Appunti riassunti e sistemati per esame di Biologia

Biologia 29/09/2020

Il livello molecolare

Il livello più piccolo è quello molecolare. Le molecole si trovano all’interno delle cellule. Le cellule si parlano tra di loro e formano delle reti neurali che elaborano le informazioni sensoriali ed il movimento e gestiscono i processi cognitivi, le emozioni ed il comportamento.

Le neuroscienze

Le neuroscienze si occupano dello studio del cervello, che è l’organo più complesso del nostro corpo e si ramificano in: biologia, anatomia, chimica, genetica, fisiologia e psicologia. Queste discipline hanno lo scopo di descrivere il cervello in condizioni normali, determinare cosa succede quando si alterano i suoi meccanismi e trovare strategie per prevenire malattie neurologiche, disturbi psichiatrici e quant’altro. Le frontiere delle neuroscienze sono tante:

• L’utilizzo delle cellule staminali, che hanno capacità totipotenti, ovvero possono diventare qualsiasi cosa, per riparare parti del tessuto nervoso danneggiate o morte;
• Comprensione dei meccanismi che regolano l’invecchiamento;
• Visualizzazione del cervello in attività per comprendere dove e come esso svolga le funzioni vitali e le funzioni cognitive che lo caratterizzano, distinguendolo da quello di altri animali.

L'inizio delle neuroscienze: teoria reticolare e teoria neuronale

Le neuroscienze iniziano quando viene consegnato il premio Nobel a C. Golgi (1843-1926) per la teoria reticolare e Santiago Ramon y Cajal (1852-1934) per la teoria neuronale.

• Teoria reticolare (Golgi): Golgi prendeva parti del cervello, le fissava immergendole nel bicromato di potassio, le teneva settimane in nitrato di argento fino alla formazione di microcristalli di argento che si distribuivano su tutta la superficie del neurone. In seguito alle colorazioni osservate Golgi postulò la teoria reticolare o sincizio continuo: secondo lui il sistema nervoso era una rete continua di cellule interconnesse senza un inizio e una fine, quindi le fibre conduttive, assoni e dendriti, erano connesse e l’impulso secondo lui poteva viaggiare indifferentemente in entrambe le direzioni sui due tipi di fibre, cioè da e verso il corpo cellulare.
• Teoria neuronale (Cajal 1889): Al contrario, sosteneva che le unità di base del sistema nervoso sono rappresentate da elementi cellulari individuali ed indipendenti. Grazie al suo rigore scientifico si rese conto che alcuni assoni terminavano liberamente, senza nessuna interconnessione fisica con altre fibre nervose fondando così la teoria neuronale o polarizzazione dinamica. Iniziò ad intuire che alcune ramificazioni (Polo Nord = albero dendritico) avevano una funzione, altre ramificazioni ne avevano altre (Polo Sud = assone). Da qui deriva la parola “polarizzazione”, perché le cellule hanno polo nord e polo sud.

Polarizzazione vuol dire che esiste un albero dendritico che riceve i segnali di input dall’esterno, li convoglia al soma che li porta nell’assone che rappresenta l’output, ovvero il segnale di uscita. Quindi il neurone è dinamico, perché può cambiare, l’assone può diventare più lungo, più corto e creare più ramificazioni per aumentare la quantità di sinapsi. Negli anni '50 si ebbe conferma della teoria neuronale. Con Golgi e Cajal si gettano le basi della neurobiologia.

Nel SNC, i corpi cellulari dei neuroni costituiscono la sostanza grigia e i loro dendriti e assoni mielinizzati la sostanza bianca. La mielina è uno strato di membrana che serve ad isolare e quindi a condurre più velocemente lo stimolo elettrico. Dunque l’unità base del cervello è il neurone.

Il neurone

Il termine neurone è stato introdotto nel 1891. Il neurone è una cellula ed è formato da:

• Dendriti: sono estroflessioni del citoplasma, ramificazioni sottili, la cui principale funzione è ricevere segnali in entrata (afferenti). Talvolta sono provvisti di specializzazioni chiamate spine dendritiche. Sono quindi deputati alla conduzione degli stimoli dalla periferia verso il centro o soma (direzione centripeta). Queste strutture amplificano la superficie del neurone, consentendogli di comunicare con molte altre cellule nervose, a volte diverse migliaia.
• Corpo cellulare (soma o pirenoforo): contiene il nucleo, quindi il DNA sotto forma di cromatina, che è protetto dalla membrana nucleare e dal citoplasma e separato dall’ambiente esterno grazie alla membrana plasmatica. Contiene inoltre il reticolo endoplasmatico, mitocondri, l’apparato di Golgi e le neurofibrille.
• Assone: origina dal cono di emergenza ed è un lungo prolungamento che a sua volta genera tante estroflessioni per far sì che un singolo neurone riesca a fare più sinapsi con neuroni differenti, di tipo asso-dendritiche quindi con l’albero dendritico o di tipo asso-somatiche quindi con il soma.
• Bottoni sinaptici: si trovano nella parte opposta del monticolo assonico. In questo punto preciso si ha la conversione del segnale da elettrico a chimico. Il segnale elettrico è una conduzione a distanza (intracellulare) che permette di far parlare le cellule in modo estremamente veloce. I neuroni parlano con un segnale elettrochimico. L’albero dendritico con le sue spine dendritiche recepisce il segnale elettrico, lo trasferisce al soma e viene inviato lungo l’assone, arriva in fondo al bottone sinaptico e convertito in chimico. Quindi le informazioni entrano dall’albero dendritico ed escono dall’assone.

Differenze dendriti / assone

Dendriti:

• Portano le informazioni al corpo cellulare;
• Hanno superficie ruvida (spine);
• Ce ne sono molti per ogni cellula;
• Hanno ribosomi;
• Non sono mielinizzati;
• Si ramificano vicino al corpo cellulare.

Assone:

• Portano le informazioni via dal corpo cellulare;
• Hanno superficie liscia;
• Ce n’è generalmente uno per ogni cellula;
• Non hanno ribosomi perché inviando uno stimolo elettrico non ha bisogno di proteine;
• Sono mielinizzati;
• Si ramificano lontano dal corpo cellulare.

Classificazione dei neuroni

• Dimensione: Osservo la dimensione del soma. Ci sono i neuroni grandi tipo della corteccia cerebrale, e quelli molto più piccoli. (Da 1000 micron a 1000 nanometri)
• Forma: Conto le estroflessioni, quindi i dendriti e gli assoni che il soma ha. Si dividono in:
  • Unipolari: sono i più semplici, presentano un solo prolungamento. Li troviamo nella nostra specie durante il neurosviluppo quindi a livello embrionale.
  • Bipolari: presentano un assone e un solo dendrite infatti sono neuroni con trasmissione locale perché non comunicano con parti lontane del cervello.
  • Pseudounipolare: Neuroni con un solo tipo di prolungamento, ma il pirenoforo (soma) è posto centralmente, provocando una divisione del prolungamento assonico in 2 ramificazioni.
  • Multipolari: Per la maggioranza i neuroni nel cervello sono multipolari quindi mostrano un assone e molteplici dendriti.
• Disposizione dei dendriti:
  • Stellati: a forma di stella
  • Piramidali: a forma di piramide
  • Fusiforme: come le cellule del Purkinje con un grande albero dendritico.
• Lunghezza dell’assone:
  • I tipo Golgi (assone lungo) chiamato anche di proiezione, perché può comunicare con neuroni molto distanti dalla sua area.
  • II tipo Golgi (assone corto) solitamente presente in neurone a circuito locale quindi comunicano con le cellule vicine.
• Neurotrasmettitore: I neuroni si classificano anche in base al tipo di neurotrasmettitore e si hanno i neuroni:
  • Colinergici: usano l’acetilcolina
  • Monoaminergici: che utilizzano come neurotrasmettitore la serotonina e le catecolamine.
  • Aminoacidergici: che utilizzano il GABA con funzione inibitoria e i neuroni
  • Glutammatergici: con funzione eccitatoria.
• Funzione:
  • Neuroni sensitivi: deputati alla ricezione di segnali sensoriali dagli organi di senso.
  • Interneuroni: Analizzano gli stimoli di senso in ingresso e coordinano quelli in uscita, consentendo quindi di modulare le risposte nervose.
  • Motoneuroni: trasportano il segnale all’esterno del SNC.

Tessuto nervoso

È costituito da:

• Cellule nervose o neuroni responsabili dell’attività elettrica del SN (100 - 1000 miliardi)
  • Ricevono informazioni, le elaborano e le integrano (eccitabilità)
  • Conducono e trasmettono gli impulsi nervosi
  • Sono cellule secernenti (messaggeri chimici) e perenni (non si dividono e non generano mitosi)
  • Danni cerebrali irreversibili (proprio per questa mancata capacità di rientrare nel ciclo cellulare)
• Cellule gliali o nevroglia 10 volte più numerose, supportano le attività dei neuroni
  • Separare e isolare elettricamente gli assoni. (Oligodendrociti- guaina mielinica);
  • Nutrire i neuroni. (astrociti che contattano il capillare)
  • Regolano la composizione ionica dell'ambiente extracellulare (astrociti e barriera emato-encefalica)
  • Guidano la crescita (rilasciano i growth factors) e la ricrescita delle cellule neuronali (astrociti)
  • Riparano i tessuti e difendono, ruolo tipico del sistema immunitario, tipico della microglia.
  • Non sono eccitabili.

