Elettrofisiologia cellulare

Elettrofisiologia
cellulare
Proprietà delle membrane e
meccanismi di trasporto
Struttura e funzioni della membrana
cellulare
La membrana cellulare ha diverse funzioni:
 racchiude
la cellula e la delimita
definendone i confini
 mantiene la separazione fra citosol e
ambiente extracellulare
 media e seleziona il trasporto di determinate
sostanze impedendo ingresso e uscita di
altre
Le membrane hanno struttura simile a doppio strato
con due costituenti principali che sono:
Proteine: intriseche ed estrinseche
Lipidi: i più abbondanti sono i fosfolipidi che sono
molecole anfipatiche con una porzione idrofilica
(testa) ed una porzione idrofobica (coda).
Altri lipidi abbondanti in membrana sono: glicolipidi
e colesterolo
Struttura della membrana cellulare con
fosfolipidi (in viola) e proteine
intrinseche (in azzurro) ed estrinseche
(in verde)
Struttura di un
fosfolipide
La membrana cellulare è in grado di permettere il
passaggio di sostanze in modo selettivo grazie a
meccanismi di trasporto. Ricordiamo che il doppio
strato lipidico costituisce una barriera al passaggio di
tutte le molecole polari cariche, mentre permette il
passaggio di piccole molecole polari prive di carica.
Le sostanze idrofobiche passano invece bene il doppio
strato senza causare problemi (O2, CO2, N2).
Esistono meccanismi di trasporto che avvengono
senza attraversamento della membrana cellulare
come:
•Fagocitosi (materiale particolato; vedi macrofagi)
•Pinocitosi (molecole solubili; endocitosi costitutiva)
•Endocitosi (materiale inglobato in seguito ad
interazione con recettori; per assunzione di ormoni,
fattori di crescita)
•Esocitosi (verso l’esterno. Secrezione di
neurotrasmettitori, zimogeni pancreatici etc.)
pinocitosi
fagocitosi
endocitosi
esocitosi
Esistono meccanismi di trasporto che prevedono
attraversamento della membrana cellulare. Fra questi
ricordiamo:
•Diffusione semplice: regolata dalla legge di Fick
J=-DA dc/dx
•Diffusione facilitata (elevata specificità chimica
delle proteine trasportatrici)
•Trasporto attivo (primario e secondario)
Avviene lungo un gradiente
di concentrazione e non
richiede energia. È un
processo che continua fino a
quando esiste una differenza
di concentrazione.
Un altro tipo di diffusione passiva è il trasporto
facilitato. Esso avviene sempre lungo un gradiente di
concentrazione, ma necessita di proteine carrier a cui le
sostanze trasportate si legano.
La differenza principale è che, mentre la diffusione
passiva continua fino a quando esiste un gradiente, il
trasporto facilitato ha una saturazione che dipende dal
numero di trasportatori utilizzato
Il trasporto attivo entra in gioco tutte le volte che le
sostanze sono mosse contro un gradiente di
concentrazione. Questo tipo di trasporto implica un
dispendio energetico che viene fornito dal consumo di
ATP. Per questo tipo di trasporto vale l’equazione di
Michaelis- Menten:
V=Vmax · [S] / (Km + [S])
Un esempio tipico di trasporto attivo è la pompa Na-K
ATPasi che sposta 3 ioni Na+ verso l’esterno e 2 ioni K+
verso l’interno contribuendo alla negatività della
membrana cellulare (pompa elettrogenica). È
fosforilata durante il suo ciclo di attività e quindi è
indicata come ATPasi di tipo P. È inibita dall’ouabaina
che compete per il sito del potassio.
Risulta costituita da due subunità:
Subunità α detta catalitica di circa 100 kDa
Subunità β glicoproteica di circa 50kDa.
Caratteristiche generali degli
equilibri ionici
Na+
Na+
out
in
Na+
Na+
-
+
out
in
Solo gradiente chimico
Gradiente chimico e
gradiente elettrico
La grandezza che tiene conto di entrambi i gradienti è il
potenziale di equilibrio elettrochimico definito come:
μ = μ0 + RTlnC + zFE
Dove:
μ0= potenziale elettrochimico standard
C= concentrazione dello ione
z= valenza dello ione
F= costante di Faraday
XA
E= potenziale elettrico
XB
Il flusso netto dello ione è diretto dalla zona a potenziale
chimico maggiore alla zona a potenziale chimico minore.
Quindi vale:
Δμx = μA (x) – μB (x)
Quindi se:
Δμ > 0 lo ione X si muove dal compartimento A a quello B
Δμ < 0 lo ione X si muove dal compartimento B a quello A
Δμ = 0 non c’è flusso netto dello ione X.
Da questo assunto si ricava la legge di Nernst valida per una
qualunque specie ionica in equilibrio fra ambiente extra- ed
ambiente intra-cellulare. In equilibrio vale Δμ = 0 e quindi se
μA = μB si ha:
RT ln XA / XB + zF (EA – EB) = 0
ΔE = RT / ZF Log (XB / XA)
Potenziale di Nernst per Na+ e K+
Alla fine del 19esimo secolo si sapeva che il citoplasma cellulare è
ricco di ioni K+ e che il Na+ è poco concentrato e che questa
situazione è opposta nell’ambiente extracellulare. La prima
assunzione fatta è stata quella di considerare la membrana
permeabile al potassio, ma non al sodio e calcolare quindi il
potenziale di riposo trans-membrana come un potenziale di
Nernst per il potassio.
