Sinapsi: trasmissione del segnale nervoso e fisiologia, Appunti

Trasmissione del Segnale Sinaptico

La codifica del segnale a livello dell'assone è in frequenza: ad ampiezza maggiore del segnale d'ingresso, ovvero della variazione di potenziale indotto da sinapsi, corrisponde un numero maggiore di potenziali d'azione nel tempo. Sulla membrana dell'assone avviene la depolarizzazione, sotto forma di apertura dei canali voltaggio dipendenti dal sodio e del potassio, che iniziano contemporaneamente ma finisce in tempi diversi.

Successivamente rispetto all'assone cambia la popolazione dei canali voltaggio dipendenti. In sinapsi, quando arriva il potenziale d'azione, esso non trova canali voltaggio-dipendenti del sodio e del potassio da attivare, quindi non si genera più il potenziale d'azione; tuttavia in questo punto si trovano i canali voltaggio-dipendenti del calcio, che vengono dunque attivati per far avvenire l'esocitosi e rilasciare così i neurotrasmettitori.

La sinapsi è un compartimento specifico del neurone, rivestita da una membrana che ha proprietà diverse dall'assone per via dei canali ionici diversi, si tratta dei canali ionici voltaggio dipendenti del calcio che hanno lo scopo di trasformare la depolarizzazione in rilascio di calcio.

Una volta che la membrana e la vescicola presinaptica si uniscono, il contenuto di circa un migliaio di molecole si sprigiona nella fessura sinaptica dove si diffonde nelle tre dimensioni dello spazio intersinaptico.

I neurotrasmettitori adottano il meccanismo di diffondersi casualmente senza essere per forza diretti alla membrana postsinaptica, per questo motivo molte molecole vengono perse durante il processo e devono essere rimosse tramite particolari meccanismi.

Lo spazio intersinaptico è più grande dello spazio tra le cellule (circa il doppio); queste dimensioni sono ottimali perché così c'è un tempo di diffusione sufficiente per consentire un'ottimale stimolazione dei recettori postsinaptici. Nei dendriti sono presenti recettori di neurotrasmettitori che legano sulla loro faccia extracellulare una o più molecole di neurotrasmettitore.

Il processo di trasduzione del segnale consiste nella serie di eventi che vengono innescati da quando il neurotrasmettitore si lega al recettore che si trova sulla membrana post sinaptica, ogni neurone riceve fino a centinaia di migliaia di sinapsi, dunque le singole variazioni di potenziale vanno moltiplicate per il numero di sinapsi che possono essere: attive/contigue/attive ripetute.

Vengono riconosciute due tipi di sinapsi: elettrica e chimica.

Generalmente ci si riferisce alla sinapsi più comune, quella chimica; quella elettrica è una particolarità.

Storia della Fisiologia

Intorno al 1800, Claude Bernard, uno dei padri fondatori della fisiologia, all'ora ancora eseguita sull'animale, impiegava il curaro, veleno (motorio non sensitivo) utilizzato per l'inibizione muscolare sia volontaria sia involontaria, tra cui i muscoli della respirazione che se non funzionanti portano alla morte.

Lo scienziato, curarizzando le rane (che non avevano problemi respiratori in quanto respirano attraverso le branchie), a cui legava una zampa in modo tale da non far passare il veleno in quella particolare zona, osservò che quando toccava andava a toccare la zampa curarizzata non si fletteva ma si fletteva la zampa non curarizzata (il riflesso che si evoca nelle rane è di flessione di entrambe le zampe). Dunque constatò che il curaro agiva inducendo una paralisi motoria, nella parte in cui riusciva a raggiungere attraverso la circolazione, ma non nella parte bloccata dal laccio. Intuendo un sistema ancora sconosciuto, che nei nostri giorni sappiamo essere un circuito riflesso dove è presente una parte sensoriale, che era attiva nella zampa curarizzata, il quale induceva il riflesso dell'altra parte.

Lo scienziato iniziò ad avere l'idea della diversificazione cellulare con la presenza di nervi sensoriali e nervi motori, con sostanze che agivano su uno ma non sull'altro.

A fine dell'800, Augustus Desirè Waller, colui che mise appunto le basi dell'ECG utilizzato ancora oggi, nell'elettrocardiogramma. Condusse, sempre attraverso l'utilizzo delle rane, un esperimento che comprendeva la stimolazione del nervo sciatico dove la zampetta, per le prime stimolazioni, si fletteva ma successivamente anche continuando a stimolare il muscolo non si fletteva più, se non attraverso l'utilizzo di un elettrodo. Dunque notando che il muscolo manteneva la sua capacità di flettersi solo attraverso uno stimolo elettrico ne ipotizzo che le cellule in questione sono cellule diverse ovvero muscolari e nervose. "Non le vedo separate, ma so che lo sono perché posso influenzarle in maniera diversa."

Sherrington fu colui che coniò il termine di sinapsi, un altro padre della fisiologia che ha ottenuto il Nobel nel 1932. In quel periodo era presente un dibattito feroce tra fisiologi e patologi di tutto il mondo, due che si sono odiati finché non presero il Nobel assieme furono Cajal e Golgi.

