POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO

TESSUTI ECCITABILI: NERVI PROF.SSA AUSILIA ELCE

Indice 1 INTRODUZIONE -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2 LE CELLULE GLIALI ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 3 I NEURONI --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 4 POTENZIALE DI MEMBRANA A RIPOSO --------------------------------------------------------------------------- 13 5 POTENZIALE D AZIONE ------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 BIBLIOGRAFIA --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 2 di 20

1 Introduzione Il sistema nervoso umano è molto complesso. Alla sua embriogenesi concorre, infatti, circa il 40% del genoma (1;2). E possibile distinguere il sistema nervoso in Sistema Nervoso Centrale (SNC), costituito da encefalo e midollo spinale, deputato all elaborazione, all integrazione al controllo delle informazioni provenienti dalle terminazioni periferiche (organi di senso). Sistema Nervoso Periferico (SNP), costituito da tutte quelle terminazioni nervose che provengono dal midollo spinale e che sono esterne all encefalo, deputato alla ricezione delle informazioni a partire dai recettori e alla trasmissione dei segnali a muscoli e altri organi. E possibile, inoltre, classificare il sistema nervoso periferico in: sistema sensoriale, responsabile delle percezioni provenienti dall esterno e della veicolazione di tali informazioni al sistema nervoso centrale. sistema motorio, che a sua volta si suddivide in sistema nervoso somatico e autonomo. Il sistema nervoso somatico innerva i muscoli scheletrici e provvede a generare risposte veloci o riflessi, come ad esempio la risposta ad una puntura, ad una scottatura etc. Il sistema nervoso autonomo innerva tutti gli organi soggetti ad una regolazione involontaria. Ciò avviene ad esempio per l apparato respiratorio, il cuore, l apparato gastrointestinale, per i quali le principali attività non vengono regolate dalla nostra volontà (possiamo quindi dimenticare di respirare senza alcun danno al nostro corpo) (fig 1) (2). 3 di 20

Figura 1: schema rappresentativo del sistema nervoso centrale (in rosso) e del sistema nervoso periferico (in blu). Il sistema nervoso è principalmente composto da due tipi cellulari: neuroni, responsabili dell attività elettrica, cellule gliali, di supporto all attività neuronale. 4 di 20

2 Le cellule gliali Le cellule gliali sono cellule di supporto alle attività neuronali, che svolgono svariate funzioni. A differenza dei neuroni, continuano a suddividersi nell individuo adulto e la loro capacità di proliferare è notevole, soprattutto dopo un danno celebrale come l ictus. Nei vertebrati distinguiamo due principali tipologie di cellule gliali: microglia, cellule derivanti dai macrofagi, sono coinvolte nella rimozione di detriti derivanti da danni cellulari, infezioni e malattie neurodegenerative come il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer etc. macroglia, costituita da tre differenti tipi cellulari: oligodentrociti, cellule di Schwann e astrociti (fig 2) (2). Figura 2: E possibile classificare le cellule gliali in due tipologie distinte: la microglia e la macroglia. La macroglia riveste un ruolo funzionale fondamentale essendo la principale produttrice della guaina mielinica 1, di cui è rivestita la maggior parte dei neuroni. 5 di 20

