Basi biologiche dell'attività psichica

I neuroni

Il tessuto nervoso è costituito da cellule nervose e neuroni. I neuroni ricevono informazioni, le elaborano e integrano, conducono e trasmettono gli impulsi nervosi. Essi sono cellule secernenti, sono cellule perenni, che non si dividono, dunque se danneggiate creano danni irreversibili. Per quanto riguarda le cellule nervose, si parla delle cellule gliali o nevroglia, che sono molto più numerose rispetto ai neuroni.

Il neurone è formato da tre parti principali: il corpo cellulare, all’interno del quale si trova il nucleo; l’assone, un tubo spesso mielinizzato che conduce l’informazione dal corpo cellulare alla periferia; il dendrite, un tubo non mielinizzato che conduce l’informazione verso il corpo cellulare.

Corpo cellulare o soma

Ha numerosi mitocondri, l’apparato del Golgi è ben sviluppato, ha molti ribosomi liberi e c’è la presenza di microtubuli e neurofibrille.

Dendriti

In genere sono multipli, emergono da vari punti del corpo cellulare, sono relativamente più brevi dell’assone, si ramificano ripetutamente rimanendo nelle vicinanze del pirenoforo (corpo cellulare), contengono tutti gli organuli tranne il Golgi, funzionalmente e morfologicamente espansioni del corpo cellulare, generalmente ricevono gli stimoli.

Assone

Presente in tutti i neuroni, solitamente unico, origina da una protrusione del soma detta “cono di emergenza”.

Un neurone può rispondere ad uno stimolo conducendo un impulso (segnale elettrico) su tutta la superficie. La superficie interna è leggermente più negativa rispetto a quella esterna per una diversa distribuzione di cariche ai due lati della membrana. I neuroni a riposo mantengono un potenziale elettrico di membrana di circa -70mV. In risposta ad uno stimolo adeguato si ha un’istantanea inversione del potenziale di riposo, e viene generato un potenziale d’azione (+30mV). Il potenziale d’azione viaggia sulla membrana del neurone come un’onda di depolarizzazione.

L’impulso nervoso viene trasmesso da un neurone ad un altro, o da un neurone ad un muscolo attraverso le sinapsi. Esse si trovano nei terminali neuronali. Quando un impulso raggiunge la terminazione di un assone viene trasmesso ad un’altra cellula tramite le sinapsi, che trasformano un segnale elettrico in un segnale chimico. In risposta al potenziale d’azione le sinapsi secernono molecole dette neurotrasmettitori, che si legano alla membrana della cellula bersaglio, che può essere depolarizzata (eccitazione) o iperpolarizzata (inibizione), a seconda del tipo di neurotrasmettitore secreto. Nel sistema nervoso centrale, i corpi cellulari dei neuroni costituiscono la sostanza grigia e i loro dendriti e assoni mielinizzati la sostanza bianca.

La lunghezza dell’assone determina la funzione del neurone. Il neurone “stellato” ha un assone corto ed è a circuito locale; il neurone “piramidale” ha un assone lungo ed è un neurone di proiezione.

I neuroni si classificano anche in base alla loro funzione: i neuroni sensoriali, che trasportano le informazioni degli organi sensoriali al sistema nervoso centrale (afferenti); gli interneuroni, che si dedicano ad aree specifiche; i motoneuroni, che trasportano le informazioni fuori dal sistema nervoso centrale (efferenti).

I neuroni sono responsabili dell’attività elettrica del sistema nervoso, le cellule gliali svolgono varie funzioni di supporto all’attività dei neuroni.

La comunicazione neuronale non è un processo un’unica cellula presinaptica interagisce con una singola cellula postsinaptica. Infatti categorizziamo la comunicazione neuronale in base a due criteri: quello di convergenza, in cui un neurone riceve molti segnali da più neuroni; e quello di divergenza, in cui l’assone di ogni neurone ha spesso molti collaterali che comunicano con numerosi neuroni.

Le cellule gliali

Le cellule gliali svolgono diverse funzioni: alcune agiscono principalmente da supporto ai neuroni, altre regolano l’ambiente interno del cervello e in particolare i fluidi che circondano i neuroni e le loro sinapsi, provvedendo quindi al nutrimento delle cellule nervose. Alcuni tipi di cellule della glia producono molecole in grado di influenzare la crescita degli assoni.

Sono divisi in due categorie: macroglia e microglia.

• I macroglia si dividono in astrociti, oligodendrociti e cellule di Shwann.
• I microglia invece hanno la funzione di riparare i tessuti danneggiati fagocitando le cellule morte.

