Fisiologia del muscolo

Neurofisiologia 22/03/18 lezione 3

Recettori

Molecole che si trovano sulla membrana degli elementi postsinaptici possono essere definiti:

Ionotropici

Essi sono di fatto canali che si aprono in seguito al legame con il primo messaggero (o neurotrasmettitore). Esempio: Questo è un recettore ionotropico, è un canale che ha un sito di legame per un trasmettitore e quando questo si lega il canale si apre. In questo esempio in particolare viene mostrato un canale che fa passare cationi, non è selettivo per una specie ionica, bensì fa passare due tipi di cationi (Na e K) e li fa passare secondo il loro gradiente elettrochimico. Rendono dunque la membrana permeabile allo ione.

Esempio: I recettori che servono a produrre un’iperpolarizzazione possono agire in due modi: o facendo uscire cariche positive o, come nel caso dell’esempio, facendo entrare ioni negativi. Qui vediamo un canale per il Cl che può essere aperto dal legame con il GABA. In particolare qui vediamo un recettore GABA_a. Il GABA è uno dei trasmettitori inibitori più diffusi. Si lega a diversi recettori, il GABA_a è ionotropico, quindi si apre e fa entrare il Cl. Cl è una carica negativa quindi produce nella cellula un’iperpolarizzazione.

I recettori ionotropici permettono una reazione rapida (ordine di misura dei millisecondi), però in generale non è molto ampia.

Metaboprotici

Il legame con il primo messaggero (neurotrasmettitore o ormone) attiva una proteina G che si trova sul versante citoplasmatico della membrana la quale mette in moto una serie di reazioni enzimatiche che portano in genere alla sintesi di un secondo messaggero. Il secondo messaggero è una molecola che può attivare altri enzimi e catalizzare reazioni intracellulari. I recettori metaboprotici sono proteine di membrana che all’esterno hanno un sito di legame per il trasmettitore, mentre al loro interno sono associati a delle proteine G. Queste proteine G sono una famiglia di proteine che sono state trovate in tutte le cellule ed hanno il compito di operare la trasduzione del segnale. Questi segnali possono essere chimici (ormoni e neurotrasmettitori), segnali elettromagnetici ecc... (in generale cambiamenti all’esterno della cellula).

Le proteine G associate ai recettori metaboprotici, quando arriva il segnale dall’esterno, attivano la loro subunità α. Questa subunità attivata va ad interagire con un’altra proteina di membrana che in questo esempio è un’adenilato ciclasi. Questo enzima catalizza la formazione di cAMP a partire da ATP. L’AMP ciclico (secondo messaggero) attiva una proteina chinasi che fosforila un’altra proteina. In questo esempio la proteina fosforilata è un canale ionico (normalmente aperto) che viene chiuso (nell’esempio è un canale per il K che quando viene chiuso rende la membrana all’interno un po’ meno negativa essendo il potassio un catione, e quindi avremo una depolarizzazione).

I recettori metaboprotici danno vita ad una risposta lenta perché ci sono tanti passaggi che devono essere svolti prima di arrivare al risultato finale (ordine di grandezza non più di millisecondi ma può essere dei secondi). C’è comunque un vantaggio, infatti reazioni mediate da recettori metaboprotici sono amplificate, cioè è più intensa e quindi una depolarizzazione, ad esempio, avrà un’ampiezza maggiore. Le risposte mediate da secondi messaggeri infatti possono essere amplificate in vari momenti. L’adenilato ciclasi catalizza la sintesi di diverse molecole di secondo messaggero, ognuna attiva una proteina chinasi e ogni chinasi fosforila molte proteine canale e quindi ci sono diversi momenti in cui questa risposta può essere amplificata.

La proteina chinasi in altre cellule può fosforilare altri elementi. Ad esempio vedremo poi che la proteina chinasi (che si chiama proteina chinasi della catena minore della catena della miosina), fosforila una parte della miosina che è una molecola che compone i filamenti spessi del muscolo e che rendono possibile la contrazione muscolare. Quindi il recettore metaboprotico si chiama così perché influenza il metabolismo. In questo caso il metabolismo porta comunque ad una risposta elettrica, però in altri casi può portare ad altri effetti (secrezione di un ormone come può essere ad esempio la secrezione del glucagone che ha sempre AMP ciclico come secondo messaggero).

