Dispense di Fisiologia

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1 CARLO CAPELLI Dispense di Fisiologia DOLOR SET AMET

2 Dedica Questa serie di dispense è dedicata a tutti quegli studenti studiosi ed appassionati che hanno amato la fisiologia, l hanno studiata con profitto e mi hanno dato la soddisfazione di avere compiuto il mio dovere di docente. i

3 Prefazione work-in-progress che mi auguro si possa completare progressivamente di anno in anno. Gli argomenti e i contenuti sono basati essenzialmente sul materiale iconografico presentato a lezione. Penso quindi, che possa costituire un utile strumento di supporto per la preparazione degli studenti. Buono studio! Poche e sentire parole. Il testo di questo libello tenta di riassumere in maniera ordinata e meditata le lezioni che ho tenuto nei corsi di fisiologia alla Facoltà di Medicina e Chirurgia dell Università di Udine sino al 2006 e, successivamente, alla Facoltà di Scienze Motorie di Verona. Non ha, ovviamente, la pretesa di essere un libro di testo di fisiologia. Ce ne sono tanti, molti sono ottimi...ed ogni studente ne dovrebbe possedere, compagno fedele di studi ed aggiornamento, almeno uno nella sua biblioteca... Piuttosto, l opera è un sunto di dispense. La tecnologia attuale ci permette, divertendoci, di preparare questi supporti didattici in formati assai più fruibili, trasportabili e, perchè no, gradevoli che in passato. E, ovviamente, un ii

4 CAPITOLO 1 Fisiologia cellulare In questo capitolo saranno illustrati i principali concetti di fisiologia cellulare. In particolare, saranno descritte la struttura e le funzioni della membrana cellulare nonché il principali meccanismi di trasporto di gas, ioni, acqua, sostanze apolari e proteine-peptidi attraverso le membrane cellulari e i fenomeni elettrici di membrana nonchè i meccanismi di trasmissione del segnale tra le cellule dei tessuti eccitabili

5 SEZIONE 1 Membrane cellulari e fenomeni di trasporto OBIETTIVI 1. Composizione dei compartimenti extra ed intracellulare 2. Membrane cellulari: struttura, componenti e funzioni 3. Pori o canali cellulari 4. Processi di trasporto transmembranario 1. Diffusione semplice e facilitatat 2. Trasporto mediato carrier 3. Trasporto attivo 4. Endo ed esocitosi 5. Osmosi 6. Osmolarità plasmatica La composizione del liquidi intracellure e extracellulare L acqua corporea totale (ACT) corrisponde in media a circa il 60 % della massa corporea in un soggetto maschio adulto di composizione antropometrica standard. L ACT è a sua volta suddivisa in diversi compartimenti, il liquido intracellulare (LIC) e il liquido extracellulare (LEC). Il LIC costituisce all incirca i 2/3 dell ACT; il LEC 1/3, di cui un quarto è costituito dall acqua plasmatica (5 % della massa corporea) e tre quarti dal liquido interstiziale. Caratteristica singolare del LEC è quella di possedere una composizione simile, seppur più diluito, a quella dell acqua di mare. LIC e LEC sono separati dalla membrana cellulare. Nei liquidi corporei, quindi, non c è solo acqua, ma anche soluti e la concentrazione dei soluti può essere espressa in diversi modi. Innanzitutto ricordiamo che una mole di sostanza corrisponde ad una quantità in grammi uguale al suo peso molecolare. La concentrazione molare esprime il numero di moli per litro di solvente. La concentrazione molale, invece, corrisponde al numero di moli per kg di solvente. Gi equivalenti di una sostanza corrispondono al numero di moli di una sostanza per la sua valenza. Le osmoli, infine, sono le moli di una sostanza per il numero di particelle liberate in soluzione. Esempio: 1 mole di NaCl = = 58.5 gr 4

6 1 mole di NaCl = 2 equivalenti (Na + + Cl - ) 1 mole di NaCL = 2 osmoli (Na + + Cl - ) 1 mole di CaCl2 = 3 equivalenti e 3 osmoli (Ca Cl - ) La composizione ionica di LEC e LIC è diversa La membrana plasmatica La membrana plasmatica è costitutita da proteine e lipidi organizzati in un doppio foglietto fosfolipidico. La struttura e l organizzazione di tale foglietto non è stabile, ma si modifica, tanto è vero che si parla di modello a mosaico fluido. LEC (mm) LIC (mm) Muscolo di rana [Na + ] [K + ] [Cl - ] Assone di calamaro [Na + ] [K + ] [Cl - ] Tabella 1.1: Composizione di LEC e LIC in due cellule di tessuto eccitabile. Nel calamaro gigante le concentrazioni si avvicinano a quelle dell acqua marina (Katz B, Nerve, muscle and synapses. McGraw Hill, 1966 NW. USA) Il catione principale del LEC è il sodio (Na + ); nel LIC è il potassio (K + ). Le differenze di composizione tra LIC e LEC sono dovute alla natura delle barriere (al tipo di membrana cellulare). Figura 1.1: Rappresentazione del doppio strato lipidico con proteine estrinseche ed intrinseche di membrana. Le varie membrane hanno diversi rapporti in peso tra componenti proteici e di membrane. Per esempio negli eritrociti il rapporto è 1 ad 1, mentre nei mitocondri, ricchi in componenti proteici, è di 3 ad 1. 5

7 Proteine di membrana Nel contesto delle membrane lipidiche si possono distinguere proteine intrinseche ed estrinseche. Le proteine intrinseche: 1. si dissociano dalle membrane solo dopo trattamenti drastici con detergenti, denaturanti o solventi organici. 2. posseggono una parte apolare più o meno estesa che penetra all interno della membrana e che le ancora ad essa (struttura ad α- elica, talvolta anche β-foglietto) mentre la parte polare è immersa nel mezzo acquoso; ciò assicura una rapida diffusione laterale e la possibilità di rotazione sull asse perpendicolare 3. sono generalmente poco solubili in acqua 4. quando sono isolate rimangono associate a lipidi Le proteine estrinseche (o periferiche) 1. si dissociano facilmente dalla membrana 2. quando sono dissociate dalla membrana non contengono lipidi Le proteine di membrana sono sovente distribuite in modo diseguale sui due lati e l asimmetria è in relazione con la funzionalità cellulare delle specifiche proteine. Per esempio, la proteina estrinseca spectrina è presente solo sul versante citoplasmatico. Al contrario, molte proteine-recettore sono localizzate sul versante esterno e se le proteine di questa classe attraversano da parte a parte il doppio foglietto fosfolipidico costituiscono un potenziale meccanismo per convertire un segnale extracellulare in una risposta intracellulare. Lipidi di membrana I principali lipidi di membrana sono fosfolipidi, glicolipidi (glicerofosfolipidi e sfingolipidi) e steroli (colesterolo). Sono molecole anfipatiche, ovvero molecole insolubili in acqua, ma con regioni idrosolubili. Di particolare interesse sono i fosfolipidi, poichè la maggior parte di questi lipidi, se messi in sospensione in un eccesso di acqua forma spontanemente doppi strati. 3. sono solubili in acqua 4. sono associate alla membrana mediante interazioni di tipo elettrostatico Figura 1.2: Le teste polari della fosfotidilcolina stabilizzano il doppio strato per interazione elttrostatica tra un gruppo -N + (CH3) 3 e un gruppo -PO4-6