In realtà la membrana è permeabile al Cl- tanto quanto al
potassio e questi due ioni sono fra loro in equilibrio secondo un
equilibrio di Donnan che afferma:
[K+]out · [Cl-]out = [K+]in· [Cl-]in
Ogni volta che due ioni possono attraversare la membrana
cellulare, il prodotto delle loro concentrazioni extracellulari è
uguale al prodotto delle concentrazioni intracellulari
Una differenza di carica elettrica fra interno ed esterno della
superficie della membrana è detta potenziale elettrico.
Tutte le cellule animali e vegetali sono caratterizzate da un
potenziale di membrana di riposo (resting potential) che
dipende dal movimento di tutti gli ioni permeabili attraverso la
membrana cellulare. Il valore del potenziale di riposo è
variabile fra cellula e cellula, ma approssima il potenziale di
Nernst dello ione potassio. Vediamo perché.
Quando una o più specie ioniche si distribuiscono sui due lati
della membrana cellulare, ciascuna tenderà a spostare il valore
del potenziale al valore del suo potenziale di equilibrio
elettrochimico.
Tanto più la membrana è permeabile ad una specie
ionica, tanto maggiore sarà la forza che tale specie
ionica eserciterà nello spostare il valore del potenziale.
In una membrana permeabile a più ioni il potenziale transmembrana dipende da:
I. Carica elettrica di ciascuno ione
II.Permeabilità della membrana a ciascuno ione
III.Concentrazione interna ed esterna della specie
ionica
La formula che meglio descrive il potenziale di riposo di una
membrana cellulare è l’equazione di Goldman che considera non
soltanto le concentrazioni ioniche delle specie in gioco, ma anche
la permeabilità della membrana.
Poiché variazioni delle concentrazioni di cloro non modificano in
maniera significativa il potenziale di membrana, il fattore cloro
può essere escluso dall’equazione di Goldman. L’equazione finale
considera quindi soltanto le specie ioniche Na+ e K+.
In questo modo si ottiene un valore teorico che è molto simile al
valore che può essere sperimentalmente misurato. Inoltre,
essendo la permeabilità al sodio molto inferiore a quella del
potassio (circa 1:100), il potenziale di riposo di un membrana
cellulare è molto simile al potenziale di equilibrio elettrochimico
per lo ione potassio.
Il fatto che, anche se in piccola percentuale, la membrana a
riposo sia permeabile anche al Na+, fa sì che il potenziale di
riposo
non sia
esattamente il potenziale di Nernst del
potassio, ma sia un po’ meno negativo. Questo dipende dal
fatto che il Na+ tende a spostare il potenziale verso il suo
potenziale di equilibrio elettrochimico (potenziale di Nernst).
Vresting=-70 / -80mV
EK=-90mV
The membrane potential of a cell
can be measured in millivolts (mV)
with the use of a microelectrode
and
an
oscilloscope.
(a) Both recording (needle) and
reference (block) electrodes are
outside of the cell, and no electrical
potential (0 mV) is recorded. (b)
The recording electrode is inside
the cell, the reference electrode is
outside, and an electrical potential
difference of about 85 mV is
recorded, with the inside of the
plasma membrane negative with
respect to the outside of the
plasma membrane.
Consideriamo adesso i fatti visti. Affinché il potenziale di riposo
si mantenga dobbiamo mantenere le differenze di concentrazione
fra le specie ioniche considerate fra ambiente intra- e extracellulare. Per fare questo dobbiamo quindi mantenere i gradienti
di concentrazione controbilanciando il movimento passivo degli
ioni Na+ verso l’interno della cellula e degli ioni K+ verso l’esterno
della cellula. Questo è fatto dalla pompa Na-K ATPasi che
mantiene i gradienti ionici spostando ioni sodio e ioni potassio
con dispendio di energia. In questo modo il potenziale di riposo
può essere mantenuto.
mV
+61mV
ENa+
0mV
-80mV
-90mV
Vresting
EK+
Risposte elettriche delle
membrane cellulari
Tutte le cellule viventi, animali e vegetali sono
caratterizzate da variazioni del potenziale di riposo se
opportunamente stimolate. Esistono due tipi di risposta:
Risposta elettrica passiva o potenziale elettrotonico: si
produce TUTTE le volte che si fa passare corrente
attraverso una membrana cellulare. Questo accade
perché la membrana cellulare è caratterizzata da
proprietà elettriche di cui adesso parleremo e che sono:
capacità
resistenza
Risposta attiva o potenziale d’azione o spike: è
presente nelle cosiddette cellule eccitabili, vale a dire
neuroni, cellule muscolari e cellule secretorie (ad
esempio le cromaffini del surrene). Utilizza strutture
particolari e cioè canali di membrana e in particolare
canali del Na+ e canali del K+. Questa risposta può
esserci o non esserci e vedremo quali sono le condizioni.
