Biologia (primo esonero)

Biologia dei neuroni

Sistema nervoso centrale e periferico

Il sistema nervoso centrale è costituito dall’encefalo e dal midollo spinale ed è racchiuso entro le ossa del cranio e della colonna vertebrale. Il sistema nervoso periferico è la porzione che si trova all’esterno dell’SNC ed è costituito dai nervi cranici, spinali e dai recettori.

Struttura dei neuroni

Nel sistema nervoso centrale, i corpi cellulari dei neuroni costituiscono la sostanza grigia e i loro dendriti e assoni mielinizzati la sostanza bianca. Le parti fondamentali del neurone sono:

• Il soma o corpo cellulare, contenente il nucleo e il citoplasma, nel quale avvengono le principali attività biosintetiche.
• I dendriti, processi cellulari ramificati che prendono origine dal soma, che contengono tutti gli organuli (tranne il Golgi).
• L’assone, che prende origine dal soma in un punto detto monticolo assonico (o cono di emergenza). Può fioccarsi in rami collaterali e termina con le sinapsi.

Funzioni dei neuroni

I neuroni:

• Ricevono informazioni.
• Le elaborano e le integrano (eccitabilità).
• Conducono e trasmettono gli impulsi nervosi (conduttività).
• Sono cellule secernenti.
• Sono perenni (non si dividono).
• I danni cerebrali sono irreversibili.

Polarizzazione e sinapsi

Dal punto di vista funzionale, sono caratterizzati dalla capacità di captare informazioni dall’ambiente esterno o da altri neuroni, elaborarle in funzione di altre eventuali informazioni in arrivo su di essi, e produrre a loro volta un’informazione che viene trasmessa a cellule-bersaglio. La polarizzazione strutturale ha importanti conseguenze:

Il principio della polarizzazione dinamica postulato da Cajal afferma che il flusso dell’informazione che percorre il neurone segue una via unidirezionale. L’informazione percorre completamente l’assone fino alle sue terminazioni ed è infine trasmessa alle cellule-bersaglio attraverso le strutture sinaptiche. La superficie dei dendriti di un neurone raccoglie le informazioni provenienti dall’esterno grazie alla presenza di sinapsi che altri neuroni formano con esso. Le sinapsi che portano le informazioni sono dette afferenti, per distinguerle da quelle che inviano informazioni ad altre cellule, efferenti. Di solito afferenti > efferenti.

Tipi di informazione nervosa

L’informazione nervosa può essere di due tipi:

• Primaria: è l’insieme di input ambientali che sono trasdotti direttamente in impulsi nervosi dai recettori sensoriali, neuroni molto specializzati, e trasmessi dalla periferia al SNC.
• Elaborata: è quella prodotta dalla maggior parte dei neuroni in risposta alla ricezione di impulsi nervosi provenienti da neuroni a monte che formano con essi sinapsi.

Queste informazioni possono essere di tipo eccitatorio o inibitorio. Mentre le prime hanno la capacità di indurre l’attività nervosa, le seconde la deprimono in un processo di “sedazione”.

Ruolo dei dendriti e del corpo cellulare

I dendriti di alcuni neuroni possiedono piccole protuberanze dette spine, ciascuna delle quali costituisce un punto di entrata delle informazioni da una sinapsi eccitatoria. Il corpo cellulare di un neurone è la regione nella quale le informazioni in arrivo vengono elaborate attraverso i processi di sommazione (spaziale e temporale) degli input eccitatori e inibitori. Quando le informazioni eccitatorie che arrivano sovrastano quelle inibitorie, si presenta una condizione in grado di indurre l’attività nervosa. Il ruolo di misuratore è svolto dal monticolo assonico.

Assoni e mielina

L’assone di neuroni che proiettano a bersagli molto lontani rispetto al soma è rivestito da una guaina isolante, la mielina, prodotta da cellule gliali specializzate. La presenza di mielina rende più rapida la conduzione assonica dell’impulso nervoso, aumentando l’efficienza della neurotrasmissione. Giunto nei pressi della propria terminazione, l’assone generalmente si sfiocca e può formare numerose giunzioni sinaptiche con cellule-bersaglio. Le membrane delle due cellule sono separate da una stretta fessura, detta fessura sinaptica. Il neurone viene detto elemento presinaptico e la cellula-bersaglio elemento postsinaptico.