8 I fosfolipidi di membrana non sono statici, ma si muovono assicurando che il doppio foglietto sia un struttura dinamica. I doppi strati lipidici esistono in due fasi: la fase gel (solida) e la fase fluida. La temperatura (T) è il parametro che regola la transizione da una fase all altra. La mobilità delle doppie catene aumenta nello stato fluido. Tra i movimenti distinguiamo: 1. Movimenti di flessione e rotazione (nell ambito delle molecole) e di stabilizzazione da parte del colesterolo. Figura 1.3: Schema di movimenti di rotazione e del ruolo di stabilizzazione del colesterolo 2. Movimenti di diffusione laterale nelle membrane (movimenti nell ambito dei foglietti). Le molecole di lipidi diffondono sulla superficie di un doppio strato con una molecola di lipide contigua oppure occupano uno spazio vicino. E un movimento assai rapido 7

9 La distribuzione dei fosfolipidi di membrana è asimmetrica. Ovvero, i fosfolipidi presenti sul versante citoplasmatico non sono identici e non sono ditribuiti come quelli presenti sul versante interstiziale. Questa asimmetria è più o meno spiccata a seconda dei tipi cellulari. Figura 1.6: Esempio di distribuzione asimmetrica dei fosolipidi di membrana. Figura 1.4: Il cammino percorso X segue la legge: X 2 = 4D t, dove D = coefficiente di diffusione. Nei doppi strati in fase gel D = 10-11cm 2 /s, nei doppi strati in fase fluida D = 10-8cm 2 /s.in una cellula batterica il tempo di diffusione da un estremo all altro è 1/2s nella fase fluida e 8 m nella fase gel. 3. Movimenti flip-flop (movimenti tra i foglietti). In questo caso i fosfolipidi si spostano da una metà all altra del doppio strato. Il flip-flop spontaneo è un movimento molto lento in quanto la testa polare deve attraversare uno strato apolare per passare da un lato all altro della membrana. Carboidrati di membrana Figura 1.5: Schema di flip-flop spontaneo. Il tempo di emivita di un lipide su un lato della membrana si misura in settimane. Anche se cosituiscono solo il 2-10 % della massa della membrana, i carboidrati di membrana svolgono importanti funzioni fisiologiche, per esempio di recettore. Essi costituiscono la parte glucidica delle proteine (glicoproteine) e dei lipidi (glicolipidi). Sono strutture idrofiliche che non penetrano la membrana e sono anch essi distribuiti in modo 8

10 asimmetrico. Per esempio, la parte glucidica dei lipidi - glicolipidi - sono per lo più presenti sulla superficie esterna della membrana. La maggior parte delle proteine esposte all esterno sono legate a carboidrati - glicoproteine. I processi di trasporto transmembranario In questo capitolo tratteremo delle forze e dei meccanismi che causano il trasporto di acqua e soluti attraverso la membrana cellulare. Diffusione La diffusione è un fenomeno passivo che evolve spontaneamente. E esperienza comune assistere alla graduale diluizione di una goccia di inchiostro fatta precipitare in un bicchiere di acqua. L inchiostro diffonde spontaneamente sino a che la sua concentrazione diventa omogenea in tutto il volume di solvente La diffusione può essere libera, come quella citata nell esempio precendente, oppure avvenire attraverso una membrana permeabile. Essi sono 3. Diffusione (semplice e facilitata) 4. Filtrazione 5. Osmosi 6. Trasporto attivo (primario e secondario) Figura 1.7: Schema riassuntivo d e i p r i n c i p a l i s i s t e m i d i trasporto di membrana. Figura 7: Esempio di diffusione libera. Figura 1.8: E s e m p i o d i diffusione attraverso una membrana. La diffusione assicura che, dopo un certo tempo, le concentrazioni C1 e C2 siano uguali. 9

11 I principali fattori che determinano la diffusione attraverso una membrana sono compendiati e descritti nella cosiddetta prima legge di Fick. Figura 1.9: Definizione del f l u s s o d i d i f f u s i o n e M attraverso l area A lungo il gradiente C/ x. Il tratto punteggiato costituisce una barriera di diffusione tra due componenti omogenei. La diffusione è tanto più rapida quanto più piccola è la particella. Infatti il coefficiente di diffusione D dipende dal raggio r della particella: D = RT / 6 π η r N M = -D. A. c/ x La velocità di diffusione di un soluto (M) dipende dall area della barriera (A), dal coefficiente di diffusione (D), dallo spessore della membrana ( x) e dal gradiente di concentrazione ai due lati della membrana ( c). Il coefficiente di diffusione per le varie sostanze nelle membrane biologiche dipende dal tipo di sostanze e dalle dimensioni. Per esempio, la diffusione è più rapida per le molecole liposolubili. Quindi la velocità di diffusione dipende anche dall interazione composto-membrana. Gli ioni, essendo carichi elettricamente non passano facilmente attraverso le membrane. Inoltre, ogni ione è circondato da una nuvola di molecole di acqua: l acqua di idratazione che ne aumenta le dimensioni reali. Il trasporto degli ioni attraverso le membrane deve quindi essere organizzato in modo diverso dalla semplice diffusione. Tabella 1.2: C o e f f i c i e n t i d i diffusione per sostanze di diversa dimensione. Quindi, La diffusione è rapida per le molecole di piccole dimensioni (fino a 200 di PM). Per sostanze di dimensioni superiori, quali le proteine p.e., la diffusione è totalmente impedita. Anche in questo caso devono essere trasportate mediante meccanismi diversi. La diffusione dipende anche dal cammino che la sostanze deve percorrere, nel nostro caso dallo spessore di membrana, e la diffusione è tanto più rapida quanto minore è la distanza x da superare. 10