N.B. La
risposta
elettrotonica
compare
indipendentemente dall’attivazione di canali
sempre,
Potenziale elettrotonico
La membrana cellulare è formata da un doppio strato
lipidico in cui sono inserite proteine che hanno la
funzione
di
trasportare
materiale
attraverso
la
membrana. Il doppio strato lipidico, dal punto di vista
elettrico si comporta come un condensatore, cioè ha la
capacità di separare le cariche sui due lati della
membrana.
Le
due
piastre
conduttrici
sono
rappresentate dal mezzo intracellulare e da quello
extracellulare. Il dielettrico isolante è rappresentato dal
doppio strato lipidico.
Si definisce capacità la seguente grandezza:
C= ε A / d
dove ε è la costante dielettrica del mezzo, A è l’area della
membrana e d è la distanza fra le piastre cioè lo
spessore della membrana. Per le membrane cellulari si
preferisce parlare di capacità specifica in modo da
evitare il fattore area. Questa si definisce come Cm= C
/A da cui si ottiene:
Cm = ε / d
Per le membrane cellulari dove A=25Å si ha un valore di
Cm=1μF/cm2
Nella membrana cellulare si trovano anche proteine
canale che permettono il passaggio di ioni. Queste
strutture sono responsabili della seconda caratteristica
della membrana cellulare, cioè della conduttanza (1/R).
Questa grandezza è la seconda componente del circuito
elettrico equivalente della membrana cellulare.
A questo punto dobbiamo includere nell’equivalente
elettrico della membrana il potenziale di membrana.
Questo esiste sempre grazie alla ridistribuzione degli
ioni determinata dai gradienti elettrici e chimici. A
riposo questo potenziale è detto resting potential e si
rappresenta come una batteria.
Sulla base di questo possiamo vedere come risponde
una membrana cellulare opportunamente stimolata e
perché la risposta passiva compare sempre.
Il circuito equivalente deve tenere conto di tutte le
conduttanze ioniche presenti e quindi di tutte le
batterie dei diversi sistemi ionici e del corrispondente
potenziale di inversione. Il risultato è il seguente.
OUTSIDE
INSIDE
Ion
Typical Internal
Concentration (mM)
Typical External
Concentration (mM)
Nernst
Potential (mV)
Na+
12
145
+67
K+
155
4
-98
Ca2+
10-4
1.5
+129
4
120
-90
Cl-
Quindi una membrana con queste caratteristiche se
viene stimolata in modo opportuno, come per esempio
da un passaggio di corrente risponde con una
variazione del potenziale in modo proporzionale al
valore di resistenza e capacità. Questa variazione di
potenziale prende il nome di potenziale elettrotonico.
Quando la corrente è iniettata essa comincia a fluire
attraverso la capacità che tende a caricarsi. La fase di
crescita del potenziale è data da: V= iR (1-e
τ=RC. Quando t=RC allora Vt=63%V0.
–t/τ)
dove
RC si definisce costante
tempo della membrana.
Quando
sono
trascorse
diverse costanti tempo, il
potenziale approssima un
asintoto e tutta la corrente
fluisce
attraverso
resistenza
(Ic=0
la
perché
Ic=dQ/dt=CdV/dt)
con
un
sarà
valore
che
proporzionale alla legge di
Ohm V=IrR.
Le caratteristiche del potenziale elettrotonico sono:
È sempre presente, in tutti i tipi cellulari se interviene
uno stimolo sulla membrana cellulare
Dipende dalle caratteristiche passive della membrana
cellulare, cioè resistenza e capacità
Non coinvolge attività di canali
È proporzionale all’intensità dello stimolo che lo
genera, è cioè un segnale di tipo analogico
Decade nel tempo e nello spazio con una costante di
spazio che dipende dalle caratteristiche della fibra
Il potenziale decade nello spazio secondo l’equazione:
Vx=V0 · e-x/λ
dove λ è detta costante di spazio della fibra e fornisce
informazioni su quanto si può propagare a distanza il
potenziale. Si ha che:
λ=SQR (r m / (ri + re))
con re praticamente trascurabile rispetto a ri e quindi:
λ=SQR (r m / ri )
La propagazione di un potenziale lungo una fibra è
maggiore se r m aumenta, mentre diminuisce se aumenta ri.
Vedremo l’importanza di questo fatto per la propagazione
del potenziale d’azione.
Neuroni e
potenziale d’azione
Prima di procedere alla descrizione del potenziale
d’azione facciamo un’introduzione sui neuroni.
Il neurone è la cellula base del sistema nervoso: si stima
che nel sistema nervoso ci siano circa 100 miliardi di
neuroni!!
Un tipico neurone è costituito da parti caratteristiche :
Soma o corpo cellulare: contiene il nucleo all’interno del
quale si trova il materiale genetico.
Dendriti: presenti in grande numero, rappresentano
l’input del neurone. Si ramificano dal corpo cellulare e
ricevono informazioni da altri neuroni.