Classificazione dei neuroni

Dal punto di vista funzionale, i neuroni possono essere classificati in neuroni sensoriali, interneuroni e motoneuroni. Dal punto di vista morfologico, essi possono essere classificati in base alla grandezza del soma o alla complessità dei processi (detti neuriti) da cui prendono origine. Alcuni neuroni hanno una struttura molto semplice, con un’unica emergenza che dal soma si biforca in dendrite e assone e sono definiti unipolari. Altri possiedono due emergenze, una di tipo dendritico e una di tipo assonico, generalmente ai poli opposti del soma. Questi neuroni sono detti bipolari. Neuroni con aspetto più complesso presentano numerose emergenze, una di tipo assonico e le altre dendritiche, e sono detti multipolari. Quelli del cervelletto sono detti cellule di Purkinje.

Teorie di Golgi e Cajal

Golgi → La teoria reticolare
Golgi postulava una continuità tra tutti gli elementi del SN mediata dalla connessione completa delle fibre conduttive, assoni e dendriti, e alla base della possibilità di propagazione del flusso elettrico tra centri e vie distanti nel SN. L’idea era che l’impulso nervoso potesse viaggiare indifferentemente in entrambe le direzioni sui due tipi di fibre, cioè da e verso il soma.

Cajal → La teoria neuronale
Studiando al microscopio il cervelletto e la retina, osservò che alcuni neuroni terminavano liberamente, senza alcuna interconnessione fisica con altre fibre nervose. Nel 1889, concluse che le cellule nervose, alla pari di quelle degli altri tessuti, dovevano essere considerate come unità indipendenti.

Nevroglia o neuroglia

La neuroglia (o glia) non conduce i segnali nervosi ma svolge un insieme di funzioni accessorie fondamentali per l’attività del tessuto nervoso. Gli astrociti sono cellule stellate che avvolgono i neuroni, comprese le loro aree sinaptiche. Permettono la diffusione di piccole molecole e ioni attraverso le varie strutture encefaliche. Essi hanno dei ruoli fondamentali nel corso dello sviluppo del sistema nervoso, partecipando a processi di sopravvivenza e migrazione dei neuroni e nella formazione e mantenimento degli aggregati neuronali. Partecipano, inoltre, al metabolismo energetico dei neuroni fornendo substrati nutritivi e scambiando con essi prodotti intermedi della glicolisi e della respirazione cellulare. Infine, collaborano con i neuroni alla neurotrasmissione sia a livello sinaptico, nella quale provvedono all’eliminazione e al riciclo dei neurotrasmettitori, che nel processo di conduzione assonica dell’impulso nervoso, partecipando all’allontanamento degli ioni potassio (K⁺).

Gli astrociti, insieme alle cellule endoteliali, costituiscono la barriera emato-encefalica che controlla il passaggio di tutte le molecole all’interno del SNC. Le funzioni principali sono:

• Evitare che virus e batteri penetrino nel SNC.
• Mantenere costante la concentrazione di ioni nel liquido extracellulare.
• Evitare il contatto dei neuroni con molte sostanze presenti nel sistema circolatorio.

Le cellule della microglia contribuiscono al modellamento delle varie strutture nervose attraverso la fagocitosi delle cellule che intraprendono il programma di morte cellulare e i cui residui devono essere eliminati. Gli oligodendrociti e le cellule di Schwann sono cellule gliali presenti, rispettivamente, nel sistema nervoso centrale e nel periferico, che formano con la propria membrana plasmatica la mielina. Il rivestimento mielinico agisce come una guaina isolante, impedendo la dispersione dei campi elettrici relativi agli impulsi nervosi e garantendo una conduzione assonica più rapida ed efficiente di questi ultimi. Sono mielinizzati gli assoni dei neuroni che proiettano a strutture nervose lontane dai corpi cellulari.

