Neurobiologia

Conseguenze a livello delle cellule post-sinaptiche dopo il fenomeno sinaptico

Nonostante la sinapsi sia una struttura fortemente specializzata, tutto il suo funzionamento può rientrare nei processi di esocitosi e segnalazione chimica. C’è il rilascio di neurotrasmettitore che interagisce con un recettore post-sinaptico, e possiamo paragonare questa modalità con quella per segnalazione per modalità paracrina. Il meccanismo fondamentalmente è lo stesso e in termini di secrezione paracrina intendo che la cellula secernente libera una o più sostanze che interagiscono con le cellule adiacenti, mediante captazione delle molecole segnali da parte dei recettori sulle cellule.

La paracrina libera le molecole segnali in modo meno polarizzato rispetto alla modalità per rilascio di neurotrasmettitore da parte di una cellula non per modalità paracrina. La modalità paracrina libera delle sostanze che tendono a diffondersi più o meno ampiamente e interagisce con un certo numero di cellule bersaglio tutt’intorno. C’è una configurazione molto precisa generica e l’accoppiamento strutturale e funzionale dell’elemento post-sinaptico e pre-sinaptico rende però la trasmissione più facilmente su un solo elemento ed è più precisa della secrezione paracrina.

In realtà questo concetto è stato messo in discussione, poiché se è vero che nella stragrande maggioranza dei casi i neurotrasmettitori rilasciati dalla terminazione pre-sinpatica sono inattivati molto rapidamente (come l’idrolisi del neurotrasmettitore e tanti altri meccanismi di ricaptazione del neurotrasmettitore sull’elemento pre-sinpatico e sulle cellule gliali circostanti). Se questo è vero per acetilcolina e GABA e non è vero, invece, per la segnalazione mediante neuropeptidi, che vengono degradati da enzimi peptidasi nello stanzio intersinaptico. Questi enzimi peptidasi sono sugli elementi post-sinaptici e sugli elementi pre-sinaptici e sulle cellule gliali e il meccanismo di idrolisi per quanto riguarda i neuropeptidi non ha la stessa efficienza dell’idrolisi di acetilcolina o ricaptazione dei neurotrasmettitori non peptidici.

Mentre i neurotrasmettitori non hanno la possibilità di diffondere nello spazio circostante per attivare sinapsi più lontane (e quindi questo conferma il fatto che, in questa modalità di segnalazione, la trasmissione è univoca), nel caso dei neuropeptidi il segnale sembra essere molto meno efficiente. Infatti, usando anticorpi specifici contro alcuni specifici neuropeptidi, si è visto che alcuni neuropeptidi rilasciati dalla membrana pre-sinpatica possano essere rilasciati in uno spazio dove possono diffondere e possono raggiungere anche delle sinapsi lontane da quella che ha rilasciato quel neuropeptide.

Il fatto che questi neuropeptidi siano in quantità elevata nell’organismo, fa sì che per l'attivazione di una sinapsi siano richiesti soltanto pochi di essi. Questo visto è il meccanismo di neurotrasmissione a distanza mediato da neuropeptidi. Ci sono molte discussioni a riguardo. Si dice che la neurotrasmissione mediante neuropeptidi sia importante per le funzioni complesse dei circuiti nervosi (memoria e apprendimento), ma anche per la modulazione dell’attività sinaptica in generale.

La conclusione ampiamente accettata è che il meccanismo presumibilmente esiste e la sua valenza funzionale è che una sola sinapsi può modulare l’attività di più sinapsi su uno stesso neurone o su più neuroni adiacenti. Si parla di un meccanismo di coordinazione dell’attività sinaptica, ma sul cui ruolo funzionale non c’è un completo consenso.

Neurotrasmettitori e neuropeptidi retinici

Neurotrasmettitori

• Glutammato: Principale neurotrasmettitore retinico, utilizzato dalla maggior parte delle cellule.
• GABA: Secreto da pochi tipi di cellule orizzontali ed amacrine.
• Glicina: Secreto da cellule orizzontali ed amacrine; anche bipolari.
• Dopamina: Secreto da cellule amacrine A18.
• Acetilcolina: Secreto da alcune cellule amacrine. Le cellule gangliari Y hanno recettori muscarinici e recettori nicotinici.

Neuropeptidi

• Sostanza P: Si trova in un tipo di cellule amacrine e nelle cellule gangliari.
• Somatostatina: Si trova in alcune cellule amacrine e in neuroni di associazione di Cajal.
• CRH: È contenuto in cellule amacrine, probabilmente le stesse che secernono anche somatostatina.
• VIP: Il peptide vasoattivo intestinale è prodotto da una popolazione di cellule amacrine A12.
• Neuropeptide Y: Si ritrova in alcune cellule amacrine responsabili dei circuiti ON e OFF.