Assone o neurite: si diparte dal soma. È unico e
rappresenta l’output della cellula. Da qui si dipartono
segnali elettro-chimici per altri neuroni. Talvolta (come
nei motoneuroni) può essere molto lungo. I neuriti più
lunghi e che necessitano di elevate velocità di
connessione sono ricoperti da mielina, uno strato
isolante che può portare la velocità di propagazione del
segnale fino a 120 m/s.
Terminale sinaptico: a questo livello il segnale elettrico
che si è propagato lungo l’assone è convertito in segnale
chimico
che
successivo.
veicola
l’informazione
al
neurone
Tra il terminale sinaptico di un neurone e il dendrite
del neurone successivo si trova uno spazio molto
ridotto che prende il nome di spazio sinaptico di cui
parleremo facendo la sinapsi. Per ogni neurone ci sono
dalle 1.000 alle 10.000 sinapsi!
Una sinapsi neurone-neurone può essere:
Asso-assonica
Asso-somatica
Asso-dendritica
Passiamo ora a vedere il potenziale d’azione
Cenni storici del potenziale d’azione




1902
Overton scopre che Na+ è importante
per la genesi di AP
1939
Cole e Curtis e Hodgkin e Huxley
scoprono che AP si manifesta con un’inversione
della polarità della membrana e non si porta
semplicemente a 0mV
1949
Hodgkin e Huxley scoprono che
alterazioni di [Na+]extracell influenzano l’ampiezza
dello spike
1952
Hodgkin e Huxley propongono
l’ipotesi del sodio.
Abbiamo detto che il potenziale d’azione è un tipo di
risposta elettrica che si manifesta solo nelle cellule
cosiddette eccitabili: neuroni, fibrocellule e cellule
secretorie.
Tradizionalmente la trattazione del potenziale d’azione
è
fatta
su
potenziali
neuronali,
anche
se
concettualmente i meccanismi sono simili se non
identici anche negli altri tipi cellulari.
Condizione necessaria e sufficiente
affinché un potenziale d’azione possa
innescarsi è che la depolarizzazione della
membrana cellulare, opportunamente
stimolata, raggiunga un livello di
potenziale soglia (threshold)
Le caratteristiche più salienti del potenziale d’azione
sono:
Una forma particolare (spike) che presenta
un’inversione transitoria della polarità
della
membrana (OVERSHOOT)
Propagazione senza decremento per l’intera
lunghezza della fibra
Ruolo attivo dei canali di membrana del Na+ e
del K+ dipendenti dal potenziale
Segnale modulato in frequenza: l’intensità dello
stimolo è codificata in base al numero di spikes per
unità di tempo
Che cosa si intende per canali dipendenti dal
potenziale?
Abbiamo già detto che i canali ionici non sono altro che
proteine trans-membrana aventi la funzione di veicolare
attraverso la membrana cellulare ioni carichi. Questi
canali possono essere grossolanamente suddivisi in:
Canali dipendenti dal potenziale (come quelli
implicati nel potenziale d’azione e molti canali Ca2+)
Canali ligando-dipendenti: canali che sono attivati
dal legame di una molecola ad un recettore (ad
esempio il recettore-canale di tipo nicotinico,
recettore GABAA)
Canali attivati meccanicamente: sono canali attivati
da stimoli meccanici di distensione o stiramento (ad
esempio il canale del Na+ del corpuscolo del Pacini
o i canali del K+ delle cellule cigliate).
Il potenziale d’azione
+60
+60
1. Depolarizzazione elettrotonica
2. Raggiungimento della soglia e avvio del ciclo di
Hodgkin
3. Fase depolarizzante rapida ascendente e overshoot
4. Picco
5. Ripolarizzzione
6. Iperpolarizzazione
7. Resting potential
1.
Per quanto riguarda la depolarizzazione elettrotonica,
questa non è altro che una comune risposta passiva
che si manifesta per le proprietà passive della
membrana.
Se
questa
depolarizzazione
non
è
sufficiente per arrivare alla soglia, la risposta della
membrana si esaurisce in un potenziale elettrotonico.
2.-3.
Il ciclo di Hodgkin è un esempio di feed-back positivo
nella fase ascendente dello spike: l’aumento della
conduttanza
al
depolarizzazione
conduttanza.
sodio
che
determina
aumenta
un’ulteriore
maggiormente
la
Dipendenza della conduttanza gNa+ dal potenziale di membrana
4.
Il raggiungimento del valore di picco dell’ AP è
determinato da due fattori:
I.Raggiungimento del potenziale di Nernst per lo ione
Na+ (circa +65mV). Vicino a questo valore la forza
elettromotrice sullo ione diminuisce (f.e.m.=Vm –
ENa+) e quindi la corrente tende a zero perché
INa+=gNa+ · f.e.m.
e se la corrente si azzera significa che cessa il flusso
ionico e quindi il potenziale non varia più.
I.Inoltre, in maniera ritardata rispetto ai canali del
Na+, si attivano i canali del K+ di tipo ritardatorettificante. Al valore del picco la f.e.m. sullo ione
potassio è massima e vale:
f.e.m. K+= Vm – EK+ = +65mV – (-90mV)=+155mV
Lo ione potassio ha quindi un gradiente elettrico e
chimico molto favorevole per uscire dalla cellula.
