La comunicazione intercellulare del sistema nervoso: sinapsi elettriche e chimiche

La comunicazione intercellulare del sistema nervoso

Sinapsi

A Flusso della corrente in una sinapsi elettrica ELETTRICHE Cellula presinaptica Cellula postsinaptica B Flusso della corrente in una sinapsi chimica CHIMICHE Cellula presinaptica Cellula postsinaptica

• Contatto diretto
• Presenza di gap junction - connessoni
• Le membrane delle due cellule adiacenti sembrano in connessione tra loro
• Molto rapide
• Molto rare
• Presenza di una fessura sinaptica che separa fisicamente due cellule
• La cellula presinaptica è spesso un neurone
• Può coinvolgere ghiandole o muscoli (giunzione neuromuscolare o neuroghiandolare)
• Rilascio di neurotrasmettitori attraverso vescicole sinaptiche

Tessuto epiteliale

Epiteli e ghiandole

Connessioni cellulari strette

1. Giunzioni serrate: Uniscono strettamente impedendo il passaggio di acqua e soluti. Presenti in epiteli esposti a sostanze aggressive, come nel tratto digerente.
2. Gap junction: Consentono il passaggio di molecole e ioni tra cellule attraverso proteine dette connessoni. Essenziali nel tessuto muscolare cardiaco e liscio.
3. Desmosomi: Garantiscono resistenza meccanica legando le membrane cellulari tramite CAM (molecole di adesione cellulare) e filamenti del citoscheletro.

• si legano tra loro e a materiali extracellulari mediante un sottile strato di proteoglicani (miscele di proteine e polisaccaridi).
• I desmosomi a bottone uniscono le cellule epiteliali, mentre gli emidesmosomi fissano le cellule alla membrana basale.

0 Frank Boumphrey M.D. 2009 Gap Junction Desmosome Tight Junction

Sinapsi Chimiche

Le sinapsi chimiche sono il tipo più comune nel sistema nervoso centrale (SNC) e periferico (SNP). La trasmissione del segnale avviene attraverso il rilascio di neurotrasmettitori.

1. Arrivo del potenziale d'azione: Il segnale elettrico raggiunge il bottone sinaptico del neurone presinaptico.
2. Apertura dei canali del calcio: L'arrivo del potenziale d'azione provoca l'apertura dei canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+, che entra nella terminazione presinaptica.
3. Esocitosi dei neurotrasmettitori: Il Ca2+ induce il rilascio di vescicole sinaptiche, contenenti neurotrasmettitori, nello spazio sinaptico.
4. Interazione con i recettori postsinaptici: I neurotrasmettitori si legano a recettori specifici sulla membrana postsinaptica, determinando:

1. Apertura di canali ionici (sinapsi eccitatoria o inibitoria)
2. Attivazione di una cascata di segnali intracellulari

1. Terminazione del segnale: Il neurotrasmettitore viene degradato da enzimi (es. acetilcolinesterasi) o ricaptato nel neurone presinaptico.

Caratteristiche della sinapsi chimica

• Unidirezionale: Il segnale va solo dal neurone presinaptico a quello postsinaptico.
• Lenta: La trasmissione impiega circa 1-5 ms, perché richiede la diffusione del neurotrasmettitore.
• Modulabile: Il segnale può essere amplificato, inibito o modificato da sostanze esterne (droghe, neuropeptidi, ormoni).
• Plasticità sinaptica: Coinvolta nei fenomeni di memoria e apprendimento.

Esempi di neurotrasmettitori

• Eccitatori: Glutammato, acetilcolina.
• Inibitori: GABA, glicina.
• Modulanti: Dopamina, serotonina, noradrenalina.

Sinapsi Elettriche

Le sinapsi elettriche sono meno comuni e si trovano in aree specializzate come cuore e nella retina. In queste sinapsi, i neuroni sono collegati direttamente da giunzioni gap, che permettono il passaggio degli ioni e del segnale elettrico senza bisogno di neurotrasmettitori.

