LE SINAPSI Al fine di rendere più efficiente la comunicazione chimica di tipo paracrina l'evoluzione ha "prodotto" le sinapsi, costituite da due microaree di membrana, appartenenti rispettivamente a due cellule diverse, dette elemento presinaptico ed elemento postsinaptico. Le due aree sono separate da uno spazio intersinaptico, dello spessore di circa 30 nm o 300 Å (un ångstrom è pari a 0.1 nm). L'elemento presinaptico è più frequentemente la parte terminale di un assone, leggermente espansa (viene detto bottone sinaptico), l'elemento postsinaptico è più frequentemente il corpo, i dendriti o il terminale di un assone di un neurone ( si parla dunque sinapsi interneurali asso-somatica, assodendritica ed asso-assonica) (Fig. 7.1). Esistono però sinapsi cito-neurali, dove l'elemento presinaptico è una cellula sensoriale (quale la cellula ciliata dell'organo dell'udito) e sinapsi neuromuscolari, dove l'elemento postsinaptico è una cellula muscolare. L'informazione passa dall'elemento presinaptico a quello postsinaptico, utilizzando un messaggero chimico detto neurotrasmettitore. Questo è sintetizzato nel corpo neuronale e viene trasportato lungo l'assone sino al terminale presinaptico, dove è concentrato in vescicole. Viene quindi liberato per esocitosi nello spazio sinaptico, dove diffonde ed interagisce con recettori posti sulla membrana dell'elemento postsinaptico (Fig. 7.1, inserto). Le gap junction sono spesso considerate sinapsi elettriche. I due meccanismi non hanno nulla di comune e sono perciò probabilmente evoluti in modo separato. Terminali presinaptici C A Dendriti Assone PdA e trasporto del neurotrasmettitore Sinapsi assosomatica Vescicole Bottone sinaptico B Sinapsi assodendritica Recettore Fig. 7.1. Il neurone A prende contatto, tramite l'assone, con il corpo cellulare ed i dendriti del neurone B; si costiutiscono così sinapsi asso-somatiche ed asso-dendritiche. Il neurone A è a sua volta contattato dall'assone C. Nell'inserto è schematizzata l'esocitosi e l'interazione neurotrasmettitore-recettore.
CENNI SULLA STRUTTURA DEL SISTEMA NERVOSO CENTRALE Il sistema nervoso centrale (SNC) è costituito dall'encefalo, racchiuso e protetto dal cranio, e dal midollo spinale, situato all'interno dei corpi delle vertebre (Fig. 6.2); dal SNC si dipartono i nervi che si distribuiscono a tutto il corpo; questi fanno parte del Sistema Nervoso Periferico. Cervelletto Cervello Midollo spinale Tronco cerebrale Nervi periferici Encefalo Midollo spinale A B C Fig. 7.2. Struttura del sistema nervoso. A, il sistema nervoso, visto posteriormente. B, il sistema nervoso, visto posteriormente (ingrandimento dell'area tratteggiata in A). C, sezione trasversa del sistema nervoso centrale, sino alle prime vertebre toraciche. L'encefalo comprende il cervello e, inferiormente, il tronco cerebrale e il cervelletto. Il tronco cerebrale è costituito dal mesencefalo, il ponte ed il bulbo, cui segue il midollo spinale. Il cervelletto è situato inferiormente al cervello, dietro il tronco encefalico (Fig.7.2). Nel SNC umano abbiamo circa 10 11 neuroni, ciascuno dei quali ha migliaia di connessioni sinaptiche.
