Neurobiologia

Trasmissione sinaptica

Tipi di sinapsi

Due tipi di sinapsi, elettrica e chimica.

Sinapsi elettrica

Nell’adulto, la sinapsi elettrica è osservata solo nell’ipotalamo e raramente nella corteccia cerebrale (inibitoria), mentre è presente durante l’embriogenesi. Consiste nell’appaiamento di giunzioni comunicanti (connessoni) complementari che mettono in comunicazione il neurone presinaptico e postsinaptico, non sono presenti quindi vescicole e fessura sinaptica. Avviene un flusso di ioni attraverso i canali costituiti dai connessoni che porta una corrente; il segnale è molto rapido e non c’è ritardo nella trasmissione ed è bidirezionale. Attraverso i pori di questi connessoni passano ioni, secondi messaggeri come il Ca e ATP. In questo modo avviene una sincronizzazione di popolazioni di neuroni quasi perfetta; il potenziale di azione avviene nello stesso istante (per esempio, ciò nell’ipotalamo garantisce un massiccio rilascio di ormoni in circolo).

Sinapsi chimica

È il principale tipo di trasmissione sinaptica nell’adulto. È presente la fessura sinaptica, neurotrasmettitori e recettori. È rapida ma 5 volte di meno rispetto a quella elettrica; infatti non c’è lo stesso tipo di sincronizzazione tra popolazioni di neuroni di quella elettrica, ed è unidirezionale. È molto importante per permettere la plasticità sinaptica. Quando arriva un potenziale d’azione nella terminazione presinaptica, la depolarizzazione provoca l’apertura dei canali voltaggio-dipendenti del Ca e il suo ingresso. Gli ioni Ca causano così la fusione delle vescicole contenenti il neurotrasmettitore con la membrana presinaptica, e il neurotrasmettitore viene rilasciato nella fessura sinaptica mediante esocitosi. Il neurotrasmettitore si lega ai recettori presenti sulla membrana nel neurone postsinaptico, si ha apertura o chiusura dei canali postsinaptici (se si aprono entrano determinati ioni, quindi una corrente postsinaptica, che causa eccitazione o inibizione del potenziale postsinaptico). Avviene poi la rimozione del neurotrasmettitore attraverso la riassunzione gliale (astrociti) o la degradazione enzimatica; si ha anche il riciclo delle vescicole.

Ruolo del calcio

Per quanto riguarda il ruolo del calcio nel rilascio del neurotrasmettitore e quindi nelle sinapsi chimiche, sono stati fatti numerosi esperimenti. Inizialmente vennero effettuati degli esperimenti che portarono alla scoperta dei canali per il Ca voltaggio-dipendenti nelle terminazioni assonali dei neuroni. A questa scoperta si arrivò mediante esperimenti in cui sono stati inibiti, in alcune terminazioni nervose, i canali del Na voltaggio-dipendenti e si vide che comunque questi neuroni erano in grado di generare potenziali d’azione. Quindi la corrente passava altri canali (quelli del Ca).

Una volta scoperta la presenza di questi canali, si fecero degli esperimenti su terminazioni giganti di calamaro che portarono proprio alla scoperta del ruolo del Ca nel rilascio del neurotrasmettitore e che dimostrarono che la quantità di neurotrasmettitore rilasciato è direttamente proporzionale al Ca che entra. Si arrivò a questa scoperta in seguito ad esperimenti in cui si andava ad inibire con farmaci i canali del Ca voltaggio-dipendenti e si vide che si inibiva anche il rilascio di neurotrasmettitore; in altri esperimenti hanno iniettato il Ca in queste terminazioni nervose e si vide che si determinava il rilascio di neurotrasmettitore anche in assenza di potenziali d’azione presinaptici. Iniettarono anche dei chelanti del Ca (molecole che legano il Ca e lo mantengono a basse concentrazioni) e si vide che in questo modo si impediva ai potenziali d’azione presinaptici il rilascio di neurotrasmettitore anche in presenza di un potenziale d’azione presinaptico.

Ciclo delle vescicole

Per quanto riguarda invece il ciclo delle vescicole sinaptiche, questo è un processo molto rapido (1 minuto) che prevede diverse fasi: gemmazione, ancoraggio, preparazione, fusione (esocitosi con rilascio neurotrasmettitore) e gemmazione (endocitosi). Inizialmente avviene la fosforilazione della sinapsina ad opera della proteina CaMKII (proteina chinasi tipo II Ca/calmodulina-dipendente) che permette quindi la mobilitazione dal pool di riserva.