Allora abbiamo capito che oltre ai neuropeptidi, ci sono anche altre molecole importanti nella neurosegnalazione che hanno le caratteristiche viste nel caso della trasmissione mediante neuropeptidi. Da ricordare è il monossido di azoto che, essendo molto diverso da un peptide, è molto semplice e piccolo e ha le caratteristiche di essere altamente diffusibile e il meccanismo di formazione di monossido di azoto nelle cellule, prevede che dalla cellula possa uscire l’NO (che deriva dalla conversione di arginina in citrullina e quindi mediante le sintasi dell’ossido nitrico), da creare dei blubs dove la cellula può produrre e consentire la diffusione all’esterno di questa molecola. L’NO, come già detto, è estremamente diffusibile fuori dalla cellula, ma è molto labile e la sua vita all’esterno della cellula è di 10-15 secondi. Il fatto che sia una molecola così altamente diffusibile fa sì che esso possa influenzare le cellule circostanti e è in grado di fare dei calcoli in base al raggio di diffusione della molecola. Il monossido di azoto rilasciato da una sola cellula può portare ad attivazione di processi dipendenti dalla presenza di monossido di azoto (come l’adenilatociclasi) anche in cellule vicine.

In altre parole, l'ossido nitrico (NO o più correttamente monossido di azoto) è un mediatore endogeno di processi particolarmente importanti, come la vasodilatazione e la trasmissione degli impulsi nervosi. In natura si presenta come un gas incolore, particolarmente inquinante e con una densità simile a quella dell'aria. Nel nostro organismo la sintesi di questo composto è affidata ad un gruppo di enzimi appartenenti alla famiglia delle ossido nitrico sintetasi (NOS), che utilizzano come substrato l'arginina, un amminoacido essenziale nei bambini e condizionatamente essenziale nell'adulto. La sintesi di ossido nitrico viene stimolata da diversi fattori come il cosiddetto "shear stress", un parametro che misura la forza esercitata dallo scorrimento del sangue sulle pareti dei vasi. Quando la pressione arteriosa aumenta eccessivamente, l'organismo si difende sintetizzando ossido nitrico che, dilatando le pareti dei vasi, contribuisce all'abbassamento della pressione. Al contrario l'inibizione della sintesi di ossido nitrico determina un aumento delle resistenze periferiche ed un conseguente innalzamento della pressione arteriosa. Anche ormoni come la noradrenalina e le citochine (proteine secrete durante la risposta immunitaria) favorirebbero la sintesi di ossido nitrico da parte degli endoteli.

L'emivita dell'ossido nitrico è brevissima, pari a circa 4 secondi. Il suo rapido catabolismo prevede il legame con il gruppo EME dell'emoglobina; tale processo conduce alla successiva formazione di metaemoglobina (una forma non funzionante), quindi nitriti e nitrati (NO₂ e NO₃) che vengono eliminati soprattutto per via renale.

Principali funzioni dell'ossido nitrico

• Modula la trasmissione nervosa e neuromuscolare: L'ossido nitrico funge da neurotrasmettitore nel sistema nervoso centrale e nei plessi nervosi periferici non-adrenergici-non colinergici dell'albero bronchiale (possibile effetto broncodilatatore - antiasmatico) e del tratto gastrointestinale.
• Rilascia la muscolatura liscia (non volontaria): Azione vasodilatatoria sull'endotelio vascolare sistemico, coronarico e renale.

Nell'organismo umano l'ossido di azoto (fattore di rilascio endotelio-derivato, dall'acronimo inglese EDRF) viene sintetizzato a partire da arginina e ossigeno per azione di enzimi noti col nome di ossido nitrico sintetasi. Possiede la capacità di agire sulla muscolatura liscia dei vasi sanguigni provocando vasodilatazione con conseguente aumento del flusso ematico e funzione omeostatica. La nitroglicerina è un classico esempio di farmaco che agisce per metabolismo primario con rilascio di ossido nitrico. Il meccanismo molecolare risiede nella sua capacità di legarsi covalentemente alle porzioni eme delle emoproteine. In particolare, l'ossido nitrico ha come bersaglio primario l'enzima guanilato ciclasi, che dal guanosin-trifosfato (GTP) genera il GMP ciclico. Questo secondo messaggero attiva a valle la proteina chinasi GMPc-dipendente (PKG), la quale fosforila proteine contrattili e strutturali della cellula come la calponina, il fosfolambano e la tropomiosina. La fosforlazione di questi substrati riorganizza le strutture citoscheletriche e la sensibilità di queste alle azioni degli ioni calcio, necessari alla contrazione.