N.B. Osservare lo sfasamento tra
corrente del Na+ e corrente del K+
5. – 6.
La fase di ripolarizzazione è dovuta all’apertura dei
canali del potassio e al flusso di ioni K+ dall’interno
all’esterno
della
elettrochimico.
cellula
lungo
il
gradiente
L’uscita di potassio dalla cellula tende a continuare fino
al raggiungimento del potenziale di Nernst per lo ione
K+. Questo significa che il potassio “tira” il potenziale
di membrana a valori più negativi del valore di resting e
da questo fatto dipende l’iperpolarizzazione postuma
della fase
6. che può pesantemente condizionare
l’eccitabilità di una cellula (caso tipico è la modulazione
colinergica sulle cellule pacemaker cardiache).
7.
Infine la pompa Na-K ATPasi entra in gioco per
riportare le concentrazioni di sodio e di potassio ai loro
valori corretti, anche se va detto che durante il
potenziale d’azione la quantità di ioni che si muove è di
gran lunga inferiore al bulk che determina la
concentrazione.
Quindi la risposta attiva
evocata da uno stimolo
depolarizzante comporta:
Una
componente
rapida inward di ioni
Na+
Una
componente
ritardata e rettificante
dovuta all’uscita di
ioni K+
Quindi il potenziale d’azione si instaura
perché i flussi di Na+ e K+ cambiano la
carica sulla membrana cellulare e non
perché
cambiano
le
ioniche del citoplasma.
concentrazioni
Periodo refrattario
assoluto e relativo
Comportamento dei canali del sodio
PRA ca 1ms
PRR ca 2ms
Propagazione del potenziale d’azione
Nei neuroni il potenziale d’azione origina in una zona
particolare detta monticolo assonico che corrisponde al
punto di emergenza del neurite dal soma cellulare. In
questa zona, non a caso, si trova un’elevatissima
percentuale di canali Na+.
Il meccanismo di propagazione dell’AP si avvale della
capacità di invertire la polarità della membrana in zone
adiacenti all’AP, generando nuovi AP.
Il potenziale d’azione si propaga per circuiti locali.
L’overshoot determina un’inversione della polarità della
membrana che genera flussi locali di corrente di
intensità sufficiente da depolarizzare a soglia le zone
limitrofe.
La direzione di propagazione, benché teoricamente
possa avvenire nelle due direzioni, avviene solo verso
valle del neurite, perché la zona a monte si trova nello
stato refrattario e quindi non è eccitabile.
Propagazione per circuiti
locali di corrente
La frequenza massima raggiungibile è limitata dalla
durata del periodo refrattario assoluto (circa 1ms) a circa
1000 impulsi al secondo per le grosse fibre nervose.
Conduzione saltatoria
Abbiamo visto che la propagazione di un segnale lungo
una fibra è strettamente influenzato da r m (resistenza
specifica di membrana) e da rin (resistenza longitudinale
interna). La distanza a cui un potenziale si propaga
dipende dalla costante spazio definita come:
λ=SQR (r m / rin )
Esistono quindi due modi per aumentare la costante
spazio:
Aumentare il diametro della fibra secondo il seguente
criterio
r=ρ l/S
e quindi diminuire rin per aumento della sezione
Creare un miglior isolamento elettrico della fibra
aumentando r m e quindi diminuire le correnti di “fuga”
La prima situazione è quella che si verifica per esempio
nell’assone gigante di calamaro che ha un diametro di
circa 1mm. Il secondo caso è quello delle fibre
mieliniche. Questo è un avvolgimento di materiale
lipidico, e quindi da un punto di vista elettrico isolante,
che forma 100 o più strati sul neurite, con interruzioni
ogni 1-2mm note con il nome di nodi di Ranvier.
L’avvolgimento è determinato da oligodendrociti nel
SNC e dalle cellule di Schwann nel SNP.
L’avvolgimento di questi strati fa sì che la resistenza
equivalente sia Rtotale=r m1+ r m2 + r m3 +…..+ r mn e
quindi risulti molto aumentata facendo aumentare λ.
Dal punto di vista capacitivo la capacità totale
diminuisce perché si ha, per capacità in serie, 1/Cm=Σi
1/Ci.
Essendo C=Q/V vale che la membrana si carica
meglio per una diminuzione della capacità.
Il potenziale d’azione si propaga da un nodo di Ranvier
all’altro per conduzione saltatoria.
I circuiti locali si chiudono da un nodo all’altro, dove la
corrente può fluire tra interno ed esterno e dove la
concentrazione dei canali del sodio è molto elevata.
La membrana internodale non è in grado di generare
potenziali d’azione. Il potenziale salta quindi per punti
discreti
aumentando
moltissimo
la
velocità
conduzione delle fibre che può arrivare a 120m/s
di
La trasmissione sinaptica
L’encefalo umano contiene circa 100 miliardi di neuroni,
ciascuno capace di influenzare molte altre cellule.
Pertanto è necessario un meccanismo dotato di grande
efficienza per rendere possibile la comunicazione fra
questo
numero
enorme
di
elementi.
Questa
comunicazione è resa possibile dalle sinapsi, i contatti
funzionali fra i neuroni.
