Appunti di Basi biologiche del comportamento

Appunti di basibiologiche del comportamento

La cellula

In un essere vivente avviene:

• Omeostasi: capacità di mantenere costante l’ambiente interno
• Metabolismo: capacità di trasformare sostanze chimiche in energia
• Riproduzione
• Crescita

Una nuova versione afferma: “se possiedi acidi nucleici sei vivo, se non li possiedi non lo sei”. L’entropia è la misura del disordine, aumenta sempre (secondo principio della termodinamica).

Definizione di vita di E. Schroedinger: “Un sistema termodinamico aperto, in grado di mantenersi autonomamente in uno stato energetico di disequilibrio stazionario ed in grado di dirigere una serie di reazioni chimiche verso la sintesi di sé stesso”.

Gli esseri umani sono fatti per 2/3 (≅60%) di acqua. L’acqua è distribuita all’interno delle cellule (compartimento intracellulare, 2/3 del liquido totale) ed all’esterno delle cellule (compartimento interstiziale e plasma, 1/3 del liquido totale).

La membrana citoplasmatica divide il compartimento intracellulare da quello extracellulare. È composta da un doppio strato fosfolipidico. I fosfolipidi possiedono delle code idrofobiche ed una testa idrofilica, sono disposti coda-coda. La membrana è selettivamente impermeabile all’acqua grazie alle code idrofobiche dei fosfolipidi. È permeabile:

• Permette il passaggio di sostanze liposolubili, gas e alcune piccole molecole polari non cariche (ad esempio l’etanolo)
• Non permette il passaggio di acqua, urea, grosse molecole polari non cariche, ioni e molecole polari cariche

All’interno della cellula c’è poco sodio, poco cloro, molto potassio e molte proteine. All’esterno della cellula c’è molto sodio, molto cloro, poco potassio e poche proteine. Nel plasma c’è molto sodio, poco potassio, molto cloro e molte proteine.

Il passaggio attraverso il bilayer fosfolipidico può avvenire per:

• Diffusione semplice: le particelle si spostano spontaneamente da una zona dove sono più concentrate ad una dove sono meno concentrate secondo gradiente di concentrazione. È un fenomeno passivo, non richiede energia, legato ai movimenti spontanei e casuali delle singole particelle.
• Diffusione facilitata: la permeabilità della membrana a molecole polari o cariche è possibile grazie a proteine transmembrana (canali o carrier). La velocità di diffusione è proporzionale grazie al gradiente di concentrazione. È un trasporto saturabile.
• Trasporto attivo: è necessariamente mediato da proteine di transmembrana e avviene sempre contro gradiente di concentrazione. Richiede energia (ATP). Si divide in:
  • Primario: viene spesa energia per trasportare una molecola contro gradiente di concentrazione.
  • Secondario: non viene consumata direttamente energia ma viene sfruttata un’energia potenziale immagazzinata da un trasporto attivo primario.

Il trasporto attivo più importante è la pompa sodio-potassio (Na⁺/K⁺ ATPasi). Idrolizza l’ATP ad ADP per trasportare simultaneamente 3 Na⁺ fuori dalla cellula e 2 K⁺ dentro la cellula ad ogni ciclo della pompa. È responsabile di più del 30% del consumo totale di ATP. Mantiene costante il gradiente del Na⁺ (maggiore all’esterno) e quello del K⁺ (maggiore all’interno). Contribuisce a creare un potenziale di membrana negativo all’interno.

La membrana cellulare si comporta come una membrana semipermeabile. L’effetto sulle cellule di soluzioni con diversa concentrazione dipende dai fenomeni di osmosi. Una soluzione può essere: isotonica, ipotonica (la cellula si gonfia) o ipertonica (la cellula si raggrinzisce).

Le acquaporine sono proteine che permettono alla membrana cellulare di essere permeabile all’acqua. L’osmosi è la diffusione di acqua attraverso una membrana semipermeabile. Se la membrana è permeabile, il soluto si diffonde dalla zona a maggior concentrazione di soluto a quella di minor concentrazione di soluto per equilibrare la concentrazione fra i due compartimenti. Se la membrana è semipermeabile l’acqua si sposta nella zona a minor concentrazione di soluto a quella a maggior concentrazione di soluto per equilibrare i due compartimenti.

