Fisiologia cellulare, Dispense di Fisiologia

Scarica Fisiologia cellulare e più Dispense in PDF di Fisiologia solo su Docsity! La cellula Aspetti principali La cellula è costituita da citoplasma racchiuso da una membrana cellulare. Il citoplasma include gli organuli citoplasmatici, nucleo compreso, ed è costituito da acqua, ioni e altre molecole in soluzione. La membrana cellulare è costituita da un doppio strato fosfolipidico che comprende diverse tipologie di proteine e permette il passaggio di sostanze in maniera selettivamente permeabile. Alcune proteine di membrana partecipano alla costituzione di canali proteici che non possono attraversare la membrana in maniera autonoma. La membrana cellulare va a delimitare anche alcuni organuli citoplasmatici come il reticolo endoplasmatico, l’apparato di Golgi, i mitocondri, i lisosomi e il nucleo. Alcune cellule hanno forme che aumentano la superficie di scambio con l’ambiente esterno; poiché la sfera è la forma che possiede la minor superficie relativa le cellule raramente assumono questa conformazione. Le dimensioni ridotte della cellula mantengono alta la superficie relativa (rapporto S/V), in questo modo hanno un’area di scambio maggiore per ciascuna unità di volume. I costituenti base della cellula sono: • 70% acqua • 10% proteine; • 20% lipidi; • 1% carboidrati; • - elettroliti. Struttura e funzioni della cellula Il corpo dei vertebrati è costituito da circa 200 tipi cellulari che, anche se hanno funzioni cellulari differenti, presentano molte caratteristiche comuni. Membrana cellulare Ha diverse funzioni indispensabili: • Forma una barriera tra il fluido presente nel comparto extracellulare e quello presente all’interno della cellula, contribuendo a mantenerne le differenze. • Contiene proteine che trasportano le sostanze idrosolubili (che non possono attraversare da sole la membrana) all’esterno o all’interno della cellula. Alcune di queste proteine funzionano contro gradiente elettrochimico. • Contiene proteine che funzionano da recettori e sono in grado di riconoscere e ricevere segnali provenienti da altre cellule e trasmessi da segnali chimici. • Contiene enzimi che catalizzano reazioni chimiche. • Tramite le proteine di membrana crea connessioni con le cellule vicine e con la matrice extracellulare. La membrana è formata da lipidi (fosfolipidi, trigliceridi e colesterolo) e da proteine. I fosfolipidi sono costituiti da una testa polare, e quindi idrofila, e da due code di acidi grassi non polari, e quindi idrofobe. Per dare origine alla membrana cellulare si dispongono in un doppio strato in cui le teste sono rivolte verso l’esterno e l’interno della cellula e le code sono rivolte le une verso le altre. Derivano tutti dal glicerolo, ad eccezione della sfingomielina, che è data dall’unione di una molecola di sfingosina, una di fosfocolina e di un acido grasso. 1 La membrana cellulare ha una struttura a mosaico fluido, non è statica e non è rigida, ma le molecole che la compongono sono legate tra loro da legami deboli, che si rompono e ricreano in continuazione. Da questo punto di vista la presenza del colesterolo è fondamentale, in quanto ha la funzione di stabilizzare la struttura della membrana. Le proteine rappresentano circa il 50% dei costituenti della membrana cellulare e in base ai loro rapporti con i fosfolipidi vengono classificate secondo tre categorie: • Proteine integrali o transmembrana, si estendono attraverso tutta la membrana cellulare e alcune loro porzioni assumono una conformazione a α-elica (non polare) che stabilisce dei legami non covalenti con le code lipidiche dei fosfolipidi di membrana, questo le ancora saldamente alla struttura della membrana. • Proteine periferiche, non attraversano completamente lo spessore della membrana e si legano debolmente alle proteine integrali o alle teste polari dei fosfolipidi. • Proteine ancorate ai lipidi, sono legate covalentemente alle code dei fosfolipidi. Nel loro insieme le proteine di membrana comprendono proteine strutturali, di trasporto (canali ionici e carrier), enzimi e recettori. Sul versante esterno della cellula molte proteine di membrana legano molecole di carboidrati, in questo modo la cellula viene circondata da una guaina idrofila che prende il nome di glicocalice. Il glicocalice è costituito per il 90% da glicoproteine e per il 10% da glicolipidi, e ha funzione di: • Protezione meccanica e fisica: • Adesione • Recettore per molecole segnale e pei il sistema immunitario. La membrana è una struttura selettivamente permeabile, significa che può essere attraversata da piccole molecole polari non ionizzate, acqua, gas respiratori e altre sostanze liposolubili come ormoni steroidei e tiroidei, mentre non può essere attraversata da molecole di grosse dimensioni e/o idrosolubili. Citoplasma È una sostanza viscosa contenuta all’interno della membrana citoplasmatica, al suo interno sono contenuti gli organuli citoplasmatici e il nucleo. Il citosol è una soluzione acquosa di composti organici e ioni inorganici che si differenzia dal liquido extracellulare e dal contenuto degli organuli. Al suo interno sono presenti anche numerose proteine che svolgono la funzione di enzimi nei processi metabolici della cellula, e può presentare inclusioni di sostanze quali gocciole lipidiche e granuli di glicogeno. Organuli cellulari Riconosciamo organuli provvisti di membrana, quali: • Mitocondri; • Reticolo endoplasmatico; • Apparato di Golgi; • Lisosomi; • Perossisomi; • Nucleo; e organuli sprovvisti di membrana: • Ribosomi; • Citoscheletro. 