Effetti iperpolarizzazione: Se è aperto solo il canale che fa entrare ioni negativi abbiamo iperpolarizzazione. Se sono aperti canale per ioni negativi e contemporaneamente un canale passivo (sempre aperto) per lo stesso ione, non avremo nessun effetto perché lo ione che entra poi uscirà lasciando inalterate le concentrazioni dello ione all’interno e all’esterno. Se insieme al canale per lo ione negativo viene aperto da un altro trasmettitore per uno ione positivo, anche in questo caso non avremo una risposta perché lo ione positivo che entra dal canale aperto dal trasmettitore eccitatorio, viene neutralizzato dallo ione negativo che passa nel canale aperto dal trasmettitore inibitorio. Dunque molto spesso l’effetto di un trasmettitore inibitorio non si vede fino a quando non arriva anche un trasmettitore eccitatorio che però non può agire.

Secondi messaggeri

I secondi messaggeri intracellulari come abbiamo accennato sono coinvolti in numerosi processi di trasduzione del segnale, non solo quelli neurochimici portati dai primi messaggeri. I secondi messaggeri sono molecole sintetizzate all’interno della cellula in seguito all’interazione di un primo messaggero esterno alla cellula che interagisce con il proprio recettore.

Per quanto riguarda la risposta ionotropica, il recettore è un canale che quando si apre modifica la permeabilità della membrana e, secondo a quali ioni viene resa permeabile la membrana, avremo una corrispondente risposta elettrica.

Esempio 1: Recettore di canale ionotropico che però è specifico per uno ione che ha un comportamento particolare che è lo ione Ca. Esso è uno ione che ha due cariche positive, quindi se entra depolarizza la membrana. Se vi ricordate è lo ione che permette nel pda delle cellule dei ventricoli di mantenere il pda ad un livello alto, al livello del plateau. Esso però ha anche altre funzioni metaboliche, non solo elettriche. Qui vedete che partecipa alla contrazione muscolare, partecipa al fenomeno dell’esocitosi, può agire come secondo messaggero legandosi a delle molecole intracellulari come la calmodulina, e insieme ad essa può attivare degli enzimi. Quindi il Ca oltre a comportarsi come uno ione positivo depolarizzando la membrana, ha degli effetti suoi propri all’interno della cellula agendo come secondo messaggero. Il Ca abbiamo visto che in alcuni casi è anche in grado di autoregolare il suo ingresso. Il canale si apre con la depolarizzazione, però lo stesso canale può presentare un sito per il Ca, così quando il Ca aumenta si lega al sito e il canale si disattiva. Il calcio è una molecola molto importante all’interno dell’organismo infatti esiste un fine sistema di regolamento dell’omeostasi del Ca, al fine di mantenere un livello costante di calcemia nel sangue.

Esempio 2: Altri esempi di recettori questa volta metaboprotici che hanno un’attività enzimatica sul versante intracellulare mentre sul versante extracellulare hanno il sito di legame per il trasmettitore. Quando si lega il trasmettitore si attiva l’attività enzimatica e vengono attivate delle reazioni per lo più metaboliche, che in alcuni casi possono anche portare a risposte elettriche.

Esempio 3: Ruolo delle proteine G che possono modulare esse stesse l’attività e la permeabilità della membrana. Il messaggero si lega al recettore metaboprotico associato alla proteina G. La subunità α si attiva e può modificare la funzione di un’altra proteina regolata che può essere o un canale ionico o un enzima. Abbiamo discusso prima dell’adenilato ciclasi, poi vedremo la fosfolipasi C, che è attivata da altri recettori. Inoltre la subunità α di una proteina G può agire direttamente, modificando l’azione di un canale. Ad esempio nei fotorecettori della retina la proteina G riesce a mantenere aperto un canale per il Na, inibito dall’arrivo della luce. Il canale si chiude e il fotorecettore si iperpolarizza. In generale la proteina G stessa può direttamente tenere aperto un canale, quindi modificare la permeabilità della membrana. L’evenienza più frequente tuttavia è che la proteina G, attivata in seguito al legame del primo messaggero con il recettore metaboprotico, attiva un’altra proteina di membrana che è un enzima. Avremo dunque il secondo messaggero che può modificare l’azione e l’attività di una chinasi, la quale può fosforilare varie proteine cellulari e modificare la risposta cellulare. Se la proteina fosforilata è un canale si può modificare lo stato funzionale. Se la proteina fosforilata è un altro enzima si può modificare un tipo di processo metabolico.