Il concetto di trasmissione che per i neuropeptidi ha sempre lasciato molte perplessità (non per il meccanismo in sé poiché l’anticorpo permette di capire che il neuropeptidi può, effettivamente, diffondere). In particolare le perplessità sono per alcuni messaggeri non convenzionali, in cui c’è un diverso meccanismo e la molecola può diffondere facilmente in soluzione acquosa tipica dello spazio intersinaptico ed è in grado di rientrare tra il doppio strato fosfolipidico di membrana (dal momento che presenta una grande diffusibilità). Allora una cellula nervosa non produce un solo neurotrasmettitore e anche il discorso circa la polarizzazione delle sinapsi mediante rilascio del neurotrasmettitore va preso un po’ con le molle, nel senso che s’è visto che alcuni neuropeptidi possono diffondere. La stessa cosa vale per i messaggeri neuronali come ossido nitrico, appunto, e monossido di carbonio (CO). Comunque a riguardo del monossido di carbonio si sa di meno rispetto al NO.

Possiamo fare l’esempio della biologia molecolare; dove si era preso per assunto il dogma centrale e poi ci si è resi conto che non sempre esso viene rispettato. I dogmi sono fatti per essere smontati.

Secrezione endocrina

La cellula endocrina libera il secreto nei vasi sanguigni e il secreto va a distanze notevoli sulle cellule bersaglio delle molecole rilasciate. Alcuni neuroni si comportano così e la secrezione endocrina non è una modalità che può essere esclusa dalle modalità di secrezione neuronale. Nell’ipotalamo ci sono delle cellule nervose che regolano l’attività secernente delle cellule dell’ipofisi. Ci sono degli ormoni liberati dai neuroni ipotalamici che contattano delle cellule della neuroipofisi. Nell’ipotalamo ci sono delle cellule nervose che regolano le attività secernenti delle cellule dell’ipofisi. Vengono liberati ormoni (TRH o altri), che agiscono sulla neuroipofisi, portando a rilascio di TSH, per esempio che agisce sull’organo specifico. La liberazione di ossitocina, per esempio da parte della neuroipofisi, agisce sulle cellule mioepiteliali delle ghiandole mammarie e sulla muscolatura dell’utero. La liberazione di ACTH.

In altre parole, la ghiandola pituitaria (ipofisi) non è più considerata la "ghiandola maestra". È l'ipotalamo la via finale comune che riceve informazioni praticamente da tutte le altre aree del SNC e che invia informazioni all'ipofisi. L'ipotalamo modula l'attività dei lobi anteriore e posteriore dell'ipofisi in due modi diversi. I neurormoni da esso sintetizzati raggiungono l'ipofisi anteriore (adenoipofisi) direttamente attraverso un sistema vascolare portale specializzato e regolano la sintesi e la secrezione dei sei principali ormoni peptidici dell'ipofisi anteriore. Gli ormoni ipofisari, a loro volta, regolano la funzione delle ghiandole endocrine periferiche (tiroide, surreni e gonadi), oltre all'accrescimento e alla lattazione. Non esistono connessioni neurali dirette tra l'ipotalamo e l'ipofisi anteriore. Al contrario, l'ipofisi posteriore (neuroipofisi) è costituita da assoni che originano dai corpi cellulari di neuroni localizzati nell'ipotalamo. Questi assoni servono come siti di deposito per due ormoni peptidici sintetizzati nell'ipotalamo, i quali a livello periferico hanno la funzione di regolare il bilancio idrico, l'emissione del latte e la contrazione della muscolatura uterina. In alcune specie animali e nel corso dello sviluppo fetale dell'uomo è presente un lobo intermedio localizzato tra il lobo anteriore e quello posteriore, ma nell'uomo adulto, nel quale non è riconoscibile alcuna ghiandola intermedia, le sue cellule sono disperse nel contesto dei lobi anteriore e posteriore.

Praticamente tutti gli ormoni prodotti dall'ipotalamo e dall'ipofisi vengono secreti in maniera pulsatile o a poussée, in cui si alternano brevi periodi di inattività e di attività secretoria. Inoltre alcuni ormoni (p. es., l'ormone adrenocorticotropo [AdrenoCorticoTropic Hormone, ACTH], l'ormone della crescita [Growth Hormone, GH] e la prolattina) hanno un preciso ritmo circadiano o giornaliero, con aumento della secrezione durante determinate ore del giorno; altri ormoni (p. es., l'ormone luteinizzante [Luteinizing Hormone, LH] e l'ormone follicolo-stimolante [Follicle-Stimulating Hormone, FSH] durante il ciclo mestruale) hanno ritmi mensili con ritmi circadiani sovrapposti.