4 all’acqua. Generalmente questi canali sono talmente piccoli da permettere il passaggio solo di ioni inorganici, per questo motivo prendono il nome di canali ionici. La diffusione avviene secondo gradiente elettrochimico in base alle differenze di concentrazione e di voltaggio tra il citosol e il liquido extracellulare. I canali ionici sono selettivi. • Legame con proteine trasportatrici: le molecole idrofile troppo grandi per attraversare i canali ionici possono attraversare la membrana passivamente legandosi a proteine trasportatrici presenti sulla membrana: il legame modifica la conformazione della proteina che espone la molecola idrofila al fluido sull’altro versante della membrana, successivamente il legame si scinde, la molecola idrofila diffonde e la proteina torna alla sua conformazione normale. Si tratta di diffusione facilitata e avviene sempre secondo gradiente elettrochimico. La diffusione facilitata differisce dagli altri trasporti passivi per tre aspetti principali: • Il trasporto è specifico; • La capacità di trasporto è limitata dal numero di proteine trasportatrici presenti sulla membrana; • Il trasporto può subire competizione, perché le proteine trasportatrici possono legare molecole simili, la formazione del legame è determinata dalle concentrazioni delle molecole che competono. (inibizione competitiva). Trasporto di acqua attraverso la membrana cellulare Piccole quantità di acqua riescono a diffondere attraverso la membrana plasmatica a causa della mancanza di forti legami chimici tra i fosfolipidi e alla presenza di canali di membrana altamente selettivi per l’acqua formati dalle acquaporine. L’acqua diffonde secondo gradiente osmotico (da un ambiente con elevata osmolarità ad uno con minore), per cui il passaggio dell’acqua attraverso le membrane prende il nome di osmosi. L’osmolarità del fluido intracellulare è pressoché la stessa di quella del fluido extracellulare e questo contribuisce a mantenere stabile il volume cellulare. La tendenza dell’acqua a muoversi può essere bilanciata dalla pressione osmotica, la cui forza si calcola tramite la legge di Boyle: 𝑃 = 𝑛𝑅𝑇 𝑉 dove n = numero di molecole osmoticamente attive. Quindi la tendenza dell’acqua a spostarsi dipende dal numero di particelle in soluzione e non dalla loro massa; ogni particella esercita in media la stessa pressione contro la membrana cellulare (1 mole di glucosio esercita 1 osmole, 1 mole di cloruro di sodio, dissociato, esercita 1 osmole); l’osmolarità del plasma è di 300 milliosmoli. Una soluzione che non altera il volume della cellula viene definita isotonica, se ne provoca il rigonfiamento viene chiamata ipotonica e se ne provoca il raggrinzimento è ipertonica. Si ha quindi che: • Soluzione ipotonica < 300 mOs • Soluzione isotonica ≈ 300 mOs • Soluzione ipertonica > 300 mOs. La soluzione fisiologica è una soluzione acquosa contenente 9g di NaCl per litro ed è sia isotonica che isoosmotica. Una soluzione isoosmotica che contiene una sostanza che può facilmente diffondere attraverso la membrana è ipotonica. 5 Trasporto attivo Si verifica tramite l’ausilio delle proteine trasportatrici presenti sulla membrana cellulare che, contrariamente a quelle coinvolte nel trasporto passivo, possono trasferire sostanze contro gradiente di concentrazione. Questo tipo di trasporto richiede un dispendio energetico e può avvenire secondo due modalità: • Trasporto attivo primario, la proteina trasportatrice idrolizza l’ATP e usa una parte dell’energia prodotta per effettuare il trasporto. • Trasporto attivo secondario, la proteina trasportatrice usa l’energia potenziale immagazzinata sotto forma di differenza di concentrazione di uno ione. Il trasporto che necessita energia viene associato ad un trasporto ionico (generalmente di sodio) secondo gradiente di concentrazione, che genera energia che può essere usata dalla proteina trasportatrice. L’energia generata da questo tipo di trasporto può essere usata anche da altre proteine trasportatrici, si parla quindi di trasporto terziario (assorbimento di peptidi nell’intestino tenue). o Esempi: ▪ Simporto sodio – glucosio nell’intestino tenue ▪ Simporto sodio – amminoacidi ▪ Antiporto sodio – calcio ▪ Antiporto sodio – idrogeno Se viene trasportata una sola molecola per volta il trasporto prende il nome di uniporto. Nel caso del trasporto attivo secondario, che vede il trasporto di due molecole contemporaneamente, si parla invece di co-trasporto, che può essere simporto (le molecole vengono trasportate nella stessa direzione) o antiporto (le molecole vengono trasportate in direzioni opposte). Pompa sodio – potassio È un sistema di trasporto attivo primario che trasferisce ioni Na+ all’esterno della cellula e fa affluire ioni K+ all’interno. È presente in tutte le cellule del corpo ed è responsabile del mantenimento delle differenze di concentrazione del sodio e del potassio tra i liquidi extra e intracellulare. Inoltre, contribuisce al potenziale elettrico interno della cellula e svolge un ruolo importante nel processo di trasmissione dei segnali nel sistema nervoso. La pompa sodio – potassio presenta tre siti recettoriali per il sodio nel versante interno della cellula e due siti per il potassio nel versante esterno, inoltre la porzione interna ha attività ATPasica. Le funzioni principali della pompa sodio – potassio è quella di controllare il volume della cellula e di elettrogeno. Trasporto attivo primario del calcio Il calcio intracellulare è mantenuto ad una concentrazione 10000 volte inferiore rispetto a quella extracellulare, per permettere questo il calcio viene attivamente trasportato all’esterno della cellula o all’interno di vescicole di deposito. Trasporto attivo primario degli ioni idrogeno È molto importante a livello di ghiandole gastriche e di tubuli distali e dotti collettori del rene. Endocitosi ed esocitosi Sono particolari modalità di trasporto attivo che permettono a sostanze idrosolubili o complessi molecolari di attraversare la membrana cellulare all’interno di vescicole membranose. 