Gli oligodentrociti e le cellule di Schwann sono implicati nella formazione della mielina intorno agli assoni rispettivamente nel sistema nervoso centrale e nel sistema nervoso periferico, con modalità differenti. Gli oligodentrociti (SNC), infatti, sono capaci di avvolgere contemporaneamente più neuroni differenti, o lo stesso neurone mediante molteplici avvolgimenti di mielina, le cellule di Schwann (SNP), invece, avvolgono un singolo neurone per volta. Gli intervalli tra i segmenti di mielina sono definiti nodi di Ranvier, questi hanno un particolare significato funzionale che sarà descritto più avanti in questa dispensa (fig 3) (4). Gli astrociti, invece, sono cellule di forma stellata, che svolgono un ruolo fondamentale nella generazione della barriera emato-encefalica 1. Queste cellule, infatti, tramite i processi citoplasmatici, inducono i capillari a formare giunzioni strette che lasciano passare soltanto molecole lipofile all interno del sistema nervoso centrale (2). 1 Il meccanismo cellulare di generazione della barriera emato-encefalica fu scoperto da Paul Ehrlich. Tale meccanismo regola selettivamente il passaggio sanguigno di sostanze chimiche da e verso il cervello, proteggendo il sistema nervoso da avvelenamenti e intossicazioni. In particolare, la barriera influenza l accesso di farmaci e tossine al sistema nervoso centrale ed è costituita da due tipi cellulari: in primo luogo, le cellule endoteliali delle pareti dei capillari sanguigni del cervello, le quali formano giunzioni strette, più compatte ed uniformi rispetto alle pareti dei capillari del resto del corpo; in secondo luogo, speciali cellule gliali chiamate astrociti, avvolgono con i loro filamenti gli stessi capillari cerebrali esercitando un attiva azione di filtro di sostanze e molecole varie. Alcune molecole sono capaci di attraversare autonomamente e senza bisogno di fenestrazioni le membrane cellulari: sostanze lipofile, l'ossigeno, il biossido di carbonio, l'etanolo e gli ormoni steroidi. Altre molecole possono entrare per mezzo di specifici trasportatori (quali gli zuccheri e alcuni amminoacidi). Sostanze con peso molecolare al di sopra di 500 Dalton (500 unità di massa atomica) generalmente non possono attraversare la barriera emato-encefalica (4). 6 di 20

Figura 3: rappresentazione della differente modalità con cui le cellule di Schwann e gli oligodentrociti avvolgono le cellule neuronali. 7 di 20

Le cellule di Schwann sono responsabili del processo definito sprouting assonico. Sono infatti in grado di direzionare ed assistere il neurone danneggiato nel processo germinativo che parte dal soma e che consiste nella rigenerazione della fibra assonica andata perduta a causa di un trauma. A Approfondimento: la mielina La mielina è una sostanza costituita da strati concentrici sovrapposti di lipidi complessi e di proteine, strutturata in lamelle lipoproteiche avvolte a spirale per un numero variabile di avvolgimenti (da pochi fino ad una cinquantina), in modo da formare un manicotto attorno ad ogni singola fibra nervosa. Le fibre nervose con questo tipo di rivestimento vengono dette fibre mieliniche: nel sistema nervoso centrale esse formano la sostanza bianca del midollo spinale, degli emisferi cerebrali, e di tutti i fasci nervosi ascendenti e discendenti. Nel sistema nervoso periferico la mielina è presente sulle fibre dei nervi motori e di senso. Le fibre nervose prive di guaina sono dette fibre amieliniche (nervo olfattivo e del sistema nervoso vegetativo). L integrità della guaina mielinica delle fibre nervose può venire variamente alterata nel corso di svariati processi patologici, quali processi distruttivi della sostanza bianca (per esempio in corso di infarti, emorragie, tumori cerebrali), alterazioni distruttive delle cellule nervose o dei loro assoni, nella sclerosi a placche e in altre malattie demielinizzanti e anche in malattie genetiche ereditarie nelle quali si ha un difetto congenito nei processi di sintesi della mielina. Nella figura è possibile osservare uno schema del processo di mielinizzazione da parte della cellula di Schwann (4;5). 8 di 20

seguito di un danno all assone, le cellule di Schwann permangono in prossimità della fibra, producendo molecole chiamate neurotrofine, che provvedono a stimolare il corpo del neurone danneggiato per il ripristino della fibra assonica. Questo ruolo non è svolto da oligodentrociti e astrociti, per cui i danni causati alle fibre neuronali del sistema nervoso centrale non possono essere riparati (ad esempio le lesioni al midollo spinale) (2). 9 di 20

