La cellula nervosa. r. fesce. i meccanismi della eccitabilità dal paradigma stimolo-reazione alla elaborazione dell informazione

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1 La cellula nervosa i meccanismi della eccitabilità dal paradigma stimolo-reazione alla elaborazione dell informazione r. fesce centro di ricerca in neuroscienze università dell insubria - varese s. i. s. p. i. sabato 21 marzo 2015

2 compiti di ogni sistema biologico cambiare per sopravvivere persistenza delle caratteristiche fondamentali per mezzo di interazione continua con l ambiente esterno necessità di incessante rinnovamento necessità di una attività biochimica complessa e ininterrotta necessità di energia

3 i compiti di un sistema biologico (2) scambiare i substrati per produrre energia (glucosio, ossigeno), bruciarli e accumulare l energia in forma chimica queste sono le sole reazioni termodinamicamente favorevoli scambiare elettroliti e soluti al fine di mantenere una composizione intracellulare costante (omeostasi) riprodurre i propri componenti (proteine, acidi nucleici, membrane, composti organici con funzioni di substrati o di segnali) (omeostasi) regolare le proprie attività biochimiche in funzione di segnali interni e extracellulari Avviare ed eseguire complessi programmi cellulari (crescita, sviluppo, differenziamento, duplicazione, infiammazione, morte/apoptosi)

4 la cellula e i sistemi multicellulari in aggiunta alla produzione di energia, all omeostasi ed ai programmi complessi, la cellula deve eseguire processi biochimici e biofisici che non sono necessari per la cellula stessa, ma per l organismo: produzione di fattori regolatori e di ormoni, contrazione, secrezione, trasduzione di segnali sensoriali, attività bioelettrica ed elaborazione dei segnali in aggiunta alla produzione di energia, all omeostasi ed ai programmi complessi, un sistema multicellulare deve eseguire processi di trasporto da e verso le cellule e i tessuti, per la distribuzione dei substrati energetici e metabolici, dei prodotti del metabolismo cellulare, e delle molecole con funzione di segnale o di regolazione tutti questi processi devono essere conciliati ed eseguiti contemporaneamente

5 la regolazione tutte le reazioni biochimiche sono guidate da enzimi (generalmente proteine) la reazione enzimatica avviene attraverso una sequenza di transizioni conformazionali lo stato di carica dei gruppi laterali delle proteine influenza il potenziale chimico, e la probabilità, degli stati conformazionali quindi influenza anche la funzione degli enzimi il ph e gli elettroliti (soprattutto Ca2+) possono regolare l attività di tutte le reazioni nella cellula (legami deboli, rapidamente reversibili) alterazioni covalenti (la più imporatnte è la fosforilazione) cambiano la funzione degli enzimi in maniera ON/OFF - altri enzimi sono necessari per accendere (es. chinasi) o per spegnere (es. fosfatasi) l attività delle proteine in questo modo : la regolazione è a medio termine, attivamente reversibile la presenza stessa delle proteine, e la loro localizzazione, può essere regolata è una regolazione a lungo termine, spesso irreversibile, che generalmente implica la regolazione della trascrizione nucleare e della sintesi proteica

6 tipi di regolazione tutti i processi biochimici sono regolati dalle proteine implicate la regolazione è basata sulla presenza e sulla conformazione (e attività) delle proteine le proteine hanno attività di riconoscimento, di trasporto, enzimatica o di regolazione della trascrizione genica quindi la regolazione può essere rapida e rapidamente reversibile, attraverso legami deboli di ioni e ligandi a basso peso molecolare alle proteine; il legame è spontaneamente reversibile e in equilibrio continuo con la concentrazione del ligando persistente, attivamente reversibile e regolata essa stessa, attraverso legami forti, modificazioni covalenti «post-traduzionali» delle proteine (fosforilazione!); il legame e la sua scissione dono prodotti da enzimi che accendono o spengono la regolazione permanente e fissata in alterazioni strutturali, morfologiche e/o funzionali, attraverso l attivazione di sistemi biochimici che interferiscono con la regolazione della trascrizione nucleare e della sintesi delle proteine

7 D ioni 2nd messaggeri O2 ATP attivitàs metaboliche ENZIMI proteine in generale modulazione reversibile (legami deboli) regolazione semi-stabile (modificazioni post-traduzionali) regolazione a lungo termine (trascrizione) CO 2 A B chinasi fosfatasi chinasi tirosin-chinasi proteine-g monomeriche fattori di trascrizione ADP sintesi/trasporto/turnover di componenti cellulari scambio attraverso la membrana funzioni cellulari specifiche segnali extracellulari trascrizione nucleo C

8 stimolo risposta cellulare (locale) stimolo risposta ormonale stimolo risposta nervosa risposta locale elettrica segnale elettrico propagato risposta cellulare a distanza trasmissione all effettore

