Biochimica D’organo (o speciale)

Lezione 1 1/03 meccanismo della visione primaria

Processo complesso che comporta uno stimolo fisico (fotone) che ci permette la visione.

Fotoni che colpiscono il sistema visivo —> vediamo ciò che ci sta intorno.

Stimolo fisico (fotone) —> ci fa riconoscere ciò che ci sta intorno.

Struttura dell’occhio

L’occhio è chiamato anche bulbo oculare.

Occhio —> elemento del SNC.

È composto da una parte anteriore (cornea) che protegge esteriormente l’occhio.

Retina —> componente nervosa.

Dalla retina parte il nervo ottico che si incrocia —> occhio sx vede elaborazione dell’immagine nella corteccia dx e viceversa.

C’è poi un terzo neurone che porta alla corteccia visiva parietale.

Nuclei genicolati —> strutture presenti nel talamo (non volontario), dal quale parte un terzo neurone che nella corteccia visiva è parietale.

A livello della corteccia visiva e del talamo ci sono i meccanismi che portano ad elaborare l’immagine e poi a vedere la tridimensionalità e la sfumatura dei colori.

Retina

È la linea rossa che tappezza gran parte della parte interna dell’occhio.

Luce entra dalla pupilla, poi attraversa una lente (cristallino) dietro alla quale ci sono altre str.

Fotoni che colpiscono la retina e i fotorecettori (neuroni), i quali trasformano uno stimolo fisico in uno chimico che determina il potenziale d’azione (stimolo elettrico) —> le molecole chimiche non comunicano tra un neurone e l’altro, ma è l’impulso elettrico che comunica.

Retina —> ha una str concava, i fotoni colpiscono con maggiore intensità e precisione la parte centrale della retina (fovea) —> campo visivo, tutto ciò che sta al di fuori di questo lo vediamo sfocato.

Tutta la retina risponde ai fotoni, e quindi al processo visivo.

La retina è costituita da un multi strato cellulare:

• Il più esterno è l’epitelio pigmentato —> i nostri fotorecettori sono ricoperti da uno strato epiteliale.

Ruolo vitamina A —> effettore per poter passare da un impulso fisico a chimico a elettrico —> importante in biochimica.

• Poi 3 strati cellulari.
• Fotorecettori di due tipi: coni (visione a colori) e bastoncelli (visione al buio).
• Strato plessiforme: costituito da 3 tipi di neuroni: cellule orizzontali, bipolari e amacrine (—> modulatrici della via principale che coinvolge fotorecettori, cellule bipolari e gangliari).
• Cellule gangliari i cui assoni determinano l’inizio del nervo ottico.

Fotorecettori trasferiscono il messaggio alle cellule bipolari e poi queste alle cellule gangliari —> via principale.

Nello strato plessiforme (intermedio) ci sono le cellule orizzontali e amacrine che sono considerate modulatrici della via principale.

Cellule orizzontali: fanno sinapsi nella comunicazione tra fotorecettori e cellule bipolari.

Cellule amacrine: fanno sinapsi nella comunicazione tra cellule bipolari e gangliari.

Il nostro sistema visivo non è assoluto, ma fatto in maniera specifica per vedere le differenze di cromatismo e forma.

Concetto generale degli organi di senso: abbiamo un’area sensitiva minima per poter percepire un determinato tipo di segnale.

Se sono coinvolte pochissime cellule il nostro cervello non percepisce dolore (esempio dello spillo).

Quando illuminiamo la minima unità sensitiva della retina (1 solo fotorecettore), non vediamo niente —> ci vogliono più fotoni e più fotorecettori illuminati per vedere e questo numero cambia da persona a persona.

Se illuminiamo la retina con la minima quantità di luce che serve per dare il segnale, ci saranno dei fotorecettori centrali che sono più colpiti e quelli periferici sono meno colpiti.

Centro del capo visivo minimo illuminato —> chiamato area on.

Fotorecettori che stanno intorno illuminati con minor intensità —> chiamata area periferica off.

Se abbiamo la luce centrale che depolarizza la cellula, alla periferia dove c’è una minor intensità di fotoni abbiamo una risposta opposta (iperpolarizzazione), anche se alla periferia c’è luce.

—> Differenza che si vede nelle due immagini con due quadrati.

—> Ciò che vediamo è una differenza ma la cellula la elabora non in modo lineare, ma in modo sì/no.

—> Processo chiamato elaborazione retinica.

Il neurotrasmettitore più importante coinvolto nella visione primaria è l’acido glutammico.