6 Esocitosi Le vescicole di trasporto vengono prodotte nell’apparato di Golgi e trasportate verso la membrana cellulare, qui di fondono con essa in modo tale da riversare il loro contenuto all’esterno della cellula. Tramite l’esocitosi costitutiva le vescicole si fondono con la membrana plasmatica per allungarla e permettere l’aumento delle dimensioni della cellula. I neurotrasmettitori e gli ormoni idrosolubili, una volta prodotti, sono immagazzinati nel citoplasma all’interno di vescicole di deposito che vengono esocitate in seguito ad un segnale specifico, in questo caso si parla di esocitosi regolata. Endocitosi Viene messa in atto per captare e portare all’interno della cellula sostanze presenti nel liquido extracellulare. La membrana cellulare si invagina ed estroflette in modo da formare una vescicola membranosa che viene poi portata all’interno della cellula. Fagocitosi È una forma di endocitosi messa in atto da alcuni leucociti, soprattutto neutrofili e macrofagi che, per delimitare e distruggere microrganismi, cellule e altre sostanze potenzialmente dannosi per l’organismo. In questo caso l’endocitosi non avviene tramite un’invaginazione della membrana, ma attraverso l’estroflessione di pseudopodi che, con movimenti ameboidi, circondano la particella da endocitare. Le vescicole che si formano prendono il nome di fagosomi e, una volta trasportati all’interno della cellula, si fondono con i lisosomi in una struttura chiamata fagolisosoma; all’interno del fagolisosoma gli enzimi litici si attivano per distruggere il contenuto del fagosoma. Pinocitosi La cellula ingloba, attraverso vescicole di esocitosi, piccole quantità di liquido extracellulare e di sostanze in esso disciolte. Comunicazione tra cellule Le cellule hanno bisogno di comunicare tra loro per coordinare le attività dei tessuti e degli organi dell’organismo, questa comunicazione avviene tramite messaggi chimici ed elettrici. 9 3. Il secondo messaggero innesca una serie di processi intracellulari che terminano con la modificazione dell’attività della cellula e quindi con una risposta biologica. Alcune cellule endocrine usano mediatori chimici comuni ad alcuni neuroni, queste sostanze possono quindi fungere sia da ormoni che da neurotrasmettitori. Spesso i secondi messaggeri agiscono sulle proteinchinasi, che fosforilano le proteine cellulari trasferendo su di esse un gruppo fosfato appartenente all’ATP; la fosforilazione cambia la conformazione della proteina e quindi la sua attività biologica. In altri casi è il Ca2+ che ha azione di scendo messaggero: il primo messaggero causa un aumento delle concentrazioni di calcio intracellulare causando la risposta biologica. I recettori di membrana sono proteine integrali di membrana, generalmente glicoproteine, costituite da tre porzioni: • Porzione extracellulare, presenta il sito di legame per il messaggero; • Porzione transmembrana, ancora il recettore alla membrana e favorisce l’attivazione del sistema di trasduzione del segnale; • Porzione intracellulare, è coinvolta nel processo di attivazione del sistema di trasduzione. Quando una molecola segnale si lega ad un recettore questo subisce una modificazione strutturale e dà inizio ad una cascata di eventi intracellulari che termina con la risposta biologica. In base alle modalità di trasferimento del segnale i recettori di membrana vengono classificati in: • Recettori associati a proteine G; • Recettori che funzionano come canali ionici; • Recettori che funzionano come enzimi; • Recettori che attivano le guanilato ciclasi. Recettori associati a proteine G (GPCR) I recettori associati alle proteine G sono una classe di proteine integrali di membrana caratterizzate da sette α-eliche transmembrana, con un dominio extracellulare N-terminale e uno intracellulare C- terminale. Le proteine G sono proteine ancorate alla membrana plasmatica, costituite da tre subunità: α, β e γ. La subunità α presenta un sito di legame per i nucleotidi guaninici (GTP e GDP) e ha su di essi un’attività enzimatica, infatti catalizza la conversione del GTP in GDP; mentre le subunità β e γ rimangono associate a formare un unico complesso. Allo stato di riposo la proteina G si presenta libera e con il GDP legato al suo sito specifico; quando il messaggero chimico si lega al recettore associato alla proteina G questo subisce un cambio conformazionale che fa aumentare l’affinità del suo dominio intracellulare per la proteina G, che si lega ad esso. Il legame tra il recettore e la proteina G causa la sostituzione del GDP con una molecola di GTP, la rottura del legame con il recettore e la dissociazione della subunità α dal trimero. La subunità α attivata determina l’apertura o la chiusura di un canale ionico oppure la stimolazione o l’inibizione di un enzima presente sulla membrana citoplasmatica; una volta svolto il suo compito la subunità α idrolizza il GTP in GDP e la proteina torna allo stato inattivo. 10 Gli enzimi su cui agiscono le proteine G catalizzano la formazione di un secondo messaggero, che regola l’attività delle protein-chinasi che fosforilano le proteine cellulari trasferendo su di esse gruppi fosfato provenienti dall’ATP. La fosforilazione delle proteine determina un aumento o una diminuzione della loro attività enzimatica, e quindi una risposta biologica. I primi messaggeri in grado di attivare le proteine G sono: • Epinefrina; • Norepinefrina; • Acetilcolina; • Serotonina; • ATP extracellulare. La proteina G può causare l’attivazione dell’adenilato ciclasi, che produce adenosina monofosfato ciclico (AMPc) a partire da ATP. L’AMPc attiva la protein-chinasi A e alcuni canali ionici, partecipa alla regolazione della sintesi proteica, e il suo effetto termina in seguito alla conversione in AMP inattivo da parte dell’enzima fosfodiesterasi. La protein-chinasi A è costituita da quattro subunità, due regolatrici e due catalitiche; l’AMPc si lega alle subunità regolatrici determinando il rilascio delle subunità catalitiche, sono queste a fosforilare le proteine della cellula e a determinare così la risposta biologica. La proteina G attivata causa anche l’attivazione della fosfolipasi C, che idrolizza il fosfolipide di membrana PIP2 (fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato), determinando la formazione del diacilglicerolo Questa foto di Autore sconosciuto è concesso in licenza da CC BY 11 (DAG) e dell’inositolo trifosfato (IP3). Il DAG rimane sulla membrana cellulare e attiva la protein- chinasi C, un enzima calcio-dipendente che catalizza la fosforilazione delle proteine determinando così la risposta biologica. L’IP3, invece, apre i canali Ca2+ determinando un aumento del calcio intracellulare, che va a legarsi alla calmodulina attivandola. Il