La prima distinzione fondamentale è fra
Sinapsi elettriche: flusso passivo di corrente elettrica fra
un neurone e l’altro
Sinapsi chimiche: comunicazione possibile grazie alla
secrezione di neurotrasmettitori
Si
definisce
elemento
pre-sinaptico
l’elemento cellulare a monte della sinapsi e
che riceve un segnale da trasmettere.
Si
definisce
elemento
post-sinaptico
l’elemento cellulare a valle della sinapsi
che riceve l’informazione
Sono in minoranza rispetto alle sinapsi chimiche, ma
presenti ovunque, specialmente dove sia necessario
sincronizzare l’attività di un gruppo di cellule in
maniera rapida ed efficiente. Le due membrane sono
molto
vicine
fra
loro unite da una giunzione
comunicante (gap junction). Queste strutture sono
costituite da canali esattamente allineati fra loro sulle
due membrane (pre- e post-sinaptica) che formano un
poro di diametro molto maggiore del poro dei canali
ionici visti per il potenziale d’azione
Questi pori consentono il passaggio anche di molecole
di relative grosse dimensioni come ATP e alcuni
secondi messaggeri. Gli ioni fluiscono dal neurone pre-
sinaptico al neurone post-sinaptico veicolando corrente.
Questa struttura implica diverse conseguenze che
differenziano profondamente la sinapsi elettrica dalla
sinapsi chimica. Una sinapsi elettrica:
•È bidirezionale: il flusso ionico può avvenire nelle due
direzioni
•Non mostra ritardo sinaptico:
è un flusso ionico
estremamente veloce
•Mostra continuità citoplasmatica fra i due elementi
•Distanza fra elemento pre- e post-sinaptico di 3.5nm
contro i 30-50 nm della sinapsi chimica.
La gap junction è formata
da
una
struttura
detta
connessone costituita da 6
sub-unità dette connessine
che delimitano un poro
attraverso cui passano gli
ioni.
Le sinapsi elettriche sono diffuse in tutti i tessuti in cui
si ha bisogno di ottenere un’azione sincrona con
trasmissione rapida dell’informazione. Questo avviene
per esempio a livello del miocardio, dove si ha bisogno
di una contrazione muscolare contemporanea di tutte
le fibrocellule atriali e ventricolari. Avviene in alcune
aree del SNC (ipotalamo per il controllo della
secrezione ormonale), a livello di epatociti, fibrocellule
lisce dell’intestino, cellule epiteliali del cristallino.
Nelle sinapsi chimiche l’elemento pre- e post-sinaptico
sono separati fra loro da uno spazio di circa 50nm detto
spazio sinaptico (synaptic cleft). Da un punto di vista
microscopico le sinapsi chimiche sono caratterizzate da
vescicole sinaptiche nella terminazione pre-sinaptica.
Queste vescicole contengono il trasmettitore chimico
diverso a seconda della sinapsi considerata.
La sinapsi chimica più studiata è la giunzione neuromuscolare.
La trasmissione sinaptica in una sinapsi chimica segue
una complessa catena di eventi che si innesca quando
un potenziale d’azione invade la terminazione del
neurone pre-sinaptico.
Vediamo qual’è la sequenza di eventi.
Elementi di una
giunzione
neuromuscolare




Il potenziale d’azione causa una variazione del
potenziale della membrana pre-sinaptica in senso
depolarizzante determinando l’apertura di canali del
calcio dipendenti dal potenziale.
Questo, a seguito del fortissimo gradiente chimico
esistente (2mM all’esterno e circa 10-7M all’interno),
determina un rapido influsso di ioni Ca2+
all’interno del terminale pre-sinaptico.
L’aumento del calcio innesca esocitosi delle
vescicole contenenti il neurotrasmettitore
Le molecole di neurotrasmettitore diffondono nello
spazio sinaptico e si legano a specifici recettori
presenti sulla membrana post-sinaptica.

Il legame del neurotrasmettitore al suo recettore
determina una risposta elettrica da parte
dell’elemento post-sinaptico. Nel caso della
giunzione
neuromuscolare
si
verificano
depolarizzazioni che prendono il nome di
potenziali di placca (EPP). In genere in questo tipo
di sinapsi la depolarizzazione indotta è sufficiente
ad arrivare a soglia e determinare l’instaurarsi di un
potenziale d’azione a livello muscolare con
conseguente contrazione della fibra muscolare.
Pre
Post
Nella giunzione neuromuscolare sono stati fatti gli studi
principali per la comprensione del funzionamento delle
sinapsi chimiche. Una delle scoperte più interessanti è
stata che la membrana muscolare mostra piccole
modificazioni del potenziale di membrana (circa 0.4mV)
anche in assenza della stimolazione del motoneurone
pre-sinaptico. Questi fenomeni spontanei vanno sotto il
nome di potenziali di placca in miniatura (MEPP).
Da un’analisi statistica risulta che ogni EPP deriva dalla
somma di più MEPPs.
Quindi un singolo MEPP corrisponde al rilascio di una
singola vescicola contenente neurotrasmettitore dal
terminale pre-sinaptico. Un EPP deriva dall’aumentata
probabilità di questo evento e quindi dalla somma di più
MEPPs. Tale aumentata probabilità deriva dalla
stimolazione elettrica del terminale pre-sinaptico che
induce un rilascio Ca2+-mediato delle vescicole.