3 I neuroni I neuroni sono cellule specializzate di grandezza e forme molto differente (fig 4). Il corpo cellulare (soma) contiene il nucleo ed è il centro metabolico del neurone. Dal soma si dipartono numerosi processi extracellulari, chiamati dentriti, riccamente arborizzati e un lungo processo che origina da una regione inspessita del soma (monticolo assonico) detto assone, ricoperto da mielina. L assone si divide in terminazioni presinaptiche, ciascuna delle quali termina con un certo numero di bottoni sinaptici. Questi bottoni contengono granuli, o vescicole, in cui sono immagazzinati i trasmettitori sinaptici secreti dalla cellula nervosa (fig 4) (2). Figura 4: rappresentazione schematica di un neurone. In base al numero di processi che originano dal corpo distinguiamo i neuroni in: unipolari (tipici degli invertebrati) possiedono un unico processo specializzato, bipolari (come le cellule retiniche), possiedono due processi specializzati, multipolari (come le cellule del cervelletto o del midollo spinale), possiedono numerosi processi specializzati che consentono l interazione multipla con numerosi neuroni (fig 5). 10 di 20

Figura 5: neuroni unipolari, bipolari e multipolari. Da un punto di vista funzionale i neuroni hanno generalmente quattro aree importanti: 1. La zona dentritica, che costituisce la zona recettrice del neurone. In questa zona vengono convogliate e integrate le molteplici segnalazioni provenienti da neuroni posti a monte. 2. La regione inspessita del soma (monticolo assonico) e il primo nodo di Ranvier, dove si genera l impulso elettrico (o potenziale d azione). 3. L assone, che trasmette l impulso elettrico alle terminazioni nervose. 4. Le terminazioni nervose o bottoni sinaptici, dove l impulso elettrico provoca la liberazione di neurotrasmettitori prodotti dal neurone stesso. Il neurone è una cellula secernente: i neurotrasmettitori, prodotti nel soma vengono racchiusi in vescicole secretorie e, seguendo il flusso assoplasmatico, vengono trasportati dal corpo alle terminazioni e viceversa (fig 6) (2). 11 di 20

Figura 6: il flusso assoplasmatico si realizza lungo i microtubuli, che corrono per tutta la lunghezza dell assone dal corpo cellulare alla terminazione. Distinguiamo in trasporto anterogrado (dal soma alla terminazione), e trasporto retrogrado (dalla terminazione al soma). Nello specifico, esistono due motori molecolari distinti, coinvolti nel trasporto anterogrado e retrogrado. Il trasporto retrogrado viene utilizzato per il riciclo dei neurotrasmettitori. Il complesso molecolare della chinesina è implicato nel trasporto delle vescicole dal soma alle terminazioni (trasporto anterogrado), mentre il complesso della dineina è implicato nel trasporto inverso (fig 7) (2). I motori molecolari sono superfamiglie di proteine, di queste fa parte anche la miosina, che come vedremo, è responsabile della contrazione muscolare, dal momento che essa lega i filamenti di actina e ne regola l allungamento e la contrazione, sfruttando l idrolisi di ATP. Figura 7: il trasporto assonico lungo i microtubuli mediante dineina e chinesina avviene con dispendio di energia (ATP). 12 di 20

