Fisiologia veterinaria 1: sistema nervoso e sensi

La pompa sodio/potassio

All’interno della cellula abbiamo tanto potassio e poco sodio, mentre all’esterno è il contrario. Ci sono proteine canale per il sodio così come per il potassio. La cellula ha il suo gradiente ma il sodio continua ad entrare e chiama per gradiente il cloro, ma il sodiocloruro è un composto osmoticamente attivo quindi la complicazione sarebbe che richiamerebbe acqua e la cellula scoppierebbe. Ciò non capita in condizioni fisiologiche grazie alla pompa sodio-potassio.

Funzionamento della pompa sodio-potassio

La pompa sodio-potassio è un carrier antiporto, di forma a campana, asimmetrica (3 Na+ escono/2 K+ entrano), cioè ha 3 siti di legame verso l’interno mentre ne ha 2 all’esterno. Una volta che l’ultimo ione sodio entra, viene fosforilata (attività atpasica), segue la cessione dell’ADP, estrude il sodio, contemporaneamente ha 2 siti di legame per il potassio (meno osmoticamente attivo), si legano 2 ioni potassio e ciò induce l’abbandono della fosforilazione, si riassume la conformazione originale di partenza per ricominciare il ciclo. La pompa sodio potassio costa il 30% dell’energia totale che spende la cellula (tranne nei neuroni).

È stata scoperta tramite un alcaloide negli epatociti che esplodevano perché la pompa sodio potassio era inibita. Come risultato anche di questa pompa abbiamo una composizione ionica del liquido intra ed extracellulare. Se si perdono queste concentrazioni la cellula è in grande difficoltà. Come nel caso di altri sistemi enzimatici, anche la pompa Na+/K+ ATPasi può funzionare in direzione inversa. Se il gradiente elettrochimico per il Na+ e per il K+ viene modificato sperimentalmente in modo che l'energia immagazzinata nei loro gradienti sia maggiore dell'energia chimica di idrolisi dell'ATP, questi ioni si muovono secondo il loro gradiente e la pompa Na+/K+ sintetizza ATP da ADP e fosfato.

La forma fosforilata della pompa può pertanto sia cedere fosfato all'ADP per produrre ATP, sia utilizzare l'energia per cambiare la sua conformazione e pompare Na+ fuori dalla cellula e K+ all'interno della cellula. La direzione della reazione enzimatica è determinata dalle concentrazioni relative di ATP, ADP e fosfato e dai gradienti elettrochimici per il Na+ e per il K+. Per alcune cellule, per esempio per le cellule nervose elettricamente attive, il pompaggio del Na+ verso l'esterno della cellula e del K+ verso l'interno costituisce il 60-70% della spesa energetica complessiva.

I recettori

Nei recettori canale ionici voltaggio dipendenti l’azione di questi è conseguente all’apertura e alla chiusura, e dura 3 millisecondi. Alla base di questo c’è l’interazione Recettore-Ligando, ma anche l’attivazione cellulare è completamente diversa, non possono essere i canali ionici a gestirlo. I canali ionici sfruttano soltanto gradienti di concentrazione, ma le funzioni cellulari sono molto più complesse. Bisogna coinvolgere tutta l’economia della cellula e modificare il metabolismo cellulare a tempi più prolungati. Questo avviene nel caso di differenziazione cellulare, accrescimento, mobilità della chemiotassi.

Parliamo, dunque, di citochine: piccoli peptidi che hanno un raggio d’azione piuttosto limitato. Le principali sono:

• Epidermal growth factor
• Platelet derived growth factor: fattore di crescita derivato dalle piastrine, lo troviamo negli osteoblasti.
• Fibroblast growth factor: fattore di crescita dai fibroblasti
• Insulin
• Nerve growth factor: scoperto da Rita Levi Montalcini

La caratteristica comune, a prescindere dal tessuto, è che tutte queste citochine sono tirosin chinasi: enzimi che trasferiscono un gruppo fosfato su residui di tirosina. Questo genera delle reazioni a cascata, che porta a fosforilare altre chinasi (reazione a catena). La tirosina è l’amminoacido che meglio si presta a ricevere gruppi fosfato.

Questi fattori o vengono trasportati col sangue fino alle cellule bersaglio come l’insulina, oppure, come accade per la differenziazione cellulare e l’accrescimento, vengono prodotte localmente e influenzano una cellula bersaglio. I recettori catalitici sono proteine multipass e che dimerizzano o diventano tetrameri una volta che si legano. Il primo evento consiste nel legame fra il ligando, la citochina ed il recettore (generalmente la parte amminoterminale del recettore).