MECCANISMI PRESINAPTICI L'esocitosi del neurotrasmettitore è fortemente favorita dall'arrivo, al terminale presinaptico, di un potenziale d'azione. Il terminale non è fornito di canali al Na + (V), cosicchè il potenziale d'azione non insorge nel terminale ma lo depolarizza, con lo stesso meccanismo con cui depolarizza le aree vicine nel propagarsi lungo la fibra nervosa. Il terminale possiede un tipo di canale al Ca 2+ voltaggio-dipendente (Ca 2+ (V)), che si apre in seguito alla depolarizzazione evocata dal potenziale d'azione. L'ingresso di Ca 2+ scatena l'esocitosi, come meglio vedremo successivamente. Il terminale presinaptico ha canali al K + attivati dal Ca 2+ intracellulare (K + (Ca 2+ )), cosicchè l'aumento della [Ca 2+ ]i attiva questi canali, che ripolarizzano il terminale e chiudono i canali al Ca 2+ (V). Contemporaneamente, lo scambiatore Na + /Ca 2+ e la Ca 2+ ATPasi espellono il Ca 2+ : tutti questi meccanismi rendono molto breve (dell'ordine di qualche ms) l'aumento della [Ca 2+ ]i e la durata dell'esocitosi. Esocitosi ed endocitose delle vescicole sinaptiche Il processo dell'esocitosi è controllato da alcune proteine, inserite sia nella membrana della vescicola sia nella membrana del terminale presinaptico. La Sintaxina ( associata a MUNC18-1) e la SNAP-25 sono inserite nella membrana plasmatica, mentre la Sinapto-brevina è inserita nella membrana vescicolare. Queste proteine sono complessivamente denominate proteine SNAREs (Fig. 6.3). L'esocitosi è preceduta dalla fase di Docking, nella quale la vescicola si avvicina alla membrana plasmatica. Questa fase, poco nota nel suo meccanismo molecolare, è reversibile. La fase successiva è detta Priming: la Sinapto-brevina interagisce con la Sintaxina e la SNAP-25, avvicinando la vescicola alla membrana plasmatica. La fusione avviene con la cooperazione della Sinapto-tagmina, una molecola Ca 2+ -sensibile inserita nalla membrana della vescicola. L'ingresso di Ca 2+ attiva la Sinaptotagmina (non schematizzata in figura), che insieme alle proteine SNAREs induce la fusione della membrana e l'apertura della vescicola verso l'ambiente extracellulare (Fig. 7.3). Ca 2++ e sinaptotagmina Fig. 7.3. Alcune proteine connesse con l esocitosi Ca 2+ -dipendente.
L esocitosi deve essere seguita dalla rimozione della membrana vescicolare, che avviene tramite un processo mediato da clatrina. Le vescicole accumulano poi nuovamente il mediatore, mediante un meccanismo di trasporto attivo, ed entrano a far parte del pool di riserva, che abbandoneranno con il processo di docking (Fig. 7.4). Accumulo del neurotasmettitore Pool di deposito Rimozione della Clatrina Docking Priming Fusione Liberazione del neurotrasmettitore Endocitosi Clatrinadipendente Fig. 7.4. Ciclo delle vescicole del terminale presinaptico.
MECCANISMI POSTSINAPTICI La risposta postsinaptica è funzione del tipo di recettore di membrana che viene attivato dal neurotrasmettitore. Questo può attivare un sistema di messaggeri intracellulari, o aprire dei canali ionici attivabili da molecole chimiche. Esamineremo ora brevemente la risposta postsinaptica nella sinapsi neuromuscolare e nelle sinapsi del sistema nervoso centrale. LA SINAPSI NEUROMUSCOLARE La contrazione della fibra muscolare scheletrica è controllata da un neurone detto motoneurone, il cui assoone prende contatto sinaptico con la fibra muscolare scheletrica. Quando un PdA raggiunge il terminale presinaptico, viene liberata Ach che interagisce con i recettori colinergici nicotinici presenti sulla membrana plasmatica della fibra muscolare (Fig. 7.5). Guaina mielinica PdA della fibra nervosa Na + (V): questi canali sono presenti sino all inizio del terminale presinaptico Ach Terminale presinaptico Na + (V) K + (V) PdA della fibra muscolare Membrana del terminale + Ca 2+ (V) PdA della fibra muscolare Fibra muscolare scheletrica Riassorbimento di colina ++ ++ Ach-esterasi Canali nicotinici: entra Na + ed esce K + ; si genera un flusso netto di cariche positive in ingresso. + + Fig. 7.5. Processi connessi con la trasmissione sinaptica nella sinapsi neuro-muscolare. L'arrivo di un PdA al terminale presinaptico genera sempre un PdA nella fibra muscolare scheletrica; questo innesca la contrazione della fibra.