12 una variazione del potenziale di membrana (canali voltaggio dipendenti); un legame ad un neurotrasmettitore (canali ligando dipendenti). Tabella 1.3: Tempi necessari ad una sostanza di medie dimensioni con D = cm 2 /s. La diffusione per molecole piccole dimensioni e liposolubili viene anche definita come diffusione semplice. Quando si tratta di sostanze di maggiori dimensioni o idrosolubili, si parla di diffusione facilitata. In questo caso esistono canali preferenziali : la diffusione non avviene attraverso la membrana ma attraverso proteine trans-membrana (pori). I canali sempre aperti (p.e. i canali ionici) sono comunque selettivi poichè selezionano le sostanze non solo in base al loro peso molecolare, ma anche all acqua di idratazione e a siti specifici di legame / riconoscimento al loro interno. Figura 1.11: Esempio di canale ionico aperto o chiuso Per esempio, i canali ioni per il sodio e per il potassio selezionano i due ioni in base al PM e al raggio di idratazione. Na + : 23 di PM ma 0.18 di raggio di idratazione (nm) Figura 1.10: rappresentazione schematica del doppio foglietto lipidico di membrana con proteine intrinseche ed proteina intrinseca transmembrana che costituisce un poro. K + : 39 di PM ma 0.12 di raggio di idratazione (nm) I pori possono essere sempre aperti o venire aperti / chiusi in seguito a: 11

13 Figura 1.12: Esempio di canale ionico selettivo per il potassio I canali voltaggio dipendenti modificano la loro conduttanza per una specifica sostanza in funzione del potenziale di membrana. Figura 1.13: Esempio di canale ionico voltaggio dipendente I canali ligando dipendenti modificano la permeabilità a specifici ioni quando uno specifico mediatore si lega ad un sito recettoriale associato al canale. Figura 1.14: Esempio di canale ionico ligando dipendente. Trasporto mediato da carrier Riguarda sostanze di dimensioni superiori agli ioni che non possono, quindi, diffondere attraverso le membrane o passare lungo i pori. Utilizzano proteine vettrici che trasportano le sostanze lungo i loro gradienti elettrochimici (trasporto passivo, simile alla diffusione facilitata) oppure contro questi gradienti (trasporto attivo). Nel caso del trasporto attivo, viene consumata energia chimica per fare superare alla sostanza un gradiente energetico che ostacola la diffusione. Tale energia è di solito ottenuta dalla liberazione di energia libera ( G) che consegue all idrolisi dell ATP. Il trasporto attivo, a sua volta, è primario, nel caso la sostanza trasportata attraversi la membrana da sola (uniporto), oppure secondario nel caso sia associato al trasporto di un altra 12

14 sostanza nella stessa direzione (simporto) o in direzione opposta (antiporto) saturabili, mentre la diffusione semplice non lo è; sono caratterizzati da specificità chimica nei confronti della sostanza (o famiglia di sostanze simili) trasportata; subiscono inibizione competitiva; è possibile calcolare una km ed una v max della cinetica di trasporto. Figura 1.16: La diffusione non è saturabile (diagramma in alto); il trasporto mediante carrier lo è. Figura 1.15: Trasporto mediato da carrier. Diagramma in alto: schema di trasporto facilitato e attivo. Diagramma inferiore: schema di trasporto attivo primario e secondario. Le caratteristiche funzionali del sistema di trasporto mediato da carrier sono descritte da relazioni simili a quelle che caratterizzano la cinetica enzimatica. Infatti questi sistemi sono: 13

15 Un classico esempio di trasporto attivo mediato da carrier è quello costituito dalla pompa sodio-potassio ATPasi dipendente. Questo sistema di trasporto attivo utilizza l energia liberata dall idrolisi dell ATP per espellere dalla cellula sodio ed immagazzinare potassio. E necessaria energia per vincere il il potenziale elettrochimico che si oppone alla diffusione spontanea dei due ioni. Si calcola che circa il 33% dell energia prodotta da ogni cellula venga utilizzata per mantenere in funzione questo sistema di trasporto attivo. Tale percentuale può arrivare addirittura al 70 % nelle cellule nervose. Specializzazione di membrana Negli epiteli dove il trasporto e la diffusione sono particolarmente importanti i sistemi di trasporto sono distribuiti in modo asimmetrico e si riscontra una sorta specializzazione di membrana. Questo è il caso dell epitelio dei tubuli renali ove i sistemi di trasporto del lato apicale (mucoso, quello verso il tubulo renale) sono diversi da quello basale (sieroso, verso i vasi sanguigni). Sul lato apicale si trovano spesso meccanismi trasporto di sostanze accoppiato all ingresso del sodio (simporti). Il sodio è poi espulso dalla cellula ad opera delle pompe Na + -K + relegate sul lato basale. Figura 1.17: Struttura proposta della Na + -K + ATPasi. La molecola è costituita da due subunità a e da due subunità b.ciascuna subunità a p o s s i e d e u n s i t o c a t a l i t i c o extracellulare al quale si lega l ATP ed un sito extracellulare al quel si legano uobaina e glicosidi. Vi sono tre siti di legami per il Na + e due per il K +. Il meccanismo medianet il quale avviene il trasporto p r o b a b i l m e n t e c o m p o r t a i cambiamenti conformazionali schematizzati nella figura. Figura 1.18: Epitelio tubulare renale. Sul versante mucoso sono presenti i siti di co-trasporto di Na+-Glucosio, Na-aminoacidi, Na-Cl (sensibili alla furosamide) nonchè i porti sensibili alla florizina (dall alto al basso). Sul lato sieroso (e laterale) si trova la pompa Na + -K +. Ad ogni ciclo sono espulsi 3 ioni Na+ e sono trasportati all interno 2 ioni K+. La pompa, quindi, è elettrogenica poichè comporta un accumulo netto di cariche positive all esterno della cellula. 14

16 Osmosi e filtrazione Non solo il soluti attraversano le membrane cellulari. Anche l acqua, ovvero il solvente, le attraversa lungo canali specializzati (acquaporine, AQP1 e AQP2). La diffusione dell acqua è causata normalmente dalla differenze di pressione osmotica esistente a cavallo di una membrana. C D Ciò non è strettamente vero per tutti i distretti del nostro organismo. Per esempio, a livello capillare, alla forza osmotica si aggiunge la differenza di pressione idrostatica esistente a cavallo della parete capillare e il flusso di acqua è determinato dalla somma algebrica delle varie pressioni (osmotiche e idrostatiche, capillari e interstiziali) a cavallo della parete capillare. Per osmosi si intende la diffusione delle molecole di solvente da una zona a maggior concentrazione (o attività) ad una zona a minor concentrazione attraverso una membrana semipermeabile (al solvente ma non al soluto). A B Figura 1.20: C: il solvente continua a passare dal compartimento di sinistra a quello di destra sino a quando le concentrazioni di solvente sono uguali. Il processo termina quando le due concentrazioni sono identiche. D: la diffusione del solvente può essere impedita applicando un contropressione sulla soluzione del compartimento di destra più concentrata in termini di soluto. La forza applicata per unità di superficie è una pressione: la pressione osmotica. Sarebbe scomodo esprimere la pressione osmotica in termini di attività del solvente. Poiché dipende dalla concentrazione del soluto, la si esprime in funzione della concentrazione del soluto in una determinata soluzione. Applicando la legge universale dei gas: PV = nrt P = RT n/v Figura 1.19: A: due compartimenti con solvente separati da membrana semipermeabile: B: nel compartimento di destro si aggiunge soluto, quindi la concentrazione (attività) del solvente diminuisce. si può esprimere in modo analogo la pressione osmotica (Π) Π = RT (Φ i c) 15