—> Cellule centrali dipendono dall’acido glutammico.

Campo recettivo: area della retina che, stimolata dalla luce, produce un’amplificazione del potenziale di membrana.

Si avranno segnali on depolarizzanti e segnali off iperpolarizzanti in relazione all’intensità dello stimolo —> attività dinamica e veloce.

I campi recettivi hanno una certa sovrapposizione —> facilita i processi di rielaborazione di immagine.

Centri on e centri off

Prima foto —> centro on circondato dai due centri periferici off.

Al centro è depolarizzato e ai lati è iperpolarizzato.

Seconda foto —> contrario.

Terza foto —> realtà in base al tempo.

T=0 —> tutto off.

T=1 —> centro illuminato e periferia oscurata.

T=2 —> tutto illuminato.

T=3 —> tutto scuro.

—> Grading continuo.

Teoria: il campo recettivo a seconda di com’è illuminato va incontro a una zona centrale super depolarizzata e una periferica iperpolarizzata.

Realtà: nella dinamica della visione non ci sono degli estremi perché i campi recettivi sono leggermente sovrapposti.

L’intera retina è colpita da fotoni anche se gli effetti a seconda che ci si trovi nella parte centrale o periferica sono diversi.

Si depolarizza (trasmissione di segnale in questo caso) la parte centrale illuminata e si iperpolarizza la parte esterna; ma tutti i fotorecettori sono illuminati, quelli della parte centrale sono i più illuminati.

Come vengono rielaborati i fotoni per diventare uno stimolo chimico e poi elettrico.

Coni e bastoncelli

Sono 2 fotorecettori, hanno una membrana, un nucleo e degli organelli.

In entrambe una parte della membrana cellulare superficiale va incontro a un gran numero di invaginazioni perché la loro membrana contiene le proteine che se colpite dal fotone vanno incontro a una modificazione della struttura capace di trasformare la luce in stimolo elettrico.

Per aumentare la superficie e la possibilità di avere più proteine sensibili alla luce (proteine chiamate opsine) si va incontro alla formazione di queste invaginazioni —> area per collocare le opsine maggiore.

La parte inferiore della membrana permette anche di fare la sinapsi (str cellulare da cui vengono rilasciati i neurotrasmettitori che vanno a colpire recettori presenti sull’altro neurone) —> segnale chimico / elettrico.

Sinapsi = unità morfo-funzionale perché è formata da una membrana pre sinaptica di un neurone e da una membrana postsinaptica di un altro neurone.

Coni —> visione diurna, ci permettono di vedere i colori.

Bastoncelli —> visione notturna, sensibili alla scala di grigi.

L’unica opsina deputata alla visione notturna è la rodopsina.

Proteine opsine

Presenti sulla membrana dei fotorecettori (coni e bastoncelli), trasformano l’energia di un fotone in segnale chimico.

Sono una famiglia di proteine transmembrana, ma non a 7 domini.

Hanno un tratto idrofobici che reagisce all’interno della membrana e può attraversarla fino a 6 volte.

Lega la vitamina A —> ciò che le permette di trasdurre lo stimolo chimico e iniziare il meccanismo di visione primaria *vedere file su vitamine.

3 tipi di opsine che differiscono per minime cose, ma ci permettono di essere suscettibili a fotoni con lunghezza d’onda diversa a cui corrispondono colori diversi max lunghezza d’onda a cui sono suscettibili:

• Long-wave —> verde, giallo, rosso 560 nm.
• Middlehort-wave —> viola e ultravioletto 530 nm.
• Short-wave —> blu 430 nm.

Daltonici —> mutazioni su una di queste proteine.

—> La possibilità di avere questi tre tipi ci permette di vedere più colori.

Tra la middle e la long c’è una differenza di soli 3 amminoacidi che cambiano la sensibilità.

Vitamina A

Liposolubile, può essere accumulata con effetto tossico.

Deve essere assunta dalla dieta; diverse fonti di questa: vitamina o precursore che modifichiamo in vitamina A.

• Mondo animale —> retinoidi (retinolo, retinale e acido retinoico).
• Mondo vegetale —> pro-vitamine come i carotenoidi (presenti nelle verdure colorate come carote e peperoni) —> sono precursori che codificano per la vitamina A ma devono essere convertiti nella forma retinoica.

Struttura apolare con una doppia catena con legami coniugati —> sono strutture con un cicloesene (doppio legame + una serie di metili) —> carotenoide (precursore, carotene).