La permeabilità di una membrana ad un soluto dipende da quanti canali/trasportatori sono presenti e da quanti di questi sono effettivamente aperti. Le cellule possono modificare in tempi brevi la permeabilità della loro membrana ad un determinato soluto aprendo o chiudendo dei canali specifici per quel soluto.

Esistono diversi tipi di canale:

• Sempre aperti
• Voltaggio-dipendenti
• Ligando-dipendenti da messaggeri extracellulari (neurotrasmettitori e ormoni)
• Ligando-dipendenti da messaggeri intracellulari (cAMP, cGMP, Ca²⁺, IP3 e proteina G)

L’eredità

La prole presenta i tratti fisici ereditati dai genitori. Il comportamento è il prodotto della funzione del SNC, che appare almeno in parte ereditabile. Il genotipo è l’assetto genetico di una persona. Quali geni sono posseduti dalle cellule di una persona. Il fenotipo esprime in che modo si manifesta il genotipo di una persona nel suo aspetto fisico. Un gene è una singola unità di informazione presente nel genoma. Ogni gene produce una singola proteina.

Una coppia di alleli forma la coppia di geni. Ogni gene è presente in una cellula in due copie. Un gamete è una cellula aploide. I gameti nei maschi sono chiamati spermatozoi mentre nelle femmine sono chiamate cellule uovo. Le gonadi sono le parti del corpo che producono i gameti. Nei maschi sono i testicoli e nelle femmine sono le ovaie.

I legge di Mendel (legge della dominanza): gli individui ibridi della generazione F1 manifestano solo uno dei tratti presenti nella generazione parentale.

II legge di Mendel (legge della segregazione): quando un individuo produce gameti, le due copie di un gene (gli alleli) si separano, cosicché ciascun gamete riceva soltanto una copia.

III legge di Mendel (legge dell’assortimento indipendente dei caratteri): durante la formazione dei gameti, geni diversi si distribuiscono l’uno indipendentemente dall’altro.

Esistono delle eccezioni alle leggi di Mendel:

• Poliallelia: esistenza di più di due alleli di uno stesso gene
• Dominanza incompleta: il carattere della F1 è intermedio fra i due caratteri della generazione parentale
• Codominanza: i due caratteri codominano, ad esempio i gruppi sanguigni
• Pleiotropia: un gene influenza più tratti fenotipici
• Ereditarietà mitocondriale: solo dalla parte materna
• Ereditarietà legata al sesso: x-linked
• Co-varianza di alleli presenti sullo stesso cromosoma: soprattutto se vicini.

La base biologica dei geni è il DNA. Il DNA è formato da basi azotate (adenina-timina, citosina-guanina), uno zucchero (deossiribosio) e gruppi fosfato. Tutto quello presente nel DNA viene poi tradotto in proteine. L’RNA (1 filamento) fa da stampo per il DNA (2 filamenti) per far avvenire il processo. I ribosomi sono costituiti da RNA e proteine. Leggono l’RNA messaggero (mRNA) e lo trasformano in proteine.

L’espressione del DNA è molto controllata. Ogni cellula possiede la stessa informazione genica ma non tutti i geni vengono espressi in tutte le cellule. Gli esoni sono regioni codificanti di un gene, mentre gli introni sono regioni non codificanti di un gene. (Controllo pre-trascrizionale).

L’evoluzione è un concetto postulato per la prima volta da Charles Darwin nel suo libro “L’origine delle specie”. È dovuta sia alla selezione naturale sia alla selezione artificiale (dell’uomo). Noi siamo la conseguenza di mutazioni casuali che generano variazioni fenotipiche nella prole e della pressione evolutiva esercitata dall’ambiente, che determina la maggiore o minore sopravvivenza di alcune varianti fenotipiche.

Membrane eccitabili

La membrana cellulare viene usata da alcune cellule (cellule eccitabili) come strumento per interagire e trasmettere informazioni a distanza. I neuroni e le cellule muscolari sono cellule eccitabili. Esistono tre tipi di cellule eccitabili: cardiache, lisce e striate/scheletriche. Queste cellule sono iperspecializzate e una volta raggiunto lo stato adulto non si dividono più, quindi non si moltiplicano.