1. Contatto diretto tra cellule: Due cellule adiacenti sono connesse tramite connessioni gap formate da proteine connessine.
2. Passaggio diretto del segnale: Il potenziale d'azione o la depolarizzazione si trasmette direttamente da una cellula all'altra.
3. Sincronizzazione dell'attività: Le cellule connesse funzionano quasi come un'unità sincronizzata

Caratteristiche della sinapsi elettrica

• Bidirezionale: Il segnale può fluire in entrambi i sensi.
• Velocissima: La trasmissione è quasi istantanea (ritardo di pochi microsecondi).
• Sincronizzazione: Importante per tessuti che devono attivarsi contemporaneamente (es. muscolo cardiaco).
• Meno modulabile: A differenza delle sinapsi chimiche, il segnale non può essere facilmente modificato.

Dove si trovano le sinapsi elettriche?

• Muscolo cardiaco: Permette la contrazione simultanea delle cellule del miocardio.
• Sistema nervoso primitivo: Presenti nel cervello fetale e in alcune reti neurali.
• Retina e corteccia cerebrale: Sincronizzazione di gruppi di neuroni.

Proprietà distintive delle sinapsi

Proprietà delle sinapsi elettriche e chimiche

Proprietà Sinapsi elettriche Sinapsi chimiche 1. Distanza tra le membrane pre- e post-sinaptiche 2-3.5 nm 30-50 nm 2. Continuità citoplasmatica tra cellula pre- e post- sinaptica Si No 3. Componenti ultrastrutturali Canali delle giunzioni comunicanti Zone attive e vescicole presinaptiche; recettori postsinaptici 4. Agenti della trasmissione Correnti ioniche Neurotrasmettitori 5. Ritardo sinaptico Virtualmente assente Apprezzabile: al minimo 0,3 ms, in generale 1-5 ms o più 6. Direzione della trasmissione Generalmente bidirezionale Unidirezionale

Vantaggi della sinapsi elettrica

Vantaggi della sinapsi ELETTRICA rispetto a quella CHIMICA

• Maggiore velocità di conduzione (assenza del ritardo sinaptico)
• Minore affaticabilità Ma allora perché abbiamo tantissime sinapsi chimiche?

Morfologia della Sinapsi Chimica

Assone del neurone presinaptico Mitocondrio Terminale assonale Neurone postsinaptico Vescicole sinaptiche Terminale assonale della cellula presinaptica Fessura sinaptica Siti recettoriali Neurotrasmettitore Membrana postsinaptica Membrana della cellula post-sinaptica Il numero medio di sinapsi per neurone è 10.000 ma alcuni possono arrivare a 150.000

Terminali assonici dei neuroni presinaptici Dendrite del neurone postsinaptico Dendrite Processi di cellule gliali Assone

Funzionamento della Sinapsi Chimica

Potenziale d'azione

Potenziale d'azione 1 Un potenziale d'azione depolarizza il terminale assonale. 2 La depolarizzazione apre i canali voltaggio-dipendenti per il Ca2+, quindi il Ca2+ entra nella cellula. Terminale assonale Vescicola sinaptica 3 L'ingresso di calcio provoca l'esocitosi del contenuto delle vescicole sinaptiche. 4 Il neurotrasmettitore diffonde attraverso lo spazio sinaptico e si lega ai recettori sulla cellula postsinaptica. 1 2+ 3 Ca Canale voltaggio- dipendente per il Ca2+ Ca' 2 Proteine di attracco 4 . Recettore 5 Cellula postsinaptica Risposta cellulare 5 Il legame del neurotrasmettitore con i recettori inizia una risposta nella cellula postsinaptica. 2+

La Sinapsi Colinergica

La Sinapsi Colinergica 1 Un potenziale d'azione in arrivo depolarizza il terminale assonico di un neurone presinaptico. 2 La depolarizzazione del terminale assonico apre i canali del calcio voltaggio-dipendenti e gli ioni calcio entrano nel citosol del terminale assonico inducendo il rilascio di ACh dalle vescicole sinaptiche mediante esocitosi. Mitocondrio 1 1 Vescicola sinaptica 2 Ca2+ A Ch 2 Ca2+ A Ch A Ch 2 A Ch A Ch Fessura sinaptica Neurone postsinaptico -Recettore per l'ACh (canale ionico [Na+, K+] regolato chimicamente) Mitocondrio Canale del Ca2+ voltaggio- dipendente A Ch A Ch A Ch A Ch Terminale assonico del neurone presinaptico