Gli astrociti nutrono i neuroni. Essi sono in contatto da un lato con i vasi del sistema circolatorio, dall’altro con i neuroni. Essi, insieme alle cellule endoteliali dei vasi vanno a costruire la barriera emato-encefalica, che controlla il passaggio di tutte le molecole all’interno del sistema nervoso centrale. Inoltre gli astrociti tamponano la concentrazione extra-cellulare del K⁺, catturano i neurotrasmettitori che fuoriescono dalla fessura sinaptica e li metabolizzano e producono i growth factors.

La guaina è composta da lipidi e proteine e isola elettricamente l’assone. Nel sistema nervoso centrale la mielina è formata da oligodendrociti, che forma numerosi tratti di mielina sia nello stesso assone che in assoni di cellule diverse (macroglia); e nel sistema nervoso periferico dalle cellule di Shwann, in cui ciascuna cellula avvolge un tratto dell’assone. I nodi di Ranvier sono invece discontinuità della guaina mielinica, che corrisponde agli intervalli tra cellule di Shwann contigue. Questi nodi fanno sì che la conduzione dello stimolo nervoso del potenziale d’azione sia saltatorio.

Le cellule microgliali sono dei guardiani attivi e dinamici del parenchima cerebrale (tessuto specifico di un organo con struttura compatta). Le funzioni sono: il movimento tramite il riarrangiamento dei processi citoplasmatici; lo stato di resting (forma ramificata) e lo stato attivato (forma ameboide); la produzione e rilascio di citochine, chemochine e mediatori del processo infiammatorio.

Le cellule gliali quindi svolgono nel sistema nervoso moltissime funzioni fondamentali: separano i neuroni tra loro, isolando elettricamente gli assoni; nutrono i neuroni; regolano la composizione ionica dell’ambiente extracellulare; guidano la crescita e la ricrescita delle cellule neuronali; riparano i tessuti e difendono dai patogeni (sostituendo il sistema immunitario); difendono (microglia).

Gli elementi e le molecole

Un elemento è una sostanza pura della quale non è possibile ottenere, mediante gli ordinari mezzi chimici, sostanze più semplici. La più piccola particella di un elemento che sia capace di esistere si chiama invece atomo.

Un composto invece, è una sostanza costituita da due o più elementi in proporzione definita. Gli elementi importanti dal punto di vista biologico sono:

• L’ossigeno, che oltre a comporre l’acqua, è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici;
• Il carbonio, che costituisce lo scheletro di tutti i composti organici;
• L’idrogeno, che è presente in tutti i composti organici ed è un componente dell’acqua;
• L’azoto, che è presente nelle proteine e negli acidi nucleici;
• Il calcio in forma ionica (Ca⁺⁺), che è importante per la concentrazione muscolare (neurotrasmettitore) ed è componente strutturale di denti e ossa;
• Il fosforo, che è contenuto negli acidi nucleici, nell’ATP ed è parte della struttura ossea;
• Il sodio, il potassio e il cloro in forma ionica, importanti per l’attività elettrica del neurone.

Le macromolecole sono le molecole principali che compongono tutti gli organismi viventi. Esse sono le proteine, gli acidi nucleici, i carboidrati e i lipidi.

Gli atomi sono la più piccola unità di materia che mantiene le proprietà di un elemento. Ogni elemento è costituito da un solo tipo di atomo. Essi sono a loro volta composti di particelle sub-atomiche, ovvero i protoni (massa 1 e carica positiva), i neuroni (massa uno e non ha carica) e gli elettroni (massa trascurabile e carica negativa).

Un nucleo quindi è caratterizzato da due numeri. Il numero atomico, indicato con Z, che indica il numero di protoni; e il numero di massa, indicato con A, che indica il numero di protoni e il numero di neutroni. Gli isotopi sono atomi che hanno lo stesso numero atomico ma diverso numero di massa.

Gli elettroni non si trovano all’interno del nucleo, ma ci ruotano intorno. La rotazione degli elettroni è divisa in orbitali. Ogni orbitale può ospitare un massimo di 2 elettroni. Il primo strato orbitale ospita i due elettroni più vicini al nucleo e si muovono in un orbitale S sferico. Il secondo strato può contenere fino a quattro orbitali, di cui un orbitale S e tre orbitali P. I tre orbitali p (X,Y,Z) si muovono su assi diverse, rispettivamente x, y e z. Tutti e tre formano un orbitale a manubrio. Gli strati hanno dimensioni ed energia diverse. Il volume e l’energia del guscio aumentano all’aumentare della distanza dal nucleo.