complesso calcio – calmodulina attivano delle proteine calcio-dipendenti che hanno il compito di fosforilare altre proteine, e quindi determinare la risposta biologica. Il DAG viene inattivato molto rapidamente, mentre l’IP3 viene convertito in inositolo, che determina la chiusura dei canali ionici. Un’altra delle funzioni della proteina G è quella di attivare l’enzima fosfolipasi A2, responsabile della formazione di eicosanoidi. La fosfolipasi A2 infatti ha la capacità di idrolizzare i fosfolipidi di membrana per produrre acido arachidonico, che viene a sua volta idrolizzato per produrre eicosanoidi (prostaglandine, prostaciclina, trombossani, leucotrieni, ecc.). Recettori con funzione di canali ionici Molti canali ionici presenti nella membrana cellulare sono anche recettori per i messaggeri chimici, la formazione del complesso ligando – recettore causa la chiusura o l’apertura del canale ionico. Per questo motivo vengono chiamati canali ionici a controllo di ligando. La regolazione di questi recettori può avvenire anche tramite l’interposizione delle proteine G, e quindi di un secondo messaggero, questo avviene in neuroni, cellule sensoriali e cellule muscolari. Recettori con funzioni enzimatiche Alcuni recettori presentano un’attività enzimatica, generalmente tirosina chinasica, ossia hanno la capacità di fosforilare l’amminoacido tirosina presente in molte proteine cellulari. Questa categoria di recettori comprende i recettori per l’insulina e per i fattori di crescita (IGF-1, fattore di crescita dell’epidermide, fattore di crescita piastrinico, fattore di crescita dei fibroblasti, ecc.). L’ormone che funge da primo messaggero si lega al recettore tirosin chinasico che fosforila la tirosina causando un cambiamento nella proteina e quindi una risposta biologica. Alcuni recettori associati ad enzimi hanno la capacità di attivare la guanilato ciclasi, che ha la capacità di produrre GMPc a partire da GTP; il GMPc a sua volta attiva la protein-chinasi G, che catalizza la fosforilazione di alcune proteine, causando così la risposta biologica. 14 maggiormente permeabile. Quindi, se la permeabilità della membrana varia si modifica anche il suo potenziale che si sposterà verso il potenziale di equilibrio per lo ione per cui la membrana diventa più permeabile. Se lo spostamento del potenziale avviene verso valori più positivi allora si dice che la membrana è depolarizzata, se avviene verso valori più positivi allora è iperpolarizzata. Durante i cambiamenti del potenziale di membrana solo pochi ioni riescono ad attraversare la membrana e il loro gradiente di concentrazione non viene significativamente alterato, ad eccezione degli ioni calcio, che hanno una concentrazione citoplasmatica particolarmente bassa. La membrana cellulare si comporta come un condensatore, per cui le cariche positive e negative rimangono perfettamente in equilibrio all’interno e all’esterno della cellula, ma a ridosso della membrana si dispongono in modo allineato, all’interno quelle negative e all’esterno quelle positive. Se così non fosse si genererebbero forti potenziali elettrici. Per mantenere e per generare un potenziale di membrana basta lo spostamento di un piccolissimo numero di ioni. Per esempio, se uno ione positivo si sposta verso l’esterno della cellula si avrà un aumento dell’elettronegatività del citoplasma causato dagli anioni proteici presenti al suo interno che non possono attraversare liberamente la membrana secondo gradiente. Eccitabilità: è la capacità di alcune tipologie cellulari (nervose e muscolari) di modificare in modo transitorio la permeabilità della membrana in seguito alla recezione di uno stimolo, in questo modo si ha un cambiamento del potenziale di membrana e la generazione di un potenziale d’azione. Il potenziale di diffusione del potassio e del sodio, le pompe sodio – potassio e la presenza degli anioni proteici all’interno della cellula sono tutti fattori che contribuiscono a generare e mantenere il potenziale di membrana. Pompe ioniche nella membrana cellulare La costanza delle concentrazioni ioniche nel citosol è consentita dalle pompe ioniche, queste strutture sono in grado di trasportare gli ioni attraverso la membrana contro gradiente di energia, tramite un trasporto attivo. La pompa sodio – potassio ha il compito di trasportare il sodio fuori dalla cellula e simultaneamente far entrare il potassio. Poiché la membrana citoplasmatica presenta cariche negative sul versante interno il passaggio del potassio richiede quantità minime di energia, mentre quello del sodio, ostacolato dalle cariche positive presenti sul versante esterno della membrana, può richiedere dal 10 al 40% dell’ATP disponibile nella cellula. il rapporto degli ioni trasferiti è di 3:2 per il sodio. La pompa sodio – potassio influisce di pochi mV sul potenziale di membrana, il suo compito principale è quello di creare delle differenze nelle concentrazioni ioniche per un breve periodo di tempo, in modo che si possa instaurare un potenziale d’azione. Le pompe per il calcio possono essere di due tipi: una con attività ATPasica, che ha quindi bisogno di energia, e una che sfrutta l’antiporto del sodio (pompa sodio – calcio). Entrambe sono localizzate sulla membrana cellulare, con il compito di trasportare il calcio fuori dalla cellula, e sulla membrana del RER, con il compito di trasportare il calcio citoplasmatico all’interno dell’organello. Oltre al potassio, un altro ione per cui la membrana cellulare è particolarmente permeabile è il cloro. La maggior parte delle cellule non presenta pompe ioniche per il cloro; le cariche negative posizionate sul versante interno della membrana impediscono l’ingresso di questo ione nella cellula, 15 e quelle positive sul versante esterno ne favoriscono la fuoriuscita, in questo modo si ha una maggiore concentrazione di ioni cloro nel liquido extracellulare. Riassumendo: - l’ambiente intracellulare è più elettronegativo rispetto all’esterno; - il potenziale di membrana a riposo è negativo a causa della diffusione del potassio all’esterno della cellula, quindi dipende dall’elevata