Il termine afferente si riferisce a quando l’informazione viaggia verso qualcosa mentre il termine efferente quando l’informazione si allontana da qualcosa.

I neuroni sono costituiti da un corpo cellulare dove si trova la maggior parte degli organelli cellulari. Dal corpo cellulare si dipartono dei prolungamenti: i dendriti e l’assone. Dai dendriti parte l’informazione e viaggia all’interno del neurone in tutte le direzioni in maniera casuale. L’assone ha il ruolo di trasportare l’informazione afferente. Alla fine dell’assone esso si sfiocca in piccoli rami, ognuno dei quali termina con un rigonfiamento, detto bottone sinaptico. I neuroni possono essere: unipolari, bipolari, pseudounipolari e multipolari.

Le cellule gliali servono come supporto dei neuroni. Sono fondamentali per costruire l’architettura del cervello. Il cervello ha la consistenza di un budino perché non contiene tessuto fibroso ad eccezione delle meningi. Le cellule gliali si dividono in:

• Astrociti: supporto fisico dei neuroni, mantengono stabile l’ambiente extracellulare e costituiscono la barriera ematoencefalica
• Oligodendrociti: avvolgono gli assoni formando la guaina mielinica nel sistema nervoso centrale. Nel sistema nervoso periferico questo compito è svolto dalle cellule di Schwann
• Microglia: cellule immunitarie, molto diverse dalle altre cellule gliali.
• Ependimali: compongono uno strato che tappezza i ventricoli.

Le membrane sono polarizzate, cioè c’è una separazione di carica fra l’interno (più negativo) e l’esterno (meno negativo). Il potenziale di membrana è di -70mV. Il potenziale di membrana è generato dalle differenze di concentrazioni di due ioni (sodio e potassio) a ridosso della membrana. Le concentrazioni di questi ioni sono mantenute costanti dalla pompa sodio-potassio.

Potenziali di equilibrio e potenziali graduati

La formulazione del potenziale di equilibrio è l’equazione di Nernst:

∆V= ln ([x] esterno / [x] interno) → per un solo ione ∆V>0 se ([x] esterno/[x] interno)>1 mentre ∆V<0 se ([x] esterno/[x] interno)<1

∆V= ln (([x] esterno + [y] esterno) / ([x] interno + [y] interno)) → per due ioni

La formulazione per un solo ione non tiene conto della permeabilità, mentre quella per due ioni sì. L’equazione di Goldman ci indica il potenziale di equilibrio attraverso una membrana date le concentrazioni di diversi ioni dentro e fuori dalla membrana pesando il contributo di ogni singolo ione per la permeabilità della membrana:

∆V= ln ((P_x esterno + P_y esterno) / (P_x interno + P_y interno))

Nella situazione reale i principali determinanti del potenziale di equilibrio di una cellula sono gli ioni sodio e potassio. Il potenziale a riposo del sodio è 60mV mentre quello del potassio è -90mV, ci si aspetterebbe un potenziale di membrana pari a 15mV ma la membrana dei neuroni è molto poco permeabile al sodio.

Se il potenziale di membrana diventa più positivo (entra il sodio nella cellula) la cellula si depolarizza, mentre se diventa più negativo (entra il potassio nella cellula) la cellula si iperpolarizza. Da un punto di vista analistico, lo scopo delle perturbazioni del potenziale di riposo è quello di trasmettere informazioni a distanza. Le cellule non eccitabili hanno il potenziale di membrana pari a quello di riposo/equilibrio (∆V=-70mV).

Le due modalità per variare il potenziale di equilibrio sono: potenziali graduati e potenziali d’azione. Si parla di potenziali graduati quando ci si trova di fronte a delle modificazioni transitorie, limitate nel tempo e nello spazio, del potenziale di equilibrio. Queste modificazioni si ottengono modificando la permeabilità di una parte di membrana (aprendo o chiudendo dei canali).

La sommazione spaziale è un termine canonico usato per definire l’integrazione fra due diversi potenziali che occupano posizioni nello spazio diverse ma parzialmente sovrapposte. La sommazione temporale è un fenomeno simile a quello della sommazione spaziale, però avviene su un’altra dimensione, quella temporale. Gli effetti di questi due fenomeni dipendono dalla distanza, spaziale e temporale, dei due eventi. I recettori hanno come effetto finale quello di variare la permeabilità di membrana ai diversi ioni.