Un altro tipo di enzima che può essere attivato dalla proteina G è la fosfolipasi C, il quale idrolizza un fosfolipide di membrana, il fosfatidil-inositolo-difosfato, che viene scisso in inositolo-trifosfato e diacilglicerolo. Ciascuno di questi due composti agisce da secondo messaggero. L’inositolo-trifosfato è coinvolto nella regolazione della concentrazione intracellulare del calcio. La sua funzione più nota e diffusa è quella di attivare (aprire) dei canali per il Ca sulla membrana del RE (organulo che nella maggior parte delle cellule funge da riserva di Ca). Nel citoplasma il Ca è poco concentrato di solito, ed è conservato nel RE ed in caso di necessità viene rilasciato. Uno dei due momenti in cui è necessario rilasciare il Ca è la contrazione muscolare. L’inositolo-trifosfato può partecipare all’aumento della concentrazione di Ca nel citoplasma che poi (nelle cellule muscolari lisce) si lega alla calmodulina, attivando la proteina chinasi che fosforila miosina e si attiva una risposta cellulare come la contrazione, il metabolismo o il trasporto.

Come dicevamo prima la risposta mediata dal recettore metaboprotico tramite secondo messaggero ha diversi punti di amplificazione, per cui è ritardata come risposta, ma è amplificata. Una molecola di trasmettitore (messaggero) si lega al trasmettitore (e qui non c’è amplificazione). Ciascun complesso recettore messaggero può attivare diverse proteine G (primo grado di amplificazione, da 1 a 10). Ciascuna proteina G attiva un enzima di membrana (no amplificazione). Ciascun enzima attivato può catalizzare la sintesi di numerose molecole di secondo messaggero (altro livello di amplificazione, da 10 a 5000). Ciascun cAMP attiva una sola proteina di chinasi A. Ciascuna chinasi può fosforilare moltissime proteine modificandone la funzione. Da una molecola di messaggero il messaggio si amplifica in modo notevole.

La proteina chinasi cAMP dipendente può modificare l’attività:

• Di un canale ionico, fosforilandolo può essere chiuso
• Meccanismi di trasporto attivo
• Favorire il trasporto del Ca nel RE
• Sintesi proteica nel RER
• Nei microtubuli si favorisce con la fosforilazione i processi di trasporto, secrezione, modificazione forma della cellula
• Effetto sul metabolismo; ad esempio fosforilando gli enzimi del metabolismo dei lipidi si può aumentare il metabolismo dei lipidi, oppure il metabolismo del glicogeno
• Stimolare l’espressione genica di alcuni frammenti di DNA. La chinasi arriva nel nucleo dove fosforila i regolatori della trascrizione e quindi si favorisce l’espressione genica

Ruolo calcio come secondo messaggero: può entrare nella cellula sia dall’esterno tramite canali sia fuoriuscire dal RE. Agisce legandosi alla calmodulina che è una molecola che si trova normalmente nelle cellule e insieme ad essa può attivare delle proteine che ne fosforilano altre effettrici che modificano la risposta nella cellula. Un esempio è la contrazione del muscolo liscio.

Tipi di messaggeri

• Neurotrasmettitori (adrenalina, glutammato, serotonina, GABA)
• Ormoni (adrenalina, ormoni tiroidei, insulina, glucagone)
• Farmaci

Amminoacidi, ammine e peptidi sono messaggeri idrofilici ed hanno bisogno di recettori, mentre i recettori idrofobici possono entrare direttamente nelle cellule, perché sono lipofilici e possono passare la membrana. Secondo la natura possono avere diverse proprietà e diverso comportamento. Emivita: tempo dopo il quale la concentrazione plasmatica si è dimezzata. [Più l’ormone è solubile, maggiore sarà la sua emivita]

Un recettore è una proteina di membrana, ma a volte questa parola “recettore” indica una sola cellula. Bisogna specificare nei vari casi se si tratta di una proteina.