Lezione 3 farmacologia

Farmacologia lezione 3

Il ruolo del calcio nei meccanismi cellulari

Il calcio: molti meccanismi cellulari sono regolati dal calcio. Molti farmaci regolano le concentrazioni di calcio perché modificano l’attività di alcuni canali e trasportatori che modificano le concentrazioni del calcio. Il calcio ha un ruolo sia fisiologico che patologico, quindi in molte patologie, ridurre il calcio o aumentarlo in alcuni casi, potrebbe essere importante dal punto di vista terapeutico. Possiamo utilizzare quindi dei farmaci calcio-agonisti e calcio-antagonisti.

Esistono dei sistemi di trasporto del calcio sia a livello della membrana plasmatica sia a livello intracellulare. Quindi per modificare le concentrazioni di calcio possiamo sia agire sui sistemi di membrana sia sui sistemi intracellulari.

L'importanza delle tossine e della neurogenesi

Le tossine estratte da piante e animali sono molto utili per lo studio dei canali del calcio voltaggio-dipendenti e ligando-dipendenti, ad esempio canali associati al glutammato, ASICS. Dal punto di vista neuronale, in particolare gliare, dove le cellule gliari sono importanti per la protezione e nutrizione, e la differenza con le cellule neuronali consiste nella capacità di rigenerazione. Ultimamente si parla infatti di neurogenesi, soprattutto a livello dell’ippocampo.

Quindi se vi è una distruzione delle cellule neuronali, queste verranno sostituite dalle cellule gliari che invece sono in grado di proliferare. Gli astrociti però sono completamente diversi dal punto di vista funzionale e non possono sostituirle in tutto e per tutto. Ad esempio, nel Parkinson dal punto di vista farmacologico non interveniamo sui neuroni dopaminergici che ormai sono stati distrutti, ma possiamo ad esempio fare un trapianto con le cellule staminali che vengono inizialmente differenziate e quando poi hanno un fenotipo dopaminergico vengono trapiantate nel sito di interesse, dove cioè vi è una riduzione dei livelli di dopamina.

Intervenire sui neuroni danneggiati

Ma in genere quello che succede è che si perdono dei neuroni nel processo di invecchiamento e questi non vengono sostituiti. Quindi bisogna intervenire non sui neuroni che ormai sono morti ma sui neuroni che sono danneggiati, perché quelli che andranno incontro a morte sia per necrosi sia per apoptosi ormai sono destinati a morire. Possiamo intervenire (ad esempio nell’ischemia) su quei neuroni che sono danneggiati per ridotta attività mitocondriale o mancata risposta a particolari neurotrasmettitori, ma su quelli possiamo intervenire, la cosiddetta zona della penombra formata da neuroni danneggiati e che non possiamo recuperare.

Il ruolo del calcio nei processi neuronali

Il calcio ad esempio è un elemento fondamentale perché il calcio può modificare una serie di risposte. Ad esempio nella neurogenesi il calcio è molto importante. Un altro processo molto importante che è associato alle variazioni del calcio è il differenziamento, la formazione di nuove sinapsi (meccanismo calcio-dipendente), ne parleremo quando parleremo della depressione, la formazione di fattori neurotrofici associati alle variazioni di calcio sono importanti.

Tra i fattori neurotrofici ricordiamo il BDNF, fattore importante per la proliferazione e nel caso della depressione variare le concentrazioni di questo fattore risulta molto importante e questo effetto è calcio-dipendente. Le cellule inizialmente sono non differenziate e poi grazie al trattamento con alcune sostanze che aumentano i livelli di calcio incominciano la formazione dei prolungamenti e quindi il differenziamento. Questo succede anche con l’EGF, cellule che non sono differenziate in presenza di questi fattori neurotrofici si avrà la formazione di prolungamenti (sinapsi) e liberazione dei neurotrasmettitori. Quindi nel caso di patologie come ad esempio l’ischemia, l’Alzheimer, la depressione, è molto importante.

