Comunicazione cellulare e sistemi di comunicazione tra organi

Comunicazione Cellulare

Le cellule hanno bisogno di:

• Ricevere e interpretare un segnale proveniente dall'esterno
• Scambiare fra loro molte info per permettere un funzionamento sincronizzato delle cellule
• Comunicare fra loro e i diversi organismi

Comunicazione Intercellulare

• Segnali dipendenti dal contatto intercellulare: interazione molecole di membrane vicine
• Segnali autocrina: agisce sulla stessa cellula che li produce
• Segnali parametri: diffondono cellule vicine
• Giunzioni comunicanti: connessione citoplasmatica, cellule

Recettori

Sono delle proteine di membrana con attività enzimatica, queste consentono una risposta cellulare specifica e rapida. Interagiscono con la molecola segnale e dopodiché si ha una cascata di trasduzione del segnale. La molecola con la quale interagisce è una molecola liposolubile e quindi può attraversare liberamente le membrane plasmatiche.

Trasduzione e Amplificazione del Segnale

È il processo attraverso il quale una cellula riceve e risponde a un messaggio inviato da una molecola segnale (ligando).

Ci sono due modalità principali per far arrivare il messaggio dentro la cellula:

1. Risposta veloce ma poco amplificata > Recettori ionotropici (canali ionici)
2. Risposta più lenta ma molto amplificata > Recettori metabotropici

Recettori Ionotropici (risposta veloce, poco amplificata)

• Il recettore è un canale ionico, cioè una sorta di porta sulla membrana della cellula.
• Quando la molecola segnale (ligando) si lega al recettore, il canale si apre immediatamente, permettendo agli ioni (particelle cariche) di entrare nella cellula.
• Questo causa un cambiamento rapido nella cellula.

Risultato: il segnale arriva subito, ma senza amplificazione, perché ogni ligando apre solo un canale alla volta.

Recettori Metabotropici (risposta più lenta, molto amplificata)

• Il recettore NON è un canale ionico, ma una proteina speciale che, quando attivata, trasmette il segnale all'interno della cellula.
• Attiva una proteina G, che stimola la produzione di un messaggero secondario, l'AMP ciclico (AMPc).
• L'AMPc attiva altre proteine chiamate chinasi, come la proteina chinasi A (PKA).
• Le chinasi a loro volta attivano altre molecole dentro la cellula, fino a ottenere l'effetto desiderato.

Risultato: il segnale è più lento, perché deve attraversare più passaggi, ma viene amplificato moltissimo.

Riassunto Finale

Tipo di recettore Velocità Amplificazione Funzionamento lonotropico ionico) (canale Veloce Bassa IL ligando apre direttamente un canale e gli ioni entrano Metabotropico proteina G) (con Lento Alta Il segnale attiva una cascata di reazioni con forte amplificazione

Sistemi di Comunicazione tra Organi e Sistemi

Il sistema nervoso e il sistema endocrino sono due sistemi diversi, che utilizzano molecole diverse e operano su scale temporali differenti, ma collaborano perché le loro caratteristiche si integrano a vicenda.

Sistema Endocrino

• La comunicazione tra cellule e organi avviene tramite ormoni, che sono mediatori chimici rilasciati nel sangue dalle ghiandole endocrine o da cellule specializzate.
• Gli ormoni raggiungono tutte le cellule del corpo, ma agiscono solo su quelle che possiedono un recettore specifico per loro. L'interazione tra l'ormone e la cellula bersaglio genera una risposta.
• La risposta è lenta, perché gli ormoni devono viaggiare attraverso il sangue per raggiungere i loro bersagli.
• Gli ormoni agiscono a basse concentrazioni (nano, pico, femto molare), poiché i recettori cellulari sono molto sensibili, permettendo un effetto significativo anche con quantità ridotte.
• Il loro rilascio avviene solo quando necessario, per mantenere l'omeostasi, cioè l'equilibrio dell'organismo.