Classificazione delle cellule gliali o nevroglia

• Macroglia: sono le più grandi e comprendono:
  • Astrociti: Sono i più abbondanti. Un singolo astrocita contatta più neuroni contemporaneamente (meccanismo di risparmio) e fa da collante creando isole sinaptiche: delle specie di piattaforme dove sono legati insieme 5 o più neuroni.
    • Prendono i nutrienti (es.ossigeno) dal flusso sanguigno e li portano ai neuroni, ridistribuendo le sostanze di rifiuto (CO₂).
    • Producono i fattori di crescita (GROWTH FACTORS come EGF per far capire se l’ambiente è adatto o meno alla sopravvivenza).
    • Tamponano la concentrazione extra cellula del K⁺.
    • Catturano e metabolizzano i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica eliminandone l’eccesso.
    • Creano una barriera emato-encefalica che fa sì che i capillari non abbiano fessure al loro interno molto grandi, che vengono chiuse dalle estroflessioni degli astrociti, in modo tale da impedire l’entrata di macromolecole o di agenti patogeni che potrebbero infettare il tessuto nervoso, mantiene costante la concentrazione di ioni nel liquido extracellulare dei tessuti del SNC ed evita il contatto dei neuroni con molte sostanze presenti nel sistema circolatorio che hanno un forte effetto sui neuroni.
  • Oligodendrociti: hanno la funzione di separare ed isolare elettricamente gli assoni creando la guaina mielinica.
  • Cellule di Schwann: hanno la stessa funzione degli oligodendrociti solo che svolgono questa funzione nel Sistema Nervoso Periferico.

Guaina mielinica

La maggior parte degli assoni sono ricoperti di guaina mielinica, formata da 80% di lipidi e 20% di proteine. Serve ad isolare l’assone ed aumentare la velocità di trasmissione dei segnali elettrici. Deriva da avvolgimenti della membrana plasmatica.

• Nel sistema nervoso Centrale (SNC) la mielina è formata dagli Oligodendrociti (macroglia), ciascun oligodendrocita è in grado di mielinizzare vari tratti dell’assone e anche di mielinizzare più assoni contemporaneamente.
• Nel sistema nervoso Periferico (SNP) la mielina è formata dalle Cellule di Schwann (macroglia) e ciascuna cellula avvolge un tratto dell’assone quindi vengono utilizzate tante cellule per creare ogni singolo “manicotto” (avvolgimento intorno all’assone).

I tratti di mielina vengono interrotti dai “Nodi di Ranvier” ovvero discontinuità della guaina mielinica. In questo caso la conduzione del segnale elettrico si chiama saltatoria, negli assoni mielinizzati la conduzione dello stimolo nervoso è continua e necessita di più canali.

Microglia

• Le cellule microgliali sono guardiani attivi e dinamici.
• Riparano i tessuti danneggiati fagocitando quel che rimane delle cellule morte (Spazzini SN).
• Si muovono grazie al riarrangiamento cellulare;
• Lo stato a riposo (resting) ha una forma ramificata, per sentire bene l'ambiente circostante, quando percepiscono un'anomalia passano in stato attivo, ritraggono tutti i prolungamenti e assumono la classica forma ameboide per muoversi ed inglobare le sostanze estranee.
• La Microglia è coinvolta nel processo di eliminazione e rimodellamento delle sinapsi (synaptic pruning-USE IT OR LESS IT): Se le uso le sinapsi le tengo, se non le uso le elimino. Eliminare gli assoni significa tagliarli e questo comporta la perdita di frammenti di membrane e cellule gliali che devono essere rimossi, a questo provvede la microglia. Con la carenza cronica di sonno la microglia può impazzire ed iniziare a fagocitare le cellule sane. Questo perché quando dormiamo anche le nostre cellule dormono e si riposano.

Differenze glia / neurone

Glia:

• La glia ha solo un tipo di processo (estroflessioni del citoplasma)
• Non possono generare potenziale d’azione ma comunicano tra loro
• Le cellule gliali si dividono continuamente
• Ci sono molte più cellule gliali che neuroni (almeno 10-50 volte di più)

Neuroni:

• I neuroni hanno 2 tipi di processi (dendriti e assone dove i dendriti ricevono il segnale, l’assone lo porta lontano)
• I neuroni possono generare potenziale di azione (generare corrente elettrica)
• I neuroni maturi non si dividono, non fanno mitosi

Ricostruzione dell'assone

Quando un assone viene lesionato nel SNP questa lesione può essere recuperata perché le sue cellule rigenerano l’assone grazie alle cellule gliali che si attivano e rilasciano fattori tipo EGF che aiutano l’assone a ricrescere e riformano la guaina mielinica. Dato che tutti i nervi appartengono al SNP, quando un nervo viene lesionato esso è normalmente in grado di rigenerare e riacquisiscono la funzionalità quando ricrescono gli assoni che costituiscono quel nervo. Mentre nel SNC se ci sono delle lesioni importanti sono irreversibili.