Da ricordare che sono prodotti anche secreti endocrini (ormoni) da parte di altri neuroni (non solo dell’ipotalamo) e che funzionano come neurotrasmettitore sull’attività sinpatica (e sono altre cellule che non fanno parte dell’asse ipotalamo-ipofisario). Queste molecole rilasciate da altri neuroni, funzionano come molecole segnalatrici.

Tipi di segnalazione nelle cellule

• Segnalazione mediata dalle terminazioni simpatiche e prevede la presenza di recettori di membrana. Questi recettori possono essere recettori canali e danno risposte rapide inteso come conduttanza ionica. Oppure possono essere recettori di membrana che presiedono a dei meccanismi di segnalazione mediante risposte al mediatore sinaptico.
• Segnalazione basata su molecole permeanti (come la presenza degli ormoni steroidei o tiroidei che, essendo fortemente idrofobici possono legarsi a recettori citoplasmatici che migrano al nucleo e hanno una funzione di fattori di trascrizione). Questa modalità di segnalazione non è descritta nelle sinapsi. L’ossido nitrico agisce in modo analogo, poiché si lega a recettori intramolecolari, che poi agiscono sulla guanilato ciclasi. In particolare, l'ossido nitrico ha come bersaglio primario l'enzima guanilato ciclasi, che dal guanosin-trifosfato (GTP) genera il GMP ciclico. Questo secondo messaggero attiva a valle la proteina chinasi GMPc-dipendente (PKG), la quale fosforila proteine contrattili e strutturali della cellula come la calponina, il fosfolambano e la tropomiosina. La fosforlazione di questi substrati riorganizza le strutture citoscheletriche e la sensibilità di queste alle azioni degli ioni calcio, necessari alla contrazione.
• Segnalazione con molecole associate alle cellule ed è importante nello sviluppo del sistema nervoso in cui ci sono delle funzioni regolate da meccanismi di interazione di recettori in cellule nervose e interazioni di recettori presenti su altre cellule nervose. Un classico esempio sono le molecole dell’adesione cellulare o le molecole del substrato organico della matrice extracellulare, spesso glicoproteina.

Nel caso dei meccanismi di segnalazione captata da recettori metabotropi, si ha una cascata intracellulari con la variazione del potenziale di membrana. In questi casi si può parlare di meccanismo di amplificazione del segnale. Effettivamente, in molti dei funzionamenti cellulari o funzionamenti degli organi, il segnale viene dato da una o poche molecole di ligando, che portano ad una cascata di reazioni, che portano all’amplificazione del segnale, con tante molecole attivate a valle.

Una molecola o poche arrivano sul recettore e la cellula può rispondere in maniera massiccia all’informazione, portata dalla molecola segnalatrice. Questo è per una questione di economia energetica, così da avere nella cellula una determinata molecola in poche copie e ridurre l’impegno metabolico. Nel caso in cui il recettore post-sinpatico sia metabotropo, si vede l’attivazione di un singolo recettore (che traduce il segnale con una cascata di segnalazione intracellulari, avendo come elemento di traduzione fondamentale e primario una proteina G). La proteina G è il primo momento di amplificazione, dal momento che la proteina G attiva il suo effettore (quale l’adenilatociclasi) e la proteina G attivata agisce sull’adenilatociclasi. La proteina G passa continuamente da forma attiva a forma non attiva, poiché si attiva in modo ciclico. Insomma, il recettore attivato, innesca più cicli di attivazione della proteina G. Tra la proteina G e l’attivazione dell’adenilatociclasi non c’è amplificazione, poiché il rapporto è 1:1. La forte amplificazione, infatti, si osserva per quanto riguarda l’attività catalitica dell’adenilatociclasi, poiché la proteina resta attiva solo per convertire un gran numero di molecole di ATP in cAMP (adenilatociclasico ciclico), per permettere, a sua volta, una grande attività catalitica.

Questo è quello che accade, per esempio, nel caso della retina, dove c’è cGMP e l’azione catalitica è sulla fosfodiesterasi e il fattore di amplificazione è 1000. Allora 1 solo cGMP può attivare ben un migliaio di enzima. Il bersaglio di cAMP è pKA e, an...