Quando introduciamo la vitamina A dal mondo animale è pronta per essere usata, mentre se lo facciamo dal mondo vegetale è sotto forma di beta-carotene e deve andare incontro a processi per trasformarsi in retinolo.

Cambiamento —> rottura di un doppio legame —> due forme: retinolo conservato sotto forma di estere legato a un acido grasso.

Abbiamo 3 forme di vitamina A:

• Retinolo —> forma alcolica con cui si conserva la vitamina A, è un estere della vitamina A, vi è legato un acido grasso.
• Retinale —> forma aldeidica.
• Acido retinoico —> forma ossidata.

Vitamina A serve nel processo di visione, ma ha un ruolo differenziativo nell’embriogenesi e nell’adulto, è una delle componenti che favoriscono il passaggio da cellula staminale a cellula differenziata nell’adulto.

Ha anche regolazione del sistema immune —> funzione differenziativa.

Mancanza di acido retinoico —> dermatiti o lesioni cutanee perché la pelle è uno dei tessuti maggiormente esposti al danno.

Leucemia promielocitica, in generale nella leucemia c’è una mutazione che porta all’espansione di un certo clone cellulare ma che non va incontro a differenziazione —> trattamento efficace: sblocco delle cellule che iniziano a maturare quando si somministra vitamina A.

Percorso del beta-carotene

Beta-carotene —> formato da due vitamine A unite.

Passaggio beta-carotene —> vitamina A (retinolo) avviene con la rottura di un legame (asterisco nell’immagine).

Dove ci sono i doppi legami si può avere un’isomeria cis/trans —> caratteristica importante nei processi divisione (nella visione è importante l’isomeria sul C9).

Il processo di trasformazione del beta-carotene inizia con un taglio operato da una diossigenasi —> ossida il legame da rompere, un O va sulla parte dx della molecola e l’altro sulla parte sx.

—> Otteniamo due molecole di retinaldeide.

Se vogliamo un acido continuiamo ad ossidare.

Se vogliamo un alcol lo andiamo a ridurre.

—> Tutto avviene in modo coordinato a livello delle diverse stazioni.

Assorbimento vitamina A

Metabolismo a livello delle cellule che usano vitamina A.

A sx il lume intestinale all’interno del quale c’è il beta-carotene (proveniente dalle piante), o i retinil-esteri che provengono dagli animali e che sono assorbiti sotto forma di retinolo.

Nell’intestino il beta-carotene entra direttamente nell’enterocita perché è liposolubile e lì va incontro alla reazione con la diossigenasi che rompe il legame e forma due molecole di retinale.

Il retinil-estere è scisso nel lume intestinale —> si ottiene il retinolo liposolubile, passa la membrana dell’enterocita e va incontro a un’ossidazione + esterificazione.

Dopo nell’enterocita segue la via del colesterolo e trigliceridi —> si entra nei CM e attraverso questi si va a livello epatico (conservato come retinolo —> ridotto, per uscire dal fegato andrà incontro a ossidazione) che extraepatico (nei tessuti periferici dove viene usato in modo rapido).

La fonte di retinolo è il fegato.

Trasporto vitamina A

Ligandi divisi in due parti:

• Hanno il recettore sulla membrana.
• Hanno il recettore endocellulare.

L’acido retinoico è liposolubile —> ha il recettore endocellulare.

*Retinolo ossidato a retinale e poi ad acido retinoico.

L’acido retinoico si lega a un recettore nucleare presente nel citoplasma, lo porta nel nucleo e qui trova promotori che attivano la trascrizione di una serie di geni.

Meccanismo d’azione extra-visivo —> non c’entra con l’occhio:

Le cellule hanno sviluppato un canale per il retinolo in quanto quest’ultimo è leggermente polare.

—> Entrata del retinolo, nel canale il retinolo viene ossidato ad acido retinoico, lega un recettore nucleare, entra nel nucleo e fa il suo lavoro (attiva la trascrizione di geni).

Altre funzioni:

• Trascrizione + differenziazione cellulare.
• Acido retinoico come fattore di trascrizione non funziona da solo: cooperazione con un altro recettore nucleare —> formazione di dimeri.

Il retinolo viaggia nel plasma legato a una proteina RBP, la quale scarica il suo contenuto attraverso il canale Stra6; una volta nel citoplasma, il retinolo va incontro a un evento dinamico: nel retinolo c’è una molecola ‘buffer’ (lo conserva) —> quando serve il retinolo per un’attività biologica il retinolo viene staccato —> incontrata CRABP, proteina che gli permette di essere ossidato ad acido retinoico che essendo fattore di trascrizione entra nel nucleo e fa il suo lavoro.