Sistema Nervoso

Il sistema nervoso è formato da cellule specializzate chiamate neuroni, che sono i componenti fondamentali per la trasmissione dei segnali.

I neuroni sono organizzati in unità funzionali, connesse tra loro in modo preciso. Le loro principali funzioni sono:

• Ricevere segnali da altri neuroni.
• Integrare le informazioni ricevute.
• Trasmettere il segnale ad altre cellule (nervose, muscolari o ghiandolari).

Il sistema nervoso utilizza due tipi di segnali:

1. Segnali chimici (trasmissione nelle sinapsi).
2. Segnali elettrici (trasmissione lungo i neuroni).

Trasmissione Chimica (sinapsi chimiche)

• La comunicazione tra neuroni avviene in punti di contatto chiamati sinapsi.
• Le sinapsi possono essere tra due neuroni o tra un neurone e una cellula muscolare.
• Il primo neurone rilascia un messaggio chimico (neurotrasmettitore), contenuto in vescicole, nel punto di contatto tra le due cellule.
• Il neurotrasmettitore si lega ai recettori della cellula vicina, trasmettendo così l'informazione.

Trasmissione Elettrica

• All'interno di un neurone, il segnale viaggia sotto forma di impulso elettrico lungo una struttura chiamata assone.
• Questi segnali elettrici si propagano molto velocemente e sono causati da depolarizzazioni della membrana cellulare (cambiamenti nella carica elettrica della cellula).
• Quando l'impulso elettrico arriva alla fine dell'assone, provoca il rilascio del neurotrasmettitore, che poi trasmette il messaggio alla cellula successiva attraverso una sinapsi chimica.

Per permettere la comunicazione, i neuroni devono essere connessi alle loro cellule target: se un neurone non raggiunge una cellula bersaglio, questa non riceverà il segnale e non risponderà allo stimolo.

Comunicazione Cellule Neuronali

Ruolo del Farmacista

Alcuni farmaci e tossine influenzano la comunicazione neuronale:

• Anestetici locali > bloccano i canali del sodio (Na+), impedendo la trasmissione del segnale nervoso.
• Neurotossine (es. TTX, veleno di scorpioni, serpenti, ragni) > alterano la funzione dei canali ionici.
• Farmaci per cardiopatie e ipertensione > agiscono come antagonisti del calcio (Ca2+).
• Canalopatie e sinaptopatie > malattie causate da disfunzioni nei canali ionici e nelle sinapsi.
• Patologie neurodegenerative e psichiatriche > coinvolgono alterazioni nella trasmissione neuronale.
• Cellule staminali neuronali > possono esprimere proteine sinaptiche, ma non sempre sono funzionali.

Segnali Elettrici e Struttura Neuronale

I neuroni hanno una caratteristica unica: possono generare segnali elettrici.

Come tutte le correnti elettriche, questi segnali hanno bisogno di una rete fisica per potersi muovere:

• Questa rete è formata dal Sistema Nervoso Centrale (SNC) e dal Sistema Nervoso Periferico (SNP).
• Il sistema offre diversi vantaggi, tra cui:
  • Sistemi ridondanti > Se un neurone muore, altri possono sostituirlo.
  • Plasticità > I neuroni possono modificare le loro connessioni e cambiare risposta nel tempo.

Tuttavia, tra un neurone e l'altro esiste una discontinuità fisica. Per trasmettere il segnale:

1. Il segnale elettrico viaggia lungo il neurone presinaptico.
2. Alla fine dell'assone, il segnale provoca il rilascio di vescicole contenenti neurotrasmettitori.
3. Il neurotrasmettitore viene rilasciato nella sinapsi e captato dal neurone postsinaptico, dove genera un nuovo segnale elettrico.

Struttura del Neurone e Trasmissione del Segnale

Un neurone ha tre componenti principali:

1. Corpo cellulare (zona di ingresso).
2. Assone (zona di conduzione).
3. Compartimento presinaptico o sinapsi (zona di uscita del segnale).