Golgi sosteneva che il sistema nervoso fosse costituito da un'unica rete, mentre Cajal sosteneva che esso era composto da cellule diverse, utilizzando la colorazione messa appunto da Golgi, nel 1906 entrambi, pur dicendo cose opposte, ottengono il Nobel per aver messo appunto questo sistema per lo studio dei neuroni. Infine la teoria corretta fu quella sostenuta da Cajal, ma per la mancanza di strumentazioni specifiche, come il microscopio elettronico, all'epoca non riuscì a sostenerlo.

Per ultimo, con la dimostrazione del primo neurotrasmettitore studiato nel 1921, Otto Loewi, condusse esperimenti attraverso la stimolazione del nervo vago e il rallentamento del cuore.

L'esperimento fu condotto in un "bagnetto" (strumentario utilizzato per la sperimentazione) in cui veniva inserito in una sezione il cuore e in un altra veniva inserito il nervo. Dopo vari tentativi intuì che la stimolazione del nervo vago portava al rilascio di una molecola utile per il rallentamento del cuore. Fu così che nel 1938, grazie alla scoperta dei neurotrasmettitori, vinse il Nobel.

La Sinapsi

Definita così la regione attraverso la quale una variazione del potenziale di membrana (non di flusso nervoso) viene trasmessa da una cellula all'altra.

Sinapsi Elettriche

Nelle sinapsi elettriche non c'è la fusione del doppio strato fosfolipidico ma ci sono le strutture che vengono messe in giustapposizione.

Strutture proteiche chiamate connessoni, strutture proteiche costituite da sei monomeri di connessina, ciascuna pesante 25 kilodalton, vanno a formare un canale che quando viene raggiunto da uno stimolo cambia di conformazione e permette uno scambio di complementi citoplasmatici da una cellula all'altra, acqua e piccoli ioni, questi ultimi risultano particolarmente importanti in quanto determinano la depolarizzazione della membrana postsinaptica trasmettendo così il segnale senza il passaggio di trasduzione del segnale del neurotrasmettitore delle sinapsi chimiche.

Le sinapsi elettriche possono essere unidirezionali e bidirezionali, come ad esempio nel caso del miocardio in cui il normale segnale può essere interrotto da infarto il segnale può viaggiare in direzione opposta rispetto a quella "normale".

Sinapsi Chimica

La sinapsi chimica è quel processo di rilascio del neurotrasmettitore, diffusione e successivamente di trasduzione del segnale, richiedente da 1 a 4 millisecondi, che permette la trasmissione da una cellula all'altra con una serie di meccanismi che impongono una variazione di tempo, da un neurone all'altro, di qualche millisecondo, definito ritardo sinaptico (non presente nelle sinapsi elettriche generalmente più rapide).

Il ritardo è dovuto all'attivazione dei meccanismi sinaptici e, specialmente, dalla diffusione del neurotrasmettitore che avviene attraverso un processo fisico relativamente lento insieme all'attivazione dei meccanismi post sinaptici.

Una volta attivati i canali voltaggio dipendenti del calcio, il quale entra e va a schermare le cariche sulle vescicole ancorate al citoscheletro e le sganciano. Una volta sganciate andranno a fondersi con le proteine di ancoraggio sulla membrana presinaptica, che porterà alla loro apertura liberando il neurotrasmettitore all'esterno.

Anche il rilascio delle vescicole è un processo stocastico, ovvero che quello che cambia quando arriva il potenziale d'azione in sinapsi è la probabilità del rilascio delle vescicole (che aumenta di molto). Non tutte le vescicole formate vengono liberate con un determinato potenziale d'azione, quest'ultimo aumenta solamente la probabilità di rilascio per un periodo breve (quello della durata del potenziale d'azione).

Ogni tanto può accadere che delle vescicole sinaptiche si stacchino senza l'attivazione da parte del potenziale d'azione. Dunque se андiamo a registrare la membrana post sinaptica (registrazioni venute particolarmente bene nei preparati di assoni motoneuroni che innervano il muscolo) a riposo non avrò una registrazione piatta ma avrò circa una volta ogni secondo un piccolo "saltino" dato dall'effetto della liberazione di singole vescicole sinaptiche. Queste piccole variazioni si chiamano potenziale di placca in miniatura (MEPS), sono depressioni di 0,4 millivolt, circa una per secondo.

La quantità neurotrasmettitore liberato dipende da quanto calcio entra nel terminale presinaptico, chiamata liberazione quantica: rilasciato quantità fisse di neurotrasmettitore, multiplo del numero di molecole contenute in una vescicola.

Processo Postsinaptico

Dopo la liberazione del neurotrasmettitore hanno inizio i processi postsinaptici diversi a seconda dei recettori a cui si lega il neurotrasmettitore per dare origine ad un segnale massimale.

Recettori

I recettori possono essere ionotropici o metabotropici, quindi o essere essi stessi canali ionici, oppure dare luogo a una serie di modificazioni intracellulari di segnalazione delle vie dei secondi messaggeri, i quali quindi aprono canali ionici che fanno depolarizzare localmente la membrana.

Processo Presinaptico