17 dove: Φ = coefficiente osmotico i = numero di particelle che derivano dall eventuale dissociazione nel solvente nel soluto n = numero di particelle c = n/v = concentrazione Le cellule contengono più soluti dello spazio interstiziale. Per evitare il loro rigonfiamento possono o irrigidire le pareti cellulari con una contro-pressione pari a quella osmotica e quindi impedire di fatto lo spostamento d acqua (piante) oppure pompare fuori dalla cellula soluti e quindi impedire di fatto lo spostamento d acqua (animali) Il coefficiente osmotico tiene conto del fatto che non tutte le particelle di soluto sono in soluzione e in grado, quindi, di esercitare un effetto osmotico. La pressione osmotica è proporzionale al numero di particelle (n) presenti in soluzione (proprietà colligativa delle soluzioni) e non dal tipo di soluto. Una differenza di 1 mosmole/kg di solvente equivale ad una differenza di 19.3 mm Hg a 37 C (1 osmole 25 atmosfere a 37 e 22,4 atmosfere a 0 C. Questi valori conseguono dall esprimere π = nrt). L aggiunta di 1 mole di NaCl da un lato della membrana semipermeabile può essere bilanciata dall aggiunta di 2 moli di glucosio dalla parte opposta. Le cariche elettriche e il PM sono ininfluenti. Conta solo il numero di particelle in soluzione. L acqua passa attraverso tutte le membrane con estrema facilità e quindi pareggia la concentrazione osmolare in tutti i compartimenti dell organismo. Ne consegue che variazioni di composizione in soluti a cavallo delle membrane causano spostamenti di acqua in modo che si annullino differenze di pressione osmotica (Inserto 2). Tabella 1.4: Coefficienti osmotici di sostanze di interesse biologico. Un altro coefficiente citato a proposito della filtrazione di solvente causato dalla forze osmotiche è il cosiddetto coefficiente di riflessione, nel caso specifico in cui le sostanze 16

18 responsabili dell osmosi non siano cristalloidi (ioni), ma proteine. In questo caso, si definisce la pressione come pressione oncotica. membrana. Quindi, i soluti non diffusibili attirano acqua più velocemente di quelli diffusibili. Il coefficiente di riflessione viene spesso visto come un fattore correttivo. L'idea su cui si basa è che la differenza nella pressione oncotica contribuisce alla forza risultante netta perché la maggior parte dei capillari nel corpo sono pressoché impermeabili alle proteine di grande peso molecolare. Molti corpi capillari hanno una piccola permeabilità alle proteine (come l'albumina). Questa piccola possibilità di infiltrazione per le proteine ha due effetti importanti: la pressione del fluido interstiziale oncotico è più alta di quanto sarebbe altrimenti in quel tessuto non tutta la quantità di proteine presenti è efficace nel ritenere l'acqua e quindi la pressione capillare oncotica effettiva è minore della pressione capillare oncotica. Entrambi questi effetti diminuiscono il contributo del gradiente della pressione oncotica alla forza netta che si sviluppa. Il coefficiente di riflessione è usato per correggere il valore del gradiente misurato per tener conto dell'inefficacia parziale dovuta agli effetti descritti sopra. Questo coefficiente può avere valore compreso fra 0 e 1 e indica la relativa facilità con la quale un soluto attraversa la Tabella 5: Flusso osmotico di acqua ( m i c r o l i t r i / m i n M ) a t t r a v e r s o u n membrana da dialisi causato da diversi soluti con relativi coefficienti di riflessione. I flussi sono confrontati con quelli provocati da una pressione idrostatica equivalente. Osmolalità e tonicità plasmatiche La concentrazione di cristalloidi plasmatici corrisponde è circa 290 mosmoli per kg di acqua. Questa concentrazione, come abbiamo visto, corrisponde a circa 7.3 atmosfere! Un liquido iso-osmolale con il plasma ha quindi una concentrazione di mosmoli per kg di solvente. Questo é il caso della cosiddetta soluzione fisiologica allo 0.9 % di Na Cl (9 gr per litro). 17

19 Una soluzione iso-osmolale è chiamata soluzione isotonica. In una soluzione ipotonica, l osmolalità efettiva è minore di quella del plasma; in una ipertonica è maggiore. Gli eritrociti possono essere utilizzati come osmometri. Se sono immersi in una soluzione ipertonica, essi perdono acqua e srimpiccioliscono; se immessi in una ipotonica si rigonfiano. Esocitosi ed endocitosi Riguarda essenzialmente le proteine. E un sistema di trasporto che costa energia in cui, in realtà, non si assiste ad un vero e proprio attraversamento della membrana. Figura 1.22: Esempio di eso-endocitosi. Figura 1.21: Comportamento osmotico di un eritrocita umano in una soluzione di NaCl. Alla concentrazione di 154 mm do NaCl (soluzione isotonica) l eritrocita mantiene il suo volume normale. Esso si raggrinza in una soluzione ipertonica e si rigonfia in una soluzione ipotonica. 18