Quando ad esempio viene lesionato il midollo spinale i vuoti lasciati dagli assoni degenerati vengono riempiti dalle cellule gliali rendendo impossibile la ricrescita degli assoni. Lesioni alla colonna vertebrale comportano deficit difficilmente reversibili: quando si ha un recupero delle funzioni, questo è generalmente dovuto all’utilizzo di vie nervose alternative che sono rimaste intatte.

ESEMPIO: La sclerosi multipla è il danneggiamento della guaina mielinica dei neuroni del SNC che comporta conseguenze sulle sinapsi. In seguito a questo deterioramento si generano delle cicatrici o “placche” indurite. È una malattia autoimmune: il sistema immunitario del corpo non riconosce come self la guaina mielinica e la danneggia, provocando prima rallentamento e poi blocco dell’impulso nervoso. Quindi la popolazione neuronale del cervello si divide in cellule neuronali e cellule gliali. Per capire la funzione di queste cellule bisogna capire come lavorano. Per farlo, bisogna arrivare al livello molecolare per capire come vengono create le macromolecole biologiche.

Le macromolecole

I tessuti viventi sono composti di acqua per il 70% del loro peso, il restante 30% è suddiviso in macromolecole: Proteine, acidi nucleici, Carboidrati (polisaccaridi, presenti nel DNA, membrana plasmatica ecc.) e Lipidi (le membrane e tutta la componente idrofobica della cellula è composta da lipidi). Le macromolecole sono costituite da strutture complesse (polimeri) ottenute dall’assemblaggio di unità più piccole (monomeri) che devono essere unite e non devono spezzarsi, questo processo è detto polimerizzazione o condensazione.

Elementi importanti dal punto di vista biologico

• Il carbonio: fa legami forti, massimo 4, e quindi crea lo scheletro e rende rigida la struttura delle macromolecole.
• L'ossigeno: serve per la respirazione in tutte le cellule e a creare i componenti di tante macromolecole.
• L'idrogeno: componente dell'acqua, presente in tutti i composti organici.
• L'azoto: presente nelle proteine e negli acidi nucleici.
• Il fosforo: contenuto negli acidi nucleici e nell’ATP, utilizzato dai neuroni e da tutte le cellule del nostro corpo.
• Il calcio: presente in forma ionica (Ca⁺⁺), quindi come ione positivo, è importante per la contrazione muscolare ed importantissimo per la neurotrasmissione. Se non arriva il calcio dall'esterno, la sinapsi non può attivarsi e non può partire la conversione da stimolo elettrico a chimico (anche componente strutturale di denti e ossa).
• Ioni sodio, potassio, cloro (Na⁺ K⁺, Cl^-): sono i principali responsabili dell'attività elettrica del neurone e delle cellule in generale. Il loro trasporto è alla base dell’insorgenza del potenziale d’azione.

Questi elementi sono formati da atomi.

Definizioni

• Elemento chimico: sostanza pura della quale non è possibile ottenere sostanze più semplici.
• Atomo: La più piccola parte di un elemento. A loro volta gli atomi sono formati da protoni, neutroni ed elettroni.
• Composto: è una sostanza costituita da due o più elementi in proporzione definita. L’acqua, H₂O, è un composto con 2 H e 1 O. Quindi dobbiamo rivedere la struttura di un atomo per capire come le molecole si incontrano, creano legami e formano un composto.

Atomi (neutroni, protoni, elettroni, isotopi)

L’atomo è la parte più piccola di un elemento. All’interno dell’atomo ci sono particelle sub-atomiche. Protoni e neutroni si trovano nel nucleo, gli elettroni vi ruotano intorno.

• Protone: ha massa 1 e carica +.
• Neutrone: ha massa 1 e non ha carica.
• Elettrone: è sempre uguale al numero dei protoni. Ha massa trascurabile (perché sono piccolissimi) e carica negativa e ruotano intorno al nucleo e sono alla base dei legami.

Quando analizziamo la tavola periodica troviamo un’apice e un pedice. Un nucleo è quindi caratterizzato da due numeri: un numero di massa A che è uguale a protoni...