Conseguentemente a questo legame si ha l’attivazione della proteina G, che porta all’attivazione dell’adenilato ciclasi, il quale produce tonnellate di cAMP (secondo messaggero). Per quanto riguarda i canali ionici è sufficiente aprirli per far passare ioni, in questo caso è fondamentale che ci sia l’amplificazione del segnale demandata principalmente, ma non solo, al monofosfato ciclico cAMP. Nella diapositiva possiamo notare la membrana, il recettore e l’adrenalina (come ligando). Il recettore è una multipass protein.

L’interazione tra ligando e il recettore catalitico induce l’attivazione della proteina G (trimero di proteine, sotteso tra la parte inferiore citoplasmatica del recettore). La fosforilazione avviene con il GTP, cui segue la dissociazione di questo trimero di proteina. La subunità alfa fosforilata diffonde lateralmente fino a prendere contatto con l’adenilato ciclasi.

Una volta che cAMP invade il citoplasma attiva le protein chinasi A che fosforilano degli enzimi, che attivano la trascrizione di quei geni che consentono alla cellula di espletare determinate funzioni. Si comportano così fino a che è presente il ligando. L’adenilato ciclasi smantella molecole di ATP per produrre cAMP, che viene continuamente prodotto finché è presente un ligando. Il cAMP attiva le protein chinasi A che si portano nel nucleo ad attivare i fattori di trascrizione fosforilandoli, che trascrivono il gene di interesse.

I secondi messaggeri vanno a trascrivere quei geni, producono RNA messaggero, il quale viene portato nel citoplasma e viene tradotto in proteine. Se non vi è più il ligando, finisce la fase di differenziazione cellulare o di accrescimento e abbiamo la disattivazione degli enzimi, avviene la defosforilazione, la proteina G si riassembla e si ripristina tutto. Arriva l’arrestina, a volte assemblata anche in presenza del ligando e il sistema ritorna nella condizione di riposo.

In casi di questo tipo l’economia cellulare viene modificata per molto tempo. Può capitare che il sistema cessi di funzionare anche in presenza del ligando, avendo già raggiunto il suo obiettivo, questi recettori vengono quindi rimossi dalla membrana citoplasmatica per endocitosi. Le clatrine si attaccano al di sotto del recettore e lo dirigono al lisosoma dove viene degradato in singoli amminoacidi.

Un altro messaggero, oltre al cAMP, che viene utilizzato in questi sistemi di comunicazione a lungo termine è il calcio ionico. Per cui abbiamo la G protein, il secondo messaggero che sarà l’inositolo 3 fosfato ed il calcio ionico. I ligandi sono generalmente neurotrasmettitori ed ormoni e le azioni promosse da questi ligandi sono:

• Trasporto di ioni (molti di essi sono recettori che si legano a neurotrasmettitori del sistema autonomo simpatico)
• Attivazione di enzimi
• Contrazione muscolare (muscolo liscio)

Funzionamento del calcio ionico

Il ligando (ormone o neurotrasmettitore del SNA, acetilcolina o noradrenalina) attiva la proteina G che si scinde e attiva la fosfolipasi C sottesa alla parte interna della membrana, la quale riconosce il fosfatidilinositolo. Il fosfatidilinositolo viene scisso dalla fosfolipasi C in Inositolo 3Fosfato. Ci sono due messaggeri: diacilglicerolo e l’inositolo 3P. Il diacilglicerolo diffonde lateralmente e va ad attivare la protein chinasi C, mentre l’inositolo 3P si stacca dalla parte interna della membrana citoplasmatica, si lega ai recettori per il Calcio, il quale viene liberato, va nel citosol e attiva direttamente alcune proteine, oppure le attiva utilizzando come target la protein chinasi C.

Il calcio è quindi un importante messaggero intracellulare, il suo flusso è dovuto a canali dedicati che si trovano sulla membrana o sul reticolo endoplasmatico, e che ne rappresentano delle riserve intracellulari. Nel caso ci sia una proteina G a monte del fenomeno, il secondo messaggero è l’inositolo 3P che va ad aprire i canali del calcio. Le funzioni del calcio sono:

• Secrezione
• Esocitosi -> senza Ca²⁺ non si ha esocitosi!
• Contrazione muscolare -> muscolo liscio, scheletrico e cardiaco
• Comunicazione cellulare -> la Glia ed i neuroni comunicano tramite Ca²⁺
• Coagulazione del sangue -> senza Ca²⁺ il sangue non coagula
• Attivazione del metabolismo dell’oocita
• Il Calcio extracellulare regola il voltaggio delle proteine canale voltaggio dipendenti del Na+ (potenziale d’azione)
• Un’elevata concentrazione di calcio nel liquido extracellulare aumenta l’eccitabilità del neurone.