concentrazione di potassio nel citosol rispetto al liquido extracellulare; - la differenza di concentrazione del potassio tra il citosol e il liquido extracellulare è mantenuta dalla pompa sodio – potassio; - perché si crei il potenziale di membrana la permeabilità per il potassio deve essere maggiore rispetto a quella per il sodio e per il calcio, che presentano concentrazioni maggiori. Effetto Gibbs – Donnan L’effetto Gibbs – Donnan è stato scoperto ricreando il microambiente della cellula: una celletta è stata divisa in due tramite una membrana semipermeabile, da un lato viene versato del proteinato di sodio (che rappresenta il citosol) mentre dall’altro lato del cloruro di sodio (che rappresenta il liquido extracellulare) entrambi in soluzione 0,1 molare (100 mM). Inoltre, si posizionano due elettrodi di un voltometro, uno da ciascun lato della celletta, in modo da poter misurare gli scambi elettrici tra i due compartimenti. Entrambi i compartimenti sono elettricamente neutri, ma essendo la membrana semipermeabile, il cloro tende a spostarsi secondo gradiente di concentrazione, e per mantenere l’elettroneutralità anche il sodio si sposta nella stessa direzione. Si ha quindi che: 𝑔𝑢𝑎𝑑𝑎𝑔𝑛𝑜[𝑁𝑎+]1 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑡𝑎[𝑁𝑎+]2 = 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑡𝑎[𝐶𝑙−]2 𝑔𝑢𝑎𝑑𝑎𝑔𝑛𝑜[𝐶𝑙−]1 Quindi: [𝑁𝑎+]1[𝐶𝑙 −]1 = [𝑁𝑎 +]2[𝐶𝑙 −]2 Per quantificare le concentrazioni ioniche all’equilibrio dobbiamo considerare che: [𝐶𝑙−]1 = 𝑥; [𝑁𝑎 +]1 = 100𝑚𝑀 + 𝑥; [𝑁𝑎 +]2 = 100𝑚𝑀 − 𝑥; [𝐶𝑙 −]2 = 100𝑚𝑀 − 𝑥. Sostituendo si ricava: (100𝑚𝑀 + 𝑥) ∗ 𝑥 = (100𝑚𝑀 − 𝑥)2 100𝑚𝑀𝑥 + 𝑥2 = 10000𝑚𝑀2 − 200𝑚𝑀𝑥 + 𝑥2 16 300𝑚𝑀𝑥 = 10000𝑚𝑀2 𝑥 = 10000𝑚𝑀2 300𝑚𝑀 = 33, 3̅𝑚𝑀 Quindi all’equilibrio si ha che: [𝐶𝑙−]1 = 33,3 𝑚𝑀; [𝑁𝑎 +]1 = 133,3𝑚𝑀; [𝑁𝑎 +]2 = 66,7𝑚𝑀; [𝐶𝑙 −]2 = 66,7𝑚𝑀. Tramite questo esperimento si è dimostrato che all’interno della cellula c’è un eccesso di anioni rispetto al liquido extracellulare, dovuto alla presenza degli proteinati; questo causa una distribuzione ineguale delle cariche anche in assenza di trasporto attivo. Anche i cationi sono più numerosi all’interno della cellula piuttosto che all’esterno, e questo causa una modificazione del pH. I trasporti attivi presenti sulla membrana contrastano la tendenza dei cationi ad entrare nella cellula impedendone il rigonfiamento. È lo spostamento degli ioni a determinare il potenziale elettrico. L’equilibrio di Donnan è solo un punto di partenza per analizzare i meccanismi di distribuzione degli ioni tra la cellula e l’ambiente esterno; bisogna considerare che: • Nella cellula il trasporto attivo gioca un ruolo determinante nella distribuzione degli ioni; • La membrana cellulare è un complesso dinamico, e non una membrana semipermeabile perfetta; • Il citosol e il liquido extracellulare non sono soluzioni acquose omogenee; • Nel modello gli ioni sono dissociati, o supposti tali, mentre nella realtà non sempre è così. Potenziale d’azione Il potenziale d’azione è una conseguenza di modificazioni nel voltaggio del potenziale di membrana, scatenato da uno stimolo sensoriale adeguato, ed è utilizzato dalle cellule del sistema nervoso per trasferire informazioni rapidamente e su lunghe distanze. Durante il potenziale d’azione il potenziale di membrana può raggiungere valori positivi in 0,5 ms, e l’impulso può muoversi lungo una fibra nervosa ad una velocità di 100m/s. Le cellule che possono generare potenziali d’azione sono elettricamente eccitabili e possiedono particolari canali ionici permeabili a sodio e calcio. Questi canali sono provvisti di porte che possono essere aperte o chiuse e il potenziale d’azione inizia quando vengono aperte. Poiché le concentrazioni di sodio e calcio sono maggiori all’esterno della cellula, l’apertura delle porte causa un flusso verso l’interno di ioni positivi portando ad una diminuzione dell’elettronegatività della membrana, che alla fine viene caricata positivamente. Successivamente si ha un aumento del flusso di ioni potassio verso l’esterno della cellula, in questo modo la membrana viene ripolarizzata. Il potenziale d’azione può essere indotto da un neurone o da una cellula sensoriale, ma può anche insorgere spontaneamente. Il potenziale d’azione si innesca quando i canali ionici si aprono permettendo l’ingresso nella cellula di ioni sodio e calcio che causano la depolarizzazione della membrana cellulare, il potenziale di membrana, da -80 mV, aumenta fino ad un valore soglia di circa -60 mV; durante il potenziale d’azione la depolarizzazione continua fino a quando il potenziale di membrana raggiunge valori compresi tra +20 e +50 mV. Dopo aver raggiunto il voltaggio massimo, o spike, si ha un flusso in uscita di ioni potassio che causa la ripolarizzazione della membrana, in questo modo il potenziale di membrana torna ai suoi valori normali; il flusso verso l’esterno della cellula di ioni potassio continua fino a causare l’iperpolarizzazione della membrana, ossia i valori del 19 Generalmente i canali ionici sono selettivi, ossia permeabili a un unico ione, o a pochi ioni, e prendono il nome dagli ioni per cui sono permeabili; esistono anche canali meno selettivi che prendono il nome di canali anionici e canali cationici. I canali a controllo di ligando prendono il nome dai loro ligandi fisiologici. La selettività di un canale dipende dal suo diametro, dalla struttura della parte più stretta del canale e dalla carica elettrica degli amminoacidi che ne rivestono la superficie. Attivazione e inattivazione dei canali ionici voltaggio-dipendenti I canali ionici voltaggio-dipendenti sono i principali responsabili dei potenziali d’azione. Sono proteine transmembrana sensibili ai cambiamenti di voltaggio, che determinano la modificazione della loro conformazione. I canali voltaggio-dipendenti per il potassio vengono attivati dalla depolarizzazione della membrana e rimangono aperti per tutta la sua durata. I canali voltaggio-dipendenti per il sodio presentano due porte, una di attivazione (esterna e con carica +) e una di inattivazione (interna). A riposo la porta di inattivazione è aperta mentre quella di attivazione è chiusa e impedisce l’ingresso del sodio nella cellula; la depolarizzazione della membrana apre la porta di attivazione permettendo al sodio di entrare nella cellula, poco dopo la porta di inattivazione si chiude interrompendo il flusso di sodio verso l’interno della cellula. Quando la membrana viene ripolarizzata si chiude anche la porta di inattivazione. 