9 input elaborazione trasferimento output

10 input elaborazione trasferimento output

11 PK [K +]o K + Cl - (140 mm) (4-30 mm) Na + (14 mm) K + (4 mm) K+o Cl- (110 mm) K+i PK [K + ]i Na+ (140 mm) PNa [Na+]i PNa [Na+]o Na+i Na+o PCl [Cl-]i PCl [Cl-]o Cli- Clo-

12 membrana citoplasma Liquido extracellulare membrana citoplasma rm cm rm cm rm cm rm cm cm ra generatore di corrente 100% elettrodo extracellulare V0 Vm(x) =V0 e-x/λ 1/e = 37% λ Distanza (x)

13 tu ra + ap er + + riposo ina ttiv az ion inattivato + depolarizzazione ripolarizzazione a ria tti e on zi va ch ius ur e

14 potenziale di membrana mv potenziale di membrana +20 mv -10 mv -40 mv d conduttanza Na + c d c conduttanza K+ b a -70 mv d c b a corrente iniettata tempo (ms) correnti di membrana IK I tot I Na I stim ms

15 potenziale di membrana +20 mv codificazione in frequenza ========= la frequenza degli spike riflette l intensità della corrente -10 mv c -40 mv b a -70 mv corrente iniettata c b a tempo (ms)

16

17 terminazioni di neuroni presinaptici dendriti del neurone postsinaptico rivestimento mielinico soma del neurone postsinaptico assone del neurone postsinaptico sinapsi eccitatoria sinapsi inibitoria rami terminali di neuroni presinaptici

18 terminale assonale presinaptico vescicole sinaptiche vallo sinaptico dendrite postsinaptico Assone Mielina Terminale assonale Cellula presinaptica Potenziale d azione Cellula postsinaptica

19 la giunzione neuromuscolare schema del freeze-fracture

20 vescicole e attività sinaptica alla giunzione neuromuscolare

21 2 mv 20 ms

22 sinapsina Citoscheletro 1 Mobilizzazione Trasportatore vescicolare CAMKinasi II GTP P P P 2 Traffico 3A b Ra VAMP (sinaptobrevina) 3 Docking e priming Sinaptotagmina (p65) Neurexin SNAP canale Ca tossina tetanica Syntaxin tossine botuliniche Syntaxin α-latrotossina 4. Poro di fusione membrana della vescicola Sinaptofisina membrana plasmatica Canale del poro di fusione

23 assone i registraz. qui a a, poi dopo 0,5 ms a, poi dopo 0,2 ms

24 sei input separati sommazione spaziale

25 dendriti rivestimento mielinico corpo cellulare (soma) nodo di Ranvier monticolo assonico (hillock) regione trigger soglia del P.A. -45 picco del potenziale sinaptico qui scatta il potenziale d azione potenziale di membrana a riposo distanza dalla sinapsi

26 potenziale di membrana +20 mv codificazione in frequenza ========= la frequenza degli spike riflette l intensità della corrente -10 mv c -40 mv b a -70 mv corrente iniettata c b a tempo (ms)

27 due sistemi principali di regolazione canali recettori canali recettori attivati da stretch, regolatori intracellulari, fosforilazione sulla membrana degli organelli intracellulari attivati dal potenziale («voltaggio-dipendenti») attraverso due membrane (comunicazione intercellulare) attivati da ligandi extracellulari («ligando-dipendenti» o «recettori canali») sulla membrana plasmatica accoppiati a proteine G (7-regioni transmembranarie) sulla membrana plasmatica con attività enzimatica intrinseca (tyr-kinasi) - fattori di crescita sulla membrana plasmatica intracellulari citoplasmatici, per ligandi lipofili (ormoni) nel citoplasma

28 glia enzima + + enzima Gp secondo messaggero

29 biosintesi NEUROTRASMETTITORE livello dei precursori livello di espressione degli enzimi biosintetici regolazione degli enzimi accumulo interferenza con il gradiente di ph interferenza con il trasportatore vescicolare interferenza con le proteine di accumulo rilascio interferenza con i flussi di calcio interferenza con le proteine vescicolari interferenza con la riserva di vescicole farmaci modificazioni posttraduzionali regolazione dell espressione degradazione interferenza con gli enzimi catabolici interferenza con trasportatori ricaptazione interferenza con i neurotrasportatori di membrana RECETTORE mediatori/farmaci sul sito di legame (attivazione +/ intensa) modulazione del legame del mediatore endogeno interferenza con sintesi espressione in membrana degradazione del recettore

30 glia enzima mediatori endogeni e la stessa ATTIVITA del sistema possono modulare vari passaggi transitoriamente o a lungo termine + + enzima Gp secondo messaggero