20 Inserto 2: La pressione osmotica Il trasporto dell acqua attraverso le membrane è quindi un fenomeno passivo. In particolare esso è una funzione lineare non saturabile della forza netta totale ( µh2o, Totale). µh2o, Totale dipende da: potenziale chimico ( µh2o), funzione della differenza di concentrazione dell acqua a cavallo della membrana; dalla differenza di pressione idrostatica () a cavallo della membrana ( µh2o, Pressione). Δµ H2 O, Totale = Δµ H2 O + Δµ H2 O, Pressione [ H 2 O] Δµ H2 O, Totale = RT ln i + V [ H 2 O] H2 O ( P i - P o ) o Parte idrostatica Differenza di energia totale µh2o, Totale corrisponde dimensionalmente ad un lavoro per mole. In realtà è scomodo avere a che fare con la concentrazione dell acqua. In secondo luogo, si dovrebbe utilizzare in modo più appropriato l attività dell acqua: a(h2o) = 1 - k [C] Parte chimica dove [C] è la concentrazione di particelle di soluto e k = e au alta attività corrisponde una bassa [C] (e viceversa). Si preferisce, quindi, ragionare in termini di osmolalità, ovvero di di concentrazione di soluti osmoticamente attivi per kg di solvente puro. In soluzioni diluite, il gradiente di H2O a cavallo delle membrane è grossomodo proporzionale alla differenza delle osmolalità: ln [ H 2 O] i H 2 O V [ ] H2 O ( Osm o - Osm i ) e Δµ H2 O, Totale Energia per mole = V H 2 O RT Osm - Osm o i Volume Mole Quindi possiamo sostituire ed ottenere: ( ) + ( P i - P o ) Pressione Il termine tra parentesi quadre è una pressione e descrive, quindi, la forza che determina il flusso dell acqua (Jv, litri/cm 2 s) attraverso la membrana, dove Lp è la conduttività idraulica: ( ) + ( P i - P o ) J v = L p RT Osm o - Osm i La condizione di equilibrio è soddisfatta quando µh2o, Totale è uguale a zero. In questo caso la differenza di pressione osmotica è esattamente uguale a quella della pressione idrostatica e non c è flusso. Le membrane delle cellule animali non sono molto rigide. Quindi, la differenza di pressione idrostatica a cavallo delle 19

21 membrane è sempre praticamente zero e non costituisce una forza netta per il trasporto di acqua. Il trasporto di acqua è quindi determinato dalle differenze di pressione osmotica. Questo movimento prende il nome di osmosi Un caso particolare è costituito da trasporto di ultrafiltrato attraverso le pareti dei capillari. In questo caso: 1) esiste una differenza di pressione idrostatica a cavallo delle pareti dei capillari; 2) esiste una differenza di pressione osmotica dovuto all accumulo di proteine nel plasma - 25 mm Hg - Pressione colloidoosmotica o pressione oncotica. 20

22 SEZIONE 2 Potenziale di membrana, eccitazione e conduzione OBIETTIVI Potenziale di membrana a riposo Se introduciamo nella cellula, dopo aver superato la membrana citoplasmatica, un elettrodo di vetro all argentocloruro di argento e chiudiamo il circuito collegando il due capi di esso ad un voltmetro, misuriamo un potenziale negativo all interno della cellula rispetto all esterno. Alla base di questo potenziale - potenziale di membrana a risposo (PMR) sta la separazione di ioni e di macromolecole cariche da parte della membrana che provoca uno squilibrio ionico tra LEC e LIC stabile nel tempo. 1. Genesi e mantenimento del potenziale di membrana a riposo 2. Potenziale elettrochimico, potenziale di equilibrio ed equazione di Nernst 3. Equazione di Goldman e PMR del neurone 4. Potenziale di azione: descrizione delle fasi e determinanti fisico-chimici 5. Andamento delle conduttanze del sodio e del potassio nel corso del PA 6. Periodi refrattari 7. Propagazione del PA nelle fibre amieliniche e mieliniche Figura 1.23: Registrazione del PMR mediante elettrodo. Esaminiamo ora, con l aiuto di un esperimento immaginario, come si genera il PMR. Prendiamo una cellula circondata dal liquido extracellulare (LEC). Nel LIC esiste una maggiore concentrazione di proteine e di K +, tipico catione intracellulare. Vi è quindi un gradiente chimico che favorisce l uscita di K +, resa per altro 21

23 più facile dalla relativamente alta permeabilità delle membrane per questo ione. Gli anioni macromolecolari proteici, però, non possono accompagnare gli ioni K + e rimangono segregati all interno del LIC. Si accumulano quindi cariche negative all interno del LIC e il potenziale inizia a diventare negativo all interno rispetto all esterno. Nel frattempo, si accumulano cariche negative in eccesso sulla superficie interna della membrana cellulare che attirano i K + presenti nel LEC. In realtà attirano tutti i cationi, ma la membrana cellulare è assai meno permeabile al Na + che al K +. Ad un certo punto, il gradiente chimico che favorisce l uscita di K + è controbilanciato dalla forza elettrica che vi si oppone. Quando le due diventano uguali, il potenziale elettrochimico si annulla e si raggiunge il potenziale di equilibrio. Nella fattispecie, si raggiunge il potenziale di equilibrio per il potassio. Potenziale elettrochimico, potenziale di equilibrio ed equazione di Nernst Il potenziale elettrochimico (µ) descrive e quantifica le forze chimiche ed elettriche alle quali è sottoposto uno ione in soluzione. µ = µ o + R T l C + z F E dove: µ 0 è il potenziale elettrochimico della sostanza in condizioni di riferimento (1M, 0 C, E = 0); Figura 1,24: Generazione del potenziale di equilibrio per il potassio. R è la costante universale dei gas (8314,472 J K -1 mol -1 ); T è la temperatura assoluta in gradi K ( T in C) Z è il numero di cariche dello ione; 22

24 F è il numero di Faraday, quantità di carica elettrica in coulomb per mole di elettroni (96485,3415 coulomb per mole); E è il potenziale elettrico µ è espresso in energia per mole, rappresenta l energia potenziale posseduta da una mole di ioni ed è il risultato della concentrazione e del potenziale vigenti. Il flusso di ioni va dal sito in cui µ è più alto a quello in cui µ è più basso. Per capire la direzione del flusso dal distretto A a quello B o viceversa, quindi, si deve calcolare la differenza di potenziale elettrochimico di un determinato ione a cavallo della membrana ( µ): µ = µ A(x) - µ B(x). Il flusso netto diventa uguale a 0 quando µ si annulla. In questo caso, il numero di ioni x che va da A a B in una determinata unità di tempo è esattamente controbilanciato dal numero di ioni che segue il cammino inverso. La condizione di µ = 0 corrisponde ad un preciso potenziale E a cavallo della membrana citoplasmatica, il potenziale di equilibrio. µa(x) = µoa(x) + RTln[x]A + zfe A µb(x) = µo B(x) + RTln [x]b + zfeb (E A - E B) = - RT/ zf ln [x] A/[x] B =RT/ zf ln [x] B/[x] A L ultima equazione è la cosiddetta equazione di Nernst e fornisce il potenziale di equilibrio per la specie ionica x. Essa quantifica la differenza di potenziale elettrico (EA - EB) richiesta per produrre una forza elettrostatica (zf (EA - EB)) uguale ed opposta a quella chimica (RTln ([x]a/[x]b)) che tende a far diffondere x da A a B. La membrana citoplasmatica è relativamente permeabile al K +. A lungo andare, quindi, le differenze di concentrazione di K + a cavallo della membrana si annullerebbero e con esse anche il PMR. La pompa Na + -K + ATPasi dipendente mantiene le differenze di concentrazione di Na + e K + ai due lati della membrana allo scopo di mantenerli lontano dal loro equilibrio EC. Come già ricordato, è una pompa elettrogenica: per 2 K + riassorbiti, 3 Na + sono espulsi. Benché il PRM sia molto vicino a EK +, e la pompa Na + -K + mantenga il gradiente di concentrazione per la diffusione di K +, l effettivo valore del potenziale a riposo (Er) è determinato dalle concentrazioni extra ed intracellulari di tutti gli ioni nelle immediate vicinanze della MP. Per gli ioni potassio, sodio e cloro questa relazione è espressa dall equazione di Goldman: Δµ (x) = 0 = µa(x) - µ B(x) = RTln [x]a/[x]b + zf (E A - E B) 23