Dopodiché avviene l’ancoraggio, in questo processo sono molto importanti le proteine SNARE, ci sono 2 t-SNARE (sintaxina e SNAP-25) sulla membrana plasmatica del neurone e 1 v-SNARE (sinaptobrevina) sulla membrana della vescicola; queste proteine interagiscono fra di loro a formare il complesso SNARE ovvero fasci di 4 filamenti (2 L-eliche di SNAP-25, una L-elica della sintaxina e una L-elica della sinaptobrevina) situati vicino alla sinaptotagmina, questo ancoraggio è indipendente dal Ca. Appena arriva l’onda di depolarizzazione, il Ca che entra nel neurone (durante il periodo in cui questo si sta ripolarizzando, non durante il picco) si lega alla sinaptotagmina e questa catalizza la fusione delle membrane legandosi alle SNARE e alla membrana plasmatica, si ha così il rilascio del neurotrasmettitore.

Subito dopo avviene il riciclaggio delle vescicole permesso dalle proteine adattatrici che connettono la clatrina alla membrana vescicolare, si assemblano i triskeli di clatrina che rivestono man mano la membrana della vescicola e ne causano la curvatura, si forma un anello di dinamina e la membrana si stacca, le vescicole così rivestite totalmente da clatrina vengono traslocate da filamenti di actina e in seguito perdono Hsc-70 e auxina e di conseguenza anche il rivestimento di clatrina. A questo punto le vescicole vengono accumulate in un pool di riserva nel citoplasma grazie alla sinapsina (che non è più fosforilata) che lega le vescicole ai filamenti di actina per tenerle aderenti in questo pool di riserva.

Recettori

Ci sono 2 classi di recettori per la trasduzione del segnale postsinaptico: recettori ionotropici (sono canali ligando-dipendenti che, in seguito al legame con il ligando, si aprono e determinano un passaggio di ioni attraverso la membrana, comportano effetti postsinaptici più rapidi) e i recettori metabotropici (sono recettori accoppiati a proteine G, in seguito al legame con il neurotrasmettitore si attiva la proteina G e la subunità di questa, o messaggeri intracellulari, modulano i canali ionici che aprendosi permettono il passaggio di ioni, comportano effetti postsinaptici più lenti ma più duraturi).

Neurotrasmettitori

Ci sono 2 classi di neurotrasmettitori per struttura: neurotrasmettitori a basso pm (si legano ai recettori ionotropici e/o metabotropici) e neuropeptidi (si legano ai recettori metabotropici). Si differenziano per la sintesi e processamento, per la localizzazione in zona attiva e per come vengono rimossi. Infatti, per quanto riguarda i neurotrasmettitori a basso pm, avviene prima la sintesi degli enzimi nel corpo cellulare, questi poi vengono trasportati, attraverso il trasporto assonico lento, verso la terminazione presinaptica dove, grazie anche alla presenza dei precursori dei neurotrasmettitori, vengono sintetizzati e immagazzinati in neurotrasmettitori, avviene poi il rilascio di questi e il trasporto successivo dei suoi precursori nella terminazione presinaptica.

Per quanto riguarda invece i neuropeptidi, avviene la sintesi dei precursori dei neurotrasmettitori e degli enzimi nel corpo cellulare, dopodiché viaggiano, già all’interno di vescicole, lungo i binari formati dai microtubuli e arrivano nella terminazione presinaptica dove gli enzimi modificano i precursori fino a formare i neuropeptidi definitivi che vengono rilasciati e poi degradati da enzimi proteolitici. I neurotrasmettitori a basso pm si trovano in vescicole piccole a centro chiaro (quindi più verso la membrana presinaptica) mentre i neuropeptidi in vescicole grandi a centro denso (quindi distanti dalla membrana presinaptica).

Nel caso di una stimolazione a bassa frequenza, c’è un aumento circoscritto della concentrazione di Ca (verso la membrana presinaptica) e quindi un rilascio preferenziale di neurotrasmettitori a basso pm, nel caso in cui invece c’è una stimolazione ad alta frequenza c’è un aumento più generalizzato della concentrazione di Ca e quindi un rilascio di entrambi i tipi di neurotrasmettitori.