Nella sinapsi neuromuscolare il PdA libera circa 300 vescicole, che depolarizzano sino a circa -20 mv la membrana plasmatica della fibra muscolare situata di fronte all elemento pre-sinaptico, priva di Na + (V). Questa depolarizzazione, con l'usuale meccanismo, depolarizza le zone della membrana plasmatica vicine all area postsinaptica, generando due PdA, che si propagano in direzione opposta lungo tutta la fibra. L Ach viene rapidamente idrolizzata dall Ach-esterasi, cosicchè il mediatore resta nella fessura sinaptica per circa 5 ms; la colina viene riassorbita attivamente, ed utilizzata per sintetizzare, nel citosol, Ach. Questa viene poi riassorbita attivamente dalle vescicole. LE SINAPSI NEL SNC La sinapsi neuromuscolare è particolarmente semplice: la fibra muscolare scheletrica riceve una sola afferenza sinaptica ed ogni volta che arriva un PdA al terminale sinaptico la liberazione di mediatore è talmente elevata che insorge sempre un PdA nell elemento postsinaptico. Nel SNC l organizzazione sinaptica è molto più complessa. Un neurone riceve migliaia di afferenze sinaptiche, che liberano differenti tipi di neurotrasmettitori, in grado di attivare messaggeri intracellulari o aprire canali ionici. Se l Ach e l acido Glutammico interagiscono con recettoricanale, il flusso ionico depolarizzerà la cellula, favorendo l insorgenza di un PdA e la sinapsi viene detta eccitatoria. Se il mediatore è il GABA, l apertura dei canali al Cl - tende ad inibire l insorgenza del PdA e la sinapsi viene detta inibitoria. L elemento postsinaptico riceve sia afferenze eccitatorie che inibitorie ed effettua un processo di sommazione algebrica delle afferenze: se prevale l eccitazione potrà insorgere un PdA nell elemento postsinaptico. Si noti che nelle sinapsi del SNC un singolo PdA presinaptico non è mai in grado di generare un PdA nell elemento postsinaptico. LA SOMMAZIONE POSTSINAPTICA In Fig. 7.6, A, è rappresentato un neurone che riceve due afferenze eccitatorie (giallo) ed un afferenza inibitoria (rossa). L arrivo di un PdA presinaptico in una sinapsi eccitatoria libera il neurotrasmettitore che apre dei canali ionici nell elemento postsinaptico. Sebbene il mediatore venga rimosso od inattivato nel giro di pochi ms, la depolarizzazione evocata dall'apertura dei canali ionici, denominata potenziale post-sinaptico eccitatorio (PPSE) ha una durata ben maggiore (circa 20-30 ms; Fig. 7.6, B). Se al terminale presinaptico arriva un secondo PdA prima che la depolarizzazione evocata dal primo PdA sia estinta, si avrà una sommazione delle due depolarizzazioni. Lo stesso processo può intervenire nel caso di sinapsi inibitorie, che tendono ad iperpolarizzare la cellula (in questo caso si ha un potenziale postsinaptico inibitorio, o PPSI). Questo tipo di sommazione, dovuta all azione di un singolo terminale presinaptico al quale arrivano in rapida successione più PdA, è detta sommazione temporale. La sommazione può avvenire anche in seguito all attivazione di due terminali distinti. Se un terminale viene attivato ed un altro terminale viene attivato prima che sia terminato l effetto del primo, avremo la sommazione, detta in questo caso spaziale. La sommazione spaziale consente la sommazione di effetti eccitatori (depolarizzanti) ed inibitori (iperpolarizzanti). In Fig. 7C viene rappresentato il processo di sommazione. La soglia è 40 mv. Un singolo PPSE non raggiunge la soglia, mentre 2 PPSE la superano, generando un PdA. La traccia rossa rappresenta un PPSI; la traccia arancione è la somma tra un PPSE ed un PPSI. La figura, disponibile in rete, presenta errori ed imprecisioni. I processi di sommazione sono meglio rappresentati nelle figure 7.7, 7.8 e 7.9. Il neurone postsinaptico effettua dunque la somma algebrica delle afferenze eccitatorie ed inibitorie, generando un PdA se viene superata la soglia: è, di fatto, la struttura "decisionale" del SN.
A Microelettrodo per la misura di Vm (mv) - 85 B Vm Corpo cellulare Dendriti Assone - 90 0 40 (ms) C soglia Fig. 7.6. A, viene schematizzato un neurone che riceve due afferenze eccitatorie (gialle) ed una afferenza inibitoria (rossa). B, potenziale postsinaptico eccitatorio. C, viene illustrato il processo di sommazione, con notevole imprecisione (la curva arancione rappresenta la somma di un'afferenza eccitatoria e di un'afferenza inibitoria). Il pannello C è disponibile in rete.