4 Potenziale di membrana a riposo La cellula nervosa ha una bassa soglia di eccitazione. Lo stimolo può essere elettrico, chimico o meccanico. Vengono prodotti due tipi di modificazioni chimico fisiche: potenziali sinaptici generatori o elettrotonici, vale a dire potenziali che si generano a livello locale sulla membrana; potenziali d azione (o impulsi nervosi propagati). Gli eventi elettrici sono rapidi (si misurano in millisecondi e costanti, le variazioni di potenziale sono piccole (si misurano in millivolt). L impulso è in genere trasmesso lungo l assone fino alla sua terminazione. La conduzione nella fibra nervosa è un processo attivo, autopropagato e l impulso si muove lungo la fibra nervosa con velocità ed ampiezza costanti. I primi studi sul potenziale d azione sono derivati dall osservazione e dall utilizzo cellule nervose amieliniche giganti. Queste cellule sono state trovate nel granchio, nella seppia e nel calamaro. Le proprietà fondamentali dei neuroni furono per la prima volta determinate in queste specie e successivamente si scoprì che erano simili a quelle dei neuroni dei mammiferi. La regione del collo del mantello muscolare del calamaro contiene i singoli assoni che possono raggiungere 1mm di diametro. Le proprietà fondamentali di questi lunghi assoni sono simili a quelle degli assoni di mammifero. Se ponessimo idealmente due elettrodi sulla superficie dell assone e all interno di esso, registreremmo una differenza di potenziale 2 fra l interno e l esterno della cellula a riposo. Il potenziale è generato dalla presenza di cariche negative all interno della cellula, determinato dalle proteine che possiedono una carica complessiva negativa non diffusibile. Ioni inorganici diffusibili come il sodio, di carica positiva, sono maggiormente concentrati all esterno della cellula, nei liquidi extracellulari. Questa differente distribuzione di cariche fa si che tra esterno ed interno della cellula vi sia un potenziale pari a -70mV. Il potenziale può essere modificato grazie alla presenza di canali regolati, la cui apertura permette la diffusione delle specie ioniche secondo gradiente di concentrazione (ad esempio il sodio, più concentrato all esterno, diffonde nella cellula, mentre il 2 La differenza delle energie potenziali elettriche tra due punti dello spazio rappresenta il lavoro necessario per spostare la carica elettrica tra i due punti in un campo elettrico. 13 di 20

potassio, più concentrato all interno diffonde verso i liquidi extracellulari) e secondo la carica (ad esempio il sodio diffonde nell ambiente intracellulare anionico). I canali sono permeabili ad una singola specie ionica, alcuni sono controllati da neurotrasmettitori, altri dal voltaggio. Il potenziale di riposo della membrana rappresenta una situazione di equilibrio nel quale la forza che spinge gli ioni lungo il loro gradiente di concentrazione attraverso la membrana è uguale ed opposta alla forza che spinge questi ioni lungo il loro gradiente elettrico (fig 8) (2). Fig 8: Il potenziale di membrana a riposo e la distribuzione di cariche tra interno ed esterno della cellula. 14 di 20

5 Potenziale d azione Il potenziale d azione è di fatto una fluttuazione elettrica che viaggia lungo la superficie di membrana di una cellula eccitabile. In risposta ad uno stimolo depolarizzante (di tipo elettrico o chimico), alcuni canali ionici per il sodio controllati da ligando 3 diventano attivi, generando una depolarizzazione locale. Il sodio diffonde nella cellula determinando una modifica del potenziale di membrana. Quando il potenziale soglia (il valore di potenziale minimo per generare l apertura dei canali) è raggiunto, anche i canali del sodio voltaggio dipendenti si aprono, generando una massiva entrata di ioni sodio. Il potenziale di membrana passa a +30mV, causando l apertura dei canali per il potassio. Il potassio fluisce all esterno della cellula secondo un gradiente elettrico e chimico (è entrato molto sodio e immediatamente sotto la membrana sono concentrate molte cariche elettriche positive). I canali del sodio si chiudono, mentre quelli del potassio, responsabili della ripolarizzazione, rimangono aperti più a lungo. Il flusso di ioni potassio al di fuori della cellula ristabilisce l eccesso originario di ioni positivi sulla superficie esterna (fig 9) (2). 3 I canali controllati da ligando rispondono a specifici neurotrasmettitori. Si attivano quando avviene il legame ligandorecettore. 15 di 20

