Fisiologia

Seconda parte

Nel sistema nervoso dei vertebrati, le cellule sono normalmente collegate agli organi bersaglio attraverso sinapsi chimiche. Nelle cellule nervose è maggiore l'ingresso (input) dell'informazione; questa zona d'ingresso è generalmente a carico del corpo cellulare e dei dendriti. Quindi l'elemento presinaptico consiste nella terminazione assonica, mentre il corpo cellulare e i dendriti (a volte presentano delle spine dendritiche) sono l'elemento postsinaptico. Questi due elementi sono uniti tramite giunzioni chimiche e sono indipendenti l'uno dall'altro, poiché sono separati da uno spazio intersinaptico.

Sinapsi chimica vs sinapsi elettrica

La prima differenza che notiamo fra sinapsi chimica e sinapsi elettrica è che la sinapsi chimica è più lenta. Vedendo due potenziali d'azione, nella cellula pre e post, sono in fase se sono connessi da sinapsi elettrica, invece, se connessi da sinapsi chimica i due potenziali saranno sfasati; in particolare, avremo un ritardo di 0,5 mV nella cellula postsinaptica. Da un lato, per la velocità di propagazione, rappresenta uno svantaggio; dall'altro, l'enorme vantaggio è quello di riuscire a mettere insieme più informazioni provenienti da diverse direzioni per dare una risposta integrata, frutto di una elaborazione.

A livello delle sinapsi elettrica, le risposte erano sempre uguali; a livello delle sinapsi chimiche, possiamo avere delle risposte differenti. Ad esempio, possono esserci amplificazioni oppure interazione di risposte che arrivano da più contatti sinaptici (ricordiamoci che su un neurone arrivano più di 10000 sinapsi), quindi le risposte saranno sempre differenti perché dipendono da quanti e quali contatti sinaptici sono attivi.

Nelle sinapsi elettriche non abbiamo ritardo sinaptico, sono potenzialmente bidirezionali, ovvero come l'elemento presinaptico attiva il postsinaptico, così il postsinaptico può attivare il presinaptico, ma in realtà non avviene, dunque la trasmissione è normalmente unidirezionale (se ci sono correnti, possono essere trasferite sia depolarizzazione che iperpolarizzazione, e a livello sinaptico, è necessaria una depolarizzazione). Nelle sinapsi chimiche, c'è il trasferimento del potenziale d'azione, sono soltanto eccitatorie. Le sinapsi elettriche possono essere invece sia eccitatorie che inibitorie, sono importanti i segnali di stop, ed è possibile una amplificazione del segnale.

Cosa succede in una sinapsi chimica?

L'elemento presinaptico è la terminazione nervosa di un assone, caratterizzata dalla presenza di numerose vescicole che contengono il messaggero chimico. Infatti, la natura del segnale viene modificata: da elettrico viene convertito in segnale chimico. Queste vescicole, in seguito all'arrivo del potenziale d'azione, grazie ad un interruttore molecolare rappresentato dal calcio, vanno incontro ad esocitosi, ovvero, riversano il loro contenuto, il mediatore chimico, a livello dello spazio sinaptico. Abbiamo visto che le molecole chimiche si spostano per diffusione, quindi, attraversano per diffusione lo spazio sinaptico, dove vengono riconosciute da dei recettori, e i recettori, con un meccanismo di trasduzione, determineranno la risposta, che è il nostro potenziale generatore, nell'elemento postsinaptico. Se il potenziale generatore è di intensità sufficiente, potrà far nascere il potenziale d'azione. Tutti questi meccanismi determinano il ritardo sinaptico della trasmissione.

Seguendo la storia della scoperta delle sinapsi, è stato facile studiare quello che succedeva a livello postsinaptico, poiché la fibra muscolare rappresenta un elemento postsinaptico molto grande e facilmente studiabile, in particolare la fibra muscolare scheletrica. Quindi i primi studi si sono focalizzati su che cosa succede appena il neurotrasmettitore si lega al recettore, sulla risposta cellulare di un elemento postsinaptico particolare che è la cellula muscolare scheletrica. La sinapsi fra il neurone motore e la fibra muscolare scheletrica è detta sinapsi neuromuscolare. Questo studio ha permesso di fare notevoli passi avanti nel campo sinaptico ma, la sinapsi neuromuscolare, è risultata essere una sinapsi particolare, con un comportamento unico, a causa della peculiarità del contatto sinaptico.

Parliamo, in primis, di quello che accade a livello postsinaptico, quindi dei potenziali generatori, che nascono a livello postsinaptico e che prendono il nome di potenziali postsinaptici. Poi, passeremo ad analizzare quello che accade a livello delle sinapsi centrali (sinapsi fra due neuroni), infine, quello che avviene a livello presinaptico.