Si dice quindi che a livello sinaptico il rilascio di
neurotrasmettitore è di tipo quantico, cioè avviene per
pacchetti discreti di neurotrasmettitore.
Distribuzione dei
MEPPs
Distribuzione quantica delle
ampiezze degli EPPs
Nei
motoneuroni
che,
a
livello
di
giunzione
neuromuscolare, utilizzano acetilcolina (ACh) come
neurotrasmettitore,
concentrazione
corrisponde
di
a
le vescicole
ACh
circa
di
circa
10.000
neurotrasmettitore per vescicola.
contengono
una
100mM
che
molecole
di
Abbiamo detto che il rilascio di vescicole è Ca2+dipendente e dipende da un aumento del calcio
citoplasmatico
dovuto
all’ingresso
degli
ioni
attraverso canali del cacio dipendenti dal potenziale.
Nel processo di esocitosi delle vescicole sono
coinvolte numerose proteine fra cui la sinaptotagmina
che funziona come sensore per l’aumento del calcio
intracellulare e innesca quindi il meccanismo di
fusione delle vescicole.
Neurotrasmettitori
Il ciclo di attività di tutti i neurotrasmettitori è
simile.
 Sono
sintetizzati e immagazzinati
vescicole della cellula pre-sinaptica
nelle
 Sono
liberati in seguito ad esocitosi delle
vescicole ed interagiscono con recettori specifici
di una o più cellule post-sinaptiche
 Sono
rapidamente rimossi o degradati nello
spazio sinaptico.
I neurotrasmettitori sono in genere suddivisibili in due
grandi categorie:
•Piccole molecole: in genere mediano reazioni rapide
(Ach, NE, Glutammato, GABA, Gly, Dopamina, etc..)
•Neuropeptidi: tendono a modulare funzioni cerebrali
più lente e continue (L-ENK, M-ENK, sostanza P,
neurotensina, etc…)
Entrambi si legano comunque a recettori e tendono a
modificare le proprietà elettriche dell’elemento postsinaptico.
In base a quali
neurotrasmettitore?



criteri
si
identifica
un
La sostanza deve essere presente nel
neurone pre-sinaptico (e anche tutti gli
enzimi per produrla)
Il rilascio della sostanza deve avvenire in
risposta ad una depolarizzazione presinaptica che deve essere Ca2+-dipendente
La membrana dell’elemento post-sinaptico
deve portare i recettori per quella sostanza.
Evento Ca2+dipendente
Sostanza presente
Recettori presenti
Attualmente sono noti numerosissimi neurotrasmettitori
e fra questi anche alcuni ormoni che possono in alcuni
distretti cerebrali avere una funzione in sinapsi (ad
esempio ossitocina e vasopressina).
Inoltre si sa che i neuroni possono liberare anche più di
un
tipo
di
neurotrasmettitore:
si
parla
di
co-
trasmettitori.
Vediamo qualcosa , in modo schematico, sulla sintesi
dei neurotrasmettitori.
I neurotrasmettitori a piccole molecole sono sintetizzati
nelle terminazioni pre-sinaptiche. Gli enzimi necessari
sono trasportati con trasporto assonico lento ad una
velocità di 0.5-5mm/die. Le molecole precursore
utilizzate sono trasportate da proteine trasportatrici.
I
neurotrasmettitori
peptidici
sono
prodotti
per
trascrizione genica sotto forma di precursori che
subiscono modificazioni nel REG e poi nel Golgi. Le
vescicole sono poi trasportate alla terminazione lungo
l’assone
con
trasporto
assonico
400mm/die) lungo i microubuli.
rapido
(fino
a
Dopo che il trasmettitore ha svolto la sua azione
legandosi al suo recettore specifico, deve essere
rapidamente rimosso per estinguere l’effetto.
Questo può avvenire per retro-trasporto all’interno del
terminale pre-sinaptico (NE) o per degradazione ad
opera di enzimi specifici (ACh) o per la combinazine di
entrambi i processi.
Vediamo un esempio.
Re-uptake
Degradazione enzimatica
Diffusione al di fuori
dello spazio sinaptico
Recettori dei neurotrasmettitori
I neurotrasmettitori generano risposte elettriche
negli
elementi
post-sinaptici
legandosi
a
proteine di membrana dette recettori. Questi, a
loro volta determinano in modo diretto o
indiretto apertura o chiusura di canali ionici
della membrana post-sinaptica. Il tipo di canale
determinerà se l’effetto del trasmettitore è
eccitatorio oppure inibitorio.
I recettori si dividono in due classi principali:
Recettori a gating diretto: sono recettori che, oltre a
portare il sito di legame per il trasmettitore sono anche
canali. Ad esempio i recettore colinergico nicotinico, il
recettore GABAergico A, il recettore NMDA per il
glutammato,
recettore
AMPA-kainato,
recettore
serotoninergico 5-HT3.