Il calcio, però, è estremamente tossico, appena termina la sua attività va sequestrato, pompato fuori la cellula oppure compartimentalizzato nelle vescicole apposite (mitocondri compresi). Il calcio può essere contro-trasportato utilizzando il Na+, c’è una pompa specifica per il calcio che funziona utilizzando ATP (quella del rene), oppure ci sono canali del calcio che consentono l’ingresso dal liquido extracellulare al liquido intracellulare. Dentro la cellula il calcio o viene eliminato o sequestrato nei mitocondri o, ancora, pompato nel RE.

Pensiamo al reticolo sarcoplasmatico presente nel tessuto muscolare scheletrico, nella membrana ci sono delle pompe per il calcio che buttano il calcio ionico all’interno del reticolo sarcoplasmatico una volta avvenuto l’evento contrattile.

Il potenziale di riposo

Se prendiamo un elettrodo e lo inseriamo in una cellula vediamo che l’indicatore del potenziometro si sposta verso la negatività (-40, -60, -70, -90, -100 mV). È una grande differenza di potenziale considerate le dimensioni estremamente piccole. Lo chiamiamo potenziale transmembranario di riposo e di azione. Perché vi è questo potenziale?

• Pompa sodio potassio -> la pompa Na+/K+ determina un ambiente negativo intracellulare rispetto all’esterno, è pertanto definita elettrogenica, in quanto con il suo funzionamento genera una differenza di potenziale elettrico attraverso la membrana cellulare. Ma non è questa la principale ragione.
• Nella cellula abbiamo degli anioni negativi non diffusibili all’esterno (acidi nucleici nel nucleo e tanto RNA nel citoplasma) che generano un potenziale negativo quindi le cariche positive all’esterno tenderebbero ad entrare, ciò è impedito dalla pompa che butta fuori 2 Na+. Il potassio può entrare (attratto dal potenziale negativo) tramite i canali a perdita ma, questi lo fanno anche riuscire perché all’interno è fortemente concentrato ed il gradiente di concentrazione lo spinge ad uscire: ad un certo punto il sistema raggiunge l’equilibrio. Si raggiunge un compromesso tra il gradiente elettromagnetico esercitato dagli anioni e il gradiente di concentrazione del potassio che tende ad uscire alla condizione di equilibrio compresa tra -70 mV e -90 mV circa.

NB: Somministrando una soluzione di potassio cloruro endovena si causa morte per arresto cardiaco. Nel caso si abbia un animale con aritmia cardiaca eseguiamo un prelievo di sangue per vedere la concentrazione di potassio, calcio e cloro.

I neuroni

Il sistema nervoso centrale (SNC) è costituito da oltre 100 miliardi di neuroni. I segnali in ingresso giungono al neurone attraverso sinapsi che terminano in massima parte a livello dei dendriti, ma anche sul soma. Il segnale in uscita dal neurone, invece, viaggia attraverso l'assone.

Rivestimento dei neuroni

La guaina mielinica è una struttura biancastra multilamellare e con funzioni isolanti, che avvolge gli assoni formando la fibra nervosa. Essa non è altro che la membrana plasmatica delle cellule della glia che vanno a rivestire il neurone. La differenza principale tra questa membrana e le altre è che possiede una quantità di lipidi maggiore.

Nel sistema nervoso centrale le cellule che rivestono l'assone sono gli oligodendrociti, mentre nel sistema nervoso periferico sono le cellule di Schwann. Gli oligodendrociti possono mielinizzare fino a 60 assoni differenti, mentre le cellule di Schwann mielinizzano un solo assone. La guaina mielinica avvolge gli assoni in modo discontinuo: si interrompe infatti a intervalli regolari nei cosiddetti "nodi di Ranvier", lo spazio fra due cellule di Schwann consecutive, in corrispondenza dei quali l'assone è quindi parzialmente scoperto.

Si permette così, per mezzo di un meccanismo a salti da un nodo di Ranvier al successivo, la propagazione del segnale elettrico molto più rapidamente (fino a 150 m/s) che non negli assoni senza guaina mielinica, inoltre la conduzione saltatoria permette all’assone un risparmio energetico perché la depolarizzazione e la ripolarizzazione avvengono solo lì.