La mielina inizia a formarsi nel tardo periodo fetale e continua per almeno 20 anni durante la vita di ciascun individuo. Mentre un oligodendrocita produce dei processi che gli consentono di avvolgere più assoni vicini, ogni cellula di Schwann si avvolge intorno a un solo assone. La guaina mielinica che riveste un assone è costituita da tante brevi porzioni con la lunghezza massima di 1 mm e completamente isolati, detti internodi, e presenta tratti molto più brevi di discontinuità, nei quali la membrana assonica è priva di isolamento, detti nodi di Ranvier → conduzione saltatoria.

Atomi e legami

Elementi importanti dal punto di vista biologico

• Oltre a comporre l’acqua, l’ossigeno è necessario per la respirazione cellulare ed è un componente della maggior parte dei composti organici.
• Il carbonio costituisce lo scheletro di tutti i composti organici.
• L’idrogeno è presente in tutti i composti organici; è un componente dell’acqua.
• L’azoto è presente nelle proteine e negli acidi nucleici.
• Il calcio in forma ionica (Ca⁺⁺) è importante per la contrazione muscolare (neurotrasmettitore).
• Il fosforo è importante per gli acidi nucleici, l’ATP e le ossa.
• Sodio, potassio e cloro in forma ionica (Na⁺, K⁺, Cl⁻) sono importanti per l’attività elettrica del neurone.

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 atomo. Un composto è una sostanza costituita da due o più elementi in proporzione definita. Gli atomi sono composti da particelle subatomiche:

• Protone: ha massa 1 e carica positiva.
• Neutrone: ha massa 1 e nessuna carica.
• Elettrone: ha massa trascurabile e carica negativa.

I protoni e i neutroni si dispongono al centro dell’atomo costituendo il nucleo, intorno al quale si muovono gli elettroni. Il numero di protoni di un atomo è detto numero atomico (Z). Il numero di protoni e neutroni insieme è detto numero di massa (A). Atomi appartenenti allo stesso elemento aventi stesso Z ma diverso A, sono detti isotopi di quell’elemento.

Proprietà chimiche degli atomi

Le proprietà chimiche di un atomo derivano dal numero e dalla distribuzione dei suoi elettroni nello spazio che circonda il nucleo. Gli elettroni con meno energia sono i più vicini al nucleo atomico e si dicono appartenere al 1° livello energetico (K). Un dato livello energetico può essere occupato da uno o più elettroni solamente se i livelli energetici inferiori sono già completamente pieni. Nell’ambito di ciascun livello energetico gli elettroni si muovono intorno al nucleo, venendosi a trovare con maggiore probabilità in regioni di forma definita e statisticamente predicibili dello spazio perinucleare, dette orbitali. Ogni orbitale può accogliere un massimo di 2 spin elettroni aventi di direzione opposta. Il primo orbitale ha sempre forma sferica (s), i tre orbitali successivi hanno forma a manubrio (p). Gli orbitali successivi hanno forma più complessa.

I gas nobili

Il motivo della stabilità dei gas nobili risiede nel fatto che la loro configurazione elettronica presenta otto elettroni nello stato di valenza, che quindi è completo. Regola dell’ottetto → 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. La reattività degli elementi è determinata dal numero di elettroni presenti negli orbitali più esterni.

Legami chimici

I metalli, reagendo, perdono facilmente gli elettroni generando ioni positivi. I non-metalli sono elettronegativi, ovvero guadagnano elettroni di valenza da altri atomi.

A qualsiasi livello di organizzazione, la materia tende a raggiungere condizioni di massima stabilità energetica, cioè condizioni in cui un sistema contenga la minima quantità possibile di energia potenziale. Quindi tutti gli atomi tendono a interagire con altri atomi per ottenere, cedere o condividere elettroni nel livello energetico esterno. Da tali interazioni consegue la formazione dei legami chimici.

Legame covalente

Due atomi si dicono legati con legame covalente quando mettono tra loro in comune uno o più elettroni appartenenti ai loro livelli energetici più esterni, ottenendo la completa saturazione. Quando due atomi mettono in comune due o tre coppie di elettroni, si dicono legati da un doppio o triplo legame. La forza attrattiva di tali legami è maggiore di quella esercitata da un legame singolo.

