipo II di Gray) La liberazione di GABA determina l apertura di un canale anionico e l afflusso di cloro dentro la cellula: Iperpolarizzazione L influenza del cloro nel modificare il potenziale di membrana è molto minore di quella dovuta all entrata di sodio Per poter avere un effetto apprezzabile le sinapsi inibitorie sono solitamente poste vicino alla zona d innesco (asso-somatiche)