La membrana cellulare esterna, plasmalemma, delle cellule di Schwann va a disporsi attorno all'unico assone, formando una struttura a doppia membrana (mesassone), che si allunga e si avvolge a spirale, in strati concentrici, attorno all'assone stesso. Durante questo processo di avvolgimento, il citoplasma della Cellula di Schwann viene "spremuto" all'esterno, mentre le superfici delle membrane a contatto finiscono per condensarsi andando a formare le lamelle della guaina mielinica definitiva.

I neuroni per comunicare generano segnali chimici chiamati potenziale d’azione. Si tratta di sfruttare i gradienti di concentrazione stabili da una parte e dall’altra della membrana, i canali per il sodio, il potassio ed il cloro.

Potenziale d'azione

-70 mv corrisponde al potenziale di riposo, quando arriva lo stimolo induce una deformazione del set di membrana per cui si aprono alcuni canali del sodio, il quale entra nella cellula con molta rapidità. Il valore soglia è tarato intorno ai -40 mV del potenziale transmembranario, valore che genera la legge del tutto o nulla, inizia, quindi, un effetto domino per cui si aprono tutti i canali del sodio voltaggio-dipendenti e tonnellate di sodio irrompono rapidamente nella cellula. L’effetto è che il potenziale transmembranario arriva a +30mV, questo non può durare a lungo perché il sodio se rimane nella cellula è tossico.

Quando si arriva a valori di potenziale transmembranario positivo, si chiudono i canali per il sodio e non si aprono più a causa dell’attivazione dell’inactivation loop, mentre si aprono i canali per il potassio, a causa di valori di potenziale transmembranario positivi. Aprendo i canali per il potassio, questo si affretta ad uscire dalla cellula, lasciando scoperte tante cariche negative: l’effetto è una iperpolarizzazione rapida quanto la depolarizzazione e si scende sotto i -70 mV (periodo refrattario assoluto). Dopodiché tutto torna nelle condizioni di partenza, gli ioni sodio vengono pompati dalla pompa sodio potassio all’esterno e tutto viene ripristinato a -70mV.

La comunicazione fra neuroni

I neuroni generano un potenziale d’azione e lo propagano su tutto l’assone come un’onda. Il potenziale d’azione nasce per forza nel cono terminale, perché è l’unica parte in cui il neurone ha i canali per il sodio voltaggio dipendenti. L’onda di depolarizzazione è unidirezionale, non può tornare indietro, perché i canali del sodio voltaggio dipendenti che si sono aperti non si aprono più perché sono in un periodo di refrattarietà assoluta (possono aprirsi solo quelli a valle). Nella comunicazione neuronale è fondamentale l’unidirezionalità del potenziale d’azione.

I canali del Na+ non sono localizzati su tutto l’assone, ma solo nei punti in cui l’assone può comunicare con l’ambiente extracellulare: Nodi di Ranvier.

Plateau

Una funzione fondamentale dei canali del calcio a porte voltaggio-dipendenti è il contributo alla fase di depolarizzazione del potenziale d'azione in alcune cellule. Tuttavia, il funzionamento delle porte dei canali del calcio è lento: richiede un tempo 10-20 volte maggiore di quello richiesto dai canali del sodio. Mentre i canali del sodio svolgono un ruolo chiave nell'attivare i potenziali d'azione, i canali del calcio sono molto numerosi sia nel muscolo cardiaco sia nel muscolo liscio. Pertanto, i canali del calcio permettono una depolarizzazione più prolungata, mentre quelli del sodio svolgono un ruolo chiave nell’attivazione del potenziale.

Il plateau quindi dipende da:

• Canali rapidi del sodio
• Canali lenti del calcio
• Lentezza dell’apertura dei canali per il potassio

Ritmicità

Nella maggior parte dei muscoli lisci, nel cuore e in molti neuroni del sistema nervoso centrale si osservano scariche ripetitive di potenziali autoindotti. Sono all’origine del battito cardiaco, della peristalsi e di alcune funzioni nervose come la respirazione. Anche grosse fibre nervose muscolari possono andare incontro a scariche ripetitive quando il calcio in ambiente extracellulare scende sotto un certo valore critico. In alcuni tipi di muscolo liscio, in realtà, i canali rapidi del sodio non sono presenti se non in numero molto basso, perciò i potenziali d'azione si generano pressoché interamente per attivazione dei