20 La cellula nervosa Aspetti principali L’elaborazione dell’informazione nel sistema nervoso si basa sul legame tra le sostanze segnale e i recettori presenti sulle cellule bersaglio. I neuroni trasmettono le informazioni tramite potenziali d’azione che si propagano rapidamente lungo gli assoni fino a punti di contatto con altre cellule specializzati alla trasmissione dell’impulso. I punti di contatto tra neuroni, tra neuroni e cellule muscolari e tra neuroni e cellule ghiandolari prendono il nome di sinapsi. A livello di sinapsi i neurotrasmettitori vengono liberati nello spazio intercellulare ed esercitano i loro effetti sulle cellule bersaglio. Tessuto nervoso Il tessuto nervoso è costituito da due tipi cellulari: i neuroni e le cellule della glia. Neuroni Sono cellule che hanno il compito di scambiare rapidamente informazioni, tra loro e con altre tipologie cellulari, con lo scopo di regolare le funzioni dei diversi tessuti. I neuroni sono costituiti da un corpo cellulare o soma e da due tipi di diramazioni per la trasmissione e la recezione delle informazioni, rispettivamente l’assone e i dendriti. Il soma è generalmente localizzato nella sostanza grigia del sistema nervoso centrale. In prossimità della cellula bersaglio l’assone si dirama a formare i terminali presinaptici, che entrano in stretto contatto con le cellule muscolari ed endocrine; i dendriti di diramano dal corpo cellulare, sono generalmente più brevi degli assoni e formano le terminazioni postsinaptiche. Un assone può terminare a in prossimità di un dendrite o direttamente del corpo cellulare di un altro neurone. I neuroni vengono classificati in base a due criteri: • In base alla struttura, in: o Neurone unipolare, presenta un solo neurite, l’assone, e riceve le informazioni direttamente a livello di soma; o Neurone bipolare: presenta un dendrite lungo e un unico assone che si dipartono dai poli opposti del soma; o Neurone multipolare: presenta un unico assone e dendriti numerosi e brevi, che arborizzano; o Neurone pseudopolare o a T: sembra presentare un unico assone, in realtà dopo un breve tratto il neurite si divide e si dirige in direzioni opposte, una delle due parti svolge la funzione di assone, mentre l’altra di dendrite. • In base alla funzione, in: o Neuroni sensoriali o afferenti, portano le informazioni derivate da una stimolazione sensoriale verso il sistema centrale, sono generalmente neuroni pseudopolari; o Neuroni motori o efferenti, trasmettono le informazioni dal sistema centrale alla periferia, sono generalmente neuroni multipolari; o Interneuroni o neuroni intercalari, fungono da ponte di collegamento tra i neuroni sensoriali e quelli motori e ne integrano le funzioni, sono generalmente bipolari. Cellule della glia Si distinguono quattro tipi di cellule gliali: astrociti, oligodendrociti, cellule di Schwann e le cellule della microglia. Le cellule di Schwann si trovano esclusivamente nel sistema nervoso periferico, mentre gli altri tipi cellulari sono localizzati a livello centrale. 21 Astrociti Sono le cellule gliali più numerose. Si presentano di forma stellata con molti processi ramificati che si dipartono dal corpo cellulare. Contribuiscono a mantenere il corretto arrangiamento spaziale tra i neuroni, sono in grado di comunicare attivamente e tra le loro funzioni riconosciamo: • Costituzione della barriera ematoencefalica; • Stabilizzazione delle concentrazioni extracellulari di ioni potassio; • Regolazione delle concentrazioni di calcio extracellulare; • Degradazione glicolitica del glucosio a lattato, necessario al metabolismo ossidativo dei neuroni; • Rimozione dei neurotrasmettitori liberati in eccesso dai neuroni tramite captazione attiva; • Comunicazione con i neuroni. Gli astrociti sono connessi tra loro da giunzioni comunicanti che danno origine ad un sincizio che avvolge i neuroni, inoltre i loro prolungamenti avvolgono i capillari e diventano un mezzo di diffusione per i nutrienti necessari ai neuroni. Oligodendrociti e cellule di Schwann Sono presenti rispettivamente nel sistema nervoso centrale e in quello periferico; entrambe le tipologie cellulari sono deputate alla produzione di mielina, una sostanza che riveste gli assoni dei neuroni. Il rivestimento mielinico permette una maggiore velocità di conduzione dell’impulso. Le cellule di Schwann possono perdere gran parte del loro citoplasma per poter avvolgere l’assone del neurone periferico. Ciascuna cellula di Schwann forma dei segmenti di guaina mielinica interrotti da strutture che prendono il nome di nodi di Ranvier, fondamentali per la conduzione degli impulsi lungo l’assone. Gli oligodendrociti formano guaine simili a livello di SNC, la differenza sostanziale sta nel fatto che ciascuna cellula di Schwann riveste un solo assone, mentre un oligodendrocita ne riveste più di uno. Cellule della microglia Sono i macrofagi del tessuto nervoso centrale, sono scarsamente presenti nel tessuto sano e hanno il compito di rimuovere i detriti cellulari in caso di lesioni locali. Conduzione del potenziale d’azione I potenziali d’azione che si propagano lungo l’assone prendono il nome di impulsi nervosi. L’impulso nervoso è una modificazione transitoria del potenziale di membrana e può essere generato da: • Stimolazione del neurone da parte di cellule sensoriali; • Stimolazione del neurone da parte di un altro neurone; • Depolarizzazione spontanea della membrana del neurone. In ogni caso l’impulso nervoso viene generato da una depolarizzazione della membrana che supera il valore soglia. Conduzione degli impulsi nervosi negli assoni amielinici Nella sede in cui avviene la depolarizzazione della membrana si ha un accumulo di cariche positive nel versante interno della membrana, mentre