• Acetilcolina svolge un’attività nel SNC (funzioni cognitive come l’attenzione) e nel sistema periferico (eccitatoria) (giunzioni neuromuscolari scheletriche, sinapsi gangliari sistema nervoso autonomo, sinapsi tra neuroni postgangliari e fibre parasimpatiche). Per quanto riguarda il suo ciclo di sintesi, si forma dall’Acetil CoA (deriva dal metabolismo ossidativo) e dalla Colina (dalla dieta mediante trasportatore ChT), l’acetilcolina viene poi immagazzinata in vescicole e rilasciata (si lega a recettori ionotropici o metabotropici) e viene poi degradata dall’enzima Acetilcolinesterasi in acetato e colina (che rientra nella terminazione presinaptica tramite il trasportatore ChT). Gas nervino inibisce acetilcolinesterasi.
• Glutammato è il principale neurotrasmettitore eccitatorio nel SNC. Per quanto riguarda il suo ciclo di sintesi, si forma dalla glutammina, viene incorporato in vescicole e rilasciato (si lega a recettori ionotropici o metabotropici) dopodiché può o rientrare nella terminazione presinaptica mediante il trasportatore SAT2 oppure entrare nella cellula gliale mediante il trasportatore EAAT che è Na-dipendente e che quindi lo rimuove della fessura presinaptica, nella cellula gliale il glutammato viene convertito in glutammina che lascia la cellula gliale mediante il trasportatore SN1 ed entra nella terminazione sinaptica mediante il trasportatore SAT2.
• GABA, metabolita del glutammato, è il principale neurotrasmettitore inibitorio nel SNC. Per quanto riguarda il suo ciclo di sintesi, si forma dal glutammato (mediante l’enzima GAD) poi viene immagazzinato in vescicole e rilasciato, dopodiché la sua rimozione è simile al glutammato infatti può o entrare nelle cellule gliali mediante il trasportatore GAT oppure può rientrare nella terminazione presinaptica mediante sempre il trasportatore GAT ed essere degradato (per formare il glutammato) oppure direttamente essere rimpacchettato in vescicole. La maggior parte del GABA però è convertita in succinato per la sintesi di ATP nei mitocondri (ciclo di Krebs).
• Glicina è un neurotrasmettitore inibitorio nel midollo spinale, è un coagonista del recettore NMDA (recettore ionotropico del glutammato). Per quanto riguarda la sua sintesi, si forma dalla serina e viene poi impacchettata in vescicole e rilasciata. Per quanto riguarda la sua rimozione, può o entrare nelle cellule gliali mediante il trasportatore della glicina oppure può rientrare nella terminazione presinaptica mediante lo stesso trasportatore della glicina.
• Dopamina è coinvolta nel sistema di motivazione e ricompensa, importante nella coordinazione dei movimenti del corpo (svolge azione nei circuiti dei gangli della base (striato e globo pallido)) e media gli aspetti della cognizione (svolgendo azione nei circuiti neuronali della corteccia prefrontale). Implicata anche nei disordini psichiatrici.
• Noradrenalina è importante nel locus coeruleus (tronco encefalico che proietta al prosencefalo) per funzioni cognitive come l’attenzione, sonno/veglia, comportamento alimentare, svolge anche un ruolo nel sistema motorio viscerale.
• Serotonina regola sonno/veglia, è implicata nei disordini psichiatrici infatti i farmaci antipsicotici vanno a bloccare la riassunzione di questo neurotrasmettitore.

Neuropeptidi

Per quanto riguarda invece i neuropeptidi, questi controllano le emozioni e sono:

• Peptidi encefalo/intestinali come la sostanza P, modulatore del dolore.
• Peptidi oppioidi come la leucina encefalica, ha effetti analgesici (riducono il dolore).
• Peptidi ipotalamici.
• Peptidi di varia natura come angiotensina II, neurotesina.
• ATP viene rilasciata insieme ad altri neurotrasmettitori, è eccitatorio ed è un indicatore di fatica e sonnolenza nel circuito ipotalamico, caffeina e teofillina bloccano il recettore per l’adenosina.
• Endocannabinoide, il suo recettore è CB1, ha effetti sul sistema cognitivo e sulle funzioni motorie sensorie, svolge ruolo nella plasticità sinaptica.
• Ossido nitrico è un gas che deriva dal metabolismo dell’arginina, è un messaggero retrogrado dalla cellula postsinaptica a quella presinaptica, è un vasodilatatore e svolge un ruolo nella plasticità sinaptica.