25 E r = RT F lnp K K + +P O Na Na + +P O Cl Cl P K+ K +P I Na Na + +P I Cl Cl Di fatto è la somma delle equazioni di Nernst delle tre specie ioniche pesate per le rispettive permeabilità P. I O Questo fa si che Er sia molto più vicino al potenziale di equilibrio per il K + di quanto lo sia per il Na +. Potassio K + extracellulare = 2.5 mm K + intracellulare = 140 mm EK + = -105 mv Poichè PMR è diverso (meno negativo) da EK +, K + tende a diffondere verso LEC. Sodio Na + extracellulare = 120 mm Na + intracellulare = 9.2 mm ENa + = +67 mv Na + non é in equilibrio con Er: tende a diffondere all interno della cellula. La membrana, però, è normalmente poco permeabile a Na +. Figura 1.25: Diagramma a sinistra: schema di funzionamento della pompa Na + - K + ; diagramma destra: canali per il Na + e per il K +. La permeabilità di membrana per il K + è di circa un ordine di grandezza superiore a quella per il Na +. Poiché la permeabilità per il Na + è molto più bassa di quella per il K +, il rapporto tra Na + extracellurare (o) e intracellulare (i) conta assai poco nel bilancio globale descritto dell equazione e che fornisce il valore di Er uguale a circa -90 mv. Cloro Cl - extracellulare = 120 mm Cl - intracellulare = 3.5 mm ECl - = -89 mv Cl - é in equilibrio con Er e non tende a diffondere. La membrana è permeabile a Cl -. L equazione di Goldman ci fa anche capire che il PMR dipende essenzialmente da i rapporti tra concentrazioni ioniche intra ed extracellulari; dai rapporti tra le loro permeabilità. 24

26 Per stabilire e mantenere il PMR, quindi, non sono necessari grandi squilibri di concentrazioni di ioni a cavallo della membrana. A cavallo della membrana cellulare gli ioni sono presenti ad concentrazioni diseguali solo in uno strato sottilissimo e in ciascun compartimento la somma delle cariche negative e di quelle negative è praticamente sempre uguale a 0. Vige cioè sempre l elettroneutralità. Il potenziale di azione Se, con un elettrodo, si forniscono ad una cellula eccitabile (cellula nervosa e cellule del tessuto muscolare) correnti depolarizzanti progressivamente più intense, il potenziale di membrana a riposo diventa progressivamente e temporaneamente meno negativo per poi riacquisire il valore del potenziale a riposo. soglia, il potenziale di azione decorre inevitabilmente secondo modalità, fasi e tempi stereotipati tipici della specie cellulare. Nel potenziale di azione, quindi, distinguiamo le seguenti fasi: 1. Depolarizzazione Il PM diventa meno negativo (da -70 a.50 mv) 2. Overshoot Il PM supera lo 0 elettrico 3. Iperpolarizzazione Il PM diventa più negativo (-90 mv) 4. Ripolarizzazione Il PM torna a PMR (a -70 mv) Se però il potenziale raggiunge un determinato valore - potenziale soglia - la situazione cambia radicalmente. Il potenziale, infatti, diventa rapidamente e per pochi istanti (almeno nelle cellule nervose e nelle cellule muscolari scheletriche) positivo, Dopodiché, il potenziale ridiventa gradualmente negativo e si ristabilisce la situazione esistente prima della stimolazione. In alcuni casi, il potenziale può addirittura diventare temporaneamente più negativo di quanto lo sia a riposo normalmente. Gli eventi appena descritti sono le fasi nelle quali evolve il cosiddetto potenziale di azione (PA), un evento tutto - o - nulla la cui caratteristica più saliente è costituita dalla depolarizzazione cellulare. Una volta raggiunto il potenziale Figura 1.26: Modificazioni del potenziale di membrana in riposta a impulsi di corrente depolarizzante di ampiezza crescente. Quando la cellula si depolarizza sino al valore soglia, si genera un potenziale di azione. 25

27 Genesi del potenziale di azione Il potenziale di azione è generato da un ordinata serie di eventi che coinvolgono specifici canali voltaggio - dipendenti. In pratica, la conduttanza per il Na + prima aumenta e poi diminuisce e il flusso di cariche positive si arresta prima che il sodio raggiunga il suo potenziale elettro chimico (+67 mv). Contemporaneamente aumenta, per poi diminuire, quella del K + di altri canali specifici voltaggio - dipendenti Canali voltaggio - dipendenti per il sodio Questi canali si comportano come se avessero due cancelli, uno di attivazione (A) ed uno di inattivazione (I). La loro apertura è simultanea e controllata dal voltaggio. Figura 1.27: Variazioni del grado di apertura dei cancelli A e I del canale per il sodio durante il potenziale di azione. I canali I, però, si chiudono più lentamente e il rapido ciclo di apertura di A seguito dalla chiusura di quelli I induce un rapido, ma transitorio aumento della conduttanza per aumento della permeabilità di membrana per il sodio. Questo fa sì che il flusso di cariche positive si arresti prima che il sodio raggiunga il suo potenziale elettro chimico (+67 mv). Canali voltaggio - dipendenti per il potassio Nella membrana cellulare ci sono anche canali lenti per il potassio voltaggio - dipendenti. Quando diminuisce la negatività sul lato citoplasmatico anche questi si aprono: il potassio tende a uscire e a ripristinare il PMR. Nella fase di depolarizzazione rapida, l uscita del potassio contribuisce a determinare la fine della depolarizzazione e ad iniziare la ripolarizzazione. Figura 1.28: Descrizione d e g l i e v e n t i c h e i n t e r e s s a n o i c a n a l i voltaggio - dipendenti peri il sodio e per i potassio durante depolarizzazione, overshoot e ripolarizzazione. All aumentare del voltaggio, un numero sempre maggiore di canali si apre (ciclo di Hodgkin). L entrata di particelle positive riduce ulteriormente la negatività sul lato citoplasmatico e altri canali si aprono (effetto a cascata). 26