Il legame chimico tra atomi coinvolge gli elettroni periferici, detti elettroni di valenza degli atomi stessi. Un atomo raggiunge il massimo della stabilità acquistando, cedendo o condividendo elettroni con un altro atomo in modo da raggiungere l’ottetto nella sua configurazione elettronica esterna, simile a quella del gas nobile nella posizione più vicina nella tavola periodica. I gas nobili sono atomi naturalmente stabili. La reattività degli elementi è determinata dal numero di elettroni presenti negli orbitali più esterni.

Le forze di Van der Waals comprendono legami molto più deboli dei legami primari. Esse sono sempre presenti ma trascurabili se è contemporaneamente presente un legame primario. Sono dovute alla formazione di dipoli elettrici in atomi e molecole e all’attrazione delle estremità di carica opposta (permanenti o indotti).

Gli atomi interagiscono tra loro per formare molecole. Gli elettroni di valenza sono implicati nel legame chimico. Il legame covalente si forma quando due atomi mettono in comune una coppia di elettroni, se i due atomi sono identici il legame è covalente puro. Il legame covalente può essere singolo (se è condivisa una sola coppia di elettroni), doppio (se sono condivise due coppie di elettroni), triplo (se sono condivise tre coppie di elettroni). Per esempio, la reazione tra sodio e cloro permette ad entrambi di ottenere una condizione stabile con otto elettroni nel guscio esterno tramite la condivisione di un elettrone.

Il legame ionico avviene quando la differenza di elettronegatività tra gli atomi è molto grande. In questo modo l’atomo più elettronegativo strappa l’elettrone all’altro atomo, assumendo su di sé l’intera carica negativa, mentre l’atomo che ha perso l’elettrone acquisisce una carica positiva. In questo modo diventano stabili ed acquisiscono una carica (ione).

Il legame covalente polare si presenta quando atomi di natura diversa possono mettere in compartecipazione i loro elettroni di valenza, ma esercitano sugli elettroni di legame una diversa forza attrattiva (elettronegatività), come l’acqua. Essendo un dipolo, l’acqua è un ottimo solvente sia degli anioni che dei cationi.

Il legame a idrogeno si trova nelle molecole in cui l’idrogeno forma un legame covalente con il fluoro, con l’ossigeno o con l’azoto. In questi legami, l’elettrone condiviso dell’idrogeno con gli altri atomi lascia carica positivamente l’estremità dell’idrogeno, che attrae fortemente l’estremità negativa di un’altra molecola. Quindi H fa da ponte tra due ioni di due molecole polari.

In presenza di altre molecole d’acqua, essa si ionizza dando origine ad uno ione idronio ed uno ione ossidrile. Essendo un liquido polare, l’acqua quando si dissocia rilascia un identico numero di ioni idrogeno e di ioni ossidrile. Normalmente soltanto poche molecole di acqua sono nello stato dissociato. La concentrazione degli ioni idrogeno (H⁺) è uguale a quella degli ioni ossidrile (OH^-) e corrisponde a 10^-7 moli/litro. Quindi l’acidità è un eccesso di ioni idrogeno: se il pH è minore di 7 la soluzione è acida (H⁺ > OH^-); se il pH è maggiore di 7 la soluzione è basica (H⁺ < OH^-).

Il carbonio può completare il suo strato esterno condividendo gli elettroni di quattro atomi di idrogeno, così si forma una molecola di metano. Gli atomi di carbonio possono legarsi tra loro dando origine a molecole policarboniose di grandi dimensioni e di forma varia, sia lineare che ciclica.

Gli aminoacidi (molecole organiche che nella loro struttura recano sia il gruppo funzionale amminico, sia quello carbossilico) si differenziano tra loro solo per la natura del gruppo R definito residuo amminoacidico. Poiché gli aminoacidi dispongono sia di un centro acido che di un centro basico si va incontro ad una reazione acido-base intramolecolare che porta alla formazione di un sale interno chiamato ione doppio (zwitterione). Gli aminoacidi non hanno un’attività biologica particolare. Tuttavia, alcuni aminoacidi sono potenti agenti neuroattivi, che agiscono sia come neurotrasmettitori che come ormoni, tipo: il GABA (prodotto dalla decarbossilazione dell’acido glutammico), il glutammato, l’aspartato, l’istamina (derivato dell’istidina), la serotonina (derivato del triptofano) e l’epinefrina (derivato della tirosina).