Recettori a gating indiretto: sono accoppiati ad un canale
attraverso un G-proteina ed eventualmente un sistema di
secondi messaggeri. Ad esempio i recettori α- e βadrenergici, i recettori colinergici muscarinici (M1-M5),
GABAB e i recettori per tutti i neuropeptidi.
Recettore a
gating diretto:
recettore
nicotinico
Recettore a gating indiretto: recettore muscarinico M2
La risposta elettrica dell’elemento post-sinaptico in
seguito a rilascio di neurotrasmettitore è stato studiato
ancora una volta sulla giunzione neuromuscolare, che
risulta essere particolarmente accessibile a misure
elettrofisiologiche.
ACh rilasciata nello spazio sinaptico si lega al recettore
nicotinico e in particolare alle due sub-unità α
determinando l’attivazione di un canale cationico che
permette l’ingresso di Na+ e Ca2+ e l’uscita di K+. La
risultante corrente prende il nome di corrente di placca
e determina a sua volta una variazione del potenziale in
senso depolarizzante (eccitatorio) di membrana noto
con il nome di EPP.
Spazio sinaptico
Muscolo
Risulta formato da 5 sub-unità:
2 sub-unità α: presentano il sito di legame per ACh e
per neurotossine
1 sub-unità β
1 sub-unità γ (ε nel feto): insieme alle α e δ
forma il sito per ACh
1 sub-unità δ
I recettori nicotinici di una giunzione neuromuscolare
sono circa 107/108 con una densità di 20000/µm2,
clusterizzati intorno alla zona di contatto sinaptico.
Il potenziale di inversione del recettore nicotinico, cioè
quel valore di potenziale a cui la corrente netta
attraverso il canale è zero, vale circa -10mV. Questo,
attraverso considerazioni di vario tipo, porta a stabilire
che le correnti che passano attraverso il recettore-canale
siano:
•Una corrente al Na+ in ingresso
•Una corrente al K+ in uscita
Questo significa in effetti che più o meno vale:
VEPP = (ENa+ + EK+)/2 = (+60mV – 90mV)/2 = -17mV
Quindi, questo significa che ogni volta che 2 molecole di
ACh si legano alle sub-unità α del recettore nicotinico
sulla membrana muscolare, inizia a passare una
corrente mista Na-K attraverso il canale del recettore.
Questa
corrente
di
placca
determina
una
depolarizzazione locale (EPP) della membrana e questo
flusso di corrente continua in senso depolarizzante fino
a quando il potenziale di membrana approssima i 17mV, cioè il potenziale di inversione dell’EPP.
Rivediamo la sequenza completa degli eventi
Quando più EPPs si sommano fra loro, il livello di
depolarizzazione è sufficiente ad attivare il ciclo di
Hodgkin dei canali del Na+ e quindi ad evocare il
potenziale d’azione per dare inizio alla contrazione
muscolare.
Sinapsi eccitatorie e
sinapsi inibitorie
I potenziali post-sinaptici modificano la probabilità che
si produca un potenziale d’azione nella cellula post-
sinaptica.
Se la probabilità di uno spike aumenta si parla di
potenziali post-sinaptici eccitatori EPSP (vedi
placca motrice).
Se la probabilità di uno spike diminuisce si parla
di potenziali post-sinaptici inibitori IPSP (vedi
sinapsi GABAergiche).
Quello che distingue fondamentalmente un EPSP da un
IPSP è il valore del potenziale di inversione rispetto al
potenziale soglia necessario per evocare uno spike.
In una sinapsi eccitatoria il potenziale post-sinaptico
sposta il potenziale di membrana verso il valore soglia,
mentre in una sinapsi di tipo inibitorio il potenziale
post-sinaptico sposta il valore della membrana lontano
dal valore soglia, talvolta addirittura iperpolarizzando la
membrana. Le sinapsi inibitorie più diffuse sono le
sinapsi GABAergiche (PNS) e glicinergiche (CNS) che
attivano una conduttanza al Cl-.
EPSP
Si può parlare di inibizione
pre-sinaptica: l’azione inibitoria è sul neurone presinaptico,
cioè
modula
l’azione
eccitatoria
dell’elemento pre-sinaptico.
post-sinaptica: l’azione inibitoria è sull’elemento post-
sinaptico, riducendone l’eccitabilità
PrePostPre-
azione inibitoria
PrePost-
PreInhibitory synapse
Inibizione pre-sinaptica
Inibizione post-sinaptica
Sommazione dei potenziali sinaptici
In generale, soprattutto a livello di CNS, ogni neurone
riceve in input il segnale proveniente da decine a
migliaia di sinapsi. La cellula post-sinaptica è in grado
di integrare tutti questi segnali grazie a fenomeni che
vanno sotto il nome di sommazione spaziale e
sommazione temporale.
Sommazione spaziale= è la somma dell’effetto di
input sinaptici multipli in punti diversi del soma e dei
dendriti della cellula. Due stimoli eccitatori sottosoglia
possono,
se
sommati,
dare
una
depolarizzazione che arriva a soglia.
Sommazione
temporale=
è
l’accumulo
di
deplarizzazioni successive dovute all’attività ripetitiva.
Ciascun potenziale si somma al precedente sulla fase
di discesa.