Figura 9: schema rappresentativo dell azione degli ioni sodio e potassio nella genesi del potenziale d azione. I canali del potassio possono rimanere aperti anche quando la cellula ha raggiunto il potenziale di riposo (-70mV): in tal modo può fuoriuscire un ulteriore quantitativo di potassio che genera una iperpolarizzazione cellulare. Tale iperpolarizzazione fa si che la cellula risulti insensibile ad ulteriori stimoli. In seguito, la chiusura di tutti i canali e l azione delle pompe per il sodio e il potassio che operano con dispendio energetico, contribuiscono a ristabilire il corretto gradiente elettrochimico e a riportare il potenziale a -70mV (fig 10). Possiamo parlare di periodo refrattario del neurone per descrivere il tempo necessario al ristabilirsi del potenziale di riposo e dunque il lasso di tempo che intercorre tra due impulsi nella stessa cellula. Questo può essere: di tipo assoluto, che consiste nel periodo in cui la membrana non risponde ad alcun altro stimolo locale. In genere per circa 0,5 millisecondi la membrana risulta insensibile a qualsiasi stimolo, anche di elevata intensità; 16 di 20

di tipo relativo, che consiste nel periodo immediatamente al periodo refrattario, in cui la membrana può rispondere solo a stimoli di elevata intensità. Dunque, il potenziale d azione può variare in frequenza per una determinata cellula neuronale, ma non per intensità (i valori di potenziale a riposo e d azione sono mantenuti tra i -70 mv e i + 30mV), attraverso un meccanismo di attivazione che segue la legge del tutto o nulla, vale a dire che soltanto quegli stimoli che causeranno il raggiungimento del potenziale soglia genereranno un potenziale d azione completo (2). Figura 10: Schema riassuntivo della generazione del potenziale d azione: 1)La membrana cellulare si trova in una condizione di riposo, la differenza di potenziale è di - 70mV. 2)Uno stimolo eccitatorio genera l apertura dei canali del sodio ligando-dipendente, il sodio entra nella cellula, il potenziale della membrana sale a -50mV e supera la soglia necessaria per la propagazione dell impulso. 3) I canali del sodio voltaggio dipendenti si aprono, il sodio fluisce all interno in maniera massiva. 17 di 20

4) Il picco massimo di apertura dei canali del sodio corrisponde ad un potenziale di membrana di +30mV, anche i canali del potassio cominciano ad aprirsi, consentendo agli ioni potassio di fuoriuscire secondo gradiente elettrochimico. Inizia la ripolarizzazione di membrana con inversione o overshoot verso valori di potenziale nuovamente negativi. 5) La ripolarizzazione procede anche oltre il valore di -70mV (potenziale a riposo). Inizia il periodo refrattario, nel quale la cellula non può ricevere nuove sollecitazioni. 6) La cellula ritorna al potenziale di riposo pari a -70mV, grazie alla chiusura di tutti i canali e all azione della pompa sodio/potassio ATPasi. Nelle fibre mieliniche la guaina ha proprietà isolanti, che consentono una propagazione più veloce dell impulso lungo l assone. Più specificamente la conduzione si realizza a livello dei nodi di Ranvier e, dunque, in quei punti di giunzione della membrana non ricoperti da mielina. Questo tipo di conduzione è detta saltatoria, poiché avviene da nodo a nodo. La conduzione saltatoria è un processo molto rapido, che permette alle fibre mieliniche di condurre con velocità fino a 50 volte maggiore di quella delle fibre amieliniche (fig 11) (2). 18 di 20

Figura 11: schema della conduzione saltatoria in assoni mielinizzati. 19 di 20

Bibliografia Nelson L., Cox M. M. I principi di biochimica di Lehninger. Edizione Zanichelli 2010. Barrett K. E., Barman S. M., Boitano S., Brooks H. L. Fisiologia Medica di Ganong. Piccin Enciclopedia Zanichelli on line http://www.zanichelli.it/home/ Dizionario medico Corriere della sera, http://www.corriere.it/salute/dizionario/mielina/index.shtml 20 di 20