Legame covalente polarizzato

I legami covalenti caratterizzati da una distribuzione della nube elettronica assolutamente simmetrica sono presenti solamente nelle molecole costituite da atomi identici o simili. Quando il legame covalente unisce due atomi diversi, esso è spesso più o meno polarizzato → la nube elettronica assume una distribuzione più o meno asimmetrica.

Atomi elettronegativi ed elettropositivi

Atomi elettronegativi: atomi a cui mancano pochi elettroni per saturare il loro livello energetico esterno. Atomi elettropositivi: atomi che hanno il loro livello energetico esterno occupato da pochi elettroni che tendono a cedere.

La nube elettronica si presenta più densa nei punti della superficie della molecola corrispondenti agli atomi più elettronegativi e meno densa in corrispondenza di quelli più elettropositivi. La molecola, pur mantenendo la sua neutralità complessiva, presenta una superficie composta da regioni che possono essere sia apolari sia polari e, nel secondo caso, dotate di carica positiva o negativa → molecola polare. Le molecole polari interagiscono con grande facilità tra di loro, spesso formando legami idrogeno. Di conseguenza esse si sciolgono bene nell’ambiente acquoso e sono per questo idrofile. Sono dette apolari quelle molecole con atomi che presentano un grado di elettronegatività simile, facendo sì che la loro nube elettronica si distribuisca in modo omogeneo → idrofobe.

Legame ionico

Un atomo può completamente perdere o acquistare elettroni perdendo, di conseguenza, la sua condizione di neutralità e assumendo una carica netta positiva o negativa → ione. Uno ione con carica positiva è detto catione e uno con carica negativa anione. Gli ioni di segno opposto si attraggono l’uno con l’altro; il legame chimico che ne risulta è detto legame ionico. Il legame ionico consiste in una forza di attrazione elettrostatica. Sostanze costituite da ioni di segno opposto legati da legami ionici sono i sali.

Legami deboli

Si tratta di legami che possono formarsi ed essere rotti facilmente, quindi largamente usati in tutte le reazioni biochimiche della materia vivente.

Forze di van der Waals

La ragione fisica di queste interazioni è la presenza in ogni atomo di cariche sia positive sia negative, facendo sì che forze attrattive si generino tra la nuvola elettronica di un atomo e il nucleo di un altro. Se però gli atomi si avvicinano troppo, si scatenano forze repulsive. Gli atomi tendono così a mantenersi reciprocamente a una distanza caratteristica. Queste forze tengono unita la materia e, nel caso di sostanze non polari, sono responsabili dei diversi stadi in cui essa si presenta.

Legame idrogeno

Questo legame è anche detto ponte idrogeno, poiché in esso un atomo di H reso positivo dal legame covalente con un atomo elettronegativo viene attratto elettrostaticamente da un altro atomo elettronegativo. In tal modo, l’H funge da ponte tra i due atomi.

I bioelementi

Dei 92 elementi naturalmente presenti sul nostro pianeta, solamente 23, detti bioelementi, sono costituenti costanti della materia vivente. Si tratta di elementi con basso numero atomico, fra i quali occupano un posto predominante dal punto di vista quantitativo l’idrogeno, il carbonio, l’ossigeno e l’azoto. Questi, da soli, costituiscono più del 99% del corpo umano e vengono detti macroelementi.

L'acqua

La molecola dell’H₂O presenta le regioni degli H fortemente elettropositive e quella dell’O fortemente elettronegativa. La molecola è quindi un dipolo, con il vertice occupato da O con carica negativa e le braccia dai due H con carica positiva. Quest’organizzazione fa sì che le molecole d’acqua possano stabilire legami idrogeno sia con altre molecole polari sia tra di loro. Allo stato liquido, le molecole di H₂O sono in continua agitazione termica e legate le une alle altre da legami idrogeno che si spezzano e si riformano incessantemente. Alla temperatura di 100°C la formazione di qualunque legame idrogeno è impedita dal forte movimento molecolare. A 0°C il movimento molecolare diminuisce a tal punto che l’energia cinetica posseduta dalle varie molecole non è più sufficiente per spezzare i legami idrogeno. La presenza di molteplici legami idrogeno è alla base dell’elevata coesione dell’acqua, dovuta all’attrazione che le varie molecole acquose esercitano l’una sull’altra.