Depolarizzazione e canali del calcio

Vediamo un esempio di depolarizzazione, un neurone che in seguito a depolarizzazione si ha un’attivazione dei canali del calcio voltaggio-dipendenti e sappiamo che sono canali di tipo L che regolano la liberazione dei neurotrasmettitori dalle vescicole. In questo caso un esempio di neurotrasmettitore potrebbe essere il glutammato che è il più importante neurotrasmettitore eccitatorio. Il glutammato viene liberato e va ad agire non soltanto a livello post-sinaptico ma anche a livello pre-sinaptico e a livello post-sinaptico può agire su recettori neurotropi (AMPA e NMDA).

L'impatto del glutammato e del calcio

Nel caso dell’AMPA ha una maggiore permeabilità al Na+ e in particolari situazioni quando non è presente questa subunità che si chiama GluR2 potrebbe essere impermeabile anche al calcio. In seguito all’attivazione di questo recettore in seguito alla liberazione di glutammato si può attivare il recettore AMPA ma anche ad esempio il recettore metabotropo (mGlu1). Questo recettore è associato alla liberazione di IP3 (inositolo trifosfato) e quindi al rilascio di calcio dagli istoni intracellulari e quindi questo determina la liberazione di glutammato determinerà un aumento dei livelli di calcio intracellulari e questo calcio può essere importante ad esempio per regolare l’espressione genica di fattori neurotrofici come il BDNF, che viene poi rilasciato influenzando attività neuronale. In assenza di calcio tutto questo non potrebbe avvenire.

Calcio: fisiologico e patologico

Il calcio ha quindi un ruolo molto importante in un processo fisiologico come quello appena descritto, immaginiamo invece in un processo di sovrastimolazione in cui elevati livelli di glutammato andrà e determinerà un aumento dei livelli di calcio abnormi, questi effetti tossici potranno quindi causare la morte delle cellule post-sinaptiche. L’aumento del calcio fino a livelli tossici si ha l’intervento di una serie di sistemi cellulari. Esempio i mitocondri che possono ridurre le concentrazioni di calcio ma questi ad un certo punto non riescono più a rispondere all’aumento dei livelli di calcio e si può avere ad esempio l’alterazione del quadro di transazione, la liberazione di citocromo C, la liberazione di radicali liberi mediati sempre dal calcio e addirittura si può avere l’efflusso del calcio.

Tutti questi fattori contribuiscono non più ad eventi fisiologici ma a morte cellulare perché questi aumenti di calcio determineranno la morte di enzimi come le calpaine che possono avere un effetto proteolitico e vanno a distruggere la cellula. Il ruolo del calcio può essere fisiologico o patologico. In questo caso la liberazione del citocromo C può essere associato alla morte di tipo apoptotico se i livelli di ATP sono più o meno mantenuti, quando i livelli di ATP sono estremamente ridotti si ha la morte del tipo necrotico.

Funzioni principali del calcio

Quali sono le principali funzioni del calcio? Eccitabilità, contrattilità, secrezione degli ormoni, importante nella memoria e quindi importante per lo studio dell’Alzheimer, ma è molto importante nella neurotossicità e morte neuronale.

Sistemi di regolazione del calcio

Quali sono i sistemi importanti per la regolazione dei livelli del calcio? Il calcio extracellulare è a [ ] [ ]1–2 mM 50–100 mM, invece il calcio intracellulare libero è intorno a in condizioni di riposo. Quindi esiste questo gradiente tra l’interno e l’esterno e per mantenere queste concentrazioni devono essere attivati una serie di sistemi che regolano l’entrata di calcio nella cellula e del flusso. Oltre a questi sistemi localizzati all’interno della membrana vedremo che esistono anche dei sistemi presenti all’interno.

Abbiamo fatto l’esempio del mitocondrio e abbiamo visto che inizialmente può favorire la riduzione dei livelli di calcio fisiologico ma in condizioni patologiche può addirittura determinare aumenti dei livelli di calcio. Un altro sistema importante è quello a livello plasmico con i due canali che vengono attivati dalla rianodina e dalla IP3 ma anche un trasportatore importante che è l’ATPasi Sec, che favorisce la riduzione del calcio a livello citosolico.

Esistono due condizioni: la condizione di riposo in cui abbiamo questo gradiente e poi una condizione di stimolazione dove possiamo raggiungere livelli di 1µM ma anche di 5µM e i sistemi che lavorano in queste condizioni per proteggere la cellula saranno completamente diversi.