28 In alcuni neuroni, durante la ripolarizzazione il potassio che esce è più di quanto richiesto causando iperpolarizzazione di membrana. La rapida concatenazione degli eventi di membrana, ovvero l apertura e la chiusura preordinata dei canali voltaggio - dipendenti implica inoltre che Il PM prima tende al potenziale di riposo del sodio (+ 67 mv) e poi al potenziale di riposo del potassio (-105 mv) senza raggiungere nessuno dei due. La modificazione della permeabilità per i gli ioni sodio e potassio coinvolge ovviamente un grande numero dei canali presenti sulle membrana. Ciò si estrinseca in variazioni della conduttanza di membrana per il Na + e per K + che si susseguono con un tipico andamento temporale. Inoltre, la sequenza, una volta innescata, non è più reversibile. Il PA è una risposta massimale tutto-o-nulla: una volta raggiunto il potenziale di soglia, il PA si autogenera ed evolve spontaneamente. Figura 1.29: Riassunto d e g l i e v e n t i c h e s i susseguono nel corso di un PA. I diagrammi mostrano, dall alto verso il basso, la modificazione della permeabilità per il sodio e per il potassio dei canali coinvolti e le modificazioni di voltaggio di membrana che ne conseguono. Figura 1.30: Conduttanze di membrana per il sodio e per il potassio durante il PA. Come si vede, la conduttanza per il Na + aumenta transitoriamente nella fase iniziale per poi ritornare alla condizione di riposo. Quella per il K + inizia ad aumentare in tempi successivi e ritorna al livello iniziale più lentamente. Se si sostituiscono nell equazione di Goldman i valori assunti delle conduttanze per i due ioni in tempi successivi, si ottiene il profilo del voltaggio di membrana descritto durante il PA. Ciò dimostra anche che per ottenere la depolarizzazione e 27

29 l overshoot non è necessaria una traslocazione di numerose cariche ioniche dall ambiente intracellulare a quello extracellulare e viceversa. La sola modificazione preordinata delle conduttanze nel tempo è in grado di spiegare il profilo del voltaggio nel corso del PA. Periodi refrattari Per un certo periodo di tempo dopo il PA, nessuno stimolo, per quanto intenso, riesce ad eccitare la cellula nervosa. Tale intervallo di tempo prende il nome di periodo refrattario assoluto. Dopo il PA, una frazione consistente dei canali per il sodio è inattivata e non possono riaprirsi fino a che la membrana non si ripolarizza. La conduttanza al potassio è ancora elevata. In tempi successivi, solo stimoli più forti del normale riescono ad eccitare il nervo. Ci troviamo in quelle che è definito periodo refrattari relativo. In questo periodo, alcuni canali per il sodio sono ancora inattivati ed il loro numero diminuisce gradualmente con il proseguire della ripolarizzazione. La conduttanza al potassio rimane ancora elevata. Il potenziale soglia è più elevato ed il numero di canali per il sodio attivi e disponibili ad aprirsi è minore rispetto a quello che si trova nella cellula a riposo. Ciò giustifica il valore più basso raggiunto dall overshoot. Figura 1.31: Periodo refrattario assoluto e periodo refrattario relativo. Si notano il valore più elevato del potenziale di soglia e quello più basso dell overshoot in una cellula stimolata e depolarizzata durante il periodo refrattario relativo. Propagazione del potenziale di azione L onda di depolarizzazione che viaggia lungo una cellula o una fibra nervosa (assone) prende il nome di impulso nervoso. Nella zona in cui è sorto il PA iniziale, cariche positive trasportate da ioni Na + fluiscono verso l interno (punto di scarico). In questa zona, ioni Na + sono richiamati da zone adiacenti (sorgente) della membrana e la corrente assume un andamento circolare. L accumulo di cariche positive lungo l assone dalla parte interna della membrana nelle zone sorgenti può raggiungere i potenziale di soglia ed innescare il PA. Ripetendosi questo meccanismo, tratti successivi 28

30 dell assone possono depolarizzarsi e l impulso si trasmette lungo l assone. elettricamente dal LEC e non permettono il passaggio degli ioni coinvolti nella genesi del PA. I segmenti ricoperti da mielina, quindi, non si depolarizzano. Figura 1.32: Trasmissione dell impulso nervoso lungo una fibra nervosa amielinica. A: situazione a riposo. B: genesi del PA e delle correnti circolari. C: se il PMR raggiunge il potenziale soglia, si genera un PA. D: l impulso si trasmette nelle due direzioni lungo la fibra. Figura 1.33: Rappresentazione schematica di una fibra mielinica. La membrana cellulare è esposta al LEC solo a livello dei nodi di Ranvier. Le modalità di trasmissione appena descritta è quella che si attua nelle fibre amieliniche. In queste fibre, la velocità di propagazione del PA è proporzionale al diametro delle fibre. Le fibre mieliniche sono caratterizzate da una propagazione di tipo saltatorio caratterizzata da una velocità assai più elevata. La mielina è sostanza lipidica che conduce male la corrente ionica per cui i tratti di assone rivestiti da essa sono isolati Le zone sprovviste di mielina (nodi di Ranvier) posseggono un gran numero di canali per il Na+ e possono depolarizzarsi. L impulso quindi è condotto lungo l assone da un nodo all altro. Questa modalità di propoagazione prende il nome di conduzione saltatoria e la velocità di propagazione della depolarizzazione molto più elevata rispetto a quanto osservato nelle fibre amieleniche. 29

31 Le diverse velocità di conduzione dell impulso nervoso hanno consentito di classificare le diverse fibre nervose in funzione della velocità di conduzione. La Fisiologia dà i numeri 1 Consideriamo una fibra nervosa periferica mielinica con una velocità di conduzione di 100 m/s. La distanza internodale (tra un nodo di Ranvier e il successivo) è di 15 mm, un valore ragionevole per una fibra di diametro 18 µm. Quesito: quanto impiega un potenziale di azione a diffondersi da un nodo di Ranvier al successivo? Soluzione: (1,5 mm)/(100 mm/s) = 0,015 ms. Un potenziale di azione di una fibra nervosa dura circa 0,5-1,0 ms, con il picco a 0,2-0,6 ms. Questi tempi sono circa dieci volte più ampi del tempo calcolato. Figura 1.34: Rappresentazione della conduzione saltatoria da un nodo di Ranvier a quello successivo in una fibra mielinica. Il tempo brevissimo di 0,015 ms implica che il potenziale di azione costituisce un onda di depolarizzazione che coinvolge contemporaneamente più nodi, piuttosto di essere una depolarizzazione che salta da un nodo all altro FIBRE Tipo Mieliniche Amieliniche Localizzazione Velocità di conduzione (m/s) Gruppo I Gruppo II Gruppo III Gruppo IV A-alfa A-beta A-delta C Diametro (µ) Tabella 1.5: Suddivisione delle fibre nervose per diametro, tipologia e velocità di conduzione. Le fibre di gruppi I, II, III e IV sono di pertinenza muscolare; quella della tipologia A-alfa. A-beta. A-delta e C sono di pertinenza cutanea. 30