Le proteine

Le proteine sono macromolecole biologiche costituite da catene di amminoacidi legati l’uno all’altro da legami peptidici. Il legame peptidico è il legame chimico responsabile dell’unione degli amminoacidi e della conseguente formazione di peptidi e proteine. Si tratta di un legame covalente.

Le proteine svolgono una vasta gamma di funzioni all’interno degli organismi viventi, tra cui la catalisi delle reazioni metaboliche, funzione di sintesi come la replicazione del DNA, la risposta agli stimoli e il trasporto di molecole da un luogo ad un altro. La struttura primaria di una proteina è la sequenza di amminoacidi che la compongono, a partire dal gruppo –NH₂ iniziale (N terminale) sino al gruppo –COOH terminale (C terminale). Le interazioni tra amminoacidi fanno ripiegare la struttura primaria in una struttura secondaria, che può essere alfa-elica (in cui le catene di amminoacidi sporgono all’esterno con dei legami idrogeno intracatenari) o beta-foglietto (stabilizzata dalla presenza di legami idrogeno trasversali). Più strutture secondarie si ripiegano ulteriormente in una struttura terziaria, che associandosi tra loro formano la struttura quaternaria. Molte malattie, come l’anemia falciforme sono dovute al difettoso ripiegamento di una proteina.

Le modificazioni covalenti delle proteine dopo la traduzione includono la proteolisi, ovvero la rottura del polipeptide che permette di ripiegarsi assumendo forme differenti; la glicosilazione, ovvero l’aggiunta di zuccheri, fondamentale per il riconoscimento della proteina; e la fosforilazione, che altera la forma di una proteina con l’aggiunta di gruppi fosfato. Specifici segnali contenuti nella sequenza amminoacidica, le dirigono alle loro destinazioni cellulari finali.

Le proteine possono essere semplici o coniugate. Le proteine semplici sono costituite solo da una o più catene polipeptidiche, le proteine coniugate invece contengono anche parti non proteiche, ad esempio le glicoproteine e le lipoproteine.

I lipidi

I lipidi, o grassi, costituiscono un gruppo eterogeneo di sostanze accomunate dalla proprietà fisica dell’insolubilità nei solventi polari (come l’acqua), quindi l’idrofobicità; e dalla solubilità nei solventi organici (come il cloroformio o l’etere), quindi la lipofilia. Da un punto di vista fisiologico sono distinguibili in lipidi di deposito e lipidi strutturali. I primi hanno una funzione energetica e protettiva e sono rappresentati principalmente dai trigliceridi. I secondi invece sono costituenti fondamentali delle membrane cellulari e intracellulari come i fosfolipidi, i glicolipidi e il colesterolo.

I lipidi si dividono in due macro gruppi: i lipidi neutri e i lipidi polari. I lipidi neutri si dividono in steroli e gliceridi, che a loro volta si dividono in monogliceridi, digliceridi e trigliceridi. I lipidi polari di suddividono invece in fosfolipidi e glicolipidi. I fosfolipidi possono essere glicerofosfolipidi e sfingolipidi; i glicolipidi invece posso essere sfingolipidi.

In una molecola fosfolipide la testa (polare) corrisponde al gruppo fosfato e al glicerolo, mentre la coda è rappresentata dalle catene di due acidi grassi (apolari). In acqua le interazioni delle code idrofobe e delle teste idrofile generano un doppio strato fosfolipidico. Le teste sono verso l’esterno, dove interagiscono con l’acqua che le circonda, le code invece sono rivolte verso l’interno.

Il colesterolo ha un ruolo molto importante all’interno della membrana plasmatica, ovvero quello di diminuire la fluidità della membrana a temperature elevate, quello di aumentare la fluidità a basse temperature e di diminuire la permeabilità della membrana.

Le membrane hanno cinque funzioni principali: contorno e barriera di permeabilità, organizzazione e localizzazione della funzione, processi di trasporto, rilevamento del segnale e comunicazione cellula-cellula.

Il trasporto di membrana media l’assunzione di sostanze nutrienti essenziali (come il glucosio), la regolazione di concentrazioni esterne ed interne di ioni (come il Na⁺, K⁺, Cl^-, Ca²⁺) e l’eliminazione dei prodotti metabolici di rifiuto (come il CO₂).

Trasporto nella membrana

La diffusione semplice è uno dei metodi con cui può avvenire il trasporto di membrana. È un trasporto passivo nel quale solo le piccole molecole parzialmente polari e molecole più grandi apolari possono attraversare liberamente il doppio strato fosfolipidico della membrana cellulare, come ad esempio l’acqua, gli ormoni steroidei e i gas molecolari (CO₂, O₂).