nel tratto successivo dell’assone il potenziale di membrana non ha ancora raggiunto il valore soglia, per cui i canali per il sodio sono ancora chiusi. La diffusione dell’impulso si ha tramite un flusso di corrente elettrica tra il sito attivato e le aree di membrana ad esso adiacenti che causa la depolarizzazione della membrana che fino ad allora era in condizioni normali. Questo flusso di cariche positive continua e si propaga per tutta la lunghezza 24 solo alcune si legano ai recettori specifici, mentre quelle in eccesso vengono rimosse, quindi la cellula bersaglio viene influenzata solo transitoriamente. La rimozione del neurotrasmettitore avviene per diffusione fuori dallo spazio sinaptico, per trasporto attivo da parte del terminale presinaptico e dagli astrociti e dall’azione di enzimi in grado di degradare i neurotrasmettitori. La membrana del terminale postsinaptico presenta un numero elevato di recettori specifici per un neurotrasmettitore, sono scarsi i recettori voltaggio-dipendenti mentre sono numerosi quelli a controllo di ligando. La porzione extracellulare del recettore agisce come sito di legame specifico, mentre la restante porzione può essere o un canale ionico o un attivatore di secondo messaggero. Il potenziale postsinaptico che si scatena può causare una depolarizzazione o un’iperpolarizzazione della membrana e sono potenziali graduati, ossia possono essere diversi in ampiezza, durata e forma a seconda del numero di recettori che vengono attivati, al contrario dei potenziali d’azione che sono tutti uguali. Inoltre, i potenziali postsinaptici non hanno livelli di soglia e periodi refrattari. Le sinapsi tra neuroni possono essere eccitatorie o inibitorie. • Sinapsi eccitatoria Il legame con il neurotrasmettitore provoca l’ingresso di ioni sodio nella cellula e quindi la depolarizzazione della cellula, che prende il nome di potenziale postsinaptico eccitatorio (PPSE). L’entità della depolarizzazione dipende dal numero di recettori attivati e quindi dalla quantità di neurotrasmettitore rilasciato. Se si attivano contemporaneamente più sinapsi eccitatorie la depolarizzazione della cellula è data dalla somma di tutti i singoli potenziali postsinaptici. Il potenziale postsinaptico eccitatorio rallenta il passaggio attraverso la membrana degli ioni potassio e cloro, facendo innalzare il potenziale di membrana. • Sinapsi inibitoria Generalmente stimola l’apertura dei canali ionici a controllo di ligando per gli ioni cloro o potassio, permettendo l’ingresso del primo e l’uscita del secondo. Questo fa sì che l’interno della cellula si carichi negativamente. Questa modificazione del potenziale di membrana prende il nome di potenziale postsinaptico inibitorio (PPSI) perché riduce le probabilità che il neurone generi un potenziale d’azione. Poiché le sinapsi eccitatorie ed inibitorie hanno azione opposta la loro attivazione simultanea può determinare modificazioni trascurabili del potenziale di membrana postsinaptico. Il neurone postsinaptico genera un potenziale d’azione solo se la somma di tutti i potenziali postsinaptici è sufficientemente elevata da raggiungere il potenziale soglia. Il fattore più importante per la generazione del potenziale soglia è la presenza dei canali ionici voltaggio-dipendenti per il sodio, nella membrana assonica (o nodale) la densità di recettori è massima mentre si abbassa nel soma e nei dendriti, questo significa che il valore soglia è più basso a livello di assone. Le modificazioni del potenziale di membrana che interessano i dendriti o il soma si diffonde verso il cono di emergenza dell’assone e al segmento iniziale dell’assone (sempre amielinico) per propagarsi lungo l’assone e le sue diramazioni, fino alle terminazioni presinaptiche. Sommazione dei potenziali postsinaptici • Sommazione spaziale Anche se le sinapsi sono distribuite su ampie aree del neurone grazie all’elevata conduttività elettrica è possibile la sommazione degli impulsi fino alla genesi del potenziale d’azione a livello del segmento iniziale dell’assone. • Sommazione temporale 25 Quando si attiva una terminazione il neurotrasmettitore fa aprire i canali per circa 1 ms. Il potenziale postsinaptico persiste fino a 15 ms, quindi una seconda apertura dei canali può far aumentare il valore del potenziale postsinaptico. In questo modo i potenziali postsinaptici originati a livello di una singola terminazione sono in grado di sommarsi tra loro. • Facilitazione Spesso il potenziale postsinaptico di natura eccitatoria non è sufficiente a raggiungere il valore soglia, ma fa sì che il potenziale di membrana acquisisca un valore più vicino alla soglia, in questo modo il neurone sarà facilitato nella genesi di un potenziale d’azione nel momento in cui viene raggiunto da un nuovo impulso. • Inibizione presinaptica È possibile che si attivino sinapsi inibitorie a livello di terminazione presinaptica. Spesso il neurotrasmettitore coinvolto in questo processo è il GABA, che causa l’apertura dei canali per il cloro. Il cloro tende ad annullare l’effetto eccitatorio prodotto dal sodio, causando una riduzione del potenziale d’azione a livello presinaptico. Questo causa l’inibizione della sinapsi. Neurotrasmettitori Possono essere sostanze a basso peso molecolare ad azione rapida, sintetizzate nei terminali nervosi, o neuropeptidi a peso molecolare elevato ad azione lenta, sintetizzati nel soma. I neuropeptidi prodotti nel soma vengono immagazzinati in vescicole e trasportati lungo il sistema di microtubuli dell’assone, fino al terminale presinaptico. Un neurotrasmettitore può essere definito tale deve: • Essere prodotto dal neurone; • Essere presente a livello presinaptico; • Essere rilasciato in seguito alla depolarizzazione del neurone; • Agire a livello postsinaptico producendo una risposta biologica; • Poter essere inattivato dopo il suo rilascio; inoltre, se applicato direttamente a livello di spazio sinaptico, deve poter produrre gli stessi effetti. Neurotrasmettitori a basso peso molecolare Vengono suddivisi in quattro classi: • Classe I: acetilcolina; • Classe II, ammine: o Catecolamine: norepinefrina; epinefrina e dopamina; o Serotonina; o Istamina; • Classe III, amminoacidi: o Eccitatori: aspartato e glutammato; o Inibitori: GABA (acido γ-amminobutirrico) e glicina; • Classe IV: ossido nitrico. L’acetilcolina è il neurotrasmettitore eccitatorio più comune del sistema nervoso periferico. La sintesi dell’acetilcolina inizia con l’unione di una molecola di acetil-CoA, prodotto nel mitocondrio, e una di colina, ricaptata dallo spazio sinaptico. Una volta prodotta l’acetilcolina viene immagazzinata in vescicole che vengono poi esocitate come risposta all’impulso nervoso. Dopo aver svolto il suo compito di neurotrasmettitore, l’acetilcolina presente nello spazio sinaptico viene degradata in una molecola di acetato e una di colina da parte dell’enzima acetilcolinesterasi. La 26 molecola di colina viene ricaptata dal terminale presinaptico e utilizzata per produrre nuova acetilcolina. I neuroni che secernono l’acetilcolina e i recettori che la legano prendono il nome di colinergici. I recettori colinergici possono essere: • Nicotinici, localizzati nel muscolo scheletrico, sono recettori associati ad un canale ionico. Hanno come sostanze agoniste l’acetilcolina e la nicotina, e come antagonisti il curaro. • Muscarinici, sono recettori associati a proteine G che hanno come agonisti l’acetilcolina e la muscarina (Amanita muscaria) e come antagonisti l’atropina. Sono localizzati a livello di muscolo liscio e cardiaco. Con il termine agonista s’intende una sostanza che si lega al recettore e lo attiva producendo una risposta biologica. Sono agonisti colinergici: • Nicotina, alcaloide presente nel tabacco; • Muscarina, alcaloide prodotto dal fungo Amanita muscaria. • α-latrossina, tossina prodotta dalla vedova nera, induce un rilascio massivo di acetilcolina favorendo l’ingresso di calcio all’interno della cellula. con il termine antagonista s’intende una sostanza che si lega al recettore senza indurre una risposta biologica, in questo modo si riduce la disponibilità di recettori per gli agonisti, diminuendone l’effetto. Sono antagonisti colinergici: • Atropina, alcaloide della Belladonna atropa, blocca l’effetto dell’acetilcolina sui recettori muscarinici; • Tossina botulinica, prodotta da C. botulinum, inibisce il rilascio di dell’acetilcolina; • α-bungarotossina, tossina prodotta dal serpente Bungarus, impedisce l’apertura del canale del recettore per l’acetilcolina; • δ-tubocuranina, principio attico del curaro, impedisce l’apertura del canale per l’acetilcolina. Le catecolamine sono ammine biogene derivanti dall’amminoacido tirosina, le principali sono dopamina, epinefrina e norepinefrina. Vengono prodotte dalla midollare del surrene, oltre che dai neuroni; esercitano numerosi effetti metabolici e sono fondamentali per i meccanismi di risposta allo stress. Esercitano i loro effetti legandosi ai recettori adrenergici di tipo α e β (β1 e β2), che hanno come effettori AMPc, GMPc e i canali ionici per il calcio e per il potassio. Il catabolismo delle catecolamine è portato avanti da due enzimi che agiscono in sequenza, il COMT (catecol-o- metiltransferasi) e il MAO (monoammina ossidasi). L’ossido nitrico, a differenza degli altri neurotrasmettitori, non viene conservato in vescicole ma diffonde attraverso la membrana cellulare; i suoi effetti sono mediati principalmente dal GMPc. In alcuni casi l’NO presenta effetti retrogradi determinando il rilascio delle vescicole sinaptiche dalla terminazione. L’ingresso degli ioni calcio nella cellula attiva l’enzima ossido nitrico sintetasi (NOS), che a sua volta catalizza la sintesi di ossido nitrico a partire dall’amminoacido L-arginina. L’ossido nitrico è una molecola altamente reattiva con emivita breve, capace di attivare una cascata enzimatica. La cascata di trasduzione del segnale per l’ossido nitrico non ha una direzione obbligata: una cellula postsinaptica può usare l’ossido nitrico come molecola segnale per influenzare il neurone presinaptico. Neuropeptidi ad azione lenta Distinguiamo: 29 La depolarizzazione della membrana determina una corrente positiva che si propaga nelle regioni circostanti, in entrambe le direzioni e dà inizio ad una cascata di eventi che termina con la contrazione della fibra muscolare. La placca muscolare presenta una capsula mielinica che impedisce l’instaurarsi del potenziale a questo livello della membrana. A livello delle giunzioni neuromuscolari ogni impulso è tre volte superiore a quello necessario ad eccitare la fibra, è un fattore di sicurezza per assicurare la contrazione. Inoltre, la depolarizzazione della membrana postsinaptica persiste fino a quando le molecole di acetilcolina rimangono legate ai recettori; passano pochi millisecondi prima che l’acetilcolinesterasi idrolizzi l’acetilcolina nei suoi due componenti: acetile e colina. La colina viene ricaptata e trasportata all’interno del terminale presinaptico, dove viene usata per sintetizzare nuova acetilcolina. Agenti chimici che interferiscono con la trasmissione neuromuscolare Si distinguono: • Sostanze che stimolano la fibra muscolare con azione acetilcolina-simile, si legano al recettore e vengono inattivate dall’acetilcolinesterasi molto più lentamente, tra queste ricordiamo metilcolina, carbacolo e nicotina; • Sostanze che stimolano la giunzione neuromuscolare inattivando l’acetilcolinesterasi, producono uno spasmo muscolare, sono pesticidi e gas nervini, es.: neostigmina, fisostigmina, diisopropilfluorofosfato (DFP – gas nervino); • Sostanze che bloccano la trasmissione dell’impulso, possono agire su due livelli: o A livello presinaptico: ▪ Eccesso di magnesio o carenza di calcio; ▪ Emicolinio, interferisce con il recupero della colina; 30 ▪ Tossina botulinica, blocca il rilascio delle vescicole; ▪ α-latrotossina, è il veleno della vedova nera, induce uno svuotamento massivo delle vescicole e quindi si ha un esaurimento del mediatore. o A livello postsinaptico: ▪ Curaro, si lega ai recettori senza modificare la permeabilità di membrana, ma non viene rimosso dall’acetilcolinesterasi; ▪ Succinilcolina, non viene idrolizzata dall’acetilcolinesterasi.