32 CAPITOLO 2 Trasmissione sinaptica In questo capitolo saranno illustrati i principali concetti concernenti la trasmissione dell informazione da una cellula nervosa all altra. Tratteremo quindi delle sinapsi elettriche e chimiche presenti nel sistema nervoso e muscolare

33 SEZIONE 1 Sinapsi elettriche e chimiche La sinapsi è una giunzione cellulare specializzata attraverso la quale si trasmettono in segnali da una cellula all altra (neuroni, neuroni-cellule muscolari). Le principali componenti principali di una sinapsi sono: la membrana presinaptica e la membrana postsinaptica. Vi sono due tipi di sinapsi: quelle chimiche e quelle elettriche OBIETTIVI 1. Definizione e struttura delle sinapsi 2. Sinapsi elettriche 3. Sinapsi chimiche rapide e lente, diffuse e discrete 4. Sinapsi colinergiche (placca neuromuscolare) e adrenergiche 5. Meccanismi pre e post sinaptici (EPSP; IPSP) 6. Principali neurotrasmettitori centrali e periferici 7. Meccanismi elementare di integrazione neuronale Sinapsi elettriche Nelle sinapsi elettriche l informazione si trasmette mediante uno scambio di ioni tra le cellule attraverso canali di membrana di congiunzione a bassa resistenza. Le membrane pre e postsinaptiche sono congiunte per mezzo di proteine che danno origine alle cosiddette giunzioni strette (gap junctions). Ogni semicanale, o connessone, è formato da sei subunità proteiche (connessine). Nell uomo queste strutture sono frequenti nel tessuto muscolare miocardico e liscio permettendo una rapida diffusione dell onda di depolarizzazione attraverso le cellule del tessuto. Anche per questo motivo il cuore e il tessuto muscolare liscio, seppure composti da diverse cellule sono definiti talvolta dei sincizi funzionali, lasciando intendere che si comportano dal punto di vista funzionale come se fossero composti da un unica cellula. La trasmissione elettrica attraverso le sinapsi elettriche può avvenire nelle due direzioni. 32

34 Figura 2.1: Immagine di microscopia elettronica di giunzione serrata Sinapsi chimiche In queste sinapsi una sostanza rilasciata dal neurone presinaptico per esocitosi (neurotrasmettore) è rilasciata nella fessura sinaptica e trasmette il segnale alla cellula postsinaptica. Il legame del neurotrasmettitore altera la conduttanza di membrana e il PM postisinaptici. Si possono classificare le sinapsi in vario modo. Per esempio, da punto di vista strutturale si distinguono sinapsi assosomatiche, assodendritiche, assoassoniche, en passant. I canali consentono anche il passaggio di molecole più grandi (AMPc). Servono anche a trasmettere segnali metabolici e di crescita. Un altra classificazione si basa sul tipo di neuromediatore presente nella sinapsi. Si hanno infatti, per esempio, sinapsi colinergiche, adrenergiche, etc, etc. Figura 2.3: Immagine schematica di una tipica sinapsi chimica. Figura 2.2: Immagine schematica longitudinale e trasversale di una giunzione serrata e di un connessone. Dal punto di vista funzionale si distinguono sinapsi rapide e sinapsi lente. 33

35 Nella trasmissione sinaptica chimica rapida il neurotrasmettitore (di basso peso molecolare) rilasciato per esocitosi da vescicole poste in prossimità della membrana presinaptica si accoppia rapidamente ai recettori postsinaptici. Figura 2.4: Immagine s c h e m a t i c a d i s i n a p s i chimica rapida. Nel funzionamento delle sinapsi chimiche distinguiamo meccanismi presinaptici ed eventi postisinaptici. Meccanismi presinaptici Sintesi ed accumulo di neurotrasmettitore Nel bottone terminale della cellula presinaptica si accumulano le vescicole che contengono quantità fisse (quanti) di neurotrasmettitore. Figura 2.6: Sintesi ed accumulo del neurotrasmettitore nel bottone presinaptico. Nella trasmissione sinaptica lenta il rilascio di neurotrasmettitore (di alto peso molecolare) da vescicole di maggiori dimensioni che si lega a recettori postsinaptici associati ad una proteina G membranaria. Figura 2.5: Immagine schematica di sinapsi chimica lenta. Le vescicole sono sequestrate in questa zona congiunte all actina del citoscheletro tramite la sinapsina I. La congiunzione è controllata da un meccanismo di fosforilazione dipendente dal sistema calmodulina-ca ++. La fosforilazione della sinapsina I svincola la vescicola dal legame e le permette la liberazione del neurotrasmettitore in risposta all arrivo del PA. 34

36 Liberazione del neurotrasmettitore L arrivo del PA nel bottone sinaptico attiva canali del Ca ++ voltaggio dipendenti e il calcio entra transitoriamente nel bottone terminale. Figura 2.8: Degradazione e resintesi dell ACh. Figura 2.7: Liberazione del neurotrasmettitore nella fessura sinaptica all arrivo del PA. Il breve aumento della concentrazione intracellulare locale di Ca ++ provoca la fusione delle vescicole in zone attive della m. presinaptica ed il rilascio del neurotrasmettitore mediante esocitosi. La quantità di neurotrasmettitore liberate dipende dalla concentrazione di Ca ++ nel bottone terminale e dal numero di vescicole disponibili. Ricaptazione-riutilizzo del neurotrasmettitore In molti casi, il neurotrasmettitore è ricaptato dalla cellula presinaptica e immagazzinato nelle vescicole. In altri casi. è parzialmente o totalmente degradato nella fessura sinaptica e solo parzialmente riutilizzato. In ogni caso, questi sono meccanismi utili per la cellula presinaptica che riparmia energia per la sintesi di nuove molecole di neutrasmettitore. Ad esempio, l acetilcolina (ACh), formata da acetato e colina, è idrolizzata dopo la liberazione nelle sinapsi colinergiche nei due componenti dall enzima acetilcolinesterasi. La colina ricaptata riforma ACh unendosi all acetil-coa durante una reazione catalizzata dall enzima colina acetiltransferasi (ChAT). La noradrenalina (NE), dopo liberazione nelle sinapsi noradrenergiche, è immagazzinata di nuovo o degradata dalla monoammino ossidasi (MAO) o dalla catecol-o-metil transferasi (COMT) presente nel bottone terminale. 35