In questo modo, le informazioni viaggiano in un'unica direzione:

Corpo cellulare > Assone > Compartimento presinaptico (sinapsi)

Ingresso del Segnale (corpo cellulare + dendriti)

• Il corpo cellulare riceve segnali attraverso le sinapsi.
• È simile a una cellula normale perché contiene il nucleo e gli organuli > è la stazione biochimica del neurone.
• È connesso ai dendriti, che raccolgono i segnali provenienti da altri neuroni.
• Sui dendriti ci sono spine dendritiche, che aumentano la superficie di contatto con altri neuroni.

Ruolo: i recettori nei dendriti captano i segnali chimici provenienti da altri neuroni.

Conduzione del Segnale (assone)

• L'assone è la struttura specializzata nella trasmissione veloce dei segnali elettrici.
• La membrana dell'assone contiene canali ionici, responsabili della generazione del potenziale d'azione (segnale elettrico).
• Internamente, l'assone è sostenuto da un citoscheletro, composto da microtubuli, che trasportano molecole e neurotrasmettitori.

Ci sono due tipi di trasporto lungo l'assone:

1. Trasporto anterogrado > dal corpo cellulare alla sinapsi (porta messaggeri chimici e materiali).
2. Trasporto retrogrado > dalla sinapsi al corpo cellulare (riporta segnali al nucleo per regolare l'attività neuronale).

Uscita del Segnale (sinapsi)

• L'assone termina con i bottoni terminali, che contengono vescicole piene di
• Quando il segnale elettrico arriva alla fine dell'assone, le vescicole si fondono con la membrana e rilasciano i neurotrasmettitori nello spazio sinaptico.
• Il neurone postsinaptico riceve il messaggio e genera un nuovo segnale elettrico.

· Ruolo: le sinapsi trasformano il segnale elettrico in un segnale chimico per comunicare con il neurone successivo.

Neurone e Potenziale

Le cellule eccitabili (come i neuroni e le cellule muscolari) utilizzano le variazioni del potenziale di membrana per generare segnali elettrici.

Questi segnali possono essere di due tipi:

1. Potenziale graduato (locale e di breve durata).
2. Potenziale d'azione (trasmissione rapida e a lunga distanza).

Potenziale di Membrana

Il potenziale di membrana è la differenza di carica elettrica tra l'interno e l'esterno della cellula, dovuta a una diversa concentrazione di ioni ai due lati della membrana plasmatica.

Questo potenziale è mantenuto da:

Membrana selettivamente permeabile agli ioni (lascia passare solo alcuni ioni). Presenza di specie ioniche non permeanti (ioni che non possono attraversare la membrana). Pompa sodio-potassio (Na+/K+ ATPasi), che trasporta attivamente Na+ fuori dalla cellula e K+ dentro la cellula, mantenendo la differenza di carica.

Equazione di Goldman-Hodgkin-Katz

L'equazione di Goldman-Hodgkin-Katz descrive il potenziale di membrana considerando due fattori chiave:

1. La concentrazione degli ioni dentro e fuori la cellula.
2. La permeabilità della membrana a questi ioni.

In condizioni di riposo, la membrana è molto più permeabile al potassio (K+) che al sodio (Na+). Questo significa che il potenziale di membrana a riposo è influenzato soprattutto dal K+, che tende a uscire dalla cellula rendendo l'interno più negativo.

Questa equazione è fondamentale per capire come si generano e si propagano i segnali elettrici nei neuroni e nel sistema nervoso centrale (SNC).

Modulazione della Permeabilità

La genesi dei segnali elettrici dipende dalla continua modulazione della permeabilità della membrana agli ioni. Questo avviene in modi diversi:

• A livello delle sinapsi > i neurotrasmettitori (NT) legano i loro recettori e modificano la permeabilità della membrana, generando un potenziale graduato.