La Sinapsi Colinergica 3 L'ACh diffonde nella fessura sinaptica e si lega ai recettori dislocati sulla membrana postsinaptica. I canali dei cationi Na+ e K+ si aprono producendo una depolariz- zazione graduata dovuta all'influsso di ioni Na+. 4 La depolarizzazione termina quando l'ACh viene degradata in acetato e colina dall'AChE. Il terminale assonico riassorbe la colina dalla fessura sinaptica e la usa per risintetizzare ACh. Mitocondrio Acetil-CoA CoA A 4 Ch Acetilcolina A Ch Ch Terminale assonico Colina Ch A Ch 3 3 Ch (AChE) A Ch Acetato A Na+ Canali ionici- regolati chimicamente Inizio di un Na+ potenziale graduato o di un potenziale d'azione se si raggiunge la soglia al segmento iniziale Neurone postsinaptico Propagazione di un potenziale d'azione (se generato) A Ch A Acetilcolinesterasi 4

Terminale assonale Mitocondrio Acetil-CoA CoA 1 L'acetilcolina (ACh) viene sintetizzata a partire da colina e acetil-CoA. Acetilcolina A Enzima colina- acetiltrasferasi Ch Ch A Ch - Vescicola sinaptica 1 3 Colina Ch A Recettore colinergico Acetato 2 A Acetilcolinesterasi (AChE) Cellula postsinaptica Importanza dell'acetilcolina nella cellula: ·Neuroni motori: L'acetilcolina è cruciale nella comunicazione tra i neuroni motori e i muscoli. Viene rilasciata alla giunzione neuromuscolare per stimolare la contrazione muscolare. ·Sistema nervoso centrale: Nel cervello, l'acetilcolina è coinvolta in processi cognitivi, come apprendimento, memoria, e attenzione. Interagisce con i recettori colinergici, che sono di due tipi principali: recettori nicotinici (ionotropici) e recettori muscarinici (metabotropici). 3 La colina viene ritrasportata nel terminale assonale e viene utilizzata per sintetizzare altra ACh. Ch 2 Nella fessura sinaptica l'ACh viene rapidamente degradata dall'enzima acetilcolinesterasi.

Terminazione dell'azione del neurotrasmettitore

In che modo un neurotrasmettitore smette di agire sulla cellula postsinaptica? Cellula presinaptica 1 I neurotrasmettitori possono rientrare nei terminali assonali per essere riutilizzati, oppure essere captati all'interno delle cellule gliali. Vescicola sinaptica 3 2 Alcuni neurotrasmettitori vengono inattivati da enzimi. Cellula gliale 1 Sangue -Enzima 3 Alcuni neurotrasmettitori possono diffondere fuori dalla fessura sinaptica. Cellula postsinaptica 2

Sinapsi chimica a risposta veloce

Fluido extracellulare Legame del neurotrasmettitore Citosol Recettore ionotropo/ canale ionico Flusso ionico (a) Risposta veloce

Sinapsi chimica a risposta lenta

Accoppiamento diretto

1 Il neurotrasmettitore si lega al recettore Canale ionico Recettore metabotropo y 2 Attivazione della proteina G 3 Apertura o chiusura del canale ionico Proteina G

Sistema secondi messaggeri

1 Il neurotrasmettitore (primo messaggero) si lega al recettore Enzima Recettore metabotropo Y 2 Proteina G attivata 3 Attiva o inibisce l'enzima 4 Produce un secondo messaggero Secondo messaggero 5a Apre o chiude i canali ionici 5b Produce altre risposte cellulari I recettori metabotropi sono tipicamente associati alla produzione di messaggeri secondari come AMP ciclico (cAMP), inositolo trifosfato (IP3) e diacilglicerolo (DAG). Questi messaggeri secondari amplificano il segnale che è iniziato dal legame del neurotrasmettitore al recettore e portano a una risposta più complessa e modulata all'interno della cellula.