—> Esempio di come il retinolo che circola nel sangue va a svolgere un ruolo differenziativo o mantenimento nelle cellule.

Effetti della vitamina A sulla salute

Quando manca vitamina A ci sono difficoltà nella visione notturna e disturbi della cute —> una mancanza seria di questa vitamina può portare alla morte.

Quando c’è un eccesso di vitamina A —> danni epatici, dolori muscolari o ossei (iperattività della vitamina nella differenziazione, emorragie).

Nell’occhio —> cooperazione tra ciò che succede nei coni e bastoncelli e nell’epitelio pigmentato (ricopre i fotorecettori).

Molecola essenziale per il processo visivo —> retinale in forma cis —> parte dell’opsina su cui agisce il fotone, induce una isomerizzazione da cis a trans —> cambiamento di forma della proteina.

Oloenzima —> opsina + cis-retinale.

Esempio con rodopsina nei bastoncelli: retinolo ossidato a trans-retinale —> isomerizzato a cis-retinale —> si unisce alla lisina 296 dell’opsina —> creazione di una base di Schiff —> metarodopsina (= passaggio da cis a trans) —> da origine ad impulso nervoso (il responsabile è il cambiamento di forma della rodopsina che passa a metarodopsina).

Aploenzima —> opsina da sola.

Interruzione del segnale: idrolisi del legame da parte di una sostanza particolare simile ad acqua —> ritorno a trans-retinale che diventa cis-retinale.

Riassunto

Opsina legata a cis-retinale —> arrivo del fotone —> cis-retinale cambia forma —> trans-retinale (= metarodopsina) —> stimolo nervoso —> acqua che arriva e il trans si stacca —> interruzione segnale.

Ci deve essere un’interruzione di segnale in modo che poi la retina possa riceverne un altro.

Interruzione segnale —> distacco trans-retinale da opsina.

Trans-retinale ridotto a trans-retinolo —> passa nell’epitelio pigmentato —> esterificazione come estere dell’acido retinoico —> conservato ed accumulato.

Quando dobbiamo attivare i recettori —> estere dell’acido retinoico trasformato in acido retinoico —> ridotto a retinolo —> ossidato a retinale —> ritorna nella retina e fa il suo lavoro.

Lezione 2 3/03 la visione

Campo recettivo —> unità di superficie valida per qualunque organo di senso.

Quest’area deve avere una determinata dimensione per poter promuovere un impulso recepito dal SNC.

Per indurre un impulso nervoso percepibile sono necessari circa 50 bastoncelli o 200 coni.

Coni —> forma oblunga, hanno circa 4-5 micron di diametro —> si può ricavare la sup minima della retina capace di indurre un impulso elettrico che venga percepito.

—> Evento rapido: fotone che fa cambiare forma al retinale —> cambiamento di forma dell’opsina —> millisecondi.

Struttura e funzione sono collegate —> la luce sull’opsina induce un cambiamento di forma che consiste nel distanziamento dei domini ad alfa-elica aprendo la str —> forma cis chiusa / forma trans aperta.

Opsina

È un canale per il sodio —> la modifica della conformazione comporta l’attivazione di una via di segnale che modifica la capacità del fotorecettore a livello della sua membrana presinaptica, seguita dalla cellula bipolare e gangliare, di modificare il rilascio di neurotrasmettitori.

In alto la cellula pigmentata sulla superficie del fotorecettore.

Opsina legata a un meccanismo di segnale caratterizzato da una proteina G chiamata transducina.

Si hanno 3 diverse situazioni:

• Fotorecettore non illuminato —> condizione di resting: il retinale è in forma cis e l’opsina è chiusa; entra il sodio —> rilascio di neurotrasmettitori che vanno ad attivare la cellula bipolare.
• Luce che colpisce l’opsina: opsina cambia forma —> induce una riduzione nella produzione di cGMP —> chiusura canale sodio —> iperpolarizzazione della membrana e riduzione del rilascio di neurotrasmettitori.

1 2 neurotrasmettitori.

Ciò non ha nulla a che fare con la trasmissione tra cellule bipolari e cellule gangliari.

Ogni cellula ha i propri meccanismi —> il segnale può essere trasmesso da un neurone sia tramite il rilascio di neurotrasmettitori, ma anche attraverso il blocco di rilascio di neurotrasmettito.