Sinapsi neuromuscolare

Si realizza fra il neurone (motoneurone), che parte dal sistema nervoso centrale e raggiunge la periferia, e la fibra muscolare scheletrica. Questa sinapsi è anche chiamata placca motrice ed ha una struttura anatomica particolare, che conferisce il funzionamento unico di queste sinapsi. Abbiamo la terminazione nervosa, che contiene le vescicole ripiene di neurotrasmettitore (acetilcolina in questo caso), mentre la fibra è mielinica, tranne le terminazioni della fibra, in cui la mielina si perde, rivestite dalle cellule di Schwann. L'elemento postsinaptico è la cellula muscolare scheletrica, che ha una caratteristica che non vediamo nelle sinapsi neuronali, ovvero quella di presentare delle righe (righe giunzionali), e come tutte le righe delle membrane, servono per aumentare la superficie in cui si impacchettano poi i recettori. Una fibra muscolare riceve solo un contatto sinaptico, diversamente dai neuroni.

La presenza, nella sinapsi, di vescicole e di righe in cui sono impacchettati i recettori, rende conto al fatto che la sinapsi neuromuscolare è l'unica sinapsi sicura; ovvero, se c'è un potenziale d'azione a livello dei neuroni motori, avremo necessariamente a livello della fibra muscolare, un potenziale d'azione.

Ci sono due diverse malattie, una malattia paraneoplastica (che si genera in seguito a un tumore ma in un sito lontano) detta sindrome di Lambert-Eaton, associata ad un carcinoma polmonare su piccole cellule, che in seguito a un processo autoimmune (le cellule cancerogene rilasciano gli anticorpi diretti alla terminazione nervosa) vengono rilasciate meno vescicole, di conseguenza vi sono dei problemi trofici, che possono portare alla paralisi quando le vescicole sono svuotate ed il muscolo non segue più il comando motorio. Un'analoga risposta si realizza in un'altra malattia detta miastenia gravis, autoimmune, che colpisce i recettori sinaptici, determinandone una riduzione; ancora una volta, non è più una sinapsi sicura.

Il nostro scopo è quello di determinare e studiare questo potenziale generatore, che dà origine al potenziale d'azione. Il potenziale d'azione, essendo una risposta postsinaptica, maschera tutto quello che succede prima; per poter studiare soltanto quello che succedeva prima, si è utilizzata una sostanza chimica detta curaro. Il curaro si lega ai recettori presenti nell'elemento postsinaptico, mettendoli fuori gioco, riduce il numero dei recettori disponibili, quindi, il potenziale generatore viene ridotto di ampiezza, rimane sottosoglia, non genera un potenziale d'azione, quindi possiamo studiare solo il potenziale generatore (sinaptico).

Riducendo la concentrazione di curaro, alcuni recettori sono liberi e in gioco, si ha la nascita di un potenziale di ampiezza variabile, in virtù di quanti recettori sono stati messi fuorigioco dal curaro. Ecco quindi, perché il potenziale generatore è graduato e dipende dallo stimolo che lo ha generato, stimolo rappresentato in una sinapsi, dalla quantità di mediatore chimico che viene rilasciato e dal numero di recettori che sono presenti. Questa congiunzione asserale garantisce la sicurezza di queste sinapsi.

Poiché parliamo di una sinapsi particolare, quella neuromuscolare, l'unica sinapsi sicura, il potenziale generatore è detto potenziale di placca, poiché la sinapsi è detta placca motrice, ed indichiamo il potenziale sinaptico che nasce a livello della cellula muscolare scheletrica. Se il potenziale di placca induce la nascita di un potenziale d'azione che provoca nella fibra muscolare la contrazione, ecco perché, ad esempio, le frecce degli indiani uccidevano col veleno, poiché mettevano fuori gioco la placca motrice che provocava la contrazione dei muscoli respiratori.

In condizioni normali, non riusciamo a studiare il potenziale generatore, poiché il potenziale d'azione maschera tutto, avendo una ampiezza elevata (circa 70 mV), la membrana rimane sempre negativa all'interno, è positiva solo durante il potenziale d'azione. La fibra muscolare ha un potenziale di membrana molto più negativo della fibra nervosa, pari a -90 mV. Si è visto, che il potenziale generatore, se studiato lontano dalla sinapsi, aveva ampiezza via via minore. Diversamente dal potenziale d'azione, il potenziale d'azione è graduato e si propaga con decremento, la sua ampiezza si riduce con la distanza, poiché il potenziale graduato, diversamente dal potenziale d'azione, si propaga solo con meccanismo passivo, infatti, la corrente mano a mano che fluisce diventa di intensità sempre maggiore causando una depolarizzazione sempre minore, ecco perché i potenziali generatori non sono in grado di trasferire segnali su lunghi tratti, perché con la distanza si annullano.

A che cosa è dovuto il potenziale generatore?

Sicuramente, diversamente dal potenziale d'azione, non è dovuto a canali voltaggio-dipendenti per il sodio. Si è cercato di determinare il valore del potenziale di membrana al quale la risposta si annullava. Sappiamo che il flusso ionico dipende dalla forza elettromotrice, dalla differenza fra il potenziale di membrana e il potenziale di equilibrio elettrochimico di uno ione. Non c'è corrente, non c'è differenza di potenziale, se i due valori coincidono. Gli indagati sono sempre sodio e potassio; si è resa la membrana più negativa, avvicinandola al potenziale di equilibrio elettrochimico del potassio, e si è visto che il segnale diventava più grande, invece, depolarizzando la membrana il segnale diventava sempre più piccolo fino ad annullarsi a 0 mV, che coincide col valore del potenziale di membrana al quale non abbiamo più flusso ionico, non essendoci differenza di...