I potenziali graduati sono generati da segnali in ingresso al neurone e si integrano fra di loro a livello del sistema dendritico e somatico. L’efficienza della trasmissione dei potenziali graduati dipende da:

• Quanto è elettricamente “isolata” la membrana
• Quanto conduce bene il liquido intracellulare

Potenziali d’azione

Ogni tanto lungo la membrana di un assone ci sono delle grandi variazioni di potenziale di membrana, che arriva a valori positivi. Il potenziale d’azione non decade nel tempo, viaggia lungo l’assone e si può ripetere. I potenziali d’azione sono tutti della stessa ampiezza, circa di 100mV. Sono un sistema estremamente efficiente per la trasmissione dell’informazione. I potenziali d’azione sono sempre depolarizzanti.

A livello del cono di emergenza avviene un cambiamento di tutti i canali della membrana. Questi canali sono voltaggio-dipendenti. I canali sono chiusi quando la membrana è a -70mV e si aprono quando la membrana supera una certa soglia di depolarizzazione. I canali voltaggio-dipendenti del sodio si aprono molto più velocemente rispetto a quelli del potassio. Le variazioni di concentrazione degli ioni riguardano un sottile strato (meno del 10%) a ridosso della membrana da entrambi i lati. Le concentrazioni totali nel volume extra e intracellulare rimangono costanti. Non ci sono potenziali d’azione sui dendriti e sul corpo cellulare, solo sul cono d’emergenza e sull’assone.

Il potenziale d’azione viaggia dal cono d’emergenza all’assone perché si propaga senza decadere. Un potenziale d’azione fa depolarizzare le parti di membrana vicine. La mielina (insieme di cellule grasse che avvolgono l’assone) permette la cosiddetta conduzione saltatoria. Gli assoni mielinici possiedono canali voltaggio-dipendenti solo nei punti in cui non è presente la guaina mielinica. Questi punti sono detti nodi di Ranvier ed i tratti ricoperti dalla guaina mielinica prendono il nome di tratti internodali.

La trasmissione tra un nodo e l’altro, del potenziale d’azione, segue i principi dei potenziali graduati, quindi decade, e visto che il tratto internodale è molto isolante il potenziale decade poco e riesce a trasmettersi senza andare sotto soglia. Il potenziale d’azione è molto lento mentre il potenziale graduato è molto veloce. Il potenziale d’azione sugli assoni mielinici mette insieme questi due sistemi. Più un assone è mielinizzato più la trasmissione del potenziale è veloce.

Sinapsi

L’integrazione fra potenziali graduati ha un risultato che può essere sotto o sopra soglia per il potenziale d’azione. È la modalità con cui un neurone prende una decisione. Iperpolarizzare un dendrite equivale ad inibire un neurone.

Le sinapsi sono il punto in cui due neuroni prendono contatto ed interagiscono tra loro. Sono regioni molto specializzate dove un neurone presinaptico trasmette informazioni ad un neurone postsinaptico. Ne esistono due tipi: sinapsi elettriche e sinapsi chimiche.

Ci sono poche sinapsi elettriche nel sistema nervoso centrale. Tramite le giunzioni comunicanti tengono unite le membrane di due cellule, ed essendo dei canali fanno passare la maggior parte degli ioni e piccole molecole non ioniche. Permettono la comunicazione tra i citoplasmi di due cellule, soprattutto la trasmissione di potenziale d’azione. Le sinapsi elettriche sono fondamentali nel muscolo cardiaco.

Le sinapsi chimiche sono unidirezionali. All’interno di una sinapsi chimica il flusso di informazioni cambia modalità: segnale elettrico (potenziale d’azione) → segnale chimico (neurotrasmettitore) → sensale elettrico (potenziale graduato). Una sinapsi chimica può trasmettere segnali eccitatori (sinapsi eccitatoria) o inibitori (sinapsi inibitoria), a seconda che producano dei potenziali post-sinaptici depolarizzanti o iperpolarizzanti. I recettori pre-sinaptici si trovano negli assoni, mentre quelli post-sinaptici si trovano nei dendriti.