Comunicazione e integrazione sinaptica

Per quanto riguarda i recettori ionotropi, questi sono formati da 4-5 diverse subunità, hanno diverse funzioni e affinità per i ligandi endogeni (i più importanti sono quelli del glutammato e dell’acetilcolina):

• Recettore nicotinico dell’acetilcolina (nAChR) è formato da 5 subunità, 2 subunità α che legano l’acetilcolina, quindi per l’attivazione ci deve essere il legame con 2 molecole di acetilcolina. È il recettore che dà vita a sinapsi eccitatorie ed è presente nella placca motrice (giunzione neuromuscolare). Ogni subunità è formata da una porzione extracellulare e 4 domini transmembrana che formano un canale con un poro largo, con bassa selettività per i cationi. Legano anche la nicotina.
• Recettore per il glutammato, ce ne sono di due tipi: AMPA (in seguito al legame con il glutammato si apre e fa entrare ioni Na e uscire ioni K) e NMDA (ci si lega anche la glicina, in seguito al legame con il glutammato si apre e permette anche l’entrata del Ca, questo però solo se avviene un evento di depolarizzazione che determina l’espulsione del Mg che altrimenti blocca il poro, ovviamente la depolarizzazione è data dal legame del glutammato ai recettori AMPA).
• Recettore per il GABA hanno 5 subunità, la struttura è simile ai recettori per l’acetilcolina, in seguito al legame con il GABA si apre e permette l’entrata di ioni Cl che creano iperpolarizzazione o la fuoriuscita di ioni Cl. Questo recettore è modulabile tramite il legame con droghe farmacologiche che si associano nel poro.

Per quanto riguarda invece i recettori metabotropici, in seguito all’attivazione delle proteine G si possono avere diversi effetti postsinaptici:

• Recettori muscarinici dell’acetilcolina hanno 7 α-eliche transmembrana, in seguito al legame con l’acetilcolina si associano alla proteina G.
• Recettori della noradrenalina, in seguito all’attivazione della proteina G, questa attiva una cascata del segnale che coinvolge l’adenilato ciclasi, cAMP, proteina chinasi A, e quindi aumenta la fosforilazione delle proteine bersaglio, trascrizione e traduzione proteine.
• Recettore del glutammato (mGluR), in seguito all’attivazione della proteina G, si attiva la fosfolipasi C, DAG e IP3, proteina chinasi A e rilascio di Ca, quindi aumento della fosforilazione delle proteine bersaglio e attivazione delle proteine che legano il Ca, trascrizione e traduzione proteine.
• Recettori per la dopamina hanno 7 α-eliche transmembrana, in seguito al legame con la dopamina si associano alla proteina G e non avviene tutta la cascata del segnale che coinvolge gli altri recettori, quindi c’è una diminuzione della fosforilazione delle proteine.

EPSP e IPSP

PSC = g (V – E )ligando m revPSC è l’intensità della corrente postsinaptica e dipende dalla conduttanza ionica attivata dal ligando, molto importante è la E, il potenziale di inversione, ovvero il potenziale di membrana al quale non c’è flusso netto di corrente e c’è inversione di polarità (dipende dal gradiente di concentrazione delle specie ioniche e dalla permeabilità dei canali a questi ioni, corrisponde al potenziale di equilibrio se un canale è permeabile soltanto ad una specie ionica, il Erev d’equilibrio dello ione, se è permeabile e 2 ioni allora E sarà compreso tra i due potenziali d’equilibrio dei due ioni); il legame di un neurotrasmettitore al recettore, dirige il potenziale della membrana postsinaptica verso E (E < soglia IPSP, E > soglia EPSP).

Gli EPSP (potenziale postsinaptico eccitatorio) e IPSP (potenziale postsinaptico inibitorio) sono dei potenziali graduati che si generano nel neurone postsinaptico in seguito al legame del neurotrasmettitore con il recettore, ciò causa l’apertura dei canali e il flusso ionico che provoca appunto questo potenziale postsinaptico; questi flussi ionici possono favorire (depolarizzazione) o inibire (iperpolarizzazione) l’insorgenza di un potenziale d’azione. Se il legame del neurotrasmettitore al recettore-canale depolarizza la membrana postsinaptica, questa variazione viene detta EPSP, se la iperpolarizza IPSP.

Per quanto riguarda il glutammato, l’attività simultanea di più sinapsi glutammatergiche indotta dal glutammato induce l’entrata di ioni Na, dato che la Erev è 0, quindi supera la soglia (-40 mV), allora la depolarizzazione che avviene induce l’attivazione del potenziale d’azione (quindi sono EPSP).

Per quanto riguarda il GABA, l’attività simultanea di più sinapsi GABAergiche induce l’entrata indotta dal GABA di ioni Cl, dato che la Erev è -70 mV, non supera la soglia quindi l’iperpolarizzazione non può innescare un potenziale d’azione (quindi sono IPSP). Però quest’attività simultanea di più sinapsi GABAergiche può indurre anche una fuoriuscita di ioni Cl e, dato che la Erev in questo caso è -50 mV, quindi non supera il valore soglia, la depolarizzazione non può innescare un potenziale d’azione (quindi sono IPSP).