Potenziale di membrana -20-30 -40-50 Soglia= - 50 mv Vm -60-70 -80-90 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Tempo (ms) Fig. 7.7. Due PPSE distinti. Le freccie indicano l'arrivo di un PdA nell'elemento presinaptico. Da questo grafico non è possibile capire se trattasi di sommazione spaziale o temporale. Potenziale di membrana -20-30 -40-50 Soglia= - 50 mv Vm -60-70 -80-90 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Tempo (ms) Fig. 7.8 Due PPSE che si sommano. Le freccie indicano l'arrivo di un PdA nell'elemento presinaptico. L'arrivo di un terzo PPSE può far superare la soglia.da questo grafico non è possibile capire se trattasi di sommazione spaziale o temporale.
Potenziale di membrana -20-30 Vm -40-50 -60 Soglia= - 50 mv -70-80 -90 0 50 100 150 200 Tempo (ms) 7.9 Un PPSI si somma ad un PPSE. Le freccie indicano l'arrivo di un PdA nell'elemento presinaptico. Trattasi ovviamente di sommazione spaziale. Si ricordi che il canale aperto dal Glutammato di tipo NMDA è permeabile solo se l'elemento postsinaptico è depolarizzato. Se questo è dotato sia di recettori-canale NMDA che di recettoricanali AMPA, l'apertura dei canali AMPA depolarizzerà la cellula, rimuovendo il blocco da Mg 2+ dei canali NMDA. A depolarizzare l'elemento postsinaptico può però provvedere qualsiasi sinapsi eccitatoria, quale una sinapsi colinergica nicotinica. Il canale NMDA sarà quindi pervio se viene liberato sia Acido Gluttammico sia, da un'altro terminale, Ach. Il canale NMDA può essere comparato all'operatore booleano AND, che genera 1 (vero) se le condizioni in ingresso sono tutte 1 (vere): il canale NMDA genera 1 (canale aperto) se è attivato dall'acido Glutammico (prima condizione) AND se la cellula è depolarizzata (seconda condizione).
L'INIBIZIONE PRESINAPTICA Nell'inibizione presinaptica il terminale sinaptico di una fibra nervosa prende contatto con il terminale sinaptico di un'altra fibra nervosa ed è in grado di inibirne la liberazione di mediatore (Fig. 7.10). Facendo riferimento a questa figura, supponendo che B depolarizzi C, l'attivazione di A inibisce la depolarizzazione di C. Si può osservare che se A inibisse direttamente C, tenderebbe a limitare l'effetto eccitatorio di tutte le afferenze depolarizzanti che convergono su C; nell'inibizione presinaptica A inibisce unicamente l'effetto depolarizzante esercitato dal terminale B. Il meccanismo dell'inibizione presinaptica non è oggetto di trattazione. B A C Fig. 7.10. Inibizione presinaptica. L'attivazione del terminale presinaptico A inibisce la liberazione di mediatore da parte del terminale presinaptico B.
LA GENESI DEL PdA NELL'ELEMENTO POSTSINAPTICO Come precedentemente accennato, la depolarizzazione evocata dalle afferenze sinaptiche si trasmette al cono assonico, dove vi è una forte densita di Na + (V) e K + (V) delayed. Il PdA insorge dapprima nel cono assonico perchè l'elevata densita di Na + (V) rende la soglia molto inferiore a quella presente nel soma. il PdA, che si propaga in direzione ortodromica, allontanandosi dal corpo cellulare (Fig. 7.11). ma, come già spiegato, non può tornare indietro. La forte depolarizzazione del PdA è poi in grado di depolarizzare oltre la soglia anche il soma del neurone e può invadere il corpo cellulare, muovendosi in direzione antidromica. Come già sottolineato, non può però tornare indietro. Cono assonico Dendriti Terminali presinaptici + + i + + + + + i + + + PdA A Assone PdA e trasporto del neurotrasmettitore Terminali presiptici Vescicole Terminale presinaptico Fig. 7.11. La depolarizzazione provocata nella cellula A dalle afferenze sinaptiche depolarizza il suo cono assonico, evocando un PdA. Le 2 frecce affiancate da una "i" indicano una corrente (movimento di ioni) che depolarizza il cono assonico. Il PdA si propaga lungo l'assone attivando la liberazione di neurotrasmettitore dai terminali presinaptici in contatto con la cellula B. Si noti come il neurite effettua anche il trasporto del neurotrasmettitore.